關鍵詞：軟PLC,集散控制系統(tǒng)，鍋爐控制，Internet.
一、概述
鍋爐是目前城市的主要空氣污染源，尤其是在北方城市，煙筒林立的現(xiàn)象仍然存在。改善這種情況的方案之一是拆除那些設備陳舊、效率低、污染大的小鍋爐房，合并成大鍋爐房實行集中供熱，并采用計算機控制、變頻器等先進技術，從而有效地減少污染，提高效率，節(jié)約能源，同時也可以提高供暖質(zhì)量，目前很多城市在實施這一方案。
某高校原有四臺個小鍋爐房，現(xiàn)改造合并成一座大鍋爐房，新建四臺鍋爐，其中一臺15噸蒸汽鍋爐，三臺20噸熱水爐，負責全校教學區(qū)，宿舍區(qū)，家屬區(qū)的供暖任務，以及食堂，浴池等的供汽任務。我們結(jié)合多年設計鍋爐控制系統(tǒng)的經(jīng)驗，為新鍋爐系統(tǒng)設計了熱工控制部分，鍋爐的鼓風，引風，爐排，以及供暖循環(huán)泵等都采用變頻調(diào)速控制，鍋爐系統(tǒng)則采用自行設計的計算機集散控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了供暖鍋爐的現(xiàn)代化控制與管理。本文介紹此集散控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。
二、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
鍋爐系統(tǒng)工作在高溫高壓條件，有一定的危險性，對控制系統(tǒng)的可靠性要求高，因此在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，我們采用了集散型控制系統(tǒng)的方案。系統(tǒng)主要由現(xiàn)場控制層、車間監(jiān)控層和企業(yè)管理層三個層次構(gòu)成。選擇研華Adam5511軟PLC做現(xiàn)場控制單元，每臺5511完成一臺鍋爐的控制任務;監(jiān)控層采用奔騰III工業(yè)控制機做上位機操作站，顯示實時數(shù)據(jù)以及操作畫面;系統(tǒng)設置有數(shù)據(jù)庫服務器及WEB服務器，管理人員可以通過
internet瀏覽鍋爐的實時和歷史數(shù)據(jù)，并據(jù)此進行系統(tǒng)的運行優(yōu)化等工作，構(gòu)成了系統(tǒng)的管理層?，F(xiàn)場控制站與操作站之間采用RS485總線，MODBUS協(xié)議通訊;操作站、工程師站及服務器之間采用以太網(wǎng)連接。整個系統(tǒng)可靠性高，同時又具有先進的控制與管理功能，而其成本較采用進口DCS低一倍以上，因此是類似系統(tǒng)的首選方案。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
三、系統(tǒng)功能設計
1） 車間監(jiān)控層及管理層
監(jiān)控層設置兩臺（或多臺）操作員站、一臺工程師站，一臺服務器。操作員站采用研華奔騰III工業(yè)控制微機，主要用于鍋爐系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示及進行控制操作，工程師站采用高檔奔騰IV微機，用于進行系統(tǒng)參數(shù)設定及系統(tǒng)維護。
操作員站的主要功能是提供給鍋爐系統(tǒng)操作人員一個直觀方便的人機界面。系統(tǒng)可具有兩個或兩個以上的操作員站，他們具有同樣的功能并互為備用。操作員站設置有如下顯示畫面。
l 流程畫面：將現(xiàn)場控制站采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)及工藝參數(shù)顯示在流程圖的相應位置上，通過動畫直觀的顯示鍋爐運行狀態(tài)及各種實時數(shù)據(jù)。操作人員可根據(jù)此畫面了解整個鍋爐系統(tǒng)的運行情況
l 工藝參數(shù)畫面：以數(shù)據(jù)表格的形式實時顯示各工藝參數(shù)與對應的名稱，單位，同時可顯示對鍋爐耗煤量，產(chǎn)汽（供熱）量，用水量等的計算和累積結(jié)果。
l 調(diào)節(jié)畫面：將系統(tǒng)各控制回路的運行狀態(tài)和有關參數(shù)以調(diào)節(jié)棒圖的形式顯示出來?？梢燥@示回路的手自動狀態(tài)。操作人員利用鍵盤或鼠標方便的對各控制回路，的控制參數(shù)進行再線修正。
l 報警畫面：用于記錄何時何地有何報警，以便有關人員查詢，同時實現(xiàn)安全連鎖控制
l 歷史趨勢畫面：用于記錄系統(tǒng)主要工藝參數(shù)的長期歷史趨勢數(shù)據(jù)，以曲線的形式顯示出來，可為分析系統(tǒng)運行情況及效率，查找故障等提供依據(jù)。
工程師站除具有操作站的全部功能外，還具有參數(shù)設定與修改，系統(tǒng)維護等功能?？稍O定系統(tǒng)的各模擬量測量點的標度變換系數(shù)、熱電阻、熱電偶的線性化參數(shù)、孔板流量計算參數(shù)、給煤量計算參數(shù)、鍋爐及供熱熱效率參數(shù)、各控制回路組態(tài)參數(shù)、及PID參數(shù)等。工程師站負責系統(tǒng)的打印任務，可打印即時報警，歷史報警記錄以及鍋爐運行日志和歷史數(shù)據(jù)表格等。
系統(tǒng)通過Web服務器將鍋爐系統(tǒng)數(shù)據(jù)及工藝參數(shù)送至校園網(wǎng)或企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，使有關領導可從內(nèi)部網(wǎng)上看到鍋爐系統(tǒng)的運行狀況，并可實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程診斷和維護。
