现场总线Profibus DP的锅炉控制系统研究

务l 匐 出 现场总线P r o fi b u s D P 的锅炉控制系统研究 Res ear ch on boi l er cont r ol s ys t em of f i el d bus pr o fibu s DP 艾红 AI Ho n g ( 北京信息科技大学 自动化学院，北京 1 0 0 1 9 2 ) 摘 要 ：文中设计了锅炉汽包水位三冲量控制系统 ，阐述了S MP T -1 0 0 o m的锅炉单元 ，描述 了 P r o f l b u s D P 网络的典型结构与系统构成 ，实现了锅炉对象与P C S 7 进P r o f i b u s D P 通信 的模块编程和参数设置。利用P O S 7 实现控制汽包水位的连续功能图O F O， 通过趋势曲线监视 了锅炉控制系统的各个参数。实践证明较好地实现了锅炉控制系统的设计。 关键词 ： 汽包水位 ； 通信 ； 现场总线； 过程画面 中图分类号 ：T P2 7 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 9 -0 1 3 4 ( 2 0 1 3 ) 0 5 ( 上) 一 0 0 5 4 0 4 D o i ： 1 0 3 9 6 9 J 1 s s n 1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 3 0 5 ( 上) 1 5 0 引言 传统的现场设备如传感器 、驱动器和执行机 构等 与控 制 器之 间 的通信 常用 一对 一连 线 的方 式 ，传输4 2 0 mA 或数 字量 信号 。这种 通信技 术信息量有限。现 场总线则以单 个分散 的、数 字 化、智能化的测量 和控制设备作 为网络节 点，用 总线相连接，实现 相互交换信 息，共 同完成 自动 控制 功能的网络 系统 与控制 系统 。使用现场总线 通信 ，组网方便 ，信号稳 定，通信速率快 。现场 总线可以替代 普遍使 用的集中并 行布线 ，用数字 技术替代模拟信号4 2 0 mA 传输技 术。应用现场 总线P r o fi b u s DP ，采用西 门子P C S 7 实现锅炉控制 系统的控制。 1 锅炉控制系统构成 锅炉是一个 复杂的控制系统 ，主要可 以分为 燃烧 系统 、水气 系统和风烟 系统 ，而这三个 系统 又可 以进行细分 。例如水气 系统 中就可 以分为除 氧器 、上水 、上汽包和减温器等 。燃烧 系统 中有 燃油和鼓风 、炉膛和省煤器 。烟气 系统 中包含挡 板和催化裂化烟气 回炉再燃烧部分 。除氧器部有 流量 、压力和液位的检测 ，上水部 分是水流量 的 检测变 送 ，上汽 包有液位和压 力的检测。减温器 有温 度、流量及压 力的检测。锅炉 有压 力及炉温 的检测，燃 油主要是油流量 和风量 的检测。风烟 主要是温度、流量及 含氧量 的检 测。锅炉正 常运 行工 况是调 整烟 道挡板DO1 1 0 1 ，使烟气 含氧量 维持在2 左右 。蒸汽温度保持在( 4 4 0 4 - 5 )范围 内。 均衡进水，保持正常水位，使给水量和蒸汽负 荷达到平衡。汽包水位控制在( 3 0 0 4 - 3 0 ) mm。过热蒸 汽压力保持在( 3 8 0 0 5 ) MP a 范围内。给水压力保持 在4 8 5 5 MP a 。炉膛压力小于4 0 0 mmH2 O。排烟 温度在2 0 0 C左右。燃料气压力在0 2 9 - 0 3 1 MP a 。 除氧器压力在( 2 0 0 0 l o o ) mmH 2 0。除氧器液位在 ( 4 0 0 3 0 ) m m。 燃烧控制实质上 是能量平衡 系统 ，它以蒸汽 压力作为能量平衡指标 ，不断根据用汽量与压力 的变化成 比例地调整燃料量与送风量 ，同时保证 燃料的充分燃烧及热量的充分利用，其 中保持合 适 的 “ 空燃 比”是一个重要 因素 。 “ 空燃 比”是 指燃烧 中空气量与燃烧量的比值系数 。 汽 包水位控制 系统 ，实质上是维持锅炉进 出 水量平衡 的系统 。是 以水位作为水量平衡与否 的 控制指标 ，通过调整进水量 的多少来达到进 出平 衡 ，将汽 包水位维持在汽水分离界面最大 的汽包 中位线附近 ，以提高锅炉 的蒸发效率 ，保证生产 安全。 