基于組態(tài)技術(shù)的蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)
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摘要：論述了組態(tài)控制技術(shù)在蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，詳細(xì)地介紹了蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的組成、控制要求和控制功能。并通過(guò)燃燒器主畫(huà)面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程控制功能;通過(guò)實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線完成數(shù)據(jù)的查詢和分析。
蒸汽鍋爐提供的蒸汽主要用于民用采暖和工廠工藝用熱。目前使用較廣的蒸汽鍋爐分電蒸汽鍋爐、燃油蒸汽鍋爐、燃?xì)?/strong>蒸汽鍋爐和燃油一燃?xì)庹羝仩t4類。傳統(tǒng)的蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)是一種基于繼電接觸器和人工手動(dòng)方式的半自動(dòng)化系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為繁瑣，不易維護(hù)，故障率高;操作時(shí)需要工作人員親臨現(xiàn)場(chǎng)，存在嚴(yán)重?fù)p害操作人員身體健康的風(fēng)險(xiǎn)。組態(tài)(Configuration)控制技術(shù)以其編程簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全可靠、故障率低、可維護(hù)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐步在蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)中得到廣泛采用。組態(tài)控制技術(shù)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上除采用工業(yè)PC機(jī)外，系統(tǒng)大量采用各種成熟通用的I/O接口設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，基本上不再需要單獨(dú)進(jìn)行具體電路設(shè)計(jì)，不僅節(jié)約了硬件開(kāi)發(fā)時(shí)間，更提高了工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。
本控制系統(tǒng)硬件采用西門(mén)子S7—200作為核心控制部件，上位機(jī)軟件采用北京亞控公司的“組態(tài)王”。軟硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)合理，操作簡(jiǎn)單，智能化程度高，采用高性能的電源，具有較強(qiáng)的抗干擾能力?？蓪?duì)鍋爐的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)故障進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別及處理，使系統(tǒng)能夠更安全、可靠地運(yùn)行。
1 蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的控制要求及構(gòu)成
1.1 系統(tǒng)的控制要求
根據(jù)蒸汽鍋爐的工作過(guò)程，要求蒸汽壓力、鍋爐水液位和燃燒器達(dá)到以下控制要求：
1)蒸汽壓力控制
爐內(nèi)壓力要求控制在0.010 MPa≤P≤0.10 MPa。當(dāng)蒸汽壓力P<0.01 MPa時(shí)，燃燒器先啟動(dòng)小火，延時(shí)0～180s(可調(diào))。當(dāng)延時(shí)時(shí)間到，啟動(dòng)大火;當(dāng)蒸汽壓力0.01MPa
2)鍋爐水液位控制
當(dāng)爐水液位到達(dá)上上限時(shí)，關(guān)停補(bǔ)水泵和燃燒器并報(bào)警;當(dāng)爐水液位到達(dá)上限時(shí)，關(guān)停補(bǔ)水泵;當(dāng)爐水液位到達(dá)下限時(shí)，啟動(dòng)補(bǔ)水泵;當(dāng)爐水液位到達(dá)下下限時(shí)，關(guān)停補(bǔ)水泵和燃燒器并報(bào)警;當(dāng)補(bǔ)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)停小火、大火和補(bǔ)油泵并報(bào)警。
3)燃燒器控制
燃燒器自動(dòng)控制是由給煤量、送風(fēng)量和爐膛負(fù)壓部分組成。在正常情況下，主蒸汽壓力偏離給定值時(shí)，系統(tǒng)將按著規(guī)定的控制算法調(diào)節(jié)爐排的轉(zhuǎn)速，以滿足靜態(tài)控制精度的要求。在調(diào)節(jié)給煤量時(shí)，為了保持合理的煤層厚度，還必須調(diào)整給煤閘板的高度;在調(diào)節(jié)送風(fēng)的同時(shí)，為了使?fàn)t膛負(fù)壓相對(duì)穩(wěn)定，保證在任何情況下不出現(xiàn)正壓或超越爐膛負(fù)壓下限值，負(fù)壓控制可將送風(fēng)量作為前饋信號(hào)，以獲得最佳燃燒效果，當(dāng)蒸汽壓力P≤0.01 MPa時(shí)，燃燒器處于大、小火自動(dòng)切換工作模式;當(dāng)P>0.1 MPa時(shí)，燃燒器處于停機(jī)工作模式;當(dāng)燃燒器出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)停小火、大火、補(bǔ)水泵和補(bǔ)油泵并報(bào)警。
1.2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成
蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)主要有鍋爐本體和燃燒器兩大部分組成：
1)鍋爐本體：配有蒸汽壓力變送器、爐水液位計(jì)、溫度傳感器、蒸汽壓力高保護(hù)壓力控制器和蒸汽壓力超高保護(hù)壓力控制器。蒸汽壓力超高保護(hù)壓力控制器的作用是在壓力超高時(shí)切斷燃燒器的電源。
2)燃燒器：配有小火電磁閥、大火電磁閥、火焰監(jiān)視探頭(電眼)和程序控制器。
蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，溫度、壓力和液位等模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)變送器將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成1—5 V的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)為8位，其中7位數(shù)值位，1位停止位。8位數(shù)字信號(hào)經(jīng)RS232/RS485轉(zhuǎn)換接口傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示。開(kāi)關(guān)量直接進(jìn)入PLC模塊，首先由PLC完成對(duì)開(kāi)關(guān)量的控制，再經(jīng)RS232/RS485轉(zhuǎn)換接口將其傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)雙重控制。
1.3 控制系統(tǒng)I/O配置
本控制系統(tǒng)I/O配置如表1所示。模擬量應(yīng)實(shí)時(shí)顯示在操作畫(huà)面中，數(shù)值范圍滿足表1要求，若出現(xiàn)數(shù)值超限應(yīng)在主畫(huà)面中出現(xiàn)報(bào)警提示;數(shù)字量通過(guò)西門(mén)子PLC(S7—200)輸入和輸出，并能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。
