【導(dǎo)讀】工藝過(guò)程是用鍋爐生產(chǎn)蒸汽，使汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。量、雙沖量、三沖量鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，并對(duì)其性能特點(diǎn)進(jìn)行深入的分析和比較，最終選擇了三沖量。本設(shè)計(jì)的主要工作包括：對(duì)象特性分析、系統(tǒng)方案分析比較和選擇、硬件組成、軟件控制方案以及控制組態(tài)等。單級(jí)三沖量汽包水位控制系統(tǒng)的分析和整定.

　　

【正文】 電動(dòng)調(diào)速泵和一臺(tái) 100%容量的 汽動(dòng)給水泵，或者兩臺(tái)每臺(tái)容量各為50%的汽動(dòng)泵。為與單元機(jī)組的汽輪機(jī)下相區(qū)別，汽動(dòng)泵的汽輪機(jī)稱小汽輪機(jī)，一般驅(qū)動(dòng)小汽輪機(jī)工作的汽源來(lái)自汽輪機(jī)的高壓缸抽汽，通過(guò)控制小汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，改變小內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 25 汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到改變給水泵的轉(zhuǎn)速。小汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速是以微處理器為核心組成的小汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)牧闵侥骋慌R界轉(zhuǎn)速，當(dāng)達(dá)到這一轉(zhuǎn)速后小汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速給定值由給水控制系統(tǒng)設(shè)置，此后小汽輪機(jī)只相當(dāng)于給水控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采用一臺(tái) 50%容量的電動(dòng)調(diào)速泵、兩臺(tái)容量各為 50%的汽動(dòng)泵和調(diào)節(jié)閥對(duì)汽包水位進(jìn)行調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)化圖如圖 所示。 至 省 煤 器旁 路 給 水 調(diào) 節(jié) 閥旁 路 給 水 截 止 閥主 給 水 截 止 閥高壓加熱器電 動(dòng) 調(diào) 速 泵氣 動(dòng) 給 水 泵 A從除氧器萊氣 動(dòng) 給 水 泵 B 圖 汽動(dòng)泵 +電動(dòng)調(diào)速泵 +調(diào)節(jié)閥的簡(jiǎn)化給水系統(tǒng)圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 26 第三章 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 熱電廠的各運(yùn)行設(shè)備必須進(jìn)行在線狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，而且熱電廠的自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)具備一定的故障預(yù)測(cè)、判斷、保護(hù)、處理、追憶與分析等功能，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)，根據(jù)不同情況協(xié)調(diào)各設(shè)備的工作狀況，使整個(gè)電廠的自動(dòng)化水平達(dá)到了新的高度。 分散控制系統(tǒng) [11] 單元機(jī)組的熱工過(guò)程是由許多設(shè)備共同完成的。每一設(shè)備既具有相對(duì)獨(dú)立的功能和作 用，又按照特定的工藝流程與其它設(shè)備組成子系統(tǒng)，若干子系統(tǒng)構(gòu)成相應(yīng)的系統(tǒng)。系統(tǒng)與系統(tǒng)間，系統(tǒng)與它的子系統(tǒng)間緊密聯(lián)系，運(yùn)行中互相影響，機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行決定于各系統(tǒng)，各系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合。 DCS 以 CPU 群為核心，這些功能強(qiáng)弱不同的微處理器有的對(duì)子系統(tǒng)的設(shè)備或工藝流程進(jìn)行控制，有的對(duì)子系統(tǒng)與子系統(tǒng)間進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，有的完成系統(tǒng)和子系統(tǒng)間的控制，還有的進(jìn)行系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制，即整個(gè)機(jī)組的控制目標(biāo)和任務(wù)事先按一定方式分配給各個(gè)微處理器，形成功能上的分級(jí)，而各個(gè) CPU 通過(guò)數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)系，交換信息，實(shí)現(xiàn) CPU 控制作用分 散、顯示和操作以及管理集中的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息資源共享。分散具有廣泛的含義，它包括功能分散、控制分散、數(shù)據(jù)分散、通信分散、設(shè)備分散，從而達(dá)到危險(xiǎn)分散，提高機(jī)組的安全運(yùn)行水平。 DCS 控制方式符合熱電生產(chǎn)的熱工過(guò)程基本特征，因此在新廠建設(shè)和老廠技術(shù)改造中，獲得了大力推廣和廣泛應(yīng)用。 DCS 綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和顯示技術(shù)，是一種新型的控制系統(tǒng)。