供热工业锅炉计算机控制系统的设计与应用.pdf

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1、0引言工业锅炉是采暖供热系统的核心设备,它的主要任务是安全可靠、经济有效地把燃料的化学能转化为热能,进而将热能传递给水,生产出满足需要的蒸汽或热水。我国目前在役运行的工业锅炉共约有5 2万台 1,多为燃煤链条炉,它们的特点是应用广,容量小(绝大多数都是1 0 t/h以下的分散锅炉),设备陈旧,耗煤(或油、气)量大(年耗煤量占全国总耗煤量的三分之一),效率低(平均约为6 0%),自动化程度不高。另外,由燃料燃烧产生的烟尘、S Ox、N Ox等对环境造成了严重污染。随着对生产自动化要求渐高的趋势,改变工业锅炉运行中传统的手动、半自动操作方式已势在必行。尤其是近年来我国北方各大城市承受着持续低温天气

2、和煤炭价格大幅度上涨的压力,还要面对供热标准提高的挑战以及日益严格的环保法规的限制,这些考验无疑将供热技术含量低的企业推到了生死的边缘。为了改变这种状况,除了改善炉体结构、改进燃烧方法和更新设备之外,另一个有效的方法就是采用计算机控制系统。1工业锅炉计算机控制系统应用概况计算机控制系统自2 0世纪5 0年代首次应用以来,在不同时期分别出现了数据采集系统(D A S)、操作指导系统(O C C S)、直接数字控制系统(D D C)、监督控制系统(S C C)、分散控制系统(D C S)、现场总线控制系统(F C S)以及计算机集成制造系统(C I MS)等多种系统类型。随着计算机控制系统的发展和

3、成熟,国外发达国家的工业锅炉已经应用了成熟的D C S或F C S产品,如文章编号:1 0 0 3-0 3 4 4(2 0 0 5)0 6-0 6 6-4供热工业锅炉计算机控制系统的设计与应用高伟 汪勇(华中科技大学能源与动力工程学院)摘要:本文在分析我国工业锅炉运行水平的基础上,介绍了计算机系统在工业锅炉控制领域的应用状况,并以1 0 t/h燃煤供热工业蒸汽锅炉计算机控制系统的开发为例,详细阐述了一种采用工业P C作为主体的简化分散控制系统的设计思想。关键词:采暖供热 工业锅炉 分散控制系统 工业P CD e s i g na n dA p p l i c a t i o no f C o

4、mp u t e r C o n t r o l S y s t e m f o r He a t i n gI n d u s t r i a lB o i l e rG a oWe i a n dWa n gY o n g(I n s t i t u t e o f E n e r g y&P o w e r,H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y)A b s t r a c t:T h r o u g ha n a l y z i n gt h eo p e r a t i n g

5、s t a t u s o f i n d u s t r i a l b o i l e r,a p p l i c a t i o no f c o m p u t e r s y s t e mi nt h ef i e l do fb o i l e r c o n t r o l s w a s i n t r o d u c e d.D e s i g n m e t h o d s o f a d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e mb a s e d o n i n d u s t r i a l P Cw e r e p

6、r e s e n t e d i nd e t a i l a n d a n e x a m p l e o f c o m p u t e r c o n t r o l s y s t e mf o r 1 0 t/h c o a l h e a t i n g s t e a mb o i l e r w a s g i v e n.K e y w o r d s:h e a t i n g s y s t e m,i n d u s t r i a l b o i l e r,D i s t r i b u t e d C o n t r o l S y s t e m(D C S

7、),I n d u s t r i a l P C(I P C)收稿日期:2 0 0 4-1 1-2 6作者简介:高伟(1 9 5 4),男,教授;华中科技大学能源与动力工程学院(4 3 0 0 7 4);0 2 7-8 7 5 4 2 8 1 7;E-m a i l:g a o w e i V m a i l s.n e t第2 4卷第6期2 0 0 5年1 2月建 筑 热 能 通 风 空 调B u i l d i n g E n e r g y&E n v i r o n m e n tV o l.2 4 N o.6D e c.2 0 0 5.6 6 6 9霍尼威尔9 0 0 0、西门子T

