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  • 易控在SMPT-1000鍋爐綜合控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
  • 發(fā)布時(shí)間:2010/9/27 9:42:53   修改時(shí)間:2010/9/27 9:42:53 瀏覽次數(shù):2192
  • 北京化工大學(xué)  段方杰

     

    工業(yè)鍋爐是一個(gè)比較復(fù)雜的被控過(guò)程,其多輸入多輸出、多回路、非線性的特性,使得目前工業(yè)鍋爐的綜合控制性能不盡如人意。然而,鍋爐是過(guò)程工業(yè)中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備,它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠?yàn)檎麴s、化學(xué)反應(yīng)、干燥、蒸發(fā)等過(guò)程提供熱源,而且還可以作為壓縮機(jī),泵類(lèi)的動(dòng)力源。因此,鍋爐的綜合控制,也成為一個(gè)廣泛研究的課題。

    本系統(tǒng)通過(guò)S7-300硬件組態(tài)PLC,完成基于PROFIBUS DP通信總線對(duì)SMPT-1000仿真鍋爐的除氧器水位及壓力、汽包水位以及出口蒸汽壓力和出口蒸汽溫度等各參數(shù)的綜合控制;此外通過(guò)組態(tài)以太網(wǎng)完成與上位機(jī)的通信,實(shí)現(xiàn)了基于易控(INSPEC)組態(tài)軟件組態(tài)的監(jiān)控平臺(tái)對(duì)SMPT-1000鍋爐各控制參數(shù)的監(jiān)控。系統(tǒng)投運(yùn)后運(yùn)行穩(wěn)定,控制性能良好。本文重點(diǎn)闡述易控組態(tài)軟件在該綜合控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

    關(guān)鍵詞:西門(mén)子PLC;易控(INSPEC);SMPT-1000鍋爐控制;出口蒸汽壓力;汽包液位

    系統(tǒng)簡(jiǎn)介

    鍋爐是是石油化工、電廠等工業(yè)過(guò)程中非常重要的動(dòng)力設(shè)備。鍋爐的工藝流程大概可以概述為:冷流經(jīng)過(guò)除氧器除氧處理之后,在爐膛內(nèi)吸收燃料釋放出來(lái)的熱量變成一種高溫高壓氣體,并將氣體傳送到下游工序的一個(gè)過(guò)程。

    本課題采用高級(jí)多功能過(guò)程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)(Super Multifunction Process Control Training System,SMPT-1000)中的鍋爐單元作為被控對(duì)象,其正視圖和實(shí)物圖如圖1·1所示,通過(guò)控制該仿真鍋爐了解與研究工業(yè)鍋爐控制的特點(diǎn)。

     

    SMPT-1000鍋爐正視圖和實(shí)物圖

    本課題以西門(mén)子公司的SIMATIC S7-300 PLC為控制器,通過(guò)硬件組態(tài)和PROFIBUS DP通信網(wǎng)絡(luò),完成S7-300SMPT-1000之間的通信組態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的綜合控制?;?/font>STEP7軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐各控制回路的控制調(diào)節(jié)PID參數(shù),進(jìn)行系統(tǒng)投運(yùn)。此外,在PLC和上位機(jī)之間建立以太網(wǎng)通信,通過(guò)易控(INSPEC)監(jiān)控組態(tài)軟件組態(tài),實(shí)現(xiàn)與PLC之間的通信,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SMPT-1000鍋爐各個(gè)部分對(duì)象參數(shù)的監(jiān)視,并可在線整定PID參數(shù)。本課題最終完成易控監(jiān)控平臺(tái)與S7-300 PLC之間、S7-300 PLCSMPT-1000仿真鍋爐之間的通信與控制,實(shí)現(xiàn)本課題所要實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控層-現(xiàn)場(chǎng)控制層-現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象之間的三層通訊結(jié)構(gòu)及綜合控制,如1·2所示。

    SMPT-1000鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    其中由易控組態(tài)軟件組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)形成上位機(jī)監(jiān)控環(huán)境,通過(guò)Ethernet Network通信網(wǎng)絡(luò)與下位機(jī)SIMATIC S7-300 PLC通信。再由下位機(jī)PLC通過(guò)Profibus DP 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的綜合控制。

