基于KMM调节器的锅炉水位前馈_串级控制系统Word格式.docx

1、KMM Co ntroller Based Feed2forwarded Cascade Co ntrol Syste m for Water Level of Boiler Drum王淑红1卢永杰2（ 兰州工业高等专科学校电气工程系1 ,兰州 730050 ;兰州机车厂2 ,兰州 730050）摘 要 介绍了 KMM 可编程调节器的特点 ,分析了以锅炉水位为控制对象的数学模型 ,对二者构成的前馈 - 串级控制系统进行了设 计 ,给出了采用 KMM 可编程调节器实现水位控制的组态图和数据表。关键词 水位控制 锅炉水位 前馈 - 串级控制 可编程序调节器Abstract The features

2、 of KMM controller are introduced and the mathematical model of the control object of boiler water level is analyzed. The feed 2 forwarded cascade control system combining these two is designed. The configuration diagram and data list for implementing water ,level control by using KMM controller are

3、 given.Key words Water level control Boiler water level Feed2forwarded cascade control Programmable controller拟式调节器兼容 ,运算 、控制及通信功能丰富 ,通用性0引言随着生产由简单过程向大型化、连续化 、集成化和 复杂化方向发展 ,与之相应的控制技术 、控制理论 、控 制系统和控制工具都发生了很大的变化。KMM 可编 程调节器是一种集近代自动控制技术 、计算机技术 、通 信技术为一体的数字式控制仪表。它主要由输入处 理 、运算处理 、输出处理三部分组成 ,可直接接受标准 的模拟电量

4、信号 ,并输出连续的模拟控制信号 ,它与模强 、可靠性高 ,使用 、维护方便 。KMM 可编程调节器具 有 45 种子程序（ 运算式） 和 30 个运算单元（ 模块） 可供 用户选用 ,用户根据实际需要选用相应子程序和单元 进行组态 ,即可完成各种运算处理与过程控制 ,除 PID 控制外 ,还能实现前馈 、选择性控制 、采样控制 、时延控 制及自适应控制等。与运算模块相关的有 7 种参数 , 由用户在组态时确定 。通过运算模块的不同组态可实 现多种控制功能 ,特别适合单回路连续控制系统。本 文以锅炉水位前馈 - 串级控制系统为例 ,介绍 KMM 可 编程调节器的应用。1锅炉给水控制系统锅炉是工

5、业生产中的重要动力设备 。在锅炉的正 常运行中 ,汽包水位是其主要工艺指标 。当汽包水位过 高时 ,会造成蒸汽带液 ,其结果不仅降低了蒸汽的产量 和质量 ,而且会损坏汽轮机叶片 ;当汽包水位过低时 ,轻 则影响汽水平衡 ,重则烧干锅炉 ,甚至引起锅炉爆炸。 所以 ,必须严格将水位控制在规定的工艺范围内。锅炉汽包水位控制的任务是使给水量适应锅炉的 蒸发量 ,并控制其在规定的工艺范围内 。因此 ,汽包水 位 h 是被控参数 ,而引起水位变化的扰动量很多 , 如 锅炉的蒸汽量 qD 、给水流量 qW 、炉腔热负荷 （ 燃料量） 及汽包压力等 。但燃料量的改变不但会影响到水位的 变化 , 更主要的是可

6、以起到稳定气压的作用 , 故常把它 作为锅炉燃烧控制系统中的一个控制量 。蒸汽量是锅 炉的负荷 , 显然这是一个可测而不可控的扰动 , 因此常 常对蒸汽负荷考虑采用前馈补偿 , 以改善在蒸汽负荷 扰动下的控制品质 。最后 , 从物质平衡关系可知 , 为适 应蒸汽负荷的变化 , 应以给水流量 qW 为控制变量。在三冲量给水控制系统中 ,调节器接受汽包水位 h 、蒸汽流量 qD 及给水流量 qW 三个信号 （ 冲量） , 如图 1 所示 。由图 1 可知 , 这是一个以蒸汽流量为前馈信 号和汽包液位（ 主参数） 与给水流量（ 副参数） 相串级的 前馈 - 串级控制系统。图 1 锅炉汽包水位前馈一串

