基于雙機(jī)冗余WNS 鍋爐群控系統(tǒng)研制

郝 佳，張建華，趙 隆

（1.西安工程大學(xué) 后勤管理處，西安710048；2.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)院，咸陽(yáng)712099；3.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安710048）

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代鍋爐工業(yè)的高速發(fā)展和新型數(shù)字鍋爐房的興建，在節(jié)能減排、循環(huán)利用的發(fā)展要求下，新型鍋爐設(shè)備正朝著自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化、成套化、系列化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的單體設(shè)備對(duì)應(yīng)的獨(dú)立監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于目前同一廠房（車間）內(nèi)多臺(tái)大型鍋爐設(shè)備群的控制，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足智能數(shù)字化的安全監(jiān)控要求。

針對(duì)目前流行的多臺(tái)鍋爐設(shè)備群，將傳統(tǒng)的工控機(jī)IPC（industrial PC）+PLC 的自動(dòng)化技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS（fieldbus control system）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，進(jìn)行群控是一種最優(yōu)的控制模式選擇。群控技術(shù)通過(guò)現(xiàn)代檢測(cè)裝置全面獲悉熱源、熱力網(wǎng)和熱用戶的運(yùn)行情況后，根據(jù)熱負(fù)荷的變化及時(shí)調(diào)節(jié)熱源供熱情況從而滿足熱用戶的需要。通過(guò)群控技術(shù)，既能實(shí)現(xiàn)爐群中各單體設(shè)備的生產(chǎn)自動(dòng)化，又能保證整個(gè)爐群同步協(xié)調(diào)生產(chǎn)。同時(shí)，在群控模式基礎(chǔ)上再結(jié)合雙機(jī)冗余技術(shù)，由此不僅能提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件，而且提高了鍋爐爐控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，降低停爐概率，為熱源、熱力網(wǎng)安全可靠高效運(yùn)行提供保障。因此研制雙機(jī)冗余鍋爐爐控系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在此，以某單位的3 臺(tái)WNS 型燃?xì)庹羝仩t工程項(xiàng)目為背景，結(jié)合鍋爐爐群設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)和控制要求，介紹所研制的鍋爐群控系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)。

1 鍋爐爐群設(shè)備組成與運(yùn)行控制要求

1.1 鍋爐爐群設(shè)備組成

鍋爐爐群設(shè)備主要由3 臺(tái)不同蒸發(fā)量的WNS型燃?xì)庹羝仩t組成。因鍋爐的基本結(jié)構(gòu)相同，故在此僅介紹其中一臺(tái)。

鍋爐由本體設(shè)備、燃燒機(jī)、軟化給水系統(tǒng)及配套輔助設(shè)備組成。其中，本體設(shè)備由鍋筒、爐膛、長(zhǎng)短煙管、底座等組成，主要完成將軟化水變?yōu)樗魵膺^(guò)程；燃燒機(jī)一般為整機(jī)一體化設(shè)備，由燃燒室、點(diǎn)火裝置、穩(wěn)壓閥、引風(fēng)機(jī)、比例調(diào)節(jié)閥等組成，與爐膛、長(zhǎng)短煙管完成鍋爐燃燒過(guò)程及煙氣流動(dòng)的三回程；軟化給水系統(tǒng)由軟化水箱、給水泵及管道組成，主要將軟化水加壓送至鍋筒內(nèi)；配套輔助設(shè)備主要由蒸汽主閥、安全閥、排污裝置、人梯、各種儀表及自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，主要完成安全保護(hù)及排污等功能。

1.2 鍋爐爐群運(yùn)行特點(diǎn)

3 臺(tái)鍋爐的運(yùn)行模式采用母管式并列運(yùn)行，理論上為了使每臺(tái)鍋爐盡量處于該臺(tái)設(shè)備最佳負(fù)荷值，應(yīng)保證各臺(tái)鍋爐的燃燒負(fù)荷平衡，以避免輸出負(fù)荷值偏離最佳負(fù)荷值從而導(dǎo)致熱量的浪費(fèi)和設(shè)備使用壽命的縮短。然而實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，熱負(fù)荷不是平均分配而是隨機(jī)動(dòng)態(tài)分配的，司爐工根據(jù)每臺(tái)鍋爐負(fù)荷能力的經(jīng)驗(yàn)值來(lái)分配各個(gè)鍋爐應(yīng)帶負(fù)荷量，而負(fù)荷調(diào)度時(shí)候各爐負(fù)荷分配值并不一定等于各爐最佳負(fù)荷值，只能是盡量向最佳值靠攏，這樣才能保證3 臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行時(shí)的整個(gè)系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)。

