火力发电厂水汽采样和化学加药控制系统毕业论文设计 - 图文

南京化工职业技术学院自动控制系毕业论文设计（论文）

第一章 绪论

1.1课题研究的意义

近年来，我国经济迅速发展，生产力不断提高，电力作为经济发展的动力得到了迅速的发展。为了节省能源和保护环境，提高火力发电的经济性，大容量超临界机组因其能源利用率高、经济性能好而得到快速发展，已在世界发达国家广泛应用。随着科学技术的发展及计算机更新升级，先进的控制策略、专家系统、现场总线和智能变送器的广泛应用，将有利于节约投资，降低能耗，便于维护和提高火电厂安全、经济运行水平。

热工自动化是火电厂不可缺少的组成部分，而热工自动化的水平又是现代火力发电技术和管理水平的综合体现。这主要有两个因素推动，一个是DCS，另一个是协调控制系统。DCS在电厂的普及应用，为火电厂热工自动化技术的发展奠定了基础。而协调控制系统在单元机组普遍投入，使火电厂热工自动化达到前所未有的新高度。目前广泛采用以微机为核心的DCS，其可靠性很高，可依赖性强，可以充分发挥自动化的功能，并取得了很好的安全和经济效益。在热工自动化系统采用开放的工业计算机系统和远程智能I/O，有利于减少信号电缆，降低造价；应用先进的控制策略、专家系统、可充分发掘DCS的潜力，解决一些老大难问题，进一步提高电厂安全与经济运行。

由于火电机组越来越大，对机组热工自动控制系统控制品质的要求也随之提高。为了保证单元机组的正常运行以及高度的安全性、经济性，对单元机组的自动化水平提出了更高的要求。由于单元机组存在着大迟延、大惯性和严重的非线性及扰动频繁等特点，传统的控制方法已经不能满足电网对机组的要求，用先进的智能化控制策略取代常规控制策略成为火电厂过程控制发展的趋势。目前，由于现有的给水加药控制系统运行不稳定，加药方式多采用手动间歇控制或是采用传统PID算法的自动控制，工作费时费力，控制精度又不高。为提高系统的自动化水平有必要研究新型的控制系统和控制策略，提高加药控制系统的准确性、快速性和鲁棒性。

1.2国内外研究现状及趋势

近年来，美国等发达国家对火电厂水汽监控方面做了大量研究，提出最佳的化学监控管理方案仍然是核心问题。自动化先进的发达国家拥有先进的设备和控制技术，其电厂监控自动化水平已经很高，但相对于快速发展的电力系统的要求来说，仍还有不足。

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在我国大容量机组的发电厂热工系统发展迅速，而电气系统的整体控制水平则进展较慢，造成整个机组监控不协调，且在监控、管理技术上与国外水平有较大的差距。现场总线技术的发展和发电厂设备微机化程度的提高，为以数字通信方式建立电气监控管理系统提供了技术上的保证。发电厂电气监控管理系统是进一步提高电厂自动化水平，特别是电气运行管理水平的必然趋势，采用电气监控管理系统新建或改造发电厂DCS系统将节省可观的投资。而且，目前我国发电厂在控制上往往采用简单的PID控制，这也使控制能力大大降低。

自九十年代以来DCS系统在我国开始推广且不断走向成熟，为我国电厂自动化水平的提高做出了很大的贡献，同时也不断暴露出它的许多不足之处。以太网由于其开放性好，应用广泛以及价格低廉等特点，被工业控制系统都是采用以太网来统一管理层通信，而且各种现场总线也大多开发出以太网接口，因此可以说以太网已经成为工业控制领域的主要通信标准。现场总线控制系统(FCS)由于其彻底的开放性、分散性和完全互可操作性等特点，工业控制大量采用它做现场控制。总线技术和以太网通讯技术作为电厂DCS系统的补充，再加上先进的控制技术，将大大提高电厂控制自动化水平。

对照国内外研究的情况，不难看出加药系统未来的发展方向： (1)进一步加强环境保护意识，真正确立“绿色”无公害的加药系统。 (2)消灭化学原因的炉管漏爆事故，消灭汽轮机低压叶片、叶轮的腐蚀与积盐，取消锅炉化学清洗。

(3)从配药到加药全面实现自动控制，真正实现全自动无人值班。 (4)针对系统时滞的特点运用智能控制理论分析并建立智能控制系统。 (5)充分挖掘加药系统的潜力，使加药系统的功能向灵活化、多元化发展，实现监测与控制的一体化、网络化和智能化。

1.3本文的主要研究内容

通过工作实践和调研，并阅读了大量的资料文献，了解到目前我国热电厂水汽采样和化学加药控制系统存在着诸多问题，针对这些问题本文从硬件控制结构和控制算法两个方面提出了解决方案。

系统分为上、下位机两部分。

上位机部分采用工控机和组态软件进行监控，这部分要对计算机系统进行配置，编辑人机界面。友好的人机界面应能实现以下功能：实时显示现场信息；随时的历史数据库查询；定时打印和报警专家系统。计算机、组态软件和工业以太网作DCS的子站的管理层。

下位机选用西门子S7-400H的热备冗余系统，通过工业以太网与上位机和电厂的DCS通信，用Profibus 总线扩展三个远方从站，控制现场的数据的采集和化学加药。

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同时还要研究现场信号采集和传输、DCS中现场总线的通信问题和冗余系统的容错问题。

针对化学加药系统的大时滞的特点，本文将模糊自适应PID控制应用于化学加药系统，代替手动加药系统和传统的PID控制，由于目前的各种先进的控制理论在电厂的化学加药系统中应用都处在研究阶段，本文将给出其仿真曲线说明其可行性。

