基于DCS的鍋爐智能控制系統(tǒng)研究

西安經(jīng)發(fā)新能源有限責(zé)任公司 陜西 西安 710000

引言

鍋爐控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證水溫的穩(wěn)定，同時(shí)保證鍋爐的安全運(yùn)行。除此之外，關(guān)鍵在于如何保證經(jīng)濟(jì)燃燒，這也是熱水鍋爐節(jié)能減耗的關(guān)鍵所在。系統(tǒng)需為燃?xì)忮仩t配套相關(guān)的輔機(jī)監(jiān)測(cè)、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)等電氣設(shè)備。主要對(duì)70MW/1.6MPa熱水鍋爐的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，整個(gè)鍋爐對(duì)控制回路、各類熱工參數(shù)以及閥門(mén)等的控制與檢測(cè)全部由DCS系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控來(lái)完成。各類一次儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)完全滿足系統(tǒng)控制的要求。DCS系統(tǒng)與燃燒器BMS控制柜通過(guò)通訊方式接入,BMS控制柜檢測(cè)、控制信號(hào)（4-20mA）均由DCS提供，DCS系統(tǒng)對(duì)鍋爐輔機(jī)及熱工測(cè)量、控制參數(shù)進(jìn)行顯示、調(diào)節(jié)、控制，對(duì)BMS的燃燒器控制運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視、聯(lián)鎖、報(bào)警保護(hù)。燃?xì)忮仩t自動(dòng)控制系統(tǒng)控制、故障報(bào)警控制、電氣控制等控制系統(tǒng)單元組成

1 鍋爐智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集散控制系統(tǒng)(DCS)主要有操作站、現(xiàn)場(chǎng)控制器、工程師站、ESB總線、ER總線、通訊網(wǎng)關(guān)、V net/IP 控制總線等部分組成。其中，操作站(Human Interface Station HIS)用于運(yùn)行操作和監(jiān)視。采用了微軟公司的Windows 7作為操作系統(tǒng)和美國(guó)DELL指定的工業(yè)用高性能計(jì)算機(jī)。因此系統(tǒng)工作站具有很強(qiáng)的安全性和可靠性。本項(xiàng)目HIS站為5臺(tái)，分別為HIS0163、HIS0162、HIS0161、HIS0160?，F(xiàn)場(chǎng)控制器(Field Control Station FCS)用于過(guò)程I/O信號(hào)處理，完成模擬量調(diào)節(jié)、順序控制、邏輯運(yùn)算、批量控制等實(shí)時(shí)控制運(yùn)算功能。工程師站(Engineering Station EWS)選用一臺(tái)工程師站HIS0164，用于設(shè)計(jì)組態(tài)、仿真調(diào)試及操作監(jiān)視。采用Windows 7作為操作系統(tǒng)的橫河指定的高性能計(jì)算機(jī)。ESB總線（Extended Serial Backboard Bus）用于控制站內(nèi)，中央主控制器FCU同本地I/O節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p重化實(shí)時(shí)通信總線，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)成[1]：總線型，通信速率：128Mbps，每臺(tái)控制站可連接14個(gè)I/O節(jié)點(diǎn)，最大通訊距離10m。ER總線（Enhenced Remote Bus）用于控制站內(nèi)本地I/O節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程I/O節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p重化實(shí)時(shí)通訊總線，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)成：總線型，通訊速率：10Mbps，每臺(tái)控制站可從本地節(jié)點(diǎn)連接8個(gè)，遠(yuǎn)程I/O節(jié)點(diǎn)，最大通訊距離10000m。通訊網(wǎng)關(guān)（Communication GatewayACG）作為用于將系統(tǒng)的控制總線和 DCS上位機(jī)的以太網(wǎng)相連接的網(wǎng)關(guān)。Vnet/IP 控制總線用于進(jìn)行操作監(jiān)視及信息交換的雙重化實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，兼容V-net和TCP/IP協(xié)議。通信速率：1Gbps，通訊距離最大20km，連接站數(shù)：64站/域，256站/系統(tǒng)。由于增加了控制網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性，更多的非CEMTUM網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以直接掛接在控制網(wǎng)絡(luò)上。

