锅炉汽包水位监控系统设计.docx

锅炉汽包水位监控系统设计摘 要锅炉设备是化工、炼油、发电、造纸、制糖、制酒的生产动力(蒸汽)设备，它是一个复杂多输入多输出的被控对象，对其进行控制的目的主要是保证产品质量及安全生产，同时在保证产品质量前提下，尽可能提高产品的产量并设法降低装置的能耗。锅炉设备是一个多输入、多输出且相互关联的被控对象，就控制方案而言主要包括(1)锅炉汽包水位的控制;(2)锅炉燃烧系统的控制;(3)蒸汽系统的制;(4)原水处理控制。其中锅炉汽包水位和锅炉燃烧系统的控制尤为重要，本设计课题着重论述锅炉汽包水位的控制系统实施方案。维持汽包水位在给定范围内(即锅炉汽包水位控制)是保证锅炉安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的重要指标。本汽包水位控制系统是基于西门子公司的S7-200可编程序控制器实现三冲量调节系统，上位机组态软件应用MCGS，它具有良好的人机界面和系统兼容性。实际应用表明，基于系列S7-200PLC实现的分布式计算机控制系统可以提高锅炉设备的自动化控制水平，降低工作人员的劳动强度，取得了较好的经济和社会效益。 关键词：S7-200PLC;汽包水位;三冲量调节系统;监控软件Monitor and Control System design of boiler water levelAbstract Boiler is a complicated multiple I/O device，which be used widely for chemical plant，oil refining，generate electricity，paper making，refining sugar and refining alcohol，etcIt is major purpose for controlling boiler to ensure producing safely and improving product quality .Increasing product mass and reducing consumption of energy is the premise of ensuring product quality Boiler is ail object which includes many correlative I/O parametersControlling scheme is designed in several aspects：(1)drum water-level；(2)burning system (3)steam system；(4)water-treatedThe controlling of dram water-level and burning system is more importantThis paper describes the implement about drum water-level controlling systemIt is prerequisite and important target to keep drum water-level in given range for safety running，three-impulse adjusting system uses series S7-200 PLC of SIMENS. Configuration software of upper computer uses MCGS with good interface and compatibilityIn practical application，enhancing automatic level of boiler and reducing work intensity and gaining more benefit can be realized by DCS based on series S7-200 PLCKey Words：S7-200 PLC；boiler water level；tri-impulse control；monitoring and controlling software目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 研究背景与意义11.2 国内外研究现状21.3 本文主要研究内容4第二章 锅炉汽包水位控制方案设计12.1 控制系统工艺流程12.2 控制方案设计22.2.1 单冲量水位调节系统22.2.2 双冲量水位调节系统32.2.3 三冲量水位调节系统42.3 控制系统算法设计92.3.1 数字PID原理及算法分析92.3.2 