基于PCS7的鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 捷 艾 紅

(1.北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144；2.北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192)

鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)和民用生活領(lǐng)域的重要設(shè)備[1]，它是一個(gè)多輸入、多輸出、強(qiáng)非線(xiàn)性和強(qiáng)耦合的動(dòng)態(tài)對(duì)象，具有多個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)、被調(diào)參和擾動(dòng)參數(shù)，改變其中任一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)，將會(huì)影響到其他幾個(gè)被調(diào)量。鍋爐控制系統(tǒng)主要包括液位控制、壓力控制、溫度控制和流量控制，可以分為除氧器控制系統(tǒng)、燃燒控制系統(tǒng)、上汽包液位控制系統(tǒng)及爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)等。鍋爐控制系統(tǒng)的主要指標(biāo)是過(guò)熱蒸汽的最終溫度和壓力，其中過(guò)熱蒸汽的最終溫度至關(guān)重要，主要受燃燒狀況影響，同時(shí)軟化水吸收熱量需要一個(gè)過(guò)程，因此過(guò)熱蒸汽的最終溫度和壓力具有一定的滯后性，響應(yīng)速度較慢。化工生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制設(shè)備的要求比較高，若控制規(guī)模較大，控制器點(diǎn)數(shù)較多，則需采用集散控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制，目前可以采用PLC及工控機(jī)等，筆者采用集散控制系統(tǒng)PCS7對(duì)SMPT-1000鍋爐進(jìn)行系統(tǒng)控制[2,3]。

1 除氧器與上水流量控制①

1.1 除氧器液位控制

在鍋爐系統(tǒng)中，除氧器的主要作用是除去鍋爐給水中的氧氣和其他不凝結(jié)氣體，保證給水品質(zhì)。若水中溶解氧氣，會(huì)腐蝕與水接觸的金屬，威脅設(shè)備的安全運(yùn)行；同時(shí)，熱交換器中若有氣體聚積，將增加傳熱熱阻，降低設(shè)備的傳熱效果。除氧器也具有儲(chǔ)水作用，當(dāng)軟化水的供給出現(xiàn)故障時(shí)，除氧器中的水可以起到緩沖作用，不至于使鍋爐立即斷水，造成鍋爐水迅速蒸發(fā)，以致鍋爐干燒、爆炸，造成安全事故。

為了保證除氧器能夠?yàn)楹笮蚬に囂峁┓弦蟮乃仨毐ＷC其除氧功能。在除氧器單元，除氧器的流出量是不能控制的，液位的控制只能從流入量的控制來(lái)考慮，且除氧蒸汽冷凝對(duì)液位的影響不大，因此除氧器的液位控制采用單回路控制。將液位變送器檢測(cè)出來(lái)的值與設(shè)定值的差值傳至液位調(diào)節(jié)器，經(jīng)液位調(diào)節(jié)器的處理后輸出控制量給調(diào)節(jié)閥，從而調(diào)節(jié)流入量使液位穩(wěn)定在設(shè)定值。為了除去軟化水中的溶解氧，除氧蒸汽的流量應(yīng)隨軟化水流量的變化而變化。

1.2 上水流量控制

上水閥是上水流量的主控制閥，其控制效果將直接影響后續(xù)的控制效果。未進(jìn)入正常工況時(shí)，上水流量往往采用旁路閥手動(dòng)調(diào)節(jié)，目的是做到小流量上水，使鍋爐能夠均勻接收水量，以免因受力不均勻而導(dǎo)致鍋爐損壞。正常工況時(shí)，鍋爐的上水流量是受最終蒸汽量控制的，根據(jù)物料守恒原理，上水流量應(yīng)和鍋爐系統(tǒng)最終輸出的蒸汽量的一致。鍋爐系統(tǒng)最終輸出符合要求的蒸汽量往往是不固定的，而是根據(jù)客戶(hù)或下一工序的需要而作調(diào)整。

上水量的符號(hào)定向圖(SDG圖)如圖1所示，影響上水流量的主要因素是用戶(hù)所需的蒸汽量，因此選擇用戶(hù)所需的蒸汽量為控制變量，上水流量為被控參數(shù)。考慮到過(guò)熱蒸汽流量不可控，且由于空氣流量存在脈動(dòng)，被調(diào)量反應(yīng)太靈敏會(huì)出現(xiàn)激烈跳動(dòng)，因此需采用阻尼器進(jìn)行濾波，濾除高頻脈動(dòng)，保持控制系統(tǒng)平穩(wěn)。由于總上水閥受蒸汽流量控制，反應(yīng)比較靈敏，在剛開(kāi)車(chē)時(shí)為了縮短時(shí)間，從安全等方面考慮，選擇總上水閥為快開(kāi)特性的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，且為氣關(guān)方式。

