串级过热汽温控制系统

1课程设计报告(2014--2015年度第二学期)名称：控制装置与仪表A（DCS部分）课程设计题目：过热汽温控制系统组态院系：自动化系班级：测控1201班学号：201202030102学生姓名：蔡文斌指导教师：翟永杰设计周数：一周成绩：日期：2015年7月15日2报告书一、课程设计的目的与要求1.1设计目的1.了解DCS应用过程中的主要工作内容及应该注意的问题，并能根据应用目的，进行分散控制系统的设计组态、调试操作等工作。2.以LN2000分散控制系统为平台，完成过热汽温控制系统的组态。3.进行DCS的调试工作。1.2主要内容本设计分为组态设计和系统调试两个部分。1.2.1组态设计（一）系统配置组态主要是指DCS中工程师站、操作员站、控制站的主机系统配置信息及外设类型，I/O－卡件信息，电源布置，控制柜内安装接线等。此部分内容作为了解内容，不进行具体组态。（二）实时数据库组态数据库组态是系统组态中应尽早完成的工作，因为只有有了数据库，其他的组态工作（控制回路组态、画面组态等）才可以调试。数据库组态一般通过专用软件进行，数据录入时一定要认真仔细，数据库中一个小的错误就会给运行带来极大的麻烦，如造成显示错误、操作不当甚至死机故障。(三)控制算法组态控制算法组态指的是将系统设计时规定的模拟量控制、开关量控制等功能用DCS算法予以实现。本设计以主汽温度串级控制策略为对象，并且模拟控制对象，构成闭环回路，完成这些控制算法的组态工作。（四）操作员站显示画面组态运行人员主要通过操作员站画面来观察生产过程运行情况，并通过画面提供的软操作器来干预生产过程，因此画面设计是否合理、操作是否方便都会对运行产生重要影响。本设计要求设计关于主汽温控制的简单流程图画面、趋势画面、参数显示画面、操作画面，并把有关的动态点同控制算法连接起来。（五）报警显示在数据库中进行温度报警值设置，在运行界面中显示报警窗口。3本设计要求能够模拟实现超温报警。（六）趋势组态显示需要观察的数据点趋势图。1.2.2系统调试设计要求进行动态调试。实际工作中的动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。由于生产过程已经处于运行或试运行阶段，此时应以观察为主，当涉及到必需的系统修改时，应做好充分的准备及安全措施，以免影响正常生产，更不允许造成系统或设备故障。动态调试一般包括以下内容：1）观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常；2）检查控制系统逻辑是否正确，并在适当时候投入自动运行；3）对控制回路进行在线整定；4）当系统存在较大问题时，如需进行控制结构修改、增加测点等，应尽量在停机状态下重新组态下装。若条件不允许，也可进行在线组态，但要熟悉在线组态的各个环节并做好应急措施。1.2串级过热汽温控制系统的组成及特点图1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的输出信号就不断递变化，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。PZPI++θ2θ1Wθ图1串级汽温控制系统工作原理4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。当到前汽温惯性较大时，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。1.3串级汽温控制系统设计锅炉过热汽温控制采用串级汽温控制系统,控制系统方框图如图2。已知系统中被控对象的传递函数为:被控对象导前区：2220.8()(115)WsWs（℃/%）被控对象惰性区：3211)201(125.1)(ssW（℃/℃）图2串级汽温控制系统构成二、课程设计内容2.1串级控制系统和单回路控制系统的比较2.1.1串级控制系统（一）串级控制系统数据库组态图串级控制系统数据库组态图如图3所示。图3串级汽温控制系统构成5（二）串级控制系统控制逻辑组态图串级控制逻辑SAMA图如图4和图5所示。图4第一页SAMA图图5第二页SAMA图（三）串级控制系统流程界面组态图串级控制系统流程界面图组态如图6所示。6图6串级控制系统流程界面图组态图（四）串级控制系统操作窗口组态图串级控制系统操作窗口组态图如图7所示。图7串级控制系统操作窗口组态图（五）串级控制系统趋势图串级控制系统在给定值扰动下的趋势图如图8所示7图8串级控制系统在给定值扰动下的趋势图串级控制系统在外扰下的趋势图如图9所示。图9串级控制系统在外扰下的趋势图2.1.2单回路控制系统（一）单回路控制系统数据库组态图单回路控制系统数据库组态图如图11所示。