课程设计报告
(2014--2015年度第二学期)
名称：控制装置与仪表A
（DCS部分）课程设计题目：过热汽温控制系统组态院系：自动化系
班级：测控1201 1202
学号：201202030129
201202030201
学生姓名：张琨阿云嘎
指导教师：翟永杰
设计周数：一周
成绩：
日期：2015年7月14日
《控制装置与仪表A（DCS部分）课程设计》
课程设计
任务书
一、目的与要求
1．了解DCS应用过程中的主要工作内容及应该注意的问题，并能根据应用目的，进行分散控制系统的设计组态、调试操作等工作。
2．以LN2000分散控制系统为平台，完成过热汽温控制系统的组态。
3．进行DCS的调试工作。
二、主要内容
分为组态设计和系统调试两个部分：
1．组态设计
1．1系统配置组态
主要是指DCS中工程师站、操作员站、控制站的主机系统配置信息及外设类型，I/O －卡件信息，电源布置，控制柜内安装接线等。
此部分内容作为了解内容，不进行具体组态。
1．2实时数据库组态
数据库组态是系统组态中应尽早完成的工作，因为只有有了数据库，其他的组态工作（控制回路组态、画面组态等）才可以调试。数据库组态一般通过专用软件进行，数据录
入时一定要认真仔细，数据库中一个小的错误就会给运行带来极大的麻烦，如造成显示错
误、操作不当甚至死机故障。
1．3控制算法组态
控制算法组态指的是将系统设计时规定的模拟量控制、开关量控制等功能用DCS算法予以实现。
本设计以主汽温度串级控制策略为对象，并且模拟控制对象，构成闭环回路，完成这些控制算法的组态工作。
1．4操作员站显示画面组态
运行人员主要通过操作员站画面来观察生产过程运行情况，并通过画面提供的软操作器来干预生产过程，因此画面设计是否合理、操作是否方便都会对运行产生重要影响。
本设计要求设计关于主汽温控制的简单流程图画面、趋势画面、参数显示画面、操作画面，并把有关的动态点同控制算法连接起来。
1．5报警显示
在数据库中进行温度报警值设置，在运行界面中显示报警窗口。
本设计要求能够模拟实现超温报警。
1．6趋势组态。
显示需要观察的数据点趋势图。
2．系统调试
设计要求进行动态调试。
实际工作中的动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。由于生产过程已经处于运行或试运行阶段，此时应以观察为主，当涉及到必需的系统修改时，应做好充分的准备及安全措施，以免影响正常生产，更不允许造成系统或设备故障。
动态调试一般包括以下内容：
1）观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常；
2）检查控制系统逻辑是否正确，并在适当时候投入自动运行；
3）对控制回路进行在线整定；
4）当系统存在较大问题时，如需进行控制结构修改、增加测点等，应尽量在停机状态下重新组态下装。若条件不允许，也可进行在线组态，但要熟悉在线组态的各个环节并做好应急措施。
三、进度计划
序号设计(实验)内容完成时间备注
1 了解设计内容，阅读并理解课程设计指导书的要求。D1
2 熟悉LN2000分散控制系统软件的组态方法。D1
3 进行组态设计要求的6项内容。D1～D2
4 进行系统调试D2
5 撰写课程设计报告D3
6 上机答辩考核D3
四、设计（实验）成果要求
1．完成系统结构图及数据点清单，打印各步的组态设计图纸。
2．对系统设计过程进行总结，完成并打印设计报告。
五、考核方式
1．设计报告内容及格式考查。
2．按上述步骤逐项完成软件内容的设计，进行操作演示，并进行答辩。
《分散控制系统与现场总线技术》课程设计
报 告 书
一、分散控制系统课程设计的目的与要求
1、设计内容概要:以LN2000分散控制系统为平台，完成过热汽温控制系统的组态并进行DCS 的调试工作
2、串级过热汽温控制系统的组成及特点
3、串级汽温控制系统设计
二、课程设计正文
1.串级汽温控制系统的工作原理
图1所示的串级汽温控制系统，只要导前汽温2θ发生变化，副调节器P 就去改变减温水流量θW ，初步维持后级过热器入口汽温2θ在一定范围内，起粗调作用。而过热器出口汽温1θ的控制，则是通过主调节器PI 来校正副调节器工作，只要1θ未达到给定值，主调节PI 的输出信号就不断递变化，使副调节器不断去控制减温水喷水量θW 的变化，直到1θ恢复到给定值为止。稳态时，导前汽温2θ可能稳定在与原来数值不同的数值上，而主汽温1θ则一定等于给定值。
