基于PCS7的鍋爐控制系統設計

汪官勇，余 粟

(1.上海工程技術大學機械工程學院，上海 201600；2.上海工程技術大學工程實訓中心，上海 201600)

0 引言

鍋爐控制系統是基于反應器設備實現的。反應器被廣泛應用于石油化工、鋼鐵冶金、食品發酵等領域[1]。由于整套系統是一個有多個輸入和多個輸出的系統，具有很強的非線性，存在滯后延遲，并且過程中具有很強的耦合性，加大了系統的控制難度。本文在分析了反應過程和反應對象的特性后，設計了整套鍋爐控制系統的自動控制方案，包括混合罐的液位控制、反應罐液位、反應罐溫度控制、閃蒸灌壓強控制及產物輸出產量控制。

1 鍋爐控制的工藝流程

本文是基于SMPT-1000仿真試驗平臺完成的，系統的被控對象是一個鍋爐反應器自然循環的反應過程。整個反應的工藝流程結構如圖1所示，包括混合罐系統、反應罐系統、閃蒸罐系統3個部分。

1.1 混合罐的液位控制系統

原料A和原料B分別經過水泵P101和水泵P102，通過各自的閥門進入到混合罐中，并按照一定的比例均勻的混合。由于其在混合罐中的原料是不反應的，所以在混合罐中只需要控制液位穩定，不滿罐或空罐即可。

1.2 反應罐控制系統

原料A和原料B在混合罐中按照一定的比例混合后，經過閥門F1105進入反應罐，反應的催化劑通過P103和F1104的閥門加入反應罐。此時，催化劑是也是按照一定的比例加入的。加入催化劑后，反應罐中產生劇烈的化學反應，會導致罐內的壓強和溫度上升。通過控制進料閥門F1105，使得反應罐的液位保持在一個穩定的值，控制出水閥門F1201實現對溫度的控制。

圖1 工藝流程結構圖

1.3 閃蒸罐控制系統

反應罐在溫度達到一個限制值時，打開閥門F1105開始出料，使反應后的混合物進入閃蒸罐中。閃蒸罐中液位和壓強會上升，因此通過控制閥門F1105控制閃蒸罐內的液位穩定，并通過控制蒸餾泵S1101控制閃蒸罐內的壓強穩定。當閃蒸罐內的液位快要穩定時，打開出料閥門F1107，將出料流量控制在定值。

2 鍋爐反應器的控制系統方案設計

鍋爐控制系統是多輸入、多輸出的系統，具有很強的非線性，存在滯后延遲，并且過程中具有很強的耦合性。在經過充分系統分析的基礎上，遵循基礎控制方案設計原則，將控制目標任務分解成以下幾個可行的控制模塊。方案中涉及的都是工業上常見的控制策略，如單回路控制、串級控制、比值控制、變比值控制系統等。這樣不僅使控制方案簡單明了、具有較高的可實施性，而且還能增加整個控制系統的穩定性。

2.1 混合罐控制

如果用混合罐的出口流量閥門進行控制，容易對反應器的各項指標造成影響，所以在此選用控制進料閥門來控制。混合罐的進料要按照化學反應的配比給料。給料的比例合理才能保證化學反應的高效進行，也能節約資源，避免造成資源的浪費。在分析了反應物的物料特性之后，采用單回路比值控制方案，以混合罐的液位為定值，采用比值控制器，反饋量為傳感器檢測到的流量值，輸出控制量用以控制進料閥門F1101。原料A和原料B是按照一定比例來投放的，通過比值控制，確保了兩物料總比值基本不變。

2.2 反應器液位及流量比值控制

如果用出口流量來控制反應器液位，液位的波動會影響到閃蒸罐的液位及壓力。所以，本文用進料口流量來對反應器液位進行控制。液位控制采用了單回路控制系統。單回路系統結構簡單，對儀表工具的需求較小，成本較低，且操作維護簡單方便。

流量控制采用了比值控制系統。通過比值控制，確保了兩物料總比值基本不變。該方法便于提升負荷，只要緩慢地改變主流量的給定值，副流量就能自動跟蹤，并保持二者的比值不變。

