基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态汽包水位控制系统设计说明

量、双冲量、三冲量锅炉汽包水位控制系统，并对其性能特点进行深入的分析和比Thepowerresourceisonekbasiccraftprocessisthatusingtheboilertoproducesteamandletthevaptheproductionprocessessuchasgenerateelectricityprocess.So,eachConnectingwiththecraftrequirementoftheboiltwo-varisble、three-ariableboilecharacteristicoftheboilerdrumwaterlevel,andfurtherlyanalyzetheirfunctiocharacteristics,choosingthethree-ariablecontrolsysteminkeywords:drumwaterlevel I 第一章引言 1.1电力行业发展现状与趋势 11.1.1热电厂发展趋势 21.1.2热力发电厂生产流程2 41.2锅炉设备的工艺和分类2 81.2.1锅炉设备的工艺 81.2.2锅炉分类 第二章锅炉汽包水位控制系统 2.1锅炉汽包水位的动态特性4 2.2锅炉汽包水位控制系统的基本方法 2.3单级三冲量和串级三冲量汽包水位控制系统的分析和整定5 2.3.1单级三冲量汽包水位控制系统的分析和整定 2.3.2串级三冲量给水控制系统的分析和整定 2.4控制给水的手段 第三章锅炉汽包水位控制系统的硬件设计 273.1分散控制系统1 3.1.1分散控制系统基础 283.1.2分散控制系统基本功能 3.1.3分散控制系统的特点 3.3硬件选型 第四章汽包水位控制系统的MCGS 40 4.1.1组态软件MCGS的简介7 41 42 43 4.2.1定义数据变量 45 46 50参考文献 49第一章引言1.1电力行业发展现状与趋势 超高压电厂(12～14MPa)、亚临压力电厂(16～18MPa)和超临界压力电厂(22.6MPa)。在全世界范围内，火电厂的装机容量约占总装机容量的70%,发电量约占总发电量的80%,中国火电厂的装机容量占总装机容量的74.27%,发电量占总发电量的79.7%,1882年，中国在上海建成一座装有1台12KW直流发电机的火电厂，这是中国第一座火电厂。经过了100多年电力行业的发展，截止2006年底，全国发电装机容量达到62200万千瓦。其中，水电达到12857万千瓦，约占总容量20.67%;火电达到48405万千伏及以上变电设备容量达到98131万千伏安。核电发电量543亿千瓦时，约占全部发电量1.92%。“十一五”期间，我国将迎来电网建设的新高潮。到2010年，国家电网在跨区域电网建设方面，交流特高压输电线路建设规模将达到4200千米，变电容量达到3900万千伏安，跨区送电能力达到7000万千瓦；在城乡电网建设方面，220千伏及以上交直流输电线路要超过34万千米，交流变电容量超过13亿千伏安。过挫折和重重困难，但仍以前所未有的速度发展。可以预见，进入21世纪，我国热电厂自动化技术应用很可能将以更快的速度发展，未来21世纪的最初10年，火电厂必将随着不可抗拒的潮流加速进入信息网络时代，(G)或其它接口分隔成2个网，分别设置相应的计算单元和数据服务器，以提高SIS网的电力集团企业MIS和电网运营系统与火电厂的厂级MIS相连，而电网调度系统则通过发电端的远程发送单元(RTU)与网内火电厂的的厂级SIS相连，进行1级或2级调度，有可能不再需要RTU,而可以由专用Intrenet网实现上述通信。一个火电厂有十几个辅助车间，国外已有通过网络集中到1个控制室进行集中控制控制。目前趋向于采用适度集中控制的方案，例如全厂形成煤、灰、水3个网络、3个火电厂单元机组的自动化水平，无论国外和国内，都是比较高的。未来10年左右(1)控制系统全计算机化，控制室紧凑小型化单元机组实现全CRT监控，传统监控盘台将取消，控制室(2台单元机组)面积由目前的350～4000m²,降到150m²以下。①物理配置随着计算机技术的发展，监控系统将由以前的全部集中到一个控制楼里的配置方量采用远程I/O控制。