基于sm西門子CS的鍋爐綜合過程控制

1、基于西門子 PCS7 的鍋爐綜合過程控制摘要鍋爐是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，在我國的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有著重要的地位，電力、機(jī)械、化工、冶金、紡織、食品、造紙等行業(yè) , 以及工業(yè)和民用采暖都有著鍋爐的身影。以工業(yè)上最常見的自然循環(huán)鍋爐作為被控對象，根據(jù)鍋爐的主要控制參數(shù)，成分，溫度，壓力，流量，液位，區(qū)分來說就是鍋爐的產(chǎn)汽量，過熱蒸汽出口溫度以及壓力，燃料量，汽包水位，煙氣含氧量，風(fēng)量，爐膛負(fù)壓等等，并分析其工藝流程和動態(tài)特性的，結(jié)合安全、穩(wěn)定等控制要求設(shè)計(jì)出了鍋爐系統(tǒng)的總體控制方案。采用 SMPT-1000 仿真過程控制設(shè)備，根據(jù)控制方案三個(gè)層次的要求：生產(chǎn)要求，安全要求和優(yōu)化要求以及鍋爐的詳細(xì)控制參

2、數(shù)，設(shè)計(jì)工程有前饋-串級控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，前饋-反饋控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)，并使用西門子集散控制系統(tǒng)DCS 中 PCS7 軟件編程，編程順序有 OS 組態(tài)，AS 組態(tài)，組態(tài)下載，CFC 連續(xù)功能圖與 SFC 順序功能圖的編譯與下載， WINCC 的在線監(jiān)控以達(dá)到優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。關(guān)鍵詞：PCS7；SMPT-1000；過程控制；鍋爐 Integrated process control of boiler based on Siemens PCS7 simulation AbstractAbstract Boiler is a kind of energy co

3、nversion 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 circula

4、tion 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

5、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 t

6、he 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 contro

7、l 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 cha

8、rt, compile and download, WinCC online monitoring to achieve to optimal control system is designed.KeyKey wordswords：PCS7; SMPT-1000; process control; boiler目 錄摘要 .IABSTABSTR RACTACT .II1 緒論 .12 仿真設(shè)備與軟件的介紹 .42.1 SMPT-1000 仿真設(shè)備 .42.1.1 SMPT-1000 硬件組成 .42.1.2 SMPT-1000 軟件系統(tǒng) .52.2 西門子 PCS7 系統(tǒng) .63 鍋爐控制方

9、案的設(shè)計(jì).113.1 仿真鍋爐的設(shè)計(jì)原則.113.2 仿真鍋爐的工藝流程.123.3 分析并設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方案.134 鍋爐系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn).164.1 控制方案的硬件組態(tài).164.1.1 AS 硬件組態(tài).164.1.2 編輯硬件變量表.174.1.3 OS 站組態(tài).184.1.4 網(wǎng)絡(luò)連接組態(tài)與下載.194.2 控制方案的軟件編輯.204.2.1 CFC 連續(xù)功能圖組態(tài).224.2.2 SFC 順序流程圖組態(tài) .274.2.3 WINCC 組態(tài) .285 鍋爐系統(tǒng)方案的運(yùn)行與參數(shù)的整定.315.1 系統(tǒng)方案的運(yùn)行 .315.2 PID 參數(shù)的整定 .32結(jié) 論 .1致 .2參考文獻(xiàn).31 緒論鍋爐

10、作為工業(yè)過程中的大型動力設(shè)備，不僅在電力化工領(lǐng)域有著廣泛運(yùn)用，同時(shí)又能產(chǎn)出巨大熱能，即分裂精餾原油也能干燥氣體，所以鍋爐在工業(yè)領(lǐng)域中也有著舉足輕重的地位。能應(yīng)用于加熱水使其轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝腻仩t稱為蒸汽式鍋爐,也稱之為蒸汽發(fā)生器;能應(yīng)用于加熱水使其提高溫度轉(zhuǎn)變?yōu)闊崴仩t,稱為熱水式鍋爐，而應(yīng)用于加熱有機(jī)熱載體的鍋爐又稱為有機(jī)熱載體式鍋爐。從能源利用的角度來看,鍋爐是種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，在鍋爐中,一次性能源(燃料)的化學(xué)貯藏通過燃燒過程轉(zhuǎn)化成為燃燒產(chǎn)物(煙氣和灰渣)將所載有的熱能,又通過傳熱過程使熱量傳遞給中間的載熱體(例如水或蒸汽),然后依靠它將熱量送到用熱設(shè)備中去。這種傳輸熱量的中間的載熱體已經(jīng)屬于二

11、次能源,因?yàn)樗挠猛臼窍蛴媚艿脑O(shè)備提供能量。當(dāng)中間載熱體應(yīng)用于熱機(jī)中進(jìn)行熱與功轉(zhuǎn)換時(shí),就叫做為“工質(zhì)” 。如果中間的載熱體只是給熱設(shè)備傳輸并且提供熱量以進(jìn)行熱利用的話,那么通常被稱為“熱媒” 。鍋爐也能按其用途分為電站鍋爐、船舶鍋爐、工業(yè)鍋爐和機(jī)車鍋爐等四類。前兩類稱為固定式鍋爐,那是因?yàn)榘惭b在固定基礎(chǔ)上并且不可移動的。后兩類便稱為移動式鍋爐。當(dāng)今社會發(fā)展的迅速，特別是工業(yè)領(lǐng)域規(guī)模的不斷壯大，我們也對能源需求越來越急切。同時(shí)我們現(xiàn)在的環(huán)境也要求鍋爐控制的安全和環(huán)保，然而鍋爐的工作環(huán)境卻是高壓高二氧化碳排放高溫，怎么安全、有效和環(huán)保的控制使用鍋爐已然成為工業(yè)領(lǐng)域上重要的課題。鍋爐按照結(jié)構(gòu)、燃料性

