模塊化程序功能塊在熱媒爐控制系統(tǒng)中的開發(fā)與應(yīng)用

劉建華 秦朝軍 徐 峰 胡 昊

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司加熱爐事業(yè)部，北京 100166)

模塊化程序功能塊在熱媒爐控制系統(tǒng)中的開發(fā)與應(yīng)用

劉建華 秦朝軍 徐 峰 胡 昊

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司加熱爐事業(yè)部，北京 100166)

基于面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想，運用STEP7 CFC模塊化編程功能開發(fā)了適用于熱媒爐系統(tǒng)的時序控制、復雜回路控制、單回路控制、負荷運算控制、通用AI及報警聯(lián)鎖等標準化程序功能塊。將該系列標準化程序功能塊在某石化熱媒爐控制系統(tǒng)中正式編程、組態(tài)和應(yīng)用，通過現(xiàn)場的測試、調(diào)試和開車，進一步完善并優(yōu)化了相關(guān)的程序功能塊。最終，控制系統(tǒng)實現(xiàn)了預先設(shè)定的控制功能和控制目標，達到了預期的控制精度。標準模塊化程序功能塊在該項目的成功應(yīng)用，為熱媒爐控制系統(tǒng)搭建了一個標準的模塊化編程和調(diào)試平臺，較好地滿足了熱媒爐系統(tǒng)工程化、系統(tǒng)化和標準化的要求。

模塊化程序功能塊 熱媒爐控制系統(tǒng) 面向?qū)ο?/p>

應(yīng)用PLC技術(shù)的加熱爐是集數(shù)據(jù)采集、安全聯(lián)鎖保護、程序控制、過程調(diào)節(jié)、上位通信和人機對話于一體的綜合控制系統(tǒng)，也是PLC應(yīng)用中最具代表性的系統(tǒng)之一[1，2]。在傳統(tǒng)熱媒爐和加熱爐程序的設(shè)計和編寫過程中，普遍使用面向過程(Procedure Oriented)的編程思想和方法。

隨著計算機技術(shù)的不斷提高，現(xiàn)代工業(yè)控制和計算機被用于解決越來越復雜的問題。面向?qū)ο?Object Oriented)的編程思想和方法就是在面向過程(過程化設(shè)計)出現(xiàn)很多問題的情況下產(chǎn)生的。它將對象作為程序的基本單元，將程序和數(shù)據(jù)封裝其中，以提高軟件的重復使用性、靈活性和擴展性。

STEP7的CFC(Continuous Function Chart)是SIMATIC S7系列PLC的一種編程語言，用于以圖形化方式連接復雜功能。它包含標準功能塊的庫，用于邏輯、數(shù)字運算、控制及數(shù)據(jù)處理等功能。筆者通過自己創(chuàng)建的程序功能塊，結(jié)合軟件自帶標準模塊，將熱媒爐作為控制對象，然后抽象出“類”進行模塊化編程，通過數(shù)據(jù)傳遞和繼承方式實現(xiàn)熱媒爐系統(tǒng)的精確控制。

1 面向?qū)ο蟮木幊淘?/h2>

面向?qū)ο蟮木幊趟枷胧菍F(xiàn)實中的事物(如熱媒爐)抽象成對象，將現(xiàn)實中的關(guān)系抽象成類、繼承關(guān)系等(程序中的灰色獨立程序塊就是系統(tǒng)中的“類”，數(shù)據(jù)連接和設(shè)定為規(guī)定程序的數(shù)據(jù)傳遞和繼承方式[3])，典型示例如圖1所示。通過面向?qū)ο蟮姆椒ǎ欣趯碗s系統(tǒng)進行分析、設(shè)計和編程。面向?qū)ο笫且环N程序設(shè)計規(guī)范，同時也是一種程序設(shè)計的方法。

圖1 STEP7面向?qū)ο缶幊淌纠?/p>

2 熱媒爐控制系統(tǒng)硬件配置與模塊化控制方案設(shè)計

某石化熱媒爐項目中的熱媒爐控制系統(tǒng)包括燃燒系統(tǒng)、熱媒爐、煙風系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)(蒸汽鍋爐)和熱媒系統(tǒng)，屬于一個完整且典型的熱媒爐系統(tǒng)。