因此，本论文研究的是一种利用总线系统做现场控制，以以太网系统做监控管理，结合DCS系统再加上先进的模糊控制技术，由现场控制层、监控层和企业管理层组成的先进完整的电厂水质监控管理系统。

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第二章 电厂水汽监控系统介绍

2.1电厂DCS系统介绍

2.1.1DCS系统简介

DCS是分散控制系统(Distributed Control System)的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。

2.1.2电厂控制级功能简介：

厂级管理工作站的功能：管理全厂的运行自动化。即全厂经济管理(EDC)；自动发电控制(AGC)；自动电压控制(AVC)；事故分析及事故处理；历史数据保存及检索管理；系统授权管理；运行报表打印等。

操作员工作站 操作员工作站是全厂集中监视和控制的中心及人机接口，用来实现热电厂的实时图形显示、各种事件的发布、各种报表显示、报警和复归的显示、系统自诊断信息的显示、设备的实时控制操作和调节、系统配置等各种操作处理。操作员工作站还作为厂级管理工作站部分功能的备用。

工程师工作站 工程师站除具有程序开发、调试以及培训仿真等功能外，并兼有操作员工作站的全部功能，还作为操作员工作站的冷备用。

通讯处理站的 通信处理机站是电厂监控系统与其他系统的输入/输出接口 ，可与广域网连接，仅允许电厂计算机监控系统向生产管理系统单向传输数据和信息，通信介质为屏蔽电缆。

电话语音报警处理站 电话语音报警处理站主要负责语音、电话报警。 打印处理站 处理电厂控制级的文件打印任务。

2.2火电厂水汽系统

在火电厂的热力系统中，水和蒸汽作为工作介质完成能量的传递与转换。水在火力发电过程中主要有两个循环系统:一是热力循环系统；二是冷却循环系统。在热力

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循环系统中水在锅炉中吸收燃料燃烧产生的热能，变成高温高压蒸汽，蒸汽被传送到绝热汽轮机中，同时冷却循环水将汽轮机输出部分冷却，这样就形成了很大的压力差，蒸汽膨胀做功，推动汽轮机转动，将热能转换成机械能，带动发电机，将机械能转换为电能。做过功的低温低压蒸汽在凝汽器中冷凝为水，再与锅炉补充水一起重新送回锅炉。

国产600MW超临界锅炉的典型水汽流程是：

给水－省煤气－螺旋水冷壁－垂直水冷壁－汽水分离器－顶棚和包覆过热器－低温过热器－屏式过热器－高温过热器－集器联箱。

水汽采样流程图如图2-1所示:

图2-1 大型机组的水汽循环系统

水汽采样控制系统工艺如下：

首先在取样点来的样水进入高温高压架，高温高压的样水经过冷却装置冷却进入取样架，取样架上温度巡检仪实时监测样水的温度，样水经过人工取样架到达人工取样盘（这里有恒温装置，保证样水检测时各参数稳定），传感器测试产生的4-20mA的标准信号传递给现场仪表显示数据，并将信号传递给数据采集模块。下位机通过管理网络将数据传送给上位机监控系统和电厂的DCS系统。采样完毕，将废液从排污口排放出去。

热电厂水汽采样的功能与作用如下表2-1所示：

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表2-1大型机组的水汽系统化学监测点的设置

采样点部位 凝汽器热井

测定参数 阳离子电导

电导率或钠、二氧化硅

凝结水泵出口

溶氧 pH值

凝结水处理设备

出口 除氧器入口 除氧器出口 省煤器入口 (高压加热器出

口)

电导率、钠、二氧化硅pH值

电导率、pH值和溶氧 溶氧

电导率、pH值、钠、二氧化硅、联氨

电导率、钠

汽包下部 (炉水)

二氧化硅 pH值和磷酸根 电导率、钠、二氧化硅 电导率、钠、二氧化硅 电导率、钠、二氧化硅、pH

电导率 pH值

电导率或钠、二氧化硅

主要作用 监测凝汽器泄漏

监测凝汽器泄漏，监测水质 监测热井氧气装置的运行和空气泄漏情况

监测为降低凝汽器腐蚀而添加的氨或其它碱性添加剂的量

监视凝结水处理设备运行工况和出水水质

监测水质以及监测空气漏入凝结水

监测除氧器的运行

监测给水水质和加氨量，间接指示转移到给水中的腐蚀产物

监测炉水品质，决定排污 保证蒸汽品质

控制炉水pH值，防腐蚀、硅酸盐水解及劣化蒸汽品质，监控加药量

汽包上部 主蒸汽管 低压加热器疏水

出口 发电机内冷水 循环冷却水 除盐水箱出口

本系统的取样点及监测项目有：

凝结水泵出口：阳电导率表、溶氧表、PH表、比电导率表、钠表 除氧器入口：PH表、阳电导率表、比电导率表、溶氧表 除氧器出口： 溶氧表

省煤器入口： PH表、阳电导率表、硅表、比电导率表、溶氧表 过热蒸汽(左、右侧)：阳电导率表、比电导率表、硅表、钠表、PH表 分离器贮水箱出口： 阳电导率表 再热蒸汽(左、右侧)：阳电导率表 疏水泵出口：阳电导率表 高压加热器疏水：比电导率表

监督杂质携带和炉水起泡情况 监督蒸汽品质，指示锅炉腐蚀速度

监测水质 监测水质污染 监督硫酸或盐酸添加量 监测水质污染

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闭式除盐水：PH表、比电导率表 发电机内冷水：PH表、比电导率表 凝汽器补充水：比电导率表

2.3化学加药系统原理

化学水处理是发电厂的重要环节，只有对水进行适当的净化处理和严格的监督汽水质量，才能防止造成热力设备的结垢、腐蚀，避免爆管事故；才能防止过热器和汽轮机的积盐，而这些问题必须通过对给水进行加药来解决。

