DCS、FCS控制系统在锅炉控制中的应用

D CS 、FCS 控制系统在锅炉控制中的应用Ξ石　卫(中海石油天野化工股份有限公司) 中图分类号:TK 32 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2010)20—0023—03 目前,我国有中小型锅炉十几万台,在使用中普遍存在调节手段有限、锅炉的产汽能力不能随外界负荷的变化而及时变化的现象。

由于炉膛温度偏低,排烟温度较高,风煤比不能及时调整,炉膛换热效率较低,从而降低了锅炉的效率。

中小型锅炉和负荷管网组成的系统是一个大滞后、大惯性、大不确定性的非线性系统,因其燃烧过程复杂,如煤质、风量、风煤比、负荷变化大等诸多因素都会对其产生影响,即干扰性比较大,所以,以传统的手工操作和仪表控制等手段组成的控制系统难以对锅炉进行有效的控制。

现在应用DC S 和FCS 控制系统所开发的锅炉控制系统,能够真正实现锅炉燃烧控制,使锅炉能长周期、稳定、经济地运行,在国内有很大的市场。

1　DCS 、FC S 系统1.1　DC S 系统DC S 系统为现代分散型控制系统,一般由管理级设备、监控级设备和过程级设备组成的多级体系,通过局部网络互相连接.过程级设备从过程对象采集实时数据,按预先组态的控制策略,并接受操作人员的控制指示,对过程对象进行实时控制,操作人员通过监控级设备,监视过程对象和控制装置的运行情况,并通过局域网,向过程级设备发出指令,干预过程对象的控制系统有监控级设备和过程级设备,通过通信网络互相连接而成。

为了使系统的构成灵活实用,能够提供单机系统、小型系统、中型系统、大型系统的任意选择和组合,过程级设备由过程控制器、数字调节器、可编程控制器PL C 等组成,监控级设备由简易操作站、局部操作站、监控操作站、监控计算机组成。

1.2　FC S 系统现场总线是年代初期兴起的一种先进工业控制技术,与DC S 系统相比有许多优点。

它是一种全数字化、全分散型、全开放、可互操作和开放式互联网络的新一代控制系统,是计算机技术、通信技术和控制技术的综合和集成;它将通信线一直延伸到生产现场、生产设备,用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络;将传统的DC S 三层网络结构变成两层网络结构“工作站现场总线智能现场仪表”,降低了成本,提高了可靠性,实现了控制管理一体化的结构体系,所以自其诞生之日起,就对DCS 形成了强有力的挑战。

目前现场总线已成为世界上自动化技术的热点,许多工控领域的巨人,如Honeyw e ll 、F ishe r 、Ro sem oun t 等都积极开展FCS 技术的开发和应用,推出自己的FC S 产品。

据不完全统计,目前各类现场总线产品有40多种,我们现在应用的主要是PRO F I BU S (P rocess F ie ldbus )系统。

2　系统设计思想锅炉微机控制系统是一种介于DC S 和FCS 之间的控制系统,即分散控制,集中管理。

本研究采用Sie m en s 公司生产的PL C 作为控制单元,PRO F I BU S 总线相连接,设计了一个在充分利用非现场仪表的基础上建立含有现场总线的DCS 系统。

计算机监控系统的燃烧控制包括负荷控制(给煤量控制)、送风量控制(鼓风控制)、炉膛负压控制(引风控制)、汽包水位控制(三冲量控制)。

2.1　计算机监控系统的特点①兼容原有的手动操作系统,切换方便;②控制分散,管理集中;③实现了多冗余、多策略控制,提高监控系统的可靠性;④常规控制与智能控制并存,采用多层P I D 控制。

　监控系统主要设备配置及功能32　2010年第20期 内蒙古石油化工Ξ收稿日期65902.2:2010-0-221211　中央监控机。

作为整个系统的中心,具有以下功能:①实现整个系统的高级控制策略;②采集各测点数据信号,向周边设备输出控制信号;③具有良好的人机界面,包括各种美观实用的画面(系统图、流程图、报警画面、实时及历史趋势图、棒冈、报表等等);④定时自动打印,并接受运行人员的指令;⑤可与上级微机通过M ode m进行通讯。

21212　周边设备。

主要包括多台S ie m en s PL C(可编程控制器)、传感器组、变送器组、配电器组、继电器组、执行机构、二次仪表等。

实现以下功能:①PL C 实现数据采集和常规控制策略,采集信号包括模拟信号输入、开关信号输入、模拟信号输出、开关信号输出;②传感器组检测温度、压力、压差、流量、烟气含氧量等,并通过变送器组和配电器组转化为4-20mA的标准电流信号,传送至PL C;③执行机构完成PL C发出的指令动作;④二次仪表可以实现手工操作。

此时计算机自动控制系统不投入,数据采集、检测系统可选择投入,所有操作均在二次仪表盘上完成。

⑤控制系统中央控制机手动运行方式:所有的执行机构均可在控制室的CR T上进行手动无级调节,PLC处于开环运行方式。

⑥自动控制系统全面投入的运行方式:中央控制机投入闭环运行方式,控制策略投入使用,整个控制系统协调运行,保持系统运行在最佳工况。

21213　控制系统实现方法。

整个控制系统如图所示,下面分别简单说明:控制结构图负荷控制(出口汽压或出口水温控制)在正常情况下,当锅炉出口水温或出口汽压偏离给定值时,控制回路将按照设计的控制算法调节给煤机的转速,相应改变给煤量。

