中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司動(dòng)力分公司 吳凱

1　引言

本項(xiàng)目總體規(guī)模為蒸汽鍋爐和熱水鍋爐兩種，公共管網(wǎng)系統(tǒng)包括真空-電化學(xué)-化學(xué)三位一體除氧器、熱力除氧器、汽水殼式換熱器，水水板式換熱器，一次網(wǎng)、二次網(wǎng)循環(huán)泵和補(bǔ)水泵，除氧泵等。本項(xiàng)目新建燃?xì)忮仩t房，自控系統(tǒng)與項(xiàng)目同步建設(shè)、同步投入使用。

2　檢測(cè)與控制系統(tǒng)

2.1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

公共管網(wǎng)系統(tǒng)采用西門子公司的S7-400系列的PLC冗余控制系統(tǒng)，CPU采用西門子S7-400的CPU416，此款PLC數(shù)字信號(hào)輸入輸出能力達(dá)到26萬點(diǎn),模擬信號(hào)輸入輸出能力達(dá)到1.6萬點(diǎn)，CPU程序數(shù)據(jù)RAM達(dá)到4M，CPU故障事件保存存儲(chǔ)區(qū)達(dá)到120個(gè)，且可擴(kuò)展，功能模塊與控制器同系列、同軌道安裝，不采用擴(kuò)展方式，編程軟件同時(shí)支持LAD、FBD、STL、SCL、CFC、GRAPH、HiGraph編程語言。冗余系統(tǒng)配置是CPU、存儲(chǔ)器、電源設(shè)備和通信接口都是1：1冗余，可以實(shí)現(xiàn)雙控制器冗余切換，可以實(shí)現(xiàn)通信冗余功能和電源冗余功能，增加系統(tǒng)可靠性和安全性。由于各臺(tái)鍋爐之間存在互為備用的關(guān)系，因此每臺(tái)鍋爐由一套S7-300PLC實(shí)現(xiàn)單臺(tái)鍋爐和輔機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行與安全檢測(cè)功能。

鍋爐中央控制管理計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)完成所有鍋爐系統(tǒng)重要運(yùn)行參數(shù)的歷史記錄、存儲(chǔ)和產(chǎn)生報(bào)表并能打印輸出，實(shí)現(xiàn)各鍋爐運(yùn)行負(fù)荷的統(tǒng)一調(diào)配；根據(jù)鍋爐的運(yùn)行狀況進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，使鍋爐房成為新一代節(jié)約型能源中心。整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了控制分散、信息管理集中的現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備控制思想的發(fā)展理念，具有投資性價(jià)比高，可靠性好、便于擴(kuò)展，技術(shù)先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2　控制總體思路

鍋爐房內(nèi)熱力系統(tǒng)按“一鍵啟?！彼悸愤M(jìn)行設(shè)計(jì)，自動(dòng)檢測(cè)末端參數(shù)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，自動(dòng)調(diào)整循環(huán)泵、換熱器、鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行臺(tái)數(shù)；啟動(dòng)蒸汽鍋爐前，除鍋爐本體自動(dòng)檢測(cè)外，還自動(dòng)完成檢測(cè)給水泵、除氧水箱水位、軟水設(shè)備、鍋爐總出口閥門等狀態(tài)并進(jìn)行必要調(diào)節(jié)，達(dá)到啟爐條件后，自動(dòng)點(diǎn)火；啟動(dòng)循環(huán)泵，除其本身自動(dòng)檢測(cè)外，還可完成其進(jìn)出口閥門狀態(tài)以及壓力值的檢測(cè)并進(jìn)行必要調(diào)節(jié)，達(dá)到啟動(dòng)條件后，自動(dòng)變頻啟動(dòng)；啟動(dòng)換熱器前，除其本身自動(dòng)檢測(cè)外，還完成其進(jìn)出口閥門狀態(tài)以及其壓力、溫度值的檢測(cè)并進(jìn)行必要調(diào)節(jié)，達(dá)到啟動(dòng)條件后，自動(dòng)啟動(dòng)。各系統(tǒng)均能夠由獨(dú)立的PLC控制站自主完成鍋爐系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行與安全檢測(cè)。上位監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)完成對(duì)所有鍋爐房系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊與處理，并負(fù)責(zé)完成所有鍋爐房系統(tǒng)重要運(yùn)行參數(shù)的歷史記錄、存儲(chǔ)、生產(chǎn)報(bào)表打印以及各鍋爐房運(yùn)行負(fù)荷的統(tǒng)一調(diào)配。系統(tǒng)通過局域網(wǎng)隨時(shí)向上一級(jí)的管理級(jí)計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，為辦公自動(dòng)化提供了接口和條件。

