应用可编程控制器实现锅炉燃烧系统的控制毕业论文

1、诚信声明诚信声明本人声明：我所呈交的本科毕业设计论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 年 月 日北京化工大学毕业设计（论文）II毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 应用可编程控制器实现锅炉燃烧系统的控制 学院： 信息科学与技术学院 专业： 自动化 班级：

2、自控 0904 学生： 齐鹏飞 指导教师： 曹柳林 专业负责人： 李大字 1设计（论文）的主要任务及目标(1) 了解工业锅炉燃烧系统的工艺过程；(2) 设计并实现锅炉燃烧过程的控制系统；(3) 学会实验结果的分析和比较，学会撰写论文。2设计（论文）的基本要求和内容(1) 根据工业锅炉加热工艺过程，实现基本控制系统回路设计；(2) 学习 PLC 编程，设计控制策略，实现重要回路的控制任务。(3) 掌握工业过程模型和控制系统的建立方法、编程方法与实现方法；(4) 完成毕业设计说明书（毕业论文）一份（要求用计算机打印） ；(5) 完成与设计内容有关的英文资料的翻译。3主要参考文献1 张凯举,邵诚.钢

3、铁工业加热炉先进控制技术及其发展J。冶金自动化，2003 年第1 期2 李文博，马昕，张贝克，王平.加热炉控制系统的设计与实施J.控制工程.2010 年第 4 期3 尚继良，王晓燕于玮内模控制在锅炉燃烧系统中的应用研究J。微计算机信息，2007，23(12)：4142，624 西门子杯大学生过程仿真大赛有关资料4进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1查阅相关资料,了解工艺过程2 月下旬3 月上旬2编制控制程序及控制程序调试3 月中旬4 月中旬 3完成 PLC 编程，实现调试和控制目标4 月下旬5 月下旬4毕业论文写作6 月上旬5英文资料翻译自行安排北京化工大学毕业设计（论文）III摘摘

4、 要要工业锅炉是工业生产中十分必要的一环，它为整个生产过程提供稳定的动力来源。本文将详细介绍用于控制锅炉的西门子 PCS7BOX 系统和仿真设备 SMPT-1000,并应用它们对整个锅炉的燃烧过程进行自动化控制和监测。分析整个锅炉的工艺流程与参数特性，比对不同控制方案对同一控制任务的达成效果，选出效果最好并且对其他回路影响最小的回路。对其控制效果的输出曲线进行评估，调试其控制参数并使其控制品质达到最优。作为多输入，多输出，多变量的被控对象，锅炉具有时滞大，惯性大以及比较错综复杂的耦合问题。本文就各个控制回路间的相互影响关系进行细致的讨论及实验，探讨出在工况变化下的，最优控制目标的确定过程。最终

5、试验结果表明，整个设计方案实施可行并达到较好较快的控制效果，完成了对锅炉生产过程的自动化控制及安全监测。关键词：关键词：锅炉；控制方案；PCS7北京化工大学毕业设计（论文）IVABSTRACTThe industrial boiler is the important part of production as stable power in the whole process. This article will introduce the PCS7BOX system used for boiler control and SMPT-1000 used for simulation. Th

6、ey are applied to monitor and automatically control the boiler in the combustion process. In addition, I will analyze the technological process and parameter characters, compare the performance of different control scheme for the same task and select the optimal one. Whats more, I evaluate the perfo

7、rmance of curve responding the interference and regulate the control parameter to be the best.As the multi-input, multi-output object, the boiler has various parameters and the problems of inertial delay and complicated coupling. This article will discuss the mutual relationship of each circuit and

8、search for the optimal control target in a varying situation. The final experiment result shows that the whole control scheme for boiler is available and meet the initial expect. Key words： Boiler， Control scheme，PCS7 北京化工大学毕业设计（论文）V目目 录录前前 言言.1绪论绪论.3第第 1 章章 工业锅炉系统概述工业锅炉系统概述.8第 1.1 节 锅炉工艺流程 .8第 1.2

9、节 仪表及操作机构说明 .91.2.1 设备列表.91.2.2 检测仪表.101.2.3 执行机构.101.2.4 开关阀与手操阀.11第 1.3 节 锅炉的主要控制任务 .11第 1.4 节 仿真系统硬件展示 .12第第 2 章章 西门子西门子 PCS7 介绍介绍 .16第 2.1 节 PCS7 系统结构与特点.162.1.1 系统结构.162.1.2 网络结构.172.1.3 系统特点.17第 2.2 节 PCS7 系统的软硬件组成.182.2.1 PCS7 系统的硬件组成.182.2.2 软件程序组成.19第 2.3 节 硬件组态 .192.3.1 建立工程.192.3.2 三种视图画面

10、与 HW Config 视图.212.3.3 配置硬件结构.242.3.4 配置 SMPT-1000 的通信.30第 2.4 节 CFC 组态.312.4.1 CFC 模块 .312.4.2 CFC 参数修改及连接 .33北京化工大学毕业设计（论文）VI2.4.3 CFC 编译和下载 .35第 2.5 节 OS 组态.372.5.1 编译 OS.372.5.2 图形设计器.38第第 3 章章 控制方案设计控制方案设计.42第 3.1 节 控制方案设计内容 .423.1.1 控制方案设计原则.423.1.2 阀门开闭形式选择.423.1.3 控制器正反作用选择.433.1.4 控制指标.43第

