1、控制原理8六、系统总体方案图9七、凝结器水位控制系统组态图9 7.1组态图9八、SAMA图10九、系统接线图11十、执行器的选择12 10.1作用 12 10.2分类12 10.3特点及应用12 10.3.1电动执行器12 10.3.2气动执行器12十一、变送器的选择14 11.1液位变送器类别15 11.2浮球式液位变送器15 11.3浮筒式液位变送器 15 11.4静压液位变送器15十二、控制器的选择16十三、DCS系统设计17 13.1电源部分18 13.2通信部分19 13.3系统接地 13.4软件部分十四、PID控制原理20 14.1模拟PID控制原理 20 14.1.1比例部分 2
2、1 14.1.2积分部分 21 14.1.3微分部分 21十五、心得体会22十六、参考文献一、课程设计目的与要求1.1 目的集散控制系统课程是自动化（热工）本科专业的必修课， 一门理论与实践结合紧密的核心课程。本课程设计是在该门课程的课堂教学完成之后，为巩固课程涉及到的DCS方面的方法、理论而开展的。通过课程设计，使学生能结合实际背景，应该已学理论，解决实际问题，从而培养学生资料查阅能力、绘图能力、理论联系实际的能力、系统解决问题的逻辑思维能力等，为今后从事相关工作打下基础。1.2要求本课程设计要求学生根据课程涉及的相关内容与方法，结合实际背景，系统解决实际问题。从背景分析、提出问题、解决问题
3、、主要结论等几个方面开展。要求课程设计具有系统性、完整性、与课程相关性并具有一定的研究深度。二、设计正文2.1.设计题目 600MW火电机组凝汽器水位控制系统2.2 课题要求与内容本课程设计是针对学生学习和运用专业知识的综合考核和检查，使学生接受工程类基本训练的重要环节，是自动化（热工）专业的集散控制系统专业课程学习的必修内容之一。本课程设计的特点是，内容所涉及的知识面较一般习题广，有较强的系统性和综合性，在运算、绘图、编写设计文本方面有较高的要求。本课程实际应针对集散控制系统课程涉及的相关理论与方法，结合具体实践背景，解决实际问题。主要内容有：（1）根据工艺分析的控制要求，设计控制系统总体方
4、案；（2）根据控制系统方案，选择、组态设计DCS硬件系统结构；（3）根据控制系统方案进行设计组态，形成控制系统软件结构；（4）设计组态控制系统操作界面；（5）说明定义、调整控制系统参数的方法；（6）能考虑控制系统安装与调整、使用与维护、经济和安全等问题，对集散控制系统的安装技术要求进行设计；（7）图面符合国家有关标准及行规，技术要求完整合理。三、凝汽器 3.1凝汽器 使驱动汽轮机做功后排出的蒸汽变成凝结水的热交换设备。蒸汽在汽轮机内完成一个膨胀过程后，在凝结过程中，排汽体积急剧缩小，原来被蒸汽充满的空间形成了高度真空。凝结水则通过凝结水泵经给水加热器、给水泵等输送进锅炉，从而保证整个热力循环的
5、连续进行。 3.2凝汽器作用 1）在汽轮机排汽口造成较高真空，使蒸汽在汽轮机中膨胀到最低压力，增大蒸汽在汽轮机中的可用焓降，提高循环热效率； 2）将汽轮机的低压缸排出的蒸汽凝结成水，重新送回锅炉进行循环； 3）汇集各种疏水，减少汽水损失。 4）凝汽器也用于增加除盐水（正常补水） 3.3工作原理 凝汽器中装有大量的铜管，并通以循环冷却水。当汽轮机的排汽与凝汽器铜管外表面接触时，因受到铜管内水流的冷却，放出汽化潜热变成凝结水，所放潜热通过铜管管壁不断的传给循环冷却水并被带走。这样排汽就通过凝汽器不断的被凝结下来。排汽被冷却时，其比容急剧缩小，因此，在汽轮机排汽口下凝汽器内部造成较高的真空。 凝汽器
6、是火力发电厂的大型换热设备。图1为凝汽器的结构示意图。 图1凝汽器结构示意图四、凝汽器水位控制系统 4.1凝汽器水位控制系统的任务 凝汽器有高水位和低水位两种运行方式，仅采用高水位运行时才装设水位自动控制器。 凝结水泵是在高度真空条件下输送接近于饱和温度的水，因而最容易产生汽蚀。为避免凝结水泵运行中的气化现象，泵的进水侧要求一定的灌注高度，为此凝结水泵均布置在凝汽器热水井下0.50.8m左右，并要求热水井的水位经常维持在水位计中能看到的一定位置，这种运行方式叫做高水位运行。凝汽器水位控制的任务是凝汽器水输出量，维持凝汽器水热水井的水位在允许范围内，在内外扰动下，对象动态特性均没有自平衡能力，飞
