專利名稱：一種鍋爐水位的控制方法及其控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鍋爐水位的控制方法及其控制系統(tǒng)，屬于自動(dòng)控制領(lǐng)域， 適用于工業(yè)鍋爐和小型電站鍋爐的水位控制。
背景技術(shù)：
工業(yè)鍋爐和小型電站的鍋爐在當(dāng)今社會(huì)的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著巨大的作 用，各行各業(yè)應(yīng)用不計(jì)其數(shù)，因此鍋爐使用安全問題受到人們的普遍關(guān)注。在 生產(chǎn)過程中，如果對(duì)鍋爐運(yùn)行操作不合理，管理不善，處理不當(dāng)，往往會(huì)引起 事故。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當(dāng)引起的，可見鍋爐汽包水 位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中是至關(guān)重要的。汽包水位系統(tǒng)是一個(gè)具有較大的 擾動(dòng)和非線性特征的滯后系統(tǒng)，而現(xiàn)代工業(yè)鍋爐都向著大容量高參數(shù)的方向發(fā) 展， 一般鍋爐容量越大，汽包的容水量就相對(duì)越小，允許波動(dòng)的蓄水量就更少。 這樣對(duì)汽包水位要求就更高了。而在常規(guī)的三沖量控制串級(jí)系統(tǒng)中，由于"虛 假液位"的原因使得蒸汽負(fù)荷上升和下降時(shí)的動(dòng)態(tài)特性曲線不對(duì)稱，且系統(tǒng)參 數(shù)具有時(shí)變性，不能求出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，幾乎找不到能適應(yīng)上述各種擾動(dòng)的 控制參數(shù)，從而其控制效果往往難以滿足要求，具體表現(xiàn)在水位很容易超調(diào)， 系統(tǒng)經(jīng)常報(bào)警，司爐工常常要手動(dòng)參與，有時(shí)甚至還要停水泵等，造成系統(tǒng)不 穩(wěn)定甚至失控。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種抗擾動(dòng)能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、自動(dòng)化程度高的控制方 法和系統(tǒng)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種鍋爐水位控制方法，基于由 汽包水位、蒸汽流量、給水流量組成的三沖量串級(jí)控制原理，控制給水調(diào)節(jié)閥 閥位；該方法通過設(shè)置汽包水位上、下限位值，并分別與水位實(shí)時(shí)測(cè)量值相比 較，強(qiáng)制控制給水調(diào)節(jié)閥的全關(guān)和全開，其控制步驟是
(a) 設(shè)定汽包水位值PS;
(b) 對(duì)汽包水位設(shè)定上限值ZSP1和下限值ZSP2，所述上限值ZSP1和下 限值ZSP2分別為水位設(shè)定值PS的(1+30%)倍和(1—30%)倍，艮口
ZSP1=1.3PS，
ZSP2=0.7PS;
(C)讀取汽包水位實(shí)時(shí)測(cè)量值PV;
(d) 讀取手操器狀態(tài)；
(e) 當(dāng)硬手操器選擇手動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的輸出值直接跟蹤電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥位；
(f) 當(dāng)硬手操器選擇自動(dòng)時(shí)，若軟手操器選擇手動(dòng)模式，系統(tǒng)可以直接控 制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的關(guān)和開；
(g) 當(dāng)硬手操器選擇自動(dòng)時(shí)，若軟手操器選擇自動(dòng)模式，則取汽包水位實(shí) 時(shí)測(cè)量值PV與上述上限值ZSP1和下限值ZSP2進(jìn)行比較；
(h) 當(dāng)測(cè)量值介于上限值和下限值之間時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算水位偏差值，讀取蒸 汽流量實(shí)時(shí)測(cè)量值和給水流量實(shí)時(shí)測(cè)量值，執(zhí)行三沖量串級(jí)控制；
(i)當(dāng)跟蹤值大于上限值時(shí)，系統(tǒng)直接關(guān)閉給水調(diào)節(jié)閥；
