工業(yè)鍋爐除氧器液位控制DCS系統(tǒng)設(shè)計.doc

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1、 天 津 理 工 大 學(xué) 自動化學(xué)院專業(yè)設(shè)計報告 題目：工業(yè)鍋爐除氧器液位控制DCS系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名 趙 明 學(xué)號 20081001 屆 2012 班級 08電氣5班 指導(dǎo)教師 張驚雷 專業(yè)電氣工程及其自動化 說 明 1. 專業(yè)設(shè)計文本材料包括設(shè)計報告、任務(wù)書、指導(dǎo)書三部分，其中任務(wù)書、指導(dǎo)書由教師完成。按設(shè)計報告、任務(wù)書、指導(dǎo)書順序裝訂成冊。 2. 學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)教師下達的任務(wù)書、指導(dǎo)書完成專業(yè)設(shè)計工作，合作完成的專業(yè)設(shè)計

2、，要在設(shè)計報告概述中明確說明分工。 3. 設(shè)計報告內(nèi)容建議主要包括：設(shè)計概述、設(shè)計原理、設(shè)計方案分析、軟硬件具體設(shè)計、調(diào)試分析、總結(jié)以及參考資料等內(nèi)容，不同類型的設(shè)計可有所區(qū)別。 4. 設(shè)計報告字?jǐn)?shù)應(yīng)在3000-4000字，圖紙設(shè)計應(yīng)采用電子繪圖、且符合相應(yīng)符合國標(biāo)，文字規(guī)范借鑒參考畢業(yè)設(shè)計要求。 5.專業(yè)設(shè)計成績由平時表現(xiàn)（50%）、設(shè)計報告（30%）和答辯成績（20%）組成。專業(yè)設(shè)計應(yīng)給出適當(dāng)?shù)脑u語。 專業(yè)設(shè)計評語及成績匯總表 成績 平時成績 報告成績 答辯成績 總評成績 專業(yè)設(shè)計評語 工業(yè)鍋爐除氧器液位控制DCS系統(tǒng)設(shè)計 前言

3、 集散控制系統(tǒng)（Distributed control system）：是以微處理器為基礎(chǔ)的對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的集中分散控制系統(tǒng)，簡稱DCS系統(tǒng)。該系統(tǒng)將若干臺微機分散應(yīng)用于過程控制，全部信息通過通信網(wǎng)絡(luò)由上位管理計算機監(jiān)控，實現(xiàn)最優(yōu)化控制，整個裝置繼承了常規(guī)儀表分散控制和計算機集中控制的優(yōu)點，克服了常規(guī)儀表功能單一，人-機聯(lián)系差以及單臺微型計算機控制系統(tǒng)危險性高度集中的缺點，既實現(xiàn)了在管理、操作和顯示三方面集中，又實現(xiàn)了在功能、負(fù)荷和危險性三方面的分散。DCS系統(tǒng)在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程控制中起著重要的作用。 集散控制系統(tǒng)的基本組成： 現(xiàn)場控制級、過程控制級、過程管理級

4、、經(jīng)營管理級 DCS系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) DCS的硬件系統(tǒng)主要由集中操作管理裝置、分散過程控制裝置和通信接口設(shè)備等組成。通過通信網(wǎng)絡(luò)將這些硬件設(shè)備連接起來，共同實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分散控制和集中監(jiān)視、操作及管理等功能。 現(xiàn)場控制站 　　現(xiàn)場控制站是一個可以獨立運行的計算機檢測控制系統(tǒng)。由于它是專為過程檢測、控制而設(shè)計的通用型設(shè)備，所以其機柜、電源、輸入輸出通道和控制計算機等，與一般的計算機系統(tǒng)有所不同。 操作站 為了實現(xiàn)監(jiān)視和管理等功能，操作站必須配置以下設(shè)備：1、操作臺，也就是高檔電腦桌；2、微處理機系統(tǒng)，就是高檔電腦；3、外部存儲設(shè)備，簡單說就是大容量硬盤；4、圖形顯示設(shè)備，就是電腦

