041基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态汽包水位控制.docx
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041基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态汽包水位控制
内蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书(毕业论文)
题目:
基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态
---汽包水位控制系统
学生姓名:
邱玲
学号:
200440503245
专业:
测控技术与仪器
班级:
测控04-2班
指导教师:
左鸿飞
基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态
--汽包水位控制系统
摘要:
电力资源在国民经济中是一项不可或缺的能源,在热电厂的生产过程中,最基本的工艺过程是用锅炉生产蒸汽,使汽轮机运转,进而带动发电机发电。
而锅炉在发电等工业生产过程中是必不可少的重要的动力设备,因此,锅炉生产过程中的各个主要参数必须严格控制。
本设计结合锅炉的生产工艺要求,针对锅炉汽包水位的动态特性,具体分析了单冲量、双冲量、三冲量锅炉汽包水位控制系统,并对其性能特点进行深入的分析和比较,最终选择了三冲量。
本设计的主要工作包括:
对象特性分析、系统方案分析比较和选择、硬件组成、软件控制方案以及控制组态等。
关键词:
汽包水位;三冲量;集散控制系统;MCGS组态软
theboilercontrolsystemconfigurationofthehot
powerplantbasedonMCGS
--drumwaterlevelcontrolsystem
Abstract
Thepowerresourceisonekindofnecessaryenergyinthenationaleconomy,andthemostbasiccraftprocessisthatusingtheboilertoproducesteamandletthevaportoturn,thendrivingthegeneratortogenerateelectricity.whiletheboileristheessentialmotiveequipmentintheproductionprocessessuchasgenerateelectricityprocess.So,eachparameterintheboilerproductionprocessmustbestrictlycontroled.
Connectingwiththecraftrequirementoftheboiler,thedesignanalyzestheone-variable、two-varisble、three-ariableboilerdrumwaterlevelcontrolsystemspecificlyaimsatthedynamiccharacteristicoftheboilerdrumwaterlevel,andfurtherlyanalyzetheirfunctionandcharacteristics,choosingthethree-ariablecontrolsystemintheend.Themainworkofthisdesignincludes:
teobjectcharacteristicanalysis、analyzecompareandchoosethesystemscheme、thehardwareconstitute、thesoftwarecontrolschemeandcontrolconfigurationetc.
keywords:
drumwaterlevel;three-ariable;totaldistributedcontrolsystem;MCGSconfiguration
一.1热力发电厂生产流程[2]
热力发电是利用煤、石油、天然气等固体、液体、气体燃料燃烧时产生的热能,通过发电动力装置(包括电厂锅炉、汽轮机和发电机及其辅助装置)转换成电能的一种发电方式。
在所有发电方式中,热力发电是历史最久的,也是最重要的一种。
发电厂是把各种动力能源的能量转变成电能的工厂。
根据所利用的能源形式可分为热力发电、水利发电、核电、地热发电、风力发电等。
生产工艺示意图如图1.1所示。
图1.1热力发电厂的工艺示意图
热力发电厂简称热电厂,是利用煤、石油、天然气等燃料的化学能产生出电能的工厂。
按其功用可分为两类,即凝汽式电厂和热电厂。
前者仅向用户供应电能,而热电厂除供给用户电量外,还向热用户供应蒸汽和热水,即所谓的“热电联合生产”。
火电厂的容量大小各异,具体形式也不尽相同,但就其生产过程来说却是相似的。
热力发电厂生产过程虽然较为繁杂,但从能量转换的角度看却很简单,即燃料的化学能→蒸汽的热势能→机械能→电能。
火电厂的主要系统有燃烧系统、汽水系统、电气系统等。
除了上述的主要系统外,火电厂还有其它一些辅助生产系统,如燃煤的输送系统、水的化学处理系统、灰浆的排放系统等。
这些系统与主系统协调工作,它们相互配合完成电能的生产任务。
下面具体介绍燃烧系统,汽水系统。
一.2锅炉设备的工艺和分类[2]
热力发电厂的三大主机是锅炉、汽轮机、发电机。
锅炉用燃料燃烧放出的热能将水加热成具有一定压力和温度的蒸汽,然后蒸汽沿管道进入汽轮机膨胀做功,带动发电机一起高速旋转,从而发电。
整个过程中存在三种能量转换过程,在锅炉中燃料的化学能转换成热能,在汽轮机将热能转换成机械能,在大电机中将机械能转换成电能。
锅炉是发电厂最重要的能量转换设备之一。
锅炉是一种将煤炭、木材、甘蔗渣、石油、可燃气体等能源所储存的化学能以及工业生产中的余热或其他热源,转化为一定温度和压力的水或蒸汽的换热设备。
锅炉广泛应用于现代社会国民经济的各个领域,我国现阶段70%以上的电能是利用蒸汽推动汽轮机发电机组发电而获得的。
工农业生产工艺过程中也都离不开蒸汽,供热通风,空气调节工程以及生活热水供应所需要的热能也都是来自于高温热水或蒸汽。
第二章锅炉汽包水位控制系统
锅炉汽包水位控制系统是确保锅炉安全稳定运行的重要环节。
汽包水位过低,由于锅炉的蒸汽量大,汽包容积相对较小,水的汽化速度很快,如果控制不及时,不能给汽包及时补水,汽包内的水很快就会蒸发光而导致干锅,严重时会引起锅炉爆炸。
对于大型锅炉,这种危险尤为突出。
汽包水位过高,会影响汽包内汽水分离,使蒸汽带液,这会使过热器结垢导致损坏,同时也会使过热蒸汽温度急剧下降,损坏汽轮机的叶片,影响汽轮机的安全进行,因此汽包的水位必须加以严格的控制。
2.1锅炉汽包水位的动态特性[4]
汽包水位是汽包中的贮水量和水面下的汽泡容积所决定的,因此凡是引起汽包中贮水量变化和水面下的汽包容积变化的各种因素都是给水控制对象的扰动。
其中主要的扰动有:
给水流量W、锅炉蒸汽流量D、汽包压力Pb、燃烧工况等。
给水控制对象的动态特性是指上述水位变化的各种扰动与汽包水位的动态关系。
1给水流量扰动下水位的动态特性
给水流量扰动下的水位阶跃反应曲线如图2.1所示。
在给水流量突然增加的瞬间,锅炉的蒸发量还未改变,给水流量大于蒸发量,但水位一开始并不立即增加,这是因为温度较低的给水进入省煤器及水循环系统的流量增加了,从原有的饱和汽水混合物中吸取了一部分热量,使水面下的汽泡容积有所减少。
当水面下汽泡容积不再变化时,水位才开始逐渐上升。
如果不考虑水面下汽泡容积的变化,则当给水流量扰动时,水位的反应曲线如图2.1中的直线1所示;实际的水位反应曲线应如图2.1中曲线2所示。
所以给水流量的扰动,水位反应存在一定的迟延时间。
图2.1给水流量扰动下水位的阶跃反应曲线
2蒸汽流量扰动下水位的动态特性
