基于sm西门子CS的锅炉综合过程控制.doc

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 Abstract Boiler 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 I ABSTRACT II 1 绪论 1 2 仿真设备与软件的介绍 4 2 1 SMPT 1000 仿真设备 4 2 1 1 SMPT 1000 硬件组成 4 2 1 2 SMPT 1000 软件系统 5 2 2 西门子 PCS7 系统 6 3 锅炉控制方案的设计 11 3 1 仿真锅炉的设计原则 11 3 2 仿真锅炉的工艺流程 12 3 3 分析并设计系统的方案 13 4 锅炉系统方案的实现 16 4 1 控制方案的硬件组态 16 4 1 1 AS 硬件组态 16 4 1 2 编辑硬件变量表 17 4 1 3 OS 站组态 18 4 1 4 网络连接组态与下载 19 4 2 控制方案的软件编辑 20 4 2 1 CFC 连续功能图组态 22 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 IV 页 4 2 2 SFC 顺序流程图组态 27 4 2 3 WINCC 组态 28 5 锅炉系统方案的运行与参数的整定 31 5 1 系统方案的运行 31 5 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 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页 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 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 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页 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 SMPT 1000 的锅炉单元实施已经设计好的控制方案 由 PCS7 中提供的连续功能图 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 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页 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 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 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页 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 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 控制系统的组态等日常实验功能 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 7 页 2 实时仿真引擎软件 SMPTRUNTIME 完成实时动态仿真计算以及数据管理功能 目前能够实现以下动态仿真模型 非线性液位与离心泵动态仿真模型 动力除氧动态仿真模型 高阶换热动态仿真模型 加热炉工艺流程 工业锅炉动态仿真模型 蒸发器动态仿真模型以及水汽热能全流程动 态仿真 如图 2 2 图 2 2 SMPTLAB 软件运行图 2 2 西门子 PCS7 系统 西门子 PCS 7 系统是完全无缝集成的自动化解决方案 可以应用于所有工业领域 包括过程工业 制造工业 混合工业以及工业所涉及的所有制造和过程自动化产品 作 为先进的过程控制系统 SIMATIC PCS7 形成了一个带有典型过程组态特征 PCS7 是西门子的 DCS 系统 基于过程自动化 从传感器 执行器到控制器 再到上 位机 自下而上形成完整的 TIA 全集成自动化 架构 主要包括 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 8 页 Step7 CFC SFC Simatic Net 和 WinCC 以及 PDM 等软件 组态对象选用 S7 400 高端 CPU 一般应用于钢铁和石化等行业 PCS7 并不等同于 Step7 WinCC PCS7 中的 OS 中的很多模板和画面都是在 Step7 中用 CFC 和 SFC 自动生成的 