1、鍋爐汽包水位監控系統設計摘 要鍋爐設備是化工、煉油、發電、造紙、制糖、制酒的生產動力(蒸汽)設備，它是一個復雜多輸入多輸出的被控對象，對其進行控制的目的主要是保證產品質量及安全生產，同時在保證產品質量前提下，盡可能提高產品的產量并設法降低裝置的能耗。鍋爐設備是一個多輸入、多輸出且相互關聯的被控對象，就控制方案而言主要包括(1)鍋爐汽包水位的控制;(2)鍋爐燃燒系統的控制;(3)蒸汽系統的制;(4)原水處理控制。其中鍋爐汽包水位和鍋爐燃燒系統的控制尤為重要，本設計課題著重論述鍋爐汽包水位的控制系統實施方案。維持汽包水位在給定范圍內(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。本汽包水位控制系統是基于西門子公司的S7-200可編程序控制器實現三沖量調節系統，上位機組態軟件應用MCGS，它具有良好的人機界面和系統兼容性。實際應用表明，基于系列S7-200PLC實現的分布式計算機控制系統可以提高鍋爐設備的自動化控制水平，降低工作人員的勞動強度，取得了較好的經濟和社會效益。 關鍵詞：S7-200PLC;汽包水位;三沖量調節系統;監控軟件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 國內外研究現狀21.3 本文主要研究內容4第二章 鍋爐汽包水位控制方案設計12.1 控制系統工藝流程12.2 控制方案設計22.2.1 單沖量水位調節系統22.2.2 雙沖量水位調節系統32.2.3 三沖量水位調節系統42.3 控制系統算法設計92.3.1 數字PID原理及算法分析92.3.2 數字PID校正環節參數102.4 系統硬件設計122.4.1 水位傳感器設計122.4.2 壓力變送器、差壓變送器132.4.3 節流式流量計142.5 系統軟件設計14第三章 基于PLC與組態軟件的監控系統設計163.1 系統結構設計163.2 系統輸入輸出設計173.2.1 數字量

8、輸入輸出設計173.2.2 模擬量輸入輸出設計183.2.3 輸入輸出信號的采集與轉換183.3 系統硬件組成193.3.1 一次儀表193.3.2 鍋爐系統儀表操作臺193.3.3 計算機操作臺203.3.4 工業電視監視站213.3.5 安裝于集控室的PLC柜223.3.6 大容量的UPS223.4 系統組態設計233.4.1 組態軟件介紹233.4.2 監控軟件組成273.5 PCPLC網絡通信283.5.1 網絡主站與從站283.5.2 S7200網絡通信協議293.6 系統報警設計303.6.1 信號處理與顯示313.6.2 上、下限基準電壓設定313.6.3 報警電路323.7 梯

9、形圖程序設計32第四章 監控系統功能實現354.1 監控主畫面功能實現354.2 實時監控畫面功能實現364.3 參數初始化畫面功能實現374.4 實時數據曲線功能實現394.5 歷史數據曲線功能實現394.6 歷史數據瀏覽功能實現40第五章 結 論42參考文獻43致 謝45第一章 緒 論1.1 研究背景與意義 最近幾十年來，隨著國民經濟和科學技術的迅速發展，一方面，火力發電技術日趨成熟，機組不斷向高參數、大容量方向發展，大型火電機組大量投產，另一方面，電網供電的峰谷差日益增大，要求大型機組參與電網調峰運行，這對機組運行的安全性、經濟性和靈活性等諸方面提出了更為嚴格的要求。在這種情況下，設計和

10、運行人員對機組的運行特性，尤其是對機組熱力系統及設備動態特性的掌握就顯得十分重要。鍋爐是火力發電廠單元機組中的主要設備之一，它是一種系統復雜、體積龐大和價格昂貴的能量轉換設備，其內部發生的物理、化學變化非常復雜，而且各種過程緊密耦合、互相影響。針對鍋爐動態特性的研究，往往借助于為其建立的某種簡化模型。然而，對于鍋爐內部的某些工作機理，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學模型，是一個尚待研究和值得研究的課題。鍋爐監控系統的發展在很大程度上取決于工業自動化技術的發展。伴隨著計算機技術、自動控制技術、檢測與傳感器技術、CRT顯示技術、通信和網絡技術的高速發