数字PID校正环节参数102.4 系统硬件设计122.4.1 水位传感器设计122.4.2 压力变送器、差压变送器132.4.3 节流式流量计142.5 系统软件设计14第三章 基于PLC与组态软件的监控系统设计163.1 系统结构设计163.2 系统输入输出设计173.2.1 数字量输入输出设计173.2.2 模拟量输入输出设计183.2.3 输入输出信号的采集与转换183.3 系统硬件组成193.3.1 一次仪表193.3.2 锅炉系统仪表操作台193.3.3 计算机操作台203.3.4 工业电视监视站213.3.5 安装于集控室的PLC柜223.3.6 大容量的UPS223.4 系统组态设计233.4.1 组态软件介绍233.4.2 监控软件组成273.5 PCPLC网络通信283.5.1 网络主站与从站283.5.2 S7200网络通信协议293.6 系统报警设计303.6.1 信号处理与显示313.6.2 上、下限基准电压设定313.6.3 报警电路323.7 梯形图程序设计32第四章 监控系统功能实现354.1 监控主画面功能实现354.2 实时监控画面功能实现364.3 参数初始化画面功能实现374.4 实时数据曲线功能实现394.5 历史数据曲线功能实现394.6 历史数据浏览功能实现40第五章 结 论42参考文献43致 谢45第一章 绪 论1.1 研究背景与意义 最近几十年来，随着国民经济和科学技术的迅速发展，一方面，火力发电技术日趋成熟，机组不断向高参数、大容量方向发展，大型火电机组大量投产，另一方面，电网供电的峰谷差日益增大，要求大型机组参与电网调峰运行，这对机组运行的安全性、经济性和灵活性等诸方面提出了更为严格的要求。在这种情况下，设计和运行人员对机组的运行特性，尤其是对机组热力系统及设备动态特性的掌握就显得十分重要。锅炉是火力发电厂单元机组中的主要设备之一，它是一种系统复杂、体积庞大和价格昂贵的能量转换设备，其内部发生的物理、化学变化非常复杂，而且各种过程紧密耦合、互相影响。针对锅炉动态特性的研究，往往借助于为其建立的某种简化模型。然而，对于锅炉内部的某些工作机理，至今人们掌握的并不是很充分。因此，如何建立一个比较符合实际而又相对简单的锅炉数学模型，是一个尚待研究和值得研究的课题。锅炉监控系统的发展在很大程度上取决于工业自动化技术的发展。伴随着计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、CRT显示技术、通信和网络技术的高速发展，人们越来越多地用计算机来实现各种控制系统。利用这种技术可以完成常规控制技术无法完成的任务，达到常规控制技术无法达到的性能指标，使得过程自动化发展到了前所未有的水平。在此基础上，以PLC为核心的计算机监控系统在锅炉监控中的应用研究也取得了飞速发展。汽包水位是汽包锅炉非常重要的运行参数之一，同时它还是衡量锅炉汽水系统是否平衡的标志。维持汽包水位在一定允许范围内，是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。水位过高，会影响汽水分离器的正常运行，使蒸汽品质变坏，过热器管壁和汽轮机叶片结垢，严重时会导致蒸汽带水，造成汽轮机水冲击而损坏设备。水位过低，则会破坏水循环，严重时会引起水冷壁管道破裂。此外，随着锅炉参数的提高和容量的增大，汽包的容积相对变小，负荷变化和其它扰动对水位的影响将相对变大，这必将加大水位控制的难度，从而对水位控制系统提出了更高的要求。因此，如何准确控制汽包水位的变化成为火电厂普遍关注的问题。1.2 国内外研究现状汽包水位是锅炉安全运行的指标之一，锅炉汽包水位的测量、控制和保护系统的合理配置是保证锅炉安全运行的重要措施。通常选用多套仪表对汽包水位进行检测和控制，以提高可靠性。防止电力生产重大事故的汽包水位部分要求：汽包锅炉应至少配置两只彼此独立的就地汽包水位计和两只远传汽包水位计；水位计的配置应采用两种以上工作原理共存的配置方式，以保证在任何运行工况下锅炉汽包水位的正确监视。准确测量和保持汽包水位在规定的范围内有其重要的意义。但长期以来，汽包水位一直存在测量不准确的问题。目前，汽包水位测量仪表主要有2种：差压式和连通管式的。连通管工作原理的有双色水位计和电接点水位计两种。汽包上就地安装的玻璃水位计是最直观的水位仪表，但其设置位置高、又远离控制室，电厂普遍采用CCD摄像系统将水位图像引入控制室的水位工业电视上。目前锅炉汽包水位监视存在以下问题：（1）由于目前国内锅炉汽包水位计没有配置标准，而大机组汽包较长，汽包水位高低不平，需多点测量才能了解水位大致分布，所以200MW600MW在役机组锅炉汽包水位测量装置配备数量一般为612套。