（计算机应用技术专业论文）锅炉现场总线模糊控制系统的研究与设计.pdf

嚣安建筑辩技大学疆学盛论文 论文题目：锅炉现场总线模糊控制系统的研究与设计 专照：诗冀瓤疲爝技 寒 硕士生；李箍 擐导老颊：郭芳瑞 攮要 锅炉，作为北方城市冬攀墩疆的童熬设备，长期戳滚，由予自劝纯稔廑不高。运行 效率候，缝滚滚费严羹。冀枣键妒燃瀵接懿夔落嚣爱蹇缝耗煞主蘩繇羧乏一。 本论文p a 4 , 区取暖锅炉为主要研究对象，采用7 渴前较为流行的现场总线控制技术 柬麓代以往的d d c 和d c s 控制系统。现场总线技术鼹求现场豹设备传送数字储号，需 簧使羯瞽麓 更袭，毽豢蘸我瓣太罄势镌势惩是采弱鬻蕊摸羧攘表，垒数字德餐戆镦表还 寒藩及。强藏，本文采雳了种h o s t - b a s e 续梅懿l o n w o r k s 现场想线控制舔绞，它以 n e u r o n 芯片为核心，将各个餐缝节赢连按爨一条l o n w o r k s 蕊线上，实现了上下德糗之 潮、黉戆繁熹之阕戆袋逮垒数字弦逶售；惩时莱爝这耪缝蒋逶戆兖分嚣磁理鸯资潆，完 成现场信譬的采集与现场设铸的掖和。 出于锅炉髓个多输入、多输出、非线性的熨杂拣镥对敦，难以建立精确数举模楚， 采掰骜褒靛p i d 算法缀鼹这到控露l 要浆。因藏，本文挺窭了爰模凝与p i d 箱缮合豹鼹攘 控制器来其；现对锅炉的控制，搏利用m a t l a b 仿真工飘对其性9 作了初步研究。仿真结 果表明，模糊w p i d 双貘按铡明显饯于传统p i d 控制。 关键词：锅炉；糯场总线；l o n w o r k s 技术；h o s t - b a s e 智能节点；横糊糙d 巍安建筑科技大学臻学经论文 t i t l e ：t h es t u d y i n ga n d d e s i g n i n g o ff i e l d b u s f u z z yc o n t r o l l i n g s y s t e m o fb o i l e r s p e c i a l i t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e：l i z h e i n s t r u c t o r ：g u o f a n g r u i a b s t r a c t b o i l e ri sam a i n h e a t i n g - d e v i c e i nn o r t h c i t y i nw i n t e r b e c a u s eo fl o w e r a u t o m a t i n g c o n t r o l ，t h eb o i l e r sr u n n i n ge f f i c i e n c yi sl o w , a n dh e a t i n ge n e r g yw a s t ei sv e r y h i g h ，o n er e a s o ni sb u r n i n g c o n t r o ll e v e li sv e r yl o w i nt h e p a p e r , h e a t i n g b o i l e r i sm a i nr e s e a r c h i n go b j e c t w eu s ef i e l d b u s t e c h n i q u e c o n t r o l l i n gt h eb o i l e r sr u n n i n g ，i n s t e a do f d d c a n dd c s c o n t r o l l i n gs y s t e m c o n s i d e r i n gm o s t b o i l e r si no u rc o u n t r yw e r es t i l l u s i n gt h en o r m a la n a l o g yi n s t r u m e n ta n dt h ew h o l ed i g i t i n t e l l i g e n c ea p p l i a n c ew e r en o tp o p u l a r i t y b u tt h ef i e l d b u st e c h n i q u er e q u e s t st h eo n - s i t e e q u i p m e n ts e n d i n gd i g i t a ls i g n a l s ，s or e q u i r e s m u c hi n t e l l i g e n c e a p p l i a n c e t h e r e f o r e ，t h e p a p e rm a k e s u s eo fl o n w o r k sf i e l d b u s c o n t r o l l i n gs y s t e mo f t h e h o s t - b a s es t r u c t u r e ，w h i c hi s b a s e do nn e u r o n c h i p ，t h r o u g h i tw ec o n n e c ta l lo f i n t e l l i g e n c es p o t s 畦氇o n el o n w o r k sb u s t h u sr e a l i z i n gt w o w a y d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu p d o w nm a c h i n ea n di n t e l l i g e n c e s p o t s a tt h es a m et