11、展，人們越來越多地用計算機來實現各種控制系統。利用這種技術可以完成常規控制技術無法完成的任務，達到常規控制技術無法達到的性能指標，使得過程自動化發展到了前所未有的水平。在此基礎上，以PLC為核心的計算機監控系統在鍋爐監控中的應用研究也取得了飛速發展。汽包水位是汽包鍋爐非常重要的運行參數之一，同時它還是衡量鍋爐汽水系統是否平衡的標志。維持汽包水位在一定允許范圍內，是保證鍋爐和汽輪機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，使蒸汽品質變壞，過熱器管壁和汽輪機葉片結垢，嚴重時會導致蒸汽帶水，造成汽輪機水沖擊而損壞設備。水位過低，則會破壞水循環，嚴重時會引起水冷壁管道破裂。此外，隨著鍋

12、爐參數的提高和容量的增大，汽包的容積相對變小，負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提出了更高的要求。因此，如何準確控制汽包水位的變化成為火電廠普遍關注的問題。1.2 國內外研究現狀汽包水位是鍋爐安全運行的指標之一，鍋爐汽包水位的測量、控制和保護系統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行檢測和控制，以提高可靠性。防止電力生產重大事故的汽包水位部分要求：汽包鍋爐應至少配置兩只彼此獨立的就地汽包水位計和兩只遠傳汽包水位計；水位計的配置應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視。準

13、確測量和保持汽包水位在規定的范圍內有其重要的意義。但長期以來，汽包水位一直存在測量不準確的問題。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，但其設置位置高、又遠離控制室，電廠普遍采用CCD攝像系統將水位圖像引入控制室的水位工業電視上。目前鍋爐汽包水位監視存在以下問題：（1）由于目前國內鍋爐汽包水位計沒有配置標準，而大機組汽包較長，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在役機組鍋爐汽包水位測量裝置配備數量一般為612套。多數300MW機組都將電接點水位計信號

14、用于保護系統，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引入控制的工業電視上，作為運行人員的一項監視內容，但是工業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）工業電視僅僅只能起到對現場水位計的監視作用，而不能根據圖像得到水位精確的定量數值，運行人員需要根據刻度進行估數，而且水位數據無法長期保存。（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遠低于汽包內實際水位H，需要進行實時補償。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境溫度、機組負荷的變化而變化的，所以僅靠冷

15、態位置的調整是無法將偏差值一次修正到位的。（4）如果取消工業電視圖像，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，很容易導致誤操作；并且國家出臺的蒸汽鍋爐安全技術檢查規程規定：運行人員必須實時監視汽包水位，因此，工業電視的水位圖像不能被取消或代替。鑒于以上問題，我們設計了一套基于圖像處理技術的爐膛火焰和汽包水位實時監測系統，結合圖像處理技術和視頻監控技術，對火焰圖像、水位圖像信息進行數字運算和處理，以提高圖像的顯示質量，并將處理過的視頻信號送到工業電視上，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，系統還可以實時記錄特征參數，用曲線、表格等方式顯示，并作為歷

16、史數據長期保存。另外，還具有報警和事故存盤功能。1.3 本文主要研究內容本文首先提出了一個汽包水位控制系統方案，系統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部的物料平衡，使給水量適應鍋爐的蒸發量，維持汽包水位在工藝允許的范圍內。并根據鍋爐控制系統的工藝要求，制定汽包水位系統的控制算法。在此基礎上，利用可編程控制器和組態王實現對系統的監控作用，此外還介紹了西門子S7-200系列可編程控制器與組態王的通信以及注意事項。實踐證明，PLC與組態王結合具有很好的應用價值。整個項目需要完成的工作內容有: 汽包水位控制方案制定, 系統算法設計 ，PLC的I/O分配，監控系統設計及實現, 梯形

