水位控制系统（通用12篇）
水位控制系统 篇1
1 概述
曲靖卷烟厂的供水系统如图1所示, 三台水泵将蓄水池中的水加压后供生产、消防、生活和绿化用水, 系统中并联35m水塔, 起到稳定供水压力、高峰期补水的作用。水泵的启停由35m水塔浮子开关控制, 水位在400mm以下时水泵启动, 水位达到2200mm以上时水泵停止, 三台水泵由软启动器驱动。
供水系统存在的问题是:
(1) 水泵启动的瞬间, 对电网造成一定的冲击。水泵启动时, 易产生水锤效应, 对加压管道和水塔出水单向阀造成较大的冲击, 破坏性大, 安全隐患大。 (2) 水塔水位的波动较大, 且这种供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应, 供水质量差, 供水压力波动对生产造成严重的影响。 (3) 水位检测采用浮子开关, 容易卡滞, 可靠性差。 (4) 水泵全负荷运行, 频繁启停, 能耗较高且使用寿命缩短。
2 改造方案的提出
针对此供水系统存在的不足, 为了提高供水质量, 提高系统的稳定性和可靠性, 我们提出使用PLC和变频器改造成恒水位供水系统, 保证水塔水位恒定, 也就能保证系统恒压供水。
3 改造方案实施
3.1 控制系统设计
恒水位控制系统由PLC可编程控制器和变频器、超声波水位传感器组成一个闭环控制系统, 其框图如图2所示。
其中PLC可编程控制器系统根据设定的水位值与反馈的实际值进行比较, 其差值经PID运算处理后, 发出控制指令, 控制水泵的投运台数和水泵电机的转速, 从而达到水塔水位稳定在设定值附近。
3.2 水泵的控制策略
PLC自动累计三台水泵电机的运行时间, 水泵电机的切换采用连续运行24小时即自动停止, 当水位降低水位时, 启动两台备用水泵中总运行时间最短的那台。若一台水泵运行在50Hz仍不能满足供水, 水位继续下降至1800mm时, 则系统会自动运行总运行时间较短的备用泵。水泵电机是根据水位检测当前水位值送入PLC和给定值之间偏差进行PID运算, 从而控制变频器的输出电压和频率, 进而改变水泵电机的转速来改变供水量, 使水塔水位稳定, 达到供水管网压力的恒定。
3.3 控制系统的选型
本系统选用西门子S7-300型PLC、变频器选用丹佛斯FC300型、水位传感器选用E+H超声波液位计、人机界面选用WINCC7.02。其中PLC控制系统采用分布式控制系统, PLC主站安装在控制室的主控制柜内, 35m水塔装有从站, 主、从站通过Profibus网络通讯。PLC配置清单如表1所示。
3.4 程序设计
程序功能包含工作模式、模拟量输入输出处理、水泵自动选择、水塔水位的PID控制、声光报警等功能。
系统的工作模式有手动运行和自动运行两种, 考虑到系统的可靠性, 当自动模式出故障时, 系统能切换到手动运行模式, 可以通过控制柜的按钮进行对系统手动操作, 为了保证水塔水位, 不影响供水质量, 在水塔上同时装了两块E+H超声波水位计, 一块接入PLC, 另一块接入操作室的二次显示表。当接入PLC的水位计故障或PLC系统故障时, 可通过变频器的手操板控制变频器运行。
水塔水位的PID控制, 采用西门子的工程工具CFC编写, 通过绘制图表的方式来自动生成程序, 使用简单的连线来降低开发成本和降低程序的错误, 具有直观、调试方便的优点。CFC特别适合过程控制图, 因此水位的PID控制功能使用CFC实现。 (如图3)
水泵组的控制功能, 根据水泵的运行时间, 自动选择水泵, 达到三台水泵的运行时间的均衡。 (如图4)
系统报警是必不可少的重要组成部分, 为了保证系统安全、可靠、平稳的运行。对水泵供水池设定了最低水位500mm停机报警信号, 当水位降至此水位, PLC接收到信号, 立即对变频器发出停止信号, 停止水泵的运行, 以防机泵空转, 烧毁机封, 浪费电能。对35米水塔水位设定了2250mm的高水位报警信号, 水塔水位升至此水位发出声光报警信号, 提醒操作人员密切监视水塔水位, 以防水塔溢水。
3.5 人机界面的设计
系统人机界面采用西门子WINCC7.0进行设计, 画面美观简洁。具有系统监控、参数设置、报表输出等功能。 (如图5)
3.6 系统的调试
根据现场测试水塔水位在1800-2200mm之间, 供水压力稳定, 能够满足生产、生活用水的需求。水塔水位的下下限设为1800mm, 下限设为1900mm, 上限设为2100mm, 上上限设为2200mm, 整定PID控制参数后, 获得了理想的效果, 图6是2#泵供水时水塔水位与运行频率的趋势图, 从图中可以看出, 水塔水位十分稳定。
4 结束语
文章针对曲靖卷烟厂生产、消防、生活和绿化用水的特点, 摒弃原软启动控制装置, 重新设计开发了一套基于PLC的变频恒水位供水自动控制系统。该系统不仅有效地保证了供水系统水压的恒定, 而且具有工作安全可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点。
摘要：介绍了采用带PID功能的西门子S7-300可编程控制器控制变频器进行水位调节, 系统存在工作可靠, 使用方便, 水位稳定, 无冲击等优越性。
关键词：PLC,恒水位供水,变频器,PID控制
参考文献
[1]张春.西门子STEP7编程语言与使用技巧[M].机械工业出版社, 2009.
[2]胡寿松.自动控制原理 (第四版) [M].北京:科学出版社, 2001.
[3]李军.Win CC组态技巧与技术问答[M].机械工业出版社, 2013, 1.
[4]丹佛斯变频器FC300设计指南[Z].2008, 7.
[5]丹佛斯变频器FC300编程指南[Z].2011, 6.
水位控制系统 篇2
由设备表可知，所有的设备都是简单而常用的小型设备，价格低廉，控制和维护简单易于掌握，对远离城市的偏远地区非常适用。传统的水位控制系统通常使用传感器进行上、下限控制，以保证水位在上、下限之间。此设计中只用三根导线来代替传感器放置在上、下限水位之间，利用水的导电特性完成上、下限水位的自动控制，节省了购买传感器的费用，也不必考虑传感器的故障，进一步降低成本，提高系统的可靠性。
常见的生活用水供应系统工作形式是由外来补充水源（一次水源）向一个高位水塔和一个低位水池补水，再由高位水塔和低位水池（二次水源）向各用户供水。此设计主要考虑针对家庭供水系统（或者某些单独取用水之处），因此只需用（储）水箱而非水塔供水。系统供水是由水箱直接供应，不用考虑由位置高度所形成的压力来进行供水，不用气压供水，不必在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅在厨房或需用水的地方放置一足够大的（储）水箱即可满足供水要求。
3水箱水位自动控制系统的控制原理
该水箱水位自动控制系统结构简单，控制原理如下：系统上电后，交流电源经整流、滤波、稳压后，由电位器调节获得12V直流工作电压。当水箱水位低于下限时，接触器线圈失电，其常闭触头使水泵接通工作，抽水到水箱中；当水位上升到上限时，接触器线圈得电，常闭触头断开，常开触头闭合，水泵停止抽水。
V1、V2用来保护LM317输出端电压为安全电压，使其免受短路电流的影响；V3用来保护三极管，同时避免触电事故的发生。水位的上、下限可通过调整三根导线的位置设定。
4测试应用
该设计经安装调试，结合实验室给排水系统进行测试，效果良好。正式应用于某乡镇几个家庭的日常用水装置中已将近两年，至今未发生故障。该系统在运行期间稳定性高，完全符合预先规定的标准，只需将控制电路稳压输出调整在10V-12V之间，可投入使用。可用交流变压器供电，也可以用直流供电。
5结束语
设计的水箱水位控制系统因价格便宜，结构简单，使用方便，不易发生故障，可用于要求不高的给排水系统中，特别适用于城镇及偏远山区取水装置。
参考文献：
[1]布挺，王帆.基于西门子PLC的水塔水位自动控制系统[J].科技信息，第12期.
[2]曹琦.一种节能的变压变频供水系统[J].变频器世界，（7）：133-137.
