【《基于PLC的锅炉控制系统设计》12000字】

[29]。使用PCS7去实现锅炉控制的流程主要包括：新建工程：打开SIMATICManager（SIMATIC数据库管理器），新建工程项目，统计I/O点。软件的组态：AS的组态：双击打开软件，新建一个工程，在其中插入一个西门子400的PLC站点，双击打开hardware，在HWConfig中寻找所需要的硬件模块，注意所建立的模块位置必须与PLC上的实物位置一样，然后根据上位机中ProfibusDP里面的ToPLCbyProfibus(PV)以及FromPLCbyProfibus(MV)的偏移地址对DP从站PM125模块分配地址以及IO参数。OS的组态：同建立AS站点一样，在工程项目中添加一个PC操纵员站点，同样双击打开hardware，在HWConfig中寻找所需要模块。本次使用的模块为IEGeneral和WinCCApplication。然后寻找本机MAC地址修改MAC地址，修改完以后进行组态。（3）CFC的组态：CFC的组态主要是为了去调用PCS7里面的模块，通过对这些模块进行参数设置达到对SMPT-1000的控制，需要通过工厂视图将CFC块建立在一个过程单元文件夹中。然后打开CFC模块进行相关设置，下载并编译CFC。（4）SFC的组态：SFC是在PCS7中编写顺序指令，用来调用CFC中的程序块，来实行自动控制的程序。SFC的建立是切换到工厂视图的层级文件夹，在其中建立一个SFC程序块，按照CFC模块里面引脚分配好PM125的地址，进行相应的数值、模拟量的分配。最后，组态下载到CPU中进行运行。（5）上位机监控：当程序AS、OS、CFC、SFC都没有错误时，组态并且编译进行程序下载。将CPU上的开关挡位放在RUN位置上，将整个程序下载到CPU中。然后打开SMPT-1000的上位机，打开里面的SMPTLab1000，点击“P实验”打开实验在“ProgramFlies(x86)/SMPT1000/Project”里面寻找到相应项目打开。然后将实验项目运行。3.锅炉控制回路设计及分析3.1锅炉汽包液位控制系统方案(1)选择变量及方案设计图汽包水位具有缓冲蒸发和给水之间不平衡的功能，并且是工艺控制的参数之一，所以被选为控制变量。水量和流量可以决定水位，可控性好，因此可以作为控制变量。方案设计方框图如图3-1所示。（2）控制方案的规划：汽包水位控制器汽包上水流量控制器汽包上水流量调节阀上水流量汽包水位上水流量测量变送器汽包水位测量变送器设定值蒸汽流量蒸汽流量前馈控制器+串级-前馈控制是指引用蒸汽流量前馈信号和给水流量局部反馈信号。直接测量蒸汽流量可调节汽包水位进行前馈补偿，汽包水位和给水汽包水位控制器汽包上水流量控制器汽包上水流量调节阀上水流量汽包水位上水流量测量变送器汽包水位测量变送器设定值蒸汽流量蒸汽流量前馈控制器+--图3-1汽包液位前馈-串级控制回路方框图--3.2过热蒸汽出口温度控制系统方案(1)选择变量及方案设计图在工艺的控制参数当中，过热蒸汽出口的温度一直处在重要位置，它易于测量，所以我们可以将其直接视为被控变量。关于影响过热蒸汽出口的因素，生活中有许多可影响因素，蒸汽负荷的干扰、锅炉内的燃烧状态等都能对过热蒸汽出口的温度造成影响。因此，出于对锅炉的负荷以及燃烧经济方面进行维持，在调控过热蒸汽温度的过程中，我们可以将蒸汽流量和烟气流量去掉，不做使用。而正常情况下，我们只需要使用减温器喷水就可以对过热蒸汽出口的温度进行调整，所以在此时，减温水流量就可以当做控制变量。方案设计方框图如图3-2所示。（2）控制方案的规划：在SMPT-1000锅炉单元的工艺过程之中，其温度只有一级的过热和减温，考虑到管道因素和容积因素，我们纳入了关于减温水的流量反馈信号，使其与出口的温度信息反馈形成串级控制。该控制结构能够对烟气、减温水流量、蒸汽流量等现象的干扰进行解决，其本身不仅具有强悍的抗干扰能力，还能对系统的响应灵敏度进行增强，对于蒸汽出口温度的控制质量缓解具有积极效果，一般控制规律是主控制器PID和副控制器P。