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毕业设计锅炉系统
摘要
蒸汽锅炉作为将一次能源转换为二次能源的重要设备之一,其工作效率的高低直接影响能源利用率的好坏,在蒸汽锅炉工作过程中,给水是否达到标准,会直接影响锅炉乃至后续设备的寿命,同时给水系统也影响着锅炉生产的安全,为减轻劳动人员的强度,同时也为了更好了解生产的各项参数情况,设计一套给水自动监控系统变得尤为重要。
本课题要求完成蒸汽锅炉给水控制系统中的过程数据采集、监控及管理,上位机功能实现依靠美国FIX软件来完成。
下位机功能依靠挂接在CAN总线上的智能组件来完成。
FIX组态软件是一种图形化编程软件,该软件通过建立友好的系统流程及监控人机界面,可以完成实时数据显示,修改,控制,系统报警管理、及实时和历史趋势显示功能,可以灵活地实现锅炉给水监控系统所要求的各项功能。
CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性、灵活性。
关键词:
给水自动监控FIXCAN
ABSTRACT
Steamboilerasoneoftheimportantequipmentthatconvertprimaryenergytosecondaryenergy,theefficiencyofitdirectlyimpactontheleveloftheenergyefficiency.Inthecourseofthesteamboilerworking,whetherthewatersupplyisuptostandard,willdirectlyaffecttheboiler'slifeaswellasfollow-upequipment,atthesametime,thewatersupplysystemisalsoaffectingthesafetyofboilerproduction,inordertoalleviatetheintensityoftheworkforce,butalsotobetterunderstandtheparametersoftheproduction,thedesignofawatermonitoringsystemautomaticallybecomeespeciallyimportant.
Thistaskrequirestocompletetheprocessofdatacollectionmonitoringandmanagement.ImplementofthePCfunctionsrelyonFIXsoftwaremadeinUnitedStatestocomplete,thefunctionoflowermachinerelyontheaptitudediscretenesswhichconnectedontheCANbustocomplete.
FIXconfigurationsoftwarehaspowerfulgraphicscapabilitiesandsecurity,alarm,historyshowsthatfeaturessuchascurves,theflexibilitytoachieveboilerfeedwatermonitoringsystemrequiredbythefunction.CANbusdatacommunicationswithoutstandingreliability,real-time,flexibility.
Keywords:
watermonitoringsystemFIXCAN
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目录
第一章绪论1
1.1选题背景及意义1
1.2论文设计目的及相关技术要求1
第二章相关软件简介3
2.1FIX工控组态软件3
2.2FIX功能结构3
2.3CAN总线4
2.4CAN总线的特点4
2.5MDCS系统5
第三章锅炉给水系统下位机设计9
3.1相关设备介绍9
3.2给水系统的总体流程9
3.3仪表选型10
3.4双线回路图13
3.5通信变量表13
3.6锅炉给水监控系统相关组态14
第四章上位机监控系统的实现18
4.1SCU文件配置18
4.2I/O驱动配置18
4.3上位机界面19
4.4过程数据库20
4.5数据链接及实时曲线21
4.6历史曲线22
4.7报警功能23
4.8安全权限23
第五章系统调试24
结论26
谢辞27
参考文献28
第1章绪论
1.1选题背景及意义
中国的锅炉产业,它既不是“朝阳产业”,也不是“夕阳产业”,而是与人类共存的永恒产业,且在中国还是一个不断发展的产业。
20世纪80年代以后,中国的经济发生了突飞猛进的变化,锅炉行业更加突出,全国锅炉制造企业增加近二分之一,并形成了独立开发研制一代又一代新产品的能力,产品的技术性能已接近发达国家水平。
锅炉是经济发展时代不可缺少的商品,未来将如何发展,是非常值得研究的。
工业锅炉目前是中国主要的热能动力设备,工业锅炉多于电站锅炉,近年来,中国电站锅炉行业取得了快速的发展。
锅炉产量大幅增长,行业产能快速提升。
目前,整个行业的产能已经超过8000万千瓦,不仅能满足国内电力工业建设的需要,而且还进入了国际市场。
近年来,国际锅炉产业保持高速增长态势,。
同时随着高性能产品的普及和产品质量的提高,在2006~2010年每年将有约500万蒸吨的工业锅炉需要更新,2010年后,每年将有约700万蒸吨的工业锅炉需要更新,再加上新增装机,从需求上讲,到2010年,每年工业锅炉需求量约为1O~12万蒸吨。
