換熱器熱流出口溫度控制

{國際貿(mào)易}換熱器熱流出口溫度控制摘要摘要換熱器作為一種標準工藝設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于動力工程領(lǐng)域和其他過程工業(yè)部門。以工業(yè)上常用的列管式換熱器為例,熱流體和冷流體通過對流熱傳導達到換熱的目的,從而使換熱器物料出口溫度滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。但由于目前制造工藝的限制,控制方式的單一性,換熱器普遍存在控制效果差,換熱效率低的現(xiàn)象,造成能源的浪費。如何提高換熱器的控制效果,提高換熱效率,對于緩解我國能源緊張的狀況,具有長遠的意義。本課題來源于對SMPT—1000實驗平臺換熱器的研究，對于換熱器熱流出口PID準確的參數(shù)值，通過調(diào)整冷水閥的開度調(diào)整其流量來控制熱流的出口溫度。本設(shè)計利用PCS7PCS7軟件對系統(tǒng)進行硬件常運行。關(guān)鍵詞換熱器;溫度;PID控制;PCS7目錄AbstractHeatexchangerasastandardprocessequipmenthasbeenwidelyusedinthefieldofpowerengineeringandotherprocessindustries.Intheindustrymonlyusedshellandtubeheatexchanger,forexample,thehotfluidandcoldfluidheattransferbyconvectionheattransfertoachievethepurpose,sothattheheatexchangeroutlettemperatureofthematerialtomeettheneedsofindustrialproduction.However,asthemanufacturingprocessconstraints,controlunity,monheatexchangercontrolispoor,thephenomenonoflowheattransferefficiency,resultinginwasteofenergy.Howtoimprovethecontrolperformanceoftheheatexchangertoimproveheattransferefficiency,toeaseChina'senergyshortagesituation,havelong-termsignificance.ThedesignesfromtheSMPT-1000testplatformresearchexchangerforheatexchangeroutlettemperaturecontrol,theuseofPIDcontroltoadjust,throughcontinuousadjustingitsparameterstodetermineamoreaccurateparametervaluesbyadjustingopeningofthecoldwatervalvetocontroltheflowofadjustmentoftheoutlettemperatureoftheheatflow.ThisdesignusesPCS7topletethesystemofautomaticcontrolbyPCS7softwareonthesystemhardwareandsoftwareconfiguration,pletecontroloftheoutlettemperatureoftheprogramming,thelastoperatingnormallybyHMImonitoringandcontrolsystem.KeywordsHeat;temperature;PIDcontrol;PCS7目錄目錄摘要IAbstractII目錄III第1章緒論11.1換熱器設(shè)備11.2選題背景及意義11.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展史21.4本設(shè)計主要內(nèi)容41.5本章小結(jié)4第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制52.1SMPT-1000實驗平臺及換熱器52.2換熱器62.2.1高階換熱器62.2.2換熱器工作原理62.3PID控制72.3.1PID基本介紹72.3.2參數(shù)整定102.3.3主要功能和應(yīng)用122.4控制系統(tǒng)的設(shè)計132.4.1溫度控制特點132.4.2換熱器溫度控制系統(tǒng)13目錄2.5本章小結(jié)15第3章基于PCS7實現(xiàn)系統(tǒng)控制163.1PCS7簡介163.2PCS7作用163.3PCS7控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)173.4工程項目的建立183.5控制系統(tǒng)硬件設(shè)計與組態(tài)193.5.1硬件系統(tǒng)組成193.5.2硬件選型選型以及通訊203.5.3操作員站組態(tài)223.5.4網(wǎng)絡(luò)連接組態(tài)233.6軟件組態(tài)233.6.1系統(tǒng)軟件程序233.6.2與硬件地址的連接243.6.3系統(tǒng)報警軟件程序253.7人機界面創(chuàng)建253.8過程趨勢畫面的創(chuàng)建26第4章控制系統(tǒng)的投運284.1運前的準備工作284.2副環(huán)參數(shù)整定284.3主環(huán)參數(shù)整定284.4控制系統(tǒng)的仿真運行29目錄4.4.1熱流出口溫度294.4.2系統(tǒng)擾動測試30第5章總結(jié)31參考文獻32謝辭34第1章緒論第1章緒論1.1換熱器概述換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)換熱器按傳熱面的結(jié)構(gòu)分類為以下幾種：(1)表面式換熱器又稱為間壁式換熱器。