2.3　控制軟件結(jié)構(gòu)

控制軟件的設(shè)計(jì)是指整個(gè)鍋爐控制系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)，在嚴(yán)格遵循控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)燃?xì)鉄崴仩t的運(yùn)行特點(diǎn)和中央監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，并考慮控制系統(tǒng)的科學(xué)性和先進(jìn)性要求，將整個(gè)群控系統(tǒng)按操作的等級(jí)分為上位監(jiān)控子系統(tǒng)、單臺(tái)鍋爐實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)兩個(gè)部分。上位監(jiān)控子系統(tǒng)是整個(gè)鍋爐群控系統(tǒng)的指揮中心，所有鍋爐的信息都集中顯示在中央控制計(jì)算機(jī)中，在正常運(yùn)行情況下，操作員可以在指揮中心對(duì)模塊鍋爐進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，如控制參數(shù)的設(shè)置、修改，啟動(dòng)優(yōu)化控制程序，建立鍋爐節(jié)能分析報(bào)表等。上位監(jiān)控子系統(tǒng)起到信息和人員的管理職能，建立重要鍋爐參數(shù)的歷史報(bào)表和趨勢(shì)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的生產(chǎn)監(jiān)督，中央監(jiān)控操作員的權(quán)限設(shè)置。上位監(jiān)控子系統(tǒng)建立在鍋爐房控制室內(nèi)，由監(jiān)控軟件、通訊電纜、監(jiān)控操作平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、不間斷電源等部分組成。

圖1　控制軟件結(jié)構(gòu)圖

單臺(tái)鍋爐實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)是整個(gè)鍋爐群控系統(tǒng)的控制核心，如果說上位集中監(jiān)控子系統(tǒng)是“大腦”的話，那么單臺(tái)鍋爐實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)就是“心臟”。所有正常狀態(tài)下的鍋爐控制都是由鍋爐控制柜來實(shí)現(xiàn)的。為保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，采用控制器和強(qiáng)電手動(dòng)操作共同來實(shí)現(xiàn)具體的控制功能，采用工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)鍋爐控制器與上位監(jiān)控子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)建立在鍋爐房控制室內(nèi)，核心控制器與上位監(jiān)控子系統(tǒng)安裝在同一平臺(tái)中，主要由一次傳感器、變送器（現(xiàn)場(chǎng)安裝）、核心控制模塊、強(qiáng)電手動(dòng)控制、控制柜等部分組成?？刂栖浖Y(jié)構(gòu)如圖1所示。從橫向角度來看，群控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合國際上流行的“控制分散、監(jiān)視集中”的群控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于每個(gè)鍋爐系統(tǒng)而言，控制是相互獨(dú)立，彼此不會(huì)干擾，而監(jiān)視系統(tǒng)又是集中的，信息是共享的，這有利于整體管理。從縱向角度看，鍋爐控制系統(tǒng)是安全可靠的，在正常情況下，操作員在上位監(jiān)控系統(tǒng)就可以對(duì)所有鍋爐進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，一旦上位系統(tǒng)發(fā)生故障，操作員可以通過鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，即使發(fā)生極端情況，操作員也可以通過控制柜的強(qiáng)電手動(dòng)操作對(duì)鍋爐進(jìn)行簡單的操作，不會(huì)因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)影響鍋爐的正常運(yùn)行。

2.4　上位機(jī)系統(tǒng)

