1、基于西門子 PCS7 的鍋爐綜合過程控制摘要鍋爐是一種能量轉換設備，在我國的國民經濟發展中占有著重要的地位，電力、機械、化工、冶金、紡織、食品、造紙等行業 , 以及工業和民用采暖都有著鍋爐的身影。以工業上最常見的自然循環鍋爐作為被控對象，根據鍋爐的主要控制參數，成分，溫度，壓力，流量，液位，區分來說就是鍋爐的產汽量，過熱蒸汽出口溫度以及壓力，燃料量，汽包水位，煙氣含氧量，風量，爐膛負壓等等，并分析其工藝流程和動態特性的，結合安全、穩定等控制要求設計出了鍋爐系統的總體控制方案。采用 SMPT-1000 仿真過程控制設備，根據控制方案三個層次的要求：生產要求，安全要求和優化要求以及鍋爐的詳細控制參

2、數，設計工程有前饋-串級控制系統，串級控制系統，雙閉環比值控制系統，前饋-反饋控制系統和單回路控制系統，并使用西門子集散控制系統DCS 中 PCS7 軟件編程，編程順序有 OS 組態，AS 組態，組態下載，CFC 連續功能圖與 SFC 順序功能圖的編譯與下載， WINCC 的在線監控以達到優化控制系統的設計目的。關鍵詞：PCS7；SMPT-1000；過程控制；鍋爐 Integrated process control of boiler based on Siemens PCS7 simulation AbstractAbstract Boiler is a kind of energy co

3、nversion device, in our country, the development of national economy, plays an important role, electric power, machinery, chemical industry, metallurgy, textile, food, paper and other industries, and industrial and civil heating has a figure of the boiler. In industry the most common natural circula

4、tion boiler as a controlled object, according to the main control parameters of the boiler, composition, temperature, pressure, flow, level, distinguish it is boiler steam production quantity, superheated steam outlet temperature and pressure, the amount of fuel, drum water level, oxygen content in

5、flue gases, air, vacuum furnace and so on and analysis the process and dynamic characteristics, combining with the safe and stable control requirements to design the control scheme of the overall system of boiler. The smpt-1000 simulation process control equipment, according to the requirements of t

6、he control scheme of three level: production requirements, safety requirements and requirements and boiler with control parameter optimization, engineering design with feedforward cascade control system, cascade control system, the double closed loop ratio control system, feedforward feedback contro

7、l system and a single loop control system, and the use of Siemens distributed control system DCS PCS7 software programming and sequential programming with OS configuration, configuration of atherosclerosis, download configuration, CFC continuous functional diagram and the SFC sequential function cha

8、rt, compile and download, WinCC online monitoring to achieve to optimal control system is designed.KeyKey wordswords：PCS7; SMPT-1000; process control; boiler目 錄摘要 .IABSTABSTR RACTACT .II1 緒論 .12 仿真設備與軟件的介紹 .42.1 SMPT-1000 仿真設備 .42.1.1 SMPT-1000 硬件組成 .42.1.2 SMPT-1000 軟件系統 .52.2 西門子 PCS7 系統 .63 鍋爐控制方

9、案的設計.113.1 仿真鍋爐的設計原則.113.2 仿真鍋爐的工藝流程.123.3 分析并設計系統的方案.134 鍋爐系統方案的實現.164.1 控制方案的硬件組態.164.1.1 AS 硬件組態.164.1.2 編輯硬件變量表.174.1.3 OS 站組態.184.1.4 網絡連接組態與下載.194.2 控制方案的軟件編輯.204.2.1 CFC 連續功能圖組態.224.2.2 SFC 順序流程圖組態 .274.2.3 WINCC 組態 .285 鍋爐系統方案的運行與參數的整定.315.1 系統方案的運行 .315.2 PID 參數的整定 .32結 論 .1致 .2參考文獻.31 緒論鍋爐

10、作為工業過程中的大型動力設備，不僅在電力化工領域有著廣泛運用，同時又能產出巨大熱能，即分裂精餾原油也能干燥氣體，所以鍋爐在工業領域中也有著舉足輕重的地位。能應用于加熱水使其轉變為蒸汽的鍋爐稱為蒸汽式鍋爐,也稱之為蒸汽發生器;能應用于加熱水使其提高溫度轉變為熱水鍋爐,稱為熱水式鍋爐，而應用于加熱有機熱載體的鍋爐又稱為有機熱載體式鍋爐。從能源利用的角度來看,鍋爐是種能源轉換設備，在鍋爐中,一次性能源(燃料)的化學貯藏通過燃燒過程轉化成為燃燒產物(煙氣和灰渣)將所載有的熱能,又通過傳熱過程使熱量傳遞給中間的載熱體(例如水或蒸汽),然后依靠它將熱量送到用熱設備中去。這種傳輸熱量的中間的載熱體已經屬于二