P
Z
PI
+
+
θ
2
θ
1
W θ
图1 串级汽温控制系统工作原理
在串级汽温控制系统中，由于两个回路的任务及动态特性不同，可以选用不同的调节器。副回路及副调节器的任务是快速消除内扰，要求控制过程的持续时间较短，但不要求无差，故一般可选用纯比例调节器。当导前汽温惯性较大时，也可选用比例微分调节器。主回路及主调节器的任务是维持1θ恒定，一般选用比例积分调节器。当过热器惰性区较大时，也可选用比例、积分、微分调节器。 2. 串级汽温控制系统设计
锅炉过热汽温控制采用串级汽温控制系统,控制系统方框图如图2: 已知系统中被控对象的传递函数为:
被控对象导前区：222
0.8
()(115)
W s W s θθ?=-
=-?+（℃/%） 被控对象惰性区：3
211)
201(125
.1)(s s W +=??=
θθ（℃/℃）
图2串级汽温控制系统构成
3.设计过程
3.1采用如下设计方案
为了更加形象地显示串级系统的控制作用，可以假设一个简单的对象模型，如图中红色框内所示，使用SAMA 模块搭建，仅用来示意，实际中对应具体的被控对象，在控制逻辑组态图中没有这部分内容。红色框内产生PV1主汽温度、PV2导前汽温，接受从控制器来的OP 阀门开度信号。
该控制对象的建立参考某电厂锅炉参数，使用某设计值下的参数作为系统的静态点，在该静态点情况下，工况不再发生变化，无外界干扰，仅由减温水来调节蒸汽温度。 3.2系统的静态平衡状态描述
(1)上一级过热器出口温度：71号模块设定为定值520度，该温度测点在喷水减温器之前。
(2)末级过热器出口温度：SP设定值为540度，为末级过热器出口温度。
系统在稳态下，喷水减温器之前温度值为520度（模块71），减温水阀开度为50%，经减温器（传递函数w2，模块69）引起40度的温降，形成末级过热器进口温度480度（模块70的输出）；实际末级过热器进口温度经惰性区（传递函数w1，模块70），得到最终的末级过热器温度（模块72输出）。
3.3系统性能测试
以上描述为某严格静态点的平衡状态，仅为示意，省略和简化了很多因素，更合理的模型建立方式是采用机理建模方法，构成整个电厂热力系统模型。在该简化模型基础上，可以进行以下实验内容：
(1)主汽温度设定值的变化：将设定值SP（模块68的SP输出）进行改变，例如545或535度，观察自动调节系统的状态和工作变化。
(2)上一级过热器出口温度的变化：改变模块71的输出，表示上一级过热器出口温度发生了变化，实现扰动，观察自动调节系统的克服扰动的能力。
三、总结与结论
1、DCS的组态步骤及内容
1)数据库组态图
2)控制逻辑组态图(SAMA图)
3)流程界面组态图
4)操作窗口组态图
5)趋势图
手动操作
手动投自动
自动切手动
定值扰动
外部扰动
6)报警实现及报警死区的作用
所谓报警管理就是按照一定的规律去处理报警信息,其根本目的是使运行人员能够及时发现问题、快速正确地处理问题并可靠记录处理的全过程。
当信号值超过了报警上限值时，就会进入上限报警状态，如果超过了报警上上限，就进入了严重报警状态，这个时候，系统必须通知操作员采取措施，防止事故的发生。越下限报警类似。为了避免该数据点的值在报警值附近波动的时候，系统报警频繁发生，通常会加入一个报警死区。在软件上，当一个点进入上限报警状态时，报警产生，当这个数据点的数值返回到报警上限值时，并不立刻消除报警状态，而是直到它回到高限和低限之内时，才取消报警。报警死区的作用就是用来防止报警频繁发生。
7)操作员监控界面
8)单回路数据库组态图
9)单回路SAMA图
单回路有追踪
单回路无追踪10)单回路实施趋势
单回路有无追踪趋势图
2、设计分析
2.1串级控制系统中无扰切换的实现。
手动投自动时无扰动的实现：调节系统手动时，副调节器输出自动跟踪 M/A 站手动输出，主调节器输出自动跟踪导前气温温度信号。将M/A 站的输出反馈到副调节器PID2的跟踪端，因串级系统副调节器PID2在不断工作，只有使其输出为零，才能实现无扰，因此还需使副调节器PID2的PV 反馈到主调节器PID1的TR 端。这样，手动时，副调节器PID2模块因跟踪PV2，其输出增量为零，使得PID2的输出值等于M/A 站的输出值，从而使切换瞬间无扰动。
