基于sm西门子CS的锅炉综合过程控制

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1、基于西门子PCS7的锅炉综合过程控制摘要锅炉是一种能量转换设备，在我国的国民经济发展中占有着重要的地位，电力、机械、化工、冶金、纺织、食品、造纸等行业 , 以及工业和民用采暖都有着锅炉的身影。以工业上最常见的自然循环锅炉作为被控对象，根据锅炉的主要控制参数，成分，温度，压力，流量，液位，区分来说就是锅炉的产汽量，过热蒸汽出口温度以及压力，燃料量，汽包水位，烟气含氧量，风量，炉膛负压等等，并分析其工艺流程和动态特性的，结合安全、稳定等控制要求设计出了锅炉系统的总体控制方案。采用SMPT-1000仿真过程控制设备，根据控制方案三个层次的要求：生产要求，安全要求和优化要求以及锅炉的详细控制参数，设计

2、工程有前馈-串级控制系统，串级控制系统，双闭环比值控制系统，前馈-反馈控制系统和单回路控制系统，并使用西门子集散控制系统DCS中PCS7软件编程，编程顺序有OS组态，AS组态，组态下载，CFC连续功能图与SFC顺序功能图的编译与下载， WINCC的在线监控以达到优化控制系统的设计目的。关键词：PCS7；SMPT-1000；过程控制；锅炉 Integrated process control of boiler based on Siemens PCS7 simulation Abstract Boiler is a kind of energy conversion device, in ou

3、r country, the development of national economy, plays an important role, electric power, machinery, chemical industry, metallurgy, textile, food, paper and other industries, and industrial and civil heating has a figure of the boiler. In industry the most common natural circulation boiler as a contr

4、olled object, according to the main control parameters of the boiler, composition, temperature, pressure, flow, level, distinguish it is boiler steam production quantity, superheated steam outlet temperature and pressure, the amount of fuel, drum water level, oxygen content in flue gases, air, vacuu

5、m furnace and so on and analysis the process and dynamic characteristics, combining with the safe and stable control requirements to design the control scheme of the overall system of boiler. The smpt-1000 simulation process control equipment, according to the requirements of the control scheme of t

6、hree level: production requirements, safety requirements and requirements and boiler with control parameter optimization, engineering design with feedforward cascade control system, cascade control system, the double closed loop ratio control system, feedforward feedback control system and a single

7、loop control system, and the use of Siemens distributed control system DCS PCS7 software programming and sequential programming with OS configuration, configuration of atherosclerosis, download configuration, CFC continuous functional diagram and the SFC sequential function chart, compile and downlo

8、ad, WinCC online monitoring to achieve to optimal control system is designed.Key words：PCS7; SMPT-1000; process control; boiler目 录摘要IABSTRACTII1 绪论12 仿真设备与软件的介绍42.1 SMPT-1000仿真设备42.1.1 SMPT-1000硬件组成42.1.2 SMPT-1000软件系统52.2 西门子PCS7系统63锅炉控制方案的设计113.1仿真锅炉的设计原则113.2仿真锅炉的工艺流程123.3分析并设计系统的方案134锅炉系统方案的实现16

9、4.1控制方案的硬件组态164.1.1 AS硬件组态164.1.2编辑硬件变量表174.1.3 OS站组态184.1.4 网络连接组态与下载194.2 控制方案的软件编辑204.2.1 CFC连续功能图组态224.2.2 SFC顺序流程图组态274.2.3 WINCC组态285锅炉系统方案的运行与参数的整定315.1系统方案的运行315.2 PID参数的整定32结 论1致 2参考文献31 绪论锅炉作为工业过程中的大型动力设备，不仅在电力化工领域有着广泛运用，同时又能产出巨大热能，即分裂精馏原油也能干燥气体，所以锅炉在工业领域中也有着举足轻重的地位。能应用于加热水使其转变为蒸汽的锅炉称为蒸汽式锅

10、炉,也称之为蒸汽发生器;能应用于加热水使其提高温度转变为热水锅炉,称为热水式锅炉，而应用于加热有机热载体的锅炉又称为有机热载体式锅炉。从能源利用的角度来看,锅炉是种能源转换设备，在锅炉中,一次性能源(燃料)的化学贮藏通过燃烧过程转化成为燃烧产物(烟气和灰渣)将所载有的热能,又通过传热过程使热量传递给中间的载热体(例如水或蒸汽),然后依靠它将热量送到用热设备中去。这种传输热量的中间的载热体已经属于二次能源,因为它的用途是向用能的设备提供能量。当中间载热体应用于热机中进行热与功转换时,就叫做为“工质”。如果中间的载热体只是给热设备传输并且提供热量以进行热利用的话,那么通常被称为“热媒”。锅炉也能按

