基于组态王的温度控制系统

基于组态王的温度控制系统内容摘要：

过改变炉内辐射受热面的吸热量份额来调节 过热蒸汽温度。 蒸汽侧调节主要采用喷水减温器，烟气侧调节主要采用改变燃烧火焰中心位置的方法。 喷水减温是将水直接喷入蒸汽中，喷入的水在加热、蒸发的过程中将消耗蒸汽的部分热量，使 过热蒸汽温度 降低。 喷水减温装置通常都安装在过热器的连接管道或者联箱处。 减温水一般采用给水。 一般设计的喷水量约为锅炉容量的 4％～ 7％。 喷水减温器有三种形式：多孔管式、涡旋式和文丘里管式喷水减温器。 在采用喷水减温作为 过热蒸汽温度 的调节手段时，不仅减温水流量发生变化时 过热蒸汽温度 会发 生变化，而且减温水温度发生变化时 过热蒸汽温度 也会变化。 7 喷水减温调节法调节灵敏 ， 惯性小，易于实现自动化，加上调节范围大，设备结构简单，在锅炉上获得了普遍应用。 所有本课题采用喷水减温法来控制过热蒸汽温度。 A．过程控制概述 过程控制系统通常是指工业生产中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度等这样一些过程变量的系统，具有连续生产过程自动控制、由过程检测和控制仪表组成、被控过程多样，控制方案丰富的特点。 在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技 术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争力等方面起着越老越大的作用。 自从进入 20世纪 90 年代以来，自动化技术发展很快，并获得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要组成部分。 过程控制技术是自动化技术的重要组成部分。 在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产效率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能力等方面起着越来越巨大的作用。 过程控制的特点是与其它自动控制系统相比而 言的，大致可归纳如下； 过程控制一般是指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量地控制，而且应是连续可调的。 若控制动作时间上是离散的（如采样控制系统等），但是其被控量需要定量控制，也归入过程控制。 、控制仪表组成 过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表（包括电动仪表和气动仪表，模拟仪表和智能仪表）和电子计算机 (看作一台仪表 )等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。 一个过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。 过程监测控制仪表包 括检测元件、变送器、调节器、调节阀等。 过程控制系统的设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系统，再通过 PID参数的整定，实现对生产过程的最佳控制。 、非电量的 在现代工业生产过程中，工业过程很复杂。 由于生产规模大小不同，工艺要求各异，产品品种多样，因此过程控制中的被控过程是多种多样的。 诸如石油化工过程中的精馏塔、化学反应器、流体传输设备；热工过程中的锅炉、热交换器；冶金过程中的转炉、平炉；机械工业中的热处理炉等。 动态特性多数具有大惯性、大滞后、非线性特性。 有 些机理复杂（如发酵、化生过程等）的过程至今尚未背人们认识，所以很难用目前过程辨识方法建立其精确的数学模型，因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。 ，而且多半为参量控制 由于被控过程具有大惯性、大滞后等特性，因此决定了过程控制的控制过程多 8 属慢过程。 另外，在石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、制药等工业生过程中，往往用一些物理量和化学量来表征其生产过程是否正常，因此要对上述过程参数进行自动检测和自动控制，故过程控制多半为参数控制。 随着现代工业生产的飞速 法杖，工艺条件越来越复杂，对过程控制的要求越来越高。 过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。 