工业锅炉除氧器液位控制DCS系统设计.doc

天 津 理 工 大 学自动化学院专业设计报告题目：工业锅炉除氧器液位控制DCS系统设计学生姓名 赵 明 学号 20081001 届 2012 班级 08电气5班 指导教师 张惊雷 专业电气工程及其自动化说 明1. 专业设计文本材料包括设计报告、任务书、指导书三部分，其中任务书、指导书由教师完成。按设计报告、任务书、指导书顺序装订成册。2. 学生根据指导教师下达的任务书、指导书完成专业设计工作，合作完成的专业设计，要在设计报告概述中明确说明分工。3. 设计报告内容建议主要包括：设计概述、设计原理、设计方案分析、软硬件具体设计、调试分析、总结以及参考资料等内容，不同类型的设计可有所区别。4. 设计报告字数应在3000-4000字，图纸设计应采用电子绘图、且符合相应符合国标，文字规范借鉴参考毕业设计要求。5.专业设计成绩由平时表现（50%）、设计报告（30%）和答辩成绩（20%）组成。专业设计应给出适当的评语。专业设计评语及成绩汇总表成绩平时成绩报告成绩答辩成绩总评成绩专业设计评语工业锅炉除氧器液位控制DCS系统设计前言集散控制系统（Distributed control system）：是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。集散控制系统的基本组成：现场控制级、过程控制级、过程管理级、经营管理级DCS系统的硬件结构DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。通过通信网络将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。 现场控制站现场控制站是一个可以独立运行的计算机检测控制系统。由于它是专为过程检测、控制而设计的通用型设备，所以其机柜、电源、输入输出通道和控制计算机等，与一般的计算机系统有所不同。 操作站 为了实现监视和管理等功能，操作站必须配置以下设备：1、操作台，也就是高档电脑桌；2、微处理机系统，就是高档电脑；3、外部存储设备，简单说就是大容量硬盘；4、图形显示设备，就是电脑显示器；5、操作键盘跟鼠标；6打印输出设备。 集散控制系统结构图随着DCS系统在工业自动化领域的广泛应用，工业自动化已经在各行各业展开本设计以工业锅炉为研究对象，通过对工业锅炉中除氧器DCS系统的设计和控制，初步掌握DCS系统控制思想和控制方法，为后续毕业设计打下基础。一、 硬件系统介绍SMPT-1000的硬件主要包括：设计盘台、数值是软仪表、接口硬件、嵌入式工控机、辅助操作台二、 软件系统介绍SMPT-1000软件系统主要包括上位机软件SMPTLAB、实时仿真引擎软件SMPTRuntime以及其他软件、硬件接口电路。上位机SMPTLAB：主要实现试验项目的管理、实时数据的监视、控制系统的组态等日常试验功能。实时仿真引擎软件SMPTRuntime：完成实时动态仿真计算以及数据管理功能。软件系统主界面三、除氧器部分介绍：除氧器部分结构示意图：设计说明：通常情况下，液位控制有三个目的：要求液位必须维持在设定值上，这个设定值代表了一个重要的操作点。比如锅炉汽包水位，过高会出现蒸汽带水，过低会导致设备过热或爆炸危险。此种情况下，控制器必须加入积分作用，以防止负荷变化时，由于余差而使液位偏离设定值。为了建立物料或能量的平衡，以便在稳态时系统的流入量和流出量相等。这种情况下，液位不一定必须维持在设定值不变，通常用纯比例作用即可满足控制要求，而且比加入积分作用响应更快、更容易稳定。用于缓冲容器的液位控制。比如除氧器液位，当生产量较大时，液位应当设定得高一些，这样一来，当上游来料减少时，容器的存量可以维持下游的供料。而当下游生产量减小时，容器的液位应处于低位，以便吸收存储上游继续流过来的原料量。这种情况下也不应当加入积分作用，而应当用纯比例作用。除氧器出口软化水是锅炉汽包上水的主要来源。为了保持锅炉汽包水位的稳定，必须保证锅炉上水流量稳定。锅炉上水流量，也就是除氧器出口流量，更应该用来控制汽包水位。而为了保证锅炉上水流量稳定，必须要保持除氧器液位的稳定，不能波动。如果液位波动，锅炉上水流量（除氧器出口流量）将会受到影响。因为从公用工程来的锅炉给水（除氧器入口流量）经常波动，可能会造成除氧器液位不稳定。为了保持除氧器液位的稳定，就设置了除氧器液位单回路控制系统，使用除氧器入口流量作为操纵变量。