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電站鍋爐自控係統開發與應用

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電站鍋爐自控係統開發與應用

發布日期:2018-11-24 作者: 點擊:

摘要:本文介紹了新建燃氣鍋爐房自控係統開發與應用,包括檢測與控製設備、控製係統結構、上位機係統、自控軟件等部分以及一次、二次管網監控係統的實現方法。主要內容有鍋爐及熱力係統概況、燃燒器控製部分、係統實時控製畫麵部分、實時和曆史趨勢畫麵部分、故障報警畫麵等。

關鍵詞:燃氣鍋爐;自控係統;應用


1 引言

本項目總體規模為蒸汽鍋爐和熱水鍋爐兩種,公共管網係統包括真空-電化學-化學三位一體除氧器、熱力除氧器、汽水殼式換熱器,水水板式換熱器,一次網、二次網循環泵和補水泵,除氧泵等。本項目新建燃氣鍋爐房,自控係統與項目同步建設、同步投入使用。


2 檢測與控製係統

2.1係統總體架構

公共管網係統采用西門子公司的S7-400係列的PLC冗餘控製係統,CPU采用西門子S7-400的CPU416,此款PLC數字信號輸入輸出能力達到26萬點,模擬信號輸入輸出能力達到1.6萬點,CPU程序數據RAM達到4M,CPU故障事件保存存儲區達到120個,且可擴展,功能模塊與控製器同係列、同軌道安裝,不采用擴展方式,編程軟件同時支持LAD、FBD、STL、SCL、CFC、GRAPH、HiGraph編程語言。冗餘係統配置是CPU、存儲器、電源設備和通信接口都是1:1冗餘,可以實現雙控製器冗餘切換,可以實現通信冗餘功能和電源冗餘功能,增加係統可靠性和安全性。由於各台鍋爐之間存在互為備用的關係,因此每台鍋爐由一套S7-300PLC實現單台鍋爐和輔機的自動運行與安全檢測功能。

鍋爐中央控製管理計算機負責完成所有鍋爐係統重要運行參數的曆史記錄、存儲和產生報表並能打印輸出,實現各鍋爐運行負荷的統一調配;根據鍋爐的運行狀況進行節能優化,使鍋爐房成為新一代節約型能源中心。整個控製係統的設計充分體現了控製分散、信息管理集中的現代工業設備控製思想的發展理念,具有投資性價比高,可靠性好、便於擴展,技術先進等優點。

2.2控製總體思路

鍋爐房內熱力係統按“一鍵啟停”思路進行設計,自動檢測末端參數,根據檢測結果,自動調整循環泵、換熱器、鍋爐的運行狀態和運行台數;啟動蒸汽鍋爐前,除鍋爐本體自動檢測外,還自動完成檢測給水泵、除氧水箱水位、軟水設備、鍋爐總出口閥門等狀態並進行必要調節,達到啟爐條件後,自動點火;啟動循環泵,除其本身自動檢測外,還可完成其進出口閥門狀態以及壓力值的檢測並進行必要調節,達到啟動條件後,自動變頻啟動;啟動換熱器前,除其本身自動檢測外,還完成其進出口閥門狀態以及其壓力、溫度值的檢測並進行必要調節,達到啟動條件後,自動啟動。各係統均能夠由獨立的PLC控製站自主完成鍋爐係統的自動運行與安全檢測。上位監控管理計算機完成對所有鍋爐房係統的數據通訊與處理,並負責完成所有鍋爐房係統重要運行參數的曆史記錄、存儲、生產報表打印以及各鍋爐房運行負荷的統一調配。係統通過局域網隨時向上一級的管理級計算機傳輸數據,為辦公自動化提供了接口和條件。