蒸汽流量扰动下水位的阶跃反应曲线如图2.2所示。
当蒸汽流量突然增加(假定供热量及时跟上)时,锅炉的蒸发量大于给水流量,汽包的贮水量应等速下降,又因为汽包是无自平衡对象,所以水位变化曲线应如图中曲线H1所示,实际上当蒸发量突然增加时,在汽水循环系统中蒸发强度也将成比例地增大,使汽水混合物中汽泡的容积增大,又因炉膛内的发热量并不能及时增加,从而使汽包压力不断下降,降低了饱和温度,促使蒸发速度加快,汽泡膨胀,加大了汽水混合物的总体积,使水位变化过程如图中曲线H2所示。
水位实际变化过程的曲线是H1和H2两曲线叠加,即图中的曲线H,由此可知,负荷变化时汽包水位的动态特性具有特殊的形式:
负荷增加时,蒸发量大于给水量,但水位不是下降反而上升;负荷突然减小时,水位却先下降,然后逐渐上升,即“虚假水位”现象。
图2.2蒸汽流量扰动下水位的阶跃反应曲线
㈢炉膛热负荷扰动下水位的动态特性
炉膛热负荷扰动下水位的阶跃反应曲线如图2.3所示。
当燃料量M增加时,炉膛热负荷随着增加,水循环系统内的汽水混合物的汽泡比例增加,蒸发强度增强。
如果负荷设备的进汽阀不加调节,则汽包饱和压力升高,蒸汽流出量增加,蒸发量大于给水量,水位应该下降。
随着汽包压力的升高,汽水混合物中汽泡的比例将减小,又使得汽水总容积下降;其次,在汽压升高时,汽的比容变小,水的比容变大,总的效果是汽水混合物的比容变化不大。
所以在燃料量扰动下,汽包水位也会出现“虚假水位”现象,但由于热惯性的原因,这种虚假水位没有蒸汽流量扰动下的那样严重。
图2.3炉膛热负荷扰动下水位的阶跃反应曲线
2.2锅炉汽包水位控制系统的基本方法
如果使用简单的锅炉汽包液位的单冲量控制系统,如图2.4所示,一旦负荷急剧变化,虚假液位的出现,调节器就会误以为液位升高而关小供水阀门,影响了生产甚至造成危险。
图2.4锅炉汽包液位的单冲量调节系统
为此,图2.5采取了锅炉汽包液位的双冲量控制,它在单冲量的基础上,再加一个蒸汽冲量,以克服“虚假液位”。
其中调节阀为气关阀,液位调节器采用正作用,调节器输出信号在加法器内与蒸汽流量信号相减。
双冲量实际上是前馈与反馈调节相结合的调节系统。
当负荷突然变化时,蒸汽的流量信号通过加法器,使它的作用与水位信号的作用相反;虚假液位出现时,液位信号a要关小给水阀,而蒸汽信号b是开大给水阀,这就能克服“虚假液位”的影响。
但是如果给水压力本身有波动时,双冲量控制也不能克服给水量波动的影响。
图2.5锅炉汽包液位的双冲量调节系统
由于单冲量和双冲量都很难达到理想稳定的控制所以这就要用如图2.6所示的锅炉汽包液位的三冲量调节系统。
即再加一个给水流量的冲量c,使它与液位信号的作用方向一致,这种调节系统由于引进了液位、给水流量及蒸汽流量三个参数,叫做三冲量调节系统。
图2.6锅炉液位的三冲量调节系统
锅炉汽包三冲量液位控制系统是在双冲量液位控制基础上引入了给水流量信号,由水位、蒸汽流量和给水流量组成了三冲量液位控制系统。
汽包水位是被控变量,是主冲量信号,蒸汽流量,给水流量是两个辅助冲量信号。
实质上三冲量控制系统是前馈加反馈控制系统,可分为单级和串级两种控制系统。
2.3单级三冲量和串级三冲量汽包水位控制系统的分析和整定[5]
2.3.1单级三冲量汽包水位控制系统的分析和整定
控制原理:
单级三冲量给水控制系统自控原理框图如图2.7所示。
图2.7单级三冲量给水自动控制原理框图
内回路的分析和整定
可以把内回路作为一般的单回路系统进行分析。
应将副回路处理为具有近似比例特性的快速随动系统,以使副回路具有快速消除内扰及快速跟踪蒸汽流量的能力。
如果把调节器以外的环节等效地看作被控对象,那么被控对象动态特性近似为比例环节。
因此调节器的比例带δ和积分时间Ti可以取的很小。
δ和Ti的数值以保证内回路不振荡为原则,一般Ti≤100s。
给水流量反馈装置的传递系数(给水流量信号的灵敏度)
可任意设置一个数值,得到满意的δ值,如果以后
有必要改变,则相应地改变δ值,使
保持试探时的值,以保证内回路的开环放大倍数不变,保证内回路的稳定性。