在介紹 DCS 之前，先對(duì)以下模件進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹： ? I/O 模件（輸入或輸出模件）： I/O 模件一般裝有微處理器芯片，可分擔(dān)上一級(jí)計(jì)算機(jī)的一部分工作，對(duì)信號(hào) 進(jìn)行必要的處理。 ? A/D 轉(zhuǎn)換（模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量）：轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的數(shù)字信號(hào)。 ? V/I 轉(zhuǎn)換（電壓轉(zhuǎn)換為電流）：以便信號(hào)的遠(yuǎn)傳。 ? 控制策略：又稱控制方案或控制算法，指根據(jù)被控對(duì)象的特性，微處理器中執(zhí)行控制任務(wù)的有關(guān)程序軟件。 ? 預(yù)處理：指 I/O 模件對(duì)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)進(jìn)行先期處理，經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)才能被內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 27 CPU 或計(jì)算機(jī)識(shí)別接受。 ? 后處理：指 I/O 模件把 CPU 或計(jì)算機(jī)輸出的指令進(jìn)行最后的處理，將反應(yīng)控制策略的信號(hào)輸出到現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或顯示儀表。 ? 通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)：指連接在通信網(wǎng)絡(luò)上參與通信的硬 件設(shè)備。 ? 通信網(wǎng)絡(luò)的鏈路：連接通信網(wǎng)絡(luò)中相鄰兩節(jié)點(diǎn)之間的一段線路稱鏈路，這段線路是傳輸信號(hào)的通道。 分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ) 分散控制系統(tǒng) DCS 是以微處理器為基礎(chǔ)，全面融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)量控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)（即所謂的 4C 技術(shù)， Computer、 Control 、 Communication 、CRT）而形成的現(xiàn)代控制系統(tǒng)。其主要特征在于分散控制和集中管理，即對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視，操作和管理。而控制任務(wù)則由不同的計(jì)算機(jī)控制裝置來(lái)完成。通常把 DCS分為 4 級(jí)，如圖 所示， 現(xiàn) 場(chǎng) 被 控 設(shè) 備 群過(guò) 程 控 制 級(jí)控 制 管 理 級(jí)生 產(chǎn) 管 理 級(jí)經(jīng) 營(yíng) 管 理 級(jí)第 1 級(jí)第 2 級(jí)第 3 級(jí)第 4 級(jí) 圖 DCS 的功能分級(jí) 各級(jí)的作用是： 第一級(jí)。過(guò)程控制級(jí)，直接與生產(chǎn)過(guò)程相連，這一級(jí)的 CPU 通過(guò)通信方式對(duì)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)各被監(jiān)控設(shè)備實(shí)施監(jiān)視和控制，同時(shí)向上一級(jí)，即第二級(jí)傳送采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并接受來(lái)自第二級(jí)的操作和組態(tài)信息。 第二級(jí)?？刂乒芾砑?jí)，主要由操作員站，工程師站和高速通信網(wǎng)線組成。第二級(jí)的計(jì)算機(jī)綜合監(jiān)視來(lái)自過(guò)程控制級(jí)的所有信息，通過(guò)人機(jī)對(duì)話進(jìn)行集中顯示和操作，可以對(duì)過(guò)程控制級(jí)的控制方案進(jìn)行修改、組態(tài)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)存檔，故障存檔等。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 28 第三級(jí)。生產(chǎn)管理級(jí)，此級(jí)的計(jì)算機(jī)對(duì)來(lái)自下一級(jí)的信息進(jìn)行處理，顯示各級(jí)組的運(yùn)行情況，供生產(chǎn)管理者參考和決策。 第四級(jí)。經(jīng)營(yíng)管理級(jí)，實(shí)現(xiàn)全廠辦公自動(dòng)化，擔(dān)負(fù)全廠的管理工作 。 第一級(jí)和第二級(jí)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示， I / O 擴(kuò) 展 總 線控 制 通 道操 作 員 站 工 程 師 站工 廠 環(huán) 網(wǎng)通 信 接 口 通 信 接 口多 功 能處 理 器 多 功 能處 理 器I / O 模 件 I / O 模 件現(xiàn) 場(chǎng) 被 監(jiān) 控 對(duì) 象第二級(jí)第一級(jí) (a) INFI 系統(tǒng) 操 作 員 站 工 程 師 站監(jiān) 控 網(wǎng) 絡(luò)服務(wù)器服務(wù)器系 統(tǒng) 網(wǎng) 絡(luò)主 控 單 元主 控 單 元I / O 模 塊 I / O 模 塊現(xiàn) 場(chǎng) 被 監(jiān) 控 對(duì) 象第2級(jí)第1級(jí) (b) MACS 系統(tǒng) 圖 第一級(jí)和第二級(jí)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)框圖 其中 （ a） 是美國(guó) ABB 貝利公司生產(chǎn)的 INFI 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，圖中工廠環(huán)網(wǎng)、通信接口模件、控制通道、多 功能處理器都采用了冗余配置。