基于quumplc和以太网通讯技术的工业燃煤锅炉控制系统

基于quumplc和以太网通讯技术的工业燃煤锅炉控制系统

0在锅炉环保意识不强、不能再加强的情况下,燃煤锅炉在一次能源中的应用进展迅速燃煤锅炉是重要的动力设备，如发电、化工、石油和焦炭。该炉能耗大，对最佳条件和节能具有重要的经济效益。然而目前国内除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术(如DCS、FCS)外,一般的小型锅炉仍在使用仪表、继电器作为主要的控制手段(如DDZ-Ⅱ或M型系列仪表),人为参与过多,工作条件差,劳动强度大,锅炉的热效率低,资源浪费和污染严重。又因为更新设备经济压力过大,燃煤锅炉作为将一次能源转化为二次能源的重要设备,随着能源问题的突出,环保意识的增强,对设备的高效投入和能源的有效利用要求越来越高。针对上述特点和不足,在为内蒙古华润金能热电厂燃煤锅炉设计控制系统时,进行了大量的数据资料的收集与整理,对硬件设备的采购选型进行了对比与参照,设计了一种控制与维护方便、管理安全、燃煤热效率有所提高和排污量减少、性价比合理的自动控制系统。1燃烧锅炉的工作过程内蒙古华润金能热电厂2X330MW机组启动锅炉控制系统分为下位机和上位机两部分,通过以太网通讯,实现下位机与上位机数据的高速交换(如图1)。其中下位机选用SchneiderQuantumconcept2.6XLSR5系统采集现场数据(如温度、液位、压力等)和控制现场设备,其中电源模块为140CPS11420,主控制器模块为140CPU11302,通讯模块为140NOE77101,模拟量输入模块为140AT103000(8通道,类型J,K,T,S,R,B)和140AC104000(16通道),模拟量输出模块为140AC013000(8通道,4-20MA),数字量输入模块为140DD184100(16点,10-60VDC,8组隔离)和140DDI85300(32点,10-60VDC,4组隔离),数字量输出模块为140DRA84000(16点,2A/点)。上位机选用Intellution公司的IFIXPLUSSCADAPAK4.0监控软件以组态画面的形式实时显示生产过程的各种参数与报表、报警和历史查询信息,通过设置工艺和监控参数实时控制锅炉工作过程。燃煤锅炉由上下锅筒、炉膛、省煤器、空气预热器、引风设备、送风设备、给水设备、除灰除尘设备等组成,其工作过程分3个部分:①燃料煤由给煤除尘器处理后经振动给料机、1#输送机、2#输送机传送到炉排转动的链条炉蓖上,炉排通过变速齿轮减速后由链条来带动,将燃料煤带入炉内,控制炉排转速来调节给煤转速,从而调节给煤量的多少,根据给煤量多少调节鼓风、引风转速,自动合理调节空气和燃料的配比,以达到最佳燃烧,提高了燃煤热效率。燃料燃烧剩下的灰渣,在炉排末端通过出渣电动机处理后排入灰斗,从省煤器和空气预热器排出的烟气经脱硫除尘器等处理后排入大气,减少了排污量。②燃料燃烧所放出的热量使得炉内温度很高,高温烟气与布置在炉膛四周墙面上的水管进行强烈的辐射传热,烟气将热量传递给管内的水后,由于引风机和烟囱的引力作用而向炉膛上方流动,沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道,经省煤器和空气预热器进行热交换,以较低的温度排出锅炉。③经过软化、除氧处理的水由泵加压,先流经省煤器而得到预热,然后进入锅筒。锅炉工作时,汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物,它们位于烟气温度较低的对流管束中。由于受热较少,汽水混合物的容重较大,而处于烟气温度较高区的水冷壁和对流管束受热多,其相应工质的容重小,这样容重大的工质向下流入下锅筒,而容重较小的工质则向上流入上锅筒,形成水的自然循环。由于上锅筒内的汽水分离设备和锅筒本身空间内的重力分离作用,使汽水混合物得以分离。2lad开发平台下位机软件选用SchneiderQuantumconcept2.6XLSR5系统,逻辑程序采用梯形图语言LAD编程,编写了Adjvalve(调节阀),Elvalve(电动阀),Motor(电动机控制),Pmp(泵),Spid(单PID),Thpid(三冲量PID)等多个DFB和主程序STRBOIL.PRJ来实现联锁保护、有效的反馈及其他控制系统,实时采集现场数据和控制现场设备。1出渣电机处理燃煤控制系统见图2,引风电机要比送风电机先启动,送风电机停止后再延时停止引风电机,在炉膛内形成一定的微负压,负压过大,漏风严重,烟气热量损失过大,不利于安全生产和环境卫生,本系统锅炉炉膛负压控制在-10Pa左右。出渣电机用来处理灰渣,要比炉排电机先启动,比炉排电机后停止,这样使炉膛通畅。给水和蒸汽控制系统见图3,锅筒极低水位时自动开启紧急放水电动阀,除氧水位低时开启给水泵电动阀和给水调节阀,锅筒压力(汽包压力、过热蒸汽压力)过高时自动开启过热器出口电动阀,过热器管道中的蒸汽温度超过工艺要求时可以开启减温水电动阀进行两次减温。2pid增量式控制系统自动控制理论可分为开环控制系统和闭环控制系统。闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈。调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID调节,分为模拟和数字PID两种。