基于PLC的水位控制系统设计毕业设计.doc
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1、华东交通大学理工学院Institute of Technology.East China Jiaotong University毕 业 设 计Graduation Design(20132014年)题 目 基于PLC的水位控制系统设计全文结构不尽合理,格式存在大量错误,具体见文内批注! 分 院: 电气与信息工程分院 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: 电力2010-4 学 号: 20100210470533 姓 名: 王海峰 指导教师: 李房云 起讫日期: 2014年3月至2014年6月 华东交通大学理工学院毕业设计(论文)原创性申明本人郑重申明:所呈交的毕业设计(论文)是本人在导师指导下
2、独立进行的研究工作所取得的研究成果。设计(论文)中引用他人的文献、数据、图件、资料,均已在设计(论文)中特别加以标注引用,除此之外,本设计(论文)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。毕业设计(论文)作者签名: 日期: 年 月 日毕业设计(论文)版权使用授权书本毕业设计(论文)作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计(论文)的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计(论文)的复印件和电子版,允许设计(论文)被查阅和借阅。本人授权华东交通大学理工学院可以将本设计(论文)的全部
3、或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编毕业设计(论文)。(保密的毕业设计(论文)在解密后适用本授权书) 毕业设计(论文)作者签名: 指导教师签名:签字日期: 年 月 日 格式问题,请参照学校相关文件进行修改! 签字日期: 年 月 日摘 要节约能源, 提高生产工艺过程中的能量利用率和开发研究新的节能技术已成为各国研究能源利用技术的主要课题。随着生产工艺的改进和采用有效的节能技术设备,一次能源利用率的逐步提高,高温余热资源的总量相应减少,大量的中、低温余热和固体显热的余热未得到经济而有效地回收利用。为了给好更充分的利用资源和减少能源浪费,因此,余热锅炉产生了
4、并高速发展。汽包水位的稳定性是余热锅炉运行的主要指标,为了保证余热锅炉的安全、稳定、经济运行,本文设计采用了性能先进的PLC、微型计算机、智能调节器等自动设备组成的余热锅炉自动控制系统,并且以三冲量调节方式对余热锅炉汽包液位进行控制。这样使整个系统适应能力更强,抗干扰能力和鲁棒性更好,保证水位的稳定。因此,设计出更精准、更灵活的水位控制系统是非常必要的。关键词:余热锅炉;汽包水位; 三冲量; 串级系统;PLC; AbstractTo save energy, improve the production process of energy utilization and development
5、 research new energy-saving technology has become energy utilization technology in all countries the main research topic. As improve the production process and adopting effective energy saving technology and equipment, once the gradual improvement of the energy efficiency, high temperature heat reso
6、urces corresponding decrease the amount of low-temperature heat and solid, did not get the sensible heat waste recycling economic and effectively. In order to give good more fully utilization of resources and reduce energy wasted, so, waste heat boiler produced and high-speed development. The stabil
7、ity of the drum water level is waste heat boiler operation of the main index, in order to guarantee the waste heat boiler safety, stability and economic operation was designed using performance, this paper advanced PLC, microcomputer, intelligent regulator automated equipment such as the waste heat
8、boiler of automatic control system, regulating mode in three impulse and to waste heat boiler drum liquid level control. This ability to adapt to the whole system, the anti-interference ability and stronger robustness, guarantee the stability of water. Therefore, design a more accurate and more flex
9、ible water level control system is very necessary.Keywords: waste heat boiler; drum level; three impulses; cascade system; PLC;目 录摘 要4Abstract51、绪 论81.1 余热锅炉水位控制系统的意义81.2余热锅炉的现状和发展81.2.1余热锅炉的现状81.2.2余热锅炉的发展91.3余热锅炉水位控制的现状和发展102、余热锅炉系统结构112.1余热锅炉的分类及结构112.1.1余热锅炉的分类112.1.2余热锅炉的结构122.2余热锅炉生产工艺过程简介132.