并且通信接口模件、控制通道、多功能處理器、 I/O 擴(kuò)展總線和 I/O 模件安裝在機(jī)柜內(nèi)，共同組成對(duì)輸入信號(hào)的內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 29 采集和處理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，完成網(wǎng)絡(luò)通信等功能，這種機(jī)柜被稱為過(guò)程控制單元（ PCU） 或現(xiàn)場(chǎng)控制單元（ HCU） 。圖 （ b） 是北京和利時(shí)公司生產(chǎn)的 MACS 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，圖中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、主控單元也是采用了冗余配置。并且系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)、主控單元、控制網(wǎng)絡(luò)、 I/O 模件安裝在機(jī)柜內(nèi)，這種機(jī)柜被稱為現(xiàn)場(chǎng)控制站。圖 32 兩圖代表了兩種不同的結(jié)構(gòu)，許多部分名稱不同，但是功能結(jié)構(gòu) 上有相同的地方。 對(duì)圖 (a)， I/O 模件（此處是輸入模件）對(duì)信號(hào)預(yù)處理，通過(guò) I/O 擴(kuò)展總線傳送到多功能處理器。多功能處理器是一個(gè)微處理器，它按照預(yù)定的擴(kuò)展策略對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果像兩個(gè)方向傳送，向上傳送通過(guò)控制通道、通信接口模件、工廠環(huán)網(wǎng)到達(dá)操作員站、工程師站等，供運(yùn)行人員監(jiān)視和控制；向下傳送經(jīng)過(guò) I/O 模件（此處是輸出模件），I/O 模件對(duì)信號(hào)進(jìn)行后處理。再輸出到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成控制作用。 對(duì)圖 （ b） ， I/O 模件對(duì)信號(hào)預(yù)處理，通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)傳送到主控單元。主控單元是一個(gè)微處理器，它按照預(yù)定的控 制策略對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)向上傳送到服務(wù)器。服務(wù)器根據(jù)主控單元的請(qǐng)求提供服務(wù)，這些服務(wù)包括對(duì)數(shù)據(jù)的采集、核對(duì)、存儲(chǔ)、共享和集中管理。通過(guò)服務(wù)器，信號(hào)向兩個(gè)方向傳送：向上傳送經(jīng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳到操作員站等，供運(yùn)行人員監(jiān)視和控制；向下傳送經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)主控單元，再經(jīng)控制網(wǎng)絡(luò)傳到 I/O 模塊， I/O 模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行后處理，再輸出到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成控制作用。 其中操作員站（ OIS）設(shè)置在機(jī)組的集控室內(nèi)，它是一個(gè)集中的操作臺(tái)。操作員站是運(yùn)行人員和生產(chǎn)過(guò)程之間的一個(gè)交互窗口。運(yùn)行人員通過(guò)操作員站了解機(jī)組運(yùn)行的各種信息，運(yùn)行人員對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的干預(yù)又是通過(guò)操作員站將控制信號(hào)傳遞到相關(guān)設(shè)備。 工程師站（ EWS） 是一個(gè)以個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的工具性設(shè)備，是 DCS 通信環(huán)路上的重要設(shè)備之一，它能直接或遠(yuǎn)距離地訪問(wèn)過(guò)程控制系統(tǒng)。在工程師站，用專(zhuān)用組態(tài)軟件工具可對(duì)過(guò)程控制單元進(jìn)行控制邏輯的在線和離線組態(tài)，并具有對(duì)控制邏輯組態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、調(diào)整及維護(hù)的功能。 現(xiàn)場(chǎng)控制站 :是面向生產(chǎn)過(guò)程，能獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)備。它一般由機(jī)柜、主控模件、 I/O 模件、電源等組成。機(jī)柜用來(lái)支持站內(nèi)其他部件的安裝，并對(duì)站內(nèi)其它部件起保護(hù)作用。電源模件它的輸入是來(lái) 自系統(tǒng)電源柜的 1： 1 冗余交流電，它的輸出是供給主控模件、通信接口模件、 I/O 模件和風(fēng)扇的直流電。通信接口模件是由微處理器控制的模件對(duì)，分別與工廠環(huán)網(wǎng)和模件機(jī)柜連接，完成操作員站、工程師站和模件柜的數(shù)據(jù)通信。主控模件的關(guān)鍵部件是以微位處理器為核心，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信能力。運(yùn)行組態(tài)的控制方案，執(zhí)行對(duì)過(guò)程的控制策略，完成從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種控制。