化学加药的方法很多，加不同的药剂用不同的控制方法，常见的有双泵单控和三泵双控，三泵双控控制比较复杂但是控制效果好，下面以三泵双控的控制方法为例介绍加药的工作原理。原理图如图2-2所示。

母管阀阀阀泵1阀泵2阀阀泵3阀阀监测器阀监测器母管阀阀阀计量箱阀阀阀排废阀计量箱控制箱变频 图2-2 加药系统原理图

加药工艺：

加药的过程是，先从溶液罐中取出药液加到计量箱中，同时向计量箱中加入水，并且不断搅拌使其均匀（当液位超过高低限位时报警）。混合药液中由传感器检测其药液浓度，并以此为条件控制加药液和加水的比例。配好的药液经过阀门和计量泵打到需要加药的部位。计量泵两用一备，通常中间的作为备用，当有泵出现故障时，中

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间泵自动切入工作。加药过程分手动和自动两种控制方法，手动加药需要人为控制加药的泵和阀门；而自动加药则不同，经采集系统采集上来的数据，由控制单元对其进行处理，结果反映采样点的各种物质的含量情况，并以此作为一个加药控制信号，另一个控制信号是凝结水流量计给出的4-20mA信号，两个信号与加药泵连锁控制，实现自动加药。

本系统加药项目有：

氨液加药装置单元系统自动运行并具备就地手动控制功能。给水流量计和省煤器入口比导电度表产生的4～20 mA信号，作为控制给水加氨系统的控制信号；

给水及凝结水联氨加药系统自动运行并具备就地手动控制功能。由凝结水处理装置出口母管氧表(安装于汽水取样架)或凝结水流量表送出4～20mA模拟信号与加氨泵联锁实现。

给水及凝结水加氧系统自动运行并具备就地手动控制功能。给水和凝结水流量计及给水和凝结水的氧含量表产生的4～20mA作为加氧系统的控制信号。闭式冷却水加药系统手动运行,空气预热器清洗加碱系统手动运行。

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第三章 系统设计原理及功能

3.1上位机系统设计

本设计的系统运行操作和监视全部在上位机实现。在上位机LCD上不仅能显示泵、阀门等系统设备的运行状态、过程参数、报警等，还可以进行各运行方式的选择和切换，进行自动程控操作，同时还具有模拟量参数显示、棒状图显示、声光报警、打印制表等功能。

3.1.1上位机硬件

工控机：与其他类型的计算机监控系统的主计算机相比较，它构成简单、开放性好、可靠性高、环境适应能力强。由于工控机自身的这些特点，在过程监控、数据采集中得到了广泛应用。本套系统就地上位机硬件构成如下：

上位机选用工控机（日本CONTEC）： CPU： P4/2.4G 硬盘：160G 内存：512M 显卡：独立

网卡：10/100M自适应网卡 光驱：DVD ROM

显示器选用LCD（韩国三星） 21英寸；打印机选用HP A3 黑白激光打印机。

3.1.2软件设计

软件设计包括：界面编辑，工业组态，数据库设计三部分。

控制系统采用正版Wonderware公司InTouch V9.5软件包进行监控组态，以满足全厂辅控网的要求。Wonderware 公司的InTouch HMI软件，可用于可视化和工业过程控制，它提供了无比的易用性和易于配置的图形。同以往的版本相比，9.5版本功能显著的增强，可以大大地提高运行和工作的效率。通过使用其强大的向导和新的Wonderware智能符号使用户可以快速创建并部署客户化的应用程序，连接并传递实时信息。InTouch应用灵活，可以确保 InTouch 应用程序满足客户目前的需求，并可根据将来的需求进。行扩展，同时还能保留原来的工程投资和成果。InTouch软件对系统的硬件要求为：最低：P3-400MHZ/ 256MB RAM/ 2G 可用硬盘空间；推荐：1.2GP3或更高主频，512内存。对操作系统的要求是： Win2000SP3/WinXP SP1

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上位机界面由多个画面组成，分别实现不同功能。主要分以下几部分。系统设置，工矿流程图，加药系统图，报表，曲线和报警等。下面介绍几个主要画面的功能。

1、 系统设置

在系统配置选项下有注销、系统登陆、密码修改等功能。

点击“系统设置”选项，出现下拉菜单如图3－1所示：即可点出各画面。

图3－1 系统设置菜单

工控机启动时自动进入组态运行画面，如果没有登陆操作人员不可以更改参数和随意退出，系统设有不同的使用权限，只有上级权限允许后，下级操作员才可以登陆。

在系统配置中还有“原始参数设置”和“报警设置”选项，由于下位机传

送上来的数据是连续的机器数，不能直观的反映测量的参数是工作状态，所以要设定变量的原始值，如图3－2，将其转换成标准的信号（一般为0-5V或4-20mA）。工程值为监测仪表的仪表量程，工作人员可以直观查看各测试点仪表显示情况。参数设置完成后要设置各变量的报警限。报警限要根据工艺要求进行设置，其数量级为工程值。

原始参数设置和报警设置通常是在程序开发建立历史数据库时配置的，运行时就不能随时改变参数的设置，要想改变参数，需要停止程序的运行重新进入开发状态。设计在线参数设置可以使参数修改方便简洁，可以在系统运行时即可设置参数，有修改权限要求，必须是专业管理者。

图3－2原始参数设置画面

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报警查询画面可以显示报警的时间、变量和报警的性质。如图3-3所示，既可以实时显示报警情况也可以查询历史记录。报警查询有助于查找故障发生点和分析故障发生原因，总结故障易发生处，做好防范工作。