出口温度控制器减温水流量器减温水流量调节阀控制减温水流量蒸汽出口温度减温水流量测量变送器出口温度控制器减温水流量器减温水流量调节阀控制减温水流量蒸汽出口温度减温水流量测量变送器出口温度测量变送器设定值-+-+图3-2过热蒸汽出口温度-减温水流量串级控制回路方框图3.3过热蒸汽出口压力控制方案(1)选择变量及方案设计图若想确保好蒸汽的供给与需求之间的平衡稳定，以此保证蒸汽压力在工艺范围之中，所以在被控变量的选择上我们将蒸汽压力作为被控变量。根据蒸汽压力与燃料流量之间的相互影响，操作的适用性高，所以我们把控制的变量应为燃料流量。方案设计方框图如图3-3所示。（2）控制方案的规划：若想使燃料量变化与蒸汽出口的压力变化保持一致这是非常复杂且滞后的流程，并且由于过热蒸汽出口压力的扰乱因素较多，所以这样的方式并不能产生明显的成效。而串级控制结构就能克服上述内容中的扰乱因素，作出迅速的反应，使燃料变化对锅炉燃烧产生的干扰降到最低，将征信出口的压力保持在一个稳定的状态中，使其逐渐进入到工艺参数的范围之内。不仅如此，当系统内外的各种干扰因素对蒸汽压力造成冲击时，这种控制装置能够迅速的对现实情况做出反映，将燃流量进行调整，维持并保护好蒸汽的稳定以及设备安全。一般控制规律是PI或PID控制为主控，副控制器P控制。--出口压力控制器燃料流量控制器--出口压力控制器燃料流量控制器燃料流量控制阀燃料流量蒸汽出口压力燃料流量测量变送器出口压力测量变送器设定值+图3-3过热蒸汽出口压力-燃料流量串级控制方框图3.4烟气含氧量控制方案(1)选择变量及方案设计图一般而言，在维持蒸汽供给与需求的稳定状况之中，烟气的含氧量需要达到最好的状态，它是衡量锅炉燃烧效率、热效率最好的参数。所以，烟气含氧量控制方案指标，务必进行严格把控，因此，它可以被视为被控变量。由于燃料含量、燃料成分以及送风量等因素容易对烟气含氧量形成影响，所以过热的蒸汽出口压力需要依靠燃料含量来对其进行调控，故不能将其视为控制的变量；虽然，烟道挡板的打开程度可以对引量产生影响，使其发生改变，但是在某种程度上，它也能对炉膛压力形成影响，使锅炉的操作发生异常；而变频鼓风机就不同，调节变频鼓风机能够达到送风量的含氧量需求，所以，我们能将送风量视为控制变量。方案设计方框图如图3-4所示。（2）控制方案的规划：+-+在工艺参数中，烟气含氧量是一种非常重要的参考值，基数值能够反映出锅炉的燃烧状态。若是在空燃比稳定的状况之中,我们先设想锅炉里的燃料热值正在呈上升趋势，既然热值在增加，那锅炉燃烧过程当中需要的助燃空气热量也势必会上升，若烟气的含氧量数值在下降，那么燃烧系统将无法达到最优状态，因此此时的空燃比会保持不变，所以我们可以得出结论，它不能对燃烧状态的温度变化进行适应，故就不符合我们的实验要求。同样，锅炉负荷的变化和空气流量测得误差也可能导致燃料-空气不能中，燃料和空气流量之间形成比值控制关系，烟气-空气流量成一个比值控制关系，将加法器的流量控制回路中的流量控制器输入作为一个前馈信号，将它传送到乘法器中，然后使其与加法器的输出值结合，对控制器外部的数据进行实时校正，此时的流量控制器输出将会对变频鼓风机进行调控，由此我们便可以获得稳定的烟气含氧物，使锅炉的燃烧效率和供热效果获得质的飞跃。一般控制规律是对烟气含氧量以及空气量控制器PI进行控制，也就是:燃料-空气比值控制。+-+++-烟气含氧量控制器++-烟气含氧量控制器空气流量控制器变频鼓风机空气流量空气流量测量变送器含氧量测量变送器烟气含氧量设定值空气流量乘法器燃料量图3-4烟气含氧量控制回路方框图3.5炉膛压力控制方案(1)选择变量及方案设计图在锅炉正常运行的流程当中，炉膛的压力能对其产生安全隐患，其原理主要是以控制排气管和烟道遮挡板的启动速度来对炉膛压力进行调控，所以我们可以将炉膛压力视为被控制的变量，将烟气出口的流量视为控制的力量。