锅炉的DCS设计 毕业设计Word下载.docx

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摘要

本课题以锅炉控制系统为对象，运用浙大中控设计的AdvanTrol-Pro软件对其进行DCS设计。

文章介绍了集散控制系统的基本结构，并根据现场锅炉的特点，介绍了锅炉系统的工艺过程，分析了锅炉控制对象的特点和基本的控制过程；

提出了相应的控制方案；

针对锅炉房现场中各个传感器以及输入设备之间数据通信的特点，确定出锅炉控制系统的结构、数据测量点数清单、卡件布置等,并根据计算机监控系统应满足的各项功能要求，设计计算机监控系统中数据采集，上下位机通讯及上位机管理子系统。

完成的DCS设计包括硬件组态、软件组态，其中有流程图画面和实时监控的设计，最后是对工艺现场监控软件系统进行模拟仿真，仿真结果显示所设计的系统画面真实、动态效果好，基本能满足设计要求。

关键词：

锅炉DCS控制系统AdvanTrol-Pro软件组态

ABSTRACT

Thistopictakestheboilercontrolsystemastheobject,usingthecentralcontroldesignAdvanTrol-ProsoftwareofzhejianguniversitytodesigntheDCS.ThispaperintroducesthebasicstructureofthedistributedcontrolsystemAndaccordingtothecharacteristicsoftheboiler,thispaperintroducesthetechnologicalprocessoftheboilersystem,analyzesthecharacteristicsoftheboilercontrolobjectandthebasiccontrolprocess,correspondingcontrolscheme;

forthecharacteristicsoftheeachsensorintheboilerroomandtheinputdatacommunicationequipment,todeterminethestructureoftheboilercontrolsystem,datameasurementpointslist,cardalayout,andmeettherequirementsoffunctionaccordingtothecomputermonitoringsystem,designcomputermonitoringsystemofdataacquisition,andtheupperandlowerlevelcomputercommunicationandPCmanagementsubsystem.CompletetheDCSconfigurationdesignincludinghardware,softwareconfiguration,thepicturesoftheflowchartofthereal-timemonitoringofdesign,thelastistheprocesssitemonitoringsoftwaresystemsimulation,thesimulationresultsshowthatthereisarealgoodeffectofthesystemdesign,dynamicpicture,mainlycanmeetingthedesignrequirements.

KEYWORDS:

TheboilerDCSthecontrolsystemAdvanTrol-Prosoftconfiguration

第一章引言

国民经济的快速发展和其他行业的技术进步迫切要求信息化在工业方面得到广泛的应用，特别是需要新技术改造的传统产业，因此工业自动化技术得以快速发展，利用工业自动化技术改造传统产业和产业结构，提高自动化、智能化、信息化水平，增强企业竞争能力，是一项非常迫切的任务。

锅炉是化工、炼油、发电、造纸和制糖等行业必不可少的动力设备。

在现代化的石油化工企业里，热力站的设立可以使工艺生产过程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不仅能为反应器、蒸馏塔、换热器、管道保温供热等提供能源，而且可以为生产过程中的风机、压缩机、泵类驱动透平等提供动力来源。

在热电企业，锅炉燃烧产生的蒸汽可以驱动汽轮机发电。

因此，锅炉往往成为工厂不可缺少的一部分。

1.1国内DCS系统应用现状

上世纪70年代，由于经济的迅速发展，生产装置迅速向大型化方向发展，尤其是石油炼制、冶金、化工、建材、电力等行业，这些行业生产装置能够带来明显的好处，如生产效率提高、原料消耗减少、劳动力成本降低等。

生产设施的大型化要求设备之间具有更好的协调性，而且停机将带来更大的损失。

因此用户迫切希望能够有一种产品或者系统能够解决生产设施大型化和连续化所面临的控制问题。

与此同时，在20世纪70年代中期，大规模集成电路取得突破性的进展，8位微处理机得到了广泛的运用，使自动化仪表工业发生了巨大的变化，现代意义上的DCS也应运而生，1975年Honywell推出了第一个DCS产品。

