基于组态软件的锅炉监控系统.docx

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基于组态软件的锅炉监控系统

基于组态软件的锅炉监控系统

摘要

本次设计以力控组态软件实时监控锅炉控制系统为背景，主要内容是熟悉北京三维力控科技公司的全中文工控组态软件ForceControl6.1设计锅炉温度监控系统，在提高仿真水平的同时，也对锅炉控制实物进行了学习。

本文首先说明了自己对锅炉的认识并对锅炉的控制系统做了简单的介绍，其中重点阐述了力控组态软件的仿真步骤,然后又对ADAM-5000/TCP锅炉集散控制系统和西门子S7-200PLC做了简单介绍。

本次毕业设计全是本组成员摸索而成，靠我们自己的能力完成。

介绍了为什么选择ForceControl6.1组态软件，如何绘制组态图和动画的连接，然后又对锅炉控制对象工艺流程做了说明，其中包括了锅炉液位流量控制，温度控制等系统原理等。

将组态软件和ADAM-5000/TCP锅炉集散控制系统或PLC连接来实现锅炉温度检测的步骤做了简单的说明。

关键词：

锅炉控制，ForceControl6.1，ADAM-5000/TCP，PLC

Boilermonitoringsystembasedonconfigurationsoftware

ABSTRACT

Thedesignofforcecontrolconfigurationsoftwarereal-timemonitoringofboilercontrolsystemasthebackground,themaincontentthatisfamiliarwithBeijingthree-dimensionalpower-controltechnologycompaniesinthewholeChineseindustrialcontrolconfigurationsoftwareForceControl6.1designofboilertemperaturecontrolsystem,inimprovingthesimulationlevelatthesame,alsoontheboilercontrolobjectofstudy.Thispaperfirstexplainshisownunderstandingofboilerandboilercontrolsystemarebrieflyintroducedinthepaper,whichfocusesonforcecontrolconfigurationsoftwareinthesimulationsteps,andthenontheADAM—5000/TCPboilerdistributedcontrolsystemandSiemensS7-200PLCwasbrieflyintroduced.Thisgraduationdesignisamemberofthisgrouptoexploreandbecome,onourownabilitytocomplete.DescribeswhychooseForceControl6.1configurationsoftware,howtodrawtheconfigurationgraphandanimationconnection,andthenontheboilercontrolobjectprocessesisdescribed,includingtheboilerliquidlevelcontrol,temperaturecontrolsystemprinciple.TheconfigurationsoftwareandADAM-5000/TCPboilerdistributedcontrolsystemorPLCconnectiontoachievetheboilertemperaturetestingstepstodoasimpleexplanation.

KEYWORDS:

boilercontrol,ForceControl6.1ADAM-5000/TCP,PLC

目　录

前　言

随着我国工业的发展，组态软件是实现人机界面的好途径。

我国有三维力控、组态王、通用组态等。

力控监控组态软件是北京三维力控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，总结多年的开发、实践经验和大量的用户需求而设计开发的高端产品，是三维力控全体研发工程师集体智慧的结晶，该产品主要定位于国内高端自动化市场及应用，是企业信息化的有力数据处理平台。

力控组态软件在秉承力控早期产品成熟技术的基础上，对历史数据库、人机界面、I/O驱动调度等主要核心部分进行了大幅提升与改进，重新设计了其中的核心构件，力控6.1面向NET开发技术，开发过程采用了先进软件工程方法：

“测试驱动开发”，产品品质将得到充分保证。

与力控早期产品相比，力控6.1产品在数据处理性能、容错能力、界面容器、报表等方面产生了巨大飞跃。

第1章基于DCS的锅炉监控系统

1.1DCS介绍

系统介绍DCS是分散控制系统（DistributedControlSystem）的简称，国内一般习惯称为集散控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。

DCS具有以下特点：

（1）高可靠性由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。

（2）开放性DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。

（3）灵活性通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。

（4）易于维护功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。

（5）协调性各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。

（6）控制功能齐全控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

ADAM-5000/TCP是一款以以太网为基础的I/O系统。

没有转发器，ADAM-5000/TCP能够覆盖超过100m的通信距离。

它允许远距离结构，通过以太网和PC来同时存储数据。

ADAM-5000/TCP是舒适的结构和有效的管理的解决方案，为建筑体系网络自动化提供了经济而有效的理想解决方案。

先进控制系统控制对象主要是液位系统和压力系统。

在控制系统设计中，实现DCS信号调理板即FBM与一次仪表即：

液位变送器、流量变送器、压力变送器、调节阀等各套设备的连接与调试，根据控制板的连线和控制方案的需要，可以实现30多个回路、多种控制方案如（单回路串级比值前馈等）。

