史冬琳，李　峰，蔡子強，劉劍釗

(東北電力大學 自動化工程學院，吉林 吉林 132012)

基于PCS7的鍋爐順序控制系統(tǒng)設計

史冬琳，李峰，蔡子強，劉劍釗

(東北電力大學 自動化工程學院，吉林 吉林 132012)

摘要：針對火力發(fā)電機組啟動和停運過程中的諸多復雜問題，基于西門子過程控制系統(tǒng)PCS7，設計了鍋爐自啟停順序控制系統(tǒng)。利用PCS7中順序功能圖(SFC)及SMPT-1000，實現(xiàn)鍋爐開車、停車及保護控制。結果表明，所設計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵式啟、停，具有較好的安全性、穩(wěn)定性、簡便性，控制效果良好。

關鍵詞：鍋爐自啟停控制系統(tǒng)；PCS7；SMPT-1000；順序控制

鍋爐作為單元機組中的重要組成部分，鍋爐自啟?？刂葡到y(tǒng)的設計顯得尤為重要。如何設計和完善鍋爐自啟?？刂葡到y(tǒng)，使其功能更強大，更完善，得到充分發(fā)揮，是值得深入研究的問題[1]。鍋爐自啟?？刂葡到y(tǒng)要求實現(xiàn)全程自動化，全工況、全過程、全自動地控制鍋爐，從冷狀啟動、開車運轉(zhuǎn)到既定目標負荷，或在規(guī)定負荷之上續(xù)減出力直至停爐，即在鍋爐的過程自動控制中達到了“一鍵啟、?！钡目刂扑疁蔥2]。鍋爐自啟?？刂葡到y(tǒng)的主要目的是實現(xiàn)鍋爐的自動啟動或停止，要達到這一目的必須實現(xiàn)給水控制、燃料控制、過熱蒸汽出口壓力控制、過熱蒸汽出口溫度控制、爐膛負壓控制等回路，并保證各個回路之間協(xié)同工作，保證鍋爐設備的安全運行。本文針對SMPT-1000實驗平臺中的鍋爐系統(tǒng)，設計了包含上述所有全程控制回路的啟停順序控制策略。

1控制系統(tǒng)簡介

SIMATIC PCS7是西門子新一代的DCS產(chǎn)品，硬件和軟件都基于統(tǒng)一的平臺，采用Profibus現(xiàn)場總線技術將現(xiàn)場設備集成，保持了PLC和DCS兩者的優(yōu)點，控制性能高，穩(wěn)定性好，是一種全集成自動化的開放型過程控制系統(tǒng)[3-4]。本文利用PCS7中的SFC完成順序控制的要求，SFC由Step(步)和轉(zhuǎn)移條件組成，可直接調(diào)用CFC功能塊中的各引腳信號。在實際調(diào)試運行時，各參數(shù)的設置和投入自動控制的時機等都對順序控制過程非常重要。在劃分步時，最重要的依據(jù)是根據(jù)所有輸出量的狀態(tài)變化來劃分的，并且相鄰兩步輸出量的狀態(tài)是不同的[5]。

SMPT-1000包括多種生產(chǎn)工藝過程的仿真系統(tǒng)，其中的鍋爐系統(tǒng)在硬件結構上與電廠中汽包鍋爐的配置類似，含有省煤器、汽包、爐膛、減溫器、泵與風機等。本文結合PCS7及SMPT-1000，構建了鍋爐順序控制系統(tǒng)，工藝流程和實驗平臺如圖1和圖2所示。PCS7使用的主控器是SIMATIC S7-400系列CPU，型號為412-3H，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。上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)連接到PLC 400的CP模塊，PLC 400的CPU通過Profibus D連接到SMPT-1000的泗博PM125，PM125設置地址為7，完成整體硬件通訊。

圖1　工藝流程圖

圖2　實驗平臺圖

2鍋爐順序控制系統(tǒng)設計

順序控制系統(tǒng)(Sequence Control System，簡稱SCS)，是指按照一定的順序、條件或時間，對生產(chǎn)過程中的機組設備自動地依次進行一系列操作，以改變設備和系統(tǒng)的工作狀態(tài)(如風機的啟停、閥門的開關等)。根據(jù)SMPT-1000的鍋爐系統(tǒng)工藝流程和控制目標，本文采用聯(lián)鎖和自啟停技術[6-9]，設計了開車和停車順序控制方案。

