PLC軟冗余在鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

劉贊贊

摘 要：隨著工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展，PLC軟冗余在鍋爐電氣自動(dòng)控制方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，越來(lái)越成熟。主要從鍋爐水位、優(yōu)燃控制等幾個(gè)方面闡述了軟冗余在鍋爐自動(dòng)控制方面的有效應(yīng)用，對(duì)鍋爐實(shí)現(xiàn)節(jié)能安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：PLC軟冗余；基本構(gòu)成；工作原理

Abstract： with the development of industrial automation control system， PLC software redundancy in boiler automatic control is more and more widely， more and more mature. This article mainly from the water level of boiler， and combustion control aspects of the effective application of the soft redundancy in the automatic control of boiler， have very important meanings for the boiler to achieve safe and stable operation and energy saving.

Keywords： PLC soft redundant； boiler automatic control system； application

隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，工業(yè)部門對(duì)生產(chǎn)設(shè)備及控制系統(tǒng)的可靠性也提出了更高的要求，僅僅通過(guò)提高單件硬件的可靠性已經(jīng)不能滿足特殊部門對(duì)可靠性的要求，所以提高系統(tǒng)的可靠性成為人們共同研究的話題。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，鍋爐控制系統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，采用冗余技術(shù)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的做法越來(lái)越普遍，常規(guī)的冗余是采用增加元件的方式來(lái)參與控制，以期能夠?qū)⒃O(shè)備因意外而導(dǎo)致的鍋爐停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)降到最低。PLC軟冗余是西門子實(shí)現(xiàn)冗余功能的低成本解決方案，它是在硬件冗余的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的在線切換，但程序處理需要一定的時(shí)間，對(duì)于時(shí)鐘同步及切換時(shí)間要求不是十分嚴(yán)格的場(chǎng)合，選用軟件冗余方式還是非常經(jīng)濟(jì)有效的。

一、PLC軟冗余控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成

1.PLC軟冗余的基本構(gòu)成

西門子軟件冗余系統(tǒng)的軟件、硬件包括：1套STEP7編程軟件加軟件冗余包；2套PLC控制器及I/O模塊，可以是S7-300或S7-400系統(tǒng)；3條通訊鏈路，主系統(tǒng)與從站通訊鏈路（PROFIBUS1）、備用系統(tǒng)與從站通訊鏈路（PROFIBUS2）、主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步通訊鏈路（MPI或PROFIBUS或Ethernet）；若干個(gè)ET200M從站，每個(gè)從站包括2個(gè)IM153-2接口模塊和若干個(gè)I/0模塊；除此之外，還需要一些相關(guān)的附件用于編程和上位機(jī)監(jiān)控的PC-Adapter（連接在計(jì)算機(jī)串口）或CP5611（插在主板上的PCI槽上）或CP5511（插在主板上的PCMIA槽上）、PROFIBUS電纜、PROFIBUS總線連接器等。

2.軟冗余系統(tǒng)的工作原理

在軟冗余系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，主、備控制系統(tǒng)（處理器、通訊、I/O）獨(dú)立運(yùn)行，由主系統(tǒng)的PLC掌握對(duì)ET200從站中的I/O控制權(quán)。主、備系統(tǒng)中的PLC程序由非冗余用戶程序段和冗余用戶程序段組成。主系統(tǒng)PLC執(zhí)行全部的用戶程序，備用系統(tǒng)PLC只執(zhí)行非冗余用戶程序段。

二、軟冗余系統(tǒng)在鍋爐應(yīng)用方面的配置及保護(hù)

1.軟冗余系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

軟冗余系統(tǒng)的平均壽命比單個(gè)系統(tǒng)的平均壽命延長(zhǎng)了1.5倍，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。加上組成軟冗余系統(tǒng)所花費(fèi)的費(fèi)用比硬件冗余系統(tǒng)低，并且能夠很好地滿足系統(tǒng)可靠性要求。除此之外，軟冗余系統(tǒng)還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、及時(shí)主備切換達(dá)到不停機(jī)的目的。

2.基于軟冗余系統(tǒng)鍋爐電氣自動(dòng)控制配置

鍋爐控制系統(tǒng)是利用SIEMENS公司成熟的軟冗余技術(shù)，結(jié)合最新推出的新一代硬件產(chǎn)品所建立可靠性高、模塊化、可擴(kuò)充能力及容錯(cuò)性較好的控制系統(tǒng)。不但使用了最新的硬件，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)、硬件、軟件等各個(gè)方面進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)。

鍋爐冗余控制系統(tǒng)采用了SIEMENS公司S7-300系列PLC，每站皆采用雙CPU、雙電源模塊、雙以太網(wǎng)通訊模塊，下接冗余的ET200子站，實(shí)現(xiàn)PLC處理器冗余、背板總線冗余、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)冗余（包括通訊接口、總線接頭、總線電纜冗余）、ET200子站的通訊接口模塊IM153-2冗余。在該系統(tǒng)配置中，雙電源冗余可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡負(fù)載電流，提高了系統(tǒng)的供電可靠性。網(wǎng)絡(luò)冗余采用了工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上某一段出現(xiàn)故障時(shí)仍能正常通訊。

