自动控制系统程序设计课程设计-热电厂锅炉监控系统设计.doc

东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 自动控制系统程序设计 题 目 热电厂锅炉监控系统设计 学 院 电气信息工程学院 专业班级 自动化11-3班 学生姓名 徐文海 学生学号 100601040108 指导教师 姜寅令 邵克勇 2013年7月19日东北石油大学课程设计任务书课程 自动控制系统程序设计题目 热电厂锅炉监控系统设计专业 自动化 姓名 徐文海 学号 100601040108主要内容：根据设计要求，运用所学的模拟电子技术及电路基础等知识，基于紫金桥软件自行设计一种热电厂锅炉监控系统，利用控制电路可使监控系统对生产装置的关键回路及主要工艺参数进行实时采集和动态跟踪监视，实现生产过程实时信息与管理信息的集成，为管理决策层提供可靠的决策依据。基本要求：1、供给蒸汽量适应负荷变化需要或者保持给定负荷；2、锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应当保持在一定的范围内；3 、过热蒸汽温度保持在一定范围；4、汽包水位保持在一定范围；5、保持锅炉燃烧的经济性和安全性；6 、炉膛负压保持在一定的范围内。主要参考资料： 1方康玲.过程控制与集散系统M.电子工业出版社，2008年. 2姜忠良，陈秀云.温度的测量与控制M.清华大学出版社，2005年. 3刘志峰，张军.工控组态软件实例教程M.电子工业出版社，2008年. 4龙志文.工控组态软件M.重庆大学出版社，2005年. 5王秉铨.工业电路设计手册M.机械工业出版社，2010年. 6祖龙起.电气控制及可编程控制器M.中国轻工业出版社，2003年.完成期限 2013.7.82013.7.19 指导教师 专业负责人 2013年7月19日目录第1章 热电厂锅炉监控系统工艺分析11.1锅炉的工艺流程11.2锅炉的控制要求1第2章 热电厂锅炉监控系统设计12.1仪表的选择12.2传感器的选型52.3 控制方案分析62.4 PID控制6第3章 基于Realinfo的热电厂锅炉系统监控程序设计73.1 主控界面73.2 趋势界面83.3 仪表界面83.4 中心控制系统9第4章 结论与体会9参考文献10控制系统综合实验第1章 热电厂锅炉监控系统工艺分析1.1锅炉的工艺流程由于锅炉设备使用的燃料、燃烧设备、炉体形式、锅炉功用和运行要求的不同，锅炉有各种各样的流程。常见流程如图1-1所示。由图可知，蒸汽发生系统由给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管组成。燃料和热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽,然后经过热器，形成一定汽温的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。压力为的过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱排入大气。图1-1 锅炉系统工艺流程图1.2锅炉的控制要求根据生产负荷的不同需要，锅炉需要提供不同规格（压力和温度）的蒸汽，同时，根据安全性和经济性的要求，是锅炉安全运行和完全燃烧，锅炉设备的主要控制要求如下。1、供给蒸汽量适应负荷变化需要或者保持给定负荷；2、锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应当保持在一定的范围内；3 、过热蒸汽温度保持在一定范围；4、汽包水位保持在一定范围；5、保持锅炉燃烧的经济性和安全性；6 、炉膛负压保持在一定的范围内。第2章 热电厂锅炉监控系统设计2.1仪表的选择2.1.1温度检测变送器的选择热电偶温度变送器与各种测温热电偶配合使用，可将温度信号线性地转换成为420mADC电流信号或15VDC电压信号输出，它是由量程单元和放大单元两部分组成的。热电偶温度变送器的主要特点是采用非线性负反馈回路来实现线性变化。表2-1 不同类型的温度变送器对比类别材 质分 度 号测 量 范 围 热 电 偶镍铬-康铜E0-1000范围内任选镍铬-镍硅K0-1300范围内任选铂铑10-铂S0-1600范围内任选铂铑30-铂铑6B0-1800范围内任选铜-康铜T0-400范围内任选铁-康铜J0-1200范围内任选 热 电 阻铜热电阻Cu50-50-+150范围内任选铜热电阻Cu100-50-+15范围内任选铂热电阻Pt100-200-+600范围内任选 由表2-1可以看出，由于锅炉炉膛内的温度较高，而热电阻温度变送器的测量范围较小，所以在这里我选用热电偶温度变送器，热电偶温度变送器与各种测温热电偶配合使用，可将温度信号线性地转换成为420mADC电流信号或15VDC电压信号输出，它是由量程单元和放大单元两部分组成的。