基于DCS的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

帕孜來(lái)·馬合木提, 楊華偉

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊　830047)

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基于DCS的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

帕孜來(lái)·馬合木提, 楊華偉

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊830047)

針對(duì)工業(yè)中對(duì)電鍋爐溫度控制的要求,利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器與設(shè)備,設(shè)計(jì)了基于DCS系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)。以TCS3000系統(tǒng)與EFAT/P過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置為平臺(tái),分別從硬件與軟件兩部分詳述了控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)了控制算法的設(shè)計(jì),利用MOX組態(tài)軟件建立了實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面,完成了實(shí)際控制系統(tǒng)的搭建,取得了良好的控制效果。為鍋爐系統(tǒng)的研究提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

電鍋爐； 溫度控制； DCS； TCS-3000； MOXGRAF； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在當(dāng)前的工業(yè)應(yīng)用中,不同的場(chǎng)合對(duì)鍋爐控制質(zhì)量的要求不同,為了滿足高要求的控制質(zhì)量,我們不斷地探索將先進(jìn)的控制算法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)控制中。在我國(guó)用于工業(yè)自動(dòng)化控制的控制器主要有:單片機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、可編程控制器(PLC)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、DCS系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)可靠性高、功能強(qiáng)大、實(shí)用性高,得到了廣泛的應(yīng)用[1]。國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱國(guó)電南自)的TCS3000系統(tǒng)I/O總線采用目前工業(yè)中常用的CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線,系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng),方便對(duì)具有大規(guī)模的I/O信號(hào)進(jìn)行管理。

為了模擬工業(yè)中的溫度控制系統(tǒng),本文利用EFAT/P實(shí)驗(yàn)裝置[2]搭建的鍋爐加熱系統(tǒng),并以TCS3000系統(tǒng)構(gòu)建DCS控制系統(tǒng),完成了系統(tǒng)通信,在Moxgraf 中編寫(xiě)了系統(tǒng)的控制程序,在CitectSCAD中完成了系統(tǒng)設(shè)備的組態(tài),達(dá)到了控制指標(biāo)的要求。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

電鍋爐溫度控制系統(tǒng)[3-5]通過(guò)電能加熱鍋爐內(nèi)的水,熱水通過(guò)水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入供暖區(qū)域,對(duì)供暖的區(qū)域進(jìn)行供熱,散熱后的水再回流到電鍋爐內(nèi),從而形成循環(huán)加熱系統(tǒng)。限于實(shí)驗(yàn)室條件,本次設(shè)計(jì)是對(duì)實(shí)際供暖鍋爐簡(jiǎn)化后的模型,供熱鍋爐的主要任務(wù)就是能夠在安全運(yùn)行的情況下提供足夠的熱供應(yīng)。設(shè)計(jì)要求鍋爐溫度控制系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定值的變化調(diào)整鍋爐內(nèi)出水的溫度,并要求在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能夠保證鍋爐出水溫度的穩(wěn)定。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖1,系統(tǒng)由工控機(jī)、交換機(jī)、控制器、EFAT/P過(guò)程控實(shí)驗(yàn)裝置組成。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)主要是在研華工控機(jī)上以MOXGRAF為平臺(tái)完成控制算法的編程。以CitectSCAD軟件為平臺(tái)建立整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控畫(huà)面并通過(guò)MOXIDE軟件與現(xiàn)場(chǎng)變量進(jìn)行連接,實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。EAFT/P-ⅡB過(guò)程實(shí)驗(yàn)臺(tái)I/O信號(hào)面板與DCS信號(hào)板通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)連接線相連,DCS轉(zhuǎn)接板與I/O模件通過(guò)硬接線方式進(jìn)行連接,研華工控機(jī)與以太網(wǎng)交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接線進(jìn)行連接。上位機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)可顯示電鍋爐的狀態(tài),同時(shí)也可以通過(guò)監(jiān)控面板向DPU發(fā)送命令,改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作[6]。

2　硬件設(shè)計(jì)2.1　硬件介紹

控制器選用國(guó)電南自的TCS3000系統(tǒng),系統(tǒng)采用先進(jìn)的IT技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化需求,是國(guó)產(chǎn)的新一代儀電式分散控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)特別適合大中小型發(fā)電廠以及工礦企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程一體化過(guò)程[7]14-42。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鍋爐溫度控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用的是新奧拓實(shí)業(yè)有限公司的EFAT/P-ⅡB型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置[8]。該實(shí)驗(yàn)裝置主要由鍋爐、水槽、高水箱、32只手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、2只電動(dòng)調(diào)節(jié)閥構(gòu)成。

2.2檢測(cè)量的選取

本系統(tǒng)主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表檢測(cè)過(guò)程控制裝置的有關(guān)信息,儀表信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)連接到過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的I/O信號(hào)面板；然后電信號(hào)經(jīng)過(guò)DCS轉(zhuǎn)接板接入TCS3000的I/O模塊,經(jīng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)傳送至DPU和上位機(jī),DPU經(jīng)過(guò)分析計(jì)算后將控制量經(jīng)I/O模件輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作。

