锅炉内胆水温定值控制系统的设计

1、毕业综合实践毕业综合实践 成果名称：成果名称： 锅炉内胆水温定值控制系统锅炉内胆水温定值控制系统 届别：届别： 20112011 届届 二级学院（部）：二级学院（部）： 物流技术学院物流技术学院 专业名称：专业名称： 计算机控制计算机控制 班级名称：班级名称： P P 学生姓名：学生姓名： 童亚峰童亚峰 学生学号：学生学号： 指导教师：指导教师： 吴响容吴响容 目录目录 摘摘 要要.1 引言引言.2 一、系统总体方案分析一、系统总体方案分析.2 （一）被控对象分析 .2 （二）工程描述 .3 二、系统组态分析二、系统组态分析.4 （一）建立工程 .4 （二）编辑数据库 .4 （三）设备组态 .

2、5 （四）服务器算法组态 .5 （五）控制器算法组态 .6 （六）流程图绘制 .6 三、系统调试三、系统调试.8 （一）电源连接 .8 （二）测试步骤 .8 四、总结四、总结.10 参考文献参考文献.11 锅炉内胆水温定值控制系统的设计方案 作者：童亚峰 学校指导老师：吴响容 单位指导师傅：余琪 摘 要 集散控制系统（Distributed Control System）结构：控制站（总线结构） +操作员+通讯网络及网间连接器；特点：分散控制、集中监视与操作，本实验 采用 HOLLiAS-MACS 系统。 本实验介绍的是通过循环动态水，以及三相可控硅调压装置，使其锅炉内 胆水温保持在给定值，该

3、系统由水箱、阀门、变频器、磁力泵、锅炉内胆、三 相可控硅调压装置、电加热管、温度传感器、可编程逻辑控制器等组成。PID 控制器通过检测温度信号实时控制调节阀的开度以及可控硅的电压，使锅炉内 胆水温保持在给定值左右的一定范围之内。该系统不仅采用自动控制原理，而 且采用控制调节阀流量的开度的可变量来精确的控制锅炉内胆的水温。 本实验设计的目的： 1、了解单回路温度控制系统的组成与工作原理; 2、研究锅炉内胆静态水温 PID 控制; 3、分析锅炉内胆动态水温与静态水温在控制效果上有何不同之处。 关键词：HOLLiAS-MACS 系统 温度 自动控制 PID 锅炉内胆水温定值控制系统的设计方案 引言

4、MACS 是和利时继承以往 DCS 系统开发、使用的经验，充分融合信息技术、电子技术 和自动控制技术的最新发展而开发的第三代 DCS 系统MACSTM（Meet-All- Customers-Satisfaction）系统， MACS 完全基于开放的现场总线标准ProfiBus，该系 统已经成功地应用于多台火力发电机组的全功能控制以及秦山核电 600MW 机组的 KIT/KPS 及控制。 国内的 DCS 起步比较晚，20 世纪 90 年代初国内产生了一些 DCS 厂商，经过市场竞 争，目前比较有代表性的有北京和利时、浙大中控和上海新华三家公司。HOLLiAS-MACS 系统是和利时公司在 HS

5、-DCS-1000、HS-2000 基础上，设计、开发的大型分布式控制系统， MACS 是 Meet All Customer Satisfaction 的缩写。该系统采用全分散的模块化结构，同时在 管理层功能上进行了许多开拓，如 MES（生产执行系统）的 SCADA（监视与人机接口） 功能、ERP（企业管理）软件等。 一、系统总体方案分析 （一）被控对象分析 锅炉内胆水为动态循环水，变频器、磁力泵与锅炉内胆组成循环水系统。如图 1 所示： 图 1 本实验采用 MACS 系统组态软件进行，由于自动控制的时候考虑到机械及机器会出现 故障，设置的调节阀可在及其出现故障时，非自动的情况下，手动进行调