圖1 上水流量SDG圖

1.3 除氧器壓力控制

水中溶解有任何氣體都是不利的，尤其是氧氣將直接威脅設(shè)備的運(yùn)行安全，為了防止事故發(fā)生，保證良好的除氧效果，需要對(duì)除氧器壓力進(jìn)行控制。除氧器壓力主要由蒸汽產(chǎn)生，在液位保持穩(wěn)定的情況下，除氧器壓力與除氧蒸汽流量有關(guān)，進(jìn)入除氧器的蒸汽流量越大，除氧器內(nèi)部的壓力久越大。除氧器壓力響應(yīng)速度較快，時(shí)間常數(shù)不大，一般不采用微分作用，但要求除氧器壓力消除余差，因此引入積分作用，采用比例積分PI控制器[4]。

圖2是基于PCS7的鍋爐控制系統(tǒng)除氧器壓力控制連續(xù)功能圖，測(cè)量的蒸汽流量值通過(guò)驅(qū)動(dòng)輸入除氧器壓力控制，除氧器壓力控制器的輸出通過(guò)驅(qū)動(dòng)傳給壓力調(diào)節(jié)閥，通過(guò)反饋控制方法控制除氧器壓力。PCS7中CTRL_PID(FB61)塊是連續(xù)型PID控制器，用于給定值控制、串級(jí)控制和比例控制，工作模式為手動(dòng)、自動(dòng)或者跟蹤，可以單獨(dú)激活或取消比例、積分和微分作用。CTRL_PID塊中GAIN是比例，TN是積分時(shí)間常數(shù)，TV是微分時(shí)間常數(shù)，PV_IN是過(guò)程值，SP_EXT是外部輸入/程序輸入的設(shè)定值，SPEXTHLM是外給定SP的高限，SPEXTLLM是外給定SP的低限。SPEXON_L是程序里選擇SP內(nèi)給定/外給定的開(kāi)關(guān)，AUT_L是程序選擇手動(dòng)/自動(dòng)的開(kāi)關(guān)。LMNR_IN是PID輸出的反饋，LMN是PID調(diào)節(jié)輸出，ER是偏差SP-PV，NM_LMNHR是 PID調(diào)節(jié)輸出高限，NM_LMNLR是 PID調(diào)節(jié)輸出低限，NM_PVHR是過(guò)程值PV的高限，NM_PVLR是過(guò)程值PV的低限。

圖2 除氧器壓力控制連續(xù)功能圖

2 鍋爐擋煙板控制

擋煙板的控制效果對(duì)爐壓和排除煙氣的含氧量有影響，直接關(guān)系到生產(chǎn)安全和減排、環(huán)保指標(biāo)，且爐壓與排除煙氣的含氧量之間存在耦合關(guān)系，如風(fēng)量直接影響爐壓，同時(shí)又影響煙氣排除時(shí)的含氧量。

擋煙板環(huán)節(jié)的SDG圖如圖3所示，圖3中煙道擋板的開(kāi)度主要影響爐壓、煙氣含氧量及煙氣溫度等，出于安全考慮，應(yīng)首先考慮爐壓的穩(wěn)定，選擇爐壓作為煙道擋板處的被控參數(shù)。煙道擋板作為爐壓的主要控制單元，保證了爐壓的穩(wěn)定，即生產(chǎn)安全。同時(shí)在燃油系統(tǒng)中要很好地解決煙氣含氧量的問(wèn)題，由于燃油系統(tǒng)中風(fēng)量和燃油的比值K并不是一成不變的，而是根據(jù)煙氣含氧量來(lái)確定的，當(dāng)煙氣含氧量偏高，K值就適當(dāng)?shù)販p小，當(dāng)煙氣含氧量偏低，K值就適當(dāng)增大，以保證煙氣含氧量在要求范圍之內(nèi)，使燃料充分燃燒。因此，選擇煙道擋板開(kāi)度作為控制變量來(lái)控制爐壓。

