PLC、触摸屏和变频器在循环双流化床锅炉自动控制系统的应用.pdf

自 动 化 技术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第2 期 P L O 与D C S PL C a n d DCS P L C、触摸屏和变频器在循环双流化床锅炉 自动控制系统的应用 黄宁 ． 四川机电职业技术学院， I l J I I攀枝花 6 1 7 0 0 0 摘要 根据循环双流化床锅炉 C F D B 控制系统的设计方案， 从硬件设计和软件设计两方面介绍采用西门子S 72 0 0 P LC 、TP 2 7 0 、 MM4 3 0 变频器的改造方案。系统具有设备投资少 ， 操作简便的特点， 同时运行后降低了能耗 ， 提高了生产率。 关键词 循环双流化床锅炉； 控制系统； 硬件设计； 软件设计 - 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 0 0 2 0 0 5 8 0 4 Th e Ap p l ic a t i o n W i t h P L C T o u c h Sc r e e n a n d F r e q u e n c y Co n v e r t e r i n Au t o ma t i c Co n t r o l Sy s t e ms o f CF DB HUANG Ni ng S i c h u a n E l e c t r o me c h a n i c a l I n s ti t u t e o f V o c a ti o n a n d T e c h n o l o g y , P anz h i h u a 6 1 7 0 0 0 Ch i n a Abs t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e t e c h n i c a l r e n o v a t i o n f r o m h a r dwa r e a n d s o f t wa r e wi t h S 7 2 0 0 PLC TP2 70 a n d MM 4 3 0 a c c o r d i n g t o t h e d e s i g n p r o j e c t o f c o n t r o l s y s t e ms i n CF DB． T h i s s y s t e m h a s t h e a d v a n t a g e s o f l o w i n v e s t me n t a n d e a s y o p e r a t i o n ，i t a l s o c a n r e d u c e t h e e n e r g y c o n s u mp t i o n a n d e n h a n c e t h e p r o d u c t i v i t y ． Ke y wo r ds CFDB； a u t o ma t i c c o n t r o l s ys t e ms ； h a r d wa r e d e s i g n； s o ftwa r e d e s i g n 1 引言 循环双流化床锅炉 C F D B 就是专为小容量锅炉研 制的新型流化床锅炉 ， 是小型循环床锅炉的改进 ， 其特 点是运行稳定、性能 良好 ， 用户经济效益显著 ， 特别适 用于 6 -3 5 t ／ h锅炉。某钛 白粉厂采用 DG1 5 循环双流化 床锅炉为生产供汽， 原锅炉根据 自治原则设计 了锅炉控 制系统， 采用智能仪表对锅筒液位进行 自动控制 ， 而蒸 汽压力的控制主要靠司炉工的操作经验手动调节给煤 量及改变主床、付床风 门开度和引风机开度控制炉膛 燃烧来实现。当工厂负荷变化时， 司炉工需首先观察仪 表的变化 ， 再根据经验调节各控制参数。