锅炉控制系统的组态设计

1、.济南铁道职业技术学院电气工程系毕业设计指导书课题名称 ：锅炉控制系统的组态设计专业电气自动化班级电气 0831姓名cmy设计日期2011.1至2011.3指导教师ly2010、11.济南铁道职业技术学院电气工程系毕业设计指导书2010、11一、设计课题 :锅炉控制系统的组态设计锅炉设备是工业生产中典型的控制对象，而组态控制技术是当今自动化系统应用广泛的技术之一。本课题采用组态王 6.5 组态软件设计上位机监控画面，实时监控液位参数， 并采用实时趋势曲线显示液位的实时变化。 由此组成一个简单的液位控制系统。二、设计目的：通过本课题的设计，培养学生利用组态软件、PLC设计控制系统的能力，理解、掌

2、握工业中最常用的PID 控制算法， 有利于进一步加深 自动控制原理、组态软件和过程控制等课程的理解，为今后工作打好基础。三、设计内容：掌握锅炉生产工艺，实现锅炉自动控制的手段，利用“组态王6.5”软件做出上位机监控程序，具体有主监控画面、实时曲线、历史曲线；掌握PID 参数调整方法。四、设计要求及方法步骤：1设计要求：（1）监控系统要有主监控画面和各分系统的控制画面，包括实时曲线、历.史曲线和报表等。（2）各控制画面要有手 / 自动切换。（3）掌握 PID 控制算法。2 运用的相关知识（1） 组态控制技术。（2） 过程控制技术。3 设计步骤：（1）熟悉、掌握锅炉的生产工艺。（2）设计各分系统的

3、控制方案。（3）构思系统主监控画面和分画面，包括实时曲线、历史曲线和报表等。（4）编写设计论文。五、设计时间的安排：熟悉题目、准备资料1 周锅炉控制系统的工艺了解1 周监控画面的设计2 周控制算法的编制和系统调试3 周论文的编写2 周准备毕业设计答辩1 周六、成绩的考核在规定时间内，学生完成全部的设计工作，包括相关资料的整理，然后提交给指导教师， 指导教师审阅学生设计的全部资料并初步通过后，学生方可进入毕业答辩环节，若不符合设计要求，指导教师有权要求学生重做。答辩时，设计者首先对自己的设计进行10 分钟左右的讲解，然后进行答辩，时间一般为 30 分钟。成绩根据学生平时的理论基础、设计水平、论文

4、质量和答辩的情况综合考虑而定。成绩按优秀、良好、中、及格、不及格五个等级进行评定。.济南铁道职业技术学院毕业设计（论文）任务书班 级学生姓名指导教师设计（论文）题目锅炉控制系统的组态设计锅炉设备是工业生产中典型的控制对象，本课题要求学生首先掌握锅炉主要系统的生产工艺， 了解影响各个参数的因素，掌握控制系统的硬件配置、软研究内容件设计要点，掌握各个控制系统的设计方法、PID 调节参数的方法。1、查阅资料，真正掌握锅炉生产的工艺和各单元系统的控制要求，主要技及参数要求。术指标2、能利用组态王软件制作出监控画面，掌握“组态王6.50”的PID 控或研究目标件的用法。(1) 掌握锅炉设备的生产工艺要求

5、；（ 2）了解利用“组态王 6.5 软件”设计系统的一般步骤；（ 3）掌握控制各分系统的实现手段；基本要求（ 4）应用“组态王”软件设计出监控软件；（ 5）掌握 PID 参数调整的方法。.1过程控制金以慧等清华大学出版社。2 AE2000A 系统说明书 。主要参考资料3组态控制技术袁秀英编电子工业出版社。及文献4电站锅炉安全优化运行及标准规程应用手册陆青云科大电子出版社。目录摘要 .2第一章 组态技术简介 .31.1组态技术概述 .31.2组态软件概述 .3第二章锅炉简介 .42.1锅炉工艺流程 .42.2锅炉设备的控制 .52.2.1锅炉汽包水位的控制 .52.2.2锅炉燃烧系统的控制 .7