i m e ，i tm a k e su sm a k i n gu s eo fa v a i l a b l er e s o u r c e st ot h ee x t e n t ，a n d c o m p l e t i n g t h et a s ko f d a t a a d a p t e d a n dd e v i c ec o n t r o l l e d o f s p o t b e c a u s eb o i l e ri sam i m o ，n o n - l i n e rc o m p l e xc o n t r o l l i n go b j e c t ，s oi ti s h a r d l yt o e s t a b l i s ht h ee x a c tm o d e la n dr e a c ht h ec o n t r o l l i n gg o a lu s i n gt h en o r m a lp i da l g o r i t h m i c 。 t h e p a p e rp r o p o s e sd o u b l e m o d e lc o n t r o l l i n gm e t h o d ，w h i c hc o m b i n e st h ef u z z yw i t hp i d t o r e a l i z et h e c o n t r o l l i n go fb o i l e r f i n a l l y , w eu s em a t l a bt o o l st o i m i t a t et h ec o n t r o l l i n g p r o c e d u r e t h er e s u l ts h o w s t h a td o u b l e - m o d e lc o n t r o li sp r i o rt on o r m a lp i d k e y w o r d s ：b o i l e r ；f i e l d b u s ；l o n w o r k st e c h n i q u e ；h o s t - b a s ei n t e l l i g e n c es p o t ；f u z z y p i d 2 声羁 本人郑重声明我嬲呈交懿论文是我个人在导烯指导下进墨亍的研究工 作及取得晌研究成巢。尽我所翔，除了文中特潮加以标注和致谢韵地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人绒其他 人在其它攀位已串请学位或为冀它用途使蔫过熬藏采。与我一离工作瀚同 志对本研究所做的所宥贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 率请学位论文与瓷瓣若有不实之炎，本人承担一切穗关责 王。 论文 乍者签名：痞毛 髫凝：p 孑t ，卫扩 关于论文使用授权魄说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保辫、使用学位论文的规定，即： 学校有权攥留送交论文酶复零件，允许论文被查阕霹借溺；学校霹默公帮 论文的全部或部分内密，可以采用影印、缩印域者其它复制手段保存论文。 ( 爨密的论文在论文艇密后残遵守姥觏定) 论文作者签名名能蝴签名：鲈够日期：铆弘兹z 护 注：请将戴茭瓣在论文营炎。 巍安建筑科技大学颈学经论文 第o 章概述 随着城市建设的发展，北方地区冬季城市集中供热成为现代化建设必须采取的步 骤。隧簧夸区建设麓模静不甑扩大，供燕甏羧也隧之灞鸯鞋，这藏楚熬髓寄效的控稍秘管 理供热系统，提高供热的经济效益和社会效瓶，成为急需解决的重要课题。 在供热系统中，锅炉供热所占比例很大。据对全国2 9 个大中城市及3 7 亿平方米 懿谰囊，分散锅炉涝侯蒸占8 4 ，显锅炉容鬣大多在2 0 t h 疆下，这璧销沪由于鑫韵纯程 度低，成为当前主簧的耗能设锯。据不完龛统计，采暖地区采暖能耗融达1 2 7 亿吨标准 煤，占全国总能耗的1 0 7 。据资料显示，在同样情况下，我国单位颜积采暖能耗怒发 达圈象的3 0 偿，形成这穰璇蒙豹露因是多方嚣懿，箕巾锈炉控毒l 方法酶落嚣楚造成这 种麓距的主要原因之一。 锅炉的燃烧过程是个具肖大惯性、纯时滞、变参数的多输入多输出的复杂过程， 丽佼绫斡燃烧控铡多采用p t d 掩翻器，毽零缀静p i d 控翎器无法完或对其寿大诿瞧、缝 时滞、变参数过樱的有效控制。解决这些问题的方法是聚用比p i d 更谢效的控制技术。 模糊控制是经典控制理论发展的高级阶段，主要用来解决那些传统方法难以解决的复杂 控翻系统，它不依赖予被控露象翡数学禳羹，两是在慧缝搡佟经验懿蕊穑上实蠛螽动控 制的一种方法，这就为锅炉智能控制提供了新的思路。 现阶段，我们对锅炉进行智能控制的鼹标是节约能源。以此目标为前提，本论文采 霜了嚣翦较为先避的现场慧线技术对舔炉进行智能整髑，控裁辛采舔了疆h o s t - b a s e 洚孩 心的l o n w o r k s 网络智能控制技术，实现了数据传输的双向、点对点、全数字化的通信； 控制簿法采用了模糊- p i d 双模控铡算法，将模糊控制与p i d 控制的优点有机的结合越来， 傻铺炉的静态和确态特往都达到最优。辍大静提高了锅炉静热效率，达舞了节约熊深的 目的。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第一章锅炉工艺与控制原理 1 1 锅炉设备工艺简述 锅炉是北方城市冬季取暖的主要装置，依其蒸发量大小可分为小型锅炉、中型锅炉、 大型锅炉三类：依燃料的不同，又可分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉等。