水位实时监测系统实施效果 篇3
水位实时监测系统实施
在遵循“科学规划、分步实施、因地制宜、先进适用、高效可靠”的原则指导下，着重考虑以下原则。
先进性与实用性。坚持实用性和先进性并重的原则，并充分注重实用性。首先应该保证在系统生命周期内系统的先进性，同时采用成熟稳定、技术先进、具有发展前景的的产品和设备，确保系统的实用性。
安全性与可靠性。在构建整体系统结构时，充分消除硬件部分及运行环节可能存在的不稳定因素。拓扑结构应保证整个系统的可靠性和稳定性，避免出现单点故障，具有快速收敛能力，通过网络监控及防病毒技术，防止网络外部和内部的安全威胁，保障网络的安全性，保护内部资源。
经济适用性原则。在满足整体系统应用需求且留有一定的发展余地的前提下，尽量选择性能/价格比高的技术产品，做到技术先进、节约投资、利于生产、方便维护管理。
灵活性与扩展性。随着信息网络技术的发展，系统应能够平滑升级，网络的规模能够及时方便地扩充，以适应未来发展，最大限度降低投资风险。同时满足各个其他硬件系统的接入、软件系统的资源共享、未来网络发展带宽的需求。保证系统升级的灵活性和系统发展的可扩展性。
高效响应性原则。系统处理的准确性和响应的及时性是系统的重要指标。在系统设计和开发过程中，要充分考虑系统当前和未来可能承受的工作量，使系统的处理能力和响应时间达到用户对信息处理的需求，做到准确处理，快速反映，提高效率。
开放性和兼容性。设计要严格执行国家、地方和行业的有关规范与标准，并考虑与国际规范与标准接轨，尽可能地选择标准化产品，建设标准化的系统。数据采集传输及数据库的各种编码必须符合水利行业的规范和标准，从而保证各子系统软硬件设施之间的互联互通。应用软件系统应具有良好的开放性，采用模块化结构设计，以便功能扩展。自主研究开发的软硬件产品，也要参照规范和标准，制订相应开发规则，制定有效的工程规范，特别是软件开发要保证代码的易读性、可操作性和可移植性。
可管理性和可维护性。采用高性能和高可靠的网络管理软件系统，对网络的软硬件设备进行全面、有效的集中管理，提高网络的安全性、可靠性和稳定性。应用软件系统应具有良好的可操作性，方便用户的应用与维护管理。
遵从行业习惯原则。系统应能适应目标的多重性，环境的多变性，方法的多样性；遵从行业应用需求和习惯，开发具有水利行业特色、标准化操作模式、友好的人机界面、可视化功能展示的应用系统，做到功能强大、界面友好、贴近实际、操作简单、使用方便。
水位监测系统
建设内容。通过水位监测系统对各蓄水池水位进行实时监测，调度中心可及时、准确、连续地掌握各站水位动态变化趋势，为生产运行与供水管理的决策提供科学依據。
系统功能。本系统主要完成数据采集、传输与接收，将各重要部位水位信息接入供水管理调度系统，为供水计算、供水管道维护等提供基础数据信息。其主要功能包括：
自动监测：自动实现各水量数据的处理、传输、存储等功能；自动报警：具有仪器故障自动报警和异常值自动报警功能；自我保护：具有停电保护、来电自动恢复及防雷电保护等功能；开放性和拓展性：可根据工作要求无缝接入各种型号的监测仪器；设备的稳定性、准确性：设备应长期稳定、准确的运行，监测数据可靠，运行费用低，便于维护，抗干扰能力强；数据自动传输功能。
软件系统
建设内容。利用现代信息技术，在对供水管网自动化采集的基础上，通过建设软件平台系统，实时监控信息，及时准确地了解供水运行状态，掌握水量动态变化规律，逐步实现输配水的定量化管理。
数据存储管理平台。数据存储管理平台是软件平台系统的核心，是支撑水位监测系统开发与运行的重要基础设施，也是信息及资源共享的平台。建设数据存储管理平台的主要目的是通过平台提供的机制与技术手段，形成信息资源，在系统范围内实现信息共享，提供基于软件复用等先进技术的业务应用开发与运行支撑平台，形成可供复用的软件资源，最大限度地减少软件的重复开发。
平台功能。数据存储管理平台的主要功能包括建库管理、数据查询输出、数据维护管理、代码维护、数据库外部接口等，是数据更新、数据库建立和维护的主要工具，也是在系统运行过程中进行原始数据处理和查询的主要手段。
数据库建库管理。数据库的建库管理主要是针对数据库类型，建立数据库管理档案，包括：数据库的分类、数据库主题、建库标准、建库方案、责任单位、服务对象、物理位置、备份手段、数据增量等内容。
数据查询输出。提供各类数据的查询操作和显示界面，用于查询数据库中的数据。数据输出的主要功能包括屏幕显示、报表生成和打印、不同格式的文件输出等。
数据维护管理。主要完成对数据库的管理功能，包括数据库的更新、添加、修改、删除、复制、格式转换等功能。
智能水箱水位控制系统的设计 篇4
本设计欲实现水箱水位的液位控制, 首先必须获知目前的水位所处的一个状态。这里应用HC-SR04超声波测距模块通过超声波可以准确获知当前水位处于何种状态。从而将水位信息传送到以STC15F2K32S2单片机为中央数据处理单元, 进而控制水箱液位的高度变化。
单片机根据已经获知的水位状态, 水箱上标示出各种水位线, 可以通过STC15F2K32S2单片机设置用户想要的水位上限以及水位下限。可以实现与用户交互功能。并且, 如果水位达到报警值, 即水位过高或者过低, 就会发出报警信号, 报警信号就是蜂鸣器发出报警声音。如果水位低于水位下限, 单片机还将启动水泵控制模块从而启动水泵加水。然而, 在一般情况下单片机的输出电压仅为3.3V~5V, 想要实现驱动水泵, 还需要借助变压器连接电源才能够使水泵工作, 来实现大功率水泵加水功能。其硬件设计方案示意图如图1所示。
1.1 主控MCU电路接口设计。
主控MCU电路中一共有28个引脚, 其中P1.1~P1.7还有P5.4和P2.7还有P2.5是连接水位设置LED灯的引脚。P2.6是连接报警蜂鸣器的引脚, P2.0~P2.2是连接水位设置按钮的引脚, P3.6和P3.7是连接超声波测距模块的引脚, P3.2连接水泵控制模块的引脚, 还拥有一个VCC端和一个GND端。
1.2 超声波测距模块设计。
超声检测是五大常规无损检测技术之一, 是目前应用最广泛, 使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。超声波的指向性强, 在介质中可以传播的距离比较远, 因此超声波常用于各种距离的测量, 例如物位测量仪和测距仪等都是可以通过超声波技术来实现。利用超声波技术检测往往比较快速和方便、计算简单、易于做到实时控制, 并且在测量的精度方面还能达到很高的标准[1]。
1.3 按键电路设计。
本模块这里有着3个按键分别代表减小, 设置, 和增加三个按钮, 在实际操作过程中先点击第二个按钮 (设置键) , 然后开始设置水位下阈值, 10个LED灯开始显示。再通过减小或增加键来设置水位下限的高度, 这时LED灯显示出来的就是水位下阈值, 同理再次按下第二个按钮 (设置键) , 开始设置的就是水位上阈值同时用LED灯表示出来。当按键按下和地导通时, 即为有效。
1.4 水泵控制模块设计。
由于STC15F2K32S2单片机的输出电压为3.3V~5V, 拉电流约为5m A, 欲实现对水泵驱动, 则必须借助外界电源, 来实现大功率驱动水泵。一般由单片机驱动的元件, 例如本设计中选用的继电器, 其工作电流最小要求为0.4A~2A, 单片机提供的拉电流远不及其最小工作电流, 因此, STC15F2K32S2单片机必须通过三极管, 来间接驱动继电器, 以控制继电器的吸合与断开[2]。水泵驱动电路原理图如图2所示。
1.5 报警模块设计。
当水位状态达到上限阈值或者下限阈值时, 应发出报警信号, 告知用户当前水位已处于临界状态, 提醒用户应及时采取相应措施, 并且及时执行停止加水操作或者执行加水操作。在设计报警电路时, 希望能实现这样一个报警功能:开启蜂鸣器 (警铃) 。
2 水箱液位控制系统的软件设计
程序流程示意图是软件开发的必备之物, 是系统功能需求与程序代码之间的连接纽带[3]。本设计的程序流程图如图3所示。
首先, 水位报警控制系统上电之后, 第一步需要完成就是系统初始化工作, 主要包括:STC15F2K32S2单片机初始化、水位设置初始化、关闭 (继电器) 供水功能、关闭报警功能等。
接下来, 单片机读取与水位设置按钮相连接的P2.0~P2.2引脚的电平状态, 根据所获知的当前水位状态, 分别执行3种操作。具体操作如下:
2.1 当超声波测距模块检测到高水位报警信号时, 通过P2.0引脚可以将其转换为电平信号, 最终由STC15F2K32S2单片机接收其产生的超声波信号。在STC15F2K32S2单片机内部, 由软件来查询和鉴别以确定发出警报信号, 蜂鸣器发声。
2.2 当超声波测距模块检测到正常水位信号时, 可以将其转换为电平信号, 最终由单STC15F2K32S2片机接收其产生的超声波信号。在STC15F2K32S2单片机内部, 由软件来查询和鉴别以确定不发出警报信号, 水泵正常运行为工作状态。
2.3 当超声波测距模块检测到低水位报警信号时, 可以将其转换为电平信号, 最终由STC15F2K32S2单片机接收其产生的超声波信号。在单片机内部, 由软件来查询和鉴别以确定发出警报信号另外, STC15F2K32S2单片机启动水泵开始加水, 直到加到高水位关闭水泵。
最后, 单片机执行完相应操作之后, 超声波测距模块继续读取当前水位状态, 再执行相应操作, 如此循环进行, 以实现水位的实时监控。
摘要：设计了一种对水箱水位进行控制的智能系统。在日常生活中, 智能水箱广泛应用于各个领域。本次设计实验通过单片机来实现一种具有水位显示、水位控制、报警提醒的智能水箱系统。
关键词：水位控制,单片机,水位显示
参考文献
[1]吴斌方, 刘民.超声波测距传感器的研究[J].湖北工学院学报, 2004 (6) :26-28.