变量记录和报警记录也都是由 Step7 中编译传送到 WinCC 中去的 并不需要象使用普通 WinCC 那样手动组态画面 变量记录和报警记录 如图 2 3 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 9 页 图 2 3 实验室西门子 PCS7 系统 在本次设计的 DCS 控制系统中使用到的硬件包括如下 订货号为 407 0KA02 0AA0 的电源 PS 407 10A 订货号为 412 5HK06 0AB0 PLC 版本为 V6 0 的 CPU 412H PN DP 订货号为 443 1EX30 0XE0 CP 版本为 V3 0 的 CP 443 1 如图 2 4 和 2 5 图 2 4 PCS7 上位机 图 2 5 PCS7 现场控制级 SIMATIC PCS7 过程控制系统是全集成自动化 TIA 的核心部分 为生产 过程控 制和综合工业中所有领域实现统一且符合客户要求的自动化平台 通过采用 SIMATIC 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 10 页 PCS 7 的全集成自动化解决方案 可实现一致性的数据管理 通讯和组态 性能优异并 可前瞻性地确保满足典型的过程控制系统应用需求 1 简单而可靠的过程控制 2 用户友好的操作和可视化 并可通过因特网实现 3 系统范围内功能强大 快速 一致性的工程与组态 4 系统范围内的在线修改 5 在各个层级的系统开放性 6 灵活性和可扩展性 7 与安全相关的自动化解决方案 8 广泛的现场总线集成 9 仪表与控制设备的资产管理 PCS7 软件包含以下应用程序 我们可以用它组态一个基本的 PCS7 工程 1 PCS7 工程组态系统 ES SIMATIC 管理器是工程组态控制的控制中心 是工程组态工具套件的综合平台 同 时也是 SIMATIC PCS7 过程控制系统所有工程组态任务的组态基础 SIMATIC PCS7 项 目各个方面的创建 管理 归档和记录都在这里进行 组态内容主要包括 控制系统硬件 包括分布式 I O 和现场设备 通讯网络 用于 连续和批生产过程的自动化功能 AS 工程组态 操作和监视功能 OS 工程组态 诊 断和资产管理功能 CFC 连续功能图 CFC 编辑器是用于图形方式组态和连续自动化功能调试的工具 在功能强大的自动路径选择和 HMI 消息集成组态的支持下 可将预组态的功能块在 CFC 内部定位 组态和互连 除了便捷的编辑功能外 CFC 功能也包括强大的测试和调 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 11 页 试功能 以及可以单独组态的文档记录功能 仿真 使用 S7 PLCSIM 仿真软件 用户可以在 PG PC 上对用 CFC SFC 创建的用 户程序进行测试 而不管目标硬件是否可用 因此 在早期开发阶段就可以检测并消除 错误 这样就可以快速进行调试 降低成本并获得更高的程序质量 2 PCS7 操作员系统 OS 通过 SIMATIC PCS 7 过程控制系统的操作员系统 操作人员可方便而安全地执行 过程 操作员可以通过各种视图来观察过程序列 并在必要时进行干预 从而对系统进 行控制 操作员系统架构具有很大的可变性 可灵活地适应不同的工厂架构和客户需求 该架构的基础是由完美协调的单用户系统操作员站 OS 单站 和具有客户端 服务器 架构的多用户系统操作员站所构成 窗口功能 不固定位置的窗口可显示某个设备或控制对象的具体参数或趋势 方便 操作员对其进行操作或分析 消息系统 每个 OS 单站 OS 服务器最多可组态 150000 条消息 预定义的系统消 息 由系统事件触发 单个或群组消息 由过程状态的更改初始化 操作员输入消息 在 手动操作对象时产生 集成在操作员系统中的消息系统通过 AlarmControl 功能 来记录 这些过程消息和本地事件 并将其保存在消息归档中 然后进行显示 3 西门子自动化系统 AS 自动化系统具有如下特点 模块化无风扇的设计 强大的扩展能力和坚固的结构 单一或冗余设计 全面的通讯功能 集成的系统功能 集成安全功能 简单连接集中式或 分布式 I O 我们提供的所有自动化系统都选用有硬件控制器的独立控制器 并且是由 西门子预组装和测试的完整系统 高达科技根据项目的具体需求 确定自动化系统的类 型 主要依据是点数及根据点数测算的 PO 过程对象 数目 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 12 页 3 锅炉控制方案的设计 控制方案决定设备控制效果 观察设备的特性 根据控制要求和设备特点设计去设 计控制方案 在控制中 