2 蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的基本功能
1)本系統(tǒng)可根據(jù)出口原油溫度或采暖水出口溫度與設(shè)定值相比較，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、連續(xù)的調(diào)節(jié)爐內(nèi)火焰的大小。
2)本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示7個(gè)模擬量參數(shù)，它們分別是：原油入口溫度、原油出口溫度、采暖水入口溫度、采暖水出口溫度、爐內(nèi)液位、爐內(nèi)壓力、燒火間內(nèi)可燃?xì)庑孤┝俊?/p>
3)本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示的數(shù)字量包括：電源指示、燃燒器運(yùn)行狀態(tài)、燃燒器故障狀態(tài)、檢漏故障狀態(tài)等。
4)本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)超溫后的自動(dòng)停機(jī)及溫度恢復(fù)后的自動(dòng)啟動(dòng)。
5)本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)聲光指示所有參數(shù)的報(bào)警狀態(tài)，并可以手動(dòng)消音。
6)本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)的切換。在加熱爐調(diào)試期間，打到手動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行前期的調(diào)試，當(dāng)鍋爐具備自動(dòng)控制的條件后，可打到自控狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
3 燃燒器運(yùn)行主畫(huà)面
燃燒器運(yùn)行主畫(huà)面可實(shí)時(shí)顯示燃燒器的工作狀態(tài)，通過(guò)對(duì)畫(huà)面的操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒器工作參數(shù)的監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。圖2所示為燃燒器停止運(yùn)行狀態(tài)畫(huà)面圖。
1)油出口溫度：實(shí)時(shí)指示油出口溫度值，當(dāng)溫度值高于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，將自動(dòng)跳出“報(bào)警窗口”當(dāng)溫度值高于報(bào)警停機(jī)值時(shí)，燃燒器自動(dòng)停機(jī)，并且溫度值以紅色顯示，待溫度值恢復(fù)正常后，燃燒器自動(dòng)啟動(dòng)。
2)爐內(nèi)壓力：實(shí)時(shí)指示爐內(nèi)壓力值，當(dāng)壓力值高于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，將自動(dòng)跳出“報(bào)警窗口”;當(dāng)壓力值高于報(bào)警停機(jī)值時(shí)，燃燒器自動(dòng)停機(jī)，并且壓力值以紅色顯示，待壓力值恢復(fù)正常后，燃燒器自動(dòng)啟動(dòng)。
3)爐內(nèi)液位：實(shí)時(shí)指示爐內(nèi)液位值，當(dāng)液位值低于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，將自動(dòng)跳出“報(bào)警窗口”;當(dāng)液位值低于報(bào)警停機(jī)值時(shí)，燃燒器自動(dòng)停機(jī)，并且液位值以紅色顯示。
4)燃?xì)庑孤┝浚簩?shí)時(shí)指示燒火間內(nèi)可燃?xì)庑孤┲?，?dāng)泄漏值高于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，將自動(dòng)跳出“報(bào)警窗口”;當(dāng)泄露值高于報(bào)警停機(jī)值時(shí)，燃燒器自動(dòng)停機(jī)，并且可燃?xì)?/strong>泄露值以紅色顯示。
5)運(yùn)行狀態(tài)指示：當(dāng)燃燒器運(yùn)行時(shí)，顯示綠色“燃燒器運(yùn)行”且火苗閃爍;當(dāng)燃燒器停止時(shí)，顯示紅色“燃燒器停止”火苗停止閃爍。
4 控制系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計(jì)
本蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)主流程圖如圖3示。系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)上位機(jī)的主畫(huà)面給系統(tǒng)上電，并將點(diǎn)火標(biāo)志位置1，然后進(jìn)入點(diǎn)火子程序進(jìn)行點(diǎn)火，若燃燒器工作正常，則成功點(diǎn)火;若燃燒器出現(xiàn)故障，則通過(guò)點(diǎn)火子程序判斷故障點(diǎn)，排除故障后繼續(xù)點(diǎn)火，直到成功。
5 趨勢(shì)曲線
數(shù)據(jù)分析是一個(gè)完善的控制軟件必不可少的功能。趨勢(shì)曲線是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的方式之一，其特點(diǎn)是直觀，便于比較。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線來(lái)分析現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集情況。
趨勢(shì)曲線的外形類似于坐標(biāo)紙，X軸代表時(shí)間，Y軸代表變量值。主要用于觀察變量的變化趨勢(shì)。在趨勢(shì)曲線中工程人員可以規(guī)定時(shí)間間距、數(shù)據(jù)的數(shù)值范圍、網(wǎng)絡(luò)分辨率、時(shí)間坐標(biāo)數(shù)目、數(shù)值坐標(biāo)數(shù)目以及繪制曲線的“筆”的顏色屬性。軟件運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線可以自動(dòng)卷動(dòng)，以快速反映變量隨時(shí)間的變化。
實(shí)時(shí)趨勢(shì)用于實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的變化情況。在畫(huà)面運(yùn)行時(shí)趨勢(shì)曲線對(duì)象由系統(tǒng)自動(dòng)更新。數(shù)據(jù)將從趨勢(shì)的右邊進(jìn)入，同時(shí)趨勢(shì)將從右向左移動(dòng)，本系統(tǒng)實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線如圖4所示。
6 結(jié)束語(yǔ)
系統(tǒng)測(cè)試和運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄鍋爐的運(yùn)行情況，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)奖鞠到y(tǒng)，且系統(tǒng)操控界面友好、使用方便，實(shí)現(xiàn)了蒸汽鍋爐運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制。
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