5、顯示器；5、操作鍵盤跟鼠標(biāo)；6打印輸出設(shè)備。 集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 隨著DCS系統(tǒng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，工業(yè)自動化已經(jīng)在各行各業(yè)展開本設(shè)計以工業(yè)鍋爐為研究對象，通過對工業(yè)鍋爐中除氧器DCS系統(tǒng)的設(shè)計和控制，初步掌握DCS系統(tǒng)控制思想和控制方法，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。 一、 硬件系統(tǒng)介紹 SMPT-1000的硬件主要包括： 設(shè)計盤臺、數(shù)值是軟儀表、接口硬件、嵌入式工控機、輔助操作臺 二、 軟件系統(tǒng)介紹 SMPT-1000軟件系統(tǒng)主要包括上位機軟件SMPTLAB、實時仿真引擎軟件SMPTRuntime以及其他軟件、硬件接口電路。

6、上位機SMPTLAB：主要實現(xiàn)試驗項目的管理、實時數(shù)據(jù)的監(jiān)視、控制系統(tǒng)的組態(tài)等日常試驗功能。 實時仿真引擎軟件SMPTRuntime：完成實時動態(tài)仿真計算以及數(shù)據(jù)管理功能。 軟件系統(tǒng)主界面 三、除氧器部分介紹： 除氧器部分結(jié)構(gòu)示意圖： 設(shè)計說明：通常情況下，液位控制有三個目的： ①要求液位必須維持在設(shè)定值上，這個設(shè)定值代表了一個重要的操作點。 比如鍋爐汽包水位，過高會出現(xiàn)蒸汽帶水，過低會導(dǎo)致設(shè)備過熱或爆炸危險。此種情況 下，控制器必須加入積分作用，以防止負(fù)荷變化時，由于余差而使液位偏離設(shè)定值。 ②為了建立物料或能量的平衡，以便在穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的流入量和流出量相等。 這種

7、情況下，液位不一定必須維持在設(shè)定值不變，通常用純比例作用即可滿足控制要求， 而且比加入積分作用響應(yīng)更快、更容易穩(wěn)定。 ③用于緩沖容器的液位控制。 比如除氧器液位，當(dāng)生產(chǎn)量較大時，液位應(yīng)當(dāng)設(shè)定得高一些，這樣一來，當(dāng)上游來料減 少時，容器的存量可以維持下游的供料。而當(dāng)下游生產(chǎn)量減小時，容器的液位應(yīng)處于低位， 以便吸收存儲上游繼續(xù)流過來的原料量。這種情況下也不應(yīng)當(dāng)加入積分作用，而應(yīng)當(dāng)用純比 例作用。 除氧器出口軟化水是鍋爐汽包上水的主要來源。為了保持鍋爐汽包水位的穩(wěn)定，必須保證鍋 爐上水流量穩(wěn)定。鍋爐上水流量，也就是除氧器出口流量，更應(yīng)該用來控制汽包水位。 而為了保證鍋爐上水流量穩(wěn)

8、定，必須要保持除氧器液位的穩(wěn)定，不能波動。如果液位波動， 鍋爐上水流量（除氧器出口流量）將會受到影響。 因為從公用工程來的鍋爐給水（除氧器入口流量）經(jīng)常波動，可能會造成除氧器液位不穩(wěn)定。 為了保持除氧器液位的穩(wěn)定，就設(shè)置了除氧器液位單回路控制系統(tǒng)，使用除氧器入口流量作為操 縱變量。 四、除氧器液位控制DCS系統(tǒng)設(shè)計及其仿真調(diào)試 第一部分：針對液位LI1101 的單回路PID 控制系統(tǒng)組態(tài) 1、打開SMPT-1000 監(jiān)控環(huán)境，新建除氧器工程，取名為DearatorTest。 2、點擊工具欄中的按鈕，打開閥門/擋板控制配置對話框，將閥門FV1106 設(shè)置為“內(nèi)控”狀 態(tài)，F(xiàn)V1