6、节开度，是锅炉 内胆保持给定值，运用在大型生产过程中采用手动和自动模式替换操作达到整个生产的能 耗最低，效益最大化。被控变量为锅炉内胆水温，要求锅炉内胆水温等于给定值。实验前 先通过变频器、磁力泵支路给锅炉内胆打满水，然后关闭锅炉内胆的进水阀门 。待系统运 行后，变频器磁力泵再以固定的小流量使锅炉内胆的水处于循环状态。在内胆水为静态 时，由于没有循环水进行热交换，而三相电加热管功率为 4.5KW，从使内胆水温上升相对 快速，散热过程又比较缓慢，而且调节的效果受对象特性和环境的限制，导致系统的动态 性能较差，即超调大，调节时间长。改变为循环水系统后，有利于热交换，加快了散热能 力，相比于静态温度

7、控制实验，在控制的动态精度、快速性方面有了很大地提高。系统采 用的调节器为工业上常用 AI 智能调节仪。图 2 为锅炉内胆动态水温控制系统的结构示意图。 因可控硅调压模块是通过输入信号使电源电压变化，实验前，先用万用表测可控硅模块输 入端的电压，再测输出端的电压看是否变化。当给锅炉加热时，应使输出端电压为 60V 左 右，而一旦超过设定值，可控硅的输出电压为最小。这样，电加热管停止加热，使温度超 过设定值不会太高便于散热。本项目的任务就是设计一套方案，使锅炉内胆的水温保持在 设定值。 图 2：锅炉内胆动态水温控制系统的方框图 （二）工程描述 1工程名称：GLND 2硬件配置： 1）这是个简单的

8、工程因此点比较少，所以操作员站 OPS 只需要一个，兼任工程师站， 服务器 SVR：采用单机结构； 2）现场控制站 FCS：1 个； 3）锅炉内胆水温定值控制系统需要一个输入测量信号，一个输出控制信号。因此需要 一个模拟量热电阻输入模块 FM143A 和一个模拟量输出模块 FM151。现场 IO 模块数 量及地址分配如表 3.1 所示； 4）以太网结构：上层管理监控网和系统网公用，网段为 128、129。 表 3.1 IO 模块数量地址 FM143A13 FM15114 3功能要求： 1）服务器算法：建立“服务器负荷率”计算方案页； 2）控制器策略：采用 CFC 语言，实现锅炉内胆水温定值控制

9、功能。 二、系统组态分析 （一）建立工程 在数据库总控里建立一个工程名：GLND；将该工程分配到 1 号组 0 号域。 （二）编辑数据库 1锅炉内胆水温定值控制系统需要一个输入测量信号，一个输出控制信号。因此需要 一个模拟量热电阻输入模块 FM143A 和一个模拟量输出模块 FM151。FM143A 的通道 1 采 集锅炉内胆温度 TT1，控制输出信号由模拟量输出模块 FM151 的通道 3 送出，去控制调压 模块输出 AO2，通过改变电动调节阀的开度 AO0，用来施加阶跃干扰作用。 2在数据库总控里编辑数据库时，必须把表 3.2 和表 3.3 和表 3.4 三个表所示的通道 数据和定义添加到

10、工程锅炉内胆水温定值控制中。 表 3.2 记录 序号 通道号采样 周期 设备号点说明量程 下限 量程 上限 输出格式点名信号范围站号 1113锅炉内 胆温度 0100XXXXXXTT1PT100_RT D 10 表 3.3 记录 序号 当前值通道号采样 周期 设备号点说明量程 下限 量程 上限 输出格式点名站号 10114电动调节阀输 出 0100XXXXX X AO010 20314调压模块输出0100XXXXX X AO210 3另外，为了保证“服务器负荷率”计算方案页编译成功，还必须在数据库总控里编 辑数据库时，在“AM”类型数据库里添加“FUHE00”中间量点，并且“FUHE00”点在

11、 数据库里站号为“0” 。 表 3.4 记录序号点名点说明站号 1FUHE00服务器负荷率0 （三）设备组态 1根据以上工程描述，该工程的系统图如图 3 所示。 图 3 2在设备组态时仍按照“标准工程”组态，由于该工程采用单以太网结构，因此需要 手动配置服务器前两块网卡和操作站两块网卡的 IP 地址。具体配置如下： 1） 、服务器配 4 块网卡： 其中前两块为上层管理监控网需要配置 IP 地址，需要手动配置 IP。 A 网 IP 地址：128.0.0.1 B 网 IP 地址：129.0.0.1 后两块网卡为系统网，系统网不必配置 IP 地址。 2） 、50 操作站配 2 块网卡。需要手动配置

