1、過程控制工程課程設計任務書設計名稱：工業(yè)鍋爐控制設計設計時間：姓 名：班 級：學號：指導老師:南京工業(yè)大學自動化學院2012年2月1.課程設計內容：學習過程控制工程課程和下廠實習后，在對現(xiàn)場的實際過程控制策略、實習環(huán)節(jié)的 控制系統(tǒng)以及相應的組態(tài)軟件有一定的認識和了解的基礎上，針對實習環(huán)節(jié)的被控對象和控 制裝置，設計一個復雜控制系統(tǒng)（至少包含一個復雜回路和6-7個簡單回路），并利用組態(tài) 軟件進行動態(tài)仿真設計，調節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，使控制系統(tǒng)達到要求的控制效果。1）確定自己的課程設計題目，三人一組；2）用CAD軟件繪制工藝流程圖；3）選用一種組態(tài)軟件（例如：采用力控組態(tài)軟件）繪制系統(tǒng)工藝流程圖，繪制控

2、 制系統(tǒng)原有的控制回路；4）利用下廠收集的實際數(shù)據(jù)和工藝要求，選擇被控對象模型，利用組態(tài)軟件，對 控制系統(tǒng)進行組態(tài)；5）改進原有的控制回路，增加1-2個復雜回路，并進行組態(tài)；6）調節(jié)控制參數(shù)，使性能指標達到要求；7）寫出設計工作小結。對在完成以上設計過程所進行的有關步驟：如設計思想、 指標論證、方案確定、參數(shù)計算、元器件選擇、原理分析等作出說明，并對所完成 的設計作出評價，對自己整個設計工作中經(jīng)驗教訓，總結收獲。2.進度安排（時間3周）第1周第一天： 課程設計安排，分小組，確定課題。第二天；安裝需要用到的Auto CAD，組態(tài)軟件MCGS。任務的分解。第三天：繪制工藝流程CAD圖紙，（完畢）第

3、四天：搜集資料，做對象特性分析第五天：開始著手用MCGS繪工藝流程圖，歷史，實時，報警窗口的組態(tài)第二周 任務一:：理論控制方案的設計，根據(jù)要求有67個簡單回 路，12個復雜回路。周二日志，發(fā)現(xiàn)MCGS組態(tài)還需要MTALAB來搭建運行平臺，而任務二:在控制方案完成的基礎上進行實時數(shù)據(jù)庫庫的建立，第3周(1-3) 動畫連接；設計控制策略(PID的應用)，基于控制回路的；PID參數(shù)整定；調試，試運行。提高部分：為達到更好的控制效果，改進原有的控制回路，增加1-2個復雜回路，并進行組態(tài)；調節(jié)控制參數(shù)，使性能指標達到要求；第3周(4)寫設計工作小結第3周(5)演示、答辯3鍋爐對象特性分析：3.1工業(yè)鍋爐

4、工藝流程描述：本課題所選對象為自然循環(huán)鍋爐，其工藝流程如下圖1-1所示。軟化水流量為F1106，溫度為常溫20C，軟化水經(jīng)由上水泵P1101泵出。鍋爐上水流量為F1101，鍋爐上水管線上設有上水泵出口閥XV1101,上水管線調節(jié)閥 V1101，以及旁路閥HV1101。鍋爐上水被分為兩路。一路進入減溫器E1101預熱，預熱后 與另外一路混合進入省煤器E1102。兩路鍋爐上水管道上分別設有調節(jié)閥V1102和V1103。正常工況時，大部分鍋爐上水直接流向省煤器，少部分鍋爐上水流向減溫器，其流量為F1102。汽包V1102頂部設放空閥XV1104,汽包壓力為P1103。汽包中部設水位檢測點L1102。

