基于HC900的锅炉汽包水位控制的设计文档格式.docx

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Abstract:

ThispaperbrieflyintroducedtheHC900controllerofHoneywellCorporationanditsuseintheDCSofindustrialboiler,describedtħefunctionsandfeaturesofHC900andhowtousetheconfigurationsoftwareHCDesignerwithHC900.Thearticlefocusedontheresearchofdynamiccharacteristicofdrumwaterlevel.Accordingtotheeffectsofwaterlevelwhichfromthedifferencebetweenthewaterflowandsteamflow,aThree-ImpulsecontrolschemeisdesignedfbrwaterlevelcontrolandtheprogramwasrealizedbyusingtheconfigurationsoftwareHCDesigner.Thecontrolprogramhasachievedthepurposeintheactualproduction.

Keyword:

HC900;

drumwaterlevel;

Three-Impulsecontrol;

configuration

工业锅炉在我国拥有相当大的数量，对锅炉采用自动控制是必不可少的环节。

锅炉的水汽系统和燃烧系统都是十分复杂的控制对象，这二者控制的优劣直接影响到锅炉运行的安全性、稳定性和生产的效益。

在锅炉的运行过程中，汽包水位是至关重要的一个参数。

水位过高，则锅炉的汽水分离效果不好，使用汽设备发生故障，例如损坏汽轮机的叶片等，并旦还会造成管道结垢；

若水位过低，则影响锅炉本体的水循环，严重时甚至造成干锅、爆炸等事故。

因此，实现汽包水位的自动控制，对于锅炉的安全运行具有重要意义|七

1控制系统简介

经过多年的发展，DCS已经成为计算机控制系统中的主流产品，广泛应用于各种工业生产环境。

安徽佳通轮胎有限公司的锅炉DCS采用的是Honeywell公司推出的HC900混合控制系统，上位机则采用Wonderware公司的InTouch10.0软件，实现人机界面程序的编写。

1.1HC900控制器简介

Honeywell公司的HC900混合控制器是一种先进的回路/逻辑混合型控制单元，采用模块化设计，满足各种过程处理设备对于控制和数据管理的需要。

HC900提供32个P1D控制［H］路，256个A1,64个AO,总I/O点数为512,100多种控制和运算功能块，2000个可组态功能块。

由于采用开放的以太网连接及ModbusTCP协议，可采用各种第三方HMI/SCADA软件实现网络接入明HC900控制器提供优质的PID回路控制，以及在保证逻辑控制的前提下，提供比大多数逻辑控制器鲁棒性更强的模拟处理功能。

可在个独立、快速的扫描周期内执行完各种逻辑利算法功能模块。

同时，逻辑模块也可与模拟功能模块在同一扫描周期中执行。

这些功能块可以被完仝整合入一个混合的模拟与逻辑控制策略中，以获得理想的控制效果。

HC900控制器还具有冗余的特点，具有双网络、双电源、双CPU的结构。

无论是网络、电源还是CPU,都处于一用一备的状态，当正在运行的部分发生故障时，控制器会自动切换到备用部分，继续使系统正常运行，而且这个切换过程是一个无扰动切换，系统的所有设备和参数都不会受到十扰。

HC900控制器的冗余性为系统的安全运行提供了有力的保障【％

整个DCS系统的结构可分为3层，如图1所示。

最底层为现场仪表层，接收数据后上传至控制层，控制层接收到的数据则可传送到上位机，供管理层查看；

管理层可对控制层发出指令，控制层接收到指令后则传向现场设备，控制现场设备的动作。

Ψf∏]-层的控制层即为HC900控制器的工作层，HC900可以进行扩展，以提供足够的点数供不同的DCS使用。

图1系统结构图

1.2HCDesigner组态软件简介

在组态软件方面，HCDesigner混合控制设计软件是专用于HC900控制器的控制策略组态工具，是基TWindows的应用程序，简单易用，订通过以太网、串行端I」和调制解调器连接操作，简化了控制器的组态，与带有双以太网功能的HC900-C70系列CPU一起使用时，HCDesigner混合控制设计软件支持对两个通讯端口的验证，可以与任端门连接使用。

这种控制器提供先进的监控功能用于调试，允许通过软件改变运行模式设置，上传完整的、带注释的、图形化的控制器组态I气组态软件的操作界面如图2所示。

图2HCDesigner组态界面图

HCDesigner通过调用100多种类型，功能丰富的运算控制功能块，可生成满足实际控制需要的具体的控制策略，每个控制器的控制组态程序可包括多达2000个功能算法功能块。

