基于Emulate的鍋爐負荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真實訓(xùn)

姜　萍, 王麗穎, 田　靜, 張耀鵬

(1. 河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 河北 保定　071002；2. 河北大學(xué) 羅克韋爾自動化實驗室, 河北 保定　071002)

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基于Emulate的鍋爐負荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真實訓(xùn)

姜萍1,2, 王麗穎1, 田靜1, 張耀鵬1

(1. 河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 河北 保定071002；2. 河北大學(xué) 羅克韋爾自動化實驗室, 河北 保定071002)

基于羅克韋爾RSLogix5000軟件和RSLogix Emulate5000仿真控制器,實現(xiàn)了鍋爐負荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)組態(tài),利用RSView32開發(fā)了監(jiān)控界面,利用RSLinx軟件實現(xiàn)了各部分的數(shù)據(jù)通信,完成了鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的仿真實訓(xùn)項目開發(fā)。通過實訓(xùn)項目開發(fā)流程,按照整體架構(gòu)、控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真和監(jiān)控界面三大任務(wù),培養(yǎng)高校工科學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力。

鍋爐負荷； 協(xié)調(diào)控制； 仿真實訓(xùn)； Emulate仿真控制器

過程控制是自動化專業(yè)的一門理論與實踐緊密聯(lián)系的骨干專業(yè)課程[1-2]。在各種過程控制系統(tǒng)中,鍋爐負荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有非線性、多變量、耦合、工況變化大等特性,系統(tǒng)的硬件實驗裝置較為復(fù)雜、昂貴,實驗室中的小型過程控制裝置難以達到實際工況的效果[3-4]。所以,建立鍋爐虛擬仿真控制系統(tǒng),可為自動化專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)理解過程控制中鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)提供一個良好的平臺[5]。

以鍋爐主蒸汽壓力和發(fā)電機組的輸出功率為被控量,在RSLogix5000中建立鍋爐負荷控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,按照協(xié)調(diào)控制方式,進行鍋爐負荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)組態(tài),下載程序到仿真控制器并進行參數(shù)整定。從整體構(gòu)架到控制系統(tǒng)的設(shè)計,從對象的數(shù)學(xué)建模到仿真調(diào)試以及監(jiān)控界面設(shè)計,遵循工程項目開發(fā)的流程,結(jié)合課堂基礎(chǔ)知識的教學(xué),使學(xué)生圍繞項目進行實踐訓(xùn)練,從而具備對工業(yè)過程中常用的過程控制系統(tǒng)進行分析、設(shè)計的能力[6-7]。

1　實訓(xùn)項目總體設(shè)計方案

1.1實訓(xùn)任務(wù)要求

本實訓(xùn)項目主要基于羅克韋爾自動化軟件平臺,實現(xiàn)鍋爐負荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的仿真,主要實訓(xùn)內(nèi)容是模型分析、控制系統(tǒng)設(shè)計和監(jiān)控畫面設(shè)計。實訓(xùn)項目的任務(wù)體系(見圖1)主要分為被控模型的分析與搭建、控制系統(tǒng)設(shè)計、監(jiān)控畫面組態(tài)3部分,最后完成整體調(diào)試并運行。

圖1　實訓(xùn)主要內(nèi)容體系

1.2實訓(xùn)項目軟件構(gòu)架

鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)由羅克韋爾系列軟件平臺搭建,用RSlogix5000編寫主程序,在RSlogix5000中用PID模擬鍋爐控制器和汽輪機控制器。用LDLG、MUL、SUB、ADD、DIV等模塊模擬控制對象的傳遞函數(shù)。在RSLogix Emulate5000中創(chuàng)建仿真控制器,使用RSLinx軟件建立RSlogix5000和RSLogix Emulate5000,RSLogix5000和RSView32的通信連接,將程序下載至RSLogix Emulate5000中[8]。設(shè)計整體構(gòu)架如圖2所示。

圖2　設(shè)計整體架構(gòu)圖

1.3實訓(xùn)項目內(nèi)容

根據(jù)實訓(xùn)項目的要求,實訓(xùn)內(nèi)容包括:

(1) 分析鍋爐負荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的工作原理并建立數(shù)學(xué)模型；