2.1熱媒爐系統(tǒng)硬件配置與組態(tài)

該項目中的熱媒爐控制系統(tǒng)以SIEMENS S7-300 PLC為控制核心，通過外圍控制電路(繼電器、安全柵及電源等硬件模塊)連接至現(xiàn)場分立執(zhí)行機構(gòu)和傳感器，上位機采用SIEMENS MP277觸摸屏作為人機交互界面，并通過Modbus 485通信將數(shù)據(jù)傳輸至DCS。硬件組態(tài)包含硬件配置和網(wǎng)絡(luò)拓撲，如圖2所示。

a. 硬件配置

b. 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖2 控制系統(tǒng)的硬件配置與網(wǎng)絡(luò)拓撲

2.2模塊化程序設(shè)計方案

筆者根據(jù)熱媒爐工藝系統(tǒng)(包括燃燒系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)和熱媒系統(tǒng))的特點和控制要求，設(shè)計熱媒爐控制功能模塊，包括時序控制模塊、單回路PID模塊、復雜回路控制模塊、AI模塊及負荷運算控制模塊等。

圖3為熱媒爐控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖，將其控制結(jié)構(gòu)分為時序控制、負荷運算控制、復雜回路控制、單回路控制、通用AI模塊、報警聯(lián)鎖模塊和輔助控制模塊7部分。時序控制主要包括點停爐控制和報警聯(lián)鎖控制，負荷調(diào)節(jié)主要通過現(xiàn)場變送器和執(zhí)行機構(gòu)(調(diào)節(jié)閥、變頻器等)組成閉環(huán)回路控制。按照七大分類結(jié)構(gòu)給每一個類建立一個標準程序模塊類型(包含此模塊的屬性參數(shù))，而每一個同類變量均可通過此模塊建立自己的屬性參數(shù)，通過輸入輸出參數(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)用，實現(xiàn)各功能塊之間的通信，從而完成熱媒爐控制系統(tǒng)的控制要求。另外，模塊化標準程序塊中還保留了一個傳統(tǒng)的梯形圖邏輯功能塊，可獨立進行自由編程，作為對標準化功能塊的補充。

圖3 熱媒爐控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1時序控制模塊

針對熱媒爐系統(tǒng)的控制方案，以功能模塊的形式設(shè)計編寫熱媒爐系統(tǒng)控制方案所對應(yīng)的專用標準功能模塊。圖4為一個典型的點停爐時序邏輯控制標準模塊。該模塊的主要功能是實現(xiàn)典型熱媒爐燃燒系統(tǒng)的自動/手動點停爐，并包含點停爐過程所有的輸入輸出參數(shù)。

圖4 點停爐時序邏輯控制標準模塊

點停爐時序邏輯控制標準模塊的主要輸入輸出參數(shù)包括BT_Start(啟動)、BT_Stop(停止)、BT_Reset(復位)及Es_stop(緊急停車)等按鈕和軟開關(guān)的輸入信號；還包括IntLock_(聯(lián)鎖停車)信號，根據(jù)聯(lián)鎖信息執(zhí)行是否聯(lián)鎖停車，包括T0～T23共計24個熱媒爐點停爐和聯(lián)鎖時序過程中所用的定時器，可直接進行參數(shù)設(shè)置，包括ST_Ig_Pr(點爐準備就緒狀態(tài))、AirB_Sta(風機啟動狀態(tài))等狀態(tài)輸出信號，還包括MValve_A(主燃料閥A)、MValve_B(主燃料閥B)等驅(qū)動信號。通過該功能塊，能夠?qū)崿F(xiàn)點爐過程中的自動邏輯控制，點爐過程發(fā)生時，在功能模塊內(nèi)模塊通過對輸入?yún)?shù)(包括時序時間、回饋信號等)的實時采集，逐步推進點爐時序的進行；同時，適時投入點爐過程的聯(lián)鎖，如ST_AirB(風機運行狀態(tài))、ST_1_Flame(火焰1狀態(tài))等，逐個輸出對應(yīng)的邏輯執(zhí)行步驟狀態(tài)，適時驅(qū)動打開或關(guān)閉相關(guān)的燃料閥，并將與控制邏輯相關(guān)的狀態(tài)關(guān)聯(lián)輸出到其余需要的狀態(tài)模塊。該邏輯順控時序在不發(fā)生任何聯(lián)鎖或停車信號的前提下將自動執(zhí)行，直至順利將邏輯順控程序執(zhí)行完畢。此時，點爐過程完成，熱媒爐處于完成點爐后的最小負荷狀態(tài)，等待用戶進行完成點爐后的其他操作。