11、次能源,因為它的用途是向用能的設備提供能量。當中間載熱體應用于熱機中進行熱與功轉換時,就叫做為“工質” 。如果中間的載熱體只是給熱設備傳輸并且提供熱量以進行熱利用的話,那么通常被稱為“熱媒” 。鍋爐也能按其用途分為電站鍋爐、船舶鍋爐、工業鍋爐和機車鍋爐等四類。前兩類稱為固定式鍋爐,那是因為安裝在固定基礎上并且不可移動的。后兩類便稱為移動式鍋爐。當今社會發展的迅速，特別是工業領域規模的不斷壯大，我們也對能源需求越來越急切。同時我們現在的環境也要求鍋爐控制的安全和環保，然而鍋爐的工作環境卻是高壓高二氧化碳排放高溫，怎么安全、有效和環保的控制使用鍋爐已然成為工業領域上重要的課題。鍋爐按照結構、燃料性

12、質、容量大小、壓力大小、用途和能源類型，亦可分為不同類型，鍋爐工藝需求據鍋爐類型不同也是多種多樣，相應的控制方案也大不同。伴隨著工業自動化水平的步步提高，我國的石油化工等大型企業對工業鍋爐的控制要求也加強了。在許多工業過程的使用中，鍋爐中存在許多缺點，如耗能大，氣壓不穩，熱效低等等。鍋爐的控制包含了多個控制回路，例如壓力控制回路，燃燒控制回路，液位控制回路，安全聯防及溫度控制回路等等，其中燃燒的過程是多輸入多輸出非線性的過程，而溫度系統具有較大的慣性以及滯后性。所以，鍋爐過程總體上來說是一個非線性時變的動態過程。目前，在國際工業控制領域圍，復雜的系統控制，除去了采用經典 PID 控制，還有采用

13、模糊的控制理論來設計先進的控制方案。模糊控制方案都具有靈活多變性，且與自適應的控制理論互相結合，能消除模糊控制帶來的穩態偏差，并且這種控制方案已然成功的應用到許多先進復雜系統中去。模糊控制第一步先通過對系統被調量采樣得出的實際信號量：然后將這些實際信號量通過數據轉換，得到模擬量；通過查表得出模糊決策；最后，根據模糊決策，得到控制信號，并將其送到執行機構去控制調節。模糊控制的控制效果是否精確，取決于決策表的編制是否合理。決策表總結了專業人員的技術經驗及思維模式，使得系統更適合控制要求。如今，自控技術已成為鍋爐控制不可或缺的一部分，它是提高鍋爐整體性能，保持其高效環保運行的重要技術。但是，鍋爐設備

14、具有非線性、時變特性，同時，主流控制技術存在多種缺陷，比如滯后性和慣性。這些因素導致鍋爐系統，在當前時期仍不能實現全自動化控制。現在，PLC 的各方面都有飛躍地發展，比如，模擬、仿真、高等運算算法及通訊網絡方面，并逐漸適應國石油化工、輕工業、汽車制造業、機械制造業及精細加工等領域均有較好的應用。介于 PLC 儀表工控功能逐漸提高，對電池要求較 DCS 低，用于回路控制有較好的效果，并有自動，半自動，手動等操作，PLC 在某些領域逐漸替代了獨占鰲頭的集成控制 DCS，比如，在化工領域鍋爐控制上，PLC 就有就好的應用效果。PLC 不僅具有傳統的 PID 控制模塊，還結合計算機高級運算算法進行智能

15、控制，比如，模糊控制、神經系統控制、及其他先進控制。在燃燒系統上，利用模糊控制原理，采用模擬信號，采集爐溫，建立控制查詢表，根據溫度偏差輸出變頻器變化信號， 有效控制爐溫。神經系統在這一方面也有應用，將 PID 的參數設為 BP 神經網絡輸出，調節神經網絡 W 值，實現網絡自我學習的功能，精確調整控制參數，達到控制效果。自適應控制在爐溫控制上，也取得較好的成果。首先建立控制系統數字模型，再結合自適應 PID 控制算法，得出控制結論，精確穩定控制爐溫。針對鍋爐是 1 個多輸入和多輸出的系統，具有非線性、強耦合、大滯后等特點，本設計在分析其工藝流程和動態特性的，結合安全、穩定等控制要求基礎上，綜合

