锅炉DCS系统设计

锅炉DCS系统设计摘要（中文）：社会科学技术的发展不断推动着人类生产力的提高。近年来，工业自动化控制技术有了长足发展，这也直接推动了DCS控制系统在锅炉自动化系统中的应用以及发展。该系统运行的安全性和可靠性对于整个控制系统具有非常重要的作用。本文分别对研究背景、意义、DCS系统的发展现状及趋势、锅炉的工作过程及任务进行阐述，并提出了锅炉DCS自动控制系统设计方案，希望能够给这方面的研究提供一些参考性的建议。

关键词(中文):DCS系统；设计；控制；

1．绪论（或引言）1.1研究背景我国的能源结构是以煤为主，其中83%的电量来自煤发电。工业锅炉是主要的热能设备，使用面广，在生产和生活中都扮演着重要角色，其工作情况的好坏直接关系到能源利用效率的高低。在我国，由于经济技术条件的限制，除了一些大中型锅炉自动化水平比较高以外，中小型企业供暖锅炉自动化水平一直比较落后，而中、小型供暖锅炉主要为燃煤链条锅炉，其燃料主要是煤炭，一直沿用间断运行方式[4]。自动化控制技术落后，造成了能耗高、浪费大的生产状态，其次燃煤排放的有害气体超标，尤其排放的二氧化碳所引起的温室效应，早己引起国际关注。1.2研究意义目前我国大多数工业锅炉采用人工设定参数控制，例如设定鼓风机频率、引风机频率、炉排频率。在这种情况下，虽然应用了变频器，但并没有起到变频器应该起到的作用，能源浪费还是相当严重。所以对锅炉系统运用有效控制方法进行自动化控制不仅可以节能减排，还可以提高锅炉运行的安全性，改善工人工作环境以及提高劳动生产率。工业锅炉的DCS自动控制系统，是近年来研发的一项新技术。DCS下的锅炉系统自动控制系统是工业自动化控制系统的重要一分，随着科学技术的发展DCS系统在工业自动化控制领域的应用已经越来越成熟了，而且应用的范围也越来越广，其运行的安全性与可靠性对于经济效益和安全生产有着直接的影响。1.3DCS系统的发展现状及趋势自1974年由美国Hnoyewell公司推出第一套DCS系统以来[1]，DCS系统的发展大致经过了三个阶段：第一阶段可以称为DCS系统的成形阶段。在该阶段中，数字控制的集中监视功能保留了下来，现场控制器开始具备控制功能，监视和控制通过总线连成一个整体，实现信息的传递和数据的交换，这样就构成了DCS系统的基本结构。同时，在该阶段，DCS系统中高级控制算法没有得到应用，现场控制一般比较简单；系统的监视功能和信息交换量都不大，通信速度也比较慢，控制功能大部分是常规控制。第二阶段可以称为DCS系统扩大功能阶段。在该阶段中，随着现场控制器的CUP的升级，现场控制站的功能越来越强大，能够完成多种控制算法，多功能控制站由此形成；实时操作系统更加的完善和图形显示技术应用性更加实用，使得DCS系统的监视功能和管理功能都有了进一步的发展；标准化数据通信网络的逐步推进，DCS系统也逐步完善了系统网络中的各种通信协议，使得数据的传送更加快速准确[2]。第三阶段可以称为DCS系统扩大规模和综合功能阶段。在该阶段，DCS系统发展成为了综合自动化系统：集过程自动化和管理自动化功能与一体，在生产过程的控制和监控的基础上增加了信息管理功能。在网络结构上，DCS系统具有服务于控制和监控的底层网以及服务于信息和管理的上层网，系统规模明显扩大；在控制功能上，DCS系统引入了先进控制算法如自适应控制算法、预测控制算法和模糊控制算法等等，使控制系统的品质有了很大的提高；与此同时，多层次的可靠性技术在DCS系统的应用，使得在复杂的控制系统在应用时能够安全可靠地运行。这种发展趋势目前仍在持续中，许多功能更加强大的而且使用更加方便的DCS系统产品正在陆续地被推出。2.工业锅炉的工作过程及任务2.1工作过程工业锅炉的功能是生产具有一定温度的水或蒸汽，其基本的构成是锅筒和炉膛。燃料在炉膛里进行燃烧，燃烧产生高温烟气（将化学能转化为热能），通过锅筒受热面，将热量传递给锅筒内的水。锅炉的工作过程概括起来包括三个同时进行着的过程:燃料燃烧过程、烟气向水的传热过程和水循环过程。一是燃料的燃烧过程。燃料经振动给料机加到煤斗中并落在炉排上，炉排由链条带动，将燃料带入炉内，燃料一边燃烧一边向后移动，燃烧所需要的氧气由鼓风机在大气中抽得的空气经空气预热器送入炉排中的风箱后，向上到达燃料燃烧层。