DCS課程設(shè)計(jì)最終完成版

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告(2014-2015年度第二學(xué)期)名 稱： 控制裝置與儀表A （DCS部分）課程設(shè)計(jì) 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(xué) 號： 201202030129 201202030201 學(xué)生姓名： 張琨 阿云嘎 指導(dǎo)教師： 翟永杰 設(shè)計(jì)周數(shù)： 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(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)任 務(wù) 書一、 目的與要求1 了解DCS應(yīng)用過程中的主要工作內(nèi)容及應(yīng)該注意的問題，并能根據(jù)應(yīng)用目的，進(jìn)行分散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組態(tài)、調(diào)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(jìn)行DCS的調(diào)試工作。二、 主要內(nèi)容分為組態(tài)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試兩個(gè)部分：1 組態(tài)設(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng)配置信息及外設(shè)類型，I/O卡件信息，電源布置，控制柜內(nèi)安裝接線等。此部分內(nèi)容作為了解內(nèi)容，不進(jìn)行具體組態(tài)。12實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫組態(tài)數(shù)據(jù)庫組態(tài)是系統(tǒng)組態(tài)中應(yīng)盡早完成的工作，因?yàn)橹挥杏辛藬?shù)據(jù)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(diào)試。數(shù)據(jù)庫組態(tài)一般通過專用軟件進(jìn)行，數(shù)據(jù)錄入時(shí)一定要認(rèn)真仔細(xì)，數(shù)據(jù)庫中一個(gè)小的錯(cuò)誤就會給運(yùn)行帶來極大的麻煩，如造成顯示錯(cuò)誤、操作不當(dāng)甚至死機(jī)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(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的模擬量控制、

3、開關(guān)量控制等功能用DCS算法予以實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)以主汽溫度串級控制策略為對象，并且模擬控制對象，構(gòu)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(yùn)行人員主要通過操作員站畫面來觀察生產(chǎn)過程運(yùn)行情況，并通過畫面提供的軟操作器來干預(yù)生產(chǎn)過程，因此畫面設(shè)計(jì)是否合理、操作是否方便都會對運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)關(guān)于主汽溫控制的簡單流程圖畫面、趨勢畫面、參數(shù)顯示畫面、操作畫面，并把有關(guān)的動態(tài)點(diǎn)同控制算法連接起來。15報(bào)警顯示在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行溫度報(bào)警值設(shè)置，在運(yùn)行界面中顯示報(bào)警窗口。本設(shè)計(jì)要求能夠模擬實(shí)現(xiàn)超溫報(bào)警。16趨勢組態(tài)。顯示需要觀察的數(shù)據(jù)點(diǎn)趨勢圖。2 系統(tǒng)調(diào)試設(shè)計(jì)要求進(jìn)行動態(tài)調(diào)試。

4、實(shí)際工作中的動態(tài)調(diào)試是指系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場相連時(shí)的調(diào)試。由于生產(chǎn)過程已經(jīng)處于運(yùn)行或試運(yùn)行階段，此時(shí)應(yīng)以觀察為主，當(dāng)涉及到必需的系統(tǒng)修改時(shí)，應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備及安全措施，以免影響正常生產(chǎn)，更不允許造成系統(tǒng)或設(shè)備故障。動態(tài)調(diào)試一般包括以下內(nèi)容：1）觀察過程參數(shù)顯示是否正常、執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作是否正常；2）檢查控制系統(tǒng)邏輯是否正確，并在適當(dāng)時(shí)候投入自動運(yùn)行；3）對控制回路進(jìn)行在線整定；4）當(dāng)系統(tǒng)存在較大問題時(shí)，如需進(jìn)行控制結(jié)構(gòu)修改、增加測點(diǎn)等，應(yīng)盡量在停機(jī)狀態(tài)下重新組態(tài)下裝。若條件不允許，也可進(jìn)行在線組態(tài)，但要熟悉在線組態(tài)的各個(gè)環(huán)節(jié)并做好應(yīng)急措施。三、 進(jìn)度計(jì)劃序號設(shè)計(jì)(實(shí)驗(yàn))內(nèi)容完成時(shí)間備注1了解設(shè)計(jì)內(nèi)容，閱

5、讀并理解課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)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(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)要求的6項(xiàng)內(nèi)容。D1D24進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試D25撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告D36上機(jī)答辯考核D3四、 設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)）成果要求1 完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及數(shù)據(jù)點(diǎn)清單，打印各步的組態(tài)設(shè)計(jì)圖紙。2 對系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行總結(jié)，完成并打印設(shè)計(jì)報(bào)告。五、 考核方式1 設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容及格式考查。2 按上述步驟逐項(xiàng)完成軟件內(nèi)容的設(shè)計(jì)，進(jìn)行操作演示，并進(jìn)行答辯。分散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào) 告 書一、分散控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的目的與要求1、設(shè)計(jì)內(nèi)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(jìn)行DCS的調(diào)試工作2、