多数300MW机组都将电接点水位计信号用于保护系统，差压水位计信号用于控制，汽包就地高位水位计的信号通过摄像机引入控制的工业电视上，作为运行人员的一项监视内容，但是工业电视显示的水位图像模糊不清，通常无法分辨水位的分界面。（2）工业电视仅仅只能起到对现场水位计的监视作用，而不能根据图像得到水位精确的定量数值，运行人员需要根据刻度进行估数，而且水位数据无法长期保存。（3）汽包高位水位计中过冷水的温度比汽包饱和温度低很多，所以水位计中水的密度大于汽包饱和水的密度，造成显示的水位H远低于汽包内实际水位H，需要进行实时补偿。目前的普遍做法是采取锅炉检修过程将水位计整体下移的方式，但由于偏差值是随环境温度、机组负荷的变化而变化的，所以仅靠冷态位置的调整是无法将偏差值一次修正到位的。（4）如果取消工业电视图像，仅从操作盘上看水位，那么在紧急事故情况下，画面切换频繁，很容易导致误操作；并且国家出台的蒸汽锅炉安全技术检查规程规定：运行人员必须实时监视汽包水位，因此，工业电视的水位图像不能被取消或代替。鉴于以上问题，我们设计了一套基于图像处理技术的炉膛火焰和汽包水位实时监测系统，结合图像处理技术和视频监控技术，对火焰图像、水位图像信息进行数字运算和处理，以提高图像的显示质量，并将处理过的视频信号送到工业电视上，保证让运行人员能随时醒目地看到分层的火焰图像和清晰的水位棒图；同时，系统还可以实时记录特征参数，用曲线、表格等方式显示，并作为历史数据长期保存。另外，还具有报警和事故存盘功能。1.3 本文主要研究内容本文首先提出了一个汽包水位控制系统方案，系统中被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在工艺允许的范围内。并根据锅炉控制系统的工艺要求，制定汽包水位系统的控制算法。在此基础上，利用可编程控制器和组态王实现对系统的监控作用，此外还介绍了西门子S7-200系列可编程控制器与组态王的通信以及注意事项。实践证明，PLC与组态王结合具有很好的应用价值。整个项目需要完成的工作内容有: 汽包水位控制方案制定, 系统算法设计 ，PLC的I/O分配，监控系统设计及实现, 梯形图设计, 项目资料整理等。本文共分四部分：第一章：绪论。简单的阐述了锅炉汽包水位的研究背景和现状。第二章：锅炉汽包水位控制方案设计第三章：基于PLC与组态王的监控系统设计第四章：锅炉汽包水位监控系统的实现第二章 锅炉汽包水位控制方案设计2.1 控制系统工艺流程工业锅炉汽水系统结构如图2-1所示。汽包及蒸汽管中贮藏着蒸汽和水汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽负荷量，当给水量等于蒸汽量时汽包水位就恒定不变。工业锅炉汽包水位自动控制的目标就是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。图2-1 锅炉汽水系统1给水泵；2给水母管；3调节阀；4省煤器5锅炉汽包；6下降管；7上升管；8蒸汽母管汽包水位是锅炉运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量，维持汽包水位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。这是因为：a.如果水位过低，则由于汽包内水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又很快，因而汽包内的水量变化速度很快，如果不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸。b.水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液的现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，该蒸汽作为汽轮机的动力，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全和经济性。汽包水位过高或过低的后果极为严重，所以必须严格加以控制。2.2 控制方案设计由于水位调节对象没有自平衡能力，而且水位调节对象存在滞后，因此不能采用开环调节方法。常用的汽包水位的控制算法有单冲量控制，双冲量控制以及三冲量控制三种。2.2.1 单冲量水位调节系统 如图2-2所示。在单冲量水位调节系统中，水位是唯一的调节信号，即调节器只根据水位变化去改变给水调节阀的开启度。在汽包相对负荷容量比较大，水位受到扰动后的反应速度较慢，虚假水位现象不很严重的情况下，采用单冲量调节方法可以满足生产要求。 图2-2 单冲量水位控制系统框图2.2.2 双冲量水位调节系统如图2-3所示。图2-3 双冲量水位控制系统框图单冲量调节方法不能克服虚假水位对水位控制的不良影响。