泓格I－8000在鍋爐智能控制系統(tǒng)中的應用
王 波
摘要：為了提高上海柴油機股份有限公司生產(chǎn)保障中心20t/h鍋爐（以下簡稱上柴鍋爐）系統(tǒng)的智能控制和管理水平，保證蒸汽高產(chǎn)量、高效率生產(chǎn)，合理控制燃燒，提高鍋爐的熱效率，采用泓格公司的I－87K以及I－8000 ICPDAS模塊對鍋爐采用智能控制技術，進行了設備改造，智能控制系統(tǒng)的功能以及可靠性、安全性都達到了用戶的要求，各項技術指標都達到或超過預期的目標。
關鍵詞：I－87K I－8000
1 系統(tǒng)開發(fā)的必要性
上海柴油機股份有限公司生產(chǎn)保障中心20t/h鍋爐的原控制系統(tǒng)因各種客觀原因，系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)自控系統(tǒng)故障而采用手操運行。為了進一步提高工作狀態(tài)參數(shù)的實時綜合監(jiān)控和智能控制水平以及加強鍋爐技術的管理水平，及時發(fā)現(xiàn)并處理設備可能存在的隱患或發(fā)生的故障，提高鍋爐的系統(tǒng)的安全性，必須實施鍋爐控制系統(tǒng)的智能控制和管理。同時，在上柴鍋爐的控制系統(tǒng)中包括汽包液位控制，爐膛負壓控制，蒸汽壓力控制（包括爐排和送風），除氧系統(tǒng)中的蒸汽壓力和液位的控制。但傳統(tǒng)的自動控制不能滿足客戶的要求，加之鍋爐控制系統(tǒng)的復雜和安全性要求，急需對現(xiàn)有的設備和系統(tǒng)進行改造。為此，我們利用了泓格I－87K以及I－8000 ICPDAS模塊對上柴廠的兩臺供熱鍋爐采用了智能控制方式，其應用效果十分明顯。
2 工作原理
2.1 常規(guī)控制的弊端和智能控制的必要性
作為鍋爐控制設備和控制系統(tǒng)，其首要保證的是安全性，其安全因素包括鍋爐的蒸汽壓力，鍋爐內的液位，以及燃燒系統(tǒng)的引風和送風的控制。上柴鍋爐的蒸汽主要用于生產(chǎn)、供熱、后勤服務等。尤其在生產(chǎn)上，廠內的蒸汽壓縮機以及一些數(shù)控機床對蒸汽的壓力要求比較的高，蒸汽壓力的過高會增加對機器設備損傷，蒸汽壓力的過低又不能正常啟動設備，都對生產(chǎn)和生產(chǎn)設備造成很大的負面影響。而一些后勤服務主要是對蒸汽流量的要求，蒸汽流量不夠將會使后勤服務的質量跟不上。所以基于上柴鍋爐的特性，同時要保證蒸汽流量和蒸汽壓力，而在鍋爐系統(tǒng)中，蒸汽壓力和蒸汽流量之間是相互聯(lián)系的，當蒸汽流量發(fā)生變化時，勢必蒸汽壓力會產(chǎn)生變化。常規(guī)控制中，系統(tǒng)只是將各個回路作為單回路來控制，各個回路之間是相對獨立的，不能同時保證蒸汽壓力和蒸汽流量的穩(wěn)定，這樣不僅會損傷廠內重要生產(chǎn)設備，還不能夠很好的保證供熱和后勤服務，這對企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟損失。在全國鍋爐行業(yè)中，對鍋爐的最基本、最重要的要求是安全性。常規(guī)控制中，只是列出一些重要參數(shù)的報警顯示，并沒有在系統(tǒng)軟件方面對報警點做相應的處理，這給鍋爐的安全性帶來了安全方面的隱患。所以，對鍋爐的智能改造是很有必要的。
假如采用智能控制系統(tǒng)，效果則會完全不一樣。在智能控制系統(tǒng)中，采用模糊控制技術，將鍋爐系統(tǒng)的各個回路都聯(lián)系在一起，只要其中一個參數(shù)發(fā)生了變化，其他的參數(shù)會提前作出相應的變化。在鍋爐的系統(tǒng)中，首先發(fā)生變化的是蒸汽流量的變化，而蒸汽流量的變化會使蒸汽壓力發(fā)生變化，蒸汽壓力的變化同時會對汽包液位、爐膛負壓產(chǎn)生一定的影響。當系統(tǒng)檢測到蒸汽流量發(fā)生變化時，會在第一時間內作出一系列的參數(shù)的調整，以保證蒸汽流量變化后蒸汽壓力、爐膛負壓及其他參數(shù)的穩(wěn)定。而在智能控制系統(tǒng)中，對安全方面也作出了比較全面的技術處理，對一些非重要參數(shù)做聲光報警并記錄，而對一些重要參數(shù)，如蒸汽壓力的過高、汽包液位的過高、汽包液位的過低、爐膛負壓的過高等，系統(tǒng)會依據(jù)參數(shù)的類型，作出相應的處理，當涉及到安全方面，如蒸汽壓力過高、汽包液位過高、汽包液位過低，系統(tǒng)會停爐并伴有聲光報警，當系統(tǒng)的安全參數(shù)解除時，系統(tǒng)會自動的切除停爐設定，并自動切到智能控制。智能控制系統(tǒng)會合理的控制燃燒回路，為燃料配置合理的空氣量，以保證燃料的充分燃燒，提高鍋爐的熱效率和環(huán)保。目前，經(jīng)有關專業(yè)部門的鑒定，鍋爐的灰渣含碳量均低于14％，含氧量在8％左右，具有相當?shù)乃健?/SPAN>
