CS3000集散型控制系统在热电厂锅炉的应用

2 A  G. r7 @+ g) V- `! a- G1 引言
随着产业信息技术的飞速发展，以提高综合经济效益为目标的综合生产及管理的自动化成为必然趋势。日本横河电机公司在产品的设计制造、研究开发上提出了面向21世纪的ETS(Enterprise Technology Solution)概念，从企业的生产运行和综合效益为出发点，充分满足工厂的各种需求，以最先进的技术及最可靠的产品，为用户提供从设计开发到现场服务的完善的优化的适用的综合决策方案。CS(Concentrate Solution)就是来自于综合和解决方案两个含义。CS3000是一个功能齐全的系统，它综合了各种控制、各种管理、各种自动化以及实时控制数据和其它信息数据。由于该系统具有极高的抗干扰和耐环境等特点，因此非常适用于电力、石化及化工行业的运行环境。本文根据某集团公司热电厂5号锅炉的工程实践, 较详细地介绍CS3000系统的组成和应用软件组态的一些做法及体会。

' F$ H% @+ P7 {# s1 }) ^2 ~5 r2 CS3000集散型控制系统的配置和锅炉工艺要求
, e1 p6 j# _4 d+ |2.1 配置设计
该热电厂5号锅炉控制系统配置了1台工程师站，3台操作员站(HIS)，1台冗余的现场控制站(FCS)，2台UPS。3台操作员站(HIS)互为冗余对等配置，由于工程师站也可以作为操作员站使用，故相当于有4台操作员站，均能独立监视整个生产过程。每台HIS都有自己的硬盘，可以存储大量的数据，当系统中某台HIS发生故障时，其他的任一台HIS均可代替故障HIS完成操作监视任务。冗余的现场控制站(FCS)主要技术指标为:
$ t! a6 U- k& m# B% l4 T(1) CPU:R3000(25MHz);存储器:16M, 具误码校正功能; 数据保存:72小时(失电后)。FCS具有闭环控制、电机联锁控制、数据采集、数据处理存储、报警等功能，可完成对生产流程的逻辑联锁，顺序控制，分组启动/停止，同时通过高速通道(V-NET，10Mbps)与中央控制室进行数据传输，接受来自操作人员的各种控制命令，完成检测控制要求。系统的高速通道V-NET为冗余配置，能交替运行并不断进行自检，时刻保证系统的信息传输不间断，并能在故障产生1s之内，将故障信息传送至所有操作员站;修改后的软件也通过控制网络在线送至各操作员站显示。此外,系统还配置了2台UPS，组成双机热备形式。
; _$ U- G  R. Q8 P# s! J(2) 工控对象:35t/h循环流化床锅炉及给水除氧系统;
(3) 操作员站配置: DELL PC PⅣ/2.4G，256M，80G，22"CRT;
+ f5 v8 W1 g3 J8 g$ g5 G(4) 工控软件:日本横河电机公司LHSKM软件包;
(5) 软件环境:Windows 2000;
(6) I/O点数:AI=109, AO=26, DI=115, DO=76, TC=56, RTD=18;
7 P& K: J9 c' m& I, @8 r; p(7) 控制回路:炉膛压力控制，给水控制，给煤控制，风量控制，风压控制，床温控制，主蒸汽温度控制，除氧器水位和压力控制;
( B2 w0 n- K7 \8 G. S  }(8) 画面名称:总貌画面，分组画面，流程图画面，棒图画面，PID调整画面，趋势画面，报警画面，操作指导窗口画面，系统维护画面，报表画面。
2.2 工艺要求
% z* q0 o: c# k$ |0 R: t/ z完成各检测和控制参数的I/O组态，实现各控制回路的组态，能够在线监控各运行参数，能够在运行中修改PID参数，可查询重要参数的历史趋势，打印报表。

3 控制系统描述