17、圖設計, 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狀。第二章：鍋爐汽包水位控制方案設計第三章：基于PLC與組態王的監控系統設計第四章：鍋爐汽包水位監控系統的實現第二章 鍋爐汽包水位控制方案設計2.1 控制系統工藝流程工業鍋爐汽水系統結構如圖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，流出量是蒸汽負荷量，當給水量等于蒸汽量時汽包水位就恒定不變。工業鍋爐汽包水位自動控制的目標就是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發量并維持汽包水位在工藝允許的范圍內。圖2-1 鍋爐汽水系統1給水泵；2給水母管；3調節閥；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，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，則由于汽包內水量較少，而負荷卻很大，水的汽化速度又很快，因而汽包內的水量變化速度很快，如果不及時控制，就會使汽包內的水全部汽化，導致鍋爐燒壞和爆炸。b.水位過高會影響汽包的汽水分離，產生蒸汽帶液的現象，會使過熱器管壁結垢導致破壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降，該蒸汽作為汽輪機的動力，還會損壞汽輪機葉片，影響運行的安全和經濟性。汽包水位過高或過低的后果極為嚴重，所以必須嚴格加以控制。2.2 控制方案設計由于水位調節對象沒有自平衡能力，而且水位調節對象存在滯后，

19、因此不能采用開環調節方法。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。 單沖量水位調節系統 如圖2-2所示。在單沖量水位調節系統中，水位是唯一的調節信號，即調節器只根據水位變化去改變給水調節閥的開啟度。在汽包相對負荷容量比較大，水位受到擾動后的反應速度較慢，虛假水位現象不很嚴重的情況下，采用單沖量調節方法可以滿足生產要求。 圖2-2 單沖量水位控制系統框圖 雙沖量水位調節系統如圖2-3所示。圖2-3 雙沖量水位控制系統框圖單沖量調節方法不能克服虛假水位對水位控制的不良影響。當蒸汽量大幅度增加時，由于假水位上升，調節器輸出信號不但不去開大調節閥增大給水量，以維持物料平衡，

20、反而去關小調節閥。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，動態品質很差，顯然在外擾作用下不能避免水位發生較大幅度的波動。此外，當負荷變化時，控制作用緩慢。即使“虛假水位”不嚴重，從負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很小偏差必然相當顯著。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。當蒸汽負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變化時，提前使調節閥動作，補償了“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，這樣，系統就成為雙沖量控制。 三沖量水位調節系統

21、雙沖量控制方法不能迅速克服給水壓力變化對水位產生的影響。當給水壓力波動時，給水流量將發生變化，此時只有等到水位變化后調節器才能起作用。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結構框圖圖2-4中累加器的輸出為： =+-o (2.1)其中C為前饋系數，前饋系數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；根據式（2.4）可得：= (2.5)從靜態物料平衡看，使汽包水位不變，成為常數，應當使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，>1；根據式（2.6）得：= (2.7) = (2.8)根據靜態前饋全補償要求：= (2.9)所以：= (2.10)根據圖2-4，可以得到三沖量控制系統框圖，如圖2-5所示。 圖中的串級三沖量控制系統中，主調節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

23、節器的給水設定值，副調節器除了接受主調節器的設定信號外，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行前饋控制，當蒸汽負荷突然發生變化時，蒸汽流量信號使給水調節閥立即向正確的方向移動，即當蒸汽流量增加時，給水調節閥開大，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節閥動作后的反饋信號，能使調節器及早知道控制的效果，做出響應的調整。對于水壓干擾等給水側的擾動，給水流量信號也起著前饋的作用，能使擾動迅速做出反應。圖2-4所示的三沖量水位控制系統結構實際上是前饋-串級控制系統，根據圖2-5，副調節器采用PI調節器，微分作用沒有或很小。副回路

24、控制目標是在保證系統穩定的基礎上，使給水調節閥有盡快的響應。所以比例作用取得較大，但留有余量，以保證系統不發生振蕩。主回路也采用PI調節器，其調節對象為汽包水位。由于前饋作用對虛假水位現象的抵消。調節對象的特性較簡單，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。蒸汽流量前饋系數取值為給水流量與蒸汽流量量程的比值與排污系數的乘積，這樣在靜態情況下，就能滿足系統的物料平衡。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，但由于其執行機構給水調節閥本身特性是一個慣性環節，能有效地對信號進行平滑處理，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，調節器動作快，還可以避免調節過頭，減少波動和失控。圖2-5 汽包水位三沖量控制系統框圖綜上所述，由于單沖量控制系統不能克服假水位帶來的控制問題，雙沖量控制系統還有不能做到靜態補償以及不能對給水系統干擾及時克服兩個的弱點。因此在實際應用中汽包水位控制系統都采用三沖量控制系統。即蒸汽流量、給水流量、汽包水位三個沖量作為輸入變量，給水調節閥作為控制變量，來控制汽包水位。2.3 控制系統算法設計 數字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應用最廣泛的一種控制規律。實際