图11单回路控制系统数据库组态图8（二）单回路控制系统控制逻辑组态图单回路控制系统控制逻辑组态图如图12和图13所示。图12第一页SAMA图图13第二页SAMA图9（三）单回路控制系统流程界面组态图单回路控制系统流程界面组态图如图14所示。图14单回路控制系统流程界面组态图（四）单回路控制系统操作窗口组态图单回路控制系统操作窗口组态图如图15所示。图15单回路控制系统操作窗口组态图10（五）单回路控制系统趋势图单回路控制系统在给定值扰动下趋势图如图16。图16单回路控制系统在给定值扰动下趋势图单回路控制系统在外扰下趋势图如图17。图17单回路控制系统在外扰下趋势图三、课程设计分析和总结3.1课程设计分析（一）串级控制系统中无扰切换的实现在监视与操作过程中，当系统处于手动稳态时，控制器有一定的输出，若这时切自动，输出会突然变成零，其原因在于PID控制器没有进行组态跟踪，在SAMA图中进行组态跟踪。如图21，可实现无扰切换。11图21实现无扰切换的两路跟踪示意图（1）手动投自动时无扰动的实现：调节系统手动时，副调节器输出自动跟踪M/A站手动输出，主调节器输出自动跟踪导前气温温度信号。将M/A站的输出反馈到副调节器PID2的跟踪端，因串级系统副调节器PID2在不断工作，只有使其输出为零，才能实现无扰，因此还需使副调节器PID2的PV反馈到主调节器PID1的TR端。这样，手动时，副调节器PID2模块因跟踪PV2，其输出增量为零，使得PID2的输出值等于M/A站的输出值，从而使切换瞬间无扰动。（2）自动切手动无扰动的实现：自动切向手动的瞬间输出值等于切换前的自动输出值，故切换瞬间不产生扰动。在这之后，调节器的输出是在原来的基础上加增量，也不会发生突变，因此达到了无扰动切换的目的。（二）主副调节器正反作用的确定（1）判断主调节器PID1作用导前汽温温度的升高会导致主气温温度的升高，从而使主调节器的PV值升高，此时应调节阀门开度增大,即增大M/A模块的Y值，而副PID调节器的输出AO值和PV值都会增大，故SP应减小，故主调节器应为反作用。（2）判断副调节器PID2作用当导前汽温温度升高时，需要调节阀门开度增大，即增大M/A模块的Y值，故副PID调节器的输出AO值应增大，又因为导前汽温温度的升高会使副PID调节器的PV值增大，故副调节器应为正作用。12（三）PID参数整定的步骤及方法根据经验值预设置PID参数,再进行调试调整。先令SP为540摄氏度，阀门开度为50%，手动调节至平衡，即使主汽温值为540摄氏度为止，然后调自动，将SP改为550摄氏度，观察主气温值的变化，看是否可变为550摄氏度，若不能，则调节两个PID调节器的参数，直至在550摄氏度时稳定为止，之后再改变一下SP值，若主气温值能随其改变，则说明参数已调好。方法：提出一种稳定域约束的串级PID控制器的参数优化方法，首先要得到串级PID控制器参数的稳定域约束条件然后利用遗传寻优算法获得ITAE性能指标最优的串级PID控制器参数。而我在实验中用的是拼凑法和经验法，通过观察趋势曲线来调节两个PID的参数，通过反复改动使得参数合适。（四）设定值扰动及外扰情况下系统的响应及分析当设定值扰动使得设定值增大或者减小时，主副调节器作用，使得阀门开度减小或者增大，主汽温输出值增大或者减小，最终主汽温输出值等于设定值。当外部扰动使得主汽温输出值增大时，使得PID调节器变化，主调节器反作用，副调节器正作用，使得阀门开度增大，从而调节主汽温输出值降低，达到设定值。反之，当外部扰动使得主汽温输出值减小时，调节器作用，使得阀门开度减小，从而调节主汽温输出值升高，达到设定值。（五）单回路控制与串级控制的对比分析在选用串级控制的时候,当出现定值扰动及外部扰动时,主汽温仍能快速的跟踪。当去掉一个PID模块,即去掉副调节器构成单回路控制系统时,需要把PID模块的动作方向改为正作用。类似串级控制的调试方法,但是在手动投到自动时,控制器输出直接跳变到100,主汽温无法跟踪设定值。3.2课程设计总结经过4天的DCS部分的课程设计,我成功的完成了完成过热汽温控制系统的组态并进行DCS的调试工作,同时对电厂的DCS的有了一个初步的认识。通过本次课程设计，加深了对分散控制系统的设计组态、调试操作以及LN2000这个软件的了解，将以前课堂上所学的比例快速调节和积分消除误差等理论知识进行了实际应用，更加了解了具体的调节过程和每个参数的意义和作用。进一步掌握了在设计过程中确定调节器的正反作用的方法、、PID参数的整定方法、数据库组态、控制逻辑组态、流程界面的绘制和趋势曲线的绘制等，并进一步理解了报警死区的意义。参考文献[1]金以慧;过程控制;清华大学出版社(第一版);1993年4月.[2]王常力,罗安;分布式控制系统（DCS）设计与应用实例;电子工业出版社;2009年8月.