（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的热网现场控制器的设计.pdf

北京交通大学硕士学位论文 进行了仿真，仿真结果证实了采用前馈一反馈控制的可行性。 通过对热网首站监控系统的分析，本文开发了以d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心、基于c a n 总线的热网现场控制器的硬 件电路。为实现现场控制器与上位监控主机的通信，制定了 c a n 应用层协议。采用模块化的方法开发了热网现场控制器的 软件，实现了数据采集、智能控制以及与上位监控主机的通信 等功能。本文在硬件和软件的设计上均采取了相应的抗干扰措 施，并在制定c a n 应用层协议时增加了数据包长度校验，从而 有效保证了现场控制器的可靠性。 本文通过采用分散控制及c a n 网络增强了系统的可靠性、 灵活性，同时降低了成本，并且便于维护。采用d s p 作为现场 控制器的核心，有利于进行复杂控制算法的改进。 该热网现场控制器的硬件电路已开发完成，并在实验室完 成了软件调试，实现了现场控制器的数据采集、控制、通信等 功能，系统可独立工作，也可在微机监控下正常工作。 关键词：现场控制器，热网首站，c a n 总线，d s p ，现场总线 控制系统( f c s ) h 北京交通大学硕士学位论文 d e s i g no f ac a n b a s e dh e l d f o rh e a l l n gn e t w o r k t h eh e a t i n gn e 押o r kh a sb n e b u i l to r 丽1 lb ef c b u i l ti nm a n y n o n i l e mc i t i 髓o f0 u rc o l l i l 田a t p r e s e n t ，w h i c hw i l lc h 蛐g c d e c e n t r a l 溉dh e a t i n gs u p p l yi n t oc e n t r a l i 髓dh e a t i n gs u p p l y t h e g a t e w a ys t a t i o ni s l em o s tc o m p l e x 曲di m p o n a i l ts t a t i o ni nt h e w h o l ei n i c m - 啪p u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mf o r h e a t i i l g n e 咖r k 1 1 l ep e r f b c t d e s i 萨o fm o n i t o 血gs y s t e mo fg a t e w a y s t a t i o nc 蛐m a l 【et h e 、柚o l e h e a t i i l g n e t w o r k 、0 r kw e l l c e n t r a l i z e dc o n 扭o lm o d ei sa d o p t e di i lt m d i t i o n a ls y s t e ms c h e m e w i md i s a d v 粕t a g e0 fc o m p l e xw i 血gi n c r c 弱e dd i 伍c u l t i e si n m a i n t e n 柚c e 蛆df o c t l s e dh 配a r d so fs y s t e m s ot h ep a p e rh a v e t a i 汜nm 粕ye f 色c t i v em e t h o d st os o l v et h c s ep r o b l e m sw h i c hc 柏 m 北京交通大学硕士学位论文 c o n t r o l ，c o m 埘i u n i c a t i o na n ds oo n t h es y s t e mn o to n l y 啪w o r k s e p a r a t e l yb u ta l s oc 孤w o r kw e l l s u p e i s o 珥 k e yw o 砌) s ：f i e l dc o n 打m l c r ，c 0 n t r 0 i e ra r e a 押o r k ( c a ， f i e l d b l l sc o n h 谢s y s t e l n 口c s ) ，d s eg a t e w a y s t a l i o ni nh e a d n gn e t w o r k 北京交通大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 我国的能源结构以煤为主，在此条件下，为节约能源、改善环境、 改变落后分散的锅炉房和小煤炉供热方式，国家鼓励发展热电联产集中 供热“1 。中华人民共和国节约能源法第三十九条明确提出“推广热电 联产集中供热，提高热电机组的利用率，发展热能梯级利用技术，热、 电、冷联产和热、电、煤气三联供技术。”在此方针指导下，我国北方许 多城市已经或即将进行热网改造工程，将传统的分散供热改造为集中供 热。 