第10卷第23期2010年8月167121815(20102325744204
科学技术与工程
Science Technol ogy and Engineering
Vol 110No 123Aug 12010
Ζ2010Sci 1Tech 1Engng 1
动力技术
基于P LC 的工业锅炉的DCS 系统设计
吴明亮魏莉莉3
余淑荣肖林海黄健康
1
(兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室和兰州理工大学有色金属合金省部共建教育部重点试验室1,兰州730050
摘要随着现代化工业的飞速发展,对能源利用率的要求越来越高,由于工业锅炉在生活中使用广泛,其控制和管理要求也越来越高。介绍了两台供暖锅炉控制系统的DCS 系统设计,控制系统运用P LC 实现整体控制,运用变频器调节鼓风、引风和炉排电动机,运用工业计算机实现上位机监控,利用P LC 的P I D 功能,对锅炉系统采用先进的控制技术,不仅能够实现安全生产的目的,还能够节煤节电并能使排放更环保,具有很好的市场发展空间和投资收益前景。关键词锅炉分散控制系统P LC W inCC 中图法分类号TK323;文献标志码
A
2010年5月11日收到
第一作者简介:吴明亮(1965—,男,硕士,副教授,研究方向:人工智能,计算机控制和复杂工艺过程控制。
3
通信作者简介:魏莉莉(1984—,女,硕士生,研究方向:人工智
能,计算机控制。
在我国,除了少数大中型锅炉采用了先进的控制技术外,绝大多数中小企业所用的锅炉,大部分还停留在选用仪表和继电器控制,甚至还是人工操作,已无法满足要求
[1]
。因此,对锅炉控制系统采
用先进的控制技术,不仅能够实现安全生产的目的,还能够节煤节电并能使排放更环保,具有很好的市场发展空间和投资收益前景。锅炉DCS (分散控制系统D istributed Contr ol Syste m 自动控制,是近年来开发的一项新技术,它是计算机软件、硬件、自动控制、通讯网络和锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。采用控制算法和DCS 进行控制,可以有效提高工业锅炉的热效率、降低耗煤量、降低耗电量,是一件具有深远意义的工作
[2]
。作为锅炉控制装
置,其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行,减轻操作人员的劳动强度。DCS 控制的锅炉控制系统中,包含两台鼓风机、两台引风机、两台炉排机共六
台电动机,采用P LC 与变频器结合实施对锅炉六台电动机的控制,具有十分周到的安全机制,
设置了多点声光报警,和自动连锁停炉。控制系统采用前馈加P I D 控制器通过变频器调速系统调节引风量来控制炉膛负压,节能和控制效果非常明显。
1工艺流程
锅炉系统主要包括:蒸汽系统、软化水处理系统、给水系统、燃烧系统、排污系统、凝结水系统、疏水系统等
[3]
。该控制系统主要是控制锅炉燃烧系
统,燃料煤由振动给料机加到煤斗中并落在炉排上,电机通过减速机、链条带动炉排转动,将燃料煤带入炉内。燃料煤一边燃烧一边向后移动,燃烧所需要的空气由鼓风机送入炉排中间的风箱后,向上通过炉排到达燃料燃烧层。风量和燃料量成比例(风煤比,以便进行充分燃烧,形成高温烟气。燃
料煤燃烧剩下的灰渣,在炉排末端通过除渣板后排入灰斗。在炉膛四周墙面上都布置着一排水管,称为水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热,将热量传递给管内的水流。继而烟气受引风机、烟囱的引力向炉膛上方流动。烟气经炉膛出口与省煤器内的水和空气预热器中的空气进行热交换后,较低温度的烟气经过麻石除尘器除尘,再经引风机通过烟囱排出。省煤器的作用是给水预热,空气预热器的作用是给空气预热,以降低
排烟温度,提高锅炉效率,从而节省燃料。
2DCS系统的组成与网络结构
系统是根据工艺流程要求和控制任务,本着“分散控制、集中管理”的特点,整个控制系统按3层结构和2种网络进行结构规划和系统配置,并预留与全厂生产管理层的通讯接口。三层结构即为操作管理层、过程控制层和现场检测层。
操作管理层主要由2个工程师站(ES组成。每台工程师站相对于过程控制站具有同等的监控地位,互为热备。工程师站的硬件平台为研华工控机和研华19寸液晶显示屏,软件平台为SE I M ENS 公司的W inCC610组态软件。
过程控制层主要由1个过程控制站(PS组成,完成对两台锅炉控制系统的安全联锁控制、回路调节、顺序控制、逻辑控制和综合报警。过程控制层的PS站一方面通过PorfibuS2DP现场总线网络与现场检测层的远程I/O站进行通讯,采集系统相关的现场传感器、变送器、执行机构和其他设备的实时运行数据和状态信号,控制相关设备的运行,如调节鼓风机、引风机和炉排的运行速度等。另一方面将系统的数据信息通过现场总线上传到操作管理层的工作站进行处理,同时执行工程师站发出的操作命令。PS站选用西门子S72300系列P LC作为主站分别监控两台锅炉[4]。P LC处理器均为CP U3132 C,它具多种突出特点,包括紧凑、无槽位限制的模块化结构,高扩展能力,完整的系统功能,间接的集中或分布式I/O连接,通道隔离、带诊断,并集成了Pr ofibus2DP现场总线接口,可以直接挂接于Pr ofibus2DP网络。PS站的P LC编程软件采用Step7514,通讯设置软件为SI M ATI C NET。
