模糊PID控制-火电厂水汽系统设计

1、I 摘摘要要在热力发电厂中，水汽品质是一项重要指标。好的水汽品质可以提高热力设备的性能，延长设备的使用寿命，节约能源，减少事故发生率。反之水汽品质的失调将会给电厂的热工设备造成不同程度的损伤，给机组的安全和电厂稳经济运行带来隐患。所以水汽采样和化学加药是电厂热工过程的两个重要环节。本文根据水汽采样和化学加药的工艺特点，从硬件和控制算法两方面着手设计热力发电厂化学加药控制系统，采用上位机和下位机相结合的系统。上位机用工业计算机和组态软件构成友好的人机界面，方便了系统的操作；下位机采用西门子 S7 400H PLC 进行数据采集和化学加药控制。用工业以太网构成管理层，负责上位机和下位机之间、本系统

2、和电厂其它系统之间的通信。现场总线构成现场设备的控制层，负责现场设备和 PLC 间的数据传输。设计上从上位机、下位机、以太网到现场总线均采用了冗余结构，来提高监控系统的可靠性。并把这样的系统作为电厂 DCS 的子系统。为提高系统的实时性，本文研究了 DCS 的通信问题，介绍了一些提高通信能力的方法。随着电厂规模的日益扩大，工艺水平的不断提高，要求采用更新颖的控制技术来满足工艺的需要。由于化学加药控制系统的非线性、大时滞、时变的特点，常规的控制方法难以获得满意的控制效果。为了提高系统控制的鲁棒性和自适应能力，本课题将模糊控制引入到热电厂化学加药控制系统中。在算法方面，经过研究决定采用参数自适应模

3、糊 PID 自动加药控制代替手动控制或是传统 PID 控制，并用仿真曲线来分析其动态性能和抗扰动能力。仿真结果表明，该策略的控制效果优于常规的 PID 控制，它能适应对象参数的变化，具有较强的鲁棒性和自适应能力。关键词:现场总线；加药；时滞系统；模糊 PID 控制；IIAbstractIn the thermal power plant, the parameters of water and steam of thermal system is a importance target. The good parameters of water and steam of thermal sys

4、tem can improve the performance of thermal equipment, and prolong the useful life of equipment, the using of devices, and save energy, reduce the ratio of the accidents. Contrarily, it will cause varying degrees of damage inthermal equipment of the Power Plant, and bring hidden troubles in the secur

5、e and economic running of the power plant, so, the chemical vapor sampling and Dosing is an important link for thermal power plant.On the bases of the Technological requirements of the water and steam of thermal system chemical and the dosing control system, the hardware and control algorithm is des

6、igned in the paper. In the hardware design, the upper and the hypogynous are combined in the design, the upper of the system is composed of PC and SCADA to be made of the friendly Man and Machine Interface, and it facilitates the operation of the system. The hypogynous of the system adopts Siemens S

7、7 400H PLC to collect data and to control the process of the dosing control system. Industrial Ethernet is used of the management, and sees to communication between the upper and the hypogynous or between the system and other plant systems. FCS is used of the Control layer, it sees to the data trans

8、mission between on-site equipments and PLC.In this paper, to increase the reliability of the Monitoring system, the redundant structure is used from the PC、the upper、the hypogy nous、the Ethernet to FCS. The system is looked on as the subsystem of the DCS. Many communication methods are introduced in

9、 this paper, to improve the real-time of the system.With the growing scale of power plants and with the continuous raising level of technology, it requires to update the control arithmetic. Since the chemical dosing control system of fossil power plant is characterized by nonlinearity, long time lag

10、 and variation with time, satisfying control effect can not be achieved with traditional control methods. In order to increase the robustness and self-adaptability of the chemical dosing control system in the system of dosing is designed. In this paper, fuzzy control system of dosing. In the algorit

11、hm, Fuzzy self-adaptation PID control is used instead of the traditional manual control or the traditional PID control, The dynamic performance and anti-disturbance is analyzed by simulation, Simulation results show that the control effect by this strategy is superior to that of normal PID cascade c

12、ontrol. It is featured by strong robustness and self-adaptability, and can readily accommodate itself to the objects parameter variations.IIIKEY WORDS: FCS; Dosing; time-delay system; Fuzzy self-adaptation PID ControlIV目目 录录摘要摘要.IABSTRACT.II第一章第一章 绪论绪论.11.1 课题研究的意义.11.2 国内外研究现状及趋势.11.3 本文的主要研究内容.2第二

13、章第二章 电厂水汽监控系统介绍电厂水汽监控系统介绍.42.1 电厂 DCS 系统介绍 .42.1.1DCS 系统简介.42.1.2 电厂控制级功能简介：.42.1.3 西门子 DCS 系统 PCS7.42.1.4 电厂辅控网组成.62.2 火电厂水汽系统.72.3 化学加药系统原理.9第三章第三章 系统设计原理及功能系统设计原理及功能.113.1 上位机系统设计.113.1.1 上位机硬件.113.1.2 软件设计.113.1.3 利用 InTouch 软件实现冗余功能.143.1.4InTouch 数据库.163.2 下位机 PLC 控制系统设计.173.2.1 下位机控制系统硬件配置.17