阀门的开闭形式及控制器的正反作用对控制效果也有很大影响 对于工业传热设备 锅炉控制目的是 工业介质达到规定温度 即对工业介质加热或冷 却 使其在规定温度范围内 工业介质改变相态 即根据工业要求 对工业介质加热或冷 凝改变相态 回收热量 根据工业工艺要求 取温度为被控变量 平衡设备热量 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 13 页 3 1 仿真锅炉的设计原则 锅炉是工业设备中特殊的传热设备 与一般传热设备不同 它有自身的结构和特点 锅炉控制主要目的是在不超负荷 安全生产的前提之下 使蒸汽具备适当温度和压力 同时需要遵循生产安全 环保的一系列条件 控制系统设计应考虑一下几点 1 满足产品质量及产量要求 本课题产出产品为过热蒸汽 满足过热蒸汽产量的前提下 保证过热蒸汽的输 出稳定 维持在允许的波动范围之内 同时让输出的过热蒸汽的温度与压力达到工 艺要求 在生产指标主要控制环节为燃烧控制及减温器控制 2 满足生产安全指标 安全是生产的必要条件 除氧器压力及水位 锅炉的汽包水位 炉膛压力等必 须符合相关安全标准范围 同时 所有工序按序进行 生产过程保持稳定 因此 要充分考虑各生产过程可能产生的各类问题 3 满足生产优化指标 当前社会越来越强调节能 环保 主要在烟气排放控制环节及燃烧环节 节约 热能 控 N 氧化碳的排放量 保证节能 环保 4 阀门开闭形式选择原则 控制阀正反作用选择对控制方案至关重要 对于控制阀作用选择 人员及设备 的安全应放在首位 当故障发生时 阀门应恢复到锅炉冷态状态 防止故障发生 其次考虑控制质量 保证工艺介质出口温度在正常范围内 5 控制器正反作用选择 控制器 控制阀 被控对象 测量变送器及偏差环节构成控制回路 控制回路 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 14 页 为负时 遇到干扰 系统响应衰减达到稳定 所以 在控制设计中 控制回路为 负 根据各个控制回路各组成符号乘积符号为负原则 确认控制阀 被控对象 测 量变送器及偏差环节的符号 即可确认控制器的正反作用 3 2 仿真锅炉的工艺流程 本论文针对 SMPT 1000 仿真实验装置 被控对象为自然循环锅炉系统 工艺流程 主要包括 汽包 燃烧系统和过热蒸汽系统 3 部分 如图 3 1 图 3 1 锅炉工艺流程图 1 汽包水位控制系统软化水经上水泵 P1101 后分成 2 路 一路去减温器 E1101 与过热蒸汽换热 并微调过热蒸汽的温度 然后与另一路给水混合进入省煤器 E1102 吸收烟气中的余热 被烟气加热成饱和水的锅炉给水全部进入汽包 V1102 再经过对流 管束和下降管进入锅炉水冷壁 吸收炉膛辐射热变成汽水混合物 然后返回汽包 V1102 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 15 页 进行汽水分离 汽水分离是汽包的重要作用之一 汽包 V1102 顶部设放空阀 V1104 汽包中部设水位检测点 LI1102 分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛 F1101 进行汽相升温 成为过热蒸汽 2 燃烧系统燃料经燃料泵 P1102 泵入炉膛 F1101 的燃烧器 空气由变频鼓风机 K1101 送入燃烧器 燃料与空气在燃烧器内以一定比例混合燃烧 产生热量使锅炉水汽 化 燃烧产生的烟气带有大量余热 自上而下经过省煤器 E1102 盘管的间隙给上水预 热 换热后的烟气经由烟道 靠烟囱的抽力抽出 通入大气 过热蒸汽系统出炉膛 F1101 的过热蒸汽进入减温器 E1101 壳程 进行过热蒸汽温度微调并为锅炉给水预热 最后 以工艺所要求的过热蒸汽压力 过热蒸汽温度输送给下游生产过程 过热蒸汽出口管线 上设开关阀 XV1105 3 3 分析并设计系统的方案 通过对锅炉对象特性的分析 可以明确控制任务和控制范围 合理制定和选取被控 变量 操作变量及控制设备 使被控对象平稳安全的生产出合格产品 为了使锅炉的生 产单元为下游提供 3 8MPa 450 度的过热蒸汽 结合我们已有的知识 可以归纳出需要 控制和监测的变量 如表 3 1 和表 3 2 表 3 1 需要控制的变量 数据名称位号 FI1101 FI1103 FI1104 汽包上水流量 燃料流量 风量 过热蒸汽出口流量 FI1105 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 16 页 汽包水位LI1102 过热蒸汽出口温度TI1104 PI1102 炉膛压力 过热蒸汽出口压力 PI1104 烟气含氧量AI1101 确定方案前 首先要保证生产的稳定性和安全性 