基于PCS 7的過程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計

史冬琳，門 洪，李 峰，劉劍釗

（東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院，吉林 132012）

火力發(fā)電廠熱工過程自動控制主要指鍋爐、汽輪機(jī)及其輔助設(shè)備運(yùn)行的自動控制。隨著鍋爐不斷向大容量、高參數(shù)發(fā)展以及直流鍋爐的應(yīng)用，就對實(shí)現(xiàn)自動控制有了迫切要求，而且鍋爐的自動控制系統(tǒng)也更加復(fù)雜，所以一般討論電廠熱工過程的自動控制時，主要是針對鍋爐而言[1]。實(shí)際鍋爐的綜合自動控制研究存在著高溫、高壓、強(qiáng)非線性等問題，要解決實(shí)際生產(chǎn)過程中的復(fù)雜工況，則成為鍋爐綜合控制實(shí)驗(yàn)的一道難題。

通過西門子過程控制系統(tǒng)PCS 7中連續(xù)功能圖（CFC）和順序功能圖（SFC）組態(tài)各種功能塊，實(shí)現(xiàn)了對變量的控制并達(dá)到工藝要求；同時使用圖形編輯器WinCC完成對操作員站的組態(tài)，基于多種生產(chǎn)工藝過程的仿真系統(tǒng)SMPT1000實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)控。文獻(xiàn)[2]針對硫化促進(jìn)劑M制備的工藝流程，采用專家規(guī)則控制器為主控制器、PID控制器為副控制器的串級控制進(jìn)行溫度分段控制，可穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到較好的控制效果；文獻(xiàn)[3]基于SIMATIC PCS 7 BOX完成對間歇過程的開車順序控制，采用STEP 7的梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)順序控制，能夠較好地完成化工過程控制的實(shí)驗(yàn)任務(wù)；文獻(xiàn)[4]制定了鍋爐燃燒系統(tǒng)、汽包水位系統(tǒng)、蒸汽溫度等系統(tǒng)的控制策略，所設(shè)計的方案能夠很好地滿足生產(chǎn)、安全等指標(biāo)，具有很強(qiáng)的工業(yè)實(shí)用性。但是為了模擬最真實(shí)的鍋爐生產(chǎn)過程，有必要實(shí)現(xiàn)從開車到自動運(yùn)行的全過程控制。綜上所述，考慮到所研究的工藝、控制方式的差異性，為了達(dá)到研究鍋爐綜合全過程控制的目的，同時培養(yǎng)學(xué)生對過程控制的深入理解，充分利用西門子過程控制系統(tǒng)PCS 7及SMPT1000，本文設(shè)計并且實(shí)現(xiàn)了火電廠鍋爐綜合自動控制系統(tǒng)。

1 工藝流程

SMPT 1000包括多種生產(chǎn)工藝過程的仿真系統(tǒng)，由廠家提供的包括6種生產(chǎn)工藝過程：非線性液位與離心泵系統(tǒng)工藝流程、動力除氧系統(tǒng)工藝流程、高階換熱系統(tǒng)工藝流程、加熱爐工藝流程、鍋爐系統(tǒng)工藝流程、蒸發(fā)器工藝流程，而本文的鍋爐系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

軟化水經(jīng)給水泵P1101泵出，分成2路，一路給水去減溫器E1101，與過熱蒸汽換熱，然后與另一路給水混合進(jìn)入省煤器E1102。去減溫器E1101的鍋爐給水用于調(diào)整過熱蒸汽的溫度，同時也對鍋爐給水進(jìn)行預(yù)熱。正常工況時，大部分鍋爐給水直接流向省煤器，小部分鍋爐給水流向減溫器。省煤器E1102由多段盤管組成，燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾陨隙峦ㄟ^管間，與管內(nèi)的鍋爐給水換熱，回收煙氣中的余熱，并使鍋爐給水進(jìn)一步預(yù)熱。

被煙氣加熱成飽和水的鍋爐給水全部進(jìn)入汽包V1102，再經(jīng)過對流管束和下降管進(jìn)入鍋爐水冷壁，吸收爐膛輻射熱在水冷壁里變成汽水混合物，然后返回汽包V1102進(jìn)行汽水分離。鍋爐汽包為臥式圓筒形承壓容器，內(nèi)部裝有給水分布槽、汽水分離器等。汽水分離是汽包的重要作用之一，汽包V1102頂部設(shè)放空閥XV1104，分離出的飽和蒸汽再次進(jìn)入爐膛F1101進(jìn)行汽相升溫，成為過熱蒸汽。出爐膛的過熱蒸汽進(jìn)入減溫器E1101殼程，進(jìn)行溫度微調(diào)并為鍋爐給水預(yù)熱，最后以工藝所要求的過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度輸送給下游生產(chǎn)過程。過熱蒸汽出口管線上設(shè)開關(guān)閥XV1105。