集中供热系统是一个大型的综合性系统，为了保证其运行安全可靠， 需要有一套自动化程度很高的监控系统来进行实时监控。热网微机监控 系统。1 是以微机为核心，将计算机技术、自动控制技术、通信技术、显 示技术和转换技术紧密结合的产物，主要用于集中供热管网的监测、控 制、计量、分析、综合决策以及调度等。热网微机监控系统主要由五 部分组成：首站、调度站、首长站、热力站以及中继泵站。其中，首站 是整个热网微机监控系统中最复杂、最关键的站点，它的设计好坏直接 关系到整个热网能否正常运行。传统的系统方案中，首站采用集中控制 方式。在实际施工和系统运行过程中，集中式首站监控系统存在接线复 杂、维修困难、危险集中等缺点。为克服以上缺点，本文采用现场总线 技术来设计热网首站监控系统，即f c s ( f i e l d b u sc o n t r 0 1s y s t e m ) 基 北京交通大学硕士学位论文 于现场总线的控制系统。 在我国，唐山市首先使用计算机监测热网的运行，随后北京、赤峰 等地开始在热网中采用计算机进行监测。但从整体看，我国城市热网的 管理水平较低，国内还没有一套完整的测、控、管一体化的热网监控系 统。目前，鸡西、虎林等地的热网监控系统在国内处于领先水平。在目 前的集中供热监控系统中，热网首站一般采用集中式控制。 由于集中供热显著地改善了环境，在国外特别是北欧国家得到大力 发展，集中供热较为先进的国家有丹麦、瑞典等。 1 2 现场总线控制系统( f c s ) 介绍 现场总线( f i e l db u s ) 应用于生产现场，在测量控制设备之间实现 双向、串行、多节点数字通信，也被称为开放式、数字化、多点通信的 底层控制网络，并且可以与因特网相连。作为网络系统，它最显著的特 征是具有开放统一的通信协议。由于肩负着生产运行一线的测量控制特 殊任务，它又具有自身的特点，如信息传输的实时性强、可靠性高等。 现场总线控制系统( f c s ) 嗍是基于现场总线技术的分布式控制系统， 是继集中式数字控制系统、集散式控制系统( d c s ) 后的新一代控制系统， 适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化 系统用户带来更大的方便。 f c s 具有如下特点： ( 1 ) 打破传统控制系统的结构形式，实现节点的平行化； ( 2 ) 采用智能设备，实现彻底的分散控制； ( 3 ) 摒弃d c s 系统中的协议专用、封闭性，实现通信协议的公开化。 基于以上特点，特别是系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、 2 北京变通大学硕士学位论文 投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性，其优点如下： ( 1 ) 节省硬件投资与数量； ( 2 ) 提高系统的准确性和可靠性； ( 3 ) 系统具有高度的开放性。 1 3 现场总线简介 目前应用较为普遍的现场总线圆“1 有以下几种： ( 1 ) 基金会现场总线( f f ) 1 9 9 4 成立的现场总线基金会，制订了一种现场总线标准f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) ，其具有如下特点：i s p 协议与w o r l df i p 协 议的合并，以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，由物理层、数据链路 层、应用层、用户层构成。总线分低速h 1 和高速h 2 两种通信速率。其 中，h 1 的速率为3 1 2 5 k h z ，传输距离为1 9 0 0 m ；h 2 的传输速率可为1 跚z 和2 5 姗z 两种，通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质支持双绞 线、光缆和无线发射，主要应用于过程自动化控制领域。 ( 2 ) l o n w o r k s 现场总线 美国e c h e l o n 公司的现场总线标准，主要为楼宇自动化开发的，已 经扩展到其他领域。其采用i s 0 o s i 模型的全部7 层协议，通信速率从 3 0 0 b p s 到1 5 m b p s 不等，通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ，支持 同轴电缆、光纤、射频、红外线、双绞线、电力线等多种通信介质。l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封存于称之为n e u r o n 的神经元芯片中而得 以实现。集成芯片中内置媒体访问控制处理器、网络处理器和应用处理 器3 个8 位c p u 。主要应用于楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办 公设备、交通运输、过程自动化控制、智能通信接口、智能传感器等领 北京交通大学硕士学位论文 域。 ( 3 ) p r o f i b u s 现场总线 2 0 世纪8 0 年代初德国制订的一种现场总线标准鬻g l 蓦薹l 一观： | 萆i l 妻! ! i 妻i 爨l g 妻i i 乏i 藉搿魁：嚣假! 