方案设计方框图如图3-5所示。（2）控制方案设计的规划：炉膛压力控制器烟道挡板炉膛压力炉膛压力测量变送器设定值炉膛压力控制器烟道挡板炉膛压力炉膛压力测量变送器设定值空气流量空气流量前馈控制器图3-5送风量前馈-炉膛压力反馈控制回路方框图4.锅炉控制方案实现经过上一章的分析，设计了一系列的控制回路。已经了解了锅炉的工艺流程，知道了控制目标以及控制顺序。下面就该来开展控制方案的实施，本方案采用了PCS7控制系统，在仿真软件SMPT-1000上进行实现，主要步骤为：明确所需的硬件的型号，然后在软件上进行相应的选择，实现与外部的通讯连接，根据设计的控制方案进行编程，最后在上位机上进行监控。4.1硬件选择在使用过程控制系统SIMATICPCS7建立硬件站点时一定要注意，建立的AS站点中所选择的硬件信息一定要和现实中所选择的硬件保持一致，否则过程控制系统SIMATICPCS7将无法与硬件成功建立通讯。所以，为了确保电脑能通过SIMATICPCS7与硬件成功建立通讯，在建立硬件站点(AS)之前，首先需要清楚硬件的型号、版本等多个详细信息。为实现对SMPT-1000的控制，从而实现对锅炉的控制，所需硬件及其型号如表4-1所示。表4-1硬件型号4.2软件设计选择完成相关硬件之后，将其在机架上组装完成，注意各个模块的安装位置，从左到右依次为：电源、CPU、CP。要注意中间是否为空槽，然后进行通电。组装好硬件就可以开始软件设置，第一步就是需要建立PCS7与PLC的实时通讯。建立通讯：(1)AS组态：双击打开软件，新建一个工程，在其中插入一个西门子400的PLC站点，双击打开hardware，在HWConfig中寻找4.1中所需要的硬件模块，注意所建立的模块位置必须与PLC上的实物位置一样，如图4-2所示。图4-2AS组态然后根据上位机中ProfibusDP里面的ToPLCbyProfibus(PV)以及FromPLCbyProfibus(MV)的偏移地址对DP从站PM125模块分配地址以及IO参数，如图4-3所示。图4-3PM125地址分配(2)OS组态：同建立AS站点一样，在工程项目中添加一个PC操纵员站点，同样双击打开hardware，在HWConfig中寻找所需要模块。本次使用的模块为IEGeneral和WinCCApplication，如图4-4所示。然后寻找本机MAC地址修改MAC地址，如图4-5，修改完以后进行组态，如图4-6。图4-4OS组态图4-5修改MAC地址图4-6组态完成(3)网络组态：将上面的AS以及OS组态完成后，打开网络组态的界面，进行PLC与Wincc的连接，如图4-7所示。图4-7通讯网络组态(4)PM125模块是的DP从站，与SMPT-1000连接，内部遵守一定的通讯协议格式，需要使用SCL设置通信内容，代码如图4-8所示。图4-8SCL代码4.3CFC组态CFC的组态主要是为了去调用PCS7里面的模块，通过对这些模块进行参数设置达到对SMPT-1000的控制。根据第3章中的控制方案，来进行CFC组态。需要通过工厂视图将CFC块建立在一个过程单元文件夹中。然后打开CFC模块进行相关设置并组态。(1)液位控制回路CFC程序液位控制回路包括1个乘法器和加法器、3个AI模块、1个AO模块、2个PID。模块说明如表4-9所示，CFC程序图如图4-10所示。表4-9汽包液位控制回路模块说明名称功能偏移地址LIC1102为液位PID控制器，给予上水流量外设值FIC1101上水流量PID控制器，用来控制上水流量阀FI1101通过AI采集PID控制器的外设置IW+2FV1101流量控制阀，控制流量阀开度QW+4LI1102显示汽包液位，将数值传送给PID控制器IW+22FI1105通过转化蒸汽出口流量显示数值控制出口阀门IW+10图4-10汽包液位控制回路CFC程序图(2)过热蒸汽出口温度控制回路CFC程序过热蒸汽出口温度串级控制回路，包括1个信号斜坡模块、2个PID、2个AI、1个AO。