DCS課程設計最終完成版

1、課程設計報告(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 1202 學 號： 201202030129 201202030201 學生姓名： 張琨 阿云嘎 指導教師： 翟永杰 設計周數： 一周 成 績： 日期：2015年7月14日 控制裝置與儀表A（DCS部分）課程設計 課程設計任 務 書一、 目的與要求1 了解DCS應用過程中的主要工作內容及應該注意的問題，并能根據應用目的，進行分散控制系統(tǒng)的設計組態(tài)、調試操作等工作。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

2、態(tài)。3 進行DCS的調試工作。二、 主要內容分為組態(tài)設計和系統(tǒng)調試兩個部分：1 組態(tài)設計11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)配置信息及外設類型，I/O卡件信息，電源布置，控制柜內安裝接線等。此部分內容作為了解內容，不進行具體組態(tài)。12實時數據庫組態(tài)數據庫組態(tài)是系統(tǒng)組態(tài)中應盡早完成的工作，因為只有有了數據庫，其他的組態(tài)工作（控制回路組態(tài)、畫面組態(tài)等）才可以調試。數據庫組態(tài)一般通過專用軟件進行，數據錄入時一定要認真仔細，數據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。13控制算法組態(tài)控制算法組態(tài)指的是將系統(tǒng)設計時規(guī)定的模擬量控制、

3、開關量控制等功能用DCS算法予以實現。本設計以主汽溫度串級控制策略為對象，并且模擬控制對象，構成閉環(huán)回路，完成這些控制算法的組態(tài)工作。14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過程運行情況，并通過畫面提供的軟操作器來干預生產過程，因此畫面設計是否合理、操作是否方便都會對運行產生重要影響。本設計要求設計關于主汽溫控制的簡單流程圖畫面、趨勢畫面、參數顯示畫面、操作畫面，并把有關的動態(tài)點同控制算法連接起來。15報警顯示在數據庫中進行溫度報警值設置，在運行界面中顯示報警窗口。本設計要求能夠模擬實現超溫報警。16趨勢組態(tài)。顯示需要觀察的數據點趨勢圖。2 系統(tǒng)調試設計要求進行動態(tài)調試。

4、實際工作中的動態(tài)調試是指系統(tǒng)與生產現場相連時的調試。由于生產過程已經處于運行或試運行階段，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，更不允許造成系統(tǒng)或設備故障。動態(tài)調試一般包括以下內容：1）觀察過程參數顯示是否正常、執(zhí)行機構操作是否正常；2）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；3）對控制回路進行在線整定；4）當系統(tǒng)存在較大問題時，如需進行控制結構修改、增加測點等，應盡量在停機狀態(tài)下重新組態(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。三、 進度計劃序號設計(實驗)內容完成時間備注1了解設計內容，閱

5、讀并理解課程設計指導書的要求。D12熟悉LN2000分散控制系統(tǒng)軟件的組態(tài)方法。D13進行組態(tài)設計要求的6項內容。D1D24進行系統(tǒng)調試D25撰寫課程設計報告D36上機答辯考核D3四、 設計（實驗）成果要求1 完成系統(tǒng)結構圖及數據點清單，打印各步的組態(tài)設計圖紙。2 對系統(tǒng)設計過程進行總結，完成并打印設計報告。五、 考核方式1 設計報告內容及格式考查。2 按上述步驟逐項完成軟件內容的設計，進行操作演示，并進行答辯。分散控制系統(tǒng)與現場總線技術課程設計報 告 書一、分散控制系統(tǒng)課程設計的目的與要求1、設計內容概要: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)并進行DCS的調試工作2、

6、串級過熱汽溫控制系統(tǒng)的組成及特點 3、串級汽溫控制系統(tǒng)設計 二、課程設計正文1.串級汽溫控制系統(tǒng)的工作原理 圖1所示的串級汽溫控制系統(tǒng)，只要導前汽溫發(fā)生變化，副調節(jié)器P就去改變減溫水流量，初步維持后級過熱器入口汽溫在一定范圍內，起粗調作用。而過熱器出口汽溫的控制，則是通過主調節(jié)器PI來校正副調節(jié)器工作，只要未達到給定值，主調節(jié)PI的輸出信號就不斷遞變化，使副調節(jié)器不斷去控制減溫水噴水量的變化，直到恢復到給定值為止。穩(wěn)態(tài)時，導前汽溫可能穩(wěn)定在與原來數值不同的數值上，而主汽溫則一定等于給定值。圖1 串級汽溫控制系統(tǒng)工作原理 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，可以選用不同的調節(jié)