26、運行的經驗和理論分析都表明，運用這種控制規律對許多工業過程進行控制時，都能達到滿意的效果，因此，PID控制在工業控制等領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中PID控制規律的表達式為: = (2.11)其中:為比例增益,為積分時間常數，為微分時間常數。為控制量，為偏差。在計算機控制系統中，PID控制規律的實現必須用數值逼近的方法，當采樣周期相當短時，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變為差分方程。為此可作如下近似計算: (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)可得到數字PID的控制算式為 (2.14)式中：表示執行機構的位置。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)進行改進。根據式(2.14)不難寫出的表達式，即: （2.15）將式(2.14)和式(2.15)相減，即得數字PID增量型控制算式: (2.16)其中：稱為比例增益; 稱為積分系數; 稱為微分系數。 數字PID校正環節參數PID控制器各校正環節的作用及參數對系統的影響為:（）比例常數的作用在于按比例反應系統的偏差、加快系統的響應速度，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節作用以減少偏差，比例作用大

28、，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。控制品質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驗說明:在調節過程初期，適當地把PID調節器的比例度放大到較大的檔次以提高響應速度;在調節過程中期，把適當的置小一些，從而兼顧穩定性與調節精度;在調節過程后期，把調整到較小的檔次以減小靜差，提高控制的精度。（）積分常數在系統控制中，積分調節規律主要作用在于消除穩態誤差，提高無差度;只要有誤差，積分調節就進行，直至誤差消失。積分作用的強弱取決于積分時間常數，該常數越小，積分作用就越強，反之，該常數大則積分作用弱，加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應

29、變慢。由于某些原因(如飽和非線性等)，使得在調節過程初期產生積分飽和，從而引起調節過程的較大超調。因此，在調節過程的初期，應小一些;中期為避免影響穩定性，應調整得適中;后期，應增大，以減小調節穩態誤差，從而提高調節精度。（）微分環節微分調節作用主要是反映系統偏差信號的變化率，針對大慣性過程引入的，它能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，己被微分調節作用消除，可以改善系統的動態性能。在調節過程初期，加大微分作用，可減小甚至避免超調;在調節過程中期，由于調節特性對的變化比較敏感，應適當小一些，并保持固定不變;在調節過程后期，應減小，從而減小被控過程的制動作用，以補償

30、在初期由于較大所造成的調節過程時間延長。2.4 系統硬件設計 水位傳感器設計水位傳感器的作用是采集水位信號并對其進行轉換，它是水位測量儀表中不可缺少的組成部分。根據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.它是根據漂浮在液面上的浮子(也稱浮標)受到水的浮力作用，隨水位的變化而產生位移來進行液位測量的，利用這一關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構簡單，工作可靠，不易受外界環境的影響。但因大多數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和變差，甚至使機械部件卡死而無法正常工作。（）靜壓式液位計.

31、它是依據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行測量的。可分為壓力式和差壓式兩類。這類儀表測量范圍寬，可進行就地或遠傳測量，缺點是安裝復雜，不易維護，測量結果需進行非線性校正。（）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換成電阻、電容或電感量的變化來進行測量的。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電介質的邊緣，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合起來，設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換成電信號。互

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。傳感器結構如圖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,使鍋筒內的水位與液筒內水位互相連通.當鍋筒內水位變化時，液筒內水位相應發生變化。液筒內浮球根據水位高低而發生變化，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發生位移，使互感變壓器輸出電壓發生相應的變化，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換成與液平面相對應的指示(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)，應變式變送器(由浙江錢江儀表廠生產)，1151電容式變送器(進口、上儀、西儀生產的都有)，ROSEMENT3051變送器(美國FISHER公司生產)。DDZ-II、III型變送器和應變式變送器雖然價格便宜，但是運行穩定性和測量精確度不高，存在零點漂移問題，本系統不予考慮。1151電容式變送器運行穩定性和測量精確度都還可以,但是要考慮靜壓補償。ROSEMENT3051變送器運行穩定性和測量精確度都非常好,調校非常方便，量程比很高，價格比1151電容式變送器貴不了多少，因此本系統壓力變送器、差壓變送器確定采用ROSEMENT3O51變送器