[2]李光友, 王建民, 孙雨萍.控制电机[M].北京:机械工业出版社, 2008:79-101.
水位控制系统 篇5
时间：2009-06-23 09:47:04 来源：国外电子元器件 作者：马俊，陈靖 青海师范大学
摘要：设计一种基于单片机水塔水位检测控制系统。该系统能实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，实现超高、低警戒水位报警，超高警戒水位处理。介绍电路接口原理图，给出相应的软件设计流程图和汇编程序，并用Proteus软件仿真。实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。
关键词：单片机；水位检测；控制系统；仿真
l 引言
水塔供水的主要问题是塔内水位应始终保持在一定范围，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。目前，控制水塔水位方法较多，其中较为常用的是由单片机控制实现自动运行，使水塔内水位保持恒定，以保证连续正常地供水。实际供水过程中要确保水位在允许的范围内浮动，应采用电压控制水位。首先通过实时检测电压，测量水位变化，从而控制电动机，保证水位正常。因此，这里给出以Atmel公司的AT89C5l单片机为核心器件的水塔水位检测控制系统仿真设计，实现水位的检测控制、电机故障检测、处理和报警等功能，并在Pmteus软件环境下实际仿真。实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。水塔水位控制原理
单片机水塔水位控制原理如图l所示，图中的虚线表示允许水位变化的上、下限位置。在正常情况下，水位应控制在虚线范围之内。为此，在水塔内的不同高度处，安装固定不变的3根金属棒A、B、C，用以反映水位变化的情况。其中，A棒在下限水位，B棒在上、下限水位之间，C棒在上限水位(底端靠近水池底部，不能过低，要保证有足够大的流水量)。水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动，随着供水，水位不断上升，当水位上升到上限水位时，由于水的导电作用，使B、C棒均与+5 V连通。因此b、c两端的电压都为+5 V即为“1”状态．此时应停止电机和水泵工作，不再向水塔注水；当水位处于上、下限之间时，B棒和A棒导通，而C棒不能与A棒导通，b端为“1”状态，c端为“0”状态。此时电机带动水泵给水塔注水，使水位上升，还是电机不工作，水位不断下降，都应继续维持原有工作状态；当水位处于下限位置以下时，B、C棒均不能与A棒导通，b、c均为“0”状态，此时应启动电机转动，带动水泵给水塔注水。
电路设计
水塔水位控制系统主要由CPU(AT89C51)、水位检测接口电路、报警接口电路、存储器扩展接口电路、复位电路、时钟振荡等部分组成，如图2所示。图3为系统硬件电路。
3．1 水位检测接口电路
为了便于实现水位检测功能，用一个两位的拨码开关模拟b、c端的状态（1、0)，正电极接+5 V电源，每个负电极分别通过4．7 kQ的电阻(尺1，R2)接地。将单片机的P1．0端口接开关1，P1．1端口接开关2。假设被水淹没的负电极都为高电平，此时开关置1；露在水面的负电极都为低电平，开关此时置为0。单片机通过负电极重复采集检测水位，当缺水时(此时两个开关均置0)，电机必须带动水泵抽水；若水位在正常范围内时，检测信号为高，低电平(此时开关1置1，开关2置0)；当水位过高时，检测信号为高电平(此时开关l和2都置1)，单片机检测到P1．0和P1．1为高电平后，立即停机。3．2 报警接口电路
为了避免系统发生故障时，水位失去控制造成严重后果，在超出、低于警戒界水位时，报警信号直接从高、低警界水位电极获得。单片机P1．7端口为启动电机命令输出端口，P1．7=0为低电平，经过非门后与电机的另一端接地导通，启动电机工作；P1．7=l为高电平，反之，电机停止工作。电机故障报警由单片机控制，电机故障报警信号由P1．0和P1．1输人．当P1．5为高电平时蜂鸣器报警。水位超过高警戒水位，单片机控制系统使电机停止转动，向水塔内供水工作也停止。3．3 存储器扩展接口电路
为了便于系统扩展，存放大容量应用程序，系统设计扩展一片程序存储器，用于存放源程序代码。74LS373用于锁存地址，单片机的P0．0～P0．7通过复用方式分别接锁存器74LS373的DO～D7和存储器2732的D0～D7端，地址锁存信号线ALE接锁存器的OE端，通过软件设置实现地址和数据信息的传输，锁存器的输出端OQ0～O7与存储器地址线A0～A7相连，剩余的3根地址线A8～A11接P2．0～P2．2．单片机选通引脚丽接存储器OE端，因只扩展一片存储器，片选端CE接地。系统软件设计
当水塔水位处于上、下限之间时，P1．0=l，P1．1=0，此时无论电机是在带动水泵给水塔供水使水位不断上升．还是电机没有工作使水位不断下降，都应继续维持原有工作状态；当水位低于下限时，P1．0=0，P1．1=0，此时启动电机转动，带动水泵给水塔供水。水位检测信号与输出控制操作关系如表1所列，图4为水塔水位控制程序流程。实验仿真结果
根据所设计系统的软件流程图，编写相应的程序在Pro-teus软件环境下实际仿真，实验结果表明，该系统能成功实现了水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。通过制作PCB板子，该系统已成功运用于某实验水冷却系统。
结语
水位控制系统 篇6
关键词：PLC；水位；MCGS组态；实时曲线
中图分类号：TV663 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）20-0053-02
伴随着科学技术的进步，生产企业的自动化水平越来越高，这也是企业发展低成本战略和走清洁生产道路的必要选择。液位自动检测和控制系统是一个非常常见的自动控制单元，也是生产企业节约用水的关键技术。所以说，研究如何利用PLC技术提高水位检测和控制的自动化程度具有很高的实际意义。文章通过一个水位自动控制系统的设计，研究PLC技术在其中起到的关键作用。
1 自控系统硬件的选型
1.1 自控系统的设计
本设计针对水位控制组态，通过设计的组态软件实现对水位控制系统的实时监控，检测相关数据与变量。在自控系统中运用MCGS组态软件来监控该系统的运作。本系统控制的方式是调节多段液位。对手动控制进行分段，共计四段。对这四段的每个液位进行设定，液位值均达到相应的要求。系统可以参照手动控制系统，利用水泵对各段的液位设定值进行手动的调节。
此外，系统还可以通过自动运行，建设液位已满足手动的要求或者是无法在手动控制下完成运行，那么系统就会自动的控制最低液位，具体来说，结合实际情况，在系统的液位已经低于液位的最小值后，系统会通过自动加水调整液位，使液位可以达到最大值。
1.2 系统设计方案
能够实现低液位报警自动控制的设计方案有很多种，当液位低于低液位时， 系统启动自动控制环节。系统自动环节启动后， 控制系统通过水泵给水箱加水， 在不受手动控制影响的条件下， 水位上升至高液位后再加水处理数秒后停止加水。也可以利用连接系统的各个原件，完成滑动输入器。在水位高于最高液位值，水位低于最低液位值的情况下，系统会发出报警，实时的监控水位控制系统的部分数据和部分变量。系统还专门设置了指示灯，目的是可以更好的监控液位，然后操作人员可以通过指示灯观察到液位。
2 软件应用
2.1 水位控制系统的组成
上位机以及智能调节仪组成了该水位控制系统。对上位机来讲，它的功能主要是实时采集数据，完成水位动画的运行。MCGS组态软件会利用设备驱动程序，交换内部和外部的数据，比如说实时采集的数据以及向设备发送的各种指令。所谓的设备驱动程序，它本质上是一种DLL文件，其中是由不同设备对应的通讯协议构成，实时的采集和传递采集到各设备的运行参数。MCGS组态软件的功能是对各设备驱动进行调用，向工程的不同环境传递需求数据。对下位机来讲，主要组成是智能仪表，功能是采集水位数据。而智能仪表的主要组成是PLC主控制单元模块。PLC是一种智能的工业调节器，主要是运用上位机实现与外部设备的通讯。结合实际需求，对各设备的仪表参数进行设置。或者根据命令对仪表的参数进行适当的修改，上下位机组成结构，如图1所示。
2.2 建立水位工程系统
2.2.1 设计水位控制工程的画面流程
在用户操作界面中建立建立一个名为“水位控制”的用户窗口， 然后对其相应的设置。添加该“水位控制”用户窗口。根据前面章节系统硬件的介绍及设计需要的监控及控制要求， 对应到该组态软件上要做相应的画面设计。对应的静态画面，如图2所示。
2.2.2 水位控制工程中数据对象的设置
完成水位控制系统的静态画面设置之后，要对相应的数据对象进行设置，主要内容是增加数据对象、修改对象属性。对应的设置如图3所示。
2.2.3 仿真结果
通过上述调节与设置，可以看到一副比较直观的、便于操作的仿真效果图，这样操作人员可以很方便地通过事先设置好的输入输出来控制水罐的水流量。
3 结 语
综上所述，在实验过程中，系统可以正常运作，且可以直观地显示界面，与现场实际情况向契合。该仿真系统一方面可以充分的运用资源，弥补资源的不足；另一方面对现行的资源平台进行了充分的运用。本文在PLC的基础上开展了仿真实验，并且通过通过MCGS组态软件完成实验：该系统操作简单且容易上手，具有相对健全的功能，界面直观，很容易进行维护；可以针对不同的工业控制特征进行仿真模拟；开发出的仿真系统针对性较强，有利于开展工作，为客户提供培训服务。
参考文献：
[1] 杜菲.MCGS软件在测控专业实践教学中的应用[J].考试周刊，2010， （4）.
