摘 要

船用主锅炉作为蒸汽动力装置的主要设备，在尺寸相对变化较小的情况下，其蒸发量越来越大，随着船舶续航力要求的提高，在保证快速性的前提下，对主锅炉产生的蒸汽品质的要求越来越高，这就对主锅炉水位控制系统提出了更高的要求。

本文首先介绍了课题的研究背景以及锅炉水位控制的研究现状，简要的描述了锅炉的总体结构与几种水位计的测量原理，通过对各种测量方式的分析比较，确定了最佳的水位检测方案。

通过分析汽包水位控制对象的动态特性，将汽包水位控制方案进行比较，说明产生虚假液位的原因，通过比较得出三冲量控制系统相对于单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求，能有效地避免“虚假水位”现象。

根据锅炉汽包水位的动态特性，建立其数学模型。并针对水位的影响因素和各个控制系统进行Simulink仿真实验，根据系统的仿真曲线，验证三冲量控制系统的控制效果能够达到预期的要求。

最后在对PLC结构原理进行说明后，提出了控制方案的总体设计步骤，并对PLC硬件进行选型，通过CAD描绘出其电气原理图，完成水位控制系统的流程图，并根据流程图完成程序的编写，最终进行程序的调试工作。系统以AC500来完成汽包水位的自动控制，以保证水位控制在指定的范围内。

关键字：汽包水位 双冲量 三冲量 MATLAB仿真 PLC

Abstract

Marine main boiler as the main equipment of steam power plant,in the case of relatively small size, increasing evaporation, as the ship endurance requirements increase, under the premise of ensuring fast, increasing demand for the main boiler and the steam quality, which the main boiler water level control system put forward higher requirements.

This article first introduces the background and current status of boiler water level control, a brief description of the boiler's overall structure and several water level measurement principles, based on analysis and comparison of measurement methods to determine the optimum water level detection scheme.

Analysis of dynamic characteristic of drum water level control, to compare steam drum water level control, explain the reasons of false liquid level through comparing three-value control system relative to the single impulse and double impulse control system, its best quality, can effectively meet the system requirements for speed, stability, accuracy, can effectively avoid "false water level".

Based on the dynamic characteristic of boiler drum water level, establishment of the mathematical models. And according to the factors affecting the level of Simulink simulation and control system, according to the simulation, verifying control effects of three-value control system to achieve the desired requirements.

After the last describes the PLC principle, the overall design of the proposed control scheme and selection of PLC hardware, through CAD draw electrical schematics, diagram of the complete control and prepared according to the flow chart through the program, final program debugging. AC500 to complete the drum water level automatic control of the system, to ensure that the water level control at the specified range.

Key word :boiler water level, Double Impulse, Three Impulse ,Simulation in Matlab, PLC

目录

摘要 3

Abstract 4

第一章 绪论 7

1.1 课题研究背景及意义 7

1.2锅炉水位控制现状 7

1.3 本文的主要工作 8

第二章 船用锅炉结构和汽包水位的测量方式 9

2.1船用锅炉简介 9

2.1.1汽包 10

2.1.2炉膛 10

2.1.3过热器 10

2.1.4燃烧器 10

2.1.5空气预热器 10

2.2锅炉汽包水位测量常用的水位计 11

2.2.1差压式液位计 11

2.2.2云母双色液位计 13

2.2.3磁翻板液位计 13

2.2.4电接点液位计 13

第三章 锅炉汽包水位控制系统的设计 15

3.1控制对象的参数和控制指标 15

3.2锅炉汽包水位系统结构 15

3.3锅炉汽包水位控制系统的动态特性分析 16

3.3.1锅炉汽包水位在内部扰动─给水量下的动态特性 17

3.3.2锅炉汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 17

3.3.3锅炉汽包水位控制系统数学模型 18

3.4锅炉汽包水位控制方式 18

3.4.1单冲量给水控制系统 18

3.4.2双冲量给水控制系统 19

3.4.3三冲量给水控制系统 20

第四章 锅炉汽包水位控制的Matlab仿真 23

4.1 Matlab/Simulink仿真软件概况 23

4.2 PID控制器原理 23

4.3锅炉汽包水位控制系统模拟仿真 24

4.3.1锅炉汽包水位单冲量控制系统的仿真 24

4.3.2 锅炉汽包水位双冲量控制系统的仿真 25

4.3.3 锅炉汽包水位三冲量控制系统的仿真 27

第五章 基于AC500 PLC的锅炉水位控制系统设计 29

5.1 PLC概述 29

5.2 系统程序设计步骤 29

5.3 PLC硬件系统组成 29

5.3.1 AC 500控制器硬件CPU选型 29

5.3.2 AC 500 的通讯模块选型 30

5.3.3 AC 500 电源模块选型 30

5.3.4 I/O地址分配 30

5.4控制系统软件设计 32

5.4.1 编程语言 33

5.4.2锅炉水位控制系统流程 34

第六章 总结和展望 36

参考文献 37

致谢 39

附录1:锅炉汽包水位控制程序梯形图 40

附录2：电气原理图 42

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

锅炉作为船舶动力装置中重要的组成部分，其自动化的程度随着科学技术的进步不断提高，纵观解船舶的发展进程，锅炉作为最早实现自动化控制的船舶动力装置一直在船舶中扮演着举足轻重的作用，其所实现的控制主要包括水位自动控制、蒸汽压力自动控制、点火自动控制以及燃烧时序的自动控制。船舶主锅炉作为蒸汽动力装置的关键一员，产生的蒸汽蒸发量相对辅锅炉明显增大，蒸汽的压力也明显增高，这样才能有效地为汽轮机提供源源不断的动力，因此其对水位和蒸汽压力的要求也相应的比较严格。

锅炉中的炉水在锅炉正常过程中不断沸腾，炉水中的气泡在受热面生成后脱离受热面进入蒸汽储存区。水面以下，大约有15%~20%的水容积中包含蒸汽，目前船舶常用的锅炉水位控制方式为三冲量水位控制 ，主要原因是其不但能够消除虚假水位的影响，还能克服给水扰动的作用。

1.2锅炉水位控制现状

目前来说，PID控制早已成为国际上常用的船舶锅炉控制策略，为了改善其控制性能，一般都是将先进的信号、数字处理方式加入PID控制器，现在常用的有模糊PID、智能PID和预测PID控制等控制原理。比较常见的锅炉水位控制策略有以下几种：

普通PID控制：普通PID控制原理比较简单，可操作性较强，但在锅炉水位控制方面控制效果并不理想，在变工况条件下，PID控制器不稳定且动态性能也不好。