(j)當(dāng)跟蹤值小于下限值時(shí)，系統(tǒng)直接全部開啟給水調(diào)節(jié)閥。
一種采用上述方法工作的鍋爐水位控制系統(tǒng)，它由汽包水位、蒸汽流量、 給水流量三沖量變送器、控制器、上位機(jī)、手操器和給水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成，上 位機(jī)與控制器通過通信接口橋接，控制器的輸入端分別與三沖量變送器、手操 器狀態(tài)反饋信號(hào)和給水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥位反饋信號(hào)相連，控制器的輸出端與手操 器相連，手操器再與給水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥相連，控制器通過判斷手操器自動(dòng)/手動(dòng)狀 態(tài)和上位機(jī)給定自動(dòng)/手動(dòng)狀態(tài)，指揮系統(tǒng)執(zhí)行跟蹤操作器信號(hào)或者跟蹤閥位信 號(hào)，完成三沖量串級(jí)控制，其中
(a) 控制器內(nèi)置的運(yùn)算模塊讀取PID控制模塊的汽包水位設(shè)定值PS，輸出 汽包水位上限值ZSP1和下限值ZSP2;
(b) 在控制器閥位信號(hào)選擇模塊的輸入端再前置接入一個(gè)選擇模塊，該模 塊的兩個(gè)待選輸入端分別設(shè)置為0和100;
(C)在控制器強(qiáng)制跟蹤信號(hào)選擇模塊的硬手操器待選輸入端前置接入一個(gè) 多選擇模塊，該模塊的三個(gè)待選輸入端分別與硬手操器狀態(tài)反饋信號(hào)、汽包水 位上限值比較模塊的輸出端和汽包水位下限值比較模塊的輸出端相連；所述汽 包水位上限值比較模塊的兩個(gè)待比較輸入端分別與水位上限值ZSP1信號(hào)和汽
包水位實(shí)時(shí)測(cè)量值PV信號(hào)相連；所述汽包水位下限值比較模塊的兩個(gè)待比較輸
入端分別與水位下限值ZSP2信號(hào)和汽包水位實(shí)時(shí)測(cè)量值PV信號(hào)相連。
本發(fā)明鍋爐水位的控制方法及其控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)①系統(tǒng)響應(yīng)速度 快，抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，控制精度高，能夠適應(yīng)工業(yè)鍋爐的控制要求；②自動(dòng)化率 達(dá)到98%，提高了工業(yè)鍋爐的自動(dòng)控制水平，減少人工控制的隨意性和誤差率，
消除了事故隱患，大大減輕了司爐工的工作量，同時(shí)也確保了鍋爐的安全正常
運(yùn)行；③極大的減少了控制系統(tǒng)的維護(hù)工作量及設(shè)備備品、備件的更換量，更 換周期延長，節(jié)約了資金和人員投入，經(jīng)濟(jì)效益可觀。


圖1是本發(fā)明鍋爐水位的控制方法的流程圖2是本發(fā)明鍋爐水位控制系統(tǒng)的控制原理框圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如圖1所示本發(fā)明鍋爐水位控制方法，基于由汽包水位、蒸汽流量、給水 流量組成的三沖量串級(jí)控制原理，控制給水調(diào)節(jié)閥閥位調(diào)節(jié)水位；同時(shí)控制系 統(tǒng)還接收來自汽包水位上、下限位值分別與水位跟蹤值相比較的信號(hào)直接控制 給水調(diào)節(jié)閥的全關(guān)和全開，其控制步驟是
(a) 為控制系統(tǒng)設(shè)定汽包水位值PS，作為系統(tǒng)控制基準(zhǔn)；
(b) 以PS為基準(zhǔn)，設(shè)定汽包水位上限值ZSP1和汽包水位下限值ZSP2， 其上、下限值之間設(shè)置幅度可根據(jù)具體工況調(diào)整，通常為士30。/。PS的幅度，即
ZSP1=1.3PS，
ZSP2=0.7PS;
(C)讀取汽包水位實(shí)時(shí)測(cè)量值PV; (d)讀取手操器狀態(tài)；
(e) 當(dāng)硬手操器選擇手動(dòng)時(shí)，具有最高優(yōu)先權(quán)，此時(shí)控制系統(tǒng)的輸出值直 接跟蹤電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥位；
(f) 當(dāng)硬手操器選擇自動(dòng)時(shí)，若軟手操器選擇手動(dòng)模式，系統(tǒng)可以直接控 制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的關(guān)和開；
(g) 當(dāng)硬手操器選擇自動(dòng)時(shí)，若軟手操器選擇自動(dòng)模式，則取汽包水位實(shí) 時(shí)測(cè)量值PV與上述上限值ZSP1和下限值ZSP2進(jìn)行比較；
