摘要: 本文介紹利用SIEMENS公司的S7-400PLC系統設計并實現銅冶煉過程中余熱鍋爐汽包液位過程控制和監控系統。闡述了系統的工藝流程、硬件配置、控制方案設計、軟件實現及特點。
    關鍵詞: 除氧器 汽包 PLC Os Profibus Step 7 Wicc

    1 前言
    在我國冶金行業中，有很多冶煉過程中產生大量的熱量白白的浪費掉，這樣既浪費了能源又破壞了環境。安徽今昌冶煉廠去年引進了澳大利亞的奧斯麥特冶煉爐的同時，引進了芬蘭的余熱鍋爐，它利用該爐在冶煉銅精礦的中產生煙氣的熱量給余熱鍋爐進行加熱，從而產生大量的蒸汽。所產生的蒸汽一方面用于廠內其它車間熱量的供應外，還將用于本廠發電。我們公司承擔了余熱鍋爐控制系統設計安裝和調試，為了保證系統長期穩定，我們選用了西門子公司的S7-400 PLC,采用現場分布式I/O,即主站和從站之間利用Profibus總線結構。于今年9月份完成調試并運行效果很好，有一定的推廣應用價值。

    2工藝要求

    由于余熱鍋爐是利用冶煉爐在冶煉中產生的煙氣給鍋爐加熱，煙氣的溫度范圍一般在1000℃～1300℃之間波動，所以對汽包液位的控制較困難，為了實現很好的控制，具體要求是：
    1）、汽包的水位以差壓變送氣器1HAD10CL101和1HAD10CL102兩個儀表來測量，測量的結果由汽包壓力變送氣1HAD10CP101來補償，如果壓力變送器出故障，液位控制器1HAD10DL101測量信號可以由操作人員手動選擇，也可由控制系統自動篩選。如果輸入信號低于3mA或高于25mA的時候，則有一個變送器出故障，測量信號可以是兩個變送器的平均值，但是變送器壞了，則此時的檢測值結果必須屏蔽掉。如果在有液位控制的情況下，控制器1HAD10DL101輸出信號直接傳送到給水控制閥1LAB10AA001。如果在串級三沖量控制情況下，液位控制器的輸出端作為給水流量控制器的遠程設定點，根據給水流量1LAB10CF101控制給水閥
    1LAB10AA001,在流量控制器前，液位控制器輸出信號是由主蒸汽流量1LBA10CF101和兩臺渦輪泵（循環泵和給水泵）的蒸汽消耗情況進行校正。有一個旁通電動閥可以代替氣動控制閥來控制汽包中的水位。電動控制閥1LAB15AA001是由控制器1LAB10DF102以三沖量控制模式或水位控制器1HAD10DL101以液位控制模式或水位控制器來控制。閥門1LAB10AA001和1LAB15AA001在流量控制器1LAB10DF101和1LAB10DF102中有手/自動交叉聯鎖，這兩個閥門不能同時處于自動模式中。控制器1HAD10DL101遠程設定點來源于鍋爐汽化率相關的曲線。汽包中的水位設定點根據鍋爐汽化率在NWLL(正常低水位)和NWHL(正常高水位)之間變動。
    ２）、蒸汽包壓力控制是，鍋爐正常運行時，鍋爐壓力控制器１HAD10DP101根據理想的設定點來控制汽包壓力。如果壓力變送器１HAD10CP101測量的壓力信號增大，控制器１HAD10DP101輸出信號增加，控制閥１LBA10AA001開啟。如果壓力下降，控制器會驅動控制閥向關閉方向運行，因此，如蒸汽流量增加，汽壓下降，控制器將通過關閉控制閥來保持汽包壓力。
    ３）給水箱水位控制，給水箱水壓是由控制閥１GHC10AA001控制補充水流量來實現控制的，控制閥的運動是根據變送器１LAA10CL101的測量信號進行控制。給水箱低水位用來作給水泵的聯鎖信號，以保護水泵。水箱高水位開關控制開啟水箱排水閥。排水閥是氣動非開既關的閥門，FW水箱水位測量儀表會給出高或低的報警信號。給
    ４）、給水箱壓力是由控制閥控制的低壓蒸汽來控制的，控制閥1LBS10AA001的運動是根據變送器1LAA10CP101的FW水箱壓力測量信號來進行的。

    3 控制系統的硬件組成

    控制系統由上位機OS操作員站監控系統和下位機PLC可編程邏輯控制系統組成。上位機和下位機通過西門子Profibus
    FMS協議網絡，構成兩級不同的層次，分別完成整個系統的監視和控制功能。控制系統硬件結構圖如下圖所示

   3.1下位機硬件配置

    從工藝要求、I/O點數、掃描速度、自診斷功能等方面考慮，下位機選用性能及可靠性都很高的SIEMENS公司的TI565型PLC，并采I/O分布從站控制方式，這樣主站采用高性能的控制系統，提高系統的運行速度，從站可以采用S-300系列的信號模塊，降低系統的整體造價，從而提高系統的性能價格比，以減少用戶對工程的資金投入。主站系統機架采用6ES7
    400-1JA00、電源采用6ES7 407-0DA01、CPU采用6ES7
    414-2DP、OS站和PLC之間的通訊采用6ES7 443-5DX02。
    系統的開關量輸入點有150點,開關量輸出點有60點,模擬量輸入點有20個,模擬量輸出點有16個，共計246點。主站和從站之間通過Prfibus現場總線，采用Pribus
    Dp協議通過通訊接口模塊進行連接。通訊模塊采用6ES7 153-1AA03,模擬量輸入模塊采用6ES7
    331-7KF02,它既可以采集4～20mA電流信號也可以采集電壓信號，以及熱電阻，熱電偶信號，并可以進行編程組態。模擬量輸出模塊采用6ES7
    332-5HD01可輸出4～20mA電流信號，也可以輸出1～10V電壓信號。數字量輸入采集模塊選用6ES7
    321-1BH02,電壓信號為直流24V。數字量輸出模塊 6ES7 332-1BH01,
    電壓信號為直流24V。以上四種型號的信號采集模塊都帶光電隔離和故障診斷功能，大大提高系統的可靠性，也便于用戶對系統進行維護。

