SMPT-1000鍋爐綜合控制系統(tǒng)
摘 要
工業(yè)鍋爐是一個(gè)比較復(fù)雜的被控過程，其多輸入多輸出、多回路、非線性的特性，使得目前工業(yè)鍋爐的綜合控制性能不盡如人意。然而，鍋爐是過程工業(yè)中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠?yàn)檎麴s、化學(xué)反應(yīng)、干燥、蒸發(fā)等過程提供熱源，而且還可以作為壓縮機(jī)，泵類的動(dòng)力源。因此，鍋爐的綜合控制，也成為一個(gè)廣泛研究的課題。
本系統(tǒng)通過S7-300硬件組態(tài)PLC，完成基于PROFIBUS DP通信總線對(duì)SMPT-1000仿真鍋爐的除氧器水位及壓力、汽包水位以及出口蒸汽壓力和出口蒸汽溫度等各參數(shù)的綜合控制；此外通過組態(tài)以太網(wǎng)完成與上位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)了基于CloudControl（INSPEC）組態(tài)軟件組態(tài)的監(jiān)控平臺(tái)對(duì)SMPT-1000鍋爐各控制參數(shù)的監(jiān)控。系統(tǒng)投運(yùn)后運(yùn)行穩(wěn)定，控制性能良好。本文重點(diǎn)闡述CloudControl組態(tài)軟件在該綜合控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：西門子PLC；CloudControl；SMPT-1000鍋爐控制；出口蒸汽壓力；汽包液位
系統(tǒng)簡介
鍋爐是是石油化工、電廠等工業(yè)過程中非常重要的動(dòng)力設(shè)備。鍋爐的工藝流程大概可以概述為：冷流經(jīng)過除氧器除氧處理之后，在爐膛內(nèi)吸收燃料釋放出來的熱量變成一種高溫高壓氣體，并將氣體傳送到下游工序的一個(gè)過程。
本課題采用高級(jí)多功能過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)（Super Multifunction Process Control Training System，SMPT-1000）中的鍋爐單元作為被控對(duì)象，其正視圖和實(shí)物圖如圖1•1所示，通過控制該仿真鍋爐了解與研究工業(yè)鍋爐控制的特點(diǎn)。


SMPT-1000鍋爐正視圖和實(shí)物圖
本課題以西門子公司的SIMATIC S7-300 PLC為控制器，通過硬件組態(tài)和PROFIBUS DP通信網(wǎng)絡(luò)，完成S7-300和SMPT-1000之間的通信組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的綜合控制。基于STEP7軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐各控制回路的控制調(diào)節(jié)PID參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)投運(yùn)。此外，在PLC和上位機(jī)之間建立以太網(wǎng)通信，通過CloudControl監(jiān)控組態(tài)軟件組態(tài)，實(shí)現(xiàn)與PLC之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SMPT-1000鍋爐各個(gè)部分對(duì)象參數(shù)的監(jiān)視，并可在線整定PID參數(shù)。本課題最終完成CloudControl監(jiān)控平臺(tái)與S7-300 PLC之間、S7-300 PLC與SMPT-1000仿真鍋爐之間的通信與控制，實(shí)現(xiàn)本課題所要實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控層-現(xiàn)場(chǎng)控制層-現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象之間的三層通訊結(jié)構(gòu)及綜合控制，如圖1•2所示。


SMPT-1000鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
其中由CloudControl組態(tài)軟件組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)形成上位機(jī)監(jiān)控環(huán)境，通過Ethernet Network通信網(wǎng)絡(luò)與下位機(jī)SIMATIC S7-300 PLC通信。再由下位機(jī)PLC通過Profibus DP 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的綜合控制。

SMPT-1000系統(tǒng)構(gòu)成
SMPT-1000鍋爐大體上可以分為4個(gè)單元：除氧器單元、爐膛單元、減溫器單元和汽包單元。共含有除氧器、上水管網(wǎng)、上汽包、鍋爐本體、省煤器、減溫器、蒸汽管線等設(shè)備，且有21個(gè)模擬量和6個(gè)開關(guān)量檢測(cè)點(diǎn)。此外還有9個(gè)調(diào)節(jié)閥，5個(gè)開關(guān)閥，兩臺(tái)泵，一臺(tái)壓縮機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
其工藝流程如圖1•3所示。