在此類換熱器中，溫度不同的兩種外〔殼程）流動。這類換熱器類型多，應(yīng)用廣.化工生產(chǎn)中所用換熱器絕大多數(shù)式換熱器等等。(2)直接接觸式換熱器在這類換熱器中，冷熱兩種流體直接接觸進行換熱。這對工藝上允許兩種流體混合的情況而言，既方便又有效，所用設(shè)備也較簡單。在氣壓冷凝器中，蒸汽與水直接接觸使蒸汽冷凝等等。(3)第1章緒論免兩種流體在一定程度上相混合。換熱器行業(yè)涉及暖通、壓力容器、中水處理設(shè)備等近30多種產(chǎn)業(yè)，相互形成產(chǎn)業(yè)鏈條。1.2選題背景及意義近年來，在我國以信息化帶動的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展，溫度已成為工業(yè)對象控制中一種重要的參數(shù)[1]熱換器是化工和一些工業(yè)部門生產(chǎn)過程中主要的換熱設(shè)備，生產(chǎn)中通常對流體加熱或冷卻都要有熱量交換，因而都需要換熱器，隨著科研人員的不斷發(fā)展和創(chuàng)新對能源的利用和開發(fā)。熱換器在生活中的應(yīng)用也日益增進，在現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)換熱器占有較大的份額。換熱器行業(yè)涉及暖通、壓力容器、中水處理設(shè)備等近30多種產(chǎn)業(yè)[2]，相互形成產(chǎn)業(yè)鏈條。數(shù)據(jù)顯示2010年中國換熱器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模在500億元左右，主要集等領(lǐng)域。其中，石油化工領(lǐng)域仍然是換熱器產(chǎn)業(yè)最大的市場，其市場規(guī)模為150億元，;電力冶金領(lǐng)域換熱器市場規(guī)模在80億元左右;船舶工業(yè)換熱器市場規(guī)模在40億元以上;機械工業(yè)換熱器市場規(guī)模約為40億元;集中供暖行業(yè)換熱器市場規(guī)模超過3030需要大量的專業(yè)換熱器，這些市場約有130億元的規(guī)模。近年來，跟著我國石化、鋼鐵等行業(yè)的快速發(fā)展，熱交換器的需求水平大幅巨大的供應(yīng)缺口需要入口來彌補[3]。我國能源利用率大約只有33%,其利用率還很第1章緒論低,比發(fā)達國家低約10個百分點。國內(nèi)換熱器行業(yè)在節(jié)能增效、提高傳熱效率、減少傳熱面積、降低壓降、提高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績?；谑?、化工、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定的需求2011年至2020年期間，我國換熱器產(chǎn)業(yè)將保持年均10-15%2020年我國換熱器行業(yè)規(guī)模有望達到1500億元。由此可見,在節(jié)能方面,我國還存在著非常大的潛力。本課題主要研究列管式換熱器，列管式換熱器的換熱面積大，結(jié)構(gòu)堅固，操作彈性大，材料廣泛，便于清潔，適合大型裝置特點，列管換熱器在制藥行業(yè)帶來的效益非常的明顯。從衛(wèi)生要求較高的液體，一個工業(yè)用水量較大和衛(wèi)生要求較高的制藥廠都可以用列管式換熱器來處理。本課題研究的換熱器是個冷卻器，可以通過換熱回收熱物料的熱量。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二十世紀20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。60一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的第1章緒論管殼式換熱器也得到了進一步的發(fā)展。70熱器。中國換熱器產(chǎn)業(yè)起步較晚。1963年撫順機械設(shè)備制造有限公司按照美國TEMA標準制造出中國第一臺管殼式換熱器，1965年蘭州石油機械研究所研制出20世紀60年代研制出我國第一臺螺旋板式換熱器。之后，蘭州石油機械研究所首次引進德國斯密特（Schmidt）換熱器技術(shù)，原四平換熱器總廠引進法國維卡勃（Vicarb得較快發(fā)展。20世紀80式空冷器等一批優(yōu)良的高效換熱器。入二十一世紀以來，我國的板式換熱器研究取得了長足的進步，在借鑒國十年代中期開始，在化工工藝流程中較苛刻的場合也出現(xiàn)了板式換熱器的身影。第1章緒論熱器在開發(fā)到應(yīng)用的時間跨度上，花費了較多的時間。最近幾年，我國還在大型管殼式換熱器、大直徑螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器、BHE20042008年8月，由中國石化集團上海工程公司與海煉化百萬噸/年乙烯項目-EO/EG裝置大型管殼式換熱器國產(chǎn)化研制通過技術(shù)鑒制造的首臺換熱面積超過10000m2的超大型管殼式換熱器。