16、考慮節能減排的要求，提出了鍋爐系統的綜合自動控制方案，包括: 汽包水位控制系統、燃料流量控制系統、煙氣氧含量控制系統、爐膛負壓控制系統、過熱蒸汽出口壓力控制系統、過熱蒸汽出口溫度控制系統、過熱蒸汽出口壓力控制系統、過熱蒸汽出口流量控制系統等 7 個部分。并采用版本為 V8.0 up1 的 PCS7 過程控制系統和高級多功能實訓過程控制系統(SMPT1000)的鍋爐單元實施已經設計好的控制方案，由 PCS7 中提供的連續功能圖 CFC 與順序功能圖 SFC 實現該方案從冷態開車到最終達到穩態整個過程，并用 wincc 實施在線監控。實驗結果證明，該鍋爐系統控制方案能夠保證整個開車過程的平穩運行，

17、不僅滿足了控制要求，還具有一定的抗干擾性。2 仿真設備與軟件的介紹2.1 SMPT-1000 仿真設備在本次課題設計中，所用到的是仿真設備是 Super Multifunction Process Control Training System 即 SMTP-1000，它是最新一代的高級多功能過程控制綜合實訓系統，一個包括多種工業生產工藝的一套仿真系統，有鍋爐和蒸發器組成的水汽熱能全流程，可拆分為以下六種生產工藝過程：設備級和單員級工藝流程 1. 非線性液位與離心泵系統工藝流程 2. 動力除氧系統工藝流程 3. 高階換熱系統工藝流程 4. 加熱爐工藝流程水汽熱能全流程工藝 1. 鍋爐系統工藝流

18、程 2. 蒸發器工藝流程2.1.1 SMPT-1000 硬件組成SMPT-1000 運用高精度動態仿真技術,將實際工業裝置的各種對象特性用數字化手段完整地在小型化半實物實驗裝置上得到再現。由于實驗對象特性與工業裝置完全一致,多種信號與通信方式、數十個檢測點與十多個執行機構可自由地設計、探索各種控制算法與方案,更加真實地模擬了實際工業現場的操作場景。1. 流程設備盤臺：SMPT-1000 由小型流程設備操作臺、數字式軟儀表與接口硬件、系統監控軟件和過程模型軟件 4 部分組成。這 4 部分通過小型實時數據庫和實時數字通信協調運行,完成復雜的半實物模擬實驗。SMPT-1000 采用空間立體分布設計,

19、所有變送器、執行器均分布在實際位置,具有很強的工業感。調節閥管路設計符合工業現場,安裝了前、后閥和旁路閥,可以模擬調節閥故障,調節閥特性可以在快開、線性、等百分比、拋物線 4 種特性中任何選擇。本系統采用動態定量數學模型模擬真實工藝流程,并提供各變量的當前值。該實驗系統的最大特點就是每個反應設備和執行機構的參數均可以改變,以便模擬各類真實的工況場景。為滿足設計、組合多種多樣的控制方案,以及獲取被控參數曲線等需求,系統還自行開發了專用的 VC+ +控制系統圖形組態軟件。2. 控制方式：SMPT-1000 可以通過 AI/AO、DI/DO、Profibus、OPC 與各種 PLC、DCS 或工業控

20、制計算機等控制器相連,同時配備有操作與聯鎖停車控制臺。與西門子的 PCS7可以組成現場站、控制站、操作站三級完整的工業控制環境。本文采用 Profibus-DP方式完成過程控制實驗開發。Profibus-DP 的設計可代替制造自動化中傳統的 24 V并行信號傳輸,過程自動化中 4 20 mA 或 HART 模擬信號傳輸。SMPT-1000 全部設備運用動態的仿真技術，完整地保留了對象動態特性，涉及到的燃燒和換熱等環節，均實現鍋爐過程數字化，并能將其完整的體現出來，如圖2.1。圖 2.1 SMPT-1000 各部分組件圖2.1.2 SMPT-1000 軟件系統 SMPT-1000 軟件系統包括上