加热炉汽化系统汽包水位控制方法 篇7
1 汽包水位控制方案设计
1.1 单冲量水位控制方案。
如图1所示是单冲量水位控制系统。单冲量即汽包水位, 通过汽包水位调节给水阀开度。当汽包实际液位低于设定液位时, 开大给水阀, 使液位上升至平衡状态;当汽包实际液位高于设定液位时, 关小给水阀。这种控制结构简单, 是单回路定制控制系统。在汽包内水的停留时间较长, 负荷又比较稳定的场合下配上一些连锁报警装置就可以安全操作。然而, 对由于蒸汽量增大产生的“虚假水位”, 采用单冲量水位控制系统就不能适用。这时由于负荷变化时产生的“虚假水位”将使调节器反向错误动作, 负荷增大时反向关小给水阀, 给系统安全运行留下隐患。水位系统重新恢复稳定后, 将使水位严重下降, 甚至出现报警, 影响生产, 调控性能差。
1.2 双冲量控制方案。
为了克服上述矛盾, 可以不仅依据水位, 同时也参考蒸汽流量的变化。汽包液位的双冲量控制, 就是在单冲量的基础上, 再加一个蒸汽冲量, 以克服“虚假液位”。其中若调节阀为气关阀, 液位调节器采用正作用, 调节器输出信号在加法器内与蒸汽流量信号相减。双冲量控制系统是一个前馈 (蒸汽流量) 加单回路反馈控制系统的复合控制系统。当负荷突然变化时, 蒸汽流量信号通过加法器, 使它的作用与水位信号的作用相反;假液位出现时, 液位信号要关小给水阀, 而蒸汽信号是开大给水阀, 这就能克服虚假水位时控制器的误动作, 降低“虚假液位”的影响。但如果给水侧本身有波动时, 双冲量控制也不能克服给水量波动的影响。
1.3 三冲量控制方案。
双冲量控制系统还有两个弱点, 即调节阀的工作特性不一定是线性, 这样要做到静态补偿不是很准;同时对于给水系统的扰动不能直接补偿。这就要求考虑到汽包给水量作用的液位三冲量调节系统。即再加一个给水流量, 使它与液位信号的作用方向一致, 这种调节系统由于引进了液位、给水流量及蒸汽流量三个参数而称为三冲量调节控制系统。
图3三冲量水位控制原理图一量控制方案。该方案实质上是前馈 (蒸汽流量) 加反馈控制系统。这种三冲量控制方案结构简单, 只需要一台多通道调节器, 整个系统亦可看作三冲量的综合信号为被控变量的单回路控制系统, 所以投运和整定与单回路一样, 但是如果系统设置不能确保物料平衡, 当负荷变化时, 水位将有余差。
图3中所示的三冲量系统, 汽包水位是被控变量, 是主冲量信号, 蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号。系统将蒸汽流量和给水流量前馈到汽包水位调节系统中去, 一旦蒸汽流量或给水流量发生波动, 不是等到影响到水位才进行调节, 而是在这两个流量改变之时就能通过加法器立即去改变调节阀开度进行校正, 故大大提高了水位这个被调参数的调节精度。
在稳定状态下, 水位测量信号等于给定值, 水位调节器的输出, 蒸汽流量及给水流量等三个信号通过加法器得到的输出电流为:
式中:IL为液位调节器的输出电流;IF为蒸汽流量变送器的电流;IC为给水流量变送器的电流;αL、αF、αC分别为加法器各通道的衰减系数。
I0是调节阀处于正常开度时所需要的电流信号 (假设为气关型调节阀) 。假定在某一时刻, 蒸汽负荷突然增加, 蒸汽流量变送器的输出电流IF相应增加, 加法器的输出电流I0就减少, 从而开大给水调节阀。但是与此同时出现了假水位现象, 水位调节器输出电流IL将增大。由于进入加法器的两个信号相反, 蒸汽流量变送器的输出电流IF会抵消一部分假水位输出电流IL, 所以假水位所带来的影响将局部或全部被克服。
待假水位过去, 水位开始下降, 水位调节器输出电流IL开始减小, 此时, 它与蒸汽流量信号变化的方向相反, 因此加法器的输出电流I0减小, 意味着要求增加给水量, 以适应新的负荷需要并补充水位的不足。调节过程进行到水面重新稳定在给定值, 给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变, 给水量本身因压力波动而变化时, 加法器的输出相应变化, 去调节阀门开度, 直至给水量恢复到所需的数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量, 起到了“超前信号”的作用, 使给水阀一开始就向正确的方向移动, 因而大大减小了水位的波动幅度, 抵消了虚假水位的影响, 并缩短了过渡过程时间。
2 汽化冷却系统汽包水位控制方案对比
3 加热炉汽化冷却系统汽包水位控制
3.1 方案选择。
结合工业炉汽化冷却系统的特点, 在低负荷和蒸汽量小的特定条件下存在单冲量调节汽包水位的可行性, 在工程实际应用中宜考虑单冲量和三冲量相结合的控制理念。基于以上分析, 在加热炉汽化冷却系统中采取了双PID+自学习功能的改进型三冲量汽包水位控制方案。
3.2 给水调节阀设计。
为了保证系统的安全运行, 给水调节阀选用气关式, 气源失气时阀门全开, 避免干锅或爆管事故的发生。
3.3 汽包液位测量仪表设计。
采用双室平衡容器 (带温度检测热电阻) 测量汽包水位, 通过检测温度所对应的水密度修正汽包水位。
3.4 控制系统的配置。
采用西门子SIMATIC S7-300PLC系统进行现场过程控制。
3.5 HMI画面设计。
采用西门子WINCC6.2或WINCC7.0编辑上位机HMI操作界面。
结语
本控制模式在南钢、涟钢、港陆、邯钢等多个现场实用中取得了良好的效果, 实现了汽化冷却系统可靠、安全、稳定运行, 且能很好地适应加热炉热负荷的变化, 保证了加热炉正常、稳定运行, 实现了在热负荷不变化条件下, 汽包水位波动范围控制在≤±10mm;在热负荷变化条件下, 汽包水位波动范围控制在≤±30mm;实现了蒸汽排大气时汽包水位的稳定性。
摘要：介绍了加热炉汽化系统汽包水位控制策略, 包括单冲量、双冲量、三冲量。论述了三种策略的优劣对比。
关键词：汽包,水位控制,单冲量,双冲量,三冲量
参考文献
水位控制系统 篇8
关键词：蒸发器,失控事件,Labview编程
0概述
美国对在役压水堆核电站调查表明, 核电站停堆事故的30%以上是主给水系统事故。大亚湾核电站和岭澳核电站蒸汽发生器的水位控制系统实现了从0-100%负荷的给水自动控制, 这两座核电站在蒸发器水位控制系统设计和设备完全一样, 核电厂在运营期间, 由于蒸发器水控制系统 (ARE) 水位失控几乎导致跳堆, 同类事故在韩国蔚珍核电站上也曾发生并导致停堆。从历史调研信息发现蒸发器水位失控事件是现场常见事件, 若操作员操作不正确或处理不及时可能造成停堆。本文针对导致蒸发器的物理特性和蒸发器水位控制系统的控制原理, 以及蒸发器水位控制系统水位失控的各种情况用labview语言进行仿真建模。
1 数学建模总体设计
蒸发器水位控制系统控制原理可用如图1所示的闭环来表示。
如图1, 对于蒸发器水位控制系统而言, 输入量有两种, 一种是水位设定值, 一个为反馈量, 反馈量是由蒸发器数学模型产生的被控量而产生, 包括:蒸发器蒸汽流量, 给水流量, 蒸发器水位, 汽机负荷宽量程, 汽机负荷窄量程, 以及温度信号。另一个为定值信号, 即水位整定值, 该水位定值信号是由反馈量中的汽机负荷宽量程信号得到的, 与水位实际信号进行对比产生差值信号。扰动量是由是引起被控量发生不期望变化的外部和内部因变量, 在这里扰动量是指功率的扰动或水位定值的扰动。在整个水位控制过程中, 蒸发器水位控制系统改变控制量不仅仅依据给定值还考虑了被控量的反馈量, 形成了反馈控制机制。
蒸汽发生器水位控制系统设计总的框图如图2所示。
分别对蒸发器水位控制系统和蒸发器的水位进行数学建模再采用labview软件进行模拟仿真。
2 蒸发器水位控制系统数学建模
蒸汽发生器水位取决于给水流量、给水温度、反应堆冷却剂温度和蒸汽流量。大亚湾核电站蒸发器水位控制系统是由28块具有不同功能和整定值的bailey 9020模拟板卡按照一定的逻辑关系连接在一起实现其控制功能, 蒸发器水位控制系统数学模型也是基于该控制的逻辑关系进行建立的, 由于保密在本论文中不提及该逻辑关系图。
3 接口参数
