马兵站-中期报告.doc

河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）前期报告河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告毕业设计（论文）题目：换热站自动监控系统软件设计专业： 测控技术与器学生信息： 学号：085215 姓名：马兵站 班级：测控C083指导教师信息：姓名：何晓东 职称：实验师报告提交日期：一：换热站交换自动监控系统构造1通过PLC对压力、温度、流量等模拟量参数参数进行实时采集和处理。2换热站的自动控制，即实现整个供水过程的全自动控制，进行故障诊断，并在监控画面上显示各工况参数并控制设备运行状态。3根据本地的气候条件以及供热对象的特性，给出一条室外温度与供水温度之间的对应曲线。控制器可以通过这条曲线根据室外温度传感器测量的室外温度对二次加热供汽流量进行控制，达到对供水温度的控制。4通过采用压力传感器、控制器以及变频器来实现对供水压力的自动控制5通过调节电磁阀的开度，控制供水流量6采用手操器/自动控制。当上位机或下位机出现故障时切换手操器控制，确保回水压力准确稳定二：热网各部分的功能和原理a. 热网硬件交换的原理主要是水交换，即锅炉中一次水和二次水的交换，在这个过程中首站起到总控制的作用。集中供热的任务是按照热用户的需要和要求，把热能从热源经供热管道输送给各个热用户。而为满足热用户的要求，保证供热系统的安全性、可靠性，集中供热系统热网首站的热力系统的选择显得尤为重要。b.热力站就地监控系统：以SuperE RTU为核心，现场的温度、压力、热量、流量、液位、阀门开度、泵的启停状态等信号传输到控制器，由其进行A/D转换并作出判断和处理，实现现场的就地控制。现场仪表和执行机构：包括温度、压力、热量、流量、液位等传感器和变频器、阀门执行器等执行机构。通讯系统：以有线电话网（PSTN）为传输介质，实现热网热源调度中心与热力站就地监控系统的通讯；以双绞线（以太网）为传输介质，实现中控室内部工作站与厂区办公管理系统的通讯。热网热源调度中心：作为整个供热系统的运行调度枢纽，能够完成所有的数据处理和控制功能。c. 补水泵控制：在中央控制室能对整个热网控制系统进行在线实时数据采集、控制，并实现管网分析与仿真、故障诊断、报警、历史数据处理、趋势显示、报表打印等功能。各部分中最主要的是水交换，供热管网回水经过基本加热器后，水温由60升至90110。加热器的加热主汽源为14机抽汽，压力在0.1180.35 MPa之间，备用汽源来自厂用减温减压器。加热蒸汽经热网加热器后凝结水进入疏水罐，然后与二次冷水进行交换，通过热传递将一次水中的热量传到用户。d.在补水，回水中的压力控制：供、回水压力是热网安全运行的重要参数。供水压力过高可能造成热水管道及用户暖气片的破裂；循环热水的流失会使回水压力过低，有可能形成热水汽化，引起热交换器的剧烈振动。恒压控制的最佳方案是对补水泵进行变频调速控制，但考虑到成本问题以及此处对压力的稳定性要求并不高，只要压力不超出某一范围即可，所以采用开关补水控制方案。在水交换过程中需要对其中的压力，温度，流量等进行信号采集，采集数据传递到plc系统中，在此应用x7200去控制变频器，在这个过程中变频器可采用集散式，和开关量。开关量的好处是应用简单，方便。e. 换热器中供热蒸汽提供的热量部分被热水吸收，也就是说换热器的效率不可能为100。换热器的换热效率一方面由换热器的结构决定，另一方面由于换热器内部结垢而使效率降低，当换热效率低于某一值时（例如75），系统做出提示报警，提示操作人员及时除垢。过热蒸汽经换热器后变成凝结水，因此其提供的热量为：Q1W*（2-1）式中，W外网蒸汽质量流量，过热蒸汽汽化潜热。当系统不补水时，供水流量m1等于回水流量m2，此时瞬时供热量为：Q2cp*M2(T1-T2)（2-2）当系统处于补水状态时，供水流量M1等于回水流量M2与补水流量M3之和，此时瞬时供热量为：Q2Cp*M2*(T1-T2)+M3*(T1-T3)(2-3)式中，T1为供水温度，T2为回水温度，T3为补水温度，Cp为水的比热容，因压力和温度都不太高，为简化计算，取Cp41868（MJTC），流量单位是th，热量单位是MJ。