系統(tǒng)中的I/O測(cè)控點(diǎn)如下:

(1) 模擬量輸入信號(hào)(AI)有:鍋爐進(jìn)水閥M1閥位信號(hào)、鍋爐出水閥M2信號(hào)、鍋爐液位信號(hào)、鍋爐流量信號(hào)；

(2) 模擬量輸出信號(hào)(AO)有:鍋爐進(jìn)水閥M1控制信號(hào)、鍋爐出水閥M2控制信號(hào)、加熱棒控制信號(hào)；

(3) 熱電阻輸入信號(hào)(RTD)有:PT100鉑電阻電阻信號(hào)。

I/O機(jī)箱中所用的熱工量卡件:AI模件是8點(diǎn)模擬量單點(diǎn)隔離輸入模件,型號(hào)為PM301-AI.A-A；AO模件是6點(diǎn)模擬量單點(diǎn)隔離輸出模件,型號(hào)為PM303-AO.A-A；RTD模件是8點(diǎn)模擬量的熱電阻單點(diǎn)隔離輸入模件,型號(hào)為PM302-RTD.A-A[7]17-19。

2.3系統(tǒng)硬件連接

EFAT/P-ⅡB過(guò)程實(shí)驗(yàn)臺(tái)I/O信號(hào)面板與DCS信號(hào)板通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)連接線相連,DCS轉(zhuǎn)接板與I/O模件通過(guò)單芯屏蔽線進(jìn)行連接,研華工控機(jī)與以太網(wǎng)交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接線進(jìn)行連接[9]。上位機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)可以顯示電鍋爐的狀態(tài),同時(shí)也可以通過(guò)監(jiān)控面板向DPU發(fā)送命令,改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

系統(tǒng)的總體硬件接線見(jiàn)圖3。

3　軟件設(shè)計(jì)

電鍋爐運(yùn)行過(guò)程中,首先要控制鍋爐的出水流量和鍋爐液位,保持整個(gè)水體系統(tǒng)的穩(wěn)定,保證鍋爐不會(huì)干燒造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞,同時(shí)出水流量達(dá)到供暖系統(tǒng)水體循環(huán)流量的設(shè)計(jì)要求；然后對(duì)鍋爐內(nèi)部的加熱棒進(jìn)行控制,使鍋爐內(nèi)膽水溫達(dá)到設(shè)定值。整個(gè)控制系統(tǒng)由模擬量控制系統(tǒng)、鍋爐實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)組成[7]58-62。

本設(shè)計(jì)所用到的軟件有:下位組態(tài)軟件MOXGRAF、MOXIDE、上位監(jiān)控軟件CitectSCAD。其中MOXGRAF 軟件用于實(shí)時(shí)控制程序的編寫(xiě),MOXIDE軟件用于對(duì)控制器和I/O信息的配置,同時(shí)它也承擔(dān)了MOXGRAF與CITECT軟件變量連接的功能,CitectSCAD軟件用于繪制上位監(jiān)控畫(huà)面,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.1控制器設(shè)置

首先對(duì)工控機(jī)的IP地址網(wǎng)段進(jìn)行設(shè)置,使工控機(jī)的IP地址網(wǎng)段與控制器的IP地址處于同一網(wǎng)段中,該設(shè)計(jì)中的控制器網(wǎng)段為192.168.10.3[10]。設(shè)置方法:打開(kāi)工控機(jī)中的本地連接,并在Internet協(xié)議(TCP/IP)屬性中設(shè)置IP地址為192.168.10.3。

圖3　系統(tǒng)總體硬件接線

在MOXIDE中使用IPConfig對(duì)DPU的IP進(jìn)行搜索,并對(duì)主輔控制器的IP進(jìn)行修改。冗余DPU的IP采用同樣的方法進(jìn)行設(shè)置。本設(shè)計(jì)中把主控制器的IP地址設(shè)置為192.168.10.21,輔控制器的IP地址為192.168.10.22。

3.2MOXGRAF程序設(shè)計(jì)

在MOXGRAF中首先對(duì)DCS系統(tǒng)的控制器及系統(tǒng)內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置。通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置中網(wǎng)絡(luò)屬性為ETCP,通信協(xié)議以TCP/IP為基礎(chǔ),連接控制器IP地址設(shè)為主控制器的IP地址,即192.168.10.21。硬件設(shè)備設(shè)置主要是對(duì)控制程序的屬性設(shè)置,其中控制器類型為MOXOC,冗余控制器個(gè)數(shù)為1個(gè),主控制器和輔控制器的控制程序都來(lái)自Resource1。通信網(wǎng)絡(luò)屬性設(shè)置見(jiàn)圖4。

