ControlLogix5000在锅炉生产中的应用

1、Control-Logix5000在锅炉生产过程中的应用摘 要 针对锅炉装置采用电盘装仪表及单回路控制设备无法完成复杂控制和操作不便、存在不安全因素的问题，改造并应用了一套罗克韦尔Control-Logix5000PLC系统以监控、调节并保护锅炉装置的安全运行。经开车运行表明，系统运行稳定可靠，解决了原来落后的仪表屏操作和单回路控制存在的问题，大大提高了装置的信息集成水平、生产过程的安全性和可操作性。本文详细介绍了项目背景、对象的控制需求及ControlLogix5000控制系统的组成、结构、特点、功能及在65T/h锅炉生产过程中的应用情况，以供类似项目的控制系统改造借鉴。关键词 锅炉 Con

2、trol-Logix5000控制系统 三冲量 应用 一.概 述：随着石油化工市场竞争的日趋激烈，在大力开发和应用新的工艺技术、加大石油产品深加工力度的同时，进一步提高生产过程的安全管理、合理降低人工资源成本也成了各企业挖潜增效的重要手段之一。石化企业中锅炉作为相关炼化装置的动力和热能的重要来源之一，对装置生产的连续性和安全起着相当重要的作用。某公司3台产汽能力为65吨/小时锅炉，于上世纪九十年代初建成投用。由于历史原因和当时自动控制技术水平的限制，其综合控制均采用单回路调节器及电盘装仪表进行控制的方式。随着生产管理、挖潜增效要求的不断提高，旧的控制系统已能以满足现场实际生产和安全的要求；同时计

3、算机控制技术和网络技术的日益发展也为提高锅炉控制水平创造了有利的条件。正是在此情况下，该公司于2007年对上述3台产汽能力为65吨/小时锅炉的控制系统进行了全面改造：将原单回路调节器及电盘装仪表改造为罗克韦尔的PLCControlLogix5000控制系统，变单回路控制器控制和仪表屏监视调节为综合的PLC系统控制。从生产控制效果来看，既提高了锅炉自动控制效率、综合控制能力也大大的提高了安全保证，同时也使得人机界面更为友好。二控制系统改造项目简介2.1项目背景 该公司65t/h CO锅炉是武汉锅炉厂的产品。它的主要用途是在回收、利用炼油厂重油催化裂化装置再生烟气中CO烟气的热能的同时，消除CO烟

4、气及其它有害气体对大气的直接污染。该炉有一套完整的燃烧设备，采用燃料气、燃料油等多种燃料的燃烧。 其工艺原理是：采用自然循环，双锅筒布置，微正压燃烧，采用膜式水冷壁提高炉子的严密性。炼油厂燃料气(油)燃烧器前墙布置，CO烟气气喷口布置于炉子底部。尾部采用正压钢珠除灰装置，不设空气预热器。整台锅炉采用全露天布置，全悬吊结构。经过同类型锅炉运行实践的经验证明该锅炉具有处理CO烟气量大，燃烬度高，出力大，燃烧稳定、效率高。原控制系统采用了单回路调节器及电盘装仪表进行控制的方式，不仅要求较多的操作人员，且只能够通过在操作室仪表盘上的刻度仪表和调节器对锅炉生产工艺进行监视操作和调节控制，生产工艺的参数设

5、置以及数据查询、生产报表、故障记录等也都无法历史查询，达不到当前石化生产对管控一体化的要求。同时，经过近二十年运行，仪表设备使用年限过长，元器件老化严重，设备故障频繁，备件难于购买，存在严重的安全隐患，给生产操作管理和安全管理带来相当大的影响。为解决这些问题决定对该控制系统进行改造。2.2项目控制方案选择1) 淘汰老化的二次仪表，采用Control-logix系统的Logix5550控制器进行数据采集，上位机监控方案。2) 考虑生产安全系数，PLC系统采用电源与CPU冗余热备方案。3) 淘汰锅炉气包液位三冲量调节仪，采用PLCC处理。汽包液位、蒸汽流量由模拟量模块采集，处理器进行前馈双PID调

