PLC在蒸汽鍋爐汽包液位PID控製係統的應用分析
2026-04-07 18:12:52　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
工(gong)業(ye)蒸(zheng)汽(qi)鍋(guo)爐(lu)汽(qi)包(bao)水(shui)位(wei)控(kong)製(zhi)的(de)任(ren)務(wu)是(shi)控(kong)製(zhi)給(gei)水(shui)流(liu)量(liang)使(shi)其(qi)與(yu)蒸(zheng)發(fa)量(liang)保(bao)持(chi)動(dong)態(tai)平(ping)衡(heng)，維(wei)持(chi)汽(qi)包(bao)水(shui)位(wei)在(zai)工(gong)藝(yi)允(yun)許(xu)的(de)範(fan)圍(wei)內(nei)，是(shi)保(bao)證(zheng)鍋(guo)爐(lu)安(an)全(quan)生(sheng)產(chan)運(yun)行(xing)的(de)必(bi)要(yao)條(tiao)件(jian)
，也(ye)是(shi)鍋(guo)爐(lu)正(zheng)常(chang)生(sheng)產(chan)運(yun)行(xing)的(de)主(zhu)要(yao)指(zhi)標(biao)之(zhi)一(yi)。若(ruo)水(shui)位(wei)過(guo)高(gao),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)溫(wen)度(du)過(guo)高(gao)，將(jiang)其(qi)作(zuo)為(wei)熱(re)交(jiao)換(huan)對(dui)象(xiang)，通(tong)過(guo)餘(yu)熱(re)鍋(guo)爐(lu)副(fu)產(chan)中(zhong)壓(ya)蒸(zheng)汽(qi)供(gong)各(ge)生(sheng)產(chan)分(fen)廠(chang)使(shi)用(yong)，既(ji)保(bao)證(zheng)了(le)生(sheng)產(chan)需(xu)要(yao)，也(ye)達(da)到(dao)了(le)節(jie)能(neng)降(jiang)耗(hao)的(de)目(mu)的(de)。鍋(guo)爐(lu)是(shi)一(yi)個(ge)較(jiao)為(wei)複(fu)雜(za)的(de)調(tiao)節(jie)對(dui)象(xiang)
，為(wei)保(bao)證(zheng)提(ti)供(gong)合(he)格(ge)的(de)蒸(zheng)汽(qi)以(yi)適(shi)應(ying)負(fu)荷(he)的(de)需(xu)要(yao)

，與(yu)其(qi)配(pei)套(tao)設(she)計(ji)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)各(ge)主(zhu)要(yao)工(gong)藝(yi)參(can)數(shu)的(de)需(xu)要(yao)。餘(yu)熱(re)鍋(guo)爐(lu)工(gong)藝(yi)流(liu)程(cheng)如(ru)圖(tu)1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
、自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)等(deng)多(duo)項(xiang)功(gong)能(neng)。它(ta)的(de)被(bei)調(tiao)量(liang)是(shi)汽(qi)包(bao)水(shui)位(wei)，而(er)調(tiao)節(jie)量(liang)則(ze)是(shi)給(gei)水(shui)流(liu)量(liang)
，通(tong)過(guo)對(dui)給(gei)水(shui)流(liu)量(liang)的(de)調(tiao)節(jie)
，使(shi)汽(qi)包(bao)內(nei)部(bu)的(de)物(wu)料(liao)達(da)到(dao)動(dong)態(tai)平(ping)衡(heng)，變(bian)化(hua)在(zai)允(yun)許(xu)範(fan)圍(wei)之(zhi)內(nei)
，雖(sui)然(ran)鍋(guo)爐(lu)汽(qi)包(bao)水(shui)位(wei)對(dui)蒸(zheng)氣(qi)流(liu)量(liang)和(he)給(gei)水(shui)流(liu)量(liang)變(bian)化(hua)的(de)響(xiang)應(ying)呈(cheng)積(ji)極(ji)特(te)性(xing)，但(dan)是(shi)在(zai)負(fu)荷(he)(蒸氣流量)急ji劇ju增zeng加jia時shi，表biao現xian卻que類lei似si逆ni響xiang應ying特te性xing


，即ji所suo謂wei的de虛xu假jia水shui位wei。造zao成cheng這zhe一yi原yuan因yin是shi由you於yu負fu荷he增zeng加jia時shi
，導dao致zhi汽qi包bao壓ya力li下xia降jiang
，使shi汽qi包bao內nei水shui的de沸fei點dian溫wen度du下xia降jiang，水shui的de沸fei騰teng突tu然ran加jia劇ju
，形xing成cheng大da量liang汽qi泡pao
，而er使shi水shui位wei抬tai高gao。汽qi包bao水shui位wei控kong製zhi係xi統tong，實shi質zhi上shang是shi維wei持chi鍋guo爐lu進jin出chu水shui量liang平ping衡heng的de係xi統tong。它ta是shi以yi水shui位wei作zuo為wei水shui量liang平ping衡heng與yu否fou的de控kong製zhi指zhi標biao，通tong過guo調tiao整zheng進jin水shui量liang的de多duo少shao來lai達da到dao進jin出chu平ping衡heng，將jiang汽qi包bao水shui位wei維wei持chi在zai汽qi水shui分fen離li界jie麵mian最zui大da的de汽qi包bao中zhong位wei線xian附fu近jin，以yi提ti高gao鍋guo爐lu的de蒸zheng發fa效xiao率lv
，保bao證zheng生sheng產chan安an全quan。由you於yu鍋guo爐lu水shui位wei係xi統tong是shi一yi個ge設she有you自zi平ping衡heng能neng力li的de被bei控kong對dui象xiang，運yun行xing中zhong存cun在zai虛xu假jia水shui位wei現xian象xiang，實shi際ji應ying用yong中zhong可ke根gen據ju情qing況kuang采cai用yong水shui位wei單dan衝chong量liang、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

