CS1D系列PLC及回路控制板在锅炉水位自动控制中的应用.pdf

行 业 应 用 与 交 流 n d u s t r ial Ap pl ic a t ion s an d CO m mu n I c a t ．o n s 自动化技术 与应用 2 0 1 1年第 3 0卷第 6期 C S 1 D系列 P L C及 回路控制板 在锅炉水位 自动控制中的应用 樊 石 1 ， 陈庆文 ， 刘如有 1 ． 黑龙江省科学院自动化研究所， 黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 9 0 2 ． 中国市政工程东北设计研究总院， 吉林长春1 3 0 0 2 1 摘要 采用欧姆龙公司 C S 1 D P L C及其回路控制板， 实现了对锅炉水位的自动控制。 关键词 P L C； 回路控制板； 过程控制模块 中图分类号 T M5 7 1 ． 6 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 1 0 6 0 1 0 1 0 4 Th e Ap p l i c a t i o n o f CS1 D Se r i e s P L C a n d L o o p Co n t r o l P a n e l l n I e v e I Au t O ma t i c Co n t rol Ap p l i c a t i o n F AN S h i ， C HE N Qi n g - we n ， L I U Ru y o u I ． A u t o m a t i o n I n s t i t u t e o f H e i l o n g j i a n g Ac a d e n y ， H a r b i n 1 5 0 0 9 0 C h i n a ； 2 ． Ch i n a No r t h e a s t Ge n e r a l Mu n i c i p a l E n g i n e e r i n g De s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i tut e ， Ch a n g c h u n 1 3 0 0 2 1 Chin a Abs t r a e t Au t o ma t i c c o n t r o l o f t h e b o i l e r wa t e r l e v e l wi t h CS I D P LC a n d i t s c i r c u i t c o n t r o l b o a r d ． Ke y wo r d s P LC； l o o p c o n t r o l p a n e l ； p r o c e s s c o n t r o l mo d u l e 1 引言 近年来PL C逐步由解决开关量逻辑控制和顺序控 制到模拟量连续控制领域 ， 其本身与 DCS相 比具有价 格 、结构和组态方式上的优势 ， 所 以具有市场的竞争 力。就欧姆龙的 C S 1 系列P L C， 回路控制板 LC B 及其 模 拟量 单 元组成 的过程控 制系 统具有 以下 特点 1 兼备 DC S回路控制功能 ， 具有开放性好 、成本 低和维护便利等特点。配套的模拟量 I ／ O单元， 其单板 点数和电气类型多可以满足不同的组合情况 ， 节省了系 统空间， 降低了运行成本。 2 回路控制板内置 C P U， 不占用系统扫描时间， 减 轻 了系统 的工作负担 ， 而 且高速运行 、数据灵活链接 等 功能也提高了P LC的控制性能。 3 采用模块流程图式的组态方式， 编程更简单、更 灵活， 通过不同模块的灵活组合使控制方案更加多样 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 1 0 化 ， 良好 的人机 界面提 高 了人机交互性 和可操 作性 。 2 系统设计、说明 C S l P L C的过程控制 系统是 由过程模拟量 I ／ 0单 元 、回路控 制板 LC B 构成 。模拟量单元 内置 电源 、信 号转换器 、隔离电路等装置 ， 具有标定测量值、设置报 警值、数据开方处理等功能用于构建监控系统 ， 与回路 控制板配合可以构建完整的过程控制系统。 