12、IP A 网 IP 地址：128.0.0.50 B 网 IP 地址：129.0.0.50 3） 、完成工程 锅炉内胆水温定值控制 的设备组态。 （四）服务器算法组态 组态一个服务器算法页，算法也的内容为“服务器负荷率”计算，公式如图 4 所示。 图 4 （五）控制器算法组态 首先选择工程“锅炉内胆水温定值控制”的“10 站” ，完成 PID 模块的导入 hasac.lib，资源的建立，模块的建立。 1创建 POU 在对象组织器中，选中 POUs，新建一文件夹，重命名为“LHF” ，然后选中文件夹， 单击鼠标右键，选中“添加” ，弹出创建 POU 窗口，新 POU 命名为“S03_LOOP” 、

13、POU 类型选“程序” 、POU 语言选“CFC” 。 2声明变量 在资源全局变量中声明变量。注意：一条声明要写在一行中。 VAR_GLOBAL SINGLE03:BOOL; PID04:HSPID:=(SP:=0,CP:=0.5,DL:=100,MC:=0,RM:=0,PT:=100,TI:=30,KD:=10, OT:=100,OB:=0,PK:=0,OM:=0,AD:=1,ME:=1,AE:=1,CE:=0,PU:=100,PD:=0); ENG_VAR 3编写主程序 P_H_E(); P_H_RTD(); P_H_CT(); P_H_TC(); P_H_PI(); GetSysInfo

14、(); GetDPDevState(); IF SINGLE03 THEN S03_LOOP(); END_IF P_E_H(); 4编写子程序 子程序如图 5 所示。 图 5 5编译工程 编写好后选择“工程全部再编译” ，检查是否有错误。直至编译成功，保存工程，退 出。 （六）流程图绘制 1绘制静态图形 在工程“GLND”中，新建一个图形文件，利用绘图工具绘制如图 6 所示的锅炉内胆 水温定值控制系统的静态图形。 图 6 2 设置文字动态特性 1） 、单击锅炉内胆温度的文字特性 XXX . X，右击鼠标选择动态特性。设置文字特 性：在“文字”标签中选择“有文字特性” ，点名为 TT1，项名为

15、 AV，域号为 0，其他选 择默认。 2） 、单击电动阀调节开度的文字特性 XXX . X，右击鼠标选择动态特性。设置文字 特性：在“文字”标签中选择“有文字特性” ，点名为 AO0，项名为 AV，域号为 0，其他 选择默认。 3设置增减交互特性 1） 、单击电动调节阀控制的增减值特性“+” ，右击鼠标选择交互特性，设置增减值特 性：在“增减值”标签中选择“有增减值特性” ，点名为 AO0，项名为 AV，域号为 0，增 量为 0.5，其他默认选择。 2） 、单击电动调节阀控制的增减值特性“ - ” ，右击鼠标选择交互特性，设置增减值特 性：在“增减值”标签中选择“有增减值特性” ，点名为 AO

16、0，项名为 AV，域号为 0，增 量为 - 0.5，其他默认选择。 4设置推出窗口交互特性 单击锅炉内胆温度的文字特性 XXX . X，右击鼠标选择交互特性。设置交互特性： 在“推出窗口”标签中选择“有推出窗口特性” ，窗口类型为“PID 窗口” ，PID 点名为 “PID04” ，域号为 0，其他选择默认。 5设置 Tip 显示交互特性 单击锅炉内胆温度的文字特性 XXX . X，右击鼠标选择交互特性。设置交互特性： 在“Tip 显示”标签中选择“有 Tip 显示特性” ，选择“显示固定字符串” ，输入显示内容 “点击可修改参数！”其他选择默认。 6设置在线修改交互特性 单击电动阀调节开度的

17、文字特性 XXX . X，右击鼠标选择动态特性。设置文字特性： 在“在线修改数据库点值”标签中选择“有在线修改特性” ，点名为 AO0，项名为 AV，域 号为 0，其他选择默认。 7保存文件 将刚才绘制的锅炉内胆水温定值控制系统流程图保存，图形文件名为 GLND，图形组 态完毕。 三、系统调试 （一）电源连接 三项电源输出端 U、V、W 对应连接到三相 SCR 移相调压装置的三相电源输入端 U、V、W 端；三相 SCR 移相调压装置的三相调压输出端 U0、V0、W0 接至三相电加热管 输入端 U0、V0、W0；三相电源输出端 U、V、W 对应连接三相磁力泵（380V）的输入 端 U、V、W；电

