换热器热流出口温度控制

{国际贸易}换热器热流出口温度控制摘要摘要换热器作为一种标准工艺设备已经被广泛应用于动力工程领域和其他过程工业部门。以工业上常用的列管式换热器为例,热流体和冷流体通过对流热传导达到换热的目的,从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求。但由于目前制造工艺的限制,控制方式的单一性,换热器普遍存在控制效果差,换热效率低的现象,造成能源的浪费。如何提高换热器的控制效果,提高换热效率,对于缓解我国能源紧张的状况,具有长远的意义。本课题来源于对SMPT—1000实验平台换热器的研究，对于换热器热流出口PID准确的参数值，通过调整冷水阀的开度调整其流量来控制热流的出口温度。本设计利用PCS7PCS7软件对系统进行硬件常运行。关键词换热器;温度;PID控制;PCS7目录AbstractHeatexchangerasastandardprocessequipmenthasbeenwidelyusedinthefieldofpowerengineeringandotherprocessindustries.Intheindustrymonlyusedshellandtubeheatexchanger,forexample,thehotfluidandcoldfluidheattransferbyconvectionheattransfertoachievethepurpose,sothattheheatexchangeroutlettemperatureofthematerialtomeettheneedsofindustrialproduction.However,asthemanufacturingprocessconstraints,controlunity,monheatexchangercontrolispoor,thephenomenonoflowheattransferefficiency,resultinginwasteofenergy.Howtoimprovethecontrolperformanceoftheheatexchangertoimproveheattransferefficiency,toeaseChina'senergyshortagesituation,havelong-termsignificance.ThedesignesfromtheSMPT-1000testplatformresearchexchangerforheatexchangeroutlettemperaturecontrol,theuseofPIDcontroltoadjust,throughcontinuousadjustingitsparameterstodetermineamoreaccurateparametervaluesbyadjustingopeningofthecoldwatervalvetocontroltheflowofadjustmentoftheoutlettemperatureoftheheatflow.ThisdesignusesPCS7topletethesystemofautomaticcontrolbyPCS7softwareonthesystemhardwareandsoftwareconfiguration,pletecontroloftheoutlettemperatureoftheprogramming,thelastoperatingnormallybyHMImonitoringandcontrolsystem.KeywordsHeat;temperature;PIDcontrol;PCS7目录目录摘要IAbstractII目录III第1章绪论11.1换热器设备11.2选题背景及意义11.3国内外研究现状及发展史21.4本设计主要内容41.5本章小结4第2章系统工艺流程及算法控制52.1SMPT-1000实验平台及换热器52.2换热器62.2.1高阶换热器62.2.2换热器工作原理62.3PID控制72.3.1PID基本介绍72.3.2参数整定102.3.3主要功能和应用122.4控制系统的设计132.4.1温度控制特点132.4.2换热器温度控制系统13目录2.5本章小结15第3章基于PCS7实现系统控