华北理工大学基于pcs7的锅炉控制系统设计-学位论文.doc

学 号：201114040126

毕业论文
GRADUATE THESIS

论文题目：基于PCS7的锅炉控制系统设计

学生姓名： 王 野
专业班级： 11测控1班
学 院： 电气工程学院
指导教师： 博敬东 讲师

将其修改为实际的论文提交日期，不用此信息时，删除此框。
XXXX年XX月XX日

第2章 组卷算法与题库的研究
摘 要
在人们的日常生活和工业生产中，锅炉是应用非常广泛的设备，它是重要的动力源和热源，在生产过程中保证它的控制效果和生产指标是很有必要的，锅炉是多输入和多输出的工业设备，其生产过程中有很多参数需要控制，参数控制和整定是非常重要的。同时锅炉长期工作在高温高压下，这便对锅炉的安全性能要求很高，再加上工作环境对其有很多的干扰，所以设计出工作稳定，效率较高和安全可靠的完整的锅炉控制系统是很有必要的。
本文详细的分析了锅炉的工艺特点，及其工艺要求。明白其工艺流程后，对锅炉系统中的被控对象进行了分析，依据工艺要求，提出实施可行的锅炉整体控制方案，和根据对象特性选择合理的控制规律。采用西门子公司提出的PCS7软件系统进行锅炉中各个设备的CFC组态编程。之后采用合理的参数整定方法进行PID控制的参数整定。再连接设备，实现上位机与设备的通讯，进行整个锅炉系统的运行校验，实现对锅炉系统整体的自动控制。

关键词 锅炉控制系统；对象特性；控制方案；；参数整定；PCS7

Abstract

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目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 在线考试的现状 1
1.1.1 在线考试在国外的发展状况 1
1.1.2 在线考试在国内的发展状况 1
1.1.3 当前在线考试系统的特征 1
1.2 组卷算法的现状 2
1.3.本课题的来源 2
1.4本文主要内容 2
1.5 本章小节 2
第2章 组卷算法与题库的研究 3
2.1组卷算法理论 3
2.1.1随机选取法和回溯试探法 3
2.1.2 遗传算法 3
2.2 在线考试系统的组卷算法 3
2.2.1 组卷算法的确定 3
2.2.2组卷参数定义 4
2.2.3 基于遗传算法的组卷算法设计 4
2.3 题库基础理论 5
2.3.1 题库发展 5
2.3.2 题库的概念 5
2.3.3 题库的特征 5
2.3.4题库的建设理论 5
2.3.5题库建设步骤 5
2.4 在线考试系统的题库建设方案 5
2.4.1 在线考试系统的题库建设步骤 6
2.4.2 题库管理系统框架 6
2.4.3 题库管理设计方案 6
2.5本章小结 6
第3章 在线考试系统的需求分析和设计 8
3.1 系统需求分析 8
3.1.1 系统功能分析 8
3.1.2系统的数据流图 8
3.2 系统概要设计 8
3.2.1 系统功能模块的划分 8
3.2.2 在线考试系统的主流程图 8
3.2.3数据库设计 8
3.3系统详细设计 9
3.4 本章小结 9
第4章 考试系统中题库和组卷子系统的实现 错误！未定义书签。
4.1 题库子系统 错误！未定义书签。
4.1.1 科目管理 错误！未定义书签。
4.1.2 题库管理 错误！未定义书签。
4.2 组卷子系统 错误！未定义书签。
4.2.1组卷子系统的操作流程 错误！未定义书签。
4.2.2组卷子系统的操作界面 错误！未定义书签。
4.2.3 基于遗传算法的组卷算法的实现 错误！未定义书签。
4.3 本章小结 错误！未定义书签。
结 论 10
参考文献 11
谢 辞 12
注 释 12
附 录 12

