【正文】 蒸汽鍋爐是用于滿足生產(chǎn)規(guī)模擴大和民用供熱的工業(yè)鍋爐，其操作和控制從人工及儀表進入了微機時代 [7]。國外發(fā)達國家的工業(yè)鍋爐，已有成熟的控制系統(tǒng)，例如：日本橫河、北辰的 YS80/100、美國霍尼威爾的 9000、德國西門子的 TelepermD等。這些裝置的優(yōu)點是可靠性高、功能強、組態(tài)靈活，代表著 IV 自動控制領域的發(fā)展方向，缺點是不適合我國工業(yè)鍋爐實際情況，成本很高。目前，國內(nèi)外汽包水位控制策略采用三沖量控制、模糊控制及 PID 自校準與自調整的比較多，特別是前 2 種，其中模糊控制主要是朝智 能化方向發(fā)展，表現(xiàn)在模糊控制與智能控制的結合，采用遺傳算法優(yōu)化模糊控制等。 控制設備方面以往的單元組合儀表及計算機集中控制方式（如 DDC， SPC等）已被淘汰，目前國內(nèi)外大多采用商品化的分布式計算機控制系統(tǒng)（ DCS）與可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controllers， PLC）計算機控制系統(tǒng) [13]。其控制方法的發(fā)展趨勢為：結合最優(yōu)化技術、計算機網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)信息處理技術的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（ CIMS）。I Abstract II 引 言 III 第 1 章 系統(tǒng)的總體設計 1 PLC 與過程監(jiān)控軟件的選擇 2 控制方案的選擇 2 第 2 章 鍋爐汽包水位的設計 4 工藝流程 4 技術路線 9 系列 9030 PLC 系統(tǒng)配置 111 PLC 編程軟件 144 CV 幅值和速率極限 155 第 5 章 監(jiān)控軟件 及組態(tài)設計 24 CIMPLICITY HMI 操作主畫面 277 參考文獻 32 VI 1 第 1 章 系統(tǒng)的總體設計 設備 的選擇 控制設備方面以往的單元組合儀表及計算機集中控制方式 （ 如 DDC， SPC 等 ）已被淘汰，目前國內(nèi)外大多采用商品化的分布式計算機控制系統(tǒng) （ DCS） 與可編程邏輯控制器 （ Programmable Logic Controllers， PLC） 計算機控制系統(tǒng)。其控制方法的發(fā)展趨勢為：結合最優(yōu)化技術、計算機網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)信息處理技術的現(xiàn)代集成制造系 統(tǒng) （ CIMS） 。尤其是產(chǎn)品產(chǎn)量及能耗指標的準確性、經(jīng)濟性一直是國內(nèi)外工程技術人員和科研人員關注熱點。 分布式計算機控制系統(tǒng) （ CS） 和可編程邏輯控制器 （ Programmable Logic Controllers， PLC） 計算機控制系統(tǒng)配有多種通訊協(xié)議 ， 支持多種現(xiàn)場總線技術 ，為數(shù)據(jù)信息處理技術的實時性、準確性實現(xiàn)提供了保障。對于設備運行控制可實現(xiàn)集中操作、故障分散設計手段，且其運行狀態(tài)配以報警畫面及聲光提示，更有利于生產(chǎn)設備的安全運行。 因此硬件設備將在商品化的 DCS 系統(tǒng)與 PLC 計算機控制系統(tǒng)選擇。 由于國產(chǎn)的 DCS 系統(tǒng)比國外的可編程邏輯控制器計算機控制系統(tǒng)成本投入略高 ， 同時國外的 PLC 控制系統(tǒng)已不僅僅數(shù)字邏輯控制，也已具有 模擬量輸入、輸出模塊及其它各種多功能模塊，使完成系統(tǒng)設計的各項功能已不成問題。因此系統(tǒng)硬件設備選擇 PLC 系統(tǒng)。 通過下表 PLC 和過程監(jiān)控軟件的比較和研究內(nèi)容的需求，最后選擇了 GE Fanuc 的 90TM30 系列 PLC 和 GE CIMPLICITY HMI 過程監(jiān)控軟件。 該系列 PLC模塊具有成本低、性能高、安全性好、易于組態(tài)和便于安裝等特點 ， 它的 CPU具有十分強大的功能 ， 內(nèi)裝 PID， 結構化編程 ， 中斷控制 ， 間接尋址及各種功能模塊 ， 能方便地完成各種復雜的操作。 