四、除氧器液位控制DCS系统设计及其仿真调试第一部分：针对液位LI1101 的单回路PID 控制系统组态1、打开SMPT-1000 监控环境，新建除氧器工程，取名为DearatorTest。2、点击工具栏中的按钮，打开阀门/挡板控制配置对话框，将阀门FV1106 设置为“内控”状态，FV1101 和PV1101 均设置为“手操”状态。3、点击工具栏中的按钮，切换当前窗口至流程图窗口。双击FV1106 图标，打开阀门/挡板类设备属性对话框，将阀门特性设置为线性。4、点击工具栏中的按钮，将当前窗口切换到控制组态画面，进行控制系统组态。（1）设置数据采集点，采集除氧器液位实测值作为控制器输入。 在模块库左侧属性列表中，打开“信号源”目录，双击“信号源”图标，在工具箱右边将加载“信号源”模板页。 用鼠标左键选中“变送器采集点”不放，拖动至控制组态窗口中放开，即在控制组态窗口中生成了一个“变送器”模块。 双击该模块符号，弹出“数据采集点配置”对话框。在“选择位号”下拉框中，选择LI1101，即表示当前“变送器采集点”模块将从现场获取LI1101 位号对应的实时数据。 点击【确定】按钮，完成对除氧器液位信号的配置。（2）控制器组态。 在模块库工具箱的左侧树形列表中，打开“运算模块”目录，双击“控制器”图标，右边将加载“控制器”模块页。选中PID 控制器图标，并将它拖放至控制组态窗口，生成如下图所示的PID 控制器图标。双击该图标，弹出“PID 控制器配置”对话框。说明：在基本设置栏中，将控制器取名为LIC1101，填入位号框中。在控制器投用之前，先将控制状态设为手动。选择控制器为反作用。设定值栏中，将设定值SP 设为60，即需要将液位控制在60%。 配置完成后，点击【确定】按钮，当前PID 控制器的图标将更新。（3）设置执行单元。为了让控制器的输出信号，能够送给执行机构（如控制阀），需要在控制组态窗口中引入“带定位器的控制阀”模块。该模块负责接收控制器的OP 输出，并将该输出信号送至流程盘台上的某一个控制阀以控制其开度，达到对流程实施控制的目的。 在模块库的左侧树形目录中，打开“信号输出”目录，双击“信号输出”图标，右侧将加载“信号输出”模块页。选中“带定位器的控制阀”图标，并将该图标拖动至控制组态窗口中，生成一个新的“带定位器的控制阀”模块。 双击该图标，弹出“数据输出点配置”对话框。在该对话框的位号下拉框中，选择要输出的控制阀位号，如下图所示的为FV1106。数值范围栏中的上、下限框自动根据数据点定义中FV1106 的仪表上下限进行填写。 在数据输出类型栏中，需要设置接收控制器OP 输出的数据类型为绝对量还是增量。缺省情况下，模块使用绝对量，即代表接收控制器的OP 输出值，即为控制阀的目标开度MV。 配置完成后，点击【确定】按钮，当前PID 控制器的图标将更新。（4） 信号连接。完成上述步骤后，控制组态窗口如下图所示。为了将“变送器”模块检测到的实时数据数据“PID 控制器”模块，并将控制器模块的输出通过“带定位器的控制阀”模块调节流程盘台上的FV1106 控制阀开度，需要在上图所示的图中添加信号线，以连接三个模块。 点击控制组态窗口工具栏中信号线按钮，将鼠标移至数据采集点中央黑色实心小圆孔处，待圆孔四周出现红色方框时单击。然后将鼠标移到PID 控制器图形的左侧小字“PV”处的空心圆点处，待圆孔四周出现红色方框时再次单击，系统将生成一条从“变送器LI1101”模块至“PID 控制器LIC1101”模块的信号连接线，表示从变送器获得的现场LI1101 液位的实时数据，将作为PV 值被送入LIC1101 控制器。 用相似的办法，建立从“LIC1101 控制器”模块的OP处至“带定位器的控制阀FV1106”模块的信号连接，表示PID 控制器的输出OP 值，将被送入“带定位器的控制阀FV1106”模块所对应的控制阀，作为该控制阀的目标开度。至此，针对液位LI1101 的单回路PID 控制系统组态完成。第二部分：针对液位LI1101 的单回路PID 控制系统的仿真分析1、点击工具栏中的按钮，建立趋势曲线画面，添加LI1101、FV1106、FV1101 的实时曲线。2、将阀门FV1101 固定开度为33，点击工具栏中的运行按钮，让除氧器工程运行起来。3、控制系统投运和控制器参数整定。控制系统的投运是将系统由手动工作状态切换到自动工作状态的过程。在DCS 中，这一过程是通过将控制器上的手动-自动切换开关（按钮）从手动位置切换到自动位置来完成的。该切换过程必须是无平衡、无扰动切换，不应造成被控参数的波动，不应该破坏系统原有的平衡状态。