在确保工艺流程能够安全稳定长 周期生产的前提下 可以考虑对控制器参数 生产指标等进行优化 以获取更高的收益 根据我们已经学习的知识 针对需要控制的变量 可以设计如下控制回路 表 3 2 需要监测的变量 数据名称位号 FI1102去减温器的汽包上水流量 省煤器出口烟气流量FI1107 TI1101 TI1102 TI1103 炉膛温度 进入炉膛的饱和蒸汽温度 去减温器的过热蒸汽温度 省煤器出口烟气温度TI1105 PI1101 PI1103 燃料压力 汽包压力 省煤器出口烟气压力PI1105 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 17 页 图 3 2 SFC 顺序流程图 汽包水位 锅炉上水流量 过热蒸汽出口流量前馈 串级控制 过热蒸汽出口压力 燃料流量串级控制系统 燃料流量 风量双闭环比值控制系统 风量 烟气含氧量前馈 反馈控制系统 过热蒸汽出口温度单回路控制系统 炉膛真空度 风量前馈 反馈控制系统 过热蒸汽出口流量单回路控制系统 另外 针对安全生产问题 我们设计停风 停燃料连锁停车系统 如果出现燃料流量 骤降和空气骤降的情况将启动连锁停车信号 在接到连锁停车信号后 切断过热蒸汽向 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 18 页 下游生产单元输送通路 将不合格的过热蒸汽排向旁路管线 同时 停燃料泵 风机 全 开烟道挡板 使炉膛自然降温 一段时间后关闭水泵 使整个锅炉停车 进入维修状态 如图 3 2 4 锅炉系统方案的实现 4 1 控制方案的硬件组态 首先 打开软件 使用 新建项目向导 来新建工程 如图 4 1 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 19 页 图 4 1 新建工程示意图 4 1 1 AS 硬件组态 打开组件试图 选择 CPU 右边的硬件组态并打开 根据实验室 DCS 系统的硬件 PLC PS CP 选择与之相对应的订货号和版本型号 使用 ISO 通信协议配置工业以太网接 口 CP443 1 输入 CP443 1 的 MAC 地址方面后续与个人计算机相连 随后在 CPU 的 MPI DP 接口配置工业现场总线 PROFIBUS 将与 SMPT 1000 仿真设备通信的接口模 块 PM125 加载上去并配置 DI AI DO AO 通信模组与编辑符号 最后编译并保存 如图 4 2 图 4 2 硬件组态视图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 20 页 4 1 2 编辑硬件变量表 在硬件组态之后 先完成 I O 点统计 由于 I O 点数较多 可以使用 SMPT 1000 特 有的 PROFIBUS 总线功能 并根据前面对象特性的分析 在 SMPT 1000 操作系统界面 下面确定 I O 点及其地址 在 AS 组态以后将 I O 点编辑到 PM125 的符号位上面 如图 4 3 4 4 4 5 4 6 图 4 3 DI I O 点及其位置 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 21 页 图 4 4 AI I O 点及其位置 图 4 5 DO I O 点及其位置 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 22 页 图 4 6 AO I O 点及其位置 4 1 3 OS 站组态 打开组件试图 打开 OS 右面的硬件组态 加载工业上面普通版本的网卡 使用 IOS 通信协议并输入个人电脑里面的 MAC 地址为后面与 AS 组态相连 编译并保存 为了使电脑内的 WINCC 监控与 AS 相连 在编译并保存以后再次激活组件试图 打开电脑右下方的站组态管理器 修改 OS 名称使之与站管理器的站名一致 最后打开 菜单栏里 PLC 下面的组态 传输数据使其组态一致 如图 4 7 和 4 8 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 23 页 图 4 7 OS 组态视图 图 4 8 OS 站名更改图 4 1 4 网络连接组态与下载 打开菜单栏里面的 NETPRO 视图 在 OS 的通用网卡上面右键建立与 AS 的 S7 组 态链接 由于是使用了 IOS 通讯协议 那么选择 PC PG 接口中的 PC internal 选择后编 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 24 页 译并保存整个网络连接组态 最后 分别打开 OS 