电站锅炉汽温控制系统仿真P3DCS-上海电力

1、 上海电力学院 课 题： 基于DCS技术的炉膛温度串级控制 系统设计与仿真实现 专 业： 自动化（电站方向） 班 级： 2XXXXXXX _ 姓 名： XXXXXXX 学 号： XXXXXXX 指导教师： XXXXXXX 一、课程设计目的 采用P3DCS系统设计完成电站锅炉汽温串级控制系统并进行参数整定和调试，包括数据库组态，SAMA图组态，流程图组态，操作器组态，设计手动和单回路自动控制，串级自动控制等控制方案，并实现手自动无扰切换和报警，设计相应的模拟量控制和逻辑控制方案并实现，进行仿真，参数整定与系统调试。2、 课程设计内容 采用P3DCS系统设计完成电站锅炉汽温串级控制系统并进行参数整

2、定和调试，包括数据库组态、SAMA图组态、流程图组态、操作器组态，设计手动和单回路自动控制、串级自动控制等控制方案，并实现手自动无扰切换和报警，设计相应的模拟量控制和逻辑控制方案并实现，进行仿真、参数整定与系统调试。其中上减温器出口汽温的对象传递函数为过热器出口汽温的传递函数为其它执行器和测量电路的传递函数简化为K = 13、 系统概述电站锅炉过热汽温控制系统常采用经典型串级控制系统结构。电站锅炉过热汽温控制系统的任务是使过热器出口过热汽温维持在允许范围内。电站锅炉过热汽温受控对象的结构图如图1所示。由图可见，减温水流量W由减温阀控制，减温器出口的气温为，过热器出口汽温为 燃料在炉膛燃烧后。通

3、过在P3DCS组态软件的使用下，设计一个串级控制系统。设计串级回路控制的目的就是在控制系统中加入副回路，从而加快系统的调节速度和增强系统的动态性能。主副回路控制系统的PID参数采用两步整定法，先整定副回路炉膛温度的PID参数使之达到稳定，然后再整定主回路的参数使之达到稳定的状态。并通过P3DCS组态软件对系统的曲线进行实时监控，调出最优PID参数。系统的工艺流程如下图（图 1）所示：W减温器减温水减温阀过热器图 1 根据电站锅炉的结构，我们设置一个串级控制回路，把过热器出口作为串级控制系统的主控制回路，减温器出口温度作为串级的副控制回路。从而得出串级控制系统的方框图如（图2）所示：过热器减温器

4、 图 24、 课题设计及其步骤第一部分 硬件设计减温器出口温度过热器出口温度D/A转换器电源伺服放大版CRT板内存板键盘及自诊断板滤波版键盘CPU板显示器CRT打印机打印机STD（内部）总线外部总线根据图2系统示意图，硬件设计采用STD总线IPC来进行 图2-1-1 IPC硬件组成框图硬件组成说明：1、 CPU板及打印机、CRT板及CRT、键盘及自诊断板及键盘、内存板、电源、构成了STD工业控制基本系统；2、 自诊断板：使用了WDT看门狗技术，无论何种原因引起死机，自诊断系统能在1s2s内测出并恢复正常运行，整个计算机系统工作可靠；3、 减温器和测温器出口温度测量由测温电路组成，检测检测主、副

5、回路管道送来的温度信号；4、 D/A转换器是温度信号的驱动口板，计算机系统检测减温器与过热器出口温度与设定值进行比较，并对其偏差进行PID运算，其运算结果通过D/A转换器由数字量转换为模拟电压信号量输出至伺服放大板，从而控制主调节阀；5、 伺服放大板：相当于电动单元组合仪表中的伺服放大器，接收来自D/A转换器输出的温度信号，检测温度的实际值，若实际值与D/A转换器输出的温度有偏差，则减温阀动作，达到与D/A输出一致的位置后停止，实现计算机系统对调节阀的控制；6、 滤波板：对STD总线有关信号进行滤波处理，提高整个系统的可靠性。第二部分 软件设计本次课程设计主要有两个方面的工作：即是组态设计和系

6、统调试：1、 组态设计 1）系统配置组态主要是指DCS中工程师站、操作员站、控制站的主机系统配置信息及外设类型，I/O卡件信息，电源布置，控制柜内安装接线等。2） 实时数据库组态 数据库组态是系统组态中应尽早完成的工作，因为只有有了数据库，其他的组态工作（控制回路组态、画面组态等）才可以调试。运行P3DCS软件，首先进行I/O配置：点击系统数据库图标，进行各参数的点名与说明。由于本次设计要求是双容水箱串级控制系统，所以数值量有炉膛温度PV2、管道原油出口温度PV1、设定值SP、主控制器输出AO1、副控制器输出AO2、控制器输出AO等，逻辑量有控制器状态DO等。保存后关闭窗口，进行SAMA图组态