未来几年,国际锅炉行业将出现转型,特别是改善大气环境、提高能源利用率越来越为各行各业和各级政府部门关注,减排、烟气脱硫、煤气化等技术得到广泛应用,淘汰燃煤锅炉成为大势所趋,各种燃气、电热等环保锅炉正赢得国际市场和政府监管部门的青睐。
此外,水资源的节约利用已引起国际社会的高度重视,锅炉给水监控系统的开发使用在未来lO年内将具有广阔的市场发展前景。
1.2蒸汽锅炉控制的相关技术要求
蒸汽锅炉作为将一次能源转换为二次能源的重要设备之一,其工作效率的高低直接影响能源利用率的好坏,在蒸汽锅炉工作过程中,给水是否达到标准,会直接影响锅炉乃至后续设备的寿命,同时给水系统也影响着锅炉生产的安全,为减轻劳动人员的强度,同时也为了更好了解生产的各项参数情况,设计一套给水自动监控系统变得尤为重要。
本课题是针对辽宁恒泰热力公司的3台40T/h蒸汽锅炉控制自动化的具体实施,要求完成蒸汽锅炉给水控制系统中的过程数据采集、监控及管理,上位机功能实现依靠美国FIX工控组态软件来完成。
下位机功能依靠挂接在CAN总线上的智能组件来完成。
FIX软件具有良好的图形界,易于开发应用软件,操作简单,具备历史数据(HRC)分析显示,实时监测监控,故障记录分析报警,SAC速度快,功能强大的特点。
CAN总线又称现场总线是20世纪70年代末起始、80年代末兴起、90年代初在国际上发展形成的用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络新兴技术,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络.CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性、灵活性.随着锅炉在世界各地扮演着越来越重要的角色,节能减排也成为各个国家强烈呼吁的口号,因此设计一套先进的锅炉给水检测系统是很有必要的。
给水是锅炉生产运行的主要环节之一,因此做好给水工作能够大大减少消耗,实现少能多效的目标。
第二章相关软件简介
2.1FIX工控组态软件
FIX是INTELLUTION工业自动化软件FIX家族的最新产品。
本软件具有良好的图形界,易于开发应用软件,操作简单,具备历史数据(HRC)分析显示,实时监测监控,故障记录分析报警,SAC速度快,功能强大,其主要特点如下:
(1)内置分布式客户机/服务器体系结构,可作HTService,建立WindowsNT管理信息网络。
(2)具有丰富的驱动能力,可同时运行8种完全不同的基于DLL的高性能I/O驱动,开发的高性能、高速DLL的I/O驱动程序500余种,同现场I/O设备直接通讯。
(3)完全开放的体系结构,适用于各种规模的MMI(MahmachineIntreface)和SCADA解决方案(SupervisoryControlandDataAcquisition),系统升级和扩展方便、经济。
2.2FIX功能结构
2.2.1基本功能(BasioFunctions)
FIX软件是一种自动化软件。
自动化软件为操作人员和贯穿整个管理的应用软件提供实时的数据,实时数据的处理是如何更加有效地利用资源、人力,最终提高自动化程度的关键。
FIX最基本的两个功能就是数据采集和数据管理。
(1)数据采集:
FIX软件采集数据时无需特定的硬件,它可以通过高性能、高速I/O驱动程序直接与硬件通讯。
(2)数据管理:
一旦接受到数据,应用程序对数据进行处理与加工。
(3)数据完整性:
数据采集与数据管理为FIX与FIXMMI执行的所有自动化任务提供了基础,数据的绝对完整性是Intellution软件的核心,并且Intellution开发体系的固有部分。
2.2.2人机界面及监控与数据采集功能(MMIandSCADAFunctions)
(1)显示:
FIX强大的数据、文本、图像格式提供了最友善的人机界面。
(2) 监控:
操作人员直接从计算机改变设定值和其它关键值的功能与监视数据显示组配合。
(3) 报警:
FIX以多种途径(包括多媒体)将得到的报警通知操作人员。
(4) 控制:
FIX软件包括连续控制、批处理控制、统计控制功能,利用算法调整过程量,留有用户程序接口,方便诸如优化、模糊控制的嵌入。
2.2.3报表功能(ReportingFunotion)
数据存档:
系统中能够以用户指定的速率采样数据并将数据存储在数据文件中,任何时候都能从数据文件中检索数据,创建历史数据的趋势显示。
报表Intrllution支持操作人员通过工业标准数据交换协议如DDE和ODBCSQL双向方门FIX数据,操作人员能够用如Microsoft的Excel电子表格建详细报表。
2.3CAN总线
CAN总线又称现场总线是20世纪70年代末起始、80年代末兴起、90年代初在国际上发展形成的用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络新兴技术.目前成为国际标准的现场总线有CAN、ProfiBus、World-FIP等12种.其中CAN成为ISO国际标准化组织的ISO11898标准(其他为IEC国际标准),它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,最初由德国Bosch公司于20世纪80年代用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信.自从CAN总线诞生以来,就以其独特的设计思想、优良的性能和极高的可靠性越来越受到人们的青睐.与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性、灵活性.其应用范围目前已不再局限在汽车行业,而向自动化、机器人、数控机床、机械工业、智能大厦、小区安防、环境监测、航空航天及传感器等领域发展.