燃料經(jīng)由燃料泵P1102泵入爐膛F1101的燃燒器，空氣經(jīng)變頻鼓風(fēng)機(jī)K1101送入燃燒器。燃料與空氣在燃燒器混合燃燒，產(chǎn)生熱量使鍋爐水汽化。燃燒產(chǎn)生的煙氣帶有大量余熱，對省煤器E1102中的鍋爐給水進(jìn)行預(yù)熱。煙氣經(jīng)由煙道，靠煙囪的抽力抽出，通入大氣[5]。

2 鍋爐綜合控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制實(shí)驗(yàn)平臺

PCS7使用的主控器是SIMATIC S7-400系列CPU，型號為412-3H，屬于SIMATIC S7系列的高端產(chǎn)品，滿足高端性能要求。內(nèi)置Profibus DP接口，用于連接分布式I/O。其他模塊分別為型號UR2的機(jī)架，407-10A的電源模塊，CP443-1的通信模塊以及泗博PM-125的適配器。

上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)連接到PLC的CP模塊，PLC的CPU通過Profibus DP連接SMPT1000，SMPT1000中的PM125實(shí)現(xiàn)了串口與PROFIBUSDP之間的數(shù)據(jù)通信，完成整體硬件通訊。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

以PCS 7中的CFC、SFC、WinCC等部分應(yīng)用程序，組態(tài)一個鍋爐綜合控制的PCS 7工程。CFC可將塊放置在功能圖上、為它們分配參數(shù)并將它們互連起來，創(chuàng)建CPU的整個軟件結(jié)構(gòu)。SFC可創(chuàng)建和調(diào)試工藝順序控制系統(tǒng)。WINCC可編輯要在操作員站上顯示給操作員并用于過程控制的仿真圖形?？稍趧?chuàng)建過程畫面時自動插入所有塊圖標(biāo) （清晰、圖形化的測量點(diǎn)表示）。另外，WinCC還可以歸檔過程值，歸檔消息和報警，設(shè)計過程值或消息的打印輸出布局，通過OPC訪問PCS 7數(shù)據(jù)[6]。

控制系統(tǒng)主要包括過熱蒸汽出口溫度、壓力、流量控制系統(tǒng)，燃料和送風(fēng)控制系統(tǒng)以及給水控制系統(tǒng)。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解多種鍋爐綜合控制方案，包括大型火電站鍋爐飛灰含碳量的控制、鍋爐的優(yōu)化運(yùn)行、機(jī)組負(fù)荷等主要運(yùn)行參數(shù)控制、工業(yè)煤粉鍋爐燃燒的經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制、智能控制三方面的控制方法總結(jié)及優(yōu)缺點(diǎn)分析[7-10]，最終確定如下控制方案。

燃燒控制要求控制燃料和空氣的配比，以達(dá)到充分燃燒。應(yīng)該滿足燃料和空氣的比值，考慮到不同的負(fù)荷下，燃料和空氣的比值可能不同，采用含有氧量校正的串級比值控制，主、副控制器控制規(guī)律均為PI。被控變量為送風(fēng)量，操控變量為送風(fēng)機(jī)閥門開度。CFC組態(tài)的燃燒控制回路以送風(fēng)量FI1104為輸入信號，燃油流量FI1103通過比例模塊與送風(fēng)量FI1104實(shí)現(xiàn)風(fēng)煤比的控制，送風(fēng)閥門K1101為輸出信號。

給水控制要求與蒸汽產(chǎn)量匹配，以控制鍋爐汽包內(nèi)水的儲量，主、副控制器控制規(guī)律為PI。采用串級三沖量控制。被控變量為汽包水位，操控變量為給水流量，給水三沖量前饋-串級控制回路以汽包上水流量FI1101、汽包液位LI1102、過熱蒸汽出口流量FI1105為輸入信號，上水閥FV1101為輸出信號。

過熱蒸汽出口壓力控制要求能夠根據(jù)負(fù)荷的變化控制蒸汽壓力。采用串級控制，主控制器控制規(guī)律為PID，副控制器控制規(guī)律為PI。被控變量為過熱蒸汽出口壓力，操控變量為燃料量，過熱蒸汽出口壓力-燃油流量串級控制回路以燃油流量FI1103、過熱蒸汽出口壓力PI1104為輸入信號，燃油調(diào)節(jié)閥FV1104為輸出信號，燃油流量FI1103通過AI模塊采集后連接至燃燒控制回路中的比例模塊，以此實(shí)現(xiàn)風(fēng)煤比控制。

過熱蒸汽出口溫度控制要求精確控制蒸汽溫度。溫度控制回路設(shè)計簡單，采用單回路控制，控制器規(guī)律為PID。被控變量過熱蒸汽出口溫度，操控變量為減溫水量，過熱蒸汽出口溫度控制回路以過熱蒸汽出口溫度TI1104為輸入信號，減溫閥FV1103為輸出信號。