模块说明如表4-11所示，CFC程序图如图4-12所示。表4-11过热蒸汽出口温度控制回路模块说明名称功能偏移地址TIC1104温度PID控制器，给予上水流量PID控制器外设值FIC1102上水流量PID控制器，用来控制上水流量阀TI1104测量蒸汽出口温度与温度控制器外设置进行比较IW+32FV1103流量控制阀，控制流量阀开度QW+8FI1102测量减温水流量反馈给流量控制器来控制调节阀IW+4图4-12过热蒸汽出口温度控制回路CFC程序图(3)过热蒸汽出口流量控制回路CFC程序过热蒸汽出口流量控制回路，包括1个PID、1个AI、1个AO和1个信号斜坡模块。模块说明如表4-13所示，CFC程序图如图4-14所示。表4-13过热蒸汽出口流量控制回路模块说明名称功能偏移地址FIC1105出口流量PID控制器，控制出口流量调节阀FV1105出口流量控制阀，控制出口阀开度QW+14FI1105测量蒸汽出口流量返库给出口流量控制器IW+10图4-14过热蒸汽出口流量控制回路CFC程序图(4)烟气含氧量控制回路CFC程序烟气含氧量控制回路，包括1个操作员模块、1个乘法器、1个加法器、3个AI、1个AO以及2个PID控制模块。模块说明如表4-15所示，CFC程序图如图4-16所示。表4-15烟气含氧量控制回路模块说明名称功能偏移地址AIC1101含氧量PID控制器接收含氧量数值，作为空气流量控制器外设值一部分FIC1104空气流量PID控制器，用来控制风机AI1101测量烟气中的含氧量传输给含氧量控制器QW+52FI1104测量空气流量反馈给空气流量控制器IW+8FI11033测量燃料流量，作为空气流量控制器外设置的一部分IW+6图4-16含氧量控制回路CFC程序图(5)炉膛压力控制回路CFC程序炉膛压力控制回路，包括1个乘法器、1个加法器、2个AI、1个AO和1个PID控制模块。模块说明如表4-17所示，CFC程序图如图4-18所示。表4-17炉膛压力控制回路模块说明名称功能偏移地址PIC1102压力PID控制器，输出值经过加法器可控制烟道挡板DO1101烟道挡板QW+16PI1102测量炉膛压力作为压力控制器的输出值IW+42FI1104测量空气流量经乘法器输出与压力控制器一起控制烟道挡板IW+8图4-18炉膛压力控制回路CFC程序图4.4SFC开车顺序SFC是在PCS7中编写顺序指令，用来调用CFC中的程序块，来实行自动控制的程序。设计SFC的程序必须先把你所建立的回路之间的关系搞清楚，设计出一套顺序的控制方式，才能有效的调用CFC内的程序块去实现自动控制。SFC的建立是切换到工厂视图的层级文件夹，在其中建立一个SFC程序块，按照2.2里面的工艺流程进行SFC的编程。按照CFC模块里面引脚分配好PM125的地址，进行相应的数值、模拟量的分配。最后，组态下载到CPU中进行运行。下面对锅炉的运行流程设计出来流程图以便于设计SFC的汇编，如图4-19所示；SFC的程序以及部分指令展示，如图4-20及4-21所示。图4-20流程图图4-20SFC程序图图4-21SFC部分指令展示图4.5上位机监控当程序AS、OS、CFC、SFC都没有错误时，组态并且编译进行程序下载。将CPU上的开关挡位放在RUN位置上，将整个程序下载到CPU中。然后打开SMPT-1000的上位机，打开里面的SMPTLab1000，点击“P实验”打开实验在“ProgramFlies(x86)/SMPT1000/Project”里面寻找到相应项目打开。然后将实验项目运行，在PC端利用CFC以及SFC进行对锅炉的控制稳定运行，上位机监控如图4-22所示，各参数趋势如图4-23所示。图4-22监控画面图4-23趋势图5.总结锅炉在工业中是非常重要的动力源和热源，是非常典型的过程被控对象。