中国使用DCS始于1981年，当时吉化公司化肥厂在合成氨装置中引进了YoKogawa的产品，表现出良好的控制性能和可靠性。

随后中国引进的30套大化肥项目和大型炼油项目都采用了DCS控制系统，提高了生产设施的效率和产品的质量的连续性，并且物耗和能耗也有不同程度的降低。

DCS产品在石油和化工行业的成功应用也促进了其他行业控制系统的发展，在随后的几年，冶金、建材、电力、轻工等行业的新建项目中也陆续应用了DCS产品，并成为这些行业的主流控制系统。

经过30年的发展，现代的DCS产品与最初的产品相比在速度、可靠性、功能、通讯等方面取得了巨大进步。

就其功能上已经不再局限于控制层，而是增加了更多的管理层功能，向上提供企业管理系统接口。

与此同时，DCS向下不再局限于主工艺装置控制

系统的控制，而是将更多的辅助系统纳入到整个控制系统。

随着硬件技术的发展，DCS系统硬件的可靠性进一步增加，在系统规模日益扩大的情况下，硬件的平均故障时间（MTBF）也保持在100000小时以上。

现在的DCS控制站普遍采用32位处理器和多处理器技术，在最新的产品上已经开始使用64位处理器，相比8位处理器来说，运算的速度得到大幅度的提升。

中国庞大而形成的体系的流程工业形成了过程控制系统的市场基础。

而其中电力、化工、建材、造纸、市政、冶金的大幅度投资与增长，更形成了每年超过50亿元（2004）的DCS市场规模。

同时市场的行业分布也与这些主要行业的投资情况息息相关。

目前国内DCS应用来看，石化、化工和电力三分天下。

国际著名ARC咨询机构于2003年发布了世界DCS市场的预测报告中指出，2003年，中国DCS市场规模为45亿元，到2008年将增加到90亿元，也就是说中国DCS市场的年增长率预计将维持在15.1%。

随着中国经济的发展，国家在新建项目和旧厂改造方面投入了大量的资金，形成了较大的市场，因此全球的DCS厂商几乎都来到了中国，加速了这个领域的竞争。

趁着这股东风，国内的自动化厂商也如雨后春笋一样，经过激烈的竞争，国内DCS厂家，也保留下了几家比较有实力的公司，依次为：

浙大中控、合利时、上海新华等。

国内的厂商虽然在价格以及和实用性、本土化方面有独特的优势，可是一个现实就是，中国国内的自动化供应厂商市场依旧停留在小型项目上。

这就要求我国科研技术人员在消化和吸收国外技术的同时，自主创新我国自己的DCS，利用自身优势进军中大型项目。

以下为目前在中国市场最著名的DCS品牌：

1、ABB

2、霍尼韦尔

3、爱默生

4、FOXBORO

5、西门子

6、和利时

7、新华

DCS市场规模的行业划分：

电力占35.1%、化工占15.9%、石油占14.6%、建材占8.3%、造纸占7.7%、市政占4.8%、冶金占4.6%、其他行业占9.0%

目前DCS市场大部分是洋品牌占领,还该有60%~70%，主流的有ABB，霍尼韦尔，爱默生，等。

国产系统占有30%~40%的份额，从销售套数上讲，浙大中控最多；

从销售额上讲，新华最多。

和利时也是很有实力的公司。

目前国产主流系统就这三家。

1.2国内锅炉产业调查

中国的锅炉产业，它既不是“朝阳产业”，也不是“夕阳产业”，而是与人类共存的永恒产业，且在中国还是一个不断发展的产业。

20世纪80年代以后，中国的经济发生了突飞猛进的变化，锅炉行业更加突出，全国锅炉制造企业增加近二分之一，并形成了独立开发研制一代又一代新产品的能力，产品的技术性能已接近发达国家水平。