2 ． 1 回路控制板 L CB 回路控制板 L C B 完全具备 DC S的连续控制功能和 良好的人机界面 ， 均采用流程图式的组态编程方式 ， 可 以构建单回路 P I D控制、串级控制、前馈控制等复杂控 制系统 ， 是实现过程控制的核心。 回路控制板 LC B 工作原理如图 l所示 ， 图中标准 I ／ O单元、过程模拟量单元及其他智能 I ／ O单元将数字 自 动 化技 术 与 应 用 2 0 l 1 年 第3 0 卷 第6 期 行 业 应 用 与 交 流 n du s t r i a l Ap pl ic a t ion s an d Comm u n i c a t i o n s 量 、模 拟量输入 信号 经过本地终端模 块传人 L C B内部 ， 在单元 内部通 过将控 制模块 、报警模 块 、操作模块 及梯 形 图模块 等相 互组合实 现 PI D调节功 能 ， 并将调节作 用 产生 的数 字量 、模 拟量 输 出信号 再经 过本 地 终端 模块 传送至外部 I ／ O单元。与此同时， LC B在进行 P I D运算 时不断从 C P U 单元或从网络上其他 L C B单元调用 相关 参数 ， 这些参 数经过 C P U 终端模 块或节 点终端模 块 与 CPU 单元 内的相应存 储区实 现数 据交换 。 用户可 以利 用 P C实时设定 或修 改 C P U 单元 中 I ／ O 区 中的过程控 制参数 ， 从 而间接调整 LC B的控 制效果[ 1 1 。 I／ O 单元 过 C 程 P 模 一 控 制 _ 拟 模 块 U 、 厂 I fo 终 存 PC 量 报 警 端 健 机 茧 模 块 攥 区 一 块 兀 盍 操 作 地 模 块 终 基 端 时 问 太 模 摸 块 节 节 堇 块 点 点 其 一 运 算 终 他 兀 模块 数 ／ L 端 据 、 r L C B 智 ＼ r 梯形图 模 ＼ r 存 节 能 模 块 块 储 点 童 一 区 兀 图 1 回路控制板 L CB工作原理 2 ． 2 给水控制原理简述 给水 控 制 系 统 在 低 负荷 时采 用 单 冲量 调 节 系统 。 为克服 “ 虚假水位”现象对给水控制系统造成的不利影 响， 在蒸汽参数稳定、给水流量允许的情况下给水控制 系统可 自动切换到三冲量调节系统。当负荷大于 3 0 ％ 时 采用 由汽包 水 位 、给 水流 量 或是压 力 和蒸 汽流 量 组 成的三 冲量 串级调 节系 统来调节 给水阀 ， 以使 汽包 水位 满足运行要求。在给水控制三冲量调节系统 中汽包水 位信号经汽包压力补偿后作为主调的输入 ， 蒸汽流量信 号 经温度 、压力 修 正后 与给 水 流量信 号 一起 作为 副调 的反 馈 输入 。无 论 是单 冲量 调节 系统 还 是三 冲量 调 节 系统 ， 测量 汽包水位 的变 送器均 为三重 冗佘 。经过压 力 补偿后 的汽包水 位信号 采取三取 中的处理 方法 ， 当至少 有 一路 水位 信号 故 障时 也可 由运 行人 员 决定 采用 哪 路 信 号进 行调 节运 算 。 为保证给水 自动调节系统的有效工作 ， 针对不同负 荷 、不 同水 位偏差值及水位偏 差的变化情况从 多组 P I D 参 数 时选 择 一组 参数 进 行调 节 。在 异 常情 况 下系统 自 动切至手动操作[ 引 。 水 位三冲量控 制 S AMA 图如 图 2所 示 图 2 三冲量自动给水 S M A图 2 ． 3 硬件组成 本系统采用的是 1 1 冗余方式， 即 C P U、回路控制 板 、电源 、通讯 卡 、以太 网以及 比较重 要的信号采集都 是双 路 的 ， 以保证 即使 有其 中一 路故 障时 ， 系统 可 以 自 动切 换 至备 用 的另一 路 。 3 系统软件处理 系统 软件 处理 的过程 如 下 图图 3所 示 数据 P L C P L C L e B P L C 采集 数字 量程 P D D { A ． ． ． ． J＼ A ， D 、 ／ 滤坡 变换 串级 1 ／ 输出 变换 技术 控制 图3 系统软件处理过程 对于处于两端的数据采集 A／ D输入和控制 D／ A输 出已经是 较成 熟 的技术 ， 本文不 再做 详细 叙述 。 