鍋爐汽包水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1、鍋爐汽包水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計摘 要鍋爐設(shè)備是化工、煉油、發(fā)電、造紙、制糖、制酒的生產(chǎn)動力(蒸汽)設(shè)備，它是一個復(fù)雜多輸入多輸出的被控對象，對其進(jìn)行控制的目的主要是保證產(chǎn)品質(zhì)量及安全生產(chǎn)，同時在保證產(chǎn)品質(zhì)量前提下，盡可能提高產(chǎn)品的產(chǎn)量并設(shè)法降低裝置的能耗。鍋爐設(shè)備是一個多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的被控對象，就控制方案而言主要包括(1)鍋爐汽包水位的控制;(2)鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制;(3)蒸汽系統(tǒng)的制;(4)原水處理控制。其中鍋爐汽包水位和鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制尤為重要，本設(shè)計課題著重論述鍋爐汽包水位的控制系統(tǒng)實施方案。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)(即鍋爐汽包水位控制)是保證鍋爐安全運行的必要條件，是鍋爐正常運行

2、的重要指標(biāo)。本汽包水位控制系統(tǒng)是基于西門子公司的S7-200可編程序控制器實現(xiàn)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，上位機(jī)組態(tài)軟件應(yīng)用MCGS，它具有良好的人機(jī)界面和系統(tǒng)兼容性。實際應(yīng)用表明，基于系列S7-200PLC實現(xiàn)的分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)可以提高鍋爐設(shè)備的自動化控制水平，降低工作人員的勞動強(qiáng)度，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。 關(guān)鍵詞：S7-200PLC;汽包水位;三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng);監(jiān)控軟件Monitor and Control System design of boiler water levelAbstract Boiler is a complicated multiple I/O device，which

3、be used widely for chemical plant，oil refining，generate electricity，paper making，refining sugar and refining alcohol，etcIt is major purpose for controlling boiler to ensure producing safely and improving product quality .Increasing product mass and reducing consumption of energy is the premise of en

4、suring product quality Boiler is ail object which includes many correlative I/O parametersControlling scheme is designed in several aspects：(1)drum water-level；(2)burning system (3)steam system；(4)water-treatedThe controlling of dram water-level and burning system is more importantThis paper describ

5、es the implement about drum water-level controlling systemIt is prerequisite and important target to keep drum water-level in given range for safety running，three-impulse adjusting system uses series S7-200 PLC of SIMENS. Configuration software of upper computer uses MCGS with good interface and com

6、patibilityIn practical application，enhancing automatic level of boiler and reducing work intensity and gaining more benefit can be realized by DCS based on series S7-200 PLCKey Words：S7-200 PLC；boiler water level；tri-impulse control；monitoring and controlling software目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒 論11.1 研究背

7、景與意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 本文主要研究內(nèi)容4第二章 鍋爐汽包水位控制方案設(shè)計12.1 控制系統(tǒng)工藝流程12.2 控制方案設(shè)計22.2.1 單沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)22.2.2 雙沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)32.2.3 三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)42.3 控制系統(tǒng)算法設(shè)計92.3.1 數(shù)字PID原理及算法分析92.3.2 數(shù)字PID校正環(huán)節(jié)參數(shù)102.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計122.4.1 水位傳感器設(shè)計122.4.2 壓力變送器、差壓變送器132.4.3 節(jié)流式流量計142.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計14第三章 基于PLC與組態(tài)軟件的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計163.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計163.2 系統(tǒng)輸入輸出設(shè)計173.2.1 數(shù)字量

8、輸入輸出設(shè)計173.2.2 模擬量輸入輸出設(shè)計183.2.3 輸入輸出信號的采集與轉(zhuǎn)換183.3 系統(tǒng)硬件組成193.3.1 一次儀表193.3.2 鍋爐系統(tǒng)儀表操作臺193.3.3 計算機(jī)操作臺203.3.4 工業(yè)電視監(jiān)視站213.3.5 安裝于集控室的PLC柜223.3.6 大容量的UPS223.4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計233.4.1 組態(tài)軟件介紹233.4.2 監(jiān)控軟件組成273.5 PCPLC網(wǎng)絡(luò)通信283.5.1 網(wǎng)絡(luò)主站與從站283.5.2 S7200網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議293.6 系統(tǒng)報警設(shè)計303.6.1 信號處理與顯示313.6.2 上、下限基準(zhǔn)電壓設(shè)定313.6.3 報警電路323.7 梯

9、形圖程序設(shè)計32第四章 監(jiān)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)354.1 監(jiān)控主畫面功能實現(xiàn)354.2 實時監(jiān)控畫面功能實現(xiàn)364.3 參數(shù)初始化畫面功能實現(xiàn)374.4 實時數(shù)據(jù)曲線功能實現(xiàn)394.5 歷史數(shù)據(jù)曲線功能實現(xiàn)394.6 歷史數(shù)據(jù)瀏覽功能實現(xiàn)40第五章 結(jié) 論42參考文獻(xiàn)43致 謝45第一章 緒 論1.1 研究背景與意義 最近幾十年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，一方面，火力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，機(jī)組不斷向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展，大型火電機(jī)組大量投產(chǎn)，另一方面，電網(wǎng)供電的峰谷差日益增大，要求大型機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰運行，這對機(jī)組運行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性等諸方面提出了更為嚴(yán)格的要求。在這種情況下，設(shè)計和

10、運行人員對機(jī)組的運行特性，尤其是對機(jī)組熱力系統(tǒng)及設(shè)備動態(tài)特性的掌握就顯得十分重要。鍋爐是火力發(fā)電廠單元機(jī)組中的主要設(shè)備之一，它是一種系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大和價格昂貴的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，其內(nèi)部發(fā)生的物理、化學(xué)變化非常復(fù)雜，而且各種過程緊密耦合、互相影響。針對鍋爐動態(tài)特性的研究，往往借助于為其建立的某種簡化模型。然而，對于鍋爐內(nèi)部的某些工作機(jī)理，至今人們掌握的并不是很充分。因此，如何建立一個比較符合實際而又相對簡單的鍋爐數(shù)學(xué)模型，是一個尚待研究和值得研究的課題。鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展在很大程度上取決于工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展。伴隨著計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測與傳感器技術(shù)、CRT顯示技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)

