串級過熱汽溫控制系統(tǒng)

1、課程設(shè)計報告（2014-2015年度第二學期）名稱：控制裝置與儀表A（DCS部分）課程設(shè)計題目：過熱汽溫控制系統(tǒng)組態(tài)院系：自動化系班級：測控1201班學號：201202030102學生姓名：蔡文斌指導教師：翟永杰設(shè)計周數(shù)：二1成績：日期：2015年7月15日報告書一、課程設(shè)計的目的與要求1.1 設(shè)計目的1. 了解DCS應用過程中的主要工作內(nèi)容及應該注意的問題，并能根據(jù)應用目的，進行分散控制系統(tǒng)的設(shè)計組態(tài)、調(diào)試操作等工作。2 .以LN2000分散控制系統(tǒng)為平臺，完成過熱汽溫控制系統(tǒng)的組態(tài)。3 .進彳TDCS的調(diào)試工作。1.2主要內(nèi)容本設(shè)計分為組態(tài)設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試兩個部分。1.2.1 組態(tài)設(shè)計（一）

2、系統(tǒng)配置組態(tài)主要是指DCS中工程師站、操作員站、控制站的主機系統(tǒng)配置信息及外設(shè)類型，I/O-卡件信息，電源布置，控制柜內(nèi)安裝接線等。此部分內(nèi)容作為了解內(nèi)容，不進行具體組態(tài)。（二）實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)數(shù)據(jù)庫組態(tài)是系統(tǒng)組態(tài)中應盡早完成的工作，因為只有有了數(shù)據(jù)庫，其他的組態(tài)工作（控制回路組態(tài)、畫面組態(tài)等）才可以調(diào)試。數(shù)據(jù)庫組態(tài)一般通過專用軟件進行，數(shù)據(jù)錄入時一定要認真仔細，數(shù)據(jù)庫中一個小的錯誤就會給運行帶來極大的麻煩，如造成顯示錯誤、操作不當甚至死機故障。（三）控制算法組態(tài)控制算法組態(tài)指的是將系統(tǒng)設(shè)計時規(guī)定的模擬量控制、開關(guān)量控制等功能用DCS!法予以實現(xiàn)。本設(shè)計以主汽溫度串級控制策略為對象，并且模擬控制

3、對象，構(gòu)成閉環(huán)回路，完成這些控制算法的組態(tài)工作。（四）操作員站顯示畫面組態(tài)運行人員主要通過操作員站畫面來觀察生產(chǎn)過程運行情況，并通過畫面提供的軟操作器來干預生產(chǎn)過程，因此畫面設(shè)計是否合理、操作是否方便都會對運行產(chǎn)生重要影響。本設(shè)計要求設(shè)計關(guān)于主汽溫控制的簡單流程圖畫面、趨勢畫面、參數(shù)顯示畫面、操作畫面，并把有關(guān)的動態(tài)點同控制算法連接起來。（五）報警顯示在數(shù)據(jù)庫中進行溫度報警值設(shè)置，在運行界面中顯示報警窗口。3本設(shè)計要求能夠模擬實現(xiàn)超溫報警。（六）趨勢組態(tài)顯示需要觀察的數(shù)據(jù)點趨勢圖。1.2.2 系統(tǒng)調(diào)試設(shè)計要求進行動態(tài)調(diào)試。由于生產(chǎn)過程已經(jīng)處于運行實際工作中的動態(tài)調(diào)試是指系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場相連時的調(diào)

4、試?；蛟囘\行階段，此時應以觀察為主，當涉及到必需的系統(tǒng)修改時，應做好充分的準備及安全措施，以免影響正常生產(chǎn)，更不允許造成系統(tǒng)或設(shè)備故障。動態(tài)調(diào)試一般包括以下內(nèi)容:1)觀察過程參數(shù)顯示是否正常、執(zhí)行機構(gòu)操作是否正常;92)3)對控制回路進行在線整定;檢查控制系統(tǒng)邏輯是否正確，并在適當時候投入自動運行;4)主調(diào)節(jié)pi"1恢復到%則一W的變化，直到當系統(tǒng)存在較大問題時，如需進行控制結(jié)構(gòu)修改、增加測點等，應盡量在停機狀態(tài)卜重新組態(tài)下裝。若條件不允許，也可進行在線組態(tài)，但要熟悉在線組態(tài)的各個環(huán)節(jié)并做好應急措施。1.2 串級過熱汽溫控制系統(tǒng)的組成及特點圖1所示的串級汽溫控制系統(tǒng)，只要導前汽溫力發(fā)