12、質(zhì)、容量大小、壓力大小、用途和能源類型，亦可分為不同類型，鍋爐工藝需求據(jù)鍋爐類型不同也是多種多樣，相應(yīng)的控制方案也大不同。伴隨著工業(yè)自動化水平的步步提高，我國的石油化工等大型企業(yè)對工業(yè)鍋爐的控制要求也加強(qiáng)了。在許多工業(yè)過程的使用中，鍋爐中存在許多缺點(diǎn)，如耗能大，氣壓不穩(wěn)，熱效低等等。鍋爐的控制包含了多個(gè)控制回路，例如壓力控制回路，燃燒控制回路，液位控制回路，安全聯(lián)防及溫度控制回路等等，其中燃燒的過程是多輸入多輸出非線性的過程，而溫度系統(tǒng)具有較大的慣性以及滯后性。所以，鍋爐過程總體上來說是一個(gè)非線性時(shí)變的動態(tài)過程。目前，在國際工業(yè)控制領(lǐng)域圍，復(fù)雜的系統(tǒng)控制，除去了采用經(jīng)典 PID 控制，還有采用

13、模糊的控制理論來設(shè)計(jì)先進(jìn)的控制方案。模糊控制方案都具有靈活多變性，且與自適應(yīng)的控制理論互相結(jié)合，能消除模糊控制帶來的穩(wěn)態(tài)偏差，并且這種控制方案已然成功的應(yīng)用到許多先進(jìn)復(fù)雜系統(tǒng)中去。模糊控制第一步先通過對系統(tǒng)被調(diào)量采樣得出的實(shí)際信號量：然后將這些實(shí)際信號量通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到模擬量；通過查表得出模糊決策；最后，根據(jù)模糊決策，得到控制信號，并將其送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制調(diào)節(jié)。模糊控制的控制效果是否精確，取決于決策表的編制是否合理。決策表總結(jié)了專業(yè)人員的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)及思維模式，使得系統(tǒng)更適合控制要求。如今，自控技術(shù)已成為鍋爐控制不可或缺的一部分，它是提高鍋爐整體性能，保持其高效環(huán)保運(yùn)行的重要技術(shù)。但是，鍋爐設(shè)備

14、具有非線性、時(shí)變特性，同時(shí)，主流控制技術(shù)存在多種缺陷，比如滯后性和慣性。這些因素導(dǎo)致鍋爐系統(tǒng)，在當(dāng)前時(shí)期仍不能實(shí)現(xiàn)全自動化控制。現(xiàn)在，PLC 的各方面都有飛躍地發(fā)展，比如，模擬、仿真、高等運(yùn)算算法及通訊網(wǎng)絡(luò)方面，并逐漸適應(yīng)國石油化工、輕工業(yè)、汽車制造業(yè)、機(jī)械制造業(yè)及精細(xì)加工等領(lǐng)域均有較好的應(yīng)用。介于 PLC 儀表工控功能逐漸提高，對電池要求較 DCS 低，用于回路控制有較好的效果，并有自動，半自動，手動等操作，PLC 在某些領(lǐng)域逐漸替代了獨(dú)占鰲頭的集成控制 DCS，比如，在化工領(lǐng)域鍋爐控制上，PLC 就有就好的應(yīng)用效果。PLC 不僅具有傳統(tǒng)的 PID 控制模塊，還結(jié)合計(jì)算機(jī)高級運(yùn)算算法進(jìn)行智能

15、控制，比如，模糊控制、神經(jīng)系統(tǒng)控制、及其他先進(jìn)控制。在燃燒系統(tǒng)上，利用模糊控制原理，采用模擬信號，采集爐溫，建立控制查詢表，根據(jù)溫度偏差輸出變頻器變化信號， 有效控制爐溫。神經(jīng)系統(tǒng)在這一方面也有應(yīng)用，將 PID 的參數(shù)設(shè)為 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出，調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) W 值，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自我學(xué)習(xí)的功能，精確調(diào)整控制參數(shù)，達(dá)到控制效果。自適應(yīng)控制在爐溫控制上，也取得較好的成果。首先建立控制系統(tǒng)數(shù)字模型，再結(jié)合自適應(yīng) PID 控制算法，得出控制結(jié)論，精確穩(wěn)定控制爐溫。針對鍋爐是 1 個(gè)多輸入和多輸出的系統(tǒng)，具有非線性、強(qiáng)耦合、大滯后等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)在分析其工藝流程和動態(tài)特性的，結(jié)合安全、穩(wěn)定等控制要求基礎(chǔ)上，綜合

16、考慮節(jié)能減排的要求，提出了鍋爐系統(tǒng)的綜合自動控制方案，包括: 汽包水位控制系統(tǒng)、燃料流量控制系統(tǒng)、煙氣氧含量控制系統(tǒng)、爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)、過熱蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)、過熱蒸汽出口溫度控制系統(tǒng)、過熱蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)、過熱蒸汽出口流量控制系統(tǒng)等 7 個(gè)部分。并采用版本為 V8.0 up1 的 PCS7 過程控制系統(tǒng)和高級多功能實(shí)訓(xùn)過程控制系統(tǒng)(SMPT1000)的鍋爐單元實(shí)施已經(jīng)設(shè)計(jì)好的控制方案，由 PCS7 中提供的連續(xù)功能圖 CFC 與順序功能圖 SFC 實(shí)現(xiàn)該方案從冷態(tài)開車到最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)整個(gè)過程，并用 wincc 實(shí)施在線監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該鍋爐系統(tǒng)控制方案能夠保證整個(gè)開車過程的平穩(wěn)運(yùn)行，