为了保证这一点就必须保证切换时刻控制阀的开度不发生变化。（1） 控制系统的投运在控制器组态画面，选中LIC1101 控制器图标，点击工具栏中的按钮，打开LIC1101控制器的操作面板。控制器状态为“手动”，可进行手动控制。不断修改OP 值，也就是不断改变阀门FV1106开度，观察SP 和PV 的值。你会发现PV 和SP 的值将不断变化，当其值达到50%左右时，将控制器状态设置为“自动”，将控制器投自动。（2）比例放大倍数的整定点击LIC1101 控制器操作面板的【配置】按钮，打开LIC1101 控制器配置窗口。将比例增益Kc 设置为5，将SP 由原来的50%变为60%，待液位稳定，观察并记录除氧器液位的趋势曲线。将Kc 改为10，再将SP 由60%变为50%，待液位稳定，观察并记录除氧器液位的趋势曲线。将Kc 改为20，同样修改SP，即将液位SP 由60%变为50%，待液位稳定后再将SP 由50%变为60%，观察并记录除氧器液位的趋势曲线。根据比例增益的特点，不断修改Kc 的值，每修改一次都要通过修改SP 值来加入阶跃干扰，直到除氧器液位的变化曲线达到4:1 衰减比。记录4:1 衰减变化曲线和此时Kc 的值：_。（3）施加干扰系统稳定之后，将除氧器出口管线阀门FV1101 开度从33 变为50，观察在有扰动的情况下除氧器液位曲线的变化趋势。通过观察可以发现，经过一段时间的调节，除氧器液位又重新达到稳定，也就是说除氧器液位单回路控制系统具有抗干扰的能力。实验完毕时，点击工具栏中的按钮，保存工程。然后关闭SMPT-1000 实验系统。五、小结通过对工业锅炉除氧器液位控制DCS系统的设计，初步认识了SMPT-1000实验操作平台，通过对工业锅炉除氧器的简单PID控制，初步掌握了DCS系统的基本结构和原理，大大增强了实践创新能力。为毕业设计打下了良好的设计和实践基础。专业设计任务书、指导书专业设计题目：工业锅炉除氧器液位控制DCS系统设计.专业设计任务书一、专业设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求）基于实验室水汽热能半实物仿真系统，利用运行在在工控机上的SMPTLAB组态软件设计典型工业锅炉除氧器液位控制DCS系统，配置P、PI控制器，并对各I/O实时、动态监控。设计技术要求：1 熟悉SMPT-1000锅炉各组成部分及工艺流程。2 学会使用系统自带的SMPTLAB组态软件配置DCS系统。3 列出除氧器液位控制系统中的I/O点表。4 学习比例(P)调节器、比例积分(PI)调节器的配置和运用。5 学会常用过程工业中流体液位的控制方法。6 根据示例工艺制作监控画面。7 运行和调试制作的监控画面。工作量：利用SMPTLAB配置DCS系统占30%，制作监控画面占40%，调试I/O与上位机的通讯占30%。二、专业设计参考资料1. SMPT-1000水气热能半实物仿真系统实验手册。2. SMPT-1000使用说明。.专业设计指导书一、 专业设计要点、设计步骤设计要点：熟悉嵌入式实时操作系统WinCE，并在工控机上建立典型的过程工业DCS控制系统，利用水气热能半实物仿真系统自带的组态软件编制一个工业锅炉的监控画面，实现液位、温度、阀门等开关量、模拟量的监控，并实现除氧器液位控制系统I/O与工控机的通讯的调试。设计步骤：1 建立一个新的SMPTLAB项目。2 建立上位机与I/O之间的通讯连接。3 建立在监控画面中要使用的控制变量或内部变量点。4 在图形编辑器中画图和进行图形对象的变量定义。5 在变量记录编辑器中定义要进行周期记录的变量。6 在报警记录编辑器中定义作为报警的变量点。7 运行监控画面，在画面上进行操作。二、 主要技术关键的分析、解决思路1. SMPTLAB实现动画问题，建议参照手册上的内容，先正确配置变量，然后编辑脚本程序。2. 上位机与I/O通讯问题，建议参照手册上内容，使用组态软件的通讯设置，调整通讯通道等，先进行一个开关量的调试，然后测试模拟量通道，再依次进行比例调节器、积分调节器、比例积分调节器的调试实验，最后联机调试全部汽包上水流量控制子系统。三、专业设计进度安排起 迄 日 期工 作 内 容2011.11.21-2011.11.28在PC机上熟悉SMPTLAB组态环境。2011.11.29-2011.12. 7配置I./O、各类调节器等。2011.12.8-2011.12.15编制监视画面，并虚拟运行2011.12.16-2011.12.19进行整个控制系统的联调，撰写设计报告第 14 页 共 14 页