1.4本設(shè)計主要內(nèi)容錄和控制對于生產(chǎn)過程十分重要，溫度動態(tài)特性的特點是慣性大、容量滯后大、題用PID控制系統(tǒng)來分析，PIDPID參數(shù),PCS7軟件完成PLC和本機以及SMPT-10000設(shè)備的連接通訊，然后對系統(tǒng)進行設(shè)計編程并且利用WinCC完成設(shè)計界面，通過操作源站來控制監(jiān)視整個系統(tǒng)的自動運行情況。1.5本章小結(jié)器的PID控制方式和利用PCS7軟件完成整個系統(tǒng)控制和監(jiān)視。并總結(jié)了換熱器第1章緒論研究的意義和發(fā)展前景。第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制2.1SMPT-1000實驗平臺及換熱器SMPT-1000是一款將全數(shù)字仿真技術(shù)與實物外觀模擬裝置相結(jié)合，集多種實驗功能于一體的仿真實驗裝置。SMPT-1000被控對象取材于過程工業(yè)常見的鍋爐與蒸發(fā)器構(gòu)成的水汽熱能SMPT-1000實驗平臺正視圖和實物圖：圖2-1SMPT-1000實訓平臺SMPT-1000運用真實的立體管路和空間分布的設(shè)備外觀設(shè)計，在鋼結(jié)構(gòu)的盤1臺臥式除氧器、11111臺蒸發(fā)器、2臺離心泵、1臺鼓風機、11個手操/2個旋鈕位于輔助操作5個開關(guān)閥、1個爐膛著火指示燈以及若干管路系統(tǒng)?？臻g分布有9F3L5P4T1個組分的仿傳感器（變送器）數(shù)字式軟儀表。2.2換熱器2.2.1高階換熱器第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制統(tǒng)中有著非常重要的作用，下面是換熱器的結(jié)構(gòu)圖：圖2-2換熱器結(jié)構(gòu)圖程稱為殼程。2.2.2換熱器工作原理該換熱器為液-液兩相非接觸換熱器。通過換熱，將熱流體的溫度降低到工TI1104FI1105.冷水走管程，冷卻水上水流量為FT1102，冷卻水上水管線上設(shè)有調(diào)節(jié)閥FV1103，冷卻水出口溫度為TT1103。本設(shè)計實際上是一個冷卻器，通過換熱回收熱物料的熱量，要可以使用液氨作為冷卻劑。如下圖2-2所示圖2-3換熱器工作原理圖調(diào)節(jié)過程:根據(jù)檢測到的冷流量的變化，先調(diào)節(jié)閥門開關(guān)，控制冷流量的大出口溫度調(diào)節(jié)器和流體流量調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來的串級控制系統(tǒng)。2.3PID控制2.3.1PID基本介紹在模擬控制系統(tǒng)中，PID(ProportionIntegrationDifferentiation，比例-第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制積分-微分)控制是控制器最常用的控制規(guī)律[4]，PID控制器作為最早實用化的控制器已有70PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一[5][6]鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID控制器由比例單元（PIDe(t）與輸出u(t）的關(guān)系為：u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD·de(t)/dt](2.1)式中積分的上下限分別是0和t因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI·s)+TD·s](2.2)其中kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)（1）比例作用P比例（P[7]。所謂的P，就是比例有滯后性。u與輸入的偏差信號e成比例u=Kc·e（2.3）Kc稱為比例增益，Kc接近于0時，控制器的輸出u不受輸入偏差e的影響，Kc很大時，只要有一個很小的輸入偏差e控制器輸出u發(fā)生很大的變化，Kc由小到大變化，系統(tǒng)將由穩(wěn)定向振蕩發(fā)展。第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制合成PI、PD或PID調(diào)節(jié)動作。（2）積分作用ISystemwithSteady-stateError“積分項動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)節(jié)器的輸出信號的變化速度du/dt與輸入的偏差信號e成正比du/dt=Ki·e（2.4）KieKi趨向于0Ki強烈，消除余差的能力強，但容易引起振蕩。e為0時，積分調(diào)節(jié)器的輸出才會保持不變；積分速度越大，執(zhí)行機構(gòu)的動作越快，越容易引起和加劇振蕩；合成PI或PID調(diào)節(jié)動作。PI兩個結(jié)合使用的情況下，我們的調(diào)整方式如下：①先將I值設(shè)為0，將P值放至比較大，當出現(xiàn)穩(wěn)定振蕩時，我們再減小P第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制值直到P我們還可以在些P值的基礎(chǔ)上再加大一點。②加大I值，直到輸出達到設(shè)定值為止。