圖3 煙道擋板SDG圖

爐膛壓力控制單元主要通過(guò)調(diào)節(jié)煙道的引風(fēng)量將爐膛壓力控制在設(shè)定值，保證人身、設(shè)備的安全和鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由于空氣流量存在脈動(dòng)，被調(diào)量反應(yīng)太靈敏會(huì)出現(xiàn)激烈跳動(dòng)，因此采用阻尼器進(jìn)行濾波，濾除高頻脈動(dòng)，保持控制系統(tǒng)平穩(wěn)。爐膛壓力是送風(fēng)量與引風(fēng)量之間平衡關(guān)系的反應(yīng)，為了提高控制質(zhì)量，對(duì)爐膛壓力的主要擾動(dòng)(即送風(fēng)量)進(jìn)行前饋補(bǔ)償。爐膛壓力控制方案采用前饋-反饋控制回路(圖4)，為了保證安全，在緊急情況下全開(kāi)煙道擋板。前饋控制支路主要起到加快調(diào)節(jié)的作用，前饋調(diào)節(jié)器控制規(guī)律選擇P調(diào)節(jié)；為保證精度和穩(wěn)定性，反饋控制回路的控制器選擇PID控制規(guī)律。

圖4 爐膛壓力控制框圖

3 過(guò)熱蒸汽壓力-燃料流量串級(jí)控制

過(guò)熱蒸汽壓力是蒸汽供需平衡的標(biāo)志，通常隨需求的變化而變化。在鍋爐控制系統(tǒng)中，為了保證過(guò)熱蒸汽壓力穩(wěn)定，滿(mǎn)足下游生產(chǎn)設(shè)備的工藝要求，需要對(duì)其進(jìn)行控制。蒸汽壓力的主要擾動(dòng)是蒸汽負(fù)荷的變化與燃料量的波動(dòng)，當(dāng)這兩項(xiàng)主要干擾波動(dòng)較小時(shí)，可以采用蒸汽壓力控制燃料量的單回路控制系統(tǒng)；而當(dāng)燃料量波動(dòng)較大時(shí)，為了使過(guò)熱蒸汽壓力穩(wěn)定在目標(biāo)壓力，必須保證燃料能夠充分燃燒，釋放出足夠的能量，可以采用串級(jí)控制系統(tǒng)。在過(guò)熱蒸汽壓力串級(jí)控制系統(tǒng)中，過(guò)熱蒸汽壓力控制回路為主回路，過(guò)熱蒸汽壓力是主被控變量；燃料流量控制回路為副回路，燃料流量是副被控變量。過(guò)熱蒸汽壓力-燃料流量串級(jí)控制系統(tǒng)中，副控制器不需要有微分作用，因?yàn)橛形⒎肿饔脮r(shí)，一旦主控制器和輸出稍有變化，調(diào)節(jié)閥就將大幅度變化，不利于控制。副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，副回路的給定值隨主控制器輸出的變化而變化，為了能快速跟蹤，副控制器最好不帶積分作用，因?yàn)榉e分作用會(huì)使跟蹤變得緩慢[5]。過(guò)熱蒸汽壓力-燃料流量串級(jí)控制系統(tǒng)CFC圖如圖5所示。

圖5中PT1104 是過(guò)熱蒸汽壓力，F(xiàn)T1103是燃料流量，V1104 是燃料管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥。將兩個(gè)CH_AI塊、兩個(gè)CTRL_PID塊和一個(gè)CH_AO塊分別從PCS7 Libraries中拖拽到CFC圖表編輯區(qū)，將兩個(gè)CH_AI塊分別改名為過(guò)熱蒸汽壓力PI1104和燃料流量FI1103，將兩個(gè)CTRL_PID塊分別改名為PIC1104和FIC1103，將CH_AO塊改名為V1104。將CTRL_PID 塊、CH_AI 塊和CH_AO 塊的相應(yīng)變量互相連接，同時(shí)為CH_AI 塊和CH_AO 塊組態(tài)外部I/O。

PI1104 的CH_AI 塊的輸出變量V與PIC1104 的CTRL_PID 塊的輸入變量PV_IN相連，F(xiàn)I1103 的CH_AI 塊的輸出變量V與FIC1103 的CTRL_PID 塊的輸入變量PV_IN相連，PIC1104 的CTRL_PID 塊的輸出變量LMN與FIC1103 的CTRL_PID塊的輸入變量SP_EXT相連，F(xiàn)IC1103 的CTRL_PID 塊的輸出變量LMN與CH_AO 塊的輸入變量V相連。PI1104 的CH_AI 塊的輸入變量VALUE關(guān)聯(lián)位號(hào)為P1104 的硬件地址，F(xiàn)I1103 的CH_AI 塊的輸入變量VALUE關(guān)聯(lián)位號(hào)為F1103 的硬件地址，CH_AO 塊的輸出變量VALUE關(guān)聯(lián)位號(hào)為V1104 的硬件地址。