11、展，人們越來越多地用計算機(jī)來實現(xiàn)各種控制系統(tǒng)。利用這種技術(shù)可以完成常規(guī)控制技術(shù)無法完成的任務(wù)，達(dá)到常規(guī)控制技術(shù)無法達(dá)到的性能指標(biāo)，使得過程自動化發(fā)展到了前所未有的水平。在此基礎(chǔ)上，以PLC為核心的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在鍋爐監(jiān)控中的應(yīng)用研究也取得了飛速發(fā)展。汽包水位是汽包鍋爐非常重要的運行參數(shù)之一，同時它還是衡量鍋爐汽水系統(tǒng)是否平衡的標(biāo)志。維持汽包水位在一定允許范圍內(nèi)，是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運行的必要條件。水位過高，會影響汽水分離器的正常運行，使蒸汽品質(zhì)變壞，過熱器管壁和汽輪機(jī)葉片結(jié)垢，嚴(yán)重時會導(dǎo)致蒸汽帶水，造成汽輪機(jī)水沖擊而損壞設(shè)備。水位過低，則會破壞水循環(huán)，嚴(yán)重時會引起水冷壁管道破裂。此外，隨著鍋

12、爐參數(shù)的提高和容量的增大，汽包的容積相對變小，負(fù)荷變化和其它擾動對水位的影響將相對變大，這必將加大水位控制的難度，從而對水位控制系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，如何準(zhǔn)確控制汽包水位的變化成為火電廠普遍關(guān)注的問題。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀汽包水位是鍋爐安全運行的指標(biāo)之一，鍋爐汽包水位的測量、控制和保護(hù)系統(tǒng)的合理配置是保證鍋爐安全運行的重要措施。通常選用多套儀表對汽包水位進(jìn)行檢測和控制，以提高可靠性。防止電力生產(chǎn)重大事故的汽包水位部分要求：汽包鍋爐應(yīng)至少配置兩只彼此獨立的就地汽包水位計和兩只遠(yuǎn)傳汽包水位計；水位計的配置應(yīng)采用兩種以上工作原理共存的配置方式，以保證在任何運行工況下鍋爐汽包水位的正確監(jiān)視。準(zhǔn)

13、確測量和保持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)有其重要的意義。但長期以來，汽包水位一直存在測量不準(zhǔn)確的問題。目前，汽包水位測量儀表主要有2種：差壓式和連通管式的。連通管工作原理的有雙色水位計和電接點水位計兩種。汽包上就地安裝的玻璃水位計是最直觀的水位儀表，但其設(shè)置位置高、又遠(yuǎn)離控制室，電廠普遍采用CCD攝像系統(tǒng)將水位圖像引入控制室的水位工業(yè)電視上。目前鍋爐汽包水位監(jiān)視存在以下問題：（1）由于目前國內(nèi)鍋爐汽包水位計沒有配置標(biāo)準(zhǔn)，而大機(jī)組汽包較長，汽包水位高低不平，需多點測量才能了解水位大致分布，所以200MW600MW在役機(jī)組鍋爐汽包水位測量裝置配備數(shù)量一般為612套。多數(shù)300MW機(jī)組都將電接點水位計信號

14、用于保護(hù)系統(tǒng)，差壓水位計信號用于控制，汽包就地高位水位計的信號通過攝像機(jī)引入控制的工業(yè)電視上，作為運行人員的一項監(jiān)視內(nèi)容，但是工業(yè)電視顯示的水位圖像模糊不清，通常無法分辨水位的分界面。（2）工業(yè)電視僅僅只能起到對現(xiàn)場水位計的監(jiān)視作用，而不能根據(jù)圖像得到水位精確的定量數(shù)值，運行人員需要根據(jù)刻度進(jìn)行估數(shù)，而且水位數(shù)據(jù)無法長期保存。（3）汽包高位水位計中過冷水的溫度比汽包飽和溫度低很多，所以水位計中水的密度大于汽包飽和水的密度，造成顯示的水位H遠(yuǎn)低于汽包內(nèi)實際水位H，需要進(jìn)行實時補(bǔ)償。目前的普遍做法是采取鍋爐檢修過程將水位計整體下移的方式，但由于偏差值是隨環(huán)境溫度、機(jī)組負(fù)荷的變化而變化的，所以僅靠冷

15、態(tài)位置的調(diào)整是無法將偏差值一次修正到位的。（4）如果取消工業(yè)電視圖像，僅從操作盤上看水位，那么在緊急事故情況下，畫面切換頻繁，很容易導(dǎo)致誤操作；并且國家出臺的蒸汽鍋爐安全技術(shù)檢查規(guī)程規(guī)定：運行人員必須實時監(jiān)視汽包水位，因此，工業(yè)電視的水位圖像不能被取消或代替。鑒于以上問題，我們設(shè)計了一套基于圖像處理技術(shù)的爐膛火焰和汽包水位實時監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合圖像處理技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)，對火焰圖像、水位圖像信息進(jìn)行數(shù)字運算和處理，以提高圖像的顯示質(zhì)量，并將處理過的視頻信號送到工業(yè)電視上，保證讓運行人員能隨時醒目地看到分層的火焰圖像和清晰的水位棒圖；同時，系統(tǒng)還可以實時記錄特征參數(shù)，用曲線、表格等方式顯示，并作為歷

16、史數(shù)據(jù)長期保存。另外，還具有報警和事故存盤功能。1.3 本文主要研究內(nèi)容本文首先提出了一個汽包水位控制系統(tǒng)方案，系統(tǒng)中被控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量它主要考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)。并根據(jù)鍋爐控制系統(tǒng)的工藝要求，制定汽包水位系統(tǒng)的控制算法。在此基礎(chǔ)上，利用可編程控制器和組態(tài)王實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控作用，此外還介紹了西門子S7-200系列可編程控制器與組態(tài)王的通信以及注意事項。實踐證明，PLC與組態(tài)王結(jié)合具有很好的應(yīng)用價值。整個項目需要完成的工作內(nèi)容有: 汽包水位控制方案制定, 系統(tǒng)算法設(shè)計 ，PLC的I/O分配，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn), 梯形