2121311　送风控制(鼓风控制)。

要维持锅炉的经济燃烧,提高锅炉的效率,必须使空气和燃料维持适当的比例,根据给煤机转速计算出送风量的设定值,根据送风量的实测值与设定值的偏差计算出送风门的开度。

2121312　负压控制(引风控制)。

该控制回路以炉膛负压作为主控信号,当炉膛负压偏离给定值时,出现一偏差值,这个偏差值经运算,输出一数值控制引风转速增大或减小,使负压趋向给定值。

引入鼓风压力做前馈值,是为了使负压控制能最快的稳定在给定值上。

2121313　汽包水位控制(三冲量控制)。

该系统采用三冲量带前馈的串级控制模式,通过汽包水位、蒸汽流量和给水流量3个信号作为系统的输入量,输出量控制执行器改变水阀的开度来调节给水流量,稳定汽包水位。

3　DC S应用实例3.1　高锅C炉磨煤机问题简述对中海石油天野化工股份有限公司高锅C炉磨煤机控制系统,2006年到2008年运行期间,控制系统方面发生的事故情况综合比较认为:系统存在的最大问题是当发生停车事故时,原因不明确。

主要原因是系统软件采用的是德国ST EP7及W I N CC平台,应用程序是美国人设计。

由于语言差别及维护人员的水平有限,不能完全理解与消化吸收;另外此系统软件编制并不完善,没有与横河DC S系统进行通讯,不能进行事故有效记录;更严重的是施工中的极不规范,尤其是电缆的布置与配电的结构(高压电源线和控制信号线混在一起,给控制信号造成极大的干扰)。

3.2　原控制系统的概述3#高锅磨煤机选用美国W I LL I AM S的D F-90磨煤机,控制系统是由美国威廉姆斯公司随机提供,硬件配置采用S IEM EN S的S I MA T I C S7-400 C PU配S7-300卡件,操作界面为S I EM EN S M3触摸显示屏及上位机操作界面。

系统软件采用ST编程软件编程,上位机操作界面采用W软件编程,程序由W I LL I M S编写,整个磨42内蒙古石油化工 2010年第20期　P70EP7inCC A煤机控制系统全部自动控制。

所有磨煤机相关设备全部顺序控制,内部有六个控制回路自动跟踪给煤指令进行自动调节。

3.3　控制系统存在问题的解决办法解决办法是通过对系统进行了较为详细的讨论,认为:主要从施工及软件方面入手进行逐步解决。

委托西门子软件专家与横河软硬件专家,结合设备要求对应用程序重新设计、编制组态,以及人员培训,以及修正施工中的不规范。

控制系统由原来的PL C系统移入到DCS系统。

在原有CS3000系统的控制站FCS03中增加一个8#N ode单元;根据移入的监控点的要求选择对应的I�O卡件;将PL C系统的控制逻辑加入D CS系统组态中,同时增加一个操作站,用于移入点的操作和监视。

把增加的一个8# N ode单元安装在新的扩展柜中,便于新电缆的接线,予调试等工作。

3.4　系统改造技术要求3.4.1　基本要求本次改造要求把原磨煤机的控制功能全部移到DC S系统完成,并对系统软件采用该系列产品的最新版本。

控制功能和要求必须满足原系统的控制要求。

特别要求在DC S系统中实现如:各种工艺报警显示、各种工艺操作记录、联锁保护与开停车顺序功能、趋势记录及打印的常规功能。

同时在系统中取代原系统的一些辅助设备的功能(诸如双路输入调制卡等)。

同时做到以下工艺要求:①读懂原C磨控制系统程序的基础上,要求转速分段提速控制,考虑手自动切换操作方式;②制粉系统启动程序:按威廉姆斯启停及时间程序设计;③如操作方式有所变更,操作画面相应增加;④便于锅炉工况调整把一些模拟控制回路进行修改,达到工艺能够随时调整工艺控制参数。

如:工艺能手动调整一次风量、磨煤机转速、分离器转速指令功能;⑤一次风机在启动时出口挡板应关闭,禁止带负荷启动,随给煤量逐渐增加并调节磨出口温度;⑥对磨煤机出口阀、给煤机出口阀、分离器油位由联锁改为报警等等。

3.4.2　软件要求对原有程序彻底编译,充分理解的前提下结合设备要求,同时结合基本要求,适当剥离原来的模拟控制回路控制方法,充分实现现有的L系统内的联锁保护、顺序开停车功能。

根据工艺要求修改现有画面的基础上,增加个别趋势记录、报警、棒图等。

对于某些报警连锁,考虑在DCS程序中增加旁路点,在DCS中建立接口画面,操作员可以在确认对设备没有危害的情况下进行旁路操作,以维持正常生产。

具体说,在DCS项目中增加SO E画面,其中包含影响跳车的关键点,正常生产时,这些点的状态可监视,如遇到检修或更换仪表设备时,或此处有干扰信号,及时将这些关键点在画面中旁路或将条件断开,这样避免一些因为外部设备干扰造成的跳车。

当然,必要时要将这些点的旁路在画面中恢复,使其纳入到正常的联锁保护的程序中。

通过分析现有程序,绘制逻辑图,整理资料,梳理逻辑关系,归纳出模拟量P I D回路调节的信号、流数据、控制流等。

同时组织对维护人员进行必要的培训,便于维护人员理解控制联锁关系,优化控制参数,提高系统效率以及整体稳定性、可靠性。

4　系统运行效果和应用情况计算机监控系统的投入,使得操作系统监视集中,自动控制,减少了操作人员的劳动强度,克服了人为不利因素,从而改善了锅炉的整个燃烧状况,提高了锅炉的热效率。

以上监控系统方案已应用于实际生产过程中,如中海石油天野化工股份有限公司高锅C炉控制系统工程、大庆以煤带油集中供热工程、辽河油田以煤带油集中供热工程、渤海造船厂锅炉工程、山西晋城锅炉工程、山西朔州锅炉工程等.取得了很好的效果,节省了燃料,提高了效率,减少了环境污染,增强了系统运行的稳定性。