燃烧剩下的灰渣，在炉排末端落入灰斗[3]。二是烟气向水的传热过程炉膛的四周都布置着水管，称为水冷壁。由于燃烧放热，炉膛内温度很高，高温烟气与水冷壁进行辐射换热和对流换热，将热量传递给管内的水，同时烟气受引风机的引力向炉膛上方流动，烟气经过炉膛出口并通过省煤器（利用烟气余热加热锅炉给水）和空气预热器（利用烟气余热加热燃料燃烧所需要的空气）进行热交换后，较低温度的烟气经除尘、去硫等一系列净化工艺最后从烟囱排出。三是水循环过程经过加温的热水流向供热管网，在循环泵（循环泵的功能是克服液流的阻力，使系统按照一定速度流动，以保证最远环路系统液体流回热源）的作用下，水向锅炉方向流回，经补水泵自动测压补水后，流回锅炉加温[5]。2.2任务要保证提供满足负荷要求的热水，锅炉工作过程中的各主要参量必须严格控制，为此，锅炉的主要控制任务为：一是维持出水温度在一定的范围内，温度过高，会加速金属的蠕变，从而导致锅炉和管道受损；温度过低，说明供需关系不平衡，难以维持长期稳定运行。二是维持锅炉燃烧的经济性，这就要求鼓风量和给煤量维持合适的比值关系。空气不足，导致燃料不完全燃烧，造成煤损失；空气过量，导致热量损失在烟气中，造成电量浪费。鼓风量和给煤量维持合适的比值关系是保证锅炉经济燃烧、提高锅炉热效率、避免环境污染的重要指标。三是维持炉膛负压在一定的范围内，负压太大，炉膛吸入的冷风量大，增大了引风机的电耗和烟气带走的热量损失；负压太小，炉膛容易向外喷火，不仅影响环境卫生，还可能危及设备和操作人员的安全。四是维持回水压力在一定的范围内，锅炉热水循环系统在运转过程中失水是不可避免的，如果不及时补水，系统压力就会下降，使供暖系统无法正常运行[6]。3.锅炉DCS自动控制系统设计工业锅炉自动控制的目的是提高锅炉热效率，改善劳动强度及作业环境，降低能耗和成本，提高锅炉供暖质量，实现锅炉运行的自动化和经济化。3.1系统分析在进行系统设计之前，首先需要分析系统的组成及各部分需要监控的参量。整个锅炉系统主要分为四部分：风机系统、水系统、给煤系统、附加监控系统。3.1.1风机系统系统中共有两台锅炉，所以每台锅炉分别配有引风机、鼓风机，为了实现系统的高效节能要求，每台风机的运转频率均由变频器控制。各风机需要监测的量共有六个：开关自动位置(DI)、接触器吸合状态(DI)、变频器是否运行(DI)、电机故障状态(DI)、电机电流(AI)、电机实际运行转速反馈(AI)，另外为了对风机运行状态进行上位机给定控制，还要有作为数字量输出的电机启动命令(DO)和电机停止命令(DO)，作为模拟量输出的电机转速给定(AO)[7]。风机系统共有数字量输入(DI)点16个、数字量输出(DO)点8个、模拟输入(AI)点8个、模拟量输出(AO)点4个。3.1.2水系统每台锅炉均配备循环泵、补水泵、除氧水泵。循环泵和补水泵的运转频率由变频器控制，需要监测的量同风机的相同，除氧水泵由于没有变频器控制，所以没有接触器吸合状态、变频器运行、电机电流、电机转速反馈和给定这几点。水系统共有数字量输入(DI)点22个、数字量输出(DO)点12个、模拟量输入(AI)点8个、模拟量输出(AO)点4个。3.1.3给煤系统本系统中燃料煤经电磁除铁器除铁完毕后进入斗式提升机，然后由斗式提升机将煤送到水平带式输送机上，送往犁式卸料器，最后煤落到炉排链条，燃料煤一边燃烧一边向后移动，燃烧剩下的灰渣在炉排末端通过除渣机后排入灰斗。其中炉排机运转频率由变频器进行控制，其他每台电机均设有开关自动位置（DI）、运行状态（DI）、电机故障指令（DI）、电机启动命令（DO）、电机停止命令（DO）。给煤系统共有数字量输入(DI)点38个、数字量输出(DO)点24个、模拟量输入(AI)点5个、模拟量输出(AO)点2个。3.1.4附加监测系统为了使锅炉运行在安全经济的状况下，还需要增加一些监测点，比如出水温度、炉膛温度、炉膛负压、回水压力等。附加监测点共有数字量输入(DI)点4个、数字量输出(DO)点0个、模拟量输入(AI)点68个、模拟量输出(AO)点0个。3.2系统整体设计根据用户提出的任务要求，综合考虑系统的可靠性、效率以及可维护性，以最少投资为目的，使设计的系统能够将锅炉生产过程中的工艺参数控制在规定的范围内。