1.3 控制要求

近年來(lái)由于鍋爐爆炸事故頻發(fā)所造成的人員傷亡或經(jīng)濟(jì)損失案例不在少數(shù)，究其原因大部分是因?yàn)樽詣?dòng)控制系統(tǒng)在鍋爐發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)沒(méi)有報(bào)警提示或者沒(méi)有及時(shí)動(dòng)作造成的。

自動(dòng)控制系統(tǒng)是鍋爐成套設(shè)備中最關(guān)鍵部分，對(duì)于鍋爐設(shè)備群顯得尤為重要，特別是與鍋爐安全運(yùn)行有關(guān)工藝參數(shù)如鍋筒液位、 出汽壓力檢測(cè)控制，出汽溫度、出汽流量、回水溫度、回水壓力、燃燒器進(jìn)口煙溫、煙道排煙溫度等參數(shù)的檢測(cè)，以及出汽壓力超限、鍋筒水位超限、出汽溫度超高等信號(hào)的檢測(cè)。

同時(shí)，根據(jù)鍋爐爐群運(yùn)行特點(diǎn)可以得知，要使?fàn)t群中每臺(tái)鍋爐處于燃燒最佳狀態(tài)，需對(duì)鍋爐設(shè)備群進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，這種調(diào)度不能依靠傳統(tǒng)方式通過(guò)司爐工憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)中需要的總熱量和各爐最佳負(fù)荷值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。這就需要根據(jù)以往人工經(jīng)驗(yàn)、系統(tǒng)中需要總熱量、各爐最佳負(fù)荷值進(jìn)行設(shè)計(jì)，編制出一種鍋爐熱負(fù)荷動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)度調(diào)節(jié)算法，由此大大降低運(yùn)行成本和能量損耗，同時(shí)延長(zhǎng)鍋爐使用壽命。

2 雙機(jī)冗余群控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)組成

鍋爐爐群監(jiān)控系統(tǒng)采用2 臺(tái)研華IPC 作上位機(jī)，2 臺(tái)S7-300 西門子PLC，若干臺(tái)具有ProFiBus通訊接口的智能儀表為下位機(jī)。該系統(tǒng)上位機(jī)與西門子PLC 之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接，智能儀表與上位機(jī)之間通過(guò)S7-300 PLC 采用ProFiBus 現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)成一種典型的中型DCS，實(shí)現(xiàn)鍋爐爐群設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中各工藝參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)與控制。

該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中主備站的2 個(gè)CPU 同時(shí)并列運(yùn)行，但是在正常運(yùn)行時(shí)只有主站CPU 收發(fā)指令，而備用站CPU 檢測(cè)、 記錄主站CPU 狀態(tài)和指令，同時(shí)主站CPU 與IM153-2 模塊建立通訊鏈接以保證主站CPU 能訪問(wèn)I/O 模塊。當(dāng)主站CPU 發(fā)生故障時(shí)，備用站CPU 立即延續(xù)當(dāng)前狀態(tài)接替其收發(fā)指令，同時(shí)與IM153-2 模塊恢復(fù)通訊保證I/O 信號(hào)的傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)組成原理如圖1 所示。

2.2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)組成原理Fig.1 Monitoring system composition principle

上位監(jiān)控設(shè)備選擇研華公司工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC-610H。該IPC 配置酷睿i5-4590T（主頻2.6 GHz）的CPU，8 GB DDR3 內(nèi)存，1 TB 硬盤，帶有RS-232C標(biāo)準(zhǔn)通訊接口、以太網(wǎng)卡及打印機(jī)并行口，上位監(jiān)控人機(jī)界面選擇63.5 cm 三星液晶顯示器。IPC 配置西門子公司專用的高速以太網(wǎng)通訊卡，2 臺(tái)IPC 通過(guò)網(wǎng)線及交換機(jī)相互連接，從而構(gòu)成IPC+PLC+工業(yè)以太網(wǎng)的雙機(jī)冗余系統(tǒng)。

程序控制該P(yáng)LC 控制系統(tǒng)由2 套PLC 組成，系統(tǒng)選用德國(guó)西門子公司的S7-300 系列PLC（CPU 315-2DP）。該系列PLC 具有豐富的指令，能很好地滿足控制系統(tǒng)需要。ET200M 上配置3 個(gè)SM334 模塊完成1 號(hào)—3 號(hào)鍋爐鍋筒液位三沖量檢測(cè)控制功能，其余的信號(hào)模塊完成1 號(hào)—3 號(hào)鍋爐設(shè)備上各種數(shù)字量、 模擬量信號(hào)檢測(cè)控制的功能。帶有ProFiBus-DP 接口傳感器將鍋爐爐群設(shè)備中關(guān)鍵的工藝參數(shù)數(shù)值（如溫度、壓力、流量），用數(shù)字信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸給上位機(jī)，在畫(huà)面中顯示出來(lái)。