制163.1PCS7简介163.2PCS7作用163.3PCS7控制系统结构173.4工程项目的建立183.5控制系统硬件设计与组态193.5.1硬件系统组成193.5.2硬件选型选型以及通讯203.5.3操作员站组态223.5.4网络连接组态233.6软件组态233.6.1系统软件程序233.6.2与硬件地址的连接243.6.3系统报警软件程序253.7人机界面创建253.8过程趋势画面的创建26第4章控制系统的投运284.1运前的准备工作284.2副环参数整定284.3主环参数整定284.4控制系统的仿真运行29目录4.4.1热流出口温度294.4.2系统扰动测试30第5章总结31参考文献32谢辞34第1章绪论第1章绪论1.1换热器概述换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节换热器按传热面的结构分类为以下几种：(1)表面式换热器又称为间壁式换热器。在此类换热器中，温度不同的两种外〔壳程）流动。这类换热器类型多，应用广.化工生产中所用换热器绝大多数式换热器等等。(2)直接接触式换热器在这类换热器中，冷热两种流体直接接触进行换热。这对工艺上允许两种流体混合的情况而言，既方便又有效，所用设备也较简单。在气压冷凝器中，蒸汽与水直接接触使蒸汽冷凝等等。(3)第1章绪论免两种流体在一定程度上相混合。换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备等近30多种产业，相互形成产业链条。1.2选题背景及意义近年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数[1]热换器是化工和一些工业部门生产过程中主要的换热设备，生产中通常对流体加热或冷却都要有热量交换，因而都需要换热器，随着科研人员的不断发展和创新对能源的利用和开发。热换器在生活中的应用也日益增进，在现在的工业生产换热器占有较大的份额。换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备等近30多种产业[2]，相互形成产业链条。数据显示2010年中国换热器产业市场规模在500亿元左右，主要集等领域。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模为150亿元，;电力冶金领域换热器市场规模在80亿元左右;船舶工业换热器市场规模在40亿元以上;机械工业换热器市场规模约为40亿元;集中供暖行业换热器市场规模超过3030需要大量的专业换热器，这些市场约有130亿元的规模。近年来，跟着我国石化、钢铁等行业的快速发展，热交换器的需求水平大幅巨大的供应缺口需要入口来弥补[3]。我国能源利用率大约只有33%,其利用率还很第1章绪论低,比发达国家低约10个百分点。国内换热器行业在节能增效、提高传热效率、减少传热面积、降低压降、提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求2011年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均10-15%2020年我国换热器行业规模有望达到1500亿元。由此可见,在节能方面,我国还存在着非常大的潜力。本课题主要研究列管式换热器，列管式换热器的换热面积大，结构坚固，操作弹性大，材料广泛，便于清洁，适合大型装置特点，列管换热器在制药行业带来的效益非常的明显。从卫生要求较高的液体，一个工业用水量较大和卫生要求较高的制药厂都可以用列管式换热器来处理。本课题研究的换热器是个冷却器，可以通过换热回收热物料的热量。1.3国内外研究现状二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的第1章绪论管壳式换热器也得到了进一步的发展。70热器。中国换热器产业起步较晚。1963年抚顺机械设备制造有限公司按照美国TEMA标准制造出中国第一台管壳式换热器，1965年兰州石油机械研究所研制出20世纪60年代研制出我国第一台螺旋板式换热器。之后，兰州石油机械研究所首次引进德国斯密特（Schmidt）换热器技术，原四平换热器总厂引进法国维卡勃（Vicarb得较快发展。20世纪80式空冷器等一批优良的高效换热器。