7、升速度较快，迟延不大。 凝汽器水位控制系统的设计，还应考虑到补充水是否送入凝汽器进行真空除氧。 4.2凝汽器水位控制系统 凝汽器水位控制系统一般设计为单冲量调节系统，通过调节凝汽器补水调节阀来凝汽器热水井水位为一定值。 凝汽器热水井水位测量由于是真空容器，若采用常规单室平衡容器则需要设一根补水管，平时少量补水以维持正压头参比水柱：目前很多已改用带远传毛细管配件的眼盒式差压变送器或其他检测方法。 采用带远传毛细管配件的差压变送器可以用远传检测头直接在被测点检测，将感受到的压力通过毛细管传送到变送器膜盒内进行测量。 远传配件的选择，包括远传检测头的形式、毛细管长度及冲灌液的品种等，都要根据实际应用
8、的需要，结合制造厂可提供产品样本来进行，一般选择螺纹式或法兰式安装形式，毛细管尽可能短，以减少反应时间，变送器应安装于位于或者低于取压孔的位置，冲液灌应能适应所使用或最高、最低环境温度。 有的厂采用微波测量仪来检测，此时应配置外接测量筒，将测量仪安装在测量筒上检测，也可取得良好效果。 4.3单冲量控制系统 图2 4.4系统原理 与除氧器水位一样，凝汽器水位也是机组运行监控的主要参数之一。凝汽器水位过高会影响凝汽器真空，严重时会使汽轮机低压缸进水，凝汽器水位过低，将危及凝汽器水位的安全运行和整个热力系统的水循环。因此必须对其进行自动控制。目前大型单元机组凝汽器水位控制主要有两种方式：一种为调节进
9、水量；即调节进入凝汽器的补充水量；另一种为调节出水量，即调节凝结水流量的方式。 300MW机组典型的凝汽器水位一次系统如图 所示，在补充水和凝汽器系统之间，有一个缓冲容器，即补水箱，化学补充水先进补水箱。一般的调节方法是：当凝汽器水位低时，先关小凝汽器向补水箱的回水阀门，如果水位尚没恢复，再开大补水箱向凝汽器的补水阀门；当水位凝汽器高时，先关小补水箱向凝汽器的补水调节门，若水位不能恢复正常，再开大凝汽器向补水箱的回水调节阀门，补水箱水位低时，开化学水至补水箱补水门，由于正常运行时，补水箱压力比凝汽器压力高，所以闸水门在凝结水泵后。 图3 凝汽器水位控制系统 （a）一次系统图（b）系统原理图 图
10、（b）是凝汽器水位控制系统原理图。如图所示这是一个单回路控制系统。与一般系统不同的是，该系统有M/A1和M/A2两个操作器。在手动状态下，M/A1用于控制补水箱向凝汽器补水的补水调节门，M/A2用于控制凝汽器向补水箱放水的回水调节门。在两个操作器与执行器之间，各有一个函数器，其输入输出之间的关系如右侧曲线所示，对补水门而言，当控制信号在050%之间时，补水调节阀保持在关的状态，当控制信号在50%100%期间时，补水调节阀开度随着控制指令的增加而增加，而回水阀门不同，当控制信号在050%期间时，调节阀开度随着控制指令增加而减少，当控制信号在50%100%时，回水调节阀保持在关的状态。这就保证了控
11、制信号对调节阀控制作用的连续性，即当控制信号从0100%变化时，通过两个调节阀的协调作用，使净流入凝汽器的流量是连续增加的，反之是连续减少的。在自动状态，当凝汽器水位低于其给定值时，比例积分调节器输出的控制指令增加，通过两个调节阀的作用，使流入凝气器的流量增加，水位上升，直到等于给定值，反之亦然。 5.1凝汽器水位自动控制的目的 目的是把凝汽器热井中的水位维持在所需的水平。 a）热力系统图如下图。 图4 b）凝汽器水位控制采用单冲量控制回路，凝汽器水位测量采用美国ROSEMOUNT1151电容式智能变送器。水位信号与设定值作比较后，将偏差信号送入PI调节器，调节器输出送给自动/手动控制站。自动
12、/手动控制站输出信号经F（x）进行阀门重叠度修正后分别送到就地三个调门。低负荷凝结水调门（LCA31CV001）、高负荷凝结水调门（LCA30CV001）、凝结水再循环调门（LCA41CV001）。 c）调门开度修正曲线图如下： 图5 d）由凝汽器水位调节修正曲线可知，高、低负荷凝结水调门开度存在一定的重叠度。在凝结水用量较小的时候，为了保护凝泵不被汽蚀，凝汽器应有一定的水位。所以一部分已被凝泵升压的凝结水通过凝结水再循环调门向凝汽器补水。， e）在任何工况下，上述控制阀所供的凝结水总量将大于轴封加热器、凝泵运行所需的最小流量。凝汽器的再循环直到低负荷凝结水调门达到足以保证经过轴封加热器、凝泵