现场检测层由1套Si m enes公司的ET200M系列远程I/O站组成,按每台蒸汽锅炉就地配置1套远程I/O站的原则进行设计。ET200M远程I/O站作为各过程控制站的从站,具体负责与现场各开关量及传统仪表的接口,并通过Pr ofibus—DP现场总线网络与过程控制层进行数据交换,实现2台锅炉系统所有现场设备、仪表的信号数据采集和控制等功能。
ET200M远程I/O模块作为从站,通过接口模块I M153与Pr ofibus2DP现场总线相连。ET200M远程I/O站主要由通讯模块、开关量输入/输出(I/O模块及模拟量输入/输出(I/O模块等组成。组态之后,分布式I/O将如同集中式I/O一样,主要完成锅炉的热工检测与控制。整个控制系统的网络结构如图1所示
。
图1网络结构图
3系统的软件设计
燃烧系统由6台变频器各自控制一个电动机组成。两台锅炉均有其相应的引风机、鼓风机和炉排机,全部要求变频控制且有顺序控制功能,其启动顺序如图2所示,停机按逆序进行。该控制系统考虑了连锁保护,一旦鼓风机或引风机或炉排停机或者变频器出现故障,既报故障信号立即实现连锁,整个锅炉系统停炉,保证锅炉安全。另外手动控制部分也设计了连锁保护功能,启动时必须是先启动引风机再启动鼓风机,停机时必须先停止鼓风机,然后停止引风机。
根据控制要求炉膛负压是一个重要的参数,负压过大,则漏风严重,总的风量增加,烟气热量损失增大,同时引风机的电耗增加,不利于经济燃烧,负压偏正,炉膛要向外喷火不利安全生产。控制系统
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23期吴明亮,等:基于P LC的工业锅炉的DCS系统设计
图2启动顺序图
采用前馈加P I D 控制,炉膛负压设定为-10Pa,根据鼓风机转速调节引风机转速,使炉膛负压维持在-10Pa 。炉膛负压控制系统如图3所示
。
图3炉膛负压控制系统框图
S72300的CP U 中已有P I D 模块F B41,建立F B41的背景数据块DB41,在DB41中把需要预先
设置的参数设置好,如P I D 参数、设定值和上下限幅值等。在OB35中进行数据的采集、输出和P I D 算法的实现。使用中只需设定三个参数(K P ,T I ,T D 即可。在很多情况下,并不一定需要全部三个单
元,可以取其中的一到两个单元,但比例控制单元是必不可少的。P I D 参数K P ,T I ,T D 可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化,例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化,P I D 参数就可以重新整定
[4]
。
燃烧控制系统应用先进的燃料2空气双交叉限制燃烧控制方式,当升负荷时,先加燃料后加风;当降负荷时,先加风后加燃料,并且燃料和风互相限制,使燃烧过程无
论在稳态工况或变工况下,剩余空气系数始终控制在理想范围内,把燃烧过程控制在低氧燃烧区。
4监控系统的画面及功能设计
控制界面采用W inCC 开发,如图4所示。其功能有:对现场锅炉及管网的模拟量如温度、压力、流
量、液位、含氧量等进行采集、处理并上传到上位机进行监控;对电动机、变频器的运行状态(包括起动、停止、运行、故障等信号进行采集、处理并上传到上位机,操作员通过对系统运行状态的判断进行相应操作;上位机中要求有运行数据的实时显示、现场工艺画面,还要求有报表、趋势图、报警纪录、P I D 参数设定、等功能,同时还能按照控制锅炉系统
的运行工艺对下位机实现全部控制。
在监控过程中,不断地采集现场的实时数据,并对这些数据进行归档、分析和处理。在W inCC 资源管理器的变量记录组态中,可以设置周期性归档
的变量和非周期性归档的变量。这些变量记录数据存贮于变量记录数据库中,可在监控画面中组态、显示。显示方式有两种:数据表格显示和曲线显示。无论是表格显示还是曲线显示,系统均提供了方便的查询工具,可以根据需要查寻不同时间段的监控数据。图5和图6给出4#锅炉炉膛负压和炉膛温度的曲线图。
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图4W I N NCC
监控画面
图5
炉膛负压曲线图
图6炉膛温度曲线图
5结论
结合工业锅炉系统实际监控要求,提出了一种基于现场总线技术与P LC控制技术相结合的远程监控方案。P I D控制器中引入鼓风量作为前馈补偿,以使引风量能迅速跟随鼓风量的变化,使炉膛负压保持在允许范围,实现了对锅炉燃烧系统的自动控制。同时该监控系统具有先进性、开放性、成本低等特点。控制室的人机界面能显示各种运行状态参数和故障信息以及系统参数,具有内容丰富、操作简便等优点。该控制系统自投运以来,运行效果较好。
参考文献
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Con trol System D esi gn of a W a ll C li m b i n g
Robot for Verti ca l M et a l Tanks Volu m e Testi n g
J I N G Zhao 2dong,T ONG Shi 2zhong 1
,Z HANG L i 2guo 1
,F U Gui 2zeng 1
,
L I Chang 2hai
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(I nstitute of Measure ment and Test of Fushun,Fushun 113006,P .R.China;
School of Contr ol and I nf or mati on Engineering 1,L iaoning Shihua University,Fushun 113001,P .R.China
