基于软PLC的分布式锅炉微机控制系统

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摘 要：本文介绍了基于研华Adam5511软PLC的集散型锅炉微机控制系统，该系统已用于某高校供热锅炉系统的控制中。系统实现了供热锅炉的自动控制和燃烧优化控制，可显著提高锅炉热效率，减少污染。系统还通过企业内部网连接到了Internet上，实现了远程监控。

关键词：软PLC,集散控制系统，锅炉控制，Internet.
一、概述
　　锅炉是目前城市的主要空气污染源，尤其是在北方城市，烟筒林立的现象仍然存在。改善这种情况的方案之一是拆除那些设备陈旧、效率低、污染大的小锅炉房，合并成大锅炉房实行集中供热，并采用计算机控制、变频器等先进技术，从而有效地减少污染，提高效率，节约能源，同时也可以提高供暖质量，目前很多城市在实施这一方案。
　　某高校原有四台个小锅炉房，现改造合并成一座大锅炉房，新建四台锅炉，其中一台15吨蒸汽锅炉，三台20吨热水炉，负责全校教学区，宿舍区，家属区的供暖任务，以及食堂，浴池等的供汽任务。我们结合多年设计锅炉控制系统的经验，为新锅炉系统设计了热工控制部分，锅炉的鼓风，引风，炉排，以及供暖循环泵等都采用变频调速控制，锅炉系统则采用自行设计的计算机集散控制系统，实现了供暖锅炉的现代化控制与管理。本文介绍此集散控制系统的设计与实现。
二、系统总体结构
　　锅炉系统工作在高温高压条件，有一定的危险性，对控制系统的可靠性要求高，因此在系统结构上，我们采用了集散型控制系统的方案。系统主要由现场控制层、车间监控层和企业管理层三个层次构成。选择研华Adam5511软PLC做现场控制单元，每台5511完成一台锅炉的控制任务;监控层采用奔腾III工业控制机做上位机操作站，显示实时数据以及操作画面;系统设置有数据库服务器及WEB服务器，管理人员可以通过
　　internet浏览锅炉的实时和历史数据，并据此进行系统的运行优化等工作，构成了系统的管理层。现场控制站与操作站之间采用RS485总线，MODBUS协议通讯;操作站、工程师站及服务器之间采用以太网连接。整个系统可靠性高，同时又具有先进的控制与管理功能，而其成本较采用进口DCS低一倍以上，因此是类似系统的首选方案。系统的总体结构如图1所示。