锅炉是经济发展时代不可缺少的商品，未来将如何发展，是非常值得研究的。

工业锅炉目前是中国主要的热能动力设备，工业锅炉多于电站锅炉，近年来，中国电站锅炉行业取得了快速的发展。

其一，产量大幅增长，行业产能快速提升。

目前，整个行业的产能已经超过8000万千瓦，不仅能满足国内电力工业建设的需要，而且还进入了国际市场。

　　2005年全年中国锅炉及原动机制造业实现累计工业总产值154,846,232千元，比2004年同期增长37%；

全年实现累计产品销售收入141,036,704千元，比2004年同期增长35.9%；

全年实现累计利润总额9,696,312千元，比2004年同期增长39.3%。

2006年1-12月，中国锅炉及原动机制造业实现累计工业总产值186,112,488千元，比上年同期增长22.93%；

实现累计产品销售收入173,137,987千元，比上年同期增长26.78%，全年实现累计利润总额11,905,751千元，比上年同期增长了20.5%；

2007年1-2月，中国锅炉及原动机制造业企业实现累计工业总产值29,052,541千元，比上年同期增长18.61%；

实现累计产品销售收入23,884,869千元，比上年同期增长16.63%，实现累计利润总额1,419,368千元，比上年同期增长1.7%。

　　2005年1-12月，全国工业锅炉累计产量为150,397.90蒸发量吨，与2004年同期相比增长了9.59%；

2006年1-12月，全国工业锅炉累计产量为192,378.44蒸发量吨，与2005年同期相比增长了11.26%；

2007年1-2月，全国工业锅炉累计产量为29,540.58蒸发量吨，与2006年同期相比增长了31.7%。

　　2005年1-12月，全国电站锅炉累计产量为321,331.60蒸发量吨，与2004年同期相比增长了37.5%；

2006年1-12月，全国电站锅炉累计产量为514,475.80蒸发量吨，与2005年同期相比增长了9.31%；

2007年1-2月，全国电站锅炉累计产量为52,777.00蒸发量吨，与2005年同期相比增长了11.12%。

　　2006年，中国蒸汽、过热水锅炉进口数量为为9,372,901.00台/公斤，比2005年同期下降54.9%，用汇183,365,503.00美元，比2005年同期下降9%；

2006年的出口数量为86,940,454.00台/公斤，比上年同期增长68.7%，创汇325,970,114.00美元，比上年同期增长80.9%；

　　2006年中国供暖锅炉进口数量为1,574,525.00台/公斤，比2005年同期增长2.8%，用汇65,961,186.00美元，比上年同期下降6%；

2006年的出口数量为2,833,581.00台

/公斤，比2005年同期增长20.4%，创汇10,832,594.00美元，比2005年同期增长11.74%。

　　中国锅炉制造业取得了长足的进步，目前已可以生产多种不同压力等级和容量的锅炉，已成为当今世界锅炉生产和使用最多的国家。

同时，轻工纺织、能源化工、钢铁煤炭等锅炉相关产业的迅速发展给锅炉行业带来了广阔的发展空间和发展动力。

1.3设计背景

70年代中期，过程工业发展很快，但由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求，在此情况下，业内厂商经过市场调查，确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制（针对精细化工等行业的批量生产方式），这们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。

由于当时计算机并不普及，人们已习惯于常规自动化仪表的显示操作，所以开发DCS应强调用户可以不懂计算机就能使用DCS；

同时，用户已习惯于在购置系统的同时配置自动化仪表，所以开发DCS还应强调向用户提供整个系统。

由先进的自动化技术推动的工业自动化进程步骤加快，DCS应用也越来越广泛，DCS应用于锅炉工艺，使工厂节约了大量的原材料消耗、能耗、劳动力的成本等等。

1.3本章小结

第一章通过对国内的DCS应用现状和锅炉产业的调查，引申出对本课题设计的工艺要求，在锅炉工业中引用成熟的DCS控制系统技术，实现工业过程自动化。

第二章DCS系统介绍以及工艺要求

集散控制系统（DCS）是一种以微处理器为基础的分散型综合控制系统，运用计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、冗余及自诊断技术，采用了多层分级的结构，适用现代化生产的控制与管理需求，目前已成为工业过程控制的主流系统。