鍋筒液位控制鍋筒液位大幅波動(dòng)極易形成鍋筒內(nèi)空水或滿水，從而影響設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，使鍋筒液位維持在設(shè)定值及其安全范圍內(nèi)，顯得極為重要。

如前所述，影響液位主要因素是蒸汽流量、給水流量。隨著蒸汽流量增加或者減少，鍋筒液位隨之就要減少或者增加，給水流量就要隨之增加或者減少，從而維持給水量和蒸汽量之間的平衡，保證鍋爐正常運(yùn)行。鍋筒液位三沖量自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 鍋筒液位三沖量自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.2 Composition of three-impulse automatic control system for boiler level

爐群負(fù)荷自動(dòng)調(diào)度控制 在進(jìn)行爐群負(fù)荷自動(dòng)調(diào)度之前，必須算出爐群中各個(gè)鍋爐的最佳負(fù)荷值，最佳負(fù)荷值是結(jié)合以下4 個(gè)參數(shù)綜合確定：①鍋爐出廠參數(shù)； ②鍋爐長(zhǎng)期運(yùn)行歷史趨勢(shì)曲線；③司爐工長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累值；④調(diào)度人員調(diào)度經(jīng)驗(yàn)值。

在求得最佳負(fù)荷值之后，算出各個(gè)鍋爐在最佳負(fù)荷值在爐群總的最佳負(fù)荷值中所占比例。再用當(dāng)前實(shí)際所帶負(fù)荷值，減去爐群總的最佳負(fù)荷值所得到的偏差，乘以上一步算出比例值，得出各個(gè)鍋爐實(shí)際負(fù)荷與最佳負(fù)荷值的差值。最后用該差值加上該爐最佳負(fù)荷值即得到該爐調(diào)度期望值。期望值和實(shí)際值約接近則表明鍋爐燃燒狀態(tài)越好。

3 雙機(jī)冗余監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 雙機(jī)冗余系統(tǒng)工作原理

雙機(jī)冗余系統(tǒng)是一個(gè)完全成鏡像對(duì)稱的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。其中，2 臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完全類似，工程師站和操作員站工程文件基本相同，執(zhí)行同樣的任務(wù)；2 個(gè)站點(diǎn)均完成實(shí)時(shí)控制、畫(huà)面顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示、冗余控制等功能。

具體工作原理： 系統(tǒng)采用雙機(jī)熱備份技術(shù)，工程師站和操作員站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接在同一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。正常情況下，操作員站處于工作狀態(tài)，工程師站處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)同時(shí)以一定時(shí)間段（心跳時(shí)間）向操作員站發(fā)出是否工作正常指令，操作員站應(yīng)答表示系統(tǒng)工作正常，如果沒(méi)有應(yīng)答則表明操作員站處于異常狀態(tài)，工程師站立即切斷與操作員站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，代替其從下位機(jī)接收數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生、記錄報(bào)警信息及異常事件。同時(shí)，工程師站還會(huì)定時(shí)監(jiān)聽(tīng)操作員站狀態(tài)，一旦操作員站恢復(fù)正常，工程師立即切換至熱備份狀態(tài)，操作員站繼續(xù)從下位機(jī)接收、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生并記錄報(bào)警信息和異常事件。雙機(jī)冗余數(shù)據(jù)熱備結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙機(jī)冗余數(shù)據(jù)熱備結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of dual-redundant data hot-standby system

3.2 雙機(jī)熱備上位組態(tài)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面采用西門子上位組態(tài)軟件WinCC V7.0 在Windows XP Professional 系統(tǒng)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。監(jiān)控系統(tǒng)軟件利用WinCC 實(shí)現(xiàn)雙機(jī)冗余和熱機(jī)備份，具有工程師站和操作員站功能。工程師站完成系統(tǒng)組態(tài)、開(kāi)發(fā)和監(jiān)視功能，操作員站完成系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視功能。2 個(gè)站都擁有用戶管理界面、工況圖畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面、數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線畫(huà)面、歷史報(bào)表畫(huà)面，通過(guò)這些畫(huà)面完成了1 號(hào)—3 號(hào)鍋爐設(shè)備所有工藝參數(shù)顯示、記錄、存儲(chǔ)等功能。

實(shí)現(xiàn)雙機(jī)冗余主要有3 個(gè)因素：工程師站網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、 操作員站網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和WinCC V7.0 中數(shù)據(jù)庫(kù)中變量“$雙機(jī)冗余狀態(tài)”。工程師站和操作員站網(wǎng)絡(luò)設(shè)置根據(jù)該計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的信息來(lái)進(jìn)行，變量“$雙機(jī)冗余狀態(tài)”用于表示2 個(gè)站點(diǎn)狀態(tài)，在操作員站內(nèi)該變量為正值，在工程師站為負(fù)值。如在操作員站中，該變量數(shù)值若為“1”則表示操作員站工作狀態(tài)正常，為“2”則表示異常；如在工程師站中，該變量數(shù)值若為“-1”則表示工程師站檢測(cè)到操作員站異常，為“-2”則表示檢測(cè)到操作員站異常，工程師站代替操作員站工作。

