基于PCS 7的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

史冬琳，門(mén) 洪，李 峰，劉劍釗

（東北電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 132012）

火力發(fā)電廠熱工過(guò)程自動(dòng)控制主要指鍋爐、汽輪機(jī)及其輔助設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)控制。隨著鍋爐不斷向大容量、高參數(shù)發(fā)展以及直流鍋爐的應(yīng)用，就對(duì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制有了迫切要求，而且鍋爐的自動(dòng)控制系統(tǒng)也更加復(fù)雜，所以一般討論電廠熱工過(guò)程的自動(dòng)控制時(shí)，主要是針對(duì)鍋爐而言[1]。實(shí)際鍋爐的綜合自動(dòng)控制研究存在著高溫、高壓、強(qiáng)非線性等問(wèn)題，要解決實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的復(fù)雜工況，則成為鍋爐綜合控制實(shí)驗(yàn)的一道難題。

通過(guò)西門(mén)子過(guò)程控制系統(tǒng)PCS 7中連續(xù)功能圖（CFC）和順序功能圖（SFC）組態(tài)各種功能塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變量的控制并達(dá)到工藝要求；同時(shí)使用圖形編輯器WinCC完成對(duì)操作員站的組態(tài)，基于多種生產(chǎn)工藝過(guò)程的仿真系統(tǒng)SMPT1000實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控。文獻(xiàn)[2]針對(duì)硫化促進(jìn)劑M制備的工藝流程，采用專家規(guī)則控制器為主控制器、PID控制器為副控制器的串級(jí)控制進(jìn)行溫度分段控制，可穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到較好的控制效果；文獻(xiàn)[3]基于SIMATIC PCS 7 BOX完成對(duì)間歇過(guò)程的開(kāi)車順序控制，采用STEP 7的梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)順序控制，能夠較好地完成化工過(guò)程控制的實(shí)驗(yàn)任務(wù)；文獻(xiàn)[4]制定了鍋爐燃燒系統(tǒng)、汽包水位系統(tǒng)、蒸汽溫度等系統(tǒng)的控制策略，所設(shè)計(jì)的方案能夠很好地滿足生產(chǎn)、安全等指標(biāo)，具有很強(qiáng)的工業(yè)實(shí)用性。但是為了模擬最真實(shí)的鍋爐生產(chǎn)過(guò)程，有必要實(shí)現(xiàn)從開(kāi)車到自動(dòng)運(yùn)行的全過(guò)程控制。綜上所述，考慮到所研究的工藝、控制方式的差異性，為了達(dá)到研究鍋爐綜合全過(guò)程控制的目的，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)過(guò)程控制的深入理解，充分利用西門(mén)子過(guò)程控制系統(tǒng)PCS 7及SMPT1000，本文設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)了火電廠鍋爐綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 工藝流程

SMPT 1000包括多種生產(chǎn)工藝過(guò)程的仿真系統(tǒng)，由廠家提供的包括6種生產(chǎn)工藝過(guò)程：非線性液位與離心泵系統(tǒng)工藝流程、動(dòng)力除氧系統(tǒng)工藝流程、高階換熱系統(tǒng)工藝流程、加熱爐工藝流程、鍋爐系統(tǒng)工藝流程、蒸發(fā)器工藝流程，而本文的鍋爐系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

軟化水經(jīng)給水泵P1101泵出，分成2路，一路給水去減溫器E1101，與過(guò)熱蒸汽換熱，然后與另一路給水混合進(jìn)入省煤器E1102。去減溫器E1101的鍋爐給水用于調(diào)整過(guò)熱蒸汽的溫度，同時(shí)也對(duì)鍋爐給水進(jìn)行預(yù)熱。正常工況時(shí)，大部分鍋爐給水直接流向省煤器，小部分鍋爐給水流向減溫器。省煤器E1102由多段盤(pán)管組成，燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾陨隙峦ㄟ^(guò)管間，與管內(nèi)的鍋爐給水換熱，回收煙氣中的余熱，并使鍋爐給水進(jìn)一步預(yù)熱。