6、节运算，输出控制给水阀开度。4) 上位机采用两套系统，其中一个作为备用；设置于150吨锅炉控制室，通过工业以太网引至150吨锅炉控制室。上位机至PLC柜通信线采用5类非屏蔽双绞线。5) 与原锅炉联锁保护装置系统链接，使锅炉联锁保护装置能正常投用。6) 同时结合三台锅炉燃烧器系统改造项目，相应配置了与就地控制柜控制系统连接的接口，通过硬接线与PLC连接，实现集中控制。三.Control-Logix控制平台系统简介3.1系统的基本组成及结构如图3-1所示，应用中的系统主要由CPU模块、输/入输出（I/O）模块、编程设备、电源模块等部分组成。图3-1 Control-Logix系统的基本组成Cont

7、rol-Logix控制系统以微处理器为核心，系统结构以三层网络为构架：设备层、自动控制层和信息集成及管理层。该系统把先进的控制技术、通讯技术、计算机技术、CRT技术与现场仪表有机地结合起来。一方面，其先进的系统构建理念，高性能的硬件与功能强大的RSLogix5000软件相结合组成了一个可实现多种性质控制任务和复杂任务控制的系统；另一方面，其具有先进的通讯能力、最新的I/O技术和模块化设计的特点。将顺序控制、过程控制、传动控制及运动控制、通讯、I/O技术集成在一个平台上。提供了单一的集成化控制构架，各个控制站之间能够按照客户的要求进行信息的交换。实现对生产过程的集中监视、集中操作和分散控制，为生

8、产提供了通用的控制工具、软件环境以及跨平台的通讯支持。3.2系统的特点及功能Control-Logix控制系统的主要特点：（1）无缝连接：易于和其他网络上的程序控制器透明地收发信息，兼容性好。（2）快速：ControlLogix结构在背板上提供了高速数据传输总线，Logix5550控制器提供了高速传输的控制平台。（3）可组态：可根据工业生产的需要增减控制器和通信模板的个数，可在一个机架内使用多个控制器。（4）工业化：ControlLogix提供了高强度平台，可耐受振动、高温及各种工业环境下的电气干扰。 (5) 结构紧凑可有效减少配电盘的空间，多个控制器、IO模板及通信模扳可任意组合而无需控制器

9、在网络间实现桥接。(6) 提供完善的控制器及模块的冗余功能，采用热备的冗余的方式构建控制器，可带电拔插一个模块而无需断开系统的其他模块，并提供可拆卸接线端子排，使用方便，易于维护。（7） 同时，具有可靠的通信功能和诊断特性及通用的用户界面和特性设置，配有灵活、易操作的编辑器，可点击设备直接进行IO组态。（8） 该系统采用RSView32中文监控软件，中文显示，修改方便，易于操作、管理。 系统硬件功能：Control-logix可以提供完善的控制器的冗余功能，采用热备的冗余的方式构建控制器，两个控制器框架采用完全相同的配置，它们之间使用同步电缆连接，不仅控制器可以采用热备，通讯网络也可以采用相似

10、的方式进行热备，控制器的电源也可以进行热备，从冗余框架内的控制器要和主冗余框架的控制器同步，从而为具有最高优先级任务内任何逻辑控制输出提供无扰动切换。切换在100msec内完成。系统软件功能：Control-logix软件系统包括集成软件开发平台RSLogix5000、通讯服务软件RSlinx、网络组态软件RSNetWorks。RSLogix5000软件是符合IEC61131-3标准的软件包，是一个包含编程、诊断、在线监控等功能的集成系统开发平台。系统的主要功能为控制工程师和系统编程人员提供一个可以把程序概念转换成一系列的程序图和定义用于快速地创建可执行程序。RSLinx提供了一个贯穿整个网络

11、友好的用户图形界面，支持和许多不同网络上的多种设备同时进行通讯，它为Rockwell的PLC与各种Rockwell应用软件之间建立起通信联系，从而实现操作站和PLC之间的连接。RSNetWorks网络组态软件是用于进行组态和规划的工具，允许用户为网络创建一个图形化界面，并配置相应的参数以定义网络。又根据三层网络构架分别有三个软件：设备网络组态RSNetWork for DeviceNet、 控制网络组态RSNetWork for controlNet、以太网组态RSNetWork for EtherNet/IP。3.3系统工作原理如前所述，该锅炉控制系统由锅炉本体、一次仪表、Control-L