硬件组态与 AS 硬件组态 按照顺序先 向个人电脑下载 OS 组态再向 CPU 下载 AS 组态 如图 4 9 图 4 9 网络组态图 4 2 控制方案的软件编辑 在控制器组态完成以后 还要针对 PROFIBUS DP 从站通讯模块使用的泗博 PM 125 为 PLC 编写一段源程序 即选择 CPU 下面的源程序 插入个 SCL 源文件 打开编译为 FB007 后保存 最后在 CFC 组态中单独插入个 FB007 框图编译并下载 如图 4 10 和 4 11 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 25 页 图 4 10 PM125 设备图 图 4 11 SCL 源程序图 要注意的是通讯接口模块的 CFC 组态层级要高于下面的 CFC 组态 即需要添加新 的工厂层级 打开 CFC 组态需要先激活工厂视图 在完成通讯接口模块的编译并下载后 根据前面锅炉过程控制系统的设计方案 编辑后面程序 如图 4 12 和 4 13 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 26 页 图 4 12 新建工厂层级图 图 4 13 通讯模块编译图 4 2 1 CFC 连续功能图组态 放置好各部分所需要的块 双击修改参数 将所有 PID 控制器调整为手动模式且设 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 27 页 置比例增益为 1 积分时间常数为 99999 微分时间常数为 0 设置关键数据为归档模式 以及修改必要的单位 如图 4 14 到 4 23 图 4 14 过热蒸汽出口温度单回路控制系统 图 4 15 过热蒸汽出口压力 燃料流量串级控制系统 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 28 页 图 4 16 燃料流量 风量 烟气含氧量前馈 反馈 双闭环比值控制 图 4 17 汽包水位 锅炉上水流量 过热蒸汽出口流量前馈 串级控制 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 29 页 图 4 18 炉膛真空度 风量前馈 反馈控制系统 图 4 19 过热蒸汽出口流量单回路控制系统示意图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 30 页 图 4 20 CFC 中被监控温度变量的状态图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 31 页 图 4 21 CFC 中被监控流量变量的状态图 图 4 22 CFC 中被监控流量变量的状态图 图 4 23 CFC 中 FV1102 遥控阀状态图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 32 页 4 2 2 SFC 顺序流程图组态 激活工厂视图 选择与上述 CFC 编程的同一层级的 SFC 并打开 按照控制方案要 求 插入并编辑所需要的步与转移条件 编辑完成后编译并下载 如图 4 24 图 4 24 SFC 顺序流程图 4 2 3 WINCC 组态 在 CFC 与 SFC 都编译与保存以后 接下来将进行最后 WINCC 的组态 在编译之 前确定好同等级 CFC 界面是否有 PICTURE 如没有就右键添加一个 接下来右键确定 工厂层级为三 然后同样右键更新块图标 更新以后进入组件视图 OS 站下面的 OS 右 键选择编译 编译完成后单击 PICTURE 进入 WINCC 如图 4 25 到 4 29 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 33 页 图 4 25 确定工厂层级 图 4 26 创建和更新块图标 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 34 页 图 4 27 WINCC 界面打开图 图 4 28 CFC 组态导入图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 35 页 图 4 29 WINCC 锅炉效果图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 36 页 5 锅炉系统方案的运行与参数的整定 5 1 系统方案的运行 编辑并保存好各部分文件后 在程序已经下载到 CPU 的前提下 首先打开位于 SMPT 1000 的 BoilerControl 即锅炉工程 调整锅炉至冷态并将曲线清空 