17、不僅滿足了控制要求，還具有一定的抗干擾性。2 仿真設(shè)備與軟件的介紹2.1 SMPT-1000 仿真設(shè)備在本次課題設(shè)計(jì)中，所用到的是仿真設(shè)備是 Super Multifunction Process Control Training System 即 SMTP-1000，它是最新一代的高級多功能過程控制綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，一個(gè)包括多種工業(yè)生產(chǎn)工藝的一套仿真系統(tǒng)，有鍋爐和蒸發(fā)器組成的水汽熱能全流程，可拆分為以下六種生產(chǎn)工藝過程：設(shè)備級和單員級工藝流程 1. 非線性液位與離心泵系統(tǒng)工藝流程 2. 動力除氧系統(tǒng)工藝流程 3. 高階換熱系統(tǒng)工藝流程 4. 加熱爐工藝流程水汽熱能全流程工藝 1. 鍋爐系統(tǒng)工藝流

18、程 2. 蒸發(fā)器工藝流程2.1.1 SMPT-1000 硬件組成SMPT-1000 運(yùn)用高精度動態(tài)仿真技術(shù),將實(shí)際工業(yè)裝置的各種對象特性用數(shù)字化手段完整地在小型化半實(shí)物實(shí)驗(yàn)裝置上得到再現(xiàn)。由于實(shí)驗(yàn)對象特性與工業(yè)裝置完全一致,多種信號與通信方式、數(shù)十個(gè)檢測點(diǎn)與十多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可自由地設(shè)計(jì)、探索各種控制算法與方案,更加真實(shí)地模擬了實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場的操作場景。1. 流程設(shè)備盤臺：SMPT-1000 由小型流程設(shè)備操作臺、數(shù)字式軟儀表與接口硬件、系統(tǒng)監(jiān)控軟件和過程模型軟件 4 部分組成。這 4 部分通過小型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)字通信協(xié)調(diào)運(yùn)行,完成復(fù)雜的半實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)。SMPT-1000 采用空間立體分布設(shè)計(jì),

19、所有變送器、執(zhí)行器均分布在實(shí)際位置,具有很強(qiáng)的工業(yè)感。調(diào)節(jié)閥管路設(shè)計(jì)符合工業(yè)現(xiàn)場,安裝了前、后閥和旁路閥,可以模擬調(diào)節(jié)閥故障,調(diào)節(jié)閥特性可以在快開、線性、等百分比、拋物線 4 種特性中任何選擇。本系統(tǒng)采用動態(tài)定量數(shù)學(xué)模型模擬真實(shí)工藝流程,并提供各變量的當(dāng)前值。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是每個(gè)反應(yīng)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)均可以改變,以便模擬各類真實(shí)的工況場景。為滿足設(shè)計(jì)、組合多種多樣的控制方案,以及獲取被控參數(shù)曲線等需求,系統(tǒng)還自行開發(fā)了專用的 VC+ +控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件。2. 控制方式：SMPT-1000 可以通過 AI/AO、DI/DO、Profibus、OPC 與各種 PLC、DCS 或工業(yè)控

20、制計(jì)算機(jī)等控制器相連,同時(shí)配備有操作與聯(lián)鎖停車控制臺。與西門子的 PCS7可以組成現(xiàn)場站、控制站、操作站三級完整的工業(yè)控制環(huán)境。本文采用 Profibus-DP方式完成過程控制實(shí)驗(yàn)開發(fā)。Profibus-DP 的設(shè)計(jì)可代替制造自動化中傳統(tǒng)的 24 V并行信號傳輸,過程自動化中 4 20 mA 或 HART 模擬信號傳輸。SMPT-1000 全部設(shè)備運(yùn)用動態(tài)的仿真技術(shù)，完整地保留了對象動態(tài)特性，涉及到的燃燒和換熱等環(huán)節(jié)，均實(shí)現(xiàn)鍋爐過程數(shù)字化，并能將其完整的體現(xiàn)出來，如圖2.1。圖 2.1 SMPT-1000 各部分組件圖2.1.2 SMPT-1000 軟件系統(tǒng) SMPT-1000 軟件系統(tǒng)包括上

21、位機(jī)軟件 SMPTLAB，實(shí)時(shí)仿真引擎軟件SMPTRUNTIME，以及其他軟件和硬件接口軟件。1. 上位機(jī)軟件 SMPTLAB實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的管理，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)視，控制系統(tǒng)的組態(tài)等日常實(shí)驗(yàn)功能。2. 實(shí)時(shí)仿真引擎軟件 SMPTRUNTIME完成實(shí)時(shí)動態(tài)仿真計(jì)算以及數(shù)據(jù)管理功能，目前能夠?qū)崿F(xiàn)以下動態(tài)仿真模型：非線性液位與離心泵動態(tài)仿真模型、動力除氧動態(tài)仿真模型、高階換熱動態(tài)仿真模型、加熱爐工藝流程、工業(yè)鍋爐動態(tài)仿真模型、蒸發(fā)器動態(tài)仿真模型以及水汽熱能全流程動態(tài)仿真，如圖 2.2。圖 2.2 SMPTLAB 軟件運(yùn)行圖2.2 西門子 PCS7 系統(tǒng)西門子 PCS 7 系統(tǒng)是完全無縫集成的自動化解決方