3 ． 1 数字滤波 由于 现 场存 在 随机 干 扰 脉冲 有 存在 有周 期性 的干 丁 业 用与父 氚 自动化技术与应用 2 0 1 1 年第 3 0卷第6期 一 n d⋯ us ⋯t r i l jc 型一o n ⋯s ⋯a n d 9 i⋯c a t i o n s ⋯ 扰 ， 用简单 的滤波方 式 已经 不能满 足实 际的需要 ， 因此 把算术平均值滤波和中值滤波组合起来 ， 具体算法就是 对 N 次采样值先去掉一 一 个最大值和一 个最 小值 ， 再对剩 下的 N_ 2 个采样值取算术平均值 [ 1 l 。其程序的流程 图如 图 4所示 。 图4 复合滤波流程图 3 ． 2 量程转换 由于 控 制 系统 中存在 着 不 同 的参 数 和量 纲 ， 如 温 度信号 的量 纲是 ℃， 压 力信 号的量纲是 Kp a 或是 Mp a ， 流量 信号 的量 纲 是 t ／ h等 等 。这 些 参数经变 送器 转换 成 4 2 0 mA 标准信 号 ， 在经过 A／ D 单元转 换 成■进 制 的数值 ， 为 便 于计算 和显 示 ， 必 须将这 些数 字量转 换 成相 应 的工程 单位⋯ 。在本 系统 过程 中要 有两 次量 程 的转换 ， 第 一次是用标度 指令 S C L 1 9 4 和 S C I 2 4 8 6 4 , A／ D 变换 后的 二 进制 数据转 换成量 纲数 值 ， 如温度 信 号 4 2 0 mA 二进制数据 为 0 0 0 0 0 F A0 } { ， 对应 的量纲 为 0 3 0 0 度 。 当回路控 制板将计算完 成后的数据 输 出时 ， 要进 行 第二 次量程转换 ， 即将量纲值转换成 D ／ A单元的二进制 数据 ， 运用 S C L 3 4 8 7 令完成此功能 ， 该指令实际上是 S C I 2指令 的逆运 算 ， 在 此就不在 多作详述 。 3 ． 3 P I D运算 在早期的控制过程 中， 要想实 现 P I D功能需要 用计 算指令 写出相 当复杂 的梯 形 图。而 用 L CB 回路控 制板 就 比较简单丁 ， 只需要使用 C X⋯ P r o c e s s T o o l 软件对 所选择 的 L C B型 号及版本号进 行选择 后 ， 对注册 完的功 能模块进 行参 数设置 ， 再 下载 到硬件 中 ， 即可 实现简 单 P I D、串级控 制或是前馈控制等控 制功 能{ 。 过 程如 F 1 新建项 目、命名 ， 在 n u mb e r mo d e l 中选择 LC B 0 0 5即硬件型号和版本号 v 1 ． 0 ； 2 在配嚣 界面 更改 P LC型号与实际栩符 ； 3 逐 注册各个 A／ D及 D ／ A模块 其地 t - 与P L C 配置 卡 f 1 同； 4 注册 P I D功 能模块 ， 设置各项参数 ， 基本功能块 0 2 4设 置 1 允 许本地 和远程操 作 、0 2 6 0本地操 作 、 0 2 6 1 远程操 作 、0 8 6 设 置 l 经 P [ D运 算后输出值 给 MV 、0 3 5 是 P 1 D参数 自整 定标志位 、0 5 4 、0 5 5 分别是 P 、I 参数 ， 将 A ／ D模块 作为 P I D模块输入 ， D／ A模块作为 P I D 模块 的输出 ， 进 行连 线 ； 图 5 水位 自动控制流程图 5 保存 、 F 载 ； 6 P I D调 试 ， 由于现场情况不允 许 P I D参数的 自动 调 整 ， 只能 以手动的方 式根据 以往凋试的经验 对 P、l 、 D进行调 整 ， 先是 只调 P值 ， I D不动 ； 然后是 P 与D不 动 ， 凋整 I 值 ； 最 后是 D值。 7 悯整过程 巾注意 I 值 ， 1 CB t 寸 其的定 义为 从 0 达 到 日标值 S V 的 1 0 0 ％所用 的时问 ， I 值越大积分作 用 越 弱 ， 其 作用 是消除余 差的 ， 当反馈值 l V与 目标 值 S V 的差值较人时 I 值 较小， 以求快速的达到 目标值 ； 当其 羞 值较小 时应将 I值 设 置 较大 ， 减弱 其超 聋 的效 果 ， 保 证余 系统 在差较小 范 围 内 j 二 一 卜 波动 ， 所 以采用 变 积 分控 制 方式 。 