基于組態(tài)軟件的燃氣鍋爐自動控制系統(tǒng)

概述

系統(tǒng)研發(fā)的目的是通過改造燃氣鍋爐的電控系統(tǒng)，精確匹配燃氣鍋爐輸出溫度與反應釜需要的溫度，達到節(jié)約能源的效果。

當前我國為了保護環(huán)境，改善空氣質(zhì)量，正在推進把燃煤鍋爐改造為天然氣鍋爐的工作，而天然氣的價格大大高于煤炭，幾乎是煤炭價格的四倍，所以通過技術改造減少鍋爐燃料消耗的需求變得日益迫切。

樹脂生產(chǎn)工廠生產(chǎn)樹脂的過程是這樣的：將特定原料投入反應釜，根據(jù)溫控曲線控制溫度的升降和保持，使原料發(fā)生化學反應，化學反應的產(chǎn)物就是需要的樹脂產(chǎn)品。

樹脂生產(chǎn)廠的鍋爐通過燃燒天燃氣產(chǎn)生上述化學反應所需要的熱量，鍋爐原有的控制系統(tǒng)只能輸出恒定的溫度，而反應釜所需的溫度是根據(jù)時間變化的，這樣有大量的熱量被白白浪費掉，如果燃氣鍋爐的輸出溫度能根據(jù)反應釜需要的溫度變化而變化，就能節(jié)約大量的天然氣，從而產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。

系統(tǒng)需求分析

在進行系統(tǒng)的設計之前需要知道系統(tǒng)應具備的功能，系統(tǒng)設計人員在樹脂生產(chǎn)廠向生產(chǎn)主管和工廠負責人詳細了解了現(xiàn)有設備的結構功能，控制接口，在此基礎上設計新控制系統(tǒng)。

樹脂生產(chǎn)廠的燃氣鍋爐房距生產(chǎn)車間二百米左右，生產(chǎn)車間有四個反應釜，燃氣鍋爐通過加熱油向反應釜供熱。

現(xiàn)有燃氣鍋爐的電控設備輸入溫度傳感器信號和壓力傳感器信號，輸出關火控制信號，開大火控制信號和開小火控制信號，通過電控系統(tǒng)的終端，可以設置輸出溫度，大小火轉(zhuǎn)換溫度，控制流程如下圖所示：

現(xiàn)有燃氣鍋爐的電控設備控制流程是這樣的：

控制系統(tǒng)比較溫度傳感器的溫度與輸出溫度設置值，如果大于該值，則輸出關火控制信號；如果小于該值，則與大小火轉(zhuǎn)換溫度設置值比較，如果大于該值則輸出開小火控制信號，反之輸出開大火控制信號。

控制系統(tǒng)比較壓力傳感器的壓力值與最大壓力設置值，如果大于該值，則輸出關火控制信號。

了解了原有燃氣鍋爐電控系統(tǒng)的功能，才能根據(jù)用戶的需求得到新的燃氣鍋爐電控系統(tǒng)的功能，結構，性能指標。

新的燃氣鍋爐電控系統(tǒng)應具有如下功能：

控制終端計算機位于生產(chǎn)車間，與位于燃氣鍋爐室的控制端通過控制電纜相連。

在控制終端上預先設置四個反應釜的溫控曲線，根據(jù)控制模型計算出燃氣鍋爐的溫度輸出隨時間變化的曲線。

計算機根據(jù)燃氣鍋爐溫控曲線生成控制信號，通過電纜將控制信號傳輸至燃氣鍋爐的控制端，控制燃氣鍋爐的大小火點火開關和關閉開關。

顯示并存儲燃氣鍋爐溫度輸出曲線，并可以隨時調(diào)用查看。

可在控制終端計算機上設置控制系統(tǒng)的參數(shù)。

用戶權限管理，只有經(jīng)過授權的工作人員才能進行相應的操作。

確定了新控制系統(tǒng)的功能后即可進行系統(tǒng)的概要設計。

系統(tǒng)概要設計

系統(tǒng)功能框圖

系統(tǒng)設計的原則是盡量采用成熟的軟件平臺和儀表，以減少軟件和硬件的工作量，提高系統(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)功能框圖如下圖所示：

在燃氣鍋爐房安裝一臺巡檢儀，用于采集燃氣鍋爐傳感器的壓力、溫度數(shù)據(jù)。

巡檢儀是一種工業(yè)測控儀表，它可以與各類傳感器、變送器配合使用，可對多路溫度、壓力、液位、流量、重量、電流、電壓等工業(yè)過程參數(shù)進行巡回檢測、報警控制、變送輸出、數(shù)據(jù)采集及通訊。

巡檢儀采集的壓力和溫度數(shù)據(jù)通過RS485總線傳輸?shù)轿挥谲囬g的控制終端，控制終端上的組態(tài)軟件接受到燃氣鍋爐的壓力和溫度數(shù)據(jù)后，結合反應釜工作需要的溫度，輸出控制信號，通過RS485總線傳輸?shù)轿挥谲囬g的執(zhí)行單元控制燃氣鍋爐的大火控制開關，小火控制開關以及關火開關。系統(tǒng)框圖如下圖所示：

考慮到系統(tǒng)的通訊實時性、數(shù)據(jù)量的大小、通訊的安全可靠，通訊物理層采用 RS485，這是一種簡單方便的通訊方式，通常在通訊速率要求不高、數(shù)據(jù)量不大場合使用。

