锅炉自控系统工控软件监控设计学士学位论文.docx
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锅炉自控系统工控软件监控设计学士学位论文
锅炉自控系统工控软件监控设计
摘要
锅炉的燃烧过程十分复杂，它是一个多参数对象，多扰动，各参数交叉影响的系统。
燃烧系统内部的给煤、鼓风耦合性强，过程的非线性和大滞后也成了控制对象的难题，本系统采用选用亚控公司的Kingview软件作为前台程序设计进行实时监控。
MicrosoftAccess作为后台数据库系统，用于保存故障、报警等数据。
在使用上位机进行监控时，可以对系统的工作进行实时监控。
可以通过对现场采集到的数据进行处理，以动画形式、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等。
在本次设计中系统采用了组态王6.52,该软件操作方便,结构清晰,易于上手。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态。
关键词：
组态王、锅炉、实时监控。
Abstract
Theboilercombustionprocessisextremelycomplex,itismorethanparametersobjects,multi-perturbation,variousparametersoverlappinginfluencesystem.Thecombustionsysteminteriorforthecoal,thedrumwindcouplingisstrong,theprocessnon-linearityandthebiglaghasalsobecomethecontrolledmemberdifficultproblem,thissystemusesselectstheYakongcompanyKingviewsoftwaretocarryonthereal-timemonitoringastheonstageprogramming.MicrosoftAccesstookthebackstagedatabasesystem,usesintopreservethebreakdown,thealarmingandsoonthedata.Thepositionmachinecarriesonthemonitoringwhentheuse,maycarryonthereal-timemonitoringtothesystemwork.Maythroughthedatawhichgatherstothescenecarryonprocessing,bytheanimationform,thealarmingprocessing,theflowcontrol,thereal-timecurve,thehistoricalcurveandthereportformoutputandsoon.Thesystemusedthekingview6.52,thissoftwareeaseofoperationinthisdesign,thestructurehasbeenclear,easyseatofhonor.Moreover,itcanfullyuseWindowsthegraphiceditorfunction,convenientlyconstitutesthemonitoringpicture,andbyanimationwaydisplaycontrolequipmentcondition.
Keyword：
KingviewBoilerReal-timemonitoring
1绪论
1.1课题研究内容
在本设计中要求设计针对锅炉自动控制的工控软件，采用组态王软件进行实时监控。
在使用上位机进行监控时，可以对系统的工作进行实时监控。
可以通过对现场采集到的数据进行处理，以动画形式、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题。
根据控制方案的要求，计算机控制系统主要完成下列功能：
工艺参数显示功能、参数的修改与设置、输出量的控制、事故记录的报警及保存、报表数据查询打印。
1.2设计的目的和意义
我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，目前每年煤碳消费量约12亿吨，其中80%通过燃烧被利用。
然而，燃烧设备陈旧、效率低、排放无控制造成了能源和环境污染严重，能源节约与环境保护已成为现有燃煤技术所需解决的主要问题。
我国现有大量的电站锅炉和供热锅炉，每年耗煤量占我国原煤产量的比例相当惊人，但大多数工业锅炉处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。
