基于DCS的鍋爐智能控制系統研究

西安經發新能源有限責任公司 陜西 西安 710000

引言

鍋爐控制系統的主要任務是保證水溫的穩定，同時保證鍋爐的安全運行。除此之外，關鍵在于如何保證經濟燃燒，這也是熱水鍋爐節能減耗的關鍵所在。系統需為燃氣鍋爐配套相關的輔機監測、控制、調節、保護等電氣設備。主要對70MW/1.6MPa熱水鍋爐的監控和數據采集，整個鍋爐對控制回路、各類熱工參數以及閥門等的控制與檢測全部由DCS系統和上位機監控來完成。各類一次儀表及執行機構的信號完全滿足系統控制的要求。DCS系統與燃燒器BMS控制柜通過通訊方式接入,BMS控制柜檢測、控制信號（4-20mA）均由DCS提供，DCS系統對鍋爐輔機及熱工測量、控制參數進行顯示、調節、控制，對BMS的燃燒器控制運行參數進行監視、聯鎖、報警保護。燃氣鍋爐自動控制系統控制、故障報警控制、電氣控制等控制系統單元組成

1 鍋爐智能控制系統結構

集散控制系統(DCS)主要有操作站、現場控制器、工程師站、ESB總線、ER總線、通訊網關、V net/IP 控制總線等部分組成。其中，操作站(Human Interface Station HIS)用于運行操作和監視。采用了微軟公司的Windows 7作為操作系統和美國DELL指定的工業用高性能計算機。因此系統工作站具有很強的安全性和可靠性。本項目HIS站為5臺，分別為HIS0163、HIS0162、HIS0161、HIS0160。現場控制器(Field Control Station FCS)用于過程I/O信號處理，完成模擬量調節、順序控制、邏輯運算、批量控制等實時控制運算功能。工程師站(Engineering Station EWS)選用一臺工程師站HIS0164，用于設計組態、仿真調試及操作監視。采用Windows 7作為操作系統的橫河指定的高性能計算機。ESB總線（Extended Serial Backboard Bus）用于控制站內，中央主控制器FCU同本地I/O節點之間進行數據傳輸的雙重化實時通信總線，網絡拓撲構成[1]：總線型，通信速率：128Mbps，每臺控制站可連接14個I/O節點，最大通訊距離10m。ER總線（Enhenced Remote Bus）用于控制站內本地I/O節點與遠程I/O節點之間進行數據傳輸的雙重化實時通訊總線，網絡拓撲構成：總線型，通訊速率：10Mbps，每臺控制站可從本地節點連接8個，遠程I/O節點，最大通訊距離10000m。通訊網關（Communication GatewayACG）作為用于將系統的控制總線和 DCS上位機的以太網相連接的網關。Vnet/IP 控制總線用于進行操作監視及信息交換的雙重化實時控制網絡。整個網絡采用星型結構，兼容V-net和TCP/IP協議。通信速率：1Gbps，通訊距離最大20km，連接站數：64站/域，256站/系統。由于增加了控制網絡的開放性，更多的非CEMTUM網絡設備可以直接掛接在控制網絡上。

2 工程師工作站設計

工程師工作站采用的是世界一流品牌DELL工作站計算機，它是供系統生成組態所用。它能夠儲存系統所有的組態數據，并提供了一個直覺性、目標導向性的圖形用戶接面環境供開發及綜合所有的應用數據到數據庫。這個數據庫包括的所有連接在網絡上的站點、網絡、工位號的定義、報警和故障的定義、控制方案的組成及流程圖的制作。

通過Windows 7共享檔案功能進行并行工程組態使多位工程師能夠同時組態到網絡上的一個數據庫。另外，在不同的工程師工作站所生成的數據也可以被綜合到一個數據庫里。同時工程師工作站上的虛擬測試功能也可以在離線的情況下確認所生成的程序。具有豐富常規控制模塊用于不同的控制和計算，具備PID控制模塊自整定功能[2]。組合各種控制和計算功能塊，可以實現各種復雜的模擬量控制回路。工程師工作站控制系統結構如圖1所示。

