基于smpt1000西门子PCS7的锅炉综合过程控制

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 I 页 基于西门子 PCS7 的锅炉综合过程控制摘要锅炉是一种能量转换设备，在我国的国民经济发展中占有着重要的地位，电力、机械、化工、冶金、纺织、食品、造纸等行业 , 以及工业和民用采暖都有着锅炉的身影。以工业上最常见的自然循环锅炉作为被控对象，根据锅炉的主要控制参数，成分，温度，压力，流量，液位，区分来说就是锅炉的产汽量，过热蒸汽出口温度以及压力，燃料量，汽包水位，烟气含氧量，风量，炉膛负压等等，并分析其工艺流程和动态特性的，结合安全、稳定等控制要求设计出了锅炉系统的总体控制方案。采用 SMPT-1000仿真过程控制设备，根据控制方案三个层次的要求：生产要求，安全要求和优化要求以及锅炉的详细控制参数，设计工程有前馈-串级控制系统，串级控制系统，双闭环比值控制系统，前馈-反馈控制系统和单回路控制系统，并使用西门子集散控制系统 DCS中 PCS7 软件编程，编程顺序有 OS 组态，AS 组态，组态下载，CFC 连续功能图与 SFC顺序功能图的编译与下载， WINCC 的在线监控以达到优化控制系统的设计目的。关键词：PCS7；SMPT-1000；过程控制；锅炉 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 II 页 Integrated process control of boiler based on Siemens PCS7 simulation AbstractBoiler is a kind of energy conversion device, in our country, the development of national economy, plays an important role, electric power, machinery, chemical industry, metallurgy, textile, food, paper and other industries, and industrial and civil heating has a figure of the boiler. In industry the most common natural circulation boiler as a controlled object, according to the main control parameters of the boiler, composition, temperature, pressure, flow, level, distinguish it is boiler steam production quantity, superheated steam outlet temperature and pressure, the amount of fuel, drum water level, oxygen content in flue gases, air, vacuum furnace and so on and analysis the process and dynamic characteristics, combining with the safe and stable control requirements to design the control scheme of the overall system of boiler. The smpt-1000 simulation process control equipment, according to the requirements of the control scheme of three level: production requirements, safety requirements and requirements and boiler with control parameter optimization, engineering design with feedforward cascade control system, cascade control system, the double closed loop ratio control system, feedforward feedback control system and a single loop control system, and the use of Siemens distributed control system DCS PCS7 software programming and sequential programming with OS configuration, configuration of atherosclerosis, download configuration, CFC continuous functional diagram