因此，当不补水时换热器的热效率为： nQ2/Q1 *100%（2-4）当补水时换热器的热效率为：nQ2/Q1 *100%（2-5）前馈反馈控制算法因补水温度较低，当补水泵开启时，会使供水温度迅速降低，而且由于压力的变化需经常开关补水泵，所以这是引起供水温度波动的一个重要原因，采用前馈控制会使系统性能得到较大改善。比较式（2-2）、（2-3）可以看出，如果要保证补水前后供水温度T1不变，需在开启补水泵的同时，加大供热蒸汽量，多提供：Q2Q2-Q2Cp*M3*(T1-T3)的热量。考虑到换热器的热效率，供热蒸汽流量需增加：W=Q2/n*=Cp*M3*(T1-T3)/n*(3-1)而不补水时供热蒸汽流量为：W=Q2/n*=Cp*M2*(T1-T3)/n*(3-2)其相对变化量为：W/W = M3*(T1-T3)/ M2*(T1-T3)(3-3)设系统采用对数特性阀，理想流量特性用下式表示：WWmax*R(l/L-1) (3-4)式中：W、Wmax控制阀为某一开度及全开时的流量l、L控制阀为某一开度及全开时推杆的位移量R控制阀的理想可调比当推杆位移量增加l时，流量增加W，则：WWmax*R(l+l)/L-1)- Wmax*R(l/L-1)(3-5)用式（3-5）比式（3-4）得：W/W = Rl/L-1(3-6)所以推杆位移得相对变化量为：l/L1/lnR*ln(1+W/W) (3-7)1/lnR*ln1+ M3*(T1-T3)/ M2*(T1-T3)反馈控制采用增量PID控制算式，输入信号为Ts与供、回水温度平均值之差，其输出信号与前馈信号相加后，控制蒸汽阀门的开度。式（11）Ts的计算公式中，供热系数K需根据热用户室温自动修正。换热站到热用户之间的传输管道较长，因而存在较大的传输滞后，滞后时间的计算公式为： L1*S/M1 (3-8)式（3-8）中，为滞后时间，L1为传输管道的平均长度，S为管道横截面积，M1为供水流量。所以修改供热系数K要考虑滞后时间的影响，在此采用“等等看”的控制策略，K的基本值取172，当用户室温小于（Ta-0.5）时，K增加0.01；用户室温大于（Ta-0.5）时，K减小0.01（Ta为用户期望温度值），等到时间之后，再次修正供热系数Kf.回水温差和流量限制通过限制每组换热器一次侧电动调节阀的阀位来控制一、二次侧的回水温差以及一次侧流量，通过该功能可以避免因抢水引起的换热机组间的不平衡状态，消弱极端情况下的峰值，有效的控制由于时间段等原因造成的浪涌现象。有利于提高换热效率，达到节能效果。三：硬件系统构造 1.采用高温热水为热源，依次流经各换热站进行热量交换，组成一级网。在每个换热站由换热器、泵、水箱、二级网管路等组成(图1)。 热源来的热水和二次网的冷水在换热器进行热量交换，冷水换热后变成热水到达最终用户。补水泵用来补充二次网的水量损失。 采用高温蒸汽水为热源，依次流经各换热站进行热量交换，组成一级网。在每个换热站由换热器、泵、水箱、二级网管路等组成(图2)。热源来的蒸汽和二次网的冷水在换热器进行热量交换，冷水换热后变成热水到达最终用户。补水泵用来补充二次网的水量损失。一次网来的蒸汽进行热交换后变成了水回到软水箱中。2.硬件特点： 模块设计紧凑,体积小。高性能的CPU模块，可完成各种复杂的运算及控制。 系统开放性好，几乎支持所有的流行工业网络。除了支持Modbus RTU协议外，还支持工业以太网，Profibus-dp，Devicenet等其它主要的现场总线,系统组网方便。系统扩展性好，可根据现场测量点数实现积木式扩展四：换热站软件系统构造。MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分。用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。本设计经过系统分析、搭建框架、制作动画显示画面、编写控制流程程序、连接设备驱动程序等工作了对系统的监控软件设计。本软件包括主监控界面、实时数据查询界面、历史数据查询界面、参数设定界面、输出设定界面、报警查询界面。