11、3.2 节 蒸汽出口温度控制方案设计 .443.2.1 控制理由.443.2.2 控制方案.443.2.3 控制器正反作用.453.2.4 控制规律.45第 3.3 节 出口蒸汽压力控制方案设计 .463.3.1 控制理由.463.3.2 控制方案.463.3.3 控制器正反作用.483.3.4 控制规律.49第 3.4 节 炉膛负压控制方案设计.493.4.1 控制理由.493.4.2 控制方案.493.4.3 控制器正反作用.503.4.4 控制规律.50第 3.5 节 汽包水位的控制方案设计.513.5.1 控制理由.513.5.2 控制方案.513.5.3 控制器正反作用.53北京化工

12、大学毕业设计（论文）VII3.5.4 控制规律.54第第 4 章章 控制方案实施及参数整定控制方案实施及参数整定.55第 4.1 节 实验准备及控制参数整定 .554.1.1 OS 站与现场连接准备.554.1.2 PID 各参数的作用 .584.1.3 PID 整定方法 .594.1.4 前馈系数整定方法.61第 4.2 节 出口蒸汽压力控制方案实施与参数整定 .614.2.1 控制方案的 CFC 组态 .614.2.2 空燃比系数确定.634.2.3 实验曲线与参数整定.64第 4.3 节 过热蒸汽温度控制方案实施与参数整定 .674.3.1 控制方案的 CFC 组态 .674.3.2 实

13、验曲线与参数整定.68第 4.4 节 炉膛负压控制方案实施与参数整定 .694.4.1 控制方案的 CFC 组态 .694.4.2 前馈系数的确定.704.4.3 实验曲线与参数整定.71第 4.5 节 汽包水位控制方案实施与参数整定 .734.5.1 控制方案的 CFC 组态 .734.5.2 前馈系数的确定.744.5.3 实验曲线与参数整定.75第第 5 章章 整体控制回路分析与实验效果探究整体控制回路分析与实验效果探究.77第 5.1 节 参数间关系 .775.1.1 各参数之间的关系.775.1.2 燃料对蒸汽压力的影响.785.1.3 蒸汽流量对蒸汽压力的影响.795.1.4 烟气

14、挡板的作用.80第 5.2 节 控制目标的确定 .81北京化工大学毕业设计（论文）VIII5.2.1 各控制回路之间的关系.815.2.2 寻找合适的控制目标.81第 5.3 节 控制方案实施的效果 .835.3.1 汽包液位三冲量系统的作用.835.3.2 炉膛负压前馈的作用.855.3.3 蒸汽流量变化下的各回路控制效果.86第第 6 章章 结结 论论.88第 6.1 节 课题完成成果 .88第 6.2 节 下一步课题工作 .90第 6.3 节 毕设心得 .91参考文献参考文献.92致致 谢谢.94北京化工大学毕业设计（论文）1前前 言言工业锅炉是我国工业生产和集中供热的重要能源转换设备。

15、工业锅炉能耗巨大，据不完全统计年耗煤量约占我国煤炭产量的三分之一左右。并有研究表示，在未来的相当长的一段时间内，我国的一次能源仍旧充当着主导者的位置。锅炉作为将一次能源转化为二次能源的重要工具，在整个能源消耗中占有很大比重。目前我国使用的锅炉普遍为中小型锅炉，生产效率低，能耗大，污染重。因而在计算机控制技术的飞速发展和广泛应用的今天, 锅炉的优化控制系统和控制方式越来越引起人们的重视, 而且对控制系统的要求越来越高, 控制系统的水平已经成为衡量锅炉好坏的一个至关重要的指标。提高锅炉的自动化程度，采用先进的技术应用于锅炉控制已成为必然的发展趋势。国际上对锅炉的优化控制开始于 70 年代，现今已经

16、可以对锅炉进行计算机自动控制，可以采用例如最优控制，专家控制等现代控制理论，这使得对于结构复杂、计算量大的炉温控制模型的实时处理成为可能。上世纪 80 年代以后，中国的经济发生了突飞猛进的变化，锅炉行业更加突出，全国锅炉制造企业增加近一半，正式开始了对锅炉控制领域的进军，但多数控制水平很低，甚至没有实现闭环控制。90 年代开始利用单片机，PLC 对锅炉整体进行自动化控制并引进国外先进的控制系统。进入 21 世纪以来，普通的 PID 控制器对锅炉的控制效果已经满足不了国内巨大的能源需求，更新更高的目标被提出。不仅要满足对锅炉自身的指标要求，还要实现更经济，更节能，更少污染的控制方案和控制方式，这

17、就需要更聪明的控制方式和控制算法。本文将详细的介绍被控对象锅炉的工艺流程，分析锅炉的各项指标。锅炉是一个多输入，多输出的被控对象，参数间影响纷繁复杂。SMPT-1000 中设置了基本的测点和调节阀门等监测控制单元。利用已有的 I/O 点设计合适的控制方案，达到锅炉各个部分的控制目标。本文还将详细介绍控制软件。利用高集成，功能强大的 PCS7 BOX 控制系统，可以编辑方便快捷的控制语言，建立直接明了的监控画面。用此系统可以在线监视和调整控制回路，实时的把握现场信息。每个控制目标的特性不同，所在的回路结构，测点也都不同。所以要根据每个回路的具体条件来设计响应的控制方案，考虑相关的干扰因素后调整方