图3-3报警查询画面

本系统还有实时曲线和历史曲线画面，实时曲线实时地显示变量值的变化情况，历史曲线可以查询不同时间的参数轨迹。可以随时查询曲线，设置显示的时间范围和数值的分辨率，分析各参数工作情况。并可以定时或手动打印曲线。

图3-4 实时曲线

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在线数据分实时显示报表和历史报表查询，实时显示报表可以实时显示现场采集的工作参数，并显示各参数是否工作在指标范围内，历史报表查询可以查询任意时刻的历史数据，还具有定时和手动打印报表的功能。

图3-5 实时曲线

在系统运行时应注意以下几个方面：

(1) 为了确保数据传输的正常进行，维护人员应尽量保证工控机的开机率，如发生故障，应尽量避免人为的关机和复位。

(2) 历史数据丢失

出现这种故障一般是由于操作员不小心更改了主机的系统时钟导致。 (3) 历史数据不记录

磁盘空间满，历史数据停止记录。当用户清理磁盘后，重新启动数据采集系统，此时历史数据开始记录。

(4) 实时数据不刷新

由于采集器死机，关闭采集器电源，重新启动即可。

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3.2下位机PLC控制系统设计

3.2.1下位机控制系统硬件配置

从性价比和技术成熟的角度考虑，本文设计下位机控制系统可编程序控制器（PLC）所有硬件选用SIEMENS公司标准产品。控制系统采用PLC加就地上位机并接入电厂辅控网的分级控制结构方式。两台机组取样系统和两台机组加药系统采用一套冗余的PLC。可在就地控制室内通过上位机对加药取样系统进行监控，同时也可在集中控制室内通过电厂辅控网操作员站对该系统进行监控。该控制系统上位机和PLC之间通过以太网接口进行通讯。PLC通过I/O模件对现场设备进行控制。

S7-400自动化系统采用模块化设计。它所具有的模板的扩展和配置功能使其能够按照每个不同的需求灵活组合。一个系统包括：电源模板，中央处理单元（CPU），各种信号模板（SM）、通讯模板（CP）、功能模板（FM）、接口模板(IM)。

SIMATIC S7-400最多有21个扩展单元（EU）都可以连接到中央控制器（CC），扩展方式主要有以下几种：通过接口模板连接（IM）；集中式扩展；用EU进行分布式扩展；用ET 200进行远程扩展。主要功能有：高速指令处理 、用户友好的参数设置、口令保护、系统功能、控制方式及硬件配置。

图3-6 西门子硬件图

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同时为了增强系统的抗干扰能力，保护PLC系统硬件。所有模拟量和开关量的I/O模件装有隔离装置，通道之间提供1500V以上的有效隔离值。为了提高系统的运行速度，应该设置足够容量的存储器，本套装置存储器有40％的备用量。另外所有通信线，信号线和电源和PLC模块均接地线，这样既提高了保护作用又增加了抗干扰能力。保证PLC系统能在高的电气噪声，无线电波干扰和振动环境下连续运行。并所有在可编程控制器系统中的硬件能够在环境温度－20～＋60℃，相对湿度为5～95％（不结露）的范围内连续运行。

3.2.2硬件系统的冗余设计

一、冗余系统设计

所有设备都采用冗余结构是不必要也是不经济的，为了提高系统的可靠性，集散控制系统在重要设备及对全系统有影响的公共设备上常采用冗余结构。冗余结构常采用同步运转、待机运转、后退运转及多级操作等冗余方式。

使用高可靠性的可编程控制器的目的是为了减少生产损失，不管是故障带来的损失还是维修工作引起的损失，停工的成本越高越需要容错系统。系统的高投入会很快被避免的生产损失所补偿。

西门子PCS7冗余系统分软冗余和硬冗余，软冗余和硬冗余所要求的软件和硬件类型都不同，性能也不相同。

从实现的方式上对比：

1）软冗余是通过软件实现，也就是是西门子的SWR软件包；硬冗余，则是使用CPU417H；414H；412H来实现，对于PLC本身的操作系统及硬件设置上均不同，硬冗余的同步机理为事件同步。

2）硬冗余的两个热备系统必须使用相同的PLC；软冗余的两个暖被系统可以使用不同的PLC。

3）硬冗余的同步链路采用同步模块和光纤，有长距，短距两种；软冗余则使用MPI，DP（CP343-5,CP443-5）和IE（CP343－1，CP443－1），程序内部调用的是xsend/xrcv、AGsend/rcv以及Bsend/rcv。

从性能上来对比：

1）冗余的层级：软冗余无法进行IO冗余；IO冗余仅能在硬冗余里实现。此外，Y－link仅能在硬冗余中实现。

2）系统切换的时间：硬冗余PLC无切换时间，因为程序同时在两个CPU里运行，硬冗余里成为主动切换；被动切换，也就是从站切换的时间<100ms；

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对于软冗余，冗余程序仅在主CPU内执行，备用CPU仅执行非冗余段程序，切换时为整个系统的切换。切换时间取决于同步链路的类型，速率和同步数据量的大小，DP从站的多少，多为秒级。切换时，软冗余系统中DP从站的接口模板或DP链路故障均会造成主备CPU的切换，而引起整个系统的切换；而在硬冗余中，从站的故障不会造成主备CPU的切换。

3）信息的丢失：CPU间的切换可能导致部分信息，如报警信息的丢失，因为报警在当前激活的主CPU中进行处理。所以，软冗余系统中会存在信息的丢失；而硬冗余系统中，由于CPU间为事件同步的方式，且切换无时间，保证了信息不会丢失，也就是硬冗余中所说的平滑切换。