由于工业过程的复杂、多变，因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等等。 为了满足上述特点与工艺要求，过程控制中的控制方案是十分丰富的。 通常有单变量控制系统，也有多变量控制系统；有仪表过程控制系统，也有计算机集散控制系统；有复杂控制系统，也有满足特定要求的控制系统。 在石油、化工、电力、冶金、轻工、环保和原子能等现代工业生产过程中，过程控制的主要目的在于消除或 减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定在给定值上，使工业生产能实现优质、高产和低能耗的目的。 定值控制仍是目前过程控制的一种常见形式。 要分析、设计和应用好一个过程控制系统，首先应对被控过程做全面了解，对工艺过程、设备等深入的分析，然后应用自动控制原理与技术，拟定一个合适正确的控制方案，从而达到保证产品质量、提高产品产量、降耗节能、保护环境和提高管理水品等目的。 过程控制系统可分为单回路控制系统、串级控制系统、前馈控制系统、大滞后补偿控制系统、比值控制系统、模糊控制系统等一些复杂控制系统。 串级控制系统特点 串级控制系统是改善控制过程品质极为有效的方法，因而得到了较为广泛应用。 与简单控制系统相比，串级控制系统只是在结构上增加了一个内回路，却能收到显的控制效果。 这是因为在串级控制系统中，由于副回路具有快速作用，因此串级控制系统对进入内回路的扰动有很强的克服能力；同时由于有副回路的存在，改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率，且使系统具有一定的自适应能力，为了充分发挥串级控制系统的优点，在设计实际控制系统时应当合理设计主、副回 )(1 sW C )(2 sW C )( sW V )(2 sW O )(1 sW O)(2 sW m)(1 sW m1)(1 sY+ ++)(2 sF)(1 sF2)(2 sY 图 21 串级控制系统结构框图 9 路及选择主、副调节器的控制规律。 副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路的扰动 ， 而且副参数并不要求无差 ， 所以一般选择 P调节器 ， 也可采用 PD调节器 ， 但这增加了系统的复杂性。 在一般情况下 ， 采用 P调节器就足够了 ， 如果主 、副回路频率相差很大 ， 也可考虑采用 PI或 PID调节器。 主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。 凡是需采用串级控制的生产过程 ， 对控制品质的要求总是很高的 ， 不允许被调量存在静态 ， 偏差因此主调节器必须具有积分作用 ， 一般采用 PI或 PID控制器。 采用喷水减温 的串级汽温控制系统如图 22所示。 从被控对象的动态特性来看，喷水扰动下的汽温动态特性不如其他扰动下的动态特性，为了克服控制通道的滞后和惯性，采用了导前汽温信号 2。 在喷水量扰动下 2 肯定比主汽温 1 能提前反映控制作用。 因此，采用导前汽温 2 信号构成串级汽温控制系统，以改善汽温的控制质量。 温度调节器 1温度测量变送器温度测量变送器过热器减温器温度调节器 2执行器温度给定)(1 sY)(2 sY阀门 图 22 喷水减温串级系统结构框图 串级汽温控制系统的工作原理 图 22所示的串级汽温控制系统，只要导前汽温 2 发生变化，副调节器 P就去改 过 热 器炉 膛汽 鼓水过 热 蒸 汽减 温 器TT1TT2CT1CT212 图 23 喷水减温串级汽温控制系统 变减温水流量 W ，初步维持后级过热器入口汽温 2 在一定范围内，起粗调作 10 用。 而过热器出口汽温 1 的控制，则是通过主调节器 PI来校正副调节器工作，只要1 未 达到给定值，主调节 PI的输出信号就不断的变化，使副调节器不断去控制减温水喷水量 W 的变化，直到 1 恢复到给定值为止。 稳态时，导前汽温 2 可能稳定在与原来数值不同的数值上，而主汽温 1 则一定等于给定值。 在串级汽温控制系统中，由于两个回路的任务及动态特性不同，可以选用不同的调节器。 副 回路及副调节器的任务是快速消除内扰，要求控制过程的持续时间较短，但不要求无差，故一般可选用纯比例调节器。 当导前汽温惯性较大时，也可选用比例微分调节器。 主回路及主调节器的任务是维持 1 恒定，一般选用比例积分调节器。 当过热器惰性区较大时，也可选用比例、积分、微分调节器。 单回路过程控制系统亦称单回路调节系统简称单回路系统，一般是指针对一个过程（调节对象），采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制（调节）器来保持一个被控参数恒定（或在很小范围内变化） ，其输出也只控制一个执行机构（调节阀）。 