11、其用途分为电站锅炉、船舶锅炉、工业锅炉和机车锅炉等四类。前两类称为固定式锅炉,那是因为安装在固定基础上并且不可移动的。后两类便称为移动式锅炉。当今社会发展的迅速，特别是工业领域规模的不断壮大，我们也对能源需求越来越急切。同时我们现在的环境也要求锅炉控制的安全和环保，然而锅炉的工作环境却是高压高二氧化碳排放高温，怎么安全、有效和环保的控制使用锅炉已然成为工业领域上重要的课题。锅炉按照结构、燃料性质、容量大小、压力大小、用途和能源类型，亦可分为不同类型，锅炉工艺需求据锅炉类型不同也是多种多样，相应的控制方案也大不同。伴随着工业自动化水平的步步提高，我国的石油化工等大型企业对工业锅炉的控制要求也加强

12、了。在许多工业过程的使用中，锅炉中存在许多缺点，如耗能大，气压不稳，热效低等等。锅炉的控制包含了多个控制回路，例如压力控制回路，燃烧控制回路，液位控制回路，安全联防及温度控制回路等等，其中燃烧的过程是多输入多输出非线性的过程，而温度系统具有较大的惯性以及滞后性。所以，锅炉过程总体上来说是一个非线性时变的动态过程。目前，在国际工业控制领域围，复杂的系统控制，除去了采用经典PID控制，还有采用模糊的控制理论来设计先进的控制方案。模糊控制方案都具有灵活多变性，且与自适应的控制理论互相结合，能消除模糊控制带来的稳态偏差，并且这种控制方案已然成功的应用到许多先进复杂系统中去。模糊控制第一步先通过对系统被

13、调量采样得出的实际信号量：然后将这些实际信号量通过数据转换，得到模拟量；通过查表得出模糊决策；最后，根据模糊决策，得到控制信号，并将其送到执行机构去控制调节。模糊控制的控制效果是否精确，取决于决策表的编制是否合理。决策表总结了专业人员的技术经验及思维模式，使得系统更适合控制要求。如今，自控技术已成为锅炉控制不可或缺的一部分，它是提高锅炉整体性能，保持其高效环保运行的重要技术。但是，锅炉设备具有非线性、时变特性，同时，主流控制技术存在多种缺陷，比如滞后性和惯性。这些因素导致锅炉系统，在当前时期仍不能实现全自动化控制。现在，PLC的各方面都有飞跃地发展，比如，模拟、仿真、高等运算算法及通讯网络方面

14、，并逐渐适应国石油化工、轻工业、汽车制造业、机械制造业及精细加工等领域均有较好的应用。介于PLC仪表工控功能逐渐提高，对电池要求较DCS低，用于回路控制有较好的效果，并有自动，半自动，手动等操作，PLC在某些领域逐渐替代了独占鳌头的集成控制DCS，比如，在化工领域锅炉控制上，PLC就有就好的应用效果。PLC不仅具有传统的PID控制模块，还结合计算机高级运算算法进行智能控制，比如，模糊控制、神经系统控制、及其他先进控制。在燃烧系统上，利用模糊控制原理，采用模拟信号，采集炉温，建立控制查询表，根据温度偏差输出变频器变化信号， 有效控制炉温。神经系统在这一方面也有应用，将PID的参数设为BP神经网络

15、输出，调节神经网络W值，实现网络自我学习的功能，精确调整控制参数，达到控制效果。自适应控制在炉温控制上，也取得较好的成果。首先建立控制系统数字模型，再结合自适应PID控制算法，得出控制结论，精确稳定控制炉温。针对锅炉是1个多输入和多输出的系统，具有非线性、强耦合、大滞后等特点，本设计在分析其工艺流程和动态特性的，结合安全、稳定等控制要求基础上，综合考虑节能减排的要求，提出了锅炉系统的综合自动控制方案，包括: 汽包水位控制系统、燃料流量控制系统、烟气氧含量控制系统、炉膛负压控制系统、过热蒸汽出口压力控制系统、过热蒸汽出口温度控制系统、过热蒸汽出口压力控制系统、过热蒸汽出口流量控制系统等 7个部分