入二十一世纪以来，我国的板式换热器研究取得了长足的进步，在借鉴国十年代中期开始，在化工工艺流程中较苛刻的场合也出现了板式换热器的身影。第1章绪论热器在开发到应用的时间跨度上，花费了较多的时间。最近几年，我国还在大型管壳式换热器、大直径螺纹锁紧环高压换热器、BHE20042008年8月，由中国石化集团上海工程公司与海炼化百万吨/年乙烯项目-EO/EG装置大型管壳式换热器国产化研制通过技术鉴制造的首台换热面积超过10000m2的超大型管壳式换热器。1.4本设计主要内容录和控制对于生产过程十分重要，温度动态特性的特点是惯性大、容量滞后大、题用PID控制系统来分析，PIDPID参数,PCS7软件完成PLC和本机以及SMPT-10000设备的连接通讯，然后对系统进行设计编程并且利用WinCC完成设计界面，通过操作源站来控制监视整个系统的自动运行情况。1.5本章小结器的PID控制方式和利用PCS7软件完成整个系统控制和监视。并总结了换热器第1章绪论研究的意义和发展前景。第2章系统工艺流程及算法控制第2章系统工艺流程及算法控制2.1SMPT-1000实验平台及换热器SMPT-1000是一款将全数字仿真技术与实物外观模拟装置相结合，集多种实验功能于一体的仿真实验装置。SMPT-1000被控对象取材于过程工业常见的锅炉与蒸发器构成的水汽热能SMPT-1000实验平台正视图和实物图：图2-1SMPT-1000实训平台SMPT-1000运用真实的立体管路和空间分布的设备外观设计，在钢结构的盘1台卧式除氧器、11111台蒸发器、2台离心泵、1台鼓风机、11个手操/2个旋钮位于辅助操作5个开关阀、1个炉膛着火指示灯以及若干管路系统。空间分布有9F3L5P4T1个组分的仿传感器（变送器）数字式软仪表。2.2换热器2.2.1高阶换热器第2章系统工艺流程及算法控制统中有着非常重要的作用，下面是换热器的结构图：图2-2换热器结构图程称为壳程。2.2.2换热器工作原理该换热器为液-液两相非接触换热器。通过换热，将热流体的温度降低到工TI1104FI1105.冷水走管程，冷却水上水流量为FT1102，冷却水上水管线上设有调节阀FV1103，冷却水出口温度为TT1103。本设计实际上是一个冷却器，通过换热回收热物料的热量，要可以使用液氨作为冷却剂。如下图2-2所示图2-3换热器工作原理图调节过程:根据检测到的冷流量的变化，先调节阀门开关，控制冷流量的大出口温度调节器和流体流量调节器串联起来的串级控制系统。2.3PID控制2.3.1PID基本介绍在模拟控制系统中，PID(ProportionIntegrationDifferentiation，比例-第2章系统工艺流程及算法控制积分-微分)控制是控制器最常用的控制规律[4]，PID控制器作为最早实用化的控制器已有70PID控制是最早发展起来的控制策略之一[5][6]键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID控制器由比例单元（PIDe(t）与输出u(t）的关系为：u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD·de(t)/dt](2.1)式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI·s)+TD·s](2.2)其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数（1）比例作用P比例（P[7]。所谓的P，就是比例有滞后性。u与输入的偏差信号e成比例u=Kc·e（2.3）Kc称为比例增益，Kc接近于0时，控制器的输出u不受输入偏差e的影响，Kc很大时，只要有一个很小的输入偏差e控制器输出u发生很大的变化，Kc由小到大变化，系统将由稳定向振荡发展。第2章系统工艺流程及算法控制合成PI、PD或PID调节动作。（2）积分作用ISystemwithSteady-stateError“积分项动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。调节器的输出信号的变化速度du/dt与输入的偏差信号e成正比du/dt=Ki·e（2.4）KieKi趋向于0Ki强烈，消除余差的能力强，但容易引起振荡。