基于S7-300 PLC和PROFIBUS DP實現工業鍋爐綜合控制系統的設計

系統簡介

鍋爐是是石油化工、電廠等工業過程中非常重要的動力設備。鍋爐的工藝流程大概可以概述為：冷流經過除氧器除氧處理之后，在爐膛內吸收燃料釋放出來的熱量變成一種高溫高壓氣體，并將氣體傳送到下游工序的一個過程。

本課題采用高級多功能過程控制實訓系統（Super Multifunction Process Control Training System，SMPT-1000）中的鍋爐單元作為被控對象，其正視圖和實物圖如圖1·1所示，通過控制該仿真鍋爐了解與研究工業鍋爐控制的特點。

SMPT-1000鍋爐正視圖和實物圖

本課題以西門子公司的SIMATIC S7-300 PLC為控制器，通過硬件組態和PROFIBUS DP通信網絡，完成S7-300和SMPT-1000之間的通信組態，實現對鍋爐的綜合控制。基于STEP7軟件編程實現對鍋爐各控制回路的控制調節PID參數，進行系統投運。此外，在PLC和上位機之間建立以太網通信，通過易控（INSPEC）監控組態軟件組態，實現與PLC之間的通信，從而實現對SMPT-1000鍋爐各個部分對象參數的監視，并可在線整定PID參數。本課題最終完成易控監控平臺與S7-300 PLC之間、S7-300 PLC與SMPT-1000仿真鍋爐之間的通信與控制，實現本課題所要實現的監控層-現場控制層-現場對象之間的三層通訊結構及綜合控制，如圖1·2所示。

SMPT-1000鍋爐控制系統結構圖

其中由易控組態軟件組態監控平臺形成上位機監控環境，通過Ethernet Network通信網絡與下位機SIMATIC S7-300 PLC通信。再由下位機PLC通過Profibus DP 通信網絡實現對控制對象的綜合控制。

SMPT-1000系統構成

SMPT-1000鍋爐大體上可以分為4個單元：除氧器單元、爐膛單元、減溫器單元和汽包單元。共含有除氧器、上水管網、上汽包、鍋爐本體、省煤器、減溫器、蒸汽管線等設備，且有21個模擬量和6個開關量檢測點。此外還有9個調節閥，5個開關閥，兩臺泵，一臺壓縮機的執行機構。

其工藝流程如圖1·3所示。

SMPT-1000鍋爐工藝流程圖

除氧器控制單元

除氧器有兩個作用，一是除去軟化水中的氧氣，另外是防止水源停水，作為一個儲水箱，延長鍋爐的緊急停運過程。對鍋爐的穩定性和安全性具有重要的意義。由此可知，除氧器對軟化水的除氧效果影響著整個鍋爐設備的安全與壽命，并影響著產品的質量。因而除氧器的控制也是一個至關重要的環節。除氧器水位過高會影響除氧效果，缺水則會影響缺水事故，都會影響著整個鍋爐的有效控制，因而在除氧器控制中，以除氧器液位為一個對象參數，施行控制。此外，除氧器的擾動較少，允許液位在一定范圍內波動，因此在對除氧器液位回路控制中，采用單閉環控制系統。穩態時調節器無水位偏差信號輸入，也無輸出，進水閥不動。當鍋爐給水流量變化（如階躍擾動）時，給定水位與反饋產生偏差輸入到調節器，調節器輸出信號調節給水流量，使水位保持穩定。

基于上述內容，除氧器控制單元包括除氧器液位控制回路和除氧器壓力控制回路。

爐膛控制單元

在整個鍋爐系統中，爐膛的重要性可想而知，其過熱蒸汽所要達到的溫度以及壓力，均是由送入爐膛中的燃料與風量混合后燃燒釋放出來的熱量實現的。此外，爐膛壓力大小也影響著系統的安全。因而，此處在爐膛控制單元中，把出口蒸汽壓力，和爐膛壓力作為被控對象予以控制。

減溫器控制單元

從工藝流程知道，由爐膛加熱軟化水生產出來的蒸汽會通過一個減溫器，與進料冷料的一個分支進行換熱。但由于過熱蒸汽要保證出口壓力的穩定，而用了燃料進料量來控制。至使不能直接簡單的再用燃料量進料量來控制出口蒸汽溫度，一般而言，所需要的蒸汽出口壓力穩定的情況下，所生產出來的蒸汽溫度也基本穩定在所需溫度，但當溫度有波動時，在保證壓力穩定的前提條件下，這里設計用在換熱器流過冷料流量大小來控制出口蒸汽溫度的穩定。綜上可知，這兒以蒸汽出口溫度為被控對象，以去減溫器的汽包上水量為控制參數，通過調節閥FV1103的開度，調節冷卻液流量，以達到出口蒸汽溫度的穩定。