21、位機軟件 SMPTLAB，實時仿真引擎軟件SMPTRUNTIME，以及其他軟件和硬件接口軟件。1. 上位機軟件 SMPTLAB實現實驗項目的管理，實時數據的監視，控制系統的組態等日常實驗功能。2. 實時仿真引擎軟件 SMPTRUNTIME完成實時動態仿真計算以及數據管理功能，目前能夠實現以下動態仿真模型：非線性液位與離心泵動態仿真模型、動力除氧動態仿真模型、高階換熱動態仿真模型、加熱爐工藝流程、工業鍋爐動態仿真模型、蒸發器動態仿真模型以及水汽熱能全流程動態仿真，如圖 2.2。圖 2.2 SMPTLAB 軟件運行圖2.2 西門子 PCS7 系統西門子 PCS 7 系統是完全無縫集成的自動化解決方

22、案。可以應用于所有工業領域,包括過程工業，制造工業，混合工業以及工業所涉及的所有制造和過程自動化產品。作為先進的過程控制系統，SIMATIC PCS7 形成了一個帶有典型過程組態特征。PCS7 是西門子的 DCS 系統，基于過程自動化，從傳感器、執行器到控制器，再到上位機，自下而上形成完整的 TIA（全集成自動化）架構。主要包括Step7、CFC、SFC、Simatic Net 和 WinCC 以及 PDM 等軟件，組態對象選用 S7-400 高端 CPU，一般應用于鋼鐵和石化等行業。PCS7 并不等同于 Step7+WinCC，PCS7 中的 OS 中的很多模板和畫面都是在Step7 中用

23、CFC 和 SFC 自動生成的，變量記錄和報警記錄也都是由 Step7 中編譯傳送到 WinCC 中去的，并不需要象使用普通 WinCC 那樣手動組態畫面、變量記錄和報警記錄，如圖 2.3。圖 2.3 實驗室西門子 PCS7 系統在本次設計的 DCS 控制系統中使用到的硬件包括如下：訂貨號為 407-0KA02-0AA0 的電源 PS 407 10A；訂貨號為 412-5HK06-0AB0，PLC 版本為 V6.0 的CPU 412H PN/DP；訂貨號為 443-1EX30-0XE0，CP 版本為 V3.0 的 CP 443-1，如圖 2.4 和 2.5。圖 2.4 PCS7 上位機圖 2.

24、5 PCS7 現場控制級SIMATIC PCS7 過程控制系統是全集成自動化（TIA）的核心部分，為生產、過程控制和綜合工業中所有領域實現統一且符合客戶要求的自動化平臺。通過采用 SIMATIC PCS 7 的全集成自動化解決方案，可實現一致性的數據管理、通訊和組態，性能優異并可前瞻性地確保滿足典型的過程控制系統應用需求。1. 簡單而可靠的過程控制2. 用戶友好的操作和可視化，并可通過因特網實現3. 系統圍功能強大、快速、一致性的工程與組態4. 系統圍的在線修改5. 在各個層級的系統開放性6. 靈活性和可擴展性7. 與安全相關的自動化解決方案8. 廣泛的現場總線集成9. 儀表與控制設備的資產管

25、理 PCS7 軟件包含以下應用程序，我們可以用它組態一個基本的 PCS7 工程: 1. PCS7 工程組態系統ESSIMATIC 管理器是工程組態控制的控制中心，是工程組態工具套件的綜合平臺，同時也是 SIMATIC PCS7 過程控制系統所有工程組態任務的組態基礎。SIMATIC PCS7 項目各個方面的創建、管理、歸檔和記錄都在這里進行。 組態容主要包括：控制系統硬件，包括分布式 I/O 和現場設備、通訊網絡、用于連續和批生產過程的自動化功能（AS 工程組態） 、操作和監視功能（OS 工程組態） 、診斷和資產管理功能。CFC 連續功能圖:CFC 編輯器是用于圖形方式組態和連續自動化功能調試

26、的工具。在功能強大的自動路徑選擇和 HMI 消息集成組態的支持下，可將預組態的功能塊在 CFC 部定位、組態和互連。除了便捷的編輯功能外，CFC 功能也包括強大的測試和調試功能，以及可以單獨組態的文檔記錄功能。仿真:使用 S7-PLCSIM 仿真軟件，用戶可以在 PG/PC 上對用 CFC/SFC 創建的用戶程序進行測試，而不管目標硬件是否可用。因此，在早期開發階段就可以檢測并消除錯誤。 這樣就可以快速進行調試，降低成本并獲得更高的程序質量。2. PCS7 操作員系統OS通過 SIMATIC PCS 7 過程控制系統的操作員系統，操作人員可方便而安全地執行過程。 操作員可以通過各種視圖來觀察過

