基于IFIX和施耐德PLC的燃煤锅炉控制系统.doc

基于ＩＦＩＸ和施耐德ＰＬＣ的燃煤锅炉控制系统 张冰泉，等 基于ＩＦＩＸ和施耐德ＰＬＣ的燃煤锅炉控制系统 张冰泉１，黄良沛２，张子才２ （１湖南省煤业集团白山坪矿业公司 耒阳，４２１８２８） （２湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室 湖南湘潭，４１１２０１） ＊ 摘 要为了提高工业燃煤锅炉控制的自动化水平和安全生产，运用先进的自动化技术、计算机技术和网络通讯技术对工业锅炉进行监控和管理具有重要意义。本文采用ＱＵＡＮＴＵＭ ＰＬＣ，ＩＦＩＸ４．０组态软件和工业以太网通讯技术相结合，研发了工业燃煤锅炉控制系统，利用Ｃｏｎｃｅｐｔ２．６编程软件设计锅炉控制的梯形图，实现了水位三冲量、燃烧过程和蒸汽压力自动控制等功能。工业以太网通讯连接实时性能较好，数据传输率很高。采用ＩＦＩＸ４．０组态软件编写的监控程序具有功能完善、操作简便、可视性好、人机对话功能强等优点。 关键词锅炉控制；ＱＵＡＮＴＵＭ ＰＬＣ；ＩＦＩＸ；工业以太网 Abstract In order to improve automatic level and secure produce of industry burning coal boiler control system, it is importantsignificance to control, supervise and manage the industry boiler by using advanced automation technology, computer technology andnetworks communication technology. In the paper, combining QUANTUM PLC with IFIX 4.0, industry ethernet communication isadopted to research and develop industry burning coal boiler control system. Concept 2.6 is used to design the ladder diagrams for thecoal burning boiler to automatically realize three elements water level control, burning process control and vapor pressure adjustment. TheIndustry Ethernet communication is connected with rapid real time capability and high data transmission rate.IFIX4.0 is adopted todevelop supervision control programs, which have perfect function, handy operation, fine visualization and strong man-machineinterface. Key words Boiler control ; QUANTUM PLC ; IFIX ; Industry ethernet 中图分类号ＴＰ２７４．５ 文献标识码Ｂ 文章编号１００１－９２２７（２００９）０４－００３４－０４ ０ 综 述 燃煤锅炉是发电、化工、炼油等工业生产和集中供热过程中重要的动力设备。燃煤锅炉由上下锅筒、炉膛、省煤器、空气预热器、引风设备、送风设备、给水设备、除灰除尘设备等组成，其工作过程分三个部分（１）燃料煤由给煤除尘器处理后经振动给料机、１＃输送机、２＃输送机传送到炉排转动的链条炉蓖上，炉排通过变速齿轮减速后由链条来带动，将燃料煤带入炉内，控制炉排转速来调节给煤转速，从而调节给煤量的多少，根据给煤量多少调节鼓风、引风转速，自动合理调节空气和燃料的配比，以达到最佳燃烧，提高了燃煤热效率。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端通过出渣电动机处理后排入灰斗，从省煤器和空气预热器排出的烟气经脱硫除尘器等处理后排入大气，减少了排污量；（２）燃料燃烧所放出的热量使得炉内温度很高，高温烟气与布置在炉膛四周墙面上的水管进行强烈的辐射传热，烟气将热量传递给管内的水后，由于引风机和烟囱的引力作用 收稿日期２００９－０４－２８ 作者简介张冰泉（１９６０－），男，汉，湖南耒阳人，电气工程师，主要从事矿山机电控制及电力拖动。 ＊湖南省教育厅资助项目（项目编号０８Ｂ０２６）。 而向炉膛上方流动，沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，经省煤器和空气预热器进行热交换，以较低的温度排出锅炉；（３）经过软化、除氧处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入锅筒。锅炉工作时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物，它们位于烟气温度较低的对流管束中。由于受热较少，汽水混合物的容重较大，而处于烟气温度较高区的水冷壁和对流管束受热多，其相应工质的容重小，这样容重大的工质向下流入下锅筒，而容重较小的工质则向上流入上锅筒，形成水的自然循环。由于上锅筒内的汽水分离设备和锅筒本身空间内的重力分离作用，使汽水混合物得以分离。 目前，国内除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术（如ＤＣＳ、ＦＣＳ）外，一般的小型锅炉仍在使用仪表、继电器作为主要的控制手段（如ＤＤＺ－Ⅱ或Ｍ型系列仪表），人为参与过多，工作条件差，劳动强度大，锅炉的热效率低，资源浪费和污染严重。随着能源问题日趋突出，环保意识逐渐增强，现代工业对锅炉设备的高效投入和能源的有效利用要求越来越高，对锅炉燃烧系统实现自动优化控制具有重要的经济效益和社会效益。本文针对 ３４ 自动化与仪器仪表２００９年第４期（总第１４４期）中小型燃煤锅炉的特点和不足，以内蒙古华润金能热电厂燃煤启动锅炉为研究对象，采用ＱＵＡＮＴＵＭ ＰＬＣ，ＩＦＩＸ４．０组态软件和工业以太网通讯技术相结合，研发设计了优化控制、生产安全、维护方便、管理先进的工业燃煤锅炉自动控制系统。 １ 锅炉控制系统下位机的设计１．１ 控制系统硬件构成 内蒙古华润金能热电厂２－３３０ＭＷ机组启动锅炉控制系统分为下位机和上位机两部分，通过以太网通讯ＴＣＰ／ＩＰ协议，实现下位机与上位机数据的高速交换，如图１所示。下位机选用Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ Ｑｕａｎｔｕｍ系列ＰＬＣ设备，用来采集现场信号数据（如温度、液位、压力等）和控制现场设备。其中，电源模块为１４０ＣＰＳ１１４２０，主控制器模块为１４０ＣＰＵ１１３０２，工业以太网通讯模块为１４０ＮＯＥ７７１０１，模拟量输入模块为１４０ＡＴ１０３０００和１４０ＡＣ１０４０００，模拟量输出模块为１４０ＡＣ０１３０００，数字量输入模块为１４０ＤＤ１８４１００和１４０ＤＤＩ８５３００，数字量输出模块为１４０ＤＲＡ８４０００。上位机采用研华工控机和２２英寸的液晶宽屏显示器，上位机和ＰＬＣ通讯模块之间设置交换机，通过双绞线连接。 图１ 控制系统硬件组成图 １．２ ＰＬＣ程序设计 下位机编程软件采用Ｃｏｎｃｅｐｔ ２．６系统，Ｃｏｎｃｅｐｔ ２．６编程系统具有模块化的特点，可以将控制系统多次重复出现的程序或者子程序编辑成功能块，在主程序中调用，这样极大地方便了编程。针对燃煤锅炉控制的特点，分别编写了Ａｄｊｖａｌｖｅ（调节阀）、Ｅｌｖａｌｖｅ（电动阀）、Ｍｏｔｏｒ（电动机控制）、Ｐｍｐ（泵）、Ｓｐｉｄ（单ＰＩＤ）、Ｔｈｐｉｄ（三冲量ＰＩＤ）等多个ＤＦＢ。另外，程序中还设置了联锁保护和相应的反馈控制。 （１）燃煤、给水和蒸汽控制系统等联锁保护燃煤控制系统见图２，引风电机要比送风电机先启动，送风电机停止后再延时停止引风电机，在炉膛内形成一定的微负压，负压过大，漏风严重，烟气热量损失 过大，不利于安全生产和环境卫生，本系统锅炉炉膛负压控制在－１０Ｐａ左右。出渣电机用来处理灰渣，要比炉排电机先启动，比炉排电机后停止，这样使炉膛通畅。给水和蒸汽控制系统见图３，锅筒极低水位时自动开启紧急放水电动阀，除氧水位低时开启给水泵电动阀和给水调节阀，锅筒压力（汽包压力、过热蒸汽压力）过高时自动开启过热器出口电动阀，过热器管道中的蒸汽温度超过工艺要求时可以开启减温水电动阀进行两次减温。 图２ 燃煤控制系统 图３ 给水和蒸汽控制系统 （２）采用数字ＰＩＤ增量式反馈系统 自动控制理论可分为开环控制系统和闭环控制系统。闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出会反送 回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈。调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称ＰＩＤ调节，分为模拟和数字ＰＩＤ两种。当系统控制器和被控对象的结构和参数不能完全掌握或不能通过有效的测量手段来获得，得不到精确的数学模型，控制理论的其它技术也难以采用时，必须依靠经验和现场调试来确定，此时最适合用ＰＩＤ控制技术，数字ＰＩＤ控制分为位置式和增量式两种。 本系统采用数字ＰＩＤ增量式闭环反馈系统，串级加前馈三冲量给水控制，运用先进的串级加前馈算法，锅筒水位作为主参数，并引入蒸汽流量来修正虚假水位，同时引入给水流量来修正锅筒水位与蒸汽流量的计算误差，当锅筒水位处于某处位置时，控制给水调节阀至相应位置，从而控制锅筒的进水量，使锅筒水位在小范围 内变化，实现连续给水，有助于提高蒸汽品质，减少水 ３５ 泵启停次数，延长水泵使用寿命。使用了ＴＨＰＩＤ与ＳＰＩＤ两个ＤＦＢ块分别作为三冲量汽包水位调节阀和单ＰＩＤ减温水调节阀的参数控制，采用了两个反馈闭环增量式系统，一个正反馈和一个负反馈系统。当水位过低，则由于汽包内水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又很快，因而汽包内的水量变化速度很快，如果不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸，因此要能够根据反馈的参数调节给水调节阀，增加水的流量，形成正反馈系统。当过热器中蒸汽温度较高时，能够根据反馈的参数调节两级减温水调节阀，增加减温水流量，来降低蒸汽温度，使它达到用户需求，形成负反馈系统。 （３）锅炉控制系统上位机的设计 上位机选用Ｉｎｔｅｌｌｕｔｉｏｎ公司的ＩＦＩＸ ＰＬＵＳ ＳＣＡＤＡ ＰＡＫ４．０监控软件，通过内置的ＶＢ语言编程来实现锅炉运行状态的监控，以组态画面的形式实时显示生产过程的各种参数与报表、报警和历史查询信息，通过设置工艺和监控参数实时控制锅炉工作过程。其主界面如图４。 图４ 锅炉运行状态监控主界面 上位机具有的功能（１）能实时显示和调控各种工作参数（例如，给水温度、压力和流量；过热蒸汽温度、压力和流量；过热器出口烟温；汽包水位和汽包压力；空气预热器进口／出口风温；炉膛出口温度和压力；排烟温度；送风压力等）；（２）能实时显示、监控各设备的工作状况（例如，泵、电动机的开启和运行；电动阀和调节阀的自动、手动开启与开大、调小等）；（３）能显示、查询和打印历史故障记录（例如，故障名称、时间等）；（４）能实时报警（例如，给水压力低、汽包压力高、过热蒸汽压力高、汽包水位高／低、给水箱水位高／低、熄火故障、各电机故障、各电动阀门故障），对于需要报警的参数，在实时数据库中对相应的数据块采用“启用报警处理”、“报警类型”、“报警区域”、“报警优先 ３６ 基于ＩＦＩＸ和施耐德ＰＬＣ的燃煤锅炉控制系统 张冰泉，等 级”、“上限”、“下限”等设置，一旦生产过程中某些重要参数异常，则以声光报警的形式立即通知监控人员，其锅炉仪表演示画面如图５。 图５ 锅炉仪表演示画面 ＩＦＩＸ４．０通过建立、连接数据库，然后编辑ＶＢＡ脚本读取数据ＩＦＩＸ先由ｖｘＤａｔａ１控件通过ODBC接口从数据库（Ａｃｃｅｓｓ）读取数据，然后根据Ａｌａｒｍ＿Ｈｉｓｔｏｒｙ＿Ｑｕｅｒｙ程序查询条件将数据送到ｖｘＧｒｉｄ１控件显示界面。ＩＦＩＸ采用历史定义、历史采集和历史显示三个独立的程序来完成历史趋势显示功能的，在历史定义中先定义好所有需要历史记录的采集点，历史采集程序在系统运行时始终保持运行状态，将采集来的数据存储在硬盘上，ＩＦＩＸ４．０通过ＭＢＥ－ｍｏｄｂｕｓ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｖ７．１７驱动来实时采集和利用现场数据，扫描周期为１秒，历史显示程序将数据以图形形式显示在界面上，如图６。在生产中通过对工艺参数历史数据的分析与对比，能有效地预测和控制工艺及生产。 图６ 历史报表 ３ 通讯连接 工业以太网结合ＴＣＰ／ＩＰ协议是目前应用最广泛的局 域网络技术之一，在控制系统监控层的应用方面，通过 （下转第４１页） 自动化与仪器仪表２００９年第４期（总第１４４期）３ 结束语 在工业控制过程中，温度测量控制系统因控制现场的复杂性和控制对象的特殊性，要求根据不同的控制对象，设计不同的测控系统。采用美国ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴ９０Ｓ８５３５单片机的温度控制系统经过调试，运行良好，性价比和可靠性较高，该温控系统具有电路简单、性能可靠的特点，在实际中已成功应用，具有广阔的应用前景。 