10、2.1铜转炉生产过程简介132.2.2余热锅炉生产工艺过程143、余热锅炉的水位特性及控制153.1余热锅炉的水位特性153.1.1锅炉汽包水位的特性153.2汽包水位调节153.2.1单冲量水位调节系统153.2.2双冲量水位调节系统163.2.3三冲量水位调节系统174、110T铜转炉生产余热锅炉水位控制系统PLC软件设计194.1控制系统设计思想和总体方案194.2应用软件总体结构194.3程序设计与分析204.3.1主程序功能204.3.2主程序框图214.3.3改进三冲量控制子程序224.3.4并联FUZZY/模糊自适应PID子程序235、结论及展望25参考文献261、绪 论绪论 还
11、需包含你所研究的内容(文章的结构);另外后续章节建议第二章写整体方案的设计;第三章写系统硬件的设计;第四章写系统的软件设计,最后写仿真以及结论1.1 余热锅炉水位控制系统的意义余热锅炉是将工业生产过程中产生的余热烟气(如:北方供暖锅炉产生的余热烟气,制砖厂生产过程产生的余热)转化成蒸汽,为生产过程提供动力、热能或着通过热电站汽轮发电机组转化为电能。它能够回收余热,高效利用和节约能源,实践证明,余热锅炉在各企业的节能中发挥了相当有效的作用,获得了较好的经济效益,其投资一般可在3年4年内回收,这对于企业实现“节能减排”、“环境保护”,及资源的循环利用具有重要的作用。水位控制系统的稳定性是余热锅炉运
12、行的主要指标。其主要任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量,并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。这是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件,也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高,会影响汽包内汽水分离效果,使汽包出口的饱和蒸汽带水增多,蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击,引起轴封破损、叶片断裂等事故。水位过低,则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节,以致局部水冷管壁被烧坏,严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加,水位变化速度越来越频繁,人工操作越来越繁重,因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。目前,常规PID控制方式是主流汽包水位的控制方法,其控制效果常常难以满足要
13、求。针对余热锅炉给水过程的特点,应用一种带有参数在线自校正模糊PID控制器的多冲量控制系统,实现余热锅炉汽包水位的定值控制。这样使整个系统适应能力更强,抗干扰能力更好,保证水位的稳定。因此,设计出更精确、更灵活的水位控制系统是非常必要的。1.2余热锅炉的现状和发展1.2.1余热锅炉的现状节约能源,提高生产工艺过程中的能量利用率和开发研究新的节能技术已成为各国研究能源利用技术的主要课题。随着生产工艺的改进和采用有效的节能技术设备,一次能源利用率的逐步提高,高温余热资源的总量相应减少,大量的中、低温余热和固体显热的余热未得到经济而有效地回收利用。因此,余热利用技术正由高温排烟的余热回收技术转向中、
14、低温和固体显热的余热回收利用技术。为提高能源利用率和节约能源,除采用高能效的新设备和新工艺外,采用余热锅炉回收各类余热也是提高能源利用率的重要手段。为此,各国先后开展了余热锅炉的研制工作,并在节能中大力推广应用余热锅炉,取得了显著的节能成果。目前,国外利用余热发电的新趋势,是单机功率小,载热体温度低(即利用中低温余热发电)。国内也有一些利用余热发电,如炭黑工业中的低热值尾气余热和硫酸工业中的硫酸余热发电等,所发的电能主要供工厂自用。目前,已把如何利用中低温的低品位余热发电,作为开发节能新技术的重要课题。余热锅炉是一种理想的节能设备, 它不但能节约能源,而且对提高主流程的质量,减轻公害和满足某些
15、工艺流程要求,都起着十分重要的作用。现有的余热锅炉按进锅炉的介质特性,有以下几种主要型式:(1)废烟气不需要进一步处理的余热锅妒;(2)废烟气需要进一步处理的余热锅炉;(3)废烟气要进一步处理, 且其冷却应在给定的间时内完成的余热锅炉;(4)固体显热的余热锅炉1.2.2余热锅炉的发展我国在上世纪50、60年代还没有研究和设计余热锅炉的专业队伍,主要是仿制一些余热锅炉。在70年代初发生世界性石油危机和各工业发达国家争相加快余热锅炉的开发时,我国也着手并开始实施发展余热锅炉的规划,并从1974年1980年,先后投资扩建余热锅炉研究和制造基地,现已具有一定的余热锅炉研制能力及雄厚的科研基础。至今已开
16、发并制造了涉及19各类别、92各品种、129各规格、用于冶金、化工、建材和轻纺等行业的余热锅炉。但是和外国先进的技术来说,还是有许多不足,所以加强与国外的技术交流,借鉴国外的先进经验是必不可少的。美国在50年代就开始研究用于回收钢铁工业余热回收的余热锅炉,此后相继开展了用于回收其它行业余热源的余热锅炉研制,至今已经有四五十年的历史,并积累了大量的经验。上世纪7O年代末,美国QDOT公司开始研制QDOT式热管式余热锅炉,首台锅炉用于甲苯的蒸发加热。到目前为止,正在运行中的热管式余热锅炉已有数十台。另外,美国能源研究开发中心开发了以甲苯为工质,回收利用烧结机排烟余热的发电系统。这一余热发电系统除利