2.1DCS系统介绍

DCS，（DistributedControlSystem）分散控制系统的简称，国内一般习惯称之为集散控制系统。

DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

DCS具有高可靠性以及开放性。

由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。

此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。

DCS采用的开放式，标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。

其技术特点有：

1、基于现场总线思想的I/O总线技术

2、先进的冗余技术、带电插拔技术

3、完备的I/O信号处理

4、基于客户/服务器应用结构

5、Windows.NET平台,以太网,TCP/IP协议

6、OPC服务器提供互连

7、Web浏览器风格,ActiveX控件支持

8、ODBC,OLE技术,实现信息,资源共享

9、高性能的过程控制单元。

10、支持标准现场总线

11、Internet/Intranet应用支持

基于DCS技术应用成熟的大前提下，本设计采用浙大中控JX-300XPDCS控制系统展开设计。

2.2JX-300XPDCS系统介绍

2.2.1硬件介绍

1、系统机柜尺寸、容量

尺寸：

2100*800*600

容量：

配置一个电源机笼，四个I/O机笼

2、系统机笼的类型、容量

电源机笼：

配置4个电源

I/O机笼：

20个槽位，2块主控卡，2块数据转发卡、16块I/O卡件

I/O机笼间互连：

通过I/O机笼背面的SBUS-2S连接器和通讯

3、系统电源的类型，供电方式

单个电源模块（5V/24V），功率150W

AC供电方式：

两路220V交流电冗余配电，一路通过UPS给系统供电，一路市电直接给系统进行供电

DC供电

4、常用卡件介绍

主控卡XP243：

主控卡的地址范围设置在2~31之间，周期设置在0.1~5S之间。

（采用双微处理器结构）

主控卡是控制站软硬件的核心，协调控制站内软件硬件关系和各项控制任务。

它是一个智能化的独立运行的计算机系统，可以自动完成数据采集、信息处理、控制运算等各项功能。

它通过过程控制网络与过程控制级（工程师站和操作员站）相连，接收上层的管理信息，并向上层传递工艺装置的特性数据和采集到的实时数据；

向下通过SBUS网络和数据转发卡的程控交换与智能I/O卡件实时通信，实现与IO卡件的信息交换（现场信号的输入采样和输出控制）。

数据转发卡XP233：

XP233是机笼的核心单元，是主控卡联接I/O卡件的中间环节，它一方面驱动SBUS总线，另一方面管理本机笼的I/O卡件。

XP233具有冷端温度采集功能，负责整个I/O单元的冷端温度采集，冷端温度测量元件采用专用的电流环回路温度传感器，可以通过导线将冷端温度测量元件延伸到任意位置处（如现场的中间端子柜），节约热电偶补偿导线。

电流信号输入卡XP313：

接受6路的标准Ⅱ型、Ⅲ型电流信号。

（分组隔离）

电流信号输入卡XP313I：

（点点隔离）

电压信号输入卡XP314：

接受6路的标准Ⅱ型、Ⅲ型电压信号、0~20mV、0~100mV，各种型号的热电偶信号。

电压信号输入卡XP314I：

接受6路的标准Ⅱ型、Ⅲ型电压信号、0~20mV、0~100mV、各种型号的热电偶信号。

热电阻信号输入卡XP316：

接收４路热电阻（PT100、Cu50）信号。

（分组隔离）。

热电阻信号输入卡XP316I：

（点点隔离）。

模拟量输出卡XP322：

输出4路点点隔离的标准Ⅱ型、Ⅲ型电流。

触点型开关量输入卡XP363：

接收8路数字量输入信号，响应干触点型信号。

电平型开关量输入卡XP361：

接收8路数字量输入信号，响应电平型信号。

开关量输出卡XP362：

8路无源晶体管开关触点输出，通过中间继电器驱动电动控制装置。

5、设计卡件配置原则

1）所有卡件的备用通道必须组上空位号，空位号的命名原则：

摸入点NAI***,描述采用“备用”

