1、课 程 设 计2015 年 8 月 7 日课 程 控制系统综合实验 题 目 锅炉控制系统 院 系 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 课程设计任务书课程 控制系统综合实验 题目 锅炉控制系统 专业 姓名 学号 主要内容：1、熟练掌握 Realinfo 应用；2、掌握组态软件的点组态，硬件组态，报表设计格式和历史数据分析等功能；3、理解控制系统组态的基本思想。基本要求：1、熟悉锅炉夹套水温串级控制系统的管路连接方式及各输入/输出信号与 DCS 卡件的 连接方式。 2、 根据串级控制系统参数整定的方法整定主、副调节器 PID 参数，观察 PID 参数变化 对系统性能的影响。 参考资料：1张文明
2、，刘志军.组态软件控制技术M.北方交通大学出版社， 2006.8.2龚运新，方立有.工业组态软件使用技术M. 清华大学出版社，2005.3刘志峰，张军.工控组态软件实例教程M.电子工业出版社， 2008.24薛迎成，何坚强.工控机及组态控制技术原理与应用M.中国电力出版社2007.25龙志文.工控组态软件M.重庆大学出版社， 2005.106张运刚，宋小春.工控组态技术与应用M.人民邮电出版社， 2008.5完成期限 2015.7.272015.8.7 指导教师 专业负责人 2015 年 7 月 2 日目录第 1 章 锅炉的工艺分析 .11.1 锅炉的工艺流程 .11.2 过热蒸汽温度调节系统
3、 11.3 锅炉燃烧过程控制系统控制 11.4 汽包水位调节系统 .2第 2 章 锅炉控制系统设计 .32.1 仪表的选择 .32.2 传感器的选择 .32.3 控制方案分析 42.4 PID 选择 .5第 3 章 基于 Realinfo 的热电厂锅炉系统监控程序设计 63.1 主控界面 .63.2 趋势界面 .113.3 仪表界面 .123.4 中心控制系统 .14第 4 章 结论与体会 15参考文献 .16控制系统综合实验1第 1 章 锅炉的工艺分析1.1 锅炉的工艺流程由于锅炉设备使用的燃料、燃烧设备、炉体形式、锅炉功用和运行要求的不同，锅炉有各种各样的流程。常见流程如图 2.1 所示。
4、由图可知，蒸汽发生系统由给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管组成。燃料和热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽 sD,然后经过热器，形成一定汽温的过热蒸汽 D，汇集至蒸汽母管。压力为 MP 的过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱排入大气。1.2 过热蒸汽温度调节系统锅炉燃烧过程有三个任务：给煤控制，给风控制。炉膛负压控制。保持煤气与空气比例使空气过剩系数在 1.08 左右，燃烧过程的经济性，维持炉膛负压，所以锅炉燃烧过程的自
5、动调节是一个复杂的问题。对于 35t 锅炉来说燃烧放散锅炉煤气。要求是最大限度的利用放散的高炉煤气，故可按锅炉的最大出力运行，对蒸汽压力不做严格要求；燃烧的经济性也不做过高的要求。这样锅炉燃烧过程的自动调节简化为炉膛负压为主参数的定煤气流量调节。炉膛负压 PF 的大小受引风量，鼓风量与煤气量三者的影响。炉膛负压大小，炉膛向外喷火和外泄露高炉煤气，危机设备与运行人员的安全。负压太大，炉膛漏风量增加，排烟损失增加，引风机电耗增加。根据多年的人工手动调节搜索，35t 锅炉的Pf=100Pa 来设计。调节方法是初始状态先由人工调节空气与煤气的比例，达到理想的燃烧状态，在引风机全开时达到炉膛负压 100
6、Pa，投入自动后，之调节煤气蝶阀，是压力波动下的高炉煤气流量趋于初始状态的煤气流量，来保持燃烧中高炉煤气与空气比例达到最佳状态。因此，锅炉燃烧过程自动控制系统按照控制任务的不同可分为三个字控制系统。即蒸汽压力控制系统，烟气氧量控制系统和炉膛负压控制系统。1.3 锅炉燃烧过程控制系统控制使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要；使燃料量与空气量之间保持一定比例，为了完成上述目标 ，燃烧过程的自动控制系统要完成以下三个方面的任务；首先保持锅炉输出蒸汽压稳定；其次，调节送风量与燃烧量的比例；最后，保持控制系统综合实验2锅炉炉膛负压的稳定。1.4 汽包水位调节系统汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，