③主回路的分析和整定
在内回路经过整定之后,其控制过程是非常快的。
这主要因为调节器为比例积分特性,
和Ti又设置的非常小,所以它能迅速动作。
当外来控制信号V改变时,调节器几乎立即成比例地改变给水流量W,使
即
或
由此可见,当变送器的斜率已经确定后,增大给水量的灵敏度
等于增加主回路调节器的比例带,因而使给水流量动作缓慢,增加主回路的稳定性(减少主回路的振荡)。
但是对内回路来说,增加
就增加了内回路的开环放大倍数,因而增加了内回路振荡的倾向,因此由于提高主回路的稳定性而增加
时,必须相应地增加调节器的比例带δ,以保证内回路的稳定性。
2.3.2串级三冲量给水控制系统的分析和整定
㈠控制原理:
串级三冲量给水控制系统的控制原理如图2.11所示。
㈡副回路的分析和整定
根据串级控制系统的分析整定方法,应将副回路处理为具有近似比例特性快速随动系统,以使副回路具有快速消除内扰及快速跟踪蒸汽流量的能力。
图3.11中所示副回路与图3.9所示的内回路完全相似,其分析整定原则完全相同。
即用试探的方法选择副调节器的比例带δ2,以保证内回路不振荡为原则,在试探时,给水流量反馈装置的传递函数
可任意设置一个数值,得到满意的δ2值,如果
以后有必要改变,则应相应地改变δ2值,使
保持试探时的值,以保证内回路的稳定性。
㈢主回路的分析和整定
在主回路中,如果把副回路近似看作比例环节,则主回路的等效方框图如图3.12所示。
这时,主回路等效为一个单回路控制系统。
如果以给水流量W作为被控对象的输入信号,则可以把PI1调节器与副回路两者看作为等效主调节器。
串级三冲量给水控制系统与单级三冲量给水控制系统相比较,串级控制系统是由两个调节器组成,主调节器PI1采用比例积分控制规律,以保证水位无静态偏差。
主调节器的输出信号和给水流量,蒸汽流量都作用到副调节器PI2上。
在一般的情况下,副调节器可采用比例调节器,以保证副回路的快速性。
串级系统主副调节器的任务不同,副调节器的任务是用以消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速调节给水流量,以保证给水流量和蒸汽流量的平衡;主调节器的任务是校正水位偏差。
这样,当负荷变化时,水位稳定值是靠主调节器PI1来维持的,在这里可以根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度,从而改变负荷扰动下的水位控制品质。
因此,串级三冲量系统比单级三冲量的工作更合理,控制品质要好一些。
第三章锅炉汽包水位控制系统的硬件设计
热电厂的各运行设备必须进行在线状态的监测,而且热电厂的自动化系统应具备一定的故障预测、判断、保护、处理、追忆与分析等功能,先进的计算机分散控制系统可以对整个生产过程进行控制和自动调节,根据不同情况协调各设备的工作状况,使整个电厂的自动化水平达到了新的高度。
3.1分散控制系统[11]
单元机组的热工过程是由许多设备共同完成的。
每一设备既具有相对独立的功能和作用,又按照特定的工艺流程与其它设备组成子系统,若干子系统构成相应的系统。
系统与系统间,系统与它的子系统间紧密联系,运行中互相影响,机组的安全经济运行决定于各系统,各系统间的协调配合。
分散控制系统DCS是以微处理器为基础,全面融合计算机技术、测量控制技术、通信网络技术、人机接口技术(即所谓的4C技术,Computer、Control、Communication、CRT)而形成的现代控制系统。
其主要特征在于分散控制和集中管理,即对生产过程进行集中监视,操作和管理。
而控制任务则由不同的计算机控制装置来完成。
通常把DCS分为4级。
DCS控制方式符合热电生产的热工过程基本特征,因此在新厂建设和老厂技术改造中,获得了大力推广和广泛应用。
DCS综合了现代计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术,是一种新型的控制系统。
3.2锅炉汽包水位控制系统硬件图