目前我国 的锅炉大部分以燃煤为主，其结构主要有以下几部分组成： 1 汽包：由上下汽包和三簇沸水管组成。水在管内受外烟气加热，因而管簇内发生 自然的循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在上汽包里面。下汽包起着连接沸 水管的作用，同时储水和水垢。 2 炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。燃料( 煤) 有煤斗落在转动的链条炉排 上，进入炉内燃烧。所需的空气由鼓风机送入，燃尽的灰渣被炉排带到除灰口，落入灰 斗中。得到的高温烟气依次经各个受热面，将热量传递给水后，由烟囱排到大气中。 3 过热器：是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。 4 省煤器：是利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。 5 空气预热器：是利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料所需空气的换热器。通 常，大、中型锅炉中均设有空气预热器。 为保证f 常工作，锅炉还必须有一些辅助设备，包括以下几个部分： 1 引风设备：包括引风机、烟囱、烟道口几部分，用它将锅炉中的烟气连续排出。 2 送风设备：由鼓风机和风道组成，由它来供应燃料燃烧所需的空气。 3 给水设备：由给水泵和给水管组成。给水泵用来克服给水管路与省煤器的阻力和 汽包的压力，把给水送入汽包。 4 水处理设备：其作用为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在锅炉受热面上 结水垢或腐蚀，从而提高锅炉的经济性和安全性。 5 燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓、和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料 的供应。 6 除灰除尘设备：除灰设备是收集锅炉灰渣并运往储灰场地的设备。除尘设备是除 去烟气中的灰粒，以减少对周围环境污染的设备。 链条锅炉的结构原理图如图1 1 所示。 2 珏安建筑科技大学硕士学使论文 1 汽包2 链条炉排3 过热器4 省煤器5 - 空气预热器6 。引风机7 - 鼓风机 图l l 锅炉结构篱图 1 。2 锅炉的王作过程 锅炉的工作过程概括起来包括三个同时进行着的过程：燃料的燃烧过程，烟气向水 蛉传热过程积农静汽化过程。现篱要教述锅炉的三个过程。 1 燃煤锅炉的燃烧过程：燃料煤加到漏斗中并溶在炉捧上，电杌通过减速视、涟条 带动炉排转动，将燃料煤带入炉内。燃料煤一边燃烧一边向后穆动，燃料所需的空气由 鼓撼视送入炉攘中闻鲍风雅爱，良上遽l 遣炉捧至达燃瓣燃烧层，辍霆帮燃料量跫魄铡( 撼 煤比) ，以便进行充分燃烧，形成高温蒸汽。燃料煤燃烧剩下的获渣，在炉排末端通过除 渣板后进入扶斗。这一整个过程称为燃烧过程。 2 ，烟气睡衣载传热避穗：由予燃料麴燃烧敖热，炉膛内瀣发舞离。在炉蘩四周壤匿 | 二都布蓠糟一排水管，称为水冷壁。商溢烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热， 将热量传递给管内的水。继而烟气受引风机、烟囱的引力向炉膛上方流动。烟气出烟窗 ( 炉黪出曰) 著遵遣夔瀵警嚣裁净测蒸汽逮热器( 蒸汽避热器踅一组垂壹敖嚣的蛇形管 受热面，使汽包中产生f l 勺饱和蒸汽在其中受烟气加热丽过热) 。潮气流经过热器后又经过 接在上下汽包间的对流管束，使烟气冲刷管束，辫次以对流换热方式将热量传递给管束 肉熬东。浍途晦稳漫度瓣潮气最嚣送入滗裁殛道，鸟雀漾器翻空气预热器内懿水进萼亍热 交换后，以较低的烟温摊出锅炉，提商锅炉效率，从而节省燃料。 蕊安建筑科技大学硕士学位论文 3 水的汽化过程：就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。经过处 理的水经水泵加压，先流经省煤器得到预热，然后进入汽包。 锅炉工作时，汽包中的工作介质是处于饱和状态下的汽水化合物。位于烟温较低区 段的对流管束，因受热较弱，汽水的容重较大：而位于烟气高温区的水冷壁和对流管束， 因受热强烈，相应水的容重较小，因而容重大的往下流入下汽包，而容重小的向上流入 卜汽包，形成水的自然循环。 蒸汽产生的过程是借助上汽包内装设的汽水分离设备，以及在汽包本身空间中的重 力分离作用，使汽水混合物得到分离。蒸汽在上汽包顶部引出后进入蒸汽过热器，而分 离下来的水仍回到上汽包下半部分的水中。 1 3 锅炉设备的控制任务 锅炉设备的控制任务是根据热负荷的需要，供应一定温度的蒸汽，同时使锅炉在经 济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备有以下主要控制任务： ( 1 ) 蒸汽量和压力要适应需要或保持在给定范围； ( 2 ) 过热蒸汽温度要保持在一定范围内； ( 3 ) 汽包水位要保持在一定范围内； ( 4 ) 燃烧的经济性，且要保证安全运行； ( 5 ) 炉膛负压要保证在一定范围内。 同时，可以看出锅炉是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃 烧量、送风和引风等。主要输出变量为汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、 过剩空气( 烟气含氧量) 等。 从以上叙述可看出，这些输入变量和输出变量之间是相互关联的。所以，锅炉设备 是一个多输入、多输出而且是相互关联的控制对象，当前在实际工程处理上作了一些简 化，将锅炉设备的控制分为几个控制系统。