2.3 反應罐溫度控制

物料之間的反應是放熱反應。放熱反應產生的熱量會使得反應罐罐內的溫度上升，導致罐內的壓強增加。過高的壓強會造成爆罐的事故。對溫度采用串級控制。當反應罐的溫度過高時，控制器會控制冷水閥門的開度，用來降低反應罐的溫度。

2.4 閃蒸灌液位控制

如果用產物D的出口流量調節閥來進行控制，液位的波動會影響到反應物的出口流量的穩定，所以用FV1105進行控制。采用單回路控制系統，通過給定一個設定值，檢測到實際的液位與設定值并進行比較；通過控制閥門FV105的流量，使得液位穩定在一個值。

2.5 閃蒸灌壓力控制

閃蒸罐中的壓強是由氣態產物積累造成的，所以通過控制閃蒸罐的壓力閥門來控制閃蒸罐的壓力。這里同樣采用單回路控制。但由于閃蒸閥的輕微變化就會導致閃蒸罐內的壓力發生劇烈的變化，所以在控制量加入一個除法器，使得控制量在小范圍內變化，從而更好地控制閃蒸罐的壓力。

2.6 反應器出料控制

通過控制出料閥門，可實現穩定出料。這里采用單回路直接控制閥門的開度。通過給定一個初始的流量值，控制器控制閥門的開度，以達到穩定的流量輸出。

3 控制系統的實現

鍋爐控制系統采用基于SIMATIC PCS7控制環境實現整個系統的程序控制。SIMATIC PCS7控制環境采用分布式控制系統環境，其結合了局域網技術、現場總線技術以及可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)[2]。PLC是以微處理器為基礎，結合計算機技術、自動化技術以及通信技術而形成的工業自動化控制裝置[3]。整個控制系統包含了大量的工業硬件，由于它們具有統一的硬件平臺，可以通過選用不同的功能模塊進行系統組態[4]。鍋爐系統配置如圖2所示。整個系統的編程是由連續功能圖編程以及順序功能圖編程實現的[5]。

圖2 鍋爐系統配置圖

在使用連續功能圖模塊化編程時，經常使用的程序模塊有模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、PID控制模塊、加法模塊以及除法模塊等[6]。以混合罐的液位控制為例，其組態如圖3所示。

圖3 混合罐液位控制組態圖

由圖3可知，混合罐液位測量信號接入模擬量輸入模塊的VALUE管腳后，該模塊將其轉化成PID控制器能識別的數字量；與控制器的PV_IN管腳鏈接，控制器輸出控制量；將控制器的輸出值分別通過不同的除法器連接到模擬量輸出模塊，以控制不同的閥門，使得輸入物料按照一定的比例混合。在完成整個控制回路的組態后，進行PID參數整定[7]。通過PID參數整定方法，可得到最優的參數值，并可得一定的控制余量。

順序功能圖編程是采用順序結構進行控制的，通過順序框圖實現組態[7-9]。在順序功能圖程序的執行過程中，可以更改其中的參數和功能，具有更高的優先級。在整個程序執行過程中，通過改變不同的條件來改變開車狀態。為了確保系統的平穩運行，整個控制系統有多個控制回路依次投自動狀態。在投自動時，要注意當前實際值與設定值不能有太大的差異，從而保證各個回路的穩定運行。由于控制系統存在變量的遲滯性質，這樣投自動方式也能減少超調，使得系統具有更好的控制效果[10]。反應過程開車順序如圖4所示。

圖4 反應過程開車順序圖

4 實施效果

該系統最終的控制要求是控制整個反應過程中的混合罐的液位穩定，從而確保反應罐的溫度和閃蒸罐的壓強穩定，使產物穩定輸出，并避免整個系統出現滿罐和空罐的現象。通過最后的各個控制回路的曲線可以看出，整個控制系統可以快速地穩定，具有一定的抗干擾能力，達到了較好的控制效果。

5 結束語

在分析鍋爐控制系統的過程工藝及被控對象的基礎上，結合安全、節能、環保等一系列綜合因素以及生產的工藝指標，設計了一套完整的鍋爐控制器的控制方案。通過在西門子的PCS-7軟件平臺上進行程序編寫、在SMPT-1000仿真試驗平臺上實施驗證，證明設計的整套鍋爐控制系統滿足所需的工藝指標，并且具有一定的可行性。