工業(yè)鍋爐除氧器液位控制DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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1、天 津 理 工 大 學(xué)自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告題目：工業(yè)鍋爐除氧器液位控制DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 趙 明 學(xué)號(hào) 20081001 屆 2012 班級(jí) 08電氣5班 指導(dǎo)教師 張?bào)@雷 專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化說 明1. 專業(yè)設(shè)計(jì)文本材料包括設(shè)計(jì)報(bào)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(jì)報(bào)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(dá)的任務(wù)書、指導(dǎo)書完成專業(yè)設(shè)計(jì)工作，合作完成的專業(yè)設(shè)計(jì)，要在設(shè)計(jì)報(bào)告概述中明確說明分工。3. 設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容建議主要包括：設(shè)計(jì)概述、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方案分析、軟硬件具體設(shè)計(jì)、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(jì)可有所區(qū)別。4. 設(shè)計(jì)

2、報(bào)告字?jǐn)?shù)應(yīng)在3000-4000字，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)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(jì)要求。5.專業(yè)設(shè)計(jì)成績由平時(shí)表現(xiàn)（50%）、設(shè)計(jì)報(bào)告（30%）和答辯成績（20%）組成。專業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)給出適當(dāng)?shù)脑u語。專業(yè)設(shè)計(jì)評語及成績匯總表成績平時(shí)成績報(bào)告成績答辯成績總評成績專業(yè)設(shè)計(jì)評語工業(yè)鍋爐除氧器液位控制DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)前言集散控制系統(tǒng)（Distributed control system）：是以微處理器為基礎(chǔ)的對生產(chǎn)過程進(jìn)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(tái)微機(jī)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(jì)算機(jī)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制，整個(gè)裝

3、置繼承了常規(guī)儀表分散控制和計(jì)算機(jī)集中控制的優(yōu)點(diǎn)，克服了常規(guī)儀表功能單一，人-機(jī)聯(lián)系差以及單臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)危險(xiǎn)性高度集中的缺點(diǎn)，既實(shí)現(xiàn)了在管理、操作和顯示三方面集中，又實(shí)現(xiàn)了在功能、負(fù)荷和危險(xiǎn)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(jí)、過程控制級(jí)、過程管理級(jí)、經(jīng)營管理級(jí)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(shí)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(gè)可以獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算機(jī)檢測控制系統(tǒng)。由于它是專為過程檢

4、測、控制而設(shè)計(jì)的通用型設(shè)備，所以其機(jī)柜、電源、輸入輸出通道和控制計(jì)算機(jī)等，與一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有所不同。 操作站 為了實(shí)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(tái)，也就是高檔電腦桌；2、微處理機(jī)系統(tǒng)，就是高檔電腦；3、外部存儲(chǔ)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(dòng)化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，工業(yè)自動(dòng)化已經(jīng)在各行各業(yè)展開本設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)打下基礎(chǔ)。一、 硬件系統(tǒng)介紹SMPT-1000的硬

5、件主要包括：設(shè)計(jì)盤臺(tái)、數(shù)值是軟儀表、接口硬件、嵌入式工控機(jī)、輔助操作臺(tái)二、 軟件系統(tǒng)介紹SMPT-1000軟件系統(tǒng)主要包括上位機(jī)軟件SMPTLAB、實(shí)時(shí)仿真引擎軟件SMPTRuntime以及其他軟件、硬件接口電路。上位機(jī)SMPTLAB：主要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)項(xiàng)目的管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)視、控制系統(tǒng)的組態(tài)等日常試驗(yàn)功能。實(shí)時(shí)仿真引擎軟件SMPTRuntime：完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真計(jì)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(jì)說明：通常情況下，液位控制有三個(gè)目的：要求液位必須維持在設(shè)定值上，這個(gè)設(shè)定值代表了一個(gè)重要的操作點(diǎn)。比如鍋爐汽包水位，過高會(huì)出現(xiàn)蒸汽帶水，過低會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過熱

6、或爆炸危險(xiǎn)。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(shí)，由于余差而使液位偏離設(shè)定值。為了建立物料或能量的平衡，以便在穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)的流入量和流出量相等。這種情況下，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。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(shí)，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(shí)，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(shí)，容器的液位應(yīng)處于低位，以便吸收存儲(chǔ)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

