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  • 力控ForceControl在熱電廠鍋爐控制系統中的應用


    一、項目概述



    工業鍋爐是生產過程中的重要動力設備。在石油化工領域,它的主要作用是向各生產裝置提供所需要的合格蒸汽,其控制質量的優劣不僅關系到鍋爐自身運行的效果,而且還將直接影響到相關裝置生產過程的穩定性。

    下面以林源煉油廠熱電分廠鍋爐控制系統改造項目為例,介紹力控組態軟件在工業鍋爐控制系統中的應用。

               

    二、改造方案


           熱電分廠3#、4#鍋爐原控制系統的操作站為兩臺INTEL工控機、WINDOWS 3.1操作系統,組態軟件為INTOUCH5.1,下位機PLC是GE FANUC90-30 PLC。
    針對原系統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四個方面的內容:

        

    1、 更新操作站,實現雙機冗余操作,具有在線熱備份功能,解決Y2K問題。

    2、 更換組態軟件,增加報表打印、班組核算、流量計算、報警參數查詢等功能。在保持原操作畫面風格的情況下,重組監控畫面,方便參數修改。

             



               


    3、 壓力等采集點和控制點。根據鍋爐運行狀況,能夠隨時進行手動、自動、串級三種控制方式的無擾動切換。

    4、 解決Y2K問題。

              


    三、系統設計



    用KP工業控制機替換原系統操作站,用力控組態軟件替換原來的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KP機連接。

    其中:電源模塊SWP321經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3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2所示。CMM311是專用通訊模塊,它支持GE Fanuc CMM通訊協定、RTU(Modbus)通訊協定,以及SNP協儀等。



    ● 雙機冗余操作策略

    兩臺操作站中,一臺作為主機,另一臺作從機。當系統首次啟動時,只有主機與PLC建立通訊,從機只有與PLC間的物理通訊鏈路,但不與PLC通訊,從機通過主機讀取PLC的數據,操作人員在從機上發出的控制命令也經主機下達給PLC。正常情況下,操作人員無論在哪個操作站上都能夠正常操作,當從機發現主機出現故障時,便啟動與PLC通訊的程序,由從機變成主機,同時發出系統報警,從而實現雙機實時數據庫的冗余熱備用。

        


    四、應用功能



    1、 報表打印。

    利用力控組態軟件中的“歷史報表”工具,可以方便地實現報表打印功能。

    在“數據表”上可以設定報表打印的時間范圍、時間間隔和時間輸出的格式;點名是DB中的變量參數名,填寫時必須和DB數據庫中的變量相對應;格式是用來定義報表中數據長度和小數的位數,如5.2為5位字符長,小數點后有2位小數。




    2、 班組核算。

    班組核算制是目前國內各企業普遍采用的一種經濟管理方式。它是把實際生產中的有關參數取出來,然后按企業確定的核算公式進行計算,從而得到本班組一定時間內的經濟效益。隨著計算機控制系統的普遍應用,管控一體化的要求也日益增加,用數采系統得到的生產數據直接參與核算,不僅消除了繁瑣的人工計算過程和工作強度,而且極大地提高了管理水平。下面著重介紹在該系統中實現班組核算的一般方法。

    班組核算是根據送出的蒸汽數量、消耗的煤、油、水等數量,經過核算公式計算,得出一段時間內的經濟效益及各崗位的費用支出,然后根據用戶的要求定時打印班組核算表,并利用數據庫DB把相關參數保存起來。極大地方便了企業對生產的監督。

    例如鍋爐控制系統部分的班組核算公式為:

    本班有上煤時:

    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:

    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+耗電量*單價+除鹽水耗量*單價+瓦斯消耗量*單價+耗油量*單價+耗天然氣量*單價+耗風量*單價+耗氣量*單價+折舊+工資+低值易耗+耗液態烴量*單價+材料消耗+工資附加費+財產保險+勞保)/總發汽量;

    貢獻毛利值:

    貢獻毛利=總發汽量*(蒸汽單價-單位成本);

    從以上幾個公式可以看出,這樣直接可以看到本月的貢獻毛利,從而得到實際的經濟效益。如圖5所示。





    五、PLC控制算法設計 



    鍋爐設備是一個復雜的控制對象,主要輸入變量是負荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風和引風等;主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、爐膛負壓、過??諝獾?。因輸入變量與輸出變量相互關聯,如果蒸汽負荷發生變化,必將會引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度的變化。所以說鍋爐是一個多輸入、多輸出且相互關聯的控制對象,本控制系統將其分為送風系統、爐膛負壓系統、磨煤熱風系統、汽包水位系統、汽包壓力和主汽溫度系統幾部分(見圖6)。



    以汽包水位系統為例,受控變量是汽包水位,操縱變量是給水流量。它主要考慮汽包內部的物料平衡,使給水量適應鍋爐的蒸發量,維持汽包中水位在工藝允許范圍之內,這是保證鍋爐、汽輪機安全運行的必要條件之一,是鍋爐正常運行的重要指標。

    1、 汽包水位的動態特性

    ●蒸汽負荷(蒸汽流量)對水位的影響,即干擾通道的動態特性。主要是在蒸汽量突然增加時,產生假水位現象。

    ● 給水流量對水位的影響,即控制通道的動態特性。當給水時,給水溫度和汽包內的水溫相差很大,所以給水量增加后,使汽包中汽泡含量減少,導致水位下降。

    ● 鍋爐排污、吹灰等對水位也有影響。

    2、 控制方法

    基于汽包水位的特性,我們采用串級控制系統。因本系統受控對象有較大滯后,主控制器采用PID控制。

    ●減少干擾對主回路的影響,可由副回路控制器予以校正。

    ● 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速度。

    ●對控制閥特性的變化具有較好的魯棒性。

    ● 副回路可以按照主回路的需求對對象實施精確控制。

    實際PLC的控制程序采用主副回路進行串級控制,即主回路的輸出作為副回路的設定值,經副回路輸出作用于被控對象。也可以不用副回路只用主回路形成單回路調解,或手動操作完成。

    主調節器


    串級控制回路算法





    PLC程序




    本系統共有6個PID回路,除了爐膛負壓和磨煤熱風外均為主、副串級控制,程序的控制算法也是一樣的,只有每個程序中的變量不同,每部分程序主要由兩個PID回路構成,第一個為主回路,第二個為副回路。

             



    六、產品應用總結



    該系統自動化程度較高,大大降低了操作者勞動強度,降低了成本,經過近2年的運行,用戶給予了很高評價,認為利用力控?開發的上位機監控程序功能完善,綜合性強,人機界面友好,實用性好。

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