9、101 和PV1101 均設(shè)置為“手操”狀態(tài)。 3、點擊工具欄中的按鈕，切換當(dāng)前窗口至流程圖窗口。雙擊FV1106 圖標(biāo)，打開閥門/擋板類 設(shè)備屬性對話框，將閥門特性設(shè)置為線性。 4、點擊工具欄中的按鈕，將當(dāng)前窗口切換到控制組態(tài)畫面，進行控制系統(tǒng)組態(tài)。 （1）設(shè)置數(shù)據(jù)采集點，采集除氧器液位實測值作為控制器輸入。 在模塊庫左側(cè)屬性列表中，打開“信號源”目錄，雙擊“信號源”圖標(biāo)，在工具箱 右邊將加載“信號源”模板頁。 用鼠標(biāo)左鍵選中“變送器采集點”不放，拖動至控制組態(tài)窗口中放開，即在控制組 態(tài)窗口中生成了一個“變送器”模塊。 雙擊該模塊符號，彈出“數(shù)據(jù)采集點

10、配置”對話框。在“選擇位號”下拉框中，選 擇LI1101，即表示當(dāng)前“變送器采集點”模塊將從現(xiàn)場獲取LI1101 位號對應(yīng)的實時 數(shù)據(jù)。 點擊【確定】按鈕，完成對除氧器液位信號的配置。 （2）控制器組態(tài)。 在模塊庫工具箱的左側(cè)樹形列表中，打開“運算模塊”目錄，雙擊“控制器”圖標(biāo)，右邊將加載“控制器”模塊頁。選中PID 控制器圖標(biāo)，并將它拖放至控制組態(tài)窗口， 生成如下圖所示的PID 控制器圖標(biāo)。 雙擊該圖標(biāo)，彈出“PID 控制器配置”對話框。 說明：①在基本設(shè)置欄中，將控制器取名為LIC1101，填入位號框中。 ②在控制器投用之前，先將控制狀態(tài)設(shè)為手動。

11、③選擇控制器為反作用。 ④設(shè)定值欄中，將設(shè)定值SP 設(shè)為60，即需要將液位控制在60%。 配置完成后，點擊【確定】按鈕，當(dāng)前PID 控制器的圖標(biāo)將更新。 （3）設(shè)置執(zhí)行單元。為了讓控制器的輸出信號，能夠送給執(zhí)行機構(gòu)（如控制閥），需要 在控制組態(tài)窗口中引入“帶定位器的控制閥”模塊。該模塊負(fù)責(zé)接收控制器的OP 輸出，并將該 輸出信號送至流程盤臺上的某一個控制閥以控制其開度，達到對流程實施控制的目的。 在模塊庫的左側(cè)樹形目錄中，打開“信號輸出”目錄，雙擊“信號輸出”圖標(biāo)，右 側(cè)將加載“信號輸出”模塊頁。選中“帶定位器的控制閥”圖標(biāo)，并將該圖標(biāo)拖動 至控制組態(tài)窗口中，生成一個新的“

12、帶定位器的控制閥”模塊。 雙擊該圖標(biāo)，彈出“數(shù)據(jù)輸出點配置”對話框。在該對話框的位號下拉框中，選擇 要輸出的控制閥位號，如下圖所示的為FV1106。數(shù)值范圍欄中的上、下限框自動根 據(jù)數(shù)據(jù)點定義中FV1106 的儀表上下限進行填寫。 在數(shù)據(jù)輸出類型欄中，需要設(shè)置接收控制器OP 輸出的數(shù)據(jù)類型為絕對量還是增量。 缺省情況下，模塊使用絕對量，即代表接收控制器的OP 輸出值，即為控制閥的目 標(biāo)開度MV。 配置完成后，點擊【確定】按鈕，當(dāng)前PID 控制器的圖標(biāo)將更新。 （4） 信號連接。 完成上述步驟后，控制組態(tài)窗口如下圖所示。 為了將“變送器”模塊檢測到的實時

13、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)“PID 控制器”模塊，并將控制器模塊的輸出 通過“帶定位器的控制閥”模塊調(diào)節(jié)流程盤臺上的FV1106 控制閥開度，需要在上圖所示的圖中 添加信號線，以連接三個模塊。 點擊控制組態(tài)窗口工具欄中信號線按鈕，將鼠標(biāo)移至數(shù)據(jù)采集點中央黑色實心小 圓孔處，待圓孔四周出現(xiàn)紅色方框時單擊。然后將鼠標(biāo)移到PID 控制器圖形的左側(cè) 小字“PV”處的空心圓點處，待圓孔四周出現(xiàn)紅色方框時再次單擊，系統(tǒng)將生成一 條從“變送器LI1101”模塊至“PID 控制器LIC1101”模塊的信號連接線，表示從 變送器獲得的現(xiàn)場LI1101 液位的實時數(shù)據(jù)，將作為PV 值被送入LIC1101 控制器。