故提高热效率，降低耗煤量是一件具有深远意义的工作。
基于对能源利用率方面的考虑，使用组态工控软件和设计装置对供热锅炉实施远程计算机监控，可以节省能源60~70%。
因此设计一个采用组态软件和PLC控制相结合的锅炉自控系统是很有必要的。
1.3国内外相关技术的发展概况
国外燃煤锅炉自动控制，随着现代工业的发展主要经历了初创、成熟、扩展几个时期，而燃烧系统的控制，始终作为燃煤锅炉自动控制的重点课题。
美国的Foxboro公司在推出I/ASERIS智能锅炉自动控制系统，德国德莱斯勒燃烧器公司,以及英国海威燃烧工程公司研制出的锅炉控制系统，其燃烧系统的控制都在一定条件下，达到了较好的控制效果；而锅炉燃烧系统控制采用的模型算法的发展趋势，基本上都是采用智能控制、专家系统、模糊控制以及常规控制集成到系统中。
我国燃煤锅炉自动控制系统经过十几年的发展，正在走向成熟。
有代表性的为：
大连海运学院的DMC锅炉控制系统，重庆钢铁公司的工业炉窑模糊控制自动化系统，湖南康通信息技术有限公司的锅炉智能控制系统。
与国外同类系统相比，国内锅炉控制系统正处在不断完善、逐步走向成熟阶段。
虽然我国燃煤锅炉燃烧系统的控制模型算法发展趋势向国际前沿靠拢，但是结合燃煤供暖锅炉运行实际，燃煤锅炉燃烧控制系统的运行效果一直不很理想。
主要表现在不能够有效的满足负荷需求，热效率不能够得到有效的提高，投运时过于依赖有经验的操作人员，数据化控制不强。
如何结合燃煤锅炉运行实际，设计行之有效的锅炉燃烧系统控制模型，是燃煤锅炉控制系统中一个迫切需要解决的课题。
1.4可行性分析
为了解决上述问题，系统上位机采用了组态王6.52,该软件操作方便,结构清晰,易于上手。
实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态。
下位机采用PLC控制系统，保证锅炉安全、稳定、经济运行的同时，实现了锅炉智能化、自动寻优控制，达到了保护环境，大大提高锅炉燃烧效率，节约能源的目的。
所以采用组态监控与PLC控制相结合的方式是可行的，也是非常方便的。
2锅炉工艺介绍
2.1概述
链条式锅炉是应用最为广泛、应用历史较长的一种锅炉。
虽然有众多的科研及工程技术人员致力于链条式锅炉控制技术的研究和实践工作，但是，目前国内该行业的自动化技术应用的普及率较低，自动化程度也较低，其原因是多方面的。
锅炉的燃烧系统是一个多参数对象，多扰动，各参数交叉影响的系统。
链条式锅炉存在较大的不确定性、复杂性、不稳定性，以及较大的容量滞后时间。
因此，采用常规的PID调节很难达到控制要求，甚至无法投入自动运行。
分析现有许多锅炉自动控制系统和热水锅炉的运行情况，确实存在以下控制难点：
①链条式热水锅炉从给煤量的变化到其燃烧产生热量，并使锅炉出口水温度发生变化需要较长的时间，即锅炉出口水温度纯滞后时间长、容量滞后大，用简单的PID控制很难获得理想的效果。
②煤质的变化，造成风—煤比的改变，采用一般的定值控制系统无法使系统始终运行在最佳或次最佳的燃烧状态。
③燃烧过程机理复杂，影响燃烧工况的因素较多，对象变化较大，很难准确地建立单一的控制模型。
2.2基本控制系统介绍
2.2.1单参数调节系统
单参数调节系统在工业自动化中应用最多，但参数调节系统也称为简单调节系统。
所谓简单调节系统是指由一个测量变送器、一个调节器、一个调节阀和一个简单对象（单输入、单输出对象特性）构成的闭环反馈调节系统。
单参数调节系统解决了大量的参数定值调节问题，它是调节系统中最基本和使用最广泛的一种形式。
但是，生产的发展、工艺的革新必然导致对操作条件的要求更加严格，参数间的相互关系更加复杂。
为适应生产发展的需要，在单数调节系统的基础上，又发展了一些复杂控制系统，常见的如串级、比值、均匀、前馈、分程控制等。
2.2.2串级调节系统
串级调节系统在形式上属于多回路调节系统，它是由两个调节器串接而成的，即一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值。
在常规控制系统中，串级控制系统是改善调节过程品质最有效的一种方案，它在过程控制中得到了最广泛的应用，也是使用效果比较好的一种复杂控制系统。
为了进一步认识串级控制系统，我们介绍一下出水温度控制设计方案。
热水锅炉通过炉排将煤送至炉膛，经过燃烧使炉膛温度上升，同时将出水温度加热至一定温度，然后送至换热站。
锅炉出水温度是否平稳，直接影响到居民家中的冷暖问题，同时热水锅炉的平稳操作可以延长锅炉的寿命。
因此热水锅炉出水温度控制较严格，通常要求温度偏差不大于±1.5℃。
热水锅炉的工艺过程是通过给煤机构将煤送至炉排使它在炉膛中燃烧，水就被加热，给炉排加一个调速控制器用它来控制炉排的速度以达到调节温度的目的。
引起出水温度改变的扰动，配风、炉膛漏风和大气温度的扰动。