图3.3汽包水位控制系统硬件图
图3.4主要信号线路的端子连接示意图
3.3硬件选型
DCS系统的组态从其硬件的选择便已经在进行中了。
在硬件上主要应考虑如下一些问题:
首先DCS系统的处理能力必须满足现场的要求,其控制器CPU的运行周期不应大于250ms,同时考虑最小运行周期下控制器CPU的处理能力;在选择I/O板配置时要了解其扫描周期,A0、A1各通道之间要相互隔离;在模拟量控制器和数据量控制器为不同类型和顺序控制器时,在各自功能分配上要使模拟量控制和顺序控制尽可能的分开;DCS系统的核心是控制器,每个控制器所负担的任务要尽可能独立,其输入、输出的数据也应尽量独自使用,不同的控制器之间交换的数据越少越好;与上层网络的数据通讯要预先计划,避免重复投资;每个控制柜所接入的电缆数要预先规划,避免拥挤。
基于上述的要求,我对本设计的硬件进行了如下选型,主要选择的模件有主控模件、模拟量输入模件(AI)、模拟量输出模件(AO)、开关量输出模件(DI)、开关量输出模件(DO)等。
1主控模件是I/O模件的上位智能模件,是现场控制站的核心模件。
它可提供处理现场问题的强有力的解决方法,即由软件组态形成的控制策略。
根据被控对象的复制程度,主控模件与各类I/O模件组态,实现对被控对象的数据采集、储存、运算和复杂程度不同的控制,适用于热工监控的任何控制过程。
主控模件中控制策略的分配原则是功能分散,即对比较重要的控制策略应分散在不同的主控模件中。
在MACS中,现场控制站的主控模件称主控单元,型号为FM811。
FM811内部主要组成部件:
一块CPU卡、一块FB193多功能卡、三块以太网卡、一块FB121DP主站卡、底板、电源组件。
㈡模拟量输入模件(AI)接受现场测量变送器的直流电流信号、直流电压信号以及热电阻或热电偶的毫伏级电压信号,对各种AI信号采样,并进行预处理。
预处理包括补偿(如热电偶的冷端补偿)、修正(如电路性能漂移修正)、线性化、A/D转换等,向主控模件提供准确可靠的数字信号。
同时AI模件还提供了滤波、隔离、电压和电流保护等抗干扰及保护措施、自诊断功能。
在MACS系统中,AI模件型号为FM148A。
FM18A是大信号AI模件,它具有8路独立的输入通道,处理来自现场的0~10VDC和0~20mADC模拟量信号。
它是MACS系统AI模件之一。
其中RDY灯和COM灯是反映FM148A的工作状态和通信状态的LED灯,两灯全亮表示正常工作,当模件故障时RDY灯灭,若两灯都灭表示模件损坏。
FM148A的功能通过一块8路模拟量输入板和一块I/O智能处理板以及端子模件共同完成,两块板都是印刷电路板。
3模拟量输出模件(AO)通过I/O扩展总线与主控模件通信,把主控模件输出的数字信号进行后处理。
后处理包括电压/电流转换、D/A转换、对信号的放大、对负载的补偿等,最终把数字信号转换成现场装置可接受的模拟量信号,用来驱动各种执行机构控制生产过程,或为显示和记录仪表提供模拟量信号。
在MACS系统中,AO模件型号为FM151。
FM151具有8路独立的输出通道,向现场输出4~20MADC信号,是MACS系统的AO模件之一。
FM151的功能是由一块8路模拟量输出板,一块I/O智能处理板和端子模件FM131A共同完成,两块板都是印刷电路板。
㈣开关量输入模件(DI)将生产过程中有关阀门联动触点的开/关、继电器触点的断/闭、各种限位开关的开/关、电动机的启动/停止等状态信号进行采集和预处理。
预处理包括判断DI的真假,对DI进行整形、限幅,采用滤波电路去除干扰等。
最终将DI转换成主控模件能识别的数字信号形式。
一般DI模件所接受的开关量信号是电压信号。
在MACS系统中,DI模件型号为FM161D。
FM161D是普通DI模件。
它具有16路独立的输入通道,处理来自现场的触点型DI信号,所谓触点型是指阀门联动触点的开/关、继电器触点的断/闭等开关量。
它是MACS系统DI模件之一。
其中通道指示灯共计16个,分别用来表示16个独立DI通道的状态。