18、案。本文将介绍多种控制方案并对其进行对比、分析，选出最优方案。将方案在 OS 站北京化工大学毕业设计（论文）2上编程后与现场仪表连接进行测试。进一步在实践中根据控制效果，调整控制方案和控制参数。在方案的实施过程中，还要计算一系列的参数，例如适合的空燃比，前馈系数等等。因为现场设备的工况可能一直都会变化，所以利用工程的方法测试与计算参数最为可取。经过一系列的尝试与修改后，本文将于最后分析各个回路间的耦合度和参数间的相互影响关系。总结锅炉整体控制方案的设计理念，展示全部控制回路的控制效果。北京化工大学毕业设计（论文）3绪论绪论引言引言工业锅炉是我国工业生产和集中供热的重要能源转换设备。工业锅炉能耗

19、巨大，据不完全统计年耗煤量约占我国煤炭产量的三分之一左右。随着计算机控制技术的飞速发展和广泛应用, 锅炉的控制系统和方式越来越引起人们的重视, 而且对控制系统的要求越来越高, 任何一种优质的锅炉如果没有对应的控制装置, 则无法完全体现锅炉的优点, 控制系统的水平已经成为衡量锅炉好坏的一个至关重要的指标。提高锅炉的自动化程度，采用先进的技术应用于锅炉控制已成为必然的发展趋势。另外，能源短缺和大气污染已成为当今世界共同面临的两大难题。随着我国工业的迅速发展，国内能源短缺和大气污染问题日趋严重，如何在工业生产的各个环节解决好这两个问题，己成为我国可持续发展战略的一个重要组成部分。因此，提高锅炉热效率

20、，降低锅炉及供热系统的热损耗、节约能源也是锅炉的重要研究方向之一。1 锅炉自动化控制系统相关的国内文献锅炉自动化控制系统相关的国内文献根据本毕设题目的要求，我把关于锅炉自动化控制系统的国内文献分为三部分来阐述。分别是：关于控制方案，上、下位机组态实现的描述文献；关于先进控制算法的研究文献；关于锅炉燃烧等方面节能减排的阐述文献。1.1 介绍介绍控制方案及软件仿真的文献综述控制方案及软件仿真的文献综述袁玉成,金文海6对燃烧过程的工艺流程做了详细的阐述并介绍了 PLC 的控制算法。浩清勇2在工业锅炉控制系统的设计与实现中简述了锅炉各个部分所需要的控制方案和所要用到的控制变量等等，又简单陈述了监控画面

21、，诊断报警及历史记录等功能的必要性及作用。高维江,何娜1介绍了西门子 WinCC6.0 和 S7-300PLC 在供热蒸汽锅炉控制中的应用。文中具体给出了工艺组态画面，控制流程图等指示信息，还详细提供了针对各个部分的控制方案。如汽包水位的三冲量控制，而锅炉蒸汽压力是由压力-流量串级+蒸汽量前馈的方案控制的。关于烟气含氧量及炉膛负压等指标用的都是北京化工大学毕业设计（论文）4前馈-反馈的控制方案，前者是由送风量为反馈，燃料量为前馈，而后者是由引风量为反馈，送风量为前馈组成的。姜福长,廖力清,张彤3在燃烧部分提出燃料空气比值控制方案，以及给出了PLC 编程软件流程图和梯形图。而潘祥亮,罗利文4在燃

22、烧部分提出自寻优控制策略，在锅炉燃烧过程中不断搜寻最佳燃烧比作为给定值，提高燃烧效率。文章也给出了软件设计的具体步骤。任向民5在送风控制方面提出了具有逻辑提降量的比值控制方案，可以避免因为燃料/空气比过高而产生危险。1.2 介绍先进控制算法的文献介绍先进控制算法的文献李益华等人7的文章“基于模糊自适应 PID 的锅炉汽包水位控制”以及庄涛的硕士论文“工业蒸汽锅炉的自动化控制研究与实现”10中均描述了锅炉汽包水位的结构特性，分析了蒸汽流量可能造成的虚假水位问题以及上水量可能造成的惯性时滞问题。为了克服汽包水位的内外扰动，都提出引入了基于模糊 PID 自适应控制策略的三冲量控制方案。详细介绍了模糊

23、 PID 自适应控制器并得到了鲁棒性很好的仿真结果。李文博8在硕士论文中给出了确定 PID 参数的优化算法，并在 PCS7 上运用SCL 语言编写了 PID 参数优化模块。论文中采用了先进控制算法-内模控制器，并开发了通用的内模控制模块。以 SMPT-1000 为控制对象，以西门子 PCS7 为控制工具，利用 Wincc 完成了锅炉的上位机组态，实现了锅炉系统自动化控制。吴明永9在其硕士论文中针对锅炉燃烧系统参数时变、严重非线性、干扰因素复杂、耦合严重、模型不易确定等特点，提出对蒸汽压力采用模糊自适应 PID控制方式，对炉膛负压采用前馈 PID 控制，对最优风煤比采用模糊自寻优的控制策略。 1

24、.3 关于燃烧效率和节能减排的文献关于燃烧效率和节能减排的文献戴伟民12对锅炉及供热系统节能问题进行了探讨，并按照燃料燃烧油的三个条件：a.炉膛内需要有充分的氧气；b.燃料燃烧时必须有温度；c.燃料与氧气进行高温化学反应的时间，在五方面列出了能促进燃料充分燃烧的措施。北京化工大学毕业设计（论文）5刘本明等人13提出锅炉及供热系统的节能控制应考虑燃烧与燃烧形式的选择，燃烧与燃烧形式的选择，锅炉及供热系统的维护等几个方面并详细介绍了个方面的具体细节以及节能措施。孙延宝14在其文章中揭示了工业锅炉现状与存在的问题并从供热系统的形式，锅炉房设计及设备选择、操作技术、采用新设备等方面探讨了如何节约能源，

