PLC在蒸汽鍋爐汽包液位PID控製係統的應用分析
2026-04-29 13:46:18　作 者 ：永宏電機股份有限公司 李淩鬆 來自《PLC&FA》網絡版　供稿
1 引言
gongyezhengqiguoluqibaoshuiweikongzhiderenwushikongzhigeishuiliuliangshiqiyuzhengfaliangbaochidongtaipingheng，weichiqibaoshuiweizaigongyiyunxudefanweinei，shibaozhengguoluanquanshengchanyunxingdebiyaotiaojian，yeshiguoluzhengchangshengchanyunxingdezhuyaozhibiaozhiyi。ruoshuiweiguogao,影響汽水分離的效果,使用氣設備發生故障;而水位過低則會破壞汽水循環,嚴重時導致鍋爐爆炸，所以鍋爐汽包水位必須嚴加控製。為了確保鍋爐生產的穩定、可靠和經濟運行，我們設計采用了性能先進的永宏FBs-PLC、變頻調速器、計算機應用等自動化設備組成的鍋爐PID自動控製係統。該控製係統通過檢測水汽壓力
、溫度
，汽包液位等運行物理量，在運行過程中全自動調節，保證了工業鍋爐的安全穩定高效運行。
2 工業鍋爐相關工藝介紹
zhengqiguolushichangkuangzhongyaodedonglishebei，qirenwushigonggeihegewendingdezhengqi
，yimanzufuhedexuyao。weici，guolushengchanguochengdegegezhuyaocanshudoubixuyangekongzhi。erliyongyureqitizuoweirejiaohuanjiezhideyureguoluzaiquanguozhanyouhendadebili，qijienengjianghaoxiaoguoyouweimingxian。mouhuagongchangliusuanyureguolujiushiliyongfeitengluchulaideluqi(主要是SO2)wenduguogao
，jiangqizuoweirejiaohuanduixiang，tongguoyureguolufuchanzhongyazhengqigonggeshengchanfenchangshiyong，jibaozhengleshengchanxuyao，yedadaolejienengjianghaodemude。guolushiyigejiaoweifuzadetiaojieduixiang，weibaozhengtigonghegedezhengqiyishiyingfuhedexuyao，yuqipeitaoshejidekongzhixitongbixumanzugezhuyaogongyicanshudexuyao。yureguolugongyiliuchengrutu1所示。

圖1 餘熱鍋爐工藝流程圖

3 控製難點分析
鍋爐計算機控製是近年來開發的一項新技術。它是微型計算機軟、硬件
、自動控製、鍋爐節能等幾項技術緊密結合的產物，作為鍋爐控製裝置，其主要任務是保證鍋爐的安全、穩定
、經濟運行，減輕操作人員的勞動強度。采用微計算機控製，能對鍋爐進行過程的自動檢測、zidongkongzhidengduoxianggongneng。tadebeitiaoliangshiqibaoshuiwei，ertiaojieliangzeshigeishuiliuliang，tongguoduigeishuiliuliangdetiaojie
，shiqibaoneibudewuliaodadaodongtaipingheng，bianhuazaiyunxufanweizhinei，suiranguoluqibaoshuiweiduizhengqiliulianghegeishuiliuliangbianhuadexiangyingchengjijitexing，danshizaifuhe(蒸氣流量)jijuzengjiashi
，biaoxianqueleisinixiangyingtexing，jisuoweidexujiashuiwei。zaochengzheyiyuanyinshiyouyufuhezengjiashi，daozhiqibaoyalixiajiang，shiqibaoneishuidefeidianwenduxiajiang