6、串級過熱汽溫控制系統(tǒng)的組成及特點(diǎn) 3、串級汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二、課程設(shè)計(jì)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(dǎo)前汽溫發(fā)生變化，副調(diào)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(nèi)，起粗調(diào)作用。而過熱器出口汽溫的控制，則是通過主調(diào)節(jié)器PI來校正副調(diào)節(jié)器工作，只要未達(dá)到給定值，主調(diào)節(jié)PI的輸出信號就不斷遞變化，使副調(diào)節(jié)器不斷去控制減溫水噴水量的變化，直到恢復(fù)到給定值為止。穩(wěn)態(tài)時(shí)，導(dǎo)前汽溫可能穩(wěn)定在與原來數(shù)值不同的數(shù)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(gè)回路的任務(wù)及動態(tài)特性不同，可以選用不同的調(diào)節(jié)

7、器。副回路及副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是快速消除內(nèi)擾，要求控制過程的持續(xù)時(shí)間較短，但不要求無差，故一般可選用純比例調(diào)節(jié)器。當(dāng)導(dǎo)前汽溫慣性較大時(shí)，也可選用比例微分調(diào)節(jié)器。主回路及主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是維持恒定，一般選用比例積分調(diào)節(jié)器。當(dāng)過熱器惰性區(qū)較大時(shí)，也可選用比例、積分、微分調(diào)節(jié)器。2. 串級汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shù)為:被控對象導(dǎo)前區(qū)：（/%）被控對象惰性區(qū)：（/）圖2串級汽溫控制系統(tǒng)構(gòu)成3.設(shè)計(jì)過程3.1采用如下設(shè)計(jì)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(shè)一個(gè)簡單的對象模型，如圖中紅色框內(nèi)所示，使用SAMA模塊搭建，僅

8、用來示意，實(shí)際中對應(yīng)具體的被控對象，在控制邏輯組態(tài)圖中沒有這部分內(nèi)容。紅色框內(nèi)產(chǎn)生PV1主汽溫度、PV2導(dǎo)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(shù)，使用某設(shè)計(jì)值下的參數(shù)作為系統(tǒng)的靜態(tài)點(diǎn)，在該靜態(tài)點(diǎn)情況下，工況不再發(fā)生變化，無外界干擾，僅由減溫水來調(diào)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(shè)定為定值520度，該溫度測點(diǎn)在噴水減溫器之前。(2)末級過熱器出口溫度：SP設(shè)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(jīng)減溫器（傳遞函數(shù)w2，模塊69）引

9、起40度的溫降，形成末級過熱器進(jìn)口溫度480度（模塊70的輸出）；實(shí)際末級過熱器進(jìn)口溫度經(jīng)惰性區(qū)（傳遞函數(shù)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(yán)格靜態(tài)點(diǎn)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(jī)理建模方法，構(gòu)成整個(gè)電廠熱力系統(tǒng)模型。在該簡化模型基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：(1)主汽溫度設(shè)定值的變化：將設(shè)定值SP（模塊68的SP輸出）進(jìn)行改變，例如545或535度，觀察自動調(diào)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(shí)現(xiàn)擾動，觀察自動調(diào)節(jié)系

10、統(tǒng)的克服擾動的能力。三、總結(jié)與結(jié)論1、DCS的組態(tài)步驟及內(nèi)容 1)數(shù)據(jù)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(bào)警實(shí)現(xiàn)及報(bào)警死區(qū)的作用所謂報(bào)警管理就是按照一定的規(guī)律去處理報(bào)警信息,其根本目的是使運(yùn)行人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、快速正確地處理問題并可靠記錄處理的全過程。當(dāng)信號值超過了報(bào)警上限值時(shí)，就會進(jìn)入上限報(bào)警狀態(tài)，如果超過了報(bào)警上上限，就進(jìn)入了嚴(yán)重報(bào)警狀態(tài)，這個(gè)時(shí)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(bào)警類似。為了避免該數(shù)據(jù)點(diǎn)的值在報(bào)警值附近波動的時(shí)候，系統(tǒng)報(bào)警頻繁發(fā)生，通常會加入一個(gè)

11、報(bào)警死區(qū)。在軟件上，當(dāng)一個(gè)點(diǎn)進(jìn)入上限報(bào)警狀態(tài)時(shí)，報(bào)警產(chǎn)生，當(dāng)這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)值返回到報(bào)警上限值時(shí)，并不立刻消除報(bào)警狀態(tài)，而是直到它回到高限和低限之內(nèi)時(shí)，才取消報(bào)警。報(bào)警死區(qū)的作用就是用來防止報(bào)警頻繁發(fā)生。 7)操作員監(jiān)控界面8) 單回路數(shù)據(jù)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(shí)施趨勢 單回路有無追蹤趨勢圖2、設(shè)計(jì)分析2.1串級控制系統(tǒng)中無擾切換的實(shí)現(xiàn)。手動投自動時(shí)無擾動的實(shí)現(xiàn)：調(diào)節(jié)系統(tǒng)手動時(shí)，副調(diào)節(jié)器輸出自動跟蹤 M/A站手動輸出，主調(diào)節(jié)器輸出自動跟蹤導(dǎo)前氣溫溫度信號。將M/A站的輸出反饋到副調(diào)節(jié)器PID2的跟蹤端，因串級系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器PID2在不斷工作，只有使