25、提高能源的利用效率。2 锅炉自动化控制相关的国外文献锅炉自动化控制相关的国外文献关于总体的锅炉工艺自动化控制系统的外文文献不多，多数都是研究某一种算法或控制理论。结合毕设的题目以及相关内容，所看文献如下。Conte, Giuseppe 等人15提出了家用锅炉燃烧控制中氧气传感器的应用，虽然价格昂贵，技术复杂，但因它能给出直观的误差显示以及相对全面的信息，所以仍然具有很大实际作用。文章介绍了锅炉燃烧过程以及控制结构，引入参数 来获得一个过剩氧气的实用指标，用于描绘最佳的燃烧条件。在氧气含量传感器的帮助下，实现了一个精准的控制燃烧质量的闭环控制回路，并得出了一系列较好的控制仿真结果。Priyadh

26、arson, A. Selwin Mich 等人16为了在整个燃烧循环中保持合适的燃料流而提出了基于模糊控制器的公用锅炉燃烧能量平衡模型。能量平衡是指保持锅炉能量供应与在变化负载下能量需求之间的平衡。文章详细介绍了能量平衡模型的原理，公式以及应用，并与传统的控制方法比较，最后通过实验结果得出模型的优越性。T.R. Rangaswamy 等人17所提出的模糊自适应性控制器参考模型与之相似不再赘述。Noria Taghezout18提出了一种应用于锅炉燃烧管理系统的自适应用户界面设计。人机交互是现代分布式人工只能的重要组成部分，自适应界面可以应对当前越来越发杂的交互活动。基于信念-愿望-意图结构（

27、BDI）的智能代理可以解决锅炉燃烧管理系统（GLZ）的许多问题，而智能决策支持系统（IDSS）可以提升操作员与决策者的协同能力，用两者混合而成的方法设计一个自适应用户界面来形成高效的问题解决方案。P.H. Jenkins等人19提出了电力站锅炉的自优化控制系统。过量的燃烧气产生了有毒的白烟，而不充分的燃烧则产生了黑烟。所以在一个根据燃料/空气比而进北京化工大学毕业设计（论文）6行自优化的控制策略就被提出了。文中详细给出了自优化算法的详解，并阐述了在工程，实际运行以及商业上的具体控制策略。3 结论结论相比较之下，国内关于锅炉控制的文献多偏重于整体方案描述，整个软硬件实现的流程与个别的先进控制算法

28、的研究。多数实验结果或研究结论都建立在仿真软件上的推演，并没有太多实践性的针对具体锅炉对象的真实实验。总体来说锅炉的自动化控制在我国还在发展阶段。而外文文献多建立在某一具体的锅炉对象上做研究，或针对锅炉的某一环节进行更深一步的假定与实验。在锅炉方面所做的研究也可以应用于其他对象，例如燃烧过程的控制等具有应用的普遍性。国外关于锅炉自动化控制方向的研究已经有很多更先进的跨学科的优化算法及措施，近期关于整体综述或方案讨论等的文献非常难找。由此可见国外的锅炉自动控制已经达到一个高度。4 个人工作陈述个人工作陈述虽然课题是重复别人的工作，但在过程中一直坚持自己的分析和思考。不断的遇到问题，又不断的解决问

29、题。以下是各阶段的简要解读。第一点：根据工艺流程选取控制方案第一点：根据工艺流程选取控制方案控制方案是查阅了 5 篇西门子大赛报告和 4 篇参考文献以及过控书中介绍之后，确定下来的。因现场设备状况和控制效果等原因，修改了两次才得出的。是课题的根基。第二点：熟悉掌握第二点：熟悉掌握 PCS7 控制系统和控制系统和 SMPT-1000 锅炉仿真系统锅炉仿真系统掌握 PCS7 系统软硬件的组态，趋势画面的创建，和与 SMPT-1000 相互间的通信等等。是课题中最困难的部分。第三点：用第三点：用 CFC 实施控制方案并整定曲线实施控制方案并整定曲线运用 CFC 各模块，熟悉控制器各功能。消除相关量影

30、响，逐个用凑试法整定控制器参数。是课题中最麻烦最耗时的部分。第四点：计算控制参数，归纳回路关系。第四点：计算控制参数，归纳回路关系。北京化工大学毕业设计（论文）7没有凑试而是实验计算得出控制参数，逐个分析回路间影响关系，找出适于工况的控制指标。是课题中做实验最多，思考最多的部分，光记录的就有近 10 个实验。第五点：比对控制方案，分析干扰来源，检测控制效果第五点：比对控制方案，分析干扰来源，检测控制效果对数据进一步挖掘，展示所选控制方案的作用所在。数字化呈现控制效果，分析发生干扰的可能来源。是课题的意义。北京化工大学毕业设计（论文）8第第 1 章章 工业锅炉系统概述工业锅炉系统概述第第 1.1

31、 节节 锅炉工艺流程锅炉工艺流程图图 11 工艺流程图工艺流程图除氧器除氧器：经处理的软化水进入除氧器 V1101 上部的除氧头，进行热力除氧，除氧蒸汽由除氧头底部通入。除氧的目的是防止自然循环锅炉给水中溶解有氧气和二氧化碳，对自然循环锅炉造成腐蚀。热力除氧是用蒸汽将给水加热到饱和温度，将水中溶解的氧气和二氧化碳放出。在除氧器 V1101 下水箱底部也通入除氧蒸汽，进一步去除软化水中的氧气和二氧化碳。减温与预热减温与预热：除氧后的软化水经由上水泵 P1101 泵出，分两路，其中一路进入减温器 E1101 与过热蒸汽换热后，与另外一路混合，进入省煤器 E1102。进入减温器 E1101 的自然循