当蒸汽量大幅度增加时，由于假水位上升，调节器输出信号不但不去开大调节阀增大给水量，以维持物料平衡，反而去关小调节阀。减少给水量，等到假水位消失后，水位将更加迅速下降，波动很厉害，动态品质很差，显然在外扰作用下不能避免水位发生较大幅度的波动。此外，当负荷变化时，控制作用缓慢。即使“虚假水位”不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再由水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小偏差必然相当显著。为了克服虚假水位对控制的不良影响，可以引入蒸汽流量作为前馈信号。当蒸汽负荷变化引起水位大幅度波动时，蒸汽流量信号起着超前的作用，它可在水位尚未出现变化时，提前使调节阀动作，补偿了“虚假水位”所引起的误动作，减少水位波动，从而改善了控制品质，这样，系统就成为双冲量控制。2.2.3 三冲量水位调节系统双冲量控制方法不能迅速克服给水压力变化对水位产生的影响。当给水压力波动时，给水流量将发生变化，此时只有等到水位变化后调节器才能起作用。为此再引入给水流量信号，组成三冲量水位控制回路，如图2-4所示。图2-4 三冲量水位控制系统结构框图图2-4中累加器的输出为： =+-o (2.1)其中C为前馈系数，前馈系数C的确定如下：如果给水流量的测量是线性的，则有： =(-) (2.2)式中： -给水流量变送器输出变化量； -给水流量变化量； -给水流量变送器量程； -变送器输出的最大变化范围；由式（2.2）可得：= (2.3)蒸汽流量的测量也作为线性来考虑：=(-) (2.4)式中: -蒸汽流量变送器输出变化量；-蒸汽流量变化量；-蒸汽流量变送器量程；-变送器输出的最大变化范围；根据式（2.4）可得：= (2.5)从静态物料平衡看，使汽包水位不变，成为常数，应当使W=D(给水流量等于蒸汽流量)。考虑到锅炉由于排污要放出一部分水，所以给水流量稍大于蒸汽流量，则有：= (2.6)式中: -给水流量变化量；-蒸汽流量变化量；-排污系数，1；根据式（2.6）得：= (2.7) = (2.8)根据静态前馈全补偿要求：= (2.9)所以：= (2.10)根据图2-4，可以得到三冲量控制系统框图，如图2-5所示。 图中的串级三冲量控制系统中，主调节器接受水位信号作为主控信号和蒸汽流量信号去控制副调节器的给水设定值，副调节器除了接受主调节器的设定信号外，还接受给水流量信号。蒸汽流量信号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀立即向正确的方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，从而抵消了由于虚假水位引起的反向作用，因此减少了水位和给水流量的波动幅度。给水流量信号作为调节阀动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，做出响应的调整。对于水压干扰等给水侧的扰动，给水流量信号也起着前馈的作用，能使扰动迅速做出反应。图2-4所示的三冲量水位控制系统结构实际上是前馈-串级控制系统，根据图2-5，副调节器采用PI调节器，微分作用没有或很小。副回路控制目标是在保证系统稳定的基础上，使给水调节阀有尽快的响应。所以比例作用取得较大，但留有余量，以保证系统不发生振荡。主回路也采用PI调节器，其调节对象为汽包水位。由于前馈作用对虚假水位现象的抵消。调节对象的特性较简单，可以把积分作用取大一点，迅速消除水位偏差。比例作用不宜太大，以免在出现虚假水位时控制作用和前馈作用相抵消。蒸汽流量前馈系数取值为给水流量与蒸汽流量量程的比值与排污系数的乘积，这样在静态情况下，就能满足系统的物料平衡。串级三冲量水位控制算法的灵敏度很高，算法输出的信号频繁变化，但由于其执行机构给水调节阀本身特性是一个惯性环节，能有效地对信号进行平滑处理，并不会引起频繁动作。由此可以看出在前馈-串级三冲量控制下，调节器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和失控。图2-5 汽包水位三冲量控制系统框图综上所述，由于单冲量控制系统不能克服假水位带来的控制问题，双冲量控制系统还有不能做到静态补偿以及不能对给水系统干扰及时克服两个的弱点。因此在实际应用中汽包水位控制系统都采用三冲量控制系统。即蒸汽流量、给水流量、汽包水位三个冲量作为输入变量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包水位。