6、2.2.3锅炉过热蒸汽温度的控制 .7第三章锅炉控制系统的设计.93.1系统硬件配置 .93.2监控系统的软件设计及实现 .10.设备定义10变量的定义11各控制画面的设计12应用程序语言的设计13结束语14第四章总结15致谢16参考文献17.摘要为提高控制系统的性能 ,使显示与控制在同一台工控机上实现,获得简单、经济的锅炉控制系统 .自动控制系统硬件采用通用的工控机,同时配备必要的基本板卡 ;软件系统选用国产的组态王软件 ,利用其自带的命令语言 ,使用先进的控制算法实现了 PID控制功能 ,使锅炉控制系统运行状态稳定 .结果控制系统可靠性较高 ,成本较低 ,便于维护 ,兼容性好 ,运行效果良

7、好 .该系统对建立小型的锅炉控制系统,特别是对旧系统的改造 ,具有很强的适用性 ,性能可靠且可大大降低成本.本文主要介绍锅炉过程控制、 组态王软件及其基于组态王开发的锅炉监控系统。详述该系统的硬件组成、控制方法、组态过程、组态软件的运行环境。该系统具有界面友好、参数在线整定方便、扩展性强等优点。.关键词 : 锅炉 组态王自动控制系统.第一章组态技术简介1.1 组态技术概述组态技术是一种计算机控制技术。利用组态控制技术构成的计算机测控系统与一般计算机测控技术在结构上没有本质区别，它们都是由被控对象、传感器、I/O接口、计算机和执行机构几部分组成，如图1.1所示。图 1.1 一般计算机控制系统的结

8、构组成计算机控制系统按照设计方法的不同分为以单片机为核心的计算机测控系统、以 plc(可编程控制器 )为核心的计算机测控系统和以IPC（工业 PC 机或称工业控制计算机） 核心的计算机测控系统。 利用组态技术构成的计算机控制系统是在以上三者特别是以IPC 为核心的系统的基础上发展起来的。组态（ Configuration ）的意思就是模块的任意组合。 采用组态技术构成的计算机系统在硬件设计上，除采用工业 pc 机外，系统大量采用各种成熟通用的 I/O 接口设备和现场设备， 基本不再需要单独进行具体电路设计。 这不仅节约了硬件开发时间，更提高了工控系统的可靠性。 在软件设计上由于采用成熟的工控专

9、用软件进行系统设计，软件周期大大缩短了。 组态软件实际上是一个专为工控开发的工具.软件。它为用户提供了多种通用工具模块，用户不需要掌握太多的编程技术，就能很好地完成一个复杂工程所需要的所有功能。一般来说，只要采用IPC，选择通用接口部件和组态软件，这样构成的系统都是基于组态控制系统的。 国内外许多自动化设备生产厂家生产了许多基于这种技术的 DCS 计算机系统，如德国西门子公司、日本三菱、台湾研华、中国时利和等。这些系统提供各种工业PC 机、 I/O 板卡、模块和专门针对自己系统的组态软件，供自动化系统设计人员组态选择。与各系统专用组态软件相对的是各种通用组态软件，常用的国产通用组态软件有微控可

10、视组态、MCGS、 Kingview（组态王）等。组态技术是计算机控制技术综合发展的结果，是技术成熟化的标志。由于组态技术的介入，计算机控制系统的应用速度大大加快了。1.2 组态软件概述组态软件是在工业自动化领域兴起的一种新型的软件开发工具，开发人员通常不需要编制具体的指令和代码，只要利用组态软件包中的工具，通过硬件组态（硬件配置）、数据组态、图形图像组态等工作即可完成所需应用软件的开发工作。在过程控制实验装置中，要实现锅炉液位控制，以往采用仪表作为调节器，该仪表通过仪表面板的按键来改变参数值，没有实时数据输出曲线， 故参数调节不方便，且系统的控制精度低。 为了改变这种状况， 利用组态王软件开