xiantongguozhengqiliuliangbiansongqihegeishuiliuliangbiansongqiqudegezidexinhaochengyixiangyingdebilixishu，tongguobilixishukeyitiaojiezhengqiliulianghuogeishuiliuliangduitiaojiexitongdeyingxianglidu。tongguochayabiansongqiqudeshuiweixinhaozuoweizhutiaojiexinhaoH。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PID參(can)數(shu)可(ke)以(yi)使(shi)閥(fa)位(wei)波(bo)動(dong)幅(fu)度(du)不(bu)大(da)而(er)回(hui)路(lu)有(you)較(jiao)快(kuai)的(de)跟(gen)蹤(zong)效(xiao)果(guo)。液(ye)位(wei)前(qian)饋(kui)係(xi)數(shu)與(yu)鍋(guo)爐(lu)額(e)定(ding)負(fu)荷(he)密(mi)切(qie)相(xiang)關(guan)，一(yi)般(ban)是(shi)額(e)定(ding)負(fu)荷(he)越(yue)大(da)前(qian)饋(kui)係(xi)數(shu)也(ye)越(yue)大(da)。本(ben)項(xiang)目(mu)廢(fei)熱(re)鍋(guo)爐(lu)的(de)額(e)定(ding)負(fu)荷(he)為(wei)35t／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tu5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PIDshuxuebiaodashi，duiyuyibanfanyingdebihuanhuiluguochengkongzhijiukeyingfu
，danduiyugongyeguoluzheyangdexuyaoyoukuaisufanyingdebihuanhuilukongzhiyaoshiyongbengongnengxuyaoshixianpinggushifoukexing。dianxingdebihuanhuiluchengkongshiyiturutu6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:一(yi)是(shi)理(li)論(lun)計(ji)算(suan)整(zheng)定(ding)法(fa)。它(ta)主(zhu)要(yao)是(shi)依(yi)據(ju)係(xi)統(tong)的(de)數(shu)學(xue)模(mo)型(xing)，經(jing)過(guo)理(li)論(lun)計(ji)算(suan)確(que)定(ding)控(kong)製(zhi)器(qi)參(can)數(shu)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)所(suo)得(de)到(dao)的(de)計(ji)算(suan)數(shu)據(ju)未(wei)必(bi)可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)用(yong)，還(hai)必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)工(gong)程(cheng)實(shi)際(ji)進(jin)行(xing)調(tiao)整(zheng)和(he)修(xiu)改(gai)。二(er)是(shi)工(gong)程(cheng)整(zheng)定(ding)方(fang)法(fa)，它(ta)主(zhu)要(yao)依(yi)賴(lai)工(gong)程(cheng)經(jing)驗(yan)
，直(zhi)接(jie)在(zai)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)試(shi)驗(yan)中(zhong)進(jin)行(xing)，且(qie)方(fang)法(fa)簡(jian)單(dan)、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、fanyingquxianfaheshuaijianfa。sanzhongfangfageyouqitedian，qigongtongdiandoushitongguoshiyan，ranhouanzhaogongchengjingyangongshiduikongzhiqicanshujinxingzhengding。danwuluncaiyongnayizhongfangfasuodedaodekongzhiqicanshu，douxuyaozaishijiyunxingzhongjinxingzuihoutiaozhengyuwanshan。xianzaiyibancaiyongdeshilinjiebilifa。liyonggaifangfajinxingPID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
、鍋guo爐lu汽qi包bao壓ya力li等deng重zhong要yao參can數shu應ying設she置zhi常chang規gui儀yi表biao及ji報bao警jing裝zhuang置zhi，以yi保bao證zheng水shui位wei和he汽qi包bao壓ya力li有you雙shuang重zhong甚shen至zhi三san重zhong報bao警jing裝zhuang置zhi，這zhe是shi必bi不bu可ke少shao的de，以yi免mian鍋guo爐lu發fa生sheng重zhong大da事shi故gu。
5 結束語
由於采用了PLCjinxingkongzhi，xitonggongnengwanshan，jiegouxianjinheli，nenghaoxiao
，kuozhanlinghuo，bianyuweihu，bingqiekekaoxinggao，erqiehaijidaditigaoleqiyedeshengchanxiaolvhejingjixiaoyi。gaixitongzidonghuachengdujiaogao

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