基于雙機冗余WNS 鍋爐群控系統研制

郝 佳，張建華，趙 隆

（1.西安工程大學 后勤管理處，西安710048；2.陜西能源職業技術學院 機電與信息工程學院，咸陽712099；3.西安工程大學 電子信息學院，西安710048）

近年來，隨著現代鍋爐工業的高速發展和新型數字鍋爐房的興建，在節能減排、循環利用的發展要求下，新型鍋爐設備正朝著自動化、智能化、數字化、成套化、系列化的方向發展。傳統的單體設備對應的獨立監控系統，對于目前同一廠房（車間）內多臺大型鍋爐設備群的控制，已遠遠不能滿足智能數字化的安全監控要求。

針對目前流行的多臺鍋爐設備群，將傳統的工控機IPC（industrial PC）+PLC 的自動化技術與現場總線控制系統FCS（fieldbus control system）網絡技術結合，進行群控是一種最優的控制模式選擇。群控技術通過現代檢測裝置全面獲悉熱源、熱力網和熱用戶的運行情況后，根據熱負荷的變化及時調節熱源供熱情況從而滿足熱用戶的需要。通過群控技術，既能實現爐群中各單體設備的生產自動化，又能保證整個爐群同步協調生產。同時，在群控模式基礎上再結合雙機冗余技術，由此不僅能提高勞動生產率、改善勞動條件，而且提高了鍋爐爐控系統的可靠性和穩定性，降低停爐概率，為熱源、熱力網安全可靠高效運行提供保障。因此研制雙機冗余鍋爐爐控系統具有非常重要的現實意義。

在此，以某單位的3 臺WNS 型燃氣蒸汽鍋爐工程項目為背景，結合鍋爐爐群設備的運行特點和控制要求，介紹所研制的鍋爐群控系統技術特點。

1 鍋爐爐群設備組成與運行控制要求

1.1 鍋爐爐群設備組成

鍋爐爐群設備主要由3 臺不同蒸發量的WNS型燃氣蒸汽鍋爐組成。因鍋爐的基本結構相同，故在此僅介紹其中一臺。

鍋爐由本體設備、燃燒機、軟化給水系統及配套輔助設備組成。其中，本體設備由鍋筒、爐膛、長短煙管、底座等組成，主要完成將軟化水變為水蒸氣過程；燃燒機一般為整機一體化設備，由燃燒室、點火裝置、穩壓閥、引風機、比例調節閥等組成，與爐膛、長短煙管完成鍋爐燃燒過程及煙氣流動的三回程；軟化給水系統由軟化水箱、給水泵及管道組成，主要將軟化水加壓送至鍋筒內；配套輔助設備主要由蒸汽主閥、安全閥、排污裝置、人梯、各種儀表及自動控制系統組成，主要完成安全保護及排污等功能。

1.2 鍋爐爐群運行特點

3 臺鍋爐的運行模式采用母管式并列運行，理論上為了使每臺鍋爐盡量處于該臺設備最佳負荷值，應保證各臺鍋爐的燃燒負荷平衡，以避免輸出負荷值偏離最佳負荷值從而導致熱量的浪費和設備使用壽命的縮短。然而實際運行當中，熱負荷不是平均分配而是隨機動態分配的，司爐工根據每臺鍋爐負荷能力的經驗值來分配各個鍋爐應帶負荷量，而負荷調度時候各爐負荷分配值并不一定等于各爐最佳負荷值，只能是盡量向最佳值靠攏，這樣才能保證3 臺鍋爐并列運行時的整個系統處于最佳狀態。

1.3 控制要求

近年來由于鍋爐爆炸事故頻發所造成的人員傷亡或經濟損失案例不在少數，究其原因大部分是因為自動控制系統在鍋爐發生險情時沒有報警提示或者沒有及時動作造成的。

自動控制系統是鍋爐成套設備中最關鍵部分，對于鍋爐設備群顯得尤為重要，特別是與鍋爐安全運行有關工藝參數如鍋筒液位、 出汽壓力檢測控制，出汽溫度、出汽流量、回水溫度、回水壓力、燃燒器進口煙溫、煙道排煙溫度等參數的檢測，以及出汽壓力超限、鍋筒水位超限、出汽溫度超高等信號的檢測。

同時，根據鍋爐爐群運行特點可以得知，要使爐群中每臺鍋爐處于燃燒最佳狀態，需對鍋爐設備群進行動態調度，這種調度不能依靠傳統方式通過司爐工憑經驗進行手動調整，應該根據系統中需要的總熱量和各爐最佳負荷值進行自動調節。這就需要根據以往人工經驗、系統中需要總熱量、各爐最佳負荷值進行設計，編制出一種鍋爐熱負荷動態自動調度調節算法，由此大大降低運行成本和能量損耗，同時延長鍋爐使用壽命。

