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bjmatrix
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樓主  發表于: 2013-12-17 14:56
SMPT-1000鍋爐綜合控制系統
摘 要
工業鍋爐是一個比較復雜的被控過程,其多輸入多輸出、多回路、非線性的特性,使得目前工業鍋爐的綜合控制性能不盡如人意。然而,鍋爐是過程工業中不可缺少的動力設備,它所產生的蒸汽不僅能夠為蒸餾、化學反應、干燥、蒸發等過程提供熱源,而且還可以作為壓縮機,泵類的動力源。因此,鍋爐的綜合控制,也成為一個廣泛研究的課題。
本系統通過S7-300硬件組態PLC,完成基于PROFIBUS DP通信總線對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的綜合控制;此外通過組態以太網完成與上位機的通信,實現了基于CloudControl(INSPEC)組態軟件組態的監控平臺對SMPT-1000鍋爐各控制參數的監控。系統投運后運行穩定,控制性能良好。本文重點闡述CloudControl組態軟件在該綜合控制系統中的應用。
關鍵詞:西門子PLC;CloudControl;SMPT-1000鍋爐控制;出口蒸汽壓力;汽包液位
系統簡介
鍋爐是是石油化工、電廠等工業過程中非常重要的動力設備。鍋爐的工藝流程大概可以概述為:冷流經過除氧器除氧處理之后,在爐膛內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過程。
本課題采用高級多功能過程控制實訓系統(Super Multifunction Process Control Training System,SMPT-1000)中的鍋爐單元作為被控對象,其正視圖和實物圖如圖1•1所示,通過控制該仿真鍋爐了解與研究工業鍋爐控制的特點。


SMPT-1000鍋爐正視圖和實物圖
本課題以西門子公司的SIMATIC S7-300 PLC為控制器,通過硬件組態和PROFIBUS DP通信網絡,完成S7-300和SMPT-1000之間的通信組態,實現對鍋爐的綜合控制。基于STEP7軟件編程實現對鍋爐各控制回路的控制調節PID參數,進行系統投運。此外,在PLC和上位機之間建立以太網通信,通過CloudControl監控組態軟件組態,實現與PLC之間的通信,從而實現對SMPT-1000鍋爐各個部分對象參數的監視,并可在線整定PID參數。本課題最終完成CloudControl監控平臺與S7-300 PLC之間、S7-300 PLC與SMPT-1000仿真鍋爐之間的通信與控制,實現本課題所要實現的監控層-現場控制層-現場對象之間的三層通訊結構及綜合控制,如圖1•2所示。


SMPT-1000鍋爐控制系統結構圖
其中由CloudControl組態軟件組態監控平臺形成上位機監控環境,通過Ethernet Network通信網絡與下位機SIMATIC S7-300 PLC通信。再由下位機PLC通過Profibus DP 通信網絡實現對控制對象的綜合控制。

SMPT-1000系統構成
SMPT-1000鍋爐大體上可以分為4個單元: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、上汽包、鍋爐本體、省煤器、減溫器、蒸汽管線等設備,且有21個模擬量和6個開關量檢測點。此外還有9個調節閥,5個開關閥,兩臺泵,一臺壓縮機的執行機構。
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,作為一個儲水箱,延長鍋爐的緊急停運過程。對鍋爐的穩定性和安全性具有重要的意義。由此可知,除氧器對軟化水的除氧效果影響著整個鍋爐設備的安全與壽命,并影響著產品的質量。因而除氧器的控制也是一個至關重要的環節。除氧器水位過高會影響除氧效果,缺水則會影響缺水事故,都會影響著整個鍋爐的有效控制,因而在除氧器控制中,以除氧器液位為一個對象參數,施行控制。此外,除氧器的擾動較少,允許液位在一定范圍內波動,因此在對除氧器液位回路控制中,采用單閉環控制系統。穩態時調節器無水位偏差信號輸入,也無輸出,進水閥不動。當鍋爐給水流量變化(如階躍擾動)時,給定水位與反饋產生偏差輸入到調節器,調節器輸出信號調節給水流量,使水位保持穩定。
基于上述內容,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
在整個鍋爐系統中,爐膛的重要性可想而知,其過熱蒸汽所要達到的溫度以及壓力,均是由送入爐膛中的燃料與風量混合后燃燒釋放出來的熱量實現的。此外,爐膛壓力大小也影響著系統的安全。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出來的蒸汽會通過一個減溫器,與進料冷料的一個分支進行換熱。但由于過熱蒸汽要保證出口壓力的穩定,而用了燃料進料量來控制。至使不能直接簡單的再用燃料量進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定的情況下,所生產出來的蒸汽溫度也基本穩定在所需溫度,但當溫度有波動時,在保證壓力穩定的前提條件下,這里設計用在換熱器流過冷料流量大小來控制出口蒸汽溫度的穩定。綜上可知,這兒以蒸汽出口溫度為被控對象,以去減溫器的汽包上水量為控制參數,通過調節閥FV1103的開度,調節冷卻液流量,以達到出口蒸汽溫度的穩定。
汽包控制單元
針對工業鍋爐,汽包水位波動的幅度影響鍋爐的安全運行,蒸汽壓力和穩定性。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三沖量控制系統,即以鍋爐蒸汽流量,汽包水位,鍋爐給水流量這三個變量,通過2個PID控制器,實現給水的自動控制。
上位機監控平臺
主控畫面
本課題用CloudControl組態軟件進行組態。完成鍋爐系統的監控,如圖所示,為上位機監控畫面的主控畫面。
  