e为0时，积分调节器的输出才会保持不变；积分速度越大，执行机构的动作越快，越容易引起和加剧振荡；合成PI或PID调节动作。PI两个结合使用的情况下，我们的调整方式如下：①先将I值设为0，将P值放至比较大，当出现稳定振荡时，我们再减小P第2章系统工艺流程及算法控制值直到P我们还可以在些P值的基础上再加大一点。②加大I值，直到输出达到设定值为止。P值主要可以用来调整系统的响应速度，但太大会增大超调量和稳定时间；而I值主要用来减小静态误差。（3）微分作用D正比关系[8]。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制变化“超前，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，“微分项+微了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性调节器的输出与输入的偏差信号的变化速度de/dt成正比u=Kd·(de/dt)（2.5）Kd是微分速度微分调节的输出与输入偏差e的变化速度成正比，e变化越大，微分调节的输出越大，Kd为0时，微分作用消除第2章系统工艺流程及算法控制辅助的调节作用，可以与其它调节动作结合成PD或PID调节动作其完整的公式如下：u(t)=K·pe(t)+Ki∑e(t)+Kd[e(t)–e(t-1)]+u0（2.6）在PID的调试过程中，应注意以下步骤：①关闭I和D，也就是设为0.加大P，使其产生振荡；②减小P，找到临界振荡点；③加大I，使其达到目标值；④重新上电看超调、振荡和稳定时间是否吻合要求；⑤针对超调和振荡的情况适当的增加一些微分项；可以在全工作范围内均有效；（4）采样周期由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量[9]，PID控制程序是周期性执行的，执行的周期称为采样周期。CPU的运算PID控制器输出的微分部丢失被采集的模拟量中的重要信息。PID由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。2.3.2参数整定第2章系统工艺流程及算法控制PID参数整定方法很多，工程上最常用的有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法。(1)临界比例法这是目前使用较多的一种方法。它是先通过试验得到临界比例度PB和临界周期Tk，然后根据经验公式求出控制器各参数值。具体做法如下：①被控系统稳定后，把控制器的积分时问放到最大，微分时间放到零(相当于切除了积分和微分作用，只使用比例作用)。衰减的，如是衰减的则应把比例度继续减小；如是发散的则应把比例度放大。4～5次等幅振荡为止。此时的比例度示值就是临界比例度PB。1次的时间就是临界周期Tk——以记录纸的走纸速度，就可计算出临界周期Tk得到了临界比例度PB和临界周期Tk1中的经验公式求出控制器的P、Ti、刚参数值了。表2-1临界比例度法参数计算公式表控制作用比例度p积分时间微分时间比例2PB比例+积分2.2PB0.85Tk比例+微分1.8PB0.1Tk比例+积分+微分1.7PB0.5Tk0.125Tk第2章系统工艺流程及算法控制临界比例度整定法又称为“闭环振荡法，它的特点是：不需要求得控制对中不允许振荡的场合，此整定法也不适用。（2）衰减曲线法衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值的，有4：1和10：1两种衰减曲线法，具体做法如下(以4：1为例)：上。录曲线的衰减比。③从大到小改变比例度，直至出现4：1衰减比为止，记下此时的比例度Ps(叫4：1衰减比例度)并从曲线上得出衰减周期Ts(在4：1曲线中为峰——峰时，只要被控量波动2次就能达到稳定状态，可近似认为是4：1的衰减过程，其波动1次时间为TsPs和衰减周期Ts2中的经验公式求出控制器的P、Ti、Td参数值了。表2-24:1衰减曲线法控制器参数计算表控制作用比例度P积分时间微分时间比例Ps比例+积分0.83Ps0.5Ts比例+积分+微分1.25Ps0.3Ts0.1Ts（3）经验凑试法第2章系统工艺流程及算法控制式先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭合的控制系统中，通过改变PTiTd对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度P、积分时间Ti和微分时间Td逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。