PLC軟冗余在鍋爐自動控制系統中的應用分析

劉贊贊

摘 要：隨著工業自動化控制系統的發展，PLC軟冗余在鍋爐電氣自動控制方面的應用越來越廣泛，越來越成熟。主要從鍋爐水位、優燃控制等幾個方面闡述了軟冗余在鍋爐自動控制方面的有效應用，對鍋爐實現節能安全穩定運行具有十分重要的意義。

關鍵詞：PLC軟冗余；基本構成；工作原理

Abstract： with the development of industrial automation control system， PLC software redundancy in boiler automatic control is more and more widely， more and more mature. This article mainly from the water level of boiler， and combustion control aspects of the effective application of the soft redundancy in the automatic control of boiler， have very important meanings for the boiler to achieve safe and stable operation and energy saving.

Keywords： PLC soft redundant； boiler automatic control system； application

隨著工業自動化的發展，工業部門對生產設備及控制系統的可靠性也提出了更高的要求，僅僅通過提高單件硬件的可靠性已經不能滿足特殊部門對可靠性的要求，所以提高系統的可靠性成為人們共同研究的話題。為了提高系統的穩定性，鍋爐控制系統工業生產領域和產品設計中，采用冗余技術提高系統穩定性的做法越來越普遍，常規的冗余是采用增加元件的方式來參與控制，以期能夠將設備因意外而導致的鍋爐停機風險降到最低。PLC軟冗余是西門子實現冗余功能的低成本解決方案，它是在硬件冗余的基礎上通過軟件程序設計實現硬件系統的在線切換，但程序處理需要一定的時間，對于時鐘同步及切換時間要求不是十分嚴格的場合，選用軟件冗余方式還是非常經濟有效的。

一、PLC軟冗余控制系統的基本構成

1.PLC軟冗余的基本構成

西門子軟件冗余系統的軟件、硬件包括：1套STEP7編程軟件加軟件冗余包；2套PLC控制器及I/O模塊，可以是S7-300或S7-400系統；3條通訊鏈路，主系統與從站通訊鏈路（PROFIBUS1）、備用系統與從站通訊鏈路（PROFIBUS2）、主系統與備用系統的數據同步通訊鏈路（MPI或PROFIBUS或Ethernet）；若干個ET200M從站，每個從站包括2個IM153-2接口模塊和若干個I/0模塊；除此之外，還需要一些相關的附件用于編程和上位機監控的PC-Adapter（連接在計算機串口）或CP5611（插在主板上的PCI槽上）或CP5511（插在主板上的PCMIA槽上）、PROFIBUS電纜、PROFIBUS總線連接器等。

2.軟冗余系統的工作原理

在軟冗余系統進行工作時，主、備控制系統（處理器、通訊、I/O）獨立運行，由主系統的PLC掌握對ET200從站中的I/O控制權。主、備系統中的PLC程序由非冗余用戶程序段和冗余用戶程序段組成。主系統PLC執行全部的用戶程序，備用系統PLC只執行非冗余用戶程序段。

二、軟冗余系統在鍋爐應用方面的配置及保護

1.軟冗余系統的優點

軟冗余系統的平均壽命比單個系統的平均壽命延長了1.5倍，大大提高了系統的可靠性。加上組成軟冗余系統所花費的費用比硬件冗余系統低，并且能夠很好地滿足系統可靠性要求。除此之外，軟冗余系統還能及時發現故障、及時主備切換達到不停機的目的。

2.基于軟冗余系統鍋爐電氣自動控制配置

鍋爐控制系統是利用SIEMENS公司成熟的軟冗余技術，結合最新推出的新一代硬件產品所建立可靠性高、模塊化、可擴充能力及容錯性較好的控制系統。不但使用了最新的硬件，同時在網絡、硬件、軟件等各個方面進行了冗余設計。

鍋爐冗余控制系統采用了SIEMENS公司S7-300系列PLC，每站皆采用雙CPU、雙電源模塊、雙以太網通訊模塊，下接冗余的ET200子站，實現PLC處理器冗余、背板總線冗余、PROFIBUS現場總線網絡冗余（包括通訊接口、總線接頭、總線電纜冗余）、ET200子站的通訊接口模塊IM153-2冗余。在該系統配置中，雙電源冗余可以實現自動平衡負載電流，提高了系統的供電可靠性。網絡冗余采用了工業以太網進行通訊，當網絡上某一段出現故障時仍能正常通訊。

