系統簡(jiǎn)介

    鍋爐是是石油化工、電廠(chǎng)等工業(yè)過(guò)程中非常重要的動(dòng)力設備。鍋爐的工藝流程大概可以概述為：冷流經(jīng)過(guò)除氧器除氧處理之后，在爐膛內吸收燃料釋放出來(lái)的熱量變成一種高溫高壓氣體，并將氣體傳送到下游工序的一個(gè)過(guò)程。

    本課題采用高級多功能過(guò)程控制實(shí)訓系統（Super Multifunction Process Control Training System，SMPT-1000）中的鍋爐單元作為被控對象，其正視圖和實(shí)物圖如圖1·1所示，通過(guò)控制該仿真鍋爐了解與研究工業(yè)鍋爐控制的特點(diǎn)。

                   

                                 SMPT-1000鍋爐正視圖和實(shí)物圖

    本課題以西門(mén)子公司的SIMATIC S7-300 PLC為控制器，通過(guò)硬件組態(tài)和PROFIBUS DP通信網(wǎng)絡(luò )，完成S7-300和SMPT-1000之間的通信組態(tài)，實(shí)現對鍋爐的綜合控制?；赟TEP7軟件編程實(shí)現對鍋爐各控制回路的控制調節PID參數，進(jìn)行系統投運。此外，在PLC和上位機之間建立以太網(wǎng)通信，通過(guò)易控（INSPEC）監控組態(tài)軟件組態(tài)，實(shí)現與PLC之間的通信，從而實(shí)現對SMPT-1000鍋爐各個(gè)部分對象參數的監視，并可在線(xiàn)整定PID參數。本課題最終完成易控監控平臺與S7-300 PLC之間、S7-300 PLC與SMPT-1000仿真鍋爐之間的通信與控制，實(shí)現本課題所要實(shí)現的監控層-現場(chǎng)控制層-現場(chǎng)對象之間的三層通訊結構及綜合控制，如圖1·2所示。

                   

                                     SMPT-1000鍋爐控制系統結構圖

    其中由易控組態(tài)軟件組態(tài)監控平臺形成上位機監控環(huán)境，通過(guò)Ethernet Network通信網(wǎng)絡(luò )與下位機SIMATIC S7-300 PLC通信。再由下位機PLC通過(guò)Profibus DP 通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)現對控制對象的綜合控制。

    SMPT-1000系統構成

    SMPT-1000鍋爐大體上可以分為4個(gè)單元：除氧器單元、爐膛單元、減溫器單元和汽包單元。共含有除氧器、上水管網(wǎng)、上汽包、鍋爐本體、省煤器、減溫器、蒸汽管線(xiàn)等設備，且有21個(gè)模擬量和6個(gè)開(kāi)關(guān)量檢測點(diǎn)。此外還有9個(gè)調節閥，5個(gè)開(kāi)關(guān)閥，兩臺泵，一臺壓縮機的執行機構。
其工藝流程如圖1·3所示。

                      

                               SMPT-1000鍋爐工藝流程圖

    除氧器控制單元

    除氧器有兩個(gè)作用，一是除去軟化水中的氧氣，另外是防止水源停水，作為一個(gè)儲水箱，延長(cháng)鍋爐的緊急停運過(guò)程。對鍋爐的穩定性和安全性具有重要的意義。由此可知，除氧器對軟化水的除氧效果影響著(zhù)整個(gè)鍋爐設備的安全與壽命，并影響著(zhù)產(chǎn)品的質(zhì)量。因而除氧器的控制也是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節。除氧器水位過(guò)高會(huì )影響除氧效果，缺水則會(huì )影響缺水事故，都會(huì )影響著(zhù)整個(gè)鍋爐的有效控制，因而在除氧器控制中，以除氧器液位為一個(gè)對象參數，施行控制。此外，除氧器的擾動(dòng)較少，允許液位在一定范圍內波動(dòng)，因此在對除氧器液位回路控制中，采用單閉環(huán)控制系統。穩態(tài)時(shí)調節器無(wú)水位偏差信號輸入，也無(wú)輸出，進(jìn)水閥不動(dòng)。當鍋爐給水流量變化（如階躍擾動(dòng)）時(shí)，給定水位與反饋產(chǎn)生偏差輸入到調節器，調節器輸出信號調節給水流量，使水位保持穩定。

    基于上述內容，除氧器控制單元包括除氧器液位控制回路和除氧器壓力控制回路。

    爐膛控制單元

    在整個(gè)鍋爐系統中，爐膛的重要性可想而知，其過(guò)熱蒸汽所要達到的溫度以及壓力，均是由送入爐膛中的燃料與風(fēng)量混合后燃燒釋放出來(lái)的熱量實(shí)現的。此外，爐膛壓力大小也影響著(zhù)系統的安全。因而，此處在爐膛控制單元中，把出口蒸汽壓力，和爐膛壓力作為被控對象予以控制。

