電站鍋爐自控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司動力分公司 吳凱

1　引言

本項目總體規(guī)模為蒸汽鍋爐和熱水鍋爐兩種，公共管網(wǎng)系統(tǒng)包括真空-電化學(xué)-化學(xué)三位一體除氧器、熱力除氧器、汽水殼式換熱器，水水板式換熱器，一次網(wǎng)、二次網(wǎng)循環(huán)泵和補(bǔ)水泵，除氧泵等。本項目新建燃?xì)忮仩t房，自控系統(tǒng)與項目同步建設(shè)、同步投入使用。

2　檢測與控制系統(tǒng)

2.1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

公共管網(wǎng)系統(tǒng)采用西門子公司的S7-400系列的PLC冗余控制系統(tǒng)，CPU采用西門子S7-400的CPU416，此款PLC數(shù)字信號輸入輸出能力達(dá)到26萬點(diǎn),模擬信號輸入輸出能力達(dá)到1.6萬點(diǎn)，CPU程序數(shù)據(jù)RAM達(dá)到4M，CPU故障事件保存存儲區(qū)達(dá)到120個，且可擴(kuò)展，功能模塊與控制器同系列、同軌道安裝，不采用擴(kuò)展方式，編程軟件同時支持LAD、FBD、STL、SCL、CFC、GRAPH、HiGraph編程語言。冗余系統(tǒng)配置是CPU、存儲器、電源設(shè)備和通信接口都是1：1冗余，可以實(shí)現(xiàn)雙控制器冗余切換，可以實(shí)現(xiàn)通信冗余功能和電源冗余功能，增加系統(tǒng)可靠性和安全性。由于各臺鍋爐之間存在互為備用的關(guān)系，因此每臺鍋爐由一套S7-300PLC實(shí)現(xiàn)單臺鍋爐和輔機(jī)的自動運(yùn)行與安全檢測功能。

鍋爐中央控制管理計算機(jī)負(fù)責(zé)完成所有鍋爐系統(tǒng)重要運(yùn)行參數(shù)的歷史記錄、存儲和產(chǎn)生報表并能打印輸出，實(shí)現(xiàn)各鍋爐運(yùn)行負(fù)荷的統(tǒng)一調(diào)配；根據(jù)鍋爐的運(yùn)行狀況進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，使鍋爐房成為新一代節(jié)約型能源中心。整個控制系統(tǒng)的設(shè)計充分體現(xiàn)了控制分散、信息管理集中的現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備控制思想的發(fā)展理念，具有投資性價比高，可靠性好、便于擴(kuò)展，技術(shù)先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2　控制總體思路

鍋爐房內(nèi)熱力系統(tǒng)按“一鍵啟?！彼悸愤M(jìn)行設(shè)計，自動檢測末端參數(shù)，根據(jù)檢測結(jié)果，自動調(diào)整循環(huán)泵、換熱器、鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行臺數(shù)；啟動蒸汽鍋爐前，除鍋爐本體自動檢測外，還自動完成檢測給水泵、除氧水箱水位、軟水設(shè)備、鍋爐總出口閥門等狀態(tài)并進(jìn)行必要調(diào)節(jié)，達(dá)到啟爐條件后，自動點(diǎn)火；啟動循環(huán)泵，除其本身自動檢測外，還可完成其進(jìn)出口閥門狀態(tài)以及壓力值的檢測并進(jìn)行必要調(diào)節(jié)，達(dá)到啟動條件后，自動變頻啟動；啟動換熱器前，除其本身自動檢測外，還完成其進(jìn)出口閥門狀態(tài)以及其壓力、溫度值的檢測并進(jìn)行必要調(diào)節(jié)，達(dá)到啟動條件后，自動啟動。各系統(tǒng)均能夠由獨(dú)立的PLC控制站自主完成鍋爐系統(tǒng)的自動運(yùn)行與安全檢測。上位監(jiān)控管理計算機(jī)完成對所有鍋爐房系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊與處理，并負(fù)責(zé)完成所有鍋爐房系統(tǒng)重要運(yùn)行參數(shù)的歷史記錄、存儲、生產(chǎn)報表打印以及各鍋爐房運(yùn)行負(fù)荷的統(tǒng)一調(diào)配。系統(tǒng)通過局域網(wǎng)隨時向上一級的管理級計算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，為辦公自動化提供了接口和條件。

2.3　控制軟件結(jié)構(gòu)