16、。并采用版本为V8.0 up1的PCS7过程控制系统和高级多功能实训过程控制系统(SMPT1000)的锅炉单元实施已经设计好的控制方案，由PCS7 中提供的连续功能图CFC 与顺序功能图 SFC 实现该方案从冷态开车到最终达到稳态整个过程，并用wincc实施在线监控。实验结果证明，该锅炉系统控制方案能够保证整个开车过程的平稳运行，不仅满足了控制要求，还具有一定的抗干扰性。2 仿真设备与软件的介绍2.1 SMPT-1000仿真设备在本次课题设计中，所用到的是仿真设备是Super Multifunction Process Control Training System 即SMTP-1000，它是

17、最新一代的高级多功能过程控制综合实训系统，一个包括多种工业生产工艺的一套仿真系统，有锅炉和蒸发器组成的水汽热能全流程，可拆分为以下六种生产工艺过程：设备级和单员级工艺流程 1. 非线性液位与离心泵系统工艺流程 2. 动力除氧系统工艺流程 3. 高阶换热系统工艺流程 4. 加热炉工艺流程水汽热能全流程工艺 1. 锅炉系统工艺流程 2. 蒸发器工艺流程2.1.1 SMPT-1000硬件组成SMPT-1000运用高精度动态仿真技术,将实际工业装置的各种对象特性用数字化手段完整地在小型化半实物实验装置上得到再现。由于实验对象特性与工业装置完全一致,多种信号与通信方式、数十个检测点与十多个执行机构可自由

18、地设计、探索各种控制算法与方案,更加真实地模拟了实际工业现场的操作场景。1. 流程设备盘台：SMPT-1000由小型流程设备操作台、数字式软仪表与接口硬件、系统监控软件和过程模型软件4部分组成。这4部分通过小型实时数据库和实时数字通信协调运行,完成复杂的半实物模拟实验。SMPT-1000采用空间立体分布设计,所有变送器、执行器均分布在实际位置,具有很强的工业感。调节阀管路设计符合工业现场,安装了前、后阀和旁路阀,可以模拟调节阀故障,调节阀特性可以在快开、线性、等百分比、抛物线4种特性中任何选择。本系统采用动态定量数学模型模拟真实工艺流程,并提供各变量的当前值。该实验系统的最大特点就是每个反应设

19、备和执行机构的参数均可以改变,以便模拟各类真实的工况场景。为满足设计、组合多种多样的控制方案,以及获取被控参数曲线等需求,系统还自行开发了专用的VC+ +控制系统图形组态软件。2. 控制方式：SMPT-1000可以通过AI/AO、DI/DO、Profibus、OPC与各种PLC、DCS或工业控制计算机等控制器相连,同时配备有操作与联锁停车控制台。与西门子的PCS7可以组成现场站、控制站、操作站三级完整的工业控制环境。本文采用Profibus-DP方式完成过程控制实验开发。Profibus-DP的设计可代替制造自动化中传统的24 V并行信号传输,过程自动化中4 20 mA或HART模拟信号传输。

20、SMPT-1000全部设备运用动态的仿真技术，完整地保留了对象动态特性，涉及到的燃烧和换热等环节，均实现锅炉过程数字化，并能将其完整的体现出来，如图2.1。图2.1 SMPT-1000各部分组件图2.1.2 SMPT-1000软件系统 SMPT-1000软件系统包括上位机软件SMPTLAB，实时仿真引擎软件SMPTRUNTIME，以及其他软件和硬件接口软件。1. 上位机软件SMPTLAB实现实验项目的管理，实时数据的监视，控制系统的组态等日常实验功能。2. 实时仿真引擎软件SMPTRUNTIME完成实时动态仿真计算以及数据管理功能，目前能够实现以下动态仿真模型：非线性液位与离心泵动态仿真模型、

21、动力除氧动态仿真模型、高阶换热动态仿真模型、加热炉工艺流程、工业锅炉动态仿真模型、蒸发器动态仿真模型以及水汽热能全流程动态仿真，如图2.2。图2.2 SMPTLAB软件运行图2.2 西门子PCS7系统西门子PCS 7系统是完全无缝集成的自动化解决方案。可以应用于所有工业领域,包括过程工业，制造工业，混合工业以及工业所涉及的所有制造和过程自动化产品。作为先进的过程控制系统，SIMATIC PCS7 形成了一个带有典型过程组态特征。PCS7是西门子的DCS系统，基于过程自动化，从传感器、执行器到控制器，再到上位机，自下而上形成完整的TIA（全集成自动化）架构。主要包括Step7、CFC、SFC、S

