集散控制系统的设计

前言

计算机控制技术在通信、遥感、无损检测、智能仪器、工业自动控制等工程领域有着广泛的应用。在开发计算机控制系统时，程序设计是很多技术人员要面临的问题。在高校和科研院所，有众多的研究人员在使用各种计算机控制系统，他们都迫切需要相关的书籍来学习相关的编程技术。

组态软件是标准化、规模化、商品化的通用工控开发软件，只需进行标准功能模块的软件组态和简单的编程，就可以设计出标准化、专业化、通用性强、可靠性高的上位机人机界面工控程序，且工作量较小，开发调试周期短，对程序设计员要求低，因此，组态软件是性能优良的软件产品，成为开发上位机工控程序的主流开发工具。

近几年来，随着计算机软件技术的发展，组态软件技术的发展也非常迅速，可以说是到了令人目不暇接的地步，特别是图形界面技术、面向对象编程技术，组件技术的出现，使原来单调、呆板、操作麻烦的人机界面变得耳目一新，因此，除了一些小型的工控系统需要开发者自己编写应用程序，凡属于大中型的工控系统，最明智的办法应该是选择一个合格的组态软件。

然而，集散控制系统则是一个很好的选择。分布式集散控制系统是由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据集中管理和集中控制的自动控制系统。分布式集散控制系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性能的微处理机实施上一级的控制，各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息。分布式集散控制系统具有数据获取直接，数字控制人机交互以及监控和管理等功能。分布式集散控制系统是在计算机监督控制系统直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。在分布式集散控制系统中，按地区把微处理机安装在测量装置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性不会由于计算机的故障而使整个系统失去控制，当管理级发生故障时过程控制级控制回路仍具有独立控制能力，个别控制回路发生故障时也不致影响全局与计算机多级控制系统。相比，分布式控制系统在结构上更加灵活，布局更为合理和成本更低。因此，以后的发展用途将会更广泛。

一、锅炉概述

锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。它通过煤、油或天然气等燃料的燃烧释放出化学能，并通过传热过程把能量传递给水，使水转变成蒸汽，蒸汽直接供给工业生产中所需的热能，或通过蒸汽动力机械转换为机械能，或通过汽轮发电机转换为电能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效地转换为蒸汽的热能。因此，近代锅炉亦称作蒸汽发生器。

锅炉除了和所有动力机械产品一样，必须不断降低成本并提高效率和质量以外，由于锅炉本身的特性，它还具有以下特点。

①、可靠性要求高。锅炉一旦事故停炉，将使电厂临时对外供电，影响甚广，其直接、间接损失远远超过锅炉本身的价值。

②、综合性强。锅炉与汽轮机、发电机同为电厂三大主机，但锅炉除了一般性的产品内在矛盾外，还要能适应燃料性质，使整个电厂得到安全经济的运行，因而多了一个外在矛盾。此外，锅炉还和其他工业部门的发展有着十分密切的关系，如石油化工企业中的废热锅炉，蒸汽燃气联合动力装置中的压力燃烧锅炉及核反应堆工程中的蒸汽发生器等等。

③、金属耗量和体积大。以一台配30万千瓦机组的电站锅炉为例，金属耗量达四千多顿，体积达二万多立方米。

④、生产周期长。一台大容量锅炉从设计、制造、安装到投入运行，目前一般需时二到三年，今后即使采用设计新技术及制造安装新工艺，提高自动化水平，要想把上述全过程在更短时间内完成，还是比较困难的。

⑤、锅炉产品不能在制造厂内整装试运。除小容量工业锅炉外，不可能把锅炉在制造厂内全部组装好并投入试运行，这给鉴定和提高产品质量带来不少困难。

二、系统性能要求

2.1、蒸汽锅炉的主要技术指标及功能

1、保证锅炉汽包水位维持在巧一30nnIl范围内稳定运行。

2、保证锅炉实现经济燃烧,运行过程中不出现冒黑烟现象。

3、维持蒸汽压力在1.2一1.3Mpa,保证某集团的用汽需求,并且在运行过程中,炉

排调节平缓,防止炉链因突然加速而断裂。

4、应用软件应具有报警功能。

5、应用软件应具有报表功能

2.2、锅炉自动运行的主要任务

1、保持汽包水位在规定的范围内。

2、控制蒸汽压力的稳定。

3、控制炉膛负压在规定的范围内。

4、维持经济燃烧。

2.3、系统的模拟量输入点和模拟量输出点

模拟量输入点：（1）给水泵变频器输入；（2）鼓风机变频器输入；（3）引风机变频器输入；（4）炉前温度；（5）炉膛温度；（6）炉后温度；（7）主蒸汽温度；（8）省煤器出口水温；（9）给水流量；（10）蒸汽流量；（11）炉膛负压；（12）主蒸汽压力；（13）汽包水位；（14）给煤机转速；（15）炉排转速；（16）汽包压力。

模拟量输出点：（1）给水泵变频器输出；（2）鼓风机变频器输出；（3）引风机变频器输出；（4）给煤机转速输出；（5）炉排转速输出。

如图2所示：是各个输入量、输出量量程范围及通道

图2：输入输出变量表

三、组态设计分析

3.1、链条锅炉工艺简介

本次实验主要是设计工业链条锅炉DCS系统，链条锅炉是火床燃烧炉的一种,煤在水平运动的炉排上燃烧,空气经预热器从炉排下方自下而上引入。煤从煤斗落到炉排上,经过炉闸门时被刮成一定厚度后进入炉膛,煤在炉排上分段燃烧成渣,炉渣随着炉排的转动排出。炉膛中燃烧的煤所释放的热量,被炉膛周围的水壁吸收进而在汽包中达到汽水分离，高温高压蒸汽进入分汽缸通过换热站供用户。燃烧产生的烟气被引风机带动经过省煤器、空气预热器换热后再经过除尘排入大气。

如图3.1是链条锅炉的工艺流程图：

图3.1：链条锅炉的工艺流程图

如图3.1.1工业锅炉DCS系统硬件系统配置图：

3.2、组态工控系统的组建过程

（1）、工程项目系统分析

（2）、设计用户操作菜单

（3）、画面设计与编辑

（4）、编写程序进行调试

（5）、连接设备驱动程序

（6）、综合调试

3.3、工业锅炉的工作原理

锅炉通过燃煤燃烧释放热量，使水变成蒸汽，以供生产需要。该锅炉通过链条炉排把煤送入炉膛中燃烧，锅炉的蒸发受热面都在炉子内壁上，组成水冷壁，充分利用炉膛中的高温烟气辐射出的热量，使燃烧产物在进入以后的对流受热面时，可以达到必须的冷却，同时也起到了保护炉墙的作用。后墙水冷壁（在水平烟道前方）拉稀成数列凝渣管束。拉稀的作用是防止结渣，同时对其后方的过热器也起了保护的作用。

给水在除氧器被高温蒸汽除氧并加热，由给水管道将水送至省煤器，在其中被加热到某一温度后，进入锅筒，然后沿下降管下行至水冷壁进口集箱。水在水冷壁内吸收炉膛内的辐射热而形成汽水混合物上升到锅筒中，蒸汽经过汽水分离装置，由锅筒上部离开，流到过热器中。在过热器内，饱和蒸汽继续吸热成为过热蒸汽，然后经汽水分离器送往储气罐。煤经链条炉排，进而入炉膛，在炉膛燃烧放出大量的热量。燃烧后的热烟气上升，经过凝流管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经除尘装置清除其中的飞灰，最后才由风机送往烟囱排往大气。

如下图3.3就是工业锅炉的构成图：