17、圖設(shè)計, 項目資料整理等。本文共分四部分：第一章：緒論。簡單的闡述了鍋爐汽包水位的研究背景和現(xiàn)狀。第二章：鍋爐汽包水位控制方案設(shè)計第三章：基于PLC與組態(tài)王的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計第四章：鍋爐汽包水位監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)第二章 鍋爐汽包水位控制方案設(shè)計2.1 控制系統(tǒng)工藝流程工業(yè)鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。汽包及蒸汽管中貯藏著蒸汽和水汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽負(fù)荷量，當(dāng)給水量等于蒸汽量時汽包水位就恒定不變。工業(yè)鍋爐汽包水位自動控制的目標(biāo)就是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量并維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)。圖2-1 鍋爐汽水系統(tǒng)1給水泵；2給水母管；3調(diào)節(jié)閥；4省煤器5鍋爐汽包；6下降管；7上升管；8蒸汽母

18、管汽包水位是鍋爐運行的主要指標(biāo)，是一個非常重要的被控變量，維持汽包水位在一定的范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運行的首要條件。這是因為：a.如果水位過低，則由于汽包內(nèi)水量較少，而負(fù)荷卻很大，水的汽化速度又很快，因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如果不及時控制，就會使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐燒壞和爆炸。b.水位過高會影響汽包的汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶液的現(xiàn)象，會使過熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致破壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降，該蒸汽作為汽輪機(jī)的動力，還會損壞汽輪機(jī)葉片，影響運行的安全和經(jīng)濟(jì)性。汽包水位過高或過低的后果極為嚴(yán)重，所以必須嚴(yán)格加以控制。2.2 控制方案設(shè)計由于水位調(diào)節(jié)對象沒有自平衡能力，而且水位調(diào)節(jié)對象存在滯后，

19、因此不能采用開環(huán)調(diào)節(jié)方法。常用的汽包水位的控制算法有單沖量控制，雙沖量控制以及三沖量控制三種。 單沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng) 如圖2-2所示。在單沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，水位是唯一的調(diào)節(jié)信號，即調(diào)節(jié)器只根據(jù)水位變化去改變給水調(diào)節(jié)閥的開啟度。在汽包相對負(fù)荷容量比較大，水位受到擾動后的反應(yīng)速度較慢，虛假水位現(xiàn)象不很嚴(yán)重的情況下，采用單沖量調(diào)節(jié)方法可以滿足生產(chǎn)要求。 圖2-2 單沖量水位控制系統(tǒng)框圖 雙沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖2-3所示。圖2-3 雙沖量水位控制系統(tǒng)框圖單沖量調(diào)節(jié)方法不能克服虛假水位對水位控制的不良影響。當(dāng)蒸汽量大幅度增加時，由于假水位上升，調(diào)節(jié)器輸出信號不但不去開大調(diào)節(jié)閥增大給水量，以維持物料平衡，

20、反而去關(guān)小調(diào)節(jié)閥。減少給水量，等到假水位消失后，水位將更加迅速下降，波動很厲害，動態(tài)品質(zhì)很差，顯然在外擾作用下不能避免水位發(fā)生較大幅度的波動。此外，當(dāng)負(fù)荷變化時，控制作用緩慢。即使“虛假水位”不嚴(yán)重，從負(fù)荷變化到水位下降要有一個過程，再由水位變化到閥動作已滯后一段時間。如果水位過程時間常數(shù)很小偏差必然相當(dāng)顯著。為了克服虛假水位對控制的不良影響，可以引入蒸汽流量作為前饋信號。當(dāng)蒸汽負(fù)荷變化引起水位大幅度波動時，蒸汽流量信號起著超前的作用，它可在水位尚未出現(xiàn)變化時，提前使調(diào)節(jié)閥動作，補(bǔ)償了“虛假水位”所引起的誤動作，減少水位波動，從而改善了控制品質(zhì)，這樣，系統(tǒng)就成為雙沖量控制。 三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)

21、雙沖量控制方法不能迅速克服給水壓力變化對水位產(chǎn)生的影響。當(dāng)給水壓力波動時，給水流量將發(fā)生變化，此時只有等到水位變化后調(diào)節(jié)器才能起作用。為此再引入給水流量信號，組成三沖量水位控制回路，如圖2-4所示。圖2-4 三沖量水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖2-4中累加器的輸出為： =+-o (2.1)其中C為前饋系數(shù)，前饋系數(shù)C的確定如下：如果給水流量的測量是線性的，則有： =(-) (2.2)式中： -給水流量變送器輸出變化量； -給水流量變化量； -給水流量變送器量程； -變送器輸出的最大變化范圍；由式（2.2）可得：= (2.3)蒸汽流量的測量也作為線性來考慮：=(-) (2.4)式中: -蒸汽流量變送器輸

22、出變化量；-蒸汽流量變化量；-蒸汽流量變送器量程；-變送器輸出的最大變化范圍；根據(jù)式（2.4）可得：= (2.5)從靜態(tài)物料平衡看，使汽包水位不變，成為常數(shù)，應(yīng)當(dāng)使W=D(給水流量等于蒸汽流量)。考慮到鍋爐由于排污要放出一部分水，所以給水流量稍大于蒸汽流量，則有：= (2.6)式中: -給水流量變化量；-蒸汽流量變化量；-排污系數(shù)，>1；根據(jù)式（2.6）得：= (2.7) = (2.8)根據(jù)靜態(tài)前饋全補(bǔ)償要求：= (2.9)所以：= (2.10)根據(jù)圖2-4，可以得到三沖量控制系統(tǒng)框圖，如圖2-5所示。 圖中的串級三沖量控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器接受水位信號作為主控信號和蒸汽流量信號去控制副調(diào)

23、節(jié)器的給水設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器除了接受主調(diào)節(jié)器的設(shè)定信號外，還接受給水流量信號。蒸汽流量信號作為前饋信號對給水流量進(jìn)行前饋控制，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然發(fā)生變化時，蒸汽流量信號使給水調(diào)節(jié)閥立即向正確的方向移動，即當(dāng)蒸汽流量增加時，給水調(diào)節(jié)閥開大，從而抵消了由于虛假水位引起的反向作用，因此減少了水位和給水流量的波動幅度。給水流量信號作為調(diào)節(jié)閥動作后的反饋信號，能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果，做出響應(yīng)的調(diào)整。對于水壓干擾等給水側(cè)的擾動，給水流量信號也起著前饋的作用，能使擾動迅速做出反應(yīng)。圖2-4所示的三沖量水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實際上是前饋-串級控制系統(tǒng)，根據(jù)圖2-5，副調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，微分作用沒有或很小。副回路