5、在汽包中通過汽水分離得到的飽和蒸汽溫度為T1102,經(jīng)過爐膛汽相升溫得到的過熱蒸汽溫度為T1103。過熱蒸汽進入減溫器E1101，進行溫度的微調。最終過熱蒸汽壓力為P1104，溫度為T1104，流量為F1105。過熱蒸汽出口管道上設調節(jié)閥V1105。燃料經(jīng)由燃料泵P1102泵入爐膛F1101的燃燒器，燃料流量為F1103，燃料壓力為P1101，燃料流量管線設調節(jié)閥V1104,燃料泵出口閥XV1102?？諝饨?jīng)由變頻風機K1101送入燃燒器，變頻器頻率為S1101 （被歸一化到0100%之間），空氣量為F1104。省煤器煙氣出口處的煙氣流量為F1107，溫度為T1105。煙氣含氧量A1101設有在

6、線分析檢測儀表。煙道內設有擋板DO1101。爐膛壓力為P1102，爐膛中心火焰溫度為T1101，為紅外非接觸式測量，僅提供大致溫度的參考。3.2工業(yè)鍋爐裝置特性描述：鍋爐作為重要的動力設備，其控制的基本要求是供給蒸發(fā)量適應符合的需要。為此，生 產(chǎn)過程的各個主要參數(shù)必須嚴格控制。鍋爐設備也是一個復雜的控制對象，主要輸入變量是 負荷、鍋爐給水、燃料量、送風和引風等。主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽 溫度、爐膛負壓、過剩空氣（煙氣含氧量）等。所以說鍋爐是一個復雜的調節(jié)對象，有許多 個調節(jié)參數(shù)和被調節(jié)參數(shù)，還存在著錯雜的擾動參數(shù)。3.3鍋爐汽包水位對象特性分析維持水位在一定的范圍內是保證鍋爐

7、安全運行的首要條件。因為水位過高會影響汽包內 的水汽分離，產(chǎn)生蒸汽滯液現(xiàn)象，會使過熱器管壁結垢導致?lián)p壞，同時，也會使過熱蒸汽溫 度急劇下降。水位過低，則由于汽包的水量較少，當負荷增大時，水的汽化速度加快，若不 及時調節(jié)，就會使汽包內的水全部汽化，導致水冷壁燒壞，甚至引起爆炸。對鍋爐汽包水位 調節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動的主要因素有蒸發(fā)量D、燃料量M、給水量W等。汽 包 水 位 控 制 系 統(tǒng) 的 任 務圖4蒸汽量擾動下的水位反應曲線是使給水量適應鍋爐蒸發(fā)量的需要，以維持汽包水位在允許的范圍內，同時保持給水量 的穩(wěn)定，盡量減少波動。以下將從蒸發(fā)量、燃料量以及給水量三個因素擾動下汽包水位的動態(tài)特性。蒸汽量D擾

8、動作用下水位動態(tài)特性當給水量不變，蒸發(fā)量突然增加：時，如果只從物質平衡角度來看，則反映曲線如 上圖4中的H1(t)所示，但由于蒸發(fā)量增加時，汽包容積的增加，水位的反應曲線如H2(t) 所示。H2(t)和H1(t)相結合，實際水位階躍反應曲線如H(t)所示。從上圖可以看出，當蒸汽 負荷增加時，雖然鍋爐的給水量少于蒸發(fā)量，但在一開始，水位不僅不下降反而迅速上升， 然后再下降。如果蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升，這種現(xiàn)象稱之為“虛假 水位”。當負荷變化時，我們可以看到水位下汽包變化引起水位的變化速度是很快的。圖中 的H2的時間常數(shù)只有1020s當蒸汽量D擾動時，水位變化的動態(tài)特性可以用以

9、下傳遞函 數(shù)表示：H(s) = HCs) + HCs) =_ 匕 + k2 D(s) D(s)D(s) s Ts + 1式中k響應速度，即蒸汽流量變化單位流量時，水位變化的速度，mm/s或者t/h；k2-響應曲線H2的放大系數(shù)；T -響應曲線H2的時間常數(shù)。 2“虛假水位”變化的幅度與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關。例如，一般100200t/h的 中高壓鍋爐，當負荷變化10%時，“虛假水位”可以達到3040mm?！疤摷偎弧爆F(xiàn)象屬于 反向特性，這給控制帶來一定困難，在設計控制方案時，必須加以注意。燃料量M擾動作用下水位的動態(tài)特性圖5燃料量擾動下的水位反應曲線燃料量增加 M心增發(fā)量大于給水量，水位應