    減溫器控制單元

    從工藝流程知道，由爐膛加熱軟化水生產(chǎn)出來(lái)的蒸汽會(huì )通過(guò)一個(gè)減溫器，與進(jìn)料冷料的一個(gè)分支進(jìn)行換熱。但由于過(guò)熱蒸汽要保證出口壓力的穩定，而用了燃料進(jìn)料量來(lái)控制。至使不能直接簡(jiǎn)單的再用燃料量進(jìn)料量來(lái)控制出口蒸汽溫度，一般而言，所需要的蒸汽出口壓力穩定的情況下，所生產(chǎn)出來(lái)的蒸汽溫度也基本穩定在所需溫度，但當溫度有波動(dòng)時(shí)，在保證壓力穩定的前提條件下，這里設計用在換熱器流過(guò)冷料流量大小來(lái)控制出口蒸汽溫度的穩定。綜上可知，這兒以蒸汽出口溫度為被控對象，以去減溫器的汽包上水量為控制參數，通過(guò)調節閥FV1103的開(kāi)度，調節冷卻液流量，以達到出口蒸汽溫度的穩定。

    汽包控制單元

    針對工業(yè)鍋爐，汽包水位波動(dòng)的幅度影響鍋爐的安全運行，蒸汽壓力和穩定性。汽包水位的控制是非常重要的。目前采用的較為普遍的串級三沖量控制系統，即以鍋爐蒸汽流量，汽包水位，鍋爐給水流量這三個(gè)變量，通過(guò)2個(gè)PID控制器，實(shí)現給水的自動(dòng)控制。

    上位機監控平臺

    主控畫(huà)面

    本課題用易控（INSPEC）組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)。完成鍋爐系統的監控，如圖所示，為上位機監控畫(huà)面的主控畫(huà)面。

                   

                                    上位機監控主畫(huà)面

    在其中可以監視著(zhù)整個(gè)系統各個(gè)部分的參數，并可以通過(guò)右下方的控制器板塊，進(jìn)行各控制器參數調整。也可以點(diǎn)擊操控平臺中的按鈕，進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線(xiàn)，數據顯示的集中監控。此外，在進(jìn)行分塊整定PID參數時(shí)，可以通過(guò)左方按鈕點(diǎn)擊，進(jìn)行單一控制區域的參數的監控。

     分組控制畫(huà)面如圖：


                   

                                                分組控制畫(huà)面
                                           
     例如，除氧器畫(huà)面，除了可以直觀(guān)的顯示出除氧器液位，還能夠監控相關(guān)參數，不需要進(jìn)入集中的數據顯示畫(huà)面，此外還能夠在右上方上監視與除氧器相關(guān)的全部或部分實(shí)時(shí)曲線(xiàn)。也可以點(diǎn)擊“歷史曲線(xiàn)”查看該參數的所有記錄曲線(xiàn)。在該畫(huà)面下，可以點(diǎn)擊控制器按鈕，打開(kāi)單一控制器進(jìn)行PID參數調控。無(wú)需進(jìn)入控制器組畫(huà)面尋找對應的控制器。


                          
                   

                                                   圖4·3 除氧器壓力控制器畫(huà)面
 
    控制器組畫(huà)面

    控制器組畫(huà)面與單一控制器作用差不多，也是對相應PID控制器的參數進(jìn)行調整，測量值顯示，以及控制器手自動(dòng)切換控制的集中模塊。但不同的是這里匯總了本課題鍋爐系統的所有控制器，即可以在該畫(huà)面中調整所用的控制器參數，不必一一打開(kāi)單一的控制器畫(huà)面。從而方便在工業(yè)上，對大多數回路控制器參數的集中調整。
控制器組畫(huà)面如圖所示：

                   

                                    控制組畫(huà)面

    在控制器組畫(huà)面下，同樣也可以與主控畫(huà)面，數據顯示畫(huà)面等進(jìn)行相互切換。方便監控點(diǎn)的切換。

    數據顯示畫(huà)面

    數據顯示畫(huà)面，顧名思義，是集中顯示所有參數的地方，工業(yè)上需要集中管理整個(gè)系統的所有參數而構建的這一平臺。如圖所示：

                   

                                     圖4·5 數據顯示畫(huà)面

    數據顯示畫(huà)面是分為多個(gè)模塊進(jìn)行的參數顯示的。例如除氧器液位塊，就能夠清楚的看到除氧器液位測量值，以及其液位給定值。此外，還能夠看到影響其液位的軟化水流量值以及控制它的閥開(kāi)值。