2.3 控制系统算法设计2.3.1 数字PID原理及算法分析PID是比例(Proportion)、积分(Integral)、微分(Derivative)的缩写，PID控制是过程控制系统应用最广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能达到满意的效果，因此，PID控制在工业控制等领域一直都在广泛使用。典型的PID控制原理如图2-6所示:图2-6 典型PID控制原理在模拟控制系统中PID控制规律的表达式为: = (2.11)其中:为比例增益,为积分时间常数，为微分时间常数。为控制量，为偏差。在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法，当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。为此可作如下近似计算: (2.12) (2.13)式中，T为采样周期，k为采样序号。由式(2.11)、(2.12)、(2.13)可得到数字PID的控制算式为 (2.14)式中：表示执行机构的位置。由于式(2.14)算式不够方便，这是因为要累加偏差，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此可对式(2.14)进行改进。根据式(2.14)不难写出的表达式，即: （2.15）将式(2.14)和式(2.15)相减，即得数字PID增量型控制算式: (2.16)其中：称为比例增益; 称为积分系数; 称为微分系数。2.3.2 数字PID校正环节参数PID控制器各校正环节的作用及参数对系统的影响为:（）比例常数的作用在于按比例反应系统的偏差、加快系统的响应速度，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差，比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。控制品质的好坏很大程度上取决于该值的选取，实际控制过程的操作经验说明:在调节过程初期，适当地把PID调节器的比例度放大到较大的档次以提高响应速度;在调节过程中期，把适当的置小一些，从而兼顾稳定性与调节精度;在调节过程后期，把调整到较小的档次以减小静差，提高控制的精度。（）积分常数在系统控制中，积分调节规律主要作用在于消除稳态误差，提高无差度;只要有误差，积分调节就进行，直至误差消失。积分作用的强弱取决于积分时间常数，该常数越小，积分作用就越强，反之，该常数大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。由于某些原因(如饱和非线性等)，使得在调节过程初期产生积分饱和，从而引起调节过程的较大超调。因此，在调节过程的初期，应小一些;中期为避免影响稳定性，应调整得适中;后期，应增大，以减小调节稳态误差，从而提高调节精度。（）微分环节微分调节作用主要是反映系统偏差信号的变化率，针对大惯性过程引入的，它能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，己被微分调节作用消除，可以改善系统的动态性能。在调节过程初期，加大微分作用，可减小甚至避免超调;在调节过程中期，由于调节特性对的变化比较敏感，应适当小一些，并保持固定不变;在调节过程后期，应减小，从而减小被控过程的制动作用，以补偿在初期由于较大所造成的调节过程时间延长。2.4 系统硬件设计2.4.1 水位传感器设计水位传感器的作用是采集水位信号并对其进行转换，它是水位测量仪表中不可缺少的组成部分。根据水位传感器检测水位的不同方式,可将各类测量仪表分为以下3类。（）浮力式液位计.它是根据漂浮在液面上的浮子(也称浮标)受到水的浮力作用，随水位的变化而产生位移来进行液位测量的，利用这一关系制成的仪表称浮力式液位计，浮子或浮筒是这类仪表的感受元件。浮力式液位计的主要特点是结构简单，工作可靠，不易受外界环境的影响。但因大多数这类仪表有可动部件,易因摩擦、磨损、腐蚀等增大仪表的死区和变差，甚至使机械部件卡死而无法正常工作。（）静压式液位计.它是依据液体中某一定点与液面之间的压差随液柱高度的变化来进行测量的。可分为压力式和差压式两类。这类仪表测量范围宽，可进行就地或远传测量，缺点是安装复杂，不易维护，测量结果需进行非线性校正。（）电磁式液位计(包括电阻式、电容式、电感式等)。它是利用测量元件将液位的变化转换成电阻、电容或电感量的变化来进行测量的。此类仪表寿命长,工作可靠，但这类仪表一般都直接装设在锅筒的连通器中，它检测的位置在连通器器壁或插入其中的导电介质的边缘，易造成虚假水位。综上所述，我们把浮力式液位计和电磁式液位计的传感器部件结合起来，设计出一种新型水位传感器装置，采用浮球作为感受元件，由互感变压器将水位信号转换成电信号。互感变压器安装在锅筒和连通器组成的密闭容器以外，安装方便，且避免了虚假水位的形成。