2.2.2報警聯(lián)鎖模塊

熱媒爐控制系統(tǒng)含有完善的安保聯(lián)鎖系統(tǒng)，圖5所示的報警模塊可輸出至報警音響，輸入Cancle_A(報警消音)軟按鈕可消除報警聲音；聯(lián)鎖模塊包含聯(lián)鎖輸入和解鎖輸入，根據(jù)輸入狀態(tài)判斷聯(lián)鎖輸出，報警和聯(lián)鎖判斷模塊的每個模塊為8組輸入，可根據(jù)數(shù)量添加模塊數(shù)量，也可將多個模塊串聯(lián)到一起。將最終輸出的聯(lián)鎖結(jié)果數(shù)據(jù)連接至“點停爐時序邏輯控制標準模塊”，可實現(xiàn)熱媒爐控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖停車功能。

圖5 報警聯(lián)鎖模塊

2.2.3負荷調(diào)節(jié)模塊

負荷調(diào)節(jié)控制是熱媒爐控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，圖6為該項目熱媒爐的負荷調(diào)節(jié)控制方案，包括：燃料控制回路、配風量控制回路、殘氧量控制回路和物料出口溫度控制回路。其中燃料量和配風量控制回路為帶有實際執(zhí)行機構(gòu)的主回路；而殘氧量和物料出口溫度控制回路為不帶實際執(zhí)行機構(gòu)，但確實有重要控制作用的虛擬控制回路。另外，熱媒爐項目中含有常規(guī)通用PID調(diào)節(jié)回路，主要包括熱媒壓差調(diào)節(jié)回路、蒸發(fā)器壓力調(diào)節(jié)回路及蒸發(fā)器液位調(diào)節(jié)回路等。

圖6 負荷調(diào)節(jié)控制原理

負荷調(diào)節(jié)的控制方案包括各單回路控制模式、定燒控制模式和系統(tǒng)自動(串級)控制模式，下面逐一加以說明：

a. 單回路控制模式下，燃料量和配風量為兩個并列的單回路手/自動控制回路。

b. 定燒控制模式下，燃料量與配風量實現(xiàn)比例控制，即配風量和燃料量之間為理論計算的比值、比例關(guān)系，系統(tǒng)運行時，隨著燃料量設(shè)定值的改變，配風量設(shè)定值跟隨燃料測量值變化，此時，殘氧量控制回路可根據(jù)系統(tǒng)需要，對配風量的設(shè)定值在一定范圍內(nèi)進行修正調(diào)節(jié)。

c. 系統(tǒng)自動(串級)控制模式下，可實現(xiàn)較為復雜的交叉、串級回路控制功能。物料出口溫度回路和燃料、配風量控制回路之間可實現(xiàn)串級、雙交叉和限制控制功能，燃料和風量根據(jù)溫度自動配比，升負荷先升風，再升燃料；降負荷先降燃料，再降風。

在b、c兩種控制模式中，氧量控制回路可根據(jù)系統(tǒng)負荷調(diào)節(jié)的需要，適時加入到定燒和自動(串級)控制功能中去，對配風量進行實時修正，確保燃燒后的殘氧量向著期望值靠近，實現(xiàn)實時控制并修正燃燒的目的。