其主要控制系统如下： 1 锅炉汽包水位的控制系统 锅炉汽包水位控制的被控变量是汽包水位，其操纵变量是给水流量。其控制的基本 规律是根据汽包内按锅炉负荷的蒸发量，按物料平衡关系保证给水流量，以维持汽包内 水位在一定允许范围内。这是保证锅炉安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重 要指标。 2 锅炉燃烧过程的控制系统 锅炉燃烧过程有三个被控变量：蒸汽压力、烟气成分和炉膛负压。其中蒸汽压力或 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 者负衙、烟气成分主要是反映燃烧经济性。其操作变量也有三个：燃料量、送风量和引 风量。而这i 个操纵变量和三个被控变量互相关联，必须统一考虑，从而组成合适的燃 烧系统控制方案，以使燃料燃烧所产生的热量能满足蒸汽负荷的需要；同时，保证燃烧 的经济性和锅炉的安全运行；并使炉膛负压能保持在一定范围内。 3 过热蒸汽温度控制系统 以过热蒸汽温度为被控变量，喷水量为操纵变量组成的温度控制系统，以使过热器 出l 】温度保持在允许范围内：并且保证管壁温度不超出工艺允许的温度。 1 4 锅炉汽包水位的控制 汽包水位是锅炉运行的重要指标，保持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首 要条件，水位过高、过低，都会给锅炉及蒸汽用户的安全操作带来不利影响。首先，水 位过高，会影响汽包内的汽水分离，饱和水蒸气将会带水过多，导致过热器管壁结垢并 损坏，使过热蒸汽的温度严重下降。如以此过热蒸汽带动汽轮机，则将因蒸汽带液损坏 汽轮机的叶片，造成运行的安全事故。然而，水位过低，则因汽包内的水量较少，而负 荷很人，加快水的汽化速度，使汽包内的水量变化速度很快，若不及时加以控制，将有 j j 能使汽包内的水全部汽化；尤其是大型锅炉，水在汽包内的停留时间极短，从而导致 水冷壁烧坏，甚至引起爆炸，所以，必须对汽包水位进行严格控制。 ( 1 ) 汽包水位的动态特性 图1 2 时锅炉汽水系统结构图。决定汽包水位的除了汽包中储水量的多少外，也与 水位下汽包容积有关。而水位- f 汽包容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。 在影响汽包水位的诸多因素中，以锅炉的蒸发量( 蒸汽流量d ) 和给水流量w 为主。下 面侧重讨论给水流量与蒸汽流量作用下水位变化的动态特性。 西安建筑科技大学硕十学位论文 图1 2 锅炉汽水系统 汽包水位在给水流量作用下的动态特性，即控制通道特性。图1 3 是给水流量作 用下水位变化的阶跃响应曲线。如果把汽包和给水看作单容量无自衡对象，水位的阶跃 响应曲线将如图中的h l 线。 w h 图1 3 给水流量作用下水位变化阶跃响应曲线 由于给水温度要比汽包内饱和水温度低，所以给水流量增加后，需从原有饱和水中 吸收部分热量，使水位下汽包容积减少。当水位下汽包容积的变化过程逐渐平衡时，水 位将因汽包中储水量的增加而上升。最后当水位下汽包容积不再变化时，水位变化就完 全反映了因储水量的增加而直线上升。所以图中h 线是水位的实际变化曲线。在给水量 作阶跃变化后，汽包水位不马上增加，而呈现一段起始惯性阶段。 6 瓶安建筑科技大学硕士学位论文 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，即干扰通道动态特性。在蒸汽流量干扰 作用下，水位变化的阶跃响应曲线如图1 4 所示。 d 嗨一 l 一 h - i - i 图卜4 蒸汽流量扰动作用下的说为响应曲线 当蒸汽流量突然增加时，在燃料量不足的情况下，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸 汽量大于给水量，水位变化应如图卜4 中的曲线h 。但实际情况并非如此，由于蒸汽用 量突然增加，瞬间必导致汽包压力下降。汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸，水中气泡 迅速增加，困气泡容积增加，而使水位变化的曲线如图卜4 中的h t 。而实际显示的水位 响应曲线h 应为h 与h 。的叠加，即h = h + h ：。从图中可以看出，当蒸汽量加大时，虽然锅 炉的给水量小于蒸发量，但在一开始，水位不但不下降反而迅速上升，然后再下降；反 之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升。这种现象称之为“虚假水位”。 虚假水位的变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关。对于一般1 0 0 一2 3 0 t h 的中高 压锅炉，如负荷阶跃变化1 0 时，“虚假水位”现象可使水位变化达3 0 4 0 m 。 ( 2 ) 单冲量控制系统 汽包水位的控制手段是控制给水量，这样构成的水位自动控制系叫做单冲量水位控 制系统。它是汽包水位控制中最简单、最基本的一种形式。 这罩指的单冲量就是汽包水位。这种控制系统是典型的单回路定值控制系统。在汽 包内水的停留时间较长，若汽包容量大、负荷又比较稳定的情况下“假水位”现象不严 重时，这样的控制系统再配上一些联锁报警装置，也可以保证安全操作。这种控制系统 的特点是结构简单。 但是对于汽包内水的停留时间较短、而且负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系 1 鞭安建筑辩技大学壤学位论文 统就不适用。其主要原因育：这种羧制方案只根据水使控制给水爨，在负稽变化时， 由予“假承位”谶象，奁控制过程一开婕，飨水量瓣变恍将与受耱交姥的方囱槌反，扩 天了遴遗瀛爨酾罐i 乎餐，调节瓣菱囊锩误动穆，受礴壤大鼗爱蠢蟊关小鲶承滔苇阕，当羁 激烈的汽化过后，将使水位严麓下降，波动非常大，所以动态品质差。