7、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)定，必須要保持除氧器液位的穩(wěn)定，不能波動(dòng)。如果液位波動(dòng)，鍋爐上水流量（除氧器出口流量）將會(huì)受到影響。因?yàn)閺墓霉こ虂淼腻仩t給水（除氧器入口流量）經(jīng)常波動(dòng)，可能會(huì)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(jì)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(diǎn)擊工具

8、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)V1101 和PV1101 均設(shè)置為“手操”狀態(tài)。3、點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)。（1）設(shè)置數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，采集除氧器液位實(shí)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(hào)源”目錄，雙擊“信號(hào)源”圖標(biāo)，在工具箱右邊將加載“信號(hào)源”模板頁。 用鼠標(biāo)左鍵選中“變送器采集點(diǎn)”不放，拖動(dòng)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(gè)“變送器”模塊

9、。 雙擊該模塊符號(hào)，彈出“數(shù)據(jù)采集點(diǎn)配置”對話框。在“選擇位號(hào)”下拉框中，選擇LI1101，即表示當(dāng)前“變送器采集點(diǎn)”模塊將從現(xiàn)場獲取LI1101 位號(hào)對應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 點(diǎn)擊【確定】按鈕，完成對除氧器液位信號(hào)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(yùn)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：在基本設(shè)置欄中，將控制器取名為LIC1101，填入位號(hào)框中。在控制器投用之前，先將控制狀態(tài)設(shè)為手動(dòng)。選擇控制器為反作用。設(shè)定

10、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(diǎn)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(hào)，能夠送給執(zhí)行機(jī)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(hào)送至流程盤臺(tái)上的某一個(gè)控制閥以控制其開度，達(dá)到對流程實(shí)施控制的目的。 在模塊庫的左側(cè)樹形目錄中，打開“信號(hào)輸出”目錄，雙擊“信號(hào)輸出”圖標(biāo)，右側(cè)將加載“信號(hào)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(dòng)至控制組態(tài)窗口中，生成一個(gè)新的“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(diǎn)配置”

11、對話框。在該對話框的位號(hào)下拉框中，選擇要輸出的控制閥位號(hào)，如下圖所示的為FV1106。數(shù)值范圍欄中的上、下限框自動(dòng)根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)定義中FV1106 的儀表上下限進(jìn)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(diǎn)擊【確定】按鈕，當(dāng)前PID 控制器的圖標(biāo)將更新。（4） 信號(hào)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(shí)時(shí)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(tái)上的FV1106 控制閥

12、開度，需要在上圖所示的圖中添加信號(hào)線，以連接三個(gè)模塊。 點(diǎn)擊控制組態(tài)窗口工具欄中信號(hào)線按鈕，將鼠標(biāo)移至數(shù)據(jù)采集點(diǎn)中央黑色實(shí)心小圓孔處，待圓孔四周出現(xiàn)紅色方框時(shí)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(diǎn)處，待圓孔四周出現(xiàn)紅色方框時(shí)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(hào)連接線，表示從變送器獲得的現(xiàn)場LI1101 液位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將作為PV 值被送入LIC1101 控制器。 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(hào)連接，表示PID 控制器的輸出OP 值，將

13、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(diǎn)擊工具欄中的按鈕，建立趨勢曲線畫面，添加LI1101、FV1106、FV1101 的實(shí)時(shí)曲線。2、將閥門FV1101 固定開度為33，點(diǎn)擊工具欄中的運(yùn)行按鈕，讓除氧器工程運(yùn)行起來。3、控制系統(tǒng)投運(yùn)和控制器參數(shù)整定?？刂葡到y(tǒng)的投運(yùn)是將系統(tǒng)由手動(dòng)工作狀態(tài)切換到自動(dòng)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(dòng)-自動(dòng)切換開關(guān)（按鈕）從手動(dòng)位置切換到自動(dòng)位置來完成的。該切換過