控制軟件的設(shè)計是指整個鍋爐控制系統(tǒng)的框架設(shè)計，在嚴(yán)格遵循控制系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)燃?xì)鉄崴仩t的運(yùn)行特點(diǎn)和中央監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，并考慮控制系統(tǒng)的科學(xué)性和先進(jìn)性要求，將整個群控系統(tǒng)按操作的等級分為上位監(jiān)控子系統(tǒng)、單臺鍋爐實(shí)時控制子系統(tǒng)兩個部分。上位監(jiān)控子系統(tǒng)是整個鍋爐群控系統(tǒng)的指揮中心，所有鍋爐的信息都集中顯示在中央控制計算機(jī)中，在正常運(yùn)行情況下，操作員可以在指揮中心對模塊鍋爐進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，如控制參數(shù)的設(shè)置、修改，啟動優(yōu)化控制程序，建立鍋爐節(jié)能分析報表等。上位監(jiān)控子系統(tǒng)起到信息和人員的管理職能，建立重要鍋爐參數(shù)的歷史報表和趨勢，對現(xiàn)場操作人員的生產(chǎn)監(jiān)督，中央監(jiān)控操作員的權(quán)限設(shè)置。上位監(jiān)控子系統(tǒng)建立在鍋爐房控制室內(nèi)，由監(jiān)控軟件、通訊電纜、監(jiān)控操作平臺、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、不間斷電源等部分組成。

圖1　控制軟件結(jié)構(gòu)圖

單臺鍋爐實(shí)時控制子系統(tǒng)是整個鍋爐群控系統(tǒng)的控制核心，如果說上位集中監(jiān)控子系統(tǒng)是“大腦”的話，那么單臺鍋爐實(shí)時控制子系統(tǒng)就是“心臟”。所有正常狀態(tài)下的鍋爐控制都是由鍋爐控制柜來實(shí)現(xiàn)的。為保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，采用控制器和強(qiáng)電手動操作共同來實(shí)現(xiàn)具體的控制功能，采用工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)鍋爐控制器與上位監(jiān)控子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。實(shí)時控制子系統(tǒng)建立在鍋爐房控制室內(nèi)，核心控制器與上位監(jiān)控子系統(tǒng)安裝在同一平臺中，主要由一次傳感器、變送器（現(xiàn)場安裝）、核心控制模塊、強(qiáng)電手動控制、控制柜等部分組成。控制軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。從橫向角度來看，群控系統(tǒng)的設(shè)計符合國際上流行的“控制分散、監(jiān)視集中”的群控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。對于每個鍋爐系統(tǒng)而言，控制是相互獨(dú)立，彼此不會干擾，而監(jiān)視系統(tǒng)又是集中的，信息是共享的，這有利于整體管理。從縱向角度看，鍋爐控制系統(tǒng)是安全可靠的，在正常情況下，操作員在上位監(jiān)控系統(tǒng)就可以對所有鍋爐進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，一旦上位系統(tǒng)發(fā)生故障，操作員可以通過鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，即使發(fā)生極端情況，操作員也可以通過控制柜的強(qiáng)電手動操作對鍋爐進(jìn)行簡單的操作，不會因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)影響鍋爐的正常運(yùn)行。

2.4　上位機(jī)系統(tǒng)

上位監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能有兩個，一是對整個鍋爐房的監(jiān)視與管理功能，包括用戶管理、工況監(jiān)控、報警信息、實(shí)時與歷史曲線、數(shù)據(jù)記錄、報表打印等；二是對鍋爐房控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度和控制，包括參數(shù)設(shè)置、優(yōu)化運(yùn)行策略、緊急處理等。上位監(jiān)控系統(tǒng)被編制為三級控制權(quán)限，即操作員、鍋爐房工程師和系統(tǒng)工程師。操作員的權(quán)限僅限于日常瀏覽和實(shí)時監(jiān)視，不具備對組態(tài)軟件的任何修改與設(shè)置權(quán)力；鍋爐房工程師的權(quán)限是在操作員的權(quán)限之上，可以對運(yùn)行過程中的一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與修改，如控制參數(shù)、出水溫度設(shè)置、氣候補(bǔ)償曲線的選擇等；鍋爐房工程師和操作員都屬于組態(tài)軟件的操作前臺；系統(tǒng)工程師的權(quán)限是軟件組態(tài)級的，可以隨時修改組態(tài)界面和控制程序，一般是在后臺進(jìn)行操作，具有最高的權(quán)限。

3　監(jiān)控系統(tǒng)

3.1　主要功能

本群控系統(tǒng)采用Wincc V7.0作為上位集中監(jiān)控平臺，上位集中監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能主要包括以下幾個部分：數(shù)據(jù)采集，通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用TCP/IP通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與鍋爐節(jié)能運(yùn)行管理控制器的數(shù)據(jù)雙向通信；人機(jī)操作界面，通過各種形式的數(shù)據(jù)顯示方式，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場重要工況數(shù)據(jù)的監(jiān)控；數(shù)據(jù)的記錄、檢索與分析，通過數(shù)據(jù)報表、歷史趨勢和數(shù)據(jù)打印等形式，對鍋爐運(yùn)行狀況進(jìn)行統(tǒng)計和記錄；優(yōu)化調(diào)度，在對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立鍋爐優(yōu)化運(yùn)行的調(diào)度指令和開環(huán)指導(dǎo)；操作管理，對當(dāng)班的司爐工進(jìn)行操作登記，使操作工的操作與鍋爐運(yùn)行狀況一一對應(yīng)，真正實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理。