22、imatic Net和WinCC以及PDM等软件，组态对象选用S7-400高端CPU，一般应用于钢铁和石化等行业。PCS7并不等同于Step7+WinCC，PCS7中的OS中的很多模板和画面都是在Step7中用CFC和SFC自动生成的，变量记录和报警记录也都是由Step7中编译传送到WinCC中去的，并不需要象使用普通WinCC那样手动组态画面、变量记录和报警记录，如图2.3。图2.3实验室西门子PCS7系统在本次设计的DCS控制系统中使用到的硬件包括如下：订货号为407-0KA02-0AA0的电源PS 407 10A；订货号为412-5HK06-0AB0，PLC 版本为V6.0的CPU 41

23、2H PN/DP；订货号为443-1EX30-0XE0，CP版本为V3.0的CP 443-1，如图2.4和2.5。图2.4 PCS7 上位机图2.5 PCS7现场控制级SIMATIC PCS7过程控制系统是全集成自动化（TIA）的核心部分，为生产、过程控制和综合工业中所有领域实现统一且符合客户要求的自动化平台。通过采用 SIMATIC PCS 7 的全集成自动化解决方案，可实现一致性的数据管理、通讯和组态，性能优异并可前瞻性地确保满足典型的过程控制系统应用需求。1. 简单而可靠的过程控制2. 用户友好的操作和可视化，并可通过因特网实现3. 系统围功能强大、快速、一致性的工程与组态4. 系统围的

24、在线修改5. 在各个层级的系统开放性6. 灵活性和可扩展性7. 与安全相关的自动化解决方案8. 广泛的现场总线集成9. 仪表与控制设备的资产管理 PCS7软件包含以下应用程序，我们可以用它组态一个基本的PCS7工程: 1. PCS7工程组态系统ESSIMATIC管理器是工程组态控制的控制中心，是工程组态工具套件的综合平台，同时也是SIMATIC PCS7过程控制系统所有工程组态任务的组态基础。SIMATIC PCS7项目各个方面的创建、管理、归档和记录都在这里进行。 组态容主要包括：控制系统硬件，包括分布式 I/O 和现场设备、通讯网络、用于连续和批生产过程的自动化功能（AS 工程组态）、操作

25、和监视功能（OS 工程组态）、诊断和资产管理功能。CFC连续功能图:CFC 编辑器是用于图形方式组态和连续自动化功能调试的工具。在功能强大的自动路径选择和 HMI 消息集成组态的支持下，可将预组态的功能块在 CFC 部定位、组态和互连。除了便捷的编辑功能外，CFC功能也包括强大的测试和调试功能，以及可以单独组态的文档记录功能。仿真:使用 S7-PLCSIM 仿真软件，用户可以在 PG/PC 上对用 CFC/SFC 创建的用户程序进行测试，而不管目标硬件是否可用。因此，在早期开发阶段就可以检测并消除错误。 这样就可以快速进行调试，降低成本并获得更高的程序质量。2. PCS7操作员系统OS通过 S

26、IMATIC PCS 7 过程控制系统的操作员系统，操作人员可方便而安全地执行过程。 操作员可以通过各种视图来观察过程序列，并在必要时进行干预，从而对系统进行控制。操作员系统架构具有很大的可变性，可灵活地适应不同的工厂架构和客户需求。该架构的基础是由完美协调的单用户系统操作员站（OS 单站）和具有客户端 / 服务器架构的多用户系统操作员站所构成。窗口功能:不固定位置的窗口可显示某个设备或控制对象的具体参数或趋势，方便操作员对其进行操作或分析。消息系统:每个 OS 单站 /OS 服务器最多可组态 150000 条消息：预定义的系统消息，由系统事件触发、单个或群组消息，由过程状态的更改初始化、操作

27、员输入消息，在手动操作对象时产生，集成在操作员系统中的消息系统通过AlarmControl功能，来记录这些过程消息和本地事件，并将其保存在消息归档中，然后进行显示。 3. 西门子自动化系统AS自动化系统具有如下特点：模块化无风扇的设计、强大的扩展能力和坚固的结构、单一或冗余设计、全面的通讯功能、集成的系统功能、集成安全功能、简单连接集中式或分布式 I/O，我们提供的所有自动化系统都选用有硬件控制器的独立控制器，并且是由西门子预组装和测试的完整系统。高达科技根据项目的具体需求，确定自动化系统的类型。主要依据是点数及根据点数测算的PO（过程对象）数目。3锅炉控制方案的设计 控制方案决定设备控制效果