12、ogix5000控制系统、执行机构及阀等部分组成。其主要工作原理是将一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量等热工参数转换成标准信号输入Control-Logix5000控制系统，然后由该控制系统控制器中预置组态的控制算法将这些信号进行运算处理，得出的数据分三路：显示于操作站上用于操作监视、发出模拟或数字控制信号至现场执行机构以实现调节控制和安全联锁、从将数据经网络连接通信至信息集成管理层进行数据集成和生产管理。3.3.1. 冗余控制系统信息同步工作原理ControlLogix冗余系统硬件结构由两个完全一样的控制器框架组成，每个ControlLogix冗余系统框架中控制器模块、通信模块和SRM模

13、块。两个控制器框架之间，完全靠系统冗余模块SRM来完成同步和数据的交换。进入同步状态的主机控制器，自动地传送备份数据到辅机控制器。控制器通过与SRM的连接，得知自己是主机控制器还是辅机控制器，从而决定是传送数据还是接收数据。两个控制器的同步运行和大量数据的复制，保证了控制器输出的无扰动切换。 在成对的冗余框架中，首先上电的框架成为主机框架，后上电的框架作为辅机框架，并建立与主机控制器的同步。当出现主机控制器所在框架掉电、拔插主机框架上的任何模块、控制器程序发生主要故障、断开CNBR模块（Control Net网络通讯模块）上的Control Net分接器或电缆、断开ENBT（EtherNet/

14、IP网络通讯模块）模块的EtherNet/IP电缆等情况，或者收到来自主机控制器中用MSG发送的命令、来自Rslinx中SRM模块组态页面操作的命令都会发生冗余切换。3.3.2. 系统网络通信工作原理罗克韦尔PLC的通信层是一个完整的开放性网络，它包括三个网络层：即设备层、控制层、信息层。图3-2开放式系统网络通讯结构图在设备层是采用DeviceiNet（设备网）将底层的设备网络，它是只是在简单的工业设备和高层直接连接到控制器上，无需通过导线将它与I/O模块连接。在控制层是采用ControlNet网络，它满足了连接PLC处理器、I/O计算机、操作员界面以及其他智能化设备所需的实时、高信息吞吐量

15、的要求。控制网网络组合了I/O网络和对等网络的功能，同时提供了这两个网络的高速性能。有5Mb/s的传输速率，可以重复传输诸如I/O数据刷新和处理器信息互锁的关键数据，也支持非实时关键数据的传输。在信息层是工业以太网，通过以太网可以访问车间级数据，从而将控制系统与信息管理系统集成起来，主要为控制系统的数据集汇、监视和生产管理。有10Mb/s的传输速率，控制协议为TCP/IP。四.控制系统配置及控制应用4.1锅炉的控制需求锅炉是个较复杂的过程对象，为保证提供合格的蒸汽以适应负荷的需要，生产过程各主要工艺参数必须加以严格控制。主要调节项目有；负荷、锅炉给水、燃烧量、减温水、送风等。主要输出量是:汽包

16、水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气等。这些输入量与输出量之间是互相制约的。汽包水位是影响锅炉安全运行重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常运行；严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂；严重时会造成干锅，损坏汽包。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水量，通过对给水量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围内。汽包水位对蒸汽流量和给水流量变化的响应呈积极性。汽包水位控制系统实质是维持锅炉进出量的平衡系统，水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的

17、汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，也保证安全生产。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，因此液位主调节回路以外，还引入蒸汽流量（作前馈信号）和给水流量（作串级副回路为测量信号）两个辅助参数，构成了锅炉的三冲量调节系统。4.2控制系统的配置在65t/h CO锅炉控制系统改造项目中，采用了冗余的Control-logix，系统结构如图4-1所示。上位机通过交换机与PLC处理器通讯，远程框架通过冗余的ControlNet连接到控制器框架，同时，远程框架采用了冗余电源配置。整套系统具有很高的可靠性，满足了锅炉系统对于PLC控制部分需要长期无故障运行的要求。上位机采用Rsview32软件，

