基于DCS的锅炉集中供热系统设计与研究可复制黏贴 优秀毕业论文.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 西安建筑科技大学硕士学位论文 西安建筑科技大学硕士学位论文 基于dcs的锅炉集中供热系统设计与研究 专 业 控制理论与控制工程 研 究 生 刘 鹏 指导教师 任庆昌 教授 摘要 本文的撰写分为设计和控制性能研究两个阶段 设计阶段 从实际工程出发 以阎良航空产业园 150t h 循环流化床锅炉 dcs 项目为背景 首先介绍了循环流化床锅炉的工作原理和控制特点 同时又介绍了本项目应用的 国产 dcs 产品 上海新华 tisnet p600 的软硬件以及技术性能指标 进而根据 项目规模和具体要求制定了 dcs 的总体设计原则和控制方案 经过 7 个月的设计 得出了项目的设备材料表 系统图 端子出线图 i o 清册以及平面施工图等 控制性能研究阶段 锅炉系统中 锅炉汽包水位控制系统是锅炉生产控制系统中最重要的环节 对锅炉生产操作如果不合理往往会引起事故 依据锅炉汽包水位实际的控制要求 采用基于经典 pid 的模糊 pid 控制算法 在 matlab 中 用 simulink 仿真工具箱设计出了二输入三输出的模糊控制器 然后对锅炉汽包水位进行在给定值下进行仿真 并且用了经典 pid 和模糊 pid 的 方法去控制汽包的水位 而后将两种控制策略下的仿真图像进行对比 仿真图像 表明模糊 pid 的鲁棒性更好 能够保证水位的稳定 而且能够有效的解决用经典 pid 很难解决的 延时 和 虚假液位 问题 关键词关键词 循环流化床锅炉 dcs 汽包液位 pid 控制 模糊 pid 控制 仿真 西安建筑科技大学硕士学位论文 design and research of the distributed control system for boiler central heat supply system major control theory and control engineering name liu peng tutor prof ren qingchang abstract this paper s writing is divided into two stages of design and control performance study the design stage starting from the actual project yanliang aviation industrial park in 150t h circulating fluidized bed boiler dcs projects for the background first introduced the circulating fluidized bed boiler in the working principle and control system characteristic also introduced the project application of domestic dcs products shanghai xinhua tisnet p600 s hardware software and technical performance indicators furthermore according to the project scale and concrete requirements established dcs general design rules of and control plan after seven months of design phase drawing the project of equipment and materials tables system graph terminal qualify figure i o list and plane construction etc the control performance study phase in boiler system segment that the boiler water level control system is the most significant to boiler production operation if unreasonable will often cause the accident according to the actual boiler liquid level control requirements based on pid method of fuzzy pid control algorithm using simulink tool kit designed two input three output fuzzy controller in matlab then for boiler drum water level in a given value are simulated and a pid method and fuzzy pid method to control the drum water level then the two control