基于quumplc和以太網通訊技術的工業燃煤鍋爐控制系統

0在鍋爐環保意識不強、不能再加強的情況下,燃煤鍋爐在一次能源中的應用進展迅速燃煤鍋爐是重要的動力設備，如發電、化工、石油和焦炭。該爐能耗大，對最佳條件和節能具有重要的經濟效益。然而目前國內除了一些大中型鍋爐采用了先進的控制技術(如DCS、FCS)外,一般的小型鍋爐仍在使用儀表、繼電器作為主要的控制手段(如DDZ-Ⅱ或M型系列儀表),人為參與過多,工作條件差,勞動強度大,鍋爐的熱效率低,資源浪費和污染嚴重。又因為更新設備經濟壓力過大,燃煤鍋爐作為將一次能源轉化為二次能源的重要設備,隨著能源問題的突出,環保意識的增強,對設備的高效投入和能源的有效利用要求越來越高。針對上述特點和不足,在為內蒙古華潤金能熱電廠燃煤鍋爐設計控制系統時,進行了大量的數據資料的收集與整理,對硬件設備的采購選型進行了對比與參照,設計了一種控制與維護方便、管理安全、燃煤熱效率有所提高和排污量減少、性價比合理的自動控制系統。1燃燒鍋爐的工作過程內蒙古華潤金能熱電廠2X330MW機組啟動鍋爐控制系統分為下位機和上位機兩部分,通過以太網通訊,實現下位機與上位機數據的高速交換(如圖1)。其中下位機選用SchneiderQuantumconcept2.6XLSR5系統采集現場數據(如溫度、液位、壓力等)和控制現場設備,其中電源模塊為140CPS11420,主控制器模塊為140CPU11302,通訊模塊為140NOE77101,模擬量輸入模塊為140AT103000(8通道,類型J,K,T,S,R,B)和140AC104000(16通道),模擬量輸出模塊為140AC013000(8通道,4-20MA),數字量輸入模塊為140DD184100(16點,10-60VDC,8組隔離)和140DDI85300(32點,10-60VDC,4組隔離),數字量輸出模塊為140DRA84000(16點,2A/點)。上位機選用Intellution公司的IFIXPLUSSCADAPAK4.0監控軟件以組態畫面的形式實時顯示生產過程的各種參數與報表、報警和歷史查詢信息,通過設置工藝和監控參數實時控制鍋爐工作過程。燃煤鍋爐由上下鍋筒、爐膛、省煤器、空氣預熱器、引風設備、送風設備、給水設備、除灰除塵設備等組成,其工作過程分3個部分:①燃料煤由給煤除塵器處理后經振動給料機、1#輸送機、2#輸送機傳送到爐排轉動的鏈條爐蓖上,爐排通過變速齒輪減速后由鏈條來帶動,將燃料煤帶入爐內,控制爐排轉速來調節給煤轉速,從而調節給煤量的多少,根據給煤量多少調節鼓風、引風轉速,自動合理調節空氣和燃料的配比,以達到最佳燃燒,提高了燃煤熱效率。燃料燃燒剩下的灰渣,在爐排末端通過出渣電動機處理后排入灰斗,從省煤器和空氣預熱器排出的煙氣經脫硫除塵器等處理后排入大氣,減少了排污量。②燃料燃燒所放出的熱量使得爐內溫度很高,高溫煙氣與布置在爐膛四周墻面上的水管進行強烈的輻射傳熱,煙氣將熱量傳遞給管內的水后,由于引風機和煙囪的引力作用而向爐膛上方流動,沿途降低溫度的煙氣最后進入尾部煙道,經省煤器和空氣預熱器進行熱交換,以較低的溫度排出鍋爐。③經過軟化、除氧處理的水由泵加壓,先流經省煤器而得到預熱,然后進入鍋筒。鍋爐工作時,汽鍋中的工作介質是處于飽和狀態下的汽水混合物,它們位于煙氣溫度較低的對流管束中。由于受熱較少,汽水混合物的容重較大,而處于煙氣溫度較高區的水冷壁和對流管束受熱多,其相應工質的容重小,這樣容重大的工質向下流入下鍋筒,而容重較小的工質則向上流入上鍋筒,形成水的自然循環。由于上鍋筒內的汽水分離設備和鍋筒本身空間內的重力分離作用,使汽水混合物得以分離。