27、程序列，并在必要時進行干預，從而對系統進行控制。操作員系統架構具有很大的可變性，可靈活地適應不同的工廠架構和客戶需求。該架構的基礎是由完美協調的單用戶系統操作員站（OS 單站）和具有客戶端 / 服務器架構的多用戶系統操作員站所構成。窗口功能:不固定位置的窗口可顯示某個設備或控制對象的具體參數或趨勢，方便操作員對其進行操作或分析。消息系統:每個 OS 單站 /OS 服務器最多可組態 150000 條消息：預定義的系統消息，由系統事件觸發、單個或群組消息，由過程狀態的更改初始化、操作員輸入消息，在手動操作對象時產生，集成在操作員系統中的消息系統通過 AlarmControl功能，來記錄這些過程消息

28、和本地事件，并將其保存在消息歸檔中，然后進行顯示。 3. 西門子自動化系統AS自動化系統具有如下特點：模塊化無風扇的設計、強大的擴展能力和堅固的結構、單一或冗余設計、全面的通訊功能、集成的系統功能、集成安全功能、簡單連接集中式或分布式 I/O，我們提供的所有自動化系統都選用有硬件控制器的獨立控制器，并且是由西門子預組裝和測試的完整系統。高達科技根據項目的具體需求，確定自動化系統的類型。主要依據是點數及根據點數測算的 PO（過程對象）數目。3 鍋爐控制方案的設計 控制方案決定設備控制效果，觀察設備的特性，根據控制要求和設備特點設計去設計控制方案。在控制中，閥門的開閉形式及控制器的正反作用對控制效

29、果也有很大影響。對于工業傳熱設備，鍋爐控制目的是：工業介質達到規定溫度，即對工業介質加熱或冷卻，使其在規定溫度圍；工業介質改變相態，即根據工業要求，對工業介質加熱或冷凝改變相態；回收熱量，根據工業工藝要求，取溫度為被控變量，平衡設備熱量。3.1 仿真鍋爐的設計原則 鍋爐是工業設備中特殊的傳熱設備，與一般傳熱設備不同，它有自身的結構和特點。鍋爐控制主要目的是在不超負荷、安全生產的前提之下，使蒸汽具備適當溫度和壓力，同時需要遵循生產安全、環保的一系列條件。控制系統設計應考慮一下幾點。 1. 滿足產品質量及產量要求。 本課題產出產品為過熱蒸汽，滿足過熱蒸汽產量的前提下，保證過熱蒸汽的輸出穩定，維持在

30、允許的波動圍之，同時讓輸出的過熱蒸汽的溫度與壓力達到工藝要求。在生產指標主要控制環節為燃燒控制及減溫器控制。 2. 滿足生產安全指標 安全是生產的必要條件，除氧器壓力及水位，鍋爐的汽包水位，爐膛壓力等必須符合相關安全標準圍。同時，所有工序按序進行，生產過程保持穩定。因此，要充分考慮各生產過程可能產生的各類問題。 3. 滿足生產優化指標 當前社會越來越強調節能，環保，主要在煙氣排放控制環節及燃燒環節，節約熱能，控 N-氧化碳的排放量，保證節能，環保。 4. 閥門開閉形式選擇原則 控制閥正反作用選擇對控制方案至關重要，對于控制閥作用選擇，人員及設備的安全應放在首位。當故障發生時，閥門應恢復到鍋爐冷

31、態狀態，防止故障發生。其次考慮控制質量，保證工藝介質出口溫度在正常圍。 5. 控制器正反作用選擇 控制器、控制閥、被控對象、測量變送器及偏差環節構成控制回路。控制回路為負時，遇到干擾，系統響應衰減達到穩定。所以，在控制設計中，控制回路為負。根據各個控制回路各組成符號乘積符號為負原則，確認控制閥、被控對象、測量變送器及偏差環節的符號，即可確認控制器的正反作用。3.2 仿真鍋爐的工藝流程本論文針對 SMPT1000 仿真實驗裝置，被控對象為自然循環鍋爐系統。工藝流程主要包括: 汽包、燃燒系統和過熱蒸汽系統 3 部分，如圖 3.1。圖 3.1 鍋爐工藝流程圖1. 汽包水位控制系統軟化水經上水泵 P1

