【導(dǎo)讀】工藝過程是用鍋爐生產(chǎn)蒸汽，使汽輪機運轉(zhuǎn)，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。量、雙沖量、三沖量鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，并對其性能特點進行深入的分析和比較，最終選擇了三沖量。本設(shè)計的主要工作包括：對象特性分析、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。

　　

【正文】 水泵，或者兩臺每臺容量各為50%的汽動泵。為與單元機組的汽輪機 下相區(qū)別，汽動泵的汽輪機稱小汽輪機，一般驅(qū)動小汽輪機工作的汽源來自汽輪機的高壓缸抽汽，通過控制小汽輪機的進汽量，改變小內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 25 汽輪機的轉(zhuǎn)速，達到改變給水泵的轉(zhuǎn)速。小汽輪機的轉(zhuǎn)速是以微處理器為核心組成的小汽輪機的轉(zhuǎn)速從零升到某一臨界轉(zhuǎn)速，當(dāng)達到這一轉(zhuǎn)速后小汽輪機的轉(zhuǎn)速給定值由給水控制系統(tǒng)設(shè)置，此后小汽輪機只相當(dāng)于給水控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。采用一臺 50%容量的電動調(diào)速泵、兩臺容量各為 50%的汽動泵和調(diào)節(jié)閥對汽包水位進行調(diào)節(jié)的簡化圖如圖 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 調(diào) 速 泵氣 動 給 水 泵 A從除氧器萊氣 動 給 水 泵 B 圖 汽 動泵 +電動調(diào)速泵 +調(diào)節(jié)閥的簡化給水系統(tǒng)圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（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 熱電廠的各運行設(shè)備必須進行在線狀態(tài)的監(jiān)測，而且熱電廠的自動化系統(tǒng)應(yīng)具備一定的故障預(yù)測、判斷、保護、處理、追憶與分析等功能，先進的計算機分散控制系統(tǒng)可以對整個生產(chǎn)過程進行控制和自動調(diào)節(jié)，根據(jù)不同情況協(xié)調(diào)各設(shè)備的工作狀況，使整個電廠的自動化水平達到了新的高度。 [11] 單元機組的熱工過程是由許多設(shè)備共同完成的。每一設(shè)備既具有相對獨立的功能和作用，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，運行中互相影響，機組的安全經(jīng)濟運行決定于各系統(tǒng)，各系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合。 DCS 以 CPU 群為核心，這些功能強弱不同的微處理器有的對子系統(tǒng)的設(shè)備或工藝流程進行控制，有的對子系統(tǒng)與子系統(tǒng)間進行協(xié)調(diào)控制，有的完成系統(tǒng)和子系統(tǒng)間的控制，還有的進行系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制，即整個機組的控制目標(biāo)和任務(wù)事先按一定方式分配給各個微處理器，形成功能上的分級，而各個 CPU 通過數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)進行聯(lián)系，交換信息，實現(xiàn) CPU 控制作用分散、顯示和操作以及管理集中的有機結(jié)合，實現(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，從而達到危險分散，提高機組的安全運行水平。 DCS 控制方式符合熱電生產(chǎn)的熱工過程基本特征，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)代計算機技術(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，先對以下模件進行簡單介紹： ? 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)上一級計算機的一部分工作，對信號進行必要的處理。 ? A/D 轉(zhuǎn)換（模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量）：轉(zhuǎn)換成計算機 能夠接受的數(shù)字信號。 ? V/I 轉(zhuǎn)換（電壓轉(zhuǎn)換為電流）：以便信號的遠傳。 ? 控制策略：又稱控制方案或控制算法，指根據(jù)被控對象的特性，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 模件對來自現(xiàn)場的信號進行先期處理，經(jīng)過處理的信號才能被內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 27 CPU 或計算機識別接受。 ? 后處理：指 I/O 模件把 CPU 或計算機輸出的指令進行最后的處理，將反應(yīng)控制策略的信號輸出到現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)或顯示儀表。 ? 通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點：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)點之間的一段線路 稱鏈路，這段線路是傳輸信號的通道。 