②功能配置纵观DCS发展史，结合火电厂单元机组控制系统的特点，DCS功能配置将与物理提高可靠性。目前有的公司推出的DCS,CPU采用2×2冗余(由于计算机技术发展，成本增加很小),可靠性进一步提高。态。FCS的现场总线和全数字的现场总线智能化仪表熔入DCS后，将彻底解决这个问控制，值班人员多达100～200人，不少电厂辅助车间实际达到的自动化水平不高。辅(1)提高可控性，并集中解决好某些特殊检测问题，使设计的顺序控制得以可靠运(2)配置好辅助车间的计算机监控网络，实现若干辅助车间远方集中监1.1.2热力发电厂生产流程2过发电动力装置(包括电厂锅炉、汽轮机和发电机及其辅助装置)转换成电能的一种发热力发电、水利发电、核电、地热发电、风力发电等。生产工艺示意图如图1.1所示。在除氧器水箱内的水经过给水泵升压后通过高压加热器送入省煤器。在省煤器粗细分离器将合格的煤粉(不合格的煤粉送回磨煤机),经过排粉机送至粉仓，给粉机为了进一步提高其热效率，一般都从汽轮机的某些中间级后抽出作过功的部分蒸图1.3汽水系统流程1.2锅炉设备的工艺和分类2锅炉广泛应用于现代社会国民经济的各个领域，我国现阶段70%以上的电能是利用的各个部件，包括锅壳、锅筒(汽包)、下降管、集箱(联箱)、水冷壁、凝渣管、锅炉炉膛(燃烧室)和炉前煤斗、煤闸门、炉排、除渣板、分配送风装置等组成的燃烧设备。①燃料供应系统设备：燃料供应系统设备的作用是保证锅炉连续运行所需要的符②送、引风设备：送、引风设备的作用是给炉子送入燃烧所需要的空气或给磨煤③汽、水系统设备：汽、水系统包括蒸汽、给水、排污等三大系统。蒸汽系统的④除灰渣设备：除灰渣设备的作用是将锅炉的燃烧产物——灰渣连续不断地除去⑤烟气净化系统设备：烟气净化系统包括烟气的除尘、脱硫、脱硝设备，它们的⑥仪表及自动控制系统设备：仪表及自动控制系统设备的作用是对运行的锅炉设(一)按用途分类，工业锅炉(用于工业生产、采暖通风、空气调节工程和生活热水第二章锅炉汽包水位控制系统2.1锅炉汽包水位的动态特性4动有：给水流量W、锅炉蒸汽流量D、汽包压力P、燃烧工况等。给水控制对象的动态2.1中的直线1所示；实际的水位反应曲线应如图2.1中曲线2所示。所以给水流量的扰(二)蒸汽流量扰动下水位的动态特性蒸汽流量扰动下水位的阶跃反应曲线如图2.2所示。当蒸汽流量突然增加(假定供热水循环系统中蒸发强度也将成比例地增大，使汽水混合物中汽泡的容积增大，又因炉膛内汽泡膨胀，加大了汽水混合物的总体积，使水位变化过程如图中曲线H₂所示。水位实际变化过程的曲线是H₁和H₂两曲线叠加，即图中的曲线H,由此可知，负荷变化的动态特性具有特殊的形式：负荷增加时，蒸发量大于给水量，但水位不是下降反而上升；(三)炉膛热负荷扰动下水位的动态特性炉膛热负荷扰动下水位的阶跃反应曲线如图2.3所示。当燃料量M增加时，炉膛热负荷随着增加，水循环系统内的汽水混合物的汽泡比例增加，蒸发强度增强。如果负荷设备假水位没有蒸汽流量扰动下的那样严重。图2.3炉膛热负荷扰动下水位的阶跃反应曲线蒸汽LC正作用调节器省煤器气关阀图2.4锅炉汽包液位的单冲量调节系统图2.5锅炉汽包液位的双冲量调节系统由于单冲量和双冲量都很难达到理想稳定的控制所以这就要用如图2.6所示的锅炉a图2.6锅炉液位的三冲量调节系统信号定义为负极性但由于汽包锅炉的水位测量装置—平衡容器本身已具有反号的特性，DDYpW图2.7中，各符号意义如下：W₁—给水流量扰动；αp,αw一蒸汽流量信号和给水流量信号的灵敏度；Kz—执行器的比例系数；Ku—调节阀的放大系数。②内回路的分析和整定WwYwk内回路方框图如图2.8所示，可以把内回路作为一般的单回路系统进行分析。应将③主回路的分析和整定ay.DDHYy图2.10简化的三冲量给水控制系统方框图2.3.2串级三冲量给水控制系统的分析和整定(一)控制原理：串级三冲量给水控制系统的控制原理如图2.11所示。HDHDYpW7a整个系统由两个闭合回路和前馈部分组成的，系统组成如下：器kz和调节阀kμ组成副回路。③由蒸汽流量信号D,以及蒸汽流量变送器yp及蒸汽流量前馈装置αp构成前馈控制部分。(二)副回路的分析和整定根据串级控制系统的分析整定方法，应将副回路处理为具有近似比例特性快速随动系统，以使副回路具有快速消除内扰及快速跟踪蒸汽流量的能力。