and the SFC sequential function chart, compile and download, WinCC online monitoring to achieve to optimal control system is designed.Key words：PCS7; SMPT-1000; process control; boiler辽宁科技大学本科生毕业设计 第 III 页 目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 绪论 .12 仿真设备与软件的介绍 .42.1 SMPT-1000 仿真设备 .42.1.1 SMPT-1000 硬件组成 .42.1.2 SMPT-1000 软件系统 .52.2 西门子 PCS7 系统 .63 锅炉控制方案的设计 .113.1 仿真锅炉的设计原则 .113.2 仿真锅炉的工艺流程 .123.3 分析并设计系统的方案 .134 锅炉系统方案的实现 .164.1 控制方案的硬件组态 .164.1.1 AS 硬件组态 .164.1.2 编辑硬件变量表 .174.1.3 OS 站组态 .184.1.4 网络连接组态与下载 .194.2 控制方案的软件编辑 .204.2.1 CFC 连续功能图组态 .224.2.2 SFC 顺序流程图组态 .274.2.3 WINCC 组态 .285 锅炉系统方案的运行与参数的整定 .315.1 系统方案的运行 .315.2 PID 参数的整定 .32结 论 .1致 谢 .2参考文献 .3辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页1 绪论锅炉作为工业过程中的大型动力设备，不仅在电力化工领域有着广泛运用，同时又能产出巨大热能，即分裂精馏原油也能干燥气体，所以锅炉在工业领域中也有着举足轻重的地位。能应用于加热水使其转变为蒸汽的锅炉称为蒸汽式锅炉,也称之为蒸汽发生器;能应用于加热水使其提高温度转变为热水锅炉,称为热水式锅炉，而应用于加热有机热载体的锅炉又称为有机热载体式锅炉。从能源利用的角度来看,锅炉是种能源转换设备，在锅炉中,一次性能源(燃料)的化学贮藏通过燃烧过程转化成为燃烧产物(烟气和灰渣)将所载有的热能,又通过传热过程使热量传递给中间的载热体(例如水或蒸汽),然后依靠它将热量送到用热设备中去。这种传输热量的中间的载热体已经属于二次能源,因为它的用途是向用能的设备提供能量。当中间载热体应用于热机中进行热与功转换时,就叫做为“工质” 。如果中间的载热体只是给热设备传输并且提供热量以进行热利用的话,那么通常被称为“热媒” 。锅炉也能按其用途分为电站锅炉、船舶锅炉、工业锅炉和机车锅炉等四类。前两类称为固定式锅炉,那是因为安装在固定基础上并且不可移动的。后两类便称为移动式锅炉。当今社会发展的迅速，特别是工业领域规模的不断壮大，我们也对能源需求越来越急切。同时我们现在的环境也要求锅炉控制的安全和环保，然而锅炉的工作环境却是高压高二氧化碳排放高温，怎么安全、有效和环保的控制使用锅炉已然成为工业领域上重要的课题。锅炉按照结构、燃料性质、容量大小、压力大小、用途和能源类型，亦可分为不同类型，锅炉工艺需求据锅炉类型不同也是多种多样，相应的控制方案也大不同。伴随着工业自动化水平的步步提高，我国的石油化工等大型企业对工业锅炉的控制要求也加强了。在许多工业过程的使用中，锅炉中存在许多缺点，如耗能大，气压不稳，热效低等等。锅炉的控制包含了多个控制回路，例如压力控制回路，燃烧控制回路，液位控制回路，安全联防及温度控制回路等等，其中燃烧的过程是多输入多输出非线性的过程，而温度系统具有较大的惯性以及滞后性。所以，锅炉过程总体上来说是一个非线性时变的动态过程。目前，在国际工业控制领域范围内，复杂的系统控制，除去了采用经典 PID 控制，还有采用模糊的控制理论来设计先进的控制方案。模糊控制方案都具有灵活多变性，辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页且与自适应的控制理论互相结合，能消除模糊控制带来的稳态偏差，并且这种控制方案已然成功的应用到许多先进复杂系统中去。模糊控制第一步先通过对系统被调量采样得出的实际信号量：然后将这些实际信号量通过数据转换，得到模拟量；通过查表得出模糊决策；最后，根据模糊决策，得到控制信号，并将其送到执行机构去控制调节。模糊控制的控制效果是否精确，取决于决策表的编制是否合理。决策表总结了专业人员的技术经验及思维模式，使得系统更适合控制要求。如今，自控技术已成为锅炉控制不可或缺的一部分，它是提高锅炉整体性能，保持其高效环保运行的重要技术。但是，锅炉设备具有非线性、时变特性，同时，主流控制技术存在多种缺陷，比如滞后性和惯性。这些因素导致锅炉系统，在当前时期仍不能实现全自动化控制。现在，PLC 的各方面都有飞跃地发展，比如，模拟、仿真、高等运算算法及通讯网络方面，并逐渐适应国内石油化工、轻工业、汽车制造业、机械制造业及精细加工等领域均有较好的应用。