32、环锅炉上水走管程，一方面对最终产品（过热蒸汽）的温度起到北京化工大学毕业设计（论文）9微调（减温）的作用，另一方面也能对自然循环锅炉上水起到一定的预热作用。省煤器 E1102 由多段盘管组成，燃料燃烧产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的自然循环锅炉上水换热，回收烟气中的余热并使自然循环锅炉上水进一步预热。汽包水位及蒸汽温度汽包水位及蒸汽温度：被烟气加热成饱和水的自然循环锅炉上水全部进入汽包V1102，再经过对流管束和下降管进入自然循环锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热在水冷壁里变成汽水混合物，然后返回汽包 V1102 进行汽水分离。自然循环锅炉上汽包为卧式圆筒形承压容器，内部装有给水分布槽、汽水分

33、离器等，汽水分离是上汽包的重要作用之一。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。出炉膛的过热蒸汽进入减温器 E1101 壳程，进行温度的微调并为自然循环锅炉上水预热，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一生产单元。燃料与烟气燃料与烟气：燃料经由燃料泵 P1102 泵入炉膛 F1101 的燃烧器；空气经由变频鼓风机 K1101 送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使自然循环锅炉水汽化。燃烧产生的烟气带有大量余热，对省煤器 E1102 中的自然循环锅炉上水进行预热。第第 1.2 节节 仪表及操作机构说明仪表及操作机构说明1.2.1 设备列表

34、设备列表表表 11 设备列表设备列表位号设备名称V1102汽包E1101减温器F1001炉膛K1101风机P1101上水泵P1102燃油泵北京化工大学毕业设计（论文）101.2.2 检测仪表检测仪表表表 12 模拟量检测点列表模拟量检测点列表1.2.3 执行机构执行机构表表 13 执行机构列表执行机构列表位号数据名称单位位号数据名称单位FI1101汽包上水流量Kg/sTI1103去减温器的过热蒸汽温度CFI1102去减温器的汽包上水流量Kg/sTI1104过热蒸汽温度CFI1103燃油流量Kg/sTI1105省煤器出口烟气温度CFI1104进风量Kg/sPI1101燃油压力MpaFI1105过

35、热蒸汽流量Kg/sPI1102炉膛压力MpaFI1106除氧器入口流量Kg/sPI1103汽包压力MpaFI1107烟气出口流量Kg/sPI1104过热蒸汽压力MpaLI1101除氧器液位%PI1105烟气出口压力MpaLI1102上汽包水位%PI1106除氧器压力MpaTI1101炉膛温度CAI1101烟气含氧量%TI1102去炉膛辐射段上水温度C北京化工大学毕业设计（论文）111.2.4 开关阀与手操阀开关阀与手操阀表表 14 开关阀与手操阀开关阀与手操阀第第 1.3 节节 锅炉的主要控制任务锅炉的主要控制任务针对该锅炉所提出的控制要求主要有三个方面，包括：满足生产指标、满足安全指标、满足

36、优化指标。控制任务的具体要求如下： （1）满足生产指标的考虑 在过热蒸汽产量稳定的前提下，保证蒸汽的温度与压力达到工艺要求，并维持在允许的波动范围之内。 （2）满足安全指标的考虑 锅炉汽包水位、除氧器水位、炉膛压力、烟气含氧量等与系统安全相关的指标必须全程在允许范围之内。所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定。各类生产过程中可能产生的异常要充分予以考虑。 位号数据名称位号数据名称PV1101除氧蒸汽流量调节阀FV1105过热蒸汽流量调节阀FV1101汽包上水流量调节阀FV1106除氧器入口流量调节阀FV1102过热蒸汽温度调节阀 AK1101变频风机转速调节FV1103过热蒸汽温度调节阀

37、BDO1101烟道挡板FV1104燃油流量调节阀位号阀名称XV1101锅炉给水泵出口阀/截止阀XV1102燃油泵出口阀/截止阀XV1104汽包顶部放空阀XV1106除氧蒸汽管线阀HV1101锅炉给水管线调节阀旁路阀北京化工大学毕业设计（论文）12（3）满足优化指标的考虑 出于对效能、环境等因素的考虑，要求在控制系统的设计和实施中对能耗、碳排放等指标予以充分考虑。第第 1.4 节节 仿真系统硬件展示仿真系统硬件展示PCS7 系统简单的内容包括操作员站，自动化系统（CPU 和电源），通讯模块等。经过操作员的组态后的程序下载到 CPU 上，再经过通讯传达到现场设备 SMPT-1000上，从而对现场进

38、行实时监测及控制。下列照片为系统的各实物组成：24V 的系统电源：图图 12 系统电源系统电源系统的高集成的 CPU 控制系统，SIMATIC PCS7 BOX北京化工大学毕业设计（论文）13图图 13 CPU整体 PCS7 系统结构，具体信息在第二章中会详细介绍，在此只做展示。图图 14 PCS7 系统系统 北京化工大学毕业设计（论文）14SMPT-1000 仿真系统，包含左侧的蒸发器仿真区和右侧的蒸汽锅炉仿真区。仿真的过程中，现场的仪表会与现场的 PC 站通信，数据会实时的显示在各个测点和阀门设备上。在现场 PC 站上也可以对锅炉系统进行预先的内部测试。图图 15 SMPT-1000通信模