萋耋i l 湖一訇l 法阉糕溪磙域 潆雾殿夏醚蛆醚门熬；嘤峨噤燃糟堙埝焉强毽嘲曙喝螬臻il 薹萋箩l 量一薹薹0 鹗句卡的明鲤囊两霈i 珥灞商盘嘲吲i 隧泐酽函恼| i 毒女_ s o r yc o n t r d ls y s t c m f o r h e a t i l l g “e “v o r l 【 热网首站是整个热网监控系统的关键站点，从热电厂发电后产生的 蒸汽或热水经首站进入热网，是整个热网循环供热的供水出口和回水入 口。热网首站监控系统主要完成对供热首站的换热器、泵、阀、管道、 储水容器等设备的实时监测和自动控制，以及对实时数据的处理、存储、 报警、打印等，保证热网的正常运行。 6蛴龋韧恼诵小 6x 北京交通大学硕士学位论文 比较高。通信速率上，h a r t 较低，不能满足需求。而f f 实现比较复杂， 并且兼容设备有限。在对各种现场总线技术进行对比以后，本文选择了 c a n 现场总线进行研究，并将其应用到热网首站监控系统中。 1 4 本人所做工作 对集中式控制系统和现场总线控制系统进行了分析比较，完成热 网首站监控系统方案选择； 对热网首站控制系统进行了分析，在此基础上建立了热网首站前 馈一反馈控制系统的模型，并用m a t l a b 进行了仿真，通过仿真证 实了采用前馈一反馈控制的可行性； 完成了现场控制器的总体设计，并在此基础上完成了现场控制器 硬件电路的开发； 对c a n 通信模型进行了研究，针对热网首站监控系统的实际需求， 制定了c a n 应用层通信协议，解决了多报文数据包的发送等技术 难点，并在协议中增加了检错功能，提高了可靠性； 开发了现场控制器的软件； 在实验室进行了调试，实现了现场控制器的数据采集、存储、控 制、通信等功能，系统可独立工作，也可在微机监控下正常工作。 5 ) ) ) ) ) ) n 他 北京交通大学硬士学位论文 调度站脚是整个系统的通信枢纽和管理中心，对热网系统进行总体 调度。它主要负责汇总热网的所有实时监控数据，完成处理、显示、存 储、打印等数据管理功能，并给调度员适时、准确的处理结果，辅助调 度员在异常情况下做适当的处理。 首长站是为供热公司领导、工程师观察热网运行状况而设的，可实 时显示热网运行的各种数据，以便掌握热网运行情况，为其做出正确决 策提供依据。 热力站嘲负责对供热小区的温度、压力、流量等进行监测和控制， 并将采集的数据及时上传到调度站。 中继泵站是为了提高管网末端的供水压力，并对其所管辖的供热区 的供热情况进行监测控制，同时将实时采集数据上传至调度站。 由图2 1 可以看出，热网微机监控系统可分为三部分： ( 1 ) 热网首站、调度站和首长站之间通过局域网连接，各应用程 序与数据库问采用客户机服务器( c s ) 结构进行通信和数 据交换； ( 2 ) 调度站、热力站与中继泵站之间通过p s t n ( p u b l i cs w i t c h e d t e l e p h o n en e t w o r k ) 公共电话网进行连接； ( 3 ) 热网首站监控系统。 本章主要对热网首站监控系统进行分析研究。 2 2 热网首站监控系统 2 。2 。1 热舟首站介绍 在热网微机监控系统中，热网首站作为从热源到热网的连接枢纽， 7 北京交通大学硕士学位论文 发挥十分重要的作用。热网系统的热源来自电厂的余热蒸汽，在首站经 汽一水换热器进行热交换后，由一次网输出到相应的热力站，热力站将一 次网的高温热水经水一水换热器进行热交换后输送到用户，其工艺流程” 如图2 2 所示。 图2 2 电厂热电率t 产工艺原理图 f i 舭2 - 2s c h e 哪t i co f c o m b k dh e a t p o 眦ft e d m i 整个首站监控系统包括现场控制器的设计与实现、上位机组态软件 的开发、c a n 网卡的设计、驱动程序的编写等。热网首站监控系统是在 传感器、变送器、执行机构等一次设备的基础上完成对热网首站的监控， 保证热网首站安全、高效地运行，主要完成如下功能： ( 1 ) 数据采集功能：采集温度、压力、流量等热网首站现场的模 拟信号和各种开关量信号； ( 2 ) 数据处理功能：根据采集的数据计算热网监控所需的各种参 数，如失水量、失水率、瞬时供热量等： ( 3 ) 数据存储功能：对首站采集、计算、控制、报警等数据进行 定时存储； ( 4 ) 通信功能：在热网首站内实现现场控制器与上位机的通信； 8 北京交通大学硕士学位论文 ( 5 ) 数据交换功能：与首长机、调度站进行数据交换； ( 6 ) 控制功能：根据测得的室外温度自适应调节供水出口温度， 并完成对补水泵、循环水泵、电磁阀的控制等： ( 7 ) 查询、打印功能“1 ：可查询各种瞬时值和历史数据，并打印； ( 8 ) 参数设置功能：可通过上位机对现场控制器的控制参数进行 设置和修改。 现场需要采集的量主要包括：换热器一次侧蒸汽的流量、温度、压 力，二次侧供、回水温度、压力、流量，补水流量、补水水箱水位，室 外温度，凝结水的温度、液位，循环泵、补水泵、泄水阀、凝结水泵的 状态等；执行机构主要包括：换热器一次侧的电动阀，二次侧循环水泵、 补水泵和电磁阀等。 2 2 2 热网首站监控系统方案选择 根据2 2 1 节介绍，热网首站是比较复杂的站点，需要采集和控制 的量很多，同时，它作为热网的前端入口，发挥着十分重要的作用。因 此，其运行状况直接关系着整个热网能否正常运转。