传感器结构如图2-7所示，由液筒、浮球、原、副边线圈和硅棒组成,不锈钢浮球通过胶木棒与硅棒相连。传感器液筒上的汽水管法兰与锅炉锅筒相连接,使锅筒内的水位与液筒内水位互相连通.当锅筒内水位变化时，液筒内水位相应发生变化。液筒内浮球根据水位高低而发生变化，水位升高时，浮球向上浮；水位下降时，浮球向下浮。连在浮球上的硅棒在互感器内发生位移，使互感变压器输出电压发生相应的变化，将这一变化的电压值送入二次仪表，二次仪表接收此信号并转换成与液平面相对应的指示(显示)信号。图2-7 水位传感器原理2.4.2 压力变送器、差压变送器广泛采用的变送器有DDZ-II、III型变送器(由上仪、西仪生产)，应变式变送器(由浙江钱江仪表厂生产)，1151电容式变送器(进口、上仪、西仪生产的都有)，ROSEMENT3051变送器(美国FISHER公司生产)。DDZ-II、III型变送器和应变式变送器虽然价格便宜，但是运行稳定性和测量精确度不高，存在零点漂移问题，本系统不予考虑。1151电容式变送器运行稳定性和测量精确度都还可以,但是要考虑静压补偿。ROSEMENT3051变送器运行稳定性和测量精确度都非常好,调校非常方便，量程比很高，价格比1151电容式变送器贵不了多少，因此本系统压力变送器、差压变送器确定采用ROSEMENT3O51变送器。2.4.3 节流式流量计 节流式流量计可用于测量液体，气体或蒸汽的流量。它的特点是结构简单，无可动部分；可靠性较高；复现性能好；适应性较广。它由四部分组成1）节流元件2）引压管路3）三阀组4）压差计。节流装置产生的差压信号，通过压力传输管道引至差压计，经差压计转换为电信号或气信号送至显示仪表。2.5 系统软件设计软件系统分为三个层次两大部分。第一部分包括第一层的实时多任务操作系统和第二层的通用显示监控子系统。这两层的有效结合，组成了本软件系统的系统支撑软件，它不但实现了对应用软件的支持，同时还实现了对调试过程的有效支持。软件系统的第三层为应用层，是软件的第二部分。这部分软件由A/D、D/A任务，控制计算任务、自整定任务、通信任务、故障诊断与容错任务等组成。这些任务在实时操作系统的协调下，按消息驱动方式运行。本仪表大部分的功能主要体现在控制计算任务上。根据仪表的功能要求，控制计算任务的实现框图如图2-8所示。图中的每一方框对应软件中的一个模块，每一个模块独立完成一个功能。从方框图中可以看到，跟踪处理模块有五路输出，一路输出，因此无平衡无扰动切换处理较为复杂,其中一路作为输出时,必须对另外四路作跟踪处理,其中还包括串级调节的主回路输出和副回路输出。跟踪处理的复杂性对模块化编程和PID控制参数的自动整定极为不利。在跟踪处理模块的实现中，本仪表采用了状态顺序编码技术，有效地解决了无平衡无扰动切换和安全性等问题。图2-8 控制计算机结构图第三章 基于PLC与组态软件的监控系统设计3.1 系统结构设计控制系统硬件部分包括小型工作站(上位计算机)、S7-200系列PLC可编程序控制器构成的下位机、外部设备、过程输入输出通道、现场工业自动化仪表以及供电系统等组成。它是对工业锅炉生产进行实时控制的物质基础。系统结构框图如图3-1所示。图3-1 系统结构框图系统设计考虑了以下原则：适用性：充分调研和分析客户需求，且结合设备现状和客户长远规划，在长远、可靠、先进、节能的理念下实现系统功能。可靠安全性：在器件选型采购上确保选用国内或国外知名品牌，在系统设计上充分考虑硬件和软件冗余，故障的隔离和弱化影响范围，在安装和调试时按有关标准执行。先进性：应用当前国内成熟、先进的控制硬件和网络技术，结合锅炉控制的成功经验，优化和完善系统设计。经济性：采用最合理的硬、软件配置，达到高性能的价格比。开放性：系统的设计、硬软件配置、网络及通讯规约、数据库等满足国际、国内有关标准，硬件和软件功能模块易于维护、扩充、升级。3.2 系统输入输出设计3.2.1 数字量输入输出设计 数字量即开关量，通过高、低电平实现。锅炉的自动控制系统涉及到的数字量如表3.1。数字量低电平对应数字量的0，高电平对应数字量的1。表3.1 数字量输入输出点列表名称描述名称描述启动按钮数字量输入锅炉危险水位信号数字量输入停止按钮数字量输入水位过高报警数字量输出手动运行按钮数字量输入水位过低报警数字量输出自动运行按钮数字量输入危险低水位报警数字量输出锅炉低水位信号数字量输入电源指示数字量输出锅炉高水位信号数字量输入手动运行数字量输出3.2.2 模拟量输入输出设计模拟量是一种在一定范围内连续变化的变量，在此系统中，所涉及的模拟量见表3.2,其中模拟量都采用4-2OmA的标准电流信号。表3.2 模拟量输入输出点列表名称描述锅炉水位高度模拟量输入蒸汽流量模拟量输入给水流量模拟量输入3.2.3 输入输出信号的采集与转换输入输出信号并不是现成的数字量信号或模拟量信号，虽然有些信号可以直接拿来使用，但是仍然有很多信号需要转换。