14、3.2.2 硬件系统的冗余设计.183.3 系统时钟设计.243.4 电源设计.25第四章第四章 DCS 系统通讯问题研究系统通讯问题研究.264.1 现场总线应用及其安全可靠性的提高.264.1.1 现场总线的发展与应用.264.1.2Profibus 现场总线通信协议。.274.1.3 系统实时性研究.29V4.2 工业以太网实时性问题及解决方案。.334.2.1 工业以太网通信原理.334.2.2 工业以太网实时性问题的研究.35第五章第五章 化学加药控制理论研究化学加药控制理论研究.375.1 加药系统控制对象数学模型的建立.375.1.1 控制对象选择.375.1.2 控制对象特性分

15、析.375.1.3 建立控制模型.385.2 控制算法的确定.415.3加药模糊控制器的建立.415.4 化学加药参数自调整模糊 PID 控制器的设计.465.5 仿真曲线.48第六章第六章 电厂化学加药模糊控制系统的设计与实现电厂化学加药模糊控制系统的设计与实现.516.1 控制系统的原理与控制指标.516.1.1 控制系统的原理.516.1.2 自动加药控制系统主要技术指标.526.2 硬件系统设计方案.526.3 软件实现.57第七章第七章 总结与展望总结与展望.61致致谢谢.62参考文献参考文献.631第第一一章章 绪绪论论1.1课课题题研研究究的的意意义义近年来，我国经济迅速发展，生

16、产力不断提高，电力作为经济发展的动力得到了迅速的发展。为了节省能源和保护环境，提高火力发电的经济性，大容量超临界机组因其能源利用率高、经济性能好而得到快速发展，已在世界发达国家广泛应用。随着科学技术的发展及计算机更新升级，先进的控制策略、专家系统、现场总线和智能变送器的广泛应用，将有利于节约投资，降低能耗，便于维护和提高火电厂安全、经济运行水平1。热工自动化是火电厂不可缺少的组成部分，而热工自动化的水平又是现代火力发电技术和管理水平的综合体现。这主要有两个因素推动，一个是 DCS，另一个是协调控制系统。DCS 在电厂的普及应用，为火电厂热工自动化技术的发展奠定了基础。而协调控制系统在单元机组普

17、遍投入，使火电厂热工自动化达到前所未有的新高度。目前广泛采用以微机为核心的 DCS，其可靠性很高，可依赖性强，可以充分发挥自动化的功能，并取得了很好的安全和经济效益。在热工自动化系统采用开放的工业计算机系统和远程智能 I/O，有利于减少信号电缆，降低造价；应用先进的控制策略、专家系统、可充分发掘 DCS 的潜力，解决一些老大难问题，进一步提高电厂安全与经济运行。由于火电机组越来越大，对机组热工自动控制系统控制品质的要求也随之提高。为了保证单元机组的正常运行以及高度的安全性、经济性，对单元机组的自动化水平提出了更高的要求。由于单元机组存在着大迟延、大惯性和严重的非线性及扰动频繁等特点，传统的控制

18、方法已经不能满足电网对机组的要求，用先进的智能化控制策略取代常规控制策略成为火电厂过程控制发展的趋势。目前，由于现有的给水加药控制系统运行不稳定，加药方式多采用手动间歇控制或是采用传统 PID 算法的自动控制，工作费时费力，控制精度又不高。为提高系统的自动化水平有必要研究新型的控制系统和控制策略，提高加药控制系统的准确性、快速性和鲁棒性。1.2国国内内外外研研究究现现状状及及趋趋势势近年来，美国等发达国家对火电厂水汽监控方面做了大量研究，提出最佳的化学2监控管理方案仍然是核心问题。自动化先进的发达国家拥有先进的设备和控制技术，其电厂监控自动化水平已经很高，但相对于快速发展的电力系统的要求来说，

19、仍还有不足。在我国大容量机组的发电厂热工系统发展迅速，而电气系统的整体控制水平则进展较慢，造成整个机组监控不协调，且在监控、管理技术上与国外水平有较大的差距。现场总线技术的发展和发电厂设备微机化程度的提高，为以数字通信方式建立电气监控管理系统提供了技术上的保证。发电厂电气监控管理系统是进一步提高电厂自动化水平，特别是电气运行管理水平的必然趋势，采用电气监控管理系统新建或改造发电厂DCS系统将节省可观的投资。而且，目前我国发电厂在控制上往往采用简单的PID控制，这也使控制能力大大降低2。自九十年代以来DCS系统在我国开始推广且不断走向成熟，为我国电厂自动化水平的提高做出了很大的贡献，同时也不断暴