热电偶温度变送器的主要特点是采用非线性负反馈回路来实现线性变化。在同样的都满足测量要求的条件下，考虑到经济性的原则，我选用的是DBW-1150型热电偶温度变送器。DBW-1150型热电偶温度变送器是DDZ-III系列仪表的主要品种。本温度变送器用热电偶作为测温元件，将被测温度线性地转换成标准信号1-5VDC或4-20mADC输出，供给指示、记录、凋节器、计算机等自动化监控系统。技术参数： 输入：标准热电偶 输出电流：420mADC 输出电压：15VD 输出电阻：250 允许负载变化范围：100 量程：01600 冷端补偿误差：1 温度漂移：0.1基本误差/1 绝缘电阻：电源、输入与输出端子间100M 绝缘强度：电源/输入/输山端子间1500VAC/分钟 工作条件：环境温度：050 相对湿度：90%（RH） 电源电压：24VDC5% 功耗：2W 防爆等级：(ib)IICT6 重量：2Kg2.1.2流量检测变送器的选择本次流量变送的对象是煤粉和空气，所以在选择流量变送装置的时候，必须能够既测量煤粉固体颗粒，又能测量气体的流量。由于炉膛内的是热空气，所以还要求变送装置能够在一定的高温下工作，所以根据具体情况，我们可以选用LUGB型涡街流量计。LUGB型涡街流量计根据卡门涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。广泛用于各种行业气体、液体、蒸汽流量的计量，也可测量含有微小颗料、杂质的混浊液体，并可作为流量变送器用于自动化控制系统中。LUGB型涡街流量传感器防爆型，符合GB3836-2000爆炸性环境用防爆电气设备规定，防爆标志为“ExiaIICT6”，在本次设计中，选用LUGB型涡街流量传感器其精度等级完全可以满足火电厂锅炉温度控制系统的精度要求。产品特点：结构简单而牢固，无可动部件，可靠性高，长期运行十分可靠。安装简单，维护十分方便。检测传感器不直接接触被测介质，性能稳定，寿命长。输出是与流量成正比的脉冲信号，无零点漂移，精度高。测量范围宽，量程比可达1:10。压力损失较小，运行费用低，更具节能意义。 在一定的雷诺数范围内，输出信号频率不受流体物理性质和组分变化的影响，仪表系数仅与旋涡发生体的形状和尺寸有关，测量流体体积流量时无需补偿，调换配件后一般无需重新标定仪表系数。应用范围广，蒸汽、气体、液体的流量均可测量技术参数：公称通经（mm）：15，20，25，40，50，65，80，100，125，150，200，250，300 仪表材质：1Cr18Ni 9Ti 公称压力（Mpa）：PN1.6Mpa；PN2.5Mpa；PN4.0Mpa 被测介质温度（）：40250；40350 环境条件：温度1055，相对湿度590，大气压力86106Kpa 精度等级：测量液体：示值的0.5 测量气体或蒸汽：示值的1.0、1.5 量程比：1：10；1：15 阻力损失系数：Cd2.6 输出信号：传感器：脉冲频率信号0.13000Hz 低电平1V 高电平6V 变送器：两线制420mADC电流信号 供电电源：传感器：12VDC、24VDC（可选） 变送器：24VDC 现场显示型：仪表自带3.2V锂电池 信号传输线：STVPV30.3（三线制），20.3（二线制） 传输距离：500m 信号线接口：内螺纹M201.5 防爆等级：ExdIIBT6 防护等级：IP65 允许振动加速度：1.0g2.1.3主、副调节器正反作用的选择1.副调节器的正、反作用确定：根据生产工艺安全的原则，调节阀采用气开式，故Kv为正；当调节阀开度增大，空燃比增大，故Ko2为正，流量变送器的Km2通常为正，为了使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正，故副控制器的Kc为正，选用反作用控制器。2.主调节器的正、反作用确定：副回路的放大倍数可视为正，因温度变送器一般为正，当调节阀开度增大，温度升高，故，Ko1为正，故主控制器的Kc为正，选用反作用控制器。2.1.4 主、副回路调节器调节规律的选择主调：定制控制；副调：随动控制主被控参数温度是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无静差，因此主调节器应选择PID调节规律。副被控参数燃料和空气流量，为了保持稳定，P较大，可引入积分，一般不引入微分，因为微分会使调节阀动作过大，对控制不利，所以需要采用PI调节，以增强控制作用。