28、，观察设备的特性，根据控制要求和设备特点设计去设计控制方案。在控制中，阀门的开闭形式及控制器的正反作用对控制效果也有很大影响。对于工业传热设备，锅炉控制目的是：工业介质达到规定温度，即对工业介质加热或冷却，使其在规定温度围；工业介质改变相态，即根据工业要求，对工业介质加热或冷凝改变相态；回收热量，根据工业工艺要求，取温度为被控变量，平衡设备热量。3.1仿真锅炉的设计原则 锅炉是工业设备中特殊的传热设备，与一般传热设备不同，它有自身的结构和特点。锅炉控制主要目的是在不超负荷、安全生产的前提之下，使蒸汽具备适当温度和压力，同时需要遵循生产安全、环保的一系列条件。控制系统设计应考虑一下几点。 1.

29、满足产品质量及产量要求。 本课题产出产品为过热蒸汽，满足过热蒸汽产量的前提下，保证过热蒸汽的输出稳定，维持在允许的波动围之，同时让输出的过热蒸汽的温度与压力达到工艺要求。在生产指标主要控制环节为燃烧控制及减温器控制。 2. 满足生产安全指标 安全是生产的必要条件，除氧器压力及水位，锅炉的汽包水位，炉膛压力等必须符合相关安全标准围。同时，所有工序按序进行，生产过程保持稳定。因此，要充分考虑各生产过程可能产生的各类问题。 3. 满足生产优化指标 当前社会越来越强调节能，环保，主要在烟气排放控制环节及燃烧环节，节约热能，控N-氧化碳的排放量，保证节能，环保。 4. 阀门开闭形式选择原则 控制阀正反作

30、用选择对控制方案至关重要，对于控制阀作用选择，人员及设备的安全应放在首位。当故障发生时，阀门应恢复到锅炉冷态状态，防止故障发生。其次考虑控制质量，保证工艺介质出口温度在正常围。 5. 控制器正反作用选择 控制器、控制阀、被控对象、测量变送器及偏差环节构成控制回路。控制回路为负时，遇到干扰，系统响应衰减达到稳定。所以，在控制设计中，控制回路为负。根据各个控制回路各组成符号乘积符号为负原则，确认控制阀、被控对象、测量变送器及偏差环节的符号，即可确认控制器的正反作用。3.2仿真锅炉的工艺流程本论文针对 SMPT1000仿真实验装置，被控对象为自然循环锅炉系统。工艺流程主要包括: 汽包、燃烧系统和过热

31、蒸汽系统 3 部分，如图3.1。图3.1锅炉工艺流程图1. 汽包水位控制系统软化水经上水泵 P1101 后分成 2 路，一路去减温器 E1101，与过热蒸汽换热，并微调过热蒸汽的温度，然后与另一路给水混合进入省煤器 E1102，吸收烟气中的余热。被烟气加热成饱和水的锅炉给水全部进入汽包 V1102，再经过对流管束和下降管进入锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热变成汽水混合物，然后返回汽包 V1102 进行汽水分离。汽水分离是汽包的重要作用之一，汽包 V1102 顶部设放空阀 V1104，汽包中部设水位检测点LI1102。分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛 F1101 进行汽相升温，成为过热蒸汽。2. 燃烧系统

32、燃料经燃料泵 P1102 泵入炉膛 F1101 的燃烧器，空气由变频鼓风机 K1101 送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器以一定比例混合燃烧，产生热量使锅炉水汽化。燃烧产生的烟气带有大量余热，自上而下经过省煤器 E1102 盘管的间隙给上水预热。换热后的烟气经由烟道，靠烟囱的抽力抽出，通入大气。过热蒸汽系统出炉膛 F1101 的过热蒸汽进入减温器 E1101 壳程，进行过热蒸汽温度微调并为锅炉给水预热，最后以工艺所要求的过热蒸汽压力、过热蒸汽温度输送给下游生产过程。过热蒸汽出口管线上设开关阀 XV1105。3.3分析并设计系统的方案通过对锅炉对象特性的分析，可以明确控制任务和控制围，合理制定和选取