20、露出它的许多不足之处。以太网由于其开放性好，应用广泛以及价格低廉等特点，被工业控制系统都是采用以太网来统一管理层通信，而且各种现场总线也大多开发出以太网接口，因此可以说以太网已经成为工业控制领域的主要通信标准。现场总线控制系统(FCS)由于其彻底的开放性、分散性和完全互可操作性等特点，工业控制大量采用它做现场控制。总线技术和以太网通讯技术作为电厂DCS系统的补充，再加上先进的控制技术，将大大提高电厂控制自动化水平。对照国内外研究的情况，不难看出加药系统未来的发展方向：(1)进一步加强环境保护意识，真正确立“绿色”无公害的加药系统。(2)消灭化学原因的炉管漏爆事故，消灭汽轮机低压叶片、叶轮的腐蚀

21、与积盐，取消锅炉化学清洗。(3)从配药到加药全面实现自动控制，真正实现全自动无人值班。(4)针对系统时滞的特点运用智能控制理论分析并建立智能控制系统。(5)充分挖掘加药系统的潜力，使加药系统的功能向灵活化、多元化发展，实现监测与控制的一体化、网络化和智能化5。1.3本本文文的的主主要要研研究究内内容容通过工作实践和调研，并阅读了大量的资料文献，了解到目前我国热电厂水汽采样和化学加药控制系统存在着诸多问题，针对这些问题本文从硬件控制结构和控制算法两个方面提出了解决方案。系统分为上、下位机两部分。上位机部分采用工控机和组态软件进行监控，这部分要对计算机系统进行配置，3编辑人机界面。友好的人机界面应

22、能实现以下功能：实时显示现场信息；随时的历史数据库查询；定时打印和报警专家系统。计算机、组态软件和工业以太网作 DCS 的子站的管理层。下位机选用西门子 S7-400H 的热备冗余系统，通过工业以太网与上位机和电厂的DCS 通信，用 Profibus 总线扩展三个远方从站，控制现场的数据的采集和化学加药。同时还要研究现场信号采集和传输、DCS 中现场总线的通信问题和冗余系统的容错问题8。针对化学加药系统的大时滞的特点，本文将模糊自适应 PID 控制应用于化学加药系统，代替手动加药系统和传统的 PID 控制，由于目前的各种先进的控制理论在电厂的化学加药系统中应用都处在研究阶段，本文将给出其仿真曲

23、线说明其可行性。因此，本论文研究的是一种利用总线系统做现场控制，以以太网系统做监控管理，结合 DCS 系统再加上先进的模糊控制技术，由现场控制层、监控层和企业管理层组成的先进完整的电厂水质监控管理系统9。4第第二二章章 电电厂厂水水汽汽监监控控系系统统介介绍绍2.1电电厂厂DCS系系统统介介绍绍2.1.1DCS 系系统统简简介介DCS 是分散控制系统(Distributed Control System)的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT

24、)和控制(Control)等 4C 技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS 的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等 10。2.1.2 电电厂厂控控制制级级功功能能简简介介：厂级管理工作站的功能：管理全厂的运行自动化。即全厂经济管

25、理(EDC)；自动发电控制(AGC)；自动电压控制(AVC)；事故分析及事故处理；历史数据保存及检索管理；系统授权管理；运行报表打印等。操作员工作站 操作员工作站是全厂集中监视和控制的中心及人机接口，用来实现热电厂的实时图形显示、各种事件的发布、各种报表显示、报警和复归的显示、系统自诊断信息的显示、设备的实时控制操作和调节、系统配置等各种操作处理。操作员工作站还作为厂级管理工作站部分功能的备用。工程师工作站 工程师站除具有程序开发、调试以及培训仿真等功能外，并兼有操作员工作站的全部功能，还作为操作员工作站的冷备用。通讯处理站的 通信处理机站是电厂监控系统与其他系统的输入/输出接口 ，可与广域网

26、连接，仅允许电厂计算机监控系统向生产管理系统单向传输数据和信息，通信介质为屏蔽电缆。电话语音报警处理站 电话语音报警处理站主要负责语音、电话报警。打印处理站 处理电厂控制级的文件打印任务14。2 2. .1 1. .3 3 西西门门子子DCS 系统 P PC CS S7 7西门子 DCS 系统在热电厂的控制中占有绝对的统治地位，PCS7 是西门子新一代过程控制系统。随着工业自动化过程控制理论和计算机技术的迅猛发展，对工业自动5化过程控制系统的可靠性、复杂性、功能的完善性、系统的可维护性、人机界面的友好性、数据的可分析可管理性等各个方面都提出了愈来愈高的要求。工业自动化过程控制系统的发展方向是：

27、系统之间的横向数据交换日益增加；系统与管理层和现场仪表级的数据交换日益增加；现场总线的应用越来越广泛；厂商的产品日益开放，通过OPC、SQL 等技术使得不同系统之间的准确、高速、大量的数据交换得以实现；全集成，一体化的解决方案。因此，传统的 DCS 系统已经不能满足 90 年代自动化过程控制系统的设计标准和要求，SIMATIC PCS7 过程控制系统就是在这种形势下开发的新一代过程控制系统。PCS7 是一个全集成的、结构完整、功能完善、面向整个生产过程的过程控制系统。SIMATIC PCS7 是西门子公司结合最先进的计算机软、硬件技术，在西门子公司S5，S7 系列可编程控制器及 TELEPER