，shuidefeitengturanjiaju，xingchengdaliangqipao，ershishuiweitaigao。qibaoshuiweikongzhixitong，shizhishangshiweichiguolujinchushuiliangpinghengdexitong。tashiyishuiweizuoweishuiliangpinghengyufoudekongzhizhibiao
，tongguotiaozhengjinshuiliangdeduoshaolaidadaojinchupingheng，jiangqibaoshuiweiweichizaiqishuifenlijiemianzuidadeqibaozhongweixianfujin，yitigaoguoludezhengfaxiaolv，baozhengshengchananquan。youyuguolushuiweixitongshiyigesheyouzipinghengnenglidebeikongduixiang，yunxingzhongcunzaixujiashuiweixianxiang，shijiyingyongzhongkegenjuqingkuangcaiyongshuiweidanchongliang、水位蒸汽量雙衝量和水位
、蒸汽量
、給水量三衝量的控製係統。所謂三衝量調節係統就是把給水流量W，汽包水位H
，蒸汽流量D三個變量通過運算後調節給水閥的調節係統。具體調節過程方框圖如圖2所示。

圖2 三衝量調節方框圖

先xian通tong過guo蒸zheng汽qi流liu量liang變bian送song器qi和he給gei水shui流liu量liang變bian送song器qi取qu得de各ge自zi的de信xin號hao乘cheng以yi相xiang應ying的de比bi例li係xi數shu
，通tong過guo比bi例li係xi數shu可ke以yi調tiao節jie蒸zheng汽qi流liu量liang或huo給gei水shui流liu量liang對dui調tiao節jie係xi統tong的de影ying響xiang力li度du。通tong過guo差cha壓ya變bian送song器qi取qu得de水shui位wei信xin號hao作zuo為wei主zhu調tiao節jie信xin號haoH。如果水位設定值為G
，那麼在平衡條件下應有D×Dk-W×Wk+H-G=0的關係式存在。其中Dk為蒸汽流量係數 Wk為給水流量係數。如果再設定時
，保證在穩態下D×Dk=W×Wk那麼就可以得到H=G。此時調節器的輸出就與符合對應，給水閥停在某一位置上。若有一個或多個信號發生變化，平衡狀態被破壞，PI調(tiao)節(jie)模(mo)塊(kuai)的(de)輸(shu)出(chu)必(bi)將(jiang)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。當(dang)水(shui)位(wei)升(sheng)高(gao)了(le)，則(ze)調(tiao)節(jie)模(mo)塊(kuai)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)就(jiu)減(jian)小(xiao)
，使(shi)得(de)給(gei)水(shui)調(tiao)節(jie)閥(fa)關(guan)小(xiao)。反(fan)之(zhi)，當(dang)水(shui)位(wei)降(jiang)低(di)時(shi)，調(tiao)節(jie)模(mo)塊(kuai)的(de)輸(shu)出(chu)值(zhi)增(zeng)大(da)