4 N- l3 [; ]3 m& BCS3000控制系统包括数据采集系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、顺序控制系统(SCS)、锅炉炉膛安全监控系统(FSSS)、热控系统少量与机组安全有关的常规显示仪表、报警光字牌和后备操作设备(如:紧急停炉、紧急停机，汽包紧急放水等操作按钮)。
3.1 数据采集系统(DAS)
DAS能连续采集和处理所有与机组有关的测点信号及设备状态信号，及时向操作人员提供有关的运行信息，实现机组安全经济运行。一旦机组发生任何异常工况，可及时报警，提高机组的可利用率。DAS具有下列功能:
(1) 显示:包括操作显示、成组显示、棒状图显示、趋势显示、报警、模拟图显示等;
5 b) Y4 Y- y% `- T, W8 E/ a9 W5 k5 I(2) 制表记录:包括定期记录、事故追忆记录、跳闸一览记录、操作一览记录等;
2 |1 g. J6 B/ I! W. [' l(3) 历史数据存储和检索(HSR);
) G" i( f9 C6 t( A8 G(4) 事件顺序记录(SOE)。
0 u* G6 F5 ]. C3 {, {0 P% k3.2 模拟量控制系统(MCS)
MCS控制系统将锅炉一汽机一发电机组作为一个单元整体进行控制，使锅炉和汽机同时响应控制要求，确保机组快速和稳定地满足机组安全启、停及定压、滑压运行的要求。
, _$ q0 m1 x; a3 q9 n3 U(1) MCS功能设计
●频率协调:汽机转速控制用于维持系统频率的稳定。机组负荷指令能自动跟踪实际测得的发电机负荷，以避免产生扰动。
6 d2 G6 V! q4 W. J●限制:机组最大负荷指令与锅炉最大出力和汽机负荷能力相适应。提供燃料——风的导前／滞后和交叉限制控制功能。当被控容量或允许出力达到最大、最小限值时能发出闭锁增、闭锁减的控制信号。
●快速减负荷(RUN BACK):提供一次风机、二次风机、引风机、给水泵发生出力故障工况时的RUN BACK功能。每种RUNBACK有单独的最大允许负荷或减负荷速率，以适应各种设备的动态特性。运行人员能通过CRT得到RUN BACK工况时的信息，所有的RUN BACK可自动完成。
- C7 ^6 r$ [0 G. ~! A; ]. q(2) 控制特征
6 a1 r9 k8 ?9 B6 y3 r1 V  u/ @1 V" N锅炉主控将机组负荷指令以并行协调的方式转化为对锅炉燃料和风量的控制，并具有以下特点:
& T/ f( y! A3 b" O3 j. k$ ~●为加快燃料量对负荷变化的响应，信号回路有速率可调的“加速”功能。
●系统按加负荷时，先加风、后增加燃料量;减负荷时，先减少燃料、后减少风量的原则设计。锅炉指令按可供的风量来限制燃料量出力，以保证燃料量不高于风量。
7 _' x. {4 q  j8 Q5 f●锅炉指令按送入锅炉的总燃料量(包括所有辅助燃料)来限制风量，以保证风量不低于燃料量对风量的需求。
  h: V$ x& _/ j; q* g: A# ]●根据燃料的不同发热量进行修正。
  F' z9 l1 }/ {/ d+ R- G8 s
3.3 顺序控制系统(SCS)
6 w% Y$ k0 r. Z7 f7 x顺序控制系统SCS进行自动顺序操作，目的是为了在机组启，停时减少或取消操作人员的常规操作和缩短机组的启停时间。
SCS控制范围包括在控制室内监视和控制机组所有的辅机、阀门和挡板及设备保护和联锁。所设计的子组级程控进行自动顺序操作，可在机组启、停时减少操作人员的常规操作。在可能的情况下，各子组项的启、停能独立进行。