摘要

第一章锅炉控制系统设计的由来及目的
介绍锅炉现状
设计锅炉的任务和目的
锅炉设计内容
本文根据提供的工艺流程，通过分析其对
象动态特性，并考虑了节能减排的目标，从而设计
了一套完整的锅炉自动控制系统方案，。以工业锅炉为被控对象，以安全、稳定、低碳为生产目标，根据工艺流程，结合
锅炉实际装置的操作经验，对整个锅炉控制系统的汽包水位、蒸汽压力、送风量、炉膛负压和
过热蒸汽温度等进行了对象特性分析，将工业锅炉的控制划分为给水控制系统、燃烧控制系
统和过热蒸汽控制系统三部分。采用高级多功能过程控制实训系统(SMPT- 1000)以及西门子过
程控制系统 PCS7 来实施验证所设计的锅炉控制系统，并在保证控制目标的前提下模拟实现了
锅炉的升降负荷。

第二章锅炉控制系统的方案设计
锅炉控制系统的工艺流程和工艺要求
锅炉系统的被控变量特性分析及硬件的选择
锅炉控制系统中各部分的控制策略选择

第三章锅炉控制系统的程序设计
软件控制介绍
控制系统中各部分控制系统结构图及cfc图表的编写
综合cfc图表的设计

第四章锅炉控制系统设计仿真
锅炉控制系统的通信设计及组态
锅炉控制系统各部分cfc程序仿真
过热蒸汽出口温度单回路控制PID参数整定

第五章结论

参考文献

致谢

第一章锅炉控制系统设计的由来及目的

1.1工业锅炉控制系统的发展现状
在国外，锅炉的控制已基本实现了自动控制，控制方法上一部分采用了现代控制理论中的最优控制、模糊控制、多变量内模等方法。因此，锅炉的热效率高，锅炉运行平稳，减少了对环境的污染。然而我国的锅炉控制水平比较低，还没有实现完全的自动控制。我国现阶段有很多工业和民用中小型锅炉，其大部分自动控制水平很低，存在着很多问题，例如燃烧不彻底、排烟氧含量偏高、排烟热损失大等问题，直接造成了锅炉热效率低和大量能源的浪费，也给环境带来很大的污染，所以实现锅炉的自动化控制具有重要意义。
锅炉是一个长期工作在高温高压下的设备，而且所处的环境复杂多变，干扰因素也比较多。同时，锅炉具有较强的耦合性，具有几十个测量参数，控制参数和扰动参数，而且它们之间相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且控制参数也经常变化，存在一定的非线性，这一切都加大了对锅炉的控制难度。因此选择合适的控制器是非常重要的，在过去的锅炉控制方法当中，选用最多的是传统的 PID 控制，但是PID控制的鲁棒性不是很强，其控制效果不是很好。同时锅炉整体控制系统是由多个控制部分组成，其除氧器、省煤器、辐射段和换热器等都是滞后性较强的设备，并且在控制算法上存在反馈环节，因此锅炉是一个具有大滞后特点的设备。
大滞后过程控制起来比较困难"

为了得到更好的控制效果，又简单实用，只针对一
些必要的参数选择了先进的控制算法进行控制，其他的参数控制仍选用的是 PID 控制。而伴随着工业的发展，在工业生产过程中计算机的应用和一些新的算法的研究，产生了很多新的控制算法，也在锅炉控制系统中得到尝试和应用。然而很多控制算法实现时需要有被控对象的模型，有的对象控制过程复杂，模型建立过程也很麻烦，所以并不能得到很精准的模型，通常对于对象在锅炉中的实际情况并不能全部反应，从而致使控制算法在系统中的不到有效地应用。