2.2.3.1負荷計算和數(shù)據(jù)控制標準模塊

該數(shù)值演算功能模塊中主要包含涉及負荷計算的幾大測控點：Sys_LMN(總控點輸出)、Fuel_Pv(燃料量)、Wind_Pv(配風量)、OT_Pv(氧量)、Cal_A(理論空燃比)、Gs_a(空氣過剩系數(shù)a)、St_OT_A(氧量自動狀態(tài)位)、St_Fuel_(燃料自動狀態(tài)位)、St_Wind_(配風自動狀態(tài)位)、Fuel_Cas(燃料串級設(shè)定值)及Wind_Cas(配風串級設(shè)定值)等關(guān)鍵參數(shù)，如圖7所示。

圖7 負荷計算機數(shù)據(jù)控制標準模塊

該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)在“定燒”和“系統(tǒng)自動”狀態(tài)下的數(shù)值演算與整個系統(tǒng)的控制功能狀態(tài)輸出功能，即模塊根據(jù)各測控回路狀態(tài)，將實時采集到的燃料量和配風量經(jīng)過系列數(shù)值轉(zhuǎn)換和演算，并同系統(tǒng)當前實際的負荷量進行計算、比較，優(yōu)先選出燃料量控制回路和配風量控制回路的最佳設(shè)定值，將之輸出到模塊接口，傳遞給對應(yīng)的燃料和配風量控制回路。同時，功能塊也可以根據(jù)系統(tǒng)需要適時切換是否進行殘氧修正功能。如St_OT_A為1，表明需要進行殘氧修正功能，而當St_OT_A為1時，模塊的Wind_Cas風量輸出為經(jīng)過氧量修正后的優(yōu)選值，以確保配風量按照系統(tǒng)設(shè)定的氧量預期值進行設(shè)定和控制；否則，如果St_OT_A為0，則不進行相關(guān)的配風量修正處理。

2.2.3.2專用負荷調(diào)節(jié)PID標準功能模塊

圖8為專用負荷調(diào)節(jié)PID標準功能模塊。該功能模塊是在SIEMENS專用PID軟模塊的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)而來，主要包含從原始卡件IO地址讀取數(shù)據(jù)的PV-PIW，狀態(tài)控制Button_M(手動)、Button_A(自動)及Button_C(串級)等。同時，模塊還接收P、I、D參數(shù)的輸入和根據(jù)外部點爐過程狀態(tài)信號實時調(diào)整所對應(yīng)驅(qū)動閥位的輸出，還可以設(shè)定報警聯(lián)鎖值，輸出聯(lián)鎖狀態(tài)值，實現(xiàn)回路輸出的取反功能等。詳細的模塊功能管腳如圖8所示。此模塊應(yīng)用于負荷調(diào)節(jié)中的燃料控制回路和配風量控制回路中，燃料和風量控制回路均可組成串級控制。

a. 燃料專用PID b. 風量標準PID圖8 專用負荷調(diào)節(jié)PID標準功能模塊

2.2.3.3通用PID調(diào)節(jié)標準功能模塊

圖9為通用PID調(diào)節(jié)標準功能模塊，該功能模塊是在SIEMENS專用PID軟控制模塊的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)而來，不同于“專用負荷調(diào)節(jié)PID標準功能模塊”的是，其功能沒有了點爐時序控制過程中對燃料和配風閥門控制相關(guān)的狀態(tài)輸入管腳，如En_StartStop(使能啟停功能)、St_IgPro(點爐過程狀態(tài)位)及St_StopProcess(停爐過程狀態(tài)位)等，但該功能模塊保留了其余所有與控制、報警和聯(lián)鎖相關(guān)的功能管腳。通用PID調(diào)節(jié)標準功能模塊在此熱媒爐控制系統(tǒng)中包括熱媒壓差調(diào)節(jié)回路、蒸發(fā)器壓力調(diào)節(jié)回路及蒸發(fā)器液位調(diào)節(jié)回路等。