7、级三冲量控制系统原理图本系统不但能通过串级副回路及时克服给水流量 的干扰 ,而且还能实现对蒸汽负荷的前馈控制 ,在稳定图 2 锅炉水位前馈一串级控制系统框图增大时 ,调节器应开大调节阀门 ,标以“ + ”,反之标以“- ”。而由水位测量原理知 ,当汽包水位下降时 ,差压 信号增加 ,这时应开大给水阀门 , 故水位信号 h 的极 性为“+ ”; 蒸汽负荷增加时 , 为维持物质平衡关系应开 大给水阀门 , 故蒸汽负荷信号 qD 的极性为“ + ”; 给水 流量若由于给水母管压力波动等原因发生变化时 , 因 这时 qW 的变化不是控制作用的结果 , 而只是一种内 部扰动 , 故应予以迅速消除 , 显

8、然给水流量信号 qW 的 极性应为“- ”; 水位给定信号应与被控参数水位信号 相平衡 , 故水位给定值信号 h0 的极性应为“- ”。在这种三冲量给水控制系统中 ,汽包水位信号 h 是主信号 , 也是反馈信号 , 在任何扰动引起汽包水位变 化时 , 都会使调节器动作 , 以改变给水阀门的开度 , 使 汽包水位恢复到允许的波动范围内 。因此 , 以水位 h 为被控量形成的外回路能消除各种扰动对水位的影 响 ,保证汽包水位维持在工艺所允许的变化范围内。 蒸汽流量是系统的主要干扰 , 而应用了前馈补偿后 , 就 可以在蒸汽负荷变化的同时按准确方向及时地改变给 水流量 , 以保证汽包中物料平衡关系

9、, 从而保持水位的 平衡 。另外 , 蒸汽流量与给水流量的恰当配合 , 又可以 消除系统的静态偏差 。给水流量信号是内回路反馈信 号 , 它能及时反映给水量的变化 , 当给水调节阀的开度 没有变化 , 而由于其它原因使给水压力发生波动引起 给水流量变化时 , 由于测量给水量的孔板前后压差信 号反应很快 , 时滞很小 , 故可在被控水位还未来得及变 化的情况下 , 调节器即可消除给水侧的扰动而使过程 很快地稳定下来 , 因此由给水量信号局部反馈形成的 内回路能迅速消除系统的内部扰动 , 稳定给水量。2 锅炉水位的动态特性根据物料不平衡和热平衡的关系 ,锅炉汽包水位 调节对象的动态特性经推导和化简

10、 ,可写成 :工况下 ,给水量等于蒸汽量的变化 ,从而维持了水位的不变 。图 2 为锅炉水位前馈 - 串级控制系统框图 ,图T1 T2d 2 hd t2+ T1d h d t= （ TWd uW d t+ KW uW） -中 D ,W 及H 分别为蒸汽流量 、给水流量 、水位测量 变送器的转换系数。d uDTD d tKD uD进入调节器各信号的极性是这样决定的: 当信号式中 : h 是汽包水位的高度 : TW 是给水流量项的时间常数 ; TD 是蒸汽流量项的时间常数; KD 是蒸汽流量项 的放大倍数 ; KW 是给水流量项的放大系数; uD =qD/ qDmax , qD 是锅炉蒸流流量 ;