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用了WINCC6.0，采用了當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)，組態(tài)功能強(qiáng)大，畫面動(dòng)態(tài)連接多樣，同時(shí)具有C/VBA腳本編輯功能，可通過(guò)腳本實(shí)現(xiàn)更加靈活強(qiáng)大的功能。體現(xiàn)了良好的通用性、靈活性。尤其是在與SIEMENS PLC組成監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，優(yōu)點(diǎn)尤為明顯，通訊配置方便，性能穩(wěn)定，同時(shí)內(nèi)置了對(duì)SIEMENS PLC軟冗余、硬冗余的支持，僅須進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置而無(wú)須編寫腳本即可實(shí)現(xiàn)與冗余PLC的通訊切換。

整個(gè)鍋爐自控系統(tǒng)架構(gòu)清晰明了，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)、PLC系統(tǒng)的冗余功能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

三、軟冗余鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)保護(hù)

鍋爐房控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循先進(jìn)、可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、適用、開(kāi)放的原則。控制系統(tǒng)可以采用可編程控制器PLC軟冗余系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鍋爐及輔機(jī)的熱工控制、電氣檢測(cè)、連鎖保護(hù)、自動(dòng)控制等。系統(tǒng)交付使用后控制室通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)鍋爐房生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)輸煤系統(tǒng)、鍋爐水位和系統(tǒng)供熱優(yōu)燃自動(dòng)化，確保鍋爐及輔機(jī)系統(tǒng)長(zhǎng)期、可靠、經(jīng)濟(jì)、安全地運(yùn)行。

1.鼓引風(fēng)機(jī)及燃料供應(yīng)電氣連鎖

通過(guò)PLC軟件編程實(shí)現(xiàn)鍋爐啟爐程序：引風(fēng)機(jī)—鼓風(fēng)機(jī)—爐排減速機(jī)。停爐程序：爐排減速機(jī)—鼓風(fēng)機(jī)—引風(fēng)機(jī)。當(dāng)啟爐、停爐程序工作時(shí)會(huì)發(fā)出相應(yīng)的程序運(yùn)行信號(hào)，PLC軟冗余程序會(huì)自動(dòng)解除與就地操作裝置的連鎖。

2.上煤系統(tǒng)電氣連鎖

在軟件編程時(shí)上煤程序?qū)崿F(xiàn)如下啟動(dòng)順序：配煤帶式輸送機(jī)—斗式提升機(jī)—上煤帶式輸送機(jī)—給煤機(jī)。停煤程序：給煤機(jī)—上煤帶式輸送機(jī)—斗式提升機(jī)—配煤帶式輸送機(jī)。

3.水位連鎖保護(hù)

基于PLC冗余控制系統(tǒng)在處理水位變化方面實(shí)現(xiàn)了較好的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)設(shè)置了因壓力大小導(dǎo)致水位偏高或偏低的聲光報(bào)警裝置和因水位偏低而停爐熱工連鎖保護(hù)功能。尤其是汽包水位控制設(shè)計(jì)方案依據(jù)給水流量、汽包液位和蒸汽流量調(diào)節(jié)給水閥，從而保護(hù)鍋爐水位的穩(wěn)定。

4.優(yōu)燃燒自動(dòng)控制

燃燒調(diào)節(jié)鍋爐燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主要任務(wù)是保證供水溫度的穩(wěn)定，同時(shí)保證鍋爐的安全運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)燃燒。自控系統(tǒng)根據(jù)爐膛溫度的變化和煙氣含氧量的變化自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)—煤比以至最佳，達(dá)到經(jīng)濟(jì)燃燒。控制系統(tǒng)處于自動(dòng)方式而不需人工干預(yù)。

5.爐膛負(fù)壓控制

鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，爐膛壓力必須保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)。在負(fù)壓操作中，如果負(fù)壓偏正，則鍋爐爐膛局部地區(qū)容易噴火，不利于安全生產(chǎn)以及環(huán)境衛(wèi)生；但是如果負(fù)壓過(guò)大，漏風(fēng)嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致總風(fēng)量增加，煙氣熱損失增大，這樣會(huì)不利于經(jīng)濟(jì)燃燒。爐膛負(fù)壓控制采用爐膛負(fù)壓前饋—反饋控制系統(tǒng)，用鼓風(fēng)調(diào)節(jié)輸出作為前饋信號(hào)，這樣可使引風(fēng)量隨著鼓風(fēng)量的變化提前作相應(yīng)的調(diào)整，使?fàn)t膛負(fù)壓始終保持在一定負(fù)壓上，維持整個(gè)燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

基于PLC冗余系統(tǒng)的鍋爐自控系統(tǒng)具有多重優(yōu)勢(shì)，最主要的是促使復(fù)雜的鍋爐控制流程能夠清晰地、實(shí)時(shí)地顯示在PLC監(jiān)控屏幕上，并且該控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠性和自動(dòng)化程度較高，操作靈活方便，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且改善了工人的工作環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位 太原鍋爐集團(tuán)自控設(shè)備廠）

編輯 李建軍