主控界面如图1所示，包括换热器、循环泵、补水泵、电动调节阀、测量仪表等现场设备，系统需要监测的温度和压力等参数的实时动态显示，操作人员可以在上位机上实时查看各组运行数据，实时监控系统的实时运行状态，当系统出现异常时能及时发现并处理，保证了系统的良好运行。实时数据：对系统需要采集的温度、压力调节阀开度、变频器频率反馈等数据以曲线的形式显示出来，可以比较直观的显示某一个时期各参数的实时运行数据。历史趋势曲线：可以对运行参数进行1天、1周周或者1个月的曲线记录，可以为运行人员及管理者对生产过程的有效性和安全性指标进行测评，有助于堵塞生产的漏洞，消除不安全的隐患，提高管理水平。参数设定：在参数设定界面中，操作人员可以对压力的控制方式、压差控制方式、温差控制方式、恒压差控制方式下的压差设定值、供回水压差、回水压力低限报警值、供水压力高限报警值、阀的开关时间、供水温度设定值、调节阀开度低限设定、补水死区、蒸汽压力量程、供水回水压力量程、各泵及温度调节阀的PID参数设定。输出设定：主要完成温控阀开度设定、变频器频率设定、系统启停、变频器启停、泄压电磁阀启停、散热风扇启停、报警输出启停等的设定。报警查询：显示目前的报警数据及其响应情况。包括一级网供汽压力高压报警、二级网回水压力高压报警、二级网回水压力低压报警、二级网回水压力超低压报警、二级网供水温度超高温报警、二级网供水压力超高压报警、补水泵报警、循环泵报警。换热站监控系统软件主控界面 软件流程图 S7 200模块建立流程六：设计S7200 PLC系统的指导原则设计一个微型PLC系统有许多设计方法。以下这些通用的指导原则适用于许多设计项目。当然，您所在公司的规程和您在培训中接受的实践经验是必须遵循的。分解控制过程或者机器将您的控制过程或者机器分解成相互独立的部分。分解决定了控制器之间的界限，并将影响功能描述和资源的分配。创建功能说明写出过程或者机器每一部分的操作描述。包括下列主题：I/O点、操作的功能描述、在允许每个执行器(例如螺线管、电机和驱动器)动作之前必须达到的状态、关于操作员界面的描述以及与过程或机器其他部分相连的任何接口的描述。安全电路的设计识别要求设计硬件安全线路的设备。控制设备在不安全的条件下出现故障，会造成不可预料的启动或者机器操作的变化。在不可预料或者不正确的机器操作会造成人身伤害或严重的财产损失的场合，应该考虑采用独立于S7-200的机电超驰控制来防止不安全的操作。在设计安全电路时，应考虑以下几点：_ 识别有可能不合适或者不可预料操作有可能会造成危害的执行机构。_ 识别确保操作不发生危害的条件，并决定如何独立于CPU来检测这些条件。_ 识别上电或断电时，CPU和I/O对过程有何影响，识别错误何时被检测出来。这个信息只能用于常规的和可以预料的异常操作，不能用于保障安全的目的。_ 设计独立于CPU的手动或机电超驰控制来阻止危险的操作。_ 向CPU提供独立电路的状态信息，便于程序和操作员界面得到需要的信息。_ 程序的基本组件一个程序块由可执行代码和注释组成。可执行代码由主程序和若干子程序或者中断程序组成。代码编译后下载到S7-200中；但不编译和下载程序注释。可以使用组织单元(主程序、子程序和中断程序)来结构化您的控制程序。以下例子程序包括一个子程序和一个中断程序。该范例程序使用一个定时中断，每100 ms读一次模拟量的输入值。主程序中包括控制应用的指令。S7-200在每一个扫描周期中顺序执行这些指令。主程序也被表示为OB1子程序只有在调用时才执行程序的这些可选单元：由主程序、中断程序或另一个子程序执行。当您希望重复执行某项功能时，子程序是非常有用的。与其在主程序中的不同位置多次使用相同的程序代码，不如将这段程序逻辑写在子程序中，然后在主程序中需要的地方调用。 中断程序中断程序是应用程序中的可选组件。当特定的中断事件发生时，中断程序执行。您可以为一个预先定义好的中断事件设计一个中断程序。当特定的事件发生时，S7-200会执行中断程序。中断程序不会被主程序调用。只有当中断程序与一个中断事件相关联，且在该中断事件发生时，S7-200才会执行中断程序 S7-200编程的通用惯例EN/ENO的定义EN (允许输入)是LAD和FBD中框的布尔输入。