10、該下降。但開始時由于有虛假水位存在，水位先上升，然后再下降，如上圖5所示。給水量W變化時的水位對象的動態(tài)特性圖6給水量擾動下的水位反應曲線在開始階段，由于剛進入的給水水溫較低，使汽水混合物中的汽包吞吐量減小。水位下降，如上圖6中的H1(t)所示，而H2(t)反應了物質不平衡引起的水位變化，H1(t)和H2(t)相 加得到了總的給水量變化的階躍反應曲線H(t),即當給水量作階躍變化后，汽包水位一開始 不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)描述，它近似于一個積分環(huán)節(jié)和時滯 環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可以用如下的傳遞函數(shù)表示：式中k0-響應速度，即給水流量變化單位流量時，水位的變化速度，mm/s或者t/

11、h； t -時滯。給水溫度低，時滯就越大。對于非沸騰式的省煤器的鍋爐，t =30100s，對于沸騰式 省煤器鍋爐，t =100200s。3.4蒸汽壓力的對象特性分析蒸汽壓力是反映蒸汽供需關系平衡與否的重要指標，也是表征蒸汽的重要參數(shù)。汽壓偏 高，會加速金屬材料的蠕變;汽壓偏低，說明供需關系不平衡，設備消耗的蒸汽量大于現(xiàn)有 的產(chǎn)汽量，難以維持長期穩(wěn)定的運行。因此，維持壓力穩(wěn)定是安全生產(chǎn)和維持運行的需要。 而引起蒸汽壓力變化的主要原因是燃料量和用氣負荷發(fā)生變化。燃料量擾動下蒸汽壓力變化的特性圖7用汽負荷不變時的汽壓飛升曲線圖8用汽閥門開度不變時的汽壓飛升曲線在鍋爐燃料量B階躍擾動下，用氣負荷不變，

12、此時出口蒸汽壓力的曲線如上圖7所示。 此時對象沒有自平衡能力，具有較大的遲滯和慣性。但如果鍋爐出口的蒸汽閥門開度不變， 那么由于汽壓因燃料擾動而發(fā)生變化時，蒸汽流量也將發(fā)生變化。由于汽壓變化時，自發(fā)改 造限制汽壓的變化，因此對象有自平衡能力，此時汽壓的飛升曲線如上圖8所示。蒸汽負荷擾動下汽壓變化的動態(tài)特性負荷階躍擾動下，汽壓變化的動態(tài)特性也有兩種下列情況。當用蒸汽閥門階躍擾動時， 對象表現(xiàn)出具有自平衡能力，沒有遲延，但有較大的慣性，并有一個與閥門變化成比例的起 始階躍。飛升曲線如下圖9所示。當蒸汽量階躍擾動時，其飛升曲線如下圖10所示，此時 對象沒有自平衡能力。如果不及時調節(jié)進入鍋爐的燃料量，

13、那么汽壓將一直往下降。蒸汽壓力階躍響應圖9用汽閥階躍擾動時的汽壓飛升曲線圖10蒸汽量階躍擾動時的汽壓飛升曲線3.5送風設備的特性分析：送風調節(jié)系統(tǒng)工作的好壞，直接影響爐膛的空氣過剩系數(shù)的變化。引起空氣過剩系數(shù)變 化的主要擾動是燃料量和送風量。風量擾動下對象的動態(tài)特性具有較大的自平衡能力，幾乎 沒有遲延和慣性，近似為一比例環(huán)節(jié)。而燃料量擾動時，需經(jīng)過輸送和燃燒過程而略有延遲。 由于送風系統(tǒng)幾乎沒有延遲和慣性。所以在燃料充足的情況下送風量的大小將比較直接的反 應在鍋爐的蒸汽壓力上。那么怎樣才能保證送風量和燃料量的搭配適宜，這里我們引入了風 煤比這個概念。風煤比就是在當前風量下所能燃燒的煤的最大值。

