基于KMM调节器的锅炉水位前馈_串级控制系统Word格式.docx
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KMMControllerBasedFeed2forwardedCascadeControlSystemforWaterLevelofBoilerDrum
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
AbstractThefeaturesofKMMcontrollerareintroducedandthemathematicalmodelofthecontrolobjectofboilerwaterlevelisanalyzed.Thefeed2forwardedcascadecontrolsystemcombiningthesetwoisdesigned.Theconfigurationdiagramanddatalistforimplementingwater,levelcontrolbyusingKMMcontrolleraregiven.
KeywordsWaterlevelcontrolBoilerwaterlevelFeed2forwardedcascadecontrolProgrammablecontroller
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,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,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
T1T2
d2h
dt2
+T1
dhdt
=（TW
duWdt
+KW·
uW）-
中γD,γW及γH分别为蒸汽流量、给水流量、水位测量变送器的转换系数。
duD
TDdt
KD·
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=ΔqD/qDmax,qD是锅炉蒸流流量;
uD=ΔqW/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”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
d2h
dh
duW
单回路控制系统。
KMM调节器必须在“C”状态下运
T1T2dt2+T1dt=（TW
dt+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）=1e-τs=1e-45s
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输出处理数据表
UW（S）
tdS
130S
连接的内部信号名称
输出 输出端 代码
式中:
τ为给水扰动下的纯滞后时间;
td=1/ε,为水位
信号名 代码
反应时间。
一般锅炉,τ为30～100s;
td为30～150s。
本系统仿真过程中取τ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
AO1AO2AO3DO1DO2
01 U4 U0004
02
03
01
DO3 03
T1T2dt2+T1dt=（TW
dt+KW·
uW）-
duD
TDdt+KD·
表2三冲量控制运算单元关系表
运算模块H1输入信号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=（KDT2-
TD）/T1,τ=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
1PID120LSP1P0001AIR1P0301U3U0003OFFP0502
GD（S）=
=-
UD（S）
TS+
T2S+1
2ADD01U1U0001AI2P0402K1 100 K2 100
3SUB02LSP2P0011AI2P0402K3 100 K4 100
3 控制系统组态
图3为锅炉汽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
4PID221U2U0002AI3P0403U5U0005OFFP0502
5MAN19U4U0004
4 结论
KMM调节器作为一种数字式控制仪表,兼有计算机和DDZ-Ⅲ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].北京:
机械工业出版社,2001
2侯志林.过程控制与自动化仪表[M].北京:
机械工业出版社,
2002
3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
FieldbusBasedMonitoringSystemforHeatStorageTypeHeatingFurnace
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
AbstractHeatingfurnaceisthemajorequipmentofcontinuosheatrollingproductionline.Inrecentyears,thefieldbusbaseddistributedmonitoringsystemshavebeenmoreandmoreusedincontinuosheatingfurnaces.ThehardwarecompositionandsoftwarefunctionsofProfibusfieldbusdistributedmonitoringsystemforheatstoragetypeheatingfurnaceareintroduced.Thestrategyofloopcontrolforheatingfurnaceandimplementingmethodofappli2cationsoftwareforfaultinterlockanalysisarefocused.
KeywordsCombustioncontrolHeatstoragetypeheatingfurnaceFieldbusDistributedsystem
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:
①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;
②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:
①加热段上侧温度控制（空气、煤气流量控制）;
②加热段下侧温度控制（空气、煤气流量控制）;
③均热段上侧温度控制（空气、煤气流量控制）;
④均热段下侧温度控制（空气、煤气流量控制）;
⑤加热段空气、煤气蓄热室排烟阀控制;
⑥均热段空气、煤气蓄热室排烟阀控制;
⑦汽化冷却汽包水位控制;
⑧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256Kbit/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
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