34、。 節流式流量計 節流式流量計可用于測量液體，氣體或蒸汽的流量。它的特點是結構簡單，無可動部分；可靠性較高；復現性能好；適應性較廣。它由四部分組成1）節流元件2）引壓管路3）三閥組4）壓差計。節流裝置產生的差壓信號，通過壓力傳輸管道引至差壓計，經差壓計轉換為電信號或氣信號送至顯示儀表。2.5 系統軟件設計軟件系統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操作系統和第二層的通用顯示監控子系統。這兩層的有效結合，組成了本軟件系統的系統支撐軟件，它不但實現了對應用軟件的支持，同時還實現了對調試過程的有效支持。軟件系統的第三層為應用層，是軟件的第二部分。這部分軟件由A/D、D/A任務，控制計

35、算任務、自整定任務、通信任務、故障診斷與容錯任務等組成。這些任務在實時操作系統的協調下，按消息驅動方式運行。本儀表大部分的功能主要體現在控制計算任務上。根據儀表的功能要求，控制計算任務的實現框圖如圖2-8所示。圖中的每一方框對應軟件中的一個模塊，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,其中還包括串級調節的主回路輸出和副回路輸出。跟蹤處理的復雜性對模塊化編程和PID控制參數的自動整定極為不利。在跟蹤處理模塊的實現中，本儀表采用了狀態順序編碼技術，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 控制計算機結構圖第三章 基于PLC與組態軟件的監控系統設計3.1 系統結構設計控制系統硬件部分包括小型工作站(上位計算機)、S7-200系列PLC可編程序控制器構成的下位機、外部設備、過程輸入輸出通道、現場工業自動化儀表以及供電系統等組成。它是對工業鍋爐生產進行實時控制的物質基礎。系統結構框圖如圖3-1所示。圖3-1 系統結構框圖系統設計考慮了以下原則：適用性：充分調研和分析客戶需求，且結合設備現狀和客戶長遠規劃，在長遠、可靠、先進、節能的理念下實現系統功能。可靠安全性：在器件選型采購上確保選用國內或國外知名品牌，在系統設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，在安裝和調試時按有關標準執行。先進性：應用當前國內成熟、先進的控制硬件和網絡技術，結合鍋爐控制的成功經驗，優化和完善系統設計。經濟性：采用最合理的硬、軟件配置，達到高性能的價格比。開放性：系統的設計、硬軟件配置、網絡及通訊規約、數據庫等滿足國際、國內有關標準，硬件和軟件功能模塊易于維護、擴充、升級。3.2 系統輸入輸出設計 數字量輸入輸出設計 數字量即開關量，通過高、低電平實現。鍋爐的自動控制系統涉及到的數字量如表3.1。數字量低電平對應數字量的0，高電平對應數字量的1。表3.1 數字量輸入輸出點列表名稱描述名稱描述啟動按鈕數字量輸入鍋爐危險水位信號數字量輸入停止按鈕數字量輸入水位過高報

38、警數字量輸出手動運行按鈕數字量輸入水位過低報警數字量輸出自動運行按鈕數字量輸入危險低水位報警數字量輸出鍋爐低水位信號數字量輸入電源指示數字量輸出鍋爐高水位信號數字量輸入手動運行數字量輸出 模擬量輸入輸出設計模擬量是一種在一定范圍內連續變化的變量，在此系統中，所涉及的模擬量見表3.2,其中模擬量都采用4-2OmA的標準電流信號。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換輸入輸出信號并不是現成的數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換。開關量信號可以直接送到PLC的控制電路直接使

39、用，如各個開關的通斷就可以直接發出開關量信號，而一些位置信號要變成開關量信號就需要在送到PLC之前轉換完成。例如控制系統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內部進行比較得到是否達到限位高度或者直接接收限位高度的開關量信號。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，與設定的高度值進行比較。在這一過程中差壓變送器就要接受水位的壓力信號，將其轉換成標準的電流信號。對于后者，可以使用浮子式液位控制器實現，此時PLC可直接采集此開關信號。下面列出水位差壓變送器輸入輸出參數的對應關系。表3.3 水位差壓變送器參數輸入（mm）輸出（mA）04