(h) 當(dāng)測(cè)量值介于上限值和下限值之間時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算水位偏差值，讀取蒸 汽流量實(shí)時(shí)測(cè)量值和給水流量實(shí)時(shí)測(cè)量值，執(zhí)行三沖量串級(jí)控制；
(i) 當(dāng)跟蹤值大于上限值時(shí)，系統(tǒng)直接關(guān)閉給水調(diào)節(jié)閥；
(j)當(dāng)跟蹤值小于下限值時(shí)，系統(tǒng)直接全部開啟給水調(diào)節(jié)閥。 本發(fā)明鍋爐水位控制系統(tǒng)如圖2所示，它由汽包水位、蒸汽流量、給水流 量三沖量變送器、控制器DCS、上位機(jī)、手操器和給水電動(dòng)調(diào)節(jié)闊組成。
控制器DCS包括兩個(gè)PID控制模塊PID102和PID105、 MUL乘法模塊、 手動(dòng)/自動(dòng)切換模塊、閥位SW信號(hào)選擇模塊、強(qiáng)制跟蹤信號(hào)OR比較模塊、高/ 低水位比較模塊HMON和LMON、輸入/輸出模塊AI和DI/AO。
上位機(jī)與控制器DCS通過通信接口橋接。
控制器的輸入端分別與三沖量變送器、手操器狀態(tài)反饋信號(hào)和給水電動(dòng)調(diào) 節(jié)閥閥位反饋信號(hào)相連，其中汽包水位信號(hào)由變送器送入DCS的AI輸入模 塊2， AI輸出至PID控制模塊1輸入端(主信號(hào))；蒸汽流量信號(hào)由變送器送入 DCS的AI輸入模塊1, AI輸出至PID控制模塊1的FFV端(前饋信號(hào))；給水 流量信號(hào)變送器送入DCS的AI輸入模塊3， AI輸出至PID控制模塊2端(付
信號(hào))；給水調(diào)節(jié)閥閥位反饋信號(hào)送入DCS的AI輸入模塊4，用作閥位跟蹤等 使用；手操器的手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)信號(hào)(干觸點(diǎn))送入DCS的DI輸入模塊1 。
控制器的輸出端通過手操器與給水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥相連，控制調(diào)節(jié)閥的閥位開 啟度(0 100%)來調(diào)控汽包水位。
系統(tǒng)工作時(shí)，上位機(jī)給定汽包水位設(shè)定值戶S、上下限值系數(shù)、軟手操器手 動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)，DCS中MUL乘法模塊計(jì)算輸出汽包水位上限值ZSP/和汽包水位 下限值ZS尸2，并分別傳遞至高/低水位比較模塊HMON和LMON的一個(gè)比較輸 入端；手動(dòng)/自動(dòng)切換模塊輸出軟手操器手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)信號(hào)」M分別給控制模塊 PID102和PID105的MDRQI端、強(qiáng)制跟蹤信號(hào)OR比較模塊的一個(gè)比較輸入端； 系統(tǒng)讀入汽包水位實(shí)時(shí)測(cè)量值尸r分別送往PID102的輸入端、高/低水位比較模 塊HMON和LMON的另一個(gè)比較輸入端；系統(tǒng)讀取硬手操器手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)信 號(hào)//^M分別送往強(qiáng)制跟蹤信號(hào)OR比較模塊的另一個(gè)比較輸入端、閥位SW信 號(hào)選擇模塊的SY輸入端;系統(tǒng)讀取給水調(diào)節(jié)閥閥位反饋信號(hào)附9尸送往閥位SW 信號(hào)選擇模塊的Y輸入端，在閥位SW信號(hào)選擇模塊的輸入端再前置接入一個(gè) 選擇模塊，該模塊的兩個(gè)待選輸入端分別設(shè)置為O和M仏其SY輸入端接入低 水位比較模塊LMON的輸出信號(hào)2:Sr，在信號(hào)7/"M和LSr作用下，閥位SW 信號(hào)選擇模塊分別輸出附9尸、0和信號(hào)至PID105的TRV端；高/低水位比 較模塊HMON和LMON通過將汽包水位實(shí)時(shí)測(cè)量值尸r分別與ZSP7、 ZSi32比 較，分別輸出/Z5T和丄Sr; //Sr、 LST和/f-JM三者比較后的輸出信號(hào)再與爿M 比較，輸出信號(hào)送往PID105的TRC (強(qiáng)制跟蹤信號(hào)開關(guān))端，TRC端為置1 時(shí)，PID105強(qiáng)制輸出閥位跟蹤值『OP、 0和7M。