22、案?？梢詰?yīng)用于所有工業(yè)領(lǐng)域,包括過程工業(yè)，制造工業(yè)，混合工業(yè)以及工業(yè)所涉及的所有制造和過程自動化產(chǎn)品。作為先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)，SIMATIC PCS7 形成了一個(gè)帶有典型過程組態(tài)特征。PCS7 是西門子的 DCS 系統(tǒng)，基于過程自動化，從傳感器、執(zhí)行器到控制器，再到上位機(jī)，自下而上形成完整的 TIA（全集成自動化）架構(gòu)。主要包括Step7、CFC、SFC、Simatic Net 和 WinCC 以及 PDM 等軟件，組態(tài)對象選用 S7-400 高端 CPU，一般應(yīng)用于鋼鐵和石化等行業(yè)。PCS7 并不等同于 Step7+WinCC，PCS7 中的 OS 中的很多模板和畫面都是在Step7 中用

23、CFC 和 SFC 自動生成的，變量記錄和報(bào)警記錄也都是由 Step7 中編譯傳送到 WinCC 中去的，并不需要象使用普通 WinCC 那樣手動組態(tài)畫面、變量記錄和報(bào)警記錄，如圖 2.3。圖 2.3 實(shí)驗(yàn)室西門子 PCS7 系統(tǒng)在本次設(shè)計(jì)的 DCS 控制系統(tǒng)中使用到的硬件包括如下：訂貨號為 407-0KA02-0AA0 的電源 PS 407 10A；訂貨號為 412-5HK06-0AB0，PLC 版本為 V6.0 的CPU 412H PN/DP；訂貨號為 443-1EX30-0XE0，CP 版本為 V3.0 的 CP 443-1，如圖 2.4 和 2.5。圖 2.4 PCS7 上位機(jī)圖 2.

24、5 PCS7 現(xiàn)場控制級SIMATIC PCS7 過程控制系統(tǒng)是全集成自動化（TIA）的核心部分，為生產(chǎn)、過程控制和綜合工業(yè)中所有領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一且符合客戶要求的自動化平臺。通過采用 SIMATIC PCS 7 的全集成自動化解決方案，可實(shí)現(xiàn)一致性的數(shù)據(jù)管理、通訊和組態(tài)，性能優(yōu)異并可前瞻性地確保滿足典型的過程控制系統(tǒng)應(yīng)用需求。1. 簡單而可靠的過程控制2. 用戶友好的操作和可視化，并可通過因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)3. 系統(tǒng)圍功能強(qiáng)大、快速、一致性的工程與組態(tài)4. 系統(tǒng)圍的在線修改5. 在各個(gè)層級的系統(tǒng)開放性6. 靈活性和可擴(kuò)展性7. 與安全相關(guān)的自動化解決方案8. 廣泛的現(xiàn)場總線集成9. 儀表與控制設(shè)備的資產(chǎn)管

25、理 PCS7 軟件包含以下應(yīng)用程序，我們可以用它組態(tài)一個(gè)基本的 PCS7 工程: 1. PCS7 工程組態(tài)系統(tǒng)ESSIMATIC 管理器是工程組態(tài)控制的控制中心，是工程組態(tài)工具套件的綜合平臺，同時(shí)也是 SIMATIC PCS7 過程控制系統(tǒng)所有工程組態(tài)任務(wù)的組態(tài)基礎(chǔ)。SIMATIC PCS7 項(xiàng)目各個(gè)方面的創(chuàng)建、管理、歸檔和記錄都在這里進(jìn)行。 組態(tài)容主要包括：控制系統(tǒng)硬件，包括分布式 I/O 和現(xiàn)場設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)、用于連續(xù)和批生產(chǎn)過程的自動化功能（AS 工程組態(tài)） 、操作和監(jiān)視功能（OS 工程組態(tài)） 、診斷和資產(chǎn)管理功能。CFC 連續(xù)功能圖:CFC 編輯器是用于圖形方式組態(tài)和連續(xù)自動化功能調(diào)試

26、的工具。在功能強(qiáng)大的自動路徑選擇和 HMI 消息集成組態(tài)的支持下，可將預(yù)組態(tài)的功能塊在 CFC 部定位、組態(tài)和互連。除了便捷的編輯功能外，CFC 功能也包括強(qiáng)大的測試和調(diào)試功能，以及可以單獨(dú)組態(tài)的文檔記錄功能。仿真:使用 S7-PLCSIM 仿真軟件，用戶可以在 PG/PC 上對用 CFC/SFC 創(chuàng)建的用戶程序進(jìn)行測試，而不管目標(biāo)硬件是否可用。因此，在早期開發(fā)階段就可以檢測并消除錯(cuò)誤。 這樣就可以快速進(jìn)行調(diào)試，降低成本并獲得更高的程序質(zhì)量。2. PCS7 操作員系統(tǒng)OS通過 SIMATIC PCS 7 過程控制系統(tǒng)的操作員系統(tǒng)，操作人員可方便而安全地執(zhí)行過程。 操作員可以通過各種視圖來觀察過