strategy simulation image contrast simulation shows that fuzzy pid image of robustness to ensure the stability of the water and can effectively 西安建筑科技大学硕士学位论文 solve the difficult to solve with pid method of time lapse and false level problem keywords circulating fluidized bed boil dcs drum water level pid control fuzzy pid control simulation 西安建筑科技大学硕士学位论文 目 录 1 绪论 1 1 1 dcs 在工业过程控制中的应用 1 1 2 国内外 dcs 系统在锅炉系统中的应用 1 1 3 论文的选题背景及研究的主要内容 2 1 3 1 课题来源与选题依据 2 1 3 2 课题的意义 2 1 3 3 本文研究的主要内容 2 2 循环流化床锅炉 5 2 1 概述 5 2 2 循环流化床锅炉的结构组成 5 2 3 循环流化床锅炉的工作原理 6 2 4 循环流化床锅炉的优点 6 2 5 循环流化床锅炉的控制特点 7 2 6 本章小结 8 3 tisnet p600 dcs 控制系统 9 3 1 概述 9 3 1 1 tisnet p600 系统架构 9 3 2 硬件系统 10 3 2 1 现场设备层 10 3 2 2 控制层 11 3 2 3 监控层 11 3 2 4 管理层 15 3 3 软件系统 16 3 3 1 人机接口站 hmi 16 3 3 2 控制器 xcu 16 3 4 本章小结 17 4 dcs 系统在供热工程中的应用 19 i 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 1 dcs 系统的总体设计原则 19 4 1 1 dcs 覆盖范围 19 4 1 2 dcs 组态原则 19 4 1 3 i o 配置要求 20 4 2 锅炉 dcs 系统设计 单台锅炉 22 4 2 1 硬件配置 22 4 2 2 汽包水位控制系统输入输出通道设计 23 4 3 控制系统实施方案 24 4 3 1 数据采集 处理和显示系统 das 24 4 3 2 数据通讯系统 28 4 3 3 模拟量控制系统 mcs 29 4 3 4 顺序控制系统 scs 32 4 3 5 炉膛安全监控系统 fsss 32 4 4 dcs 组态流程 32 4 4 1 组态前准备工作 32 4 4 2 建立全局点目录文件 32 4 4 3 算法组态 33 4 4 4 流程图画面 报表 历史数据组态 33 4 4 5 系统下装 33 4 5 组态程序及监控界面的设计 33 4 5 1 组态程序设计 33 4 5 2 监控界面的设计 36 4 5 本章小结 37 5 供热控制施工图设计 38 5 1 设计依据 38 5 2 锅炉房规模及设计范围 38 5 3 热控设计说明 38 5 3 1 概述 38 5 3 2 锅炉本体主要监控内容 38 5 3 3 各类辅机和成套设备与 dcs 系统连接 40 5 3 4 除氧 给水部分监控主要内容 41 ii 西安建筑科技大学硕士学位论文 5 3 5 汽包水位电视监控部分 41 5 3 6 火焰电视监控部分 42 5 4 设计图纸 见附录 b 42 5 4 1 i o 清册 42 5 4 2 仪表说明表 42 5 4 3 端子出线图 42 5 4 4 系统图 42 5 5 本章小结 42 6 锅炉汽包水位系统特性分析 44 6 1 汽包水位控制系统的重要性 44 6 2 汽包水位控制对象的动态特性 45 6 2 1 锅炉汽包水位在给水量作用下的 控制通道 动态特性 45 6 2 2 汽包水位在蒸汽流量作用下的 干扰通道 动态特性 46 6 2 3 汽包 虚假水位 产生的原因 48 6 3 本章小结 48 7 锅炉汽包水位的三冲量模糊 pid 控制的仿真实现 50 7 1 锅炉汽包水位的三冲量 pid 控制 50 7 1 1 三冲量控制系统 50 7 1 2 三冲量 pid 控制及仿真 50 7 2 锅炉汽包水位的三冲量模糊 pid 控制 53 7 2 1 三冲量模糊 pid 控制及仿真 53 7 3 pid 与模糊 pid 控制效果分析 62 7 4 本章小结 62 结束语 64 致谢 66 参考文献 68 附录 a 硕士研究生学习阶段发表论文 72 附录 b 设计图纸 73 iii 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 绪论 1 1 dcs 在工业过程控制中的应用 dcs distributed control system 又称为分散式控制系统 他是集计算机技 术 控制技术 通讯技术和图形显示等技术于一体的计算机系统 由于dcs不仅具有数据采集功能和控制功能 随着dcs技术的不断进步与完 善 它还可以利用网络完成对一个生产过程乃至一个工厂的信息管理 目前在热 力 电力 化工 石油等领域 dcs应用的非常普遍 在控制的稳定性和安全性 方面明显优于过去的控制系统 1 1 2 国内外 dcs 系统在锅炉系统中的应用 锅炉控制系统设计要求达到安全性高 