11、 uD =qW/ qDmax , qW 是锅炉 给水流量 ; T1 与 T2 是时间常数。可见 ,引起汽包水位变化的扰动主要是蒸汽流量 （ 称为外扰动） 和给水流量（ 称为内扰动） 。内扰动时 ,锅炉汽包水位调节对象的运动方程式 可表示为态图。由组态图所示 ,AIR1 为汽包液位信号 ,AIR2 为 蒸汽流量信号 ,AIR3 为给水流量信号。流量信号均经 过开平方模块处理。PID1 和 PID2 分别取代了控制流 程图中调节器 LC 和 FC ,ADD 模块对应于流程图中的 加法器 。模块 SUB 是为实现由图 1 自动 （ A） 向串级 （C） 无扰动切换而设置的 ,即达到由“A”切换至“C

12、”时 , KMM 调节器的输出 A01 信号不变。因为 KMM 调节器 在“A”状态下运行时 ,三冲量控制就成为给水流量的d2 hd hd uW单回路控制系统。KMM 调节器必须在“C”状态下运T1 T2 d t2 + T1 d t = （ TWd t + KW uW）行 ,才是三冲量控制。两边取拉氏变换 ,结合工程实际忽略较小的 TW , 并考 虑到汽包水位在较长一段时间里不随给水量的增加而 增加 , 可得到该过程的动态数学模型为G（ S） = H （ S ） = 1 e - s = 1 e - 45 s三冲量控制系统的输出处理数据表和运算单元连 接关系如表 1 和表 2 所示。表 1 输出

13、处理数据表UW （ S）tdS130 S 连接的内部信号名称输 出输出端代 码式中 :为给水扰动下的纯滞后时间; td = 1/ , 为水位 信号名 代码 反应时间。一般锅炉 ,为 30100s ; td 为 30 150s。 本系统仿真过程中取为 45s , td 为 130s。外扰动下 ,锅炉汽包水位调节对象的动态特性方 程为模拟输出数字输出AO1 AO2 AO3 DO1 DO201U4U0004020301 DO3 03 T1 T2 d t2 + T1 d t = （ TWd t + KW uW） -d uDTD d t + KD 表 2 三冲量控制运算单元关系表 运算 模块 H1 输入

14、信号 H2 输入信号 P1 输入信号 P2 输入信号对上述方程进行拉氏变换 , 并令 K = （ KD T2 -TD） / T1 ,= T1/ KD ,得模块 编号 名称编 信号 号 名称信号代码代码 名称信号信号代码代码名称名称 H（ S ） 1 K 1 PID1 20 LSP1 P0001 AIR1 P0301 U3 U0003 OFF P0502GD （ S） = -UD （ S）TS +T2 S + 12 ADD 01 U1 U0001 AI2 P0402 K1100K21003 SUB 02 LSP2 P0011 AI2 P0402 K3100K41003控制系统组态图 3 为锅炉汽

15、包液位三冲量控制系统流程图和组图 3 锅炉水位前馈一串级控制系统组态图4 PID2 21 U2 U0002 AI3 P0403 U5 U0005 OFF P05025 MAN 19 U4 U00044结论KMM 调节器作为一种数字式控制仪表 ,兼有计算 机和 DDZ - 型调节器的功能 ,可直接接受标准模拟 量信号 ,并输出标准连续的模拟控制信号 。近年来 ,在 我国石化 、冶金 、电力 、轻工等行业应用越来越广泛 ,然 而常常由于初用者对仪表不熟悉 ,应用它进行设计时 会遇到这样或那样的问题 ,希望本文所提供的应用实 例能对使用者有所一些帮助。1 邵裕森 ,戴先中. 过程控制工程 M . 北

16、京 :机械工业出版社 ,20012 侯志林. 过程控制与自动化仪表 M . 北京 : 机械工业出版社 ,20023 张量明 ,夏桂娟. 工业锅炉自动控制 M . 北京 : 中国建筑工业出版社 ,1987收稿日期 :2002 - 12 - 02 。第一作者王淑红 ,女 ,1969 年生 ,1992 年毕业于兰州交通大学 ,现为 西安电子科技大学在读硕士研究生 ,讲师 ;主要从事过程控制 、单片机应 用方面的教学和科研工作 ,发表文章 10 余篇 。基于现场总线的蓄热式加热炉测控系统Fieldbus Based Monitoring Syste m for Heat Storage Typ e H