4 SMPT-1000鍋爐控制對(duì)象

SMPT-1000鍋爐對(duì)象支持6種控制方式：手操、內(nèi)控、模擬量信號(hào)、ProfiBus DP、OPC和程序控制。通過(guò)流程盤(pán)臺(tái)底端提供的ProfiBus DP 接口，與支持ProfiBus DP 通信協(xié)議的外部控制器SIMATIC PCS7進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

SMPT-1000使用泓格i-7550 模塊對(duì)外提供ProfiBus DP通信接口。若要使SMPT-1000 與PCS7 通信成功，需對(duì)泓格i-7550 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制和定義發(fā)送字節(jié)數(shù)量設(shè)置。泓格i-7550 模塊在系統(tǒng)設(shè)置的輸出模組中，利用首字節(jié)QB0取值的變化觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制，發(fā)送字節(jié)的數(shù)量在第3個(gè)字節(jié)QB2 中定義。

圖5 串級(jí)控制系統(tǒng)CFC圖

QB0 的數(shù)據(jù)每變化一次會(huì)發(fā)送一批數(shù)據(jù)到i-7550 模塊，因此可以使QB0 的最低位Q0.0 按照0→1→0→1→…的規(guī)律變化，從而觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制。例如系統(tǒng)設(shè)置輸入模組的第3個(gè)字節(jié)IB2 用于存放接收計(jì)數(shù)，其最低位I2.0 的值按照0→1→0→1→…的規(guī)律變化。可以在CFC 中添加一個(gè)DI 模塊和一個(gè)DO 模塊，DI 模塊的外部輸入取地址I2.0，DO 模塊的外部輸出取地址Q(chēng)0.0，DI 模塊的輸出端連接到DO 模塊的輸入端。

SMPT-1000 發(fā)送的字節(jié)數(shù)量為30，如在變量表中添加變量QB2，將修改值修改為B#16#1E，即十進(jìn)制30。變量表在組件視圖的文件夾中添加。

5 OS組態(tài)操作功能

WinCC是可視化的組態(tài)軟件，包含在單個(gè)或多個(gè)站操作中快速實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的可視化任務(wù)，是編輯操作員站(OS)的軟件平臺(tái)。自動(dòng)化系統(tǒng)(AS)用于開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制過(guò)程，OS 從AS 讀取過(guò)程值，在過(guò)程界面中以圖形的形式顯示這些值。在SIMATIC管理器中組態(tài)完所有數(shù)據(jù)后，WinCC項(xiàng)目管理器開(kāi)始組態(tài)OS數(shù)據(jù)前，需先編譯OS，使OS了解所有來(lái)自SIMATIC管理器的數(shù)據(jù)(如變量、消息、文本、硬件和連接組態(tài))。工廠(chǎng)操作員可在組態(tài)軟件的運(yùn)行模式下在OS上操作并監(jiān)視過(guò)程。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)SMPT-1000鍋爐的基本工藝要求，將PCS7應(yīng)用于鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)其基本控制方案。除氧器液位采用單回路控制，上水流量采用旁路閥手動(dòng)調(diào)節(jié)，除氧器壓力采用比例積分PI控制器，爐膛壓力控制采用前饋-反饋控制方案，過(guò)熱蒸汽壓力-燃料流量采用串級(jí)控制。SMPT-1000鍋爐控制對(duì)象采用泓格i-7550 模塊對(duì)外提供ProfiBus DP通信接口，利用QB0觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制，在QB2中定義發(fā)送字節(jié)數(shù)量。應(yīng)用OS組態(tài)操作功能實(shí)現(xiàn)鍋爐系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。實(shí)踐表明該系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，很好地實(shí)現(xiàn)了鍋爐系統(tǒng)的控制。

[1] 楊宣進(jìn)，劉曉宇.循環(huán)流化床鍋爐吊掛管短期爆管原因分析[J].化工機(jī)械，2012，39(1)：91～95.

[2] 倪曉杰，馬彥霞，薄翠梅，等. 基于PCS7 的鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J]. 控制工程，2011，18(6)：927～930.

[3] 鄭君娜，李從江. 西門(mén)子SIMATIC PCS7系統(tǒng)在連蒸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 輕工機(jī)械，2008，26(5)：46～49.

[4] 齊飛. SIMATIC PCS7 在混合液體分離系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27(5)：63～66.

[5] 鄧劍宏，莊誠(chéng)，張喜東，等. 基于PCS7的并列運(yùn)行鍋爐燃燒控制系統(tǒng)[J]. 控制工程，2006，13(z)：33～35,169.