2 雙機冗余群控系統的設計

2.1 監控系統組成

鍋爐爐群監控系統采用2 臺研華IPC 作上位機，2 臺S7-300 西門子PLC，若干臺具有ProFiBus通訊接口的智能儀表為下位機。該系統上位機與西門子PLC 之間通過工業以太網連接，智能儀表與上位機之間通過S7-300 PLC 采用ProFiBus 現場總線進行數據傳輸，構成一種典型的中型DCS，實現鍋爐爐群設備生產過程中各工藝參數的自動檢測與控制。

該系統運行過程中主備站的2 個CPU 同時并列運行，但是在正常運行時只有主站CPU 收發指令，而備用站CPU 檢測、 記錄主站CPU 狀態和指令，同時主站CPU 與IM153-2 模塊建立通訊鏈接以保證主站CPU 能訪問I/O 模塊。當主站CPU 發生故障時，備用站CPU 立即延續當前狀態接替其收發指令，同時與IM153-2 模塊恢復通訊保證I/O 信號的傳輸。監控系統組成原理如圖1 所示。

2.2 系統硬件實現

圖1 監控系統組成原理Fig.1 Monitoring system composition principle

上位監控設備選擇研華公司工業控制計算機IPC-610H。該IPC 配置酷睿i5-4590T（主頻2.6 GHz）的CPU，8 GB DDR3 內存，1 TB 硬盤，帶有RS-232C標準通訊接口、以太網卡及打印機并行口，上位監控人機界面選擇63.5 cm 三星液晶顯示器。IPC 配置西門子公司專用的高速以太網通訊卡，2 臺IPC 通過網線及交換機相互連接，從而構成IPC+PLC+工業以太網的雙機冗余系統。

程序控制該PLC 控制系統由2 套PLC 組成，系統選用德國西門子公司的S7-300 系列PLC（CPU 315-2DP）。該系列PLC 具有豐富的指令，能很好地滿足控制系統需要。ET200M 上配置3 個SM334 模塊完成1 號—3 號鍋爐鍋筒液位三沖量檢測控制功能，其余的信號模塊完成1 號—3 號鍋爐設備上各種數字量、 模擬量信號檢測控制的功能。帶有ProFiBus-DP 接口傳感器將鍋爐爐群設備中關鍵的工藝參數數值（如溫度、壓力、流量），用數字信號通過現場總線傳輸給上位機，在畫面中顯示出來。

鍋筒液位控制鍋筒液位大幅波動極易形成鍋筒內空水或滿水，從而影響設備的安全運行。因此，使鍋筒液位維持在設定值及其安全范圍內，顯得極為重要。

如前所述，影響液位主要因素是蒸汽流量、給水流量。隨著蒸汽流量增加或者減少，鍋筒液位隨之就要減少或者增加，給水流量就要隨之增加或者減少，從而維持給水量和蒸汽量之間的平衡，保證鍋爐正常運行。鍋筒液位三沖量自動控制系統構成如圖2 所示。

圖2 鍋筒液位三沖量自動控制系統的構成Fig.2 Composition of three-impulse automatic control system for boiler level

爐群負荷自動調度控制 在進行爐群負荷自動調度之前，必須算出爐群中各個鍋爐的最佳負荷值，最佳負荷值是結合以下4 個參數綜合確定：①鍋爐出廠參數； ②鍋爐長期運行歷史趨勢曲線；③司爐工長期經驗積累值；④調度人員調度經驗值。

在求得最佳負荷值之后，算出各個鍋爐在最佳負荷值在爐群總的最佳負荷值中所占比例。再用當前實際所帶負荷值，減去爐群總的最佳負荷值所得到的偏差，乘以上一步算出比例值，得出各個鍋爐實際負荷與最佳負荷值的差值。最后用該差值加上該爐最佳負荷值即得到該爐調度期望值。期望值和實際值約接近則表明鍋爐燃燒狀態越好。

3 雙機冗余監控系統軟件設計

3.1 雙機冗余系統工作原理

雙機冗余系統是一個完全成鏡像對稱的計算機網絡體系結構。其中，2 臺計算機系統完全類似，工程師站和操作員站工程文件基本相同，執行同樣的任務；2 個站點均完成實時控制、畫面顯示、數據存儲顯示、冗余控制等功能。

具體工作原理： 系統采用雙機熱備份技術，工程師站和操作員站通過網絡交換機連接在同一個計算機網絡內。正常情況下，操作員站處于工作狀態，工程師站處于監聽狀態同時以一定時間段（心跳時間）向操作員站發出是否工作正常指令，操作員站應答表示系統工作正常，如果沒有應答則表明操作員站處于異常狀態，工程師站立即切斷與操作員站網絡數據傳輸，代替其從下位機接收數據，并存儲數據，產生、記錄報警信息及異常事件。同時，工程師站還會定時監聽操作員站狀態，一旦操作員站恢復正常，工程師立即切換至熱備份狀態，操作員站繼續從下位機接收、存儲數據，產生并記錄報警信息和異常事件。雙機冗余數據熱備結構如圖3所示。