[Abstract]I ntr oducti on of a wall 2cli m bing r obot contr ol syste m can be used t o test of vertical metal tank volume 1Ads or p ti on using non 2contact per manent four
2wheel drive combined with the realizati on of the r obot’s wall mo ve 2ment 1The contr ol syste m consists of upper and l ower computer component,the PC contr ol syste m was comp leted for wall 2cli m bing r obot contr ol syste m management,traject ory p lanning,working status,real 2ti m e dis p lay syste m t o p r otect the safety of diagnostic,run,st op ,etc 1The under PC contr ol syste m the realizati on of the move ment con 2tr ol,the AT89C51m icr ocontr oller core constitute a DC mot or drive circuit,Angle detecti on circuit,power circuit module 1Field experi m ents show that the r obot not only s ports a flexible,but als o res olve the wall 2cli m bing r obot deflecti on shortco m ings .
[Key words]wall 2cli m bing r obot angle sens or power supp ly module communicati on module (上接第5747页
D esi gn of DCS for I ndustr i a l Bo iler Ba sed on PLC
WU M ing 2liang,W E IL i 2li 3
,Y U Shu 2r ong,X I A O L in 2hai,HUANG J ian 2kang
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(Key Laborat ory of D igitalManufacturing Technol ogy and App licati on,the M inistry of Educati on and State Key Laborat ory of Gansu Advanced Non 2ferr ousMetalMaterials 1,Lanzhou University of Technol ogy,Lanzhou 730050,P 1R 1China
[Abstract]W ith the rap id devel opment of modern industries,the require ment on energy efficiency has become increasing 1A s the wide use of industrial boilers,its subsequent contr ol and manage ment de mand has become more and more much 1I n this paper,DCS designs of t w o heating boiler πs contr ol syste m were intr oduced 1P LC contr ol sys 2te m s were app lied t o achieve overall contr ol 1T o regulate blast,cited wind and grate mot or,an inverter was used 1An industrial PC computer was used as a monit or 1U sing P LC πs P I D functi on and advanced contr ol technol ogy in the boiler syste m ,not only can achieve the pur pose of safety in p r oducti on,but als o can make e m issi ons coal po wer 2saving and more envir on mentally friendly,s o it has g ood market devel opment s pace and the pr os pects f or invest m ent inco me 1[Key words] boiler DCS P LC W inCC
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77523期荆兆东,等:立式金属罐容积检定机器人控制系统设计