13、时的最小水流量的阀位时才关闭。 f）高、低负荷凝结水调门存在5的重叠度。当低负荷凝结水调门开至85时，高负荷凝结水调门已经开始开启。就一般调门来讲，阀门的流量特性同阀门开度在0100之间并不总是一一对应的。调门开度超过85以后，流量的变化量总是小于阀门开度的变化量。所以存在一定的重叠度就是为了克服这种差异。保证整个控制过程的线性。六、系统总体方案图 图6凝汽器水位控制方案结构图 凝汽器水位控制系统，根据凝汽器水位给定值与实际水位的偏差减去凝结水补水调节阀的阀位微分作为调节器的输入来控制凝结水补水调节阀。由于凝汽器内水量主要由低压缸排气凝结而成，水位受凝汽器真空与低压缸排气量影响较大，而凝汽器补
14、水调节阀只起微调作用。所以在调试中将比例带调整合适，积分时间放长，使之与系统特性吻合。当凝汽器水位水位高于1000mm时，打开凝汽器水位调节阀，使多余的凝结水流回凝结水补水箱。七、凝结器水位控制系统组态图 7.1组态图 图7凝汽器水位的程序流程组态简图 控制器1 由蒸汽流量与凝结水流量的差值形成反馈信号，其任务是及时反映调节效果和迅速消除凝结水流量的自发扰动. 当凝结水母管调整门开度发生变化时，凝结水流量发生变化，控制器1快速消除扰动，使凝结水流量回到扰动前的值；当机组负荷发生变化时，首先在蒸汽流量上会反映出来，此时控制器1 迅速改变凝结水流量，以适应蒸汽流量的变化，控制凝汽器水位达到正常值。
15、控制器2 由凝汽器水位与设定水位的偏差值形成反馈信号，其任务是维持水位恒定。当水位偏离给定值时，通过控制器1 调节凝结水流量，即改变凝结水泵的转速，使水位回到设定值。7.2 化补水阀的自动控制由除氧器水位、凝汽器水位的值作为除氧器水位的控制信息，当除氧器水与 凝汽器水位的值小于整定值时，控制器3 会自动打开补水阀，如图4b 所示。7.3 凝结水调整门的自动控制由于凝结水系统工况要求母管压力必须保证在1. 31. 4 MPa 下运行（最低不小于1. 1 MPa） ，故用母管压力作为主调信号，变频器输出频率作为前馈信号，控制母管调整门的开度；取额定负荷的60 %（75 MW） 及以下负荷段，作为凝
16、结水调整门自动控制的调节范围. 当负荷高于75 MW ，或母管压力大于1. 1 MPa时，阀门全开，无需调节。见图4c。八、SAMA图 图8图中：LT是凝汽器水位变送器，输出是模拟量信号；为凝汽器水位信号和凝汽器水位给定值的差值;K为比例积分调节器（或比例积分调节模块），即PI调节器（模块），它接受输出的差值信号，并进行PI计算；T为手动/自动切换开关；左侧的A为模拟信号发生器，当T打到手动时改变A的输出，就可以改变阀门开度；右侧的A也为模拟信号发生器，改变A的输出，可改变凝汽器水位设定值；V为速率限制器，它对运行人员手动设定的凝汽器水位给定值进行速率限制，防止当水位给定值变化大时，引起凝汽器
17、水位大幅波动；f（x）为执行机构，在自动状态时，执行机构接受PI的调节指令控制补水调节阀的开度。在手动状态时执行机构接受运行人员的手动操作指令以改变补水调节阀的开度。九、系统接线图 图9十、执行器的选择10.1作用 控制机构与执行机构合称执行器，它是电厂热工自动控制系统的执行环节。执行器接受控制器或人工给定的控制信号。将其进行功率放大，并转换为输出轴相应的转角或直线位移，连续或断续地推动各种控制机构。如控制阀（或调节阀）、挡板，以完成对各种参量的控制。10.2分类 执行器根据所使用的能源形式，可分成气动、电动和液动三大类。气动执行器是利用压缩空气作为能源；电动和液动执行器分别利用电和高压液体作
18、为能源。在火电厂中，气动和电动使用较多，液动使用较少。 执行器根据输出位移量的不同，又分为角位移（或角行程）执行器和线位移（或直行程）执行器。10.3特点及应用10.3.1电动执行器（1）采用电源为动力， 使用方便，无需特殊的气源和空气净化装置。电源消失时，能保持原来位置。（2）可以远距离传输信号，电缆的安装比气管方便。且便于检查。（3）体积小、推力较大、定位精度高、反应快、滞后时间短。（4）与计算机控制系统连接方便。而且本身也可智能化（内装微处理机），智能电动执行器是执行器的发展方向。 电动执行器的缺点是结构复杂，价格较高，不适用于防火防爆场合，频繁启停易损害电机或阀门。 目前，在火电厂中应