管理層實現(xiàn)更高級的管理功能，位于企業(yè)廠長經(jīng)理室，可通過internet 瀏覽系統(tǒng) 的運行數(shù)據(jù)，監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對系統(tǒng)的運行進行計算統(tǒng)計和優(yōu)化等。工程技術人員或企業(yè)領導無論出差何地，都可查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)，甚至進行系統(tǒng)維護。
2）現(xiàn)場控制層
現(xiàn)場控制層采用研華公司的產(chǎn)品，稱為軟PLC的 Adam5511. 這是一種模塊化的工業(yè)控制機，固化有dos操作系統(tǒng)，支持C語言編程，支持Modbus通訊協(xié)議，每臺鍋爐由一臺Adam5511負責對其進行數(shù)據(jù)采集及控制，另有一臺Adam5511負責系統(tǒng)公共部分的數(shù)據(jù)采集及控制。
每臺Adam5511配置16點模擬量輸入，4點模擬量輸出，16點開關量輸入輸出?？刹杉?6點鍋爐運行現(xiàn)場數(shù)據(jù)，組成4個閉環(huán)控制回路。分別控制蒸汽鍋爐的水位、汽壓、爐膛負壓，鼓風四個回路或熱水鍋爐的出水溫度、爐膛負壓及鼓風三個回路。
四、系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)的操作站軟件采用了中文工控組態(tài)軟件MCGS設計，MCGS是全中文工業(yè)自動化控制組態(tài)軟件，可穩(wěn)定運行于Windows95/98/NT操作系統(tǒng)，集動畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設備控制與輸出、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸、雙機熱備、工程報表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強大功能于一身，使生成的系統(tǒng)圖文并貌，運行穩(wěn)定可靠。
系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站的軟件采用Turbo C 3.0設計，軟件采用模塊化的設計方法，它以實時數(shù)據(jù)庫為核心，各種數(shù)據(jù)采集、處理、運算以及控制功能都設計成功能塊的形式，系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)以及各功能塊參數(shù)都存于實時數(shù)據(jù)庫中，各功能塊通過實時數(shù)據(jù)庫交換數(shù)據(jù)。可通過在上位機進行組態(tài)然后下載組態(tài)參數(shù)至5511中構(gòu)成新系統(tǒng)?？刂普九c操作站之間采用modbus協(xié)議交換數(shù)據(jù)。
五、鍋爐系統(tǒng)控制回路
鍋爐是一個復雜的控制對象，其控制回路非線性嚴重，同時控制回路之間有耦合，因此系統(tǒng)采用智能變形PID算法，配和前饋等高級控制方法實現(xiàn)對鍋爐個回路的控制。
小型蒸汽鍋爐的控制回路主要包括蒸汽壓力、汽包水位、爐膛負壓和鼓風控制回路;熱水鍋爐則包括出水溫度、爐膛負壓和鼓風控制回路。
鍋爐的蒸汽壓力（或出水溫度）以及爐膛負壓、鼓風控制回路構(gòu)成鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)其控制方案是采用蒸汽壓力或出水溫度為主調(diào)量，通過調(diào)整爐排轉(zhuǎn)速使蒸汽壓力或出水溫度盡快達到給定值，同時配合風-煤配比控制鼓風量達到經(jīng)濟燃燒，爐膛負壓回路則將爐膛內(nèi)的壓力保持在微負壓。
熱水爐的出水溫度設定值跟隨室外溫度的變化自動修正，使用戶室內(nèi)的溫度保持恒定，同時實現(xiàn)經(jīng)濟供熱。溫度設定曲線可根據(jù)不同供熱時期有所變化改變。
鍋爐水位控制回路使鍋爐水位保持恒定，由于鍋爐水位受蒸汽負荷的影響較大，容易產(chǎn)生假水位，因此給水控制回路引入蒸汽流量及給水流量前饋控制的三沖量控制方案，以消除假水位的影響。
除常規(guī)控制回路外，對鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，我們還設計了自動尋優(yōu)算法。鍋爐運行過程中，尋優(yōu)程序?qū)⒏鶕?jù)計算出的鍋爐熱效率以及燃燒情況，自動調(diào)整鍋爐的風煤配比，使燃燒達到最佳，從而實現(xiàn)節(jié)煤和減少污染的目標。
六、結(jié)束語
本文設計的集散型鍋爐微機控制系統(tǒng)經(jīng)實際使用，完全達到了設計要求。該系統(tǒng)的使用使城市小區(qū)供熱鍋爐的控制與管理達到了新的水平，可顯著提高供熱系統(tǒng)的運行效率以及供熱效果，在節(jié)約能源，減少城市污染方面效果顯著。根據(jù)運行結(jié)果初步統(tǒng)計，供熱鍋爐使用變頻器及本文設計的集散微機控制系統(tǒng)后，可以節(jié)電30-40%，節(jié)煤3-5%，一年就可收回投資成本，是城市集中供熱計算機控制系統(tǒng)的首選方案。
（轉(zhuǎn)載）