33、被控变量、操作变量及控制设备，使被控对象平稳安全的生产出合格产品，为了使锅炉的生产单元为下游提供3.8MPa、450度的过热蒸汽，结合我们已有的知识，可以归纳出需要控制和监测的变量，如表3.1和表3.2。表3.1需要控制的变量数据名称位号汽包上水流量燃料流量风量过热蒸汽出口流量FI1101FI1103FI1104FI1105汽包水位LI1102过热蒸汽出口温度TI1104炉膛压力过热蒸汽出口压力PI1102PI1104烟气含氧量AI1101确定方案前，首先要保证生产的稳定性和安全性，在确保工艺流程能够安全稳定长周期生产的前提下，可以考虑对控制器参数，生产指标等进行优化，以获取更高的收益，根据我

34、们已经学习的知识，针对需要控制的变量，可以设计如下控制回路：表3.2需要监测的变量数据名称位号去减温器的汽包上水流量省煤器出口烟气流量FI1102FI1107炉膛温度进入炉膛的饱和蒸汽温度去减温器的过热蒸汽温度省煤器出口烟气温度TI1101TI1102TI1103TI1105燃料压力汽包压力省煤器出口烟气压力PI1101PI1103PI1105图3.2 SFC顺序流程图汽包水位-锅炉上水流量-过热蒸汽出口流量前馈-串级控制；过热蒸汽出口压力-燃料流量串级控制系统；燃料流量-风量双闭环比值控制系统；风量-烟气含氧量前馈-反馈控制系统；过热蒸汽出口温度单回路控制系统；炉膛真空度-风量前馈-反馈控制

35、系统；过热蒸汽出口流量单回路控制系统。另外，针对安全生产问题，我们设计停风、停燃料连锁停车系统，如果出现燃料流量骤降和空气骤降的情况将启动连锁停车信号。在接到连锁停车信号后，切断过热蒸汽向下游生产单元输送通路，将不合格的过热蒸汽排向旁路管线，同时，停燃料泵、风机，全开烟道挡板，使炉膛自然降温。一段时间后关闭水泵，使整个锅炉停车，进入维修状态,如图3.2。 4锅炉系统方案的实现4.1控制方案的硬件组态首先，打开软件，使用“新建项目向导”来新建工程，如图4.1。图4.1 新建工程示意图4.1.1 AS硬件组态打开组件试图，选择CPU右边的硬件组态并打开，根据实验室DCS系统的硬件PLC,PS,CP

36、选择与之相对应的订货号和版本型号,使用ISO通信协议配置工业以太网接口CP443-1，输入CP443-1的MAC地址方面后续与个人计算机相连，随后在CPU的MPI/DP接口配置工业现场总线PROFIBUS，将与SMPT-1000仿真设备通信的接口模块PM125加载上去并配置DI,AI,DO,AO通信模组与编辑符号，最后编译并保存，如图4.2。图4.2 硬件组态视图4.1.2编辑硬件变量表在硬件组态之后，先完成I/O点统计，由于I/O点数较多，可以使用SMPT-1000特有的PROFIBUS总线功能，并根据前面对象特性的分析，在SMPT-1000操作系统界面下面确定I/O点及其地址。在AS组态以

37、后将I/O点编辑到PM125的符号位上面，如图4.3,4.4,4.5,4.6。图4.3 DI I/O点及其位置图4.4 AI I/O点及其位置图4.5 DO I/O点及其位置图4.6 AO I/O点及其位置4.1.3 OS站组态打开组件试图，打开OS右面的硬件组态，加载工业上面普通版本的网卡，使用IOS通信协议并输入个人电脑里面的MAC地址为后面与AS组态相连，编译并保存。为了使电脑的WINCC监控与AS相连，在编译并保存以后再次激活组件试图，打开电脑右下方的站组态管理器，修改OS名称使之与站管理器的站名一致，最后打开菜单栏里PLC下面的组态，传输数据使其组态一致，如图4.7和4.8。图4.7

38、 OS组态视图图4.8 OS站名更改图4.1.4 网络连接组态与下载打开菜单栏里面的NETPRO视图，在OS的通用网卡上面右键建立与AS的S7组态，由于是使用了IOS通讯协议，那么选择PC/PG接口中的PC internal，选择后编译并保存整个网络连接组态，最后，分别打开OS硬件组态与AS硬件组态，按照顺序先向个人电脑下载OS组态再向CPU下载AS组态，如图4.9。图4.9 网络组态图4.2 控制方案的软件编辑在控制器组态完成以后，还要针对PROFIBUS-DP从站通讯模块使用的泗博PM-125为PLC编写一段源程序，即选择CPU下面的源程序，插入个SCL源文件，打开编译为FB007后保存，