从上面的分析可知，西门子硬冗余与软冗余相比，硬冗余的操作更方便，功能更强大，所以本套系统采用西门子硬冗余组件。

S7-400 H是典型的西门子PCS7硬冗余。硬冗余软件要求: 1套STEP7编程软件（V5.2或更高），硬件要求：S7-400 H系列的CPU。相对于软冗余，硬件冗余系统切换速度快，主备CPU中的数据和事件保证完全一致，适于高可靠性应用场合，成本较高。本套系统采用硬冗余结构。根据本系统系统的要求，系统有以太网冗余、电源冗余、CPU冗余，总线冗余， 而I/O单元使用单通道切换式I/O，故硬件冗余系统所需器件如下:

1个安装机架UR2-H 2个电源模板PS 407 10A

2个容错 CPU CPU 414-4H 和 CPU 417-4H 4个同步化子模板 2根光缆 2个以太网模块

一个ET 200M 分布式I/O 设备的底板总线上插有2个IM 153-2

必备的附件如PROFIBUS 屏蔽电缆等。本文设计的冗余系统原理图如图3-7所示。

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打印机操作员站操作员站打印机交换机2交换机1工业以太网443-1光纤 443-1SP0CPU0(S7-414H)SP1CPU1(S7-414H)PROFIBUS-DPPROFIBUS-DPET2000MI/O远程I/OI/OI/OET2000MI/O远程I/OI/OI/O

图3-7 冗余系统图

S7-400 H冗余的开发分为硬件安装、配置硬件、系统参数设置三个步骤。 1、硬件安装步骤如下：

1）首先要设置机架号，通过同步子模板上的开关设置CPU通电后此机架号生效。 将同步子模板插到CPU板中。

2）连接同步光缆，将两个位于上部的或位于下部同的同步子模板相连，在打开电源或启动系统之前要确保CPU的同步光缆已经连接。同步光纤的连接如图3－8所示：

图3-8 S7-400H 同步光纤的连接

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2、配置硬件即为硬件组态；硬件组态包括添加UR2 H机架配置电源和CPU，并设定CPU上PROFIBUS DP主站的地址，添加同步子模板到IF1和IF2槽位上，添加以太网网卡并配置MAC网络地址。设置主CPU,如图所示：

图3-9 S7-400H的硬件配置图

3、系统参数设置

对于中央处理器单元只需对CPU0（机架0上的CPU）设定CPU参数，所设定的数值将自动分配给CPU1（机架1 上的CPU）。参数设置包括：设置CPU循环处理参数；设置诊断缓冲区中的报文数量；模块的监控时间； CPU自检周期。

二、冗余系统工作原理

在冗余系统进行工作时，两套控制系统（处理器、通讯、I/O）独立运行，先起动的系统为主系统，后起动的系统是备用系统。 主控PLC和备用PLC之间自动同步实时数据，由主系统的PLC掌握对ET200M从站中的I/O控制权。当主控PLC发生故障时，自动将数据流程序逻辑切换到冗余的PLC。将所用故障信息记录到备用PLC。这种实时更新以扫描周期为基准，在每个扫描周期后，主控PLC会向备用PLC发送一下信息。这时，备用PLC系统为主，原来的主系统为备用，这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和IM153接口模块的整体切换。当主控PLC从故障中恢复后，自动解决PLC间的状态冲突。系统运行过程中，即使没有任何组件出错，操作人员也可以通过设定控制字，实现手动的主备系统切换，这种手动切换过程，对于控制系统的软硬件调整，更换，扩容非常有用。

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容错系统的系统组成与运行模式如图3-10所示。

CPU0上电CPU1上电主CPU热备CPU系统模式停止启动停止启动停止停止单一模式正在链接更新冗余模式运行运行运行运行停止STARTUP/LINK-UPUPDATE运行 图3-10 容错系统的系统组成与运行模式

电源给电时，两个CPU （CPU0和CPU1）都处在STOP模式

CPU0变为STARTUP模式，并且根据启动时的不同情况处理OB100或OB102 （PLC内存中用于存储通讯状态标志的数据块）

启动成功，主CPU （CPU0）变成单一模式（仅主CPU处理在主CPU内的用户程序）。 热备CPU（CPU1）请求LINK-UP（链接），主、热备CPU之间相互比较它们各自的用户程序。如果存在差异，用主CPU更新热备CPU的用户程序。

链接成功后开始更新工作。在当前情况下，主CPU更新热备CPU的动态数据（动态数据指输入数据、输出数据、计时器数据、计数器数据、存储器标志和数据块数据）。在完成更新任务后，两个CPU存储器中的内容相同。

主、热备CPU完成更新工作后变为RUN运行模式，两个CPU同步地处理用户程序。例外:当为配置、程序修改而切换主、热备CPU时除外。只有当两个CPU是同期发布的产品并具有相同的固件版本时，才能组成冗余系统模式。

主从系统切换时间的计算：

主备系统的切换时间 = 故障诊断检测时间 + 同步数据传输时间 + DP从站切换时间。

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第四章 化学加药控制理论研究

4.1加药系统控制对象数学模型的建立

4.1.1 控制对象选择

根据工艺要求本套系统需要在热工系统的几个不同的部位加注相关药液，根据控制工艺的不同可分别采用手动和自动加药。我们以一种加药的控制为例来研究先进的控制理论实施。其它加药可以仿照。

在大容量发电机组的热电厂中，由于给水的原因，造成了热力系统的腐蚀及结垢等问题日益突出。而真正对锅炉起腐蚀作用的是CO2和O2，所以为了保证热力系统的经济安全运行，必须除去水中的CO2和O2，以防止热力系统的结垢和腐蚀所带来的不良影响。