环保 节能的目的 目前 随着网络 化的日趋成熟 锅炉控制系统采用网络化的设计成为必然 这样以来 dcs 系统 在锅炉系统中的应用就非常普遍 它充分利用电脑丰富的软硬件资源来实现友好 的人机界面 又利用工业以太网进行通信 对锅炉的现场进行数据采集和及时处 理 从而达到了锅炉燃烧工况良好 节能降耗的工艺要求 锅炉 dcs 系统以锅炉监控自动化为目标 可以提高锅炉的控制能力 同时可 以保障安全生产 节能增效 保护环境 改善工作条件 降低员工劳动强度 提 高劳动安全系数 提高劳动效率 提高企业效益等 dcs应用于锅炉系统的基本思路 1 把集中式计算机控制系统转换为分散的控制系统 有专用的过程分散控制 装置 在过程控制级分别完成过程中的部分控制和操作 2 以模拟电动仪表的操作为基础 开发良好的人 机操作界面 用于操作人 员的监控操作 3 使操作站与过程控制装置之间建立数据的联系 建立数据的通信系统 使 数据能在操作人员和生产过程间相互传递 5 至90年代初各国知名的dcs有 3000 bailey 的 infi 90 ro semount 的rs 3 west hoose 的 wdpf leedsas 日本 横河的 centum 这里所提到的均为大型的 dcs 为了适应市场的需要各厂商也 开发了不少中小型的 dcs 系统如 s 9000 max 2 lxl a2pacs 等 西安建筑科技大学硕士学位论文 在国外 20 世纪 80 年代后 工业锅炉系统由 dcs 控制 根据分散控制集中 管理的思想 dcs 按区域或功能分散配置 分为若干个控制回路 在集控室对系 统进行操作和管理 每个控制回路以冗余的数据通讯连接 实现整个系统的功能 分散 最重要的是可以使危险也能分散 主要的 dcs 厂商有西屋 艾默生 ovation foxboro abb 西门子 pcs7 霍尼韦尔 横河 dcs 等 在国内 20 世纪 90 年代后 随着国民经济的增长以及科学技术的发展 dcs 开始在锅炉系统中应用 目前 无论是在工业锅炉还是民用锅炉中 dcs 已成为 主导力量 主要的 dcs 厂商有新华 xdps 鲁能的 ln2000 国电智深 dcs 中 控 dcs 和利时 dcs 南京科远 dcs 浙江中自等 1 3 论文的选题背景及研究的主要内容 1 3 1 课题来源与选题依据课题来源与选题依据 本课题来源于西安阎良国家航空高技术产业基地集中供热工程 锅炉房主厂房设置四台 150t h 循环流化床燃煤蒸汽锅炉 总安装容量为 600t h 锅炉出口蒸汽温度 295 蒸汽压力 1 274mpa 整个系统采用 dcs 控制系统 由工程师站 过程控制站 操作员站和现场检 测装置组成 工程师站和操作员站采集现场检测装置的运行参数 实现各种检测 控制 报警 联锁保护功能 保证锅炉经济 安全 稳定地运行 1 3 2 课题的意义课题的意义 dcs 应用于锅炉系统的案例越来越多 它相对于传统的锅炉系统来说 具有 以几个优点 1 具有分散故障的能力 这是 dcs 最大的优势 2 可以缩小表盘以及控制室的大小 3 可以大量缩减电缆的数量 4 可以大幅减少操作人员数量 5 易于组态和扩展 6 实现实时和历史数据的管理 并且还能对系统的各方面性能进行计算 这也是 dcs 的一大优势 1 3 3 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 本文是以西安阎良国家航空高技术产业基地集中供热工程为载体 结合了上 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 海新华控制技术 集团 有限公司的 tisnet p600 dcs 控制系统和作者在新时代 西安 设计研究院有限公司的锅炉热控学习和设计而撰写的 本论文共分七个 章节 围绕以下几个方面进行 1 选题背景 意义及 dcs 系统的应用介绍 2 循环流化床锅炉工作原理及特点 3 此工程应用的上海新华 tisnet p600 dcs 控制系统 4 dcs 系统在阎良供热工程的应用 5 供热控制施工图设计 6 锅炉汽包水位系统特性分析 7 锅炉汽包水位的三冲量模糊 pid 控制的仿真实现 8 结束语 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 循环流化床锅炉 2 1 概述 本项目锅炉房主厂房设置四台 150t h 循环流化床燃煤蒸汽锅炉 如今在我国 环保规范是比较完善的 有关部门已经开始实施监测处理脱硫 和脱氮的问题 然而这方面的投资时非常大的 由于链条炉 煤粉炉等传统锅炉 的燃烧效率不是很高 因此脱硫和脱氮的成本也很高 同时也使能源流失 由此 不难的出 开发高效环保的燃煤技术 对于环保护和能源利用两方面都是非常必 要的 因此 循环流化床锅炉就应运而生了 而且由于其具有环保和高燃烧率的 特点而越来越多的被使用 循环流化床锅炉 circulating fludized bed boiler 简称 cfb 锅炉 作为一种 煤的清洁 高效燃烧技术自八十年代初进入燃煤锅炉的商业市场以来 在大中型 锅炉中已占有了相当的份额 循环流化床的崛起 预示着对传统媒粉燃烧的革命 性挑战 2 2 循环流化床锅炉的结构组成 螺旋冷渣器 底灰冷却器 冷却烟气 燃烧室 旋风分离器 上二次风 下二次风 水冷布风板 石灰石 燃煤仓 给煤机 高压鼓风机 一次风机 