基于西門子PCS7的循環鍋爐控制系統設計

朱　軍，劉以建

(上海海事大學，上海 201306)

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基于西門子PCS7的循環鍋爐控制系統設計

朱軍，劉以建

(上海海事大學，上海 201306)

摘要:文中結合自然循環鍋爐的運行需求，以SIMATIC PCS7 系統為平臺，采用西門子PLC作為系統的邏輯控制單元，利用PROFIBUS傳輸技術，構建網絡通訊系統；另外，利用SFC、CFC編程實現鍋爐系統的遠程控制，并且在保證控制目標的前提下模擬實現了鍋爐的提升負荷。

關鍵詞：PCS7；鍋爐控制系統；PROFIBUS

0　引　言

隨著現代化工業的飛速發展，對能源的利用率、鍋爐的控制和管理等要求越來越高。目前我國鍋爐的燃燒率還很低，燃燒不充分，污染嚴重，需設計出一套良好的鍋爐控制系統。因此，進行鍋爐控制系統的設計具有重要的實際意義。

文中根據循環鍋爐的流程和控制要求，結合PID智能控制系統，綜合考慮設計了鍋爐各個部分的控制系統方案，實現了鍋爐的自動控制。

1　系統分析

自然循環鍋爐開車過程是按照非常嚴格的要求來執行的，在開車過程中如果開車步驟顛倒或者缺漏可能會導致嚴重的后果，因此對開車過程進行分析是十分必要的。這也對下面寫順序功能圖提供了依據，讓開車過程一目了然。開車過程的流程圖如圖1所示。

鍋爐的控制任務是根據生產負荷的需要供應熱量，使鍋爐在安全、經濟的條件下運行。按照這些控制要求，鍋爐設備主要的控制需求如下。

1.1　燃燒控制系統

燃燒控制系統的主要目的是為了保證燃料能夠充分燃燒，釋放全部能量，使得加熱爐的燃燒狀況正常、平穩。

1.2　汽包水位控制系統

汽包水位控制系統使汽包水位維持在要求范圍之內。汽包水位受很多因素的影響。蒸汽負荷的擾動會引起虛假水位，可根據蒸汽的變化來控制給水閥，這樣就構成了前饋控制系統。針對雙沖量控制系統對給水流量擾動不能及時調整的缺點，汽包水位控制可以將給水流量信號作為第三個沖量引入，閉環控制給水流量。三沖量給水自動調節控制系統實質上是前饋-串級控制系統的形式。

2　控制系統的實現

2.1　硬件的配置

控制系統采用西門子PCS7過程控制系統。PCS7是西門子DCS系統，基于過程自動化，從傳感器、執行機器到控制器，再到上位機，自上而下形成完整的全集成自動化架構。其主要包括Step7、CFC、SFC、Simatic Net和Wincc以及PDM等軟件，組態對象選用S7-400高端CPU。

整個控制系統控制方案的實施基于PCS7提供的連續功能圖CFC和順序功能圖SFC。在CFC進行組態時，里面有很多模塊，如模擬輸入、模擬輸出、數字輸入、加法、乘法模塊等。在組態完成時需要將一些參數寫入模塊中，如PID模塊中的SP_OP是用于設置設定值的，還有一些范圍參數等。

CPU選擇S7-400系列的CPU 412-3 H，電源選

圖1 自燃循環鍋爐開車過程的工藝流程

擇 PS 407 10A，分別統計過程控制系統和安全儀表系統所配置的I/O口點數后，選擇合適的輸入/輸出模塊。通訊模塊選擇的是PM125模塊，具體如圖2、圖3所示。

圖2 硬件配置

圖3 通訊模塊配置

2.2　基礎功能控制的實施

(1) 基于PCS7利用CFC編寫主要控制系統方案

CFC(連續功能圖表)擁有強大的預制程序庫，可以使用STEP7中的標準模塊，優化集成在STEP7中，與STEP7兼容。而且適用于SIMATIC S7-300(推薦用于CPU314以上的CPU)、S7-400、C7和WinAC。S7-CFC不僅具有PLC典型元素(輸入/輸出、定時器、計數器、符號表等)，而且具有圖形化編程語言的特點，十分適用于過程控制和系統工程。