为完成熟网首站的 功能，可采用集中式控制系统、现场总线控制系统( f c s ) 。 1 集中式控制系统 集中式控制系统是较为常见的一种监控系统，在整个系统中采用一 台工控机，它配有a d 卡、d a 卡、d i 卡、d o 卡，可实现对热网首站现场 的监控。现场的各种信号首先通过屏蔽线输入到热控盘和电控盘，然后 由热控盘和电控盘将这些量引入工控机的a d 卡、d i 卡等板卡接口，工 控机通过d a 卡、d 0 卡将控制信号送至热控盘和电控盘，再由热控盘和 电控盘将控制信号送至端子排，通过端子排控制现场设备。系统整体结 9 北京交通大学硕士学位论文 构如图2 3 所示。 围2 3 集中式拉制系统整体结构 f i g l l 2 _ 3c o n 五斟呱t i o no f 咖缸a i 切c d 咖t 阳ls y s t c m 集中式控制系统的优点是结构简单，系统开发、集成周期短，同时 为广大工业控制领域的工程师所熟悉，在设计、安装、调试过程中有很 多实践经验可循。但对于热网首站场合，各一次设备地理位置较为分散、 大部分一次设备距主控室较远，它具有如下缺点； ( 1 ) 线路复杂。现场设备多而分散，需要采集和控制的量比较多， 而所有信号最终都要连至工控机，这样就会形成庞杂的接线， 并且接线较长，安装工作量大，造成施工不便，工程周期加 长。 ( 2 ) 故障排查不便。由于线路复杂，从现场设备到主控室工控机 所经的环节较多，中间的任一环节发生问题，将导致系统故 障，产生故障后，不易排查。另外，由于接线过于集中，在 维修过程中易引起新的故障。 ( 3 ) 可靠性差。工控机需要处理的工作较多，除了采集现场数据、 对现场设备进行控制外，还要负责组态，工作较为繁忙，出 错的概率增加。另外在传输线方面，由于引线过长，转接头 北京交遥大学碗士学位论文 较多，易受到干扰。为提高抗干扰性能和传输精度必须要采 取相应措旌，由此又会增加成本。 ( 4 ) 系统不易扩展。 2 现场总线控制系统( f c s ) 目前来说，f c s 是一种较为新型的监控系统。在集中式控制系统中 采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接，控制器与位于现场 的测量变送器、执行机构等现场设备均为一对一的物理连接。而f c s 打 破了传统控制系统的结构形式，将测量变送、控制等功能分散到现场去 完成，可以就近实现对现场设备的控制，并能随时诊断设备的运行状态， 实现彻底的分散控制，现场总线控制系统的整体结构如图2 4 所示。 f c s 与集中式控制系统相比，具有如下优点： ( 1 ) 接线简单。从主机到现场各仪表或设备只有一对传输线，而 连接若干台现场仪表或设备，可实现现场信号的双向传输。 这种结构使得接线简单，安装方便，安装费用降低。工程周 期缩短，维护方便。 ( 2 ) 系统扩展性能较佳。用户可以根据需要迸行系统扩展，如要 增加或删除现场设备或仪表，只需在总线电缆上进行挂接或 摘除，无须架设新的电缆。 ( 3 ) 可靠性好。采用分散控制，将主机功能分散下放到现场各控 制器中，减轻了主机的负担，实现了真正的分散控制。即使 在主机出现故障的情况下，也不影响现场设备的正常运行， 现场设备之间出现故障也互不影响，现场总线控制系统最为 突出的优点就在于此。 1 1 北京交通大学硕士学位论文 图2 4 现场总线控制系统整体结构 f i 鲫i e2 4c b n 五刖n t i o no f f c s 基于以上对集中式控制系统和现场总线控制系统的分析，结合热网 首站复杂的现实情况，本文选择了f c s 作为热网首站监控系统。 2 2 3 基于c n 总线的热网首站监控系统 1 c a n 总线特点介绍 根据热网首站监控系统的需求，对现有应用较为普遍的几种现场总 线进行比较，c a n 总线通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，本文 选择了c a n 总线作为热网监控系统的通信总线( 见第1 3 节) 。c a n 总线 具有如下特点： ( 1 ) 具有国际标准。c n 总线是到目前为止唯一有国际标准的现场 总线，其国际标准为i s o - 1 1 8 9 8 ，规范为2 0 a ，2 o b ； ( 2 ) 多主工作方式。c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在 任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从； ( 3 ) 非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现 冲突时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级 的节点可以不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线 北京交通大学硕士学位论文 冲突仲裁时间。尤其是在网络负担很重的情况下，也不会出 现网络瘫痪情况； ( 4 ) 优先级、传送方式设定方便。通过对标识符的操作可将节点 分成不同的优先级，以满足不同的实时要求，还可通过标识 符滤波实现点对点、一点对多点及全局广播等方式传送数据； ( 5 ) 可靠性高。