在以往的控制方案中。大部分采用简单的PID控制，随着现代科技水平的不多提高，计算机在工业中的应用以及各种新的控制算法的研究，例如专家控制系统、模糊控制、神经网络、预测控制、内模控制等，也在锅炉控制系统中得到尝试和应用。但是先进控制算法要求被控对象的模型，而建模的过程比较复杂，得到的模型不是特别的精确，往往不能完全反应锅炉的真实状况，导致了在锅炉控制系统中的应用不是很成功。而专家系统，神经元网络控制，模模糊控制等算法对经验的要求比较高，而这个要求限制了该算法的使用。这些算法都不能大规模使用。国内外的许多学者针对这方面的研究，虽然取得一些成就，但在实际生产应用上还存在一些问题。所以现阶段对工业锅炉系统发展的技术水平还有待提高。
针对以上各种反面，现在国内
外的专家和学者在改进研究的控制方法，虽然在工业生产的实际应用过程中还不能避
免一些问题，但是算法研究方面已取得很大的成果。
随着现代各种技术的发展，模糊控制也被研究的越来越成熟，研究人员尝试将其
应用于各种工业系统中，基于锅炉系统在工业和生活中的重要地位，所以在控制锅炉
系统中的变量时也很多选用模糊控制。然而，在模糊控制中本来存在一些问题，比如
不能得到精确的隶属函数，所以，在其应用于某些时带来不便或者不能选用此种控制
方法
对于蒸汽锅炉控制系统，当前选用与实际应用的控制方法还是以 PID 控制为主，
而现代研究人员研究出的各种新的控制算法也正逐渐应用到实际生产中，但是考虑现
场实施的可能性和操作性，一般只在某些参数或回路中应用新的控制算法，并与传统
PID 控制方法相结合，以便取得更好的控制效果。
在工业的生产过程中，锅炉的工艺流程是十分复杂的，所以对锅炉要达到良好的
控制效果并不是一件很容易的事，要实现控制的效果能够满足要求，选用一种合适的
先进控制方法是十分必要的。

在过去的锅炉控制方法中，选用最多的仍然是传统的 PID 控制，然而锅炉整体的
控制系统是有多个控制回路组成的，为了得到更好的控制效果又简单实用，只针对一
些必要的参数选择了先进的控制算法进行控制，其他的参数控制仍选用的是 PID 控制。而伴随着工业的发展，在工业生产过程中计算机的应用和一些新的算法的研究，
产生了很多新的控制算法，也在锅炉控制系统中得到尝试和应用。然而很多控制算法
实现时需要有被控对象的模型，有的对象控制过程复杂，模型建立过程也很麻烦，所
以并不能得到很精准的模型，通常对于对象在锅炉中的实际情况并不能全部反应，从
而致使控制算法在系统中的不到有效地应用。

在工业中，尤其是石油和发电等工业的生产过程，锅炉是必不可少的设备，作为
一次能源向二次能源转化的重要动力途径，工业过程对锅炉控制系统都有很高的要求，
因此设计控制精度高、响应速度快的锅炉控制系统是十分必要的
1.2设计锅炉的任务和目的
1.3锅炉设计内容
本文根据提供的工艺流程，通过分析其对
象动态特性，并考虑了节能减排的目标，从而设计
了一套完整的锅炉自动控制系统方案，。以工业锅炉为被控对象，以安全、稳定、低碳为生产目标，根据工艺流程，结合
锅炉实际装置的操作经验，对整个锅炉控制系统的汽包水位、蒸汽压力、送风量、炉膛负压和
过热蒸汽温度等进行了对象特性分析，将工业锅炉的控制划分为给水控制系统、燃烧控制系
统和过热蒸汽控制系统三部分。采用高级多功能过程控制实训系统(SMPT- 1000)以及西门子过
程控制系统 PCS7 来实施验证所设计的锅炉控制系统，并在保证控制目标的前提下模拟实现了
锅炉的升降负荷。
根据以上情况,本文设计了锅炉整体控制方案,编写了PID参数优化模块和内模
控制器模块"同时,本文以PCS7为基础,以SMPT-looo为对象,实施了锅炉的整体
控制方案"为工业现场控制系统组态提供了PID参数优化模块和先进控制模块一内模
模块,同时还为锅炉自动化控制提供了锅炉的整体控制方案"