27、程序列，并在必要時(shí)進(jìn)行干預(yù)，從而對系統(tǒng)進(jìn)行控制。操作員系統(tǒng)架構(gòu)具有很大的可變性，可靈活地適應(yīng)不同的工廠架構(gòu)和客戶需求。該架構(gòu)的基礎(chǔ)是由完美協(xié)調(diào)的單用戶系統(tǒng)操作員站（OS 單站）和具有客戶端 / 服務(wù)器架構(gòu)的多用戶系統(tǒng)操作員站所構(gòu)成。窗口功能:不固定位置的窗口可顯示某個(gè)設(shè)備或控制對象的具體參數(shù)或趨勢，方便操作員對其進(jìn)行操作或分析。消息系統(tǒng):每個(gè) OS 單站 /OS 服務(wù)器最多可組態(tài) 150000 條消息：預(yù)定義的系統(tǒng)消息，由系統(tǒng)事件觸發(fā)、單個(gè)或群組消息，由過程狀態(tài)的更改初始化、操作員輸入消息，在手動操作對象時(shí)產(chǎn)生，集成在操作員系統(tǒng)中的消息系統(tǒng)通過 AlarmControl功能，來記錄這些過程消息

28、和本地事件，并將其保存在消息歸檔中，然后進(jìn)行顯示。 3. 西門子自動化系統(tǒng)AS自動化系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：模塊化無風(fēng)扇的設(shè)計(jì)、強(qiáng)大的擴(kuò)展能力和堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)、單一或冗余設(shè)計(jì)、全面的通訊功能、集成的系統(tǒng)功能、集成安全功能、簡單連接集中式或分布式 I/O，我們提供的所有自動化系統(tǒng)都選用有硬件控制器的獨(dú)立控制器，并且是由西門子預(yù)組裝和測試的完整系統(tǒng)。高達(dá)科技根據(jù)項(xiàng)目的具體需求，確定自動化系統(tǒng)的類型。主要依據(jù)是點(diǎn)數(shù)及根據(jù)點(diǎn)數(shù)測算的 PO（過程對象）數(shù)目。3 鍋爐控制方案的設(shè)計(jì) 控制方案決定設(shè)備控制效果，觀察設(shè)備的特性，根據(jù)控制要求和設(shè)備特點(diǎn)設(shè)計(jì)去設(shè)計(jì)控制方案。在控制中，閥門的開閉形式及控制器的正反作用對控制效

29、果也有很大影響。對于工業(yè)傳熱設(shè)備，鍋爐控制目的是：工業(yè)介質(zhì)達(dá)到規(guī)定溫度，即對工業(yè)介質(zhì)加熱或冷卻，使其在規(guī)定溫度圍；工業(yè)介質(zhì)改變相態(tài)，即根據(jù)工業(yè)要求，對工業(yè)介質(zhì)加熱或冷凝改變相態(tài)；回收熱量，根據(jù)工業(yè)工藝要求，取溫度為被控變量，平衡設(shè)備熱量。3.1 仿真鍋爐的設(shè)計(jì)原則 鍋爐是工業(yè)設(shè)備中特殊的傳熱設(shè)備，與一般傳熱設(shè)備不同，它有自身的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。鍋爐控制主要目的是在不超負(fù)荷、安全生產(chǎn)的前提之下，使蒸汽具備適當(dāng)溫度和壓力，同時(shí)需要遵循生產(chǎn)安全、環(huán)保的一系列條件?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮一下幾點(diǎn)。 1. 滿足產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量要求。 本課題產(chǎn)出產(chǎn)品為過熱蒸汽，滿足過熱蒸汽產(chǎn)量的前提下，保證過熱蒸汽的輸出穩(wěn)定，維持在

30、允許的波動圍之，同時(shí)讓輸出的過熱蒸汽的溫度與壓力達(dá)到工藝要求。在生產(chǎn)指標(biāo)主要控制環(huán)節(jié)為燃燒控制及減溫器控制。 2. 滿足生產(chǎn)安全指標(biāo) 安全是生產(chǎn)的必要條件，除氧器壓力及水位，鍋爐的汽包水位，爐膛壓力等必須符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)圍。同時(shí)，所有工序按序進(jìn)行，生產(chǎn)過程保持穩(wěn)定。因此，要充分考慮各生產(chǎn)過程可能產(chǎn)生的各類問題。 3. 滿足生產(chǎn)優(yōu)化指標(biāo) 當(dāng)前社會越來越強(qiáng)調(diào)節(jié)能，環(huán)保，主要在煙氣排放控制環(huán)節(jié)及燃燒環(huán)節(jié)，節(jié)約熱能，控 N-氧化碳的排放量，保證節(jié)能，環(huán)保。 4. 閥門開閉形式選擇原則 控制閥正反作用選擇對控制方案至關(guān)重要，對于控制閥作用選擇，人員及設(shè)備的安全應(yīng)放在首位。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，閥門應(yīng)恢復(fù)到鍋爐冷

31、態(tài)狀態(tài)，防止故障發(fā)生。其次考慮控制質(zhì)量，保證工藝介質(zhì)出口溫度在正常圍。 5. 控制器正反作用選擇 控制器、控制閥、被控對象、測量變送器及偏差環(huán)節(jié)構(gòu)成控制回路?？刂苹芈窞樨?fù)時(shí)，遇到干擾，系統(tǒng)響應(yīng)衰減達(dá)到穩(wěn)定。所以，在控制設(shè)計(jì)中，控制回路為負(fù)。根據(jù)各個(gè)控制回路各組成符號乘積符號為負(fù)原則，確認(rèn)控制閥、被控對象、測量變送器及偏差環(huán)節(jié)的符號，即可確認(rèn)控制器的正反作用。3.2 仿真鍋爐的工藝流程本論文針對 SMPT1000 仿真實(shí)驗(yàn)裝置，被控對象為自然循環(huán)鍋爐系統(tǒng)。工藝流程主要包括: 汽包、燃燒系統(tǒng)和過熱蒸汽系統(tǒng) 3 部分，如圖 3.1。圖 3.1 鍋爐工藝流程圖1. 汽包水位控制系統(tǒng)軟化水經(jīng)上水泵 P1