28、M 系列集散系统的基础上，面向所有过程控制应用场合的先进过程控制系统。SIMATIC PCS7 是基于全集成自动化思想的系统，其集成的核心是统一的过程数据库和唯一的数据库管理软件，所有的系统信息都存储于一个数据库中而且只需输入一次，这样就大大增强了系统的整体性和信息的准确性。SIMATIC PCS7 的通讯系统采用的是工业以太网和 PROFIBUS 现场总线。工业以太网用于系统站之间的数据通讯， SIMATICPCS7 采用符合 IEC61131-3 国际标准的编程软件和现场设备库，提供连续控制、顺序控制及高级编程语言。现场设备库提供大量的常用的现场设备信息及功能块，可大大简化组态工作，缩短工

29、程周期。SIMATICPCS7 具有 ODBC、OLE 等标准接口，并且应用以太网、PROFIBUS 现场总线等开放网络。 6图 2-1 SIMATIC PCS7 系统图2.1.4 电厂辅控网组成电厂水汽采样和化学加药包含在电厂辅控网系统之中。所以下面介绍一下电厂的辅控网系统。控制系统和工程辅助车间集中监控网系统简称辅控网。随着网络技术、计算机技术及 PLC 控制技术的日益成熟，所有辅控系统均可进入全厂辅助网络控制系统，实现在集控室内完全监控操作，大大提高了自动化水平，更好的提高了全厂的效率。全厂辅助网络控制系统将电厂的全部辅机控制系统，包括输煤程控系统、化学水程控系统、除灰除渣程控系统、净水

30、站程控系统、循环水加药控制系统、制氢站程控系统、空压机程控系统、燃油泵房程控系统、污水程控系统等等集成为一体化的控制网络，在一个控制室进行集中监视与控制，形成与 DCS 并列的第二个综合控制系统。辅助网络控制系统是一套由 PLC 组成的分散型计算机控制系统，采用国际先进、安全可靠、广泛采用的西门子 PCS7 网络结构，采用优质、灵活的控制软件，系统基于 WINDOWS 操作平台，强化了实时性和可扩展性。网络方案如下：1、采用多模光缆冗余通讯解决电厂各辅控系统距离远的问题；2、采用冗余千兆核心交换机中转数据，组建冗余网络； 3、采用专用服务器，冗余数据服务器以及专业历史服务器，保证辅网数据传输速

31、度，保证历史数据存储安全。图 2-2 为全厂辅控网系统图。7图 2-2 全厂辅控网系统图2.2火火电电厂厂水水汽汽系系统统在火电厂的热力系统中，水和蒸汽作为工作介质完成能量的传递与转换。水在火力发电过程中主要有两个循环系统:一是热力循环系统；二是冷却循环系统。在热力循环系统中水在锅炉中吸收燃料燃烧产生的热能，变成高温高压蒸汽，蒸汽被传送到绝热汽轮机中，同时冷却循环水将汽轮机输出部分冷却，这样就形成了很大的压力差，蒸汽膨胀做功，推动汽轮机转动，将热能转换成机械能，带动发电机，将机械能转换为电能。做过功的低温低压蒸汽在凝汽器中冷凝为水，再与锅炉补充水一起重新送回锅炉。国产 600MW 超临界锅炉的

32、典型水汽流程是：给水省煤气螺旋水冷壁垂直水冷壁汽水分离器顶棚和包覆过热器低温过热器屏式过热器高温过热器集器联箱。水汽采样流程图如图 2-3 所示:8图 2-3 大型机组的水汽循环系统水汽采样控制系统工艺如下：首先在取样点来的样水进入高温高压架，高温高压的样水经过冷却装置冷却进入取样架，取样架上温度巡检仪实时监测样水的温度，样水经过人工取样架到达人工取样盘（这里有恒温装置，保证样水检测时各参数稳定） ，传感器测试产生的 4-20mA的标准信号传递给现场仪表显示数据，并将信号传递给数据采集模块。下位机通过管理网络将数据传送给上位机监控系统和电厂的 DCS 系统。采样完毕，将废液从排污口排放出去。热

33、电厂水汽采样的功能与作用如下表 2-1 所示：表 2-1 大型机组的水汽系统化学监测点的设置采样点部位测定参数主要作用凝汽器热井阳离子电导监测凝汽器泄漏电导率或钠、二氧化硅监测凝汽器泄漏，监测水质溶氧监测热井氧气装置的运行和空气泄漏情况凝结水泵出口pH 值监测为降低凝汽器腐蚀而添加的氨或其它碱性添加剂的量凝结水处理设备出口电导率、钠、二氧化硅pH 值监视凝结水处理设备运行工况和出水水质9除氧器入口电导率、pH 值和溶氧监测水质以及监测空气漏入凝结水除氧器出口溶氧监测除氧器的运行省煤器入口(高压加热器出口)电导率、pH 值、钠、二氧化硅、联氨监测给水水质和加氨量，间接指示转移到给水中的腐蚀产物电