HC900混合控制器的HCDesigner组态软件提供就地操作员盘的快速设置。

二者之间是采用集成化数据库一只要选择显示格式并拖弋位号到指定的显示区域即可。

可打印的资料库包括完整的过程资料、工作表单、处方、设置模型、显示画面及输入输出点的所有清单•通过以太网络，RS232端口或通过调制解器等连接手段来完成组态程序的下载和上载并可以进行在线实时监控和系统诊断⑶。

总之，它提供全面的I/O处理以及功能算法模块，支持所有的控制功能。

为实现不同的控制功能，Honeywell提供了各种带有•系列参数的功能块，功能块之间可以通过软接线的方式方便地实现各种控制策略的构筑。

2汽包水位控制研究

2.1汽包水位特性分析

锅炉是•个多输入多输出且互相关联的复杂控制对象，其中锅炉汽包水位的稳定是锅炉正常运行的重要指标之、影响汽包水位的因素有很多，例如流星、温度、压力等等。

但影响最直接的是流量的变化，个是给水流量，另•个是蒸汽流量。

给水流量增大时，由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，就从饱和水中吸收部分热量，这使得水位下汽泡容积有所减少，当汽泡容积的变化过程逐渐平衡时，水位就完全根据给水量的增加而上升，随之减少而卜降。

蒸汽流量的变化所带来的扰动具有所谓"

虚假水位”的现象。

蒸汽流量增大时，蒸汽流量大于给水量，从锅炉的物料平衡关系来看，水位应该卜降，但实际情况却并非如此。

山于蒸汽用量增加导致汽包内压力骤降，水的沸点降低继而沸腾加剧，水中汽泡的体积迅速扩大，结果水位反而是先上升，然后才会下降；

反之，蒸汽流量减少时，水位会先下降后上升向。

2.2汽包水位三冲量控制

在汽包水位的控制中，被控变量是汽包的水位，操纵变呈是给水流星，通过调节给水阀门的开度来调节给水量的大小，进而调节汽包水位。

为克服虚假水位所带来的影响，采用三冲量的控制方式，三冲量叩汽包水&

、蒸汽流量和给水流量三个变量。

三冲量的控制方式与以往单冲量的控制方式相比有着很大的提高。

单冲量只考虑汽包水位这一个参数的变化，仅仅依据水位高低来决定给水堇的大小，水位低时增大给水量，反之则减小给水量。

在遇到如上所述的虚假水位情况时，其弊端暴露无遗。

蒸汽流量增加时，水位先升后降，若只考虑水位变化，在调节的初期会减少给水量，之后当虚假水位消失水位开始下降时，给水量才会增加。

这样的调节需要的时间较长，而且很不稳定，在虚假水位的影响下，水位忽高忽低，波动范围很大。

三冲量控制不仅检测水位的变化，而且根据蒸汽流量和给水流量的大小来决定给水阀门的开度大小。

当蒸汽流量增大时，虽然水位开始有所下降，但并不会因此而增大阀门的开度，其最终的调节动作是适当地增加给水流量，以保证水位的稳定。

经观察发现，当锅炉稳定燃烧时，汽包水位处于稳定的状况之下，蒸汽流量和给水流量之间有固定的荒值。

该固定差值即可作为控制的目标，即将汽包水位的控制转化为蒸汽流量和给水流量之间差值的控制，不同的水位则对应着不同的差值。

例如，当实际水位与给定水位基本相同时，此时要求给水流量应和蒸汽流量基本相同，或稍微大于蒸汽流量（考虑到水在转化为汽的过程中有损耗），即可保证汽包进出水相同，水位保持稳定；

当实际水位低于给定水位时，则要求给水流量应大于蒸汽流量，且水位低得越多，给水量比蒸汽量也就要大得越多，增加给水量，提高水位，反之亦然。

本控制方案中采用一个函数发生器来判断当前水位下给水流量和蒸汽流量间应该有的差值，函数发生器的输出作为给定量送入PID回路参与调节。

汽包水位控制方案如图3所示•

图3汽包水位控制方案框图

由图3W看出该控制方案的工作过程，当前所测得的实际水位与预先设定的水位作比较，经函数发生器整定后，输出一个合理的蒸汽流量和给水流量的差值，作为P1D调节的设定值SV,另外实测的蒸汽流量和给水流量作减法后得到的差值作为PID调节的实测值PV,经过PID回路计算后输出一个合理的数值，控制水阀的开度。

