東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 馬麗萌 譚光韜

淺議基于PCS7的鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 馬麗萌 譚光韜

本文以目前我國的鍋爐控制系統(tǒng)存在高耗能、高排放和技術(shù)水平低為背景，研究PCS7控制系統(tǒng)應(yīng)用到鍋爐控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐控制的優(yōu)化和升級(jí)。制作鍋爐控制系統(tǒng)的方案，對(duì)控制系統(tǒng)的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用SMPT1000鍋爐仿真系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PCS7對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)的控制較好，能夠達(dá)到預(yù)期的效果。

PCS7；鍋爐控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；SMPT1000

一、引言

目前鍋爐應(yīng)用越來越廣泛，不僅人們?nèi)∨枰仩t，工業(yè)生產(chǎn)、發(fā)電、化工、火車船舶、工礦企業(yè)等也都離不開鍋爐。鍋爐的應(yīng)用和需求量提升的問題被關(guān)注的同時(shí)，當(dāng)前鍋爐耗能高、污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)更是突顯出來。我國鍋爐的控制目前大多數(shù)是人工進(jìn)行控制，對(duì)污染排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行不嚴(yán)。

二、鍋爐控制系統(tǒng)的概述

鍋爐控制系統(tǒng)主要是對(duì)鍋爐內(nèi)的壓力、溫度、液位等指標(biāo)參數(shù)的控制。具體包括汽包水位控制系統(tǒng)、燃燒控制系統(tǒng)、蒸汽溫度控制系統(tǒng)和減排環(huán)?？刂葡到y(tǒng)。本文重點(diǎn)對(duì)汽包水位的控制進(jìn)行分析。我們的控制對(duì)象SMPT-1000鍋爐仿真控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 SMPT-1000鍋爐仿真控制系統(tǒng)

1.汽包水位控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)對(duì)鍋爐內(nèi)部蒸汽水位進(jìn)行控制。通常情況下，汽包內(nèi)的水位如果過高，則會(huì)影響水汽分離，會(huì)使內(nèi)部管道受到損害，同時(shí)也導(dǎo)致蒸汽溫度驟降；如果水位過低，則會(huì)加速汽化，導(dǎo)致汽包內(nèi)部的水發(fā)生汽化，如得不到及時(shí)控制，則可能燒壞水冷壁甚至鍋爐發(fā)生爆炸。

由于過熱蒸汽出口流量對(duì)汽包水位調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性，使汽包水位出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象，所以可以依據(jù)過熱蒸汽出口流量的變化來控制給水閥，調(diào)節(jié)給水量，構(gòu)成前饋控制系統(tǒng)。而汽包給水流量總是波動(dòng)，將對(duì)汽包水位造成一定影響。為了使水位穩(wěn)定，可以采用汽包水位-上水流量串級(jí)控制，再加上蒸汽負(fù)荷前饋控制，形成前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)。

2.燃燒控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)對(duì)保持鍋爐內(nèi)部的氣壓穩(wěn)定、調(diào)節(jié)出風(fēng)量和送風(fēng)量、確保燃燒的徹底性和內(nèi)部壓力穩(wěn)定具有重要的作用。鍋爐內(nèi)的壓力對(duì)過熱蒸汽的產(chǎn)生有著重要的影響。

3.蒸汽溫度控制系統(tǒng)

過熱管工作的溫度范圍為過熱管材的受熱范圍。如果過熱管中的蒸汽溫度太高，超過了管材的受熱范圍，則會(huì)導(dǎo)致器材受損，鍋爐內(nèi)部器件發(fā)生膨脹，影響鍋爐的正常工作。如果過熱管中的蒸汽溫度過低，也會(huì)導(dǎo)致器件的受損。在實(shí)際操作中，增加燃料前應(yīng)先增加空氣，提高蒸汽負(fù)荷；同理，在減少蒸汽負(fù)荷是就要減少燃料的供應(yīng)和內(nèi)部的空氣。

4.減排環(huán)?？刂葡到y(tǒng)

保證燃料充分燃燒既可以提高燃料的燃燒效率，節(jié)省成本，同時(shí)也降低了廢氣排放量。鍋爐的擋煙板的操控影響著煙氣的含氧量和溫度等。煙道擋板能夠通過開度來控制含氧量以及鍋爐的壓力。當(dāng)含氧量過高時(shí)，可以將煙道擋板的開度適當(dāng)降低，來保證足夠的氧氣供燃料燃燒來消耗，從而保證燃料能夠得到充分的燃燒，提高燃燒的效率。當(dāng)然，調(diào)節(jié)擋煙板的開度也影響送風(fēng)量和出風(fēng)量，進(jìn)而影響鍋爐的壓力。