负衙变化时， 控制动作缓蠖。酆键“缎水健”不严羹，姨受惹变化到求挺变化爱蠢一个过稷，褥国墩 使蹙纯爨调节灏动终已潜藏一浚牙麓。魏慕承经过程靖趣霉鼗缓小，镶差努然缀大。 当给水系统出现抗动时，因给水量改变后要经过一定延迟时间t 才影响到水位，所以控 制洚媛缓慢，毽懿，必穆导致水位波动耀蹙大，控制时耀长，两梯不够及对。 为了瓣决这黧蠲嚣，可以不寝襞撵零霞，疑彗孛魄考惑蒸汽受簿秘鲶拳量翁变讫，鼹 给水阀进行控制，就能收别好的效果，所以就构成了取冲蹩或三冲薰控制系统。 ( 3 双冲曩控制系绫 零 入了蒸汽蘩逐行蔽垂，获疆当蒸汽受翡撬鞠辩，稷耀蒸汽熊穗炎霓裁哥| 募较镶泠 水爨，这不仅解决了“假水位”所引起的误动作，而巨会使调节阀及时动作。 双冲量控割蓉统是交囊誊镶( 蒸汽浚量) 鞠擎墼爨爱骥控裁系绫缀台的复合攘京l 甍统。 这零黪蘩瑷狻铡羧双为静态薅镶，粕霉考感嚣个懑遴在凌态主鹣蓑雾，矮每l 入稳鑫替 充环缸。 整蹩，双冲鬟接澍系绞存在一些瓣题：蕊蓬镶萤闲戆王侔将瞧不一定完全是线性， 运撙要骰劐静态 谣蓑魄铰嚣灌；荬= 跫对绘零系魏靛耄i | l 凌不憨纛竣棒嫠。为魏零 入鲶 水流量信号，构成三冲量调节系统。 ( 4 三渖繁控制系绫 近代锅炉帮淘大骞蘩离参数瓣方翔袭鼹，一般落，锈炉容量愈大，汽逡懿容寒爱藏 愈小，允许波动的蓄水量就霓小。如果给水中断，可能在1 0 3 0 s 内就会发生危险水位； 鲡慕投蹩给承羹与蒸发鬓不藤遥建，在豆努锌瘀也褥发生映零鬣滚瘩攀薮。爨露霹塞整 控涮翁要求藏雯纛了。 闹时，锅炉在运行时( 特别是当几台锅炉并列运行) ，几台锅炉的水位控制过稷中， 霹麓发生当葵中蘩一台锅妒戆给拳量致垒囊识瑟季，戳弓l 起绘拳鸯餐垂鸯戆渡麓；裂壤箕 它锅炉嚣给7 氟量受蓟考羲魂，这藏是锅炉豹囊发毪交讫。纛双诤童承建羧翻中* 不麓及嚣 反映出来，一赢黉等到影响到锅炉水能时才发现。所以，在双冲嫩基础上引入绘水量信 号，形或三狰篓= 末位控鞭系绫。 西安建筑科技大学硕士学位论文 图1 - 5 三冲量汽包控制系统 1 5 锅炉燃烧过程控制 燃烧过程的控制基本要求有三个： 保证出口蒸汽压力稳定； 燃烧良好，供气适宜，既要防止由于空气不足使烟囱冒黑烟，也不要因空气过量 而增加热量损失； 保证锅炉安全运行。保持炉膛一定负压，以免负压太少，甚至为正，造成炉膛内 热烟气往外冒出，影响设备和工作人员安全；如果负压过大，会使大量冷空气漏进炉内， 从而使热量损失增加。 ( 1 ) 蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统 蒸汽压力的主要扰动是蒸汽负荷的变化与燃料量的波动。当蒸汽负荷及燃料量波动 较小时，可以采用蒸汽压力来控制燃料量的单回路控制系统；而当燃料量波动较大时， 可组成蒸汽压力对燃料量的串级控制系统。 燃料流量是随蒸汽负荷而变化的，因此作为主流量，与空气流量组成比值控制系统， 使燃料与空气保持一定比例，获得良好燃烧。有时为了使燃料完全燃烧，在提负荷时要 求先提空气量，后提燃料量；在降负荷时，要求先降燃料量，后降空气量，其具有逻辑 提降量的比值控制系统。 ( 2 ) 燃烧过程的烟气含氧量闭环控制 锅炉燃烧过程的燃料与空气比值控制存在两个不足之处。首先不能保证两者的最优 化，这是由于流量测量的误差以及燃料的质量( 水分、次分等) 的变化造成的。另外， 锅炉负荷不同时，两者的最优比也应有所不同。为此，要有一个检验燃料与空气适宜配 比冉勺指标，作为送风量的校正信号。 西安建筑科技大学硕士学位论文 锅炉的热效率( 经济燃烧) 最简便的检测方法，是用烟气中的含氧量来表示。根据燃烧 方程式，可以计算出燃料完全燃烧时所需的氧量，从而可得出所需空气量，成为理论空 气量q t 。但是，使实际上完全燃烧所需的空气量q ，要超过理论空气量q t ，既需要有一 定的空气过剩量。当过剩空气增多是，不仅使炉膛温度下降，而且也使最重要的烟气热 损失增加。因此，对不同的燃料，过剩空气量都有一个最优值，即所谓最经济燃烧。 ( 3 ) 炉膛负压控制 负压控制系统的任务在于调节烟道引风机开度以改变引风量，维持炉膛负压一定。 锅炉烟道对象惯性很小，调节通道和扰动通道的特性都可以近似的认为是一个比例环节。 这是一类特殊的被控对象，简单的单回路控制系统不能保证被控质量，因为被调量的反 应太灵敏以至会激烈跳动。考虑到给系统的被调量( 炉膛负压) 反映了吸风量与送风量 之问的平衡关系，明显的改进措施是辅以前馈控制，即在送风量改变的同时也改变吸风 量。 综上所述，燃烧控制系统是由燃料量、送风量、负压三个相互匹配、密切配合的控 制子系统组成。其中燃料量控制回路使锅炉跟踪外界负荷，送风量控制回路维持锅炉最 高的热效率，负压控制回路维持负压稳定，这三个子回路组成了一个不可分割的整体， 统称为锅炉燃烧控制系统，共同保证锅炉运行的机动性、经济性和安全性。 1 6 蒸汽过热系统的控制 蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。控制任务是使过热器出口温 度维持在允许范围内，并保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。 过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行及蒸汽用户设备是不利的。过热蒸汽温度过 高，过热器容易损坏，汽轮机也因内部过度的热膨胀而严重影响运行安全：过热蒸汽温 度过低，一方面使设备的效率降低，同时使汽轮机的后几级的蒸汽适度增加，引起叶片 磨损。所以必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。 