蒸发器水位控制系统模型与蒸发器水位模型之间通过不同的参数进行接口构成一个闭环, 进行自动控制。
接口参数有:蒸发器水位控制系统的输入信号:蒸发器水位, 蒸汽流量, 给水流量, 汽机负荷宽量程, 汽机负荷窄量程, 给水温度;蒸发器水位控制系统的输出信号:大阀开度信号, 小阀开度信号。
4 蒸发器数学模型建立
蒸发器水位控制系统处于稳定状态时, 由大阀门信号和小阀门信号共同控制蒸发器的给水流量来保证蒸发器水位的正常。
水位调节器由PI组件加微分组件组成。该调节器输入端的增益可调整, 成为给水温度 (亦即汽机负荷) 的函数。这样, 最佳调节器的设定值可在每个功率水平上进行计算。
5 labview软件实现
动态仿真系统根据控制系统给出的控制参数和边界条件, 通过对蒸汽发生器数学模型的计算, 模拟蒸发器水位变化的动态过程, 给出蒸发器水位调节系统的输入信号, 包括:
蒸汽发生器水位测量值, 蒸汽流量, 给水流量, 反应堆冷却剂温度, 汽机负荷。
控制系统输出“蒸汽发生器调节阀的开启和开度信号”到动态仿真系统进行控制对象的动态仿真。这样实现整个闭环回路的动态仿真。
动态仿真系统建立如下部件的仿真及相互联动:
蒸汽发生器:采用两相流模型模拟一二回路间的换热过程、汽水转换过程、压力变化和流动特性等
给水调节阀:模拟调节阀的特性 (开度与压差及流量的关系)
主给水泵;模拟主给水泵特性 (转速与扬程、流量的关系)
管道、弯头等部件:模拟阻力特性
根据实际的工艺系统设备和管道布置, 给出数学方程描述其动态过程, 通过软件编程模拟其动态。
水位数据采集系统软件设计 篇9
关键词：水位数据采集,水位实时检测,mscomm控件,历史曲线绘制
引言
水位实时检测系统主要用于水位实时检测记录。系统主要由上位机及下位机二个部分组成, 由单片机组成的下位机完成对水位高度的实时检测、数据处理、贮存 (相关内容已另有文章发表) 。水位数据采集系统上位机软件主要利用mscomm控件实现和RS232串口的数据通信, 实现了对下位机参数设置、数据采集、传输, 保存、查询。并利用picture控件实现水位历史数据的曲线绘制。
1 硬件系统结构
1.1 单片机及外围线路。
水位检测系统下位机的单片机选择了PHILIPS公司近期推出51LPC系列中的P87LPC764 OTP单片机, 该系列单片机采用80C51改进型MCU、增加了WDT看门狗、I2C总线及PWM输出[2]。存储器选用了新型、大容量Flash:MM36SB020。MM36SB020是MEGAWIN公司生产的低功耗、大容量串行e-Flash存储器。存储空间为2Mbits, 由52048个页面组成, 每个页面为128字节。RS232串口驱动芯片采用了MAX232并通过串行中断的方式现实上下位机的通信连接。
1.2 传感器及信号调理电路。
水位传感器选用Motorola公司的高精度X型硅压力传感器[3]。传感器的信号调理电路如图2所示, 水位信号经MPX压力传感器变为电信号, 再送入放大电路, 进行调理后输出到A/D模数转换。1.3电源管理及信号采集。由于实时时钟芯片及掉电状态下的单片机应处于长期的电源供电状态。而其它线路处在间隙性工作状态, 以延长蓄电池的工作时间, 因此采用了间隙电源管理方式, 最长采集间隙周期为4小时, 而系统的最小采样周期为1分钟。由于间隙数据采集的特点, 在上电后, 必须等传感器处于稳定工作状态后, 才可采样, 因此必须进行一定的延时稳定。
2 下位机软件设计
下位机软件的设计主要包括主程序及串口中断服务程序的设计。主程序主要包括VDD2上电延时、PCF8563时钟信号读取及贮存、水位数据采样及处理、PCF8563计数定时启动、掉电状态进入程序、掉电状态中断唤醒程序等模块组成[4]。
水位数据一次采样采集10个水位数据, 软件滤波、误差修正后, 送存储器保存。间隙性时间长短由实时时钟芯片PCF8563的8位的计数器定时产生, 其最长定时时间为255分钟, 而最小定时时间设计为1分钟采集一次。
3 上位机软件设计
上位机软件设计主要包括利用Mscomm控件实现RS232串口的数据通信;水位数据采集、传输、保存、查询;利用picture控件实现水位历史数据的曲线绘制;下位机实时时钟设置、水位采集时间间隔设置、系统误差修正、传感器误差修正等模块。
以下对上位机主要软件模块的设计作一分析介绍。
3.1 mscomm串口通信模块。
mscomm控件可以通过串行端口传输和接收数据, 为应用程序提供串行通信功能, mscomm控件可提供两种处理通信方式:一是事件驱动方式, 该方式相当于一般程序的中断方式。当串口发生事件或错误时, mscomm控件会产生mscomm事件, 用户可以捕获该事件进行处理。二是查询方式, 在用户程序中定时查询mscomm控件的某些属性是否发生变化, 从而确定相应的处理。本文采用前一种工作方式, 可以实现接收下位机器从串口上传的数据和对下位机参数的设置。
串口设置的源代码如下:
MSComm2.Comm Port=1'设定Com1
If (MSComm2.Port Open=False) Then
MSComm2.Settings="19200, n, 8, 1
'9600波特率, 无校验, '8位数据位, 1位停止位
MSComm2.Port Open=True'打开串口
End If
MSComm2.Out Buffer Count=0'清空发送缓冲区
MSComm2.In Buffer Count=0'滑空接收缓冲区
MSComm2.Input Len=0
MSComm2.RThreshold=1
MSComm2.EOFEnable=True'接收二进制数据
MSComm2.Input Mode=com Input Mode Binary
MSComm2.Input Mode=1
3.2 上、下位机交互模块。
水位数据采集系统的上位机软件与下位机交互的软件模块有:
联机测试模块、下位机参数设定模块 (包括下位机水位采集时间设定、下位机水位数据记录清除、水位标定标定及误差修正、水位采集时间间隔的设定) 和上传下位机水位记录模块。如水位采集时间间隔的设定的见面见图1。
水位高度的测量由下位机单片机系统中的的Motorola公司的X型硅压力传感器实现。由于传感器存在着线性误差 (包括放大电路、A/D转换器的线性误差) 及离散性的非线性误差, 因此系统设计了传感器的线性误差、非线性误差修正软件。
线性误差的修正在满量程或接近满量程时进行, 由上位机发出相应的指令给下位机, 读取A/D转换器的转换数据, 并由上位机计算出相应的误差系数, 再回传给下位机存贮。
非线性误差修正程序。采用分段线性插值法对测量值的曲线进行误差修正, 按量程分10个工作区段, 其数据处理及贮存方式同系统的线性误差修正。其中非线性误差修正软件界面如图2所示。
3.3 水位记录查询模块。
下位机水位记录上传后, 记录已保存在水位数据文件中。在水位记录查询模块中, 可以打开保存的水位数据的文件, 在“查询历史记录”的对话框中, 选择某一天的某一时间点的水位历史数据进行查看。该模块通过Datacom控件实现日期和时间相结合的选择, 确定要查询的某天的那个水位采集时间点, 然后水位数据会在“数据记录”栏中显示, 水位记录查询界面见图3。
3.4 水位历史曲线模块。
水位历史曲线由VB的picture控件的画线功能来实现, 具体包括:24小时水位历史曲线、月水位历史曲线、年水位历史曲线。
4 结论
通过程序设计实现的水位数据采集软件已完成上位机对下位机的参数设置、误差修正, 数据接收、保存并分析等功能, 实现了课题中对水位数据采集软件要求, 现场使用稳定可靠。
参考文献
[1]龚沛曾, 陆慰民, 杨志强.Visual Basic程序设计简明教程 (第二版) [M].北京:高等教育出版社, 2003.
[2]李玉东, 李罡, 李雷.Visual Basic6.0控件大全[M].北京:电子工业出版社, 2000.
[3]蔡勇, 周明耀.灌区量水实用技术指南[M].北京:中国水利水电出版社, 2001.
