工業(yè)鍋爐是生產(chǎn)過程中的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。在石油化工領(lǐng)域，它的主要作用是向各生產(chǎn)裝置提供所需要的合格蒸汽，其控制質(zhì)量的優(yōu)劣不僅關(guān)系到鍋爐自身運(yùn)行的效果，而且還將直接影響到相關(guān)裝置生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。

下面以林源煉油廠熱電分廠鍋爐控制系統(tǒng)改造項(xiàng)目為例，介紹力控組態(tài)軟件在工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

一、現(xiàn)場(chǎng)條件與改造內(nèi)容

熱電分廠3#、4#鍋爐原控制系統(tǒng)的操作站為兩臺(tái)INTEL工控機(jī)、WINDOWS 3.1操作系統(tǒng)，組態(tài)軟件為INTOUCH5.1，下位機(jī)PLC是GE FANUC90-30 PLC。 針對(duì)原系統(tǒng)不同程度存在的一些問題，提出了改造的要求，歸納起來主要有以下三個(gè)方面的內(nèi)容：

1、更新操作站，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)冗余操作，具有在線熱備份功能，解決Y2K問題。

2、更換組態(tài)軟件，增加報(bào)表打印、班組核算、流量計(jì)算、報(bào)警參數(shù)查詢等功能。在保持原操作畫面風(fēng)格的情況下，重組監(jiān)控畫面，方便參數(shù)修改。

3、增加一部分溫度、壓力等采集點(diǎn)和控制點(diǎn)。根據(jù)鍋爐運(yùn)行狀況，能夠隨時(shí)進(jìn)行手動(dòng)、自動(dòng)、串級(jí)三種控制方式的無擾動(dòng)切換。

4、解決Y2K問題。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用KP工業(yè)控制機(jī)替換原系統(tǒng)操作站，用力控組態(tài)軟件替換原來的INTOUCH5.1軟件，從根本上解決Y2K問題。

硬件連接方法

保留原有的GE FANUC90-30 PLC可編程序控制器，利用其CMM311可配置口和電源模塊SWP321分別與兩臺(tái)KP機(jī)連接。如圖1所示。

圖1 雙機(jī)冗余方案
其中：電源模塊SWP321經(jīng)SNP接口與1#操作站的RS232串口連接。SNP接口與RS232串口連接的方法見圖2所示；而通訊模塊CMM311則直接與2#操作站RS232串口連接，連接方法見圖3所示。CMM311是專用通訊模塊，它支持GE Fance CMM通訊協(xié)定、RTU（Modbus）通訊協(xié)定，以及SNP協(xié)儀等。

圖2 CMM311通訊模塊接線圖

圖3 SNP321接線圖
雙機(jī)冗余操作策略

兩臺(tái)操作站中，一臺(tái)作為主機(jī)，另一臺(tái)作從機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)首次啟動(dòng)時(shí)，只有主機(jī)與PLC建立通訊，從機(jī)只有與PLC間的物理通訊鏈路，但不與PLC通訊，從機(jī)通過主機(jī)讀取PLC的數(shù)據(jù)，操作人員在從機(jī)上發(fā)出的控制命令也經(jīng)主機(jī)下達(dá)給PLC。正常情況下，操作人員無論在哪個(gè)操作站上都能夠正常操作，當(dāng)從機(jī)發(fā)現(xiàn)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，便啟動(dòng)與PLC通訊的程序，由從機(jī)變成主機(jī)，同時(shí)發(fā)出系統(tǒng)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)雙機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的冗余熱備用。

三、軟件設(shè)計(jì)說明

操作站組態(tài)

（1）報(bào)表打印

利用力控組態(tài)軟件中的"歷史報(bào)表"工具，可以方便地實(shí)現(xiàn)報(bào)表打印功能。

在"數(shù)據(jù)表"上可以設(shè)定報(bào)表打印的時(shí)間范圍、時(shí)間間隔和時(shí)間輸出的格式；點(diǎn)名是DB中的變量參數(shù)名，填寫時(shí)必須和DB數(shù)據(jù)庫中的變量相對(duì)應(yīng)；格式是用來定義報(bào)表中數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和小數(shù)的位數(shù)，如5.2為5位字符長(zhǎng)，小數(shù)點(diǎn)后有2位小數(shù)。