11、发了锅炉液位监控系统， 采用计算机采集、 处理数据。根据组态王的锅炉液位实时曲线输出，用滑动输入块改变参数的值，使系统输出稳定到设定值， 从而提高了工作效率。组态王软件是一套基于Windows95/98/NT/XP操作系统，可用来快速生成上.位机监控系统的组态软件包，它能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、流程控制、动画显示、报警和安全机制、趋势曲线、报表输出等功能，是帮助用户解决工程实际问题的完整方案和操作工具。该软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC+ 编程，提供丰富的设备驱动构件、动画构件，用户可随时方便地扩充系统的功能。组态王软件系统包括开发环境和运行环境两大部分，用户所有

12、的组态配置过程都是在组态环境中进行的。运行系统按照开发环境中的组态方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。目前，组态王软件已经在石油、化工、电力等多种工程领域获得成功的应用。第二章锅炉简介锅炉是石油化工、 发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。它所产生的蒸汽不仅能够为工业生产的蒸馏、干燥、蒸发、化学反应等过程提供热源，而且还可以为压缩机、 泵、涡轮机等提供动力源。 锅炉是应用广泛的工业和民用设备，我国目前运行的多数锅炉由于控制水平不高，其效率普遍低于国家标准，大多数锅炉仍处于能耗高、 环境污染严重的生产状态， 每年因为热效率低而多消耗的标准煤近 2000 万吨。传统的手工仪表监控

13、系统已不适应节能降耗的要求，当今大多数企业采用自动控制系统实现对锅炉的控制。2.1 锅炉工艺流程.锅炉的种类很多，按所用燃料分类，有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、燃气锅炉，还有利用残渣、残油等为燃料的锅炉。所有这些锅炉，虽然其燃料种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。常见的锅炉设备主要工艺流程如图2.1 所示：图 2.1 锅炉设备主要工艺流程图由图可知，燃料和热空气按一定比例进入燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，生成饱和蒸汽Ds。然后经过热器，形成一定的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为 Pm 的过热蒸汽，经负荷设备控制阀供给生产负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生

14、的烟气， 除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外，还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。.锅炉设备是重要的动力设备， 对其要求是提供合格的蒸汽， 使锅炉产汽量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须加以严格控制。2.2 锅炉设备的控制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， 水位过低或过高， 都会给锅炉及蒸汽用户的安全操作带来不利的影响。如果水位过低，则因汽包内的水量加速减少，水位迅速下降，如果不及时控制，会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉的水冷壁烧坏，甚至引起爆炸；水位过高会影响汽包内的汽水分离，产生

15、蒸汽带液现象， 会使过热器管壁结垢而损坏。由此可见，水位过低或过高时所产生的后果都是极为严重的，所以汽包水位操作的平稳显得尤为重要，必须严加控制。图 2.1 三冲量控制方案系统框图.采用三冲量调节， 即根据给水流量、 汽包液位和蒸汽流量调节主给水阀，保证锅炉汽包水位的稳定，是前馈反馈串级调节回路，如图2.1：锅炉给水系统中，由锅炉提供两个给水调节阀，其中DN150 调节阀是主调节阀，在正常负荷和高负荷运行时使用；旁通管设一个DN100 的调节阀，在低负荷时使用，同时也作为主调节阀的备用阀。在自动给水状态下，只允许其中之一自动调节给水，此时，另一调节阀可画面手动给水;在程序投入之前，操作人员需要