39、块 PM-125，连接 PORFIBUS-DP 线与现场通信。北京化工大学毕业设计（论文）15图图 16 PM-125现场设备的手动操作板，用于监测于控制现场设备。图图 17 操作板操作板北京化工大学毕业设计（论文）16第第 2 章章 西门子西门子 PCS7 介绍介绍第第 2.1 节节 PCS7 系统结构与特点系统结构与特点2.1.1 系统结构系统结构自动化技术是公司提高生产效率、缩短产品上市时间、以及满足市场需求所采用的重要手段。这些挑战不但存在于过程和生产行业，而且存在于兼具二者生产工序的混合行业中。源自西门子公司的创新型过程控制系统 SIMATIC PCS 7，可适用于所有这些领域。凭借

40、其灵活的架构，该系统不仅可对主要生产过程进行控制，而且还可用于辅助过程、上游和下游过程控制。例如，废水处理或配电。SIMATIC PCS 7 亦集成于西门子全集成自动化理念(TIA) 之中，包含全系列的配套产品、系统和解决方案，实现在所有生产、过程和混合行业领域的统一的自动化系统。通过全集成自动化，可实现从输入物流到输出物流整个生产过程的统一协同自动化，实施完整的自动化解决方案。基于研发中心各领域专家所具备的全面专业知识，我们还可开发出各领域特定的解决方案，以满足客户的特殊需求。图图 21 PCS7 系统结构图系统结构图北京化工大学毕业设计（论文）172.1.2 网络结构网络结构 现场总线层：

41、PROFIBUS DP 与 PA，是联系控制站（AS）与现场站或设备的纽带。 控制总线层：工业以太网，是连接控制站（AS）与服务器或操作站的桥梁。 厂级网络：标准以太网，是建立服务器与操作站或上层厂级网络通讯的关键。2.1.3 系统特点系统特点PCS7 系统的产品种类多，系统开放性大，具有全集成自动化的特性和模块化的结构，拥有易学易用的编程语言和强大的控制功能。全集成自动化：全集成自动化：SIMATIC PCS7 消除了过程控制与制造业控制之间的障碍。在系统，产品，控制器，I/O 等不同部分上拥有统一的通讯，统一的组态和编程，统一的数据库管理。图图 2.2 全集成自动化系统全集成自动化系统PC

42、S7 模块化结构：模块化结构：控制规模可根据用户实际需求量量身定做，易于扩展和调整，可从最小的单站扩充至带有客户机服务器结构的大型系统。北京化工大学毕业设计（论文）18图图 2.3 PCS7 模块化结构模块化结构PCS7 与与 DCS 和和 PLC 对比：对比：PLC: 系统开放灵活；控制器运算速度快；逻辑处理能力强。但完整性差；组态软件单一；系统诊断功能较弱；回路处理能力较弱。DCS: 系统结构完整，具有较强诊断能力，组态方便且回路处理能力强。但开放性差；运算速度慢；逻辑处理能力较弱。PCS7：系统既完整又开放灵活。既有 ETHERNET TCP/IP， 也有现场总线技术PROFUBUS 支

43、撑通信；具有较强诊断能力；组态软件丰富且高度模块化；控制器采用多任务处理器，可同时实现大量复杂回路控制和快速逻辑控制。第第 2.2 节节 PCS7 系统的软硬件组成系统的软硬件组成2.2.1 PCS7 系统的硬件组成系统的硬件组成 AS 站已组态好，集成在机架上且经过了测试。 S7-400 的控制器。 中央处理器（拥有若干型号） 集成了 PROFIBUS-DP 接口，MPI 接口。 RAM 768 to 32,000 kByte北京化工大学毕业设计（论文）19 电源供电（24VDC,120VAC,230VAC） 以太网通讯卡件2.2.2 软件程序组成软件程序组成PCS 7 应用程序内容：在工程

44、师站 (ES) 上创建项目。 ES 中有各种应用程序。 所有应用程序都提供了图形用户界面，从而可以方便地操作并且清楚地显示组态数据。 SIMATIC 管理器是的中心应用程序，也是用于创建 PCS 7 项目的其它所有应用程序的门户。 SIMATIC 管理器是创建整个项目的起始点。 HW Config 包含整个硬件系统的组态，例如 CPU、电源、通讯处理器。 CFC 编辑器和 SFC 编辑器是用于创建 CFC 图表和顺序控制系统的编辑器。 带有各种编辑器的 PCS 7 OS 是用于组态 OS 的工具。SIMATIC 管理器是 PCS7 系统内的中心应用程序，也是用于创建 PCS7 项目所需的所有其

45、它应用程序的接口。SIMATIC 管理器和所有其它应用程序“链接”在一起，在组态时，可以方便地访问在 SIMATIC 管理器中已创建的所有数据及其包括的应用程序。第第 2.3 节节 硬件组态硬件组态2.3.1 建立工程建立工程打开 SIMATIC Manager， 建立一个新工程。北京化工大学毕业设计（论文）20图图 2.4 创建工程创建工程单击继续，选择机器对应的 CPU 型号。图图 2.5 选择选择 CPU单击继续，选用 CFC,SFC 语言并建立 OS 站，在这里选用的话，就不用之后再添加了。本课题，选择单用户系统就可以了。北京化工大学毕业设计（论文）21图图 2.6 选择创建内容选择创