从系统的框图看，只有一个闭环回路。 )( SW C )( SW v )(0 SW )( SWm+ Q ( s )U ( s )X ( s ) E ( S ) Y ( s ) 图 24 单回路控制系统框图 其中 Wc )(S — 调节器的传递函数； Wv )(S — 调节阀传递函数； Wo )(S — 被控过程的传递函数； Wm )(S — 测量变送器的传递函数。 单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足不少工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者不对被控质量要求不高的场合，约占目前工业控制系统的 80%以上。 与单回路控制系统相比，串级控制系统 的控制效果显著提高，原因是在串级 控制系统中增加了一个二次扰动的副回路，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，对二次干扰有很强的克服能力，提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。 但就工艺要求而言，串级控制系统比单回路控制系统多了一个测量变送器和一个控制器，增加了成本，并且单回路控制质量即可满足一般的小型锅炉，所以本课题选用单回路控制系统来控制过热蒸汽温度。 根据工艺流程和控制方案的选择，可以得出本设计的控制流程 （图 25）。 11 调 节 器测 量 变 送对 象调 节 阀+U ( t )X ( t ) E ( t ) Y ( s )Q ( t ) 图 25系统框图 当主汽温 的测量值等于设定值时，喷水阀门不动，系统处在动态平衡状态，此时，若炉膛燃烧工况发生变化使汽温变化，造成给定值和测量值产生偏差，则偏差信号经过控制器的方向判断及数学运算后，产生控制信号使喷水阀门以适当形式打开喷水流量。 测量值最终回到设定值，系统重新回到平衡状态。 过 热 器炉 膛汽 鼓水T CT T过 热 蒸 汽减 温 器1234 图 26 控制流程图 其中： 1―热电阻； 2―温度变送器； 3―温度调节器； 4―调节阀。 12 智能仪表 概述 及选型 智能式仪表是以微处理器为中央控制单元 ,能完成物理信号的输入输出、信号转换和计算控制等功能 ,并可与外界通讯的仪器仪表。 与其他常规仪表相比，有 以 下几个优点： ,高性能的集成芯片 ,功能强大 ,性能优越； ,稳定性好 ,长期工作维护量小； LCD 显示 ,清晰直观 ,读数方便； ,使用灵活 :可选择不同的测量值和输出值。 可在线修改参数 ,流量小信号切除、失败模式电流输出等功能。 具有内部计算、数据存 储、自诊断、自校验等多种功能； 管理信息 ,可供用户参考。 为了实现模拟信号的远距离传送 ,并将多个现场变送器的模拟信号通过一对信号线传送到控制中心 ,美国 Rosemount公司于 1985年开发出一种将模拟信号调制成数字调频信号 ,并用数字调频信号实现传输的 HART Highway Addressable Remote Transducer 协议。 在现场安装的仪表是一种被称为“ Smart Feld Instrument”的智能式仪表 ,Smart 仪表可以用同一对传输线 同时送出 4～ 20mA 和 FSK 调频制数字这两种信号 ,实现控制中心与仪表之间的双向通信。 并开发出 HART 手持式通讯器 ,方便地实现智能仪表与通讯器之间的双向通讯。 美国的另一大仪表生产商 Honeywell 公司 20 世纪 80 代初也开发出第一代智能式仪表 ,及与之配套的 ST2102 智能通讯器 ,可设定智能仪表的输出模式 :模拟式 4～20mA 输出或数字输出模式 DE 模式 ,以便与 DCS 实现数字通讯。 STS2102 智能通讯器也可方便地用于 Honeywell 系列仪表的组态和调试。 智能式仪表自 20 世纪 80 年代问世以来 ,很多公司推出了多种不同设计、格各异的产品 ,但其核心结构却基本上是一致的 ,可以将其归纳为图 31 所示的框图结构。 除智能式仪表正确的安装和设定量程范围外 ,还应注意以下几点。 a)智能式仪表的参数选择性强 ,在参数设置时应正确地检查和设定信号输出。 通过正确的设定 ,在测量介质流向相反时 ,也能正常输出电流。 b)部分需要触点输出的变送器 ,应正确地设定其回差 ,以保证系统控制的平稳 13 性。 c)智能变送器的使用电压和环境温度考虑 用户设备计算机仪表通讯接口 D / A。