16、事先选定哪一个调节阀自动投入。如果此次未能设定，将按照上一次的设定执行。图 2.2 汽包水位控制系统的结构图、其中：SP 汽包液位设定点PID1 汽包液位调节，为主调，反作用PID2 给水量调节，为副调PV1 汽包液位测量值PV2 给水流量测量值 加法器，其公式如下：X0 X22×（ X150%）.X0 输出X1 汽包液位调节的输出X2 蒸汽流量信号将液位进行 PID1 调节后输出，和蒸汽流量进行加法运算，其结果作为PID2的设定点， PID2 将此设定点与给水流量的偏差进行调节，输出带动执行机构，调节给水阀。汽包液位是主被调量，给水量是副被调量，蒸汽流量是前馈量。当汽包液位上升时，

17、 PID1 的输出减小，则加法器的输出也减小，给水阀关小，就减小了给水量。当汽包负荷变大时，即蒸汽流量增加，加法器的输出就增大，给水阀开大，就增大了给水量。当蒸汽负荷突然增加，而出现“假液位 ” 时，由于PID1 是反作用， PID1 的输出就减小，即加法器里的X1 就减小；由于负荷增加，加法器里的 X2 就增加，这样，加法器的输出基本变化不大。经过短时间后汽包内压力恢复平衡， “假液位 ” 消除，此时液位因蒸发量增加而开始下降，PID1的输出就增加，则给水量增加，直至汽包液位恢复到给定位置。锅炉燃烧系统的控制锅炉燃烧系统的控制与燃料种类、燃烧设备及锅炉的型式等有密切关系。燃烧过程自动控制的任

18、务很多，其基本要求有三个：保证出口蒸汽压力稳定，能按负荷要求自动增、减燃料量；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。 保持炉膛一定的负压， 以免负压太小， 甚至.为正，造成炉膛内的烟气往外冒出，影响设备和工作人员的安全；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。锅炉过热蒸汽温度的控制锅炉过热蒸汽温度调节采用自制冷凝水喷水减温装置，锅炉过热蒸汽温度自动调节是根据集器集箱和减温器出口蒸汽温度自动调节减温水调节阀开度， 控制减温水量，以保 证集汽集箱中蒸汽温度控制在430 450 范围内。当集汽集箱出口蒸汽温度降低时，

19、汽温自动调节系统自动减少减温水量，随着汽温升高，减温水量增加，保证集汽集箱出口蒸汽温度稳定，反之则减小减温水量，避免汽温产生较大波动。喷水减温系统中，由锅炉提供两个给水调节阀，其中DN50 调节阀是主调节阀，在正常运行时使用；旁通管设一个DN50 的调节阀，作为主调节阀的备用阀。在自动给水状态下，只允许其中之一自动调节给水，另一调节阀备用；在程序投入之前，操作人员需要事先选定哪一个调节阀自动投入。如果此次未能设定，将按照上一次的设定执行。在主给水调节阀后设 DN150 的调节阀，根据所需要的冷凝水量调节该调节阀的开度。采用串级调节，蒸汽出口温度经PID1 调节输出后，作为PID2（减温器出口温

20、度调节）的设定点，PID2 对此设定点和减温器出口温度的偏差进行调节，输出带动执行机构，调节减温水调节阀。当测得集汽集箱出口蒸汽温度高时，PID1 的输出增大，则减温水调节阀开大，增加减温水量；反之，则减小阀门开度，减少减温水量。当有扰动时（主要扰动有烟气流量和温度的变化引起的扰动，减.温器入口蒸汽流量和温度引起的扰动，减温水压力变化引起的扰动）首先反映在减温器出口的蒸汽温度变化，温度一高，则要求增加减温水量，调节就比较迅速，而对集汽集箱出口的蒸汽温度的影响就比较小，提高了调节品质。框图如下：图 2.3 过热蒸汽温度自动调节控制系统的结构.第三章锅炉控制系统的设计3.1 系统硬件配置如图 3.