5、生變化，副調(diào)節(jié)器p就去改變減溫水流量玲，初步維持后級過熱器入口汽溫82在一定范圍內(nèi)，起粗調(diào)作用。而過熱器出口汽溫R的控制，則是通過主調(diào)節(jié)器pi來校正副調(diào)節(jié)器工作，只要a未達到給定值,的輸出信號就不斷遞變化，使副調(diào)節(jié)器不斷去控制減溫水噴水量給定值為止。穩(wěn)態(tài)時，導前汽溫今可能穩(wěn)定在與原來數(shù)值不同的數(shù)值上，而主汽溫在串級汽溫控制系統(tǒng)中，由于兩個回路的任務及動態(tài)特性不同，可以選用不同的調(diào)節(jié)器。副回路及副調(diào)節(jié)器的任務是快速消除內(nèi)擾，要求控制過程的持續(xù)時間較短，但不要求無差，故一般可選用純比例調(diào)節(jié)器。當?shù)角捌麥貞T性較大時，也可選用比例微分調(diào)節(jié)器。主回路及主調(diào)節(jié)器的任務是維持由恒定，一般選用比例積分調(diào)節(jié)器。

6、當過熱器惰性區(qū)較大時，也可選用比例、積分、微分調(diào)節(jié)器。1.3 串級汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計鍋爐過熱汽溫控制采用串級汽溫控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)方框圖如圖2。已知系統(tǒng)中被控對象的傳遞函數(shù)為：被控對象導前區(qū)：W2(s)=也=一081(C/%):W(115s)：二1125被控對象惰性區(qū)：W1(s)=-=.可(/)*2(120s)3圖2串級汽溫控制系統(tǒng)構(gòu)成二、課程設(shè)計內(nèi)容2.1 用級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)的比較2.1.1 用級控制系統(tǒng)（一）串級控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)圖串級控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)圖如圖3所示。HP妥素統(tǒng)數(shù)據(jù)庫文樣的揖言舊站的配置摸圾配置網(wǎng)）37據(jù)聲配題a互看M蝴牛切嗓向超的制。自1茁暗K陷n屏*RraDPU

7、_20|1s1后名I說明I播炭號單位當?shù)闹礟V1*唐汽溫度工QOP在物器噴出0PS七0PT上汽出匚起度0SPDO設(shè)出g狂雷!黑狀態(tài)t01圖3串級汽溫控制系統(tǒng)構(gòu)成（二）串級控制系統(tǒng)控制邏輯組態(tài)圖串級控制邏輯SAM闔如圖4和圖5所示。IPVISP了依Te5PHDKTIg一二H57魚1-B521664,必1-14圖4第一頁SAM福圖5第二頁SAM福（三）串級控制系統(tǒng)流程界面組態(tài)圖串級控制系統(tǒng)流程界面圖組態(tài)如圖6所示。Bfll一用福油器反樂掛司閥FV1 PV2 SP 0P圖6串級控制系統(tǒng)流程界面圖組態(tài)圖甘溫 FVI號前海PV2設(shè)定值 SP校制器黜DP(四)串級控制系統(tǒng)操作窗口組態(tài)圖串級控制系統(tǒng)操作窗口