浅谈锅炉汽包水位的控制 篇10
1 锅炉汽包水位的经典控制办法
一般来说, 锅炉的给水量和水蒸气的流量在测量上都存在误差, 严重的, 汽包里的汽水混合物甚至会进行互相流动, 而且由于各种机械的振动, 汽包水位也会产生剧烈的震荡和波动。对汽包水位的控制一般包括单冲量、双冲量和三冲量。这样的控制策略相对来说比较简单, 很难满足各种现代化复杂锅炉控制和使用的要求。目前, 大部分锅炉汽包水位控制采用的是三冲量水位控制。
1.1 总给水阀门做汽包水位控制阀门
当选用总给水阀门做汽包水位控制阀门时, 对系统来说, 比较成熟的是串级三冲量控制设计, 这也是实际中应用比较广泛的一种设计。这个系统的控制思路是:用锅炉汽包水位的测量信号作为主要的控制信号, 以构建主调节回路;把蒸汽流量的信号作为前馈信号, 构建前馈调节回路;串级信号由总给水量充当, 构建副调节回路。这样, 主调节回路、前馈调节回路和副调节回路就一起构成了锅炉汽包水位串级的三冲量控制形式。我们可以用蒸汽流量的前馈信号来消除虚假水位的现象, 这样就能消除虚假水位给自动控制带来的负面影响。把给水流量的串级信号引入, 就可以消除给水侧压力扰动带来的负面影响。此系统比较适合汽包水位频繁变化、要求严格的水位控制。同时, 这种系统控制不会对信号的静态配合功能有严格的要求, 系统的主调节器可以自动矫正信号, 消除信号配合不够准确带来的误差。另外, 该系统也能够完成误差调节, 没有稳态配合的问题。但是, 这样的系统也有不可掩盖的缺点——参数的整定步骤相对来说比较复杂, 无论主环或者副环, 如果有一个环发生震荡或波动, 就有可能造成整个系统的崩溃。
1.2 省煤器做汽包水位控制阀门
另一种控制思路是将进省煤器阀做汽包水位控制阀门, 这样的系统相对来说具有独立的特点, 水位控制的思路比较简单、清晰。该系统把锅炉汽包水位测量的信号作为主要的控制信号来构建主调节回路;用水蒸气的流量信号和总给水量作为前馈信号, 构建前馈调节回路。这样, 总给水量的流量减去温水流量就是进省煤器的给水流量和控制回路输出所构成的副调节回路, 也就是串级回路。这样就由主调节回路、前馈调节回路和副调节回路共同构成了三冲量控制系统。该系统实际上是串级三冲量控制的一种变形形式, 它是为了可以在实际应用时能够更好地满足工艺技术的要求和需求。这样的好处是, 给水总管阀门全部打开, 减温水阀门和进省煤器阀门能够分别控制, 消除了联动控制的局限性。在实践过程中, 该系统多用于对汽包水位要求严格的系统和虚假水位比较严重的系统中。
2 锅炉汽包水位新型控制策略
2.1 预测函数控制
随着科技的发展, 新的控制技术层出不穷。预测函数控制系统能够在工业机器人的控制下实现高精确度控制。PFC的关键是结构控制的输入, 这可以解决规律不明的控制输入问题, 也有很好的追踪功能和抗干扰性能。把PFC运用到锅炉汽包水位控制系统需要对负荷变化情况和对水位的影响进行充分的考虑, 把蒸汽流量的信号引入PFC模型中, 有很好的动态调节性。这样的控制系统能够将预测控制、串级控制和PID控制有效结合起来, 充分发挥各种控制系统的优点。内回路可以迅速消除给水流量的扰动, PFC的强鲁棒性保证了蒸汽流量的系统参数变化。在设定参数方面, PFC-PID的串级水位控制系统比传统的串级控制系统更简单、方便, 该系统只需要设定2个参数。
2.2 自校正控制
另一种汽包水位控制方式是自校正控制。此系统由受控对象、参数辨识器和控制器构成。被控制对象具有较强的非线性时, 常规控制没有良好的控制效果, 自校正控制系统就可以发挥其独特的作用。在这样的系统中, 受控对象在初始阶段的不确定性会引起参数的变化, 系统对受控对象的参数状态不断评估、反映和校正, 进行实时参数调整, 以达到更好的控制效果。此控制系统采用的自校正控制器来控制主汽压力和水位, 在水位控制额外干扰的通道中引入随机信号, 而且将外来干扰加到前馈控制中, 但是, 在控制的通道中要考虑非线性因素。自校正控制器对复杂的对象有比较好的控制效果, 但是算法也比较烦琐。
锅炉汽包水位的控制也逐步实现了智能化。其中, 综合专家知识、模仿专家结局问题的智能软件系统是一个比较好的水位控制系统。在一般情况下, 专家控制系统可以离线工作, 也可以在线运行, 能够完成实时性的任务工作, 不仅能够做出相对独立的决策, 也能够在得到反馈信息后做出必要的在线控制动作。根据锅炉水位的偏差和符合变化等情况, 系统会根据一定的规则自动选择适合的参数, 甚至能够在某些极端情况下实时控制, 并且进行转接控制输出, 使水位尽快回到正常的数值。在结构上, 该系统是以主蒸汽流量作为前馈信息, 仍是三冲量给水系统, 但不同的是, 它不同于普通的固定参数控制。参数不是固定的一组, 而是按照水位系统动态环境的不同, 模仿有经验的专家, 适当地选取合适的参数进行控制, 控制参数不会随着动态的变化而发生改变, 这样可以有效改善控制效果。控制的参数需要根据专家的经验事先调整好, 在实时控制中, 控制器会根据受控对象的信息和一定的规则选取参数, 这样做其控制精度更加可靠, 实时性更强。在某些极端的条件下, 系统能够对调节阀直接进行规则化的控制, 防止系统严重恶化, 把系统的值拉回正常范围。在传统系统中, 如果遇到极端情况, 往往需要人员手动操作, 仅从这一点上看这就是一个明显的进步。但是, 该系统也有不足之处——必须精确地确定对象模型, 对操作者的经验要求比较高, 在控制过程中, 各种信号量不容易用定量的方式表示。
2.3 神经网络
随着学科交流的发展, 神经网络也被应用到水位控制系统中。利用神经元网络对控制系统进行优化, 能够更好地适应环境的复杂变化, 自动修改参数, 解决了过程中自动控制的问题。这种控制方法把模型辨识、预测和优化控制与神经网络结合起来, 便是系统的模型。同时, 输入其测量的控制数据, 选出最优化的控制数据进行管理和决策, 以达到最理想的控制效果。该系统还具有很好的非线性映射能力, 可以作为模拟控制对象和预估器。优化控制器的被调变量与精度往往成正比, 被调变量小, 控制精度就高。在提高控制精度时, 常采用将控制约束量加入到控制指标中的做法。
3 结束语
随着锅炉水位测量技术的不断发展, 锅炉汽包水位的测量手段也越来越丰富, 汽包水位的测量也更加精确。当前, 一些汽包水位控制策略考虑得并不全面, 没有考虑到测量误差对整个控制系统产生负面影响。在实践过程中, 应该根据具体情况, 科学、合理地选用适当的汽包水位控制系统, 合理应用新技术解决偏差问题, 提高水位测量的精确性。
参考文献
[1]陈志强.锅炉汽包水位的原理分析[J].机械与电子, 2012 (31) .
[2]魏庆伟.锅炉汽包水位的测量与控制[J].化工自动化及仪表, 2010 (11) .