由于锅炉控制 系统问使彼此关联度大 ， 且工厂负荷变化频繁， 燃煤煤 质变化大， 司炉工操作稍有不慎 ， 便导致供汽不稳， 严重 时会发生锅炉结焦或熄火事故 ， 影响工厂生产。基于系 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 一l 0 统运行现状 ， 本着既能节能降耗 ， 又控制简便、安全且 投资较少的原则 ， 我们设计时采用了性能先进的西门子 PL C、变频调速器、控制屏等自动化设备组成的锅炉 P I D 自动控制系统。该控制系统通过检测蒸汽压力， 主、 付床温度， 炉膛负压 ， 汽包液位等运行物理量 ， 实现运行 过程主付床温度、炉膛负压力、锅筒水位 自动调节 ， 保 证了锅炉的安全稳定高效运行。 2、 锅炉控制系统设计方案 2 ． 1 锅炉燃烧 自动控制系统[ 1 ] 锅炉燃烧 自动控制系统的基本任务是使燃料燃烧 所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的要求。 外界用汽量的变化， 反应在锅炉为压力的变化 ， 用汽量 加大 ， 汽压下降。要增减负荷 ， 必须增减风量和煤量。循 环双流化床锅炉燃烧 自动控制系统主要由其主床床温 控制、付床床温控制、炉膛负压控制、锅筒水位控制四 P L O 与D O S PL C a n d DCS 个系统组成 。 2 ． 1 ． 1 主床床温控制系统 锅炉主床运行温度为 8 5 0 ～I O 0 0 C， 最佳床温应稳定 在 9 5 0 ℃， 其温度主要与给煤量和送风量有关， 为使锅炉 运行在最佳燃烧状态 ， 燃煤量、送风量之间应保持一定 比例。锅炉在正常运行时 ， 锅炉主床床温控制系统采用 以沸中温度作为反馈量的PI D控制 ， 同时将负荷的大小 经处理后作为给煤、送风的前馈信号 ， 确保燃烧能与负 荷相适应。 由于该厂用煤煤质变化较大 ， 煤风 比不 固 定 ， 本系统在主床燃烧控制系统中煤风比设计为可进行 手动修正。系统控制原理如图 l所示。 图 1 锅炉主床温度控制系统控制原理 图 2 ． 1 ． 2 付床床温控制 系统 锅炉允许付床温度在 7 0 0 ～1 O 0 0 C 运行， 最佳床温应 稳定在 9 2 0℃， 其温度主要由付床送风来控制。加大风 量可以降低床温， 降低风量则床温升高 ， 但最小风量不 得小于临界风量。系统控制原理如 图2所示 。 图 2 锅炉主床温度控 制系统控制原理 图 2 ． 1 ． 3 炉膛负压控制[ 3 ] 炉膛负压的高低也关系着锅炉的安全和经济运行 。 炉膛负压过高会使大量的冷风漏人炉膛 ， 将会增大引风 机的负荷和排烟热损失； 炉膛压力低并长期运行时会使 炉墙变形， 影响炉墙的使用寿命。循环双流化锅炉规定 炉膛负压必须控制在 ～7 0 ～一3 O Pa 。为了使炉膛负压 稳定在规定 的范围内，必须控制引风量与送风量相适 应。引风量控制系统的任务是保证一定的炉膛负压 ， 在 引风调节方案中 ， 炉膛负压测量值和设定值一起送人 P I D调节回路中进行运算， 运算结果控制引风机转速 ， 满 足锅炉运行要求。由于炉膛负压实际上决定于送风量 和引风量的平衡 ， 故利用主床送风量作为前馈信号 ， 以 改善系统的调节性能， 如图 3 所示。 赞l压 自动化 技术与应用 2 0 1 0年第 2 9卷第 2期 图 3 炉膛负压控制系统原理图 2 ． 2 水位三冲量控制[ 2 ] [3 ] 锅筒水位的高低对锅炉的安全运行和生产工艺要 求影响很大 ， 水位的变化会引起汽压、汽温的波动。水 位太高时会使蒸汽大量带水 ， 降低蒸汽品质 ， 影响产品 质量 ， 水位过低时则易发生缺水事故。要维持锅炉的正 常水位 ， 必须及时调节给水量 ，以适应蒸发量的变化。 在运行 中锅炉的给定水位应随负荷的大小进行调整 ， 在 低负荷 时， 应稍高于正常水位 ， 以免负荷增加时造成低 水位； 在高负荷时， 应稍低于正常水位 ， 以免负荷减少时 造成高水位。原锅炉水位控制系统 中， 给水泵是连续恒 速运行的， 流量的控制是通过调节给水管道 中调节阀和 回流支路实现的。