具体做法如下：4Pn值作为起始值，将系统投人自动。②通过改变设定值对控制系统施加一个干扰，现场观察判断控制曲线形状。P或Ti统符合动态过程品质要求为止，这时的P和Ti就是最佳值。③如果调节器是PIDP和丁i的基础上加进微分作用。由于微分作用有抵制偏差变化的能力，所以确定一个Td值后，可把整定好的P和n值减小一点再进行现场凑试，直到P、n和Td取得最佳值为止。的判断标准，而且不同的参数匹配有时会使所得过渡过程衰减情况一样。2.3.3主要功能和应用要实现PID的参数计算方法完成控制器参数的设计[10]第2章系统工艺流程及算法控制化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进PID控制器将达不到预期的控制效果。最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长:既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。2.4控制系统的设计2.4.1温度控制特点流出口温度控制采用PID控制方式。的比例调节参数范围是1.6-5。积分调节温度作用是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为温度有误差，第2章系统工艺流程及算法控制强弱取决与积分时间常数TiTiTi大则积分作用弱，对于温度控制的积分调节参数范围是50-200。是2-100。2.4.2换热器温度串级控制系统（1）换热器温度串级控制系统方框图控制系统作用不及时、最大偏差大、过渡时间长、抗干扰能力差、控制精度低。而工艺上对换热器出口温度的要求一般很高,采用单回路闭环控制系统难以达到级控制系统方框图：图2-4串级控制方框图（2）换热器温度串级控制系统组成如图2-3第2章系统工艺流程及算法控制副环是一个随动系统。提出在换热器出口温度串级控制系统中,其主回路采PID控制算法,以消除纯滞后环节对于系统控制质量的影响,而对副变量的要求一般不严格，主要要求它能用比例控制规律。（3）主副调节器正反作用的确定Kc，当测量值增加，调节器的输出也增加，则Kc流出口温度串级控制系统副回路，阀门开大符号为正，相应的冷水流量也增大，所谓符号为负，整个回路构成负反馈系统，所以主控环控制器为正作用。其中主环用PID第2章系统工艺流程及算法控制到较好的效果。2.5本章小结本章主要介绍了SMPT-1000实训平台和高阶换热器基本介绍，PID控制算法和PCS7的简介和控制的优点.第3章基于PCS7的控制系统实现第3章基于PCS7的控制系统实现3.1PCS7简介PCS7是西门子公司在1997年德国法兰克福ACHMA展会上推出的一种新一代基于现场总线的模块化的过程控制系统,它结合了传统PLC控制系统和DCS两者的优点,将两者的功能有机地结合在一起。PCS7系统的所有硬件都基于统一的硬件平台,所有软件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下,有同样统一的软件平台。PCS7采用符合工EC61131一3国际标准的编程软件和现场设备库,提供连及功能块,可大大简化组态工作,缩短工程周期[11]西门子SIMATICPCS7,作为全新一代DCS过程控制系统,采用了全集成自动化理念。PCS7系统由控制站、多用户HMI系统、网络通讯系统、客户机/服务器系统等部件组成,系统大量采用了新技术,在网络配置上,使用标准工业以太网和PRoFIBUS网络。由于PCS7消除了DCS和PLC系统间的界限,真正意义上实现了仪控和电控的一体化,充分体现了全集成自动化的特点,使得系统应用范围变广,过程控制系统[12]。PCS7具有常规过程控制系统所不具备的优点。它具有灵活的系统结构,可以随时根据要求通过无缝集成附加功能的方式扩展控制技术功能,PCS7具有卓越系统特性和独特可升级结构的通用过程控制系统,它将灵活的模块化冗余技术以及统一的数据管理、通讯和组态等强大的性能组合在一起,是PCs7系统广泛地应用于过程工业、制造业以及混合型工业,这包括:连续、批量、分散生产的混合,例如冶金、水泥、电力、玻璃、制药工业等[13-16]。