2.4CAN总线的特点
1.CAN总线分配特点
在实践中,有两种重要的总线分配方法:
按时间表分配和按需要分配.在第一种方法中,不管每个节点是否申请总线,都对每个节点按最大期间分配.由此,总线可被分配给每个站并且是唯一的站,而不论其是立即进行总线存取或在一特定时间进行总线存取.这将保证在总线存取时有明确的总线分配.在第二种方法中,总线按传送数据的基本要求分配给一个站,总线系统按站希望的传送分配(如:
EthernetCSMA/CD).因此,当多个站同时请求总线存取时,总线将终止所有站的请求,这时将不会有任何一个站获得总线分配.为了分配总线,多于一个总线存取是必要的.CAN实现总线分配的方法,可保证当不同的站申请总线存取时,明确地进行总线分配.这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题.不同Ethernet网络的消息仲裁,CAN的非破坏性解决总线存取冲突的方法,确保在不传送有用消息时总线不被占用.甚至当总线在重负载情况下,以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统.虽然总线的传输能力不足,所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理.
2.CAN总线检测
有时,CAN中的一个节点可监测自己发出的信号.因此,发送报文的站可以观测总线电平并探测发送位和接收位的差异.
3.CAN总线的编码方式
CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码。
采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制,数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成,因此可以定义211或229个不同的数据块,这种按数据块编码的方式,还可使不同的节点同时接收到相同的数据,这一点在分布式控制系统中非常有用。
数据段长度最多为8个字节,可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。
同时,8个字节不会占用总线时间过长,从而保证了通信的实时性。
CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能,保证了数据通信的可靠性。
CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计,特别适合工业过程监控设备的互连,因此,越来越受到工业界的重视,并已公认为最有前途的现场总线之一。
2.5MDCS系统
2.5.1MDCS系统简介
微型集散控制系统(MDCS—MicroDistributedControlSystem)将PLC和回路调节器的全部功能有机的溶为一体:
用于离散型制造业可取代PLC;用于流程工业可置换回路调节器和DCS;用于间歇过程工业则可替代DCS与PLC的复杂组合;是一种功能完整、面向设备的通用设备控制系统。
她使所有的工业自动化系统都有了一个简单、统一的解决方案。
2.5.2MDCS系统框架图
下位机对现场数据进行采集分析,然后通过网桥,将处理过的数据传输给上位机进行实时监控分析。
2.5.3MDCS系统的性能
1)具有14大类,80多种组件模块,包含有PLC、回路调节器、巡检仪、积算器等全部功能与性能,绝大多数模块可无限制重复使用。
2)组态序列可长达250行。
3)组态序列可分为快慢两个区域,每个区域可在20mS~400mS范围内任意设定。
4)有7种波特率(5/10/20/50/100/125/250Kbps),7种网络长度(10/6/3/1/0.5/0.4/0.15Km)可选择。
采用CAN2.0B技术规范,750Ω~120Ω终端电阻。
5)CAN网上传送数据的周期可根据需要确定(20mS~1h),传送数据的范围覆盖整个实时数据库(共1600个数据项)。
6)可远程和就地显示、修改全部组态序列(250个组件模块)和实时数据库全部数据