34、导率、钠监测炉水品质，决定排污二氧化硅保证蒸汽品质汽包下部(炉水)pH 值和磷酸根控制炉水 pH 值，防腐蚀、硅酸盐水解及劣化蒸汽品质，监控加药量汽包上部电导率、钠、二氧化硅监督杂质携带和炉水起泡情况主蒸汽管电导率、钠、二氧化硅监督蒸汽品质，指示锅炉腐蚀速度低压加热器疏水出口电导率、钠、二氧化硅、pH监测水质发电机内冷水电导率监测水质污染循环冷却水pH 值监督硫酸或盐酸添加量除盐水箱出口电导率或钠、二氧化硅监测水质污染本系统的取样点及监测项目有：凝结水泵出口：阳电导率表、溶氧表、PH 表、比电导率表、钠表除氧器入口：PH 表、阳电导率表、比电导率表、溶氧表除氧器出口： 溶氧表省煤器入口： PH

35、 表、阳电导率表、硅表、比电导率表、溶氧表过热蒸汽(左、右侧)：阳电导率表、比电导率表、硅表、钠表、PH 表分离器贮水箱出口： 阳电导率表再热蒸汽(左、右侧)：阳电导率表疏水泵出口：阳电导率表高压加热器疏水：比电导率表闭式除盐水：PH 表、比电导率表发电机内冷水：PH 表、比电导率表凝汽器补充水：比电导率表2.3化化学学加加药药系系统统 原原理理化学水处理是发电厂的重要环节，只有对水进行适当的净化处理和严格的监督汽水质量，才能防止造成热力设备的结垢、腐蚀，避免爆管事故；才能防止过热器和汽轮机的积盐，而这些问题必须通过对给水进行加药来解决。10化学加药的方法很多，加不同的药剂用不同的控制方法，常

36、见的有双泵单控和三泵双控，三泵双控控制比较复杂但是控制效果好，下面以三泵双控的控制方法为例介绍加药的工作原理。原理图如图 2-4 所示。母母管管母母管管阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀监监测测器器监监测测器器泵泵1泵泵2泵泵3阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀计计量量箱箱计计量量箱箱变变频频控控制制箱箱排排废废图 2-4 加药系统原理图加药工艺：加药的过程是，先从溶液罐中取出药液加到计量箱中，同时向计量箱中加入水，并且不断搅拌使其均匀（当液位超过高低限位时报警） 。混合药液中由传感器检测其药液浓度，并以此为条件控制加药液和加水的比例。配好的药液经过阀门和计量泵打到需要加药的部位。计量泵两用一备，

37、通常中间的作为备用，当有泵出现故障时，中间泵自动切入工作。加药过程分手动和自动两种控制方法，手动加药需要人为控制加药的泵和阀门；而自动加药则不同，经采集系统采集上来的数据，由控制单元对其进行处理，结果反映采样点的各种物质的含量情况，并以此作为一个加药控制信号，另一个控制信号是凝结水流量计给出的 4-20mA 信号，两个信号与加药泵连锁控制，实现自动加药。本系统加药项目有：氨液加药装置单元系统自动运行并具备就地手动控制功能。给水流量计和省煤器11入口比导电度表产生的 420 mA 信号，作为控制给水加氨系统的控制信号；给水及凝结水联氨加药系统自动运行并具备就地手动控制功能。由凝结水处理装置出口母

38、管氧表(安装于汽水取样架)或凝结水流量表送出 420mA 模拟信号与加氨泵联锁实现。给水及凝结水加氧系统自动运行并具备就地手动控制功能。给水和凝结水流量计及给水和凝结水的氧含量表产生的 420mA 作为加氧系统的控制信号。闭式冷却水加药系统手动运行。空气预热器清洗加碱系统手动运行。12第第三三章章 系系统统设设计计原原理理及及功功能能3.1上上位位机机系系统统 设设计计本设计的系统运行操作和监视全部在上位机实现。在上位机 LCD 上不仅能显示泵、阀门等系统设备的运行状态、过程参数、报警等，还可以进行各运行方式的选择和切换，进行自动程控操作，同时还具有模拟量参数显示、棒状图显示、声光报警、打印制

39、表等功能。3.1.1 上上位位机机硬硬件件工控机：与其他类型的计算机监控系统的主计算机相比较，它构成简单、开放性好、可靠性高、环境适应能力强。由于工控机自身的这些特点，在过程监控、数据采集中得到了广泛应用。本套系统就地上位机硬件构成如下：上位机选用工控机（日本 CONTEC）：CPU： P4/2.4G硬盘：160G内存：512M显卡：独立网卡：10/100M 自适应网卡光驱：DVD ROM显示器选用 LCD（韩国三星） 21 英寸；打印机选用 HP A3 黑白激光打印机。3.1.2 软软件件设设计计软件设计包括：界面编辑，工业组态，数据库设计三部分。控制系统采用正版 Wonderware 公司