参考文献 １ 赵丽娟，邵 欣．基于单片机的温度监控系统的设计与实现［Ｊ］． 机械制造，２００６，４ ２张开生，郭国法．ＭＣＳ－５１ 单片机温度控制系统的设计［Ｊ］．微计 算机信息，２００５，７ ３陈 峰，潘海鹏．基于单片机的湿度专家控制系统［Ｊ］．自动化与 仪器仪表，２００７（４） ４赖寿宏，微型计算机控制技术［Ｍ］．北京机械工业出版社，１９９４ ９０～９５ ５于永权．单片机在控制系统中的应用［Ｍ］．北京电子工业出版 社，２００３ ６费业泰．误差理论与数据处理［Ｍ］．北京机械工业出版社，２０００ （上接第３６页） 全双工交换技术，可以完全避免ＣＳＭＡ／ＣＤ中的碰撞，消除了控制系统数据传输的瓶颈，实时性能较好，支持的数据传输速率包括１０Ｍｂｐｓ、１００Ｍｂｐｓ和１Ｇｂｐｓ，并且可以方便地实现优先级响应机制。以太网具有以下优点开放性好；数据传输率很高；远程技术的应用，容易与信息网络集成；有利于资源共享；支持多种的物理传输介质（同轴电缆、双绞线、光缆、无线）和拓扑结构；成本和费用低廉。 在本系统中，上、下位机使用基于ＴＣＰ／ＩＰ协议的工业以太网通讯，选用１４０ＮＯＥ７７１０１，ＱＵＡＮＴＵＭ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ １０／１００Ｍ的通讯模块。施耐德Ｑｕａｎｔｕｍ １４０ＣＰＵ１１３０２Ｓ ＰＬＣ在Ｃｏｎｃｅｐｔ２．６平台和上位机的连接要求ＰＬＣ的ＭＡＣ地址与计算机的ＩＰ地址设在同一网段，它们分别为８４．２０．９３．１６６和８４．２０．９３．１６８，设置好以后下载程序到ＰＬＣ，然后再重新设置网络连接下的ＴＣＰ／ＩＰ协议，设置ＰＬＣ的ＩＰ的地址为１９２．１６８．１００．５１，上位机的ＩＰ为１９２．１６８．１００．５３，ＳｕｂｎｅｔＭａｓｋ ２５５．２５５．２５５．０。施耐德Ｑｕａｎｔｕｍ １４０ＣＰＵ１１３０２Ｓ ＰＬＣ与ＩＦＩＸ４．０的连接ＩＦＩＸ的ＭＢＥ驱动的ＩＰ地址设为１９２．１６８．１００．５１。传输介质使用经济实用的双绞线，采用建筑地（地桩）的接地方式。 ＩＦＩＸ４．０通过ＭＢＥ驱动和ＰＬＣ实时处理现场数据，根据实际需要在ＰＬＣ中共使用I/O点数２２２个，定义为６位地址，模拟量输入（ＡＩ）为３００００１－３０００４２，模拟量输出（ＡＯ）为４００００１－４０００８８（注有些地址未用，有些是Ｒｅａｌ型），开关量输入（ＤＩ）为１００００１－１０００７９，开关量输出（ＤＯ）为０００００１－００００９０。为保证上下位机的通讯，数据采集和实时控制在ＩＦＩＸ４．０数据库中采用与ＰＬＣ相同的、一一对应的点地址，上位机采集下位机中来自现场的数据，经过处理后再将控制命令传给下位机，以此监控运行过程。控制系统采用下位机自动控制，上位机自动、手动控制和就地手操相结合的方式，来保证整个系统可靠地运行。 下位机自动控制时，通过执行施耐德程序，实施对整套设备的控制和显示等。上位机自动、手动控制时，能实时控制系统现场设备的生产过程。就地手操时，相应的设备从整个系统中解列出来，由操作人员在就地设备上进行操作。以上自动、手动和就地之间都是平滑无扰动的相互切换。４ 结束语 内蒙古华润金能热电厂２－３３０ＭＷ机组启动锅炉控制系统通过实际运行检验，燃煤燃烧效率有所提高，控制比较稳定，数据传输实时可靠，监控程序功能完善，预警功能突出，系统调试与维护方便，具有很强的实践推广价值。 参考文献 １ 储云峰．施耐德电气可编程控制器原理及应用［Ｍ］．北京机械工业出版社，２００７２ 童启明．控制系统数字仿真与监控组态软件应用［Ｍ］．北京科学出版社，２００６３ 王 卓，付冬梅，刘德军等．锅炉汽包水位控制系统的研究［Ｊ］．自动化与仪器仪表，２００６，２２（１１）１２～１６４ 赵钦新．工业锅炉安全经济运行［Ｍ］．北京中国标准出版社，２００３．２５ 刘长梅．基于组态软件和ＰＬＣ的锅炉水处理自动监控系统［Ｊ］．工业控制计算机，２００６，１９（ ９）８～１０６ 宰守刚，王 智，孙优贤等．交换机在工业以太网中的应用探讨［Ｊ］．化工自动化及仪表，２００３，３０（ｌ）４８～５１７ 李正军．现场总线与工业以太网及其应用系统设计［Ｍ］．北京人民邮电出版社，２００６８ 陈 卓．ＰＬＣ与上位计算机通讯监控系统的研究与应用［Ｊ］．２００４，４３２～３４９ Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ公司Ｃｏｎｃｅｐｔ２．６用户手册，２００２ ４１