开关量信号可以直接送到PLC的控制电路直接使用，如各个开关的通断就可以直接发出开关量信号，而一些位置信号要变成开关量信号就需要在送到PLC之前转换完成。例如控制系统中会需要水位的高位、低位和极限低位信号，这就需要采样水位高度信号送到PLC内部进行比较得到是否达到限位高度或者直接接收限位高度的开关量信号。对于前者，使用压差变送器可以得到水位高度的模拟量信号，然后送入PLC，与设定的高度值进行比较。在这一过程中差压变送器就要接受水位的压力信号，将其转换成标准的电流信号。对于后者，可以使用浮子式液位控制器实现，此时PLC可直接采集此开关信号。下面列出水位差压变送器输入输出参数的对应关系。表3.3 水位差压变送器参数输入（mm）输出（mA）0420084001260016800203.3 系统硬件组成锅炉计算机监控系统的硬件由以下几部分组成：3.3.1 一次仪表安装于现场的一次仪表包括热电偶、热电阻及各种传感器和压力、差压变送器等。现场执行机构指用于汽包水位调节的变频器和电动调节阀等。3.3.2 锅炉系统仪表操作台 锅炉系统仪表操作台安装于集控室内，每台锅炉配置一台。仪表操作台上装有与本台锅炉运行相关的主要仪表，包括显示仪表、流量积算仪、手操器、调节器及控制电机的转换开关、起停按钮、指示灯、电机智能监控器远程显示表等。操作台分卧式和立式两种，见下图3-2所示：图3-2 卧式和立式操作台3.3.3 计算机操作台 在集控室内为每台锅炉配置一个计算机操作台。配置和两套工业控制计算机，两套工业控制计算机分别组成工程师站和操作员站。两台工控机互为冗余，用于参数设置、运行过程监控、数据记录、趋势及事故分析、报表形成及运行参数超限后的智能语音报警。任何一台计算机都可对任一锅炉参数设置及过程监控。以卧式操作台示例如下图3-3所示：图3-3 侧视图和正面布置图3.3.4 工业电视监视站集控室内的计算机操作台上还另外配有工业电视监视系统，用于监视锅炉的汽包水位。采用计算机监控方案，可将工业电视和工控机安装在同一个操作台内，以卧式操作台示例如下图3-4所示：图3-4 工业电视操作台和工业电视计算机操作台3.3.5 安装于集控室的PLC柜PLC 为控制系统的核心，完成检测信号的采集并经信号以通讯的方式传至工控机，完成汽包水位、给水压力、回水压力的自动调节，完成电机的顺序控制等。通常以德国西门子公司的S7-200型PLC作为控制主站，做为控制系统的核心，采用总线通讯，最大限度的减少电缆接线数量，减轻维护量。3.3.6 大容量的UPS采用大容量的UPS供电，在停电后确保工控机、PLC 及关键检测设备、仪表正常工作一个小时。3.4 系统组态设计 根据系统组成结构与控制要求，从机（PLC）来完成数据的采集、处理和控制信号的输出。主机与从机通过通信电缆进行通讯。在主机（工业控制计算机）中来完成对从机采集数据的实时显示、监测变量的曲线趋势显示、报警信息显示、对从机写入初始化数据等功能。为了实现上述控制目的，在主机中采用MCGS组态软件进行监控软件的开发。3.4.1 组态软件介绍MCGS(Monitor and Control Generated System，通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft（各种32位Windows平台上）运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，在自动化领域有着广泛的应用。MCGS组态软件功能强大，操作简单，同时使用MCGS组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程问题本身，根据工程作业的需要和 （1）MCGS系统组成MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分。用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如下图3-5所示。图3-5 组态环境与运行环境的关系由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，如图3-6所示。图3-6 用户应用系统结构窗口是屏幕中的一块空间，是一个“容器”，直接提供给用户使用。在窗口内，用户可以放置不同的构件，创建图形对象并调整画面的布局，组态配置不同的参数以完成不同的功能。在MCGS的单机版中，每个应用系统只能有一个主控窗口和一个设备窗口，但可以有多个用户窗口和多个运行策略，实时数据库中也可以有多个数据对象。MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，同时可以对实时数据进行可视化处