二次风机 烟囱 引风机 过热器 省煤器 汽包 除尘器 空气预热器 回料阀 图 2 1 循环流化床锅炉示意图 如图 2 1 所示 循环流化床锅炉具有独特的工艺设计 一般可简单地从三个方 5 西安建筑科技大学硕士学位论文 面来分析其构成 第一部分由炉膛 燃烧室 固体物料再循环设备 返料器 气固分离设备 分离器 等组成 第二部分由过热器 再热器 省煤器和空气预热器等组成 分布在烟气的流 动过程中 第三部分是排渣装置以及布风装置等 2 3 循环流化床锅炉的工作原理 循环流化床锅炉的工作原理分为循环和流化两个过程 1 循环过程 煤和脱硫剂送入燃烧室后 迅速被燃烧室内的高温物料所包围 着火燃烧 并且进行脱硫等反应 而后随着上升气流向燃烧室上部流动 并且向燃烧室内上 部的受热面放热 从而热量被燃烧室受热面吸收后进行重复利用 另外 较大的 颗粒随着上升的气流进入燃烧室上部后在重力及其它外力的作用下会偏离主气 流 进而贴着侧壁下落 但是微小的固体颗粒会和一些气体离开燃烧室后进入高 温分离器 绝大部分固体颗粒被分离出来并带有一定的热量回到燃烧室内 进行 循环燃烧 没有被分离出来的细小颗粒随烟气进入烟道 分别经过热过热器 省 煤器 空气预热器以及除尘器 最后排放至大气 循环过程实际上是在整个锅炉本体中进行的 其目的是使燃料和热量的循环 使用 此过程一方面可以使燃料循环燃烧从而达到充分燃烧的效果 另一方面可 以使燃烧中产生的热量被循环利用 这样以来 循环过程既节省了燃料又环保 2 流化过程 炉膛底部是大量的炽热灰粒和煤粒混合物 燃烧所需空气经炉膛底部的布风 板所产生一次风的作用下 均匀进入流化床 在流化床中气流上升速度约 2 5m s 在二次风的作用下 气流将大部分粒子托起 成沸腾状 粒子上下运动 掺混非 常强烈 流化过程实际上是在炉膛内进行的 一方面可以使炉膛内含氧量和温度达到 燃烧的最佳状态 这样可以使燃烧充分的同时 还可以很好的脱硫以及防止 nox 的生成 另一方面可以使燃料在炉膛内分层和循环燃烧 提高了燃烧效率 2 4 循环流化床锅炉的优点 通过上述分析 循环流化床的主要特点如下 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 7 1 燃料适应性广 循环流化床锅炉不但能烧高热之煤 而且链条炉 煤粉炉等不能燃烧的低热 值 低挥发分 高灰分的劣质燃料 如劣质烟煤 油页岩 煤矸石 无烟煤 造 汽炉渣等也能在流化床锅炉内稳定燃烧 2 燃烧效率高 循环流化床锅炉的燃烧效率要比链条锅炉高 燃烧效率通常在 97 5 99 5 范围内 与煤粉炉的燃烧效率相当 循环流化床锅炉能在较宽的运行范围内保持 较高的燃烧效率 甚至燃用细分含量高的燃料时也是如此 而链条锅炉则不可能有 此优点 3 有效脱硫 循环流化床锅炉在运行时 通过向炉内添加石灰石或白云石能大大降低烟气 中的二氧化硫 方法简便 经济 高效地解决了高硫煤造成的大气污染问题 而 一般的链条锅炉 煤粉锅炉的尾气脱硫技术费用昂贵 难于推广 几乎不可能用 于大中型工业锅炉 4 氧化物排放量低 循环流化床锅炉燃烧温度为 800 1000 较链条锅炉 煤粉锅炉都低 抑制 了 nox 的生成 烟气中 nox 含量少 有利于保护环境 2 5 循环流化床锅炉的控制特点 针对循环流化床锅炉燃烧侧的特点 在其运行过程中特别要注重对分离器入 口 温度床温 床压以及风煤比的调节 监测及控制 注重对使改变物料流化 循环及燃烧的一 二次风量的监视与控制 保证建立一个平稳 充足的物料循环 过程 从而达到锅炉燃烧侧的燃料燃烧及热量传递的目的 11 总体来说 循环流化床锅炉系统的控制内容主要包括锅炉一次风控制 二次 风控制 引风控制 鼓风控制 燃料控制 床温控制 启动燃烧器控制以及其风 量控制 循环流化床锅炉与常规的链条锅炉和煤粉锅炉的区别在于以下几个方面 1 通过控制经过布风板装置的一次风量和直接进入燃烧室内的二次风量使床温在 一定的范围内 从而使其最有利于燃烧室内石灰石有效脱硫 2 通过控制排渣装置来保持燃烧室内床压恒定 3 通过控制石灰石数量以达到控制 so2 的排放量的目的 从而降低对大气的污染 西安建筑科技大学硕士学位论文 实现了 节能减排 4 利用旋风式分离器入口烟气温度过高的信号和布风板一次风量过低的信号 来作为燃烧室内安全保护的重要措施之一 11 总之 循环流化床锅炉和传统链条锅炉在汽水系统的运行监视与调整方面是 基本相同的 其中都有给水差压控制系统 汽包水位控制系统以及和汽温控制系 统等等 并且方法和原理都大致相同 两者的区别主要体现在燃烧系统方面 与 之相对应的仪表检测和控制手段上存在非常多的不同点 包括床温和床压等的监 测 因此 对循环流化床锅炉系统的燃烧和控制原理的了解是设计仪表与自动控 制系统的基础 2 6 本章小结 本章主要讲述了循环流化床锅炉的结构组成和工作原理 因为本项目应用的 是四台 150t h 的循环流化床锅炉 因此对其组成 原理以及工作流程的理解是整 个供热系统设计与研究的基础 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 9 3 tisnet p600 dcs 控制系统 3 1 概述 本工程采用上海新华控制技术 集团 有限公司生产的tisnet p600 dcs控制系统 tisnet 是 基于网络的智能工业信息解决方案 的英语缩写 tisnet p600 