19、用的电动执行器，除DDZ-I、型外，还有引进型电动执行器。如：德国西门子的M76346系列和MAM393系列、法国伯纳德的SD系列、英国罗托克M系列和A系列。此外，还有DDZS型智能电动执行器等。10.3.2气动执行器气动执行器的主要优点是；结构简单、工作安全可靠、价格便宜、维护方便、运行平稳、不损坏阀门或设备、负载能力大、天然防火防爆；缺点是：体积大、不便与计算机控制系统连接、需要气源和空气净化装置、气信号不便远传。气动执行器主要有薄膜式和活塞式两大类，并以薄膜式应用最广。在电厂气动基地式自动控制系统中，常采用这类执行器。气动活塞式执行器由气缸内的活塞输出推力，并容易制造成长行程的执行器。所
20、以，气动活塞式执行器特别适用于高静压、高差压以及需要较大推力和位移（转角或直线位移）的工艺场合，如火电厂中的给水、减温水控制阀和送、引风挡板开度的控制。常用的型号为；ZSLD-A、ZSZ、ZSL及MDQZ型，此外还有从国外引进的气动执行器。 液动执行器的优缺点与气动执行器基本相同，只是它的响应速度更快，输出推力更大，在电厂中常作为汽轮机控制系统的执行器，如电液伺服执行器（简称EH）。执行器是自动控制系统中不可缺少的重要设备。因此，只有了解和掌握执行器的作用、特点、工作原理和维修调整技能，才能保证热工自动控制系统的安全投入，使火电机系统机组安全运行。在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制
21、器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流量的装置。调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流通能力，需要是控制阀两端的压降在整个管线的总压降占有较大的比例。在正常工况下，一般要求调节阀开度应处于1 5%85%之间，应具体根据实际需要的流通能力的大小进行选择。调节阀按驱动方式可分为：气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体价值压力为动力源的液动调节阀，由于生产现场有防爆要求，所以应选择气动执行器。调价阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：1生产安全角度：当起源供气中断，或调节阀出故障而无输出
22、等情况下，应该确保生产设备的安全，不至发生事故；2保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；3尽可能的降低原料、产品、动力耗损；4从介质的特点考虑。十一、变送器的选择 液位变送器，可称为液位计的显示仪表，可简称为液位计，不包含其液位传感器的部件。液位变送器液位测量通常指对工业生产过程中封闭式或敞开容器中液位的高度进行检测； 液位变送器的运用十分的广泛，是对压力变送器技术的延伸和发展，根据不同比重的液体在不同高度所产生压力成线性关系的原理，实现对水、油及糊状物的体积、液高、重量的准确测量和传送。使用被测介质广泛，可测油、水及与316不锈钢兼容的糊状物，具有一定
23、的防腐能力。延伸理解液位传感器：基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为420mA）。液位传感器原理：用静压测量原理当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：=.g.H+Po式中：P：变送器迎液面所受压力：被测液体密度g：当地重力加速度Po：液面上大气压H：变送器投入液体的深度 同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的Po，使传感器测得压力为：.g.H，显然,通过测取压力P，可以得到液位深度。11.1液位变送器类别1.压力类：差压式、双法兰、单法兰、投入式、静压式、吹泡式 2.雷达类：非接触式雷达、导波雷达式3.超声波：超声波、