46、建内容接下来按提示选择就可以完成建立。2.3.2 三种视图画面与三种视图画面与 HW Config 视图视图 SIMATIC 管理器提供三种不同的视图，这些视图的一个重要特性就是，它们所包含的各个对象实际上只有一个，但却可以在多个视图中显示和编辑。这些视图的结构原理是相同的：左窗格显示树形结构；右窗格显示详细信息视图。组件视图表示各个对象（如图表和块）的实际存储位置。在组件视图中，可以直接看到块和图表与现场控制站的所属关系。在组件视图中，可以创建硬件组件以及启动自动化系统、总线组件、过程 IO 和 PC 站的硬件组态。北京化工大学毕业设计（论文）22图图 2.7 组件视图组件视图工厂视图以工艺

47、视角布置和描述工厂，显示工厂的确切层级结构。可将工厂分为若干单元，并可查看各图表和过程画面与各单元之间的所属关系。在工厂视图中可分级布置自动化、操作员监控功能。图图 2.8 工厂视图工厂视图北京化工大学毕业设计（论文）23过程对象视图提供了过程对象的完整视图，显示工厂视图中各个对象的详细信息。当为大量对象分配相同的参数值，或者要为这些对象添加相同注释或进行相同互连时，此视图尤为适用。图图 2.9 过程视图过程视图在过程视图中更改树形图中的层级名称，让它适应你自己的工程项目，另外在组件视图中必须让 PC 站的名称跟电脑名称一致，否则不能进行操作。本电脑名叫SIMATIC。图图 2.10 命名命名

48、 PC 站站打开组件视图中的 HW Config 视图，进行组态。在新建工程项目时，已经进行了操作员站、CPU 型号等基本配置，因此在硬件结构窗口，会出现一个虚拟机架，由 WinCC Application 所代表的操作员站以及 CPU 均已安装在该机架上。北京化工大学毕业设计（论文）24可以看到，CPU 416-2 带有两个接口：DP 和 MPI/DP。通过 DP 接口，可使CPU 直接与远程 I/O 通讯，因此在硬件结构窗口中，从 DP 接口甩出一条代表PROFIBUS 总线的 PROFIBUS(1): DPmaster system (1)。图图 2.11 HW Config 视图视图2

49、.3.3 配置硬件结构配置硬件结构整个项目的硬件都需要按照要求的顺序安装在虚拟机架上。下面就来进行具体的操作。（1）WinCC Application 代表操作员站组态的内容，默认安装在虚拟机架的槽1。（2）将 CPU 416-2 PCI 从虚拟机架的槽 3 拖到槽 2，CPU 必须安装在虚拟机架第 2 个槽。北京化工大学毕业设计（论文）25图图 2.12 硬件结构硬件结构添加 PM-123 模块，该模块用于创建 I/O 点，用于 AS 站与现场仿真设备 SMPT-1000 连接。地址设置为 7。图图 2.13 PM125添加 I/O 通道。单击 PM-125，打开 Universal mod

50、ule 并设置属性使之变成AI/AO,DI/DO。图图 2.14 添加添加 I/O北京化工大学毕业设计（论文）26I/O 通道的地址，长度，类型等等，要让它们与现场设备的地址相对应，先后设置 DI,AI,DO,AO。注意：这里设置的地址段虽然不连续，但因为 PCS7 与 SMPT-1000 通讯时发送的字节是连续的，所以地址在 SMPT-1000 上是连续排列的，因此虽然本课题用不到DI/DO，但还是要准确的分配它们的地址和长度。DI 中的长度应改为 3。图图 2.15 DI 通道通道北京化工大学毕业设计（论文）27图图 2.16 AI 通道通道图图 2.17 DO 通道通道北京化工大学毕业设

51、计（论文）28图图 2.18 AO 通道通道图图 2.19 I/O 设置设置北京化工大学毕业设计（论文）29编辑地址所对应的的装置位号，包括锅炉各处的测点与调节阀的符号。下面是AI,AO 的设置。图图 2.20 AI 测点位号测点位号北京化工大学毕业设计（论文）30图图 2.21 AO 阀门位号阀门位号2.3.4 配置配置 SMPT-1000 的通信的通信若想 SMPT-1000 与 PCS7 通信成功，需要对 SMPT-1000 的 PM-125 模块进行系统设置，具体是设置 SMPT-1000 的数据发送机制以及定义发送字节数量。PM-125 模块利用输出地址首字节 QB0 取值的变化触发

52、数据发送机制；发送字节的数量在第二个字节 QB1 中定义。QB0 的数据每变化一次，会发送一批数据到 PM-125 模块。因此，可以使 QB0 的最低位 Q0.0 按照 0101变化，触发数据发送机制。具体实现方法有很多种，例如：输入地址的首字节 IB0 用于存放接收计数，因此其最低位 I0.0 的值是按照 0101变化的。可以在 CFC 中添加一个 DI 模块和一个 DO 模块，DI 模块的外部输入取地址 I0.0，DO 模块的外部输出取地址 Q0.0，DI 模块的输出端连接到 DO 模块的输入端。也可以在 SCL 中编写语句，令 Q0.0=I0.0。SMPT-1000 发送的字节数量为 3