當(dāng)硬手操器為手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，閥位SW信號(hào)選擇模塊的SY端為置1，其輸出
的值跟蹤輸入端Y的值，即為閥位的反饋信號(hào)『O尸，再送入PID105模塊的TRV (跟蹤值)直接跟蹤閥位的信號(hào)，與此同時(shí)，強(qiáng)制跟蹤信號(hào)OR比較模塊的輸入 一端//-^^為1，上位機(jī)上把PID模塊置于手動(dòng)模式(軟手操)，即^l/置l， 比較后使得TRC置1， PID105模塊強(qiáng)制輸出跟蹤TRV的值，即跟蹤電動(dòng)調(diào)節(jié) 閥的閥位『OP。
當(dāng)硬手操器為自動(dòng)時(shí)(/f-」M為0)，在上位機(jī)上，把PID模塊置于手動(dòng)模 式(軟手操)即^M置1時(shí)，可以直接控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的關(guān)和開(0~100%)。
當(dāng)硬手操器為自動(dòng)(Z/JM為0)，上位機(jī)把PID模塊置于自動(dòng)模式"M為 0)時(shí)，若汽包水位實(shí)時(shí)測(cè)量值i^在汽包水位上限值ZSP7和汽包水位下限把
zs尸2之間，即/fsr和Lsr均置o， pidi05模塊的trc置o，強(qiáng)制跟蹤信號(hào)開
關(guān)關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)入由汽包水位、蒸汽流量、給水流量組成的三沖量串級(jí)控制，
如當(dāng)水位測(cè)量值PF低于設(shè)定值5P時(shí)，經(jīng)過PID計(jì)算后，PID102回路輸出一個(gè) 開的信號(hào)給PID105回路的RSP端，此時(shí)，RSP的值大于PID105的測(cè)量值尸r， 經(jīng)過PID計(jì)算后，PID105回路輸出一個(gè)增加的信號(hào)，使得電動(dòng)調(diào)節(jié)閥慢慢開啟， 給水流量增加，鍋爐汽包水位上升，直到PID102回路的尸F(xiàn)值與S尸值接近相 等，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定在某一位置，實(shí)際上，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的控制過程，電動(dòng)調(diào) 節(jié)閥一直來回開和關(guān)，保持鍋爐水位控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。
當(dāng)硬手操器為自動(dòng)(Z/^M為0)，上位機(jī)把PID模塊置于自動(dòng)模式C4M為
o)時(shí)，若尸F(xiàn)超出zsp/和zs尸2之間的限值范圍，即/^r和i:5T兩者之一置i，
PID105模塊的TRC置1 ， PID105模塊強(qiáng)制輸出跟蹤TRV的值，而此時(shí)因?yàn)?/JM 為0，閥位SW信號(hào)選擇模塊必然輸出0或者/W信號(hào)，當(dāng)高水位時(shí)，LST置0， TRV置0，所以直接控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，斷絕水源以盡快降低水位；當(dāng)?shù)退?br> 時(shí)，LSr置l， TRV置7M，相應(yīng)直接控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥全開，迅速補(bǔ)水以盡快抬
升水位。
結(jié)合上位機(jī)軟件，組態(tài)畫面上設(shè)有汽包水位的上、下限報(bào)警，極低水位停 爐信號(hào)，水位曲線實(shí)時(shí)走勢(shì)等，可以直觀方便地實(shí)施遠(yuǎn)程控制，大大降低司爐 工的勞動(dòng)強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種鍋爐水位控制方法，基于由汽包水位、蒸汽流量、給水流量組成的三沖量串級(jí)控制原理，控制給水調(diào)節(jié)閥閥位；其特征在于該方法通過設(shè)置汽包水位上、下限位值，并分別與水位實(shí)時(shí)測(cè)量值相比較，強(qiáng)制控制給水調(diào)節(jié)閥的全關(guān)和全開，其控制步驟是(a)設(shè)定汽包水位值PS；(b)對(duì)汽包水位設(shè)定上限值ZSP1和下限值ZSP2；(c)讀取汽包水位實(shí)時(shí)測(cè)量值PV；(d)讀取手操器狀態(tài)；(e)當(dāng)硬手操器選擇手動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的輸出值直接跟蹤電