图 6 调整过程中参数轨迹检测 一⋯一T e c h n iq u e s o f A u t o ma tio n＆A p p l ic a t io n s J 1 0 3 自 动 化技 术 与 应 用 2 0 1 1 年 第3 0 卷 第6 期 行 业 应 用 与 交 流 n d u s t r i a l Ap p l i c a t ion s a nd Commun ic at i o n s 8 参数调试满足要 求 ， 整理 、注释 软件并做 好备 份 工作 。 4 结束语 水位控制在锅炉 自动控制中具有代表性 。应用本 系统进行控制 ， 其特点为结构简单， 操作便宜， 控制速度 快 ， 准确性 、稳 定性较 好 ， 在锅 炉 以及其它 行业 的控 制 系统 中都 具有 一 定 的应用价 值 。 参考文献 【 1 】欧姆 龙公司 ． S YS MAC C S ／ CJ 系列可编程程序控制 器 编程手册 ．2 0 0 2 【 2 】王付生 ， 李军 ． 热工 自动与保护 ． 北京 中国电力 出版社 ． 20 09． 作者 简介樊石 1 9 6 7 一 ，男， 副研 究 员， 研 究 方向 计 算机应 上接第 1 0 0页 5 石膏浆排出量控制 根据吸收塔石灰石浆液供应 量 ， 并用排出石膏浆的密度值进行修正 ， 以此改变三通 阀开关方向， 调节浆液排至石膏浆罐和返回吸收塔之间 的时 间 比， 控制石 膏排 出量 。 4控制室布 置 本工程脱硫集中控制室设置在脱硫综合楼三层 ， 主 要布 置 电子设备 间、工程师 室、脱硫控 制室 ， 电气设 备 间。电子设备 间用于放置 F G D - DC S机柜 、仪表 电源柜 和工业 电视机 柜等 。工程 师室在脱硫控 制室 旁边 ， 内设 F G D DC S工程师站 l 台及打印机等。脱硫 DC S系统控 制室 ， 室内布置 F GD DC S操作员站 2台及 打印机 、电 视 监控 台和 区域火 警控 制盘 等 。脱 硫控 制 室及 电子设 备 问下为 热控 电缆夹层 。 图 2 为控 制室及 电子设 备 问 布 置 图。 藩 目 离 篓 ● I 州 l r、 ● ． I 糖 ， 口翮嘲霹] 电 辛 健 ● ■ 一 l 。 瞄q 蒜 芏 鼍 电 童 I N w 。1 f l l i ”CCt 蓠 。 囝 _ I l _ l 梆 l 褂 f ． 图 2 控制室及电子设备间布置图 5 结束语 上海新华自动化科技发展有限公司的X DP S 4 0 0 DC S 系统已成功应用在国内许多大中型发电厂脱硫系统中。 本 工程 根据 山西右 玉发 电厂烟 气脱硫 工艺要 求 ， 制定 了合理的控制方案，采用 X D P S 4 0 0 DC S控制技术， 实现 对整个烟气脱 硫工艺的控制和管理， 保证系统的远程 监控 和稳 定运 行 。 参考文献 [ 1 】 古林， 欧阳昌华， 廖力清等． 现场总线技术在烟气脱硫控 制系统中的应用[ J ] ． 电力环境保护， 2 0 0 6 ， 2 2 1 6 -9 ． [ 2 】封志飞 ． 石灰石 石灰 一石膏法 烟气脱硫方案在盘南 电 厂中应用研究[ D】 ． 辽宁工程技术大学 ， 2 0 0 6 ． [ 3 】 郑慧莉． 烟气脱硫的仪表与控制系统设计[ J ] ． 电力设计， 2 0 0 5 ， l O 5 6 1 - 6 3 ． [ 4 】 薛谦， 邓小妮． 烟气脱离控制系统的DC S 实现[ J ] ． 西安工 程科技学 院学报 ， 2 0 0 6 ， 2 0 1 1 0 1 1 0 3 ． [ 5 ]言军． 3 0 0 MW机组烟气脱硫仪表和控制系统简介[ J ] ． 华 东 电力 ， 2 0 0 5 ， 3 3 1 2 9 4 -9 6 ． [ 6 】卢宏燕， 范红卫 ， 赵 彬等． 6 0 0 MW 机组烟气脱硫控制 系统设计[ J ] ． 矿冶 ， 2 0 0 8 ． 6 2 1 0 0 1 0 3 ． [ 7 ]张新宁． 23 0 0 MW 机组烟气脱硫工程方案的设计研 究[ D] ． 重庆大学 ， 2 0 0 6 ． 作者 简介 何涛 1 9 8 2 一 ， 女， 本科， 助教， 从事仪器仪表及 D C s 系统 的教 学 。