8、組態(tài)圖如圖7所示。嗨 辛«005圖形 =1亙1|EJ3文件的帝輯排列(A) 工具EP三圜庠fL 數(shù)靠寫16 后口 (W) 整助(H)今日醞ZI叵E圖7串級控制系統(tǒng)操作窗口組態(tài)圖手動aac王汽溫PV1導前汽溫PV2設(shè)定值SP1控制器輸出OP(五)串級控制系統(tǒng)趨勢圖串級控制系統(tǒng)在給定值擾動下的趨勢圖如圖8所示VP低;導郭溫莊600.00600.00550.00100.00o,-oo.44O.ro450.00450.0CMinsV酬：也£蓄慚出圖11單回路控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)圖11圖8串級控制系統(tǒng)在給定值擾動下的趨勢圖串級控制系統(tǒng)在外擾下的趨勢圖如圖9所示。0 Mins6口也M60

9、0. 00550. QO too. 000.00440. 00450.00450. 04)4S:U 期二設(shè)定值PVL主索汽溫度P*'2：導m溫度0P二控制器輸出ftrr圖9串級控制系統(tǒng)在外擾下的趨勢圖2.1.2 單回路控制系統(tǒng)（一）單回路控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)圖單回路控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)圖如圖11所示。真件氐才喘口百貨工用瀾霄111苞長隹普工1中#皿珈和看胤朝屋如白卜時¥偏施TW斯號引oDooITrEr-陽21礴%出fii（二）單回路控制系統(tǒng)控制邏輯組態(tài)圖單回路控制系統(tǒng)控制邏輯組態(tài)圖如圖12和圖13所示。PT1上極辿器液汽出口溫度圖12第一頁SAMA®部44邑一d1700

10、脛制雷優(yōu)毒SP1設(shè)定值圖13第二頁SAMAa18（三）單回路控制系統(tǒng)流程界面組態(tài)圖單回路控制系統(tǒng)流程界面組態(tài)圖如圖14所示。剛DTnQM 腫0mspiFTAK06M-C05圖14單回路控制系統(tǒng)流程界面組態(tài)圖（四）單回路控制系統(tǒng)操作窗口組態(tài)圖單回路控制系統(tǒng)操作窗口組態(tài)圖如圖15所示。圖15單回路控制系統(tǒng)操作窗口組態(tài)圖（五）單回路控制系統(tǒng)趨勢圖單回路控制系統(tǒng)在給定值擾動下趨勢圖如圖16。GOC.OO600.00200.0043:0SP1:設(shè)定值P主熱汽昌度0P1:控制黠輸出36:024:012:00.00450.00450.006D:QB539.33X0Kins圖16單回路控制系統(tǒng)在給定值擾動下趨

11、勢圖單回路控制系統(tǒng)在外擾下趨勢圖如圖17。 MO. 00eoo oo m on36:0 0.00 450,00 450.0043:0sn：設(shè)定值PV:主蒸汽居度OP1:控制叁輸出圖17單回路控制系統(tǒng)在外擾下趨勢圖三、課程設(shè)計分析和總結(jié)3.1課程設(shè)計分析（一）串級控制系統(tǒng)中無擾切換的實現(xiàn)在監(jiān)視與操作過程中，當系統(tǒng)處于手動穩(wěn)態(tài)時，控制器有一定的輸出，若這時切自動，輸出會突然變成零，其原因在于PID控制器沒有進行組態(tài)跟蹤，在SAM闔中進行組態(tài)跟蹤。如圖21,可實現(xiàn)無擾切換。37i-ia29C©控制器輸出OP1小31：槍控審屠狀態(tài)DOM5341145spM6圖21實現(xiàn)無擾切換的兩路跟蹤示意圖

12、(1)手動投自動時無擾動的實現(xiàn)：調(diào)節(jié)系統(tǒng)手動時，副調(diào)節(jié)器輸出自動跟蹤M/A站手動輸出，主調(diào)節(jié)器輸出自動跟蹤導前氣溫溫度信號。將M/A站的輸出反饋到副調(diào)節(jié)器PID2的跟蹤端，因串級系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器PID2在不斷工作，只有使其輸出為零，才能實現(xiàn)無擾，因此還需使副調(diào)節(jié)器PID2的PV反饋到主調(diào)節(jié)器PID1的TR端。這樣，手動時，副調(diào)節(jié)器PID2模塊因跟蹤PV2,其輸出增量為零，使得PID2的輸出值等于M/A站的輸出值，從而使切換瞬間無擾動。(2)自動切手動無擾動的實現(xiàn)：自動切向手動的瞬間輸出值等于切換前的自動輸出值，故切換瞬間不產(chǎn)生擾動。在這之后，調(diào)節(jié)器的輸出是在原來的基礎(chǔ)上加增量，也不會發(fā)生突變，因此