39、最后在CFC组态中单独插入个FB007框图编译并下载。如图4.10和4.11。图4.10 PM125设备图图4.11 SCL源程序图要注意的是通讯接口模块的CFC组态层级要高于下面的CFC组态，即需要添加新的工厂层级，打开CFC组态需要先激活工厂视图，在完成通讯接口模块的编译并下载后，根据前面锅炉过程控制系统的设计方案，编辑后面程序，如图4.12和4.13。图4.12 新建工厂层级图图4.13 通讯模块编译图4.2.1 CFC连续功能图组态 放置好各部分所需要的块，双击修改参数，将所有PID控制器调整为手动模式且设置比例增益为1、积分时间常数为99999、微分时间常数为0，设置关键数据为归档模

40、式，以及修改必要的单位，如图4.14到4.23。图4.14 过热蒸汽出口温度单回路控制系统图4.15过热蒸汽出口压力-燃料流量串级控制系统图4.16燃料流量-风量-烟气含氧量前馈-反馈-双闭环比值控制图4.17 汽包水位-锅炉上水流量-过热蒸汽出口流量前馈-串级控制图4.18炉膛真空度-风量前馈-反馈控制系统图4.19过热蒸汽出口流量单回路控制系统示意图图4.20 CFC中被监控温度变量的状态图图4.21 CFC中被监控流量变量的状态图图4.22 CFC中被监控流量变量的状态图图4.23 CFC中FV1102遥控阀状态图4.2.2 SFC顺序流程图组态激活工厂视图，选择与上述CFC编程的同一层

41、级的SFC并打开，按照控制方案要求，插入并编辑所需要的步与转移条件，编辑完成后编译并下载，如图4.24。图4.24 SFC顺序流程图 4.2.3 WINCC组态在CFC与SFC都编译与保存以后，接下来将进行最后WINCC的组态，在编译之前确定好同等级CFC界面是否有PICTURE，如没有就右键添加一个，接下来右键确定工厂层级为三，然后同样右键更新块图标，更新以后进入组件视图OS站下面的OS右键选择编译，编译完成后单击PICTURE进入WINCC，如图4.25到4.29。图4.25确定工厂层级图4.26 创建和更新块图标 图4.27 WINCC界面打开图图4.28 CFC组态导入图 图4.29

42、WINCC锅炉效果图5锅炉系统方案的运行与参数的整定5.1系统方案的运行 编辑并保存好各部分文件后，在程序已经下载到CPU的前提下，首先打开位于SMPT-1000的BoilerControl即锅炉工程，调整锅炉至冷态并将曲线清空，设置好与之对应的阀门状态，将所有PID控制器调整为手动模式且设置比例增益为1、积分时间常数为99999、微分时间常数为0，开始工程进入到系统开始与调试模式，通过个人计算机的WINCC与SMPT-1000仿真设备中的SMPTLAB软件实时在线监控，如图5.1到5.3。图5.1 SMPT-1000阀门设定图图5.2 SMPTLAB在线监控图图5.3 WINCC在线监控概况

43、图5.2 PID参数的整定 在进行PID参数的整定前，首先要明确三个基本参数Kp，Ki，Kd在实际控制中的作用： 1.比例环节：成比例的反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例系数kP越大，系统的响应速度越快，但过大，系统会产生超调，甚至导致不稳定。 2.积分环节：用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。但它有滞后现象，使系统的响应速度变慢，超调量变大并可能产生振荡。 3.微分环节：反应偏差信号的变化趋势（变化速率），调节误差的微分输出，误差突变时，能及时控制，并能在偏差信号变化太大

44、之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。但其会带来扰动敏感，抑制抗干扰能力差。 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用，如表5.1。表5.1 PID参数正定方法PID

45、参数整定方法优点缺点经验整定法简单方便，适用于记录曲线不规则，外界干扰频繁的控制系统参数整定花费时间长整定结果因人而异，没有明确标准理论整定法结果比较精确需要求出各个环节的传递函数，实际问题不能满足理论计算比较繁琐临界比例度法使用起来比较方便不适用于工艺方面不允许被控变量长时间的等幅振荡场合在纯比例控制情况下，系统可能不会出现等幅振荡只适用于二阶以上的高阶对象或者一阶纯滞后对象衰减振荡法整定质量好对时间常数小的系统不易测取衰减振荡周期对工艺过程干扰小安全可靠不宜用于干扰频繁的系统四种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制