为此在DCS控制系统上进行了30多个控制方案的控制组态、流程图组态30多幅流程图和相应的报警组态及历史组态等，实现报警画面和报警键盘上的报警灯、报警键的双向调度及查看历史数据等，构成了完整的DCS控制平台。

在此平台上我们用不同的控制方案同时控制各套实验装置，并进行操作，领会DCS系统分散控制的特点；另外，通过流程图、相关参数趋势、历史记录等集中显示、管理、调用，领会DCS系统集中管理的优点；这样就能真正理解DCS控制系统集中管理、分散控制的理论到实践的认识过程。

一个自动控制系统要能很好地完成任务，要满足系统的响应快慢、稳定性、最大偏差等。

很明显，自动控制系统总希望在稳定工作状态下，具有较高的控制质量，我们希望持续时间短、超调量小、摆动次数少。

为了保证系统的精度，就要求系统有很高的放大系数，然而放大系数一高，又会造成系统不稳定，甚至系统产生振荡。

反之，只考虑调节过程的稳定性，又无法满足精度要求。

因此，调节过程中，系统稳定性与精度之间产生了矛盾。

如何解决这个矛盾，可以根据控制系统设计要求和实际情况，在控制系统中插入“校正网络”，矛盾就可以得到较好解决。

这种“校正网络”，有很多方法完成，其中就有PID方法。

PID调节器实际是一个放大系数可自动调节的放大器，动态时，放大系数较低，是为了防止系统出现超调与振荡。

静态时，放大系数较高，可以蒱捉到小误差信号，提高控制精度。

PID控制实验于上面水箱的液体液位控制，可以改变PB（引起比例部分增益的变化）、积分时间（或恢复时间，决定恢复动作的积分环节）、以及微分作用（决定微分作用）。

控制作用的微分部分，能使控制器识别快速变化的误差，并且采用额外的作用来解决。

通过采取并非简单直接地与误差成正比的控制作用，系统的响应得到改进。

此时有一种控制作用的要素与误差的变化率成正比．新的组成部分在某些条件下时非常重要，例如由于在某处的缺陷导致一个水箱大量进水，可能导致溢出，这时通过采用一个非常大的控制动作，产生过补偿，减少逆转系统响应趋势所需要的时间，直至终止这个趋势。

但是微分作用不仅仅提供过补偿，当系统测量值接近给定值时，误差的变化率将下降（若比例作用较小），误差变化率的下降。

误差变化率的下降将产生来自积分环节的负面的控制作用，更加降低控制作用，它强加一个控制动作，并降低超调的可能。

微分作用可以产生大的控制动作，将系统拉回正常状态，并防止超调，增大稳定时间。

其原理如1-1示

图1-1DCS原理图

1.2锅炉概述及其监控

1.2.1锅炉概述

锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。

锅的原义指在火上加热的盛水容器，炉指燃烧燃料的场所，锅炉包括锅和炉两大部分。

锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。

提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。

产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。

锅炉是由锅和炉组成的，上面的盛水部件为锅，下面的加热部分为炉，锅和炉的一体化设计称为锅炉。

《特种设备安全监察条例》所定义的锅炉是指利用各种燃料、电或者其他能源，将所盛装的液体加热到一定的参数，并对外输出热能的设备。

其范围规定为最高安全水位时存水容积大于或者等于30L的承压蒸汽锅炉；出口水压大于或者等于0.1MPa（表压），且额定功率大于或者等于0.1Mw的承压热水锅炉；有机热载体锅炉。

1.2.2锅炉监控

过程控制系统是由被控对象（被控制的生产过程或机械设备）和自动控制装置（测量变送器,控制器,控制阀）组成.方框图能够清楚的表明系统的结构和环节的信号传送.系统是以锅炉为主要控制对象，并对高位水箱、供水槽进行液位,压力.流量和其它参数的控制。