32、101 后分成 2 路，一路去減溫器 E1101，與過熱蒸汽換熱，并微調過熱蒸汽的溫度，然后與另一路給水混合進入省煤器 E1102，吸收煙氣中的余熱。被煙氣加熱成飽和水的鍋爐給水全部進入汽包 V1102，再經過對流管束和下降管進入鍋爐水冷壁，吸收爐膛輻射熱變成汽水混合物，然后返回汽包 V1102 進行汽水分離。汽水分離是汽包的重要作用之一，汽包 V1102 頂部設放空閥 V1104，汽包中部設水位檢測點 LI1102。分離出的飽和蒸汽再次進入爐膛 F1101 進行汽相升溫，成為過熱蒸汽。2. 燃燒系統燃料經燃料泵 P1102 泵入爐膛 F1101 的燃燒器，空氣由變頻鼓風機 K1101 送入燃

33、燒器。燃料與空氣在燃燒器以一定比例混合燃燒，產生熱量使鍋爐水汽化。燃燒產生的煙氣帶有大量余熱，自上而下經過省煤器 E1102 盤管的間隙給上水預熱。換熱后的煙氣經由煙道，靠煙囪的抽力抽出，通入大氣。過熱蒸汽系統出爐膛 F1101 的過熱蒸汽進入減溫器 E1101 殼程，進行過熱蒸汽溫度微調并為鍋爐給水預熱，最后以工藝所要求的過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度輸送給下游生產過程。過熱蒸汽出口管線上設開關閥 XV1105。3.3 分析并設計系統的方案通過對鍋爐對象特性的分析，可以明確控制任務和控制圍，合理制定和選取被控變量、操作變量及控制設備，使被控對象平穩安全的生產出合格產品，為了使鍋爐的生產單元為下游

34、提供 3.8MPa、450 度的過熱蒸汽，結合我們已有的知識，可以歸納出需要控制和監測的變量，如表 3.1 和表 3.2。表 3.1 需要控制的變量數據名稱位號FI1101FI1101FI1103FI1103FI1104FI1104汽包上水流量燃料流量風量過熱蒸汽出口流量FI1105FI1105汽包水位LI1102LI1102過熱蒸汽出口溫度TI1104TI1104PI1102PI1102爐膛壓力過熱蒸汽出口壓力PI1104PI1104煙氣含氧量AI1101AI1101確定方案前，首先要保證生產的穩定性和安全性，在確保工藝流程能夠安全穩定長周期生產的前提下，可以考慮對控制器參數，生產指標等進行

35、優化，以獲取更高的收益，根據我們已經學習的知識，針對需要控制的變量，可以設計如下控制回路：表 3.2 需要監測的變量數據名稱位號FI1102FI1102去減溫器的汽包上水流量省煤器出口煙氣流量FI1107FI1107TI1101TI1101TI1102TI1102TI1103TI1103爐膛溫度進入爐膛的飽和蒸汽溫度去減溫器的過熱蒸汽溫度省煤器出口煙氣溫度TI1105TI1105PI1101PI1101PI1103PI1103燃料壓力汽包壓力省煤器出口煙氣壓力PI1105PI1105圖 3.2 SFC 順序流程圖汽包水位-鍋爐上水流量-過熱蒸汽出口流量前饋-串級控制；過熱蒸汽出口壓力-燃料流量

36、串級控制系統；燃料流量-風量雙閉環比值控制系統；風量-煙氣含氧量前饋-反饋控制系統；過熱蒸汽出口溫度單回路控制系統；爐膛真空度-風量前饋-反饋控制系統；過熱蒸汽出口流量單回路控制系統。另外，針對安全生產問題，我們設計停風、停燃料連鎖停車系統，如果出現燃料流量驟降和空氣驟降的情況將啟動連鎖停車信號。在接到連鎖停車信號后，切斷過熱蒸汽向下游生產單元輸送通路，將不合格的過熱蒸汽排向旁路管線，同時，停燃料泵、風機，全開煙道擋板，使爐膛自然降溫。一段時間后關閉水泵，使整個鍋爐停車，進入維修狀態,如圖 3.2。 4 鍋爐系統方案的實現4.1 控制方案的硬件組態首先，打開軟件，使用“新建項目向導”來新建工程