46、器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数，如表5.2。表5.2 PID控制器的选取被控变量特征控制器的选取流量时间常数较小不易加入积分作用，一般采用比例积分控制器容易受到干扰液位纯滞后较小一般不加入微分压力时间常数与体积有关，例如大体积的容器压力时间常数较大，而管道压力时间常数较小时间常数较大的话可以加入微分，一般

47、情况下采取比例积分控制器温度时间常数比较大，控制起来不灵敏需要加入微分作用本文主要应用的是经验整定法，因为涉及到了如下七种控制回路：汽包水位-锅炉上水流量-过热蒸汽出口流量前馈-串级控制；过热蒸汽出口压力-燃料流量串级控制系统；燃料流量-风量双闭环比值控制系统；风量-烟气含氧量前馈-反馈控制系统；过热蒸汽出口温度单回路控制系统；炉膛真空度-风量前馈-反馈控制系统；过热蒸汽出口流量单回路控制系统。在控制器均为手动的前提下，先根据经验凑试法手动设定各个部分的PID控制参数，再将控制器调整为自动模式待曲线稳定后再去调整各个控制器的参数，双闭环比值控制系统；前馈-反馈控制系统；前馈-串级控制均可参考单

48、回路与串级控制系统参数的整定，通过对象的特性分析和经验整定法确定参数值，如表5.3。表5.3 经验整定法对象类型控制器参数P(Kp)I(Ti)D(Td)液位1.25-25-流量1-2.56-602-10温度1.6-5180-60010-100压力1.4-3.320-1802-20在线调试时，可以运用PCS7 特有的PID-Tuner来优化控制器参数，使之达到最好的效果，如图5.4。图5.4 PID-Tuner优化图结 论经过本次试验，可以得到以下结论：1、根据SMPT-1000锅炉的特性，按照锅炉工艺控制要求，设计本文的控制回路。2、本文采用西门子DCS集散控制系统中的PCS7软件进行PLC编

49、程，包括数据输入，数据输出及PLC控制。3、本文采用WinCC组态上机位监控平台，实现在线监控功能。4、通信上，本文设定ISO通信协议通过以太网实现了个人计算机与PLC通信，又通过工业总线PROFIBUS实现了PLC与SMPT-1000上面通信模块PM125的通信。5、本课题研究了锅炉特性，根据工艺要求及控制目的设计锅炉控制方案，使用西门子400型号的PLC设计程序；实现人机监控界面，整定参数；实现上下机位的通信。在控制设计上，本文利用锅炉的设计原则设计方案。6、根据所得到的控制效果图看,文中给出的设计方案能够很好地满足生产、安全等指标,具有很强的工业实用性。综上可知，本课题研究容完成了对SM

50、PT1000锅炉系统的良好控制，为实际工业锅炉的控制提供了参考依据。致 在本论文完成之际，最先要感的就是戴老师。从论文的选题，到课题的研究，直至最终的论文撰写，无不浸透老师辛勤的汗水。老师渊博的知识，丰富的经验，对知识的追求孜孜不倦、精益求精的治学态度，给我留下了很深的印象。老师严以律己、宽以待人的崇高品质更将是我的榜样。感我的老师，感您对我的关心、指导和教诲。感我的父母，感你们对我的教育，感你们给我的一切。感我的同学，感你们平时对我的帮助和在学习中、生活中的关心鼓励。感我身边所有的人，感有你们在我身边，你们使我成长、进步。参考文献1 马昕.深入浅出过程控制M.：高等教育，2013.2 勇，王

51、玉昆.过程控制系统及仪表M.：机械工业，2013.3佚名.PCS 7深入浅出Z.:西门子(中国),2005.4吴重光.化工仿真实习指南M.:化学工业,1999.5文博,马昕,贝克,等.加热炉控制系统的设计与实施J.自动化与仪表,2016(4):32-36.6 Moradi H,Alasty A,Bakhtiari-Nejad F.Control of a nonlinear boil-er-turbine unit using two methods: gain scheduling& feedback lin-Earization C/Seattle: Pro. of ASME international mechanical en-gineering congress& exposition,2007.7王树青，戴连奎，于玲 过程控制工程M : 化学工业，2009THANKS !致力为企业和个人提供合同协议，策划案计划书，学习课件等等打造全网一站式需求欢迎您的下载，资料仅供参考