24、控制目標(biāo)是在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，使給水調(diào)節(jié)閥有盡快的響應(yīng)。所以比例作用取得較大，但留有余量，以保證系統(tǒng)不發(fā)生振蕩。主回路也采用PI調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)對象為汽包水位。由于前饋作用對虛假水位現(xiàn)象的抵消。調(diào)節(jié)對象的特性較簡單，可以把積分作用取大一點，迅速消除水位偏差。比例作用不宜太大，以免在出現(xiàn)虛假水位時控制作用和前饋作用相抵消。蒸汽流量前饋系數(shù)取值為給水流量與蒸汽流量量程的比值與排污系數(shù)的乘積，這樣在靜態(tài)情況下，就能滿足系統(tǒng)的物料平衡。串級三沖量水位控制算法的靈敏度很高，算法輸出的信號頻繁變化，但由于其執(zhí)行機(jī)構(gòu)給水調(diào)節(jié)閥本身特性是一個慣性環(huán)節(jié)，能有效地對信號進(jìn)行平滑處理，并不會引起頻繁動作。由此可以

25、看出在前饋-串級三沖量控制下，調(diào)節(jié)器動作快，還可以避免調(diào)節(jié)過頭，減少波動和失控。圖2-5 汽包水位三沖量控制系統(tǒng)框圖綜上所述，由于單沖量控制系統(tǒng)不能克服假水位帶來的控制問題，雙沖量控制系統(tǒng)還有不能做到靜態(tài)補(bǔ)償以及不能對給水系統(tǒng)干擾及時克服兩個的弱點。因此在實際應(yīng)用中汽包水位控制系統(tǒng)都采用三沖量控制系統(tǒng)。即蒸汽流量、給水流量、汽包水位三個沖量作為輸入變量，給水調(diào)節(jié)閥作為控制變量，來控制汽包水位。2.3 控制系統(tǒng)算法設(shè)計 數(shù)字PID原理及算法分析PID是比例(Proportion)、積分(Integral)、微分(Derivative)的縮寫，PID控制是過程控制系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。實際

26、運行的經(jīng)驗和理論分析都表明，運用這種控制規(guī)律對許多工業(yè)過程進(jìn)行控制時，都能達(dá)到滿意的效果，因此，PID控制在工業(yè)控制等領(lǐng)域一直都在廣泛使用。典型的PID控制原理如圖2-6所示:圖2-6 典型PID控制原理在模擬控制系統(tǒng)中PID控制規(guī)律的表達(dá)式為: = (2.11)其中:為比例增益,為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。為控制量，為偏差。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法，當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠?。為此可作如下近似計? (2.12) (2.13)式中，T為采樣周期，k為采樣序號。由式(2.11)、(2.12)、(

27、2.13)可得到數(shù)字PID的控制算式為 (2.14)式中：表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置。由于式(2.14)算式不夠方便，這是因為要累加偏差，不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此可對式(2.14)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)式(2.14)不難寫出的表達(dá)式，即: （2.15）將式(2.14)和式(2.15)相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式: (2.16)其中：稱為比例增益; 稱為積分系數(shù); 稱為微分系數(shù)。 數(shù)字PID校正環(huán)節(jié)參數(shù)PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用及參數(shù)對系統(tǒng)的影響為:（）比例常數(shù)的作用在于按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差、加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差，比例作用大

28、，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。控制品質(zhì)的好壞很大程度上取決于該值的選取，實際控制過程的操作經(jīng)驗說明:在調(diào)節(jié)過程初期，適當(dāng)?shù)匕裀ID調(diào)節(jié)器的比例度放大到較大的檔次以提高響應(yīng)速度;在調(diào)節(jié)過程中期，把適當(dāng)?shù)闹眯∫恍?，從而兼顧穩(wěn)定性與調(diào)節(jié)精度;在調(diào)節(jié)過程后期，把調(diào)整到較小的檔次以減小靜差，提高控制的精度。（）積分常數(shù)在系統(tǒng)控制中，積分調(diào)節(jié)規(guī)律主要作用在于消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度;只要有誤差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至誤差消失。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)，該常數(shù)越小，積分作用就越強(qiáng)，反之，該常數(shù)大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)

29、變慢。由于某些原因(如飽和非線性等)，使得在調(diào)節(jié)過程初期產(chǎn)生積分飽和，從而引起調(diào)節(jié)過程的較大超調(diào)。因此，在調(diào)節(jié)過程的初期，應(yīng)小一些;中期為避免影響穩(wěn)定性，應(yīng)調(diào)整得適中;后期，應(yīng)增大，以減小調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高調(diào)節(jié)精度。（）微分環(huán)節(jié)微分調(diào)節(jié)作用主要是反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，針對大慣性過程引入的，它能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，己被微分調(diào)節(jié)作用消除，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在調(diào)節(jié)過程初期，加大微分作用，可減小甚至避免超調(diào);在調(diào)節(jié)過程中期，由于調(diào)節(jié)特性對的變化比較敏感，應(yīng)適當(dāng)小一些，并保持固定不變;在調(diào)節(jié)過程后期，應(yīng)減小，從而減小被控過程的制動作用，以補(bǔ)償

30、在初期由于較大所造成的調(diào)節(jié)過程時間延長。2.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計 水位傳感器設(shè)計水位傳感器的作用是采集水位信號并對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，它是水位測量儀表中不可缺少的組成部分。根據(jù)水位傳感器檢測水位的不同方式,可將各類測量儀表分為以下3類。（）浮力式液位計.它是根據(jù)漂浮在液面上的浮子(也稱浮標(biāo))受到水的浮力作用，隨水位的變化而產(chǎn)生位移來進(jìn)行液位測量的，利用這一關(guān)系制成的儀表稱浮力式液位計，浮子或浮筒是這類儀表的感受元件。浮力式液位計的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，不易受外界環(huán)境的影響。但因大多數(shù)這類儀表有可動部件,易因摩擦、磨損、腐蝕等增大儀表的死區(qū)和變差，甚至使機(jī)械部件卡死而無法正常工作。（）靜壓式液位計.