2lad開發平臺下位機軟件選用SchneiderQuantumconcept2.6XLSR5系統,邏輯程序采用梯形圖語言LAD編程,編寫了Adjvalve(調節閥),Elvalve(電動閥),Motor(電動機控制),Pmp(泵),Spid(單PID),Thpid(三沖量PID)等多個DFB和主程序STRBOIL.PRJ來實現聯鎖保護、有效的反饋及其他控制系統,實時采集現場數據和控制現場設備。1出渣電機處理燃煤控制系統見圖2,引風電機要比送風電機先啟動,送風電機停止后再延時停止引風電機,在爐膛內形成一定的微負壓,負壓過大,漏風嚴重,煙氣熱量損失過大,不利于安全生產和環境衛生,本系統鍋爐爐膛負壓控制在-10Pa左右。出渣電機用來處理灰渣,要比爐排電機先啟動,比爐排電機后停止,這樣使爐膛通暢。給水和蒸汽控制系統見圖3,鍋筒極低水位時自動開啟緊急放水電動閥,除氧水位低時開啟給水泵電動閥和給水調節閥,鍋筒壓力(汽包壓力、過熱蒸汽壓力)過高時自動開啟過熱器出口電動閥,過熱器管道中的蒸汽溫度超過工藝要求時可以開啟減溫水電動閥進行兩次減溫。2pid增量式控制系統自動控制理論可分為開環控制系統和閉環控制系統。閉環控制系統的特點是系統被控對象的輸出會反送回來影響控制器的輸出,形成一個或多個閉環。閉環控制系統有正反饋和負反饋。調節器控制規律為比例、積分、微分控制,簡稱PID調節,分為模擬和數字PID兩種。當系統控制器和被控對象的結構和參數不能完全掌握或不能通過有效的測量手段來獲得,得不到精確的數學模型,控制理論的其他技術也難以采用時,必須依靠經驗和現場調試來確定,此時最適合用PID控制技術,數字PID控制分為位置式和增量式兩種。本系統采用數字PID增量式閉環反饋系統,串級加前饋三沖量給水控制,運用先進的串級加前饋算法,鍋筒水位作為主參數,并引入蒸汽流量來修正虛假水位,同時引入給水流量來修正鍋筒水位與蒸汽流量的計算誤差,當鍋筒水位處于某處位置時,控制給水調節閥至相應位置,從而控制鍋筒的進水量,使鍋筒水位在小范圍內變化,實現連續給水,有助于提高蒸汽品質,減少水泵啟停次數,延長水泵使用壽命。使用了THPID與SPID兩個DFB塊分別作為三沖量氣包水位調節閥和單PID減溫水調節閥的參數控制,采用了兩個反饋閉環增量式系統,一個正反饋和一個負反饋系統。當水位過低,則由于汽包內水量較少,而負荷卻很大,水的汽化速度又很快,因而汽包內的水量變化速度很快,如果不及時控制,就會使汽包內的水全部汽化,導致鍋爐燒壞和爆炸,因此要能夠根據反饋的參數調節給水調節閥,增加水的流量,形成正反饋系統。當過熱器中蒸汽溫度較高時,能夠根據反饋的參數調節兩級減溫水調節閥,增加減溫水流量,來降低蒸汽溫度,使它達到用戶需求,形成負反饋系統。3鍋爐儀表顯示系統上位機采用IPC-610P機箱/PCA-6006LV主板/P42.0G/512M/80G/52XCD-ROM/10-100M/聲卡/網卡,22′液晶寬屏,研華工控機,HP打印機,3KVAUPS電源。上位機軟件選用Intellution公司的IFIXPLUSSCADAPAK4.0組態軟件,通過內置的VB語言編程來實現鍋爐運行狀態的監控,其主界面如圖4所示。