7)完善的故障诊断和双机热冗余工作方式,主备机切换扰动量低于0.5%。
8)自动标定、测试全部模拟量(8路AI、4路AO)输入输出
9)70多种组件模块可实现结构化设计(扩充事件驱动)。
10)可对4个PID回路,24组(每个PID6组)PID参数进行自动整定。
11)可扩充8路AI、4路AO、32路DI、32路DO、4路周期量和1路频率量输入。
12)可检测、报告30多种故障类型。
13)可对实时数据库全部数据,按组裁减和重新排列。
14)可对7个按键功能进行组态选择,可选功能30项。
2.5.4MDCS系统核心技术
1.软件组件集成技术与组态技术
软件系统由四个层次组成:
最内层为实时多任务操作系统核,第二层为实时监控程序和任务级组态软件,第三层为组件模块库和实时数据库,最外层为应用软件的组态序列。
结构如图所示:
(1)组态原理
本软件系统由组件模块库、实时数据库和组态序列组成。
当某一组件模块响应系统呼叫为系统服务时,首先从数据库中的指定单元输入数据,进行相应的操作处理后送回到数据库中。
因此,由大量组件模块形成的组件模块库可完成各种各样的特定功能和数据操作。
实时数据库为组件模块提供信息传递,A/D、D/A、数字量I/O、键盘操作和数码显示等功能,组态序列成为组件模块之间的消息序列。
(2)组态模块
组件模块由服务功能号、输入数据地址指针、输入常数(常数表)、输出数据地址指针等组成。
每一组件模块有16个单字节参数,第一参数为服务功能号(0#标志着组态序列的结束),第二至第十六参数是输入数据地址指针、输入常数、输出数据地址指针等。
一个地址(位开关量地址除外)指针由两个参数组成,第一参数表示数据在数据库排列中的行号(组号),第二参数表示列号(组内序号),一个输入常数、位开关量地址只用一个参数表示,输入常数只能是单字节无符号整数。
对特定组件模块,未定义的参数无任意意义。
某一组件模块除服务功能号外,其他参数可以没有定义。
这种组件模块常常是和系统联系比较密切,或者是一些专用系统的特殊组件模块。
(3)实时数据库
本数据库是由每行16个数据的数据组组成,数据库中的某一数据,可由指向该数据的排列行号和列号唯一指定。
行号和列号形成的数据对是数据在数据库中的地址指针。
数据库中的数据元素可以是浮点数、双字节整形数、字节开关量和位开关量。
一旦组态序列形成以后,数据库中数据元素的性质随之确定。
但数据内容却可以随时变化。
系统数据、组件模块专用数据、数据寄存单元的组合形成了数据库丰富的内容。
系统数据是支撑软件所使用的数据单元,包括A/D、D/A、数字量I/O、数码显示指针等。
组件模块专用数据是组件模块对象的私有数据成员,当该组件模块出现在组态序列中时,其私有数据随之一起工作,为完成相应功能服务;当该组件模块未出现在组态序列中时,这些私有数据成员便失去定义,并可作为一般数据寄存单元使用。
数据寄存单元是专为组件模块组态服务的,没有使用的数据寄存单元是没有定义的。
在使用数据寄存单元时,应注意模块使用的数据的性质要与数据寄存单元的性质相符(如浮点数不能放在整形数和字节开关量寄存单元中。
另外,还要注意数据寄存单元的字节长度,以免超长数据与其他数据相冲突。
2.PID参数自动整定技术
MDCS的自动整定器是基于K.J的继电整定法。
它提供的“稳定系数”整定法是MDCS所特有的:
它不但包含Z—N、改进Z—N等方法的整定结果,还可根据不同的被控对象模型修正“稳定系数”,改善P、I、D参数整定结果。
该自动整定器还可为MDCS中的4个PID组件模块共计24组(每个PID模块有6组)P、I、D参数进行整定。
MDCS的自动整定器不受应用组态的限制,因此可用于串级PID控制、变比值控制的主副回路PID参数整定,也可用于增益调度控制的多组PID参数整定和其他高级PID控制中的控制参数整定。
MDCS的整定结果还可克服调节器内部的信号滤波、变化率限制等运算处理环节(如运算处理1、运算处理2)的影响。
工作原理如图所示:
PID控制中,有三个很关键的值:
PV,SP和OP。
其中PV是采样所得数据,具有实时性,是一个不断变化存在波动的值。