40、20084001260016800203.3 系統硬件組成鍋爐計算機監控系統的硬件由以下幾部分組成：3.3.1 一次儀表安裝于現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。現場執行機構指用于汽包水位調節的變頻器和電動調節閥等。3.3.2 鍋爐系統儀表操作臺 鍋爐系統儀表操作臺安裝于集控室內，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的主要儀表，包括顯示儀表、流量積算儀、手操器、調節器及控制電機的轉換開關、起停按鈕、指示燈、電機智能監控器遠程顯示表等。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 計算機操作臺 在集控室內為每臺鍋爐配

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

42、 為控制系統的核心，完成檢測信號的采集并經信號以通訊的方式傳至工控機，完成汽包水位、給水壓力、回水壓力的自動調節，完成電機的順序控制等。通常以德國西門子公司的S7-200型PLC作為控制主站，做為控制系統的核心，采用總線通訊，最大限度的減少電纜接線數量，減輕維護量。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、PLC 及關鍵檢測設備、儀表正常工作一個小時。3.4 系統組態設計 根據系統組成結構與控制要求，從機（PLC）來完成數據的采集、處理和控制信號的輸出。主機與從機通過通信電纜進行通訊。在主機（工業控制計算機）中來完成對從機采集數據的實時顯示、監測變量的曲線趨勢顯示、

43、報警信息顯示、對從機寫入初始化數據等功能。為了實現上述控制目的，在主機中采用MCGS組態軟件進行監控軟件的開發。3.4.1 組態軟件介紹MCGS(Monitor and Control Generated System，通用監控系統)是一套用于快速構造和生成計算機監控系統的組態軟件，它能夠在基于Microsoft（各種32位Windows平臺上）運行，通過對現場數據的采集處理，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、易學易用的特點，在自動化領域有著廣泛的應用。MCGS組態軟件功

44、能強大，操作簡單，同時使用MCGS組態軟件能夠避開復雜的計算機軟、硬件問題，集中精力去解決工程問題本身，根據工程作業的需要和 （1）MCGS系統組成MCGS系統包括組態環境和運行環境兩個部分。用戶的所有組態配置過程都在組態環境中進行，組態環境相當于一套完整的工具軟件，它幫助用戶設計和構造自己的應用系統。用戶組態生成的結果是一個數據庫文件，稱為組態結果數據庫。運行環境是一個獨立的運行系統，它按照組態結果數據庫中用戶指定的方式進行各種處理，完成用戶組態設計的目標和功能。運行環境本身沒有任何意義，必須與組態結果數據庫一起作為一個整體，才能構成用戶應用系統。一旦組態工作完成，運行環境和組態結果數據庫就

45、可以離開組態環境而獨立運行在監控計算機上。組態結果數據庫完成了MCGS系統從組態環境向運行環境的過渡，它們之間的關系如下圖3-5所示。圖3-5 組態環境與運行環境的關系由MCGS生成的用戶應用系統，其結構由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五個部分構成，如圖3-6所示。圖3-6 用戶應用系統結構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，用戶可以放置不同的構件，創建圖形對象并調整畫面的布局，組態配置不同的參數以完成不同的功能。在MCGS的單機版中，每個應用系統只能有一個主控窗口和一個設備窗口，但可以有多個用戶窗口和多個運行策略，實時數據庫中也可以有多個

46、數據對象。MCGS用主控窗口、設備窗口和用戶窗口來構成一個應用系統的人機交互圖形界面，組態配置各種不同類型和功能的對象或構件，同時可以對實時數據進行可視化處理。（2） MCGS的數據處理過程在MCGS中，用數據對象來描述系統中的實時數據，用對象變量代替傳統意義上的值變量，把數據庫技術管理的所有數據對象的集合稱為實時數據庫。實時數據庫是MCGS系統的核心，是應用系統的數據處理中心。系統各個部分均以實時數據庫為公用區交換數據，實現各個部分協調動作。設備窗口通過設備構件驅動外部設備，將采集的數據送入實時數據庫；由用戶窗口組成的圖形對象，與實時數據庫中的數據對象建立連接關系，以動畫形式實現數據的可視化