8、 e l e p e r m-D、S MA RS y s t e m 3 0 2等系统,并取得了良好的效果。我国工业锅炉平均单机容量只有2.4 t/h,远低于国外水平(日本为5 t/h,美国为1 4 t/h)1,容量不足以大到使用国外成套昂贵设备的程度。近十年来,国内中小型工业锅炉计算机控制系统多采用两级方式,即监管级和控制级,监管级进行监视和管理,控制级完成数据采集和控制功能。根据控制级采用机型的不同,可以把它们分为四种类型:单片机系统实现这种模式的基本方法是在单片机的基础上扩展一些接口,如A/D、D/A转换接口,键盘处理接口,L E D和L C D显示接口,电机、步进电机控制接口等,然后开

9、发一些应用软件(大都采用汇编语言,近年也有采用高级语言,如P L/M、C 5 1等),即可组成完整的系统 2。目前应用较多的是MC S-5 1系列单片机。这种系统的特点是:集成度高,可靠性高,投资较小。但是单片机软件资源匮乏,编制各种监控界面困难,系统开发周期较长。P L C系统如今的P L C几乎无一例外地采用微处理器作为主控制器,又采用大规模集成电路作为存储器及I/O接口 3。P L C多采用继电器控制梯形图及命令语句,其指令数量比微型计算机要少得多。它的特点是:可靠性高,适合多台大型锅炉的控制。它的缺点是价格昂贵,初期投资较大,如果针对单台锅炉进行控制,资源不能充分利用,浪费严重。S T

10、 D总线工业控制机系统S T D总线已经标准化(I E E E 9 6 1),这种工业控制机采用了小板结构模块化设计 4。为了适应工业控制现场的高温、潮湿、震动、电磁干扰等各种恶劣环境的影响,该产品在印刷电路板布线、元器件老化筛选、电源的抗干扰性能等方面采取了许多保护措施,采用E P R O M固化操作系统和各种软件,并配备Wa t c h d o g监控系统。其特点是:可靠性高,系统造价低,模块选用灵活,维修方便。但随着工业P C技术的发展,S T D总线工业控制机有淡出历史舞台的趋势。工业P C系统工业P C(简称I P C),是在原来个人计算机(P C)的基础上改造而成的,它在系统结构及

11、功能模块的划分上更适合工业过程控制的需要 5。一方面,I P C继承了个人计算机丰富的软件资源,这使得I P C的程序设计变得非常方便。另一方面,I P C在结构上吸纳了S T D总线工业控制机的优点,实现了模块化,可以完成S T D总线工业控制机的各种功能。这种控制方式的特点是:系统造价低,软硬件资源丰富,开发周期短,相对其他三类控制系统而言,其性价比有着明显的优势。2设计指导原则根据我国大多数工业锅炉运行的现有特点,在开发工业锅炉计算机控制系统时,应从实际出发重点考虑如下问题:考虑到工业锅炉发生事故后给工业生产和人们生活带来的恶劣影响,控制系统应首先保证可靠性。考虑到工业锅炉的成本较电站锅

12、炉低,所采用的工控设备应保持较低的成本。考虑到多数工业锅炉用户维护计算机控制系统的技术力量比较薄弱,设计控制系统时硬件配置应尽可能简化,硬件系统要有较好的可维护性,尽可能以软件代替硬件。考虑到司炉工人文化和技术水平的现状,控制系统的使用和操作方法要尽量简便。考虑到工控环境可能存在的潮湿、噪声、静电以及强磁干扰,控制系统需要具有防干扰措施。考虑到所开发的系统具有较广泛的通用性和适应性,系统应有较灵活的硬件与软件组态和可扩展性。3结构和功能设计本文以1 0 t/h燃煤工业蒸汽锅炉计算机控制系统的开发为例,介绍其结构、硬件、软件以及功能的设计思想。3.1拓扑结构设计本系统采用I P C配以相应的数据

13、采集控制板卡作为控制系统的主体,系统的拓扑结构如图1所示。该结构具有如下特点:系统采用一台上位机与两台监控机组成简单的D C S结构。上位机进行监视和管理,监控机完成数据采集、处理和控制功能。这种结构使系统的功能分散,可靠性提高。两台监控机互为冗余可进一步提高系统的可靠性。当A监控机执行系统控制任务的同时,B监控机处于备用状态。一旦A监控机发生故障,B监控机将自动取代A监控机继续工作。上位机实时检测两台监控机的状态,并及时提供监控机的故障信息。故障监控机经修复后一旦上电,将自动启动到备用状态。系统组态灵活,可扩充性良好。可以灵活地增高伟等:供热工业锅炉计算机控制系统的设计与应用第2 4卷第6期

