PLC和現(xiàn)場總線的鍋爐控制系統(tǒng)分析

韓如萍

（北京英貝思科技有限公司，北京 100000）

1 相關概念

1.1 PLC

PLC的全稱為可編程邏輯控制器，是一種專門為適應工業(yè)環(huán)境的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。PLC的核心是可編程存儲器，在內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、操作控制以及計算等，采用模擬量、數(shù)字量輸入輸出的方式實現(xiàn)自動化生產。PLC編輯器在實際應用中好比一臺集成計算機，具有擴展性、可靠性等優(yōu)勢。無論是計算機直接控制還是集中分散控制系統(tǒng)DCS，都可以滿足絕大部分工業(yè)生產需求。

1.2 現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是一種針對工業(yè)生產的數(shù)據總線，負責工業(yè)智能儀表、控制器以及執(zhí)行器之間的信息通信，實現(xiàn)控制指令和數(shù)據信息的傳遞。現(xiàn)場總線具有經濟適用、可靠性強、結構簡單等優(yōu)勢，在工業(yè)領域應用廣泛，特別適用于自動化生產領域。如今，現(xiàn)場總線已經取替了傳統(tǒng)的4～20 mA模擬信號傳輸。

1.3 WinCC

WinCC全稱為視窗控制中心，是首個使用最新32位技術的過程監(jiān)控系統(tǒng)，具有靈活性、開放性等特點。WinCC可以讓設備、機械最優(yōu)化運行，提高工業(yè)生產的效率和可用性。

2 鍋爐控制系統(tǒng)改造要求

PLC和現(xiàn)場總線的鍋爐控制系統(tǒng)改造，需要保持出水溫度負荷穩(wěn)定性，即恒溫出水；要保證爐膛內風煤比最優(yōu)，提高燃料的燃燒效率；爐膛負壓穩(wěn)定，保持燃燒效益；保持給水、出水壓力的穩(wěn)定性。

結合PLC和現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)改造要求，需要改造后的系統(tǒng)對出水/回收溫度、出水/回水壓力、鼓風量、給煤量以及負壓信號等進行精準檢測，并將檢測的數(shù)據信息存儲、實時顯示。如果信號超出標準可以自動報警，自動控制系統(tǒng)的運行參數(shù)[1]。針對鍋爐內部系統(tǒng)的連鎖問題（如鼓風機、引風機運行順序連鎖等），綜合調節(jié)循環(huán)泵、補水泵、風機轉速和電機轉速等，以最佳的燃燒效率運行，降低煤煙產出量和污染。

3 鍋爐控制系統(tǒng)框架設計

3.1 系統(tǒng)框架設計

整個控制系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，包括恒壓補水、循環(huán)流量調節(jié)和燃燒控制等。其中，恒壓補水系統(tǒng)主要是針對管網滲漏問題（不可避免）匹配相應的給水量，確保鍋爐運行水壓恒定；循環(huán)流量調節(jié)系統(tǒng)可以確保出水壓力保持恒定；燃燒控制系統(tǒng)主要負責供熱量穩(wěn)定和出水溫度恒定，同時確保鍋爐運行燃燒效率，提高整個系統(tǒng)的運行安全。

3.2 軟硬件設計

結合鍋爐運行特性，將PLC設置為下位機，負責處理開關量、模擬量信號。PC作為上位機，采用WinCC組態(tài)軟件構建監(jiān)控界面，利用現(xiàn)場總線與PLC直接通信。

3.2.1 硬件設計

結合鍋爐控制系統(tǒng)運行要求和網絡結構，硬件系統(tǒng)采用最新的西門子PLC設備，共2臺；數(shù)字量擴展模塊共4個，模擬量擴展模塊共4個；現(xiàn)場總線采用2塊接口模塊，通信卡2塊，并配備現(xiàn)場總線接頭與線纜；變頻器8臺，對應引風機、鼓風機、爐排電機、循環(huán)泵電機和3臺循環(huán)泵，實現(xiàn)實時調節(jié)；上位機采用2臺PC。

3.2.2 軟件設計

PC操作系統(tǒng)采用Windows 10、WinCC10.0和編程軟件。軟件采用結構化編程方案，并調用各個功能模塊，相關功能也可以在相應模塊中實現(xiàn)。程序掃描時間為100 ms以內，采樣、標度變化、流量計算、線性化以及PLC控制執(zhí)行周期為200 ms，以毫秒量級累計數(shù)據，可以更好地傳遞實時數(shù)據信息[2]。數(shù)據采集通過傳感器獲取模擬量輸入信息采集，將模擬量輸入模板讀入模擬量值，數(shù)值為12位整數(shù)，定義系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據塊，包括模擬量通道數(shù)量、濾波重復采集次數(shù)和模擬量起始通道地址。

4 鍋爐自動化控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)

主要以壓力與溫度控制、上位機、上下位機設計為主。

4.1 溫度與壓力控制

溫度與壓力控制的對象是引風機、鼓風機和爐排電機。采用聯(lián)動控制方案，3種設備分別采用獨立的變頻器驅動控制。為了能夠確保出水溫度的恒定，采取串級雙閉環(huán)控制方案。出水溫度作為主要控制變量，爐膛溫度作為次要控制變量，采用主副配合控制方案，這兩個控制單元均采用PD控制方法。當今大部分編程軟件中都含有PD控制子程序，在實際操作中修改相關闡述即可直接在數(shù)據庫中調用。