图3.11中所示副回路与图3.9所示的内回路完全相似，其分析整定原则完全相同。即用试探的方法选择副调节器的比例带δ2,以保证内回路不振荡为原则，在试探时，给水流量反馈装置的传递函数αw式中81——主调节器PI1的比例带。则PI1调节器的参数为W/a_yu的任务是用以消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷对于20世纪70年代投产的200MW单元机组，普遍采用电动定速给水泵+调节阀的置两台容量各为100%的电动定速泵，运行时，一台工作电动定速泵A至省煤器从除氧器莱高压加热器对于20世纪80年代以后投产的200MW单元机组，普遍采用电动调速给水泵+调备两台容量各为100的电动调速泵，运行时，一台工作，另一台热备用，跟踪工作泵。电动调速泵的驱动电动机经联轴器与给水泵连接，通过改变液力联轴器中勺管的径向行程来改变联轴器的工作油量，实现给水泵转速的改变。锅炉和低负荷阶段。主给水截止阀一直关闭，汽包水位的控制与电动定速泵+调节阀的水截止阀关闭，主给水截止阀全开，通过改高压加热器高压加热器从除氧器菜从除氧器菜(3)汽动给水泵+电动调速泵+调节阀300MW及以上机组采用这种控制方式。对于300MW及以上机组，每台锅炉配有一台50%容量的电动调速泵和一台100%容量的汽动给水泵，或者两台每台容量各为50%系统设置，此后小汽轮机只相当于给水控制系统的执行机构。采用一台50%容量的电动调速泵、两台容量各为50%的汽动泵和调节阀对汽包水位进行调节的简化图如图2.15所从除氧器莱高压加热器第三章锅炉汽包水位控制系统的硬件设计3.1分散控制系统[1](1)I/O模件(输入或输出模件):I/O(3)V/I转换(电压转换为电流):以便信号的远传。分为4级，如图3.1所示，I/O模块服务器服务器图3.2第一级和第二级的简化结构框图对图3.2(a),I/O模件(此处是输入模件)对信号预处理，通过I/O扩展总线传送其中操作员站(OIS)设置在机组的集控室内，它是一工程师站(EWS)是一个以个人计算机为基础的工具性设备，是DCS通信环路上起保护作用。电源模件它的输入是来自系统电源柜的1:1冗余交流电，它的输出是供能力。运行组态的控制方案，执行对过程的控制策略，完成从简单到复杂的各种控制。DCS具有数据采集及处理、手动/自动控制和系统通信等基本功能。数据采集及处DCS通过通信网络实现数据的快速、准确传递，实现资源共享。(2)软件的模块化生产DCS的各厂家为用户提供了丰富的功能软件模块和至少一基本的控制功能且能独立运行的程序段。不同的DCS系统生产的功能软件模块不尽相(4)强大的自诊断技术DCS的许多模件本身都有自诊断能力。其前面板装有LED主给水至汽包图3.3汽包水位控制系统硬件图----②③-一古--白白白器件②⑤-图3.4主要信号线路的端子连接示意图DCS系统的组态从其硬件的选择便已经在进行中了。在硬件上主要应考虑如下一些问题：首先DCS系统的处理能力必须满足现场的要求，其控制器CPU的运行周期不应各通道之间要相互隔离；在模拟量控制器和数据量控制器为不同类型和顺序控制器时，在各自功能分配上要使模拟量控制和顺序控制尽可能的分的数据也应尽量独自使用，不同的控制器之间交换的数据越少越好；与上层网络的数据基于上述的要求，我对本设计的硬件进行了如下选型，主要选择的模件有主控模件、模拟量输入模件(AI)、模拟量输出模件(AO)、开关量输出模件(DI)、开关量输出模在MACS中，现场控制站的主控模件称主控单元，型号为FM811。是Intel公司生产的CPU的芯片型号。以上内容可理解为CPU执行ISA和PCI标准，与②一块FB193多功能卡。卡上装有静态存储器、双机冗余控制等，与CPU卡通过ISA总线互连，完成CPU卡的扩展功能。③三块以太网卡。两块以太网卡通过PCI总线与CPU卡互连，实现与现场I/O模件的通信；另一块以太网卡与冗余的FM811实现主/备数据备份传递。④一块FB121DP主站卡。通过ISA总线与CPU卡互连，实现与现场I/O模件的卡、FB121主站卡各1块和3块以太网卡及电源等部件连接起来，并提供主控单元与外⑥电源组件。将外接220VAC/50Hz交流电转换成FM811内部有关部件所需的5V和12VDC电源。①POWER。电源指示灯(绿灯)。上电后点亮。②STANDBY。冗余灯(黄灯)。