21、1.图 3.1 工业锅炉硬件配置图计算机对采样数据进行处理，根据控制算法，用计算机输出的控制量控制电动调节阀的位置来改变锅炉的进水流量，从而实现锅炉液位实时监控。锅炉的给水、出水流量的测量采用LDG-S 型电磁流量计和LDZ-4B 型电磁流量转换器配套使用，将流量信号转化为4-20mA 的电流信号；将锅炉的液位、管道进水的压力通过PK2AAAA 型压力变送器转化为4-20mA 的电流信号； 同时QSVP-64K 型电动调节阀反馈回阀位置的4-20mA 电流信号，这些信号经过程控制实验台上的精密电阻（250）转换为 1-5V 电压信号后传给 A/D 采集卡。（ 1） 系统硬件配置如图所示，控制器

22、采用研华 IPC-610（ 2） A/D 卡采用研华 PCL-813 多功能数据采集卡， 主要性能指标如下. 32 路光电隔离输入通道，12 位 AD 12 位 A/D 分辨率最高达 25kS/s 的采样率 32 通道单端输入 超过 5000VDC 隔离保护 双极性或单极性模拟输入范围 可编程的增益设置： ×0.5，×1，×2， ×4， ×8 输入范围 :±5V、 ±2.5V、±1.25V、±0.625V0-10V 、0-5V 、0-2.5V 、0-1.25V（ 3） D/A 卡采用中 PC-6323 光

23、电隔离型输出接口卡， 主要性能指标如下: 输出通道数： 8 路 (互相独立，可同时或分别输出 )输出信号范围：电压方式：0 5V；15V；010V；±2.5V；±5V； 电流方式： 010mA ；420mA输出阻抗：2 (电压方式 )使用环境要求：工作温度： 10 40相对湿度： 40 80RH存贮温度： 55 853.2 监控系统的软件设计及实现设备的定义根据此系统的硬件配置，需要定义两个I/O设备 : 一个是研华的PCL.813,另一个是中泰的PC.6323，设备构件组态是连接和驱动外部设备的工作环境。在通道连接窗口中， 将 A/D ，D/A 通道和实时数据库中的数据对

24、.象对应连结起来。如图所示。图 3.2 配置研华板卡设备.图 3.3 配置中泰板卡设备变量的定义实时数据库组态是工程各个部分数据交换与处理中心，它将组态王工程的各个部分连成有机的整体。按照系统设计的实际需要，在组态王的“变量字典”中对系统所创建的数据对象的基本属性、存盘属性、报警属性进行定义和设置。主要变量的定义如表变量名称连接设备变量类型炉膛出口温度abc101内存实型炉膛出口压力Jkl101内存实型出水压力Abc102内存实型.出口水温Jkl102内存实型煤层厚度Abc103内存实型补水箱水位Jkl100内存实型引风门开度Jkl101内存实型循环泵水压控Abc102内存实型制输出鼓风门开度

25、Abc108内存实型引风控制输出Abc107内存实型给煤控制输出Jkl104内存实型鼓风控制输出Abc106内存实型程控启炉指令Jkl105内存离散引风启动Abc103内存离散给煤机启动Jkl104内存离散鼓风启动I/O 整型煤状态I/O 整型电机状态内存离散流水I/O 整型送煤车I/O 整型PID 偏差前值内存实型增量 PID 输出Stop内存实型值PID 积分系数内存实型.PID 比例系数内存实型PID 微分系数内存实型PID 偏差内存实型排渣机启动I/O 整型出水压力给定内存实型炉膛出口压力内存实型给定鼓风风量给定内存实型炉温给定内存实型出口水温给定内存实型炉温回路切换内存离散指令炉压回

26、路 P内存实型炉压回路 I内存实型炉压回路 D内存实型各控制画面的设计利用组态王提供的图库和画面工具，在一个画面上像搭积木一样搭建出一幅图画，利用数据链接把画面上的对象与其对应的数据变量联系起来，采用一定的命令语言实现动画，让画面动起来。报警窗口画面记录着系统运行中的各种报警事件，报警时的状态值，及报警处理，并可根据事件的轻重缓急设定优.先级及报警阀值，分实时报警和历史报警，这些均在数据变量的属性中进行设定，形成电子表格文档以日期为文件名记录在硬盘上。历史曲线画面包括实时曲线和历史趋势曲线， 并可根据需要随时打印，做出趋势图后，只需进行数据连接，让参数变化反应到趋势图上。控制参数窗口画面提供给