圖4　通信網(wǎng)絡(luò)屬性設(shè)置

根據(jù)對(duì)鍋爐溫度控制系統(tǒng)工藝流程的分析,對(duì)系統(tǒng)中的I/O變量進(jìn)行定義。首先添加變量組,本設(shè)計(jì)中定義的變量組有AI、AO和RTD,還有卡件品質(zhì)判斷變量、通信變量、過(guò)程變量等,把變量與卡件的通道連接起來(lái)。定義變量完成后,就可以對(duì)基本的控制程序進(jìn)行編寫(xiě)?？刂葡到y(tǒng)的程序編寫(xiě)中用到最多的是軟件中自帶的南自軟件功能塊。但是功能塊庫(kù)有限,在MOXGRAF軟件使用中,還需要設(shè)計(jì)者根據(jù)需要開(kāi)發(fā)合適的功能模塊。其中必須設(shè)計(jì)的模塊有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊,主要用來(lái)把模擬量輸入、輸出模件中的數(shù)據(jù)與工程變量聯(lián)系起來(lái)。AI卡件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,在卡件內(nèi)部,把標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸。FB_AI模塊的設(shè)計(jì)就是將經(jīng)過(guò)AI卡件A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解析,變?yōu)榕c數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的物理量,如閥位、流量、液位。FB_AI模塊的原理圖見(jiàn)圖5。

AO卡件連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu),能夠通過(guò)DPU發(fā)送動(dòng)作指令。發(fā)送命令時(shí),所用的控制量是0～100的數(shù)值。AO卡件輸出值是4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),而在DPU內(nèi)部傳輸?shù)氖怯?jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào),這里用FB_AO模塊將控制量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),這樣經(jīng)過(guò)AO卡件的數(shù)/模轉(zhuǎn)換處理就可以輸出4～20 mA的模擬量信號(hào)。FB_AO模塊的原理圖見(jiàn)圖6。

圖5　FB_AI模塊原理圖

圖6　FB_AO模塊原理圖

同樣,RTD卡件將溫度阻值信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào),FB_PT100就相當(dāng)于鉑電阻的分度表,將阻值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度值,便于操作人員讀取數(shù)據(jù)。

3.3Citect監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的鍋爐溫度控制系統(tǒng)監(jiān)控程序能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視系統(tǒng)中所有輸入輸出的數(shù)據(jù)點(diǎn)、觀察數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)、輸入控制指令、切換控制方法。

在CitectSCAD中首先要建立一個(gè)I/O Device,在communications中選擇express I/O device setup定義一個(gè)I//O device。設(shè)置I/O設(shè)備類型為External I/O DEV,制造商及類型的選擇為MOX Product-MOX Open Controller(MOX OC)-Ethernet(MOXDRV),設(shè)置地址為192.168.10.21。Citect軟件與DPU采用的是用MoxDRV通信。使用MOXIDE中的MOX2CIT導(dǎo)入變量。選取相應(yīng)的MOX工程和I/O Device，點(diǎn)擊ADD ALL即可將下位組態(tài)的變量全部導(dǎo)入上位工程[7]46-47。上下位之間通過(guò)地址索引來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

在實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面中,可以實(shí)時(shí)顯示鍋爐的溫度、液位等物理量。通過(guò)按鈕功能來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示頁(yè)面的切換和控制策略的切換。控制系統(tǒng)的監(jiān)控頁(yè)面見(jiàn)圖7。

圖7　控制系統(tǒng)監(jiān)控頁(yè)面

4　結(jié)語(yǔ)

基于TCS3000 DCS系統(tǒng)和EFAT/P過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置完成了系統(tǒng)的硬件連接工作,并以MOXGRAF和CITECT軟件為平臺(tái),對(duì)系統(tǒng)的下位進(jìn)行組態(tài)和上位監(jiān)控畫(huà)面的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的自動(dòng)化。為鍋爐系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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Design of electric boiler temperature control system based on DCS

Pazilati Mahemuti, Yang Huawei

(Department of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China)

According to the requirement of electric boiler temperature in industry, this paper designs the temperature control system based on DCS(distributed control system), which is using the existing instruments and equipment. Taking the TCS-3000 system and EFAT/P process experimental system as the platform, this paper illustrates the reality of temperature control system from software and hardware, respectively, realizing the design of control algorithm through the programming, using the MOX configuration software to establish the real-time monitoring, accomplishing the practical of control system, and has got a good result. It can provide a good platform for the research of boiler system.

electric boiler; temperature control system; DCS(distributed control system); TCS-3000; MOXGRAF; experimental platform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.022

2015- 09- 15修改日期:2015- 11- 05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61364010)

帕孜來(lái)·馬合木提(1962—),女(維吾爾族),新疆烏魯木齊,碩士,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)檫^(guò)程控制及智能診斷.

E-mail:pazilat1124@163.com

TP272

A

1002-4956(2016)3- 0082- 04