要使框指令执行，必须使功率流到达这个输入。在STL中，指令没有EN输入，但是要想使STL指令执行，堆栈顶部的逻辑值必须是“1”。ENO (允许输出)是LAD和FBD中框的布尔输出。如果框的EN输入有功率流并且指令正确执行，则ENO输出会将功率流传递给下一元素。如果指令的执行出错，则功率流在出错的框指令处被中断。在STL中没有允许输出，但是STL指令象相关的有ENO输出的LAD和FBD指令一样，置位一个特殊的ENO位。这个位可以用AND ENO (AENO)指令访问，并且可以产生与框的ENO位相同的作用。据块编辑器只用于为V存储器(变量存储器)指定初始值。您可以以字节、字或者双字的形式来分配V存储器，注释是可选的。数据块编辑器是一个格式自由的文本编辑器；即，没有为特定的信息类型定义特定域。完成一行的输入并按下回车键后，数据块编辑器格式化该行(对齐地址、数据、注释列；将V存储器地址变为大写)，然后重新显示它。按下CTRL-ENTER，设置行完成后，地址将自动增加到下一个可用的地址处。 用于描述指令的习惯用语图6-1给出了对一条指令的典型描述，并指出了用于描述指令及其操作的不同区域。指令说明包括LAD、FBD和STL三种格式。操作数表列出了指令的操作数，并给出每个操作数的有效数据类型，存储区的区域及长度。EN/ENO操作数和数据类型没有在指令操作数表中列出，因为这些操作数对于所有的LAD和FBD指令来说都是一样的。_ 对于LAD：EN和ENO是功率流，同时是布尔数据类型。 对于FBD：EN和ENO是I、Q、V、M、SM、S、T、C、L或功率流，同时是布尔数据类型5 以太网连接(CP243-1)以太网模块是一种连接在S7-200上的智能扩展模块，适用的CPU如表A-49所示。表A-59 (CP243-1)以太网模块和S7-200 CPU的兼容性CPU 描述CPU 222版本1.10或更高CPU 222 DC/DC/DC和CPU 222 AC/DC/继电器CPU 224版本1.10或更高CPU 224 DC/DC/DC和CPU 224AC/DC/继电器CPU 224XP版本2.00或更高CPU 224XP DC/DC/DC和CPU 224XP AC/DC/继电器CPU 226版本1.00或更高CPU 226 DC/DC/DC和CPU 226 AC/DC/继电器(CP243-1)以太网模块提供了一个预设的、全球范围内唯一的MAC地址，此地址不能被改变。功能(CP243-1)以太网模块独立地处理在工业以太网上传输的数据。_ 通讯是基于TCP/IP协议的_ 可以作为通讯的客户端或服务器，从而使S7-200 CPU可以通过以太网和其它S7控制系统或PC之间进行通讯。最多可以建立八个连接。_ 集成S7-OPC服务器之后，可以实现PC应用_ (CP243-1)以太网模块可以使得S7-200编程软件，STEP 7-Micro/WIN通过以太网直接访问S7-200，可以使用STEP 7-Micro/WIN以太网向导来组态(CP243-1)以太网模块，以将S7-200 PLC连接。GPS在换热站自动监控系统应用由三部分组成：现场换热站控制部分、GPRS数据传输部分、调度室数据中心，见图3。KDN-K3 PLC将各工艺参数实时采集后除了进行实时运算、输出、控制外，还通过RS232口将数据送往GPRS通信模块，GPRS通信模块将数据发送到移动GPRS网络中。移动GPRS网络将各换热站数据传送到指定的数据中心服务器上进行数据处理，与此同时数据中心服务器担负着向各换热站发送相应控制指令的任务。 GPRS是近几年刚刚兴起的工业通讯方式，和其它的无线方式比较，具有网络覆盖范围广，性能稳定；安装工作量小，维护量少；成本低，费用少的特点。 调度中心SCADA系统采用1M宽带光纤接入Internet网络,各换热站的PLC控制系统作为Modbus从站，调度站计算机作为Modbus主站以固定的采样周期与各个换热站的PLC通讯，相互交换数据。GPRS模块本身采用通用透明通讯传输方式，在其内部已设定好各站的ID号（比和调度站的固定IP地址（比如61.158.109.8）。总论：在供热系统中，供暖热负荷是系统最主要的