27、用户修改控制参数的窗口， 通过组态王的命令语言实现PID 控制。图 3.4 系统主控制画面.图 3.5 实时趋势曲线.图 3.6 历史趋势曲线图图 3.7 报警窗口应用程序语言的设计PID 偏差 = 炉膛出口压力给定 - 炉膛出口压力 ;PID 偏差前值 = 炉压回路偏差前值 ;PID 偏差前前值 = 炉压回路偏差前前值 ;PID 比例系数 = 炉压回路 P;PID 积分系数 = 炉压回路 I;PID 微分系数 = 炉压回路 D;增量 PID 输出值 .Comment="start"引风控制输出 = 引风控制输出 + 增量 PID 输出值*3;.炉膛出口压力 = 炉膛出口压

28、力给定 ;炉压回路偏差前前值 =PID 偏差前值 ;炉压回路偏差前值 =PID 偏差 ;PID 偏差 = 出水压力给定 - 出水压力 ;PID 偏差前值 = 循环水压回路偏差前值 ;PID 偏差前前值 = 循环水压回路偏差前前值;PID 比例系数 = 循环水压回路 P;PID 积分系数 = 循环水压回路 I;PID 微分系数 = 循环水压回路 D;增量 PID 输出值 .Comment="start"循环泵水压控制输出 = 循环泵水压控制输出 + 增量 PID 输出值 *3;出水压力 =2.5*(循环泵水压控制输出 -4)/16;循环水压回路偏差前前值=PID 偏差前值 ;

29、循环水压回路偏差前值 =PID 偏差 ;if(炉温回路切换指令 =1)PID 偏差 = 炉温给定 - 炉膛出口温度 ;PID 偏差前值 = 炉温给煤回路偏差前值 ;PID 偏差前前值 = 炉温给煤回路偏差前前值;PID 比例系数 = 给煤回路 P;.PID 积分系数 = 给煤回路 I;PID 微分系数 = 给煤回路 D;增量 PID 输出值 .Comment="start"给煤控制输出 = 给煤控制输出 + 增量 PID 输出值 ;炉温给煤回路偏差前前值=PID 偏差前值 ;炉温给煤回路偏差前值 =PID 偏差 ;elsePID 偏差 = 出口水温给定 - 出口水温 ;PI

30、D 偏差前值 = 水温给煤回路偏差前值 ;PID 偏差前前值 = 水温给煤回路偏差前前值;PID 比例系数 = 给煤回路 P;PID 积分系数 = 给煤回路 I;PID 微分系数 = 给煤回路 D;增量 PID 输出值 .Comment="start"给煤控制输出 = 给煤控制输出 + 增量 PID 输出值 ;水温给煤回路偏差前前值=PID 偏差前值 ;水温给煤回路偏差前值 =PID 偏差 ;结束语.组态王的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。用户通过运行环境实现对工程的控制。 运行环境本身没有任何意义， 必须与组态结果数据库作为一个整体，构成用户应用系统。 一旦组态工作完成后， 运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在计算机上，此后即可在运行环境中， 对系统进行运行调试。组态王软件以其优异的特性在锅炉液位监控系统中获得了成功的应用，实现了实时数据浏览、 实时和历史数据趋势显示等功能，达到了预期的对实验装置的改造目的。相对原有的仪表调节器，该监控系统具有结构简单、成本低、性能稳定等优点，同时可方便地通过硬、软件的扩充，实现锅炉的温度、流量等控制，即扩展性强。该监控系统对提高工业锅炉房的微机化自动控制，具有一定的参考价值，值得推广和应用。该监控系统经过半年多的