18、用以监控现场设备的运行。本地框架由a和b 框架构成，运行时a和b互为热备，构成了冗余，所有的点号都连接到远程框架的模块，远程框架的供电使用了罗克韦尔的冗余电源(1756-PAR2)。选择2对高性能的1756-L61及1757-SRM冗余分别配置在2个独立的框架中（每个框架冗余供电），冗余模块间通过高速光纤进行同步。选择1756-CNBR网络模块实现完全无扰动的切换，主从控制器框架的的节点地址时应注意，他们的地址拨码应该相同，应该是系统中挂接在冗余ControlNET网上所有节点的最高地址，在本系统里面都设置为4，远程站的节点地址分别为1，2，3。在冗余系统正常运行时，从控制器框架的CNBR节点

19、地址会自动加1，变为5。1757-SRM是用于同步的冗余模块，主从控制器框架的SRM通过光纤连接。正常工作时，1756-L61中所有的程序和数据通过光纤进行同步，在RSlogix500编程中，不必对此模块进行组态。1756-ENBT是以太网接口模块，通过网线连接到交换机。ENBT的地址分配为两个连续的IP即可， 在这个系统中IP地址分别为192.168.0.99和192.168.0.100。在RSLogix5000中进行冗余系统的编程时，只能使用一个连续性任务或几个周期性任务。尽量不要使用SINT和INT型的数据，另外，数据的定义最好都采用数组完成，这样可以提高同步时的效率。在打点和程序调试期

20、间，由于经常下载程序，这个时候容易导致同步出错，最好在1757-SRM中把自动同步选项设为禁用，采用手动的方式进行同步。等调试完毕后，再把这个选项打开，正式将系统投运。RSLinx中的冗余配置为了保证冗余系统能够和上位机的HMI软件正常通讯，需要在RSLinx中进行冗余配置。RSLinx中，首先定义两个Topic，分别指向主框架和从框架的处理器，然后，在Alias Topic中，定义一个别名Topic，指向刚才定义的两个Topic，在使用时，HMI中的节点的定义只要指向别名Topic就可以了，当处理器发生主从切换时，HMI仍然可以保持正常的通讯。图4-1 Control-logix冗余控制系统

21、详细结构图4.3典型控制应用 从上述的锅炉控制需求中可以知道，锅炉的控制重点和难点在于锅炉给水三冲量控制如图4-2所示，系统采用主副两个PID调节器。主调节器用于水位调节，其中汽包水位是被控量，是主冲量信号，汽包水位的变化直接影响给水控制量大小。副调节器用于给水调节，根据蒸汽流量和给水流量的偏差进行PI调节。负荷增加时，蒸汽流量增大，副调节器控制输出增大，以前提前抵消虚假水位上升而使给水量减少的影响；负荷减小时，蒸汽流量减小，副调节器控制输出减少，以前提前抵消虚假水位下降而使给水量增大的影响。图4-2 锅炉三冲量控制回路原理图注：应解释图中的符号“H：液位W：给水量D：蒸汽量”等。4.4 主要

22、功能实现：4.4.1三冲量的实现汽包液位、蒸汽流量由模拟量模块采集，处理器进行前馈双PID调节运算，输出控制给水阀开度。保证锅炉汽包安全运行。4.4.2人机界面实现上位机采用一用一备，提供友好的人机界面和方便的操作方式。画面包括：流程图画面、操作画面、调节画面、主要参数表显示画面、报警画面、历史与实时趋势显示画面等标准功能画面，其中操作画面配有确认画面，以减少误操作可能性，提高系统的可靠性。4.4.3安全联锁实现系统选择自检功能，针对I/O模块故障、背板通讯故障、CPU故障，能够启动故障程序保证系统安全，同时采取10路信号由1进2出电流信号分配器与锅炉联锁保护装置进行连接，保证了原有锅炉联锁系统可靠运行。4.4.4网络实现公共部分、炉1、炉2、炉3四部分4个部分系统和上位机用冗余以太网连接。每部分系统的电源和CPU冗余，冗余机架