3.3 控制主程序設(shè)計(jì)

控制主程序采用Step7 V5.5 SP2 軟件在PC 上編程，完成后下載到PLC 中即可?？刂瞥绦蛴? 個(gè)主程序和4 個(gè)子程序組成。

系統(tǒng)初始化部分初始化程序完成了系統(tǒng)的初始化和故障診斷與連鎖保護(hù)，在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行聲光進(jìn)行報(bào)警。

系統(tǒng)控制部分完成3 臺(tái)鍋爐設(shè)備啟停順序控制、工藝參數(shù)檢測(cè)、蒸汽出口壓力檢測(cè)控制、鍋筒液位檢測(cè)控制，分別調(diào)用相應(yīng)的控制子程序。

3.4 控制子程序設(shè)計(jì)

控制子程序包括：

1）鍋爐設(shè)備啟停順序控制 該子程序完成3臺(tái)鍋爐安全的啟爐、停爐功能。如何將各個(gè)危險(xiǎn)信號(hào)與鍋爐啟?？刂七B鎖起來(lái)是其重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2）工藝參數(shù)檢測(cè)控制子程序 該子程序完成3臺(tái)鍋爐系統(tǒng)蒸汽出口溫度、出汽壓力、出汽流量、回水溫度、回水壓力、節(jié)能器進(jìn)口煙溫、排煙溫度等參數(shù)檢測(cè)。

3）蒸汽出口壓力控制子程序 該子程序主要完成3 臺(tái)鍋爐蒸汽出口壓力維持在設(shè)定值，其基本思想為根據(jù)蒸汽出口壓力變化，及時(shí)調(diào)整燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥以保證燃?xì)夂涂諝馀浔入S之變化從而滿足生產(chǎn)需要。

4） 鍋筒液位控制子程序 針對(duì)鍋筒液位控制系統(tǒng)的非線性、大慣性、大時(shí)滯、參數(shù)時(shí)變和難以精確建模等特點(diǎn)，系統(tǒng)控制策略采用三沖量的模糊PID 控制算法，即根據(jù)不同時(shí)刻的誤差和誤差變化率的輸入，建立液位模糊控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)在線智能控制。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)

該鍋爐爐群監(jiān)控系統(tǒng)基于雙機(jī)冗余技術(shù)構(gòu)建，具有以下功能：鍋爐爐群設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀況動(dòng)態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示等功能；通過(guò)遠(yuǎn)端PC 上的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器可動(dòng)態(tài)瀏覽設(shè)備狀況和測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳及修改設(shè)定參數(shù)等功能；鍋爐爐群設(shè)備狀態(tài)預(yù)警和工藝參數(shù)超限報(bào)警提示；鍋爐爐群設(shè)備運(yùn)行參數(shù)修改功能，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)所有可變參數(shù)（如儀表量程、工藝參數(shù)上下限報(bào)警值等）均可以根據(jù)工藝要求加以修正；鍋爐爐群設(shè)備參數(shù)報(bào)表打印功能，不僅可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)表打印，又可以打印歷史數(shù)據(jù)報(bào)表；鍋爐鍋筒液位控制功能，通過(guò)具有自整定功能的模糊PID 控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)3 臺(tái)鍋爐鍋筒液位的控制。

鍋爐爐群監(jiān)控系統(tǒng)采用最新組態(tài)技術(shù)開(kāi)發(fā)，具有以下特點(diǎn)：既有上下位的雙機(jī)冗余熱備份，又具有工程師和操作員站功能。在監(jiān)控系統(tǒng)軟件中采用C 語(yǔ)言的腳本程序設(shè)計(jì)出故障診斷和處理程序，當(dāng)突發(fā)一些典型的故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示操作員并同時(shí)啟動(dòng)安全保護(hù)程序，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性；上位監(jiān)控畫(huà)面功能強(qiáng)大，具有良好的人機(jī)界面接口；具有良好的抗干擾能力，系統(tǒng)采用軟件濾波算法才采集來(lái)的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

基于雙機(jī)冗余的鍋爐爐群監(jiān)控系統(tǒng)于2018 年在某單位投入使用。實(shí)際運(yùn)行效果表明：該系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足鍋爐爐群的工藝和控制要求，控制精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，實(shí)現(xiàn)了鍋爐爐群設(shè)備的平穩(wěn)、安全、高效的運(yùn)行，在民用鍋爐爐群控制領(lǐng)域具有典型的應(yīng)用示范作用。