    3.2上位機硬件配置

    按集中管理、集中顯示、分散控制的思想，系統設有1個操作員終端監控站，選用Dell Pentium-Ⅳ
    2.4GHz/512M工控機，硬盤60G,加PHILIPS 21"彩色顯示器，并配以打印機。工控機內安裝西門子公司的CP
    5611 Profibus
    FMS通訊接口卡，通訊速率從9.6KB/s～12MKB/s,實時監視現場數據，同時通過OS站修改各個PID參數的設定點、比例、積分、微分和報警的設定值。

    4 控制方案的設計

    4.1下位機程序控制設計

    將控制系統分為四個大的功能塊: 汽包液位控制、主蒸汽壓力控制、除氧氣液位和壓力控制。
    （1）
    汽包液位控制采用串級三沖量給水控制的工作原理，主調節器為1HAD10DL101,副調節器為1LAB10DF101,主調節器接受水位信號去控制副調節器，副調節器接受主調節器信號外，還接受主蒸汽流量溫壓補償信號和給水流量的溫度補償信號，組成一個三沖量的串級控制系統。以達到汽包水位在動態范圍內自動調節。
    （2）
    蒸汽包的壓力控制在６Mpa范圍內，采用單回路PI調節器，如果汽包壓力突然超過一定范圍時，可用調節器1HAD10DP102打開啟動蒸汽控制閥，通過消音裝置將一部分蒸汽排放，以保證蒸汽包的蒸汽壓力穩定。

    4.2上位機監控程序設計

    上位機對所有采集到的模擬量實時顯示并存儲,
    開關量進行狀態追憶。對重要參數指標如給水導電率、飽和蒸汽的電導率、鍋爐水的電導率等進行在線分析、監測和報警。監控畫面上設有“自動”、“半自動”及“軟手操”三個按鈕并可進行相互切換。“自動”狀態時，只能監測不能對設備進行操作；“手動”時，可任意調節閥門的開度。在由自動到手動時，閥門之間的轉換是無擾動進行切換的。在操作員站上可根據工藝的改動，修改各個PID回路的設定點，但是某些參數只有具有不同操作權限的級別才可相應進行修改。“軟手操”時，可獨立對閥門進行操作。同時PID調節回路可以選擇自動手動以及汽包液位的單回路和串級三沖量控制。設密碼保護（如設置和修改某一調節回路的比例、積微分時時間等）。為便于生產維護和安全，用不同的顏色區分設備不同的開關狀態，重要設備的集中監視畫面

    5 軟件實現

    SIEMENS公司的WinCC工控組態軟件，功能齊全，具有很強的過程監視、控制和信息管理功能。本系統上位機監控程序采用WinCC編制，開發了豐富的、漢化的工藝流程畫面及操作圖表，有下列特點：1）兼有監視系統總貌、分部流程等操作畫面，參數設定與調整靈活、人機界面友好。2）設備的自動、手動、軟手操可切換，操作簡單，減輕操作工的勞動強度。3）重要參數的歷史趨勢和實時曲線顯示，實時報表打印及報警處理功能。如下圖6汽包調節畫面所示：

    下位機程序用西門子公司提供的STEP 5 V5.1.02。STEP
    5編程軟件具有下列優點：1）具有三種不同的基本編程語言：LAD梯形圖，STL語句表，FBD功能塊，對不同專業工程設計人員提供很方便的編程工具。如梯形圖編程方式對電氣自動化專業人員；語句表針對計算機專業人員；功能塊對工藝專業人員等。2）硬件和網絡組態簡單靈活，所有西門子公司的模塊都可以通過STEP
    7 再加上相應的軟件包即可組態。3）STEP
    7編程軟件具有硬件診斷功能，系統中任何一處出現故障，都可以通過它進行診斷出來，以便維護工程師對系統進行快速發現故障點，急時處理。4）STEP
    7標準庫中提供了大量的標準系統功能和功能塊，如標準的軟PID控制功能塊，同時提供在線英文幫助。使編程設計人員方便靈活。如該系統中主要應用如下標準PID調節回路系統功能塊。

    6 結束語

    安徽銅陵金昌冶煉廠余熱鍋爐控制系統于2003年8月初投運成功，9月底驗收合格后正式投入使用，完全達到預期的控制目標，目前系統運行十分穩定。是同類鍋爐控制系統中最具代表性的一個過程控制典型系統。該系統是將集散控制系統（DCS）與可編程控制器（PLC）融合為一體的、控制系統不論是放案設計還是控制方式都比較先進，為以后該廠蒸汽的利用打下了良好的基礎。投運后大大提高了生產效率，并取得了良好的經濟效益和社會效益，屬國內領先水平。在同類控制系統中推廣應用前景很好。