P值主要可以用來調(diào)整系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但太大會增大超調(diào)量和穩(wěn)定時間；而I值主要用來減小靜態(tài)誤差。（3）微分作用D正比關(guān)系[8]。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制變化“超前，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，“微分項+微了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性調(diào)節(jié)器的輸出與輸入的偏差信號的變化速度de/dt成正比u=Kd·(de/dt)（2.5）Kd是微分速度微分調(diào)節(jié)的輸出與輸入偏差e的變化速度成正比，e變化越大，微分調(diào)節(jié)的輸出越大，Kd為0時，微分作用消除第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制輔助的調(diào)節(jié)作用，可以與其它調(diào)節(jié)動作結(jié)合成PD或PID調(diào)節(jié)動作其完整的公式如下：u(t)=K·pe(t)+Ki∑e(t)+Kd[e(t)–e(t-1)]+u0（2.6）在PID的調(diào)試過程中，應(yīng)注意以下步驟：①關(guān)閉I和D，也就是設(shè)為0.加大P，使其產(chǎn)生振蕩；②減小P，找到臨界振蕩點；③加大I，使其達到目標值；④重新上電看超調(diào)、振蕩和穩(wěn)定時間是否吻合要求；⑤針對超調(diào)和振蕩的情況適當?shù)脑黾右恍┪⒎猪?；可以在全工作范圍?nèi)均有效；（4）采樣周期由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量[9]，PID控制程序是周期性執(zhí)行的，執(zhí)行的周期稱為采樣周期。CPU的運算PID控制器輸出的微分部丟失被采集的模擬量中的重要信息。PID由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（Kp，Ti和Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。2.3.2參數(shù)整定第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制PID參數(shù)整定方法很多，工程上最常用的有臨界比例度法、衰減曲線法和經(jīng)驗湊試法。(1)臨界比例法這是目前使用較多的一種方法。它是先通過試驗得到臨界比例度PB和臨界周期Tk，然后根據(jù)經(jīng)驗公式求出控制器各參數(shù)值。具體做法如下：①被控系統(tǒng)穩(wěn)定后，把控制器的積分時問放到最大，微分時間放到零(相當于切除了積分和微分作用，只使用比例作用)。衰減的，如是衰減的則應(yīng)把比例度繼續(xù)減小；如是發(fā)散的則應(yīng)把比例度放大。4～5次等幅振蕩為止。此時的比例度示值就是臨界比例度PB。1次的時間就是臨界周期Tk——以記錄紙的走紙速度，就可計算出臨界周期Tk得到了臨界比例度PB和臨界周期Tk1中的經(jīng)驗公式求出控制器的P、Ti、剛參數(shù)值了。表2-1臨界比例度法參數(shù)計算公式表控制作用比例度p積分時間微分時間比例2PB比例+積分2.2PB0.85Tk比例+微分1.8PB0.1Tk比例+積分+微分1.7PB0.5Tk0.125Tk第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制臨界比例度整定法又稱為“閉環(huán)振蕩法，它的特點是：不需要求得控制對中不允許振蕩的場合，此整定法也不適用。（2）衰減曲線法衰減曲線法是通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來整定控制器的參數(shù)值的，有4：1和10：1兩種衰減曲線法，具體做法如下(以4：1為例)：上。錄曲線的衰減比。③從大到小改變比例度，直至出現(xiàn)4：1衰減比為止，記下此時的比例度Ps(叫4：1衰減比例度)并從曲線上得出衰減周期Ts(在4：1曲線中為峰——峰時，只要被控量波動2次就能達到穩(wěn)定狀態(tài)，可近似認為是4：1的衰減過程，其波動1次時間為TsPs和衰減周期Ts2中的經(jīng)驗公式求出控制器的P、Ti、Td參數(shù)值了。表2-24:1衰減曲線法控制器參數(shù)計算表控制作用比例度P積分時間微分時間比例Ps比例+積分0.83Ps0.5Ts比例+積分+微分1.25Ps0.3Ts0.1Ts（3）經(jīng)驗湊試法第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制式先將控制器參數(shù)放在一個數(shù)值上，直接在閉合的控制系統(tǒng)中，通過改變PTiTd對過渡過程的影響為指導，按照規(guī)定順序，對比例度P、積分時間Ti和微分時間Td逐個整定，直到獲得滿意的過渡過程為止。具體做法如下：4Pn值作為起始值，將系統(tǒng)投人自動。②通過改變設(shè)定值對控制系統(tǒng)施加一個干擾，現(xiàn)場觀察判斷控制曲線形狀。P或Ti統(tǒng)符合動態(tài)過程品質(zhì)要求為止，這時的P和Ti就是最佳值。③如果調(diào)節(jié)器是PIDP和丁i的基礎(chǔ)上加進微分作用。由于微分作用有抵制偏差變化的能力，所以確定一個Td值后，可把整定好的P和n值減小一點再進行現(xiàn)場湊試，直到P、n和Td取得最佳值為止。