7、水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以其值过高过低都可能造成重大事故。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，由于锅炉汽包水位对蒸气流量和给水流量变化的响应呈积极特性。但是在负荷(蒸气流量)急剧增加时，表现却为“逆响应特性“，即所谓的“虚假水位“，造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。 汽包水位控制
8、系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双重量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。控制目标值：在操作界面上利用鼠标键盘实现对水泵启停的控制；在仪表盘上使用原有的 DDZ-III 操作器对水泵进行手动/自动调节控制。系统给水自动调节分为三种模式：单水位控制模式：只通过检测汽包水位来控制给水量；双冲量水位控制模式：监测
9、汽包水位、蒸汽流量，将蒸汽流量作为前馈信号，与汽包水位组成前馈反馈控制方式；三冲量水位控制模式：监测汽包水位、蒸汽流量、给水流量，将汽包水位作为主控编练个，给水流量作为辅助被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号组成前馈串级反馈控制方式。冲量水位控制实现方式：在异常情况下，如液位偏离正常值较大时，采用规则控制，可以快速恢复水位，保证锅炉的安全稳定运行；当水位控制和主蒸汽温度控制发生矛盾时，可根据矛盾的主要方面进行两者的协调控制；它包含给水流量控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路，实质上是蒸汽流量前馈与水位流量串级系统组成的复合控制系统。当蒸汽流量变化时，锅炉汽包水位控制系统中的给水流量控
10、制回路可迅速改变进水量以完成粗调，然后再由汽包水位调节器完成水位的细调。控制系统综合实验3第 2 章 锅炉控制系统设计2.1 仪表的选择锅炉的附件及仪表是锅炉安全经济运行不可缺少的一个组成部分， 。如果锅炉附件不全，作用不可靠，全部或部分失灵，都会直接影响锅炉的的正常运行。所以，必须保证锅炉的附件及仪表准确，灵敏，可靠。安全阀是锅炉三大安全附件（安全阀，压力表，水位表）之一，其作用是保证锅炉排水时，有人工抬起，以排除或吸入空气。蒸汽锅炉采用全启式安全阀，热水锅炉即可以采用全启式又可以采用微启式安全阀。在一点工作压力下安全运行。如果锅炉超过允许规定时，安全阀一方面产生较大音响，引起操作人员的警觉
11、，及时采取措施，另一方面起排气，减压的作用，使锅炉压力迅速降低，保证锅炉安全。同时，锅炉在没有空气阀的情况下，安全阀可在冷炉进水时生活及无压排水，有人工抬起，以排除或吸入空气。安全阀的安全操作与日常养护；锅炉安装或移装后，投入运行前，应对安全阀进行调查；对于安全阀的泄露，首先要分析气泄漏原因，然后再采取措施；安全阀经过调查校验后，应加锁或铅封；要防止与安全阀无关的异物以保证安全阀东；安全阀使用一段时间后，为防止阀芯与阀座站住，可定期进行手动或自动排气实验，已检查安全阀动作的可靠性。锅炉使用的压力表是测量锅炉气压或水压大小的仪表，司炉人员可通过压力表的指示值。控制锅炉的气压升高或降低，对热水锅炉
12、可了解与循环水压力的波动，以保证锅炉在允许工作压力下安全运行。水位表是锅炉表主要安全附件之一，是利用液体联通各部分水面均在同一平面上的原理，监视锅筒内水位的一种安全装置。通过水位表显示水位的高低，以指示锅炉内水面的位置，司炉人员依次进行正确操作，保证锅炉安全运转。2.2 传感器的选择锅炉炉膛温度的控制，我选用普通的 PID 控制，由 PID 作为基本的控制算法。在此次设计中我采用串级回路控制方法。 本系统具有 2 个调节器和 2 个闭合回路 ,2 个调节器分别设置在主 、副回路中 ,设在主回路的调节器称主调节器 ,设在副回路的调节器称为副调节器 。两个调节器串联控制系统综合实验4连接 ,主调节
13、器的输出作为副回路的给定量 ,副调节器的输出去控制执行元件 串级调节系统多用于燃料源受频繁扰动的锅炉炉膛，该系统由主回路和副回路组成，主回路根据实际值与给定值的偏差由 PID 调节规律对燃料流量进行调节，副回路根据燃料流量实际值与主回路温度调节器输出的燃料流量的偏差对流量进行调节，以避免扰动对燃 料流量的影响。 在系统稳定状态时，温度 PID 的输出以 A1 送到煤粉流量调节回路 PID 作为设定值，以 B1 送到空气流量调节回路 PID 作为设定值。 在负荷剧增(温测B2 时,低选器选中 B2,B1 被中断,同时 B3B1 时,低选器又选中 B1,B1 又作为该回路 PID 设定值,交叉限制