对于这样的温度调节对象，调节通道长，延迟很大，从调速控制器动作到出水温度的改变，这中间要经过炉膛，因而反应很缓慢，也就是说从扰动开始到调节器动作，这中间要经过很长时间，在这段时间里，炉膛温度已经变化很多，显然它将使出水温度出现很大偏差，所以采用简单调节系统是达不到严格的工艺要求的。
如果我们设法把这段时间争取过来，让调节器提前动作，那么调节效果就改善了。
由于煤成份的扰动以及风量方面的扰动都能很快地在炉膛温度上表现出来，因此，如果将炉膛温度测出来，通过炉膛温度调节回路控制炉排转速，那么就会很迅速地克服来自这方面的扰动。
但是炉膛温度稳定并不能保证出水温度的稳定，因为在进水流量和进水温度发生变化时仍然会偏离给定值，而我们最终是要保持出水温度的不变，为了解决这个矛盾，可以设想用人工来改变炉膛温度调节回路的给定值，通过它来改变炉膛温度，以适应在发生进水流量和进水温度方面扰动的情况下，也能算出水温度调节回路来完成，它的任务是根据出水温度相对于给定值的偏差来改变炉膛温度调节回路的给定值，这就是串级调节的基本思想。
在串级调节系统中采用了两级调节器，这两极调节器串在一起工作，各有其特定任务，调节执行机构（在这里我们用的是变频器）直接接受炉膛温度调节回路控制，而炉膛温度调节回路的给定值受出水温度调节回路控制，出水温度调节回路称为主调节器（主回路），炉膛温度调节回路称为调节器（付回路）。
串级控制系统就其主回路来看是一个定值控制系统，但付回路对主回路来说是一个随动系统，主调节器能按对象的操作条件及负荷的变化情况不断地改变付调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。
由于付回路的快速、随动特性使串级控制系统具有很强的自适应能力。
2.2.3前馈调节系统
在前面讨论的调节系统中，调节器都是按照被调参数与给定值之差来进行调节的，即按偏差进行调节，这种调节系统称为反馈调节系统，对于反馈调节系统，不论是什么干扰引起被调参数的变化，调节器均可根据偏差进行调节，这是其优点，但由于偏差总是在干扰作用之后产生，因此，对一些滞后大的对象来说，调节作用总不及时，从而限制了调节质量的提高。
前馈调节正是改变上述调节不及时的一种方法。
前馈调节是按照引起被调参数变化的扰动量大小进行调节的，即按扰动进行调节，当干扰刚刚出现而能测出来时，调节器就能发出调节信号去克服这种干扰，或者说去补偿扰动对过程参数的作用。
因此前馈调节对干扰的克服要比反馈调节来的快，所以调节精度就可以进一步提高。
为了进一步认识前馈调节系统，我们介绍一下炉膛负压控制设计方案。
炉膛负压调节回路如果只采取反馈调节回路的话，那么在鼓风信号发生变化时，必然引起负压的变化，尽管反馈调节系统调节性能较好，但由于这个干扰直接作用于主参数，因而影响调节质量的进一步提高，为此，我们可以把鼓风信号这个影响负压的主要干扰引入前馈调节器，通过前馈调节器发出补偿信号与反馈调节信号叠加在一起对负压进行调节，更进一步提高了调节质量。
2.3控制方案
针对上诉情况我们提出以下控制方案：
①锅炉燃烧系统调节如下图所示：
图2-3-1锅炉燃烧系统图
锅炉燃烧系统调节的主要任务是保证水温的稳定，同时保证锅炉的安全运行。
除此之外，关键在于如何保证经济燃烧，这也是热水锅炉节能降耗的关键所在，众所周知，经济燃烧问题，实质上就是进煤量和进风量的配比问题，如果能保证适当的风－煤比，就可以实现最高的燃烧效率，实现经济燃烧。
如果空气量不足造成不完全燃烧，产生CO，这种情况除污染环境外还造成严重的热能损失；反之，当空气量过多时，一方面使炉膛温度降低，另一方面也是最重要的是使烟气换热损失增加。
由于现阶段的检测手段和检测设备尚不能方便地测得准确的进煤量和进风量，给整个风－煤比的自动控制造成一定的难度，但进煤量与炉排转速、煤层厚度存在着一一对应的函数关系，而进风量与鼓风机的转速存在同样的关系，这可以巧妙地避开这一难题。
使风－煤比在整个运行过程中始终保持在最佳或次最佳状态，还存在另一个难题，由于煤质的变化同样会造成风－煤比比值的漂移，那么一个定值控制系统是无法适应媒质变化这一干扰的，所以在这里我们加入了自寻优控制方案，初次投运时，可根据经验和摸索初步设定调风－煤比的给定值，系统投入自动并稳定后，定时启动自寻优功能，根据炉膛温度的变化和烟气含量的变化自动微调风－煤比至最佳或次最佳，达到经济燃烧。
②根据所需热量调节锅炉燃烧系统
上面的锅炉燃烧是在环境温度没有变化的理想状态下的调节，它所克服的干扰仅是风量的变化。
但是，我们的热水锅炉是用来冬季供热的，因此在整个冬季室外环境温度差别是很大的。
有的年份初冷期的室外环境温度差可达到20℃。
甚至一天24小时的温差也可达到10℃左右。
这样就提出了锅炉必须按不同的环境温度提供不同的热量，同时在一天24小时根据不同的时间段提供相应的热量。