智能过程控制系统以 32 位cpu组成的新华控制器xcu为核心 采用操 作和监控的人机界面软件 灵活配置输入输出i o模件 人机接口hmi 利用工业 以太网实现现场信息采集和系统通讯 以灵活多样的分布式i o接收现场传感检测 信号 是适用于各种类型的工业生产过程分散型信息和数据处理系统 tisnet p600 采用可视化图形组态技术 提供常用的现场设备信息及功能块 大大 简化组态工作 其中 tisnet p400 tisnet p600 tisnet xdc800 为这个系列的 代表产品 3 1 1 tisnet p600 系统架构系统架构 tisnet p600 系统是全开放式系统架构 总体结构体现分组 分层 分块的平 台建设思想 将平台分为构件化的技术支持平台与面向对象的应用平台 分布式 实时数据库在网络上共享 不需要配置服务器 不会产生服务器配置方式的 dcs 系统所存在的通讯过程中的瓶颈问题 系统向上向下双向延伸 使来自生产过程 的现场数据在整个企业内流动与共享 实现信息技术与控制技术的无缝连接 测 量 控制 管理一体化 西安建筑科技大学硕士学位论文 管理层管理层 监控层监控层 控制层控制层 现场层现场层 图 3 1 tisnet 系列 dcs 系统结构 3 2 硬件系统 如图 3 1 tisnet p600 硬件系统可分为现场层 控制层 监控层 管理层四部 分 其中现场层和控制层为下位机系统 主要功能是对现场数据的采集和组态 监控层和管理层为上位机系统 主要功能为操作及监控系统的运行 其中管理层 是比监控层更高级的一个组成部分 它通过防火墙进行加密或信息阻拦 掌控和 监视整个系统的运行状况 而监控层只能对其中的一个子系统进行掌控 3 2 1 现场设备层现场设备层 现场设备层是收集被控对象信息的一些模块 包括通讯信号转换卡 i o 卡 plc 装置 变频器 阀门控制卡 回路控制卡 逻辑控制卡 摄像监视设备 电 话通讯发送设备等 通讯信号转换卡与现场模块的通讯通过工业以太网或者 modebus rtu 现场总线及相关协议进行数据交换 通讯信号转换卡与新华控制 器 xcu 用以太网通讯 tisnet 系统能诊断冗余网络 网络站点 站点中模块配 置 及模块通道的数据信息 如图 3 所示 10 西安建筑科技大学硕士学位论文 图 3 2 自检图 在 dcs 锅炉控制系统中 现场采集的测点数据主要包括温度 压力 流量 风量等 结合本工程的具体测点信息详见附录 b 中的 i o 清册 3 2 2 控制层控制层 控制层主要由新华控制器 xcu 构成 主要功能有 1 接收由通讯信息转换卡发出的信息按照组态制定的控制策略计算出所需 的控制量 并返回给通讯信息转换卡 再由现场控制相关模块输出这些 信息 从而实现连续控制 顺序控制与逻辑控制功能 2 接收并处理工程师站和操作员站的各种指令 这些指令有在线上载组态 文件 下载组态文件 修改组态内容 组态文件写盘 清空组态文件 复位控制器等 3 向冗余的实时网络传送实时数据 系统状态数据 报警信息 各种运算 过程的数据 4 在过程控制站中 进行自动与人工的相互切换 升主控 切副控 确保 控制系统的无扰切换 3 2 3 监控层监控层 监控层站的主要设备有工程师站 操作员站与历史数据站等 其所有站点都 11 西安建筑科技大学硕士学位论文 以实时数据库作为中心环节交换数据 实时数据库的信息包括 1 所有测点的测点名及 id 号 所属 xcu 号 实时值和状态 2 所有报警状态 3 所有网络状态与模块状态 4 所有操作命令 回答信息 监控层的主要工作有 1 数据库的管理 保证实时数据库的信息 数值 状态 操作 回答 切 除 坏点等 即时更新 2 实时数据的报警 确认 报警消失的即时处理 3 历史数据与表格数据的收集 存储以及历史数据的回放 4 趋势曲线与数值的收集 显示 回放 5 图形的生成与显示 6 组态程序的生成 修改 存储 回放 上载 下载 7 系统配置 报表定义 报表数据收集 报表显示 8 站点信息 用户信息 网络信息的显示 用户的注册 退出 修改密码 的操作 9 重启指定的 hmi 下载文件到其它 hmi 的操作 10 报警事件程序的运行 如通过画面及其设置的显示与按钮 能使操作员站的运行人员与 tisnet 系统 相互交换信息的人机接口设备 如图 3 3 所示 通过图 3 3 上红色矩形触摸区 控 制设备的启停 12 西安建筑科技大学硕士学位论文 图 3 3 可视性操作界面 如图 3 4 控制室操作人员通过操作员站的显示界面来监视并控制整个系统的 生产过程 同时也能在操作员站的现实画面上观察系统生产过程运行的详细情况 观察出每一个子系统以及测点的测量值和状态 从而判断出每个测点或每一个控 制回路是否正常工作 同时还能即时的通过在画面上的按钮进行操作 执行手动 自动控制方式之间的切换 调节控制量 修改给定值 操作现场设备 以实现对 生产过程监控及操作的目的 技术人员可以将各种报表打印出来 并可以将屏幕 上的画面和曲线拷贝下来 通过报警一览实时了解系统中测点的报警状态 13 西安建筑科技大学硕士学位论文 图 3 4 报警状态显示 工程师站不仅具有操作员站的功能 还能对分散控制系统进行配置 组态 调试 维护全部工作站 图 3 5 指出了工程师站对控制器 xcu 的操作项目 图 3 5 工程师站对系统文件的操作 历史站的主要任务是 在过程控制中 存储实时报警 实时数据 