31、它是依據(jù)液體中某一定點與液面之間的壓差隨液柱高度的變化來進(jìn)行測量的?？煞譃閴毫κ胶筒顗菏絻深?。這類儀表測量范圍寬，可進(jìn)行就地或遠(yuǎn)傳測量，缺點是安裝復(fù)雜，不易維護(hù)，測量結(jié)果需進(jìn)行非線性校正。（）電磁式液位計(包括電阻式、電容式、電感式等)。它是利用測量元件將液位的變化轉(zhuǎn)換成電阻、電容或電感量的變化來進(jìn)行測量的。此類儀表壽命長,工作可靠，但這類儀表一般都直接裝設(shè)在鍋筒的連通器中，它檢測的位置在連通器器壁或插入其中的導(dǎo)電介質(zhì)的邊緣，易造成虛假水位。綜上所述，我們把浮力式液位計和電磁式液位計的傳感器部件結(jié)合起來，設(shè)計出一種新型水位傳感器裝置，采用浮球作為感受元件，由互感變壓器將水位信號轉(zhuǎn)換成電信號?；?/p>

32、感變壓器安裝在鍋筒和連通器組成的密閉容器以外，安裝方便，且避免了虛假水位的形成。傳感器結(jié)構(gòu)如圖2-7所示，由液筒、浮球、原、副邊線圈和硅棒組成,不銹鋼浮球通過膠木棒與硅棒相連。傳感器液筒上的汽水管法蘭與鍋爐鍋筒相連接,使鍋筒內(nèi)的水位與液筒內(nèi)水位互相連通.當(dāng)鍋筒內(nèi)水位變化時，液筒內(nèi)水位相應(yīng)發(fā)生變化。液筒內(nèi)浮球根據(jù)水位高低而發(fā)生變化，水位升高時，浮球向上浮；水位下降時，浮球向下浮。連在浮球上的硅棒在互感器內(nèi)發(fā)生位移，使互感變壓器輸出電壓發(fā)生相應(yīng)的變化，將這一變化的電壓值送入二次儀表，二次儀表接收此信號并轉(zhuǎn)換成與液平面相對應(yīng)的指示(顯示)信號。圖2-7 水位傳感器原理 壓力變送器、差壓變送器廣泛采用

33、的變送器有DDZ-II、III型變送器(由上儀、西儀生產(chǎn))，應(yīng)變式變送器(由浙江錢江儀表廠生產(chǎn))，1151電容式變送器(進(jìn)口、上儀、西儀生產(chǎn)的都有)，ROSEMENT3051變送器(美國FISHER公司生產(chǎn))。DDZ-II、III型變送器和應(yīng)變式變送器雖然價格便宜，但是運行穩(wěn)定性和測量精確度不高，存在零點漂移問題，本系統(tǒng)不予考慮。1151電容式變送器運行穩(wěn)定性和測量精確度都還可以,但是要考慮靜壓補(bǔ)償。ROSEMENT3051變送器運行穩(wěn)定性和測量精確度都非常好,調(diào)校非常方便，量程比很高，價格比1151電容式變送器貴不了多少，因此本系統(tǒng)壓力變送器、差壓變送器確定采用ROSEMENT3O51變送器

34、。 節(jié)流式流量計 節(jié)流式流量計可用于測量液體，氣體或蒸汽的流量。它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，無可動部分；可靠性較高；復(fù)現(xiàn)性能好；適應(yīng)性較廣。它由四部分組成1）節(jié)流元件2）引壓管路3）三閥組4）壓差計。節(jié)流裝置產(chǎn)生的差壓信號，通過壓力傳輸管道引至差壓計，經(jīng)差壓計轉(zhuǎn)換為電信號或氣信號送至顯示儀表。2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件系統(tǒng)分為三個層次兩大部分。第一部分包括第一層的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)和第二層的通用顯示監(jiān)控子系統(tǒng)。這兩層的有效結(jié)合，組成了本軟件系統(tǒng)的系統(tǒng)支撐軟件，它不但實現(xiàn)了對應(yīng)用軟件的支持，同時還實現(xiàn)了對調(diào)試過程的有效支持。軟件系統(tǒng)的第三層為應(yīng)用層，是軟件的第二部分。這部分軟件由A/D、D/A任務(wù)，控制計

35、算任務(wù)、自整定任務(wù)、通信任務(wù)、故障診斷與容錯任務(wù)等組成。這些任務(wù)在實時操作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下，按消息驅(qū)動方式運行。本儀表大部分的功能主要體現(xiàn)在控制計算任務(wù)上。根據(jù)儀表的功能要求，控制計算任務(wù)的實現(xiàn)框圖如圖2-8所示。圖中的每一方框?qū)?yīng)軟件中的一個模塊，每一個模塊獨立完成一個功能。從方框圖中可以看到，跟蹤處理模塊有五路輸出，一路輸出，因此無平衡無擾動切換處理較為復(fù)雜,其中一路作為輸出時,必須對另外四路作跟蹤處理,其中還包括串級調(diào)節(jié)的主回路輸出和副回路輸出。跟蹤處理的復(fù)雜性對模塊化編程和PID控制參數(shù)的自動整定極為不利。在跟蹤處理模塊的實現(xiàn)中，本儀表采用了狀態(tài)順序編碼技術(shù)，有效地解決了無平衡無擾動切換和

36、安全性等問題。圖2-8 控制計算機(jī)結(jié)構(gòu)圖第三章 基于PLC與組態(tài)軟件的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計控制系統(tǒng)硬件部分包括小型工作站(上位計算機(jī))、S7-200系列PLC可編程序控制器構(gòu)成的下位機(jī)、外部設(shè)備、過程輸入輸出通道、現(xiàn)場工業(yè)自動化儀表以及供電系統(tǒng)等組成。它是對工業(yè)鍋爐生產(chǎn)進(jìn)行實時控制的物質(zhì)基礎(chǔ)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)設(shè)計考慮了以下原則：適用性：充分調(diào)研和分析客戶需求，且結(jié)合設(shè)備現(xiàn)狀和客戶長遠(yuǎn)規(guī)劃，在長遠(yuǎn)、可靠、先進(jìn)、節(jié)能的理念下實現(xiàn)系統(tǒng)功能?？煽堪踩裕涸谄骷x型采購上確保選用國內(nèi)或國外知名品牌，在系統(tǒng)設(shè)計上充分考慮硬件和軟件冗余，故障的隔離和弱化影響