14、 用相似的辦法，建立從“LIC1101 控制器”模塊的OP處至“帶定位器的控制閥FV1106” 模塊的信號連接，表示PID 控制器的輸出OP 值，將被送入“帶定位器的控制閥 FV1106”模塊所對應(yīng)的控制閥，作為該控制閥的目標(biāo)開度。 至此，針對液位LI1101 的單回路PID 控制系統(tǒng)組態(tài)完成。 第二部分：針對液位LI1101 的單回路PID 控制系統(tǒng)的仿真分析 1、點擊工具欄中的按鈕，建立趨勢曲線畫面，添加LI1101、FV1106、FV1101 的實時曲線。 2、將閥門FV1101 固定開度為33，點擊工具欄中的運行按鈕，讓除氧器工程運行起來。 3、控制系統(tǒng)投運

15、和控制器參數(shù)整定。 控制系統(tǒng)的投運是將系統(tǒng)由手動工作狀態(tài)切換到自動工作狀態(tài)的過 程。 在DCS 中，這一過程是通過將控制器上的手動-自動切換開關(guān)（按鈕） 從手動位置切換到自動位置來完成的。該切換過程必須是無平衡、無擾動 切換，不應(yīng)造成被控參數(shù)的波動，不應(yīng)該破壞系統(tǒng)原有的平衡狀態(tài)。 為了保證這一點就必須保證切換時刻控制閥的開度不發(fā)生變化。 （1） 控制系統(tǒng)的投運 ①在控制器組態(tài)畫面，選中LIC1101 控制器圖標(biāo)，點擊工具欄中的按鈕，打開LIC1101 控制器的操作面板。 ②控制器狀態(tài)為“手動”，可進行手動控制。不斷修改OP 值，也就是不斷改變閥門FV1106 開度，觀察S

16、P 和PV 的值。你會發(fā)現(xiàn)PV 和SP 的值將不斷變化，當(dāng)其值達到50%左右 時，將控制器狀態(tài)設(shè)置為“自動”，將控制器投自動。 （2）比例放大倍數(shù)的整定 ①點擊LIC1101 控制器操作面板的【配置】按鈕，打開LIC1101 控制器配置窗口。將比例 增益Kc 設(shè)置為5，將SP 由原來的50%變?yōu)?0%，待液位穩(wěn)定，觀察并記錄除氧器液位 的趨勢曲線。 ②將Kc 改為10，再將SP 由60%變?yōu)?0%，待液位穩(wěn)定，觀察并記錄除氧器液位的趨勢 曲線。 ③將Kc 改為20，同樣修改SP，即將液位SP 由60%變?yōu)?0%，待液位穩(wěn)定后再將SP 由 50%變?yōu)?0%，觀察并記錄除氧器液位

17、的趨勢曲線。 ④根據(jù)比例增益的特點，不斷修改Kc 的值，每修改一次都要通過修改SP 值來加入階躍干 擾，直到除氧器液位的變化曲線達到4:1 衰減比。記錄4:1 衰減變化曲線和此時Kc 的值： _________。 （3）施加干擾 系統(tǒng)穩(wěn)定之后，將除氧器出口管線閥門FV1101 開度從33 變?yōu)?0，觀察在有擾動的情況下 除氧器液位曲線的變化趨勢。 通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一段時間的調(diào)節(jié)，除氧器液位又重新達到穩(wěn)定，也就是說除氧器液 位單回路控制系統(tǒng)具有抗干擾的能力。 實驗完畢時，點擊工具欄中的按鈕，保存工程。然后關(guān)閉SMPT-1000 實驗系統(tǒng)。 五、小結(jié) 通過對工業(yè)鍋爐除氧