，使(shi)給(gei)水(shui)閥(fa)開(kai)大(da)。實(shi)踐(jian)證(zheng)明(ming)三(san)衝(chong)量(liang)給(gei)水(shui)單(dan)極(ji)自(zi)動(dong)調(tiao)節(jie)係(xi)統(tong)能(neng)保(bao)持(chi)水(shui)位(wei)穩(wen)定(ding)，且(qie)給(gei)水(shui)調(tiao)節(jie)閥(fa)動(dong)作(zuo)平(ping)穩(wen)。鍋(guo)爐(lu)給(gei)水(shui)係(xi)統(tong)中(zhong)還(hai)有(you)一(yi)個(ge)比(bi)較(jiao)重(zhong)要(yao)的(de)控(kong)製(zhi)回(hui)路(lu)是(shi)給(gei)水(shui)壓(ya)力(li)回(hui)路(lu)，因(yin)為(wei)汽(qi)包(bao)內(nei)壓(ya)力(li)較(jiao)高(gao)
，要(yao)給(gei)鍋(guo)爐(lu)補(bu)水(shui)必(bi)須(xu)提(ti)供(gong)更(geng)高(gao)的(de)壓(ya)力(li)，給(gei)水(shui)壓(ya)力(li)回(hui)路(lu)的(de)作(zuo)用(yong)是(shi)提(ti)高(gao)水(shui)壓(ya)，使(shi)水(shui)能(neng)夠(gou)正(zheng)常(chang)注(zhu)入(ru)汽(qi)包(bao)。但(dan)在(zai)蒸(zheng)汽(qi)流(liu)量(liang)未(wei)達(da)到(dao)滿(man)負(fu)荷(he)時(shi)，對(dui)給(gei)水(shui)流(liu)量(liang)的(de)要(yao)求(qiu)也(ye)不(bu)高(gao)。在(zai)老(lao)式(shi)的(de)鍋(guo)爐(lu)係(xi)統(tong)中(zhong)一(yi)般(ban)采(cai)用(yong)給(gei)水(shui)泵(beng)一(yi)直(zhi)以(yi)工(gong)頻(pin)方(fang)式(shi)運(yun)轉(zhuan)，用(yong)回(hui)流(liu)閥(fa)降(jiang)低(di)水(shui)壓(ya)防(fang)止(zhi)爆(bao)管(guan)，現(xian)在(zai)一(yi)般(ban)采(cai)用(yong)通(tong)過(guo)變(bian)頻(pin)器(qi)恒(heng)壓(ya)供(gong)水(shui)的(de)方(fang)式(shi)控(kong)製(zhi)水(shui)壓(ya)。鍋(guo)爐(lu)給(gei)水(shui)量(liang)通(tong)過(guo)汽(qi)包(bao)液(ye)位(wei)調(tiao)節(jie)。汽(qi)包(bao)液(ye)位(wei)測(ce)量(liang)選(xuan)用(yong)浮(fu)筒(tong)液(ye)位(wei)計(ji)。為(wei)有(you)效(xiao)利(li)用(yong)轉(zhuan)換(huan)廢(fei)熱(re)，降(jiang)低(di)消(xiao)耗(hao)
，減(jian)低(di)勞(lao)動(dong)強(qiang)度(du)，有(you)利(li)於(yu)整(zheng)體(ti)工(gong)藝(yi)穩(wen)定(ding)，要(yao)求(qiu)汽(qi)包(bao)液(ye)位(wei)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)，正(zheng)常(chang)生(sheng)產(chan)時(shi)波(bo)動(dong)應(ying)小(xiao)於(yu)±5％。PID調節蒸汽出口閥可以很好的控製汽包壓力。開車正常後波動範圍不大，可以不考慮。轉化負荷波動、出預熱器鍋爐給水溫度變化、鍋爐負荷波動、排汙量變化這幾個因素對汽包液位的影響必須考慮。以汽包液位為主調參數
、以給水流量為副調參數、yizhengqiliuliangweiqiankui
，dantiaojiexiaoguohencha。yinqiqibaoyeweidedaqidaluo。kaolvdaogaifeireguolukongzhicanshuouhexiao
，liuchengjiandan，chanqiliangyejiaowending，womencongcaozuorenyuandecaozuozhongdedaoqifa
，renweijianshaogeishuiliangdebodongcongerwendinggeishuiwenduchengweigaifeireguoluyeweikongzhideyaodian。yinciwomenxuanyong“以汽定水＋液位前饋”比值控製方案，方案框圖如圖3所示。

圖3 汽定水＋液位前饋比值控製方案框圖

其中係數K為汽水損失率(給水流量與蒸汽流量的比值)，範圍為1.1～1.2。PID參數為P＝300％、I＝0.4
、D＝0。這組PIDcanshukeyishifaweibodongfudubudaerhuiluyoujiaokuaidegenzongxiaoguo。yeweiqiankuixishuyuguoluedingfuhemiqiexiangguan，yibanshiedingfuheyuedaqiankuixishuyeyueda。benxiangmufeireguoludeedingfuhewei35t／h。前饋係數按表一給定，見附表:
附表 前饋係數表
 