7、器。副回路及副調節(jié)器的任務是快速消除內擾，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節(jié)器。當導前汽溫慣性較大時，也可選用比例微分調節(jié)器。主回路及主調節(jié)器的任務是維持恒定，一般選用比例積分調節(jié)器。當過熱器惰性區(qū)較大時，也可選用比例、積分、微分調節(jié)器。2. 串級汽溫控制系統(tǒng)設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為:被控對象導前區(qū)：（/%）被控對象惰性區(qū)：（/）圖2串級汽溫控制系統(tǒng)構成3.設計過程3.1采用如下設計方案為了更加形象地顯示串級系統(tǒng)的控制作用，可以假設一個簡單的對象模型，如圖中紅色框內所示，使用SAMA模塊搭建，僅

8、用來示意，實際中對應具體的被控對象，在控制邏輯組態(tài)圖中沒有這部分內容。紅色框內產生PV1主汽溫度、PV2導前汽溫，接受從控制器來的OP閥門開度信號。 該控制對象的建立參考某電廠鍋爐參數，使用某設計值下的參數作為系統(tǒng)的靜態(tài)點，在該靜態(tài)點情況下，工況不再發(fā)生變化，無外界干擾，僅由減溫水來調節(jié)蒸汽溫度。3.2系統(tǒng)的靜態(tài)平衡狀態(tài)描述(1)上一級過熱器出口溫度：71號模塊設定為定值520度，該溫度測點在噴水減溫器之前。(2)末級過熱器出口溫度：SP設定值為540度，為末級過熱器出口溫度。 系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下，噴水減溫器之前溫度值為520度（模塊71），減溫水閥開度為50%，經減溫器（傳遞函數w2，模塊69）引

9、起40度的溫降，形成末級過熱器進口溫度480度（模塊70的輸出）；實際末級過熱器進口溫度經惰性區(qū)（傳遞函數w1，模塊70），得到最終的末級過熱器溫度（模塊72輸出）。3.3系統(tǒng)性能測試以上描述為某嚴格靜態(tài)點的平衡狀態(tài)，僅為示意，省略和簡化了很多因素，更合理的模型建立方式是采用機理建模方法，構成整個電廠熱力系統(tǒng)模型。在該簡化模型基礎上，可以進行以下實驗內容：(1)主汽溫度設定值的變化：將設定值SP（模塊68的SP輸出）進行改變，例如545或535度，觀察自動調節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)和工作變化。(2)上一級過熱器出口溫度的變化：改變模塊71的輸出，表示上一級過熱器出口溫度發(fā)生了變化，實現擾動，觀察自動調節(jié)系

10、統(tǒng)的克服擾動的能力。三、總結與結論1、DCS的組態(tài)步驟及內容 1)數據庫組態(tài)圖2)控制邏輯組態(tài)圖(SAMA圖)3)流程界面組態(tài)圖4)操作窗口組態(tài)圖5)趨勢圖手動操作 手動投自動 自動切手動定值擾動外部擾動6)報警實現及報警死區(qū)的作用所謂報警管理就是按照一定的規(guī)律去處理報警信息,其根本目的是使運行人員能夠及時發(fā)現問題、快速正確地處理問題并可靠記錄處理的全過程。當信號值超過了報警上限值時，就會進入上限報警狀態(tài)，如果超過了報警上上限，就進入了嚴重報警狀態(tài)，這個時候，系統(tǒng)必須通知操作員采取措施，防止事故的發(fā)生。越下限報警類似。為了避免該數據點的值在報警值附近波動的時候，系統(tǒng)報警頻繁發(fā)生，通常會加入一個