模出点NAO***,描述采用“备用”

开入点NDI***,描述采用“备用”

开出点NDO***,描述采用“备用”

其中“***”中第一位为主控卡地址，第二位为数据转发卡地址，第三位为卡件地址，第四位为通道地址，地址为整数。

2）同一控制站测点分配遵循如下原则：

TI~PI~FI~LI~分析AI~其他AI信号~AO~DI~DO~其他信号类型

同一卡件尽量放在同一机笼中

热备用卡件组在同类卡件的最后

6、系统常用卡件配套端子板

非冗余端子板XP520

冗余端子板XP520R

端子转接板用于DI/DO连接的扩展

7、系统操作站硬件

工控PC机

操作员键盘

操作台：

立式操作台，平面式操作台

打印机

2.2.2系统软件介绍

1、浙大中控AdvanTrol-Pro软件包是基于Windows2000操作系统的自动控制应用软件平台，在SUPCONWebField系列集散控制系统（DCS）中完成组态、数据服务和实时监控功能。

软件支持系统结构：

图2-1软件支持系统结构

AdvanTrol-Pro在网络策略和数据分组的基础上实现了具有对等Ｃ／Ｓ特征的操作网，在该操作网上实现操作站之间包括实时数据，实时报警，历史趋势，历史报警，操作日志等的实时通信和历史数据查询。

AdvanTrol-Pro支持用户根据实际情况构建系统结构，与异构系统的数据交换即可通过数据站来实现，也可通过各种通信接口卡执行。

2、系统软件功能特点及性能指标

1）系统采用多任务、多线程，32位代码

2）良好的开放性能

3）系统组态结构清晰，界面操作方便

4）控制算法组态采用国际标准，实现图形组态与语言组态结合，功能强大

5）流程图功能强大，使用方便

6）报表功能灵活，应用简捷，并且具有二次计算能力

7）采用大容量、高吞吐量的实时数据库和两级分层（分组分区）的数据结构

8）操作站数据更新周期为１秒，动态参数刷新的周期为1秒

9）按键响应时间小于等于0.2秒

10）流程图完成显示时间小于等于2秒，其余画面小于等于1秒

11）命令响应时间小于等于0.5秒

12）实时和历史趋势操作灵活，支持历史数据离线浏览

13）强大的报警管理功能，可以分区分级设置报警，支持语音报警

14）提供基于API接口的多种数据访问接口

15）系统安全、可靠、长期运行稳定

16）支持Mudbugs和ProfiBus

17）支持在线下载功能

18）在网络策略和数据分组的基础上实现了具有对等C/S模式特征的操作网络服务

3、系统软件运行环境配置要求

1）主机型号：

奔腾4（1.8G）以上的工控PC机

2）主机内存：

>

=256MB

3）显卡：

显存>

=16MB,显示模式可上1024*768，增强色（16位），刷新频率85Hz

4）主机硬盘：

10G可用空间，推荐配置80G硬盘

5）操作系统：

中文版Windows2000Professional+Sp4

4、系统软件构成

AdvanTrol-Pro软件包可分成两大部分，一部分为系统组态软件，包括：

用户授权管理软件（SCReg），系统组态软件（SCKey），图形化编程软件（SCControl），语言编程软件（SCLang），二次计算组态软件（SCTask），流程图制作软件（SCDrawEx），报表制作软件（SCFormEx），ModBus数据连接软件（AdvMBlink），另一部分为系统运行的实时监控软件（AdvanTrol），故障分析软件（SCDiagnose），OPC实时数据服务器软件（AdvOPCServer），C/S网络互连功能等等。

2.2.3软件功能介绍