32、101 后分成 2 路，一路去減溫器 E1101，與過熱蒸汽換熱，并微調(diào)過熱蒸汽的溫度，然后與另一路給水混合進(jìn)入省煤器 E1102，吸收煙氣中的余熱。被煙氣加熱成飽和水的鍋爐給水全部進(jìn)入汽包 V1102，再經(jīng)過對流管束和下降管進(jìn)入鍋爐水冷壁，吸收爐膛輻射熱變成汽水混合物，然后返回汽包 V1102 進(jìn)行汽水分離。汽水分離是汽包的重要作用之一，汽包 V1102 頂部設(shè)放空閥 V1104，汽包中部設(shè)水位檢測點(diǎn) LI1102。分離出的飽和蒸汽再次進(jìn)入爐膛 F1101 進(jìn)行汽相升溫，成為過熱蒸汽。2. 燃燒系統(tǒng)燃料經(jīng)燃料泵 P1102 泵入爐膛 F1101 的燃燒器，空氣由變頻鼓風(fēng)機(jī) K1101 送入燃

33、燒器。燃料與空氣在燃燒器以一定比例混合燃燒，產(chǎn)生熱量使鍋爐水汽化。燃燒產(chǎn)生的煙氣帶有大量余熱，自上而下經(jīng)過省煤器 E1102 盤管的間隙給上水預(yù)熱。換熱后的煙氣經(jīng)由煙道，靠煙囪的抽力抽出，通入大氣。過熱蒸汽系統(tǒng)出爐膛 F1101 的過熱蒸汽進(jìn)入減溫器 E1101 殼程，進(jìn)行過熱蒸汽溫度微調(diào)并為鍋爐給水預(yù)熱，最后以工藝所要求的過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度輸送給下游生產(chǎn)過程。過熱蒸汽出口管線上設(shè)開關(guān)閥 XV1105。3.3 分析并設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方案通過對鍋爐對象特性的分析，可以明確控制任務(wù)和控制圍，合理制定和選取被控變量、操作變量及控制設(shè)備，使被控對象平穩(wěn)安全的生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，為了使鍋爐的生產(chǎn)單元為下游

34、提供 3.8MPa、450 度的過熱蒸汽，結(jié)合我們已有的知識，可以歸納出需要控制和監(jiān)測的變量，如表 3.1 和表 3.2。表 3.1 需要控制的變量數(shù)據(jù)名稱位號FI1101FI1101FI1103FI1103FI1104FI1104汽包上水流量燃料流量風(fēng)量過熱蒸汽出口流量FI1105FI1105汽包水位LI1102LI1102過熱蒸汽出口溫度TI1104TI1104PI1102PI1102爐膛壓力過熱蒸汽出口壓力PI1104PI1104煙氣含氧量AI1101AI1101確定方案前，首先要保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性和安全性，在確保工藝流程能夠安全穩(wěn)定長周期生產(chǎn)的前提下，可以考慮對控制器參數(shù)，生產(chǎn)指標(biāo)等進(jìn)行

35、優(yōu)化，以獲取更高的收益，根據(jù)我們已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識，針對需要控制的變量，可以設(shè)計(jì)如下控制回路：表 3.2 需要監(jiān)測的變量數(shù)據(jù)名稱位號FI1102FI1102去減溫器的汽包上水流量省煤器出口煙氣流量FI1107FI1107TI1101TI1101TI1102TI1102TI1103TI1103爐膛溫度進(jìn)入爐膛的飽和蒸汽溫度去減溫器的過熱蒸汽溫度省煤器出口煙氣溫度TI1105TI1105PI1101PI1101PI1103PI1103燃料壓力汽包壓力省煤器出口煙氣壓力PI1105PI1105圖 3.2 SFC 順序流程圖汽包水位-鍋爐上水流量-過熱蒸汽出口流量前饋-串級控制；過熱蒸汽出口壓力-燃料流量

36、串級控制系統(tǒng)；燃料流量-風(fēng)量雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)；風(fēng)量-煙氣含氧量前饋-反饋控制系統(tǒng)；過熱蒸汽出口溫度單回路控制系統(tǒng)；爐膛真空度-風(fēng)量前饋-反饋控制系統(tǒng)；過熱蒸汽出口流量單回路控制系統(tǒng)。另外，針對安全生產(chǎn)問題，我們設(shè)計(jì)停風(fēng)、停燃料連鎖停車系統(tǒng)，如果出現(xiàn)燃料流量驟降和空氣驟降的情況將啟動連鎖停車信號。在接到連鎖停車信號后，切斷過熱蒸汽向下游生產(chǎn)單元輸送通路，將不合格的過熱蒸汽排向旁路管線，同時(shí)，停燃料泵、風(fēng)機(jī)，全開煙道擋板，使?fàn)t膛自然降溫。一段時(shí)間后關(guān)閉水泵，使整個(gè)鍋爐停車，進(jìn)入維修狀態(tài),如圖 3.2。 4 鍋爐系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn)4.1 控制方案的硬件組態(tài)首先，打開軟件，使用“新建項(xiàng)目向?qū)А眮硇陆üこ?/p>