2.3控製軟件結構

控製軟件的設計是指整個鍋爐控製係統的框架設計,在嚴格遵循控製係統設計標準和設計原則的基礎上,根據燃氣熱水鍋爐的運行特點和中央監控係統的功能要求,並考慮控製係統的科學性和先進性要求,將整個群控係統按操作的等級分為上位監控子係統、單台鍋爐實時控製子係統兩個部分。上位監控子係統是整個鍋爐群控係統的指揮中心,所有鍋爐的信息都集中顯示在中央控製計算機中,在正常運行情況下,操作員可以在指揮中心對模塊鍋爐進行遠程操控,如控製參數的設置、修改,啟動優化控製程序,建立鍋爐節能分析報表等。上位監控子係統起到信息和人員的管理職能,建立重要鍋爐參數的曆史報表和趨勢,對現場操作人員的生產監督,中央監控操作員的權限設置。上位監控子係統建立在鍋爐房控製室內,由監控軟件、通訊電纜、監控操作平台、網絡打印機、不間斷電源等部分組成。

單台鍋爐實時控製子係統是整個鍋爐群控係統的控製核心,如果說上位集中監控子係統是“大腦”的話,那麽單台鍋爐實時控製子係統就是“心髒”。所有正常狀態下的鍋爐控製都是由鍋爐控製櫃來實現的。為保證係統的安全性和可靠性,采用控製器和強電手動操作共同來實現具體的控製功能,采用工業上標準的以太網通訊協議實現鍋爐控製器與上位監控子係統的數據交互。實時控製子係統建立在鍋爐房控製室內,核心控製器與上位監控子係統安裝在同一平台中,主要由一次傳感器、變送器(現場安裝)、核心控製模塊、強電手動控製、控製櫃等部分組成。控製軟件結構如圖1所示。從橫向角度來看,群控係統的設計符合國際上流行的“控製分散、監視集中”的群控係統的標準。對於每個鍋爐係統而言,控製是相互獨立,彼此不會幹擾,而監視係統又是集中的,信息是共享的,這有利於整體管理。從縱向角度看,鍋爐控製係統是安全可靠的,在正常情況下,操作員在上位監控係統就可以對所有鍋爐進行遠程監控,一旦上位係統發生故障,操作員可以通過鍋爐控製係統進行操作,即使發生極端情況,操作員也可以通過控製櫃的強電手動操作對鍋爐進行簡單的操作,不會因為控製係統影響鍋爐的正常運行。

2.4上位機係統

上位監控係統的主要功能有兩個,一是對整個鍋爐房的監視與管理功能,包括用戶管理、工況監控、報警信息、實時與曆史曲線、數據記錄、報表打印等;二是對鍋爐房控製係統進行調度和控製,包括參數設置、優化運行策略、緊急處理等。上位監控係統被編製為三級控製權限,即操作員、鍋爐房工程師和係統工程師。操作員的權限僅限於日常瀏覽和實時監視,不具備對組態軟件的任何修改與設置權力;鍋爐房工程師的權限是在操作員的權限之上,可以對運行過程中的一些參數進行設置與修改,如控製參數、出水溫度設置、氣候補償曲線的選擇等;鍋爐房工程師和操作員都屬於組態軟件的操作前台;係統工程師的權限是軟件組態級的,可以隨時修改組態界麵和控製程序,一般是在後台進行操作,具有最高的權限。


3 監控係統

3.1主要功能

本群控係統采用Wincc V7.0作為上位集中監控平台,上位集中監控係統的軟件功能主要包括以下幾個部分:數據采集,通過標準工業以太網接口標準工業用TCP/IP通訊協議,實現與鍋爐節能運行管理控製器的數據雙向通信;人機操作界麵,通過各種形式的數據顯示方式,實現對現場重要工況數據的監控;數據的記錄、檢索與分析,通過數據報表、曆史趨勢和數據打印等形式,對鍋爐運行狀況進行統計和記錄;優化調度,在對曆史數據進行記錄的基礎上進行數據分析,建立鍋爐優化運行的調度指令和開環指導;操作管理,對當班的司爐工進行操作登記,使操作工的操作與鍋爐運行狀況一一對應,真正實現生產管理。