12、其輸出為零，才能實(shí)現(xiàn)無擾，因此還需使副調(diào)節(jié)器PID2的PV反饋到主調(diào)節(jié)器PID1的TR端。這樣，手動時(shí)，副調(diào)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(shí)現(xiàn)：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(chǎn)生擾動。在這之后，調(diào)節(jié)器的輸出是在原來的基礎(chǔ)上加增量，也不會發(fā)生突變，因此達(dá)到了無擾動切換的目的。 2.2主副調(diào)節(jié)器正反作用的確定。 （1）判斷副調(diào)節(jié)器PID2作用當(dāng)導(dǎo)前汽溫溫度升高時(shí)，需要調(diào)節(jié)閥門開度增大，即增大M/A模塊的Y值，故副PID調(diào)節(jié)器的輸出AO值應(yīng)增大，又因?yàn)閷?dǎo)前汽溫溫度的升高會使

13、副PID調(diào)節(jié)器的PV值增大，故副調(diào)節(jié)器應(yīng)為正作用。 （2）判斷主調(diào)節(jié)器PID1作用導(dǎo)前汽溫溫度的升高會導(dǎo)致主氣溫溫度的升高，從而使主調(diào)節(jié)器的PV值升高，此時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)閥門開度增大,即增大M/A模塊的Y值，而副PID調(diào)節(jié)器的輸出AO值和PV值都會增大，故SP應(yīng)減小，故主調(diào)節(jié)器應(yīng)為負(fù)作用。 2.3 PID參數(shù)整定的步驟及方法。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值預(yù)設(shè)置PID參數(shù),再進(jìn)行調(diào)試調(diào)整。先令SP為540攝氏度，閥門開度為50%，手動調(diào)節(jié)至平衡，即使主汽溫值為540攝氏度為止，然后調(diào)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(diào)節(jié)兩個(gè)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直至在550攝氏度時(shí)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(shù)已調(diào)好。 方法：提出一種穩(wěn)定域約束的串級PID控制器的參數(shù)優(yōu)化方法，首先要得到串級PID控制器參數(shù)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(biāo)最優(yōu)的串級PID控制器參數(shù)。而我在實(shí)驗(yàn)中用的是拼湊法和經(jīng)驗(yàn)法，通過觀察趨勢曲線來調(diào)節(jié)兩個(gè)PID的參數(shù)，通過反復(fù)改動使得參數(shù)合適。 2.4 設(shè)定值擾動及內(nèi)外干擾情況下系統(tǒng)的響應(yīng)及分析。 當(dāng)外部擾動使得主汽溫輸出值增大時(shí)，使得PID調(diào)節(jié)器變化，主調(diào)節(jié)器反作用，副調(diào)節(jié)器正作用，使得閥門開度增大，從而調(diào)節(jié)主汽溫輸出值降低，達(dá)到設(shè)定值。反之，當(dāng)外部擾動使得主汽溫輸出值減小時(shí)，調(diào)節(jié)器作用，使得閥門

15、開度減小，從而調(diào)節(jié)主汽溫輸出值升高，達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)設(shè)定值擾動使得設(shè)定值增大或者減小時(shí)，主副調(diào)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(shè)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(shí)候，當(dāng)出現(xiàn)定值擾動及外部擾動時(shí)，主汽溫仍能快速的跟蹤。當(dāng)去掉一個(gè)PID模塊，即去掉副調(diào)節(jié)器構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)時(shí)，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(qiáng)的抗擾動能力和一定的自適應(yīng)能力，能夠準(zhǔn)確及時(shí)地對系統(tǒng)的給定值擾動和外擾進(jìn)行校正。 3.對本課程設(shè)計(jì)的體會、意見和建議經(jīng)過3天的DCS部分的課程

16、設(shè)計(jì),我成功的完成了完成過熱汽溫控制系統(tǒng)的組態(tài)并進(jìn)行DC的調(diào)試工作,同時(shí)對電廠的 DCS的有了一個(gè)初步的認(rèn)識。在這個(gè)課程設(shè)計(jì)中，我不僅更加熟練了地掌握了課程上機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)了報(bào)警，學(xué)習(xí)了PID參數(shù)整定的步驟及方法,了解了主副調(diào)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(shí)現(xiàn)原理。同樣也遇到了很多問題。在程序界面組態(tài)的時(shí)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(yīng)用不熟練,畫導(dǎo)致重復(fù)畫了很多次。對于PID參數(shù),因?yàn)橛薪?jīng)驗(yàn)值,所以確定參數(shù)比較順利。第三天上機(jī),調(diào)試了很多次截了很多圖,但是由于截圖的時(shí)間不合適,趨勢圖的上