给水加氨的目的是为了提高凝结水或给水的PH值，由于PH值过低会引起金属的酸性腐蚀，PH值过高会引起金属的碱性腐蚀，而且还会引起铜合金材料的氧化腐蚀，直接影响机组的正常运行；加联氨的作用是用联氨化学反应除去给水的CO2和O2，以防止热力系统结垢。所以本文以就给水加氨为例，研究先进的加药控制方法。

4.1.2 控制对象特性分析

电厂化学加药系统的控制对象具有一个大滞后、非线性、时变特性。导致滞后的原因很多，主要分以下几种滞后：采样时间的滞后、分析处理时间滞后，执行加药时间滞后、和反馈时间滞后。

第一，采样时间的滞后 样水从高温高压架和人工取样架再到取样盘要经过管道的传输和降温降压过程，信号从传感器、仪表和采集模块最后到达主站和上位机都要经历一定时间的滞后。

第二，分析处理时间滞后 信号采集到微处理器后要进行处理工作，CPU单元同时还要I/O扫描及与其它系统通信等。只有一个工作周期结束时才会把处理的结果传送到输出端。

第三，执行加药时间滞后 控制信号要经过总线传送到执行器件，执行期间如电机变频器的起动和转速调节，继电器、接触器的吸合等都需要一定的时间。

第四，反馈时间滞后 一次加药结束后，要经过一定时间化学反映稳定后，才可以把结果反馈回去，同样具有很大的时滞性。

在加药控制过程中系统模型的参数是一个变数而非常数。如药液浓度发生变化，对象特征也随着变化；系统的负荷发生变化时，会引起给水流量发生变化，使得控制对象模型也将相应地改变。一次成功的加药循环需要几分或是十几分钟，可见存在严重滞后。

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4.1.3 建立控制模型

热工对象动态特性的特点

（1）热工设备作为一个调节对象，它必须是一个不振荡环节。

（2）一般用解析的方法很难得到动态特性的精确表达式，常用阶跃响应曲线（飞升曲线）来获得对象的动态特性。

（3）一般是多输入对象，施加的扰动不同，飞升曲线也不同。因此，一般需做最主要的扰动即内部扰动下的动态特性。

（4）典型的热工对象的飞升曲线有两种：一是有自平衡能力的对象，二是无有自平衡能力的对象。

根据电厂化学加药的特点选用有自平衡能力的控制对象模型。 建立热工过程属性模型有两种方法：

机理法建模：根据生产过程中实际发生的变化过程，写出各种有关的平衡方程。如能量平衡方程，热平衡方程??

测试法建模：只用于建立输入输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。它的主要特点是把被研究的对象视为黑匣子，完全从外部特性上测试和描述它的动态特性，不需要深入掌握其内部机理。

本文选用测试法建模，其具体步骤分为：一选定模型的结构；二确定传递函数参数。

1. 选定模型的结构，对于自平衡对象，一般选三种形式：

（1）一阶惯性环节加纯延迟

ke??sH(s)? （4-1）

Ts?1（2）二阶或n阶惯性环节加纯延迟

ke??s （4-2） H(s)?(T1s?1)(T2s?1)H(s)?k(Ts?1)n （4-3）

（3）用有理分式表示的传递函数

b1sm?b2sm?1???bm?1G(s)? （4-4）

nn?1a1s?a2s???an?1

2.确定传递函数参数的方法有两种：一作图法；二两点法

一阶惯性环节加纯延迟模型可采用作图法求得各参数。如图4-1所示。 本文采用两点法来确定传递函数的参数，根据上一节对整个加药过程的特性分析，我们选用（4-2）函数式为控制模型，并求其参数K、τ、T1、T2。

根据阶跃响应曲线脱离起始的毫无反应的阶段，开始出现变化的时刻，就可以确定参数τ。下面的问题就是确定已截去纯迟延部分传递函数的参数T1、T2。

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ke??s， ?T1?T2? （4-5） H(s)?(T1s?1)(T2s?1)令

y?(t)?y(t) （4-6） y(?)tT1tT2这样就把y(t)转换成无量纲形式。与式(4-5)对应的阶跃响应为：

Ty?(t)?1?1eT2??T2eT2?T1? (4-7)

根据式（4－7），就可以利用阶跃响应曲线上的两个点的数据[t1, y*(t1)]和[t2, y*(t2)]确定参数T1和T2。习惯上分别取y*(t)分别等于0.4和0.8，这样就可以从曲线上定出t1和t2，从而得出联立方程：

t1T1t1T2T1eT1?T2T1eT1?T2

??T1T1?T2e??0.6 （5-8）

?t2T1?T1T1?T2e?t2T2?0.2 （5-9）

方程（5－8）（5-9）的近似解为：

T1?T2?1(t1?t2) （5-10） 2.16t?(1.741?0.55) 5-11）

t2(T1?T2)2根据加氨的工艺要求和现场实际调试，对于一次投入氨液到系统稳定进行测试，经过多次测量结果对水汽中PH值的调节过程绘制出理想曲线。

为了提高计算精度，我们采用3点差值型数值微分公式计算各点的斜率，并通过Matlab数值分析软件进行计算，从而得出了斜率最大值。3点差值型数值微分公式如式5-12所示。

T1T2y（0）?。。?3y(0)?4y(1)?y(2)2h?y(0)?y(2)2h （4-12）

y（１）?y（i）?i?2

。y(i?2)?4y(i?1)?3y(i)2h其中，h为采样周期，y(i)为第i个采样点处系统的输出，y(i)为第i个采样点处曲线的斜率。描绘曲线如图4-1所示。

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图4-1 加氨PH值变化过程图

由图可知τ=100s其中K的求取公式为：K=y（∞）/x0。

求出K=1.2，将t1?130s，t2?350s 代入式（4-10），（4-11）得

T1?197, T2?24

t对于（4-2）（4-2）表示的二阶对象，有1?0.38

t2t对照表4-1本系统符合二阶特性，如果1?0.46,则说明该阶跃响应需要更高阶

t2的传递函数才能拟合得更好。

将上面计算结果带入式（4-2）得控制对象模型为：

H(s)?