介于 PLC 仪表工控功能逐渐提高，对电池要求较 DCS 低，用于回路控制有较好的效果，并有自动，半自动，手动等操作，PLC 在某些领域逐渐替代了独占鳌头的集成控制 DCS，比如，在化工领域锅炉控制上，PLC 就有就好的应用效果。PLC 不仅具有传统的 PID 控制模块，还结合计算机高级运算算法进行智能控制，比如，模糊控制、神经系统控制、及其他先进控制。在燃烧系统上，利用模糊控制原理，采用模拟信号，采集炉温，建立控制查询表，根据温度偏差输出变频器变化信号，有效控制炉温。神经系统在这一方面也有应用，将 PID 的参数设为 BP 神经网络输出，调节神经网络 W 值，实现网络自我学习的功能，精确调整控制参数，达到控制效果。自适应控制在炉温控制上，也取得较好的成果。首先建立控制系统数字模型，再结合自适应 PID 控制算法，得出控制结论，精确稳定控制炉温。针对锅炉是 1 个多输入和多输出的系统，具有非线性、强耦合、大滞后等特点，本设计在分析其工艺流程和动态特性的，结合安全、稳定等控制要求基础上，综合考虑节能减排的要求，提出了锅炉系统的综合自动控制方案，包括: 汽包水位控制系统、燃料流量控制系统、烟气氧含量控制系统、炉膛负压控制系统、过热蒸汽出口压力控制系统、过热蒸汽出口温度控制系统、过热蒸汽出口压力控制系统、过热蒸汽出口流量控制系统等 7 个部分。并采用版本为 V8.0 up1 的 PCS7 过程控制系统和高级多功能实训过程控制系统(SMPT1000)的锅炉单元实施已经设计好的控制方案，由 PCS7 中提辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页供的连续功能图 CFC 与顺序功能图 SFC 实现该方案从冷态开车到最终达到稳态整个过程，并用 wincc 实施在线监控。实验结果证明，该锅炉系统控制方案能够保证整个开车过程的平稳运行，不仅满足了控制要求，还具有一定的抗干扰性。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页2 仿真设备与软件的介绍2.1 SMPT-1000 仿真设备在本次课题设计中，所用到的是仿真设备是 Super Multifunction Process Control Training System 即 SMTP-1000，它是最新一代的高级多功能过程控制综合实训系统，一个包括多种工业生产工艺的一套仿真系统，有锅炉和蒸发器组成的水汽热能全流程，可拆分为以下六种生产工艺过程：设备级和单员级工艺流程1. 非线性液位与离心泵系统工艺流程2. 动力除氧系统工艺流程3. 高阶换热系统工艺流程4. 加热炉工艺流程水汽热能全流程工艺1. 锅炉系统工艺流程2. 蒸发器工艺流程2.1.1 SMPT-1000 硬件组成SMPT-1000 运用高精度动态仿真技术,将实际工业装置的各种对象特性用数字化手段完整地在小型化半实物实验装置上得到再现。由于实验对象特性与工业装置完全一致,多种信号与通信方式、数十个检测点与十多个执行机构可自由地设计、探索各种控制算法与方案,更加真实地模拟了实际工业现场的操作场景。1. 流程设备盘台：SMPT-1000 由小型流程设备操作台、数字式软仪表与接口硬件、系统监控软件和过程模型软件 4 部分组成。这 4 部分通过小型实时数据库和实时数字通信协调运行,完成复杂的半实物模拟实验。SMPT-1000 采用空间立体分布设计,所有变送器、执行器均分布在实际位置,具有很强的工业感。调节阀管路设计符合工业现场,安装了前、后阀和旁路阀,可以模拟调节阀故障,调节阀特性可以在快开、线性、等百分比、抛物线 4 种特性中任何选择。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页本系统采用动态定量数学模型模拟真实工艺流程,并提供各变量的当前值。该实验系统的最大特点就是每个反应设备和执行机构的参数均可以改变,以便模拟各类真实的工况场景。为满足设计、组合多种多样的控制方案,以及获取被控参数曲线等需求,系统还自行开发了专用的 VC+ +控制系统图形组态软件。2. 控制方式：SMPT-1000 可以通过 AI/AO、DI/DO、Profibus、OPC 与各种 PLC、DCS 或工业控制计算机等控制器相连,同时配备有操作与联锁停车控制台。与西门子的 PCS7 可以组成现场站、控制站、操作站三级完整的工业控制环境。本文采用 Profibus-DP 方式完成过程控制实验开发。Profibus-DP 的设计可代替制造自动化中传统的 24 V 并行信号传输,过程自动化中 4 20 mA 或 HART 模拟信号传输。SMPT-1000 全部设备运用动态的仿真技术，完整地保留了对象动态特性，涉及到的燃烧和换热等环节，均实现锅炉过程数字化，并能将其完整的体现出来，如图 2.1。图 2.1 SMPT-1000 各部分组件图2.1.2 SMPT-1000 软件系统SMPT-1000 软件系统包括上位机软件 SMPTLAB，实时仿真引擎软件 SMPTRUNTIME，辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页以及其他软件和硬件接口软件。1. 上位机软件 SMPTLAB实现实验项目的管理，实时数据的监视，控制系