林源炼油厂热电分厂锅炉控制系统

工业锅炉是生产过程中的重要动力设备。在石油化工领域，它的主要作用是向各生产装置提供所需要的合格蒸汽，其控制质量的优劣不仅关系到锅炉自身运行的效果，而且还将直接影响到相关装置生产过程的稳定性。

    下面以林源炼油厂热电分厂锅炉控制系统改造项目为例，介绍力控®组态软件在工业锅炉控制系统中的应用。

  

一、现场条件与改造内容

热电分厂3#、4#锅炉原控制系统的操作站为两台INTEL工控机、WINDOWS 3.1操作系统，组态软件为INTOUCH5.1，下位机PLC是GE FANUC90-30 PLC。 针对原系统不同程度存在的一些问题，提出了改造的要求，归纳起来主要有以下三个方面的内容：

1 .更新操作站，实现双机冗余操作，具有在线热备份功能，解决Y2K问题。

    2 .更换组态软件，增加报表打印、班组核算、流量计算、报警参数查询等功能。在保持原操作画面风格的情况下，重组监控画面，方便参数修改。




3.压力等采集点和控制点。根据锅炉运行状况，能够随时进行手动、自动、串级三种控制方式的无扰动切换。

4. 解决Y2K问题。  

二、系统设计

    用KP工业控制机替换原系统操作站，用力控®组态软件替换原来的INTOUCH5.1软件，从根本上解决Y2K问题。

    硬件连接方法

    保留原有的GE FANUC90-30 PLC可编程序控制器，利用其CMM311可配置口和电源模块SWP321分别与两台KP机连接。

  其中：电源模块SWP321经SNP接口与1#操作站的RS232串口连接。SNP接口与RS232串口连接的方法见图3所示；而通讯模块CMM311则直接与2#操作站RS232串口连接，连接方法见图2所示。CMM311是专用通讯模块，它支持GE Fance CMM通讯协定、RTU（Modbus）通讯协定，以及SNP协仪等。





双机冗余操作策略

两台操作站中，一台作为主机，另一台作从机。当系统首次启动时，只有主机与PLC建立通讯，从机只有与PLC间的物理通讯链路，但不与PLC通讯，从机通过主机读取PLC的数据，操作人员在从机上发出的控制命令也经主机下达给PLC。正常情况下，操作人员无论在哪个操作站上都能够正常操作，当从机发现主机出现故障时，便启动与PLC通讯的程序，由从机变成主机，同时发出系统报警，从而实现双机实时数据库的冗余热备用。  

三、软件设计说明

    操作站组态

   （1）报表打印

    利用力控®组态软件中的“历史报表”工具，可以方便地实现报表打印功能。

    在“数据表”上可以设定报表打印的时间范围、时间间隔和时间输出的格式；点名是DB中的变量参数名，填写时必须和DB数据库中的变量相对应；格式是用来定义报表中数据长度和小数的位数，如5.2为5位字符长，小数点后有2位小数。





（2）班组核算

班组核算制是目前国内各企业普遍采用的一种经济管理方式。它是把实际生产中的有关参数取出来，然后按企业确定的核算公式进行计算，从而得到本班组一定时间内的经济效益。随着计算机控制系统的普遍应用，管控一体化的要求也日益增加，用数采系统得到的生产数据直接参与核算，不仅消除了繁琐的人工计算过程和工作强度，而且极大地提高了管理水平。下面着重介绍在该系统中实现班组核算的一般方法。

班组核算是根据送出的蒸汽数量、消耗的煤、油、水等数量，经过核算公式计算，得出一段时间内的经济效益及各岗位的费用支出，然后根据用户的要求定时打印班组核算表，并利用数据库DB把相关参数保存起来。极大地方便了企业对生产的监督。

例如锅炉控制系统部分的班组核算公式为：

本班有上煤时：

耗煤量=上煤量-[交班（存煤量+存粉量）-接班（存煤量+存粉量）]

本班没有上煤时：

耗煤量=接班（存煤量+存粉量）-交班（存煤量+存粉量）

    单位成本值：

单位成本=（煤耗量*单价+耗电量*单价+除盐水耗量*单价+瓦斯消耗量*单价+耗油量*单价+耗天然气量*单价+耗风量*单价+耗气量*单价+折旧+工资+低值易耗+耗液态烃量*单价+材料消耗+工资附加费+财产保险+劳保）/总发汽量；

    贡献毛利值：

    贡献毛利=总发汽量*（蒸汽单价-单位成本）；

从以上几个公式可以看出，这样直接可以看到本月的贡献毛利，从而得到实际的经济效益。如图5所示。





四、PLC控制算法设计

      锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等；主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、炉膛负压、过剩空气等。因输入变量与输出变量相互关联，如果蒸汽负荷发生变化，必将会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度的变化。所以说锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的控制对象，本控制系统将其分为送风系统、炉膛负压系统、磨煤热风系统、汽包水位系统、汽包压力和主汽温度系统几部分（见图6）。





      以汽包水位系统为例，受控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包中水位在工艺允许范围之内，这是保证锅炉、汽轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标。

1. 汽包水位的动态特性

         a.蒸汽负荷（蒸汽流量）对水位的影响，即干扰通道的动态特性。主要是在蒸汽量突然增加时，产生假水位现象。

         b.给水流量对水位的影响，即控制通道的动态特性。当给水时，给水温度和汽包内的水温相差很大，所以给水量增加后，使汽包中汽泡含量减少，导致水位下降。

         c.锅炉排污、吹灰等对水位也有影响。

2. 控制方法

    基于汽包水位的特性，我们采用串级控制系统。因本系统受控对象有较大滞后，主控制器采用PID控制。

    a.减少干扰对主回路的影响，可由副回路控制器予以校正。

    b.由于副回路的存在减少了相位滞后，从而改善了主回路的响应速度。

    c.对控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性。

    d.副回路可以按照主回路的需求对对象实施精确控制。

实际PLC的控制程序采用主副回路进行串级控制，即主回路的输出做为副回路的设定值，经副回路输出作用于被控对象。也可以不用副回路只用主回路形成单回路调解，或手动操作完成。
主调节器




串级控制回路算法




副调节器




PLC程序

    本系统共有6个PID回路，除了炉膛负压和磨煤热风外均为主、副串级控制，程序的控制算法也是一样的，只有每个程序中的变量不同，每部分程序主要由两个PID回路构成，第一个为主回路，第二个为副回路。  

四、  系统运行情况

      该系统自动化程度较高，大大降低了操作者劳动强度，降低了成本，经过近2年的运行，用户给予了很高评价，认为利用力控®开发的上位机监控程序功能完善，综合性强，人机界面友好，实用性好。