3.2PCS7作用第3章基于PCS7的控制系统实现对控制方案的整体设计的实施所使用的软件为PCS7V7.1及其功能分类概述如下[17]:（1）创建:主要涉及的软件为SIMATIC管理器以及PH(PlantHierarchy,工厂层级)。SIMATIC管理器就是PCS7的中心应用程序,也是用于搭建PCS7项目的其它所有应用程序的门户。SIMATIC管理器是创建整个项目的起始点,其基本的操厂层级就是将工厂分为多级单元结构,其主要目的是便于直接分辨各图表和实际工况过程画面与各单元级彼此间的从属关系。（2）配置:主要涉及的软件是HWConfig(硬件配置环境)以及StationConfigurator(站配置器),前者囊括了硬件系统的全部组态,后者能显示控制系统实现所用的PC配置。（3）编程:主要涉及的软件有CFC(ContinuousFunctionChart,连续功能图),SFC(SequentialFunctionChart,顺序功能图)以及SCL。（4）监控:主要涉及的软件有WinCC(控制中心)和图形编程器(GraphicsDesignereditor)。（5:主要涉及的软件是SIMATICNET(调试向导)SIMATIC所建工程中配置网络和总线系统的平台。在工程师站中实现对PCS7工程项目的全部组态就是完成两步走:ASengineering(AS组态)和OSengineering(OS组态)。AS组态完成的是上段中所提及的1~3点中的软件,而OS组态则是完成第4点所涉及的软件。3.3PCS7控制系统结构如图4-3所示为PCS7控制系统的网络结构示意图,其网络结构可划分为三第3章基于PCS7的控制系统实现层,具体信息见图4-3SIMATICPCS7BOX,三站包括OS(操作员站)ES(工程师站)和AS(自动化站),这三站与其他站(如操作站)等连通的方式有两种:第一种是通过PROFIBUSDP的端口引入系统总线,第二种是借助于工业以太网,同时与其他的SIMATICPCS7B0X相连.实现搭建主从站的目的。分布式I/OSIMATICPCS7BOX借助于PROFIBUSDP端口接到PROFIBUS总线,,然后将系统输入信号转变为4~20mA的系统可接收的信号,从而能传入下游装置(选择SMPT-1000实验平台)。最后一层就是现场对象层,即为SMPT-1000。允许存在基于以太网网络来建立与上位机的联机。图3-1PCS7控制系统的网络结构3.4工程项目的建立运用PCS7图3-2新建工程项目在创建过程中需要选择根据需要选择一个CPUCPU件套包括CPU、电源、机架和CP444—3.通信模块，另外可根据实际情况选择有几个CP443-5通信模块。换热器热流出口温度控制项目需要建立3各工厂层级，并且需要建立OS操作员站，如图所示建立一个项目图3-3工厂层级3.5控制系统硬件设计与组态3.5.1硬件系统组成（1）底板第3章基于PCS7的控制系统实现底板用于安装各种模块（如：PS，CPU，CP，I/O模块等）提供背板总线：I/O总线；通讯总线通过背板总线实现各模块之间的数据和信号交换电源模块所提供5VDC和24VDC通过背板总线供给各模块（2）电源：插入式的AC/DC供电连接。保护级别：IP20。5VDC和24VDC，并公用一个地。监视两个输出电压，如其中一个发生故障，该模块输出一个报错信号给CPU。具有输出短路保护功能。具有板上有运行和故障指示灯。（3）CPU（主控器）：PCS7中使用高性能的SIMATICS7-400系统CPU，有ProfibusDP接口，可直接接入Profibus总线网络。装载存储器：用于储存用户程序，可扩展。工作存储器：用于运行用户程序，内置。系统存储器：用于输入/输出变量，中间变量，数据块，计时器，计数器，块堆栈，中断堆栈及暂存变量区，可扩展。（4）通讯模块：IndustrialEthernet通讯接口模块。将CPU所有的过程数据通过工业以太网传送给所有连在网上的操作站和工程师站。第3章基于PCS7的控制系统实现将所有的操作站和工程师站写下数据通过工业以太网传送给CPU。在首次下装后，通过通讯模块工程师站或编程器可以对CPU进行组态。在工程师站或编程器上通过通讯模块对CPU进行在线监视。