锅炉供水热量公式为：
Q=K*F*（T供-T回）
=K*F*ΔT供-回
Q—热量F—出水流量
K—系数ΔT供-回=供水温度-回水温度
当锅炉回水温度变化被控制在很小时，我们如果改变锅炉供水温度，即使锅炉出水口温度随着室外环境温度的不同相应调整变化，就可使热量达到所需热量。
但认为的随意改动锅炉出口水温度的设定值，不仅缺乏依据和实时性，而且也会给系统带入较大的人为干扰，也不利于节能降耗。
根据实际情况，结合本地历年冬季室外环境温度数据和经验，我们可以制定出锅炉出口水温度随室外温度变化的曲线，使自控系统根据室外温度的变化自动调整锅炉出口水温度的给定值，即做到了实时调整，又避免了人为修改给定值给系统带来的较大扰动，同时节约能源。
另外，考虑到在冬季初冷期和深冷期，白天和晚上所需的热量（负荷）不同，因此，我们考虑，可使自控系统自动跟踪室外温度变化和24小时时间变化来自动无优改变锅炉出口水温度的给定值，至使锅炉提供出的热量与所需热量保持一致其具体控制方法如下：
将出水温度的设定值和室外温度及热量（负荷）的变化联系起来，以出水温度为调节信号，构成回路调节，调节输出控制炉排转速和鼓风风量，即改变燃煤量和风煤比，使锅炉燃烧参数随之改变，以达到出水温度和设定值的一致。
设定值随室外温度变化规律如表2-3-1所示
室外温度
℃
-20
-15
-10
-5
-1
0
1
5
10
设定值
（SPO）
30
22.5
15
7.5
1.5
0
-1.5
-7.5
-15
表2-3-1温度变化规律
设定值在一天当中随负荷的变化规律（8段分时控制曲线）如图2-3-2
图2-3-2分时控制曲线
SP1：
在室外温度为℃时的高负荷设定值。
（高温段设定）
SP2：
在室外温度为℃时的低负荷设定值。
（低温段设定）
出水温度的远程设定值SP=SP0+SP1（或SP2）
③炉膛压力调节如图2-3-3所示：
图2-3-3炉膛压力系统图
炉膛负压一般通过控制引风量来保持在一定范围内，但对锅炉负荷变化较大时，采用单回路控制系统就比较难于保持，因为负荷变化后，炉排及鼓风调节控制燃煤量和鼓风量与负荷变化相适应。
由于鼓风量变化时，引风量只有在炉膛负压产生偏差，才由引风调节控制去调节，这样引风量的变化落后于鼓风量，必然造成炉膛负压的较大波动。
为此，设计了炉膛负压前馈—反馈控制系统，用鼓风调节输出作为前馈信号，这样可使引风量随着鼓风量的变化提前作相应的调整，使炉膛负压始终保持在一定负压上，维持整个燃烧系统的稳定性。
④定压调节如图2-3-4所示
图2-3-4水泵控制系统图
补水泵和循环水泵控制是保证正常、稳定供热的重要环节，补水泵和循环水泵控制均采用定值调节。
根据压点的压力，通过变频器调节补水泵转速，及时补充水量，防止系统缺水，保证系统安全运行。
通过循环水泵调节，保持系统供回水压力稳定，为系统正常供热提供保障。
⑤联锁保护措施
针对锅炉的安全运行问题，设计了计算机安全联锁控制功能。
即当锅炉出水温度超过高限或出水压力低于超低限，则计算机按照先停炉排、再停鼓风、最后停引风的顺序自动停炉。
保证锅炉的安全，防止危险事故的发生。
在联锁信号解除后，锅炉才再次投运。
另外，当炉膛负压为正的时，会使炉膛内的热烟气和火焰向外喷出，影响设备和操作人员的安全。
因此，在设计中使计算机自动跟踪炉膛负压的变化，当炉膛负压为正并达到一定的界限（+60Pa）时，强制改变送风量和引风量，使炉膛负压恢复到正常的范围。
3组态软件设计
3.1系统结构示意图
图3-1-1系统结构示意图
3.2编程环境的选择
毕设主要应用软件为KingView,它是基于MicrosoftWindowsXP/NT/2000操作系统，“组态”是伴随着集散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）的出现才开始被广大的自动化技术人员所熟知。
工业控制组态软件在工业界有相当广泛的应用，此类软件允许用户在图形界面下对各种画面进行定义和组态。
它为Windows应用程序的开发提供了最迅速和便捷的方法。
应用组态软件可以很轻松的编出一个漂亮的界面，同时其自身带有的函数、部件更有利于具体功能的实现。
3.3组态王软件简介
亚控科技开发的组态王是我国第一家较有影响的组态软件开发公司。
2004年在国内市场同类产品中占有率达30%以上，有32000于例工程在现场运行，支持超过2300多种硬件设备（包括PLC、总线设备、板卡、变频器及仪表）。
丰富的功能、友好的界面、庞大的I/O驱动使得该软件成为占有率最高的国内组态软件。
它支持OPC接口和OLE技术，另外其完善的网络体系结构可以支持最新流行的各种通信方式。
组态王是一种通用的工业监控软件，它融过过程控制设计，现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。