实时趋势 等与系统密切相关的数据 进行连续收集 如图 3 6 的方式 对系统进行性能优 化计算 事故分析 故障诊断等 同时也可以通过历史站实现与外部网络的接口 外部网络不用直接访问监控网络就能获取所需测点或回路的数据 既保证了安全 14 西安建筑科技大学硕士学位论文 性 而且又保证了开放性 在硬件上 历史站可与工程师站或操作员站在同一物 理设备上运行 图 3 6 报警历史显示 3 2 4 管理层管理层 高速数据网主要完成实时信息的共享和文件与打印的共享 实时信息是指系 统中的整个数据库 时钟 系统的报警信息 系统通告信息 操作指令以及应答 和工程师的组态指令等 在要求较高的应用中 由于系统的实时性要求很高 所以 tisnet 的高速数据 网分为两个部分 一个为实时数据网 一个为信息数据网 实时数据网通常为冗 余的总线式网络 用于完成实时信息的传送 信息数据网一般用由操作系统直接 支持文件与打印共享的通用网络 信息数据网只连接 hmi 信息数据网能将 tisnet 的信息提供该给日常管理和实时监控系统 日常管理 担任全厂的管理决策 行政管理 计划管理等任务 称为管理信息系统 mis 实 时监控为全厂的工艺系统运行管理层 担任全厂运行优化 性能监视 全厂负荷 分配以及日常运行管理等任务 称为监控信息系统 sis 因为 mis 和 sis 是相对 独立的 所以一般情况下不作为控制的一部分 但mis 和sis 系统也可用tinet 系 统来构成 tisnet 控制系统中在监控层提供与 mis 和 sis 进行数据通讯的接口 程序 接口程序从实时数据库中获得实时数据信息 传送到信息数据网 供 mis 和 sis 使用 tisnet 系统还能通过网络视频信号 接收并显示网络摄像设备传来的 15 西安建筑科技大学硕士学位论文 信息 能连续监视生产现象中设备运行与人员活动的情况 3 3 软件系统 onxdc 软件分两部分 人机接口站 hmi 软件和控制器 xcu 软件 3 3 1 人机接口站 人机接口站 hmi hmi 站的软件结构如图 3 7 图 3 7 hmi 的软件结构 系统主程序 xdcnet 创建实时数据库 显示当前各种状态 启动其他 hmi 的软件 历史收集 收集历史数据 报表收集 制表 根据用户需要 制作出各种报表 标准显示 包括趋势 数据库一览 报警一览和报警显示 图形显示 xview 显示各种模拟图 组态工具 xcucfg 对控制器进行组态 实时数据库接口 实时数据库管理 网络接口 发送和接收各种 xdc 的数据 支持双网冗余 3 3 2 控制器 控制器 xcu 控制器 xcu 的软件结构如图 3 8 16 西安建筑科技大学硕士学位论文 图 3 8 xcu 软件结构 其中 plc 控制器连接现场成套设备 如给煤机 给水泵等等 新华 i o 连接 现场一次仪表 如铂热电阻 压力传感器 电磁流量计等等 控制器 xcu 的主要功能有以下几项 1 六个大类共近 100 个基本模块 包括 i o 模拟 控制 逻辑 操作 时间过程等 2 按用户组态的算法进行计算 将计算结果输出 3 双机冗余处理 一个 xcu 处于主控状态时 另一个可以处于跟踪状态 跟踪主控制机上一周期所有的运行数据和状态 跟踪机和主控机的切换 是无扰的 5 完成数据的采集 包括实际的 i o 和其他系统的 i o 以及其他 xcu 上 的点 6 对所有 i o 点和计算结果等全局点进行报警判断 7 根据 i o 上来的数据以及运算的结果 将全局点向实时网广播 以便 hmi 使用 3 4 本章小结 本章主要讲述 dcs 控制系统构成 因为结合的实际工程应用的是上海新华的 dcs 产品 tisnet p600 因此着重介绍了 tisnet p600 dcs 控制系统的软硬件 以及特点和性能指标 为下面的设计与研究打下坚实的基础 17 西安建筑科技大学硕士学位论文 18 西安建筑科技大学硕士学位论文 19 4 dcs 系统在供热工程中的应用 4 1 dcs 系统的总体设计原则 4 1 1 dcs 覆盖范围覆盖范围 分散控制系统的功能覆盖范围包括数据采集和处理系统 das 模拟量控制 系统 mcs 顺序控制系统 scs 等 同时应具有与其它辅助功能 布袋除尘 正压气力除灰 锅炉点火等 的控制系统和设备进行通讯的功能 并负责相关的 接口工作 以便能通过同一总线传递必要的信息和数据 接受控制系统的统一调 度和指挥 形成完整的控制系统 4 1 2 dcs 组态原则组态原则 1 本工程热工控制系统主要由 dcs 构成 其主要监控范围包括锅炉 除氧给 水 点火油供油 联合站房系统等 降低过程控制总线数据通讯负荷 保证整个 dcs 的可利用率至少为 99 9 2 每台锅炉控制应在不同的控制站中实现 3 分散控制系统的规模 整个 dcs 系统按主要对象划分成 6 个大功能区 其中包括 1 号锅炉 2 号锅炉 3 号锅炉 4 号锅炉 公用系统 含除氧 给水等 联 合站房 每个功能区内根据工艺系统划分若干个功能组 用于完成每组设备控制及操 作 而每一功能组下划分为若干个子功能组 用于完成每个设备的控制及操作 每个锅炉功能区划分 7 个功能组 1 锅炉汽水功能组 2 送引风功能组 3 烟气系统功能组 4 点火油系统功能组 5 给煤供给功能组 6 返料功能组 7 工业水功能组 公用系统功能区划分为 1 个功能组 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 