在西門子PCS7過程控制系統中利用CFC編寫的汽包液位控制回路系統，采用了汽包水位-汽包上水流量-過熱蒸汽出口流量前饋-串級控制系統，如圖4所示。

圖4 汽包水位-汽包上水流量-過熱蒸汽出口流量前饋-串級控制系統

(2)系統的順序功能圖

西門子PCS7還提供了順序功能圖(SFC)，是一種強大的描述控制程序的順序行為圖形化語言，可對復雜的過程或操作由頂到底進行輔助開發。在程序中可以很直觀地看到設備的動作順序，也比較容易看懂。程序設備是按照動作順序進行編寫，規律性較強。本次自然循環鍋爐開車運行就是采用了SFC來實現的。圖5就是本次鍋爐運行的部分順序功能圖。

圖5 順序功能圖

(3)PID參數

在西門子PCS7的連續功能圖(CFC)中包含有CTRL_PID[FB61:PID Control]模塊，在此模塊中主要調節GAIN、TN、TV三個參數，分別對應比例、積分、微分三個參數。該模塊的功能強大，主要引腳功能如下：

PV_IN：過程檢測值，用于與前面的輸入信號連接。

SPEXTHLM：外部設定值上限，對應的SPEXTLLM是外部設定值下限，在進行溫度檢測時一定要注意設定那個值范圍。

SP_OP：設定值的操作員輸入，也就是預期要達到的設定值，如要將水位設定為50%，那么現將SP_HLM值賦予100，SP_LLM為0，再將SP_OP賦值為50即可。

AUT_ON_OP：操作員輸入：0=手動；1=自動，在調參數時設置AUT_ON_OP=Manual。

3　結束語

鍋爐既是工業生產的重要設備之一，也是復雜的熱工系統，由于設備分散、管理不善或技術原因，鍋爐雖處于良好狀態，但還沒有達到最優的效果。為降低鍋爐的燃料損耗，提高鍋爐的效率，研究開發功能完備、性能可靠地鍋爐是非常必要的。PCS7作為面向過程控制的工業控制平臺，已經在越來越多的工業領域得到應用。這次試驗基于PCS7控制系統，針對鍋爐的各個控制進行了系統分析，綜合了控制方案的設計與實施，基本完成了從方案設計到設備選型及工程實施的全部過程。試驗驗證了方案的可實施性。

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李志鋒(1977-)，男，廣西北流人，動力系統工程師，主要從事數據中心動力系統運維、項目管理工作。

劉文飛(1980-)，男，陜西延川人，動力系統工程師，主要從事數據中心動力系統運維、節能減排研究工作。

何其振(1986- )，男，廣東高州人，動力系統工程師，主要從事數據中心動力系統運維、節能減排研究工作。

設計應用

Design of Circulation Boiler Control System Based on SIMATIC PCS7

ZHU Jun, LIU Yi-jian

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Abstract:Combining with the operation demands of the natural circulation boiler, a control system is designed in this paper which adopts the SIMATIC PCS7 system as the platform and the SIMATIC PLC as the logic control unit, and utilizes the PROFIBUS transmission technology to build the network communication system. Then the remote control of the boiler system is realized with program written by SFC and CFC, and the boiler load improvement is simulated on the premise of guaranteeing the control target.

Key words:PCS7; boiler control system; PROFIBUS

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0053-02

作者簡介：朱軍(1987-) , 男，山東滕州人， 碩士研究生， 研究方向：工業自動化。 王旭(1986-)，男，河南鄭州人，動力系統工程師，主要從事數據中心動力系統運維、節能減排研究工作。

收稿日期：2014-11-11 2014-12-25