2.1　開車順序控制設計

開車的基本思路是首先實現(xiàn)給水系統(tǒng)的自動投運、再投運燃燒系統(tǒng)和風煙系統(tǒng)。

(1)啟動前將所有的執(zhí)行機構關閉；(2)打開汽包頂部放空閥XV1104；(3)打開上水泵，開出口閥XV1104，全開閥XV1102，使鍋爐的兩路上水成功；(4)汽包上水到50%，使之保持在這個值上下，投入給水自動控制；(5)打開鼓風機K1101，打開送風調(diào)節(jié)閥到30%，打開煙道擋板到50%；(6)打開燃料泵P1102，打開燃油調(diào)節(jié)閥到30%，鍋爐點火，燃燒控制系統(tǒng)投入自動；(7)當汽包壓力達到1.5 MPa，關閉放空閥門XV1104；(8)打開開關閥XV1105，使得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，提升負荷，如圖3開車順序控制邏輯圖[10]。

圖3 開車順序控制邏輯圖圖4 開車順序控制SFC組態(tài)圖

鍋爐正常運行時，要保證過熱蒸汽出口溫度、壓力和流量均達到標準要求。同時，確保鍋爐處在安全、穩(wěn)定的生產(chǎn)工況，圖4所示為開車順序控制SFC組態(tài)圖。

2.2　停風、停燃料聯(lián)鎖停車控制設計

針對安全生產(chǎn)問題，設計停風、停燃料聯(lián)鎖停車系統(tǒng)。如果出現(xiàn)燃料流量驟降或空氣量驟降的情況，啟動聯(lián)鎖停車信號。在接收到聯(lián)鎖停車信號后，切斷過熱蒸汽向下游生產(chǎn)單元輸送的通路，將不合格的過熱蒸汽排向旁路管線。同時，停燃料泵、停風機，全開煙道擋板，使爐膛自然降溫。經(jīng)過一段時間后，關閉上水泵，使整個鍋爐停車，進入維修狀態(tài)[11-12]，停風、停燃料聯(lián)鎖停車系統(tǒng)邏輯圖如圖5所示，圖6為停車順序控制SFC組態(tài)圖。

3系統(tǒng)運行及結果分析

硬件部分接線完成之后，開啟所有開關，將組態(tài)好的CFC和SFC編譯并下載至PLC中，運行SFC，同時運行SMPT-1000實驗軟件。鍋爐處于開車運行中，各執(zhí)行機構按照開車順序控制的要求啟動。開車順序控制將在30分鐘之內(nèi)完成，之后系統(tǒng)將全部投入自動，穩(wěn)定運行，達到生產(chǎn)標準，最終完成對鍋爐生產(chǎn)過程的開車及自動控制，這里不對穩(wěn)態(tài)進行分析，在達到穩(wěn)態(tài)運行后，直接進入停車及保護控制。

在動態(tài)開車過程中實現(xiàn)了燃燒控制、給水全程控制、主蒸汽出口流量控制、主蒸汽出口溫度的全程控制，上水、給煤、送風、減溫等順序動作均達到開車標準要求。在系統(tǒng)穩(wěn)定運行一段時間后，啟動停車控制，停風、停燃料等聯(lián)鎖停車控制也達到了控制要求。

圖7和圖8分別是鍋爐開、停車控制系統(tǒng)的運行曲線，圖中曲線LI1102、PI1102、PI1104、TI1104、FI1105分別是汽包水位、爐膛壓力、過熱蒸汽出口壓力、過熱蒸汽出口溫度、過熱蒸汽出口流量的趨勢曲線。

圖5 停風、停燃料聯(lián)鎖停車系統(tǒng)邏輯圖圖6 停車順序控制SFC組態(tài)圖圖7 鍋爐開車控制系統(tǒng)的運行曲線圖8 鍋爐停車控制系統(tǒng)的運行曲線

4結語

基于新一代過程控制系統(tǒng)SIMATIC PCS7對仿真系統(tǒng)SMPT-1000上的鍋爐系統(tǒng)進行了開、停車順序系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。實驗結果表明，所設計的實驗系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵式啟、停，具有較好的安全性、穩(wěn)定性、簡便性，控制效果良好，對PCS7在火電機組中的應用及鍋爐自啟停順序控制的前景應用做了一次有意義的探究。

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Design for Sequential Control System of Boiler Based on PCS7

SHI Dong-lin，LI Feng，CAI Zi-qiang，LIU Jian-zhao

(School of Automation Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：Aiming at the many complex issues of the thermal power generating units start and stop operation，automatic start up and shutdown sequential control system of boiler is designed based on Siemens PCS7.Boiler driving，parking and protection control can be realized by using sequential function chart in PCS7 (SFC) and SMPT-1000.The results show that the designed system with the advantages of safety，simple，good stability，good control effect can realize the one button start and stop.

Key words：Boiler startup and shutdown control system；PCS7；SMPT-1000；Sequential control

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2992(2015)06-0045-05

作者簡介：史冬琳(1979-)，女，黑龍江省泰來縣人，東北電力大學自動化工程學院講師，碩士，主要研究方向：非線性預測控制，先進控制在熱工過程中的應用.

收稿日期：2015-09-12