采用调节阀调节时， 由于阀门的开度 的减小 ， 水泵出 口的压力会上升阀门两边的压差将增 大。当增大到很大时不但会造成水泵的能量的浪费 ， 而 且使该水泵的振动和磨损加大 ， 进而寿命缩短 。采用回 流支路调整时 ， 大量 的水回流也同样造成能量 的消耗。 由水泵的工作原理可知流量与转速 N成正比， 扬程 H与 转速 N的平方成正比， 轴功率 P与转速 N三次方成正比， 电机的转速与电源频率 F成正比， 因此改变 电源频率， 可改变 电动机 即给水泵的转速 ， 从而达到调节给水流量 的目的。本系统采用三冲量控制 ， 如图 4所示。系统将 给水流量作为副调回路 ， 克服给水流量变化扰动 ， 汽包 水位作为主调回路， 蒸汽流量作为前馈量克服虚假水位 现象， 使水位达到很高的控制精度 。 图4 锅炉水位三冲量控制系统原理图 擅 3 系统硬件配置 3 ． 1 C P U 及其扩展模块的选择 根据系统的要求 ， 选取西门子 7 - 2 0 0 C P U2 2 6作为 控制核心。C P U2 2 6的 I ／ O点数是 2 4 ／l 6 ， 能满足系统 的开关量的控制要求。S 7 -2 0 0 P LC具有功能强大的指 令集， 它提供了 8 个回路的P I D功能， 用以实现需要按照 自 动化 技 术 与 应 用 2 0 l 0 年 第2 9 卷 第2 期 P L C 与D O S PL C an d DCS P I D控制规律进行 自动调节的控制任务 ， 如本系统中的 温度、压力、水位控制等【 引 。由于 P I D功能需要有模拟 量输入 ， 以反馈被控制物理量 的实际值 ， 故选用 了2个 E M2 3 1 模拟量输入模块 ， 它具有 4通道输入 ， 其采样速 度 2 5“S ， 用于锅炉水位、压力、流量等信号输入 ； 选用 1 个 E M2 3 1 TC热电偶输入模块， 它是具有 4通道输入 的温度测量专用扩展模块 ， 用于主床、付床、蒸汽的温 度信号输入。S 7 2 0 0 的P P I 接口的物理特性为 R S 一 4 8 5 ， 可在 P P I 、MPI 和 自由通讯 口方式下工作。 3 ． 2 变频器的选择 ‘ 本系统选用西门子 MI C ROMA S TE R 4 3 0变频器， MM4 3 0变频器是用于控制三相交流电动机速度的变频 器 。该系列有多种型号 ， 额定功率范围从 7． 5 k W 到 2 5 O kW ， 可供用户选用[ 5 1 。由于该类型的变频器具有 电 动机的分级控制、节能控制方式、手动 ／ 自动控制 手 动操作 ／自动操作 等特点， 特别适合用于水泵和风机的 驱动。系统中给煤机功率为 3 K w ， 主床风机功率为 7 5 KW ， 付床风机功率为 l 5 KW， 引风机功率为 l 1 0 Kw ， 水泵功率为 4 5 KW ， 我们分别选用 MM4 3 0 系列 7 KW 订 货号6 S E 6 4 3 0 - 2 A D 2 7 - 5 C A 0 、7 5 K W 订货号 6 S E 6 4 3 0 - 2 A D3 7 5 F A 0 、 l 5 KW 订货号6 S E 6 4 3 0 2 A D3 卜 5 C A 0 、 1 I O K W 订货号 6 S E 6 4 3 0 2 UD 4 1 1 F B O 、4 5 K W 订货号 6 S E 6 4 3 0 2 A D3 4 5 E A 0 的变频器。 3 ． 3 触摸屏的选择 ， 为实现人机对话功能 ， 如系统状态以及参数显示 、 参数修改等， 系统选用S I MA T I C T P 2 7 0型触摸式面板， 该触摸屏功能强大， 性能卓越 ， 价格低廉 ， 可淋漓实现过 程控制和监视 。它使得操作状态 当前过程数据和关于 连接的P L C 的故障能够以图形显示并且使得相关的机 械设备或系统能够被方便地监控和操作 ， 可方便机械设 备操作和监控并提供被监控 的机械设备或系统的逼真 的 图形表现『 6 J 。 4 基于 P L C的控 制系统 4 ． 