的判斷標準，而且不同的參數(shù)匹配有時會使所得過渡過程衰減情況一樣。2.3.3主要功能和應(yīng)用要實現(xiàn)PID的參數(shù)計算方法完成控制器參數(shù)的設(shè)計[10]第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制器是根據(jù)PID控制原理對整個控制系統(tǒng)進PID控制器將達不到預期的控制效果。最為理想的控制當屬比例-積分-微分控制規(guī)律。它集三者之長:既有比例作用的及時迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。2.4控制系統(tǒng)的設(shè)計2.4.1溫度控制特點流出口溫度控制采用PID控制方式。的比例調(diào)節(jié)參數(shù)范圍是1.6-5。積分調(diào)節(jié)溫度作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為溫度有誤差，第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制強弱取決與積分時間常數(shù)TiTiTi大則積分作用弱，對于溫度控制的積分調(diào)節(jié)參數(shù)范圍是50-200。是2-100。2.4.2換熱器溫度串級控制系統(tǒng)（1）換熱器溫度串級控制系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)作用不及時、最大偏差大、過渡時間長、抗干擾能力差、控制精度低。而工藝上對換熱器出口溫度的要求一般很高,采用單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)難以達到級控制系統(tǒng)方框圖：圖2-4串級控制方框圖（2）換熱器溫度串級控制系統(tǒng)組成如圖2-3第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制副環(huán)是一個隨動系統(tǒng)。提出在換熱器出口溫度串級控制系統(tǒng)中,其主回路采PID控制算法,以消除純滯后環(huán)節(jié)對于系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響,而對副變量的要求一般不嚴格，主要要求它能用比例控制規(guī)律。（3）主副調(diào)節(jié)器正反作用的確定Kc，當測量值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則Kc流出口溫度串級控制系統(tǒng)副回路，閥門開大符號為正，相應(yīng)的冷水流量也增大，所謂符號為負，整個回路構(gòu)成負反饋系統(tǒng)，所以主控環(huán)控制器為正作用。其中主環(huán)用PID第2章系統(tǒng)工藝流程及算法控制到較好的效果。2.5本章小結(jié)本章主要介紹了SMPT-1000實訓平臺和高階換熱器基本介紹，PID控制算法和PCS7的簡介和控制的優(yōu)點.第3章基于PCS7的控制系統(tǒng)實現(xiàn)第3章基于PCS7的控制系統(tǒng)實現(xiàn)3.1PCS7簡介PCS7是西門子公司在1997年德國法蘭克福ACHMA展會上推出的一種新一代基于現(xiàn)場總線的模塊化的過程控制系統(tǒng),它結(jié)合了傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)和DCS兩者的優(yōu)點,將兩者的功能有機地結(jié)合在一起。PCS7系統(tǒng)的所有硬件都基于統(tǒng)一的硬件平臺,所有軟件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下,有同樣統(tǒng)一的軟件平臺。PCS7采用符合工EC61131一3國際標準的編程軟件和現(xiàn)場設(shè)備庫,提供連及功能塊,可大大簡化組態(tài)工作,縮短工程周期[11]西門子SIMATICPCS7,作為全新一代DCS過程控制系統(tǒng),采用了全集成自動化理念。PCS7系統(tǒng)由控制站、多用戶HMI系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、客戶機/服務(wù)器系統(tǒng)等部件組成,系統(tǒng)大量采用了新技術(shù),在網(wǎng)絡(luò)配置上,使用標準工業(yè)以太網(wǎng)和PRoFIBUS網(wǎng)絡(luò)。由于PCS7消除了DCS和PLC系統(tǒng)間的界限,真正意義上實現(xiàn)了儀控和電控的一體化,充分體現(xiàn)了全集成自動化的特點,使得系統(tǒng)應(yīng)用范圍變廣,過程控制系統(tǒng)[12]。PCS7具有常規(guī)過程控制系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點。它具有靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),可以隨時根據(jù)要求通過無縫集成附加功能的方式擴展控制技術(shù)功能,PCS7具有卓越系統(tǒng)特性和獨特可升級結(jié)構(gòu)的通用過程控制系統(tǒng),它將靈活的模塊化冗余技術(shù)以及統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、通訊和組態(tài)等強大的性能組合在一起,是PCs7系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于過程工業(yè)、制造業(yè)以及混合型工業(yè),這包括:連續(xù)、批量、分散生產(chǎn)的混合,例如冶金、水泥、電力、玻璃、制藥工業(yè)等[13-16]。