由于單沖量、雙沖量及單級三沖量控制策略比較簡單 ， 并且難以適應現(xiàn)代各種復雜鍋爐的控制要求 ， 目前各種鍋爐汽包水位控制絕大多數(shù)采用三 沖量水位控制策略 。當蒸汽負荷突然大幅度增加時，由于假水位現(xiàn)象，控制器不但不能開大 給水 閥增加給水量 ， 以維持鍋爐的物料平衡，而是關小控制閥的開度減小給水量。因此對于停留時間短、負荷變動大的情況，這種的系統(tǒng)不能適應，水位不能保證。如果根據(jù)蒸汽流量來起校正作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動作，而且使控制閥的 3 動作十分及時，從而減少水位的波動，改善控制品質。這是一個前饋 （ 蒸汽流量 ） 加單回路反饋控制的復合控制系統(tǒng)。這個控制系統(tǒng)有兩個缺點，控制閥的工作特性不一定成為線性，對于蒸汽負荷變化要做到靜態(tài)補償比較困難 ； 而對于 給水 系統(tǒng)的擾動仍不能克服。其前饋控制是根據(jù) 蒸汽流量來起校正作用，以糾正虛假水位引起的誤動作，而且使控制閥的動作非常及時，從而減少水位的波動，改善控制品質，其串級控制對于主要調節(jié)器是保證汽包水位的靜態(tài)準確性，同時 副 調節(jié)器 能 快速克服 給水 閥前壓力波動干擾。 汽包水位調節(jié)重要性 是 維持水位在一定范圍內(nèi) ， 它也 是保證鍋爐安全運行的重要條件 [1416]。同時過熱蒸汽溫度急劇下降， 會毀壞鍋爐 。 根據(jù)汽包水位條件的重要性和此設計中對汽包水位的要求 使用三沖量控制其優(yōu)點是（ 1） 系統(tǒng)適合于對于汽包水位要求嚴格或變化頻繁 、 虛假水位嚴重的系統(tǒng) 。 （ 3） 可以實現(xiàn)無差調節(jié) （ 不存在穩(wěn)態(tài)配合問題 ） 。 4 第 2 章 鍋爐汽包水位的 設計 工藝流程 本設計的 工藝流程是 原水 → 原水前處理 → 原水罐 → 水水換熱器 → 汽水換熱器 → 除 氧器 → 儲煤器 → 汽包液位。 圖 21 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng) 自控模型 鍋爐工藝及自控要求某鍋爐的工藝設計主要參數(shù)為 ： 蒸汽性質： 飽和蒸汽 ； 蒸發(fā)量： 35t/h； 蒸汽壓力： 0. 9MPa； 5 蒸汽溫度： 180℃ ； 給水流量： 37m3/h； 給水溫度： 104℃ 。它是對工業(yè)鍋爐生產(chǎn)進行實時控制的物質基礎。 圖 22 系列 結構框圖 鍋爐設備自控系統(tǒng) I/O 點規(guī)模如表 31 所列。 現(xiàn)場部分 生產(chǎn)過程 D/A PLC A/D 下位機部分 上位機部分 管理命令 打印、報警輸出 信號驅動 數(shù)字量 測量變送 6 表 21 I/O 點 規(guī)模 序號 信號類型 I/O 點數(shù) 1 模擬量輸入 （ AI） 4～ 20mA 標準信號 46 熱電偶 THM 12 熱電阻 RTD 6 2 4～ 20mA 模擬量輸出 (AO) 5 3 24VDC 繼電器接點開關量輸入 (DI) 16 4 繼電器接點開關量輸出 (DO) 16 依據(jù)設計院設計要求，本鍋爐自控設計選用的美國 GE Fanuc 自動化公司的 90TM30系列 PLC 可編程序控制 器作為過程輸入輸出通道，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測及輸出控制； 為增強系統(tǒng)的抗干擾能力 ， 模擬量輸入及輸出均采用信號隔離器。它是基于 MICROSOFT WINDOWS 98/NT 環(huán)境的多任務、多用戶操作系統(tǒng)，是一種開放式系統(tǒng)平臺 。 技術路線 系統(tǒng)具有五個調節(jié)回路，如汽包液位的控制回路、原水液位控制回路、除氧器壓力、液位的控制回路、鼓風機壓力的控制回路、引風機爐膛負壓調節(jié)的控制回路，這里是以汽包液位 的控制回路為主， 它的 系統(tǒng)方框圖如圖 33所示 。 系統(tǒng)通過采用 90TM30 PLC梯形圖編程軟件 ， IC641SWM306進行梯形圖軟件編程 ，需進行 CPU配置、 90TM30 I/O模塊配 置 ， 以及結構化編制方框圖中的功能模塊 功能模塊 飽和蒸汽壓力補償模塊、靜態(tài)前饋控制器模塊 （ C0+C1PC+C2PS） 、水位 PID調節(jié)模塊、給水流量 PID調節(jié)模塊等程序。它是開方運算模塊 ， 因為節(jié)流式差壓流量計是通過變送器檢測孔板前后壓差的 ， 變送器輸出的信號與實際流量 Q之間成方根關系。