水位控制系统 篇11
【关键词】汽包水位；三冲量；自动并、退泵；控制参数
背景
台山电厂一期5X600MW为亚临界机组，锅炉型式：上海锅炉厂制造亚临界一次中间再热强制循环汽包炉；锅炉给水系统配置两台50%容量汽动给水泵，一台30%容量电动给水泵。1号机组在2013年初进行脱硝改造，更换低氮燃烧器，增加喷氨脱硝装置。在2013年10月，1号机组投入协调方式运行，机组负荷350MW，汽包水位突然波动上升90mm，给水自动调节与运行人员手动干预互相作用下，汽包水位低保护动作，锅炉MFT，机组跳闸。
1、事件经过介绍与原因分析
2013年10月13日23时33分，#1机组协调方式运行，负荷350MW，B、C、D、E磨运行，A、B汽泵运行且投自动，电泵停运，A汽泵再循环门投自动且在全关位，B汽泵再循环门手动，开度在28%。汽包水位9mm，主蒸汽流量870吨/小时，主给水流量812吨/小时。
1）23时39分24秒，#1机组协调方式运行，负荷从350MW降至320MW，目标负荷300MW，运行手动停运1B磨。23时39分30秒炉膛负压波动至-505Pa。
2）23时43分11秒，汽包水位出现波动，从+10mm快速上升至+90mm，1A、1B汽泵在自动方式下降低转速调节水位。1A泵转速由4012转/分降至3928转/分，1B泵转速由4035转/分降至3903转/分，1A汽泵再循环门开度为0%，1B汽泵在循环门31.6%，1A汽泵入口流量361吨/小时，1B汽泵入口流量降至362吨/小时，主给水流量降至445吨/小时，主蒸汽流量887吨/小时，汽包水位在调节作用下快速回落。
3）23时43分15秒，1B汽泵入口流量降至335吨/小时，达到再循环门逻辑设定的快开值（低于340吨/小时）而全开；23时43分20秒，1A汽泵入口流量339吨/小时，再循环门全开，汽包水位快速下降。
4）23时43分32秒，运行人员手动关闭1A、1B汽泵再循环门，23时44分24秒，将1B汽泵再循环门关至47%开度并保持；23时45分10秒1A再循环门关至0%。在运行人员关闭再循环期间，23时44分10秒，汽包水位降至-212mm。在给水自动调节指令下快速增加汽泵转速，汽包水位开始回升。在调节过程中，1B汽泵指令与转速存在明显偏差，转速未明显增加（后续检查发现1B小机低调阀第四个阀碟存在缺陷）；1A汽泵指令与转速也存在一定偏差，经分析是由于汽包水位偏低，给水自动指令处于快速调节状态，指令快速增加，1A泵转速也在增加，与指令之间存在正常滞后。
5）23时45分21秒，汽包水位至-157mm，1A汽泵转速4394转/分；1B汽泵转速4260转/分，两台汽泵转速存在偏差，但出口压力均为14MPa且较稳定，未发生抢水工况。运行人员手动开大1B汽泵再循环门，至23时46分37秒全开1B汽泵再循环门。
6）23时46分30秒，汽包水位回升至-13mm。23时46分31秒，运行人员手动开大1A汽泵再循环门，23时46分47秒，开至32%开度。此时主给水流量888吨/小时，主蒸汽流量953吨/小时，23时46分30秒至47分21秒期间，汽包水位从-13mm至13mm，变化平缓。
7）23时47分10秒，给水流量833吨/小时，蒸汽流量919吨/小时，运行手动关闭1A汽泵再循环门，至23时47分34秒全关，同时运行人员手动关闭1B汽泵再循环门，从100%开度关至89%开度并保持。
8）23时47分34秒，汽包水位开始快速上升，23时48分08秒汽包水位达到139mm，1B汽泵转速指令3213转/分，实际转速4183转/分，因转速指令与实际转速偏差大于1000转/分切至手动；1A汽泵23时48分13秒指令3077转/分，实际转速3969转/分，因指令低于下限3080转/分，跳至MEH本地控制。23时48分23秒汽包水位最高升至192mm。
9）23时49分09秒，1B汽泵转速指令3213转/分，实际转速3901转/分，主汽流量886吨/小时，给水流量203吨/小时，汽包水位0mm，重新投入1B汽泵自动控制。
10）23时49分27秒，因1A汽泵转速低于3080转/分，不满足切至DCS控制条件，只能在MEH系统进行手动操作。随着1A汽泵入口流量低于340吨/小时，1A汽泵再循环门再次全开，因1A汽泵出口压力低于给水压力，此时1A汽泵处于不出力状态。
11）23时49分30秒，汽包水位-144mm，运行人员手动提升1B汽泵转速，23时50分15秒，1B汽泵转速指令至4597转/分，实际转速4189转/分。运行人员手动全关1B汽泵再循环门，启动电泵，快速增加勺管指令至75%，手动停运1C磨和1C炉水泵。
12）23时50分12秒，运行将汽机主控切至手动开大汽机调门，汽机主控由53%开启至64%。23时50分22秒，1B汽泵转速4195转/分，汽包水位-252mm，23时50分44秒回升至-195mm后再快速下降。
13）23时51分19秒，汽包水位降低至-300mm，锅炉MFT，机组跳闸。
1.1通过上述事件经过对其原因分析如下：
1.1.1汽包水位扰动原因
23时39分24秒，1B给煤机停运，此时炉膛负压发生-500Pa的波动，总给煤量下降至96吨/小时后恢复至116吨/小时，随即发生了汽包水位上升至90mm。判断此次汽包水位快速上升是由于制粉系统停运后炉膛热负荷降低，受热面吸热降低导致水位上升。通过查阅曲线，启停磨、燃烧器摆角调整期间汽包水位均有不同程度的波动。
1.1.2给水自动控制指令导致汽泵再循环门快开
汽包水位属于变增益的自动调节，当水位偏差大时，输出调节指令速度将加快。由于事发时处于低负荷工况，再加上水位偏差较大，两者因素的叠加造成给水指令快速调节过程中，给水流量快速变化，致给水流量迅速下降至再循环门快开值。
同时流量低快开再循环定值偏高，在机组低负荷运行工况下容易达到快开值。
1.1.3水位调节过程汽泵指令和实际转速偏差大
1B小机实际转速与目标转速偏差大，实际转速在B小机低压调门开度为58%-80%时转速不变化。B小机低压调门的一根阀梁上共布置了5个阀碟，开度范围分别为2-20mm，20-40mm，40-59.5mm，59.5-76.5mm，76.5-94mm。低压调门上第四个开启的阀门的开度百分度范围为63.3%-81.4%，与B小机相对调门开度恒定转速时的调门开度相符，判断B小机低压调门第四开启的阀碟存在缺陷。
电厂原给水控制是西门子提供的单级三冲量控制策略，即水位偏差、主给水流量及主蒸汽流量三者提供给水泵PID控制器的入口偏差进行给水泵的转速控制。在单级三冲量的给水控制系统中，蒸汽流量与给水流量的偏差经过一个微分环节，与水位偏差相加并且考虑两台汽泵的流量平衡以后送入给水泵PID控制器，从而计算得出给水泵转速。控制原理图（一）如下：
（图一）汽包水位调节控制原理图
通过上图可以看出，该种给水控制策略给水泵转速PID控制器的PID参数对水位的调节具有非常重要的作用，PID参数整定的优劣，直接影响水位在受到某种扰动后波动时回调的深度以及再次稳定所需要的时间。同时，由上图也可看出，K1-K4参数的整定也会对水位调节起到一定的作用，K3参数的强弱反映出该控制系统对水位偏差调节的强弱程度，K1、K2、K4参数反映出该控制系统对给水及蒸汽流量扰动所调节的力度。
从调节优化及控制策略适应性角度出发，决定对给水控制策略进行优化。改原单级三冲量给水控制为串级三冲量给水控制；增加自动并、退泵方式减少运行人员手动干预；对汽泵再循环最小流量调节阀控制策略进行优化。
2、给水控制策略介绍与优化
2.1串级三冲量给水控制增加到原汽泵转速控制入口，控制策略主要从以下几点考虑：
2.1.1新增加的给水控制回路分为蒸汽流量小于等于30%负荷的汽包水位调节回路和蒸汽流量大于30%负荷的汽包水位调节回路；
2.1.2蒸汽流量在30%以下时，通过汽包水位/主给水电动门前后差压控制器和泵入口流量调节器控制汽包水位；
2.1.3蒸汽流量小于25%时，电泵给水旁路调节门开度小于95%时，电泵通过勺管控制给水旁路门前后差压；
2.1.4蒸汽流量小于30%且电泵给水旁路调节门开度大于95%时，电泵通过勺管控制汽包水位；
2.1.5蒸汽流量大于30%时，通过汽包水位控制器、给水流量控制器和泵入口流量调节器控制汽包水位；
2.1.6保证不同负荷段的汽包水位控制品质，汽包水位控制器和给水流量控制器及给水泵入口流量控制器均采用变参数控制：汽包水位控制器P、I参数根据蒸汽流量大小、汽包水位偏差大小和给水温度高低综合计算得到；给水流量控制器P参数根据蒸汽流量大小和给水泵投入自动的台数综合计算得到；给水泵入口流量控制器根据泵入口流量的大小实现变参数控制。
2.2汽动给水泵自动并、退泵控制逻辑
2.2.1汽动给水泵冲转完成，给水泵转速大于2800r/min，MEH投入遥控方式后，可通过给水泵并/退泵顺控操作面板，投入自动并泵功能，实现自动提升汽泵转速，当给水泵出口压力、给水泵入口流量与在运的给水泵平衡，给水泵转速与设定值偏差小于设定值后，自动投入给水泵自动完成给水泵并列功能。
2.2.2两台给水泵并列运行时或仅有一台给水泵向锅炉供水时，可通过给水泵并/退泵顺控操作面板，投入自动退泵功能：实现自动投入给水泵再循环门自动、自动降低给水泵转速至2850r/min以下完成给水泵解列功能。