3.2PCS7作用第3章基于PCS7的控制系統(tǒng)實現(xiàn)對控制方案的整體設(shè)計的實施所使用的軟件為PCS7V7.1及其功能分類概述如下[17]:（1）創(chuàng)建:主要涉及的軟件為SIMATIC管理器以及PH(PlantHierarchy,工廠層級)。SIMATIC管理器就是PCS7的中心應(yīng)用程序,也是用于搭建PCS7項目的其它所有應(yīng)用程序的門戶。SIMATIC管理器是創(chuàng)建整個項目的起始點,其基本的操廠層級就是將工廠分為多級單元結(jié)構(gòu),其主要目的是便于直接分辨各圖表和實際工況過程畫面與各單元級彼此間的從屬關(guān)系。（2）配置:主要涉及的軟件是HWConfig(硬件配置環(huán)境)以及StationConfigurator(站配置器),前者囊括了硬件系統(tǒng)的全部組態(tài),后者能顯示控制系統(tǒng)實現(xiàn)所用的PC配置。（3）編程:主要涉及的軟件有CFC(ContinuousFunctionChart,連續(xù)功能圖),SFC(SequentialFunctionChart,順序功能圖)以及SCL。（4）監(jiān)控:主要涉及的軟件有WinCC(控制中心)和圖形編程器(GraphicsDesignereditor)。（5:主要涉及的軟件是SIMATICNET(調(diào)試向?qū)?SIMATIC所建工程中配置網(wǎng)絡(luò)和總線系統(tǒng)的平臺。在工程師站中實現(xiàn)對PCS7工程項目的全部組態(tài)就是完成兩步走:ASengineering(AS組態(tài))和OSengineering(OS組態(tài))。AS組態(tài)完成的是上段中所提及的1~3點中的軟件,而OS組態(tài)則是完成第4點所涉及的軟件。3.3PCS7控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-3所示為PCS7控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可劃分為三第3章基于PCS7的控制系統(tǒng)實現(xiàn)層,具體信息見圖4-3SIMATICPCS7BOX,三站包括OS(操作員站)ES(工程師站)和AS(自動化站),這三站與其他站(如操作站)等連通的方式有兩種:第一種是通過PROFIBUSDP的端口引入系統(tǒng)總線,第二種是借助于工業(yè)以太網(wǎng),同時與其他的SIMATICPCS7B0X相連.實現(xiàn)搭建主從站的目的。分布式I/OSIMATICPCS7BOX借助于PROFIBUSDP端口接到PROFIBUS總線,,然后將系統(tǒng)輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)?~20mA的系統(tǒng)可接收的信號,從而能傳入下游裝置(選擇SMPT-1000實驗平臺)。最后一層就是現(xiàn)場對象層,即為SMPT-1000。允許存在基于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來建立與上位機的聯(lián)機。圖3-1PCS7控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.4工程項目的建立運用PCS7圖3-2新建工程項目在創(chuàng)建過程中需要選擇根據(jù)需要選擇一個CPUCPU件套包括CPU、電源、機架和CP444—3.通信模塊，另外可根據(jù)實際情況選擇有幾個CP443-5通信模塊。換熱器熱流出口溫度控制項目需要建立3各工廠層級，并且需要建立OS操作員站，如圖所示建立一個項目圖3-3工廠層級3.5控制系統(tǒng)硬件設(shè)計與組態(tài)3.5.1硬件系統(tǒng)組成（1）底板第3章基于PCS7的控制系統(tǒng)實現(xiàn)底板用于安裝各種模塊（如：PS，CPU，CP，I/O模塊等）提供背板總線：I/O總線；通訊總線通過背板總線實現(xiàn)各模塊之間的數(shù)據(jù)和信號交換電源模塊所提供5VDC和24VDC通過背板總線供給各模塊（2）電源：插入式的AC/DC供電連接。保護級別：IP20。5VDC和24VDC，并公用一個地。監(jiān)視兩個輸出電壓，如其中一個發(fā)生故障，該模塊輸出一個報錯信號給CPU。具有輸出短路保護功能。具有板上有運行和故障指示燈。（3）CPU（主控器）：PCS7中使用高性能的SIMATICS7-400系統(tǒng)CPU，有ProfibusDP接口，可直接接入Profibus總線網(wǎng)絡(luò)。裝載存儲器：用于儲存用戶程序，可擴展。工作存儲器：用于運行用戶程序，內(nèi)置。系統(tǒng)存儲器：用于輸入/輸出變量，中間變量，數(shù)據(jù)塊，計時器，計數(shù)器，塊堆棧，中斷堆棧及暫存變量區(qū)，可擴展。（4）通訊模塊：IndustrialEthernet通訊接口模塊。將CPU所有的過程數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送給所有連在網(wǎng)上的操作站和工程師站。