串級雙容水箱仿真PDCS上海電力

1、上海電力學院計算機測控系統(tǒng)課程設計 課 題： 基于DCS技術的串級控制系統(tǒng)設計 仿真實現 專 業(yè)： 自動化（電站） 班 級： _ 姓 名： 學 號： 指導教師： 一、 設計目的 通過對計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計、配置和實現，掌握計算機測控技術在過程控制領域的應用。完成一個監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置和軟件控制方案設計。其中硬件配置可以采用IPC結構配置、DCS結構配置，也可采用PLC的結構配置；監(jiān)控系統(tǒng)方案設計選用一種P3DCS組態(tài)軟件來實現監(jiān)控功能，其中包括控制策略組態(tài)（SAMA圖組態(tài)）、流程圖組態(tài)、操作器組態(tài)（具有手動/自動切換功能和自動設定功能），以及趨勢曲線的組態(tài)；并通過參數整定與系統(tǒng)調試實現其監(jiān)控功

2、能。二、 設計內容 題1 蒸汽溫度監(jiān)控系統(tǒng)圖1 所示的串級汽溫控制系統(tǒng)和其相應的工藝流程，蒸汽溫度控制系統(tǒng)需要將過熱器出口溫度設定在一定的溫度設定值上。工藝系統(tǒng)和控制設計說明：只要導前汽溫2 q 發(fā)生變化，副調節(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2 Wqq 在一定范圍內，起粗調作用。而過熱器出口汽溫1 q 的控制，則是通過主調節(jié)器PI 來校正副調節(jié)器工作，只要1 q 未達到給定值，主調節(jié)PI 的輸出信號就不斷遞變化，使副調節(jié)器不斷去控制減溫水噴水量的變化，直到1 Wqq 恢復到給定值為止。穩(wěn)態(tài)時，導前汽溫2 q 可能穩(wěn)定在與原來數值不同的數值上，而主汽溫1 q 則一定等于給定

3、值。在串級汽溫控制系統(tǒng)中，由于兩個回路的任務及動態(tài)特性不同，可以選用不同的調節(jié)器。副回路及副調節(jié)器的任務是快速消除內擾，要求控制過程的持續(xù)時間較短，但不要求無差，故一般可選用純比例調節(jié)器。當到前汽溫慣性較大時，也可選用比例微分調節(jié)器。主回路及主調節(jié)器的任務是維持1 q 恒定，一般選用比例積分調節(jié)器。當過熱器惰性區(qū)較大時，也可選用比例、積分、微分調節(jié)器。圖1 串級汽溫控制系統(tǒng)工作原理其中導前區(qū)的對象傳遞函數為過熱惰性區(qū)的傳遞函數為其它執(zhí)行器和測量電路的傳遞函數簡化為K = 1題2 水箱水位監(jiān)控系統(tǒng)圖2 和圖3 所示的串級水箱水位控制系統(tǒng)方框圖以及工藝流程圖，水箱監(jiān)控系統(tǒng)需要將下水箱水位控制在所需

4、要的高度r1。 工藝系統(tǒng)和控制設計說明：只要上水箱水位h2發(fā)生變化，副調節(jié)器就去改變調節(jié)閥開度u，初步維持上水箱水位h2在一定范圍內，起粗調作用。而下水箱水位h1的控制，則是通過主調節(jié)器來校正副調節(jié)器工作，只要h1未達到給定值，主調節(jié)的輸出信號r2就不斷遞變化，使副調節(jié)器不斷去控制減溫水噴水量的變化， 直調節(jié)閥的開度，直到下水箱水位h1達到給定值為止。圖 2 雙容水箱串級控制系統(tǒng)框圖圖3 雙容水箱串級控制系統(tǒng)示意圖其中上水箱水位的對象傳遞函數為上水箱水位對下水箱水位傳遞函數為-= + 其它執(zhí)行器和測量電路的傳遞函數簡化為K = 1三、課題設計及其步驟第一部分 硬件設計上水箱水位板下水箱水位板D