圖9 通用負荷調(diào)節(jié)PID標準功能模塊

2.2.4通用AI模塊

通用AI模塊是熱媒爐控制系統(tǒng)中使用最多的模塊，其功能是將現(xiàn)場的遠傳信號(溫度、壓力及流量等)按照量程轉(zhuǎn)換為實際值，如圖10所示，AI模塊輸入包括PV_PIW(輸入地址)、PV_URV和PV_LRV量程設(shè)定、報警聯(lián)鎖使能、報警聯(lián)鎖設(shè)定和測試功能；輸出信號包括PV_Outpu(測量輸出值)、PV_Per_O(測量百分比輸出)和報警聯(lián)鎖狀態(tài)，輸出信號既可以直接用在上位機做顯示，也可同時實現(xiàn)與其他功能塊的數(shù)據(jù)傳送功能。在熱媒爐系統(tǒng)中需要監(jiān)測的數(shù)值(如供氣壓力、熱媒盤管溫度等)均通過此模塊實現(xiàn)。

圖10 通用AI模塊

2.2.5Modbus通信與輔助自由編程模塊

目前，工業(yè)控制系統(tǒng)之間的通信無論采用的是光纖還是雙絞線，開放性好和使用較廣泛的通信為Modbus。本項目采用Modbus 485實現(xiàn)與DCS的通信，因此用標準模塊化程序塊實現(xiàn)Modbus 485傳遞，如圖11所示。

a. Modbus模塊

b. 自由編程開發(fā)模塊圖11 Modbus通信與自由編程模塊

圖11a所示的CP341 Modbus設(shè)置功能塊為西門子自帶模塊；圖11b的FC61自由編程開發(fā)模塊通過圖11a設(shè)置好的Modbus參數(shù)，將發(fā)送數(shù)據(jù)放入發(fā)送地址，同時讀取數(shù)據(jù)放入指定地址。FC61以梯形圖的方式進行編程，保留傳統(tǒng)的編程模式，可方便靈活地添加非標準程序模塊。

3 標準化功能塊的現(xiàn)場應(yīng)用效果

通過熱媒爐儀表選型設(shè)計參數(shù)建立IO數(shù)據(jù)表(表1)，選擇標準功能模塊、關(guān)聯(lián)模塊間的數(shù)據(jù)連線等工作，完成了核心控制程序的編寫組態(tài)等工作。

表1 熱媒爐控制系統(tǒng)IO數(shù)據(jù)

根據(jù)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想，模塊化編程的熱媒爐控制系統(tǒng)在某項目中成功應(yīng)用，啟停時序和回路控制經(jīng)過反復測試和現(xiàn)場開車，熱媒爐運行穩(wěn)定，回路控制(負荷調(diào)節(jié)和單回路控制)均能穩(wěn)定可靠地達到控制精度要求。

以SIEMENS MP277為平臺的人機交互界面，通過點停爐和負荷調(diào)節(jié)表明，熱媒爐啟停正常，確保熱媒爐一次點火成功，啟停時序時間可監(jiān)控和修改；熱媒爐負荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)在全自動(燃氣串級、風量串級和氧量自動)模式下運行，溫度控制可靠，精度達到了±1℃，手/自動調(diào)節(jié)功能正常，單回路運行穩(wěn)定。

此項目涵蓋了熱媒站的所有分立系統(tǒng)(燃燒系統(tǒng)、熱媒爐、煙風系統(tǒng)和熱媒系統(tǒng))，還包括了蒸汽余熱回收系統(tǒng)，是目前為止比較復雜且全面的熱媒爐系統(tǒng)。整個調(diào)試周期從入廠到熱媒爐正常運行不足一周，包括了系統(tǒng)冷調(diào)和在線調(diào)試。除現(xiàn)場甲方的積極配合外，標準模塊化功能塊便捷快速的組態(tài)開發(fā)大幅減少了調(diào)試時間，充分體現(xiàn)了標準模塊化功能塊的優(yōu)越性和可重用性。