40、 InTouch V9.5 软件包进行监控组态，以满足全厂辅控网的要求。Wonderware 公司的 InTouch HMI 软件，可用于可视化和工业过程控制，它提供了无比的易用性和易于配置的图形。同以往的版本相比，9.5 版本功能显著的增强，可以大大地提高运行和工作的效率。通过使用其强大的向导和新的Wonderware 智能符号使用户可以快速创建并部署客户化的应用程序，连接并传递实时信息。InTouch 应用灵活，可以确保 InTouch 应用程序满足客户目前的需求，并可根据将来的需求进行扩展，同时还能保留原来的工程投资和成果19。InTouch 软件对系统的硬件要求为：最低：P3-400M

41、HZ/ 256MB RAM/ 2G 可用硬盘空间；推荐：1.2GP3 或更高主频，512 内存。对操作系统的要求是： Win2000SP3/WinXP SP1上位机界面由多个画面组成，分别实现不同功能。主要分以下几部分。系统设置，13工矿流程图，加药系统图，报表，曲线和报警等。下面介绍几个主要画面的功能。1、 系统设置在系统配置选项下有注销、系统登陆、密码修改等功能。点击“系统设置”选项，出现下拉菜单如图 31 所示：即可点出各画面。 图 31 系统设置菜单工控机启动时自动进入组态运行画面，如果没有登陆操作人员不可以更改参数和随意退出，系统设有不同的使用权限，只有上级权限允许后，下级操作员才可

42、以登陆。 在系统配置中还有“原始参数设置”和“报警设置”选项，由于下位机传送上来的数据是连续的机器数，不能直观的反映测量的参数是工作状态，所以要设定变量的原始值，如图32，将其转换成标准的信号（一般为 0-5V 或 4-20mA） 。工程值为监测仪表的仪表量程，工作人员可以直观查看各测试点仪表显示情况。参数设置完成后要设置各变量的报警限。报警限要根据工艺要求进行设置，其数量级为工程值。原始参数设置和报警设置通常是在程序开发建立历史数据库时配置的，运行时就不能随时改变参数的设置，要想改变参数，需要停止程序的运行重新进入开发状态。设计在线参数设置可以使参数修改方便简洁，可以在系统运行时即可设置参数

43、，有修改权限要求，必须是专业管理者。14图 32 原始参数设置画面报警查询画面可以显示报警的时间、变量和报警的性质。如图 3-3 所示，既可以实时显示报警情况也可以查询历史记录。报警查询有助于查找故障发生点和分析故障发生原因，总结故障易发生处，做好防范工作。图 3-3 报警查询画面本系统还有实时曲线和历史曲线画面，实时曲线实时地显示变量值的变化情况，历史曲线可以查询不同时间的参数轨迹。可以随时查询曲线，设置显示的时间范围和数值的分辨率，分析各参数工作情况。并可以定时或手动打印曲线。15图 3-4 实时曲线在线数据分实时显示报表和历史报表查询，实时显示报表可以实时显示现场采集的工作参数，并显示各

44、参数是否工作在指标范围内，历史报表查询可以查询任意时刻的历史数据，还具有定时和手动打印报表的功能。图 3-5 实时曲线16在系统运行时应注意以下几个方面：(1) 为了确保数据传输的正常进行，维护人员应尽量保证工控机的开机率，如发生故障，应尽量避免人为的关机和复位。(2) 历史数据丢失出现这种故障一般是由于操作员不小心更改了主机的系统时钟导致。(3) 历史数据不记录磁盘空间满，历史数据停止记录。当用户清理磁盘后，重新启动数据采集系统，此时历史数据开始记录。(4) 实时数据不刷新由于采集器死机，关闭采集器电源，重新启动即可。3.1.3 利利用用InTouch 软软件件实实现现冗冗余余功功能能由于本

45、文设计采用了上位机的冗余结构，下面介绍 InTouch 冗余系统的实现。在InTouch 应用程序的脚本中，利用 IOSetAccessName 函数即可实现冗余功能。 1、函数的语法和用法：语法：IOSetAccessName（AccessName，NodeName，ApplicationName，TopicName） ；2、实现方法InTouch 软件利用函数 IOSetAccessName 实现冗余的方法，如图 3-6 所示。建立I/O Server 访问名AccessName建立指向冗余设备的访问名（NodeName）建立标记点建立函数表达式检查标记名状态NY建立标记点的判断表达式图3

46、-6利用函数IOSetAccessName 实现冗余的方法如果系统有两台操作管理站，机器名分别是 PC1 和 PC2，分别运行同样版本但不同 License 的 InTouch 软件，每个 InTouch 都带有各自的 I/O Server，并设 I/O 17Server 的应用程序名字都是 MBenet，函数使用方法如下：(1)要在每一个 InTouch 应用软件里面都建立一个访问名来访问各自的 I/O Server，假设两台 InTouch 的访问名的名字和内容都是一样，名字是 AccessMB，节点名是本地机器名，应用程序名是 MBenet，主题名是 MBTopic（假设 MBTopic