但是，锅炉往往所处的位置是一个非常复杂的受控对象，而且具有很高的非线性、多回路、高输入和高精度的输出等特点。即得当前锅炉在综合控制等方面的技术水平无法做到尽量完美。所以，锅炉在生产过程中整体的质量管理等成为广泛研究的一个问题。本次文章在了解锅炉的基本构成以及工作原理的基础上，深入研究了锅炉在控制任务和对象的特性特征，设计了锅炉系统综合的控制方案。本论文主要完成的工作包括以下几个方面：而本文以SMPT-1000为主要的研究对象，再按照锅炉控制的方案可靠最终的应用准则，对于各种工艺要求分别设计了相关的锅炉控制系统方案。针对锅炉工作时的汽包液位，烟气含氧量，过热蒸汽出口温度、压力、流量，炉膛压力等多种主要变量设计了一系列控制方案措施。针对设计的控制方案，使用西门子PCS7中CFC，SFC软件，实现了锅炉的控制组态以及开车的顺序控制，通过S7-400PLC作为控制器，根据硬件组态和PROFIBUSDP通讯网络，组建S7-400PLC与SMPT-1000系统之间的通讯组态，实现了对锅炉的控制。有一些问题还有待进一步深入研究，具体如下：这个方案目标主要是在半实物模拟仿真装置上对锅炉控制系统的设计与研究，并没有在实际的锅炉上进行展开研究。本文研究工作是根据PCS7与SMPT-1000进行的，具有一定的假设条件。本文对于锅炉控制系统的设计方面，最基本上满足锅炉控制的条件要求，但是需要对其有进一步的优化。参考文献孙洪程,李大宇,翁维勤.过程控制工程[M].北京:高等教育出版社,2006.金以慧.过程控制[M].北京:清华大学出版社,1993.周春晖.化工过程控制原理[M].2版.北京:化学工业出版社,1998.高利军.一种用于大型机组设备智能控制方法的研究[J].控制工程,2016,23(04):490-493.MaL,LeeKY,WangZ.Intelligentcoordinatedcontrollerdesignfora600MWsupercriticalboilerunitbasedonexpanded-structureneuralnetworkinversemodels[J].ControlEngineeringPractice,2016,53:194-201.ZhangH,ZhangYJ,ZhangYG.RobustControlMethodBasedonMachineLearningforBoilerCombustionSystem[J].AppliedMechanicsandMaterials,2014,685:368-372.ChowdharyG,KingraviHA,How,JP,etal.BayesianNonparametricAdaptiveControlUsingGaussianProcesses[J].IEEETransactionsonNeuralNetworksandLearningSystems,2015,26(3):537-550.KheradmandiM,MhaskarP.Modelpredictivecontrolwithclosed-loopre-identification[J].ComputersandChemicalEngineering,2018，109:249-260.钟伟民,祁荣宾,杜文莉,等.化工过程运行优化研究进展[J].化学反应工程与工艺,2014,30(03):281-288.李世斌,李宏伟.PLC在锅炉控制中的应用[J].自动化技术与应用,2003，(01):20-22.赵钦新.我国工业锅炉未来发展分析[J]工业锅炉,2007,（1）:1-9张进秋.可编程控制器原理及应用实例机械工业出版社顾伟军,彭亦功.智能控制技术及其应用[J].自动化仪表,2006，27(s1).工业库:西门子s7-400plc编程软件Step7V5.5SP2中文版.刘宝,张晨.基于OPC的SIMATICPCS7预测控制实验系统设计与实现[J].实验技术与管理,2017,34(04):1