三、PCS7在鍋爐控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

PCS7系統(tǒng)是西門子的DCS系統(tǒng)，基于過程自動(dòng)化，從傳感到控制到執(zhí)行，再到上位機(jī)，自下而上形成完整的全集成自動(dòng)化架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)完全無縫集成自動(dòng)化。主要包括Step7、CFC、SFC、Simatic Net和WinCC以及PDM等軟件，組態(tài)對(duì)象選用S7-400高端CPU。有標(biāo)準(zhǔn)的SIMATIC軟件和硬件組件，分布式客戶機(jī)/服務(wù)器架構(gòu)，強(qiáng)大的HMI系統(tǒng)，基于SQL服務(wù)器的歸檔系統(tǒng)，無縫集成的安全系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn) MES/ERP層級(jí)的接口。

對(duì)于鍋爐控制系統(tǒng)需要通過引入PCS7系統(tǒng)的軟件、硬件以及程序的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

1.硬件方面

針對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)所涉及到的參數(shù)類型，對(duì)軟件進(jìn)行配置。不同的參數(shù)類型配不同的位號(hào)、地址。PCS7的硬件包括控制模塊初始化和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始化兩部分。硬件的模塊參數(shù)包括后臺(tái)自動(dòng)控制、班長控制以及坐席人員控制三個(gè)組態(tài)。不同的模塊參數(shù)相應(yīng)的操作界面存在不同，權(quán)限也存在差別。需要對(duì)各模塊參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)導(dǎo)入，對(duì)軟件配置的類型和位號(hào)等與硬件的模塊進(jìn)行捆綁。最后還需要制作人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的界面。

2.程序方面

CFC組態(tài)設(shè)計(jì)：包含多個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)，但基本上都是通過串聯(lián)控制進(jìn)行的，可以進(jìn)行控制模塊和控制模塊類型同步。在設(shè)計(jì)的過程中，需要對(duì)特定值的范圍進(jìn)行設(shè)置，在編輯器中連接相應(yīng)的CFC圖表。CFC可以根據(jù)模塊類型的功能，在設(shè)計(jì)的過程中預(yù)設(shè)多個(gè)許可或不預(yù)設(shè)任何許可。將模塊進(jìn)行輸入和輸出，實(shí)現(xiàn)模塊的互聯(lián)，而可以不用考慮算法、資源分配等細(xì)節(jié)。在CFC編輯過程中創(chuàng)建圖表，可以插入、組態(tài)和連接塊。在CFC中，可以使用預(yù)組態(tài)塊來執(zhí)行某些特定的功能，并將這些功能塊連接進(jìn)行組態(tài)。CFC所包含的塊的數(shù)量是可變的，可以在圖表中進(jìn)行更改，每個(gè)塊在創(chuàng)建時(shí)都分配有一個(gè)自己的標(biāo)識(shí)符。

3.WinCC組態(tài)設(shè)計(jì)

西門子PCS7 WinCC庫中已經(jīng)提供了豐富多彩的圖形，利用WinCC和庫可以完成各種復(fù)雜的過程監(jiān)控畫面，包括動(dòng)態(tài)和靜態(tài)圖形。在WinCC的圖形設(shè)計(jì)編輯器中，在組態(tài)模式中用各種工具和對(duì)象生成靜態(tài)圖形，按照汽包工作的工藝，搭建好人機(jī)交互界面，使操作員界面可視化。

四、對(duì)PCS7在鍋爐控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證過程：利用PCS7完成了對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)方案對(duì)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。首先，將所有參數(shù)調(diào)整到正常值范圍。包括爐內(nèi)壓力、溫度、水位等。其次，將參數(shù)作為變量，進(jìn)行改變，觀察反映是否迅速準(zhǔn)確，并且誤差是否在正常范圍內(nèi)。最后，對(duì)硬件模塊參數(shù)的進(jìn)行檢測。

試驗(yàn)結(jié)論：PCS7系統(tǒng)能夠充分滿足鍋爐控制系統(tǒng)的控制需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐的優(yōu)化控制，達(dá)到了鍋爐效率的提升的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，PCS7在鍋爐控制系統(tǒng)應(yīng)用中，設(shè)計(jì)的方案合理，具有可操作性，實(shí)際應(yīng)用安全性能好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

五、結(jié)束語

本文將PCS7系統(tǒng)應(yīng)用于鍋爐控制系統(tǒng)中，并通過試驗(yàn)，完成了驗(yàn)證。鍋爐控制系統(tǒng)的安全性關(guān)系著人們生活和企業(yè)生產(chǎn)，不容忽視。完善和提升鍋爐控制系統(tǒng)是一個(gè)不斷探索的過程，控制系統(tǒng)也在不斷的更新。希望本文的論述，能夠?yàn)殄仩t控制系統(tǒng)的完善和發(fā)展提供一個(gè)技術(shù)參考和思路。相信未來，將會(huì)有更多的學(xué)者、研究人員探索和發(fā)現(xiàn)更加完善的系統(tǒng)、技術(shù)和方法。

[1]張春曉.基于SMPT-1000的鍋爐系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京化工大學(xué),2013.

[2]倪曉杰,馬彥霞,薄翠梅,等.基于PCS7的鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].控制工程,2011,18(6):927-930.