在調(diào)試過程中，及時發(fā)現(xiàn)模塊的錯誤和缺陷，并進行了優(yōu)化和修正，具體如下：

a. 啟停時序中火焰檢測系統(tǒng)僅為兩個紫外火檢信號輸入，熱媒爐二級點火系統(tǒng)中越來越多地配備了兩個紫外和一個電離火檢的火焰安保聯(lián)鎖系統(tǒng)，在現(xiàn)場調(diào)試過程中及時修正，通過輔助自由編程模塊將火焰信號的報警聯(lián)鎖和信號進行補充添加；

b. 模塊中為單鼓風機系統(tǒng)，該項目包含鼓風機和引風機，因此風機的啟停和聯(lián)鎖也是通過輔助自由編程模塊進行程序補充設(shè)計的，常規(guī)單風機熱媒爐系統(tǒng)則無需更改；

c. 模塊化CFC程序調(diào)試下載第一次下載時需在CPU停機情況下進行，程序更改后則可在線修改，因此程序的歸檔必須要求與CPU程序一致，采用模塊化編程需加強程序的歸檔要求；

d. 上位機的數(shù)據(jù)讀寫建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，針對不同的標準功能塊建立結(jié)構(gòu)類型數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊為一個結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)地址，上位機通過讀取地址塊即可準確獲取所需顯示和操作的數(shù)據(jù)；

e. 其他微小修正，如復雜專用控制回路串級、定燒狀態(tài)的判斷等。

4 結(jié)束語

北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司加熱爐事業(yè)部以二十年工程經(jīng)驗、上百套熱媒爐在不同行業(yè)不同項目中的開發(fā)和應(yīng)用的適用性為基礎(chǔ)，結(jié)合自身產(chǎn)品的特性，基于面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想，通過CFC模塊化編程開發(fā)并成功應(yīng)用的標準模塊化功能塊編程組態(tài)，形成了獨有的熱媒爐系統(tǒng)控制方案。該控制方案和標準化控制功能模塊在項目應(yīng)用中，熱媒爐運行穩(wěn)定，達到了預期的控制精度。在后續(xù)工程項目應(yīng)用中只需通過選擇功能塊和對參數(shù)進行微調(diào)，即可完全重復應(yīng)用，保證了熱媒爐儀表控制系統(tǒng)的統(tǒng)一性和傳承性，實現(xiàn)了工程項目核心控制功能的快速移植。編程和組態(tài)過程簡單易學，僅需通過建立IO數(shù)據(jù)表、選擇標準功能塊、參數(shù)設(shè)置及關(guān)聯(lián)模塊間的數(shù)據(jù)連線等簡單工作，即可完成核心控制程序的編寫，大量節(jié)省了工程項目的開發(fā)時間，提高了程序的可重用性和二次開發(fā)的效率。

該標準模塊化程序自2013年正式調(diào)試完成并投運至今，熱媒爐運行正常，各項控制功能和精度穩(wěn)定，除正常檢修停車外，無意外停車事故發(fā)生。標準模塊化程序功能塊為熱媒爐控制系統(tǒng)搭建了一個模塊化編程和調(diào)試平臺，較好地滿足了熱媒爐系統(tǒng)工程化、系統(tǒng)化和標準化的要求。

[1] 畢嘉賓.PLC在大型加熱爐控制中的應(yīng)用[J].油氣儲運,2006,25(1):56～58.

[2] 何景瓷,許建平.PLC控制程序的模塊化設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2004,(5):50.

[3] 葉乃文,王丹.面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計[M].北京:清華大學出版社,2009.

ModularProgramFunctionDevelopmentandApplicationinHTMFurnaceControlSystem

LIU Jia-hua , QIN Chao-jun , XU Feng, HU Hao

(HeaterDivision,BeijingAerospacePetrochemicalTechnologyEquipmentEngineeringCorporation,Beijing100166,China)

Basing on object-oriented programming, the STEP7 CFC modularization programming function was adopted to develop standardized program function blocks such as timing control, single loop control, load control, ordinary AI and alarm interlocking protection. Applying these function blocks in a petrochemical project for on-site test and debugging and optimization shows that, the control system can realize the pre-set control functions and objectives perfectly as required; and its successful application provides HTM furnace control system with a standard modular programming and debugging platform for being engineering, systematized and standardized.

modularized program function block, HTM furnace control system, object-oriented

TH862

B

1000-3932(2016)11-1196-07

2016-08-18(修改稿)