14、6 7加或减少输入输出模块以实现一机一控(一台监控机控制一台锅炉)或一机多控(一台监控机控制多台锅炉),而对系统的其它部分没有影响。系统可方便地与更高一级的工业控制网络连接在一起,满足管理信息化的需要。3.2硬件配置系统的硬件配置主要是主机、采集控制模块、变送装置、传感器、执行机构与通信介质等的选配。主机随着个人P C的不断升级,I P C主机也已普遍过渡到了P、P,其可靠性也大大提高,MT T R(平均维修时间)一般为5分钟,MT B F(平均无故障时间)为1 0万小时以上 6。在我国应用较多的是研华公司、康泰克公司和康拓公司等的I P C。可以根据控制系统工作能力的要求以及当前I P C市

15、场的行情选用合适的产品。过程通道过程通道包括模拟量输入/输出通道和数字量输入/输出通道。模拟量输入通道的主要功能是将随时间变化的模拟输入信号经检测、变换和预处理,变为数字信号送入计算机;模拟量输出通道则将计算机运算后的数字信号转化为连续的信号,经过功放后送到执行部件对生产过程进行控制。工业锅炉控制常用的模拟量有压力、温度、液位、流量和气体成分等。数字量输入/输出通道主要用于输入和输出各种开关、指示灯信号。传感器、变送装置和执行机构在工业锅炉计算机控制系统中,根据主要的控制信号(温度、压力、流量、开度和脉冲量),在设计中分别采用标准热电偶、压力变送器、流量变送器、位移传感器以及单容平衡容器。由于

16、过程通道采用标准的电信号,因此选用步进电机作为执行机构有利于控制系统的实现。通信介质常用的通信介质有双绞线和同轴电缆,近年来随着光纤的引入,控制系统的通信速率和抗干扰性能大大提高。因此可以根据实际需要选用合适的通信介质。3.3软件开发平台开发平台的选择涉及三个方面,即操作系统、编程语言和数据库系统。上位机和监控机的操作系统均选择Wi n d o w s 2 0 0 0,主要考虑到它不但具有易于操作的图形用户界面(G U I),而且采用抢占式多任务方式,网络功能非常丰富。这些特性满足了监控系统实时性和稳定性的要求。随着I P C档次的提高和价格的下降,它正逐渐成为工业控制领域的主导操作平台。编程

17、工具选用D e l p h i 6.0。D e l p h i是一套可视化、面向对象的高级程序语言,它提供了Wi n d o w s应用程序接口(A P I)、动态链接库(D L L)支持、开放数据库访问(O D B C)等技术,在设计阶段即可看到设计效果,编程与调试方便,开发效率非常高,可以高效、快速地构建出Wi n d o w s环境下功能强大、图形界面丰富的控制系统软件。使用它开发出的应用程序便于维护、移植和扩充。历 史 数 据 和 实 时 数 据 的 存 储 选 用S Q LS e r v e r2 0 0 0数据库来完成。S Q LS e r v e r是一种关系数据库管理系统,使用

18、了工业界先进的数据库构架,具有完全的网络支持,提供了许多高级管理和数据分布能力,使用户能够方便、快捷、有效地管理数据库、开发应用程序。虽然S Q LS e r v e r不是一种真正意义上的实时数据库,但是随着大容量内存的采用,S Q LS e r v e r已经能够满足工业锅炉控制这种慢变信号实时控制的要求。3.4软件功能3.4.1上位机的基本功能(如图2所示)本系统中的上位机起着工程师站和操作站的作用,它实现的功能主要有:监控组态模块:包括工艺流程图、趋势曲线图、控制回路图、实时监控参数、控制算法参数、越限报警图1系统拓扑结构示意图工业锅炉温度传感器压力传感器流量传感器水位传感器信号开关炉