37、范圍，在安裝和調(diào)試時按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。先進(jìn)性：應(yīng)用當(dāng)前國內(nèi)成熟、先進(jìn)的控制硬件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合鍋爐控制的成功經(jīng)驗，優(yōu)化和完善系統(tǒng)設(shè)計。經(jīng)濟(jì)性：采用最合理的硬、軟件配置，達(dá)到高性能的價格比。開放性：系統(tǒng)的設(shè)計、硬軟件配置、網(wǎng)絡(luò)及通訊規(guī)約、數(shù)據(jù)庫等滿足國際、國內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，硬件和軟件功能模塊易于維護(hù)、擴(kuò)充、升級。3.2 系統(tǒng)輸入輸出設(shè)計 數(shù)字量輸入輸出設(shè)計 數(shù)字量即開關(guān)量，通過高、低電平實現(xiàn)。鍋爐的自動控制系統(tǒng)涉及到的數(shù)字量如表3.1。數(shù)字量低電平對應(yīng)數(shù)字量的0，高電平對應(yīng)數(shù)字量的1。表3.1 數(shù)字量輸入輸出點列表名稱描述名稱描述啟動按鈕數(shù)字量輸入鍋爐危險水位信號數(shù)字量輸入停止按鈕數(shù)字量輸入水位過高報

38、警數(shù)字量輸出手動運行按鈕數(shù)字量輸入水位過低報警數(shù)字量輸出自動運行按鈕數(shù)字量輸入危險低水位報警數(shù)字量輸出鍋爐低水位信號數(shù)字量輸入電源指示數(shù)字量輸出鍋爐高水位信號數(shù)字量輸入手動運行數(shù)字量輸出 模擬量輸入輸出設(shè)計模擬量是一種在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的變量，在此系統(tǒng)中，所涉及的模擬量見表3.2,其中模擬量都采用4-2OmA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號。表3.2 模擬量輸入輸出點列表名稱描述鍋爐水位高度模擬量輸入蒸汽流量模擬量輸入給水流量模擬量輸入 輸入輸出信號的采集與轉(zhuǎn)換輸入輸出信號并不是現(xiàn)成的數(shù)字量信號或模擬量信號，雖然有些信號可以直接拿來使用，但是仍然有很多信號需要轉(zhuǎn)換。開關(guān)量信號可以直接送到PLC的控制電路直接使

39、用，如各個開關(guān)的通斷就可以直接發(fā)出開關(guān)量信號，而一些位置信號要變成開關(guān)量信號就需要在送到PLC之前轉(zhuǎn)換完成。例如控制系統(tǒng)中會需要水位的高位、低位和極限低位信號，這就需要采樣水位高度信號送到PLC內(nèi)部進(jìn)行比較得到是否達(dá)到限位高度或者直接接收限位高度的開關(guān)量信號。對于前者，使用壓差變送器可以得到水位高度的模擬量信號，然后送入PLC，與設(shè)定的高度值進(jìn)行比較。在這一過程中差壓變送器就要接受水位的壓力信號，將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號。對于后者，可以使用浮子式液位控制器實現(xiàn)，此時PLC可直接采集此開關(guān)信號。下面列出水位差壓變送器輸入輸出參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。表3.3 水位差壓變送器參數(shù)輸入（mm）輸出（mA）04

40、20084001260016800203.3 系統(tǒng)硬件組成鍋爐計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件由以下幾部分組成：3.3.1 一次儀表安裝于現(xiàn)場的一次儀表包括熱電偶、熱電阻及各種傳感器和壓力、差壓變送器等。現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)指用于汽包水位調(diào)節(jié)的變頻器和電動調(diào)節(jié)閥等。3.3.2 鍋爐系統(tǒng)儀表操作臺 鍋爐系統(tǒng)儀表操作臺安裝于集控室內(nèi)，每臺鍋爐配置一臺。儀表操作臺上裝有與本臺鍋爐運行相關(guān)的主要儀表，包括顯示儀表、流量積算儀、手操器、調(diào)節(jié)器及控制電機(jī)的轉(zhuǎn)換開關(guān)、起停按鈕、指示燈、電機(jī)智能監(jiān)控器遠(yuǎn)程顯示表等。操作臺分臥式和立式兩種，見下圖3-2所示：圖3-2 臥式和立式操作臺3.3.3 計算機(jī)操作臺 在集控室內(nèi)為每臺鍋爐配

41、置一個計算機(jī)操作臺。配置和兩套工業(yè)控制計算機(jī)，兩套工業(yè)控制計算機(jī)分別組成工程師站和操作員站。兩臺工控機(jī)互為冗余，用于參數(shù)設(shè)置、運行過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、趨勢及事故分析、報表形成及運行參數(shù)超限后的智能語音報警。任何一臺計算機(jī)都可對任一鍋爐參數(shù)設(shè)置及過程監(jiān)控。以臥式操作臺示例如下圖3-3所示：圖3-3 側(cè)視圖和正面布置圖3.3.4 工業(yè)電視監(jiān)視站集控室內(nèi)的計算機(jī)操作臺上還另外配有工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)，用于監(jiān)視鍋爐的汽包水位。采用計算機(jī)監(jiān)控方案，可將工業(yè)電視和工控機(jī)安裝在同一個操作臺內(nèi)，以臥式操作臺示例如下圖3-4所示：圖3-4 工業(yè)電視操作臺和工業(yè)電視計算機(jī)操作臺3.3.5 安裝于集控室的PLC柜PLC

42、 為控制系統(tǒng)的核心，完成檢測信號的采集并經(jīng)信號以通訊的方式傳至工控機(jī)，完成汽包水位、給水壓力、回水壓力的自動調(diào)節(jié)，完成電機(jī)的順序控制等。通常以德國西門子公司的S7-200型PLC作為控制主站，做為控制系統(tǒng)的核心，采用總線通訊，最大限度的減少電纜接線數(shù)量，減輕維護(hù)量。3.3.6 大容量的UPS采用大容量的UPS供電，在停電后確保工控機(jī)、PLC 及關(guān)鍵檢測設(shè)備、儀表正常工作一個小時。3.4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)與控制要求，從機(jī)（PLC）來完成數(shù)據(jù)的采集、處理和控制信號的輸出。主機(jī)與從機(jī)通過通信電纜進(jìn)行通訊。在主機(jī)（工業(yè)控制計算機(jī)）中來完成對從機(jī)采集數(shù)據(jù)的實時顯示、監(jiān)測變量的曲線趨勢顯示、

43、報警信息顯示、對從機(jī)寫入初始化數(shù)據(jù)等功能。為了實現(xiàn)上述控制目的，在主機(jī)中采用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控軟件的開發(fā)。3.4.1 組態(tài)軟件介紹MCGS(Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng))是一套用于快速構(gòu)造和生成計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于Microsoft（各種32位Windows平臺上）運行，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，它充分利用了Windows圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點，在自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。MCGS組態(tài)軟件功