11、報警死區(qū)。在軟件上，當一個點進入上限報警狀態(tài)時，報警產生，當這個數據點的數值返回到報警上限值時，并不立刻消除報警狀態(tài)，而是直到它回到高限和低限之內時，才取消報警。報警死區(qū)的作用就是用來防止報警頻繁發(fā)生。 7)操作員監(jiān)控界面8) 單回路數據庫組態(tài)圖9) 單回路SAMA圖 單回路有追蹤 單回路無追蹤10) 單回路實施趨勢 單回路有無追蹤趨勢圖2、設計分析2.1串級控制系統(tǒng)中無擾切換的實現。手動投自動時無擾動的實現：調節(jié)系統(tǒng)手動時，副調節(jié)器輸出自動跟蹤 M/A站手動輸出，主調節(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節(jié)器PID2的跟蹤端，因串級系統(tǒng)副調節(jié)器PID2在不斷工作，只有使

12、其輸出為零，才能實現無擾，因此還需使副調節(jié)器PID2的PV反饋到主調節(jié)器PID1的TR端。這樣，手動時，副調節(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。自動切手動無擾動的實現：自動切向手動的瞬間輸出值等于切換前的自動輸出值，故切換瞬間不產生擾動。在這之后，調節(jié)器的輸出是在原來的基礎上加增量，也不會發(fā)生突變，因此達到了無擾動切換的目的。 2.2主副調節(jié)器正反作用的確定。 （1）判斷副調節(jié)器PID2作用當導前汽溫溫度升高時，需要調節(jié)閥門開度增大，即增大M/A模塊的Y值，故副PID調節(jié)器的輸出AO值應增大，又因為導前汽溫溫度的升高會使

13、副PID調節(jié)器的PV值增大，故副調節(jié)器應為正作用。 （2）判斷主調節(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，從而使主調節(jié)器的PV值升高，此時應調節(jié)閥門開度增大,即增大M/A模塊的Y值，而副PID調節(jié)器的輸出AO值和PV值都會增大，故SP應減小，故主調節(jié)器應為負作用。 2.3 PID參數整定的步驟及方法。根據經驗值預設置PID參數,再進行調試調整。先令SP為540攝氏度，閥門開度為50%，手動調節(jié)至平衡，即使主汽溫值為540攝氏度為止，然后調自動，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，則調節(jié)兩個PID調節(jié)器的參數，直至在550攝氏度時穩(wěn)定為

14、止，之后再改變一下SP值，若主氣溫值能隨其改變，則說明參數已調好。 方法：提出一種穩(wěn)定域約束的串級PID控制器的參數優(yōu)化方法，首先要得到串級PID控制器參數的穩(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。而我在實驗中用的是拼湊法和經驗法，通過觀察趨勢曲線來調節(jié)兩個PID的參數，通過反復改動使得參數合適。 2.4 設定值擾動及內外干擾情況下系統(tǒng)的響應及分析。 當外部擾動使得主汽溫輸出值增大時，使得PID調節(jié)器變化，主調節(jié)器反作用，副調節(jié)器正作用，使得閥門開度增大，從而調節(jié)主汽溫輸出值降低，達到設定值。反之，當外部擾動使得主汽溫輸出值減小時，調節(jié)器作用，使得閥門

15、開度減小，從而調節(jié)主汽溫輸出值升高，達到設定值。當設定值擾動使得設定值增大或者減小時，主副調節(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定值。 2.5單回路控制與串級控制的對比分析選用串級控制的時候，當出現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，即去掉副調節(jié)器構成單回路控制系統(tǒng)時，需要把PID模塊的動作方向改為正作用。和單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)改善了被控過程的動態(tài)特性，具有較強的抗擾動能力和一定的自適應能力，能夠準確及時地對系統(tǒng)的給定值擾動和外擾進行校正。 3.對本課程設計的體會、意見和建議經過3天的DCS部分的課程

16、設計,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DC的調試工作,同時對電廠的 DCS的有了一個初步的認識。在這個課程設計中，我不僅更加熟練了地掌握了課程上機實驗時的數據庫組態(tài)、SAMA圖組態(tài)、圖形界面組態(tài)、趨勢組態(tài)的方法，而且實現了報警，學習了PID參數整定的步驟及方法,了解了主副調節(jié)器正反作用的確定,并且知道了串級控制系統(tǒng)中無擾切換的實現原理。同樣也遇到了很多問題。在程序界面組態(tài)的時候,對于選折線、直線還是多邊形,搞不清楚,還有大概是軟件應用不熟練,畫導致重復畫了很多次。對于PID參數,因為有經驗值,所以確定參數比較順利。第三天上機,調試了很多次截了很多圖,但是由于截圖的時間不合適,趨勢圖的上