PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線的鍋爐控制系統(tǒng)分析

韓如萍

（北京英貝思科技有限公司，北京 100000）

1 相關(guān)概念

1.1 PLC

PLC的全稱為可編程邏輯控制器，是一種專門為適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。PLC的核心是可編程存儲(chǔ)器，在內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、操作控制以及計(jì)算等，采用模擬量、數(shù)字量輸入輸出的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。PLC編輯器在實(shí)際應(yīng)用中好比一臺(tái)集成計(jì)算機(jī)，具有擴(kuò)展性、可靠性等優(yōu)勢(shì)。無論是計(jì)算機(jī)直接控制還是集中分散控制系統(tǒng)DCS，都可以滿足絕大部分工業(yè)生產(chǎn)需求。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線是一種針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)總線，負(fù)責(zé)工業(yè)智能儀表、控制器以及執(zhí)行器之間的信息通信，實(shí)現(xiàn)控制指令和數(shù)據(jù)信息的傳遞?，F(xiàn)場(chǎng)總線具有經(jīng)濟(jì)適用、可靠性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，特別適用于自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域。如今，現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)取替了傳統(tǒng)的4～20 mA模擬信號(hào)傳輸。

1.3 WinCC

WinCC全稱為視窗控制中心，是首個(gè)使用最新32位技術(shù)的過程監(jiān)控系統(tǒng)，具有靈活性、開放性等特點(diǎn)。WinCC可以讓設(shè)備、機(jī)械最優(yōu)化運(yùn)行，提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和可用性。

2 鍋爐控制系統(tǒng)改造要求

PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線的鍋爐控制系統(tǒng)改造，需要保持出水溫度負(fù)荷穩(wěn)定性，即恒溫出水；要保證爐膛內(nèi)風(fēng)煤比最優(yōu)，提高燃料的燃燒效率；爐膛負(fù)壓穩(wěn)定，保持燃燒效益；保持給水、出水壓力的穩(wěn)定性。

結(jié)合PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)改造要求，需要改造后的系統(tǒng)對(duì)出水/回收溫度、出水/回水壓力、鼓風(fēng)量、給煤量以及負(fù)壓信號(hào)等進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，并將檢測(cè)的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示。如果信號(hào)超出標(biāo)準(zhǔn)可以自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)[1]。針對(duì)鍋爐內(nèi)部系統(tǒng)的連鎖問題（如鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行順序連鎖等），綜合調(diào)節(jié)循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速等，以最佳的燃燒效率運(yùn)行，降低煤煙產(chǎn)出量和污染。

3 鍋爐控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，包括恒壓補(bǔ)水、循環(huán)流量調(diào)節(jié)和燃燒控制等。其中，恒壓補(bǔ)水系統(tǒng)主要是針對(duì)管網(wǎng)滲漏問題（不可避免）匹配相應(yīng)的給水量，確保鍋爐運(yùn)行水壓恒定；循環(huán)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以確保出水壓力保持恒定；燃燒控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)供熱量穩(wěn)定和出水溫度恒定，同時(shí)確保鍋爐運(yùn)行燃燒效率，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

3.2 軟硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合鍋爐運(yùn)行特性，將PLC設(shè)置為下位機(jī)，負(fù)責(zé)處理開關(guān)量、模擬量信號(hào)。PC作為上位機(jī)，采用WinCC組態(tài)軟件構(gòu)建監(jiān)控界面，利用現(xiàn)場(chǎng)總線與PLC直接通信。

3.2.1 硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合鍋爐控制系統(tǒng)運(yùn)行要求和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，硬件系統(tǒng)采用最新的西門子PLC設(shè)備，共2臺(tái)；數(shù)字量擴(kuò)展模塊共4個(gè)，模擬量擴(kuò)展模塊共4個(gè)；現(xiàn)場(chǎng)總線采用2塊接口模塊，通信卡2塊，并配備現(xiàn)場(chǎng)總線接頭與線纜；變頻器8臺(tái)，對(duì)應(yīng)引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、爐排電機(jī)、循環(huán)泵電機(jī)和3臺(tái)循環(huán)泵，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；上位機(jī)采用2臺(tái)PC。