第二章锅炉控制系统的方案设计
锅炉控制系统的工艺流程和工艺要求
锅炉系统的被控变量特性分析及硬件的选择
锅炉控制系统中各部分的控制策略选择

第三章锅炉控制系统的程序设计
软件控制介绍
控制系统中各部分控制系统结构图及cfc图表的编写
综合cfc图表的设计

第四章锅炉控制系统设计仿真
锅炉控制系统的通信设计及组态
用结构化控制语言SCL设计了PCS7与锅炉对象的通讯程序。
设计了
.0D)
与锅炉对象的通信程序$
锅炉控制系统各部分cfc程序仿真
过热蒸汽出口温度单回路控制PID参数整定

第五章结论

参考文献

致谢

第1章 绪论
1.1 在线考试的现状
1.1.1 在线考试在国外的发展状况
1.1.2 在线考试在国内的发展状况
1.1.3 当前在线考试系统的特征
1.3.本课题的来源
1.4本文主要内容
1.5 本章小结
表2-1 总体参数表
参数名称
试卷标题
考试时间
满分值
平均难度
平均区分度
考察的章节知识点
参数值
Test
100
100
难
中
(1)(2)(3)
2、题型比例
表2-2 题型比例表
题型
试题数
分数
考察章节知识点
A
10
20
(1)(6)(5)
B
5
20
(2)(4)
N
1
5
(3)

良
20%
30%
25%
15%
5%
中
5%
25%
40%
25%
5%
较差
5%
5%
30%
40%
20%
差
0%
5%
30%
30%
35%
2.3 题库基础理论
2.3.1 题库发展
2.3.2 题库的概念
2.3.3 题库的特征
2.3.4 题库的建设理论
2.3.5题库建设步骤
2.4.1 在线考试系统的题库建设步骤
2.4.2 题库管理系统框架
2.4.3 题库管理设计方案
2.5本章小结

结 论
结 论

参 考 文 献
参考文献
[1] 毛峡，丁应宽.图象的情感特征分析及其和谐感评价[J].电子学报，2001，29（12A）：1923-1927.
[2] 刘国钧，王连成.图书馆史研究[M].北京：高等教育出版社，1979：15-18，31.
[3] 毛峡.绘画的音乐表现[A].中国人工智能学会2001年全国学术年会论文集[C].北京：北京邮电大学出版社，2001：739-740.
[4] 张和生.地质力学系统理论[A].太原：太原理工大学，1998.
[5] 冯西桥.核反应堆压力容器的LBB分析[R].北京：清华大学核能技术设计研究院，1997.
[6]姜锡洲.一种温热外敷药制备方案[P].中国专利：881056078，1983-08-02.
[7]GB/T16159-1996，汉语拼音正词法基本规则[S].北京：中国标准出版社，1996.
[8]王名亮.中国学术期刊标准化数据库系统工程的[EB/OL]. Http//xxxxx.ndjkfmk.fbuiwa/nsbvhjiaf/ckjv/980810-2.jkncjsans,1998-08-06/1998-10-04.

谢 辞
谢 辞
本文的研究工作是在我的导师XXX教授的悉心指导和严格要求下完成的。X老师在学习方法、工作方法和研究思路等方面给予了许多有益的启迪；同时，他对我的研究工作提出了宝贵的建议和意见，使我在研究工作中不断取得新的进展。X老师深厚的专业知识、严谨的治学精神和求实创新的工作作风深深的影响着我。在此，谨向X老师致以我最崇高的敬意和真挚的感谢！
感谢我的家人和朋友对我生活上的关心，学习和工作的支持，这些使得我能够安心的完成我的研究工作。
最后，对在我的学习和成长道路上给予帮助的所有老师和朋友们表示深深地感谢，对评阅该论文的所有专家表示最崇高的敬意和真挚的感谢！

注 释

-19-

附 录
附 录