2 工程師工作站設(shè)計(jì)

工程師工作站采用的是世界一流品牌DELL工作站計(jì)算機(jī)，它是供系統(tǒng)生成組態(tài)所用。它能夠儲(chǔ)存系統(tǒng)所有的組態(tài)數(shù)據(jù)，并提供了一個(gè)直覺(jué)性、目標(biāo)導(dǎo)向性的圖形用戶接面環(huán)境供開(kāi)發(fā)及綜合所有的應(yīng)用數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)包括的所有連接在網(wǎng)絡(luò)上的站點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)、工位號(hào)的定義、報(bào)警和故障的定義、控制方案的組成及流程圖的制作。

通過(guò)Windows 7共享檔案功能進(jìn)行并行工程組態(tài)使多位工程師能夠同時(shí)組態(tài)到網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。另外，在不同的工程師工作站所生成的數(shù)據(jù)也可以被綜合到一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)里。同時(shí)工程師工作站上的虛擬測(cè)試功能也可以在離線的情況下確認(rèn)所生成的程序。具有豐富常規(guī)控制模塊用于不同的控制和計(jì)算，具備PID控制模塊自整定功能[2]。組合各種控制和計(jì)算功能塊，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的模擬量控制回路。工程師工作站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 工程師工作站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 操作站設(shè)計(jì)

系統(tǒng)操作站采用的是世界一流品牌DELL計(jì)算機(jī)。并采用先進(jìn)的Windows XP作為操作平臺(tái)。屏幕的分辨率是1280×1024，并具有256種顏色的變化。它帶有操作員鍵盤(pán)，鼠標(biāo)，加有圖形加速器的顯示驅(qū)動(dòng)卡。HIS是采用Windows 7作為操作系統(tǒng)，這使市場(chǎng)上通用的商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)及通訊軟件能在它上面運(yùn)轉(zhuǎn)。操作站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在HIS的監(jiān)視器上，操作員可以觀察到所有掛在通信總線的各個(gè)設(shè)備狀況，甚至可以觀察到控制站上的某一個(gè)I/O點(diǎn)的情況。屏幕的刷新速度快達(dá)1秒。HIS可以顯示各種畫(huà)面；如流程圖、控制組、趨勢(shì)等。它也可以監(jiān)視設(shè)備，通過(guò)指令窗口發(fā)送指令，記錄報(bào)警及其他事項(xiàng)和確認(rèn)報(bào)警[3]。HIS的主要的特點(diǎn)如下：支持200,000個(gè)工位號(hào)，支持2560個(gè)趨勢(shì)點(diǎn)，支持2500個(gè)流程窗口(包括流程圖畫(huà)面，控制組畫(huà)面和總貌畫(huà)面)，5個(gè)重疊的操作窗口可以同時(shí)顯示在一個(gè)畫(huà)面上。一個(gè)操作站HIS支持雙顯示屏連接，在一個(gè)操作站上同時(shí)可以在二個(gè)顯示屏上顯示不同的窗口，以增加每個(gè)操作站的操作能力。操作員可以通過(guò)操作員站鍵盤(pán)或鼠標(biāo)對(duì)連在HIS上的二個(gè)顯示器上不同的流程圖，或控制面板或趨勢(shì)圖或報(bào)警信息進(jìn)行操作。這樣可以大大提高一個(gè)HIS的利用率，同時(shí)提高操作效率。