该系统主要是采用计算机为主的集散控制。

则系统原理总图1-2如下：

图1-2总原理图

水从高位水箱流出，通过电磁阀M1调节到锅炉，在通过电磁阀M2到计量水槽，最后通过水泵抽到高位水箱，形成一个闭环。

在对锅炉的工艺分析的过程中，我们发现可以从对锅炉液位，高位水箱液位，水槽液位，锅炉温度以及总体控制等方面对进行试验控制。

在对锅炉液位进行控制时，我们可以通过控制变频器控制水泵直接向锅炉送水的速度，也可以在保持高位水箱恒压供水的情况通过控制进水电动调节阀的开度和电磁阀的开关控制锅炉进水的速度，锅炉出水可以通过控制出水电动调节阀和电磁阀来控制。

在对高位水箱的液位进行控制时，我们是通过控制变频器来控制水泵抽水的速度，从而达到对高位水箱送水的速度控制的控制。

通过控制出水电动调节阀的开度和电磁阀的开关控制高位水箱出水的速度。

在控制水槽的液位时我们是通过控制变频器来改变水泵从水槽抽出水的速度通过调节出水电动调节阀控制水槽进水的速度，在控制锅炉温度时通过控制晶闸管SCR移相调控器来控制锅炉温度。

在对锅炉液位，高位水箱，水槽这三者的控制回路分析时我们分别从静态和动态两个角度去考虑，由于静态分析较简单所以我们是先从静态控制着手的，随着对锅炉控制工艺的熟悉我再慢慢步入到控制的动态分析，而且通过对现场控制对象的观察，发现其实控制回路有几十种。

锅炉控制系统的组成：

锅炉系统由锅炉、高位水箱、供水槽、抽水电机、QS智能调节阀、电磁阀、压力传感器、流量传感器、温度变送器、压力表、管道、开关等部分组成。

在组态软件监控锅炉的正常运行下，维持汽温和汽压正常，均匀给水使锅炉保持正常水位，保持蒸汽品质合格，保证锅炉出口烟温在正常温度。

在工业现场有仪器仪表可以实时的查看锅炉的工作状态，在中央控制室内用组态软件也可以实时的查看锅炉的工作状态。

现场和中央控制室的双重监控可以确保锅炉安全可靠的运行。

保证了工业生产的稳定、可靠、安全。

1.2.3仪器仪表简介

1.传感器

它是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

工作原理:

　当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端（也称参考端）或冷端，则回温度传感器。

温度传感器：

温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。

一般测量精度较高。

在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。

但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。

它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。

在日常生活中人们也常常使用这些温度计。

随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。

低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。

利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。

传感器的作用：

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。

而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。

为适应这种情况，就需要传感器。

因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。

在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。

现代科学技术的发展，进入了许多新领域：

例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。

此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。

显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。

许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。

一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。

世界各国都十分重视这一领域的发展。

相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

温度传感器和液位传感器分别如图1与2

图1-3温度传感器

图1-4液位传感器

2.水泵

水泵是输送液体或使液体增压的机械。

它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。

衡量水泵性能的技术参数有流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等；根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。

容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量；叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。

具体用途：

水泵具有不同的用途，不同的输送液体介质，不同的流量、扬程的范围，因此，它的结构形式当然也不一样，材料也不同，概括起来，大致可以分为：

1、城市供水2、污水系统3、土木、建筑系统4、农业水利系统5、电站系统6、化工系统7、石油工业系统等。

如图1-5

图1-5水泵

3.阀门

阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。

用于流体控制系统的阀门，从最简单的截止阀到极为复杂的自控系统中所用的各种阀门，其品种和规格相当繁多。

阀门可用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品、液态金属和放射性介质等各种类型流体的流动。

阀门根据材质还分为铸铁阀门，铸钢阀门，不锈钢阀门，铬钼钢阀门，铬钼钒钢阀门，双相钢阀门，塑料阀门，非标订制等阀门材质。

阀门是管路流体输送系统中控制部件，它是用来改变通路断面和介质流动方向，具有导流、截止、节流、止回、分流或溢流卸压等功能。

用于流体控制的阀门，从最简单的截止阀到极为复杂的自控系统中所用的各种阀门，其品种和规格繁多，阀门的公称通径从极微小的仪表阀大至通径达10m的工业管路用阀。

阀门可用于控制水、蒸汽、油品、气体、泥浆、各种腐蚀性介质、液态金属和放射性流体等各种类型流体地流动，阀门的工作压力可从0.0013MPa到1000MPa的超高压，工作温度从-269℃的超低温到1430℃的高温。