14、在控制作用中風煤比主要 是根據(jù)當前風量來限制爐排的轉速，防止由于風量不夠導致煤不能充分燃燒。該參數(shù)對節(jié)煤 和環(huán)保都有很大意義。因為如果不能充分燃燒將會導致煤渣的含炭量增高，這樣比較浪費煤， 同時還會造成煙氣含炭量增高影響排放。3.6過熱蒸汽溫度的對象特性影響：過熱蒸汽溫度變化的擾動因素很多，如蒸汽負荷、爐膛熱負荷、煙氣溫度、火焰中心位 置、爐膛負壓、送風量、減溫水量以及蒸汽母管壓力等。但歸納起來有三大類：進入過熱器 的蒸汽熱量變化、煙氣傳熱量變化和蒸汽流量變化。蒸汽溫度在減溫水量擾動下的動態(tài)特性圖11減溫水量階躍擾動下蒸汽溫度的飛升曲線減溫水量擾動時，其擾動地點（過熱器的入口，即減溫器的安裝位

15、置）與測量蒸汽溫度 的地點（過熱器出口）之間有著較大的距離，此時，過熱器是一個純滯后對象。延遲的時間 t大約為3070s，時間常數(shù)為100130s。煙氣傳熱量擾動下蒸汽溫度的對象特性圖12煙氣傳熱量階躍擾動下蒸汽溫度的飛升曲線煙氣傳熱量擾動，包括煙氣溫度和煙氣流速的擾動。在這種擾動下，煙氣與蒸汽之間的 熱交換條件發(fā)生了變化，過熱氣溫的變化沿著整個過熱器管壁同時發(fā)生的，所以它的延遲時 間t較小，大約為1020s。當燃料或空氣量發(fā)生擾動時，過熱器出口蒸汽溫度如上圖12所 示。蒸汽流量擾動下蒸汽的溫度對象的動態(tài)特性蒸汽流量擾動時，過熱器出口蒸汽溫度變化的動態(tài)特性和煙氣傳熱量擾動下動態(tài)特性是 相似的具

16、有較小的滯后，較小的時間常數(shù)。4工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)方案設計控制回路說明：在該控制系統(tǒng)中我設計了 3個回路，1個簡單回路，2個復雜控制回路（串級，比值）。汽包液位和軟化水流量組成的串級控制系統(tǒng)控制汽包的液位，由系統(tǒng)設定一個液位通過 一個PID控制將輸出值做為下一級流量PID控制器的設定值。該系統(tǒng)可以在內環(huán)克服來自 軟化水流量的擾動，而達到穩(wěn)定在設定液位的作用。我設計了一個單回路來控制過熱蒸汽的溫度，通過控制流過減溫器的軟化水流量來控制 過熱蒸汽的溫度。我還設計了比值控制來控制進入鍋爐的空氣流量，空氣的流量會根據(jù)燃油的流量成比例 變化，從而實現(xiàn)鍋爐的完全燃燒。5力控軟件介紹以及在本次課程設計中的相關

17、應用：新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng) 的封閉式系統(tǒng)，它們具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等鮮明優(yōu)點。 通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結構。組態(tài)軟件指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的 軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式（而不是編程方式）提供良好的用戶開發(fā)界 面和簡捷的使用方法，其預設置的各種軟件模塊可以非常容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功 能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和I/O設備，與高可靠的工控計算機和網(wǎng)絡系統(tǒng)結 合，可向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，

18、進行系統(tǒng)集成。力控是運行在Windows98/NT/2000/XP操作系統(tǒng)上的一種組態(tài)軟件。使用力控，用戶可以 方便、快速地構造不同需求的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。 力控的應用范圍廣泛，可用于開發(fā)石油、化工、半導體、汽車、電力、機械、冶金、交通、 樓宇自動化、食品、醫(yī)藥、環(huán)保等多個行業(yè)和領域的工業(yè)自動化、過程控制、管理監(jiān)測、工 業(yè)現(xiàn)場監(jiān)視、遠程監(jiān)視/遠程診斷、企業(yè)管理/資源計劃等系統(tǒng)。力控軟件由以下幾個主要部分組成：工程管理器開發(fā)系統(tǒng)(Draw)界面運行系統(tǒng)(View)實時數(shù)據(jù)庫(DB)I/O驅動程序網(wǎng)絡通信程序(NetClient/NetServer)串行通信程序(SCOMClient/SCOMS