1.2e100s4728s?221s?12

4.2 加药模糊控制器的建立

目前,随着过程控制要求及自动控制技术的提高,大多数火电厂都要求对锅炉给水氨、联胺的加药实现全自动控制。根据加氨点的不同,可以大致将加氨分为三类: ①凝结水加氨; ②给水加氨; ③补给水加氨。凝结水加氨点一般在凝结水泵出口的凝结水母管上，给水加氨点一般在除氧器入口母管，补给水加氨点一般在补给水泵出口处。

本套工程设计要求给水及凝结水加氨。图5-2为锅炉给水加药热力系统结构简图，图中凝结水经混床、n级凝结泵后在加药泵出口处(加药点)与氨水进行充分混合，而后经第一测量点;此凝结水经低加到除氧器，除氧器出口再次加入氨水，后到达第二

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测量点，此测量点处的凝结水再经高加后，即可作为最终的锅炉给水。

补给水低加凝结水加药点给水加药点第二测试点高加第一测试点Ⅱ凝结泵混床锅炉给水凝结水

图4-2 加药系统工艺流程图

给水加氨的控制最终目标参数一般以省煤器入口pH 值为对象,加氨部位是凝结水处理装置的出水母管及除氧器下降管中，目的是维持给水pH值在合适的范围内以防止系统腐蚀,如果直接以省煤器入口pH 值作为控制参数,由于滞后原因使系统很难达到理想的控制效果,所以一般都以凝结水pH 值或给水pH值作为控制参数。另外给水流量对加氨量有较大的影响，经过比例计算转换为加药的控制量。两控制参数分别取自凝结水流量计输出的4～20 mA 信号和省煤器入口比导电度表输出的信号。经系统处理后将控制信号，由PLC输出控制信号控制变频器，驱动隔膜计量泵达到自动控制加氨的目的。控制原理如图4－2所示：

本文设计首先运用模糊算法计算加药的控制量，具有模糊控制器的加药（氨）控制系统结构如图4-3：

ke省煤器入口PH目标值r-ed/dt~E~EC?ekecFuzzy模糊控制算法~ukuuFuzzy控制器除氧器入口pH 测量值传感器加药母管计量泵电机变频器

图4-3 具有模糊控制器的自动加药系统结构图

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模糊控制器的建立

(1) 确定模糊PID控制器的输入、输出变量

模糊控制器结构为两输入一输出结构，两个输入量分别是： E－PH误差 （E=省煤气入口PH-出氧器出口-PH） EC－PH误差变化率

输出量是： U 变频器的转速

表4－1 模糊控制器变量列表：

语言变量 E EC U

模糊论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1， 0， 1， 2， 3, 4, 5, 6} 确定了变量的基本论域和模糊集论域后，比例因子也就确定了。比例因子求取公式如下。

基本论域 [-3,+3]PH [-0.5,+0.5](PH/min)

[-100,+100] rpm

语言值集合

{ NB,NM ,NS,ZE,PS,PM,PB } { NB,NM ,NS,ZE,PS,PM,PB } { NB,NM ,NS,ZE,PS,PM,PB }

?e??ec??u?nemax?6?23n6??12 ecmax0.5nemax?6?0.0610024 1

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第五章 电厂化学加药模糊控制系统的设计与实现

5.1控制系统的原理与控制指标

5.1.1控制系统的原理

方案设计包括:自动加药和制动配药两个过程.系统图如图5-1所示。

图5－1自动加药系统图

自动配药部分：自动配药部分有一个液氨桶，液氨桶上装有氨水抽液泵。配药部分有两个氨溶液箱，药液的原料一部分来自液氨桶一部分来自除盐水管。每个氨溶液箱都装有搅拌器, 搅拌器定时搅拌使药液均匀。氨溶液箱中装有电导率表，系统实时采集溶液的浓度信号，控制加注氨液和水的比例。

自动加药部分: 配好的药液经球阀、过滤器、逆止阀到和计量泵。自动加药控制原理如图5-2。水汽采样部分在给水部分采集给水的PH值，将模拟量信号经PLC的采

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集模块上传工业计算机，经算法输出模拟量，控制变频器，进而调节电机的转速，带动加药泵在给水加药点加注药液。计量泵两用一备，通过电动阀门控制泵是否启用。

AI至IPC给水PH计测量池变频器氨给水取样管加药泵至给水AO电机

图5－2 自动加药原理图

5.1.2自动加药控制系统主要技术指标

配药浓度：氨水溶液1%

启动初期及凝结水处理系统不正常情况下给水pH： 正常运行时下给水pH：

9～9.6 8.0～9.0

除氧器出口水含氧量 (启动初期及凝结水处理系统不正常情况下)：≤7μg/l 给水联氨含量 (启动初期及凝结水处理系统不正常情况下)： 50-100μg/l

5.2硬件系统设计方案

1、给水自动加氨控制系统由上位机、PLC 控制器、变频器、测量仪表、控制器、打印机等组成,系统结构原理图如下图：

工控机冗余光纤以太网工控机打印机可编程控制器冗余PROFIBUS-DP总线可编程控制器模拟量输入模块数字量输入模块模拟量输出模块数字量输出模块PH值测量仪液位传感器给水流量电导率仪设备状态控制电压u电磁阀计量泵备用泵设备控制信号图5－3 自动加药系统结构图