上位機監控軟件采用了WINCC6.0，采用了當前最先進的技術，組態功能強大，畫面動態連接多樣，同時具有C/VBA腳本編輯功能，可通過腳本實現更加靈活強大的功能。體現了良好的通用性、靈活性。尤其是在與SIEMENS PLC組成監控系統時，優點尤為明顯，通訊配置方便，性能穩定，同時內置了對SIEMENS PLC軟冗余、硬冗余的支持，僅須進行簡單的設置而無須編寫腳本即可實現與冗余PLC的通訊切換。

整個鍋爐自控系統架構清晰明了，同時實現了網絡、PLC系統的冗余功能，大大提高了系統的可靠性。

三、軟冗余鍋爐自動控制系統保護

鍋爐房控制系統設計遵循先進、可靠、安全、經濟、適用、開放的原則。控制系統可以采用可編程控制器PLC軟冗余系統，實現鍋爐及輔機的熱工控制、電氣檢測、連鎖保護、自動控制等。系統交付使用后控制室通過計算機系統對鍋爐房生產過程進行集中監控，實現輸煤系統、鍋爐水位和系統供熱優燃自動化，確保鍋爐及輔機系統長期、可靠、經濟、安全地運行。

1.鼓引風機及燃料供應電氣連鎖

通過PLC軟件編程實現鍋爐啟爐程序：引風機—鼓風機—爐排減速機。停爐程序：爐排減速機—鼓風機—引風機。當啟爐、停爐程序工作時會發出相應的程序運行信號，PLC軟冗余程序會自動解除與就地操作裝置的連鎖。

2.上煤系統電氣連鎖

在軟件編程時上煤程序實現如下啟動順序：配煤帶式輸送機—斗式提升機—上煤帶式輸送機—給煤機。停煤程序：給煤機—上煤帶式輸送機—斗式提升機—配煤帶式輸送機。

3.水位連鎖保護

基于PLC冗余控制系統在處理水位變化方面實現了較好的自動控制。該系統設置了因壓力大小導致水位偏高或偏低的聲光報警裝置和因水位偏低而停爐熱工連鎖保護功能。尤其是汽包水位控制設計方案依據給水流量、汽包液位和蒸汽流量調節給水閥，從而保護鍋爐水位的穩定。

4.優燃燒自動控制

燃燒調節鍋爐燃燒系統調節的主要任務是保證供水溫度的穩定，同時保證鍋爐的安全運行及經濟燃燒。自控系統根據爐膛溫度的變化和煙氣含氧量的變化自動實時調整風—煤比以至最佳，達到經濟燃燒。控制系統處于自動方式而不需人工干預。

5.爐膛負壓控制

鍋爐正常運行時，爐膛壓力必須保持在規定的范圍之內。在負壓操作中，如果負壓偏正，則鍋爐爐膛局部地區容易噴火，不利于安全生產以及環境衛生；但是如果負壓過大，漏風嚴重，會導致總風量增加，煙氣熱損失增大，這樣會不利于經濟燃燒。爐膛負壓控制采用爐膛負壓前饋—反饋控制系統，用鼓風調節輸出作為前饋信號，這樣可使引風量隨著鼓風量的變化提前作相應的調整，使爐膛負壓始終保持在一定負壓上，維持整個燃燒系統的穩定性。

基于PLC冗余系統的鍋爐自控系統具有多重優勢，最主要的是促使復雜的鍋爐控制流程能夠清晰地、實時地顯示在PLC監控屏幕上，并且該控制系統工作穩定，可靠性和自動化程度較高，操作靈活方便，大大減輕了工人的勞動強度，并且改善了工人的工作環境。

參考文獻：

[1]馬伯淵，呂京梅，張志同.PLC軟冗余系統性能分析電力自動化設備，2009，29（2）.

[2]浙江大學自動化中心.可編程序控制器系統[M].浙江大學出版社，2000.

[3]張磊.淺析鍋爐自動控制系統的實現[J].信息技術，2009（8）.

（作者單位 太原鍋爐集團自控設備廠）

編輯 李建軍