主FM811灯灭，备用FM811灯亮。③RUN。运行灯(绿色)。表明FM811的运行状态。④ERROR。故障灯(红灯)。⑥SNET2。系统B网指示灯(黄灯)。B网正常灯亮，反之灯灭。⑦CNET。控制网指示灯(黄灯)。⑧RNET。冗余网指示灯，若系统冗余网正常，⑨电源开关。接通和断开FM811的供电。当电源接通时，POWER灯亮。⑩RST。FM811的复位按钮。每按动一次此按钮，FM811将①电源接口。3孔插座。连接220VAC/50Hz电源。②3个RJ45接口。为通信用RJ45插座。从左至右依次为系统网A网接口、系统网B网接口、双机数据备份线接口。其中双击数据备份线接口通过RJ45插座分别插在1:1荣富裕的FM811双击数据备份插座。③CPU卡的接口。CPU卡接口共4个。及热电阻或热电偶的毫伏级电压信号，对各种AI信号采样，并进行预处理。预处理包括补偿(如热电偶的冷端补偿)、修正(如电路性能漂移修正)、线性化、A/D转换等，向主控模件提供准确可靠的数字信号。同时AI模件还提供了滤波、隔离、电压和电流FM18A是大信号AI模件，它具有8路独立的输入通道，处理来自现场的0～10VDC和0～20mADC模拟量信号。它是MACS系统AI模件之一。其中RDY灯和COM灯是反映FM148A的工作状态和通信状态的LED灯，两灯全亮表示正常工作，当模件故障控制系统原理框图以及硬件的选型，现在我以汽包水位过高为例，来说明主要的工作过程。(使用框图叙述)模拟信号4个A/D令理动水位变送器产生模拟信号模拟信号号据置应用过程中，PC(包括工控机)相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在PC信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。在1995年以后，组态软件在国①InTouch:Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch软件曾让我们耳目一新，并且InTouch提差，最新的InTouch7.0版已经完全基于32位的Windows平台，并且提供了OPC支持。②Fix:Intellution公司以Fix组态软件起家，1995年被爱默生收购，现在是爱默生动程序(需单独购买)。③Citech:CiT公司的Citech也是较早进入中国市场的产品。Citech具有简洁的操⑤组态王：组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司(更早的品牌多数已经湮灭)。组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字⑥ForceControl(力控):大庆三维公司的ForceControl(力控)从时间概念上来说，品广泛推广，所以并不为大多数人所知。大约在93年左右，力控就已形成了第一个版本，只是那时还是一个基于DOS和VMS的版本。后来随着Windows3.1的流行，又开发出了16位Windows版的力控。PCSoft的Wizcon以及国内一些组态软件通态软件公司的MCGS,也都各有特色。4.1.1组态软件MCGS的简介7构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows使用MCGS,用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定4.1.2MCGS组态软件的系统构成MCGS5.1软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。MCGS组态软件(以下简称MCGS)的两部分互相独立，又紧密相关。多任务多线程多任务多线程构建动画动画显示流程控制报警组态设计报表A组态软件核心实时数据库实时数据库现场控制报警输出报表打印连接设备设备输出MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。脚本程序),选用各种功能构件，如：数据提取、定时器、配方操作、多媒体输出等行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统。MCGS5.1还提供