SMPT-1000鍋爐工藝流程圖
除氧器控制單元
除氧器有兩個(gè)作用，一是除去軟化水中的氧氣，另外是防止水源停水，作為一個(gè)儲(chǔ)水箱，延長鍋爐的緊急停運(yùn)過程。對(duì)鍋爐的穩(wěn)定性和安全性具有重要的意義。由此可知，除氧器對(duì)軟化水的除氧效果影響著整個(gè)鍋爐設(shè)備的安全與壽命，并影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。因而除氧器的控制也是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。除氧器水位過高會(huì)影響除氧效果，缺水則會(huì)影響缺水事故，都會(huì)影響著整個(gè)鍋爐的有效控制，因而在除氧器控制中，以除氧器液位為一個(gè)對(duì)象參數(shù)，施行控制。此外，除氧器的擾動(dòng)較少，允許液位在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，因此在對(duì)除氧器液位回路控制中，采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)調(diào)節(jié)器無水位偏差信號(hào)輸入，也無輸出，進(jìn)水閥不動(dòng)。當(dāng)鍋爐給水流量變化（如階躍擾動(dòng)）時(shí)，給定水位與反饋產(chǎn)生偏差輸入到調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)調(diào)節(jié)給水流量，使水位保持穩(wěn)定。
基于上述內(nèi)容，除氧器控制單元包括除氧器液位控制回路和除氧器壓力控制回路。
爐膛控制單元
在整個(gè)鍋爐系統(tǒng)中，爐膛的重要性可想而知，其過熱蒸汽所要達(dá)到的溫度以及壓力，均是由送入爐膛中的燃料與風(fēng)量混合后燃燒釋放出來的熱量實(shí)現(xiàn)的。此外，爐膛壓力大小也影響著系統(tǒng)的安全。因而，此處在爐膛控制單元中，把出口蒸汽壓力，和爐膛壓力作為被控對(duì)象予以控制。
減溫器控制單元
從工藝流程知道，由爐膛加熱軟化水生產(chǎn)出來的蒸汽會(huì)通過一個(gè)減溫器，與進(jìn)料冷料的一個(gè)分支進(jìn)行換熱。但由于過熱蒸汽要保證出口壓力的穩(wěn)定，而用了燃料進(jìn)料量來控制。至使不能直接簡單的再用燃料量進(jìn)料量來控制出口蒸汽溫度，一般而言，所需要的蒸汽出口壓力穩(wěn)定的情況下，所生產(chǎn)出來的蒸汽溫度也基本穩(wěn)定在所需溫度，但當(dāng)溫度有波動(dòng)時(shí)，在保證壓力穩(wěn)定的前提條件下，這里設(shè)計(jì)用在換熱器流過冷料流量大小來控制出口蒸汽溫度的穩(wěn)定。綜上可知，這兒以蒸汽出口溫度為被控對(duì)象，以去減溫器的汽包上水量為控制參數(shù)，通過調(diào)節(jié)閥FV1103的開度，調(diào)節(jié)冷卻液流量，以達(dá)到出口蒸汽溫度的穩(wěn)定。
汽包控制單元
針對(duì)工業(yè)鍋爐，汽包水位波動(dòng)的幅度影響鍋爐的安全運(yùn)行，蒸汽壓力和穩(wěn)定性。汽包水位的控制是非常重要的。目前采用的較為普遍的串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)，即以鍋爐蒸汽流量，汽包水位，鍋爐給水流量這三個(gè)變量，通過2個(gè)PID控制器，實(shí)現(xiàn)給水的自動(dòng)控制。
上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)
主控畫面
本課題用CloudControl組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)。完成鍋爐系統(tǒng)的監(jiān)控，如圖所示，為上位機(jī)監(jiān)控畫面的主控畫面。
  
上位機(jī)監(jiān)控主畫面
    在其中可以監(jiān)視著整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的參數(shù)，并可以通過右下方的控制器板塊，進(jìn)行各控制器參數(shù)調(diào)整。也可以點(diǎn)擊操控平臺(tái)中的按鈕，進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線，數(shù)據(jù)顯示的集中監(jiān)控。此外，在進(jìn)行分塊整定PID參數(shù)時(shí)，可以通過左方按鈕點(diǎn)擊，進(jìn)行單一控制區(qū)域的參數(shù)的監(jiān)控。
分組控制畫面如圖：


分組控制畫面
例如，除氧器畫面，除了可以直觀的顯示出除氧器液位，還能夠監(jiān)控相關(guān)參數(shù)，不需要進(jìn)入集中的數(shù)據(jù)顯示畫面，此外還能夠在右上方上監(jiān)視與除氧器相關(guān)的全部或部分實(shí)時(shí)曲線。也可以點(diǎn)擊“歷史曲線”查看該參數(shù)的所有記錄曲線。在該畫面下，可以點(diǎn)擊控制器按鈕，打開單一控制器進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)控。無需進(jìn)入控制器組畫面尋找對(duì)應(yīng)的控制器。


圖4•3 除氧器壓力控制器畫面
控制器組畫面
控制器組畫面與單一控制器作用差不多，也是對(duì)相應(yīng)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，測(cè)量值顯示，以及控制器手自動(dòng)切換控制的集中模塊。但不同的是這里匯總了本課題鍋爐系統(tǒng)的所有控制器，即可以在該畫面中調(diào)整所用的控制器參數(shù)，不必一一打開單一的控制器畫面。從而方便在工業(yè)上，對(duì)大多數(shù)回路控制器參數(shù)的集中調(diào)整。
控制器組畫面如圖所示：