三、系统功能设计
　　1） 车间监控层及管理层
　　监控层设置两台（或多台）操作员站、一台工程师站，一台服务器。操作员站采用研华奔腾III工业控制微机，主要用于锅炉系统的数据显示及进行控制操作，工程师站采用高档奔腾IV微机，用于进行系统参数设定及系统维护。
　　操作员站的主要功能是提供给锅炉系统操作人员一个直观方便的人机界面。系统可具有两个或两个以上的操作员站，他们具有同样的功能并互为备用。操作员站设置有如下显示画面。
　　l 流程画面：将现场控制站采集的现场数据及工艺参数显示在流程图的相应位置上，通过动画直观的显示锅炉运行状态及各种实时数据。操作人员可根据此画面了解整个锅炉系统的运行情况
　　l 工艺参数画面：以数据表格的形式实时显示各工艺参数与对应的名称，单位，同时可显示对锅炉耗煤量，产汽（供热）量，用水量等的计算和累积结果。
　　l 调节画面：将系统各控制回路的运行状态和有关参数以调节棒图的形式显示出来。可以显示回路的手自动状态。操作人员利用键盘或鼠标方便的对各控制回路，的控制参数进行再线修正。
　　l 报警画面：用于记录何时何地有何报警，以便有关人员查询，同时实现安全连锁控制
　　l 历史趋势画面：用于记录系统主要工艺参数的长期历史趋势数据，以曲线的形式显示出来，可为分析系统运行情况及效率，查找故障等提供依据。
　　工程师站除具有操作站的全部功能外，还具有参数设定与修改，系统维护等功能。可设定系统的各模拟量测量点的标度变换系数、热电阻、热电偶的线性化参数、孔板流量计算参数、给煤量计算参数、锅炉及供热热效率参数、各控制回路组态参数、及PID参数等。工程师站负责系统的打印任务，可打印即时报警，历史报警记录以及锅炉运行日志和历史数据表格等。
　　系统通过Web服务器将锅炉系统数据及工艺参数送至校园网或企业内部网，使有关领导可从内部网上看到锅炉系统的运行状况，并可实现系统的远程诊断和维护。
　　管理层实现更高级的管理功能，位于企业厂长经理室，可通过internet 浏览系统 的运行数据，监视系统的运行状态，对系统的运行进行计算统计和优化等。工程技术人员或企业领导无论出差何地，都可查看系统数据，甚至进行系统维护。
　　2）现场控制层
　　现场控制层采用研华公司的产品，称为软PLC的 Adam5511. 这是一种模块化的工业控制机，固化有dos操作系统，支持C语言编程，支持Modbus通讯协议，每台锅炉由一台Adam5511负责对其进行数据采集及控制，另有一台Adam5511负责系统公共部分的数据采集及控制。
　　每台Adam5511配置16点模拟量输入，4点模拟量输出，16点开关量输入输出。可采集16点锅炉运行现场数据，组成4个闭环控制回路。分别控制蒸汽锅炉的水位、汽压、炉膛负压，鼓风四个回路或热水锅炉的出水温度、炉膛负压及鼓风三个回路。
四、系统软件
　　系统的操作站软件采用了中文工控组态软件MCGS设计，MCGS是全中文工业自动化控制组态软件，可稳定运行于Windows95/98/NT操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，使生成的系统图文并茂，运行稳定可靠。
　　系统的现场控制站的软件采用Turbo C 3.0设计，软件采用模块化的设计方法，它以实时数据库为核心，各种数据采集、处理、运算以及控制功能都设计成功能块的形式，系统的实时数据以及各功能块参数都存于实时数据库中，各功能块通过实时数据库交换数据。可通过在上位机进行组态然后下载组态参数至5511中构成新系统。控制站与操作站之间采用modbus协议交换数据。
五、锅炉系统控制回路
　　锅炉是一个复杂的控制对象，其控制回路非线性严重，同时控制回路之间有耦合，因此系统采用智能变形PID算法，配和前馈等高级控制方法实现对锅炉个回路的控制。
　　小型蒸汽锅炉的控制回路主要包括蒸汽压力、汽包水位、炉膛负压和鼓风控制回路;热水锅炉则包括出水温度、炉膛负压和鼓风控制回路。
　　锅炉的蒸汽压力（或出水温度）以及炉膛负压、鼓风控制回路构成锅炉的燃烧控制系统其控制方案是采用蒸汽压力或出水温度为主调量，通过调整炉排转速使蒸汽压力或出水温度尽快达到给定值，同时配合风-煤配比控制鼓风量达到经济燃烧，炉膛负压回路则将炉膛内的压力保持在微负压。
　　热水炉的出水温度设定值跟随室外温度的变化自动修正，使用户室内的温度保持恒定，同时实现经济供热。温度设定曲线可根据不同供热时期有所变化改变。
　　锅炉水位控制回路使锅炉水位保持恒定，由于锅炉水位受蒸汽负荷的影响较大，容易产生假水位，因此给水控制回路引入蒸汽流量及给水流量前馈控制的三冲量控制方案，以消除假水位的影响。
　　除常规控制回路外，对锅炉燃烧控制系统，我们还设计了自动寻优算法。锅炉运行过程中，寻优程序将根据计算出的锅炉热效率以及燃烧情况，自动调整锅炉的风煤配比，使燃烧达到最佳，从而实现节煤和减少污染的目标。
六、结束语
　　本文设计的集散型锅炉微机控制系统经实际使用，完全达到了设计要求。该系统的使用使城市小区供热锅炉的控制与管理达到了新的水平，可显著提高供热系统的运行效率以及供热效果，在节约能源，减少城市污染方面效果显著。根据运行结果初步统计，供热锅炉使用变频器及本文设计的集散微机控制系统后，可以节电30-40%，节煤3-5%，一年就可收回投资成本，是城市集中供热计算机控制系统的首选方案。
参考文献：
　　1. 赵永生等，DMU386新型锅炉微机控制系统，1997，4，pp30-32
　　2. 赵永生等，工业热电站分布式监控管理系统，新浪潮，1997，4，p
　　p13-15