SCS系统用于启动/停止上述的机组系统中的子组。一个子组被定义为由一些相关设备组成的完成某些功能的设备组合，如一台风机及其所有相关设备(包括风机润滑油泵、出口／入口挡板等)。这些设备之间有联锁控制关系，SCS可以通过自动／手动的方式完成一个子组的启动／停止控制和在事故状态下紧急处理。 操作人员可以改变子组的运行／控制方式。在手动方式下，操作人员可以操作子组中的所有设备。在自动运行方式下，如出现故障／人工中断指令，子组控制程序中断，停止在中断位置或恢复到安全状态。
; @* D& h; D0 C( q$ c$ }2 Y对于每一个子组项及其相关设备，它们的状态、启动许可条件、操作顺序和运行方式，均能在CRT上显示出系统画面。为了在日常维护时机组能正常运行，减小操作人员的劳动强度，及减少启／停时间，每个设备的子项顺序控制均设计为可执行自动方式，并提供每个子项的手动操作功能。CS3000系统对于每一个子组项都有相应的画面对应。这些画面显示子组项的工艺流程，目前子组项停留在哪一步及停留时间，子组项是在自动运行还是在手动运行，及相应的许可条件。
3.4 锅炉安全监控系统(FSSS)
FSSS包括燃烧器控制系统(BCS)和燃料安全系统(FSS)。由FSSS完成锅炉自动点火、燃烧器管理及炉膛安全保护的所有功能。炉膛安全监控系统能适应锅炉的运行方式和各种工况以及不同的负荷需求。当运行工况不符合要求或有不稳定趋势时，依照规定的运行工序，保护动作跳闸，以避免锅炉不正常运行。并符合以下要求:
(1) 炉膛安全监控系统符合NFPA标准的有关要求;
2 Z1 r9 R* P: n9 i(2) 炉膛安全监控系统包括完整的联锁、保护和自诊断功能。重要设备(如处理器模件)采用冗余设计;
(3) 在CRT上提供运行所需的各种图形显示信息，以便操作员使用顺序操作或当必要时采用手动控制。手动控制时给出操作指导，这些指导给出要执行的下一步及程序的进程。信息显示随状态变化在CRT上做出不同的彩色显示并配有曲线说明。联锁保护将最大限度地防止或减少由于设备或某部件的非正常工作而造成的危险因素;
(4) 系统提供SOE所需的事故顺序接点输入信号。
  ?0 p! w$ ]; k7 Q" @7 gCS3000过程控制系统构成如图1所示，主要组成部件有:工程师站(EWS)、操作员站(HIS)、现场控制站(FCS)、过程控制网(V-NET)、打印机(PRT)。


图1 CS3000过程控制系统配置框图
) E2 E2 I3 k8 {( V5 [8 G
4 LHSKM软件包的主要特点和组态方法
CS3000系统提供完整的、满足工艺要求的LHSKM软件包，包括实时操作系统和各种应用程序以及用户所需的批量控制有关的软件。系统组态、生成、应用软件均通过图形界面和交互式菜单会话方式，十分方便快捷，工程师站提供了CAE计算机辅助工程及填表的组态方式。模拟控制回路组态可采用Control Drawing一边画控制方案图，一边输入数据的方式，顺序控制可采用逻辑图、顺控表及面向批量和顺控的高级语言的方式。设计和组态工作可同步进行，简化了工作流程。丰富的用户自定义宏功能，使组态更加容易和高效。
. ^6 I+ ]$ Z1 w5 A$ o1 }5 `+ T4.1 主要功能
(1) 仪表，电气控制功能;
1 t/ g/ w4 A# C: y' J(2) 控制Drawing:200个/FCS;
# k" N9 h0 m. Q, T' o! x0 c(3) 控制Block:8000个/FCS;
(4) 连续控制与演算功能;
(5) 顺序控制功能;
9 b5 n' C6 h2 Q% Z* w/ J9 z" U(6) 面板显示功能;
( M5 S. g. I6 A$ p9 _, ~9 S# v  j(7) 与PLC、Field-Bus等通讯功能;
(8) 连续控制。
0 [* J2 n0 ?- D( P# ?