14、作用结束,系统稳定。对于煤粉流量调节回路,随着煤粉流量的增加,高选器选 A1,而低选器中,开始时选 A1 作为该回路 PID 的设定值, 煤粉流量增加,A1A2 时,低选气选A2,A1 被中断, 煤粉流量随着空气流量增加而增加,交叉限制作用开始,当 A2 增加到A2A1 时,低选器又选 A1,此时 A1A3,使交叉限制作用结束,系统恢复稳定。负荷剧减时相反。 可见负荷增加过程中，先开空气后开煤粉，煤粉和空气交替逐渐增加，从而保证充分燃烧，不产生黑烟。负荷减少时，先关煤粉后关空气，空气和煤粉交替逐渐减少，保证合理燃烧，不会空气过剩，带走热量。 2.3 控制方案分析锅炉给水压力的控制采用水泵变频恒
15、压供水，通过安装在出水管网上的压力变送器，把管网压力信号变为 4-20ma 的标准信号送入 plc，plc 通过 PID 程序运算后，输出转速信号送给变频器，由变频器控制水泵电机的转速，调节水泵的供水量。使供水管网上的压力保持在给定的压力值上。当用水量超过或少于运行心泵的供水量时，通过 plc 控制切换进行加泵或减泵，即根据用水量的多少由 plc 控制工作泵的数量增减以及变频器对进行泵的转速调节，实现恒压供水的目的。除氧水箱水位的控制采用变频与工频供水，通过安装在除氧水箱上的差压变送器，把水箱水位信号转变为 4-20ma 的标准信号送入 plc，plc 通过 PID 程序运算后，输出转速信号送
16、给变频器，由变频器控制电机的转速，调节水箱给水量，使除氧水箱的水位保持在给定的水位上。给除氧水箱供水还包括冷凝水箱的控制，当冷凝水箱水位高时，启动冷凝水泵，当冷凝水箱水位低时，停止冷凝水泵，防止冷凝水箱出现溢流现象，减少水源浪费。根据除氧水箱水位的高低由 PLC 控制软水泵和冷凝水泵数量及变频器对软水泵的转速调节，实现恒水位供水。软水箱水位的控制采用电磁网控制，通过安装在软水箱上的差压变送器，把水箱控制系统综合实验5水位信号变成 4-20ma 的标准信号送入 PLC，PLC 通过 PLD 运算后输出控制信号，当软水水位低时，增加电磁网开度，当软水水位高时，可减少电磁网开度。水处理自动控制系统需
17、要检测和控制的工艺参数主要有：压力。流量，液位，转速，阀门开度，水泵的运行停止，阀门的开|关，变频器的运行|停止等等，系统共有模拟量输入 11 路，模拟量输出 4 路，数字量输入 40 路，数字量输出 20 路。2.4 PID 选择根据以上分析可知，炉膛温度问题是比较复杂的。对炉膛温度动态特性进行分段线性化，则在每个较小的温度区间，锅炉炉膛的燃料流量炉膛温度系统的动态特性可近似地用一个惯性环节和一个纯滞后环节串联的简化模型来表征，即: 其中 K。为过程的增益， 为过程的纯滞后时间，To 为过程的等效容积滞后时间。在锅炉炉膛的整个温度范围内，对象的增益、容积滞后时间和纯滞后时间都是炉膛温度和负载
18、的非线性函数。K。随锅炉炉膛内温度升高而减小，To 随锅炉炉膛内的温度升高而增大。机理建模和计算机仿真分析以及实验辨识等也证明了这一模型的可行性。控制系统综合实验6第 3 章 基于 Realinfo 的热电厂锅炉系统监控程序设计3.1 主控界面资金桥工程管理器是用来新建工程。对添加到工程管理器的工程做统一的管理。工程管理器的主要功能包括：新建，删除工程。对工程重命名，搜索紫金桥工程，修改工程属性，工程备份、恢复，数据词典的导入和导出，切换到紫金桥开发或运行环境等。在紫金桥软件的安装目录中找到工程管理器，点击“新建工程” ，创建一个新的工程如图 3-1 做事。图 3-1 创建新工程点击新创建的工
19、程打开紫金桥组态软件，点击“文件”下拉菜单中的“新建” ，在弹出的对话框中进行对窗口名字，画布背景色，画布的大小等属性的输入和更改。如图 3-2.控制系统综合实验7图 3-2 创建新画布在新创建的画布上进行画静态图，使用画布工具对管道和其他图形进行绘制。使用紫金桥软件中自带的图形拖拽窗口进行复杂图形的选择，将进行的图形拖拽到画布上，就实现了复杂图形的绘制。如图 3-3 所示。图 3-3 拖拽窗口将图形拖拽到窗口上之后，点选图形之后，在窗口的左下角的属性面板中对于图片的大小，颜色等属性进行编辑，如图 3-4 所示。控制系统综合实验8图 3-4 属性窗口图 3-5 锅炉控制系统静态图控制系统综合实
20、验9图 3-6 锅炉热网工艺静态图对画面进行简单设计，对图中的管道双击后出现图 3-6 窗口界面进行如图设计，对图中需要设计的液位如图 3-7 所示执行。图 3-7 流动属性控制系统综合实验10图 3-8 液位属性点击绿色按钮是画面演示，弹出系统启动画面，等待过后出现 3-9 运行系统选择窗口图，选择不同窗口，会出现如图 3-10,3-11 等分别为选择锅炉控制和锅炉热网工艺流程的动态截图。图 3-9 选择窗口界面控制系统综合实验11图 3-10 锅炉系统运行动态图图 3-11 热网流程动态图3.2 趋势界面在拖拽窗口中找到趋势分析选项点开后，找到历史趋势图形，点击历史趋势图形，并将其拽到画布