     

    SMPT-1000系統(tǒng)構(gòu)成

    SMPT-1000鍋爐大體上可以分為4個(gè)單元:除氧器單元、爐膛單元、減溫器單元和汽包單元。共含有除氧器、上水管網(wǎng)、上汽包、鍋爐本體、省煤器、減溫器、蒸汽管線等設(shè)備,且有21個(gè)模擬量和6個(gè)開(kāi)關(guān)量檢測(cè)點(diǎn)。此外還有9個(gè)調(diào)節(jié)閥,5個(gè)開(kāi)關(guān)閥,兩臺(tái)泵,一臺(tái)壓縮機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

    其工藝流程如1·3所示。

    SMPT-1000鍋爐工藝流程圖

    除氧器控制單元

    除氧器有兩個(gè)作用,一是除去軟化水中的氧氣,另外是防止水源停水,作為一個(gè)儲(chǔ)水箱,延長(zhǎng)鍋爐的緊急停運(yùn)過(guò)程。對(duì)鍋爐的穩(wěn)定性和安全性具有重要的意義。由此可知,除氧器對(duì)軟化水的除氧效果影響著整個(gè)鍋爐設(shè)備的安全與壽命,并影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。因而除氧器的控制也是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。除氧器水位過(guò)高會(huì)影響除氧效果,缺水則會(huì)影響缺水事故,都會(huì)影響著整個(gè)鍋爐的有效控制,因而在除氧器控制中,以除氧器液位為一個(gè)對(duì)象參數(shù),施行控制。此外,除氧器的擾動(dòng)較少,允許液位在一定范圍內(nèi)波動(dòng),因此在對(duì)除氧器液位回路控制中,采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)調(diào)節(jié)器無(wú)水位偏差信號(hào)輸入,也無(wú)輸出,進(jìn)水閥不動(dòng)。當(dāng)鍋爐給水流量變化(如階躍擾動(dòng))時(shí),給定水位與反饋產(chǎn)生偏差輸入到調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)調(diào)節(jié)給水流量,使水位保持穩(wěn)定。

    基于上述內(nèi)容,除氧器控制單元包括除氧器液位控制回路和除氧器壓力控制回路。

    爐膛控制單元

    在整個(gè)鍋爐系統(tǒng)中,爐膛的重要性可想而知,其過(guò)熱蒸汽所要達(dá)到的溫度以及壓力,均是由送入爐膛中的燃料與風(fēng)量混合后燃燒釋放出來(lái)的熱量實(shí)現(xiàn)的。此外,爐膛壓力大小也影響著系統(tǒng)的安全。因而,此處在爐膛控制單元中,把出口蒸汽壓力,和爐膛壓力作為被控對(duì)象予以控制。

    減溫器控制單元

    從工藝流程知道,由爐膛加熱軟化水生產(chǎn)出來(lái)的蒸汽會(huì)通過(guò)一個(gè)減溫器,與進(jìn)料冷料的一個(gè)分支進(jìn)行換熱。但由于過(guò)熱蒸汽要保證出口壓力的穩(wěn)定,而用了燃料進(jìn)料量來(lái)控制。至使不能直接簡(jiǎn)單的再用燃料量進(jìn)料量來(lái)控制出口蒸汽溫度,一般而言,所需要的蒸汽出口壓力穩(wěn)定的情況下,所生產(chǎn)出來(lái)的蒸汽溫度也基本穩(wěn)定在所需溫度,但當(dāng)溫度有波動(dòng)時(shí),在保證壓力穩(wěn)定的前提條件下,這里設(shè)計(jì)用在換熱器流過(guò)冷料流量大小來(lái)控制出口蒸汽溫度的穩(wěn)定。綜上可知,這兒以蒸汽出口溫度為被控對(duì)象,以去減溫器的汽包上水量為控制參數(shù),通過(guò)調(diào)節(jié)閥FV1103的開(kāi)度,調(diào)節(jié)冷卻液流量,以達(dá)到出口蒸汽溫度的穩(wěn)定。