圖1 工程師工作站控制系統結構

3 操作站設計

系統操作站采用的是世界一流品牌DELL計算機。并采用先進的Windows XP作為操作平臺。屏幕的分辨率是1280×1024，并具有256種顏色的變化。它帶有操作員鍵盤，鼠標，加有圖形加速器的顯示驅動卡。HIS是采用Windows 7作為操作系統，這使市場上通用的商業數據庫及通訊軟件能在它上面運轉。操作站系統結構如圖2所示。

在HIS的監視器上，操作員可以觀察到所有掛在通信總線的各個設備狀況，甚至可以觀察到控制站上的某一個I/O點的情況。屏幕的刷新速度快達1秒。HIS可以顯示各種畫面；如流程圖、控制組、趨勢等。它也可以監視設備，通過指令窗口發送指令，記錄報警及其他事項和確認報警[3]。HIS的主要的特點如下：支持200,000個工位號，支持2560個趨勢點，支持2500個流程窗口(包括流程圖畫面，控制組畫面和總貌畫面)，5個重疊的操作窗口可以同時顯示在一個畫面上。一個操作站HIS支持雙顯示屏連接，在一個操作站上同時可以在二個顯示屏上顯示不同的窗口，以增加每個操作站的操作能力。操作員可以通過操作員站鍵盤或鼠標對連在HIS上的二個顯示器上不同的流程圖，或控制面板或趨勢圖或報警信息進行操作。這樣可以大大提高一個HIS的利用率，同時提高操作效率。

圖2 操作站系統結構

4 現場控制站設計

現場控制站(FCS)集過程控制功能、計算機和批量控制過程為一體。對過程數據采用循環掃描的方式，每個功能塊的循環掃描周期可以單獨定義，從50ms到1s。控制站(FCS)所有的模件都采用集成度高、散熱量低的固態電路以及表面封裝技術，防塵、抗干擾能力強，適合各種惡劣的運行環境。模件的編址與物理位置的對應關系簡單明了，容易掌握。模件帶電插拔不會引起本模件故障，也不會影響其他模件的正常工作[4]。模件插拔都有導軌和聯鎖裝置，防止損壞或引起故障。模件通用性強，種類規格少，有效地減少了備品備件的費用支出。

為實現控制器冗余功能設計，在左右兩側CPU模件內各有2個獨立的CPU單元，2個CPUU單元同期運算，每側將2個獨立的CPU單元的運算結果進行一致性比較，如果比較結果一致，則該側控制器輸出運算結果。這樣有效地診斷出任何硬件故障或隨機性運算錯誤。阻止任何錯誤輸出，并保證不間斷地輸出正確的控制運算結果。系統冗余設計結構如圖3所示。

圖3 現場控制站冗余設計

5 鍋爐控制系統特點

5.1 開放的網絡結構

系統Windows 7標準操作系統，支持DDE/OPC。既可以直接使用PC機通用的MS-Excel,Visual Basic編制報表及程序開發，也可以同在UNIX上運行的大型Oracle數據庫進行數據交換。此外，橫河提供了系統接口和網絡接口用于與不同廠家的系統、產品管理系統、設備管理系統和安全管理系統進行通訊。

5.2 高可靠性

獨家采用了4CPU冗余容錯技術的現場控制站，實現了在任何故障及隨機錯誤產生的情況下進行糾錯與連續不間斷地控制；I/O模件采用表面封裝技術，具有1500VAC/分抗沖擊性能；系統接地電阻小于100歐姆等多項高可靠性尖端技術，使系統具有極高的抗干擾，耐環境等特點，適用于運行在條件較差工業環境。

5.3 高速的控制總線

系統采用V-NET/IP控制總線，該控制總線速度可高達1 Gbps，滿足了用戶對實時性和大規模數據通信的要求。在保證可靠性的同時，又可以與開放的網絡設備直接相連，使系統結構更加簡單。

5.4 現場控制站的高效性

控制站FCS采用用于高速的RISC處理器VR5432，可進行64位浮點運算，具有強大的運算和處理功能。此外，還可以實現諸如多變量控制，模型預測控制，模糊邏輯等多種高級控制功能，主內存高達32M。

6 結束語

隨著鍋爐控制自動化程度的提升，越來越多的自動化設備引入至鍋爐控制中，其控制系統的復雜度和智能化程度逐漸增加。DCS系統由于其具備分散控制和集中管理的特點，非常適用于鍋爐工業控制環境，將成為鍋爐電氣控制的重要發展方向之一。