2.1.5控制器仪表的选择采用模拟控制器:DDZIII型调节器，DDZ基型控制器框图如图4.3 。由控制单元和指示单元两部分组成。控制单元包括输入电路、比例积分微分电路、手动电路、保持电路。指示单元有两种，因此基型控制器也分两种，即全刻度指示控制器和偏差指示控制器。控制器的输入信号为15V的测量信号。设定信号有内设定和外设定两种。内设定信号为15V，外设定信号为420mA。测量信号和设定信号通过输入电路进行减法运算，输出偏差到比例积分微分电路进行比例积分微分运算后，由输出电路转换为420mA信号输出。手动电路和保持电路附于比例积分微分电路之中，手动电路可实现软手动和硬手动两种操作，当处于软手动状态时，用手指按下软手动操作键，使控制器输出积分式上升或下降，当手指离开操作键时，控制器的输出值保持在手指离开前瞬间的数值上，当控制器处于硬手动状态时，移动硬手动操作杆，能使控制器的输出快速改变到需要的数值，只要操作杆不动，就保持这一数值不变。由于有保持电路，使自动与软手动相互切换，硬手动只能切换到软手动，都是无平衡无扰动切换，只有软手动和自动切换到硬手动需要事先平衡才能实现无扰动切换。如果是全刻度指示控制器，测量信号的指示电路和设定信号的指示电路分别把15V电压信号转化为15mA电流信号用双针指示器分别指示测量信号和设定信号。当控制器出现故障需要把控制器从壳体中取出检查时，可以把便携式手动操作器插入手动操作插孔，以实现手动操作。技术参数： 调节器输入通道5路，信号标准4-20mA（1-5VDC）或0-10 mA（0-2.5VDC）。 调节器输出通道1路，信号标准4-20mA或0-10 mA。 跟踪输入通道1路，信号标准1-5VDC（DDZ-III型）或0-2.5VDC（DDZ-II型）。 模拟输入通道的输入阻抗为250。 故障接点输出1路，晶体管集电极开路输出。 手/自接点输入1路，无电压开关接点，接点容量0.5A。手动：ON，自动：OFF。 电源：22010%AC，0.2A。 每个通道都可以用拨码开关设定为是否进行开方运算，阻尼时间可通过面板修改。 PID参数范围： （1）给定值-6.9%106.9% （2）比例带0.0799.9% （3）积分时间0.099.9%分 （4）微分时间0.099.9%分 （5）采样周期200毫秒 安装方式：表盘安装，仪表自带悬挂装置。 仪表外尺寸:80160260mm。2.1.6 控制阀的选择按所用能源形式的不同，执行器分为电动、气动和液动三类。本设计主要是采用气动执行器，为了安全考虑，采用气开式。它由气动执行机构和控制机构两部分组成。气动执行机构又分为薄膜式和活塞式，它们都是以压缩空气为能源，具有控制性好，结构简单，动作可靠，维修方便，防活防爆和价廉等优点，并可以方便地与气动仪表配套使用。气动执行器也称为气动调节阀。气动薄膜调节阀的结构可以分为两部分，上面是执行机构，下面是调节机构。从所学的知识可以了解到，它主要由膜片、弹簧、推杆、阀芯、阀座等零部件组成。当来自控制器的信号压力通入到薄膜气室时，在膜片上产生一个推力，并推动推杆部件向下移动，使阀芯和阀座之间的空隙减小，流体受到的阻力增大，流量减小。推杆下移的同时，弹簧受压产生反作用力，直到弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡为止，此时，阀芯与阀座之间的流通面积不再改变，流体的流量稳定，可见，调节阀是根据信号压力的大小，通过改变阀芯的行程来改变阀的阻力大小，达到控制流量的目的。2.2传感器的选型温度传感器：KGW10型温度传感器设备开停传感器：KGT8型机电设备开停传感器机组位置传感器：KG10012机组位置传感器风门位置传感器：KGE8型风门位置传感器温湿度传感器RL-TH-01 准 确 度：湿 度: 3RH(5RH95RH,25) 温 度: 0.5(050) 输出信号：电流420mA或电压05VDC 工作温度： -1060 二氧化碳气体检测仪AT-CO2-X3000 工作温度：-10-65 输出形式：电流420mA、485（可选）、 二路继电器输出 检测原理：固态电解质 检测范围：0-3000PPM 检测方式：扩散式 采样时间：3秒 响应时间：60S 尺寸2.3 控制方案分析 炉膛温度问题是比较复杂的。对炉膛温度动态特性进行分段线性化，则在每个较小的温度区间，锅炉炉膛的燃料流量炉膛温度系统的动态特性可近似地用一个惯性环节和一个纯滞后环节串联的简化模型来表征，即: （式4-1） 其中K。为过程的增益，为过程的纯滞后时间，To为过程的等效容积滞后时间。