被煙氣加熱成飽和水的鍋爐給水全部進(jìn)入汽包V1102，再經(jīng)過(guò)對(duì)流管束和下降管進(jìn)入鍋爐水冷壁，吸收爐膛輻射熱在水冷壁里變成汽水混合物，然后返回汽包V1102進(jìn)行汽水分離。鍋爐汽包為臥式圓筒形承壓容器，內(nèi)部裝有給水分布槽、汽水分離器等。汽水分離是汽包的重要作用之一，汽包V1102頂部設(shè)放空閥XV1104，分離出的飽和蒸汽再次進(jìn)入爐膛F1101進(jìn)行汽相升溫，成為過(guò)熱蒸汽。出爐膛的過(guò)熱蒸汽進(jìn)入減溫器E1101殼程，進(jìn)行溫度微調(diào)并為鍋爐給水預(yù)熱，最后以工藝所要求的過(guò)熱蒸汽壓力、過(guò)熱蒸汽溫度輸送給下游生產(chǎn)過(guò)程。過(guò)熱蒸汽出口管線上設(shè)開(kāi)關(guān)閥XV1105。

燃料經(jīng)由燃料泵P1102泵入爐膛F1101的燃燒器，空氣經(jīng)變頻鼓風(fēng)機(jī)K1101送入燃燒器。燃料與空氣在燃燒器混合燃燒，產(chǎn)生熱量使鍋爐水汽化。燃燒產(chǎn)生的煙氣帶有大量余熱，對(duì)省煤器E1102中的鍋爐給水進(jìn)行預(yù)熱。煙氣經(jīng)由煙道，靠煙囪的抽力抽出，通入大氣[5]。

2 鍋爐綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

PCS7使用的主控器是SIMATIC S7-400系列CPU，型號(hào)為412-3H，屬于SIMATIC S7系列的高端產(chǎn)品，滿足高端性能要求。內(nèi)置Profibus DP接口，用于連接分布式I/O。其他模塊分別為型號(hào)UR2的機(jī)架，407-10A的電源模塊，CP443-1的通信模塊以及泗博PM-125的適配器。

上位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接到PLC的CP模塊，PLC的CPU通過(guò)Profibus DP連接SMPT1000，SMPT1000中的PM125實(shí)現(xiàn)了串口與PROFIBUSDP之間的數(shù)據(jù)通信，完成整體硬件通訊。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以PCS 7中的CFC、SFC、WinCC等部分應(yīng)用程序，組態(tài)一個(gè)鍋爐綜合控制的PCS 7工程。CFC可將塊放置在功能圖上、為它們分配參數(shù)并將它們互連起來(lái)，創(chuàng)建CPU的整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)。SFC可創(chuàng)建和調(diào)試工藝順序控制系統(tǒng)。WINCC可編輯要在操作員站上顯示給操作員并用于過(guò)程控制的仿真圖形。可在創(chuàng)建過(guò)程畫(huà)面時(shí)自動(dòng)插入所有塊圖標(biāo) （清晰、圖形化的測(cè)量點(diǎn)表示）。另外，WinCC還可以歸檔過(guò)程值，歸檔消息和報(bào)警，設(shè)計(jì)過(guò)程值或消息的打印輸出布局，通過(guò)OPC訪問(wèn)PCS 7數(shù)據(jù)[6]。

控制系統(tǒng)主要包括過(guò)熱蒸汽出口溫度、壓力、流量控制系統(tǒng)，燃料和送風(fēng)控制系統(tǒng)以及給水控制系統(tǒng)。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解多種鍋爐綜合控制方案，包括大型火電站鍋爐飛灰含碳量的控制、鍋爐的優(yōu)化運(yùn)行、機(jī)組負(fù)荷等主要運(yùn)行參數(shù)控制、工業(yè)煤粉鍋爐燃燒的經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制、智能控制三方面的控制方法總結(jié)及優(yōu)缺點(diǎn)分析[7-10]，最終確定如下控制方案。

燃燒控制要求控制燃料和空氣的配比，以達(dá)到充分燃燒。應(yīng)該滿足燃料和空氣的比值，考慮到不同的負(fù)荷下，燃料和空氣的比值可能不同，采用含有氧量校正的串級(jí)比值控制，主、副控制器控制規(guī)律均為PI。被控變量為送風(fēng)量，操控變量為送風(fēng)機(jī)閥門(mén)開(kāi)度。CFC組態(tài)的燃燒控制回路以送風(fēng)量FI1104為輸入信號(hào)，燃油流量FI1103通過(guò)比例模塊與送風(fēng)量FI1104實(shí)現(xiàn)風(fēng)煤比的控制，送風(fēng)閥門(mén)K1101為輸出信號(hào)。