6 w6 ]: k1 g3 }5 l1 l" P4.2 算法
% e7 |1 @' N7 d6 h4 u9 Q(1) 过程算法
3 B( D2 P& @1 J过程控制器可以完成基本的调节和先进的控制，控制器能够提供以下算法:
●各种PID控制，(如: 采样PI，带批量开关的PID，自整定PID等);
) s4 i2 w4 w3 o0 z8 x6 L0 `( U●开方/平方;
& O; N% S& p/ d; D1 d4 ]! A●加/减/乘/除四则运算;
" Y7 v& b$ D* ]0 ~+ J●分段线性化;
●超前/滞后;
2 J. J: \6 x; V1 }. n/ k0 [5 n●延时;
4 K; e7 C, e* i) o+ S' F3 t( H●高/中/低选择;
+ T  d( S* N. A5 y) U$ ?●变化率限制;
●质量流量补偿运算;
0 X8 M( w& ?) ]' c5 U2 y" a/ P●累积/平均;
7 q5 ]$ _+ o$ c+ S/ L# n9 E●采样和保持;
●用户自定义的功能块。
0 `( Q4 Z, K2 f3 N- E6 c(2) 离散算法
$ K9 l2 o: E) ~) d+ {- x# D7 N; N在离散控制中主要提供了以下算法:
& F0 v( F1 K) A( l% u5 h! h●开关控制;
●与或非逻辑;
●计数/计时。
6 C9 M" P# N3 D' H1 |1 a3 f9 H3 {4.3 组态过程
锅炉监控软件的编制组态过程可按以下步骤进行
(1) 以工程设计图纸为基础确定监控系统的I/O参数表，在组态各参数时需确定每个参数的通道、数据类型、参数范围、报警上下限及安全机制等，此项工作涉及硬件系统的选型和设计。
(2) 以工程项目的实际情况为依据,进行监控画面的组态设计,其中需要:
●确定画面的数量;
●确定各画面内的参数名称、量程;
. G  E) D( V) j( f6 o●根据设计中的监控要求编制系统运行程序,该程序包括:系统启动程序、系统周期性运转程序和系统结束程序;
●确定监控组态程序的安全机制。
: E* F' p: |* Q8 d(3) 根据需要设计组态系统趋势画面;
(4) 根据需要设计组态系统报警模块;
. N; f' V: w7 B3 F" C4 A* B+ \7 q( T* S  p(5) 根据需要设计组态系统DDE模块，做好数据链接工作。
4.4 LHSKM软件包在锅炉监控中的应用
) u- J$ |4 E( s& I6 j根据工程的实际需求，系统共设置20余幅监控画面，以下介绍各主要画面的内容、功能及操作方法:
(1) 总貌画面
* i+ I, V1 ^- q. C- n) n总貌画面将本项目绝大多数运行参数的实时值均组态于绘有锅炉工艺过程的立体画面中，参数值显示在锅炉相应的位置上，操作者可在画面上对锅炉及相应设备的运行状况、报警情况一目了然。组态中还对工艺管路和风机传动等采用动态方式进行处理，使画面效果更加形象逼真。
/ X* y$ |% w" P(2) 控制画面
7 \: q* T" {# d7 U1 Y8 Z/ c在控制画面中采用与普通电动调节器仪表相类似的形式来表示控制器，使操作者易于接受，每个调节器面板上设有手/自动切换开关、回路设定值、参数运行值、控制输出值、阀位反馈值，这些数值均采用棒状色带和数字量同时显示。
9 T' `2 g6 G9 C2 B9 i5 F, b(3) 参数画面
画面内设有锅炉及相应设备各部位烟气温度、进出水温度、蒸汽温度、进出水压力、流量等显示仪表。
- m# Q. t4 F5 b* [" ^. p' y(4) 趋势画面
( {  f) \+ i' h; e  C在趋势画面组态时，将锅炉进出水温度和压力、炉膛负压等重要参数列入趋势曲线，可监测各参数的历史趋势。
(5) PID参数画面
每个控制回路的PID参数均需要在调试时予以调整，可用鼠标器或直接键入数据修改比例、积分、微分及积分饱和控制值,使调节回路特性满足工艺运行要求。
5 Q" ?2 j' C; ]4 [( B(6) 报表画面
采用报表格式将需要记录的工艺参数以及报警状态放入专用表格内,并设置日期和时间。

* p1 Q  c( X5 V$ _/ _4 P5 结束语
技术先进、性能可靠、易于扩展、开放性局域网结构、成熟高效简捷的工程组态方式这些是CS3000集散型控制系统的主要特点，也是笔者对某集团公司热电厂5号锅炉过程控制系统选型的着眼点。通过在LHSKM软件包基础上编制组态锅炉监控软件并将其投入运行，使笔者更加深入了解了工控软件在使用中的应用方法和特点，这套集散型控制系统于2005年2月完成安装调试及试运行，现已正常运行一年多时间。随着该系统的稳定运行和不断开发完善，在生产和管理上起着控制生产设备、保证产品质量、提高生产效率、加强科学管理和辅助科学决策的作用，对企业提高竞争能力，获取经济效益将起重要的促进作用。
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