基于Emulate的锅炉负荷协调控制系统仿真实训

姜　萍, 王丽颖, 田　静, 张耀鹏

(1. 河北大学 电子信息工程学院, 河北 保定　071002；2. 河北大学 罗克韦尔自动化实验室, 河北 保定　071002)



基于Emulate的锅炉负荷协调控制系统仿真实训

姜萍1,2, 王丽颖1, 田静1, 张耀鹏1

(1. 河北大学 电子信息工程学院, 河北 保定071002；2. 河北大学 罗克韦尔自动化实验室, 河北 保定071002)

基于罗克韦尔RSLogix5000软件和RSLogix Emulate5000仿真控制器,实现了锅炉负荷协调控制系统组态,利用RSView32开发了监控界面,利用RSLinx软件实现了各部分的数据通信,完成了锅炉协调控制系统的仿真实训项目开发。通过实训项目开发流程,按照整体架构、控制系统设计与仿真和监控界面三大任务,培养高校工科学生的工程意识、工程素质和工程实践能力。

锅炉负荷； 协调控制； 仿真实训； Emulate仿真控制器

过程控制是自动化专业的一门理论与实践紧密联系的骨干专业课程[1-2]。在各种过程控制系统中,锅炉负荷协调控制系统具有非线性、多变量、耦合、工况变化大等特性,系统的硬件实验装置较为复杂、昂贵,实验室中的小型过程控制装置难以达到实际工况的效果[3-4]。所以,建立锅炉虚拟仿真控制系统,可为自动化专业学生学习理解过程控制中锅炉协调控制系统提供一个良好的平台[5]。

以锅炉主蒸汽压力和发电机组的输出功率为被控量,在RSLogix5000中建立锅炉负荷控制系统的数学模型,按照协调控制方式,进行锅炉负荷协调控制系统组态,下载程序到仿真控制器并进行参数整定。从整体构架到控制系统的设计,从对象的数学建模到仿真调试以及监控界面设计,遵循工程项目开发的流程,结合课堂基础知识的教学,使学生围绕项目进行实践训练,从而具备对工业过程中常用的过程控制系统进行分析、设计的能力[6-7]。

1　实训项目总体设计方案

1.1实训任务要求

本实训项目主要基于罗克韦尔自动化软件平台,实现锅炉负荷协调控制系统的仿真,主要实训内容是模型分析、控制系统设计和监控画面设计。实训项目的任务体系(见图1)主要分为被控模型的分析与搭建、控制系统设计、监控画面组态3部分,最后完成整体调试并运行。

图1　实训主要内容体系

1.2实训项目软件构架

锅炉协调控制系统由罗克韦尔系列软件平台搭建,用RSlogix5000编写主程序,在RSlogix5000中用PID模拟锅炉控制器和汽轮机控制器。用LDLG、MUL、SUB、ADD、DIV等模块模拟控制对象的传递函数。在RSLogix Emulate5000中创建仿真控制器,使用RSLinx软件建立RSlogix5000和RSLogix Emulate5000,RSLogix5000和RSView32的通信连接,将程序下载至RSLogix Emulate5000中[8]。设计整体构架如图2所示。

图2　设计整体架构图

1.3实训项目内容

根据实训项目的要求,实训内容包括:

(1) 分析锅炉负荷协调控制系统的工作原理并建立数学模型；

(2) 利用RSLogix5000设计锅炉协调控制对象模型和控制系统；

(3) 通过RSLinx建立RSlogix5000与RSLogix Emulate5000的通信连接。

(4) 将程序下载至RSLogix Emulate5000进行调试。

(5) 用RSView32创建监控界面,建立趋势图,观察仿真曲线并分析结果。

通过以上内容的训练,学生要完成锅炉协调控制系统组态,使工程实践能力得到训练,提升了工程意识和工程素质。

2　锅炉负荷协调仿真系统的实现过程

2.1锅炉协调控制系统

在锅炉负荷控制系统中,协调控制方式是通过有节制地调用锅炉的蓄热量,既要保证机组能迅速适应负荷变化,又要保证主蒸汽压力不会波动很大,一般适用于带有变动负荷的单元机组。由于这种控制方式具有机炉兼顾、互相协调的特点,在使机组快速适应负荷变化的同时,又维持了主蒸汽压力的稳定,使得系统能够安全、稳定地运行[9]。机炉协调控制方式的控制原理图如3所示。

图3　锅炉协调控制系统结构原理图

图3中:

WNT(S)为汽轮机阀门开度与机组实际发出功率的传递函数,N0为机组发电功率设定值;

WPT(S)是汽轮机阀门开度与机前压力的传递函数；

WNB(S)为锅炉的燃烧率与机组实际发出功率的传递函数,T0为锅炉机前压力设定值；

WPB(S)为锅炉的燃烧率与蒸汽压力的传递函数；

UT为汽轮机阀门开度,系统的输入量；

B为锅炉的燃烧率,系统的输入量；

N为机组的实际发出功率,系统输出量；

PT为机前压力,系统的输出量。

2.2锅炉负荷协调控制系统耦合模型

锅炉负荷协调控制系统是一种含有多变量的多输入多输出系统[10],并且各输入和输出之间彼此影响、相互耦合。在保证送风量与燃料量相适应、燃烧稳定、给水量与蒸汽流量相平衡、保持汽包水位等条件的基础上,可以把锅炉负荷协调控制系统简化为一个具有双输入、双输出的被控对象[11]。图3虚线框内为其简化数学模型。从图中可以看出,把单元机组协调控制系统等效为一个双输入、双输出的对象时,其动态特性

可以用以下传递函数矩阵来表示

(1)