    曲線(xiàn)畫(huà)面
  
    實(shí)時(shí)曲線(xiàn)畫(huà)面

    實(shí)時(shí)曲線(xiàn)，是顯示設定時(shí)間范圍，各參數變化趨勢的一個(gè)平臺，這里集中了除氧器液位，除氧器壓力，汽包液位，蒸汽出口壓力，蒸汽出口溫度和爐膛壓力這六個(gè)被控參數，相關(guān)的各變量的曲線(xiàn)。為了更好的監控，配置曲線(xiàn)顯示時(shí)長(cháng)為兩個(gè)小時(shí)。在每條曲線(xiàn)標注前都添加了復選框，可以通過(guò)選中與否控制是否顯示對應曲線(xiàn)。以排除過(guò)多曲線(xiàn)的干擾，為監控者帶來(lái)不必要的視覺(jué)影響。

                   

                              圖4·6 實(shí)時(shí)曲線(xiàn)畫(huà)面

    歷史曲線(xiàn)畫(huà)面

    歷史曲線(xiàn)畫(huà)面包括曲線(xiàn)顯示配置、坐標縮放、刷新、時(shí)間配置等等。還有一個(gè)公共曲線(xiàn)顯示區以及在其下方的曲線(xiàn)具體數值顯示塊。與實(shí)時(shí)曲線(xiàn)不同的是，它所顯示的曲線(xiàn)，是依賴(lài)于實(shí)時(shí)控制的時(shí)候所通過(guò)歷史記錄功能，記錄下來(lái)的數據構成的曲線(xiàn)。因而它不僅可以顯示實(shí)時(shí)曲線(xiàn)的當前內容，也可以顯示超過(guò)實(shí)時(shí)曲線(xiàn)所限定的兩小時(shí)以外的內容。方便過(guò)去歷史數據的分析。然而歷史曲線(xiàn)并不是自動(dòng)打開(kāi)就能夠顯示，而是需要配置曲線(xiàn)以及查看時(shí)間段，且必須基于數據庫儲存數據才能夠有顯示作用，因此歷史曲線(xiàn)無(wú)法取代實(shí)時(shí)曲線(xiàn)。故本課題在方面實(shí)時(shí)監控的前提下添加了歷史曲線(xiàn)平臺，方便更全面的分析實(shí)時(shí)控制效果以及歷史控制曲線(xiàn)趨勢。
如圖所示：

                   

                                       歷史曲線(xiàn)畫(huà)面

    通信連接

    易控組態(tài)軟件與PLC通過(guò)SIMATIC公司提供的網(wǎng)絡(luò )通信軟件SIMATIC.NET來(lái)實(shí)現。要組態(tài)易控之前必須先組態(tài)SIMATIC.NET軟件包下的STATION CONFIGURATION EDITOR木塊。打開(kāi)后在OFFLINE狀態(tài)下添加Application模塊，與STEP7中一樣，再添加IE General通信塊，地址自動(dòng)獲取為本機地址。返回STEP7軟件，在PC工作站欄目下，修改PG-PC interface 為 PC internal 通道，將STEP7中組態(tài)的Application應用程序塊和IE General通信塊下裝到STATION CONFIGURATION EDITOR中，進(jìn)行相應模塊的連接。

如下圖所示：

                   

                                       Station Configuration Editor組態(tài)圖

    連接完畢后，打開(kāi)已經(jīng)構建好的易控工程，在工程欄下的I/O通信下添加SimaticNet通道，CP選擇TCP/IP協(xié)議下的本機網(wǎng)卡，VFD自動(dòng)選擇由STEP7軟件組態(tài)的Application模塊。然后選擇通信對象為以太網(wǎng)S7-300工作站，完成硬件選擇。
當完成硬件選擇后，針對需要從PLC讀入的數據和需要寫(xiě)入PLC的變量個(gè)數一一建立對應變量關(guān)聯(lián)表。使得，易控畫(huà)面中所用到的變量與實(shí)際PLC讀入的變量真正對應起來(lái)。

                   

                                                     易控通道組態(tài)

                   

                                       易控通信組態(tài)變量表

    完成變量的關(guān)聯(lián)，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )建立完成，整個(gè)鍋爐系統也構建完成。

    結論

    系統最終實(shí)現了以易控監控平臺為上位機通過(guò)Ethernet以太網(wǎng)與PLC下位機通信，且通過(guò)PROFIBUS DP通信網(wǎng)絡(luò )對SMPT-1000鍋爐的綜合控制，整個(gè)系統控制良好。