1 控制流程图[ 7 ] 系统控制流程图如图5 所示。由于 S 7 2 0 0 C P U2 2 6 有两个 R S 4 8 5 通讯 口， 为了提高设备的整体性能， TP 2 7 0 通过 P P I 协议和 7 - 2 2 6 P LC端 口1 相连j 可实现过程 控制和监视 。 传统的PLC与变频器之间的接 口大多采用的是依 靠 P LC的数字量输出来控制变频器的启停 ， 依靠 P L C的 模拟输出来控制变频器的速度给定， 这样的控制系统具 有硬件多、价格贵、躁声和干扰严重、信息量少、精度 低等缺点。本系统选用西门子 7 - 2 0 0 和 MM4 3 0 变频器， P L C的端口0 用于和 MM4 3 0的RS 4 8 5端口相连。它们 可以使用 U S S通讯协议， 通过程序调用的方式实现二者 之间的通信 ， 编程的工作量小。通讯网络由P L C和变频 器内置的 R S 4 8 5 通讯口和双绞线组成 ， 一台 7 - 2 0 0 最多 可以和 3 1台变频器进行通讯。通过网络 ， 可以连续地对 5台变频器进行监视和控制， 实现多台变频器之间的同 步控制， 通过网络还可以实时的调整变频器的参数。 图 5 系统控制流程图 4 ． 2 系统的软件设计 4 ． 2 ． 1 触摸屏画面设计 系统采用S I MAT I C P r o T o o l 作为组态软件， 该软件 具有报警记录、报表打印、趋势曲线等多种功能【 5 1 。本 系统在其基础上进行 了丰富的画面设计。 考虑系统所需监控的过程变量和实际功能， 共组态 了 5组画面， 主要包括运行选择画面 含 自动 ／压火、手 动 ／启动切换 、动态显示画面 用于温度、压力、流量 等参数的动态显示 、参数设定画面 用于锅炉主付床温 设定 、煤风 比设定 、炉膛 负压设 定 、锅 筒水位设定等 、 状态及故障报警画面 具有报警消息弹出窗口功能， 同时 报警灯闪烁。能将报警消息进行归档， 并保存并显示系 统运行 以来的所有报警消息 等 。 4 ． 2 ． 2 P L C控制程序设计 由于循环双流化锅炉工艺复杂 ， 其点火、停炉操作 实现 自动化的难度较大， 在设计 的过程上述操作仍为手 动操作， 手动操作采用原生产工艺中通过调节手操器来 控制执行器的方式。P L C控制程序由Mi c r o Wl N 4． 0 s p5专用编程软件进行设计 ， 程序流程如 图6所示。主 要包含采样滤波子程序、P I D功能程序、P L C与变频器 P L C 与D O S PL C an d DCS 通信程序、故障报警子程序等。下面简要介绍几个主要 程序的设计 图6 P L C控制程序流程图 1 P I D功 能程序设计 7 - 2 0 0的 P I D功能使用 P I D向导完成【 1 [ 引 。该 向导 自动生成两个程序 PI D 0 一 I NI T子程序和 中断程序 PI D E X E。其中， P I D0 一 I NI T为主程序， 需要每个扫描周 期内 OB 1 使用 S MO ． 0 调用。在 O B1 中可以通过变量表 进行监测， 包括 P V， S P， G AI N等参数 ， 该程序 自动根据 采样时间周期调用中断程序 P I D E XE 。P I D内部计算都 是在 0 1 ． 0之间进行， 在回路输入和输出的范围进行配 置。S 7 - 2 0 0 P L C已经支持P I D自整定功能， 其软件中添 加了P I D整定控制面板， 这就使这一功能的使用变得更 加容易。PI D 自整定算法推荐增益值、积分时间值和微 分时间值 ， 可 以为调节回路选择快速响应 、中速 响应、 慢速响应或者极慢速响应等调节类型 。同时可将将 自 整 定后 得 到 的增 益 值 、积 分 时 间值 和 微 分 时间值 方 便 地应用到实际控 制中去 。 2 采样滤波子程序的设计 由于现场环境恶劣 ， 变送器送人 E M2 3 1 模块存在波 动和尖峰干扰的情况 ， 加之锅筒液位会出现假水位的现 象， 因此必须对数据进行滤波处理 。