第3章基于PCS7的控制系統(tǒng)實現(xiàn)將所有的操作站和工程師站寫下數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送給CPU。在首次下裝后，通過通訊模塊工程師站或編程器可以對CPU進行組態(tài)。在工程師站或編程器上通過通訊模塊對CPU進行在線監(jiān)視。在工程師站或編程器上通過通訊模塊對CPU進行在線診斷。（5）接口模塊：將ET200M作為從站連接到ProfibusDP總線上。（6ET200M：ET200分布式I/O的一個產(chǎn)品。分布式I/O由接口模塊與I/O卡件組成。3.5.2硬件選型選型以及通訊SIMATICPCS7可作為過程基礎(chǔ)控制系統(tǒng)(BPCS)。在PCS7V7.OSPI軟件平臺下,根據(jù)現(xiàn)場的硬件配置,“HWconfig''界面中進行硬件組態(tài),對于換熱器熱流出口溫度控制系統(tǒng),需要在ES站上完成工程師站、現(xiàn)場的AS站以及數(shù)據(jù)服務(wù)器的硬件組態(tài)。在硬件組態(tài)之前,我們需要將現(xiàn)場所有設(shè)備的GSD文件(GSD文件是PROFIBUS一DP產(chǎn)品的驅(qū)動文件,是不同生產(chǎn)商之間為了互相集成使用所建立的標準通訊接口)導入到PCS7“HWConfig''中,連接到Profibus---DP總線上,并分配相應(yīng)的DP地址。硬件組態(tài)的正確與否可以在線測試。PCS7硬件的型號：表3-1硬件型號硬件名稱型號訂貨號數(shù)量電源模塊PS40710A6ES7407-0KA02-0AA01CPU412-5H6ES7412-5HK06-0AB01以太網(wǎng)模塊CP443-16ES7443-1EX30-0XE01ET200MIM153-26ES7153-2BA02-0XB01AIAI8×12Bit6ES7331-7KF02-0AA01第3章基于PCS7的控制系統(tǒng)實現(xiàn)AOAO4×12Bit6ES7332-5HF00-0AA01DIDI16×AC120/230V6ES7321-1BH02-0AA01DODO16×AC1201A6ES7322-1BH01-0AA01在PCS7中軟硬件是否完整匹配很重要,為了確保其對接成功則必須在其的“傳輸給系統(tǒng)軟件,方法為在SIMATIC管理器中打開HWConfig視圖進行相應(yīng)的硬件配置。在實現(xiàn)組態(tài)時必須保持系統(tǒng)PCS7系統(tǒng)的實際背景,圖4-4即為其硬件配置示意圖。圖3-4硬件組態(tài)3.5.3操作員站組態(tài)os組態(tài)和ASES中組態(tài)真實的OS真實的OS，就是未來要當OS的那臺PC，它的所謂硬件，就是它的SCE（StationConfigurationEditorOS組態(tài)時，必須要按照SCESCEES和OS在同一PC上。這樣，組態(tài)本地PC就同時代表了ES和OS。下圖是OS組態(tài)畫面：圖3-5操作員站組態(tài)3.5.4網(wǎng)絡(luò)連接組態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接組態(tài)的目的是建立AS與OS的連接，在此組態(tài)過程中由于CPU412-5H會接收AS的數(shù)據(jù)，它是OS的通信伙伴，所以組態(tài)過程中選擇此CPU與OS進行連接，其中報告本地接口為IEGeneral（IE常規(guī)），伙伴的接口為CP443-1。網(wǎng)絡(luò)組態(tài)完成后，實現(xiàn)了自動化站與操作員站的連接，如下圖為網(wǎng)絡(luò)連接組態(tài)示意圖：圖3-6網(wǎng)絡(luò)連接組態(tài)第3章基于PCS7的控制系統(tǒng)實現(xiàn)3.6軟件組態(tài)3.6.1系統(tǒng)軟件程序PCS7庫包括提供在PCS7,根據(jù)設(shè)計的主汽溫控制系統(tǒng),采用PCS7V7.1所自帶軟件CFC實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制,各個控制單元、監(jiān)測單元以及通信單元等其功能是以圖形功能塊的方式在CFC編輯器中體現(xiàn)的,如圖4-7所示。此外,在圖3-7中所提到的在整個控制作用實現(xiàn)的過程中必須有的AI功能塊、AO功能塊以及比例積分微分功能塊等均可在CFC系統(tǒng)默認的功能塊庫中找到。圖3-7控制程序CH_AICH_AOCH_DICH_DO等位于DRIVER文件夾中的塊是與PCS7硬件進行通信的驅(qū)動程序塊.這些塊經(jīng)過CFC編譯以后，會自動生成與硬件診斷相關(guān)的系統(tǒng)文件，用于故障檢測。CH_AI模擬量輸入模塊：處理S7-300/400模擬輸入模塊的模擬輸入值信號，算百分比值。CH_AO模擬量輸出模塊：處理S7-300/400模擬輸入模塊的模擬輸出值信號，將過程值作為原始模擬值寫入過程映像區(qū)。連續(xù)PID/關(guān)注PV-IN（模擬量實測值輸入?yún)?shù)）和LMN3.6.2與硬件地址的連接驅(qū)動模塊需要與硬件地址連接，來完成過程控制系統(tǒng)運行，驅(qū)動程序塊的VALUE參數(shù)用于連接硬件地址,AI模塊地址起始為IW256，單位為WORDAO模塊起第3章基于PCS7的控制系統(tǒng)實現(xiàn)始地址為QW256，長度14，單位WORD。DI模塊起始地址為0，長度2，單位BYTEDO模塊起始地址為04BYTE。按照下表所示為各塊的相關(guān)參數(shù)連接外部變量。