炉膛 负压控 制系统是使进 出炉膛 的空气量维 持平衡 的控制 系统 ，一般 以炉膛压力作为 空气量 平衡 与否 的控制指标 ，通过调整排 向大气 的引风 量达到空 气量进 出平衡 ，为提高控制 品质，一般 以送风量 或送风 档板开 度作为前馈量 ，构成前馈 般稿日期：2 0 1 3 - 0 1 - 0 5 基金项目：2 0 1 2 年北京市 自然科学基金 ( 4 1 2 2 0 2 9 ) 作者简介：艾红 ( 1 9 6 2一)，女，副教授，硕士生导师，研究方向为智能仪表与自动化装置。 5 4 1 第3 5 卷第5 期2 0 1 3 - 0 5 ( 上) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参l 訇 化 表1 检测仪表 位号 检测点说明 单位 位号 检测点说明 单位 AI 1 1 0 1 烟气含氧量 P r r 1 1 O 1 燃料压 力 I I ， a F r 1 1 0 1 锅 炉上 水流量 k g h 盯 1 1 0 2 炉膛压 力 I P a F r 1 1 0 2 去减温器的锅炉上水流量 k g n a 1 1 0 3 汽 包压 力 MP a F T 1 1 0 3 燃料 流量 k e J h 1 1 0 4 过热蒸汽压力 MP a F r 1 1 0 4 空气量 m3 s P T 1 1 0 6 除氧器压力 MP a F r 1 1 0 5 过热蒸汽流量 k g h T T1 1 0 1 炉膛中心火焰温度 F r 1 1 0 6 软化水流量 k g h T T1 1 0 2 汽水分离后的过热蒸汽温度 F r 1 1 0 7 烟气流量 k g n a T r 1 1 O 3 进入减温器的过热蒸汽温度 L T1 1 0 1 除氧器液位 T r 1 1 0 4 最终过热蒸汽温度 L T1 1 0 2 汽包水位 T r 1 1 0 5 烟气温度 一 反馈控制系统 。 2 锅炉汽包水位控制系统 无论从生产角度还 是从 安全角度来考虑 ，汽 包水位都 起着至关重要的作用 。在锅炉 的上汽包 系统 中 ，对汽 包 影 响最 大 的是 锅炉 上水 流量 。 在锅炉汽 包水位 控制系统 中，单回路控制通常称 为单冲量控制 系统 。这 里的单冲量指的是汽包水 位 。但是单 冲量控制 系统存 在一 些问题 ：不能解 决 虚假 水位 的影 响 ，对锅 炉 负荷 变化 反应 不 灵 敏 ，对给水量 的干扰反应较慢 ，不能及 时克服 。 为 了解 决上 述 问题 ， 除 了依据 汽 包水位 的偏差 外 ，如果还依据蒸汽流量和给水流量 的变化控制 汽 包水位 ，则能获得 良好的控制效果 。这就是三 冲量水 位控制系统 。汽包水位三冲量控制 系统 的 方块图如图l 所示，三冲量控制系统实质上是前馈一 串级控制系统。 阀门开 闭形 式的选择 从安全角度来考虑 。当 发生故障时 ，为 了保证锅炉不被烧干 ，要保证上 水不断 。选择汽包上水流量控制 阀为气关 阀。上 汽包水位是一个非常重要的指标 ，对它的精度要 求 比较高 ，由于汽包水位有一定的滞后性，要添 加微分作用，因此汽包水位液位控制器采用比例 积分微分P I D控制规律。副回路控制器是汽包上水 流量控制器，既要加快其 对主控制器 的响应速度 同时要求其 达到一定的精度 ，采用 比例积分P I 控 制规律。 3 锅炉对象和控制系统构成 3 1 S M P T - 1 0 0 0 中的锅炉单元 选 取 高 级 多 功 能 过 程 控 制 实 训 系 统 S MP T- 1 0 0 0 中的锅炉单元作为被控对 象。高级 多 图1 锅炉汽包水位控制 系统 位 第3 5 卷第5 期2 0 1 3 0 5 ( 上) 5 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 訇 化 功能过程控制实训系统S MP T 一 1 0 0 0由立体流程设 备盘 台、高精度工 业仿真 引擎 、1 0 接 口与辅 助 操作 台组 成。立体 流程设备盘 台是在钢制 的盘 台 上 安装着有不锈钢制 比例缩小 的流程设备模型 。 主设 备包括 ：卧式 除氧器 、列管式换热器 、盘 管 式省煤器、汽 包和加热炉本体 。执行机构 包括 ： 特性 可变 的调节 阀、开关 阀、离 心泵和风机 。检 测部 分包括流量变送器 、液位显示仪表 、压力变 送器 、温 度变送器 、组分 测量仪表和若干管路 系 统 。