給水控制要求與蒸汽產(chǎn)量匹配，以控制鍋爐汽包內(nèi)水的儲(chǔ)量，主、副控制器控制規(guī)律為PI。采用串級(jí)三沖量控制。被控變量為汽包水位，操控變量為給水流量，給水三沖量前饋-串級(jí)控制回路以汽包上水流量FI1101、汽包液位LI1102、過(guò)熱蒸汽出口流量FI1105為輸入信號(hào)，上水閥FV1101為輸出信號(hào)。

過(guò)熱蒸汽出口壓力控制要求能夠根據(jù)負(fù)荷的變化控制蒸汽壓力。采用串級(jí)控制，主控制器控制規(guī)律為PID，副控制器控制規(guī)律為PI。被控變量為過(guò)熱蒸汽出口壓力，操控變量為燃料量，過(guò)熱蒸汽出口壓力-燃油流量串級(jí)控制回路以燃油流量FI1103、過(guò)熱蒸汽出口壓力PI1104為輸入信號(hào)，燃油調(diào)節(jié)閥FV1104為輸出信號(hào)，燃油流量FI1103通過(guò)AI模塊采集后連接至燃燒控制回路中的比例模塊，以此實(shí)現(xiàn)風(fēng)煤比控制。

過(guò)熱蒸汽出口溫度控制要求精確控制蒸汽溫度。溫度控制回路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用單回路控制，控制器規(guī)律為PID。被控變量過(guò)熱蒸汽出口溫度，操控變量為減溫水量，過(guò)熱蒸汽出口溫度控制回路以過(guò)熱蒸汽出口溫度TI1104為輸入信號(hào)，減溫閥FV1103為輸出信號(hào)。

過(guò)熱蒸汽出口流量控制要求能夠控制并且調(diào)節(jié)過(guò)熱蒸汽出口流量。只需控制該調(diào)節(jié)閥一個(gè)控制變量，使用單回路控制系統(tǒng)即可滿足流量的控制和快速調(diào)節(jié)的需求，控制器規(guī)律為PI。被控變量過(guò)熱蒸汽出口流量，操控變量為流量調(diào)節(jié)閥閥門(mén)開(kāi)度，過(guò)熱蒸汽流量控制回路中輸入信號(hào)為熱蒸汽流量FI1105，過(guò)熱蒸汽流量控制閥FV1105為輸出信號(hào)。

開(kāi)車順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：利用PCS 7中的SFC（順序控制）完成開(kāi)車部分的要求[11]：（1）啟動(dòng)前檢查所有的閥門(mén)、泵、鼓風(fēng)機(jī)均處于關(guān)閉狀態(tài)；（2）打開(kāi)汽包頂部放空閥XV1104；（3）啟動(dòng)給水泵P1101，確保鍋爐上水管線暢通，使給水流量達(dá)到最小流量要求；（4）建立汽包水位，使其維持在 50%左右；（5）確保煙道暢通，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)K1101；（6）啟動(dòng)燃料泵P1102，確保燃料管線暢通，為鍋爐點(diǎn)火；（7）當(dāng)汽包壓力達(dá)到1.5 MPa左右時(shí)，關(guān)閉汽包頂部放空閥XV1104；（8）打開(kāi)過(guò)熱蒸汽出口管線開(kāi)關(guān)閥XV1105，確保過(guò)熱蒸汽出口管線暢通，使過(guò)熱蒸汽出口溫度和壓力繼續(xù)上升；（9）當(dāng)過(guò)熱蒸汽出口溫度、過(guò)熱蒸汽出口壓力均維持在工藝要求范圍內(nèi)時(shí)，提升負(fù)荷。

鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，確保過(guò)熱蒸汽出口溫度、出口壓力和出口流量均維持在工藝要求范圍內(nèi)。同時(shí)，確保鍋爐處在安全、穩(wěn)定的生產(chǎn)工況。

通過(guò)WinCC軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)操作員站的組態(tài)，可以進(jìn)行工藝流程組態(tài)，報(bào)警畫(huà)面組態(tài)，過(guò)程值的實(shí)時(shí)顯示及趨勢(shì)曲線繪制，在線調(diào)整PID參數(shù)等，從而在線比較分析各控制參數(shù)在控制過(guò)程中的作用，如圖2所示為WinCC組態(tài)圖[12]。