18、动调节阀220V 输入端 L、N 接至单相电源 III 的 3L、3N 端。将控制屏 上的直流 24V 电源（+、）端对应接到 FM 模块电源输入（+、）端。 （二）测试步骤 1按上述要求连接完实验系统，打开图 1 对象相应的水路（打开阀 F1-1、F1-2、F1- 5、F1-13，其余阀门关闭） ； 2用电缆线将对象和 DCS 控制台连接起来； 3用电动阀支路给锅炉内胆和夹套均打满水，待实验投入运行之后，用电动阀支路以 固定的小流量给锅炉内胆打循环水冷却； 4合上 DCS 控制屏电源，启动服务器和主控单元； 5在工程师站的组态中选择该工程进行编译下装； 6启动操作员站，选择运行界面中的实验；

19、 7启动对象总电源，并合上相关电源开关（三相电源、单相 III） ，开始实验（如果是 控制柜，打开三相电源总开关、三相电源、单相开关，并同时打开三相调压模块和 三相磁力泵电源开关、电动调节阀电源开关控制站电源开关） ； 8手动操作调节器的输出，并根据对象的阶跃响应曲线求得对象的 K、T 和值， 确定 PI 调节器的参数和 TI，并整定之。在流程图的温度测量值上点击左键，弹出 PID 窗口，进行相应参数的设置；由于热电偶温度升得快降得慢所以静态控制跟动态控制的效 果是不一样的，动态控制比静态控制的升温过程稍慢，降温过程稍快。无论操作者采用静 态控制或者动态控制，本实验的上位监控界面操作都是一样的

20、。 本系统主要涉及两路信号，一路是现场测量信号锅炉内胆温度，另外一路是控制移项 调压模块输出的控制信号。 1）接通控制系统电源，打开用作上位监控的 PC 机，进入后的控制系统主界面。 2）在实验主界面中选择本实验项即“锅炉内胆水温 PID 控制实验” ，系统进入正常的 测试状态，呈现的实验界面如图 7 所示。 图 7： 控制系统界面 3）在上位机监控界面中点击 “手动” ，并将输出值设置为一个合适的值，此操作既可 拉动输出值旁边的滚动条，也可直接在输出值显示框中输入。 4）合上三相电源空气开关，三相电加热管通电加热，适当增加/减少输出量，使锅炉 内胆的水温稳定于设定值。 5）按本章第一节中的经

21、验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择 PID 控制规律， 并按整定后的 PID 参数进行调节器参数设置。 6）待锅炉内胆水温稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待水温稳定后， 突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干 扰，此增量不宜过大，一般为设定值的 515%为宜） ，锅炉内胆的水温便离开 原平衡状态，经过一段调节时间后，水温稳定至新的设定值。点击实验界面下边的 切换按钮，观察实时曲线、历史曲线、数据报表所记录的设定值、输出值，内胆水 温的响应过程曲线将如图 8 所示。 图 8 内胆水温的响应过程曲线 7）适量改变控制器的 PID 参数，重复步骤

22、6，观察计算机记录不同参数时系统的响应 曲线。 8）开始往锅炉夹套打冷水，重复步骤 37，观察实验的过程曲线与前面不加冷水的 过程有何不同。 9）采用 PI 控制规律，重复上述实验，观察在不同的 PID 参数值下，系统的阶跃响应 曲线。 9设置好温度的给定值，先把调节器的输出设为手动，通过三相移相调压模块给锅炉 内胆加热，等锅炉水温趋于给定值且不变后，由手动切换为自动，使系统进入自动 运行状态； 10当系统稳定运行之后，突加阶跃扰动（将给定量增/减 5%15%） ，观察系统的输 出响应曲线； 11待系统进入稳态后，适量增大或减小电动阀的开度（加扰动） ，观察在阶跃扰动作 用下锅炉内胆水温的响应过程； 12通过反复多次调节 PI 的参数，使系统具有较满意的动态性能指示。 在实验中可点击窗口中的“趋势”下拉菜单中的“综合趋势” ，可查看相