2.2.3给水泵出力提升或降低过程中，给水泵转速提升/下降速率同时受汽包水位偏差、给水流量偏差、泵入口流量偏差和泵转速偏差的限制，当不利于给水系统稳定和安全的偏差扩大时，并/退泵速率自动降低，最低可降至0速率。
2.2.4为实现在给水系统满足机组升降负荷，保持汽包水位稳定的前提下达到一定的节能功能，系统设有根据机组负荷高低自动启动并/退泵功能组的功能：当顺控联锁开关投入、机组负荷大于320MW并持续300秒以上，联锁启动并泵功能组；当顺控联锁开关投入、机组负荷小于280MW并持续300秒以上，联锁启动退泵功能组。
给水泵并泵子组逻辑：
并泵允许与条件：另一台泵并/退泵功能组不运行；本泵入口流量质量ok；本泵出口压力质量ok；汽包水位质量ok；本给水泵已投遥控；本给水泵已投遥控；本给水泵转速大于2800r/min。并泵完成与标志：泵入口流量与最大入口流量偏差小于10t/h；泵出口压力与最大出口压力偏差小于0.2MPa；给水泵转速偏差小于60r/min；本给水泵已投自动。
自动启动条件：机组负荷大于320MW持续300秒。
顺控中断或条件：任意给水泵跳闸；RB发生。
步序1指令：投入本泵再循环门自动；开本泵出口电动门；本给水泵切手动。
步序1完成：再循环门自动；出口电动门已开；本给水泵在手动状态。
步序2指令：本给水泵出口压力大于已运行给水泵最大出口压力-0.8MPa时，以1200r/min的基础速率提升给水泵转速，但升速过程受限于给水泵转速指令偏差，给水泵转速指令。
步序2完成：本给水泵出口压力大于最大出口压力-0.8MPa。
步序3指令：以400r/min的基础速率提升给水泵转速。
步序3完成：本给水泵出口压力大于最大出口压力-0.2MPa；本泵入口流量大于最大出口流量-10t/h；给水泵转速偏差小于60r/min。
步序4指令：投入本给水泵自动。
步序4完成：本给水泵自动已投入。
给水泵退泵子组逻辑：
退泵允许与条件：本给水泵退泵子组不运行；另一台给水泵并泵子组不运行；另一台给水泵退泵子组不运行；本给水泵泵入口流量质量ok；本给水泵泵出口压力质量ok；汽包水位质量ok；本给水泵已投遥控。
退泵完成标志：本给水泵转速小于2850r/min。
退泵自动启动条件：机组负荷小于280MW持续300秒；
退泵中断或条件：锅炉MFT；任意给水泵跳闸；RB发生。
步序1指令：投入本泵再循环门自动；本给水泵切手动。
步序1完成：本泵再循环门已投自动；本给水泵在手动状态。
步序2指令：以400r/min的基础速率降本给水泵转速。
步序2完成：本给水泵出口压力小于最大出口压力-0.8MPa。
步序3指令：以1200r/min的基础速率降本给水泵转速。
步序3完成：本给水泵转速小于2850r/min。
2.3给水泵再循环调节阀逻辑优化
每台给水泵分别增加一套根据给水泵入口流量进行函数定位的再循环门开度控制逻辑，新增逻辑与原逻辑可通过工程师站切换。新增的给水泵控制逻辑如图（二）所示。当切换开关SW切为1，再循环门投入自动后，通过PI控制器跟踪回路接入新的再循环门控制指令。新增逻辑有以下几个特点：
1）为了使再循环门控制方式从手动到自动方式切换后对给水系统扰动小，系统设有自动偏置控制回路，系统切到手动后，自动计算手动指令与自动指令偏差，并寄存为手动偏置值，当系统投入自动后，手动偏置值以预定速率（10%/min）过渡到0%。2）为实现给水泵既安全又节能的运行，再循环门开度设定具有给水泵转速修正给水泵入口流量的功能，实现给水泵转速低再循环门开的入口流量阀值小、给水泵转速高再循环门开的入口流量阀值大的功能。3）为减少低负荷段给水泵再循环门反复开关波动，控制指令具有快开、慢关功能，通过指令输出后的速率块实现，开门速率不限制，关门速率从100%开度到0开度需要十分钟。
再循环门开度函数和泵转速对流量的校正函数确定如下：
3、试验情况
3.1控制策略优化后进行汽包水位扰动试验，共进行幅度为±50mm的水位扰动试验4次，根据相应的曲线，进行PID参数适当调整，使系统响应满足实际运行要求。3.2给水泵组自动并、退泵试验，A泵连续进行并、退泵试验，试验过程中，对给水泵再循环门开度系数进行相应修改，防止再循环门开度过大发生给水泵抢水，试验成功，B泵进行同样试验。
4、总结
台山电厂通过对600MW亚临界汽包水位控制策略优化及给水泵自动并、退泵功能实现，有效提高了汽包水位控制水平，达到了保证机组安全、稳定运行的目的。
参考文献
[1]边立秀.热工控制系统.中国电力出版设，2001
[2]张栾英.火电厂过程控制.中国电力出版社，2000
[3]张建伟，马志杰.汽包水位控制系统参数整定方法的研究.山西电力，2001
作者简介
汽包水位常规控制策略的研究 篇12
引起汽包水位变化的因素较多, 如锅炉负荷、燃烧工况、给水压力等, 还有锅炉汽包特有的“虚假水位”现象, 这些都给汽包水位的准确控制带来困难。当蒸汽量突然阶跃增加时, 按常规分析水位会下降。但由于蒸汽量的增加导致汽包压力突然下降, 使水急剧汽化, 出现大量气泡, 水面下的汽泡膨胀, 总体积增大, 从而导致汽包水位的上升。因此在蒸汽量负荷阶跃增加后的一小段时间内, 水位不但不下降, 反而明显上升。这种反常现象通常称为“虚假水位”现象。
为满足锅炉各种工况下对汽包水位的控制要求, 并取得较理想的控制效果, 需要我们对多种控制策略进行比较、论证, 得出合理可行的解决方案。
1 单冲量控制系统
这是一种基本的反馈控制方案, 以水位信号作为被调量, 给水流量作为调节量, 构成单回路反馈控制系统。
对于小容量锅炉来说, 它的蓄水量较大, 水面以下的汽泡体积不占很大比重, 因此给水容积迟延和虚假水位现象不明显, 可以采用单冲量控制系统。另外, 在大中型锅炉起停机组过程中或在低负荷时, 由于负荷变化小, “虚假水位”现象不严重, 允许采用单冲量给水控制系统。
但是, 对于大量的大中型锅炉来说, 蒸汽量改变所产生的虚假水位将引起给水调节机构的误动作, 使汽包水位波动幅度很大, 严重影响安全生产。所以对大中型锅炉不能仅仅采用单冲量控制系统, 必须寻求其它控制方案。
2 双冲量控制系统
在单冲量的基础上, 再加一个蒸汽流量作为前馈信号, 以克服“虚假水位”, 就构成了双冲量控制。这实际上是前馈与反馈控制相结合的控制系统。当负荷突然变化时, 蒸汽的流量信号通过加法器, 使它的作用与水位信号的作用相反, 从而抵消并克服“虚假水位”的影响。但是如果给水压力本身有波动时, 双冲量控制也不能克服给水量波动的影响。
3 三冲量控制系统
为克服给水压力波动时引起的给水流量扰动, 再引入给水流量的冲量, 构成一个流量自稳定控制回路, 这种控制系统由于引进了汽包水位、给水流量及蒸汽流量三个参数, 叫做汽包水位的三冲量调节控制。如图1所示。
现阶段应用广泛的控制方案就是采用三冲量的前馈—串级控制系统。其中, 汽包水位是被控参数, 是主冲量信号, 蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号。系统将蒸汽流量前馈到汽包水位控制系统中去, 同时给水流量自稳定回路用来克服给水流量扰动, 一旦蒸汽流量和给水流量发生波动, 不是等到影响了水位才进行调节, 而是在这两个流量改变之时就能立即去改变调节阀开度进行校正, 故大大提高了水位这个被控参数的控制精度。
从控制系统的角度来看, 这是一个前馈—反馈复合控制系统, 既能发挥前馈控制及时的优点, 又保持了反馈控制能克服多个扰动和具有对被调量实行反馈检验的长处。
前馈控制方面, 引进了蒸汽流量作为前馈信号, 起到了“超前信号”的作用, 使给水阀一开始就向正确的方向移动, 大大减小了水位的波动幅度, 抵消了虚假水位的影响, 并缩短了过渡过程时间。反馈控制方面, 由两个回路构成串级控制, 内回路是一个给水流量自稳定回路, 其控制系统的响应很快;外回路是一个水位控制回路, 用以精确控制水位。调节器的控制规律采用PID控制, 其特点是结构简单、应用广泛、能够实现无差调节。
4 三冲量控制系统的MATLAB仿真
针对应用广泛的三冲量前馈—串级控制系统, 在MATLAB/Simulink环境下, 建立下列Simulink模型结构图。所选对象是某锅炉, 其具体的汽包水位在给水流量作用下的动态特性传递函数为:
Step1模块为输入阶跃信号, 信号值设置为10, 相当于给系统加10cm的阶跃扰动信号。采用凑试法整定调节器参数。当主调节器KP=8, KI=0.2, KD=2 5, 副调节器K P=8, KI=0, KD=0时能较好兼顾稳定性、准确性、快速性三方面的要求, 控制效果良好。运行仿真后, 可以双击示波器图标直接观察仿真结果, 也可以在MATLAB的命令窗口输入以下绘图命令plot (tout, yout) 获得仿真曲线, 如图4所示。从仿真曲线看出, 此时超调量较小, 过渡过程时间短, 完全消除余差, 控制效果明显。
5 结语
在汽包水位控制系统中, 三冲量前馈—串级控制策略完全可行, 对于蒸汽流量和给水流量等干扰均能快速反应, 保持水位的稳定, 从而克服汽包“虚假水位”的问题, 取得良好的控制效果。
参考文献
[1]邵裕森, 戴先中.过程控制工程[M].北京:机械工业出版社, 2000.