14、程必須是無平衡、無擾動(dòng)切換，不應(yīng)造成被控參數(shù)的波動(dòng)，不應(yīng)該破壞系統(tǒng)原有的平衡狀態(tài)。為了保證這一點(diǎn)就必須保證切換時(shí)刻控制閥的開度不發(fā)生變化。（1） 控制系統(tǒng)的投運(yùn)在控制器組態(tài)畫面，選中LIC1101 控制器圖標(biāo)，點(diǎn)擊工具欄中的按鈕，打開LIC1101控制器的操作面板。控制器狀態(tài)為“手動(dòng)”，可進(jìn)行手動(dòng)控制。不斷修改OP 值，也就是不斷改變閥門FV1106開度，觀察SP 和PV 的值。你會(huì)發(fā)現(xiàn)PV 和SP 的值將不斷變化，當(dāng)其值達(dá)到50%左右時(shí)，將控制器狀態(tài)設(shè)置為“自動(dòng)”，將控制器投自動(dòng)。（2）比例放大倍數(shù)的整定點(diǎn)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

15、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。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。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的趨勢曲線。根據(jù)比例增益的特點(diǎn)，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(dá)到4:1 衰減比。記錄4:1 衰減變化曲線和此時(shí)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

16、有擾動(dòng)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(shí)間的調(diào)節(jié)，除氧器液位又重新達(dá)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(shí)驗(yàn)完畢時(shí)，點(diǎn)擊工具欄中的按鈕，保存工程。然后關(guān)閉SMPT-1000 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。五、小結(jié)通過對工業(yè)鍋爐除氧器液位控制DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，初步認(rèn)識(shí)了SMPT-1000實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)，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(qiáng)了實(shí)踐創(chuàng)新能力。為畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的設(shè)計(jì)和實(shí)踐基礎(chǔ)。專業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書、指導(dǎo)書專業(yè)設(shè)計(jì)題目：工業(yè)鍋爐除氧器液位控制DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì).專業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書一、專業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)

17、要求）基于實(shí)驗(yàn)室水汽熱能半實(shí)物仿真系統(tǒng)，利用運(yùn)行在在工控機(jī)上的SMPTLAB組態(tài)軟件設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控。設(shè)計(jì)技術(shù)要求：1 熟悉SMPT-1000鍋爐各組成部分及工藝流程。2 學(xué)會(huì)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(diǎn)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(yùn)用。5 學(xué)會(huì)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(yùn)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(jī)的通

18、訊占30%。二、專業(yè)設(shè)計(jì)參考資料1. SMPT-1000水氣熱能半實(shí)物仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手冊。2. SMPT-1000使用說明。.專業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書一、 專業(yè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)、設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)要點(diǎn)：熟悉嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)WinCE，并在工控機(jī)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(shí)物仿真系統(tǒng)自帶的組態(tài)軟件編制一個(gè)工業(yè)鍋爐的監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)液位、溫度、閥門等開關(guān)量、模擬量的監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)除氧器液位控制系統(tǒng)I/O與工控機(jī)的通訊的調(diào)試。設(shè)計(jì)步驟：1 建立一個(gè)新的SMPTLAB項(xiàng)目。2 建立上位機(jī)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(diǎn)。4 在圖形編輯器中畫圖和進(jìn)行圖形對象的變量定義

19、。5 在變量記錄編輯器中定義要進(jìn)行周期記錄的變量。6 在報(bào)警記錄編輯器中定義作為報(bào)警的變量點(diǎn)。7 運(yùn)行監(jiān)控畫面，在畫面上進(jìn)行操作。二、 主要技術(shù)關(guān)鍵的分析、解決思路1. SMPTLAB實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(jī)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(jìn)行一個(gè)開關(guān)量的調(diào)試，然后測試模擬量通道，再依次進(jìn)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(shí)驗(yàn)，最后聯(lián)機(jī)調(diào)試全部汽包上水流量控制子系統(tǒng)。三、專業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度安排起 迄 日 期工 作 內(nèi) 容2011.11.21-2011.11.28在PC機(jī)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(yùn)行2011.12.16-2011.12.19進(jìn)行整個(gè)控制系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告第 14 頁 共 14 頁