报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率 低，重新发送时间短，并且每帧信息都有c r c 校验及其它检 错措施，c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭功能，这 些都保证了c a n 通信的高可靠性： ( 6 ) 性价比高。c a n 总线性能高，但结构简单，成本低廉，开发技 术易于掌握，具有很高的性价比。 2 系统总体结构 现场总线控制系统的设计思想是将计算机处理能力尽可能安排到信 息源点，以提高系统的运行效率，减轻主机负担，降低系统对通信的依 赖性，从而提高系统的安全可靠性。这样就可以使得主机尽可能多地分 出时间集中管理来自热网首站现场的信息，以便实现更加高效的监测和 优化控制。因此，希望分布在现场每一个测量点的数字仪表、执行机构 都具有现场总线接口，实现与上位机的直接通信，这样便可以实现彻底 的分布式监控，在安装和维护上具有较大的灵活性，同时有利于系统的 扩展。但在大多数的工业现场，使用较多的还是常规仪表和执行机构， 如果对其进行全方位的改造，成本上难以得到用户的接受。因此，考虑 采用一种变通的方法，仍采用原有的仪表和执行机构，而在其附近安装 现场控制器，实现生产现场的数据采集、处理和控制。根据热网首站测 量点和执行机构相对集中的特点，采用接体分散、局部集中的原则，在 北京交通大学硕士学位论文 整个热网首站系统中，根据实际需要监控的量及其分布位置，配置蠢薹 重蘩蕊篓奏；雾蠹萋鬟霎囊誉薹委霎寒。薹耄鬟蛙驰静雕蛆骗聪塑蒙鞭； 警“鼗雕擎髫j i 在熟l 音器； 囊i ii 托跫融释萋唆錾溺惜蜀噌薹盔蕤翟矬利 謇；l 曼| 委嬖罄嚣耋| 薹喜茹洲淄目内喜t 露争的￥彝州宴鋈鑫孽| 塞托釜若i 萋藿嚣誉；蓍匿劈冀闸 d 静l 藿号耋臻要圣i 水，工艺 上要求二次侧供水出口温度恒定，这可以通过控制加热 蒸汽流量以改变进入换热器的热量来实现。在这个系统中，二次侧回水 入口温度是影响二次侧水出口温度变化的主要因素( 即扰动) ，本文设 计了前馈调节器，用以抵消二次侧回水入口温度变化对二次侧供水出口 温度带来的影响。当回水入口温度变化时，前馈调节器直接根据回水入 口温度变化信号通过执行器改变蒸汽流量调节阀的开度，从而改变加热 蒸汽流量。甚至可以在二次侧出口温度还未变化之前就及时使控制信号 适应回水入口温度的变化，维持换热器的热平衡，这就实现了前馈控制。 前馈控制系统1 具有如下优点： ( 1 ) 前馈控制系统是直接根据扰动进行控制的，因此可及时消除 扰动对被调量的影响，减小被调量的动态偏差，而且不像反 馈控制系统那样根据被调量的偏差反复调节，因此前馈控制 系统的调节过程时间相对较小； 北京交通大学硕士学位论文 但是，前馈控制系统也存在一些明显的缺点，如： ( 1 ) 由于系统中不存在被调量的反馈信号，因此调节过程结束后 会出现静态偏差。 ( 2 ) 前馈控制系统只能用来克服生产过程中主要的、可测的扰 动，而实际工业生产中能引起被调量变化的因素( 扰动) 是 很多的，如果对每一种扰动都进行独立的前馈控制就会使控 制系统变得非常复杂，而且有的扰动往往是难以测量的，因 而也无法实现前馈控制“”； ( 3 ) 前馈控制系统一般只能实现局部补偿，因而不能保证较好的 控制效果。 为了得到更好的控制效果，本文采用了前馈一反馈控制系统，反馈控 制系统可以减小甚至消除静态误差，另外从理论上讲，反馈控制可以补 偿闭环系统前向通道内的一切扰动。这样，依靠反馈控制减小或消除系 统稳态误差，依靠前馈控制提高系统的稳定性和加快动态响应，从而提 高控制质量。 图3 1 换热器前馈一反馈控制系统 f i g i l 件3 - 1f e e d 如州a l d 一慨d b a c kc o n h 试s y s l e mf o fh e a d i 蛐g e r 换热器前馈一反馈控制系统如图3 1 所示。其中，t t l 、t t 2 分别为 二次侧供水出口温度测量变送环节和回水入口温度测量变送环节，t c l 1 7 北京交通大学硕士学位论文 为反馈调节器，t c 2 为前馈调节器，调节阀是调节蒸汽流量的执行机构， 通过控制其开度便可控制蒸汽流量。 换热器前馈一反馈控制系统工作原理如下：当二次侧回水入口温度 发生变化时，前馈调节器首先作出反应，通过调节蒸汽流量来补偿回水 入口温度变化对换热器供水出口温度的影响。同时反馈调节器根据出口 温度的变化情况来调节蒸汽流量，以保证供水出口温度恒定。前馈调节 器和反馈调节器由软件来实现，其控制框图如图3 2 所示。图中，r 0 ) 为 设定温度值，其大小由室外温度决定；畎0 ) 为实际供水出口温度，它由 实际测量得到；b p ) 为二次侧回水入口温度，其大小会影响供水出口温 度，因此在系统中它相当于扰动信号。鼠o ) 为一次侧蒸汽调节阀的传递 函数，日0 ) 为二次侧供水出口温度测量变送环节的传递函数，g 0 ) 、 g 。( s ) 分别为控制通道( 换热器) 和干扰通道( 换热器) 的传递函数， d ，0 ) 、d o ) 分别为前馈控制器和反馈控制器的传递函数。前馈回路和 反馈回路起着相辅相成，取长补短的作用“”，使得换热器的供水出口温 度较快地稳定在给定值上，获得较为理想的控制效果。 