控制終端計算機選型

位于生產(chǎn)車間的控制終端計算機可選用研華工控機，操作系統(tǒng)為windows 7。

研華科技是全球電子平臺服務的領導廠商，中國臺灣企業(yè)，自1983年創(chuàng)立以來，研華致力于工業(yè)計算機和自動化領域的創(chuàng)新，發(fā)展和提供高品質(zhì)/高性能電子產(chǎn)品和服務。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，研華在電子平臺服務市場積累了豐富的經(jīng)驗，并引領工業(yè)發(fā)展方向，為全球用戶提供全套硬件解決方案。

工具軟件選型

20 世紀 70 年代以來，集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線技術取得了突飛猛進的發(fā)展，伴隨著控制技術的進步和 Window 操作系統(tǒng)的普及， 組態(tài)軟件漸漸被控制工程師們所熟知。組態(tài)軟件專注于工業(yè)過程控制、信息采集處理，用戶可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場情況自由地設計、開發(fā)上位機界面，以滿足現(xiàn)場監(jiān)控要求。

上位機監(jiān)控軟件選用北京亞控公司 Kingview，組態(tài)王提供便捷的圖庫、強大的腳本系統(tǒng)、曲線報表及 Web 功能。有利于用戶短時間內(nèi)開發(fā)出監(jiān)控畫面，提高開發(fā)效率。

如果不使用組態(tài)軟件，系統(tǒng)工程師在設計實際人機界面時，往往采用 VB、VC++等編程語言實現(xiàn)，開發(fā)周期漫長，可靠性差、可擴展性差，不利于系統(tǒng)的再次維護。并且不同系統(tǒng)開發(fā)工程師編程思路的不同，造成系統(tǒng)下一步升級和擴展難度加大。而組態(tài)軟件的出現(xiàn)，極大的簡化這一難題，通過組態(tài)軟件可以方便設計出性能穩(wěn)定可靠、界面美觀實用的監(jiān)控系統(tǒng)，用戶自己也可輕易上手，極大的降低了系統(tǒng)維護、培訓等成本。

組態(tài)軟件主要有以下功能：

1、出色的兼容性。組態(tài)軟件支持各種通訊協(xié)議如：工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus、Modbus、OPC 等。通過組態(tài)軟件可以方便的建立上位機與板卡、智能儀表、變頻器、PLC 等設備的通訊，免去了編寫、調(diào)試通訊驅(qū)動程序的寶貴時間，從而建立現(xiàn)場設備、控制器之間穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通訊。

2、 畫面組態(tài)方便實用。 組態(tài)軟件移植了 Windows 系統(tǒng)下的各種工具欄、 菜單、按鈕等，非常方便用戶上手。組態(tài)軟件提供各種圖庫、控件、動畫連接供用戶組態(tài)開發(fā)，使用戶開發(fā)出生動形象的監(jiān)控畫面。同時腳本程序極大豐富組態(tài)軟件所能實現(xiàn)的控制功能。

3、強大的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)字量、模擬量、字符型等數(shù)據(jù)，組態(tài)軟件可以快速存取可讀寫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與外部控制器的數(shù)據(jù)交互。

組態(tài)王的使用可以極大的減少了監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)時間，使設計工程師能在最短的時間內(nèi)開發(fā)出穩(wěn)定高效的控制界面。

組態(tài)的畫面將生產(chǎn)現(xiàn)場、信息呈現(xiàn)給控制工程師，供控制工程師參與控制和決策。

本次系統(tǒng)采用的組態(tài)王版本為 Kingview6.55。

Kingview6.55 功能特點如下：

提供功能強大的可視化人機界面，圖庫新穎，對象屬性強大實用。

事件報警處理及時方便，并對數(shù)據(jù)實施歸檔保存，方便查閱。

腳本語言實用強大，使用戶輕易實現(xiàn)復雜的邏輯和決策處理。

支持各種常見的通訊網(wǎng)絡，支持常見的 PLC、智能儀表、變頻器、智能模塊等硬件。

變量導入、替換功能非常人性化。變量可以通過 excel導入導出。變量可以導出至excel 表格中，方便對名稱等屬性進行修改。然后再導入新的項目中，節(jié)省開發(fā)時間，實現(xiàn)變量的二次利用。

控制軟件設計

進入組態(tài)軟件Kingview 工程管理器，選中相應的項目，點擊運行按鈕，即進入系統(tǒng)運行畫面，它是項目運行的默認畫面。畫面的左側為功能導航區(qū)，組態(tài)了開始控制、生成溫控曲線、退出按鈕，點擊相應的按鈕，可執(zhí)行相應功能。該畫面模擬了反應釜溫控曲線，燃氣鍋爐溫度輸出曲線等情況。點擊退出按鈕即可退出 Kingview。

進入運行畫面后，首先載入各個反應釜的溫控曲線，按“生成溫控曲線”按鈕，即可生成燃氣鍋爐的溫控曲線，再按“開始控制”按鈕，即可開始控制燃氣鍋爐的工作。

結束語

本燃氣鍋爐電控系統(tǒng)具有自動化、網(wǎng)絡化和實時監(jiān)控的特點，具有硬件穩(wěn)定、人機界面友好、通訊實時性高等優(yōu)點，在提高廠方勞動生產(chǎn)率的同時為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。本控制系統(tǒng)技術先進，可以為其他同類型企業(yè)提供借鑒和參考，極具推廣意義。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.015