在工程师站或编程器上通过通讯模块对CPU进行在线诊断。（5）接口模块：将ET200M作为从站连接到ProfibusDP总线上。（6ET200M：ET200分布式I/O的一个产品。分布式I/O由接口模块与I/O卡件组成。3.5.2硬件选型选型以及通讯SIMATICPCS7可作为过程基础控制系统(BPCS)。在PCS7V7.OSPI软件平台下,根据现场的硬件配置,“HWconfig''界面中进行硬件组态,对于换热器热流出口温度控制系统,需要在ES站上完成工程师站、现场的AS站以及数据服务器的硬件组态。在硬件组态之前,我们需要将现场所有设备的GSD文件(GSD文件是PROFIBUS一DP产品的驱动文件,是不同生产商之间为了互相集成使用所建立的标准通讯接口)导入到PCS7“HWConfig''中,连接到Profibus---DP总线上,并分配相应的DP地址。硬件组态的正确与否可以在线测试。PCS7硬件的型号：表3-1硬件型号硬件名称型号订货号数量电源模块PS40710A6ES7407-0KA02-0AA01CPU412-5H6ES7412-5HK06-0AB01以太网模块CP443-16ES7443-1EX30-0XE01ET200MIM153-26ES7153-2BA02-0XB01AIAI8×12Bit6ES7331-7KF02-0AA01第3章基于PCS7的控制系统实现AOAO4×12Bit6ES7332-5HF00-0AA01DIDI16×AC120/230V6ES7321-1BH02-0AA01DODO16×AC1201A6ES7322-1BH01-0AA01在PCS7中软硬件是否完整匹配很重要,为了确保其对接成功则必须在其的“传输给系统软件,方法为在SIMATIC管理器中打开HWConfig视图进行相应的硬件配置。在实现组态时必须保持系统PCS7系统的实际背景,图4-4即为其硬件配置示意图。图3-4硬件组态3.5.3操作员站组态os组态和ASES中组态真实的OS真实的OS，就是未来要当OS的那台PC，它的所谓硬件，就是它的SCE（StationConfigurationEditorOS组态时，必须要按照SCESCEES和OS在同一PC上。这样，组态本地PC就同时代表了ES和OS。下图是OS组态画面：图3-5操作员站组态3.5.4网络连接组态网络连接组态的目的是建立AS与OS的连接，在此组态过程中由于CPU412-5H会接收AS的数据，它是OS的通信伙伴，所以组态过程中选择此CPU与OS进行连接，其中报告本地接口为IEGeneral（IE常规），伙伴的接口为CP443-1。网络组态完成后，实现了自动化站与操作员站的连接，如下图为网络连接组态示意图：图3-6网络连接组态第3章基于PCS7的控制系统实现3.6软件组态3.6.1系统软件程序PCS7库包括提供在PCS7,根据设计的主汽温控制系统,采用PCS7V7.1所自带软件CFC实现对整个系统的控制,各个控制单元、监测单元以及通信单元等其功能是以图形功能块的方式在CFC编辑器中体现的,如图4-7所示。此外,在图3-7中所提到的在整个控制作用实现的过程中必须有的AI功能块、AO功能块以及比例积分微分功能块等均可在CFC系统默认的功能块库中找到。图3-7控制程序CH_AICH_AOCH_DICH_DO等位于DRIVER文件夹中的块是与PCS7硬件进行通信的驱动程序块.这些块经过CFC编译以后，会自动生成与硬件诊断相关的系统文件，用于故障检测。CH_AI模拟量输入模块：处理S7-300/400模拟输入模块的模拟输入值信号，算百分比值。CH_AO模拟量输出模块：处理S7-300/400模拟输入模块的模拟输出值信号，将过程值作为原始模拟值写入过程映像区。连续PID/关注PV-IN（模拟量实测值输入参数）和LMN3.6.2与硬件地址的连接驱动模块需要与硬件地址连接，来完成过程控制系统运行，驱动程序块的VALUE参数用于连接硬件地址,AI模块地址起始为IW256，单位为WORDAO模块起第3章基于PCS7的控制系统实现始地址为QW256，长度14，单位WORD。DI模块起始地址为0，长度2，单位BYTEDO模块起始地址为04BYTE。按照下表所示为各块的相关参数连接外部变量。