图3 2 换热器前馈- 反馈控制系统蛄构框图 啪3 - 2b l o 吐d i a 乎锄0 f 缸蜘a r d 抵d b a c kc o n 仃o ls y s 把mf o fh c a k x 曲卸g c f 由上图可求得二次侧出水温度吼( 0 为： 1 8 北京交通大学硕士学位论文 吼。，一了_ 丢善宝孚r o ，+ 学害暑丢主糕岛o ， ( 3 1 ) 如果要实现对扰动b o ) 的完全补偿，则上式第二项应等于零，即： g 。o ) + d ，o ) g ，o ) g o ) - o ( 3 2 ) 呐卜赢 净s ， 3 2 控制系统建模 本控制系统主要由换热器、蒸汽调节阀、检测变送单元和调节器等 单元组成，下面对这些单元进行建模分析。 3 2 1 换热器的数学模型 要对一个被控对象进行控制，须为其建立一个合适的数学模型。使 用数学语言对实际对象进行刻画，需要做一些必要的简化和假设，不然 过多的变量必然使模型过于复杂，反而不利于问题的解决。本文在对换 热器进行数学建模时，做了如下假设： ( 1 ) 换热器为一集中参数对象，即换热器中的流体在流动的任 一径向截面上具有唯一的温度值o “； ( 2 ) 换热器热损失、传热系数、比热容的变化忽略不计； ( 3 ) 换热器间壁热容忽略不计。 根据以上假设，对本文研究的换热器来说，在忽略热损失的情况下， 冷流体所吸收的热量q 2 等于热流体所放出的热量q 1 ，其静态热平衡方程 “6 3 为： q 1 一q 2 ( 3 4 ) 北京交通大学硕士学位论文 动态平衡方程1 为： c ，即警一q l q 2 换热器一次侧热流体( 高温蒸汽) 放出的热量为： q 1 一f h 二次侧冷流体( 水) 吸收的热量为： q ：一c ，( 吒一晚) 将式3 6 、3 7 分别代入式3 4 、3 5 ，可得静态热平衡方程为： f h n c ，婶2 一e a 动态热平衡方程为： c ，盼警- 册一c ，鸭训 以上各式中， f 一次侧蒸汽流量，培，s ： h 蒸汽冷凝热( 即汽化潜热) ，u 船； 二次侧回水流量，船5 ； c 。二次侧供水的比热容，灯，( 咯k ) ： y 二次侧供水的密度，七g 埘3 ； 矿换热器中储存水的容积，埘3 ； q 二次侧回水入口温度，； 巩二次侧供水出口温度，。 由此可得换热器动态结构图如图3 3 所示： ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 北京交通大学顼士学位论文 图3 3 换热嚣动态结构图 f i g u 坤3 - 3d y 蝴i cb l o c kd i 卿0 f i e a k x c h 蛐g e r 图中，h 与蒸汽温度f 有关，可通过查表得到。由图可知，该换热 器的输入量为一次侧蒸汽流量f 、一次侧蒸汽温度t 、二次侧回水流量 、二次侧回水入口温度b ，输出量为二次侧供水出口温度岛。 在热网首站中，二次侧回水流量经补水管路定压补水而保持定值， 设为。，蒸汽温度r 也设为恒值，此时h 为定值日。当一次侧蒸汽流 量f 和二次侧回水入口温度b 发生变化时，二次侧供水出口温度岛将随 之发生变化。此时，式3 9 可表示为： c ，h 警+ c ，。口2 一日。f + c ，。b ( 3 1 0 ) 进行拉普拉斯变换后得： ( c ，啪+ q 0 溉o ) - 日。f o ) + c ，0 吼0 ) ( 3 一1 1 ) 式3 1 1 即为换熟器二次侧供水出口温度巩与一次侧蒸汽流量f 、 二次侧回水入口温度鼠的关系表达式。因此，换热器的传递函数可表示 为： g 蜘嚣。焘一 ( 3 1 2 ) 去忑“。 北京交通大学硕士学位论文 聃器。磊。壶净 0 由于在传热过程中，热量首先从一次侧蒸汽传给换热器间壁，然后 由换热器间壁传给二次侧水，在传热过程中存在传热滞后，因此应在式 3 一1 2 和3 一1 3 的传递函数中加入纯滞后环节e - t ，由此得到换热器的一次 侧蒸汽流量f 、二次侧回水入口温度q 到二次侧出口温度日：通道的传递 函数模型结构形式分别为： g m 熹e 1 ( 3 _ 1 4 ) g ，m 熹e ( 3 _ 1 5 ) 热k 一是“：乩瓦母鲁。 3 2 2 蒸汽调节阀的传递函数模型 本文采用的蒸汽调节阀是电动阀，假设它为近似线形阀，其动态滞 后可以忽略不计，在本系统中可以看作一个比例放大环节，其传递函数 脚为： q o ) 一a 式中，a 为比例系数。 3 2 3 检测变送单元的传递函数模型 温度检测变送环节一般可用一阶惯性环节来近似，即 ( 3 1 6 ) 北京交通大学硕士学位论文 一畚 ( 3 1 7 ) 但考虑到本系统中其它时间常数要比温度检测变送环节的时间常数 矗大得多，因此根据自控理论中的小参数原则，时间常数瓦可以忽略， 此时，温度检测变送单元可以看作比例环节，其传递函数“”为： h o ) 一卢 ( 3 1 8 ) 式中，口为二次侧供水出口温度反馈放大系数。 3 2 4 调节器的传递函数梗型 由换热器前馈一反馈控制系统框图3 2 可知，调节器由两部分组成： 前馈调节器d ，o ) 和反馈调节器d o ) 。前馈调节器d ，o ) 用来补偿换热 器二次侧回水入口温度嘎的变化对二次侧出口温度口2 的影响，由式3 3 、 3 一1 4 、3 一1 5 、3 1 6 可得前馈调节器的传递函数为： 。，。) 