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)，全面融合計算機技術(shù)、測量控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機接口技術(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，即對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視，操作和管理。而控制任務(wù)則由不同的計算機控制裝置來完成。通常把 DCS分為 4 級，如圖 所示， 現(xiàn) 場 被 控 設(shè) 備 群過 程 控 制 級控 制 管 理 級生 產(chǎn) 管 理 級經(jīng) 營 管 理 級第 1 級第 2 級第 3 級第 4 級 圖 DCS的功能 分級 各級的作用是： 第一級。過程控制級，直接與生產(chǎn)過程相連，這一級的 CPU 通過通信方式對來自現(xiàn)場各被監(jiān)控設(shè)備實施監(jiān)視和控制，同時向上一級，即第二級傳送采集到的實時數(shù)據(jù)，并接受來自第二級的操作和組態(tài)信息。 第二級。控制管理級，主要由操作員站，工程師站和高速通信網(wǎng)線組成。第二級的計算機綜合監(jiān)視來自過程控制級的所有信息，通過人機對話進行集中顯示和操作，可以對過程控制級的控制方案進行修改、組態(tài)，對參數(shù)進行調(diào)整，并進行歷史數(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 說明書（畢業(yè) 論文 ） 28 第三級。生產(chǎn)管理級，此級的計算機對來自下一級的信息進行處理，顯示各級 組的運行情況，供生產(chǎn)管理者參考和決策。 第四級。經(jīng)營管理級，實現(xiàn)全廠辦公自動化，擔(dān)負全廠的管理工作 。 第一級和第二級的簡化結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示， I / O 擴 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 被 監(jiān) 控 對 象第二級第一級 (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 被 監(jiān) 控 對 象第2級第1級 (b) MACS 系統(tǒng) 圖 第一級和第二級的簡化結(jié)構(gòu)框圖 其中 （ a） 是美國 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 擴展總線和 I/O 模件安裝在機柜內(nèi)，共同組成對輸入信號的內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 29 采集和處理，對現(xiàn)場設(shè)備進行監(jiān)控，完成網(wǎng)絡(luò)通信等功能，這種機柜被稱為過程控制單元（ PCU） 或現(xiàn)場控制單元（ HCU） 。圖 （ b） 是北京和利時公司生產(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 模件安裝在機柜內(nèi)，這種機柜被稱為現(xiàn)場控制站。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。 對圖 (a)， I/O 模件（此處是輸入模件）對信 號預(yù)處理，通過 I/O 擴展總線傳送到多功能處理器。多功能處理器是一個微處理器，它按照預(yù)定的擴展策略對信號進行運算，運算結(jié)果像兩個方向傳送，向上傳送通過控制通道、通信接口模件、工廠環(huán)網(wǎng)到達操作員站、工程師站等，供運行人員監(jiān)視和控制；向下傳送經(jīng)過 I/O 模件（此處是輸出模件），I/O 模件對信號進行后處理。再輸出到現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)，完成控制作用。 對圖 （ b） ， I/O 模件對信號預(yù)處理，通過控制網(wǎng)絡(luò)傳送到主控單元。主控單元是一個微處理器，它按照預(yù)定的控制策略對信號進行運算，運算結(jié)果通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)向上傳送到服務(wù)器。服務(wù)器根 據(jù)主控單元的請求提供服務(wù)，這些服務(wù)包括對數(shù)據(jù)的采集、核對、存儲、共享和集中管理。通過服務(wù)器，信號向兩個方向傳送：向上傳送經(jīng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳到操作員站等，供運行人員監(jiān)視和控制；向下傳送經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)到達主控單元，再經(jīng)控制網(wǎng)絡(luò)傳到 I/O 模塊， I/O 模塊對信號進行后處理，再輸出到現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)，完成控制作用。 其中操作員站（ OIS）設(shè)置在機組的集控室內(nèi)，它是一個集中的操作臺。操作員站是運行人員和生產(chǎn)過程之間的一個交互窗口。運行人員通過操作員站了解機組運行的各種信息，運行人員對生產(chǎn)過程的干預(yù)又是通過操作員站將控制信號傳遞到相關(guān) 設(shè)備。 