37、，如圖 4.1。圖 4.1 新建工程示意圖4.1.1 AS 硬件組態打開組件試圖，選擇 CPU 右邊的硬件組態并打開，根據實驗室 DCS 系統的硬件PLC,PS,CP 選擇與之相對應的訂貨號和版本型號,使用 ISO 通信協議配置工業以太網接口 CP443-1，輸入 CP443-1 的 MAC 地址方面后續與個人計算機相連，隨后在CPU 的 MPI/DP 接口配置工業現場總線 PROFIBUS，將與 SMPT-1000 仿真設備通信的接口模塊 PM125 加載上去并配置 DI,AI,DO,AO 通信模組與編輯符號，最后編譯并保存，如圖 4.2。圖 4.2 硬件組態視圖4.1.2 編輯硬件變量表在

38、硬件組態之后，先完成 I/O 點統計，由于 I/O 點數較多，可以使用 SMPT-1000 特有的 PROFIBUS 總線功能，并根據前面對象特性的分析，在 SMPT-1000 操作系統界面下面確定 I/O 點及其地址。在 AS 組態以后將 I/O 點編輯到 PM125 的符號位上面，如圖 4.3,4.4,4.5,4.6。圖 4.3 DI I/O 點及其位置圖 4.4 AI I/O 點及其位置圖 4.5 DO I/O 點及其位置圖 4.6 AO I/O 點及其位置4.1.3 OS 站組態打開組件試圖，打開 OS 右面的硬件組態，加載工業上面普通版本的網卡，使用IOS 通信協議并輸入個人電腦里面

39、的 MAC 地址為后面與 AS 組態相連，編譯并保存。為了使電腦的 WINCC 監控與 AS 相連，在編譯并保存以后再次激活組件試圖，打開電腦右下方的站組態管理器，修改 OS 名稱使之與站管理器的站名一致，最后打開菜單欄里 PLC 下面的組態，傳輸數據使其組態一致，如圖 4.7 和 4.8。圖 4.7 OS 組態視圖圖 4.8 OS 站名更改圖4.1.4 網絡連接組態與下載打開菜單欄里面的 NETPRO 視圖，在 OS 的通用網卡上面右鍵建立與 AS 的 S7組態，由于是使用了 IOS 通訊協議，那么選擇 PC/PG 接口中的 PC internal，選擇后編譯并保存整個網絡連接組態，最后，分

40、別打開 OS 硬件組態與 AS 硬件組態，按照順序先向個人電腦下載 OS 組態再向 CPU 下載 AS 組態，如圖 4.9。圖 4.9 網絡組態圖4.2 控制方案的軟件編輯在控制器組態完成以后，還要針對 PROFIBUS-DP 從站通訊模塊使用的泗博PM-125為 PLC 編寫一段源程序，即選擇 CPU 下面的源程序，插入個 SCL 源文件，打開編譯為 FB007 后保存，最后在 CFC 組態中單獨插入個 FB007 框圖編譯并下載。如圖4.10 和 4.11。圖 4.10 PM125 設備圖圖 4.11 SCL 源程序圖要注意的是通訊接口模塊的 CFC 組態層級要高于下面的 CFC 組態，即

41、需要添加新的工廠層級，打開 CFC 組態需要先激活工廠視圖，在完成通訊接口模塊的編譯并下載后，根據前面鍋爐過程控制系統的設計方案，編輯后面程序，如圖 4.12 和 4.13。圖 4.12 新建工廠層級圖圖 4.13 通訊模塊編譯圖4.2.1 CFC 連續功能圖組態 放置好各部分所需要的塊，雙擊修改參數，將所有 PID 控制器調整為手動模式且設置比例增益為 1、積分時間常數為 99999、微分時間常數為 0，設置關鍵數據為歸檔模式，以及修改必要的單位，如圖 4.14 到 4.23。圖 4.14 過熱蒸汽出口溫度單回路控制系統圖 4.15 過熱蒸汽出口壓力-燃料流量串級控制系統圖 4.16 燃料流

42、量-風量-煙氣含氧量前饋-反饋-雙閉環比值控制圖 4.17 汽包水位-鍋爐上水流量-過熱蒸汽出口流量前饋-串級控制圖 4.18 爐膛真空度-風量前饋-反饋控制系統圖 4.19 過熱蒸汽出口流量單回路控制系統示意圖圖 4.20 CFC 中被監控溫度變量的狀態圖圖 4.21 CFC 中被監控流量變量的狀態圖圖 4.22 CFC 中被監控流量變量的狀態圖圖 4.23 CFC 中 FV1102 遙控閥狀態圖4.2.2 SFC 順序流程圖組態激活工廠視圖，選擇與上述 CFC 編程的同一層級的 SFC 并打開，按照控制方案要求，插入并編輯所需要的步與轉移條件，編輯完成后編譯并下載，如圖 4.24。圖 4.