本实训项目选取300 MW单元机组为研究对象,其在100%负荷点上的动态数学模型的传递函数为

(2)

对应式(1)可知其中:

(5)

(6)

在RSLogix5000中用功能块编程搭建其控制对象的数学模型程序如图4所示。

图4　控制对象的模型程序图

2.3控制系统组态

打开RSLogix Emulate5000,新建一个仿真控制器,选择Emulator RSLogix Emulate5000 Controller,在6槽建立仿真控制器。

锅炉负荷协调控制系统含有两个PID控制器,其中PID1模拟汽轮机控制器,用来调节汽轮机输出发电功率的大小；PID2模拟锅炉控制器,用来调节锅炉主蒸汽压力的大小。两个控制器的参数为PID1:KP=46,KI=0.5,KD=30；PID2:KP=50,KI=0.505,KD=15。其中PID1的参数设置如图5所示。PID2的参数设定同PID1的参数步骤相同。

2.4监控界面设计

RSView人机界面开发软件提供了符合工业控制标准的功能库。通过开放的技术增强了和罗克韦尔软件以及和其他工业组态软件的兼容性[12],主要开发流程如下:

图5　PID1的参数设置

首先,打开RSView32软件,新建一个RSView项目；

其次,建立与仿真处理器之间的通信,RSView32与RSLogix Emulate5000创建的仿真控制器使用OPC方式进行通信。

然后,建立标签并管理。通过Tag Database(标记数据库)建立标签并使用文件夹管理标签。从而采用OPC通信方式,完成了监控界面和控制系统之间的实时数据通信。

最后,创建监控界面图形(见图6),点击Graphics文件夹下的Display,在监控界面上添加趋势图、显示器和各个参数的显示窗口等。

图6　监控界面

系统可以实现以下主要功能:

(1) 锅炉系统曲线监控界面直观地体现设定值、实际值和程序PID模块输出值的变化情况；在输入对话框内输入KP、KI、KD等参数,可以改变RSLogix5000中标签量的值,从而改变控制器中程序的参数配置；

(2) 以曲线形式动态显示锅炉控制系统的趋势图,并通过操作画面查询实时数据和历史数据,实现参数修改和数据实时显示的设计目标；

(3) 本文以300 MW机组100%额定负荷下的功率仿真为例,设机组功率大小不变,对功率进行1 MW阶跃扰动,机前压力保持不变,协调控制系统的机组功率变化和主蒸汽压力变化曲线(见图6)。

由实验结果可知,对功率进行1 MW阶跃扰动,系统输出功率的超调量σ%为0.2 MW,调节时间ts为12 min。主蒸汽压力回路再添加功率扰动后有小幅振荡,但是在PID的调解下很快恢复稳定。实验结果表明,锅炉负载协调控制系统不仅能适应外界电网负荷的快速变化,而且机组的稳定性能也非常好。

3　总结

本实训项目用RSLogix5000编写程序,用功能块搭建控制对象数学模型,用RSLogix Emulate5000建立了仿真控制器,用RSView32创建监控界面、绘制趋势图、模拟仿真运行,RSLinx完成各软件之间的通信,是研究设计大型工业控制系统的良好方法。实验室的Rockwell系列软件平台为自动化专业学生提供了工程实践的平台,实训项目以此为依托,遵循工业开发流程,从模型分析、控制系统设计和监控画面设计完成了工程实训,培养了学生的工程实践能力和创新能力,为学生学习先进的自动化技术提供了良好平台。

References)

[1] 白政民,王武,葛瑜.自动化专业综合性实验模式探讨[J].实验技术与管理,2010,27(2):164-166.

[2] 姜萍,宗晓萍,李帅.过程控制综合实训平台的设计[J].实验室研究与探索,2013,32(8):93-96.

[3] 李位星,高岩.自动化专业研究生课题研究型实验课程建设[J].实验技术与管理,2010,27(7):145-147.

[4] 张安富,刘兴凤.实施“卓越工程师教育培养计划”的思考[J].高等工程教育研究,2010(4):56-59.

[5] 王倪珂,孟玲霞,韩凤霞.基于自主学习创新能力培养的工程实践平台构建探究[J].中国电力教育,2013(34):174-175.

[6] 付坤,周晓勤,凌振宝,等.基于创新人才培养的高校工科类专业新常态实践教学探索[J].实验技术与管理,2015,32(10):18-21.

[7] 易灿南,胡鸿,廖可兵,等.基于“三重一高”的工科专业实践教学体系构建与实践:以安全工程专业实践教学为例[J].中国安全生产科学技术,2014,10(2):190-195.

[8] 邓李.ControlLogix系统实用手册[M].北京:机械工业出版社,2008.

[9] 宋新立,王成山,刘涛,等.电力系统全过程动态仿真中的机炉协调控制系统模型研究[J].中国电机工程学报,2013,33(25):167-172.

[10] 安克.超临界火电机组协调控制分析[D].北京:华北电力大学,2012.

[11] 江建锋,潘维加.300MW单元机组机炉协调控制系统的仿真研究[J].长沙理工大学学报:自然科学版,2005,2(1):49-55.

[12] 朱万浩,方昌始.基于RSView的污水处理监控系统设计[J].自动化与仪器仪表,2013(3):50-52.

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

河北大学实验室开放项目(sy2015048)；保定市科技项目(15ZG013)；河北大学自然科学研究计划项目(2012-240)

姜萍(1971—),女,云南晋宁,博士,副教授,自动化系副主任,主要研究方向为复杂工业过程的建模与智能控制.

TP273

A

1002-4956(2016)6-0108-04