19、排电机引风机送风机信号开关手/机动切换手/机动切换手/机动切换变送器变送器变送器变送器A/D A/D A/D A/DA/D A/DA/D A/DA/DA监控机B监控机打印机上位机局域网R S 4 8 5/R S 2 3 22 0 0 5年建 筑 热 能 通 风 空 调6 8信息等的组态和显示,以及定时打印班报表、日报表等各种统计数据。另外可对各参数进行设置和修改,并具有手/自动切换功能。数据库模块:存储和管理监控参数、控制算法参数和报警信息等的实时数据和历史数据。参数整定模块:提供P I D参数在线整定以及高级过程控制算法的优化功能。监控机状态检测模块:实时检测两台监控机的状态,当工作监控机出

20、现故障时,发出报警提示,并立即使备用监控机投入工作。通讯模快:接受监控机发来的实时数据,将整定或优化后的参数发送给监控机。3.4.2监控机的基本功能(如图3所示)两台监控机的软件功能完全一样。采集模块:主要进行温度、压力、流量、液位以及开关量等信号的采集。回路控制模块:各回路控制算法的实现,该部分是监控机的核心功能。不同形式的工业锅炉(如供汽锅炉和供水锅炉)其控制参数有所不同。对于蒸汽锅炉,回路控制主要包括汽包水位控制系统、燃烧控制系统。汽包水位控制一般采用串级三冲量控制系统,即以汽包水位、蒸汽流量和给水流量作为输入信号,以给水阀开度作为输出信号,从而控制汽包水位高度。燃烧控制系统通过控制燃料

21、量、送风量、引风量实现对蒸汽压力、烟气含氧量、炉膛负压的控制,在保证安全经济燃烧的前提下,满足蒸汽负荷需求。输出模块:监控机产生的数字信号经过D/A或I/O后,以模拟量或数字量的形式输出到相应的端口,以控制阀门等的开度以及报警装置的开关。通讯模块:向上位机发送实时采集数据,并接受上位机发来的参数和命令,然后将这些参数提交回路控制模块用于控制计算。4总结与展望工业锅炉应用计算机控制系统后,一般其热效率可提高3%5%,对于以往运行状况较差的工业锅炉,其热效率甚至可提高5%1 0%,同时安全性、劳动强度以及对环境造成的污染也都有较大改善。目前,计算机控制系统的性能突破已经不在软件、硬件平台上,而转入

22、控制算法的设计与优化,先进过程控制(A P C)技术是D C S的一个发展方向 7。先进控制主要是指那些不同于常规P I D控制的算法或策略。先进控制已有十几种技术,比较流行的有解耦控制、模型预测控制、自适应控制、最优控制、模糊控制、神经网络控制和鲁棒控制等。在工业锅炉控制中应用模糊控制和神经网络控制等先进控制技术,将对控制性能有较大改善。参考文献 1 赵钦新.工业锅炉安全经济运行 M.北京:中国标准出版社,2 0 0 3 2 张占龙,文代刚.工业锅炉计算机网络化自动监测与控制技术 J .渝州大学学报,1 9 9 9,1 6(2):8-1 0 3 王洪国.自动控制技术在工业锅炉上的应用 J .

23、云南冶金,1 9 9 9,2 8(3):5 0-5 4 4 谭绍勇.S T D工控机工业锅炉控制系统 J .计算机术与自动化,1 9 9 5,1 4(2):4 6-5 0 5 姜铁源,张来仁,王伟.多台工业锅炉微机控制系统 J .黑龙江自动化技术与应用,1 9 9 9,1 8(4):2 6-2 8 6 陈曾汉.工业P C及测控系统 M.北京:机械工业出版社,2 0 0 4 7 敖晨虹,胡海兰,周丽君.先进控制与优化控制在过程工业应用中若干问题探讨 J .石油化工自动化,2 0 0 2,(5):2 8-3 0工艺流程监控组态模块上机位均势曲线报警信息报表打印棒图表图实时数据历史数据控制参数报警数据P I D参数整字在线寻优数据库模块参数整定模块监控机状态检测模块通讯模块参数图2上位机软件功能示意图汽包水位采集模块监控机回路控制模块输出模块通讯模块锅炉燃烧辅助设备图3监控机软件功能示意图高伟等:供热工业锅炉计算机控制系统的设计与应用第2 4卷第6期6 9