3.2燃燒機自動控製功能

燃燒器采用比例調節方式進行控製,根據出水溫度的目標值與實際出水溫度檢測值的差值,PID調節燃料閥開度,配風由機械連杆自動匹配。為使燃燒效果達到最佳狀態,控製係統引入鍋爐尾部煙氣氧含量作為鼓風量的調節參數指標,變頻調節鼓風機運行頻率來調節鍋爐進風量。

係統設有定時自動控製功能。係統可在24小時內設置四組定時工作時段,包括各時段開機、關機時間,鍋爐出水溫度上限、下限及轉火溫度;啟動定時功能後,電腦根據當前時間使係統自動進入上班或下班不同時段,可根據用戶設置不同的溫度範圍進行自動控製。當前回水溫度t係統自動,為防止溫度太低導致管道爆裂,當t≤5℃時,啟動燃燒機一段火暖爐;當t≥16℃時,關閉燃燒機,退出防凍狀態。燃燒機操作具有操作口令、係統調試口令、用戶程序保護口令的密碼管理。燃燒機控製器集中在控製櫃中,形成燃燒機BMS管理係統。該係統包含燃燒自動程序控製功能、燃燒監測功能。係統能實現先進的自動化管理,采用便於操作人員使用的係統顯示,燃燒器的控製受控於鍋爐的總控製,並與鍋爐的控製保持相對的獨立性。

3.3實時運行畫麵

在上位監控管理計算機彩色顯示器上動態實時顯示動力站鍋爐、給水係統工藝流程、各主要工藝設備的運行狀態、運行趨勢和各鍋爐的溫度壓力流量等數據。使生產管理人員掌握當前鍋爐及動力設備的生產運行情況,能從總圖詳圖多層次監測,動態圖形的總體結構形式為分層展開式。控製軟件運行畫麵如圖3所示。

3.4趨勢圖畫麵

控製軟件畫麵包括鍋爐房係統監控總圖,鍋爐動態工藝流程圖,自控係統總圖、主要參數實時、曆史趨勢圖,各主要設備狀態和控製回路圖等等。其中趨勢圖可用棒狀圖或線狀圖顯示曆史趨勢或當前趨勢。操作人員可以很方便地調整趨勢顯示的時間坐標或輸入範圍。每個測量變量趨勢圖以時間為背景,操作人員能夠輸入開始時間和結束時間。隨著時間跨度的變化,采樣頻率也相應變化。為加快數據檢索時間,趨勢曲線所用的數據存放在數據庫中一個特定的緩衝區內。

3.5故障報警畫麵

計算機係統內配置了故障處理專家係統軟件,通過預裝的專家係統得到故障原因的詳細資料及排除故障的對策。在任何時間和在任何能顯示的工作站都能在畫麵頂部或底部顯示出的報警信息,操作人員點擊該報警信息可以快速地調出與本報警有關的畫麵,該畫麵可以顯示出故障原因的詳細資料及排除故障的對策。所有的報警信號都以時間先後排隊,該隊列可以在畫麵上顯示並存貯在內存內。在任何時間,該隊列在畫麵上保留最新的128個報警點。這個曆史報警隊列在畫麵上采用顏色的閃爍和顏色的變化來表示一個報警信號是否被確認和是否被已恢複到正常的工況。在產生任何一個報警信號時,工作站便產生一個報警聲音以提醒操作人員,報警內容登記在數據庫事件登錄清單內,如果需要可以按要求調用並按命令分別打印。


4 小結

燃氣鍋爐與傳統的燃煤鍋爐相比,運行安全性更為重要,特別是燃氣泄漏和燃爆問題必須有自動檢測和自動解列功能。本項目在設計和實施中增加了控製過程的實時性顯示,實現了各係統的連鎖控製,實現了係統自動報警與自動解列功能。


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