7、的制作。如图4所示：图 43）控制算法组态控制算法组态指的是将系统设计时规定的模拟量控制、开关量控制等功能用DCS算法予以实现。点击SAMA图组态图标，打开SAMA图制作窗口。SAMA图组态用于将系统内部定义的功能算法模块按照逻辑组合起来，编译下装到过程控制站中进行调用和执行。由于本次课程设计是串级回路控制系统，所以我采用系统自带的2个PID功能块、1个M/A手操器功能块和若干线性功能块来构成SAMA图的基本框架。PID1（左）用于控制原油出口温度，PID2（右）用于控制炉膛温度，M/A用于设定原油出口温度的目标值，线性功能块用于代表被控对象的特性。根据串级回路的结构特点，绘制SAMA图如图5

8、所示：图 5将各功能块的参数设为需要的值，并将其与数据库中的数据点一一对应，再用输入输出功能块引出，连接到显示界面。TR为跟踪接口，用于实现控制器的手动/自动的无扰切换。保存后关闭窗口。4） 操作员站显示画面组态用矩形、棒状图和折线绘制管式加热炉、管道，阀门等，实时曲线绘制黑色表格。将加热炉与对应的数据点连接起来，PV1对应过热器出口温度，PV2对应减温器出口温度，并设定上下限与填充色。实时曲线也同样与数据点对应，设置上下限与颜色，保存文件。其效果图如图6：图 6然后绘制操作窗口组态：同样用矩形和棒状图绘制操作器数值显示条，并将其与各模拟数据点一一对应，设置上下限并填充颜色。指示灯用于指示控制

9、器工作状态，6个按钮用于自动控制时增减设定值，手动控制时增减控制器输出。将SAMA图中模块号对应到按钮上，就能实现SP值的便捷修改，方便操作员在发现情况后直接修改参数。手动/自动按钮用于切换控制状态，SP增/减按钮用于自动状态下设定值的增减，AO增/减按钮用于手动状态下控制器输出增减。效果图如图7：图 7将操作显示界面与监控界面连接起来，如此一来在操作员站的监控画面下，可以直接点击控制阀来调处操作显示界面，进行参数的调节，或实现手动自动的切换。如图8：图 85） 趋势组态趋势组态用于显示现场数据点的实时/历史趋势。为了方便读取数据，我制作了实时趋势图。点击趋势显示按钮，新建实时趋势显示图，将曲

10、线与数据点对应连接起来，设定上下限与填充色。2、系统调试 设计要求进行动态调试。所谓动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。由于生产过程已经处于运行或试运行阶段，此时应以观察为主，当涉及到必需的系统修改时，应做好充分的准备及安全措施，以免影响正常生产，更不允许造成系统或设备故障。动态调试一般包括以下内容： 1）观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常； 2）检查控制系统逻辑是否正确，并在适当时候投入自动运行； 3）对控制回路进行在线整定； 4）当系统存在较大问题时，如需进行控制结构修改、增加测点等，应尽量在停机状态下重新组态下装。若条件不允许，也可进行在线组态，但要熟悉在线组态的各个环节

11、并做好应急措施。（1）PID参数整定 1）断开主回路，用衰减曲线法，整定内回路副调节器，P作用。反复调整，做定值阶跃扰动实验，直到衰减率0.750.9。 2）闭合主回路，用衰减曲线法，整定外回路主调节器，PI作用，反复调整主调节器并做定值阶跃扰动实验，直到衰减率0.9。记下比例带，测量上升时间。按照公式计算PID参数。 3）按计算参数设置PID，做定值阶跃扰动，观察曲线。 4）细调主副调节器参数，直到满意为止。五、课题设计实验结果1.编译SAMA图，如图9所示。图 92.开始运行（图10）与系统诊断（图11） 图10图113. 运行调试结果如图12：图 12使用matlab对串级系统经行建模，

12、运用了PI控制。先单独调节副回路，再将副回路放进主回路一起调整。最后得到两个回路的参数。副回路：K1比例增益=1.2 K2积分时间=0；主回路：K1=1.2 K2=0.25.4.实时趋势如图13：图 13超调量小于5%，系统稳定时间在1.6分钟左右，可见控制的效果还是不错的.5.监控显示画面效果如图14所示：图 146. 无扰切换：首先，如果将手动打到自动出现控制器输出变0的情况（图15）：图 15其原因在于PID控制器没有进行组态跟踪，添加2个跟踪信号编译如图16：图 16最后在手动切到自动时控制器输出不会变化，如图17：图 17勿扰切换下，手动方式，增加输入AO,操作员组态如图18；实时曲

13、线如图19所示：图 18 操作员组态手动方式图 19 手动方式增加输出7.加入单位阶跃扰动： SAMA图如图20所示；实时曲线如图21所示。图 20 单位阶跃扰动SAMA图图 21 单位阶跃扰动曲线自动方式下，增加设定值SP，曲线如图22。图 22 阶跃扰动SP+15、 实验心得小结由于之前没有学过DCS软件，不过在老师的PDF的帮助下我很快地就上手了。在绘制SAMA图时由于一开始使用左键连线所以在监控界面曲线没显示之后使用右键将线链接出来解决了问题。在无扰切换的环节时，通过采用2根跟踪信号又解决问题了。通过这次实践课，使我对在自控原理里学到的PID控制方法运用和过程控制中参数整定的加以练习，又对P3DCS这款软件得到了