3.2　燃燒機(jī)自動控制功能

燃燒器采用比例調(diào)節(jié)方式進(jìn)行控制，根據(jù)出水溫度的目標(biāo)值與實(shí)際出水溫度檢測值的差值，PID調(diào)節(jié)燃料閥開度，配風(fēng)由機(jī)械連桿自動匹配。為使燃燒效果達(dá)到最佳狀態(tài)，控制系統(tǒng)引入鍋爐尾部煙氣氧含量作為鼓風(fēng)量的調(diào)節(jié)參數(shù)指標(biāo)，變頻調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率來調(diào)節(jié)鍋爐進(jìn)風(fēng)量。控制原理如圖2所示。

圖2　燃燒器控制流程圖

系統(tǒng)設(shè)有定時自動控制功能。系統(tǒng)可在24小時內(nèi)設(shè)置四組定時工作時段，包括各時段開機(jī)、關(guān)機(jī)時間，鍋爐出水溫度上限、下限及轉(zhuǎn)火溫度；啟動定時功能后，電腦根據(jù)當(dāng)前時間使系統(tǒng)自動進(jìn)入上班或下班不同時段，可根據(jù)用戶設(shè)置不同的溫度范圍進(jìn)行自動控制。當(dāng)前回水溫度t系統(tǒng)自動，為防止溫度太低導(dǎo)致管道爆裂，當(dāng)t≤5℃時，啟動燃燒機(jī)一段火暖爐；當(dāng)t≥16℃時，關(guān)閉燃燒機(jī)，退出防凍狀態(tài)。燃燒機(jī)操作具有操作口令、系統(tǒng)調(diào)試口令、用戶程序保護(hù)口令的密碼管理。燃燒機(jī)控制器集中在控制柜中，形成燃燒機(jī)BMS管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含燃燒自動程序控制功能、燃燒監(jiān)測功能。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的自動化管理，采用便于操作人員使用的系統(tǒng)顯示，燃燒器的控制受控于鍋爐的總控制，并與鍋爐的控制保持相對的獨(dú)立性。

3.3　實(shí)時運(yùn)行畫面

在上位監(jiān)控管理計算機(jī)彩色顯示器上動態(tài)實(shí)時顯示動力站鍋爐、給水系統(tǒng)工藝流程、各主要工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行趨勢和各鍋爐的溫度壓力流量等數(shù)據(jù)。使生產(chǎn)管理人員掌握當(dāng)前鍋爐及動力設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行情況，能從總圖詳圖多層次監(jiān)測，動態(tài)圖形的總體結(jié)構(gòu)形式為分層展開式?？刂栖浖\(yùn)行畫面如圖3所示。

3.4　趨勢圖畫面

控制軟件畫面包括鍋爐房系統(tǒng)監(jiān)控總圖，鍋爐動態(tài)工藝流程圖，自控系統(tǒng)總圖、主要參數(shù)實(shí)時、歷史趨勢圖，各主要設(shè)備狀態(tài)和控制回路圖等等。其中趨勢圖可用棒狀圖或線狀圖顯示歷史趨勢或當(dāng)前趨勢。操作人員可以很方便地調(diào)整趨勢顯示的時間坐標(biāo)或輸入范圍。每個測量變量趨勢圖以時間為背景，操作人員能夠輸入開始時間和結(jié)束時間。隨著時間跨度的變化，采樣頻率也相應(yīng)變化。為加快數(shù)據(jù)檢索時間，趨勢曲線所用的數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中一個特定的緩沖區(qū)內(nèi)。

圖3　控制軟件運(yùn)行畫面

3.5　故障報警畫面

計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)配置了故障處理專家系統(tǒng)軟件通過預(yù)裝的專家系統(tǒng)得到故障原因的詳細(xì)資料及排除故障的對策。在任何時間和在任何能顯示的工作站都能在畫面頂部或底部顯示出的報警信息，操作人員點(diǎn)擊該報警信息可以快速地調(diào)出與本報警有關(guān)的畫面，該畫面可以顯示出故障原因的詳細(xì)資料及排除故障的對策。所有的報警信號都以時間先后排隊，該隊列可以在畫面上顯示并存貯在內(nèi)存內(nèi)。在任何時間，該隊列在畫面上保留最新的128個報警點(diǎn)。這個歷史報警隊列在畫面上采用顏色的閃爍和顏色的變化來表示一個報警信號是否被確認(rèn)和是否被已恢復(fù)到正常的工況。在產(chǎn)生任何一個報警信號時，工作站便產(chǎn)生一個報警聲音以提醒操作人員報警內(nèi)容登記在數(shù)據(jù)庫事件登錄清單內(nèi)，如果需要可以按要求調(diào)用并按命令分別打印。

4　小結(jié)

燃?xì)忮仩t與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐相比，運(yùn)行安全性更為重要，特別是燃?xì)庑孤┖腿急瑔栴}必須有自動檢測和自動解列功能。本項目在設(shè)計和實(shí)施中增加了控制過程的實(shí)時性顯示，實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)的連鎖控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自動報警與自動解列功能。

參考文獻(xiàn)：

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