17、用烧结机排烟余热外,还可利用其它各种工艺或各种设备产生的中低温烟气余热发电。美国十分重视利用城市垃圾的能源资源,目前有大约160个垃圾一能源工厂。已投人运行的垃圾余热发电站有28座,装机容量已达到1270MW。在今后十年内,垃圾发电事业将成为发展最快的行业之一。1.3余热锅炉水位控制的现状和发展对于余热锅炉的水位控制系统方面来说,由于目前国内外许多学者都已经开始对余热锅炉进行仔细研究,希望通过研究币断提高整个联合循环系统的效率。在这种背景下余热锅炉的自动控制,无论在控制规律、控制算法和实现方法等方面都得到了大幅提高。在控制规律方面,有单冲量、双冲量、及各种三冲量控制方案,这些方案克服了传统PI
18、D控制器参数不可改变的缺点,提高了系统的控制品质,在精准度上有了很高的提升。目前国内外关于锅炉水位控制一般均采用三冲量控制,有以下两种常用的方案:1、单级三冲量控制系统。2、由锅筒水位调节器和给水流量调节器组成的串级控制方案。分段表述这两种方案都有着或多或少的缺点,前者如果系统参数设置不能确保物料平衡,则负荷变化时,水位将有余差。后者虽然精确较高可以消除余差,但其构成复杂,成本过高。随着计算机技术的发展,数字式控制系统已经逐渐代替了仪表控制系统,在锅炉水位控制中发挥着越来越重要的作用。出现了计算机群控系统, PLC控制系统、单片机控制系统等技术方案。近年来,以基PLC的控制系统最为普遍,其特点
19、是硬件稳定可靠、标准统一、二次开发能力较强。因此其系统的寿命很高,便于收回成本。2、余热锅炉系统结构2.1余热锅炉的分类及结构2.1.1余热锅炉的分类1、根据结构形式,余热锅炉可分为管壳式和烟道式余热锅炉。管壳式余热锅炉的结构与管壳式换热器无多大区别,并同样有固定管板式、浮头式及U形管式等。烟道式余热锅炉的结构与普通锅炉的相似,有耐火砖砌成炉膛,炉膛内装设管束,高温气体通过炉膛,将管束内流动的水加热汽化。烟道式余热锅炉是一种用以回收利用各种炉窑的排烟余热的锅炉。由于余热源是炉窑排出的,一般都是常压或微正压的炽热烟气(或工艺气)。且这类余热锅炉的结构与工业锅炉或电站锅炉相似,故称为烟道式余热锅炉
20、。常用于硫酸生产装置、石油裂解装置、催化裂化装置等。烟道式余热锅炉是水管锅炉,水或蒸汽在受热管的管内流动,烟气在受热管管外的烟道中流动。烟气通过冲刷管子的外表面将热量传递给管内的水或蒸汽。烟道式余热锅炉的显著特点是,在一个烟道里有预热器、过热器、蒸发器、省煤器、烟囱、汽包、上升管、下降管、等部件。管壳式余热锅炉是火管锅炉,烟气在受热管管内流动,水在管外的锅壳中流动。热量通过管壁传递给管外的水。通常管壳式余热锅炉只是水的蒸发,没有过热段和省煤段。大型管壳式余热锅炉有汽包、上升管、下降管。而小型管壳式余热锅炉采用锅壳上部的空间进行汽水分离。2、根据高温气体通过管内还是管外,余热锅炉分为火管余热锅炉
21、和水管余热锅炉。水管余热锅炉有双套式(俗称刺刀形)、立式U形管式等形式;火管余热锅炉有一段式结构和二段式结构。火管余热锅炉是高温气体在炉管内流动。沸水从汽包经下降管流入锅炉底部,在管壁受热,变为汽水混合物,由上升管返回汽包。这种余热锅炉结构简单,因壳体承受蒸汽压力,适用于生产压力不高的蒸汽。水管余热锅炉是沸水流过管内,高温气体流经关外。因锅炉的壳体不承受蒸汽压力,适用于生产高压蒸汽。根据沸水的流动形式,水管余热锅炉又可分为以下形式;自然循环式,管内沸水流动的推动力是下降管内的水与上升管内的汽水混合物之间的密度差。为保证一定的存环量,汽包需有足够的安装高度。强制循环式,在下降管路中安装循环泵,借
22、以提高管内沸水流速,防止汽包停滞恶化传热。因这种锅炉在运转、维修、投资等方面有许多不利因素,仅在特殊场合分段表述采用。2.1.2余热锅炉的结构图 1强制循环余热锅炉1 图标的字体是黑体五号;2、 图不清晰;3、文章中没有给出和图有关的阐述和说明;上图所示的余热锅炉就是强制循环余热锅炉。从汽包下部出来的水经一台循环泵后,进入蒸发器,是靠循环泵产生的动力使水循环的,称为“强制循环余热锅炉”。其特点是;各受热面组件的管子是水平的,受热面之间是沿高度方向布置,可节省地面的面积,并使出口处的烟囱高度缩短。但在运行中需要循环泵,使运行复杂,增加维修费用。目前油田进口的余热锅炉,多数采用此种型式。图 2自然
23、循环余热锅炉1 图标的字体是黑体五号;2、 图不清晰;3、文章中没有给出和图有关的阐述和说明;上图是一台自然循环余热锅炉,全部受热面组件的管子是垂直的。给水进入省煤器吸热后,进入汽包。汽包有下降管与蒸发部的下联箱相连,下降管位于烟道外面,不吸收烟气的热量。汽包还与蒸发器的上联箱相连。直立管簇吸收烟气的热量。当水吸收烟气热量就有部份水变成蒸汽,由于蒸汽的密度比水的密度要小得多,所以直立管内汽和水混合物的平均密度要小于下降管中水的密度,两者密度差形成了水的循环。也就是说:不吸热的下降管内的水比较重,向下流动。直立管内的汽水混合物向上流动,形成连续产汽过程。此时进入蒸发器的水不是靠循环泵的动力,而是
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