投運時首先投運給水流量單回路
，調節平穩後，再切換為蒸汽流量比值控製，液位前饋同時起作用。以汽定水＋液位前饋比值控製方案調試投運簡單方便，投運後經負荷擾動(產汽量變化)
、液位擾動(排汙量變化)實驗，抗擾動性能良好，投運以來運行平穩
，達到工藝要求。圖4為2.5h實時液位記錄曲線
，其中記錄了負荷擾動情況。液位波動範圍＜±3％。

4 永宏PLC PID控製係統分析
4.1 帶PID控製功能的FATEK可編程控製器
PID控製及其控製器或智能PID控製器(儀表)已經很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控製器產品，作為國產PLC企業，永宏電機股份公司一直致力於PLC的研究開發工作，帶PID控製功能的FATEK可編程控製器(PLC)就是利用其閉環控製模塊來實現鍋爐汽包液位的PID控製
，在異常情況下
，如液位偏離正常值較大時，通過PLCkongzhixitongkongzhi

，keyikuaisuhuifushuiwei
，baozhengguoludeanquanwendingyunxing。dangshuiweikongzhihezhuzhengqiwendukongzhifashengmaodunshi，kegenjumaodundezhuyaofangmianjinxingliangzhedexietiaokongzhi。tabaohangeishuiliuliangkongzhihuiluheqibaoshuiweikongzhihuilulianggekongzhihuilu
，shizhishangshizhengqiliuliangqiankuiyushuiwei－流(liu)量(liang)串(chuan)級(ji)係(xi)統(tong)組(zu)成(cheng)的(de)複(fu)合(he)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)。當(dang)蒸(zheng)汽(qi)流(liu)量(liang)變(bian)化(hua)時(shi)，鍋(guo)爐(lu)汽(qi)包(bao)水(shui)位(wei)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)給(gei)水(shui)流(liu)量(liang)控(kong)製(zhi)回(hui)路(lu)可(ke)迅(xun)速(su)改(gai)變(bian)進(jin)水(shui)量(liang)以(yi)完(wan)成(cheng)粗(cu)調(tiao)，然(ran)後(hou)再(zai)由(you)汽(qi)包(bao)水(shui)位(wei)調(tiao)節(jie)器(qi)完(wan)成(cheng)水(shui)位(wei)的(de)細(xi)調(tiao)。圖(tu)5是有永宏PLC組成的控製係統示意圖。

圖5 永宏PLC控製係統示意圖

4.2 汽包水位PID控製設計優點
(1) 減少幹擾對主回路的影響

，可由副回路控製器予以校正。
(2) 由於副回路的存在減少了相位滯後
，從而改善了主回路的響應速度。
(3) 對控製閥特性的變化具有較好的魯棒性。
(4) 副回路可以按照主回路的需求對對象實施精確控製。
實際PLC的de控kong製zhi程cheng序xu采cai用yong主zhu副fu回hui路lu進jin行xing串chuan級ji控kong製zhi

，即ji主zhu回hui路lu的de輸shu出chu做zuo為wei副fu回hui路lu的de設she定ding值zhi，經jing副fu回hui路lu輸shu出chu作zuo用yong於yu被bei控kong對dui象xiang。也ye可ke以yi不bu用yong副fu回hui路lu隻zhi用yong主zhu回hui路lu形xing成cheng單dan回hui路lu調tiao解jie
，或huo手shou動dong操cao作zuo完wan成cheng。一yi般ban常chang見jian的de過guo程cheng控kong製zhi應ying用yong
， 開環回路控製就可以滿足大部份的應用要求，但隨著使用時間、組(zu)件(jian)特(te)性(xing)變(bian)化(hua)或(huo)受(shou)控(kong)負(fu)載(zai)或(huo)外(wai)界(jie)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)的(de)變(bian)化(hua)，開(kai)環(huan)回(hui)路(lu)控(kong)製(zhi)因(yin)為(wei)沒(mei)有(you)真(zhen)實(shi)將(jiang)受(shou)控(kong)程(cheng)序(xu)的(de)實(shi)際(ji)量(liang)反(fan)饋(kui)到(dao)控(kong)製(zhi)器(qi)，因(yin)此(ci)控(kong)製(zhi)結(jie)果(guo)可(ke)能(neng)與(yu)實(shi)際(ji)期(qi)望(wang)的(de)結(jie)果(guo)會(hui)有(you)些(xie)落(luo)差(cha)，閉(bi)環(huan)回(hui)路(lu)PID過程控製是用來克服並解決上述缺點的極佳選擇。FBS-PLC提供軟件數字化的PID數(shu)學(xue)表(biao)達(da)式(shi)