19、erver)撥號通信程序(TelClient/TelServer)Web服務器程序(Web Server)控制策略生成器(StrategyBuilder)基本步驟：創(chuàng)建第一個應用程序通過對力控軟件的學習，熟悉了基本的軟件操作創(chuàng)建了一個工程命名為鍋爐。創(chuàng)建窗口創(chuàng)建圖形對象如下：創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫NAME點名DE SC說明%IOUNK 叫。連接%HIS歷史仲1LEVEL1汽包液位PV=PLCFST:地址:1培量寄蘆器最小最大:100000000每個周期增加量：1PV=6Cs2LVL.SET汽包位gP=PLCF8T:地址:。常量寄存器最小:。最大:100SP=&Os3TIC1103PV=PLCFST:地

20、址:2正弦波寄存器最?。?最大：100每個周期角就加星：1PV=60s4TIC11O3_SE7SP=PLCFST:地址:9常星寄有器杲小:。最大:100SP=&Os5H1103SP=PLCFST:地址:15常量寄存器最小心最大:500PV=60s6RC11O4PV=PLCFST:地址:6暗量寄存器杲小:0最大:500每個周期增址星：1PV=60s7RC1101PV=PLCFST:地址:7堵量寄雨最小:0最大周期增址量:1PV=60s8K比值SP=PLCFg地址了常量寄存器最小心最大100gRUN至毓啟停PV=PLCFST:曜:。制最小心100100110PIDOPVSTAT=PLCFST:地址

21、:9正茹寄存器最小:0最大:100每個周期角度博加量1|SP=PLCFST:地卻11PID112PID2PV=PLCFST:地址:13正弦波寄存器杲小心最大:100每個周期角度增加量:113PID3PV=PLCFST:地址:14正弦波寄存器杲小心最大:100每冷周期角度增加量:1TRANS。15TRANS0216TRANS0317TRANS0418根據(jù)具體的控制要求，在圖中選擇了相應的控制回路，并根據(jù)控制要求設置了相關的控 制點，如下圖：動畫連接（手冊中有道）根據(jù)相關模擬量設置相關的動態(tài)效果圖，使控制系統(tǒng)具有友好的人機界面。設計控制策略（力控擴展組件有道）根據(jù)系統(tǒng)中控制回路的特性選擇相應的控制

22、器和控制點，用線將其連接起來并編譯檢查錯誤，如無錯誤可運行。控制策略如圖:汽包液位串級控制:TRANS01INPVTE 皿，|I 0. 000TRANS04FIC11O1.PV0.000INPV1TRANS |過熱蒸汽溫度單回路控制:燃油與空氣的比值控制:參數(shù)整定，F(xiàn)ID1OPPV PIDiiTOANSOl INPVTF2NSTRANSOMINPVTRANSFIC11S運行根據(jù)理論和經(jīng)驗對PID參數(shù)進行整定達到良好的控制效果，做到抗擾動能力強，反映速度快，魯棒性好運行畫面如如下:實時趨勢及歷史趨勢:49. 1950. 0030.0030. 0040.0020.00暗紅色曲線代表汽包設定液位，暗

23、綠色曲線代表過熱蒸汽的設定溫度，綠色曲線代表過熱蒸汽的實際溫度。暗藍色曲線代表燃油流量，藍色曲線代表空氣流量?？偯伯嬅?總貌畫面區(qū)域口LEVEL . U00LVL_EET汽包設定藏叵80.000TIC1103過熱蒸汽溫度49.447TIC11O3_SE5熱蒸汽設定溫度100.000FT1103燃油流里50.000FIC1104空氣流里21.984FIC11LI1軟化水流里0. 000K比值0. 000RUN系統(tǒng)啟停1Fino0. 000FILll0. 000PID245.140FID33. 495報警畫面:低報0.000低級沒確認儡報9.056儡級恢復2012/03/09 11:23:15.2 LEVEL汽包液位2012/03/09 11:20:41.2 TIC1103過熱蒸汽溫度課程設計小結(組態(tài)