本着“分散控制、集中管理”的特点，控制系统按3层结构的模式进行结构规划和系统配置，分别为操作管理层、过程控制层和现场检测层。3.2.1操作管理层操作管理层由2个操作员站组成。操作员站的硬件平台为研华工控机和A4激光打印机。操作员通过操作员站能够观察过程回路参数状态、历史趋势和报警情况，实现对设备启/停、过程回路操作和参数调整的集中管理。正常运行情况下，每个操作员站只显示相应过程控制站的实时工况，方便操作员及时监视、管理，当有某操作员站发生异常时，其操作可由另一个操作员站代替，不会产生系统失控现象。3.2.2过程控制层过程控制层主要由2个过程控制站组成，完成对两个锅炉房控制系统的安全联锁控制、回路调节、顺序控制、逻辑控制和综合报警。过程控制层的各PS站一方面通过PorfibuS-DP现场总线网络与现场检测层的远程I/O站进行通讯，采集系统相关的现场传感器、变送器、执行机构和其他设备的实时运行数据和状态信号，控制相关设备的运行，如调节鼓风机、引风机和炉排的运行速度等[8]。另一方面将系统的数据信息通过工业以太网上传到操作管理层的工作站进行处理，同时执行操作员站发出的操作命令。2个PS站的PLC通过工业以太网数据通信处理器CP343-1将S7-300接入工业以太网，各PS站之间信息可以共享，既相对独立又相互关联，组成一个有机的过程控制层，完成对锅炉供暖生产的实时自动化控制。上位工控机采用西门子的WinCC软件进行人机界面的编制，并通过人机界面对下位机的所有参数进行远程设置和调整，监控所有设备的运行情况。3.2.3现场检测层现场检测层由两套Simenes公司的ET200M系列远程I/O站组成，按每台锅炉就地配置1套远程I/O站的原则进行设计。ET200M远程I/O站作为各过程控制站的从站，具体负责与现场各开关量及传统仪表的接口，并通过Profibus—DP现场总线网络与过程控制层进行数据交换，实现两台锅炉系统所有现场设备、仪表的信号数据采集和控制等功能[9]。3.3系统运行方式综合考虑锅炉的控制特性,系统提供自动和手动运行方式，工作方式可通过操作台上的转换开关进行切换。控制系统工作方式大体上可以分为两种：一是自动方式,控制系统的控制核心S7-300PLC根据现场传感变送器反馈回来的现场信号(出水温度、炉膛温度、炉膛负压、回水压力等)，根据程序算法，输出控制量调节变频器的输出大小，而变频器的输出大小直接控制炉排运行频率、鼓风运行频率、引风量运行频率、补水泵运行频率，这就是锅炉系统的PLC自动运行方式。为了保证特殊场合需要，我们在自动方式中加入另外一种工作方式，我们称之为上位机控制方式，所谓的上位机控制方式是由操作人员直接在上位机上设定炉排、鼓风机、引风机、补水泵的运行频率，这些控制命令通过远程I/O(ET200M)模块控制变频器的转速。二是手动方式，操作员对系统进行控制。操作员根据操作台上显示仪表显示的现场信号(出水温度、炉膛温度、炉膛负压、回水压力等)，根据需要分别调节操作台面板上的炉排、鼓风机、引风机、补水泵调速旋钮，调速旋钮调节相应变频器的输出大小，而变频器的输出大小直接控制炉排运行频率、鼓风运行频率、引风量运行频率、补水泵运行频率，这样就可实现锅炉系统的手动方式运行。4.结论锅炉是典型的复杂热工系统，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好的工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。研究与开发功能完备、性能可靠的锅炉自动控制系统，是适应锅炉生产发展需要，具有广阔的发展前景与研究价值。本文所设计的DCS控制系统提高了系统的自动化水平，不仅可以节能减排，还可以提高锅炉运行的安全性，改善工人工作环境以及提高劳动生产率。参考文献[1]高小凤.电锅炉温度控制算法的研究与应用[D].太原科技大学,2013[2]汤瑜华.糖厂锅炉DCS控制系统设计及应用研究.广西大学,2014[3]王亚垒.电加热锅炉DCS系统的设计与实现.西安科技大学,2014[4]赵新贞.燃煤锅炉节能控制系统的设计与开发.