上位機具有的功能:①能實時顯示和調控各種工作參數(例如,給水溫度、壓力和流量;過熱蒸汽溫度、壓力和流量;過熱器出口煙溫;汽包水位和汽包壓力;空氣預熱器進口/出口風溫;爐膛出口溫度和壓力;排煙溫度;送風壓力等);②能實時顯示、監控各設備的工作狀況(例如,泵、電動機的開啟和運行;電動閥和調節閥的自動、手動開啟與開大、調小等);③能顯示、查詢和打印歷史故障記錄(例如,故障名稱、時間等);④能實時報警(例如,給水壓力低、汽包壓力高、過熱蒸汽壓力高、汽包水位高/低、給水箱水位高/低、熄火故障、各電機故障、各電動閥門故障),對于需要報警的參數,在實時數據庫中對相應的數據塊采用“啟用報警處理”、“報警類型”、“報警區域”、“報警優先級”、“上限”、“下限”等設置,一旦生產過程中某些重要參數異常,則以聲光報警的形式立即通知監控人員,其鍋爐儀表演示畫面如圖5所示。IFIX4.0通過建立,連接數據庫,然后編輯VBA腳本讀取數據:IFIX先由vxData1控件通過ODBC接口從數據庫(Access)讀取數據,然后根據Alarm_History_Query程序查詢條件將數據送到vxGrid1控件顯示界面。IFIX采用歷史定義、歷史采集和歷史顯示三個獨立的程序來完成歷史趨勢顯示功能的,在歷史定義中先定義好所有需要歷史記錄的采集點,歷史采集程序在系統運行時始終保持運行狀態,將采集來的數據存儲在硬盤上,IFIX4.0通過MBE-modbusEthernetv7.17驅動來實時采集和利用現場數據,掃描周期為1s,歷史顯示程序將數據以圖形形式顯示在界面上(如圖6所示)。在生產中通過對工藝參數歷史數據的分析與對比,能有效地預測和控制工藝及生產。4plc與上位機通訊工業以太網結合TCP/IP協議是目前應用最廣泛的局域網絡技術之一,在控制系統監控層的應用方面,通過全雙工交換技術,可以完全避免CSMA/CD中的碰撞,消除了控制系統數據傳輸的瓶頸,實時性能較好,支持的數據傳輸速率包括10Mbps,100Mbps和1Gbps,并且可以方便地實現優先級響應機制。以太網具有以下優點:開放性好;數據傳輸率很高;遠程技術的應用,容易與信息網絡集成;有利于資源共享;支持多種的物理傳輸介質(同軸電纜、雙絞線、光纜、無線)和拓撲結構;成本和費用低廉。在本系統中,上、下位機使用基于TCP/IP協議的工業以太網通訊,選用140NOE77101,QUANTUMEthernet10/100M的通訊模塊。施耐德Quantum140CPU11302SPLC在Concept2.6平臺和上位機的連接:要求PLC的MAC地址與計算機的IP地址設在同一網段,它們分別為:84.20.93.166和84.20.93.168,設置好以后下載程序到PLC,然后再重新設置網絡連接下的TCP/IP協議,設置PLC的IP的地址為192.168.100.51,上位機的IP為192.168.100.53,SubnetMask:255.255.255.0。施耐德Quantum140CPU11302SPLC與IFIX4.0的連接:IFIX的MBE驅動的IP地址設為192.168.100.51。傳輸介質使用經濟實用的雙絞線,采用建筑地(地樁)的接地方式。IFIX4.0通過MBE驅動和PLC實時處理現場數據,根據實際需要在PLC中共使用I/O點數222個,定義為6位地址,模擬量輸入(AI)為300001-300042,模擬量輸出(AO)為400001-400088(注:有些地址未用,有些是Real型),開關量輸入(DI)為100001-100079,開關量輸出(DO)為000001-000090。為保證上下位機的通訊,數據采集和實時控制,在IFIX4.0數據庫中采用與PLC相同的點地址一一對應,上位機采集下位機中來自現場的數據,經過處理后再將控制命令傳給下位機,以此監控運行過程。控制系統采用下位機自動控制、上位機自動、手動控制和就地手操相結合的方式,來保證整個系統可靠地運行。下位機自動