基于PCS7的鍋爐控制系統設計與實現

王 捷 艾 紅

(1.北方工業大學機電工程學院，北京 100144；2.北京信息科技大學自動化學院，北京 100192)

鍋爐是工業生產和民用生活領域的重要設備[1]，它是一個多輸入、多輸出、強非線性和強耦合的動態對象，具有多個調節參數、被調參和擾動參數，改變其中任一個調節參數時，將會影響到其他幾個被調量。鍋爐控制系統主要包括液位控制、壓力控制、溫度控制和流量控制，可以分為除氧器控制系統、燃燒控制系統、上汽包液位控制系統及爐膛負壓控制系統等。鍋爐控制系統的主要指標是過熱蒸汽的最終溫度和壓力，其中過熱蒸汽的最終溫度至關重要，主要受燃燒狀況影響，同時軟化水吸收熱量需要一個過程，因此過熱蒸汽的最終溫度和壓力具有一定的滯后性，響應速度較慢。化工生產現場對控制設備的要求比較高，若控制規模較大，控制器點數較多，則需采用集散控制系統對其進行控制，目前可以采用PLC及工控機等，筆者采用集散控制系統PCS7對SMPT-1000鍋爐進行系統控制[2,3]。

1 除氧器與上水流量控制①

1.1 除氧器液位控制

在鍋爐系統中，除氧器的主要作用是除去鍋爐給水中的氧氣和其他不凝結氣體，保證給水品質。若水中溶解氧氣，會腐蝕與水接觸的金屬，威脅設備的安全運行；同時，熱交換器中若有氣體聚積，將增加傳熱熱阻，降低設備的傳熱效果。除氧器也具有儲水作用，當軟化水的供給出現故障時，除氧器中的水可以起到緩沖作用，不至于使鍋爐立即斷水，造成鍋爐水迅速蒸發，以致鍋爐干燒、爆炸，造成安全事故。

為了保證除氧器能夠為后序工藝提供符合要求的水，必須保證其除氧功能。在除氧器單元，除氧器的流出量是不能控制的，液位的控制只能從流入量的控制來考慮，且除氧蒸汽冷凝對液位的影響不大，因此除氧器的液位控制采用單回路控制。將液位變送器檢測出來的值與設定值的差值傳至液位調節器，經液位調節器的處理后輸出控制量給調節閥，從而調節流入量使液位穩定在設定值。為了除去軟化水中的溶解氧，除氧蒸汽的流量應隨軟化水流量的變化而變化。

1.2 上水流量控制

上水閥是上水流量的主控制閥，其控制效果將直接影響后續的控制效果。未進入正常工況時，上水流量往往采用旁路閥手動調節，目的是做到小流量上水，使鍋爐能夠均勻接收水量，以免因受力不均勻而導致鍋爐損壞。正常工況時，鍋爐的上水流量是受最終蒸汽量控制的，根據物料守恒原理，上水流量應和鍋爐系統最終輸出的蒸汽量的一致。鍋爐系統最終輸出符合要求的蒸汽量往往是不固定的，而是根據客戶或下一工序的需要而作調整。

上水量的符號定向圖(SDG圖)如圖1所示，影響上水流量的主要因素是用戶所需的蒸汽量，因此選擇用戶所需的蒸汽量為控制變量，上水流量為被控參數。考慮到過熱蒸汽流量不可控，且由于空氣流量存在脈動，被調量反應太靈敏會出現激烈跳動，因此需采用阻尼器進行濾波，濾除高頻脈動，保持控制系統平穩。由于總上水閥受蒸汽流量控制，反應比較靈敏，在剛開車時為了縮短時間，從安全等方面考慮，選擇總上水閥為快開特性的氣動調節閥，且為氣關方式。

圖1 上水流量SDG圖

1.3 除氧器壓力控制

水中溶解有任何氣體都是不利的，尤其是氧氣將直接威脅設備的運行安全，為了防止事故發生，保證良好的除氧效果，需要對除氧器壓力進行控制。除氧器壓力主要由蒸汽產生，在液位保持穩定的情況下，除氧器壓力與除氧蒸汽流量有關，進入除氧器的蒸汽流量越大，除氧器內部的壓力久越大。除氧器壓力響應速度較快，時間常數不大，一般不采用微分作用，但要求除氧器壓力消除余差，因此引入積分作用，采用比例積分PI控制器[4]。