表3-2壓力串級控制各模塊與外部變量的連接塊名稱參數(shù)名稱連接變量名稱連接變量地址TI1104VALUETI1104IW288TI1103VALUETI1103IW286FI1102VALUEFI1102IW260FI1105VALUEFI1105IW266FV1103VALUEFV1103QW264FV1105VALUEFV1105QW2703.6.3系統(tǒng)報警軟件程序視警報是很有必要的，在程序中加入MEAS-MON模塊，在測量值超過警告上下線或報警上下線時，會有相應(yīng)的輸出進行指示，并在適用時發(fā)出信號。MEAS-MON限時，會有相應(yīng)的輸出進行警示，并在適用時發(fā)出信號。以下是系統(tǒng)報警程序：圖3-8系統(tǒng)報警程序3.7人機界面創(chuàng)建WinCC是SIMATICPCS7過程控制系統(tǒng)及其它西門子控制系統(tǒng)中人機界面組件，用于在生產(chǎn)和過程自動化環(huán)境中實現(xiàn)可視化和控制任務(wù)。WinCC提供適用于工業(yè)于實施用戶的解決方案。WinCC是編輯操作員站（OS）的軟件平臺。工廠操作員可在組態(tài)軟件的運行模式下，在操作員站（OS第3章基于PCS7的控制系統(tǒng)實現(xiàn)ASOS將從AS出現(xiàn)問題的位置。WinCC圖形設(shè)計器是OS道拖到畫面中并調(diào)整到合適的大小，完成過程畫面的建立，畫面如下圖所示：圖3-9WinCC人機界面3.8過程趨勢畫面的創(chuàng)建對于整個設(shè)計系統(tǒng)需要進行最后的參數(shù)整定和系統(tǒng)各項的數(shù)據(jù)變化趨勢有一個更加直觀的呈現(xiàn)，PCS系統(tǒng)包含有OS副控量的過程趨勢畫面。圖3-10過程趨勢第4章控制系統(tǒng)的投運第4章控制系統(tǒng)的投運4.1運前的準備工作確保各控制器的PID參數(shù)均設(shè)置在初始值GAIN=1TI=99999TD=0保各控制器均處在Manual模式、Internal給定，勾選SP=PV；判斷各控制器的正反作用。4.2副環(huán)參數(shù)整定也是先副后主。在FIC1103控制器的操作面板中，手動不斷修改OP值，也就是不斷改變FV1103的開度，觀察SP和PV的值達到1.63kg/s左右時，將控制器投自動。將FIC1103的增益GAINGAINFI1103的SP加入階躍擾動，如從1.63kg/s改為2kg/s，并觀察響應(yīng)曲線，直到出現(xiàn)4:1衰減振蕩為止。記錄此時FIC1103的比例增益GAIN，GAIN=1.5。4.3主環(huán)參數(shù)整定在TIC1104控制器的操作面板中改變熱流出口溫度的SP，如從120℃變?yōu)門I1104增大GAINGAIN的值，不斷修改GAIN的值，每修改一次都要通過改變SP來加入階躍擾動，直到TI1104的響應(yīng)曲線達到4:1衰減，記錄下此時的GAIN值為-1.3確定GAIN的值之后，根據(jù)積分控制器的特點，當響應(yīng)曲線振蕩劇烈時，增大TI的值；當響應(yīng)曲線振蕩弱時，減小TI的值，不斷修改TI的值，每修改一次都要通過改變SPTI1104第4章控制系統(tǒng)的投運無差且衰減比接近4:1時，可適當調(diào)整比例系數(shù)，將衰減比調(diào)節(jié)到4:1。記錄下此時的GAIN值和TI值為1.2和53。確定GAIN以及TITDTD=1，改變TI1104的SP，如從120℃變?yōu)?30℃，觀察并TI1104的響應(yīng)曲線。根據(jù)微TD4:1GAIN、TI和TD4:1TI1104時的PID控制器參數(shù)為-1.1,51,2.2。控制器操作面板和整定趨勢圖分別如下：圖4-1主環(huán)參數(shù)整定4.4控制系統(tǒng)的仿真運行4.4.1熱流出口溫度完成了PIDGAIN=-1.1,TI=51,TD=2.2參數(shù)調(diào)節(jié)下的PID4-24:1的衰減震蕩衰減，最終趨于溫度設(shè)定值。圖4-2熱流出口溫度曲線4.4.2系統(tǒng)擾動測試將TI1104設(shè)定值從120變?yōu)?30TI1104TI1104穩(wěn)定后，將TI1104設(shè)定值從130再變?yōu)?20，記錄TI1104的響應(yīng)曲線。待系統(tǒng)穩(wěn)定之后，手工將FV1105開度設(shè)置為40，觀察TI1104曲線的變化趨勢。當TI1104穩(wěn)定后，再將FV1105開度調(diào)回到30，等待TI1104穩(wěn)定。下圖所示為GAIN=-1.1、TI=51、TD=2.2時，施加擾動所得到的各變量的響應(yīng)曲線：圖4-3施加擾動響應(yīng)曲線對完成參數(shù)調(diào)整的換熱器熱流出口溫度系統(tǒng)進行添加擾動來檢測系統(tǒng)的抗第4章控制系統(tǒng)的投運4-2看出系統(tǒng)在添加擾動后經(jīng)過短時間的調(diào)節(jié)就能夠達到溫度的設(shè)定值。所以換熱器熱流出口溫度控制系統(tǒng)成功的運行。第5章總結(jié)第5章總結(jié)本文設(shè)計了鍋爐中蒸汽壓力的控制方案，采用了SMPT-1000實訓系統(tǒng)進行仿真，通過西門子的DCS系統(tǒng)PCS7來完成一系列的設(shè)計、操作、監(jiān)控功能。鍋爐蒸汽壓力作為表征鍋爐運行狀態(tài)的重要參數(shù)，不僅直接關(guān)系到鍋爐設(shè)備的安全運行，關(guān)重要的。本文設(shè)計主要完成的工作有：對SM