表3-2压力串级控制各模块与外部变量的连接块名称参数名称连接变量名称连接变量地址TI1104VALUETI1104IW288TI1103VALUETI1103IW286FI1102VALUEFI1102IW260FI1105VALUEFI1105IW266FV1103VALUEFV1103QW264FV1105VALUEFV1105QW2703.6.3系统报警软件程序视警报是很有必要的，在程序中加入MEAS-MON模块，在测量值超过警告上下线或报警上下线时，会有相应的输出进行指示，并在适用时发出信号。MEAS-MON限时，会有相应的输出进行警示，并在适用时发出信号。以下是系统报警程序：图3-8系统报警程序3.7人机界面创建WinCC是SIMATICPCS7过程控制系统及其它西门子控制系统中人机界面组件，用于在生产和过程自动化环境中实现可视化和控制任务。WinCC提供适用于工业于实施用户的解决方案。WinCC是编辑操作员站（OS）的软件平台。工厂操作员可在组态软件的运行模式下，在操作员站（OS第3章基于PCS7的控制系统实现ASOS将从AS出现问题的位置。WinCC图形设计器是OS道拖到画面中并调整到合适的大小，完成过程画面的建立，画面如下图所示：图3-9WinCC人机界面3.8过程趋势画面的创建对于整个设计系统需要进行最后的参数整定和系统各项的数据变化趋势有一个更加直观的呈现，PCS系统包含有OS副控量的过程趋势画面。图3-10过程趋势第4章控制系统的投运第4章控制系统的投运4.1运前的准备工作确保各控制器的PID参数均设置在初始值GAIN=1TI=99999TD=0保各控制器均处在Manual模式、Internal给定，勾选SP=PV；判断各控制器的正反作用。4.2副环参数整定也是先副后主。在FIC1103控制器的操作面板中，手动不断修改OP值，也就是不断改变FV1103的开度，观察SP和PV的值达到1.63kg/s左右时，将控制器投自动。将FIC1103的增益GAINGAINFI1103的SP加入阶跃扰动，如从1.63kg/s改为2kg/s，并观察响应曲线，直到出现4:1衰减振荡为止。记录此时FIC1103的比例增益GAIN，GAIN=1.5。4.3主环参数整定在TIC1104控制器的操作面板中改变热流出口温度的SP，如从120℃变为TI1104增大GAINGAIN的值，不断修改GAIN的值，每修改一次都要通过改变SP来加入阶跃扰动，直到TI1104的响应曲线达到4:1衰减，记录下此时的GAIN值为-1.3确定GAIN的值之后，根据积分控制器的特点，当响应曲线振荡剧烈时，增大TI的值；当响应曲线振荡弱时，减小TI的值，不断修改TI的值，每修改一次都要通过改变SPTI1104第4章控制系统的投运无差且衰减比接近4:1时，可适当调整比例系数，将衰减比调节到4:1。记录下此时的GAIN值和TI值为1.2和53。确定GAIN以及TITDTD=1，改变TI1104的SP，如从120℃变为130℃，观察并TI1104的响应曲线。根据微TD4:1GAIN、TI和TD4:1TI1104时的PID控制器参数为-1.1,51,2.2。控制器操作面板和整定趋势图分别如下：图4-1主环参数整定4.4控制系统的仿真运行4.4.1热流出口温度完成了PIDGAIN=-1.1,TI=51,TD=2.2参数调节下的PID4-24:1的衰减震荡衰减，最终趋于温度设定值。图4-2热流出口温度曲线4.4.2系统扰动测试将TI1104设定值从120变为130TI1104TI1104稳定后，将TI1104设定值从130再变为120，记录TI1104的响应曲线。待系统稳定之后，手工将FV1105开度设置为40，观察TI1104曲线的变化趋势。当TI1104稳定后，再将FV1105开度调回到30，等待TI1104稳定。下图所示为GAIN=-1.1、TI=51、TD=2.2时，施加扰动所得到的各变量的响应曲线：图4-3施加扰动响应曲线对完成参数调整的换热器热流出口温度系统进行添加扰动来检测系统的抗第4章控制系统的投运4-2看出系统在添加扰动后经过短时间的调节就能够达到温度的设定值。所以换热器热流出口温度控制系统成功的运行。第5章总结第5章总结本文设计了锅炉中蒸汽压力的控制方案，采用了SMPT-1000实训系统进行仿真，通过西门子的DCS系统PCS7来完成一系列的设计、操作、监控功能。锅炉蒸汽压力作为表征锅炉运行状态的重要参数，不仅直接关系到锅炉设备的安全运行，关重要的。本文设计主要完成的工作有：对SM