過熱蒸汽出口流量控制要求能夠控制并且調(diào)節(jié)過熱蒸汽出口流量。只需控制該調(diào)節(jié)閥一個控制變量，使用單回路控制系統(tǒng)即可滿足流量的控制和快速調(diào)節(jié)的需求，控制器規(guī)律為PI。被控變量過熱蒸汽出口流量，操控變量為流量調(diào)節(jié)閥閥門開度，過熱蒸汽流量控制回路中輸入信號為熱蒸汽流量FI1105，過熱蒸汽流量控制閥FV1105為輸出信號。

開車順序控制系統(tǒng)設(shè)計：利用PCS 7中的SFC（順序控制）完成開車部分的要求[11]：（1）啟動前檢查所有的閥門、泵、鼓風(fēng)機(jī)均處于關(guān)閉狀態(tài)；（2）打開汽包頂部放空閥XV1104；（3）啟動給水泵P1101，確保鍋爐上水管線暢通，使給水流量達(dá)到最小流量要求；（4）建立汽包水位，使其維持在 50%左右；（5）確保煙道暢通，啟動鼓風(fēng)機(jī)K1101；（6）啟動燃料泵P1102，確保燃料管線暢通，為鍋爐點(diǎn)火；（7）當(dāng)汽包壓力達(dá)到1.5 MPa左右時，關(guān)閉汽包頂部放空閥XV1104；（8）打開過熱蒸汽出口管線開關(guān)閥XV1105，確保過熱蒸汽出口管線暢通，使過熱蒸汽出口溫度和壓力繼續(xù)上升；（9）當(dāng)過熱蒸汽出口溫度、過熱蒸汽出口壓力均維持在工藝要求范圍內(nèi)時，提升負(fù)荷。

鍋爐正常運(yùn)行時，確保過熱蒸汽出口溫度、出口壓力和出口流量均維持在工藝要求范圍內(nèi)。同時，確保鍋爐處在安全、穩(wěn)定的生產(chǎn)工況。

通過WinCC軟件實(shí)現(xiàn)對操作員站的組態(tài)，可以進(jìn)行工藝流程組態(tài)，報警畫面組態(tài)，過程值的實(shí)時顯示及趨勢曲線繪制，在線調(diào)整PID參數(shù)等，從而在線比較分析各控制參數(shù)在控制過程中的作用，如圖2所示為WinCC組態(tài)圖[12]。

圖2 WinCC組態(tài)圖Fig.2 WinCC configuration chart

3 系統(tǒng)運(yùn)行及結(jié)果分析

硬件部分接線之后，開啟各部分開關(guān)，將組態(tài)好的CFC和SFC編譯并下載至PLC中，運(yùn)行SFC，同時運(yùn)行SMPT1000實(shí)驗(yàn)軟件。鍋爐處于開車運(yùn)行中，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照開車順序控制的要求啟動。開車順序控制將在30 min之內(nèi)完成，之后系統(tǒng)將全部投入自動，穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，最終完成對鍋爐生產(chǎn)過程的開車及控制。

圖3是鍋爐綜合控制系統(tǒng)的運(yùn)行曲線，鍋爐在升溫升壓階段過熱蒸汽出口溫度TI1104能達(dá)到（450±5）℃范圍內(nèi)，過熱蒸汽出口壓力PI1104能達(dá)到（3.8±0.1）MPa范圍內(nèi)，過熱蒸汽出口流量 FI1105能達(dá)到（15±1）kg/s范圍內(nèi)，汽包水位LI1102維持在50%，爐膛真空度（爐膛壓力PI1102）穩(wěn)定在100 mm H2O，并且能使得過熱蒸汽各項(xiàng)指標(biāo)維持在該標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，同時使鍋爐處理量FI1105最終提升至指定產(chǎn)量（30±1）kg/s范圍內(nèi)。

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.3 Curve of simulation results

4 結(jié)語

基于新一代過程控制系統(tǒng)SIMATIC PCS 7對仿真系統(tǒng)SMPT1000上的鍋爐燃燒模型進(jìn)行了綜合的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，有較強(qiáng)的抗干擾能力，很好地滿足了工藝要求，可以在安全生產(chǎn)的前提下獲得較高的產(chǎn)量，與實(shí)際生產(chǎn)過程基本吻合。通過該實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生對過程控制系統(tǒng)有全面的認(rèn)識和理解，更重要的是能讓學(xué)生將過程控制領(lǐng)域的理論知識與工程實(shí)踐得到很好的結(jié)合，能夠較好地培養(yǎng)學(xué)生的過程自動化控制工程設(shè)計能力，集散控制系統(tǒng)配置、編程、調(diào)試能力。

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