3.2.2 軟件設(shè)計(jì)

PC操作系統(tǒng)采用Windows 10、WinCC10.0和編程軟件。軟件采用結(jié)構(gòu)化編程方案，并調(diào)用各個(gè)功能模塊，相關(guān)功能也可以在相應(yīng)模塊中實(shí)現(xiàn)。程序掃描時(shí)間為100 ms以內(nèi)，采樣、標(biāo)度變化、流量計(jì)算、線性化以及PLC控制執(zhí)行周期為200 ms，以毫秒量級(jí)累計(jì)數(shù)據(jù)，可以更好地傳遞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息[2]。數(shù)據(jù)采集通過傳感器獲取模擬量輸入信息采集，將模擬量輸入模板讀入模擬量值，數(shù)值為12位整數(shù)，定義系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)塊，包括模擬量通道數(shù)量、濾波重復(fù)采集次數(shù)和模擬量起始通道地址。

4 鍋爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

主要以壓力與溫度控制、上位機(jī)、上下位機(jī)設(shè)計(jì)為主。

4.1 溫度與壓力控制

溫度與壓力控制的對(duì)象是引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和爐排電機(jī)。采用聯(lián)動(dòng)控制方案，3種設(shè)備分別采用獨(dú)立的變頻器驅(qū)動(dòng)控制。為了能夠確保出水溫度的恒定，采取串級(jí)雙閉環(huán)控制方案。出水溫度作為主要控制變量，爐膛溫度作為次要控制變量，采用主副配合控制方案，這兩個(gè)控制單元均采用PD控制方法。當(dāng)今大部分編程軟件中都含有PD控制子程序，在實(shí)際操作中修改相關(guān)闡述即可直接在數(shù)據(jù)庫中調(diào)用。

在除水溫度變送器中輸入電路接口接熱電阻，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)標(biāo)量為4～20 mA，以模擬量擴(kuò)展單元通過總線傳輸?shù)絇LC下位機(jī)，在PLC中將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和線性變換，即可獲取到水溫實(shí)際測(cè)量數(shù)值。將處理的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)閾值進(jìn)行對(duì)比，在主控單元PD中運(yùn)算分析后傳輸給副控制單元進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算的數(shù)據(jù)輸出4～20 mA電流信號(hào)控制爐排電機(jī)變頻器中[3]。結(jié)合信號(hào)數(shù)據(jù)和煙氣實(shí)際含量計(jì)算最佳的風(fēng)煤比值，從而計(jì)算出鼓風(fēng)機(jī)的最佳控制數(shù)值。通過PD運(yùn)算控制鼓風(fēng)機(jī)變頻器，實(shí)時(shí)調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率，提高燃煤的燃燒率，確保鍋爐以最佳的狀態(tài)運(yùn)行，降低運(yùn)行成本。

在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，將爐膛運(yùn)行壓力控制在允許范圍內(nèi)，保持引風(fēng)量和鼓風(fēng)量的比值，結(jié)合鍋爐規(guī)格、生產(chǎn)要求設(shè)定爐膛負(fù)壓運(yùn)行閾值，驅(qū)動(dòng)PD程序調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速量，將爐膛負(fù)壓控制在閾值允許范圍內(nèi)。本系統(tǒng)利用汽包蒸汽壓力控制爐排電機(jī)運(yùn)行效率即燃料量，結(jié)合鍋爐負(fù)荷變化大的特性，系統(tǒng)將汽包壓力控制回路中的蒸汽流量作為前饋信號(hào)。根據(jù)蒸汽壓力動(dòng)態(tài)特性可知，蒸汽負(fù)荷變化會(huì)導(dǎo)致燃料量變化，而將其作為前饋信號(hào)可以直接反映燃料量負(fù)荷變化。本系統(tǒng)將汽包壓力變化傳輸?shù)礁闭{(diào)節(jié)器中，通過串級(jí)控制方案調(diào)節(jié)煙氣氧含量，副調(diào)節(jié)負(fù)責(zé)送風(fēng)量控制，這樣連接變頻器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目標(biāo)，可以明顯改善鍋爐運(yùn)行熱效率，將爐膛壓力控制在0～100 Pa的微負(fù)壓范圍，提高鍋爐運(yùn)行的效益[4]。