由于汽包水位是一個沸騰的水位 ， 且水中汽泡量是變化不定的 ， 因此在采用差壓變送器測量的水位時 ， 盡管安裝時設置了隔離罐 ， 同時變送器設置了一定阻尼系數(shù) ， 其電流輸出信號仍存在頻繁的周期性波動 ， 因此系統(tǒng)需對 該信號進行平滑處理 ， 以保證其控制質量 ， 本系統(tǒng)采用了一階慣性濾波 。蒸汽管道內(nèi)溫度、壓力改變時飽和蒸汽密度隨之改變 ，而對飽和蒸 汽密度影響較為明顯的是蒸汽的壓力 ， 所以編制了蒸汽流量壓力補償程序。 靜態(tài)前饋控制器模塊 （ C0+C1PC+C2PS） 。應用中 C2 = ； C1 = 1； C0 = |C2 PS | = 35 = ， 應用效果較好。 用增強型 CPU360模 版 ， CPU內(nèi)裝 PID標準的 ISA PID算法 （ PID ISA） ， 通過編程實現(xiàn)。 8 圖 24 PID ISA方塊圖 以該 PID ISA調節(jié)子程序塊構造汽包水位三沖量調節(jié)系統(tǒng) ， 需將水位 PID調節(jié)編制成定值調節(jié) （ LICA101） ， 而給水流量 PID調節(jié)編制成隨動調節(jié) （ FIRQ102） ， 以構成前饋 串級調節(jié)系統(tǒng)。 因此 ， 上位機組態(tài)軟件對這兩個參數(shù)進行組態(tài)時應進行數(shù)據(jù)變換。 （ 2） 領先的技術 系列 90TM30 PLC 成本低，性能高 ， 能方便地取代從簡便的繼電器到復雜的中型自動化應用系統(tǒng)場合 。 GE Fanuc 不斷地推出新產(chǎn)品，擴大使用范圍，顯示了其技術的領先地位，它的 CPU 具有 強大的功能，如內(nèi)裝 PID，結構化編程，中斷控制，間接尋址及各種功能模塊 ， 能完成復雜的操作。 GE Fanuc 豐富的開關量 I/O 和模擬量 I/O、簡化啟動和故障自診以及容易與其他 PLC、計算機集成一體的特性，使您確信，系列 90TM30 是現(xiàn)在與未來 PLC 的明智選擇。為了及時解決用戶的需求， GE Fanuc 提供第三家工業(yè)設備 和軟件包，合作的結果進一步擴大了系列 90TM30 的能力，通用的產(chǎn)品包括：熱電偶、熱電阻、步進電機模塊、大電流繼電器模塊。有些廠家具有數(shù)據(jù)采集和控制軟件產(chǎn)品，將用系列 90TM30 與個人計算機連機。 系列 9030 PLC 系統(tǒng)配置 本系統(tǒng)下位機采用美國 GE Fanuc自動化公司的系列 90TM30 PLC 可編程序控制器實現(xiàn)對現(xiàn)場設備生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控。 具體配置如下：系統(tǒng)采用 10 槽機架 IC693CHS391；電源模板選用 IC693PWR321；中央處理器選用的增強型模板 CPU360，非常適用于多調節(jié)回路場合；過程輸入輸出通道由模擬量輸入通道 AI、模 擬量輸出通道 AO 和開關量輸入輸出通道 DI、 DO 所組成。 PLC安裝結構及 設備組態(tài) 表 31 PLC 設備組態(tài) 設備 型號 模塊說明 設備組態(tài) PS IC693PWR321 電源 1 IC693CPU360 CPU 2 FOREIGN HE693THM166 16 路熱偶輸入 I: 305~320 16 AI: 1~16 16 Byte 1: 1 Byte 2: 011 Byte 3: 1 （ , 華氏度 =%AI/2 ） Byte 4: 0 Byte 5: 06 （ S 型 ） 3 FOREIGN HE693RTD600 6 路熱阻輸入 AI: 17~22 6 Byte 1: 1 Byte 2: 011 Byte 3: 00 （ Pt100E） Byte 4: 01 （ , 華氏度 =%AI/2 ） 4 IC693ALG223 16 路模擬輸入 AI: 23~38 16 （ 4~20mA） I: 321~336 16 5 IC693ALG223 16 路模擬輸入 AI: 39~54 16 （ 4~20mA） I: 337~354 16 6 IC693ALG223 16 路模擬輸入 AI: 55~70 16 （ 4~20mA） I: 353~368 16 7 IC693ALG392 8 路模擬輸出 AQ: 1~8 （ 4~20mA） I: 369~376 8 11 8 IC693MDL645 16 路數(shù)字輸入 I: 1~16 16 9 IC693M