(2) 利用RSLogix5000設(shè)計鍋爐協(xié)調(diào)控制對象模型和控制系統(tǒng)；

(3) 通過RSLinx建立RSlogix5000與RSLogix Emulate5000的通信連接。

(4) 將程序下載至RSLogix Emulate5000進行調(diào)試。

(5) 用RSView32創(chuàng)建監(jiān)控界面,建立趨勢圖,觀察仿真曲線并分析結(jié)果。

通過以上內(nèi)容的訓(xùn)練,學(xué)生要完成鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)組態(tài),使工程實踐能力得到訓(xùn)練,提升了工程意識和工程素質(zhì)。

2　鍋爐負荷協(xié)調(diào)仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)過程

2.1鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

在鍋爐負荷控制系統(tǒng)中,協(xié)調(diào)控制方式是通過有節(jié)制地調(diào)用鍋爐的蓄熱量,既要保證機組能迅速適應(yīng)負荷變化,又要保證主蒸汽壓力不會波動很大,一般適用于帶有變動負荷的單元機組。由于這種控制方式具有機爐兼顧、互相協(xié)調(diào)的特點,在使機組快速適應(yīng)負荷變化的同時,又維持了主蒸汽壓力的穩(wěn)定,使得系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定地運行[9]。機爐協(xié)調(diào)控制方式的控制原理圖如3所示。

圖3　鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖3中:

WNT(S)為汽輪機閥門開度與機組實際發(fā)出功率的傳遞函數(shù),N0為機組發(fā)電功率設(shè)定值;

WPT(S)是汽輪機閥門開度與機前壓力的傳遞函數(shù)；

WNB(S)為鍋爐的燃燒率與機組實際發(fā)出功率的傳遞函數(shù),T0為鍋爐機前壓力設(shè)定值；

WPB(S)為鍋爐的燃燒率與蒸汽壓力的傳遞函數(shù)；

UT為汽輪機閥門開度,系統(tǒng)的輸入量；

B為鍋爐的燃燒率,系統(tǒng)的輸入量；

N為機組的實際發(fā)出功率,系統(tǒng)輸出量；

PT為機前壓力,系統(tǒng)的輸出量。

2.2鍋爐負荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)耦合模型

鍋爐負荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一種含有多變量的多輸入多輸出系統(tǒng)[10],并且各輸入和輸出之間彼此影響、相互耦合。在保證送風(fēng)量與燃料量相適應(yīng)、燃燒穩(wěn)定、給水量與蒸汽流量相平衡、保持汽包水位等條件的基礎(chǔ)上,可以把鍋爐負荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)簡化為一個具有雙輸入、雙輸出的被控對象[11]。圖3虛線框內(nèi)為其簡化數(shù)學(xué)模型。從圖中可以看出,把單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)等效為一個雙輸入、雙輸出的對象時,其動態(tài)特性

可以用以下傳遞函數(shù)矩陣來表示

(1)

本實訓(xùn)項目選取300 MW單元機組為研究對象,其在100%負荷點上的動態(tài)數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)為

(2)

對應(yīng)式(1)可知其中:

(5)

(6)

在RSLogix5000中用功能塊編程搭建其控制對象的數(shù)學(xué)模型程序如圖4所示。

圖4　控制對象的模型程序圖

2.3控制系統(tǒng)組態(tài)

打開RSLogix Emulate5000,新建一個仿真控制器,選擇Emulator RSLogix Emulate5000 Controller,在6槽建立仿真控制器。

鍋爐負荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)含有兩個PID控制器,其中PID1模擬汽輪機控制器,用來調(diào)節(jié)汽輪機輸出發(fā)電功率的大小；PID2模擬鍋爐控制器,用來調(diào)節(jié)鍋爐主蒸汽壓力的大小。兩個控制器的參數(shù)為PID1:KP=46,KI=0.5,KD=30；PID2:KP=50,KI=0.505,KD=15。其中PID1的參數(shù)設(shè)置如圖5所示。PID2的參數(shù)設(shè)定同PID1的參數(shù)步驟相同。

2.4監(jiān)控界面設(shè)計

RSView人機界面開發(fā)軟件提供了符合工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)的功能庫。通過開放的技術(shù)增強了和羅克韋爾軟件以及和其他工業(yè)組態(tài)軟件的兼容性[12],主要開發(fā)流程如下:

圖5　PID1的參數(shù)設(shè)置

首先,打開RSView32軟件,新建一個RSView項目；

其次,建立與仿真處理器之間的通信,RSView32與RSLogix Emulate5000創(chuàng)建的仿真控制器使用OPC方式進行通信。

然后,建立標(biāo)簽并管理。通過Tag Database(標(biāo)記數(shù)據(jù)庫)建立標(biāo)簽并使用文件夾管理標(biāo)簽。從而采用OPC通信方式,完成了監(jiān)控界面和控制系統(tǒng)之間的實時數(shù)據(jù)通信。

最后,創(chuàng)建監(jiān)控界面圖形(見圖6),點擊Graphics文件夾下的Display,在監(jiān)控界面上添加趨勢圖、顯示器和各個參數(shù)的顯示窗口等。

圖6　監(jiān)控界面

系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下主要功能:

(1) 鍋爐系統(tǒng)曲線監(jiān)控界面直觀地體現(xiàn)設(shè)定值、實際值和程序PID模塊輸出值的變化情況；在輸入對話框內(nèi)輸入KP、KI、KD等參數(shù),可以改變RSLogix5000中標(biāo)簽量的值,從而改變控制器中程序的參數(shù)配置；

(2) 以曲線形式動態(tài)顯示鍋爐控制系統(tǒng)的趨勢圖,并通過操作畫面查詢實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),實現(xiàn)參數(shù)修改和數(shù)據(jù)實時顯示的設(shè)計目標(biāo)；

(3) 本文以300 MW機組100%額定負荷下的功率仿真為例,設(shè)機組功率大小不變,對功率進行1 MW階躍擾動,機前壓力保持不變,協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的機組功率變化和主蒸汽壓力變化曲線(見圖6)。

由實驗結(jié)果可知,對功率進行1 MW階躍擾動,系統(tǒng)輸出功率的超調(diào)量σ%為0.2 MW,調(diào)節(jié)時間ts為12 min。主蒸汽壓力回路再添加功率擾動后有小幅振蕩,但是在PID的調(diào)解下很快恢復(fù)穩(wěn)定。實驗結(jié)果表明,鍋爐負載協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)不僅能適應(yīng)外界電網(wǎng)負荷的快速變化,而且機組的穩(wěn)定性能也非常好。

3　總結(jié)

本實訓(xùn)項目用RSLogix5000編寫程序,用功能塊搭建控制對象數(shù)學(xué)模型,用RSLogix Emulate5000建立了仿真控制器,用RSView32創(chuàng)建監(jiān)控界面、繪制趨勢圖、模擬仿真運行,RSLinx完成各軟件之間的通信,是研究設(shè)計大型工業(yè)控制系統(tǒng)的良好方法。實驗室的Rockwell系列軟件平臺為自動化專業(yè)學(xué)生提供了工程實踐的平臺,實訓(xùn)項目以此為依托,遵循工業(yè)開發(fā)流程,從模型分析、控制系統(tǒng)設(shè)計和監(jiān)控畫面設(shè)計完成了工程實訓(xùn),培養(yǎng)了學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力,為學(xué)生學(xué)習(xí)先進的自動化技術(shù)提供了良好平臺。

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Simulation training for boiler load coordinated control system based on Emulate controller

Jiang Ping1,2, Wang Liying1, Tian Jing1, Zhang Yaopeng1

(1. College of Electronic and Information Engineering, Hebei University, Baoding 071002, China;2. Rockwell Automation Laboratory, Hebei University, Baoding 071002, China)

A simulation training for boiler load coordinated control system was developed based on RSLogix5000. This article and RSLogix Emulate5000, realized boiler load coordinated control system configuration, designed monitoring interface with RSView32, and realized the data communication of each part using RSLinx software. And the following development process of practical project includes overall architecture, designing control system and monitoring interface. The practical results show that the platform can help the engineering students to get engineering quality and engineering practical ability.

boiler load；coordinated control; simulation training; Emulate simulation controller

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.028

2015-12-14

河北大學(xué)實驗室開放項目(sy2015048)；保定市科技項目(15ZG013)；河北大學(xué)自然科學(xué)研究計劃項目(2012-240)

姜萍(1971—),女,云南晉寧,博士,副教授,自動化系副主任,主要研究方向為復(fù)雜工業(yè)過程的建模與智能控制.

TP273

A

1002-4956(2016)6-0108-04