，對(dui)於(yu)一(yi)般(ban)反(fan)應(ying)的(de)閉(bi)環(huan)回(hui)路(lu)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)就(jiu)可(ke)應(ying)付(fu)
，但(dan)對(dui)於(yu)工(gong)業(ye)鍋(guo)爐(lu)這(zhe)樣(yang)的(de)需(xu)要(yao)有(you)快(kuai)速(su)反(fan)應(ying)的(de)閉(bi)環(huan)回(hui)路(lu)控(kong)製(zhi)要(yao)使(shi)用(yong)本(ben)功(gong)能(neng)需(xu)要(yao)事(shi)先(xian)評(ping)估(gu)是(shi)否(fou)可(ke)行(xing)。典(dian)型(xing)的(de)閉(bi)環(huan)回(hui)路(lu)程(cheng)控(kong)示(shi)意(yi)圖(tu)如(ru)圖(tu)6所示。
圖6 典型閉環回路程控示意圖

根據應用要求，用戶將PID 控製器設定成比例+積分+微分控製器
，其控製器的數字化數學表達式如下:

Mn:“n”時的控製輸出量
D4005:增益常數
，默認值為1000;可設定範圍為1～ 5000
Pb:比例帶(範圍:1～5000
，單位為0.1%; Kc(增益)=D4005/Pb)
En:“n”時的誤差=設定值(SP)-“n”時的過程變數值(PVn)
Ki:積分常數( 範圍:0～9999，相當於0.00～99.99 Repeats/Minute)
Td:微積分時間常數(範圍:0～9999，相當於0.00～99.99Minute)
PVn:“n”時的過程變數值
PVn-1:“n”時的上一次過程變數值
Ts:PID運算的間隔時間(範圍:1～3000，單位:0.01S)
Bias:偏置輸出量(範圍:0～16383)
加jia上shang微wei分fen項xiang的de控kong製zhi器qi，目mu的de在zai於yu消xiao除chu程cheng控kong係xi統tong的de過guo度du反fan應ying，進jin而er使shi程cheng控kong係xi統tong能neng夠gou平ping穩wen緩huan和he達da到dao穩wen定ding。雖sui然ran微wei分fen項xiang有you上shang述shu優you點dian，但dan因yin其qi對dui輸shu出chu量liang的de貢gong獻xian相xiang當dang靈ling敏min，大da部bu分fen的de應ying用yong不bu必bi使shi用yong微wei分fen項xiang而er將jiangTd設定為0。PID控製器的參數整定是控製係統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控製器的比例係數、積分時間和微分時間的大小。PID控製器參數整定的方法很多
，概括起來有兩大類:yishililunjisuanzhengdingfa。tazhuyaoshiyijuxitongdeshuxuemoxing
，jingguolilunjisuanquedingkongzhiqicanshu。zhezhongfangfasuodedaodejisuanshujuweibikeyizhijieyong，haibixutongguogongchengshijijinxingtiaozhenghexiugai。ershigongchengzhengdingfangfa
，tazhuyaoyilaigongchengjingyan，zhijiezaikongzhixitongdeshiyanzhongjinxing，qiefangfajiandan、易於掌握
，在工程實際中被廣泛采用。PID控製器參數的工程整定方法
，主要有臨界比例法、反(fan)應(ying)曲(qu)線(xian)法(fa)和(he)衰(shuai)減(jian)法(fa)。三(san)種(zhong)方(fang)法(fa)各(ge)有(you)其(qi)特(te)點(dian)，其(qi)共(gong)同(tong)點(dian)都(dou)是(shi)通(tong)過(guo)試(shi)驗(yan)，然(ran)後(hou)按(an)照(zhao)工(gong)程(cheng)經(jing)驗(yan)公(gong)式(shi)對(dui)控(kong)製(zhi)器(qi)參(can)數(shu)進(jin)行(xing)整(zheng)定(ding)。但(dan)無(wu)論(lun)采(cai)用(yong)哪(na)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)所(suo)得(de)到(dao)的(de)控(kong)製(zhi)器(qi)參(can)數(shu)，都(dou)需(xu)要(yao)在(zai)實(shi)際(ji)運(yun)行(xing)中(zhong)進(jin)行(xing)最(zui)後(hou)調(tiao)整(zheng)與(yu)完(wan)善(shan)。現(xian)在(zai)一(yi)般(ban)采(cai)用(yong)的(de)是(shi)臨(lin)界(jie)比(bi)例(li)法(fa)。利(li)用(yong)該(gai)方(fang)法(fa)進(jin)行(xing)PID控製器參數的整定步驟如下:
(1) 首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓係統工作;
(2) 僅加入比例控製環節，直到係統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大係數和臨界振蕩周期;
(3) 在一定的控製度下通過公式計算得到PID控製器的參數。圖7是永宏可編程序控製器PID部分程序舉例。