在除水溫度變送器中輸入電路接口接熱電阻，標準信號標量為4～20 mA，以模擬量擴展單元通過總線傳輸?shù)絇LC下位機，在PLC中將數(shù)據信息進行A/D轉換和線性變換，即可獲取到水溫實際測量數(shù)值。將處理的數(shù)值與標準閾值進行對比，在主控單元PD中運算分析后傳輸給副控制單元進行運算，將運算的數(shù)據輸出4～20 mA電流信號控制爐排電機變頻器中[3]。結合信號數(shù)據和煙氣實際含量計算最佳的風煤比值，從而計算出鼓風機的最佳控制數(shù)值。通過PD運算控制鼓風機變頻器，實時調整鼓風機的運行功率，提高燃煤的燃燒率，確保鍋爐以最佳的狀態(tài)運行，降低運行成本。

在鍋爐實際運行中，將爐膛運行壓力控制在允許范圍內，保持引風量和鼓風量的比值，結合鍋爐規(guī)格、生產要求設定爐膛負壓運行閾值，驅動PD程序調節(jié)引風機轉速量，將爐膛負壓控制在閾值允許范圍內。本系統(tǒng)利用汽包蒸汽壓力控制爐排電機運行效率即燃料量，結合鍋爐負荷變化大的特性，系統(tǒng)將汽包壓力控制回路中的蒸汽流量作為前饋信號。根據蒸汽壓力動態(tài)特性可知，蒸汽負荷變化會導致燃料量變化，而將其作為前饋信號可以直接反映燃料量負荷變化。本系統(tǒng)將汽包壓力變化傳輸?shù)礁闭{節(jié)器中，通過串級控制方案調節(jié)煙氣氧含量，副調節(jié)負責送風量控制，這樣連接變頻器可實現(xiàn)自動調節(jié)電機轉速的目標，可以明顯改善鍋爐運行熱效率，將爐膛壓力控制在0～100 Pa的微負壓范圍，提高鍋爐運行的效益[4]。

4.2 上位機系統(tǒng)

新型上位機監(jiān)控軟件WinCC 10.0性能更加豐富，操作十分靈活，通信便捷。上位機操作采用權限管理，將其劃分為工程師站和操作員站，采用WinCC上的項目復制器，將一臺工控機上組態(tài)數(shù)據復制到另一臺工控機，即可實現(xiàn)2臺工控機的同時運行，實現(xiàn)監(jiān)控信息的實時備份和儲存。采用WinCC組態(tài)軟件顯示上位機控制的監(jiān)控畫面。用戶在上位機呈現(xiàn)監(jiān)測畫面，設定運行參數(shù)，實現(xiàn)遠程調節(jié)，還可以檢查運行歷史數(shù)據、報警記錄和動態(tài)信息等。

4.3 上位機與下位機的總線通信

通過現(xiàn)場總線協(xié)議將PLC和WinCC聯(lián)通，可以保證數(shù)據傳輸效率，擴展性能，實現(xiàn)實時通信。

（1）在編程軟件中將現(xiàn)場總線通信模式設定為configured mode模式，在網絡組態(tài)工具中加載GSD文件，生成相關選項，完成后即可進行網絡組態(tài)。將PC機設定為主站、BM277設定為從站，主站地址為1，從站地質分別為2和3，確保每個站的地址與相關硬件一一對應。通過BM277模塊旋轉開關設定從站地址硬件設置，旋轉開關出現(xiàn)變動后，系統(tǒng)要重新配置，此時要重新啟動電源。鼠標右鍵點擊從站，從屬性中找到configure選項，即可設置從站數(shù)據緩沖區(qū)大小，在parameter中選擇偏移地址，對應PLC的數(shù)據區(qū)，實現(xiàn)區(qū)的劃分。2號從站與數(shù)據區(qū)存儲地址連接，3號從站與數(shù)據區(qū)存儲地址連接，完成整個系統(tǒng)的組態(tài)功能，將NCM文件導出并生成.TXT文件。在properties中設置通信參數(shù)，采用DP通信協(xié)議確保傳輸速率滿足要求。設置完畢后針對現(xiàn)場總線網絡，在診斷對話框中點擊“test”，顯示“OK”則表示配置無誤。

（2）在WinCC中添加新的驅動程序，選擇好驅動程序和板卡編號，configure與之前生成的.TXT路徑相同。在PLC正常運行過程中，采用WinCC軟件中的診斷程序測試通信情況，如果顯示為綠色標志（WinCC中是綠色小旗），則表示已經成功建立通信渠道。

（3）構建WinCC變量，可以劃分為in和out。這個兩個變量是針對主站運行條件而選擇的，in代表WinCC從PLC獲取數(shù)據，out表示WinCC向PLC存儲器中寫入數(shù)據，in、out分別對應PLC數(shù)據區(qū)。

5 結 論

采用以PLC、現(xiàn)場總線的鍋爐控制方案，可以有效提高鍋爐的運行效率，降低污染。采用最新的PLC控制器、現(xiàn)場總線、WinCC，可實現(xiàn)上位機、下位機的一體化控制與監(jiān)控，自動調節(jié)鍋爐系統(tǒng)運行環(huán)節(jié)，減少人為因素的負面干預，既能夠保障鍋爐運行效率和安全，也可以降低運行成本，綜合效益高。