阀门的控制可采用多种传动方式，如手动、电动、液动、气动、涡轮、电磁动、电磁液动、电液动、气液动、正齿轮、伞齿轮驱动等；可以在压力、温度或其它形式传感信号的作用下，按预定的要求动作，或者不依赖传感信号而进行简单的开启或关闭，阀门依靠驱动或自动机构使启闭件作升降、滑移、旋摆或回转运动，从而改变其流道面积的大小以实现其控制功能。

如图1-6

图1-6阀门

4.报警器

报警器（alarm），是一种为防止或预防某事件发生所造成的后果，以声音、光、气压等形式来提醒或警示我们应当采取某种行动的电子产品。

随着科技的进步，机械式报警器越来越多地被先进的电子报警器代替，经常应用于系统故障、安全防范、交通运输、医疗救护、应急救灾、感应检测等领域，与社会生产密不可分。

1.3组态软件的选择

与其他组态软件比较，力控组态软件的驱动比较全，价格上其他组态软件便宜，是性价比最高的软件，组态更便捷；由力控组态软件组成的C/S和B/S网络体系都支持双网容错切换；能有效的管理多个网络节点状态，数据采用变化传输，节省了网络开销，故障和容错机制更完善。

提高了软件的安全性和稳定性。

所以我们选择了力控组态软件。

第2章ForceControl6.1

2.1力控介绍

2.1.1组态软件的概念

组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。

2.1.2力控的特点

方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的图片，方便画面制作，大大降低了组态开发的工作量；高性能实时、历史数据库，快速访问接口在数据库4万点数据负荷时，访问吞吐量可达到20000次/秒；强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能；支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏；强大的ACTIVEX控件对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性；全新的、灵活的报表设计工具：

提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：

脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板；提供在Internet/Intranet上通过IE浏览器以“瘦”客户端方式来监控工业现场的解决方案；支持通过PDA掌上终端在Internet实时监控现场的生产数据，支持通过移动GPRS、CDMA网络与控制设备或其它远程力控节点通讯、支持控制设备冗余、控制网络冗余、监控服务器冗余、监控网络冗余、监控客户端冗余等多种系统冗余方式。

力控监控组态软件主要网络特点：

1．率先在国产组态软件中推出完整的软件冗余和热备体系，支持分布式网络访问，支持多层网络冗余，极大的提高了软件的安全性和稳定性；

2．在支持网络冗余体系的国内组态软件开发商中，是性能价格比最高的软件；

3．在国产软件厂家中最适合DCS、PLC、RTU、DDC等控制器厂家进行监控软件配套，可以在过程自动化、制造自动化项目中广泛应用；

4．分布在网络的不同节点的力控软件，节点之间可以任意通讯，构成了完整的分布式网络体系，由力控软件组成的C/S和B/S网络体系都支持双网容错切换；

5．重新设计开发的网络管理程序，能有效的管理多个网络节点状态，数据采用变化传输，节省了网络开销，故障和容错机制更完善；

6．适合企业信息化的信息集成,软件不但大数据量处理功能，同时组态更便捷；

软件冗余和热备的特点：

7．支持控制设备冗余：

如集散系统DCS中的控制站冗余、支持国外主流PLC设备冗余方式，比如SIEMENS公司的S7400H系列、通用公司的GE9070系列等支持冗余的控制器，支持控制硬件的软冗余切换和硬冗余切换；

8．支持双机冗余解决方案：

由力控组成的双机SCADA系统可以进行冗余配置,力控在控制网络中支持普通的232、485、以太网等网络，双机“心跳”可以采用双网配置来进行数据传输，同时主、从机切换支持手动切换；

9．在冗余配置中，由力控软件组成的主从机可以达到快速的切换，切换时间为2秒！

10．由力控软件组成的服务器、客户端方式的管理网络体系支持服务器的故障切换、双网切换；

11．支持完整的网络备份和切换,做为监控操作站的软件支持控制网络的冗余切换,同时由力控软件作为服务器和客户端的网络体系中,服务器和客户端也支持网络冗余切换;

力控软件的工业过程可视化监控：

12．力控forcecontrol5.