44、能強(qiáng)大，操作簡單，同時使用MCGS組態(tài)軟件能夠避開復(fù)雜的計算機(jī)軟、硬件問題，集中精力去解決工程問題本身，根據(jù)工程作業(yè)的需要和 （1）MCGS系統(tǒng)組成MCGS系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分。用戶的所有組態(tài)配置過程都在組態(tài)環(huán)境中進(jìn)行，組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件，它幫助用戶設(shè)計和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。用戶組態(tài)生成的結(jié)果是一個數(shù)據(jù)庫文件，稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫。運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)，它按照組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫中用戶指定的方式進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標(biāo)和功能。運行環(huán)境本身沒有任何意義，必須與組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫一起作為一個整體，才能構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)。一旦組態(tài)工作完成，運行環(huán)境和組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫就

45、可以離開組態(tài)環(huán)境而獨立運行在監(jiān)控計算機(jī)上。組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫完成了MCGS系統(tǒng)從組態(tài)環(huán)境向運行環(huán)境的過渡，它們之間的關(guān)系如下圖3-5所示。圖3-5 組態(tài)環(huán)境與運行環(huán)境的關(guān)系由MCGS生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五個部分構(gòu)成，如圖3-6所示。圖3-6 用戶應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)窗口是屏幕中的一塊空間，是一個“容器”，直接提供給用戶使用。在窗口內(nèi)，用戶可以放置不同的構(gòu)件，創(chuàng)建圖形對象并調(diào)整畫面的布局，組態(tài)配置不同的參數(shù)以完成不同的功能。在MCGS的單機(jī)版中，每個應(yīng)用系統(tǒng)只能有一個主控窗口和一個設(shè)備窗口，但可以有多個用戶窗口和多個運行策略，實時數(shù)據(jù)庫中也可以有多個

46、數(shù)據(jù)對象。MCGS用主控窗口、設(shè)備窗口和用戶窗口來構(gòu)成一個應(yīng)用系統(tǒng)的人機(jī)交互圖形界面，組態(tài)配置各種不同類型和功能的對象或構(gòu)件，同時可以對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。（2） MCGS的數(shù)據(jù)處理過程在MCGS中，用數(shù)據(jù)對象來描述系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)，用對象變量代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的值變量，把數(shù)據(jù)庫技術(shù)管理的所有數(shù)據(jù)對象的集合稱為實時數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫是MCGS系統(tǒng)的核心，是應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。系統(tǒng)各個部分均以實時數(shù)據(jù)庫為公用區(qū)交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各個部分協(xié)調(diào)動作。設(shè)備窗口通過設(shè)備構(gòu)件驅(qū)動外部設(shè)備，將采集的數(shù)據(jù)送入實時數(shù)據(jù)庫；由用戶窗口組成的圖形對象，與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立連接關(guān)系，以動畫形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化

47、，運行策略通過策略構(gòu)件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和處理。如圖3-7所示：圖3-7 實時數(shù)據(jù)庫的動畫連接在鍋爐自動控制過程中，由于大量使用各種類型的監(jiān)控與采集設(shè)備，因此，通常會產(chǎn)生大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。這就要求構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)核心的組態(tài)軟件具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，從而有效、合理地將這些生產(chǎn)數(shù)據(jù)加以處理，一方面，為現(xiàn)場操作員提供實時、可靠的圖像、曲線等，以反映現(xiàn)場運行的狀況并方便其進(jìn)行相應(yīng)的控制操作；同時，也需要為企業(yè)的管理人員提供各種類型的數(shù)據(jù)報表，為企業(yè)管理提供切實可靠的第一手資料。針對以上情況，MCGS組態(tài)軟件提供了功能強(qiáng)大，使用方便的數(shù)據(jù)處理功能。按照數(shù)據(jù)處理的時間先后順序，MCGS組態(tài)軟件將數(shù)據(jù)處理過程分為

48、三個階段，即：數(shù)據(jù)前處理、實時數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)后處理，以滿足各種類型的需要，如圖3-8所示。數(shù)據(jù)前處理是指數(shù)據(jù)由硬件設(shè)備采集到計算機(jī)中，但還沒有被送入實時數(shù)據(jù)庫之前的數(shù)據(jù)處理。在該階段，數(shù)據(jù)處理集中體現(xiàn)為各種類型的設(shè)備采集通道處理。實時數(shù)據(jù)處理是在MCGS組態(tài)軟件中對實時數(shù)據(jù)庫中變量的值進(jìn)行的操作。主要是在運行策略中完成。數(shù)據(jù)后處理則是對歷史存盤數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。MCGS組態(tài)軟件的存盤數(shù)據(jù)庫是原始數(shù)據(jù)的集合，數(shù)據(jù)后處理就是對這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、刪除、添加、查詢等操作，以便從中提煉出對用戶有用的數(shù)據(jù)和信息。然后，利用MCGS組態(tài)軟件提供的曲線、報表等機(jī)制將數(shù)據(jù)形象的顯示出來。圖3-8 MCGS數(shù)據(jù)

49、處理過程3.4.2 監(jiān)控軟件組成在系統(tǒng)運行過程中，監(jiān)控軟件通過友好的人機(jī)界面提供被檢測變量的實時數(shù)據(jù)顯示，對給水流量與蒸汽流量的日累計量進(jìn)行計算。當(dāng)滿足報警條件時，在動態(tài)顯示畫面中，報警燈閃爍，提示操作人員有報警產(chǎn)生，操作人員可通過報警信息瀏覽查出產(chǎn)生報警的原因，制定出相應(yīng)的策略。根據(jù)監(jiān)控軟件提供的實時數(shù)據(jù)曲線和歷史數(shù)據(jù)曲線，可以使操作人員清晰的看出被檢測變量的實時數(shù)據(jù)的動態(tài)曲線和歷史數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢曲線，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢曲線，可以了解各個組成部分的控制執(zhí)行情況及控制效果，操作人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢與鍋爐過程控制的工藝要求，不斷完善控制算法與策略。監(jiān)控軟件使主機(jī)與從機(jī)有機(jī)的結(jié)合在一起，