圖3 雙機冗余數據熱備結構Fig.3 Structure of dual-redundant data hot-standby system

3.2 雙機熱備上位組態軟件設計開發

上位機監控畫面采用西門子上位組態軟件WinCC V7.0 在Windows XP Professional 系統上進行開發。監控系統軟件利用WinCC 實現雙機冗余和熱機備份，具有工程師站和操作員站功能。工程師站完成系統組態、開發和監視功能，操作員站完成系統運行監視功能。2 個站都擁有用戶管理界面、工況圖畫面、報警畫面、數據趨勢曲線畫面、歷史報表畫面，通過這些畫面完成了1 號—3 號鍋爐設備所有工藝參數顯示、記錄、存儲等功能。

實現雙機冗余主要有3 個因素：工程師站網絡設置、 操作員站網絡設置和WinCC V7.0 中數據庫中變量“$雙機冗余狀態”。工程師站和操作員站網絡設置根據該計算機在網絡中的信息來進行，變量“$雙機冗余狀態”用于表示2 個站點狀態，在操作員站內該變量為正值，在工程師站為負值。如在操作員站中，該變量數值若為“1”則表示操作員站工作狀態正常，為“2”則表示異常；如在工程師站中，該變量數值若為“-1”則表示工程師站檢測到操作員站異常，為“-2”則表示檢測到操作員站異常，工程師站代替操作員站工作。

3.3 控制主程序設計

控制主程序采用Step7 V5.5 SP2 軟件在PC 上編程，完成后下載到PLC 中即可。控制程序由1 個主程序和4 個子程序組成。

系統初始化部分初始化程序完成了系統的初始化和故障診斷與連鎖保護，在設備出現故障時，進行聲光進行報警。

系統控制部分完成3 臺鍋爐設備啟停順序控制、工藝參數檢測、蒸汽出口壓力檢測控制、鍋筒液位檢測控制，分別調用相應的控制子程序。

3.4 控制子程序設計

控制子程序包括：

1）鍋爐設備啟停順序控制 該子程序完成3臺鍋爐安全的啟爐、停爐功能。如何將各個危險信號與鍋爐啟停控制連鎖起來是其重點和難點。

2）工藝參數檢測控制子程序 該子程序完成3臺鍋爐系統蒸汽出口溫度、出汽壓力、出汽流量、回水溫度、回水壓力、節能器進口煙溫、排煙溫度等參數檢測。

3）蒸汽出口壓力控制子程序 該子程序主要完成3 臺鍋爐蒸汽出口壓力維持在設定值，其基本思想為根據蒸汽出口壓力變化，及時調整燃氣調節閥以保證燃氣和空氣配比隨之變化從而滿足生產需要。

4） 鍋筒液位控制子程序 針對鍋筒液位控制系統的非線性、大慣性、大時滯、參數時變和難以精確建模等特點，系統控制策略采用三沖量的模糊PID 控制算法，即根據不同時刻的誤差和誤差變化率的輸入，建立液位模糊控制規則，實現在線智能控制。

4 監控系統的功能和特點

該鍋爐爐群監控系統基于雙機冗余技術構建，具有以下功能：鍋爐爐群設備現場生產狀況動態顯示、動態數據顯示等功能；通過遠端PC 上的網絡瀏覽器可動態瀏覽設備狀況和測量數據，同時可以實現數據遠傳及修改設定參數等功能；鍋爐爐群設備狀態預警和工藝參數超限報警提示；鍋爐爐群設備運行參數修改功能，對監控系統內所有可變參數（如儀表量程、工藝參數上下限報警值等）均可以根據工藝要求加以修正；鍋爐爐群設備參數報表打印功能，不僅可以實現實時報表打印，又可以打印歷史數據報表；鍋爐鍋筒液位控制功能，通過具有自整定功能的模糊PID 控制器，實現對3 臺鍋爐鍋筒液位的控制。

鍋爐爐群監控系統采用最新組態技術開發，具有以下特點：既有上下位的雙機冗余熱備份，又具有工程師和操作員站功能。在監控系統軟件中采用C 語言的腳本程序設計出故障診斷和處理程序，當突發一些典型的故障時，系統會提示操作員并同時啟動安全保護程序，提高系統可靠性和穩定性；上位監控畫面功能強大，具有良好的人機界面接口；具有良好的抗干擾能力，系統采用軟件濾波算法才采集來的各個信號進行處理，提高系統穩定性。

5 結語

基于雙機冗余的鍋爐爐群監控系統于2018 年在某單位投入使用。實際運行效果表明：該系統設計滿足鍋爐爐群的工藝和控制要求，控制精度高，動態響應快，實現了鍋爐爐群設備的平穩、安全、高效的運行，在民用鍋爐爐群控制領域具有典型的應用示范作用。