锅炉控制新版系统的组态设计.doc

济南铁道职业技术学院电气工程系毕业设计指引书课题名称：锅炉控制系统组态设计专 业 电气自动化 班 级 电气0831 姓 名 cmy设计日期 .1 至 .3 指引教师 ly、11济南铁道职业技术学院电气工程系毕业设计指引书、11一、设计课题: 锅炉控制系统组态设计锅炉设备是工业生产中典型控制对象，而组态控制技术是当今自动化系统应用广泛技术之一。本课题采用组态王6.5组态软件设计上位机监控画面，实时监控液位参数，并采用实时趋势曲线显示液位实时变化。由此构成一种简朴液位控制系统。二、设计目：通过本课题设计，培养学生运用组态软件、PLC设计控制系统能力，理解、掌握工业中最惯用PID控制算法，有助于进一步加深自动控制原理、组态软件和过程控制等课程理解，为此后工作打好基本。三、设计内容：掌握锅炉生产工艺，实现锅炉自动控制手段，运用“组态王6.5”软件做出上位机监控程序，详细有主监控画面、实时曲线、历史曲线；掌握PID参数调节办法。四、设计规定及办法环节：1设计规定： （1）监控系统要有主监控画面和各分系统控制画面，涉及实时曲线、历史曲线和报表等。（2）各控制画面要有手/自动切换。（3）掌握PID控制算法。2 运用有关知识（1） 组态控制技术。（2） 过程控制技术。3 设计环节：（1）熟悉、掌握锅炉生产工艺。（2）设计各分系统控制方案。（3）构思系统主监控画面和分画面，涉及实时曲线、历史曲线和报表等。（4）编写设计论文。五、设计时间安排： 熟悉题目、准备资料 1周 锅炉控制系统工艺理解 1周 监控画面设计 2周 控制算法编制和系统调试 3周 论文编写 2周 准备毕业设计答辩 1周 六、成绩考核在规定期间内，学生完毕所有设计工作，涉及有关资料整顿，然后提交给指引教师，指引教师审视学生设计所有资料并初步通过后，学生方可进入毕业答辩环节，若不符合设计规定，指引教师有权规定学生重做。答辩时，设计者一方面对自己设计进行10分钟左右解说，然后进行答辩，时间普通为30分钟。成绩依照学生平时理论基本、设计水平、论文质量和答辩状况综合考虑而定。成绩按先进、良好、中、及格、不及格五个级别进行评估。济南铁道职业技术学院毕业设计（论文）任务书班 级学生姓名指引教师设计（论文）题目锅炉控制系统组态设计重要研究内容锅炉设备是工业生产中典型控制对象，本课题规定学生一方面掌握锅炉系统生产工艺，理解影响各个参数因素，掌握控制系统硬件配备、软件设计要点，掌握各个控制系统设计办法、PID调节参数办法。重要技术指标或研究目的1、查阅资料，真正掌握锅炉生产工艺和各单元系统控制规定，及参数规定。2、能运用组态王软件制作出监控画面，掌握“组态王6.50”PID控件用法。基本规定(1) 掌握锅炉设备生产工艺规定；（2）理解运用“组态王6.5软件”设计系统普通环节；（3）掌握控制各分系统实现手段；（4）应用“组态王”软件设计出监控软件；（5）掌握PID参数调节办法。重要参考资料及文献1过程控制 金以慧等 清华大学出版社。2AEA系统阐明书。 3组态控制技术 袁秀英编 电子工业出版社。4电站锅炉安全优化运营及原则规程应用手册陆青云 科大电子出版社。 目录摘要.2第一章 组态技术简介.31.1 组态技术概述.31.2 组态软件概述.3第二章 锅炉简介.42.1 锅炉工艺流程.42.2 锅炉设备控制.5 2.2.1 锅炉汽包水位控制.5 2.2.2 锅炉燃烧系统控制.7 2.2.3 锅炉过热蒸汽温度控制.7第三章 锅炉控制系统设计.93.1 系统硬件配备.93.2 监控系统软件设计及实现.10 3.2.1 设备定义.10 3.2.2 变量定义.11 3.2.3 各控制画面设计.12 3.2.4 应用程序语言设计.13 3.2.4 结束语.14第四章 总结.15道谢.16参照文献.17摘要为提高控制系统性能,使显示与控制在同一台工控机上实现,获得简朴、经济锅炉控制系统.