圖2 操作站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 現(xiàn)場(chǎng)控制站設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)控制站(FCS)集過(guò)程控制功能、計(jì)算機(jī)和批量控制過(guò)程為一體。對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)采用循環(huán)掃描的方式，每個(gè)功能塊的循環(huán)掃描周期可以單獨(dú)定義，從50ms到1s?？刂普?FCS)所有的模件都采用集成度高、散熱量低的固態(tài)電路以及表面封裝技術(shù)，防塵、抗干擾能力強(qiáng)，適合各種惡劣的運(yùn)行環(huán)境。模件的編址與物理位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系簡(jiǎn)單明了，容易掌握。模件帶電插拔不會(huì)引起本模件故障，也不會(huì)影響其他模件的正常工作[4]。模件插拔都有導(dǎo)軌和聯(lián)鎖裝置，防止損壞或引起故障。模件通用性強(qiáng)，種類規(guī)格少，有效地減少了備品備件的費(fèi)用支出。

為實(shí)現(xiàn)控制器冗余功能設(shè)計(jì)，在左右兩側(cè)CPU模件內(nèi)各有2個(gè)獨(dú)立的CPU單元，2個(gè)CPUU單元同期運(yùn)算，每側(cè)將2個(gè)獨(dú)立的CPU單元的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行一致性比較，如果比較結(jié)果一致，則該側(cè)控制器輸出運(yùn)算結(jié)果。這樣有效地診斷出任何硬件故障或隨機(jī)性運(yùn)算錯(cuò)誤。阻止任何錯(cuò)誤輸出，并保證不間斷地輸出正確的控制運(yùn)算結(jié)果。系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)控制站冗余設(shè)計(jì)

5 鍋爐控制系統(tǒng)特點(diǎn)

5.1 開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)Windows 7標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)，支持DDE/OPC。既可以直接使用PC機(jī)通用的MS-Excel,Visual Basic編制報(bào)表及程序開(kāi)發(fā)，也可以同在UNIX上運(yùn)行的大型Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。此外，橫河提供了系統(tǒng)接口和網(wǎng)絡(luò)接口用于與不同廠家的系統(tǒng)、產(chǎn)品管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)和安全管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

5.2 高可靠性

獨(dú)家采用了4CPU冗余容錯(cuò)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)控制站，實(shí)現(xiàn)了在任何故障及隨機(jī)錯(cuò)誤產(chǎn)生的情況下進(jìn)行糾錯(cuò)與連續(xù)不間斷地控制；I/O模件采用表面封裝技術(shù)，具有1500VAC/分抗沖擊性能；系統(tǒng)接地電阻小于100歐姆等多項(xiàng)高可靠性尖端技術(shù)，使系統(tǒng)具有極高的抗干擾，耐環(huán)境等特點(diǎn)，適用于運(yùn)行在條件較差工業(yè)環(huán)境。

5.3 高速的控制總線

系統(tǒng)采用V-NET/IP控制總線，該控制總線速度可高達(dá)1 Gbps，滿足了用戶對(duì)實(shí)時(shí)性和大規(guī)模數(shù)據(jù)通信的要求。在保證可靠性的同時(shí)，又可以與開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備直接相連，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。

5.4 現(xiàn)場(chǎng)控制站的高效性

控制站FCS采用用于高速的RISC處理器VR5432，可進(jìn)行64位浮點(diǎn)運(yùn)算，具有強(qiáng)大的運(yùn)算和處理功能。此外，還可以實(shí)現(xiàn)諸如多變量控制，模型預(yù)測(cè)控制，模糊邏輯等多種高級(jí)控制功能，主內(nèi)存高達(dá)32M。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著鍋爐控制自動(dòng)化程度的提升，越來(lái)越多的自動(dòng)化設(shè)備引入至鍋爐控制中，其控制系統(tǒng)的復(fù)雜度和智能化程度逐漸增加。DCS系統(tǒng)由于其具備分散控制和集中管理的特點(diǎn)，非常適用于鍋爐工業(yè)控制環(huán)境，將成為鍋爐電氣控制的重要發(fā)展方向之一。