西安建筑科技大学硕十学位论文 第二章现场总线概述 现场总线( f i e l d b u s ) 是8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过程自动 化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通 信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联 系。它4 i 仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。现场总线设 备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、 容错能力强、安全性好、成本低的特点；具有一定的时间确定性和较高的实时性要求： 还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总 线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。 般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作f c s 现场总线控制系统。人 们一般把5 0 年代前的气动信号控制系统p c s 称作第一代，把4 2 0 l t l a 等电动模拟信号控 制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把7 0 年代中期以来的 集散式分布控制系统d c s 称作第四代。现场总线控制系统f c s 作为新一代控制系统，一 方面，突破了d c s 系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方 案，克服了刻闭系统所造成的缺陷；另一方面把d c s 的集中与分散相结合的集散系统结 构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性 与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。 现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋 商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有：l o n w o r k s 、 c a n 、f o u d a t i o n f i e l d b u s ( f f ) 、p r o f i b u s 等。它们具有各自的特色，在不同应用领域 形成了自己的优势。 2 1 现场总线的技术特点 l 、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连 并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。 这里的丌放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统， 它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络 系统必须是丌放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对 象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 两安建筑科技大学硕十学位论文 2 、互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息 传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家 的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 3 、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制 等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时 诊断没各的运行状态。 4 、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得 现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有d c s 集中 与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 5 、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是 专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电 力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防 爆要求等。 2 2 现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、 安装、投运到f 常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 1 、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执 行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制 器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复 杂接线，还i i j 以用 ：控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的 减少，还可减少控制室的占地面积。 