17、eating Furnace葛芦生杨波刘亮（ 安徽工业大学 ,马鞍山 243002）摘 要 加热炉是热连轧生产线的重要设备 ,近年来基于现场总线的分布式测控系统在连续加热炉中的应用越来越多。介绍了用于 蓄热式加热炉的 Profibus 现场总线分布式测控系统的硬件构成和软件功能 ,重点讨论了加热炉回路控制方案和故障联锁分析应用软 件的实现方法。关键词 燃烧控制 蓄热式加热炉 现场总线 分布式系统Abstract Heating furnace is the major equipment of continuos heat rolling production line. In recent

18、years , the fieldbus based distributed monitoring systems have been more and more used in continuos heating furnaces. The hardware composition and software functions of Profibus fieldbus distributed monitoring system for heat storage type heating furnace are introduced. The strategy of loop control

19、for heating furnace and implementing method of appli 2 cation software for fault interlock analysis are focused.Key words Combustion control Heat storage type heating furnace Fieldbus Distributed system包水位控制系统 。该加热炉实际测控参数统计如下:模加热炉是热轧生产线的重要设备 ,也是典型的耗 能设备 。它是一个具有大惯性 、纯滞后和分布参数的 非线性系统 。蓄热式加热炉是基于蓄热式热交换原理

20、 和高温空气燃烧技术的新型加热炉 ,与普通加热炉相 比具有以下优点 : 蓄热式加热炉利用纯高炉煤气作 燃料 ,通过空气 、煤气双预热方法使被加热钢坯出口温 度达到轧制要求 ,降低了燃料的限制 ; 蓄热式加热炉 燃料燃烧充分 ,余热回收率达到 90 %95 % ,大大减少 对环境污染的影响 。郑州热轧带钢厂采用这种新型蓄 热式 加 热 炉 , 其 测 控 系 统 先 用 Siemens 公 司 S7 - 400PLC ,根据加热炉空间位置和参数分布应用 Profibus 总线构成分布式测控系统 ,完成加热炉回路控制 、相关 参数的实时采集分析 、故障联锁处理及加热炉运行工 况实时显示监控。1系统

21、硬件结构郑州热轧带钢厂蓄热式加热炉在加热工艺上分为 三段 :预热段 、加热段和均热段 。预热段不设烧嘴 ,由炉 膛烟气余热对钢坯进行预热 。加热炉的主要回路控制 , 即燃烧控制系统位于加热段和均热段 ,加上汽化冷却汽拟量输入（AI） 73 路 、模拟量输出 （AO） 14 路 、开关量输 入（DI） 24 路以及开关量输出 18 路 ;主要控制回路有 : 加热段上侧温度控制（ 空气 、煤气流量控制） ; 加热段下侧温度控制（ 空气 、煤气流量控制） ; 均热段上侧温度控制（ 空气 、煤气流量控制） ; 均热段下侧温度控制（ 空气 、煤气流量控制） ; 加热段空气 、煤气蓄热室排烟阀控制 ; 均热段空气 、煤气蓄热室排烟阀控制 ; 汽化冷却汽包水位控制 ; 空气 、煤气换向阀换向控制 。 加热炉测控系统硬件选用了 Siemens 公司 S7 -400PLC ,根据加热炉测控点空间位置分布 ,在加热炉炉 头 、加热炉炉尾 、加热炉左侧和加热炉右侧各设置 1 个 RM200 从站 ,通过 Profibus - DP 总线构成分布式测控系 统 ,现场总线传输速率为 256 Kbit/ s ,加热炉区和轧线区 现场总线通过一中继器联接 。系统硬件结构如图 1 所 示。2 系统软件功能蓄热式加热炉测控系统应用软件通过 Step 语言 编程 ,主要软件功能包括 :加热炉运行参数回路控制算