43、24 SFC 順序流程圖 4.2.3 WINCC 組態在 CFC 與 SFC 都編譯與保存以后，接下來將進行最后 WINCC 的組態，在編譯之前確定好同等級 CFC 界面是否有 PICTURE，如沒有就右鍵添加一個，接下來右鍵確定工廠層級為三，然后同樣右鍵更新塊圖標，更新以后進入組件視圖 OS 站下面的OS 右鍵選擇編譯，編譯完成后單擊 PICTURE 進入 WINCC，如圖 4.25 到 4.29。圖 4.25 確定工廠層級圖 4.26 創建和更新塊圖標 圖 4.27 WINCC 界面打開圖圖 4.28 CFC 組態導入圖 圖 4.29 WINCC 鍋爐效果圖5 鍋爐系統方案的運行與參數的整

44、定5.1 系統方案的運行 編輯并保存好各部分文件后，在程序已經下載到 CPU 的前提下，首先打開位于SMPT-1000 的 BoilerControl 即鍋爐工程，調整鍋爐至冷態并將曲線清空，設置好與之對應的閥門狀態，將所有 PID 控制器調整為手動模式且設置比例增益為 1、積分時間常數為 99999、微分時間常數為 0，開始工程進入到系統開始與調試模式，通過個人計算機的 WINCC 與 SMPT-1000 仿真設備中的 SMPTLAB 軟件實時在線監控，如圖 5.1 到 5.3。圖 5.1 SMPT-1000 閥門設定圖圖 5.2 SMPTLAB 在線監控圖圖 5.3 WINCC 在線監控概

45、況圖5.2 PID 參數的整定 在進行 PID 參數的整定前，首先要明確三個基本參數 Kp，Ki，Kd 在實際控制中的作用： 1.比例環節：成比例的反應控制系統的偏差信號 e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。比例系數 kP 越大，系統的響應速度越快，但過大，系統會產生超調，甚至導致不穩定。 2.積分環節：用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數 Ti，Ti 越大，積分作用越弱，反之則越強。但它有滯后現象，使系統的響應速度變慢，超調量變大并可能產生振蕩。 3.微分環節：反應偏差信號的變化趨勢（變化速率） ，調節誤差的微分輸出，誤差突變時，能及時控制

46、，并能在偏差信號變化太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。但其會帶來擾動敏感，抑制抗干擾能力差。 PID 控制器的參數整定是控制系統設計的核心容。它是根據被控過程的特性確定PID 控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID 控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用，如表 5.1。表

47、 5.1 PID 參數正定方法PID 參數整定方法優點缺點參數整定花費時間長經驗整定法簡單方便，適用于記錄曲線不規則，外界干擾頻繁的控制系統整定結果因人而異，沒有明確標準需要求出各個環節的傳遞函數，實際問題不能滿足理論整定法結果比較精確理論計算比較繁瑣不適用于工藝方面不允許被控變量長時間的等幅振蕩場合在純比例控制情況下，系統可能不會出現等幅振蕩臨界比例度法使用起來比較方便只適用于二階以上的高階對象或者一階純滯后對象整定質量好對工藝過程干擾小對時間常數小的系統不易測取衰減振蕩周期衰減振蕩法安全可靠不宜用于干擾頻繁的系統四種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行

48、整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。現在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID 控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作(2)僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期(3)在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參數，如表 5.2。表 5.2 PID 控制器的選取被控變量特征控制器的選取時間常數較小流量容易受到干擾不易加入積分作用，一般采用比例積分控制器液位純滯后較小一般不加入微分壓力時間常數與體積有關，例如大體積的容器壓力時間常數較大，而管道壓力時間常數較小時間常數較大的話可以加入微分，一般情況下采取比例積分控制器溫度時間常數比較大，控制起來不需要加入微分作用靈敏本文主要應用的是經驗整定法，因為涉及到了如下七種控制回路：汽包水位-鍋爐上水流量-過熱蒸汽出口流量前饋-串級控制；過熱蒸汽出口壓力-燃料流量串級控制系統；燃料流量-風量雙閉環比值控制系統；風量-煙氣含氧量前饋-反饋控制系統；過熱蒸汽出口