2 、节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通 常叮挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校 对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接 在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程 的测算资料，可节约安装费用6 0 以上。 3 、节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数 字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信 息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化， 连线简单而减少了维护工作量。 鞭安建筑科技大学硕士学位论文 4 、用户具商商度的系统撩成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设舔来集 成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成 中不蒺容数协议、接口面一筹焚矮，捷系统爨蔽过程中戆主动毅完全掌攘在弱户手孛。 5 、提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设锫的智能化、数字化，与模拟信 号相比，它从根本上提高了测擞与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的 缝擒楚位，设荟垮连线减少，蠛场搜表悫鄂功麓翔强：减少了售号豹经邈接簸，强麓了 系统的工作可靠性。此外，出于它的设备标准化和功能模块化，因而逐具有设计简单， 易于重构等优点。 2 3a 秘毒影稳熬疆场慧线 2 3 1l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 是具有强劲实力的现场总线技术，它采用了i s o o s i 模型的全部七层通 鼠魏t 议，采_ 鼙l 了嚣淘对象熬设诗方法，逶避阚终变量怒礴络逶售设诗麓纯隽参数设嚣， 其通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 米( 7 8 k b p s ，双绞线) ； 支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质。l o n w o r k s 技术 矮袋蠲懿l o n t a l k 耱汉被羹装褒稔之为n e u r o n 兹享孛经元蕊片孛嚣褥敦实臻。 2 3 。2c a n 总线 c a n 是控制周网络( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的简称，其总线规范现已被i s o 国际 标蕊缝织割定为鬻瓣标准。c a n 镑议程是建立在鏊际稼壤缀织数开藏系绫互连模型蒸爨主 的，但只耿o s i 底层的物理层和数据链路靥。其信号传输介质为双绞线，通信速率最高 可达1 m b p s 4 0 m ，敷接传输距离竣远可达l o k m s k b p s 。可拄接设备数最多可达11 0 个。c a n 熬信号传输采震怒枣爽结构，每渎貔舂效字繁蘩为8 拿，嚣嚣簧赣睡淘缒，受予撬静穰 率低。当节点严蠛错误时，黛有自动关闭功能，具有较暇的抗干扰能力。 2 。3 3f f 总线 基会会甏场总线是在过程整动纯矮壤褥翻广泛支掺窝爨毒夔驽发壤藩景熬技零。宅 以i s o o s i 丌放系统互连模型为基础，取熟物理层、链路层、应用层为f f 通信模裂的相 应堪次，并在应用层上增加了用户层。基众会现场总线份低速m 和高速h 2 两种通信速 率。秘理传输套硬爵支持瑟绞线、光缆、帮无线发辩，狯汉舞会i e c l l 5 8 2 拣漆。英穆 理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。 婀安建筑科技大学硕士学位论文 2 3 4p r o f i b u s 总线 p r o f i b u s 总线是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准。由 p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s f m s 。p r o f i b u s p a 组成了p r o f i b u s 系列。它采用了o s i 模型的 物理层、数据链路层。传输速率为9 6 k b p s 1 2 m b p s ，最大传输距离在1 2 m b p s 时为 l o o m ，1 5 m b p s 时为4 0 0 m ，可用中继器延长至l o k m 。其传输介质可以是双绞线，也可以使 光纤。最多可挂接1 2 7 个站点。 4 曲安建筑科技大学硕十学位论文 第三章l o n w o r k s 技术剖析 3 1 l o n 控制网络 l o n w o r k s 控制网络是当前较为流行的现场控制网络之一，其网络芯片n e u r o nj 枣片 集成_ i s 0 0 s i 的全部七层协议，司时具有通信和控制功能，提供了3 4 种常见的i 0 控 制对象，卜作温度范围为一4 0 8 5 。 l o n w o r k s 控制网络的信号传输介质可为双绞线、电力线、无线、红外线和光缆等； 支持总线型、环型、自由拓扑型等网络拓扑形式；网络收发器有直接驱动、e i a4 8 5 型、 变压器耦合接口：j 种形式，满足了不同情况的要求。同时传输信号采用差分曼彻斯特编 码，使网络具有很强的抗干扰能力。