自动控制系统硬件采用通用工控机,同步配备必要基本板卡;软件系统选用国产组态王软件,运用其自带命令语言,使用先进控制算法实现了PID控制功能,使锅炉控制系统运营状态稳定.成果控制系统可靠性较高,成本较低,便于维护,兼容性好,运营效果良好.该系统对建立小型锅炉控制系统,特别是对旧系统改造,具备很强合用性,性能可靠且可大大减少成本.本文重要简介锅炉过程控制、组态王软件及其基于组态王开发锅炉监控系统。详述该系统硬件构成、控制办法、组态过程、组态软件运营环境。该系统具备界面和谐、参数在线整定以便、扩展性强等长处。核心词：锅炉 组态王 自动控制系统第一章 组态技术简介1.1 组态技术概述组态技术是一种计算机控制技术。运用组态控制技术构成计算机测控系统与普通计算机测控技术在构造上没有本质区别，它们都是由被控对象、传感器、I/O接口、计算机和执行机构几某些构成，如图1.1所示。 图1.1 普通计算机控制系统构造构成计算机控制系统按照设计办法不同分为以单片机为核心计算机测控系统、以plc(可编程控制器)为核心计算机测控系统和以IPC（工业PC机或称工业控制计算机）核心计算机测控系统。运用组态技术构成计算机控制系统是在以上三者特别是以IPC为核心系统基本上发展起来。组态（Configuration）意思就是模块任意组合。采用组态技术构成计算机系统在硬件设计上，除采用工业pc机外，系统大量采用各种成熟通用I/O接口设备和现场设备，基本不再需要单独进行详细电路设计。这不但节约了硬件开发时间，更提高了工控系统可靠性。在软件设计上由于采用成熟工控专用软件进行系统设计，软件周期大大缩短了。组态软件事实上是一种专为工控开发工具软件。它为顾客提供了各种通用工具模块，顾客不需要掌握太多编程技术，就能较好地完毕一种复杂工程所需要所有功能。 普通来说，只要采用IPC，选取通用接口部件和组态软件，这样构成系统都是基于组态控制系统。国内外许多自动化设备生产厂家生产了许多基于这种技术DCS计算机系统，如德国西门子公司、日本三菱、台湾研华、中华人民共和国时利和等。这些系统提供各种工业PC机、I/O板卡、模块和专门针对自己系统组态软件，供自动化系统设计人员组态选取。与各系统专用组态软件相对是各种通用组态软件，惯用国产通用组态软件有微控可视组态、MCGS、Kingview（组态王）等。组态技术是计算机控制技术综合发展成果，是技术成熟化标志。由于组态技术介入，计算机控制系统应用速度大大加快了。1.2 组态软件概述组态软件是在工业自动化领域兴起一种新型软件开发工具，开发人员普通不需要编制详细指令和代码，只要运用组态软件包中工具，通过硬件组态（硬件配备）、数据组态、图形图像组态等工作即可完毕所需应用软件开发工作。在过程控制实验装置中，要实现锅炉液位控制，以往采用仪表作为调节器，该仪表通过仪表面板按键来变化参数值，没有实时数据输出曲线，故参数调节不以便，且系统控制精度低。为了变化这种状况，运用组态王软件开发了锅炉液位监控系统，采用计算机采集、解决数据。依照组态王锅炉液位实时曲线输出，用滑动输入块变化参数值，使系统输出稳定到设定值，从而提高了工作效率。组态王软件是一套基于Windows95/98/NT/XP操作系统，可用来迅速生成上位机监控系统组态软件包，它可以完毕现场数据采集、实时和历史数据解决、流程控制、动画显示、报警和安全机制、趋势曲线、报表输出等功能，是协助顾客解决工程实际问题完整方案和操作工具。该软件具备多任务、多线程功能，其系统框架采用VC+编程，提供丰富设备驱动构件、动画构件，顾客可随时以便地扩充系统功能。组态王软件系统涉及开发环境和运营环境两大某些，顾客所有组态配备过程都是在组态环境中进行。运营系统按照开发环境中组态方式进行各种解决，完毕顾客组态设计目的和功能。当前，组态王软件已经在石油、化工、电力等各种工程领域获得成功应用。