2.2 系統(tǒng)架構
根據(jù)上述分析的智能控制技術，控制系統(tǒng)必須有穩(wěn)定的控制器和相應穩(wěn)定性和精度高的控制模塊，由于鍋爐系統(tǒng)的安全性要求高，不準許發(fā)生任何意外情況，而這就對現(xiàn)場各信號的采集精度及模塊的穩(wěn)定性有相當?shù)囊?。采用普通的信號采集模塊顯然時不行的，而國外知名模塊的價格也相當昂貴，而泓格的I－8000系列的模塊具有國外同類知名模塊的功能，而且價格比較的適中，同時他的體積比較小，便于現(xiàn)場的安裝，滿足設計要求。為此，我們選用了相應功能的模塊來完成采集和控制任務。在模擬量采集方面，我們選用了I－87018模塊，它是8路差動輸入模塊，可高精度的采集現(xiàn)場過來的電壓或電流信號；在熱電歐信號方面，我們采用了I－87013模塊，它可同時采集4路毫伏信號；在控制輸出方面，我們采用4路電壓或電流輸出的I－87024，實時的將控制信號傳送給執(zhí)行機構；在數(shù)字量采入方面，我們采用I－87053，它具有16路的開關量采集點；在數(shù)字量控制方面，我們采用了16路I－87057，它可實現(xiàn)相應的控制開關的控制。智能控制的系統(tǒng)架構圖見圖一所示。
RS-232 RS-232
RS－485 RS－485
圖一 控制系統(tǒng)的架構圖
基于鍋爐控制系統(tǒng)的安全因素，為便于“集中管理，分布控制”，本智能控制系統(tǒng)采用了控制和管理分開的方式，這樣即使管理機發(fā)生故障或因人為操作等原因造成管理機不能正常工作，但這不影響控制機的工作。在智能控制系統(tǒng)中，我們的管理機和控制機是相互聯(lián)系又相互獨立的?？刂茩C主要是控制鍋爐的正常運行，控制機沒有人機接口界面；管理機主要是實時的記錄鍋爐系統(tǒng)內的各個參數(shù)、報警記錄等，并完成報表和經(jīng)濟量的記錄。本智能控制系統(tǒng)現(xiàn)場兩臺鍋爐的管理機可以通過以太網(wǎng)分別操作不同的控制機，現(xiàn)場的操作人員只是通過管理機進行一些相應的操作，并實時的了解鍋爐的運行狀態(tài)。在圖一所示的架構圖上，I－7520與I－8000模塊采用的是RS－485通信、I－7520與工控機之間采用了RS－232通信，而控制計算機之間是通過以太網(wǎng)相連并通信，從而實現(xiàn)了分級控制、分級管理，充分考慮了鍋爐的安全性，是一種比較優(yōu)良的智能控制系統(tǒng)。
2.3 鍋爐智能控制系統(tǒng)調節(jié)過程
在鍋爐燃燒過程中，各項技術指標都要求限定在一定的范圍內。為了確保燃燒過程的穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟運行，我公司采用先進的智能控制技術，由泓格I－8000系列模塊中的I－87013、I－87017、I－87053等自動檢測各路溫度壓力等信號，經(jīng)信號處理，隔離放大，A/D轉換后輸入計算機運算、判斷、分析、處理后，發(fā)出各控制信號。經(jīng)RS－485轉換后，再由泓格I－8000系列模塊中的I－87024、I－87057等輸出，控制鼓、引風機和爐排轉速，改變鼓、引風量和給煤量，使爐膛負壓、汽包水位及蒸汽壓力控制在預定的范圍內，保證鍋爐燃燒在最佳工況和最節(jié)能條件下運行。
2.4 智能控制系統(tǒng)功能
本智能控制系統(tǒng)能自動地完成對給水 、給煤、送風、引風等進出鍋爐的物料量的自動控制，使鍋爐的汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、風煤配比系數(shù)，煙氣含量、爐膛負壓等運行參數(shù)維持在規(guī)定的最佳數(shù)值附近，以保證鍋爐的安全運行、平穩(wěn)操作達到降低煤耗，節(jié)約電能提高供汽質量的目的。