本系统惯性系数较 大， 故采用平均值的办法进行滤波。主程序每个扫描周 期调用一次采样子程序 ， 采样子程序将采样结果送入累 加器， 当采集数达到 5次后 ， 将累加器的数值去掉最大 最小值 ， 然后取平均数供主程序调用 。 3 P L C与变频器通信程序的设计 S 7 - 2 0 0 P L C与 S I E ME NS 4 3 0 等变频器的通信一般 使用 US S协议程序来完成， 该程序的主要 目的是监控变 频器的实时运行状态。US S协议 占用 PLC的通讯端 口 自动化技术 与应用 2 ol o年第 2 9卷第 2期 0， 当P L C和与变频器通讯 中断时， 变频器将停止运行。 在使用 U S S协议时应设置好变频器的相关参数如控制 方式选择为通讯方式、变频器的 U S S波特率、变频器 的US S地址等。系统在安装指令库后在 Mi c r o Wl N4 ． 0 s p 5指令树的／指令 ／库／ US S P RO TO OL文件夹中将 出现 8条指令 ， 如初始化指令 USS I NI T、控制指令 US S C T R L 、读取变频器参数的 US S RP M X指令、 写 变频器参数的US S WP M X指令等， 调用它们可控制变 频器的运行和变频器参数的读写操作【 9 】 。 5 结束语 在 l 5 t／h循环双流化床锅炉控制系统中， t p 2 7 0触 摸显示屏 、s 7 - 2 0 0 P L C 、MM4 3 0 变频三者分别 P P I 网络 通讯、US S通讯协议进行通讯， 系统以P L C为控制核心， 对系统采样数据进行滤波、PI D控制、综合计算， 控制 变频器 输 出频率 ， 进 而对 给煤量 、主付 床送风量 、引风 量 、锅筒给水设备进行控制， 实现锅炉主付床床温、炉 膛负压、锅筒水位的 自动控制。 该系统投入运行后 ， 操作人员不仅能方便的观察和 掌握的实时运行数据 ， 还可根据报警消息 ， 快速的排除故 障； 借助历史记录 ， 管理人员还可对重要数据进行分析、 查询 ， 大大提高运行管理水平。通过实际运行检验， 表明 该系统的自控投入效率高， 锅炉系统参数控制稳定， 基本 杜绝了结焦事件的发生 ， 提高了锅炉的使用效率。 参考文献 [ 1 】金以慧． 过程控制[ M】 ． 北京 清华大学出版社， 1 9 9 3 ． [ 2 ]2 李辉． 循环流化床工业锅炉热工自动化及计算机监控f J 1 ． 热力发电 ， 2 0 0 1 ， 6 1 2 -1 3 ． 【 3 】王才重． 流化床锅炉的自动控制叨， 煤矿机电， 2 1 3 0 1 ， 6 4 6 - 47 ． 【 4 ]西门子 中国 有限公司． 7 - 2 0 0可编程控制器系统手册 [ Z ] ． 2 0 0 5 ， 8 ． [ 5 】西门子 中国 有限公司． MI C RO MA S T E R 4 3 0 通用型 变频器 7 ． 5 k W- 2 5 0 k W 使用大全【 Z 】 ， 2 0 0 3 ， 1 2 ． [ 6 】西门子 中国 有限公司． MP 2 7 0 B． T P 2 7 0 ． O P 2 7 0 1 2 ／ 2 0 0 1 设备手册【 Z 】 ， 2 0 0 1 ， 1 2 ． [ 7 】何衍庆． 集散控制系统原理及应用f M】 ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 8 ]西门子 中国 有限公司． 深入浅出西门子 7 2 0 0 P L C 第 3 版 [ M】 ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 7 ， 8 ． [ 9 】西门子 中国 有限公司． 7 - 2 0 0 与 MM4 4 0 ／ 4 3 0 ／ 4 2 0 ／ Gl 1 O 之间的 US S通讯[ Z 】 ， 2 0 0 5 ， 1 2 ． 作 者 简介 黄 宁 1 9 6 8一，男， 本科 ， 讲 师， 研 究方向工业 自 动 化 。