上位監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能有兩個(gè)，一是對(duì)整個(gè)鍋爐房的監(jiān)視與管理功能，包括用戶管理、工況監(jiān)控、報(bào)警信息、實(shí)時(shí)與歷史曲線、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表打印等；二是對(duì)鍋爐房控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度和控制，包括參數(shù)設(shè)置、優(yōu)化運(yùn)行策略、緊急處理等。上位監(jiān)控系統(tǒng)被編制為三級(jí)控制權(quán)限，即操作員、鍋爐房工程師和系統(tǒng)工程師。操作員的權(quán)限僅限于日常瀏覽和實(shí)時(shí)監(jiān)視，不具備對(duì)組態(tài)軟件的任何修改與設(shè)置權(quán)力；鍋爐房工程師的權(quán)限是在操作員的權(quán)限之上，可以對(duì)運(yùn)行過程中的一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與修改，如控制參數(shù)、出水溫度設(shè)置、氣候補(bǔ)償曲線的選擇等；鍋爐房工程師和操作員都屬于組態(tài)軟件的操作前臺(tái)；系統(tǒng)工程師的權(quán)限是軟件組態(tài)級(jí)的，可以隨時(shí)修改組態(tài)界面和控制程序，一般是在后臺(tái)進(jìn)行操作，具有最高的權(quán)限。

3　監(jiān)控系統(tǒng)

3.1　主要功能

本群控系統(tǒng)采用Wincc V7.0作為上位集中監(jiān)控平臺(tái)，上位集中監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能主要包括以下幾個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集，通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用TCP/IP通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與鍋爐節(jié)能運(yùn)行管理控制器的數(shù)據(jù)雙向通信；人機(jī)操作界面，通過各種形式的數(shù)據(jù)顯示方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)重要工況數(shù)據(jù)的監(jiān)控；數(shù)據(jù)的記錄、檢索與分析，通過數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史趨勢(shì)和數(shù)據(jù)打印等形式，對(duì)鍋爐運(yùn)行狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和記錄；優(yōu)化調(diào)度，在對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立鍋爐優(yōu)化運(yùn)行的調(diào)度指令和開環(huán)指導(dǎo)；操作管理，對(duì)當(dāng)班的司爐工進(jìn)行操作登記，使操作工的操作與鍋爐運(yùn)行狀況一一對(duì)應(yīng)，真正實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理。

3.2　燃燒機(jī)自動(dòng)控制功能

燃燒器采用比例調(diào)節(jié)方式進(jìn)行控制，根據(jù)出水溫度的目標(biāo)值與實(shí)際出水溫度檢測(cè)值的差值，PID調(diào)節(jié)燃料閥開度，配風(fēng)由機(jī)械連桿自動(dòng)匹配。為使燃燒效果達(dá)到最佳狀態(tài)，控制系統(tǒng)引入鍋爐尾部煙氣氧含量作為鼓風(fēng)量的調(diào)節(jié)參數(shù)指標(biāo)，變頻調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率來調(diào)節(jié)鍋爐進(jìn)風(fēng)量?？刂圃砣鐖D2所示。

圖2　燃燒器控制流程圖

系統(tǒng)設(shè)有定時(shí)自動(dòng)控制功能。系統(tǒng)可在24小時(shí)內(nèi)設(shè)置四組定時(shí)工作時(shí)段，包括各時(shí)段開機(jī)、關(guān)機(jī)時(shí)間，鍋爐出水溫度上限、下限及轉(zhuǎn)火溫度；啟動(dòng)定時(shí)功能后，電腦根據(jù)當(dāng)前時(shí)間使系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入上班或下班不同時(shí)段，可根據(jù)用戶設(shè)置不同的溫度范圍進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)前回水溫度t系統(tǒng)自動(dòng)，為防止溫度太低導(dǎo)致管道爆裂，當(dāng)t≤5℃時(shí)，啟動(dòng)燃燒機(jī)一段火暖爐；當(dāng)t≥16℃時(shí)，關(guān)閉燃燒機(jī)，退出防凍狀態(tài)。燃燒機(jī)操作具有操作口令、系統(tǒng)調(diào)試口令、用戶程序保護(hù)口令的密碼管理。燃燒機(jī)控制器集中在控制柜中，形成燃燒機(jī)BMS管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含燃燒自動(dòng)程序控制功能、燃燒監(jiān)測(cè)功能。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的自動(dòng)化管理，采用便于操作人員使用的系統(tǒng)顯示，燃燒器的控制受控于鍋爐的總控制，并與鍋爐的控制保持相對(duì)的獨(dú)立性。