函数发生器的功能是产生分段线性函数，输入值可以设置多个断点x∣,x2,∙∙∙∙∙∙xn,与之相对应的断点输出为Y∣,丫2,∙∙∙∙∙∙Yn.函数功能则定义如下：

当输入X<

=X1时，输出Y=Y|：

当X∣<

=X<

=X2时，γ1<

=γ<

=γ2且线性变化；

……，当x>

=x11时，Y=Yn»

实际水位与给定水位之间存在一定的差值，该羌值经函数发生携整定后得到个输出，该输出即为当前水位下蒸汽流量和给水流量应当存在的差值,然后与实际所测的蒸汽流量和给水流量的差值作比较，经PID计算输出调节给水流量，使二者差值趋近于函数发生器的输出，进而稳定水位。

函数发生器直观地体现出了被控变量的要求，当工况发生变化时，也易于进行修改。

本文采用的汽包水位控制方案实际也是一种串级控制，但与以往的串级控制又有所不同。

以往的串级控制拥有两个PID模块，分别为主回路控制和副回路控制。

此处采用的方案只用了一个P1D模块用作副回路控制，而采用了函数发生器来作为主回路的控制器。

PID模块是函数发生器的随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过函数发生器和P1D的调节后对汽包水位的影响很小，因此在P1D模块中引入了蒸汽流量和给水流量这两个变化剧烈、频繁、幅度大的扰动

HC900控制器的组态编写软件HCDesigner提供了丰富的功能模块，大大减少了程序编写的工作最。

使用I/O模块来实现模拟量的输入输出，包括采集水位和流量信号，以及发送至水阀的输出信号；

减法器模块来计算所需要的差值；

函数发生器模块以及P1D模块也可在组态软件中直接利用。

为实现完整的自动控制回路,还应有PID爹数的整定，输出信号的处理，以及白动跟踪和无扰动切换，这些功能都可利用HCDesigner⅛行组态实现，完整的控制组态图如图4所示。

图4中L1101为实测水位,L1-RSP为给定水位,二者经SUB模块相减，是值为函数发生器FGEN的输入，输出作为PID模块的远程设定值RSP。

F1101和FI102分别为蒸汽流量和给水流量，二者相减的差值作为PID模块的输入。

利用WTUN模块写入P1D模块的比例P、积分I、微分D的值。

考虑到设备的动作灵敏度以及对设备的保护，整定后输出的信号经由限速模块VLIM限制其变化速率，以避免设备动作过「频繁而缩短使用寿命。

为保留手动控制方式，输出的信号还需经过信号选择模块SW。

L1C-KG是手动开关，当其值为1时，为手动控制方式，SY为引脚高电平，选择输出手动信号LC101A,反之则选择输出。

动信号•输出信号经由模拟输出AO模块发送至给水控制阀，调整阀门开度。

D110I为给水阀门手操器的手动控制状态反馈信号，当手操器处于手动控制时，D1101为1,将PID模块的TRC引脚置为1,此时PID模块的输出将等于TRV引脚的输入LZ101,即给水I阀门的开度反馈，以此实现信号的跟踪。

HoneywellHC900控制器是•款功能强大的混合控制器，利用它可以方便地实现锅炉DCS控制系统的组态。

其丰富的功能模块，高精度的参数采集，先进的过程控制功能等，为锅炉安全有效地运行提供了基础。

本文基于HC900控制器设计的汽包水位控制方案，用函数发牛器代替了以往串级控制中的主回路PID控制器，直接根据水位对给水流量和蒸汽流量的差值需求，由抗干扰性能强的副同路调节输出，进而控制给水阀门开度，调节汽包水该控制方案目前应用于安徽佳通轮胎有限公词热电站的1台35t∕h锅炉和1台65t∕h锅炉,取得了良好的控制效果，将汽包水位稳定在-30mm~+30mm之内，完全符合锅炉运行规范中汽包水位在-50mm~+50mm之问波动的要求。

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化学匚业出版社,2006.

作者简介

胡社教为，1964年生，博士，副教授。

主要研究方向：

智能信息处理，图像处理，智能检测等，己发表文章二I余篇。

王军男，1986年出生，硕士研究生，主：

要研究方向：

智能信息处理，信号检测等。