DCS课程设计

课程设计报告(2012--2013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：学号：学生姓名：指导教师：设计周数：一周成绩：日期：年月日《控制装置与仪表A（DCS部分）课程设计》课程设计任务书一、目的与要求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。二、主要内容分为组态设计和系统调试两个部分：1．组态设计1．1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。1．2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。1．3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。1．4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。1．5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。本设计要求能够模拟实现超温报警。1．6趋势组态。显示需要观察的数据点趋势图。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。三、进度计划序号设计(实验)内容完成时间备注1了解设计内容，阅读并理解课程设计指导书的要求。D12熟悉LN2000分散控制系统软件的组态方法。D13进行组态设计要求的6项内容。D1～D24进行系统调试D3～D45撰写课程设计报告D46上机答辩考核D5四、设计（实验）成果要求1．完成系统结构图及数据点清单，打印各步的组态设计图纸。2．对系统设计过程进行总结，完成并打印设计报告。五、考核方式1．设计报告内容及格式考查。2．按上述步骤逐项完成软件内容的设计，进行操作演示，并进行答辩。《分散控制系统与现场总线技术》课程设计报告书一、分散控制系统课程设计的目的与要求1、设计内容概要:以LN2000分散控制系统为平台，完成过热汽温控制系统的组态并进行DCS的调试工作2、串级过热汽温控制系统的组成及特点3、串级汽温控制系统设计二、课程设计正文1.串级汽温控制系统的工作原理图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。2.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3.设计过程3.1采用如下设计方案为了更加形象地显示串级系统的控制作用，可以假设一个简单的对象模型，如图中红色框内所示，使用SAMA模块搭建，仅用来示意，实际中对应具体的被控对象，在控制逻辑组态图中没有这部分内容。红色框内产生PV1主汽温度、PV2导前汽温，接受从控制器来的OP阀门开度信号。该控制对象的建立参考某电厂锅炉参数，使用某设计值下的参数作为系统的静态点，在该静态点情况下，工况不再发生变化，无外界干扰，仅由减温水来调节蒸汽温度。3.2系统的静态平衡状态描述(1)上一级过热器出口温度：71号模块设定为定值520度，该温度测点在喷水减温器之前。(2)末级过热器出口温度：SP设定值为540度，为末级过热器出口温度。系统在稳态下，喷水减温器之前温度值为520度（模块71），减温水阀开度为50%，经减温器（传递函数w2，模块69）引起40度的温降，形成末级过热器进口温度480度（模块70的输出）；实际末级过热器进口温度经惰性区（传递函数w1，模块70），得到最终的末级过热器温度（模块72输出）。3.3系统性能测试以上描述为某严格静态点的平衡状态，仅为示意，省略和简化了很多因素，更合理的模型建立方式是采用机理建模方法，构成整个电厂热力系统模型。在该简化模型基础上，可以进行以下实验内容：(1)主汽温度设定值的变化：将设定值SP（模块68的SP输出）进行改变，例如545或535度，观察自动调节系统的状态和工作变化。(2)上一级过热器出口温度的变化：改变模块71的输出，表示上一级过热器出口温度发生了变化，实现扰动，观察自动调节系统的克服扰动的能力。三、总结与结论1、DCS的组态步骤及内容1)数据库组态图2)控制逻辑组态图(SAMA图)3)流程界面组态图4)操作窗口组态图5)趋势图手动操作手动投自动自动切手动定值扰动外部扰动6)报警实现及报警死区的作用所谓报警管理就是按照一定的规律去处理报警信息,其根本目的是使运行人员能够及时发现问题、快速正确地处理问题并可靠记录处理的全过程。当信号值超过了报警上限值时，就会进入上限报警状态，如果超过了报警上上限，就进入了严重报警状态，这个时候，系统必须通知操作员采取措施，防止事故的发生。越下限报警类似。为了避免该数据点的值在报警值附近波动的时候，系统报警频繁发生，通常会加入一个报警死区。在软件上，当一个点进入上限报警状态时，报警产生，当这个数据点的数值返回到报警上限值时，并不立刻消除报警状态，而是直到它回到高限和低限之内时，才取消报警。报警死区的作用就是用来防止报警频繁发生。7)操作员监控界面8)单回路控制SAMA图2、设计分析2.1串级控制系统中无扰切换的实现。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。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。2.2主副调节器正反作用的确定。kidipkekeTTieTTkekku01)(21211kekekeTTkeTTkekekkukukudip（1）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。（2）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，故主调节器应为副作用。2.3PID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。2.4设定值扰动及内外干扰情况下系统的响应及分析。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。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。2.5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、对本课程设计的体会、意见和建议经过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。在这个课程设计中，我不仅更加熟练了地掌握了课程上机实验时的数据库组态、SAMA图组态、图形界面组态、趋势组态的方法，而且实现了报警，学习了PID参数整定的步骤及方法,了解了主副调节器正反作用的确定,并且知道了串级控制系统中无扰切换的实现原理。同样也遇到了很多问题。在程序界面组态的时候,对于选折线、直线还是多边形,搞不清楚,还有大概是软件应用不熟练,画导致重复画了很多次。对于PID参数,因为有经验值,所以确定参数比较顺利。第三天上机,调试了很多次截了很多图,但是由于截图的时间不合适,趋势图的上下限选择也不合理,导致图片观察起来不明显而且也无法说明问题得出结论,因此第二天又重新调试重新截图。这是我意识到以后再进行试验应该先知道自己要得到什么结论,要通过实验说明什么问题而不是盲目的操作,那样会浪费很多时间做了无用功。也有几点是我在写报告的时候无法理解的。设置报警死区的作用是为了避免数据点的值在报警