5、/A轉換板電源伺服放大版CRT板內存板鍵盤及自診斷板濾波版鍵盤CPU板顯示器CRT打印機打印機STD（內部）總線外部總線根據圖2系統(tǒng)示意圖，硬件設計采用STD總線IPC來進行 圖4 IPC硬件組成框圖硬件組成說明：1、 CPU板及打印機、CRT板及CRT、鍵盤及自診斷板及鍵盤、內存板、電源、構成了STD工業(yè)控制基本系統(tǒng)；2、 自診斷板：使用了WDT看門狗技術，無論何種原因引起死機，自診斷系統(tǒng)能在1s2s內測出并恢復正常運行，整個計算機系統(tǒng)工作可靠；3、 上、下水箱水位板由計數電路組成，檢測檢測主、副回路管道送來的水位信號；4、 D/A轉換板是水箱水位的驅動口板，計算機系統(tǒng)檢測兩水箱水位與設定值

6、進行比較，并對其偏差進行PID運算，其運算結果通過D/A轉換器由數字量轉換為模擬電壓信號量輸出至伺服放大板，從而控制主調節(jié)閥；5、 伺服放大板：相當于電動單元組合儀表中的伺服放大器，接收來自D/A轉換板輸出的閥位信號，檢測閥的實際位置，若實際位置與D/A轉換板輸出的閥位有偏差，則閥動作，達到與D/A輸出一致的位置后停止，實現計算機系統(tǒng)對調節(jié)閥的控制；6、 濾波板：對STD總線有關信號進行濾波處理，提高整個系統(tǒng)的可靠性。第二部分 軟件設計本次課程設計主要有兩個方面的工作：即是組態(tài)設計和系統(tǒng)調試：1、 組態(tài)設計 1）系統(tǒng)配置組態(tài)主要是指DCS中工程師站、操作員站、控制站的主機系統(tǒng)配置信息及外設類型

7、，I/O卡件信息，電源布置，控制柜內安裝接線等。2） 實時數據庫組態(tài) 數據庫組態(tài)是系統(tǒng)組態(tài)中應盡早完成的工作，因為只有有了數據庫，其他的組態(tài)工作（控制回路組態(tài)、畫面組態(tài)等）才可以調試。運行P3DCS軟件，首先進行I/O配置：點擊系統(tǒng)數據庫圖標，進行各參數的點名與說明。由于本次設計要求是2個串級控制系統(tǒng)，所以數值量與邏輯量還有有控制器狀態(tài)DO等如圖。保存后關閉窗口，進行SAMA圖組態(tài)的制作。如圖5、6所示：圖 5 雙容水箱數據庫圖 6 串級汽溫數據庫3）控制算法組態(tài)控制算法組態(tài)指的是將系統(tǒng)設計時規(guī)定的模擬量控制、開關量控制等功能用DCS算法予以實現。點擊SAMA圖組態(tài)圖標，打開SAMA圖制作窗口

8、。SAMA圖組態(tài)用于將系統(tǒng)內部定義的功能算法模塊按照邏輯組合起來，編譯下裝到過程控制站中進行調用和執(zhí)行。由于本次課程設計是串級回路控制系統(tǒng)，所以采用系統(tǒng)自帶的2個PID功能塊、1個M/A手操器功能塊和若干線性功能塊來構成SAMA圖的基本框架。PID1（左）用于控制主回路，PID2（右）用于控制副回路，M/A用于設定主回路設定值，線性功能塊根據被控對象的傳遞函數設定參數。根據串級回路的結構特點，SAMA圖分別如圖7、8所示：圖 7圖 8將各功能塊的參數設為需要的值，并將其與數據庫中的數據點一一對應，再用輸入輸出功能塊引出，連接到顯示界面。TR為跟蹤接口，用于實現控制器的手動/自動的無擾切換。保存

9、后關閉窗口。4） 操作員站顯示畫面組態(tài)用矩形、棒狀圖和折線等根據實物繪制圖形界面，實時曲線繪制黑色表格。將個環(huán)節(jié)與對應的數據點連接起來，PV1對應主回路對象，PV2對應副回路對象，并設定上下限與填充色。實時曲線也同樣與數據點對應，設置上下限與顏色，保存文件。其效果圖如圖9、10：圖 9圖 10然后繪制操作窗口組態(tài)：同樣用矩形和棒狀圖繪制操作器數值顯示條，并將其與各模擬數據點一一對應，設置上下限并填充顏色。指示燈用于指示控制器工作狀態(tài)，6個按鈕用于自動控制時增減設定值，手動控制時增減控制器輸出。將SAMA圖中模塊號對應到按鈕上，就能實現SP值的便捷修改，方便操作員在發(fā)現情況后直接修改參數。手動/