FM161D的功能是由一块16路触点型开关量输入模板、I/O智能处理板和端子模件FM131A共同完成。
㈤开关量输出模件(DO)把计算机或主控模件输出的由二进制代码表示的开关量数据进行后处理,后处理包括整形和变换等,最终转换成对生产过程的有关设备进行状态控制的开关量信号。
在MACS系统中,DO模件型号为FM171。
FM171是继电器DO模件。
它具有16路独立的输出通道,向现场输出DO信号,是MACS系统DO模件之一。
其中RDY灯和COM灯是LED状态指示灯,反映FM171的工作状态和通信状态;通道指示灯共计16个,分别用来表示16个独立DO通道的状态。
FM171的功能由16路继电器开关输出模板、I/O智能处理板和端子模件FM131A共同完成。
AI、AO、DI、DO四类I/O模件是为现场控制站的输入/输出信号提供信息通道的专用模件,是DCS中种类最多、在现场控制站中使用数量最多的模件。
根据汽包水位控制系统原理框图以及硬件的选型,现在我以汽包水位过高为例,来说明主要的工作过程。
(使用框图叙述)
第四章汽包水位控制系统的MCGS组态
过去工业控制计算机系统的软件功能都靠软件人员编程实现。
工作量大,软件通用性差,且易产生错误。
随着工业控制要求的不断提高,专门用于工业控制的组态软件应运而生,它是一套功能齐全的组态生成工具软件,可以建立全新的过程测控系统,通用性强,而且系统的执行程序代码部分一般固定不变,为适应不同的应用对象只需改变数据实体即可,用于任何监控系统。
4.1组态软件MCGS的简介[17]
MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)是一套基于Windows平台的,用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统,可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系统。
MCGS5.1软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。
组态环境相当于一套完整的工具软件,帮助用户设计和构造自己的应用系统。
运行环境则按照组态环境中构造的组态工程,以用户指定的方式运行,并进行各种处理,完成用户组态设计的目标和功能。
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成,每一部分分别进行组态操作,完成不同的工作,具有不同的特性。
4.2汽包水位控制系统的MCGS组态
通过对MCGS组态软件的学习,最后生成的组态画面如图4.1所示:
图4.1汽包水位控制系统的MCGS组态图
4.3报警显示与报警数据
MCGS把报警处理作为数据对象的属性,封装在数据对象内,由实时数据库来自动处理。
当数据对象的值或状态发生改变时,实时数据库判断对应的数据对象是否发生了报警或已产生的报警是否已经结束,并把所产生的报警信息通知给系统的其它部分,同时,实时数据库根据用户的组态设定,把报警信息存入指定的存盘数据库文件中。
具体 对“液位1”变量进行操作,在实时数据库中,双击“液位1”,在报警属性中,选中“允许进行报警处理”;在报警设置中选中“上限报警”,把报警值设为:
9米;报警注释为:
水罐1的水已达上限值;在报警设置中选中“下限报警”,把报警值设为:
1米;报警注释为:
水罐1没水了。
在存盘属性中,选中“自动保存产生的报警信息”。
按“测试”按钮,进入“报警信息 浏览”,如图4.2所示。
图4.2报警信息浏览图
退出策略组态时,会弹出如下窗口,按“是”按钮,就可对所做设置进行保存。
总结
本次设计的主要任务是热电厂锅炉汽包水位控制系统设计。
汽包水位的控制选择三冲量水位控制系统,该系统解决了“虚假水位”问题,克服了给水变化的干扰,
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