第二章 锅炉简介 锅炉是石油化工、发电等工业生产过程中必不可少重要动力设备。它所产生蒸汽不但可觉得工业生产蒸馏、干燥、蒸发、化学反映等过程提供热源，并且还可觉得压缩机、泵、涡轮机等提供动力源。锅炉是应用广泛工业和民用设备，国内当前运营多数锅炉由于控制水平不高，其效率普遍低于国标，大多数锅炉仍处在能耗高、环境污染严重生产状态，每年由于热效率低而多消耗原则煤近万吨。老式手工仪表监控系统已不适应节能降耗规定，当今大多数公司采用自动控制系统实现对锅炉控制。2.1 锅炉工艺流程 锅炉种类诸多，按所用燃料分类，有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、燃气锅炉，尚有运用残渣、残油等为燃料锅炉。所有这些锅炉，虽然其燃料种类各不相似，但蒸汽发生系统和蒸汽解决系统是基本相似。常用锅炉设备重要工艺流程如图2.1所示： 图2.1 锅炉设备重要工艺流程图由图可知，燃料和热空气按一定比例进入燃烧室燃烧，生成热量传递给蒸汽发生系统，生成饱和蒸汽Ds。然后通过热器，形成一定过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为Pm过热蒸汽，经负荷设备控制阀供应生产负荷设备使用。与此同步，燃烧过程中产生烟气，除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱排入大气。 锅炉设备是重要动力设备，对其规定是提供合格蒸汽，使锅炉产汽量适应负荷需要。为此，生产过程各个重要工艺参数必要加以严格控制。2.2 锅炉设备控制 2.2.1锅炉汽包水位控制汽包水位是锅炉运营重要指标，保持水位在一定范畴内是保证锅炉安全运营首要条件，水位过低或过高，都会给锅炉及蒸汽顾客安全操作带来不利影响。如果水位过低，则因汽包内水量加速减少，水位迅速下降，如果不及时控制，会使汽包内水所有汽化，导致锅炉水冷壁烧坏，甚至引起爆炸；水位过高会影响汽包内汽水分离，产生蒸汽带液现象，会使过热器管壁结垢而损坏。由此可见，水位过低或过高时所产生后果都是极为严重，因此汽包水位操作平稳显得尤为重要，必要严加控制。图2.1 三冲量控制方案系统框图采用三冲量调节，即依照给水流量、汽包液位和蒸汽流量调节主给水阀，保证锅炉汽包水位稳定，是前馈反馈串级调节回路，如图2.1：锅炉给水系统中，由锅炉提供两个给水调节阀，其中DN150调节阀是主调节阀，在正常负荷和高负荷运营时使用；旁通管设一种DN100调节阀，在低负荷时使用，同步也作为主调节阀备用阀。在自动给水状态下，只容许其中之一自动调节给水，此时，另一调节阀可画面手动给水;在程序投入之前，操作人员需要事先选定哪一种调节阀自动投入。如果本次未能设定，将按照上一次设定执行。图2.2 汽包水位控制系统构造图、 其中： SP汽包液位设定点 PID1汽包液位调节，为主调，反作用 PID2给水量调节，为副调 PV1汽包液位测量值 PV2给水流量测量值 加法器，其公式如下： X0X22（X150%） X0输出 X1汽包液位调节输出 X2蒸汽流量信号将液位进行PID1调节后输出，和蒸汽流量进行加法运算，其成果作为PID2设定点，PID2将此设定点与给水流量偏差进行调节，输出带动执行机构，调节给水阀。汽包液位是主被调量，给水量是副被调量，蒸汽流量是前馈量。当汽包液位上升时，PID1输出减小，则加法器输出也减小，给水阀关小，就减小了给水量。当汽包负荷变大时，即蒸汽流量增长，加法器输出就增大，给水阀开大，就增大了给水量。当蒸汽负荷突然增长，而浮现“假液位”时，由于PID1是反作用，PID1输出就减小，即加法器里X1就减小；由于负荷增长，加法器里X2就增长，这样，加法器输出基本变化不大。通过短时间后汽包内压力恢复平衡，“假液位”消除，此时液位因蒸发量增长而开始下降，PID1输出就增长，则给水量增长，直至汽包液位恢复到给定位置。