50、在主機(jī)中可以通過監(jiān)控軟件的參數(shù)初始化窗口，對從機(jī)的PID參數(shù)、量程范圍等進(jìn)行初始化，同時，在實時控制中可以根據(jù)PID控制效果實時修改PID參數(shù)，從而達(dá)到在線實時控制的效果。監(jiān)控軟件還提供歷史數(shù)據(jù)的瀏覽，操作人員可以根據(jù)需要選擇某一特定時期的歷史數(shù)據(jù)，將其打印出來，進(jìn)行分析。3.5 PCPLC網(wǎng)絡(luò)通信3.5.1 網(wǎng)絡(luò)主站與從站在通信網(wǎng)絡(luò)中，上位機(jī)、編程器和各個PLC都是整個網(wǎng)絡(luò)的一個成員，或者說它們在網(wǎng)絡(luò)中都是一個節(jié)點。每個節(jié)點都被分配有各自的節(jié)點地址。在網(wǎng)絡(luò)通信中，可以用節(jié)點地址去分配各個設(shè)備。但是，這些設(shè)備在整個網(wǎng)絡(luò)中所起的作用并不完全相同。有的設(shè)備如上位機(jī)PC、編程器等設(shè)備可以讀取其他節(jié)點

51、的數(shù)據(jù)，也可以向其他節(jié)點寫入數(shù)據(jù)，還可以對其他節(jié)點進(jìn)行初始化。這類設(shè)備掌握了通信的主動權(quán)，叫主站。還有些設(shè)備，比如S7200 PLC，在有些通信中，它可以作為主站使用。但是，有另一些通信網(wǎng)絡(luò)中，它只能讓主站讀取數(shù)據(jù)，讓主站寫入數(shù)據(jù)，而不能讀取其他設(shè)備的數(shù)據(jù)，也無權(quán)向其他設(shè)備寫入數(shù)據(jù)，這類設(shè)備在這種通信網(wǎng)絡(luò)中是被動的，把這類設(shè)備叫從站。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同，在一個網(wǎng)絡(luò)中的主站和從站數(shù)量也不完全相同。一般情況下，總是把PC和編程器作為主站。通信網(wǎng)絡(luò)也有單主站網(wǎng)絡(luò)和多主站網(wǎng)絡(luò)之分。單主站就是一個主站連接到多個從站網(wǎng)絡(luò)。多主站就是由多個主站和多個從站構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。3.5.2 S7200網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議S7200

52、 CPU支持多種通信協(xié)議，主要有以下四種：a.點到點（Point-to-Point）接口，即PPI方式；b.多點（Multi-Point）接口，即MPI方式；c.過程現(xiàn)場總線PROFIBUS,即PROFIBUS-DP方式；d.用戶自定義協(xié)議，即自由口方式；在本系統(tǒng)的設(shè)計中,采用PCPLC網(wǎng)絡(luò)組成監(jiān)控系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)可以分為兩層。管理層采用工業(yè)控制計算機(jī)，其輸入/輸出數(shù)據(jù)的處理十分方便，人機(jī)界面友好，管理水平高。執(zhí)行層采用S7200 PLC,使得過程控制可靠、快速、穩(wěn)定、安全。管理層和執(zhí)行層在控制過程中處于通信狀態(tài)。在通信過程中，管理層可以實現(xiàn)實時顯示執(zhí)行層數(shù)據(jù)及其他信息和向執(zhí)行層傳送控制參數(shù)，因

53、此采用PPI通信協(xié)議來實現(xiàn)這種通信要求。PPI通信協(xié)議是SIEMENS公司專為S7200系列PLC開發(fā)的通信協(xié)議。PPI方式可以用普通的兩芯電纜或PC/PPI電纜進(jìn)行通信，從而完成工程的運行與監(jiān)控。PPI通信協(xié)議是一種主從協(xié)議，主站設(shè)備（PC、編程器等）發(fā)送要求到從站設(shè)備，從站設(shè)備響應(yīng)。從站不向主站及其他從站發(fā)送要求，只等待主站的要求和對要求做出響應(yīng)。主站靠一個PPI協(xié)議管理的共享連接來與從站通訊。PPI協(xié)議并不限制與任意一個從站通訊的主站數(shù)量，但是在一個網(wǎng)絡(luò)中，主站的個數(shù)不能超過32個。一般情況下，網(wǎng)絡(luò)上的所有S7200 CPU都作為從站。根據(jù)PPI協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接的時候，由于上位機(jī)PC的串

54、口為RS232信號，而PLC的通信口為RS485信號。當(dāng)兩者進(jìn)行通信時，需要將兩種信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可采用普通的轉(zhuǎn)換器，也可采用PC/PPI電纜。一個主站和多個從站的PPI連接方式如圖3-9所示。圖3-9 一個主站和多個從站的PPI連接方式3.6 系統(tǒng)報警設(shè)計 報警器電路原理框圖如圖3-10所示,它由3部分組成:信號處理與顯示,上下限基準(zhǔn)電壓設(shè)定，報警電路。圖3-10 報警器電路原理W1-上限調(diào)節(jié)電位器; W2-下限調(diào)節(jié)電位器; W3-試驗調(diào)節(jié)電位器;S2-試驗/監(jiān)視轉(zhuǎn)換開關(guān); S3-復(fù)位開關(guān)3.6.1 信號處理與顯示水位傳感器輸出的交流感應(yīng)電壓經(jīng)過信號處理電路(橋式整流、濾波)變?yōu)橹绷麟妷?此直

55、流電壓與鍋爐水位相對應(yīng),再由顯示電路顯示該電壓值可得到的水位。顯示電路采用15 V條形電壓表直接顯示電壓值,刻度轉(zhuǎn)換成鍋筒水位。3.6.2 上、下限基準(zhǔn)電壓設(shè)定通過調(diào)節(jié)電位器W1、W2可獲得上下限基準(zhǔn)電壓設(shè)定值.上下限設(shè)定方法為:(1)將試驗/監(jiān)視開關(guān)撥到“試驗”位置。(2)下限電壓設(shè)定:根據(jù)實際需要旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)電位器旋鈕使水位指示表頭指針指到所需刻度,此刻度即為鍋爐水位高度的下限值,如不報警,調(diào)節(jié)電位器W2直到報警電路報警,此時輸入比較電路的電壓對應(yīng)為下限基準(zhǔn)電壓。(3)上限電壓設(shè)定:根據(jù)實際需要旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)電位器旋鈕使水位指示表頭指針指到所需位置,此時如果水位報警器不報警,應(yīng)調(diào)節(jié)電位器W1直到上限報警為止,此時輸入比較電路的電壓對應(yīng)上限基準(zhǔn)電壓。上下限基準(zhǔn)電壓設(shè)定以后,將S2