除氧供给水系统功能组 联合站房系统功能区划分为 2 个功能组 1 厂区供水功能组 2 水处理功能组 4 1 3 i o 配置要求配置要求 表 4 1 现场 i o 信号数量 i o 点数约为 2600 点 输入 输出 锅炉 除氧给水 联合站房 总计 4 20ma 126x4 53 58 ao 29x4 11 rtd 32x4 29 tc 53x4 di 182x4 74 106 do 113x4 33 74 总数 535x4 200 238 2578 表格说明 1 由于目前工艺系统存在一些不确定因素 表中的 i o 点数仅为估算数量 在系统配置时必须在此基础上再考虑 i o 备用量不少于 20 2 表中的 i o 点数不包括备用量 也不包括 dcs 内部的硬接线连接点 3 所有的di do必须外加中间继电器 以与外界隔离 继电器采用omlon 或同级别进口产品 4 所有的调节回路 ao 以及其对应的 ai 必须采用冗余配置 5 各类 i o 卡件的备用量至少提供 2 块 6 手动操作按钮的 do 必须采用冗余配置 i o 类型 a 模拟量输入 采用二级隔离 4 20ma 信号 接地或不接地 最大输入阻抗为 250 系统应提供 4 20ma 二线制变送器的直流 24v 电源 且每一分支供电回路的接地和短 20 西安建筑科技大学硕士学位论文 21 路不影响其它分支供电回路的正常工作 每个卡件的通道数大于等于 16 b 模拟量输出 采用二级隔离 4 20ma 信号 最大输出阻抗为 750 负极接到隔离输出端 系统模件应 配置 24v dc 的电源 模拟量输出各通道间应相互隔离 每个卡件的通道数小于等于 8 c 数字量输入 接点接通为 1 开路 电阻无穷大 为 0 负端应接至隔离输出端 系 统应提供对现场输入接点的 查询 电压 48 120vdc 且每一分支供电回路的 接地和短路不影响其它分支供电回路的正常工作 每个卡件的通道数大于等于 32 d 数字量输出 数字量模件应采用隔离输出 并通过中间继电器驱动电动机 阀门等设备 中间继电器的工作电源应由输出卡件提供 所有中间继电器输出为双刀双掷 dpdt 类型 输出接点容量要求 230vac 115vdc 230vdc i 接点闭合 感性回路 5a 10a 5a ii 连续带电 5a 5a 5a iii 接点分断 2 5a 2a 0 5a 每个卡件的通道数小于等于 32 e 热电阻 rtd 输入 三线制的 cu50 pt100 等类型的热电阻 每个卡件的通道数小于等于 8 f 热电偶 t c 输入 能直接和热电偶信号 分度号为 e k 型 相匹配 并能满足接地型热 电偶的要求 整个工作段的热电偶 线性化 不需要经过数据通讯总线 而可以在 i o 模件内完成 每个卡件的通道数小于等于 8 g 脉冲量输入 每秒至少可以接收 6800 个脉冲 脉冲信号的频率 宽度和信号特性在设计联 络会上确定 西安建筑科技大学硕士学位论文 每个卡件的通道数小于等于 8 i o 清册详见附录 b 4 2 锅炉 dcs 系统设计 单台锅炉 通过第三章中对上海新华 tisnet p600 dcs 软硬件的介绍 结合实际工程 进 行锅炉 dcs 系统的设计 系统的结构框图如图 4 1 所示 图 4 1 锅炉 dcs 系统结构框图 4 2 1 硬件配置硬件配置 1 网络配置 双环冗余工业以太网 采用 tcp ip 通讯协议 通讯速率为 10m 100m rj45 双绞线 光缆 2 上位机配置 操作员站 opu 2 台 pentiumiv 2 8ghz 标准配置 工程师站 eng 1 台 pentiumiv 2 8ghz 标准配置 历史站 hsu 1 台 pentiumiv 2 8ghz 标准配置 打印机 1 台 黑白激光 a3 记录打印机 打印机 1 台 彩色激光 a3 图形打印机 打印机 1 台 针式宽行打印机 3 下位机 22 西安建筑科技大学硕士学位论文 a 分布式控制单元 xcu 每台 xcu 配置的卡件如表 4 2 所示 表 4 2 xcu 配置 主机卡 cpu 主频 300mhz 64mb ram 美国 cf 卡 128mram 新华 oem 网络接口卡 美国 双机切换板 进口件新华 组装 b i o 卡 所有控制器的 i o 输入 输出 卡采用 tisnet p600 的通用 i o 卡 各种面 板的外形如图 4 2 所示 图 4 2 tisnet p600 i o 卡外形图 4 现场变送器 执行机构 现场变送器有热电阻 压力变送器 流量计 液位变送器等 执行机构主要 风阀 水阀等 具体型号及规格详见附录 b 中的仪表说明表 4 2 2 汽包水位控制系统输入输出通道设计汽包水位控制系统输入输出通道设计 1 输入通道 液位计 水位测量值 i o 接口 xcu 分布式控制单元 23 西安建筑科技大学硕士学位论文 上位机 显示 打印 在输入通道中 xcu 需进行数据的采集 滤波 和 a d 转换 其中 a d 转换是将模拟信号 4 20ma 标准信号 转换成计算 机可以识别的数字信号 数据采集和滤波的原理详见本章 4 3 节 2 输出通道 上位机发出水位指令 xcu 分布式控制单元 给水阀 在输 出通道中 xcu 主要完成 d a 转换 也就是将数字信号转换成模拟信号 4 20ma 标准信号 4 3 控制系统实施方案 4 3 1 数据采集 