当系统控制器和被控对象的结构和参数不能完全掌握或不能通过有效的测量手段来获得,得不到精确的数学模型,控制理论的其他技术也难以采用时,必须依靠经验和现场调试来确定,此时最适合用PID控制技术,数字PID控制分为位置式和增量式两种。本系统采用数字PID增量式闭环反馈系统,串级加前馈三冲量给水控制,运用先进的串级加前馈算法,锅筒水位作为主参数,并引入蒸汽流量来修正虚假水位,同时引入给水流量来修正锅筒水位与蒸汽流量的计算误差,当锅筒水位处于某处位置时,控制给水调节阀至相应位置,从而控制锅筒的进水量,使锅筒水位在小范围内变化,实现连续给水,有助于提高蒸汽品质,减少水泵启停次数,延长水泵使用寿命。使用了THPID与SPID两个DFB块分别作为三冲量气包水位调节阀和单PID减温水调节阀的参数控制,采用了两个反馈闭环增量式系统,一个正反馈和一个负反馈系统。当水位过低,则由于汽包内水量较少,而负荷却很大,水的汽化速度又很快,因而汽包内的水量变化速度很快,如果不及时控制,就会使汽包内的水全部汽化,导致锅炉烧坏和爆炸,因此要能够根据反馈的参数调节给水调节阀,增加水的流量,形成正反馈系统。当过热器中蒸汽温度较高时,能够根据反馈的参数调节两级减温水调节阀,增加减温水流量,来降低蒸汽温度,使它达到用户需求,形成负反馈系统。3锅炉仪表显示系统上位机采用IPC-610P机箱/PCA-6006LV主板/P42.0G/512M/80G/52XCD-ROM/10-100M/声卡/网卡,22′液晶宽屏,研华工控机,HP打印机,3KVAUPS电源。上位机软件选用Intellution公司的IFIXPLUSSCADAPAK4.0组态软件,通过内置的VB语言编程来实现锅炉运行状态的监控,其主界面如图4所示。上位机具有的功能:①能实时显示和调控各种工作参数(例如,给水温度、压力和流量;过热蒸汽温度、压力和流量;过热器出口烟温;汽包水位和汽包压力;空气预热器进口/出口风温;炉膛出口温度和压力;排烟温度;送风压力等);②能实时显示、监控各设备的工作状况(例如,泵、电动机的开启和运行;电动阀和调节阀的自动、手动开启与开大、调小等);③能显示、查询和打印历史故障记录(例如,故障名称、时间等);④能实时报警(例如,给水压力低、汽包压力高、过热蒸汽压力高、汽包水位高/低、给水箱水位高/低、熄火故障、各电机故障、各电动阀门故障),对于需要报警的参数,在实时数据库中对相应的数据块采用“启用报警处理”、“报警类型”、“报警区域”、“报警优先级”、“上限”、“下限”等设置,一旦生产过程中某些重要参数异常,则以声光报警的形式立即通知监控人员,其锅炉仪表演示画面如图5所示。IFIX4.0通过建立,连接数据库,然后编辑VBA脚本读取数据:IFIX先由vxData1控件通过ODBC接口从数据库(Access)读取数据,然后根据Alarm_History_Query程序查询条件将数据送到vxGrid1控件显示界面。IFIX采用历史定义、历史采集和历史显示三个独立的程序来完成历史趋势显示功能的,在历史定义中先定义好所有需要历史记录的采集点,历史采集程序在系统运行时始终保持运行状态,将采集来的数据存储在硬盘上,IFIX4.0通过MBE-modbusEthernetv7.17驱动来实时采集和利用现场数据,扫描周期为1s,历史显示程序将数据以图形形式显示在界面上(如图6所示)。在生产中通过对工艺参数历史数据的分析与对比,能有效地预测和控制工艺及生产。4plc与上位机通讯工业以太网结合TCP/IP协议是目前应用最广泛的局域网络技术之一,在控制系统监控层的应用方面,通过全双工交换技术,可以完全避免CSMA/CD中的碰撞,消除了控制系统数据传输的瓶颈,实时性能较好,支持的数据传输速率包括10Mbps,100Mbps和1Gbps,并且可以方便地实现优先级响应机制。以太网具有以下优点:开放性好;数据传输率很高;远程技术的应用,容易与信息网络集成;有利于资源共享;支持多种的物理传输介质(同轴电缆、双绞线、光缆、无线)和拓扑结构;成本和费用低廉。在本系统中,上、下位机使用基于TCP/IP协议的工业以太网通讯,选用140NOE77101,QUANTUMEthernet10/100M的通讯模块。施耐德Quantum140CPU11302SPLC在Concept2.6平台和上位机的连接:要求PLC的MAC地址与计算机的IP地址设在同一网段,它们分别为:84.20.93.166和84.20.93.168,设置好以后下载程序到PLC,然后再重新设置网络连接下的TCP/IP协议,设置PLC的IP的地址为192.168.100.51,上位机的IP为192.168.100.53,SubnetMask:255.255.255.0。施耐德Quantum140CPU11302SPLC与IFIX4.0的连接:IFIX的MBE驱动的IP地址设为192.168.100.51。传输介质使用经济实用的双绞线,采用建筑地(地桩)的接地方式。IFIX4.0通过MBE驱动和PLC实时处理现场数据,根据实际需要在PLC中共使用I/O点数222个,定义为6位地址,模拟量输入(AI)为300001-300042,模拟量输出(AO)为400001-400088(注:有些地址未用,有些是Real型),开关量输入(DI)为100001-100079,开关量输出(DO)为000001-000090。为保证上下位机的通讯,数据采集和实时控制,在IFIX4.0数据库中采用与PLC相同的点地址一一对应,上位机采集下位机中来自现场的数据,经过处理后再将控制命令传给下位机,以此监控运行过程。控制系统采用下位机自动控制、上位机自动、手动控制和就地手操相结合的方式,来保证整个系统可靠地运行。下位机自动