SP是设定值,用于限定某项参数,与采样数据PV进行比较的,也就是说SP就是标准,PV超出或低于SP的值都是扰动值需要进行一系列控制从而使PV无限接近于SP,OP为PV和SP经过计算后的一个百分量,控制器就是根据这一百分量对被控对象进行调节,从而使系统达到预定要求。
第3章锅炉给水系统下位机设计
3.1相关设备介绍
3.1.1除氧器
除氧器是利用化学或热力学原理去除水中的氧气,我们这里采用的是热力学原理除氧。
热力学除氧主要是通过控制除氧器的压力与液位以达到除氧的目的。
除氧器压力控制主要是为了保证除氧器口有足够的蒸汽压力用于将软化水除氧,这是一个单闭环控制回路,输入参数是除氧器压力输出参数控制除氧器进汽阀。
除氧器水位控制主要是为了保证除氧器内有足够的水提供给锅炉,这是一个单闭环控制回路输入参数,是除氧器水位输出参数控制除氧器进水阀。
3.1.2减温减压器
减温减压器主要是对高温高压过热蒸汽进行温度和压力调节,以达到用户要求的用热或动力参数,保证网管和设备安全,高效运行,节约能源,满足生产工艺的要求,延长设备寿命。
减温减压器通常由控制装置、减压装置、减温装置和安全保护装置组成。
3.1.3给水泵
本系统的输出是由三台高压给水泵组成,它们之间相互独立又彼此关联。
这三台给水泵的功能是通过变频作用来实现的。
系统下达指令由变频器自动启动第一台泵运行,系统检测给水管的水压,当变频器频率上升到工频时,如水压未达到设定的压力值,系统自动将第一台电机切换至工频直供电,并由变频器拖动第二台水泵运行,如变频器运行到工频状态时供水母管压力仍未达到设定压力值系统自动将第二台水泵切换至工频直供电,再由变频器拖动第三台运行,依次类推,直至压力达到设定值。
若锅炉需要的给水量减少,变频控制系统可自动降低变频器的运行频率,如变频器的频率到零仍不能满足要求,则变频器自动切换至前一台水泵进行变频运行,依次类推。
变频恒压供水控制系统的实质是:
始终利用一台变频器自动调整水泵的转速,切换时间以管网的实际压力和设定压力的差值决定,同时保证管网的压力动态恒定。
值得注意的是为了防止变频器报警停机或其他故障造成水泵不转会引起锅炉缺水,所以应该加反馈装置确保变频器正常工作。
3.2给水系统的总体流程
从化水车间来的水分两路,一路进入疏水箱做备用,另一部分进入除氧水箱进行除氧处理,除过氧的水经给水泵抽取进入锅炉。
在这一过程当中,一部分过热过压的蒸汽要经过减温减压器进行处理,处理后的蒸汽再重新进入到除氧器水箱,以便于再循环利用。
除氧器水箱的监控对象主要有除氧器液位,水箱温度和除氧器压力。
除氧器的液位监控主要是保证除氧器内有足够的水提供给锅炉,除氧器压力的监控主要是保证除氧器口有足够的蒸汽压力用于将软化水除氧,除氧器水箱水温度监控主要是为了防止温度的过高和过低,保证除氧的最佳效果。
除氧箱的水一旦超出规定液位,会通过除氧器溢放水母管将多余的水输入的疏水箱,相反,如果除氧器水箱水位不足时,疏水箱中的备用水会通过疏水泵的作用源源不断的输入到除氧器水箱中。
减温减压器的主要监控对象有母管蒸汽温度和母管蒸汽压力监控两项,这与它的作用直接相关。
过热和过压蒸汽经过减温减压器的处理后变成适应除氧水箱要求的水汽,对除氧器是一种辅助作用。
经过处理后的水要通向锅炉,在此之前就要有一个高压给水母管压力监控,这个监控装置所反馈的直接作用对象是三台给水泵,这三台给水泵相互独立又相互联系,通过变频作用实现对高压给水母管压力的调节,为锅炉提供满足要求的水。
3.3仪表选型
3.3.1SHCAN6102
SHCAN6102是SHCAN61XX系列测控组件中的一种,兼有模拟量、开关量和频率量控制功能,提供6路AI、4路AO、5路DI、5路DO及1路FI(频率量输入)通道,可实现4个PID控制回路(包括串级PID)。
3.3.2SHCAN6302
SHCAN6302是SHCAN63XX系列测控组件中的一种,兼有模拟量和各种温度输入控制功能,提供6路AI通道、2路AO通道、6路RI(温度输入)通道,可实现2个PID控制回路(包括串级PID),支持双机冗余。
3.4双线回路图
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