2.2.2 锅炉燃烧系统控制锅炉燃烧系统控制与燃料种类、燃烧设备及锅炉型式等有密切关系。燃烧过程自动控制任务诸多，其基本规定有三个： 保证出口蒸汽压力稳定，能按负荷规定自动增、减燃料量； 燃烧良好，供气适当，既要防止由于空气局限性使烟囱冒黑烟，也不要因空气过量而增长热量损失； 保证锅炉安全运营。保持炉膛一定负压，以免负压太小，甚至为正，导致炉膛内烟气往外冒出，影响设备和工作人员安全；如果负压过大，会使大量冷空气漏进炉内，从而使热量损失增长。2.2.3 锅炉过热蒸汽温度控制 锅炉过热蒸汽温度调节采用自制冷凝水喷水减温装置，锅炉过热蒸汽温度自动调节是依照集器集箱和减温器出口蒸汽温度自动调节减温水调节阀开度，控制减温水量，以保证集汽集箱中蒸汽温度控制在430450范畴内。当集汽集箱出口蒸汽温度减少时，汽温自动调节系统自动减少减温水量，随着汽温升高，减温水量增长，保证集汽集箱出口蒸汽温度稳定，反之则减小减温水量，避免汽温产生较大波动。喷水减温系统中，由锅炉提供两个给水调节阀，其中DN50调节阀是主调节阀，在正常运营时使用；旁通管设一种DN50调节阀，作为主调节阀备用阀。在自动给水状态下，只容许其中之一自动调节给水，另一调节阀备用；在程序投入之前，操作人员需要事先选定哪一种调节阀自动投入。如果本次未能设定，将按照上一次设定执行。在主给水调节阀后设DN150调节阀，依照所需要冷凝水量调节该调节阀开度。采用串级调节，蒸汽出口温度经PID1调节输出后，作为PID2（减温器出口温度调节）设定点，PID2对此设定点和减温器出口温度偏差进行调节，输出带动执行机构，调节减温水调节阀。当测得集汽集箱出口蒸汽温度高时，PID1输出增大，则减温水调节阀开大，增长减温水量；反之，则减小阀门开度，减少减温水量。 当有扰动时（重要扰动有烟气流量和温度变化引起扰动，减温器入口蒸汽流量和温度引起扰动，减温水压力变化引起扰动）一方面反映在减温器出口蒸汽温度变化，温度一高，则规定增长减温水量，调节就比较迅速，而对集汽集箱出口蒸汽温度影响就比较小，提高了调节品质。框图如下：图2.3 过热蒸汽温度自动调节控制系统构造 第三章 锅炉控制系统设计3.1 系统硬件配备 如图3.1图3.1 工业锅炉硬件配备图计算机对采样数据进行解决，依照控制算法，用计算机输出控制量控制电动调节阀位置来变化锅炉进水流量，从而实现锅炉液位实时监控。锅炉给水、出水流量测量采用LDG-S型电磁流量计和LDZ-4B型电磁流量转换器配套使用，将流量信号转化为4-20mA电流信号；将锅炉液位、管道进水压力通过PK2AAAA型压力变送器转化为4-20mA电流信号；同步QSVP-64K型电动调节阀反馈回阀位置4-20mA电流信号，这些信号通过程控制实验台上精密电阻（250）转换为1-5V电压信号后传给A/D采集卡。（1） 系统硬件配备如图所示，控制器采用研华IPC-610（2） A/D卡采用研华PCL-813多功能数据采集卡，重要性能指标如下 32路光电隔离输入通道，12位AD 12位A/D 辨别率最高达25kS/s采样率 32通道单端输入 超过5000VDC隔离保护 双极性或单极性模仿输入范畴 可编程增益设立：0.5，1，2，4，8 输入范畴:5V、2.5V、1.25V、0.625V 0-10V、0-5V、0-2.5V、0-1.25V（3） D/A卡采用中PC-6323光电隔离型输出接口卡，重要性能指标如下: 输出通道数：8路 (互相独立，可同步或分别输出) 输出信号范畴：电压方式：05V；15V；010V；2.5V；5V； 电流方式：010mA；420mA 输出阻抗： 2 (电压方式) 使用环境规定： 工作温度：1040相对湿度：4080RH 存贮温度：55853.2 监控系统软件设计及实现3.2.1 设备定义依照此系统硬件配备，需要定义两个I/O设备：一种是研华PCL.813,另一种是中泰PC.6323，设备构件组态是连接和驱动外部设备工作环境。