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 30 I/O 模件在主控模件的控制下，輸入模件對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后，輸出到主控模件；輸出模件對(duì)主控模件的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)或提供給顯示、記錄儀表。風(fēng)扇組 件為現(xiàn)場(chǎng)控制站內(nèi)運(yùn)行的各種模件降溫，保證各種模件的安全運(yùn)行。 分散控制系統(tǒng)基本功能 DCS 具有數(shù)據(jù)采集及處理、手動(dòng) /自動(dòng)控制和系統(tǒng)通信等基本功能。數(shù)據(jù)采集及處理是 DCS 的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)之一，它的功能包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的刷新和存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索、顯示、記錄報(bào)表以及性能計(jì)算。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器稱數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)有兩種典型結(jié)構(gòu)，即分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和客戶機(jī) /服務(wù)器結(jié)構(gòu)。DCS 通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確傳遞，實(shí)現(xiàn)資源共享。 分散控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 熱電廠的熱工監(jiān)控經(jīng)歷了單 元組合式、組件組裝式、模件組裝式、計(jì)算機(jī)集中控制、分散控制系統(tǒng)等發(fā)展階段，與其他的熱工監(jiān)控系統(tǒng)相比，分散控制系統(tǒng)除了控制功能分散、顯示管理集中的特點(diǎn)外，主要有四方面的特點(diǎn)： ? 硬件的積木化結(jié)構(gòu) DCS 是以 “ 模件化 ” 為設(shè)計(jì)方法專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)件和不同功能的標(biāo)準(zhǔn)化模件。根據(jù)不同被控設(shè)備的特性，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站由一些具有不同功能的模件像搭積木一樣，通過(guò)插接方式組裝而成，模件間無(wú)需內(nèi)部接線。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制站、操作員站、工程師站等的數(shù)量可按照用戶的實(shí)際需要，方便、靈活地配置。 ? 軟件的模塊化 生產(chǎn) DCS 的各廠家為 用戶提供了豐富的功能軟件模塊和至少一種高級(jí)語(yǔ)言，以便用戶從事應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。功能軟件模塊是指具有明確的一種或幾種基本的控制功能且能獨(dú)立運(yùn)行的程序段。不同的 DCS 系統(tǒng)生產(chǎn)的功能軟件模塊不盡相同，起的名也不一樣。 ? 高可靠性 DCS 的關(guān)鍵設(shè)備和主要模件都采用了冗余技術(shù)，冗余技術(shù)是容錯(cuò)技術(shù)的一種。 ? 強(qiáng)大的自診斷技術(shù) DCS 的許多模件本身都有自診斷能力。其前面板裝有 LED狀態(tài)顯示燈，利用狀態(tài)顯示燈發(fā)光的不同組合，反映模件的工作狀態(tài)和故障類(lèi)型。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 31 鍋爐 汽包水位控制系統(tǒng) 硬件圖 汽 包 水 位 變 送 器主 給 水 流 量 變 送 器主 蒸 汽 流 量 變 送 器A I 模 塊 主 控 模 件控 制 通 道服 務(wù) 器以 太 網(wǎng) 計(jì) 算 機(jī) 及 C R T集 控 室A O 模 件電 動(dòng) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)現(xiàn) 場(chǎng) 就 地 設(shè) 備主 給 水 調(diào) 節(jié) 閥至 汽 包主 給 水I / O 擴(kuò) 展 總 線現(xiàn) 場(chǎng) 控 制 站電 子 間圖 汽包水位控制系統(tǒng)硬件圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 32 ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ......A I模 件A O模件主 控 模 件服務(wù)器計(jì) 算 機(jī)和 C R T①①②②③③⑤⑤④④I / O 擴(kuò) 展 總 線 控 制 通 道 以 太 網(wǎng)I / O 擴(kuò) 展 總 線汽 包 水 位 變 送 器 內(nèi) 部 端 子主 給 水 流 量 變 送 器 內(nèi) 部 端 子主 汽 流 量 變 送 器 內(nèi) 部 端 子電 動(dòng) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 內(nèi) 部 端 子至 汽 包主 給 水 調(diào) 節(jié) 閥主 給 水 圖 主要信號(hào)線路的端子連接示意圖 硬件選型 DCS 系統(tǒng)的組態(tài)從其硬件的選擇便已經(jīng)在進(jìn)行中了。在硬件上主要應(yīng)考慮如下一些問(wèn)題：首先 DCS 系統(tǒng)的處理能力必須滿足現(xiàn)場(chǎng)的要求，其控制器 CPU 的運(yùn)行周期不應(yīng)大于 250ms，同時(shí)考慮最小運(yùn)行周期下控制器 CPU 的處理能力；在選擇 I