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监控系统设计远程全自动程控操作、远方控制操作、就地盘柜硬操作三种控制方式,达到自动配药自动调节给水加药量,更好地控制给水品质的目的。同时系统在上位机和PLC的CPU单元采用冗余结构，来增强系统监控的安全可靠性。综合以上的设计和水汽采样和化学加药的功能要求，PLC的硬件系统配置如下表：

表5-1 PLC硬件配置表

400H主站 1 2 3 4 5 6 7 8 9 UR2-H RACK(热备基板) PS407 10A(冗余电源) BATTERY(电池) CPU 417-4H FEPROM 4M(存储卡) SYNC SUBMODULE(同步子模块) SYNC CABLE FO 1m(同步光纤) CP443-1(以太网模板) DP总线端子 6ES74002JA100AA0 6ES74070KR020AA0 6ES79710BA00 6ES74174HJ040AB0 6ES79521KM000AA0 6ES79601AA040XA0 6ES79601AA045AA0 6GK74431EX110XE0 6ES79720BA500XA0 1 2 4 2 2 4 2 2 2 分布式 I/O 1 2 3 热拔插导轨530MM S7-300，电源5A IM153-2接口模块 6ES71951GF300XA0 6ES73071EA000AA0 6ES71532AR020XA0 3 3 3 14 5 6 总线单元，可插两个40MM宽模块 S7-300， 32DI S7-300， 32DO 6ES71957HB000XA0 6ES73211BL000AA0 6ES73221BL000AA0 2 4 3 17 8 S7-300， 8AI S7-300， 4AO 6ES73317KF020AB0 6ES73325HD010AB0 2 5 19 10 11 DP总线端子 6ES79720BA500XA0 6 1 PROFIBUS 电缆(米) 27 1

S7-300，20针前连接器 6ES73921AJ000AA0 7 S7-300，40针前连接器 6ES73921AM000AA0 7 6XV18300EH10G 00

第7槽SM 331S75.3软件实现

3DP12345678910动加药主要的I/O接线图。

上位机组态画面的编辑:

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图5－4 I/O接线图

PLC，最后得出控制的输出量与下位机控制程序想结合，实现现场加药控制。

SM331模拟量输入模块、SM332模拟量输出模块主要控制自动加药，图5-4为自

的增量，再与设定值合成，得到优化的Kp、Ki、Kd值。经解模糊与参数计算，得

出该时刻所应该采用的PID控制参数。利用PID功能计算控制量，再将控制量传送到

上一章分析了控制算法的可行性，根据工程的实际情况和目前电厂化学加药的现

PLC再将数据传送到上位监控机中，经过量化后进行在线模糊推理得出PID控制参数

状，将参数自整定模糊PID运用于化学加药控制上，依靠计算机程序实现系统控制。

控制算法程序软件在上位机的组态软件里实现，现场传感器将检测来的参数送入PLC，

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混床出水总管电导率212223242526272829303132333435362DP-1276DP-17111213141516171819206DP-106DP-18第8槽S8母管PH值1MGPHZ+2MGPHZ-1号溶液箱液位3RYXYW1+4RYXYW1-2号溶液箱液位5RYXYW2+6RYXYW2-1号变频器频率7BPQ1PL+8BPQ1PL-2号变频器频率9BPQ2PL+10BPQ2PL-一级除盐水箱液位11+24V12GND13LT-01+14LT-01-二级除盐水箱液位15+24V16GND17LT-02+18LT-02-混床出水总管流量19FT-01+20FT-01-SM 331CT-01+CT-01-AI备用AIBY7+AIBY7-AIBY6+AIBY6-AIBY5+AIBY5-AIBY4+AIBY4-AIBY3+AIBY3-AIBY2+AIBY2-AIBY1+AIBY1-123456789101611121314151617181920 南京化工职业技术学院自动控制系毕业论文设计（论文）

图5-5 给水加氨系统监控画面

组态画面可以很好的反映加药装置的工作状态并可以在线控制加药的调整。如图5-5为给水加氨控制系统图。本系统采用三泵双控方式，系统图上可以显示两个配药罐和三个加药泵的工作情况。配药罐上有高、低、高高、低低液位显示还有连锁控制按钮。当液位超越上下限时声光报警。加药泵有输出频率显示和是否正常运行显示。在控制面板可以实现手、自动转换和远程、就地转换，同时可以控制加药泵的起停和PID参数的在线调整等。画面直观操作方便。

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控制算法在上位机上实现，其控制流程如图5-6所示：

入口清误差单元、误差变化单元取当前采样值求e、ec并保存e、ec模糊化模糊整定△Kp,△Ki,△Kd计算当前Kp,Ki,KdPID控制器输出控制量送下位机NY采样时间到返回

图5－6 上位机控制算法流程图

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自动加药的控在PLC中实现，其控制流程图如下

初始化启动加药程序选择自动Y变频器故障N选择1#、3#泵YN报警Y结束选择2#泵Y延迟5秒Y停用故障泵1#、3#泵运行延迟5秒1#或3#泵出现故障N接收上位机传送的模拟量Y2#泵运行2#泵故障输出变频控制量结束

图5－7 PLC自动加药程序流程图

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结 论

毕业设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。由于火电机组越来越大，对机组热工自动控制系统控制品质的要求也随之提高。为了保证单元机组的正常运行以及高度的安全性、经济性，对单元机组的自动化水平提出了更高的要求。由于单元机组存在着大迟延、大惯性和严重的非线性及扰动频繁等特点，传统的控制方法已经不能满足电网对机组的要求，用先进的智能化控制策略取代常规控制策略成为火电厂过程控制发展的趋势。水汽采集分析是电厂生产不可或缺的一部分，它决定着电厂发电系统能否正常运转，其意义对于电厂极为重要。通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。让我更加的深入了解了DCS系统以及自动化系统。为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7lrr.html