圖2 WinCC組態(tài)圖Fig.2 WinCC configuration chart

3 系統(tǒng)運(yùn)行及結(jié)果分析

硬件部分接線之后，開(kāi)啟各部分開(kāi)關(guān)，將組態(tài)好的CFC和SFC編譯并下載至PLC中，運(yùn)行SFC，同時(shí)運(yùn)行SMPT1000實(shí)驗(yàn)軟件。鍋爐處于開(kāi)車運(yùn)行中，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照開(kāi)車順序控制的要求啟動(dòng)。開(kāi)車順序控制將在30 min之內(nèi)完成，之后系統(tǒng)將全部投入自動(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，最終完成對(duì)鍋爐生產(chǎn)過(guò)程的開(kāi)車及控制。

圖3是鍋爐綜合控制系統(tǒng)的運(yùn)行曲線，鍋爐在升溫升壓階段過(guò)熱蒸汽出口溫度TI1104能達(dá)到（450±5）℃范圍內(nèi)，過(guò)熱蒸汽出口壓力PI1104能達(dá)到（3.8±0.1）MPa范圍內(nèi)，過(guò)熱蒸汽出口流量 FI1105能達(dá)到（15±1）kg/s范圍內(nèi)，汽包水位LI1102維持在50%，爐膛真空度（爐膛壓力PI1102）穩(wěn)定在100 mm H2O，并且能使得過(guò)熱蒸汽各項(xiàng)指標(biāo)維持在該標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，同時(shí)使鍋爐處理量FI1105最終提升至指定產(chǎn)量（30±1）kg/s范圍內(nèi)。

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.3 Curve of simulation results

4 結(jié)語(yǔ)

基于新一代過(guò)程控制系統(tǒng)SIMATIC PCS 7對(duì)仿真系統(tǒng)SMPT1000上的鍋爐燃燒模型進(jìn)行了綜合的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，有較強(qiáng)的抗干擾能力，很好地滿足了工藝要求，可以在安全生產(chǎn)的前提下獲得較高的產(chǎn)量，與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程基本吻合。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)有全面的認(rèn)識(shí)和理解，更重要的是能讓學(xué)生將過(guò)程控制領(lǐng)域的理論知識(shí)與工程實(shí)踐得到很好的結(jié)合，能夠較好地培養(yǎng)學(xué)生的過(guò)程自動(dòng)化控制工程設(shè)計(jì)能力，集散控制系統(tǒng)配置、編程、調(diào)試能力。

[1]王建國(guó).電廠熱工過(guò)程自動(dòng)控制[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2]馬昕，張貝克，孫洪程，等.基于SIMATIC PCS7的間歇反應(yīng)溫度控制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27（8）：232-234.

[3]王晶，張永德，陳吉夫，等.基于ASEA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25（8）：34-36.

[4]紀(jì)超，王晶，于建梅.基于SMPT-1000實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的鍋爐控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（7）：47-49.

[5]西門(mén)子公司.西門(mén)子2014年西門(mén)子杯全國(guó)大學(xué)生工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)型賽項(xiàng)高校組工程設(shè)計(jì)文件[Z]，2014.

[6]西門(mén)子公司.SIMATIC PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)介紹[Z].北京：西門(mén)子中國(guó)有限公司，2005.

[7]王鶯歌.大型電站鍋爐飛灰含碳量的調(diào)整與控制[J].東北電力技術(shù)，2007，28（11）：24-28.

[8]梁紅兵.工業(yè)煤粉鍋爐燃燒的智能集成控制系統(tǒng)[D].湖南：中南大學(xué)，2002.

[9]夏蕾，袁鎮(zhèn)福.火電廠鍋爐主汽溫度控制策略研究[J].鍋爐技術(shù)，2007，38（5）：6-8.

[10]趙志丹，陳志剛，王開(kāi)柱，等.配置雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)的超臨界600MW 機(jī)組主蒸汽溫度控制[J].熱力發(fā)電，2010，39（2）：91-94.

[11]馬昕，張貝克.深入淺出過(guò)程控制——小鍋帶你學(xué)過(guò)控[M].北京：高等教育出版社，2013.

[12]任俊杰，李紅星，李媛.基于PLC和組態(tài)王的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（5）：17-18.