自动切手动无扰动的实现：自动切向手动的瞬间输出值等于切换前的自动输出值，故切换瞬间不产生扰动。在这之后，调节器的输出是在原来的基础上加增量，也不会发生突变，因此达到了无扰动切换的目的。
2.2主副调节器正反作用的确定。
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（1）判断副调节器PID2作用
当导前汽温温度升高时，需要调节阀门开度增大，即增大M/A 模块的Y 值，故副PID 调节器的输出AO 值应增大，又因为导前汽温温度的升高会使副PID 调节器的PV 值增大，故副调节器应为正作用。
（2）判断主调节器PID1作用
导前汽温温度的升高会导致主气温温度的升高，从而使主调节器的PV 值升高，此时应调节阀门
开度增大,即增大M/A模块的Y值，而副PID调节器的输出AO值和PV值都会增大，故SP应减小，故主调节器应为负作用。
2.3 PID参数整定的步骤及方法。
根据经验值预设置PID参数,再进行调试调整。先令SP为540摄氏度，阀门开度为50%，手动调节至平衡，即使主汽温值为540摄氏度为止，然后调自动，将SP改为550摄氏度，观察主气温值的变化，看是否可变为550摄氏度，若不能，则调节两个PID调节器的参数，直至在550摄氏度时稳定为止，之后再改变一下SP值，若主气温值能随其改变，则说明参数已调好。
方法：提出一种稳定域约束的串级PID控制器的参数优化方法，首先要得到串级PID控制器参数的稳定域约束条件然后利用遗传寻优算法获得ITAE性能指标最优的串级PID控制器参数。而我在实验中用的是拼凑法和经验法，通过观察趋势曲线来调节两个PID的参数，通过反复改动使得参数合适。
2.4 设定值扰动及内外干扰情况下系统的响应及分析。
当外部扰动使得主汽温输出值增大时，使得PID调节器变化，主调节器反作用，副调节器正作用，使得阀门开度增大，从而调节主汽温输出值降低，达到设定值。反之，当外部扰动使得主汽温输出值减小时，调节器作用，使得阀门开度减小，从而调节主汽温输出值升高，达到设定值。
当设定值扰动使得设定值增大或者减小时，主副调节器作用，使得阀门开度减小或。者增大，主汽温输出值增大或者减小，最终主汽温输出值等于设定值。
2.5单回路控制与串级控制的对比分析
选用串级控制的时候，当出现定值扰动及外部扰动时，主汽温仍能快速的跟踪。当去掉一个PID 模块，即去掉副调节器构成单回路控制系统时，需要把PID模块的动作方向改为正作用。和单回路控制系统相比，串级控制系统改善了被控过程的动态特性，具有较强的抗扰动能力和一定的自适应能力，能够准确及时地对系统的给定值扰动和外扰进行校正。
3.对本课程设计的体会、意见和建议
经过3天的DCS部分的课程设计,我成功的完成了完成过热汽温控制系统的组态并进行DC
的调试工作,同时对电厂的 DCS的有了一个初步的认识。在这个课程设计中，我不仅更加熟练了地掌握了课程上机实验时的数据库组态、SAMA图组态、图形界面组态、趋势组态的方法，而且实现了报警，学习了PID参数整定的步骤及方法,了解了主副调节器正反作用的确定,并且知道了串级控制系统中无扰切换的实现原理。
同样也遇到了很多问题。在程序界面组态的时候,对于选折线、直线还是多边形,搞不清楚,还有大概是软件应用不熟练,画导致重复画了很多次。对于PID参数,因为有经验值,所以确定参数比较顺利。第三天上机,调试了很多次截了很多图,但是由于截图的时间不合适,趋势图的上下限选择也不合理,导致图片观察起来不明显而且也无法说明问题得出结论,因此第二天又重新调试重新截图。这是我意识到以后再进行试验应该先知道自己要得到什么结论,要通过实验说明什么问题而不是盲目的操作,那样会浪费很多时间做了无用功。总之,本次课设收获很多。
四、参考文献
[1]金以慧过程控制清华大学出版社（第一版） 1993年4月
[2]王常力、罗安分布式控制系统（DCS）设计与应用实例电子工业出版社 2000年8月
[3]翟永杰、王学厚、张悦、石金宝、韩璞火电厂分散控制系统原理及应用
中国电力出版社 2010年9月