在锅炉炉膛的整个温度范围内，对象的增益、容积滞后时间和纯滞后时间都是炉膛温度和负载的非线性函数。K。随锅炉炉膛内温度升高而减小，To随锅炉炉膛内的温度升高而增大。机理建模和计算机仿真分析以及实验辨识等也证明了这一模型的可行性。2.4 PID控制锅炉炉膛温度的控制，我选用普通的PID控制，由PID作为基本的控制算法。在此次设计中我采用串级回路控制方法。本系统具有 2 个调节器和 2 个闭合回路 ,2 个调节器分别设置在主 、副回路中 ,设在主回路的调节器称主调节器 ,设在副回路的调节器称为副调节器 。两个调节器串联连接 ,主调节器的输出作为副回路的给定量 ,副调节器的输出去控制执行元件串级调节系统多用于燃料源受频繁扰动的锅炉炉膛，该系统由主回路和副回路组成，主回路根据实际值与给定值的偏差由PID调节规律对燃料流量进行调节，副回路根据燃料流量实际值与主回路温度调节器输出的燃料流量的偏差对流量进行调节，以避免扰动对燃料流量的影响。在系统稳定状态时，温度PID的输出以A1送到煤粉流量调节回路PID作为设定值，以B1送到空气流量调节回路PID作为设定值。在负荷剧增(温测温给)时,温度PID的输出剧增.对于空气流量调节回路,随着B1开始增加时,B1B2时,低选器选中B2,B1被中断,同时B3B1时,低选器又选中B1,B1又作为该回路PID设定值,交叉限制作用结束,系统稳定。对于煤粉流量调节回路,随着煤粉流量的增加,高选器选A1,而低选器中,开始时选A1作为该回路PID的设定值, 煤粉流量增加,A1A2时,低选气选A2,A1被中断, 煤粉流量随着空气流量增加而增加,交叉限制作用开始,当A2增加到A2A1时,低选器又选A1,此时A1A3,使交叉限制作用结束,系统恢复稳定。负荷剧减时相反。可见负荷增加过程中，先开空气后开煤粉，煤粉和空气交替逐渐增加，从而保证充分燃烧，不产生黑烟。负荷减少时，先关煤粉后关空气，空气和煤粉交替逐渐减少，保证合理燃烧，不会空气过剩，带走热量。以锅炉炉膛温度为主被控量、燃料和空气并列为副被控变量的串级控制系统。其中，两个并列的副环具有逻辑比值功能。使该控制系统在稳定工作的情况下保证空气和燃料的最佳比值，也能在动态过程中尽量维持空气、燃料在最佳比值附近。第3章 基于Realinfo的热电厂锅炉系统监控程序设计3.1 主控界面通过前面的定义连接设备以及数据变量，我们的上位机监控系统的设计准备工作已经完成，接下来就是监控界面的设计。紫金桥组态软件为我们提供了丰富的图形素材，我们可以根据需要，用素材搭建出形象的现场监控系统，如下图3-1。图3-1锅炉主控界面从上图我们可以清楚的看到控制过程中的各个细节部分，包括阀门开度，风机运行状况，开关的开闭状态，所以用这个控制监控界面能够很直观的检查出逻辑控制顺序是否正确，便于现场调试。3.2 趋势界面要实现紫金桥对S7-200的在线控制，就必须建立起两者之间的联系，那就需要建立两者的数据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和“I/O变量”两类。内存变量是紫金桥内部的变量，不跟监控设备进行交换。而I/O变量是两者之间互相交换数据的桥梁，S7-200和紫金桥的数据交换是双向的，一者数据发生变化，另一方的数据也跟着变。所以在这里我们创建了联机监控需要的变量。仿真历史趋势如下图3-2所示图3-2 紫金桥仿真历史趋势3.3 仪表界面整个锅炉系统的流程经调试后可显示出来，如下图3-3所示 图3-3 控制系统仿真界面 3.4 中心控制系统 系统在功能上分为三个级别：1、过程控制级：此级直接面向生产过程的现场仪表，完成生产过程的数据采集、自动调节控制、顺序控制和批量控制等。其过程输入信息是来自现场的各种传感器和变送器信号，其输出直接驱动执行机构，这一级由MODCELL控制单元完成。2、监控操作级：此级以监控操作为主要任务，它面向现场运行操作人员、系统工程师，提供现场过程的全部信息，并指导现场操作人员的工作，配备各种外部设备，大容量硬盘以及打印机等。3、集中监控级：此级是监控系统的基本要求。系统将为对正常生产至关重要的测点设置了专用的监视画面，并设置了多媒体化的预警和报警功能，而且能够自动切换到发生报警的画面，等待操作人员的确认处理。第4章 结论与体会紧张而辛苦的课程设计结束了。当我快要完成设计的时候感觉全身心舒畅，眼前豁然开朗。通过这次课程设计我受益匪浅。 课程设计是对我们所学专业知识综合应用的一次检测，“千里之行始于足下”，这是我们迈向社会、从事职业工作前必不可少的的过程。起初，我对自动控制系统程序设计的内容很模糊，感觉摸不着头脑。通过这次设计以后，我收获了很多。 通过这次设计，我深深体会到，干任何事情都要认真、细致、