（2）班組核算

班組核算制是目前國內(nèi)各企業(yè)普遍采用的一種經(jīng)濟(jì)管理方式。它是把實(shí)際生產(chǎn)中的有關(guān)參數(shù)取出來，然后按企業(yè)確定的核算公式進(jìn)行計(jì)算，從而得到本班組一定時(shí)間內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益。隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的普遍應(yīng)用，管控一體化的要求也日益增加，用數(shù)采系統(tǒng)得到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)直接參與核算，不僅消除了繁瑣的人工計(jì)算過程和工作強(qiáng)度，而且極大地提高了管理水平。下面著重介紹在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)班組核算的一般方法。

班組核算是根據(jù)送出的蒸汽數(shù)量、消耗的煤、油、水等數(shù)量，經(jīng)過核算公式計(jì)算，得出一段時(shí)間內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益及各崗位的費(fèi)用支出，然后根據(jù)用戶的要求定時(shí)打印班組核算表，并利用數(shù)據(jù)庫DB把相關(guān)參數(shù)保存起來。極大地方便了企業(yè)對(duì)生產(chǎn)的監(jiān)督。

例如鍋爐控制系統(tǒng)部分的班組核算公式為：

本班有上煤時(shí)：
耗煤量=上煤量-[交班（存煤量+存粉量）-接班（存煤量+存粉量）]

本班沒有上煤時(shí)：
耗煤量=接班（存煤量+存粉量）-交班（存煤量+存粉量）

單位成本值：
單位成本=（煤耗量*單價(jià)+耗電量*單價(jià)+除鹽水耗量*單價(jià)+瓦斯消耗量*單價(jià)+耗油量*單價(jià)+耗天然氣量*單價(jià)+耗風(fēng)量*單價(jià)+耗氣量*單價(jià)+折舊+工資+低值易耗+耗液態(tài)烴量*單價(jià)+材料消耗+工資附加費(fèi)+財(cái)產(chǎn)保險(xiǎn)+勞保）/總發(fā)汽量；

貢獻(xiàn)毛利值：
貢獻(xiàn)毛利=總發(fā)汽量*（蒸汽單價(jià)-單位成本）；

從以上幾個(gè)公式可以看出，這樣直接可以看到本月的貢獻(xiàn)毛利，從而得到實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益。

四、PLC控制算法設(shè)計(jì)

鍋爐設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，主要輸入變量是負(fù)荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風(fēng)和引風(fēng)等；主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、爐膛負(fù)壓、過剩空氣等。因輸入變量與輸出變量相互關(guān)聯(lián)，如果蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化，必將會(huì)引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度的變化。所以說鍋爐是一個(gè)多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的控制對(duì)象，本控制系統(tǒng)將其分為送風(fēng)系統(tǒng)、爐膛負(fù)壓系統(tǒng)、磨煤熱風(fēng)系統(tǒng)、汽包水位系統(tǒng)、汽包壓力和主汽溫度系統(tǒng)幾部分（見圖4）。

圖4 鍋爐對(duì)象簡(jiǎn)圖
以汽包水位系統(tǒng)為例，受控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量。它主要考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包中水位在工藝允許范圍之內(nèi)，這是保證鍋爐、汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件之一，是鍋爐正常運(yùn)行的重要指標(biāo)。

1、汽包水位的動(dòng)態(tài)特性

a.蒸汽負(fù)荷（蒸汽流量）對(duì)水位的影響，即干擾通道的動(dòng)態(tài)特性。主要是在蒸汽量突然增加時(shí)，產(chǎn)生假水位現(xiàn)象。

b.給水流量對(duì)水位的影響，即控制通道的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)給水時(shí)，給水溫度和汽包內(nèi)的水溫相差很大，所以給水量增加后，使汽包中汽泡含量減少，導(dǎo)致水位下降。

c.鍋爐排污、吹灰等對(duì)水位也有影響。

2、控制方法

基于汽包水位的特性，我們采用串級(jí)控制系統(tǒng)。因本系統(tǒng)受控對(duì)象有較大滯后，主控制器采用PID控制。

a.減少干擾對(duì)主回路的影響，可由副回路控制器予以校正。
b.由于副回路的存在減少了相位滯后，從而改善了主回路的響應(yīng)速度。
c.對(duì)控制閥特性的變化具有較好的魯棒性。
d.副回路可以按照主回路的需求對(duì)對(duì)象實(shí)施精確控制。

實(shí)際PLC的控制程序采用主副回路進(jìn)行串級(jí)控制，即主回路的輸出做為副回路的設(shè)定值，經(jīng)副回路輸出作用于被控對(duì)象。也可以不用副回路只用主回路形成單回路調(diào)解，或手動(dòng)操作完成。