    汽包控制單元

    針對(duì)工業(yè)鍋爐,汽包水位波動(dòng)的幅度影響鍋爐的安全運(yùn)行,蒸汽壓力和穩(wěn)定性。汽包水位的控制是非常重要的。目前采用的較為普遍的串級(jí)三沖量控制系統(tǒng),即以鍋爐蒸汽流量,汽包水位,鍋爐給水流量這三個(gè)變量,通過(guò)2個(gè)PID控制器,實(shí)現(xiàn)給水的自動(dòng)控制。

    上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)

    主控畫(huà)面

    本課題用易控(INSPEC)組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)。完成鍋爐系統(tǒng)的監(jiān)控,如圖所示,為上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面的主控畫(huà)面。

    上位機(jī)監(jiān)控主畫(huà)面

        在其中可以監(jiān)視著整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的參數(shù),并可以通過(guò)右下方的控制器板塊,進(jìn)行各控制器參數(shù)調(diào)整。也可以點(diǎn)擊操控平臺(tái)中的按鈕,進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線,數(shù)據(jù)顯示的集中監(jiān)控。此外,在進(jìn)行分塊整定PID參數(shù)時(shí),可以通過(guò)左方按鈕點(diǎn)擊,進(jìn)行單一控制區(qū)域的參數(shù)的監(jiān)控。

    分組控制畫(huà)面如圖:

    分組控制畫(huà)面

    例如,除氧器畫(huà)面,除了可以直觀的顯示出除氧器液位,還能夠監(jiān)控相關(guān)參數(shù),不需要進(jìn)入集中的數(shù)據(jù)顯示畫(huà)面,此外還能夠在右上方上監(jiān)視與除氧器相關(guān)的全部或部分實(shí)時(shí)曲線。也可以點(diǎn)擊“歷史曲線”查看該參數(shù)的所有記錄曲線。在該畫(huà)面下,可以點(diǎn)擊控制器按鈕,打開(kāi)單一控制器進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)控。無(wú)需進(jìn)入控制器組畫(huà)面尋找對(duì)應(yīng)的控制器。

    4·3 除氧器壓力控制器畫(huà)面

    控制器組畫(huà)面

    控制器組畫(huà)面與單一控制器作用差不多,也是對(duì)相應(yīng)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,測(cè)量值顯示,以及控制器手自動(dòng)切換控制的集中模塊。但不同的是這里匯總了本課題鍋爐系統(tǒng)的所有控制器,即可以在該畫(huà)面中調(diào)整所用的控制器參數(shù),不必一一打開(kāi)單一的控制器畫(huà)面。從而方便在工業(yè)上,對(duì)大多數(shù)回路控制器參數(shù)的集中調(diào)整。

    控制器組畫(huà)面如圖所示:

    控制組畫(huà)面

    在控制器組畫(huà)面下,同樣也可以與主控畫(huà)面,數(shù)據(jù)顯示畫(huà)面等進(jìn)行相互切換。方便監(jiān)控點(diǎn)的切換。

    數(shù)據(jù)顯示畫(huà)面

    數(shù)據(jù)顯示畫(huà)面,顧名思義,是集中顯示所有參數(shù)的地方,工業(yè)上需要集中管理整個(gè)系統(tǒng)的所有參數(shù)而構(gòu)建的這一平臺(tái)。如圖所示:

    4·5 數(shù)據(jù)顯示畫(huà)面

    數(shù)據(jù)顯示畫(huà)面是分為多個(gè)模塊進(jìn)行的參數(shù)顯示的。例如除氧器液位塊,就能夠清楚的看到除氧器液位測(cè)量值,以及其液位給定值。此外,還能夠看到影響其液位的軟化水流量值以及控制它的閥開(kāi)值。