47、 已在I/O Server 建立） 。(2)在每一个 InTouch 再建立一个访问名，访问名的名字和内容也都是一样的，名字都是 MBStatus，节点名里面填写互为对方的机器名，应用程序都填写 View，主题名都填写 IOStatus，协议选 SuiltLink。(3)在每一个 InTouch 的标记名字典中建立一个标记点，名字都是 CheckMBStatus （其实这个名字可以随意） 、类型都是 I/O 离散、它的访问名都挑选 MBStatus、项目名都是 AccessMB。3、函数运行检查：运行 InTouch，测试已建立的这个标记点的值，如果以上设置都是正确的话，将会看到这个点的值都是

48、“1”或者“On” ，表示连通。此时可随意关闭其中一台机器的I/O Server，若关闭 PC1 的 I/O Server，PC2 上的这个点的值将变成“0” 或者“Off”，表示断开。此时，即可利用这个点（CheckMBStatus） 来实现两台操作管理站的互为冗余了。换而言之，当 PC1 的 I/O Server 断开，PC2 的这个点（CheckMBStatus） 的值就会置“0” ，连通时即置“1” ，反之亦然。在每一台操作管理站的 InTouch 应用程序的脚本中都同样的建立判断语句。3.1.4InTouch 数数据据库库InTouch SQL Access Manager 附加程序

49、设计用于方便地传输数据，它可以实现本地历史数据库和 SQL 数据库的数据传递，还可以实现本地数据库和系统数据库的连接。InTouch SQL Access 产品由 SQL Access Manager 程序与 SQL 函数组成。SQL Access Manager 程序用于创建数据库列，并将它们和 InTouch 标记名字典中的标记名相关联。将数据库列与 InTouch 数据库标记名关联起来的过程被称作“绑定” 。通过将 InTouch 数据库标记名与数据库列绑定起来，SQL Access Manager 便可直接操作数据库中的数据。18图 3-7 变量绑定图通过在InTouch QuickS

50、cript中执行SQLConnect() 函数，可连接MicrosoftSQL Server，Oracle ，Microsoft Access。函数结构为：SQLConnect（ConnectionId，=；attribute=；） ；InTouch 使用 SQL 函数与数据库中的信息进行交互。这些函数是标准 InTouch QuickScript 函数的扩展，可用在任何脚本中。它们可供您选择、修改、插入或删除选择访问的表格中的记录。SQL 函数的一般格式如下：SQLFunction（Parameter1， Parameter2，）SQL Access Manager 是一套兼容 ODBC 的

51、应用程序，只要提供了相应的 ODBC 驱动程序，它可以同任何数据库系统进行通信。在使用 ODBC 驱动程序之前，必须通过“Microsoft ODBC 管理器”程序对它进行配置，以便设置兼容 ODBC 的应用程序与数据库之间的链接21。3.2下下位位机机PLC控控制制系系统统设设计计3.2.1 下下位位机机控控制制系系统统硬硬件件配配置置从性价比和技术成熟的角度考虑，本文设计下位机控制系统可编程序控制器（PLC）所有硬件选用 SIEMENS 公司标准产品。系统中所有模件均为接插式的，便于更换。机柜内提供 I/O 总量的 15做备用，同时在插槽上还留有扩充 20I/O 的余19地。这样方便扩展功

52、能，对于损坏的端子能及时更换。控制系统采用 PLC 加就地上位机并接入电厂辅控网的分级控制结构方式。两台机组取样系统和两台机组加药系统采用一套冗余的 PLC。可在就地控制室内通过上位机对加药取样系统进行监控，同时也可在集中控制室内通过电厂辅控网操作员站对该系统进行监控。该控制系统上位机和 PLC 之间通过以太网接口进行通讯。PLC 通过 I/O 模件对现场设备进行控制。S7-400 自动化系统采用模块化设计。它所具有的模板的扩展和配置功能使其能够按照每个不同的需求灵活组合。一个系统包括：电源模板，中央处理单元（CPU） ，各种信号模板（SM） 、通讯模板（CP） 、功能模板（FM） 、接口模板

53、(IM)。 SIMATIC S7-400 最多有 21 个扩展单元（EU）都可以连接到中央控制器（CC） ，扩展方式主要有以下几种：通过接口模板连接（IM） ；集中式扩展；用 EU 进行分布式扩展；用 ET 200 进行远程扩展。主要功能有：高速指令处理 、用户友好的参数设置、口令保护、系统功能、控制方式及硬件配置23。图 3-8 西门子硬件图同时为了增强系统的抗干扰能力，保护 PLC 系统硬件。所有模拟量和开关量的I/O 模件装有隔离装置，通道之间提供 1500V 以上的有效隔离值。为了提高系统的运行速度，应该设置足够容量的存储器，本套装置存储器有 40的备用量。另外所有通信线，信号线和电源