一一豪e 电1 p x ，p 1 ( 3 一1 9 ) 热即一熹却 反馈调节器采用p i d ( 比例一积分一微分) 控制器“”，微分作用时控 制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著 的效果，在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用 可以消除余差。反馈调节器( 即p i d 控制器) 的传递函数为： d 。) - j l ：，+ j ；= 。+ k 。s k ，( 1 + 去+ l s ) ( 3 2 0 ) 式中，置。、王、l 分别为比例系数、积分时间常数、微分时间常数。 北京交通大学硕士学位论文 3 2 5 控制系统传递函数模型 根据以上分析，可以得到控制系统的传递函数模型，如图3 4 所示： 图3 4 控制系统传递函敷模型 f i g u m3 - 4t i 锄i s 触如皿o t i m o d e lo f 咖n o ls y s i c m 3 3 控制系统仿真结果分析 前面分析了热网首站换热器前馈一反馈控制系统各部分的结构模型， 并给出了整个系统的传递函数模型。本文采用m a t l a b “”“”对该系统模型 进行了仿真，仿真实验分为以下几种情况： ( 1 ) 不考虑外部干扰作用情况下的仿真； ( 2 ) 考虑定值干扰( 即二次侧回水入口温度干扰) 情况下的仿真： ( 3 ) 考虑部分未建模因素情况下的仿真。 为便于分析，本文分别对不加前馈调节器和加前馈、反馈调节器的 情况进行了仿真。 1 仿真情况说明 假设本文研究的换热器储存水量为3 0 m 3 ，进汽温度r 为1 6 0 ，二 次侧供水流量。为8 3 3 姆s ，二次侧回水入口温度b 初始值为7 0 。 北京交通大学硕士学位论文 根据以上条件，经蠢表得： h o 一2 0 8 2 2 u 咯，c 。一4 加8 u ( 堙k ) ，r 一9 6 5 3 培m 3 。 由式3 一1 4 、3 1 5 计算可得换热器模型的参数如下：惯性时间常数正、 疋均为3 4 8 s ，比例系数x ，、吃分别为5 9 4 和1 。滞后时间常数f ，、f ： 分别取9 s 和1 2 s 。蒸汽调节阀环节的比例系数口取o 7 ，反馈环节比例 系数卢取1 3 0 。由式3 1 9 计算得前馈调节器的参数如下：k ，o 2 4 ， f 置3 s 。 反馈调节器中的比例系数x ，、积分时间常数五和微分时间常数l 在 仿真过程中进行动态选取，最终反馈调节器的比例系数k 。取1 8 ，积分 时间常数l 取1 5 0 ，微分时间常数l 取2 。 2 仿真结果及分析 以下仿真均假设给定值为3 6 7 ( 归化为温度值为1 1 0 ) ，图中横坐 标为时间t ( 单位s ) ，纵坐标为二次侧供水出口温度口，( 单位) 和一 次侧蒸汽流量f ( 单位堙，5 ) 。 ( 1 ) 不考虑外部干扰作用情况下的仿真 在不考虑外部干扰情况下进行仿真，得到的仿真结果如图3 5 所示。 图3 5 不考虑外部干扰情况下二次侧供水出口温度和一次侧蒸汽流量的响应曲线 北京交适大学硕士学位论文 f i g u m 3 - 5r e s p o n c u f v e0 f w a t e rs 叩棚yo u e tt e m p c n t u 他柚ds t 锄i n i e tf 1 0 w w i t h 咖tc 衄s j d e r a 吐o no fl h ei n t e d k h m o e 由图3 5 可知，系统在p i d 调节器的作用下，稳态误差为o ，超调量 为4 2 3 ，上升时间为2 3 0 s 。 ( 2 ) 考虑定值干扰( 即二次侧回水入口温度干扰) 情况下的仿真 在考虑定值干扰( 二次侧回水入口温度一2 0 阶跃变化) 情况下，不 加前馈调节器进行仿真，得到的仿真结果如图3 6 ( a ) 所示，加前馈和 反馈调节器后进行仿真，得到的仿真结果如图3 6 ( b ) 所示。 ( a ) 不加前馈调节嚣的情况( b ) 加前馈、反馈调节器的情况 ( a ) w i n l o u tf c c d f o m r d 嘲山断嘞w l h 慨怕n a r d 拙曲k 哪l a c o r 图3 6 二次侧回水入口温度一2 0 阶跃变化情况下二次侧供水出口温度和一次 侧蒸汽流量的响应曲线 f i g l l f e3 6r e s p 咖c u r v eo f w 舭r s u p p l y o u n e t t e m p 盯a m m 粕ds c e 硼i n l e t f i o w 谢t h - 加s l e pt e 唧啪t mv a r i a n o no f b a c k 啪t e f 由图3 6 ( a ) 可知，系统在稳态时( 图中1 0 0 0 s 处) 受到定值干扰 ( 二次侧回水入口温度一2 0 阶跃变化) ，一次侧蒸汽流量在反馈调节器 的作用下缓慢变化，以补偿该扰动对供水出口温度的影响；二次侧供水 出口温度的响应曲线幅值变化最大为4 ，为稳态值的3 6 4 ，经6 5 0 s 北京交通大学预士学位论文 ( c ) 两种情况下一次侧蒸汽流量的响应曲线 ( c ) r c 咿瓣唧v c0 fs t c 蜘i k t n o ww i 血t h es t e a m t e n 畔m t i i 他a t l 5 0 柚d 1 9 0 图3 7 一次进汽温度分别变化为1 5 0 和1 9 0 时二次侧供水出口温度和一次侧蒸 汽流量的响应曲线 f i g u m3 - 7r 鹤p o n a l r 0 fw a 蛔。