53、0。具体实现方法也有很多种，例如：在Component View 的 Blocks 文件夹中添加变量表，在变量表中添加变量 QB1，将北京化工大学毕业设计（论文）31Modify value 修改为 B#16#1E，即十进制 30。也可以在 SCL 中编写语句，依次令Q1.0=0、Q1.1=1、Q1.2=1、Q1.3=1、Q1.4=1、Q1.5=0、Q1.6=0、Q1.7=0。在组件视图中打开 s7 program 中的 sources，插入 SCL 文件，进行编程。图图 2.22 SMPT-1000 通讯块通讯块第第 2.4 节节 CFC 组态组态2.4.1 CFC 模块模块CFC（连续功能

54、图，连续功能图，Continuous Function Chart）处理自动化和控制功能，工厂的整个过程是连续运转的，这些连续控制功能在 CFC 编辑器中以图形块的形式表示。在 CFC 编辑器中，可以使用具有特定功能的预置功能块。只需在创建的 CFC 中，将这些功能块放置在功能图中，互连功能块并分配参数即可。在 PCS7 的标准库里有许多回路模块，拖到界面内即可使用，通过模块伸出的不同功能的“管脚”来与外界连接。常用的模块有：CH_AI, CH_AO, CTRL_PID, RATIO 模块等。北京化工大学毕业设计（论文）32图图 2.23 模拟量输入模块模拟量输入模块图图 2.24 PID 模

55、块模块北京化工大学毕业设计（论文）33CTRL_PID 块是连续 PID 控制器，参数（输入/输出变量）比较多。在这里我们主要关注 PV-IN（模拟量实测值输入参数）和 LMN（控制器输出参数） 。CTRL_PID 块中常用的参数包括：SP_OP：控制器处在自动控制状态时，由操作员设置的 SP；PV_IN：被控变量实测值；LMN：控制器输出；GAIN：比例增益；TN：积分时间；TV：微分时间；AUT_ON_OP：手动/自动切换开关；MAN_OP：控制器处在手动控制状态时，由操作员设置的控制器输出；SP_TRK_ON：控制器处在手动控制状态时，SP 是否跟踪 PV 的切换开关；SPEXSEL_O

56、P：控制器处在自动控制状态时，SP 由内部给定还是外部给定的切换开关。2.4.2 CFC 参数修改及连接参数修改及连接修改拖入模块的名称，使之对应于工程中的符号。在每个模块中都有自身的 I/O点设置，有些参数要根据输入输出的类型修改，有些是要根据具体条件修改。图图 2.25 AI_MODE模拟量输入/输出模块的 MODE 必须要改成 16#80010203，这是 420mA 电信号的响应模式参数。另外要让输入模块的上下限与 SMPT-1000 的响应值的上下限完全相等，否则采取的信号会不正确。PID 模块一般来说要设定它的 PV, SP, 以及它们上下限的单位。另外有些常用值是默认隐形的，还要

57、让它们显示出来，例如：SP_OP, AUT_ON_OP, MAN_OP, SPEXSEL_OP 等，都是很有必要显示出来的。北京化工大学毕业设计（论文）34图图 2.26 PID 模块模块 I/O 项项一般模块与其他模块相连的管脚是 VALUE（模拟量）和 U（真实值） ，把输入模块连接到 PID 的 PV_IN 上，再用 LMN 输出到模拟量输出模块就可以搭建一个简单的单回路控制组态了。图图 2.27 CFC 模块与现场地址相连模块与现场地址相连北京化工大学毕业设计（论文）35图图 2.28 温度单回路组态温度单回路组态PID 模块的输出 LMN 要与自身的 LMNR_IN 连接起来，以得到

58、反馈效果。通过块之间的连接，形成了一个简单的 PID 单回路控制系统。热流出口温度实测值TI1104 通过 CH_AI 块采集到程序中，作为 PID 控制器的 PV。CTRL_PID 块基于位置式 PID 算式进行计算，控制器输出为参数 LMN。控制器输出对应冷水入口管线调节阀 FV1103 的开度，通过 CH_AO 块与 FV1103 关联。2.4.3 CFC 编译和下载编译和下载选择 Chart 中的 Compile 进行编译并 Download 下载。图图 2.29 CFC 编译编译北京化工大学毕业设计（论文）36图图 2.30 CFC 下载下载在编译下载完毕后，要进行测试之前还要使 C

59、PU 处于运行状态，把 CPU 打到RUN-P 状态可使测试状态下 CPU 正常运行，编译下载时停止并自动恢复。图图 2.31 CPU 运行模式运行模式北京化工大学毕业设计（论文）37第第 2.5 节节 OS 组态组态WinCC 是 SIMATIC PCS7 过程控制系统及其它西门子控制系统中的人机界面组件，用于在生产和过程自动化环境中实现可视化和过程控制任务。WinCC 提供适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板，具有良好的开放性和灵活性，便于实施用户的解决方案。WinCC 是编辑操作员站的软件平台。工厂操作员可在组态软件的运行模式下，在操作员站上操作并监视过程，为此必须给操作员

60、提供过程画面。自动化系统用于开环或闭环控制过程，而 OS 将从 AS 读取过程值并在过程画面中以图形的形式显示这些值。过程值波动到超过某个指定限值时，过程画面中还会立即显示警告和报警，这使得操作员可以确定工厂中出现问题的位置。2.5.1 编译编译 OS在 SIMATIC 管理器中组态完所有数据后，要在 WinCC 项目管理器中开始组态OS 数据前，必须首先编译 OS。使 OS 知道所有来自 SIMATIC 管理器的数据，例如参数、消息和文本以及硬件和连接组态。在 SIMATIC 管理器中，打开组件视图。在树形视图中选择要编译的 OS，鼠标右键单击打开快捷菜单，选择【Compile】命令，将打开