在通道连接窗口中，将A/D，D/A通道和实时数据库中数据对象相应连结起来。如图所示。 图3.2 配备研华板卡设备图3.3 配备中泰板卡设备3.2.2 变量定义实时数据库组态是工程各个某些数据互换与解决中心，它将组态王工程各个某些连成有机整体。按照系统设计实际需要，在组态王“变量字典”中对系统所创立数据对象基本属性、存盘属性、报警属性进行定义和设立。重要变量定义 如表变量名称连接设备变量类型炉膛出口温度abc101内存实型炉膛出口压力Jkl101内存实型出水压力Abc102内存实型出口水温Jkl102内存实型煤层厚度Abc103内存实型补水箱水位Jkl100内存实型引风门开度Jkl101内存实型循环泵水压控制输出Abc102内存实型鼓风门开度Abc108内存实型引风控制输出Abc107内存实型给煤控制输出Jkl104内存实型鼓风控制输出Abc106内存实型程控启炉指令Jkl105内存离散引风启动Abc103内存离散给煤机启动Jkl104内存离散鼓风启动I/O整型煤状态I/O整型电机状态内存离散流水I/O整型送煤车I/O整型PID偏差前值内存实型增量PID输出值Stop内存实型PID积分系数内存实型PID比例系数内存实型PID微分系数内存实型PID偏差内存实型排渣机启动I/O整型出水压力给定内存实型炉膛出口压力给定内存实型鼓风风量给定内存实型炉温给定内存实型出口水温给定内存实型炉温回路切换指令内存离散炉压回路P内存实型炉压回路I内存实型炉压回路D内存实型3.2.3 各控制画面设计 运用组态王提供图库和画面工具，在一种画面上像搭积木同样搭建出一幅图画，运用数据链接把画面上对象与其相应数据变量联系起来，采用一定命令语言实现动画，让画面动起来。 报警窗口画面 记录着系统运营中各种报警事件，报警时状态值，及报警解决，并可依照事件轻重缓急设定优先级及报警阀值，分实时报警和历史报警，这些均在数据变量属性中进行设定，形成电子表格文档以日期为文献名记录在硬盘上。 历史曲线画面 涉及实时曲线和历史趋势曲线，并可依照需要随时打印，做出趋势图后，只需进行数据连接，让参数变化反映到趋势图上。 控制参数窗口画面 提供应顾客修改控制参数窗口，通过组态王命令语言实现PID控制。图3.4 系统主控制画面图3.5 实时趋势曲线图3.6 历史趋势曲线图图3.7 报警窗口3.2.4 应用程序语言设计 PID偏差=炉膛出口压力给定-炉膛出口压力;PID偏差前值=炉压回路偏差前值;PID偏差前前值=炉压回路偏差前前值;PID比例系数=炉压回路P;PID积分系数=炉压回路I;PID微分系数=炉压回路D;增量PID输出值.Comment=start;引风控制输出=引风控制输出+增量PID输出值*3;炉膛出口压力=炉膛出口压力给定;炉压回路偏差前前值=PID偏差前值;炉压回路偏差前值=PID偏差;PID偏差=出水压力给定-出水压力;PID偏差前值=循环水压回路偏差前值;PID偏差前前值=循环水压回路偏差前前值;PID比例系数=循环水压回路P;PID积分系数=循环水压回路I;PID微分系数=循环水压回路D;增量PID输出值.Comment=start;循环泵水压控制输出=循环泵水压控制输出+增量PID输出值*3;出水压力=2.5*(循环泵水压控制输出-4)/16;循环水压回路偏差前前值=PID偏差前值;循环水压回路偏差前值=PID偏差;if(炉温回路切换指令=1)PID偏差=炉温给定-炉膛出口温度;PID偏差前值=炉温给煤回路偏差前值;PID偏差前前值=炉温给煤回路偏差前前值;PID比例系数=给煤回路P;PID积分系数=给煤回路I;PID微分系数=给煤回路D;增量PID输出值.Comment=start;给煤控制输