37、，如圖 4.1。圖 4.1 新建工程示意圖4.1.1 AS 硬件組態(tài)打開組件試圖，選擇 CPU 右邊的硬件組態(tài)并打開，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室 DCS 系統(tǒng)的硬件PLC,PS,CP 選擇與之相對應(yīng)的訂貨號和版本型號,使用 ISO 通信協(xié)議配置工業(yè)以太網(wǎng)接口 CP443-1，輸入 CP443-1 的 MAC 地址方面后續(xù)與個(gè)人計(jì)算機(jī)相連，隨后在CPU 的 MPI/DP 接口配置工業(yè)現(xiàn)場總線 PROFIBUS，將與 SMPT-1000 仿真設(shè)備通信的接口模塊 PM125 加載上去并配置 DI,AI,DO,AO 通信模組與編輯符號，最后編譯并保存，如圖 4.2。圖 4.2 硬件組態(tài)視圖4.1.2 編輯硬件變量表在

38、硬件組態(tài)之后，先完成 I/O 點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，由于 I/O 點(diǎn)數(shù)較多，可以使用 SMPT-1000 特有的 PROFIBUS 總線功能，并根據(jù)前面對象特性的分析，在 SMPT-1000 操作系統(tǒng)界面下面確定 I/O 點(diǎn)及其地址。在 AS 組態(tài)以后將 I/O 點(diǎn)編輯到 PM125 的符號位上面，如圖 4.3,4.4,4.5,4.6。圖 4.3 DI I/O 點(diǎn)及其位置圖 4.4 AI I/O 點(diǎn)及其位置圖 4.5 DO I/O 點(diǎn)及其位置圖 4.6 AO I/O 點(diǎn)及其位置4.1.3 OS 站組態(tài)打開組件試圖，打開 OS 右面的硬件組態(tài)，加載工業(yè)上面普通版本的網(wǎng)卡，使用IOS 通信協(xié)議并輸入個(gè)人電腦里面

39、的 MAC 地址為后面與 AS 組態(tài)相連，編譯并保存。為了使電腦的 WINCC 監(jiān)控與 AS 相連，在編譯并保存以后再次激活組件試圖，打開電腦右下方的站組態(tài)管理器，修改 OS 名稱使之與站管理器的站名一致，最后打開菜單欄里 PLC 下面的組態(tài)，傳輸數(shù)據(jù)使其組態(tài)一致，如圖 4.7 和 4.8。圖 4.7 OS 組態(tài)視圖圖 4.8 OS 站名更改圖4.1.4 網(wǎng)絡(luò)連接組態(tài)與下載打開菜單欄里面的 NETPRO 視圖，在 OS 的通用網(wǎng)卡上面右鍵建立與 AS 的 S7組態(tài)，由于是使用了 IOS 通訊協(xié)議，那么選擇 PC/PG 接口中的 PC internal，選擇后編譯并保存整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接組態(tài)，最后，分

40、別打開 OS 硬件組態(tài)與 AS 硬件組態(tài)，按照順序先向個(gè)人電腦下載 OS 組態(tài)再向 CPU 下載 AS 組態(tài)，如圖 4.9。圖 4.9 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖4.2 控制方案的軟件編輯在控制器組態(tài)完成以后，還要針對 PROFIBUS-DP 從站通訊模塊使用的泗博PM-125為 PLC 編寫一段源程序，即選擇 CPU 下面的源程序，插入個(gè) SCL 源文件，打開編譯為 FB007 后保存，最后在 CFC 組態(tài)中單獨(dú)插入個(gè) FB007 框圖編譯并下載。如圖4.10 和 4.11。圖 4.10 PM125 設(shè)備圖圖 4.11 SCL 源程序圖要注意的是通訊接口模塊的 CFC 組態(tài)層級要高于下面的 CFC 組態(tài)，即

41、需要添加新的工廠層級，打開 CFC 組態(tài)需要先激活工廠視圖，在完成通訊接口模塊的編譯并下載后，根據(jù)前面鍋爐過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，編輯后面程序，如圖 4.12 和 4.13。圖 4.12 新建工廠層級圖圖 4.13 通訊模塊編譯圖4.2.1 CFC 連續(xù)功能圖組態(tài) 放置好各部分所需要的塊，雙擊修改參數(shù)，將所有 PID 控制器調(diào)整為手動模式且設(shè)置比例增益為 1、積分時(shí)間常數(shù)為 99999、微分時(shí)間常數(shù)為 0，設(shè)置關(guān)鍵數(shù)據(jù)為歸檔模式，以及修改必要的單位，如圖 4.14 到 4.23。圖 4.14 過熱蒸汽出口溫度單回路控制系統(tǒng)圖 4.15 過熱蒸汽出口壓力-燃料流量串級控制系統(tǒng)圖 4.16 燃料流

42、量-風(fēng)量-煙氣含氧量前饋-反饋-雙閉環(huán)比值控制圖 4.17 汽包水位-鍋爐上水流量-過熱蒸汽出口流量前饋-串級控制圖 4.18 爐膛真空度-風(fēng)量前饋-反饋控制系統(tǒng)圖 4.19 過熱蒸汽出口流量單回路控制系統(tǒng)示意圖圖 4.20 CFC 中被監(jiān)控溫度變量的狀態(tài)圖圖 4.21 CFC 中被監(jiān)控流量變量的狀態(tài)圖圖 4.22 CFC 中被監(jiān)控流量變量的狀態(tài)圖圖 4.23 CFC 中 FV1102 遙控閥狀態(tài)圖4.2.2 SFC 順序流程圖組態(tài)激活工廠視圖，選擇與上述 CFC 編程的同一層級的 SFC 并打開，按照控制方案要求，插入并編輯所需要的步與轉(zhuǎn)移條件，編輯完成后編譯并下載，如圖 4.24。圖 4.