圖7 永宏可編程序控製器PID部分程序圖
除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進行自動化控製係統設計時，對鍋爐水位、guoluqibaoyalidengzhongyaocanshuyingshezhichangguiyibiaojibaojingzhuangzhi
，yibaozhengshuiweiheqibaoyaliyoushuangzhongshenzhisanzhongbaojingzhuangzhi
，zheshibibukeshaode，yimianguolufashengzhongdashigu。
5 結束語
由於采用了PLC進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)
，係(xi)統(tong)功(gong)能(neng)完(wan)善(shan)，結(jie)構(gou)先(xian)進(jin)合(he)理(li)
，能(neng)耗(hao)小(xiao)，擴(kuo)展(zhan)靈(ling)活(huo)，便(bian)於(yu)維(wei)護(hu)
，並(bing)且(qie)可(ke)靠(kao)性(xing)高(gao)
，而(er)且(qie)還(hai)極(ji)大(da)地(di)提(ti)高(gao)了(le)企(qi)業(ye)的(de)生(sheng)產(chan)效(xiao)率(lv)和(he)經(jing)濟(ji)效(xiao)益(yi)。該(gai)係(xi)統(tong)自(zi)動(dong)化(hua)程(cheng)度(du)較(jiao)高(gao)
，大(da)大(da)降(jiang)低(di)了(le)操(cao)作(zuo)者(zhe)勞(lao)動(dong)強(qiang)度(du)，降(jiang)低(di)了(le)成(cheng)本(ben)，經(jing)過(guo)近(jin)2年的運行，用戶給予了很高評價，認為利用國產永宏PLC開(kai)發(fa)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)功(gong)能(neng)完(wan)善(shan)，綜(zong)合(he)性(xing)強(qiang)
，人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)友(you)好(hao)，實(shi)用(yong)性(xing)好(hao)。隨(sui)著(zhe)國(guo)產(chan)優(you)秀(xiu)可(ke)編(bian)程(cheng)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)高(gao)速(su)計(ji)算(suan)元(yuan)件(jian)的(de)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)，鍋(guo)爐(lu)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)將(jiang)會(hui)更(geng)加(jia)完(wan)善(shan)。