出=给煤控制输出+增量PID输出值;炉温给煤回路偏差前前值=PID偏差前值;炉温给煤回路偏差前值=PID偏差;elsePID偏差=出口水温给定-出口水温;PID偏差前值=水温给煤回路偏差前值;PID偏差前前值=水温给煤回路偏差前前值;PID比例系数=给煤回路P;PID积分系数=给煤回路I;PID微分系数=给煤回路D;增量PID输出值.Comment=start;给煤控制输出=给煤控制输出+增量PID输出值;水温给煤回路偏差前前值=PID偏差前值;水温给煤回路偏差前值=PID偏差;3.2.5 结束语组态王运营环境是一种独立运营系统，它按照组态成果数据库中顾客指定方式进行各种解决，完毕顾客组态设计目的和功能。顾客通过运营环境实现对工程控制。运营环境自身没有任何意义，必要与组态成果数据库作为一种整体，构成顾客应用系统。一旦组态工作完毕后，运营环境和组态成果数据库就可以离开组态环境而独立运营在计算机上，此后即可在运营环境中，对系统进行运营调试。 组态王软件以其优秀特性在锅炉液位监控系统中获得了成功应用，实现了实时数据浏览、实时和历史数据趋势显示等功能，达到了预期对实验装置改造目。相对原有仪表调节器，该监控系统具备构造简朴、成本低、性能稳定等长处，同步可以便地通过硬、软件扩充，实现锅炉温度、流量等控制，即扩展性强。该监控系统对提高工业锅炉房微机化自动控制，具备一定参照价值，值得推广和应用。该监控系统通过半年多运营，满足了生产规定。由组态王软件进行组态实现上位机监控系统界面和谐，运营稳定，便于操作。在工控方面上位机监控系统选用Kingview组态软件进行组态，不失为一种以便而有可行方案。第四章 总结1月，我开始了我毕业论文工作，时至今日，论文基本完毕。从最初茫然，到慢慢进入状态，再到对思路逐渐清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几种月奋战，紧张而又充实毕业设计终于落下了帷幕。回忆这段日子经历和感受，我感触万千，在这次毕业设计过程中，我拥有了无数难忘回忆和收获。当我拟定选取“锅炉控制系统组态设计”时候，我当时便立即着手资料收集工作中，面对浩瀚书海和网路真是有些茫然，不知如何下手。我将这一困难告诉了导师，在导师细心指引下，终于使我对自己当前工作方向和办法有了掌握。在收集资料过程中，我认真准备了一种笔记本。我在学校图书馆，省图书馆收集资料，还在网上查找各类有关资料，将这些宝贵资料所有记在笔记本上，尽量使我资料完整、精准、数量多，这有助于论文撰写。然后我将收集到资料仔细整顿分类，及时拿给同窗教师进行沟通。4月初，资料已经查找完毕了，我开始着手论文写作。在写作过程中遇到困难我就及时和导师联系，并和同窗互相交流，请教专业课教师。在人们协助下，困难一种一种解决掉，论文也慢慢成型。又通过一周奋战，论文设计工作落下了帷幕。通过论文设计不但使我加深了专业课理解限度，还使我明白了做任何事情都要脚踏实地，认认真真，不能存在任何投机取巧想法，在后来工作和学习中我会紧记这些经验教训。道谢非常感谢ly教师在我大学最后学习阶段给自己悉心指引，从最初定题，到资料收集，到写作、修改、到论文定稿，她给了我耐心指引和无私协助。为了指引咱们毕业论文，她放弃了自己休息时间，这种无私奉献精神令人钦佩，在此我向她表达我诚挚谢意。同步感谢所有任课教师和所有同窗在这三年来给自己指引和协助，是她们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人，正是她们，我才干在各方面获得明显进步，在此向她们表达我由衷谢意，并祝我所有教师培养出越来越多先进人才，桃李满天下！参照文献1过程控制 金以慧等 清华大学出版社。2AEA系统阐明书。 3组态控制技术 袁秀英编 电子工业出版社。 4电站锅炉安全优化运营及原则规程应用手册陆青云 科大电子出版社。