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥位；(f)當(dāng)硬手操器選擇自動(dòng)時(shí)，若軟手操器選擇手動(dòng)模式，系統(tǒng)可以直接控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的關(guān)和開；(g)當(dāng)硬手操器選擇自動(dòng)時(shí)，若軟手操器選擇自動(dòng)模式，則取汽包水位實(shí)時(shí)測(cè)量值PV與上述上限值ZSP1和下限值ZSP2進(jìn)行比較；(h)當(dāng)測(cè)量值介于上限值和下限值之間時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算水位偏差值，讀取蒸汽流量實(shí)時(shí)測(cè)量值和給水流量實(shí)時(shí)測(cè)量值，系統(tǒng)執(zhí)行三沖量串級(jí)控制；(i)當(dāng)跟蹤值大于上限值時(shí)，系統(tǒng)直接關(guān)閉給水調(diào)節(jié)閥；(j)當(dāng)跟蹤值小于下限值時(shí)，系統(tǒng)直接全部開啟給水調(diào)節(jié)閥。
2.如權(quán)利要求1所述的鍋爐水位控制方法，其特征在于所述汽包水位的上限 值ZSP1和下限值ZSP2分別為水位設(shè)定值PS的(1+30%)倍和(1—30%)倍。
3. —種以權(quán)利要求l所述方法工作的鍋爐水位控制系統(tǒng)，它由汽包水位、蒸汽 流量、給水流量三沖量變送器、控制器、上位機(jī)、手操器和給水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組 成，上位機(jī)與控制器通過通信接口橋接，控制器的輸入端分別與三沖量變送器、 手操器狀態(tài)反饋信號(hào)和給水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥位反饋信號(hào)相連，控制器的輸出端與 手操器相連，手操器再與給水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥相連，控制器通過判斷手操器自動(dòng)/手 動(dòng)狀態(tài)和上位機(jī)給定自動(dòng)/手動(dòng)狀態(tài)，指揮系統(tǒng)執(zhí)行跟蹤操作器信號(hào)或者跟蹤閥位信號(hào)，完成三沖量串級(jí)控制，其特征在于(a) 控制器內(nèi)置的運(yùn)算模塊讀取PID控制模塊的汽包水位設(shè)定值PS，輸出汽 包水位上限值ZSP1和下限值ZSP2;(b) 在控制器閥位信號(hào)選擇模塊的輸入端再前置接入一個(gè)選擇模塊，該模塊的兩個(gè)待選輸入端分別設(shè)置為0和100; (c)在控制器強(qiáng)制跟蹤信號(hào)選擇模塊的硬手操器待選輸入端前置接入一個(gè)多選擇模塊，該模塊的三個(gè)待選輸入端分別與硬手操器狀態(tài)反饋信號(hào)、汽包水位上限值比較模塊的輸出端和汽包水位下限值比較模塊的輸出端相連；所述汽包水 位上限值比較模塊的兩個(gè)待比較輸入端分別與水位上限值ZSP1信號(hào)和汽包水 位實(shí)時(shí)測(cè)量值PV信號(hào)相連；所述汽包水位下限值比較模塊的兩個(gè)待比較輸入端 分別與水位下限值ZSP2信號(hào)和汽包水位實(shí)時(shí)測(cè)量值PV信號(hào)相連。
全文摘要
一種鍋爐水位的控制方法及其控制系統(tǒng)，基于三沖量串級(jí)控制原理，控制給水調(diào)節(jié)閥閥位；其控制系統(tǒng)還可以通過判斷來自汽包水位上、下限位值分別與水位跟蹤值相比較的信號(hào)直接控制給水調(diào)節(jié)閥的全關(guān)和全開。以上述方法工作的鍋爐水位控制系統(tǒng)，由汽包水位、蒸汽流量、給水流量三沖量變送器、控制器、上位機(jī)、手操器和給水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成，所述控制器通過內(nèi)置運(yùn)算模塊、選擇模塊和比較模塊來計(jì)算水位上限值和下限值、設(shè)定極限閥位、判斷水位超限狀態(tài)。系統(tǒng)響應(yīng)速度快，自動(dòng)化水平高，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，保障鍋爐安全運(yùn)行。
文檔編號(hào)F22D5/26GK101101112SQ20071004028
公開日2008年1月9日 申請(qǐng)日期2007年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月29日
發(fā)明者沈錦超 申請(qǐng)人:上海紅箭自動(dòng)化設(shè)備有限公司