10、自動按鈕用于切換控制狀態(tài)，SP增/減按鈕用于自動狀態(tài)下設定值的增減，AO增/減按鈕用于手動狀態(tài)下控制器輸出增減。效果圖如圖11、12：圖 11圖 12將操作顯示界面與監(jiān)控界面連接起來，如此一來在操作員站的監(jiān)控畫面下，可以直接點擊控制閥來調處操作顯示界面，進行參數的調節(jié)，或實現手動自動的切換。5） 趨勢組態(tài)趨勢組態(tài)用于顯示現場數據點的實時/歷史趨勢。為了方便讀取數據，我制作了實時趨勢圖。點擊趨勢顯示按鈕，新建實時趨勢顯示圖，將曲線與數據點對應連接起來，設定上下限與填充色。2、系統(tǒng)調試 設計要求進行動態(tài)調試。所謂動態(tài)調試是指系統(tǒng)與生產現場相連時的調試。由于生產過程已經處于運行或試運行階段，此時應以

11、觀察為主，當涉及到必需的系統(tǒng)修改時，應做好充分的準備及安全措施，以免影響正常生產，更不允許造成系統(tǒng)或設備故障。動態(tài)調試一般包括以下內容： 1）觀察過程參數顯示是否正常、執(zhí)行機構操作是否正常； 2）檢查控制系統(tǒng)邏輯是否正確，并在適當時候投入自動運行； 3）對控制回路進行在線整定； 4）當系統(tǒng)存在較大問題時，如需進行控制結構修改、增加測點等，應盡量在停機狀態(tài)下重新組態(tài)下裝。若條件不允許，也可進行在線組態(tài)，但要熟悉在線組態(tài)的各個環(huán)節(jié)并做好應急措施。（1）PID參數整定 1）斷開主回路，用衰減曲線法，整定內回路副調節(jié)器，P作用。反復調整，做定值階躍擾動實驗，直到衰減率0.750.9。 2）閉合主回路，

12、用衰減曲線法，整定外回路主調節(jié)器，PI作用，反復調整主調節(jié)器并做定值階躍擾動實驗，直到衰減率0.9。記下比例帶，測量上升時間。按照公式計算PID參數。 3）按計算參數設置PID，做定值階躍擾動，觀察曲線。 4）細調主副調節(jié)器參數，直到滿意為止。五、課題設計實驗結果1.編譯SAMA圖，如圖7所示。圖 72.開始運行（圖8）與系統(tǒng)診斷（圖9）圖 8 圖 93. 運行調試使用matlab對串級系統(tǒng)經行建模，運用了PI控制。先單獨調節(jié)副回路，再將副回路放進主回路一起調整。最后得到兩個回路的參數。副回路：K1比例增益=1.2 K2積分時間=0；主回路：K1=1.2 K2=0.25.4.實時趨勢如圖10：

13、圖 10超調量小于5%，系統(tǒng)穩(wěn)定時間在1.6分鐘左右，可見控制的效果還是不錯的.5.監(jiān)控顯示畫面效果如圖11所示：圖 116. 無擾切換：首先，如果將手動打到自動出現控制器輸出變0的情況（圖12）：圖 12其原因在于PID控制器沒有進行組態(tài)跟蹤，最后在手動切到自動時控制器輸出不會變化，如圖13：圖 13勿擾切換下，手動方式，增加輸入AO,實時曲線如圖19所示：圖 14 手動方式增加輸出5、 實驗心得小結由于之前沒有學過DCS軟件，不過在老師的PDF的幫助下我很快地就上手了。在繪制SAMA圖時由于一開始使用左鍵連線所以在監(jiān)控界面曲線沒顯示之后使用右鍵將線鏈接出來解決了問題。在無擾切換的環(huán)節(jié)時，通

14、過采用2根跟蹤信號又解決問題了。通過這次實踐課，使我對在自控原理里學到的PID控制方法運用和過程控制中參數整定的加以練習，又對P3DCS這款軟件得到了初步的熟悉。對于今后在工作中奠定了一些契機，也能很好的與理論的知識相結合，與實際的實驗結果相比較，更能讓我們形象生動的理解并懂得這個實驗的原理和PID的控制方法。第二部分 蒸汽溫度監(jiān)控系統(tǒng)一、課程設計目的 通過對計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計、配置和實現，掌握計算機測控技術在過程控制領域的應用。二、 課程設計內容 采用P3DCS系統(tǒng)設計完成蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)并進行參數整定和調試，包括數據庫組態(tài)、SAMA圖組態(tài)、流程圖組態(tài)、操作器組態(tài)，設計手動和單回路自動