设置好与之对 应的阀门状态 将所有 PID 控制器调整为手动模式且设置比例增益为 1 积分时间常数 为 99999 微分时间常数为 0 开始工程进入到系统开始与调试模式 通过个人计算机的 WINCC 与 SMPT 1000 仿真设备中的 SMPTLAB 软件实时在线监控 如图 5 1 到 5 3 图 5 1 SMPT 1000 阀门设定图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 37 页 图 5 2 SMPTLAB 在线监控图 图 5 3 WINCC 在线监控概况图 5 2 PID 参数的整定 在进行 PID 参数的整定前 首先要明确三个基本参数 Kp Ki Kd 在实际控制中的 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 38 页 作用 1 比例环节 成比例的反应控制系统的偏差信号 e t 偏差一旦产生 控制器立即产 生控制作用 以减少偏差 比例系数 kP 越大 系统的响应速度越快 但过大 系统会产 生超调 甚至导致不稳定 2 积分环节 用于消除静差 提高系统的无差度 积分作用的强弱取决于积分时间 常数 Ti Ti 越大 积分作用越弱 反之则越强 但它有滞后现象 使系统的响应速度变慢 超调量变大并可能产生振荡 3 微分环节 反应偏差信号的变化趋势 变化速率 调节误差的微分输出 误差突 变时 能及时控制 并能在偏差信号变化太大之前 在系统中引入一个有效的早期修正 信号 从而加快系统的动作速度 减少调节时间 但其会带来扰动敏感 抑制抗干扰能力 差 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容 它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数 积分时间和微分时间的大小 PID 控制器参数整定的方法很多 概括起来有两大类 一是理论计算整定法 它主要是依据系统的数学模型 经过理论计 算确定控制器参数 这种方法所得到的计算数据未必可以直接用 还必须通过工程实际 进行调整和修改 二是工程整定方法 它主要依赖工程经验 直接在控制系统的试验中 进行 且方法简单 易于掌握 在工程实际中被广泛采用 如表 5 1 表 5 1 PID 参数正定方法 PID 参数整定方法优点缺点 参数整定花费时间长 经验整定法 简单方便 适用于记录曲线不规 则 外界干扰频繁的控制系统 整定结果因人而异 没有明确标 准 理论整定法结果比较精确需要求出各个环节的传递函数 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 39 页 实际问题不能满足 理论计算比较繁琐 不适用于工艺方面不允许被控 变量长时间的等幅振荡场合 在纯比例控制情况下 系统可能 不会出现等幅振荡 临界比例度法使用起来比较方便 只适用于二阶以上的高阶对象 或者一阶纯滞后对象 整定质量好 对工艺过程干扰小 对时间常数小的系统不易测取 衰减振荡周期衰减振荡法 安全可靠不宜用于干扰频繁的系统 四种方法各有其特点 其共同点都是通过试验 然后按照工程经验公式对控制器参 数进行整定 但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数 都需要在实际运行中进行最 后调整与完善 现在一般采用的是临界比例法 利用该方法进行 PID 控制器参数的整定 步骤如下 1 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作 2 仅加入比例控制环节 直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期 3 在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数 如表 5 2 表 5 2 PID 控制器的选取 被控变量特征控制器的选取 时间常数较小 流量 容易受到干扰 不易加入积分作用 一般采用比 例积分控制器 液位纯滞后较小一般不加入微分 压力 时间常数与体积有关 例如大体 积的容器压力时间常数较大 而 管道压力时间常数较小 时间常数较大的话可以加入微 分 一般情况下采取比例积分控 制器 温度 时间常数比较大 控制起来不灵 敏 需要加入微分作用 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 40 页 本文主要应用的是经验整定法 因为涉及到了如下七种控制回路 汽包水位 锅炉上 水流量 过热蒸汽出口流量前馈 串级控制 过热蒸汽出口压力 燃料流量串级控制系统 燃料流量 风量双闭环比值控制系统