汽包控制單元

針對工業鍋爐，汽包水位波動的幅度影響鍋爐的安全運行，蒸汽壓力和穩定性。汽包水位的控制是非常重要的。目前采用的較為普遍的串級三沖量控制系統，即以鍋爐蒸汽流量，汽包水位，鍋爐給水流量這三個變量，通過2個PID控制器，實現給水的自動控制。

上位機監控平臺上位機監控平臺

主控畫面主控畫面

本課題用易控（INSPEC）組態軟件進行組態。完成鍋爐系統的監控，如圖所示，為上位機監控畫面的主控畫面。

上位機監控主畫面

在其中可以監視著整個系統各個部分的參數，并可以通過右下方的控制器板塊，進行各控制器參數調整。也可以點擊操控平臺中的按鈕，進行實時曲線，數據顯示的集中監控。此外，在進行分塊整定PID參數時，可以通過左方按鈕點擊，進行單一控制區域的參數的監控。

分組控制畫面如圖：

分組控制畫面

例如，除氧器畫面，除了可以直觀的顯示出除氧器液位，還能夠監控相關參數，不需要進入集中的數據顯示畫面，此外還能夠在右上方上監視與除氧器相關的全部或部分實時曲線。也可以點擊“歷史曲線”查看該參數的所有記錄曲線。在該畫面下，可以點擊控制器按鈕，打開單一控制器進行PID參數調控。無需進入控制器組畫面尋找對應的控制器。

圖4?3 除氧器壓力控制器畫面

控制器組畫面

控制器組畫面與單一控制器作用差不多，也是對相應PID控制器的參數進行調整，測量值顯示，以及控制器手自動切換控制的集中模塊。但不同的是這里匯總了本課題鍋爐系統的所有控制器，即可以在該畫面中調整所用的控制器參數，不必一一打開單一的控制器畫面。從而方便在工業上，對大多數回路控制器參數的集中調整。

控制器組畫面如圖所示：

控制組畫面

在控制器組畫面下，同樣也可以與主控畫面，數據顯示畫面等進行相互切換。方便監控點的切換。

數據顯示畫面

數據顯示畫面，顧名思義，是集中顯示所有參數的地方，工業上需要集中管理整個系統的所有參數而構建的這一平臺。如圖所示：

圖4?5 數據顯示畫面

數據顯示畫面是分為多個模塊進行的參數顯示的。例如除氧器液位塊，就能夠清楚的看到除氧器液位測量值，以及其液位給定值。此外，還能夠看到影響其液位的軟化水流量值以及控制它的閥開值。

曲線畫面

實時曲線畫面

實時曲線，是顯示設定時間范圍，各參數變化趨勢的一個平臺，這里集中了除氧器液位，除氧器壓力，汽包液位，蒸汽出口壓力，蒸汽出口溫度和爐膛壓力這六個被控參數，相關的各變量的曲線。為了更好的監控，配置曲線顯示時長為兩個小時。在每條曲線標注前都添加了復選框，可以通過選中與否控制是否顯示對應曲線。以排除過多曲線的干擾，為監控者帶來不必要的視覺影響。

圖4?6 實時曲線畫面

歷史曲線畫面

歷史曲線畫面包括曲線顯示配置、坐標縮放、刷新、時間配置等等。還有一個公共曲線顯示區以及在其下方的曲線具體數值顯示塊。與實時曲線不同的是，它所顯示的曲線，是依賴于實時控制的時候所通過歷史記錄功能，記錄下來的數據構成的曲線。因而它不僅可以顯示實時曲線的當前內容，也可以顯示超過實時曲線所限定的兩小時以外的內容。方便過去歷史數據的分析。然而歷史曲線并不是自動打開就能夠顯示，而是需要配置曲線以及查看時間段，且必須基于數據庫儲存數據才能夠有顯示作用，因此歷史曲線無法取代實時曲線。故本課題在方面實時監控的前提下添加了歷史曲線平臺，方便更全面的分析實時控制效果以及歷史控制曲線趨勢。

如圖所示：

歷史曲線畫面

通信連接

易控組態軟件與PLC通過SIMATIC公司提供的網絡通信軟件SIMATIC.NET來實現。要組態易控之前必須先組態SIMATIC.NET軟件包下的STATION CONFIGURATION EDITOR木塊。打開后在OFFLINE狀態下添加Application模塊，與STEP7中一樣，再添加IE General通信塊，地址自動獲取為本機地址。返回STEP7軟件，在PC工作站欄目下，修改PG-PC interface 為 PC internal 通道，將STEP7中組態的Application應用程序塊和IE General通信塊下裝到STATION CONFIGURATION EDITOR中，進行相應模塊的連接。

如下圖所示：