43、24 SFC 順序流程圖 4.2.3 WINCC 組態(tài)在 CFC 與 SFC 都編譯與保存以后，接下來將進(jìn)行最后 WINCC 的組態(tài)，在編譯之前確定好同等級 CFC 界面是否有 PICTURE，如沒有就右鍵添加一個(gè)，接下來右鍵確定工廠層級為三，然后同樣右鍵更新塊圖標(biāo)，更新以后進(jìn)入組件視圖 OS 站下面的OS 右鍵選擇編譯，編譯完成后單擊 PICTURE 進(jìn)入 WINCC，如圖 4.25 到 4.29。圖 4.25 確定工廠層級圖 4.26 創(chuàng)建和更新塊圖標(biāo) 圖 4.27 WINCC 界面打開圖圖 4.28 CFC 組態(tài)導(dǎo)入圖 圖 4.29 WINCC 鍋爐效果圖5 鍋爐系統(tǒng)方案的運(yùn)行與參數(shù)的整

44、定5.1 系統(tǒng)方案的運(yùn)行 編輯并保存好各部分文件后，在程序已經(jīng)下載到 CPU 的前提下，首先打開位于SMPT-1000 的 BoilerControl 即鍋爐工程，調(diào)整鍋爐至冷態(tài)并將曲線清空，設(shè)置好與之對應(yīng)的閥門狀態(tài)，將所有 PID 控制器調(diào)整為手動模式且設(shè)置比例增益為 1、積分時(shí)間常數(shù)為 99999、微分時(shí)間常數(shù)為 0，開始工程進(jìn)入到系統(tǒng)開始與調(diào)試模式，通過個(gè)人計(jì)算機(jī)的 WINCC 與 SMPT-1000 仿真設(shè)備中的 SMPTLAB 軟件實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，如圖 5.1 到 5.3。圖 5.1 SMPT-1000 閥門設(shè)定圖圖 5.2 SMPTLAB 在線監(jiān)控圖圖 5.3 WINCC 在線監(jiān)控概

45、況圖5.2 PID 參數(shù)的整定 在進(jìn)行 PID 參數(shù)的整定前，首先要明確三個(gè)基本參數(shù) Kp，Ki，Kd 在實(shí)際控制中的作用： 1.比例環(huán)節(jié)：成比例的反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例系數(shù) kP 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但過大，系統(tǒng)會產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致不穩(wěn)定。 2.積分環(huán)節(jié)：用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti，Ti 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。但它有滯后現(xiàn)象，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，超調(diào)量變大并可能產(chǎn)生振蕩。 3.微分環(huán)節(jié)：反應(yīng)偏差信號的變化趨勢（變化速率） ，調(diào)節(jié)誤差的微分輸出，誤差突變時(shí)，能及時(shí)控制

46、，并能在偏差信號變化太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。但其會帶來擾動敏感，抑制抗干擾能力差。 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用，如表 5.1。表

47、 5.1 PID 參數(shù)正定方法PID 參數(shù)整定方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)參數(shù)整定花費(fèi)時(shí)間長經(jīng)驗(yàn)整定法簡單方便，適用于記錄曲線不規(guī)則，外界干擾頻繁的控制系統(tǒng)整定結(jié)果因人而異，沒有明確標(biāo)準(zhǔn)需要求出各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，實(shí)際問題不能滿足理論整定法結(jié)果比較精確理論計(jì)算比較繁瑣不適用于工藝方面不允許被控變量長時(shí)間的等幅振蕩場合在純比例控制情況下，系統(tǒng)可能不會出現(xiàn)等幅振蕩臨界比例度法使用起來比較方便只適用于二階以上的高階對象或者一階純滯后對象整定質(zhì)量好對工藝過程干擾小對時(shí)間常數(shù)小的系統(tǒng)不易測取衰減振蕩周期衰減振蕩法安全可靠不宜用于干擾頻繁的系統(tǒng)四種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行

48、整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期(3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù)，如表 5.2。表 5.2 PID 控制器的選取被控變量特征控制器的選取時(shí)間常數(shù)較小流量容易受到干擾不易加入積分作用，一般采用比例積分控制器液位純滯后較小一般不加入微分壓力時(shí)間常數(shù)與體積有關(guān)，例如大體積的容器壓力時(shí)間常數(shù)較大，而管道壓力時(shí)間常數(shù)較小時(shí)間常數(shù)較大的話可以加入微分，一般情況下采取比例積分控制器溫度時(shí)間常數(shù)比較大，控制起來不需要加入微分作用靈敏本文主要應(yīng)用的是經(jīng)驗(yàn)整定法，因?yàn)樯婕暗搅巳缦缕叻N控制回路：汽包水位-鍋爐上水流量-過熱蒸汽出口流量前饋-串級控制；過熱蒸汽出口壓力-燃料流量串級控制系統(tǒng)；燃料流量-風(fēng)量雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)；風(fēng)量-煙氣含氧量前饋-反饋控制系統(tǒng)；過熱蒸汽出口