18、器液位控制DCS系統(tǒng)的設(shè)計，初步認(rèn)識了SMPT-1000實驗操作平臺，通過對工業(yè)鍋爐除氧器的簡單PID控制，初步掌握了DCS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理，大大增強了實踐創(chuàng)新能力。為畢業(yè)設(shè)計打下了良好的設(shè)計和實踐基礎(chǔ)。 專業(yè)設(shè)計任務(wù)書、指導(dǎo)書 專業(yè)設(shè)計題目：工業(yè)鍋爐除氧器液位控制DCS系統(tǒng)設(shè)計 Ⅰ.專業(yè)設(shè)計任務(wù)書 一、專業(yè)設(shè)計的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求） 基于實驗室水汽熱能半實物仿真系統(tǒng)，利用運行在在工控機上的SMPTLAB組態(tài)軟件設(shè)計典型工業(yè)鍋爐除氧器液位控制DCS系統(tǒng)，配置P、PI控制器，并對各I/O實時、動態(tài)監(jiān)控。 設(shè)計技術(shù)要求： 1． 熟悉SMPT-1000鍋爐各組成部分

19、及工藝流程。 2． 學(xué)會使用系統(tǒng)自帶的SMPTLAB組態(tài)軟件配置DCS系統(tǒng)。 3． 列出除氧器液位控制系統(tǒng)中的I/O點表。 4． 學(xué)習(xí)比例(P)調(diào)節(jié)器、比例積分(PI)調(diào)節(jié)器的配置和運用。 5． 學(xué)會常用過程工業(yè)中流體液位的控制方法。 6． 根據(jù)示例工藝制作監(jiān)控畫面。 7． 運行和調(diào)試制作的監(jiān)控畫面。 工作量： 利用SMPTLAB配置DCS系統(tǒng)占30%，制作監(jiān)控畫面占40%，調(diào)試I/O與上位機的通訊占30%。 二、專業(yè)設(shè)計參考資料 1. SMPT-1000水氣熱能半實物仿真系統(tǒng)實驗手冊。 2. SMPT-1000使用說明。 Ⅱ.專業(yè)設(shè)計指導(dǎo)書 一、 專業(yè)設(shè)計要點、

20、設(shè)計步驟 設(shè)計要點： 熟悉嵌入式實時操作系統(tǒng)WinCE，并在工控機上建立典型的過程工業(yè)DCS控制系統(tǒng)，利用水氣熱能半實物仿真系統(tǒng)自帶的組態(tài)軟件編制一個工業(yè)鍋爐的監(jiān)控畫面，實現(xiàn)液位、溫度、閥門等開關(guān)量、模擬量的監(jiān)控，并實現(xiàn)除氧器液位控制系統(tǒng)I/O與工控機的通訊的調(diào)試。 設(shè)計步驟： 1． 建立一個新的SMPTLAB項目。 2． 建立上位機與I/O之間的通訊連接。 3． 建立在監(jiān)控畫面中要使用的控制變量或內(nèi)部變量點。 4． 在圖形編輯器中畫圖和進行圖形對象的變量定義。 5． 在變量記錄編輯器中定義要進行周期記錄的變量。 6． 在報警記錄編輯器中定義作為報警的變量點。 7． 運行監(jiān)

21、控畫面，在畫面上進行操作。 二、 主要技術(shù)關(guān)鍵的分析、解決思路 1. SMPTLAB實現(xiàn)動畫問題，建議參照手冊上的內(nèi)容，先正確配置變量，然后編輯腳本程序。 2. 上位機與I/O通訊問題，建議參照手冊上內(nèi)容，使用組態(tài)軟件的通訊設(shè)置，調(diào)整通訊通道等，先進行一個開關(guān)量的調(diào)試，然后測試模擬量通道，再依次進行比例調(diào)節(jié)器、積分調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器的調(diào)試實驗，最后聯(lián)機調(diào)試全部汽包上水流量控制子系統(tǒng)。 三、專業(yè)設(shè)計進度安排 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容 2011.11.21-2011.11.28 在PC機上熟悉SMPTLAB組態(tài)環(huán)境。 2011.11.29-2011.12. 7 配置I./O、各類調(diào)節(jié)器等。 2011.12.8-2011.12.15 編制監(jiān)視畫面，并虛擬運行 2011.12.16-2011.12.19 進行整個控制系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，撰寫設(shè)計報告 第 14 頁 共 14 頁