13、達到了無擾動切換的目的。|(二)主副調(diào)節(jié)器正反作用的確定(1)判斷主調(diào)節(jié)器PID1作用導前汽溫溫度的升高會導致主氣溫溫度的升高，從而使主調(diào)節(jié)器的PV值升高，此時應調(diào)節(jié)閥門開度增大，即增大M/A模塊的Y值，而副PID調(diào)節(jié)器的輸出AO值和PV值都會增大，故SP應減小，故主調(diào)節(jié)器應為反作用。(2)判斷副調(diào)節(jié)器PID2作用當導前汽溫溫度升高時，需要調(diào)節(jié)閥門開度增大，即增大M/A模塊的Y值，故副PID調(diào)節(jié)器的輸出AO值應增大，又因為導前汽溫溫度的升高會使副PID調(diào)節(jié)器的PV值增大，故副調(diào)節(jié)器應為正作用。（三）PID參數(shù)整定的步驟及方法根據(jù)經(jīng)驗值預設(shè)置PID參數(shù)，再進行調(diào)試調(diào)整。先令SP為540攝氏度，閥

14、門開度為50%手動調(diào)節(jié)至平衡，即使主汽溫值為540攝氏度為止，然后調(diào)自動，將SP改為550攝氏度，觀察主氣溫值的變化，看是否可變?yōu)?50攝氏度，若不能，則調(diào)節(jié)兩個PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直至在550攝氏度時穩(wěn)定為止，之后再改變一下SP值，若主氣溫值能隨其改變，則說明參數(shù)已調(diào)好。方法：提出一種穩(wěn)定域約束的串級PID控制器的參數(shù)優(yōu)化方法，首先要得到串級PID控制器參數(shù)的穩(wěn)定域約束條件然后利用遺傳尋優(yōu)算法獲得ITAE性能指標最優(yōu)的串級PID控制器參數(shù)。而我在實驗中用的是拼湊法和經(jīng)驗法，通過觀察趨勢曲線來調(diào)節(jié)兩個PID的參數(shù)，通過反復改動使得參數(shù)合適。（四）設(shè)定值擾動及外擾情況下系統(tǒng)的響應及分析當設(shè)定值擾

15、動使得設(shè)定值增大或者減小時，主副調(diào)節(jié)器作用，使得閥門開度減小或者增大，主汽溫輸出值增大或者減小，最終主汽溫輸出值等于設(shè)定值。當外部擾動使得主汽溫輸出值增大時，使得PID調(diào)節(jié)器變化，主調(diào)節(jié)器反作用，副調(diào)節(jié)器正作用，使得閥門開度增大，從而調(diào)節(jié)主汽溫輸出值降低，達到設(shè)定值。反之，當外部擾動使得主汽溫輸出值減小時，調(diào)節(jié)器作用，使得閥門開度減小，從而調(diào)節(jié)主汽溫輸出值升高，達到設(shè)定值。（五）單回路控制與串級控制的對比分析在選用串級控制的時候，當出現(xiàn)定值擾動及外部擾動時，主汽溫仍能快速的跟蹤。當去掉一個PID模塊，即去掉副調(diào)節(jié)器構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)時，需要把PID模塊的動作方向改為正作用。類似串級控制的調(diào)試方法，但是在手動投到自動時，控制器輸出直接跳變到100,主汽溫無法跟蹤設(shè)定值。3.2課程設(shè)計總結(jié)經(jīng)過4天的DCSFB分的課程設(shè)計，我成功的完成了完成過熱汽溫控制系統(tǒng)的組態(tài)并進行DCS的調(diào)試工作，同時對電廠的DCS的有了一個初步的認識。通過本次課程設(shè)計，加深了對分散控制系統(tǒng)的