4.2 上位機(jī)系統(tǒng)

新型上位機(jī)監(jiān)控軟件WinCC 10.0性能更加豐富，操作十分靈活，通信便捷。上位機(jī)操作采用權(quán)限管理，將其劃分為工程師站和操作員站，采用WinCC上的項(xiàng)目復(fù)制器，將一臺(tái)工控機(jī)上組態(tài)數(shù)據(jù)復(fù)制到另一臺(tái)工控機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)2臺(tái)工控機(jī)的同時(shí)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息的實(shí)時(shí)備份和儲(chǔ)存。采用WinCC組態(tài)軟件顯示上位機(jī)控制的監(jiān)控畫面。用戶在上位機(jī)呈現(xiàn)監(jiān)測(cè)畫面，設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，還可以檢查運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警記錄和動(dòng)態(tài)信息等。

4.3 上位機(jī)與下位機(jī)的總線通信

通過現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議將PLC和WinCC聯(lián)通，可以保證數(shù)據(jù)傳輸效率，擴(kuò)展性能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。

（1）在編程軟件中將現(xiàn)場(chǎng)總線通信模式設(shè)定為configured mode模式，在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具中加載GSD文件，生成相關(guān)選項(xiàng)，完成后即可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。將PC機(jī)設(shè)定為主站、BM277設(shè)定為從站，主站地址為1，從站地質(zhì)分別為2和3，確保每個(gè)站的地址與相關(guān)硬件一一對(duì)應(yīng)。通過BM277模塊旋轉(zhuǎn)開關(guān)設(shè)定從站地址硬件設(shè)置，旋轉(zhuǎn)開關(guān)出現(xiàn)變動(dòng)后，系統(tǒng)要重新配置，此時(shí)要重新啟動(dòng)電源。鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊從站，從屬性中找到configure選項(xiàng)，即可設(shè)置從站數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小，在parameter中選擇偏移地址，對(duì)應(yīng)PLC的數(shù)據(jù)區(qū)，實(shí)現(xiàn)區(qū)的劃分。2號(hào)從站與數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)地址連接，3號(hào)從站與數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)地址連接，完成整個(gè)系統(tǒng)的組態(tài)功能，將NCM文件導(dǎo)出并生成.TXT文件。在properties中設(shè)置通信參數(shù)，采用DP通信協(xié)議確保傳輸速率滿足要求。設(shè)置完畢后針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，在診斷對(duì)話框中點(diǎn)擊“test”，顯示“OK”則表示配置無誤。

（2）在WinCC中添加新的驅(qū)動(dòng)程序，選擇好驅(qū)動(dòng)程序和板卡編號(hào)，configure與之前生成的.TXT路徑相同。在PLC正常運(yùn)行過程中，采用WinCC軟件中的診斷程序測(cè)試通信情況，如果顯示為綠色標(biāo)志（WinCC中是綠色小旗），則表示已經(jīng)成功建立通信渠道。

（3）構(gòu)建WinCC變量，可以劃分為in和out。這個(gè)兩個(gè)變量是針對(duì)主站運(yùn)行條件而選擇的，in代表WinCC從PLC獲取數(shù)據(jù)，out表示W(wǎng)inCC向PLC存儲(chǔ)器中寫入數(shù)據(jù)，in、out分別對(duì)應(yīng)PLC數(shù)據(jù)區(qū)。

5 結(jié) 論

采用以PLC、現(xiàn)場(chǎng)總線的鍋爐控制方案，可以有效提高鍋爐的運(yùn)行效率，降低污染。采用最新的PLC控制器、現(xiàn)場(chǎng)總線、WinCC，可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、下位機(jī)的一體化控制與監(jiān)控，自動(dòng)調(diào)節(jié)鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié)，減少人為因素的負(fù)面干預(yù)，既能夠保障鍋爐運(yùn)行效率和安全，也可以降低運(yùn)行成本，綜合效益高。