54、和 PLC 模块均接地线，这样既提高了保护作用又增加了抗干扰能力。保证 PLC 系统能在高的电气噪声，无线电波干扰和振动环境下连续运行。并所有在可编程控制器系统中的硬件能够在环境温度2060，相对湿度为20595（不结露）的范围内连续运行。3.2.2 硬硬件件系系统统的的冗冗余余设设计计一、冗余系统设计所有设备都采用冗余结构是不必要也是不经济的，为了提高系统的可靠性，集散控制系统在重要设备及对全系统有影响的公共设备上常采用冗余结构。冗余结构常采用同步运转、待机运转、后退运转及多级操作等冗余方式。同步运转方式：它是让两台或两台以上的装置以相同的方式同步运转，输入相同的信号，进行相同的处理，然后对

55、输出进行比较，如果输出保持一致则系统正常运行。两台运行系统称为双重系统，成本较高，适应用于要求可靠性极高的场合。待机运转方式：它是采用后备设备组成 1：1 或 N：1 备用系统。平时后备设备处于准备状态，一旦运行中设备发生故障时，能立即启动后备使其运转。由于后备设备处于待机工作状态故又称热后备系统。这种冗余方式中需要有一个监视器和指挥装置，处在故障发生状态时，处理软件和数据的转移等操作，还需相应程序自动切入备用设备，使其运转。集散控制系统中通信常采用 1：1 备用待机运转方式。而多路控制器等过程控制装置常采用 N:1 备用方式，N 的数值与制造厂产品特性有关24。在集散控制系统中，同步运转方式

56、和待机运转方式用的较多，而后退运运转方式和多级操作方式用的较少。本套系统采用待机运转方式即双机热备冗余。使用高可靠性的可编程控制器的目的是为了减少生产损失，不管是故障带来的损失还是维修工作引起的损失，停工的成本越高越需要容错系统。系统的高投入会很快被避免的生产损失所补偿。西门子PCS7冗余系统分软冗余和硬冗余，软冗余和硬冗余所要求的软件和硬件类型都不同，性能也不相同。从实现的方式上对比：1）软冗余是通过软件实现，也就是是西门子的 SWR 软件包；硬冗余，则是使用CPU417H；414H；412H 来实现，对于 PLC 本身的操作系统及硬件设置上均不同，硬冗余的同步机理为事件同步。2）硬冗余的两

57、个热备系统必须使用相同的 PLC；软冗余的两个暖被（？）系统可以使用不同的 PLC。3）硬冗余的同步链路采用同步模块和光纤，有长距，短距两种；软冗余则使用MPI，DP（CP343-5,CP443-5）和 IE（CP3431，CP4431） ，程序内部调用的是xsend/xrcv、AGsend/rcv 以及 Bsend/rcv。从性能上来对比：211）冗余的层级：软冗余无法进行 IO 冗余；IO 冗余仅能在硬冗余里实现。此外，Ylink 仅能在硬冗余中实现。2）系统切换的时间：硬冗余 PLC 无切换时间，因为程序同时在两个 CPU 里运行，硬冗余里成为主动切换；被动切换，也就是从站切换的时间10

58、0ms；对于软冗余，冗余程序仅在主 CPU 内执行，备用 CPU 仅执行非冗余段程序，切换时为整个系统的切换。切换时间取决于同步链路的类型，速率和同步数据量的大小，DP 从站的多少，多为秒级。切换时，软冗余系统中 DP 从站的接口模板或 DP 链路故障均会造成主备 CPU 的切换，而引起整个系统的切换；而在硬冗余中，从站的故障不会造成主备 CPU 的切换。3）信息的丢失：CPU 间的切换可能导致部分信息，如报警信息的丢失，因为报警在当前激活的主 CPU 中进行处理。所以，软冗余系统中会存在信息的丢失；而硬冗余系统中，由于 CPU 间为事件同步的方式，且切换无时间，保证了信息不会丢失，也就是硬冗

59、余中所说的平滑切换。从上面的分析可知，西门子硬冗余与软冗余相比，硬冗余的操作更方便，功能更强大，所以本套系统采用西门子硬冗余组件20。S7-400 H 是典型的西门子 PCS7 硬冗余。硬冗余软件要求: 1 套 STEP7 编程软件（V5.2 或更高） ，硬件要求：S7-400 H 系列的 CPU。相对于软冗余，硬件冗余系统切换速度快，主备 CPU 中的数据和事件保证完全一致，适于高可靠性应用场合，成本较高。本套系统采用硬冗余结构。根据本系统系统的要求，系统有以太网冗余、电源冗余、CPU 冗余，总线冗余， 而 I/O 单元使用单通道切换式 I/O，故硬件冗余系统所需器件如下:1个安装机架UR2

60、-H2个电源模板PS 407 10A2个容错 CPU CPU 414-4H 和 CPU 417-4H4个同步化子模板2根光缆2个以太网模块一个ET 200M 分布式I/O 设备的底板总线上插有2个IM 153-2必备的附件如PROFIBUS 屏蔽电缆等。本文设计的冗余系统原理图如图3-9所示。操作员站打印机打印机操作员站工业以太网光纤443-1 443-1CPU0SP0(S7-414H)CPU1SP1(S7-414H)PROFIBUS-DPPROFIBUS-DPI/OI/OI/OI/OI/OI/OET2000MET2000M远程I/O远程I/O交换机1交换机2图 3-9 冗余系统图S7-400