控制組畫面
在控制器組畫面下，同樣也可以與主控畫面，數(shù)據(jù)顯示畫面等進(jìn)行相互切換。方便監(jiān)控點(diǎn)的切換。
數(shù)據(jù)顯示畫面
數(shù)據(jù)顯示畫面，顧名思義，是集中顯示所有參數(shù)的地方，工業(yè)上需要集中管理整個(gè)系統(tǒng)的所有參數(shù)而構(gòu)建的這一平臺(tái)。如圖所示：

圖4•5 數(shù)據(jù)顯示畫面
數(shù)據(jù)顯示畫面是分為多個(gè)模塊進(jìn)行的參數(shù)顯示的。例如除氧器液位塊，就能夠清楚的看到除氧器液位測(cè)量值，以及其液位給定值。此外，還能夠看到影響其液位的軟化水流量值以及控制它的閥開值。
曲線畫面
實(shí)時(shí)曲線畫面
實(shí)時(shí)曲線，是顯示設(shè)定時(shí)間范圍，各參數(shù)變化趨勢(shì)的一個(gè)平臺(tái)，這里集中了除氧器液位，除氧器壓力，汽包液位，蒸汽出口壓力，蒸汽出口溫度和爐膛壓力這六個(gè)被控參數(shù)，相關(guān)的各變量的曲線。為了更好的監(jiān)控，配置曲線顯示時(shí)長為兩個(gè)小時(shí)。在每條曲線標(biāo)注前都添加了復(fù)選框，可以通過選中與否控制是否顯示對(duì)應(yīng)曲線。以排除過多曲線的干擾，為監(jiān)控者帶來不必要的視覺影響。

圖4•6 實(shí)時(shí)曲線畫面

歷史曲線畫面
歷史曲線畫面包括曲線顯示配置、坐標(biāo)縮放、刷新、時(shí)間配置等等。還有一個(gè)公共曲線顯示區(qū)以及在其下方的曲線具體數(shù)值顯示塊。與實(shí)時(shí)曲線不同的是，它所顯示的曲線，是依賴于實(shí)時(shí)控制的時(shí)候所通過歷史記錄功能，記錄下來的數(shù)據(jù)構(gòu)成的曲線。因而它不僅可以顯示實(shí)時(shí)曲線的當(dāng)前內(nèi)容，也可以顯示超過實(shí)時(shí)曲線所限定的兩小時(shí)以外的內(nèi)容。方便過去歷史數(shù)據(jù)的分析。然而歷史曲線并不是自動(dòng)打開就能夠顯示，而是需要配置曲線以及查看時(shí)間段，且必須基于數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存數(shù)據(jù)才能夠有顯示作用，因此歷史曲線無法取代實(shí)時(shí)曲線。故本課題在方面實(shí)時(shí)監(jiān)控的前提下添加了歷史曲線平臺(tái)，方便更全面的分析實(shí)時(shí)控制效果以及歷史控制曲線趨勢(shì)。
如圖所示：

歷史曲線畫面
通信連接
CloudControl組態(tài)軟件與PLC通過SIMATIC公司提供的網(wǎng)絡(luò)通信軟件SIMATIC.NET來實(shí)現(xiàn)。要組態(tài)CloudControl之前必須先組態(tài)SIMATIC.NET軟件包下的STATION CONFIGURATION EDITOR木塊。打開后在OFFLINE狀態(tài)下添加Application模塊，與STEP7中一樣，再添加IE General通信塊，地址自動(dòng)獲取為本機(jī)地址。返回STEP7軟件，在PC工作站欄目下，修改PG-PC interface 為 PC internal 通道，將STEP7中組態(tài)的Application應(yīng)用程序塊和IE General通信塊下裝到STATION CONFIGURATION EDITOR中，進(jìn)行相應(yīng)模塊的連接。
如下圖所示：

Station Configuration Editor組態(tài)圖
連接完畢后，打開已經(jīng)構(gòu)建好的CloudControl工程，在工程欄下的I/O通信下添加SimaticNet通道，CP選擇TCP/IP協(xié)議下的本機(jī)網(wǎng)卡，VFD自動(dòng)選擇由STEP7軟件組態(tài)的Application模塊。然后選擇通信對(duì)象為以太網(wǎng)S7-300工作站，完成硬件選擇。
當(dāng)完成硬件選擇后，針對(duì)需要從PLC讀入的數(shù)據(jù)和需要寫入PLC的變量個(gè)數(shù)一一建立對(duì)應(yīng)變量關(guān)聯(lián)表。使得，CloudControl畫面中所用到的變量與實(shí)際PLC讀入的變量真正對(duì)應(yīng)起來。


CloudControl通道組態(tài)


CloudControl通信組態(tài)變量表
完成變量的關(guān)聯(lián)，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)建立完成，整個(gè)鍋爐系統(tǒng)也構(gòu)建完成。
結(jié)論
系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了以CloudControl監(jiān)控平臺(tái)為上位機(jī)通過Ethernet以太網(wǎng)與PLC下位機(jī)通信，且通過PROFIBUS DP通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)SMPT-1000鍋爐的綜合控制，整個(gè)系統(tǒng)控制良好。

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