21、上，如图 3-12 所示。控制系统综合实验12图3-12 创建历史趋势图 3-13 历史趋势图双击历史趋势图进行对历史趋势图进行设置，设置页面如图3-14所示。控制系统综合实验13图3-14 历史趋势设置分别点击1号笔号、2号笔号对其进行变量的选择，分别将变量选定之后再对曲线的颜色和类型等进行编辑，然后点击保存按钮，将工程运行得到了历史曲线，如图3-15所示。图 3-15 循环水历史趋势图3.3 仪表界面为使画面观察更加直观、明显，将主控界面中的水罐上的液位用仪表显示出来。在画面中选择“选择子图”按钮，在弹出的窗口图 3-17 中在左侧选择仪表，选择所需要的仪表图，脱至主窗口。控制系统综合实验
22、14图 3-16 仪表选择窗口双击所选择的的仪表，弹出“属性”窗口，选择“变量名”右侧的窗口，在“变量选择”中选择数据库中与液位一，液位二同步的数据名称，如图 3-18。图 3-17 液位仪表设计窗口设置好后，运行系统界面，得到如图 3-19 所示的动态图。控制系统综合实验15图 3-18 仪表运行动态图3.4 中心控制系统系统在功能上分为三个级别： 1、过程控制级：此级直接面向生产过程的现场仪表，完成生产过程的数据采集、自动调节控制、顺序控制和批量控制等。其过程输入信息是来自现场的各种传感器和变送器信号，其输出直接驱动执行机构，这一级由 MODCELL 控制单元完成。 2、监控操作级：此级以
23、监控操作为主要任务，它面向现场运行操作人员、系统工程师，提供现场过程的全部信息，并指导现场操作人员的工作，配备各种外部设备，大容量硬盘以及打印机等。 3、集中监控级：此级是监控系统的基本要求。系统将为对正常生产至关重要的测点设置了专用的监视画面，并设置了多媒体化的预警和报警功能，而且能够自动切换到发生报警的画面，等待操作人员的确认处理。控制系统综合实验16第 4 章 结论与体会自然循环炉控制系统是一个比较复杂的控制系统，对于其中的汽包控制，燃烧控制都会受到不止一个方面的因素干扰，而且这些干扰之间互相还有联系。所以要使锅炉系统能够稳定、安全、环保地运行，必须全面考虑各方面的影响和各种影响之间的联
24、系，同时消除或者减弱各个干扰之间的联系以便达到很好的控制效果。在控制过程中还引入串级控制和前馈控制以提高控制系统的性能。 课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的快速发展，过程控制已经成现代工业应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握过程控制系统相关技术的设计与理论知识是十分重要的。 从选题到定稿，从理论到实践，在两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜。虽然辛苦但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书
25、本上所没有学到过的知识。例如一些电路设计软件的学习与应用等等。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，这一点对于我们这些即将走上各自工作岗位的应届毕业生来说是一个很好的前社会实践过程。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但有以前一些相关课程的课程设计经验，面对各种问题，最终还是成功解决了。设计之初在确定设计方案的时候，为了查找资料还专门到图书城去查阅相关火电厂的书籍，并通过互联网络搜寻相关的知识。在设计方案的过程中，发现了自己的
26、不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，最后不得不重新拿起课本自习阅读相关的知识点。总而言之，在这次课程设计中，是自己的能力又有了进一步的提高。控制系统综合实验17参考文献1张文明，刘志军.组态软件控制技术M.北方交通大学出版社，2006.8. 2龚运新，方立有.工业组态软件使用技术M.清华大学出版社，2005. 3刘志峰，张军.工控组态软件实例教程M.电子工业出版社，2008. 4薛迎成，何坚强.工控机及组态控制技术原理与应用M.中国电力出版社， 2007. 5龙志文.工控组态软件M.重庆大学出版社，2005. 6张运刚，宋小春.工控组态技术与应用M.人民邮电出版社，2008.