它基于MicrosoftWindowsXP/NT/2000操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。
采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产线的能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。
它适用于单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。
工程管理器：
工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。
工程浏览器：
工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。
运行系统：
工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。
3.4组态王软件的结构
组态王是运行于MicrosoftWindowsXP/NT/2000中文平台的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。
组态王具有一个集成开发环境“组态王工程浏览器”，在工程浏览器中您可以查看工程的各个组成部分，也可以完成构造数据库、定义外部设备等工作。
画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统Touchmak和画面运行系统Touchvew来完成的。
Touchmak是应用程序的开发环境。
您需要在这个环境中完成设计画面、动画连接等工作。
Touchmak具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。
Touchvew是“组态王”软件的实时运行环境，在Touchmak中建立的图形画面只有在Touchvew中才能运行。
Touchvew从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。
它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数据文件。
3.5组态王软件设计
通常情况下，建立一个应用工程大致可分为以下几个步骤：
第一步：
创建新工程
为工程创建一个目录用来存放与工程相关的文件。
第二步：
定义硬件设备并添加工程变量
添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量，包括内存变量和I/O变量。
第三步：
制作图形画面并定义动画链接
按照实际工程的要求绘制监控画面并根据实际现场的监控要求使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。
第四步：
编写命令语言
用以完成较复杂的控制过程。
第五步：
进行运行系统的配置
对系统数据保存时间、网络参数、打印机、运行模式等等进行设置，是系统运行前的必备工作。
第六步：
保存工程并运行
完成以上步骤后，一个简单的工程就制作完成了。
3.5.1创建新工程
在组态王中，我们所建立的每一个组态称为一个工程。
每个工程反映到操作系统中是一个包括多个文件的文件夹。
工程的建立则通过工程管理器。
组态王工程管理器是用来建立新工程，对添加到工程管理器的工程做统一的管理。
工程管理器的主要功能包括：
新建、删除功能、对工程重命名，搜索组态王工程、修改工程属性、工程备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。
“搜索”：
单击此快捷键，在弹出的“浏览文件夹”对话框中选择某一驱动器或某一文件夹，系统将搜索指定目录下的组态王工程，并将搜索完毕的工程显示在工程列表区中。
“搜索工程”是用来把计算机的某个路径下的所有的工程一起添加到组态王的工程管理器，它能够自动识别所选路径下的组态王工程，为我们一次添加多个工程提供了方便。
点击“搜索”图标，弹出“浏览文件夹”，选定要添加工程的路径。
将要添加的工程添加到工程管理器中，方便工程的集中管理。
单击工程浏览窗口“文件”菜单中的“添加”命令，可将保存在目录中指定的组态王工程添加到工程列表区中，以备对工程进行管理。
“新建”：
单击此快捷键，弹出新工程对话框建立组态王工程。
点击工程管理器上的“新建”，弹出“新建工程向导之一”，点击“下一步”弹出“新建向导之二”，点击“浏览”，选择新建工程所要存放的路径，点击“打开”，选择路径完成，点击“下
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