圖2是基于PCS7的鍋爐控制系統除氧器壓力控制連續功能圖，測量的蒸汽流量值通過驅動輸入除氧器壓力控制，除氧器壓力控制器的輸出通過驅動傳給壓力調節閥，通過反饋控制方法控制除氧器壓力。PCS7中CTRL_PID(FB61)塊是連續型PID控制器，用于給定值控制、串級控制和比例控制，工作模式為手動、自動或者跟蹤，可以單獨激活或取消比例、積分和微分作用。CTRL_PID塊中GAIN是比例，TN是積分時間常數，TV是微分時間常數，PV_IN是過程值，SP_EXT是外部輸入/程序輸入的設定值，SPEXTHLM是外給定SP的高限，SPEXTLLM是外給定SP的低限。SPEXON_L是程序里選擇SP內給定/外給定的開關，AUT_L是程序選擇手動/自動的開關。LMNR_IN是PID輸出的反饋，LMN是PID調節輸出，ER是偏差SP-PV，NM_LMNHR是 PID調節輸出高限，NM_LMNLR是 PID調節輸出低限，NM_PVHR是過程值PV的高限，NM_PVLR是過程值PV的低限。

圖2 除氧器壓力控制連續功能圖

2 鍋爐擋煙板控制

擋煙板的控制效果對爐壓和排除煙氣的含氧量有影響，直接關系到生產安全和減排、環保指標，且爐壓與排除煙氣的含氧量之間存在耦合關系，如風量直接影響爐壓，同時又影響煙氣排除時的含氧量。

擋煙板環節的SDG圖如圖3所示，圖3中煙道擋板的開度主要影響爐壓、煙氣含氧量及煙氣溫度等，出于安全考慮，應首先考慮爐壓的穩定，選擇爐壓作為煙道擋板處的被控參數。煙道擋板作為爐壓的主要控制單元，保證了爐壓的穩定，即生產安全。同時在燃油系統中要很好地解決煙氣含氧量的問題，由于燃油系統中風量和燃油的比值K并不是一成不變的，而是根據煙氣含氧量來確定的，當煙氣含氧量偏高，K值就適當地減小，當煙氣含氧量偏低，K值就適當增大，以保證煙氣含氧量在要求范圍之內，使燃料充分燃燒。因此，選擇煙道擋板開度作為控制變量來控制爐壓。

圖3 煙道擋板SDG圖

爐膛壓力控制單元主要通過調節煙道的引風量將爐膛壓力控制在設定值，保證人身、設備的安全和鍋爐的經濟運行。由于空氣流量存在脈動，被調量反應太靈敏會出現激烈跳動，因此采用阻尼器進行濾波，濾除高頻脈動，保持控制系統平穩。爐膛壓力是送風量與引風量之間平衡關系的反應，為了提高控制質量，對爐膛壓力的主要擾動(即送風量)進行前饋補償。爐膛壓力控制方案采用前饋-反饋控制回路(圖4)，為了保證安全，在緊急情況下全開煙道擋板。前饋控制支路主要起到加快調節的作用，前饋調節器控制規律選擇P調節；為保證精度和穩定性，反饋控制回路的控制器選擇PID控制規律。

圖4 爐膛壓力控制框圖

3 過熱蒸汽壓力-燃料流量串級控制

過熱蒸汽壓力是蒸汽供需平衡的標志，通常隨需求的變化而變化。在鍋爐控制系統中，為了保證過熱蒸汽壓力穩定，滿足下游生產設備的工藝要求，需要對其進行控制。蒸汽壓力的主要擾動是蒸汽負荷的變化與燃料量的波動，當這兩項主要干擾波動較小時，可以采用蒸汽壓力控制燃料量的單回路控制系統；而當燃料量波動較大時，為了使過熱蒸汽壓力穩定在目標壓力，必須保證燃料能夠充分燃燒，釋放出足夠的能量，可以采用串級控制系統。在過熱蒸汽壓力串級控制系統中，過熱蒸汽壓力控制回路為主回路，過熱蒸汽壓力是主被控變量；燃料流量控制回路為副回路，燃料流量是副被控變量。過熱蒸汽壓力-燃料流量串級控制系統中，副控制器不需要有微分作用，因為有微分作用時，一旦主控制器和輸出稍有變化，調節閥就將大幅度變化，不利于控制。副回路是一個隨動系統，副回路的給定值隨主控制器輸出的變化而變化，為了能快速跟蹤，副控制器最好不帶積分作用，因為積分作用會使跟蹤變得緩慢[5]。過熱蒸汽壓力-燃料流量串級控制系統CFC圖如圖5所示。

圖5中PT1104 是過熱蒸汽壓力，FT1103是燃料流量，V1104 是燃料管線調節閥。將兩個CH_AI塊、兩個CTRL_PID塊和一個CH_AO塊分別從PCS7 Libraries中拖拽到CFC圖表編輯區，將兩個CH_AI塊分別改名為過熱蒸汽壓力PI1104和燃料流量FI1103，將兩個CTRL_PID塊分別改名為PIC1104和FIC1103，將CH_AO塊改名為V1104。將CTRL_PID 塊、CH_AI 塊和CH_AO 塊的相應變量互相連接，同時為CH_AI 塊和CH_AO 塊組態外部I/O。