工程師站（ EWS） 是一個以個人計算機為基礎(chǔ)的工具性設(shè)備，是 DCS 通信環(huán)路上的重要設(shè)備之一，它能直接或遠距離地訪問過程控制系統(tǒng)。在工程師站，用專用組態(tài)軟件工具可對過程控制單元進行控制邏輯的在線和離線組態(tài)，并具有對控制邏輯組態(tài)進行監(jiān)視、調(diào)整及維護的功能。 現(xiàn)場控制站 :是面向生產(chǎn)過程，能獨立運行的計算機監(jiān)控設(shè)備。它一般由機柜、主控模件、 I/O 模件、電源等組成。機柜用來支持站內(nèi)其他部件的安裝，并對站內(nèi)其它部件起保護作用。電源模件它的輸入是來自系統(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，分別與工廠環(huán)網(wǎng)和模件機柜連接，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，具有較強的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信能力。運行組態(tài)的控制方案，執(zhí)行對過程的控制策略，完成從簡單到復(fù)雜的各種控制。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 30 I/O 模件在主控模件的控制下，輸入模件對輸入信號進行預(yù)處理后，輸出到主控模件；輸出模件對主控模件的輸出數(shù)據(jù)進行后處理，輸出到執(zhí)行機構(gòu)或提供給顯示、記錄儀表。風(fēng)扇組件為現(xiàn)場控制站內(nèi)運行的各種模件降溫，保證各種模件的安全運行。 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 /自動控制和系統(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，它的功能包括實時數(shù)據(jù)的刷新和存儲、歷史數(shù)據(jù)的存儲和檢索、顯示、記錄報表以及性能計算。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用于存儲數(shù)據(jù)的存儲器稱數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫有兩種典型結(jié)構(gòu)，即分布式數(shù)據(jù)庫和客戶機 /服務(wù)器結(jié)構(gòu)。DCS 通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確傳遞，實現(xiàn)資源共享。 分散控制系統(tǒng)的特點 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、計算機集中控制、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外，主要有四方面的特點： ? 硬件的積木化結(jié)構(gòu) DCS 是以 “ 模件化 ” 為設(shè)計方法專門生產(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，每個現(xiàn)場控制站由一些具有不同功能的模件像搭積木一樣，通過插接方式組裝而成，模件間無需內(nèi)部接線。同時現(xiàn)場控制站、操作員站、工程師站等的數(shù)量可按照用戶的實際需要，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語言，以便用戶從事應(yīng)用程序 的開發(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立運行的程序段。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)是容錯技術(shù)的一種。 ? 強大的自診斷技術(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)和故障類型。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 31 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 算 機 及 C R T集 控 室A O 模 件電 動 執(zhí) 行 機 構(gòu)現(xiàn) 場 就 地 設(shè) 備主 給 水 調(diào) 節(jié) 閥至 汽 包主 給 水I / O 擴 展 總 線現(xiàn) 場 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 說明書（畢業(yè) 論文 ） 32 ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ......A I模 件A O模件主 控 模 件服務(wù)器計 算 機和 C R T①①②②③③⑤⑤④④I / O 擴 展 總 線 控 制 通 道 以 太 網(wǎng)I / O 擴 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 執(zhí) 行 機 構(gòu) 內(nèi) 部 端 子至 汽 包主 給 水 調(diào) 節(jié) 閥主 給 水 圖 主要信號線路的端子連接示意圖 DCS 系統(tǒng)的組態(tài)從其硬件的選擇便已經(jīng)在進行中了。在硬件上主要應(yīng)考慮如下一些問題：首先 DCS 系統(tǒng)的處理能力必須滿足現(xiàn)場的要求，其控制器 CPU 的運行周期不應(yīng)大于 250ms，同時考慮最小運行周期下控制器 CPU 的處理能力；在選擇 I/O 板配置時要了解其掃描周期， A0、 A1 各通道之間要