47、，運行策略通過策略構件，對數據進行操作和處理。如圖3-7所示：圖3-7 實時數據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控與采集設備，因此，通常會產生大量的生產數據。這就要求構成監控系統核心的組態軟件具備強大的數據處理能力，從而有效、合理地將這些生產數據加以處理，一方面，為現場操作員提供實時、可靠的圖像、曲線等，以反映現場運行的狀況并方便其進行相應的控制操作；同時，也需要為企業的管理人員提供各種類型的數據報表，為企業管理提供切實可靠的第一手資料。針對以上情況，MCGS組態軟件提供了功能強大，使用方便的數據處理功能。按照數據處理的時間先后順序，MCGS組態軟件將數據處理過程分為

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

49、處理過程3.4.2 監控軟件組成在系統運行過程中，監控軟件通過友好的人機界面提供被檢測變量的實時數據顯示，對給水流量與蒸汽流量的日累計量進行計算。當滿足報警條件時，在動態顯示畫面中，報警燈閃爍，提示操作人員有報警產生，操作人員可通過報警信息瀏覽查出產生報警的原因，制定出相應的策略。根據監控軟件提供的實時數據曲線和歷史數據曲線，可以使操作人員清晰的看出被檢測變量的實時數據的動態曲線和歷史數據的發展趨勢曲線，根據歷史數據的發展趨勢曲線，可以了解各個組成部分的控制執行情況及控制效果，操作人員可以根據數據的發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。監控軟件使主機與從機有機的結合在一起，

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

51、的數據，也可以向其他節點寫入數據，還可以對其他節點進行初始化。這類設備掌握了通信的主動權，叫主站。還有些設備，比如S7200 PLC，在有些通信中，它可以作為主站使用。但是，有另一些通信網絡中，它只能讓主站讀取數據，讓主站寫入數據，而不能讀取其他設備的數據，也無權向其他設備寫入數據，這類設備在這種通信網絡中是被動的，把這類設備叫從站。根據網絡結構的不同，在一個網絡中的主站和從站數量也不完全相同。一般情況下，總是把PC和編程器作為主站。通信網絡也有單主站網絡和多主站網絡之分。單主站就是一個主站連接到多個從站網絡。多主站就是由多個主站和多個從站構成網絡。3.5.2 S7200網絡通信協議S7200

52、 CPU支持多種通信協議，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.過程現場總線PROFIBUS,即PROFIBUS-DP方式；d.用戶自定義協議，即自由口方式；在本系統的設計中,采用PCPLC網絡組成監控系統。控制系統可以分為兩層。管理層采用工業控制計算機，其輸入/輸出數據的處理十分方便，人機界面友好，管理水平高。執行層采用S7200 PLC,使得過程控制可靠、快速、穩定、安全。管理層和執行層在控制過程中處于通信狀態。在通信過程中，管理層可以實現實時顯示執行層數據及其他信息和向執行層傳送控制參數，因

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

54、口為RS232信號，而PLC的通信口為RS485信號。當兩者進行通信時，需要將兩種信號進行轉換，可采用普通的轉換器，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 系統報警設計 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,上下限基準電壓設定，報警電路。圖3-10 報警器電路原理W1-上限調節電位器; W2-下限調節電位器; W3-試驗調節電位器;S2-試驗/監視轉換開關; S3-復位開關3.6.1 信號處理與顯示水位傳感器輸出的交流感應電壓經過信號處理電路(橋式整流、濾波)變為直流電壓,此直

55、流電壓與鍋爐水位相對應,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,刻度轉換成鍋筒水位。3.6.2 上、下限基準電壓設定通過調節電位器W1、W2可獲得上下限基準電壓設定值.上下限設定方法為:(1)將試驗/監視開關撥到“試驗”位置。(2)下限電壓設定:根據實際需要旋轉調節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,調節電位器W2直到報警電路報警,此時輸入比較電路的電壓對應為下限基準電壓。(3)上限電壓設定:根據實際需要旋轉調節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,應調節電位器W1直到上限報警為止,此時輸入比較電路的電壓對應上限基準電壓。上下限基準電壓設定以后,將S2