PI1104 的CH_AI 塊的輸出變量V與PIC1104 的CTRL_PID 塊的輸入變量PV_IN相連，FI1103 的CH_AI 塊的輸出變量V與FIC1103 的CTRL_PID 塊的輸入變量PV_IN相連，PIC1104 的CTRL_PID 塊的輸出變量LMN與FIC1103 的CTRL_PID塊的輸入變量SP_EXT相連，FIC1103 的CTRL_PID 塊的輸出變量LMN與CH_AO 塊的輸入變量V相連。PI1104 的CH_AI 塊的輸入變量VALUE關聯位號為P1104 的硬件地址，FI1103 的CH_AI 塊的輸入變量VALUE關聯位號為F1103 的硬件地址，CH_AO 塊的輸出變量VALUE關聯位號為V1104 的硬件地址。

4 SMPT-1000鍋爐控制對象

SMPT-1000鍋爐對象支持6種控制方式：手操、內控、模擬量信號、ProfiBus DP、OPC和程序控制。通過流程盤臺底端提供的ProfiBus DP 接口，與支持ProfiBus DP 通信協議的外部控制器SIMATIC PCS7進行數據交換。

SMPT-1000使用泓格i-7550 模塊對外提供ProfiBus DP通信接口。若要使SMPT-1000 與PCS7 通信成功，需對泓格i-7550 模塊進行數據發送機制和定義發送字節數量設置。泓格i-7550 模塊在系統設置的輸出模組中，利用首字節QB0取值的變化觸發數據發送機制，發送字節的數量在第3個字節QB2 中定義。

圖5 串級控制系統CFC圖

QB0 的數據每變化一次會發送一批數據到i-7550 模塊，因此可以使QB0 的最低位Q0.0 按照0→1→0→1→…的規律變化，從而觸發數據發送機制。例如系統設置輸入模組的第3個字節IB2 用于存放接收計數，其最低位I2.0 的值按照0→1→0→1→…的規律變化。可以在CFC 中添加一個DI 模塊和一個DO 模塊，DI 模塊的外部輸入取地址I2.0，DO 模塊的外部輸出取地址Q0.0，DI 模塊的輸出端連接到DO 模塊的輸入端。

SMPT-1000 發送的字節數量為30，如在變量表中添加變量QB2，將修改值修改為B#16#1E，即十進制30。變量表在組件視圖的文件夾中添加。

5 OS組態操作功能

WinCC是可視化的組態軟件，包含在單個或多個站操作中快速實現從簡單到復雜的可視化任務，是編輯操作員站(OS)的軟件平臺。自動化系統(AS)用于開環或閉環控制過程，OS 從AS 讀取過程值，在過程界面中以圖形的形式顯示這些值。在SIMATIC管理器中組態完所有數據后，WinCC項目管理器開始組態OS數據前，需先編譯OS，使OS了解所有來自SIMATIC管理器的數據(如變量、消息、文本、硬件和連接組態)。工廠操作員可在組態軟件的運行模式下在OS上操作并監視過程。

6 結束語

根據SMPT-1000鍋爐的基本工藝要求，將PCS7應用于鍋爐控制系統設計其基本控制方案。除氧器液位采用單回路控制，上水流量采用旁路閥手動調節，除氧器壓力采用比例積分PI控制器，爐膛壓力控制采用前饋-反饋控制方案，過熱蒸汽壓力-燃料流量采用串級控制。SMPT-1000鍋爐控制對象采用泓格i-7550 模塊對外提供ProfiBus DP通信接口，利用QB0觸發數據發送機制，在QB2中定義發送字節數量。應用OS組態操作功能實現鍋爐系統的監視和控制。實踐表明該系統具有良好的人機交互界面，很好地實現了鍋爐系統的控制。

[1] 楊宣進，劉曉宇.循環流化床鍋爐吊掛管短期爆管原因分析[J].化工機械，2012，39(1)：91～95.

[2] 倪曉杰，馬彥霞，薄翠梅，等. 基于PCS7 的鍋爐控制系統的設計和實現[J]. 控制工程，2011，18(6)：927～930.

[3] 鄭君娜，李從江. 西門子SIMATIC PCS7系統在連蒸控制系統中的應用[J]. 輕工機械，2008，26(5)：46～49.

[4] 齊飛. SIMATIC PCS7 在混合液體分離系統中的應用[J]. 自動化技術與應用，2008，27(5)：63～66.

[5] 鄧劍宏，莊誠，張喜東，等. 基于PCS7的并列運行鍋爐燃燒控制系統[J]. 控制工程，2006，13(z)：33～35,169.