    曲線畫(huà)面

    實(shí)時(shí)曲線畫(huà)面

    實(shí)時(shí)曲線,是顯示設(shè)定時(shí)間范圍,各參數(shù)變化趨勢(shì)的一個(gè)平臺(tái),這里集中了除氧器液位,除氧器壓力,汽包液位,蒸汽出口壓力,蒸汽出口溫度和爐膛壓力這六個(gè)被控參數(shù),相關(guān)的各變量的曲線。為了更好的監(jiān)控,配置曲線顯示時(shí)長(zhǎng)為兩個(gè)小時(shí)。在每條曲線標(biāo)注前都添加了復(fù)選框,可以通過(guò)選中與否控制是否顯示對(duì)應(yīng)曲線。以排除過(guò)多曲線的干擾,為監(jiān)控者帶來(lái)不必要的視覺(jué)影響。

    4·6 實(shí)時(shí)曲線畫(huà)面

     

    歷史曲線畫(huà)面

    歷史曲線畫(huà)面包括曲線顯示配置、坐標(biāo)縮放、刷新、時(shí)間配置等等。還有一個(gè)公共曲線顯示區(qū)以及在其下方的曲線具體數(shù)值顯示塊。與實(shí)時(shí)曲線不同的是,它所顯示的曲線,是依賴(lài)于實(shí)時(shí)控制的時(shí)候所通過(guò)歷史記錄功能,記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)構(gòu)成的曲線。因而它不僅可以顯示實(shí)時(shí)曲線的當(dāng)前內(nèi)容,也可以顯示超過(guò)實(shí)時(shí)曲線所限定的兩小時(shí)以外的內(nèi)容。方便過(guò)去歷史數(shù)據(jù)的分析。然而歷史曲線并不是自動(dòng)打開(kāi)就能夠顯示,而是需要配置曲線以及查看時(shí)間段,且必須基于數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)才能夠有顯示作用,因此歷史曲線無(wú)法取代實(shí)時(shí)曲線。故本課題在方面實(shí)時(shí)監(jiān)控的前提下添加了歷史曲線平臺(tái),方便更全面的分析實(shí)時(shí)控制效果以及歷史控制曲線趨勢(shì)。

    如圖所示:

    歷史曲線畫(huà)面

    通信連接

    易控組態(tài)軟件與PLC通過(guò)SIMATIC公司提供的網(wǎng)絡(luò)通信軟件SIMATIC.NET來(lái)實(shí)現(xiàn)。要組態(tài)易控之前必須先組態(tài)SIMATIC.NET軟件包下的STATION CONFIGURATION EDITOR木塊。打開(kāi)后在OFFLINE狀態(tài)下添加Application模塊,與STEP7中一樣,再添加IE General通信塊,地址自動(dòng)獲取為本機(jī)地址。返回STEP7軟件,在PC工作站欄目下,修改PG-PC interface PC internal 通道,將STEP7中組態(tài)的Application應(yīng)用程序塊和IE General通信塊下裝到STATION CONFIGURATION EDITOR中,進(jìn)行相應(yīng)模塊的連接。

    如下圖所示:

    Station Configuration Editor組態(tài)圖

    連接完畢后,打開(kāi)已經(jīng)構(gòu)建好的易控工程,在工程欄下的I/O通信下添加SimaticNet通道,CP選擇TCP/IP協(xié)議下的本機(jī)網(wǎng)卡,VFD自動(dòng)選擇由STEP7軟件組態(tài)的Application模塊。然后選擇通信對(duì)象為以太網(wǎng)S7-300工作站,完成硬件選擇。

    當(dāng)完成硬件選擇后,針對(duì)需要從PLC讀入的數(shù)據(jù)和需要寫(xiě)入PLC的變量個(gè)數(shù)一一建立對(duì)應(yīng)變量關(guān)聯(lián)表。使得,易控畫(huà)面中所用到的變量與實(shí)際PLC讀入的變量真正對(duì)應(yīng)起來(lái)。

    易控通道組態(tài)

    易控通信組態(tài)變量表

    完成變量的關(guān)聯(lián),整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)建立完成,整個(gè)鍋爐系統(tǒng)也構(gòu)建完成。

    結(jié)論

    系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了以易控監(jiān)控平臺(tái)為上位機(jī)通過(guò)Ethernet以太網(wǎng)與PLC下位機(jī)通信,且通過(guò)PROFIBUS DP通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)SMPT-1000鍋爐的綜合控制,整個(gè)系統(tǒng)控制良好。

     

     

     

     

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