上位機監控主畫面
    在其中可以監視著整個系統各個部分的參數,并可以通過右下方的控制器板塊,進行各控制器參數調整。也可以點擊操控平臺中的按鈕,進行實時曲線,數據顯示的集中監控。此外,在進行分塊整定PID參數時,可以通過左方按鈕點擊,進行單一控制區域的參數的監控。
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,還能夠監控相關參數,不需要進入集中的數據顯示畫面,此外還能夠在右上方上監視與除氧器相關的全部或部分實時曲線。也可以點擊“歷史曲線”查看該參數的所有記錄曲線。在該畫面下,可以點擊控制器按鈕,打開單一控制器進行PID參數調控。無需進入控制器組畫面尋找對應的控制器。


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,也是對相應PID控制器的參數進行調整,測量值顯示,以及控制器手自動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的所有控制器,即可以在該畫面中調整所用的控制器參數,不必一一打開單一的控制器畫面。從而方便在工業上,對大多數回路控制器參數的集中調整。
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,數據顯示畫面等進行相互切換。方便監控點的切換。
數據顯示畫面
數據顯示畫面,顧名思義,是集中顯示所有參數的地方,工業上需要集中管理整個系統的所有參數而構建的這一平臺。如圖所示:

圖4•5 數據顯示畫面
數據顯示畫面是分為多個模塊進行的參數顯示的。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
實時曲線畫面
實時曲線,是顯示設定時間范圍,各參數變化趨勢的一個平臺,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被控參數,相關的各變量的曲線。為了更好的監控,配置曲線顯示時長為兩個小時。在每條曲線標注前都添加了復選框,可以通過選中與否控制是否顯示對應曲線。以排除過多曲線的干擾,為監控者帶來不必要的視覺影響。

圖4•6 實時曲線畫面

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

歷史曲線畫面
通信連接
CloudControl組態軟件與PLC通過SIMATIC公司提供的網絡通信軟件SIMATIC.NET來實現。要組態CloudControl之前必須先組態SIMATIC.NET軟件包下的STATION CONFIGURATION EDITOR木塊。打開后在OFFLINE狀態下添加Application模塊,與STEP7中一樣,再添加IE General通信塊,地址自動獲取為本機地址。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中組態的Application應用程序塊和IE General通信塊下裝到STATION CONFIGURATION EDITOR中,進行相應模塊的連接。
如下圖所示:

Station Configuration Editor組態圖
連接完畢后,打開已經構建好的CloudControl工程,在工程欄下的I/O通信下添加SimaticNet通道,CP選擇TCP/IP協議下的本機網卡,VFD自動選擇由STEP7軟件組態的Application模塊。然后選擇通信對象為以太網S7-300工作站,完成硬件選擇。
當完成硬件選擇后,針對需要從PLC讀入的數據和需要寫入PLC的變量個數一一建立對應變量關聯表。使得,CloudControl畫面中所用到的變量與實際PLC讀入的變量真正對應起來。


CloudControl通道組態


CloudControl通信組態變量表
完成變量的關聯,整個通信網絡建立完成,整個鍋爐系統也構建完成。
結論
系統最終實現了以CloudControl監控平臺為上位機通過Ethernet以太網與PLC下位機通信,且通過PROFIBUS DP通信網絡對SMPT-1000鍋爐的綜合控制,整個系統控制良好。

需要了解更多信息,聯系人:彭先生  010-51090443   13683109780 e-mail:bjmatrix@126.com
  

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