3.3　實(shí)時(shí)運(yùn)行畫面

在上位監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)彩色顯示器上動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示動(dòng)力站鍋爐、給水系統(tǒng)工藝流程、各主要工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行趨勢(shì)和各鍋爐的溫度壓力流量等數(shù)據(jù)。使生產(chǎn)管理人員掌握當(dāng)前鍋爐及動(dòng)力設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行情況，能從總圖詳圖多層次監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)圖形的總體結(jié)構(gòu)形式為分層展開式?？刂栖浖\(yùn)行畫面如圖3所示。

3.4　趨勢(shì)圖畫面

控制軟件畫面包括鍋爐房系統(tǒng)監(jiān)控總圖，鍋爐動(dòng)態(tài)工藝流程圖，自控系統(tǒng)總圖、主要參數(shù)實(shí)時(shí)、歷史趨勢(shì)圖，各主要設(shè)備狀態(tài)和控制回路圖等等。其中趨勢(shì)圖可用棒狀圖或線狀圖顯示歷史趨勢(shì)或當(dāng)前趨勢(shì)。操作人員可以很方便地調(diào)整趨勢(shì)顯示的時(shí)間坐標(biāo)或輸入范圍。每個(gè)測(cè)量變量趨勢(shì)圖以時(shí)間為背景，操作人員能夠輸入開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。隨著時(shí)間跨度的變化，采樣頻率也相應(yīng)變化。為加快數(shù)據(jù)檢索時(shí)間，趨勢(shì)曲線所用的數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中一個(gè)特定的緩沖區(qū)內(nèi)。

圖3　控制軟件運(yùn)行畫面

3.5　故障報(bào)警畫面

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)配置了故障處理專家系統(tǒng)軟件通過預(yù)裝的專家系統(tǒng)得到故障原因的詳細(xì)資料及排除故障的對(duì)策。在任何時(shí)間和在任何能顯示的工作站都能在畫面頂部或底部顯示出的報(bào)警信息，操作人員點(diǎn)擊該報(bào)警信息可以快速地調(diào)出與本報(bào)警有關(guān)的畫面，該畫面可以顯示出故障原因的詳細(xì)資料及排除故障的對(duì)策。所有的報(bào)警信號(hào)都以時(shí)間先后排隊(duì)，該隊(duì)列可以在畫面上顯示并存貯在內(nèi)存內(nèi)。在任何時(shí)間，該隊(duì)列在畫面上保留最新的128個(gè)報(bào)警點(diǎn)。這個(gè)歷史報(bào)警隊(duì)列在畫面上采用顏色的閃爍和顏色的變化來表示一個(gè)報(bào)警信號(hào)是否被確認(rèn)和是否被已恢復(fù)到正常的工況。在產(chǎn)生任何一個(gè)報(bào)警信號(hào)時(shí)，工作站便產(chǎn)生一個(gè)報(bào)警聲音以提醒操作人員報(bào)警內(nèi)容登記在數(shù)據(jù)庫事件登錄清單內(nèi)，如果需要可以按要求調(diào)用并按命令分別打印。

4　小結(jié)

燃?xì)忮仩t與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐相比，運(yùn)行安全性更為重要，特別是燃?xì)庑孤┖腿急瑔栴}必須有自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)解列功能。本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)和實(shí)施中增加了控制過程的實(shí)時(shí)性顯示，實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)的連鎖控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警與自動(dòng)解列功能。

參考文獻(xiàn)：

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