s 唧1 yo u t l e tt e 呷e n m 砖a n ds t 锄i 越e tf l o w 、i 恤 妞s i c 柚t e m p e f a t 呲a c l 5 0 d1 9 0 图3 7 ( c ) 上、下两条响应曲线分别为一次侧进汽温度变化为1 5 0 时和一次侧进汽温度变化为1 9 0 时的一次侧蒸汽流量响应曲线，由 图3 7 ( c ) 可知，稳态时一次侧进汽温度变化为1 5 0 时的蒸汽流量要 比一次侧进汽温度变化为1 9 0 时的蒸汽流量大。由图3 7 ( a ) 和3 7 ( b ) 可知，系统最终仍稳定，并且无静差。除此之外，还对换热器散热 情况进行了考虑，经分析系统仍能稳定运行，并且无静差。仿真表明， 该系统具有较好的鲁棒性。 以上仿真结果表明，前馈一反馈控制系统与反馈系统相比，由于增加 了对主要干扰的前馈补偿，使得系统的控制性能得到改善；与前馈控制 系统相比，减少了前馈的通道数，简化了控制系统，在实现对主要干扰 完全补偿的基础上，通过反馈控制消除了其它干扰的影响，同时也补偿 了前馈控制不能检验补偿效果、系统复杂、不能完全补偿干扰以及控制 2 8 北京交通大学硕士学位论文 从而提高了控制器的实时控制能力。 ( 2 ) 存储器 片内具有3 2 k 字的f l a s h 程序存储器、2 5 k 字的数据程序r a m 、 5 4 4 字的双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) ；具有共 1 9 2 k 字的可扩展外部存储器空间，包括6 4 k 字程序存储器空间、 6 4 k 字数据存储器空间和6 4 k 字i o 寻址空间。 ( 3 ) 外设模块 包括事件管理器模块、看门狗定时器模块、1 0 位a d 转换模块、 c a n 控 x 北京交通大学硬士学位论文 字，可通过i n 和叫t 指令进行访问。 现场控制器的外部程序和数据存储器选用了i c s i 的 i s 6 1 l v 6 4 1 6 1 0 t ，该芯片为6 4 k 1 6 位字的s r a m ，存取时间为1 0 n s ，供 电电压为3 3 v ，额定功耗2 0 0 m w ，待机功耗2 0 0 扯w 。外部存储器由l f 2 4 0 7 a 的p s 或脚选通，其中，程序存储器由，s 选通，数据存储器由珊选 通。读、写信号由一片c p l d ( i s p l s l 2 0 3 2 v e ) 进行译码实现。并对部分 外设扩展模块分配了相应的i o 空间，如d a 转换模块等，这些模块的 接口译码也由c p l d ( i s p l s l 2 0 3 2 v e ) 完成，具体实现见4 2 1 0 节。 4 2 2 电平转换电路 本文采用了t p s 7 3 3 3 q 元件作为5 v 3 3 v 的转换芯片，具体电路连接 图如图4 2 所示。t p s 7 3 3 3 q 为一个低压降的电压调节器，可以从5 v 输 入电压得到3 3 v 的电压给各单元供电。 4 2 3 数据采集单元 图4 2 电平转换电路 f i g 岍奉2 l t a 辟v c 商c i n 数据采集单元主要实现热网首站现场各监测点的模拟量、开关量的 采集。模拟量采集单元主要完成将从现场各监测点的传感器、变送器得 到的4 2 0 m a 标准电流信号转换成d s p 可识别的电压信号，然后经d s p 的 北京交通大学颈士学位论文 a d 转换模块进行转换，将模拟信号转换成数字信号，以便d s p 进行处 理，它主要包括i v 转换电路、保护电路等。开关量采集单元主要完成 将现场监测点的开关量转换为d s p 能接受和识别的开关量信号，主要包 括光电隔离电路等。 开关量信号输入端口共4 路，采用光藕进行隔离和电平转换，将开 关量信号读入d s p 的i 0 端口。通过光电隔离，将内部电源、地与外部 隔开，防止外部的大信号或者干扰对现场控制器造成干扰。开关量输入 单元电路如图4 3 所示。 ip f p fp 7 lp b m，j 。 。 “ 蝴 ”鼬zl k j “ ， 2q i ” ”豳i e k 鼻o 5 ；a l n ”融t ；nb l l e ；兰3 j m c ! ” ”嫩! ；hh l l 图4 3 开关量输入单元 f i g u f c 4 - 3 d 垮l a l i n p u tc i r n 模拟量信号输入端口共1 4 路，l f 2 4 0 7 a 具有1 6 路1 0 位的a d 转换 器，因此可满足设计要求。在设计中为防止过大的输入信号对器件造成 损坏，在输入端加入保护电路，实现对器件的保护。模拟量输入接口电 路如图4 4 所示( 这里仅给出了一个通道，其他1 3 路通道与此相同) 。 为保证采样精度，系统选用了千分之一精度的低温系统的电阻( 1 0 0 欧) 取样，将4 到2 0 i n a 的标准电流信号转换为o 6 6 到3 3 v 的电压信号，输 入到d s p 的模数转换单元，进行模数转换。运放采用t 乙c 2 2 7 2 ，l f 2 4 0 7 a 北京交通犬学硬士学位论文 具有1 6 通道输入的1 0 位a d 转换器，最小转换时间为3 7 5 n s 。 图4 4 模拟量输入接口电路 f i g