15、控制、串級自動控制等控制方案，并實現手自動無擾切換和報警，設計相應的模擬量控制和邏輯控制方案并實現，進行仿真、參數整定與系統(tǒng)調試。其中導前區(qū)的對象傳遞函數為過熱惰性區(qū)傳遞函數為其它執(zhí)行器和測量電路的傳遞函數簡化為K = 1三、 系統(tǒng)概述如圖1所示的串級汽溫控制系統(tǒng)和其相應的工藝流程，蒸汽溫度控制系統(tǒng)需要將過熱器出口溫度設定在一定的溫度設定值上。工藝系統(tǒng)和控制設計說明：只要導前汽溫發(fā)生變化，副調節(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，起粗調作用。而過熱器出口汽溫的控制，則是通過主調節(jié)器 PI 來校正副調節(jié)器工作，只要未達到給定值，主調節(jié) PI 的輸出信號就不斷遞變化

16、，使副調節(jié)器不斷去控制減溫水噴水量的變化，直到恢復到給定值為止。穩(wěn)態(tài)時，導前汽溫可能穩(wěn)定在與原來數值不同的數值上，而主汽溫則一定等于給定值。在串級汽溫控制系統(tǒng)中，由于兩個回路的任務及動態(tài)特性不同，可以選用不同的調節(jié)器。副回路及副調節(jié)器的任務是快速消除內擾，要求控制過程的持續(xù)時間較短，但不要求無差，故一般可選用純比例調節(jié)器。當到前汽溫慣性較大時，也可選用比例微分調節(jié)器。主回路及主調節(jié)器的任務是維持恒定，一般選用比例積分調節(jié)器。當過熱器惰性區(qū)較大時，也可選用比例、積分、微分調節(jié)器。并通過P3DCS組態(tài)軟件對系統(tǒng)的曲線進行實時監(jiān)控，調出最優(yōu)PID參數。 系統(tǒng)的工藝流程如下圖（圖 1）所示：圖 1 根

17、據過熱器系統(tǒng)的結構，我們設置一個串級控制回路，把出口溫度作為串級控制系統(tǒng)的主控制回路，蒸汽導熱前作為串級的副控制回路。從而得出串級控制系統(tǒng)的方框圖如（圖2）所示：PID控制器PID控制器2副回路主回路測量電路2測量電路1圖2四、 課題設計及其步驟第一部分 硬件設計副回路溫度板主回路溫度板D/A轉換板電源伺服放大版CRT板內存板鍵盤及自診斷板濾波版鍵盤CPU板顯示器CRT打印機打印機STD（內部）總線外部總線根據圖2系統(tǒng)示意圖，硬件設計采用STD總線IPC來進行圖2-1-1 IPC硬件組成框圖硬件組成說明：7、 CPU板及打印機、CRT板及CRT、鍵盤及自診斷板及鍵盤、內存板、電源、構成了STD

18、工業(yè)控制基本系統(tǒng)；8、 自診斷板：使用了WDT看門狗技術，無論何種原因引起死機，自診斷系統(tǒng)能在1s2s內測出并恢復正常運行，整個計算機系統(tǒng)工作可靠；9、 主、副回路板由計數電路組成，檢測檢測主、副回路管道送來的溫度信號；10、 D/A轉換板是蒸汽溫度的驅動口板，計算機系統(tǒng)檢測兩水箱水位與設定值進行比較，并對其偏差進行PID運算，其運算結果通過D/A轉換器由數字量轉換為模擬電壓信號量輸出至伺服放大板，從而控制主調節(jié)閥；11、 伺服放大板：相當于電動單元組合儀表中的伺服放大器，接收來自D/A轉換板輸出的閥位信號，檢測閥的實際位置，若實際位置與D/A轉換板輸出的閥位有偏差，則閥動作，達到與D/A輸出