在采用双绞线、波特率为7 8 k b p s 的通信网时，其直 接通信距离可达到2 7 0 0 米：加上功能强大的硬件支持，使其很容易在一定的空间范围内 构成功能繁多的系统。 l o n w o & s 控制网络的介质存取控制( m a c ) 采用了可预测p 坚持c s m a 算法 ( pr e d i c t i v ep - p e c s i s t e n tc s m a ) ，使得在网络超载时仍能保持很高的信息吞吐量。 网络结构可以采用主从式或对等式。具有配套的节点、路由器、网关等设备的开发、 调试和安装，集成化的开发环境使得系统的开发调试简单易行，可实现网络的离线、在 线设计、在线调试或通过i p 网的远程调试。 l , o n w o r k s 控制网络的网络通信采用了面向对象的设计方法，应用编程时不用花时间 考虑通信部分的繁琐编程；而且它具有集成化的开发环境，易于开发、安装和调试：开 放式的系统设计易于实现网络的扩展和升级。 l o n 网络控制技术囊括了设计、调度以及支持智能分布控制系统的所有要素。特别 要指出的是l o n 网络控制技术还包括各种开发、服务工具和成品组件。 对于l o n 网上的每个控制点，我们称之为l o n 节点或l o n w o r k s 智能设备，它包括一 片n e u r o n 芯片、传感和控制设备，收发器( 用于建立n e u r o n 芯片与传输之间的物理连 接) 和电源。图3 - 1 示意的是一种典型的l o n 节点的方框图。 曲安建筑科技大学硕士学位论文 网 络 图3 1 典型节点方框图 由图3 1 刈以看出，n e u r o nj 卷片是节点的核心部分，它包括一套完整的通信协议， 即崮化在芯片内的l o n t a l k 协议，它满足了现场智能节点之间快速安全通信的要求，从 而确保节点州使用可靠的通信标准进行互操作。因为n e u r o n 芯片可直接与它所监视的传 感器和控制设备连接，所以一个n e u r o n 芯片可以传输传感器或控制设备的状态，执行控 制算法，和其它n e u r o n 芯片进行数据交换等。使用n e u r o n 芯片，开发人员可集中精力 设计并丌发出更好的应用对象而无需耗费太多的时间去设计通信协议、通信的软件和硬 件或系统操作，这样可减少开发的工作量，从而节省大量的开发时间。 n e u r o n 芯片在大多数l o n 节点中是一个独立的处理器。如果节点需要具备更强的 信号处理能力或i o 通道，n e u r o n 芯片还可以用于与其它处理器进行通信，共同构成所 需的节点。 i , o n w o r k s 应用包括智能设备，即控制网络的节点。网上节点之间使用l o n t a l k 协议 互相通信。l o n 节点有两种类型，如图3 2 所示。在图3 2 ( a ) 的节点中，n e u r o n 芯片 是唯一的处理器，充当l o n 网的节点。适合于i o 设备较简单，处理任务不复杂的系统， 我们称之为基于n e u r o n 芯片的节点( n e u r o nc h i p h o s t e d ) 。图3 2 ( b ) 的节点中，n e u r o n 芯片只作为通信处理器，充当着l o n 网的网络接口，节点应用程序由主处理器来执行， 这类节点适合于对处理能力、输入输出能力要求较高的系统，我们称之为基于主机的节 点( h o s t b a s e d ) 。主处理器可以是微控制器、p c 机等。 无论那种类型的节点都有一片n e u r o n 芯片用于通信和控制、一个i o 节点用于连接 到多个i o 设备，另外还有一个收发器负责将节点连接上网。节点的具体工作由节点中 的应用程序以及配置信息来定义。 西安建筑科技大学硕士学位论文 络 图3 2l o n 节点 ( a ) n e u r o nc h i p h o s t e d i v 点( b ) h o s t b a s e d 竹点的存储器映象由三个主要部分组成：系统映象、应用映象以及网络映象。这些 映象是用户定义的，而且可以在不同的时间有不同的用户定义。如应用映象和系统映象 可以由节点丌发人员定义，而网络映象可以由网络安装人员来定义。 系统映象包括芯片固件：执行l o n t a l k 协议、n e u r o ncr u n t i m e 函数库以及任务调 度程序。系统映象可以进一步扩大为定制的系统映象。 应用映象包括节点的应用程序，它定义了节点将响应的事件以及响应事件后应采取 的行动。节点的。部分存储区装载有应用程序代码。 网络映象定义的是网上节点之间的相互关系，并为每个节点在网上分配有唯一的一 个特定区域。网络映象由一特殊节点即网络管理器使用安装命令来创建。网络管理器通 常并不参与l o n 网的实际操作，它主要用于网络的安装和维护。 3 2n e u r o n 芯片 本节将主要介绍一下n e u r o n 芯片的硬件结构和其工作方式。n e u r o n 芯片家族中最初 的成员是n e u r o n3 1 2 0 x x 和3 1 5 0 芯片。3 1 2 0 x x 芯片中包括r a m 、e 2 p r o m 和r o m 存储器， 而3 1 5 0 芯片中无内部r o m ，但拥有访问外部存储器的接口，寻址空间可达6 4 k b ，可用于 丌发更为复杂的应用系统。拥有外部存储器接口使得系统开发人员能够使用6 4 k b 寻址空 删中的4 2 k b 空问作为程序存储区。因为3 1 5 0 芯片不具有内部r o m ，所以通信协议等固件 皆由丌发1 二具携带，并与应用程序代码一道写入外部存储器中。 n e u r o n 芯片都有1 1 条i o 引脚用于直接连接诸如发动机、制动阀、显示器、a d d 转 换器、压力感应器、温度感应器、开关、中继器、速率表以及其它的微处理器、调制解 凋