处理和显示系统 数据采集 处理和显示系统 das 一 数据采集 数据采集是对机组的现场生产的实时数据进行检测采 经处理后传输到人机 接口设备 从而显示 打印 报警及存储 图 4 3 为计算机数据采集系统框图 图 4 4 为数据采集的程序流程图 图 4 3 计算机数据采集系统框图 24 西安建筑科技大学硕士学位论文 图 4 4 数据采集程序流程图 各种 i o 设备提供的对外数据接口可分为以下几类 1 数字通讯接口 包括 i o 卡 以太网 tcp ip 协议 类 2 模拟量通道输出 设备直接提供 4 20ma 信号 数据采集有 dcs 系统的 i o 模块通过现场的一次仪表 信号采集装置采集的 工艺过程参数和设备状态 例如流量 温度 压力 液位 设备启停等模拟量和 开关量信号 从而使现场数据传输到 dcs 内部 变为数字信息进行处理 1 现场的模拟量需经过放大倍数 滤波 采样周期 报警 线性及非线性变换 热偶补偿以及信号转换等预处理 2 现场的开关量要经过报警设置 防抖处理等预处理 在数据预处理中 由于锅炉系统生产现场的环境非常恶劣 干扰很厉害 对 采样数据影响很大 所以数字滤波技术就成了数据采集中非常关键的一个步骤 数字滤波就是经过特定的计算程序处理 目的是减少干扰信号在有用信号中 所占的比例 实际上它也是一种程序滤波 数字滤波有很多种方法 其中最适合 锅炉控制系统的方法就是 中值滤波法 图 4 5 为中值滤波程序的流程图 25 西安建筑科技大学硕士学位论文 中值滤波程序 循环初值 1 j i 1 s i n i i 1 i n 1 da 中间值 返回 y y y n n n 图 4 5 中值滤波程序流程图 二 数据处理 为了得到 dcs 的二次参数 已经预处理的现场信息需经过数据计算处 理进行再加工 主要处理方法如下 1 一次计算 它主要是对现场数据进行补偿和修正 一般常用计算公式补 偿法 如流量补偿 汽包水位补偿等 2 二次计算 它主要是对测点求和差 累计 最大值 平均值以及信号选 择 如蒸汽热量 压差 温差等 3 性能计算 如锅炉热效率等 三 数据显示 数据显示主要包括锅炉主菜单显示 子系统状态显示 报警显示以及参 数显示 26 西安建筑科技大学硕士学位论文 图 4 6 锅炉主菜单 图 4 7 锅炉燃烧系统 27 西安建筑科技大学硕士学位论文 图 4 8 锅炉报警系统 图 4 9 锅炉测点参数 4 3 2 数据通讯系统数据通讯系统 dcs 的主要数据通过网关传输至全厂管理信息系统 mis 中 通过工业以 太网形式连接 其作用是在软件上实现数据及通讯协议的转换 在硬件上实现系 统的隔离 避免外界对 dcs 的干扰 通讯站负责将分布在现场的远程数据采集前 端所采集的数据通过硬接线方式传入 dcs 系统 通讯站通过 rs485 与各个采集前 端连接 并将数据上传到 dcs 的工业以太网上 此项目的远程数据包括锅炉现场 28 西安建筑科技大学硕士学位论文 29 的温度 压力等 4 3 3 模拟量控制系统 模拟量控制系统 mcs 循环流化床锅炉模拟量控制系统 mcs 主要包括 主汽温调节 汽包水位调节 母管压力调节 炉膛压力调节 主汽压调节 床温调节 给煤量调节 总风量调 节 石灰石量调节 一次风量调节 二次风量调节 二次风压调节等 下来着重将介绍床温调节系统 一 二次风调节系统和炉膛压力控制系统的 控制思路 一 床温调节系统 床温调节是循环流化床锅炉独有的一个系统 1 床温控制目标 850 920 过高 容易结焦 过低 影响燃烧效果甚至导致熄火 2 影响床温的因素 a 煤种变化或燃用煤矸石和好煤时混合不均匀 b 给煤量控制不均匀 c 煤粒直径控制不严或排渣不及时 d 料床 密相区 高度 特别是间歇放渣 e 负荷增加时加大给煤量加风不够导致燃烧不良 f 负荷变化 g 风煤配比不当 西安建筑科技大学硕士学位论文 图 4 10 床温控制 二 一次风调节系统 1 一次风的作用 a 流化状态的建立 b 流化质量的好坏 c 床料在密相区的流态燃烧 d 床温的高低 e 床压的高低 2 一次风的控制影响因素 燃料量和床温等因素 3 控制对象 一次风门挡板 通过控制一次风门挡板来控制一次风量 根据总风量信号和床温的修正 减 去点火增压风量 产生一次风量给定 其与测量值之差经过 pid 运算后 控制相 应调节挡板的动作 一次风量必须保证炉膛内物料能够沸腾循环 同时如果床温 超限则适当加大一次风量给定 4 控制回路 总一次风量控制及入喷嘴一次风量控制两个回路 a 一次风量控制分总入喷嘴一次风量控制和一次风量控制两个回路 总一次风 量调节控制器依据风量主控指令来保持进入锅炉的总一次风量在一定得范围内 功能发生器的输出量与一次风喷嘴的一次风测量值之和为总一次风量的整定值 30 西安建筑科技大学硕士学位论文 此加法器还接收到床温的修正回路信号 以调节所需的一次风量 从而达到控制 床温的目的 此整定值和总一次风量比较之后经过 pi 调节确定一次风机进口的叶 片位置 b 在入喷嘴一次风量控制系统中 通过功能发生器后 风量主控信号进入加法 器 此加法器还接收床温大修正回路的信号当作喷嘴一次风量的指令 此指令送 往入喷嘴一次风量 pi 调节器 以此来整定入喷嘴一次风量挡板的位置 图 4 11 一次风控制 三 二次风调节系统 1 二次风的作用 确保从密相区溢出的可燃物在稀相区 悬浮段 得到进一步的富氧燃烧 使 燃料在炉膛内充分燃烧 降低炉膛