19、一致的位置后停止，實現計算機系統(tǒng)對調節(jié)閥的控制；12、 濾波板：對STD總線有關信號進行濾波處理，提高整個系統(tǒng)的可靠性。第二部分 軟件設計本次課程設計主要有兩個方面的工作：即是組態(tài)設計和系統(tǒng)調試：2、 組態(tài)設計 1）系統(tǒng)配置組態(tài)主要是指DCS中工程師站、操作員站、控制站的主機系統(tǒng)配置信息及外設類型，I/O卡件信息，電源布置，控制柜內安裝接線等。3） 實時數據庫組態(tài) 數據庫組態(tài)是系統(tǒng)組態(tài)中應盡早完成的工作，因為只有有了數據庫，其他的組態(tài)工作（控制回路組態(tài)、畫面組態(tài)等）才可以調試。運行P3DCS軟件，首先進行I/O配置：點擊系統(tǒng)數據庫圖標，進行各參數的點名與說明。由于本次設計要求是雙容水箱串級控制

20、系統(tǒng)，所以數值量有導前汽溫PV2，出口汽溫PV1、出口汽溫設定值SP、副控制器輸出閥門開度AO，邏輯量有控制器狀態(tài)DO等。保存后關閉窗口，進行SAMA圖組態(tài)的制作。如圖3所示：圖 33）控制算法組態(tài)控制算法組態(tài)指的是將系統(tǒng)設計時規(guī)定的模擬量控制、開關量控制等功能用DCS算法予以實現。點擊SAMA圖組態(tài)圖標，打開SAMA圖制作窗口。SAMA圖組態(tài)用于將系統(tǒng)內部定義的功能算法模塊按照邏輯組合起來，編譯下裝到過程控制站中進行調用和執(zhí)行。由于本次課程設計是串級回路控制系統(tǒng)，所以我采用系統(tǒng)自帶的2個PID功能塊、1個M/A手操器功能塊和若干線性功能塊來構成SAMA圖的基本框架。PID1（左）用于控制出口

21、汽溫，PID2（右）用于控制導前汽溫，M/A用于設定出口溫度的目標值，線性功能塊用于代表被控對象的特性。根據串級回路的結構特點，繪制SAMA圖如圖4所示：圖 4將各功能塊的參數設為需要的值，并將其與數據庫中的數據點一一對應，再用輸入輸出功能塊引出，連接到顯示界面。TR為跟蹤接口，用于實現控制器的手動/自動的無擾切換。保存后關閉窗口。6） 操作員站顯示畫面組態(tài)用矩形、棒狀圖和折線繪制過熱器、蒸汽管道，閥門等，實時曲線繪制黑色表格。將過熱器與對應的數據點連接起來，PV1對應出口汽溫，PV2對應導前汽溫，并設定上下限與填充色。實時曲線也同樣與數據點對應，設置上下限與顏色，保存文件。其效果圖如圖5：圖

22、 5然后繪制操作窗口組態(tài)：同樣用矩形和棒狀圖繪制操作器數值顯示條，并將其與各模擬數據點一一對應，設置上下限并填充顏色。指示燈用于指示控制器工作狀態(tài)，6個按鈕用于自動控制時增減設定值，手動控制時增減控制器輸出。將SAMA圖中模塊號對應到按鈕上，就能實現SP值的便捷修改，方便操作員在發(fā)現情況后直接修改參數。手動/自動按鈕用于切換控制狀態(tài)，SP增/減按鈕用于自動狀態(tài)下設定值的增減，AO增/減按鈕用于手動狀態(tài)下控制器輸出增減。效果圖如圖6：圖 6將操作顯示界面與監(jiān)控界面連接起來，如此一來在操作員站的監(jiān)控畫面下，可以直接點擊控制閥來調處操作顯示界面，進行參數的調節(jié)，或實現手動自動的切換。7） 趨勢組態(tài)趨勢組態(tài)用于顯示現場數據點的實時/歷史趨勢。為了方便讀取數據，我制作了實時趨勢圖。點擊趨勢顯示按鈕，新建實時趨勢顯示圖，將曲線與數據點對應連接起來，設定上下限與填充色。2、系統(tǒng)調試 設計要求進行動態(tài)調試。所謂動態(tài)調試是指系統(tǒng)與生產現場相連時的調試。由于生產過程已經處于運行或試運行階段，此時應以觀察為主，當涉及到必需的系統(tǒng)修改時，應做好充分的準備及安全措施，以免影響正常生產，更不允許造