1、 風機、引風機及爐排電機均實現(xiàn)軟啟動；
2、 變頻調速系統(tǒng)能夠自動控制鍋爐的燃燒工況，在負載變化時結合專家智能與計算機的控制，保證鍋爐的最佳運行工況；
3、 變頻調速系統(tǒng)保證在負載調節(jié)過程中，爐膛負壓恒定不變，而給煤量與供氧量隨負荷的變化自動控制在最佳值。
4、 能夠自動根據(jù)用戶熱量需求的變化，調節(jié)供熱量，實現(xiàn)精確供熱，從而實現(xiàn)綜合節(jié)能。
2.5 效益分析
本智能控制系統(tǒng)應用后，實現(xiàn)了鍋爐全自動控制，自動運行率達到95％以上，基本實現(xiàn)了無人操作；運用傳統(tǒng)的三沖量加智能控制技術，鍋爐的汽包水位穩(wěn)態(tài)偏差在正負15mm以內；在外界負荷變化的情況下，鍋爐的蒸汽壓力穩(wěn)態(tài)偏差在正負50KPa以內；爐膛壓力的穩(wěn)態(tài)偏差小于正負10Pa；由于本智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)了合理燃燒，灰渣含碳量小于14.5％（負荷率80％～100％）。本智能控制系統(tǒng)投運以后保證了鍋爐的安全運行、平穩(wěn)操作達到降低煤耗，提高供汽質量，深受上柴廠生產(chǎn)保障中心的喜愛。圖二為生產(chǎn)過程中的歷史曲線。
圖二 智能控制下的歷史曲線
3 所選模塊特性
3.1 I－8000的I/O擴展模塊單元I－87K9
◆支持串行I/O模塊 ◆RS－485最大115.2K bps
◆兼容16C550，16字節(jié)FIFO ◆直接驅動256個I－7000模塊
◆ 最大距離4000英尺（1.2Km） ◆隔離電壓：2500VDC
3.2 模擬輸入模塊I－87017
◆8路模擬差分輸入 ◆輸入阻抗：20M歐
◆采樣率：10Hz ◆C.M.R.：86dB
◆過壓保護：－35～＋35V ◆隔離：3000Vrms
3.3 RTD輸入模塊 I－87013
◆4路RTD（熱電阻）差分輸入 ◆輸入類型：2/3/4線RTD
◆精度：＋/－0.1% ◆采樣速率：10Hz
◆C.M.R.： ◆隔離：3000Vrms
3.4 模擬輸出模塊 I－87024
本智能控制系統(tǒng)中，除了控制一些變頻調速以外，還要控制一些非變頻調速的電機，泓格提供的I－87024是4路隔離模擬量輸出模塊，它不僅能提供＋/－10V、0～10V、＋/－5V、0～5V的電壓輸出，還能夠提供0～20mA/4～20mA的電流輸出，這樣智能控制系統(tǒng)不僅可以用I－87024的模擬輸出信號，給變頻器提供0～10V的控制信號，還可以用I－87024給一些非變頻的控制對象提供4～20mA的控制信號。由于I－87024控制精度是滿量程的＋/－0.1%，還具有14位的分辨率，采用了光電隔離方式，從而提高了智能控制系統(tǒng)的特性，保護了智能控制系統(tǒng)。
4 應用體會
泓格公司提供的I－8000系列模塊在安全性要求極高的鍋爐系統(tǒng)中能夠穩(wěn)定的運行，且故障率極低，說明其品質是可靠的。最重要的是泓格產(chǎn)品具有雙重“看門狗”以及運行可靠的總線隔離系統(tǒng)，極大的提高了系統(tǒng)的可靠性以及運行的穩(wěn)定性。泓格公司給開發(fā)者提供了極為便利的開發(fā)環(huán)境，為其產(chǎn)品提供了完善的設備接口驅動（如I－8000庫函數(shù)以及OPC服務器等），并提供了大量的例程，便于程序開發(fā)人員的參考，所有這些均有利于降低開發(fā)者的開發(fā)時間，提高開發(fā)的效率。智能控制系統(tǒng)投入運行，不僅自動地完成對給水 、給煤、送風、引風等進出鍋爐的物料量的自動控制，使鍋爐的汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、風煤配比系數(shù)，煙氣含量、爐膛負壓等運行參數(shù)維持在規(guī)定的最佳數(shù)值附近，保證鍋爐的安全運行、平穩(wěn)操作達到降低煤耗，節(jié)約電能提高供汽質量，并且提高了用戶對鍋爐設備的管理水平，取得了良好的經(jīng)濟效益。
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