辅 助 操作 台模 拟 生产现 场 的操 作 台 ，包括 报警灯 、报警确认开关 、电机启动开关 、点火开 关 、调速旋钮 、烟道挡板旋钮 、联锁保护切换开 关 、紧急停车按钮和蒸汽指示灯 。运用工业级高 精度 定量动态数学模型 ，模拟全工况下 的真实工 艺流程 。包括生产单元和流程的动态仿真模型 。 如非 线性离心泵液位单元 ，热力除氧单元 、再沸 器单元和工业锅炉单元等。S MF r I 一 1 0 0 0的I O模块 均采用工业级模块，能够以4 , 2 0 mA 和开关量信 号与工业控制器 通讯 ，每一路信号 的输入 、输 出 可 由用 户 自定义 。S MP T 一 1 0 0 0能够通过P r o f i b u s DP 现场总线方式实现与控制系统的数据交互。 图2 S MP T - 1 0 0 0 锅炉单 元与操作 站 3 2 P r o fl b u s D P网络的典型结构与系统构成 S MP T - 1 0 0 0的各种模拟量 数字量输入， 输出信 号与P C S 7系统中的相应通道相连接 。采用P r o fi b u s 现 场总 线通 讯 ，信 号传 输量 大 ，传输 速 率高 ， S MP T 一 1 0 0 0本质上变成了P C S 7的从站。DP主站 集成在相应设备中，P L C需配有一个P r o f i b u s DP 接 口。D P主站可以在固定的时间读取现场设备 的 测量数据 即输入和写执行机构 的设定值 即输 出， 进行工程设计 、组态或操作设备 ，用于 系统维护 和诊断。D P从站是通过P r o f i b u s DP连接到DP主 站的外围设备，如远程I O 卡件 、驱动器、阀门、 变 送 器等 。从 站是 被 动设 备 ，仅仅 直 接 响应请 求。P r o f i b u s总线可以实现现场设备层到车间级监 控的分散式数字控制和现场通信，为实现工厂综合 5 6 1 第3 5 卷第5 期2 0 1 3 - 0 5 ( 上) 自动化和现场设备智能化提供可行的解决方案。 图3 系统构 成与P r o fi B u s DP 总线连接 在进 行硬件配 置前 ，首先要建立分配地址 的 概念 。各卡件彼此独立 ，具有各 自的地址编号范 围。需要 区分节点地址和输入 输 出地址 p I O 地 址 。节点地址是可编程模块 的P r o fi b u s 总线地址 。 有 了这些地址才能对子 网的各个节点进行寻址 ， 例如，通过P r o f i b u s 总线将用户程序下载到 C P U。 输入 输 出I O 地址的功能是有了输入 输 出地址才 能在 用户程序 中读 取输入或设 置输 出。当在HW C o n f i g 中对各个卡件进行组 态时，P CS 7 会分配输 入及输 出地址 。这意味着每个模块都有 自己的开始 地址，即第一个通道的地址。由此开始地址可得出 其它通道的地址 ，也可 以为地址分配符号名。 3 3泓格i一 7 5 5 0模块的P r o fi b u s D P通信 S MP T 一 1 0 0 0使用泓格i 一 7 5 5 0模块进行P r o fi b u s DP通信 。其硬件组态方式如下所示。 1 )添加i 一 7 5 5 0模块 。 在C a t a l o g中选择P r o fi l e ： S t a n d a r d 。下面出现 树状菜单 ，依次打开P RO F I BUS DP- - * Ad d i t i o n a l F i e l d De v i c e s - - *Ga t e wa y i 一 7 5 5 0 ，拖动该组件到 P R O F I BU S ( 1 ) ： DP ma s t e r s y s t e m( 1 ) 上。弹出组件配 置窗口， A d d r e s s 设置为7 ，点击 O K】 。 2 )设置i 一 7 5 5 0模块对应的各项参数。 双击 i 一 7 5 5 0组件 ，弹 出配 置窗 口，选择参 数配 置P a r a me t e r As s i g n me n t 选 项卡 ，将 波特率 b a u d r a t e 设置 为9 6 0 0 ，e n d c h ar o f i n p u t d a t a 设 置 为 No n e 。其它选项保留默认设置即可。 i 一 7 5