要本文闡述了一種鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計理論和實概要

1、摘  要：本文闡述了一種鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計理論和實現(xiàn)方法，從硬件和軟件兩方面分別做了論述，從實際運行結(jié)果來看，該系統(tǒng)提高了控制的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，具有廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：鍋爐控制;現(xiàn)場總線控制;FIX;FCS我國現(xiàn)有中小型鍋爐30多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的1/3，目前大多數(shù)工業(yè)和民用鍋爐仍處于效率低，環(huán)境污染嚴重，安全系數(shù)低的生產(chǎn)狀態(tài)1。為了提高鍋爐的熱效率，降低耗煤量，采用鍋爐的自動控制系統(tǒng)日益廣泛，作為鍋爐的控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，減輕工作人員的勞動強度。綜合考慮，我們采用SHCAN2000總線控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對鍋

2、爐的控制。SHCAN2000總線控制系統(tǒng)是基于CAN總線的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），由于鍋爐控制系統(tǒng)對實時性和控制的可靠性要求較高，所以軟件的要求也較高，而Intellution公司的FIX監(jiān)控軟件能滿足這些要求。本文針對大連金源小區(qū)供熱系統(tǒng)中兩臺20噸低壓熱水鍋爐的特點，以FCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，介紹了一套鍋爐現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)方案，從實際應(yīng)用中取得了比較好的控制效果。整個系統(tǒng)工作原理為2：從控制現(xiàn)場來的4-20 mA或1-5V的標準信號，送至SHCAN2000型現(xiàn)場控制單元。信號在其中經(jīng)處理后可由其AO或DO端口輸出，經(jīng)信號調(diào)理模塊去控制現(xiàn)場設(shè)備;也可根據(jù)需要發(fā)送到CAN總線上，總線上

3、其它現(xiàn)場控制單元或上位機系統(tǒng)根據(jù)事先設(shè)計好的驗收碼和驗收屏蔽碼，來判斷是否接收該信息。傳送到上位機的信息，可以通過上位機監(jiān)控軟件進行顯示、控制、記錄以及報警、打印等。一、 鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的硬件體系SHCAN2000總線控制系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的集散系統(tǒng)（DCS），它具有DCS的先進技術(shù)和完善的功能，特別適用于中、小型裝置的生產(chǎn)過程控制，它是計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)綜合利用的結(jié)果，是新一代的全數(shù)字、全分散、全開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)3，控制系統(tǒng)設(shè)計思想為：從現(xiàn)場傳感器（鉑電阻、壓力變送器等）測得的信號經(jīng)信號調(diào)理模塊（溫度變送器、輸入端安全柵等）送至智能控制單元，在智能控制單元中經(jīng)過

4、運算處理后，形成控制信號?？刂菩盘栐俳?jīng)信號調(diào)理模塊（溫度變送器、輸入端安全柵等）返送至現(xiàn)場執(zhí)行器（電磁閥、切斷閥等）。不同的智能控制單元作為控制中心可以通過CAN總線互相通信，并可以將需要監(jiān)控的信號送至上位機，實現(xiàn)人機交互。SHCAN2000總線控制系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)組成4：最底層為低速現(xiàn)場總線連成的控制網(wǎng)絡(luò)，連接各種智能儀表及調(diào)節(jié)閥等現(xiàn)場設(shè)備，各控制器節(jié)點下放到現(xiàn)場，構(gòu)成一種徹底的分布式控制體系結(jié)構(gòu);中間的一層采用中速網(wǎng)連接控制器、遠程I/O及智能I/O設(shè)備，形成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò);最上一層即決策層，采用高速以太網(wǎng)連接各種控制器和站級計算機。如圖1所示：SHCAN2000型系統(tǒng)的總線通信標準采用CAN2.

5、0B。CAN總線的短幀結(jié)構(gòu)、CRC校驗以及錯誤節(jié)點自動關(guān)閉功能，保證了信號傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ诓僮髡疽粋?cè)，工業(yè)PC機通過網(wǎng)卡作為數(shù)據(jù)緩沖與CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接;在現(xiàn)場控制單元一側(cè)，數(shù)據(jù)緩沖由SJA1000和82C250芯片組成的標準CAN總線接口來實現(xiàn)。CAN總線通訊軟件完成上位機與實時數(shù)據(jù)庫之間、任意兩個實時數(shù)據(jù)庫之間的雙向數(shù)據(jù)交換，當任意兩個SHCAN智能測控組件的實時數(shù)據(jù)庫之間交換數(shù)據(jù)時，不需要上位機的干預(yù)，并符合ISO11898標準和CAN2.0B技術(shù)規(guī)范，最大通信速率1M bps，最遠通訊距離達10Km。圖1 鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)硬件體系SHCAN型智能測控組件是直接完

6、成采集和控制功能的智能單元，可單獨運行，作為獨立的回路調(diào)節(jié)器，也可將該組件放在現(xiàn)場附近，通過網(wǎng)絡(luò)組合成一個完整的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。每個SHCAN智能測控組件都固化有不同的采集和控制軟件，可通過實時組態(tài)和參數(shù) 設(shè)置完成不同功能組合、過程信號的采集、工程量轉(zhuǎn)換、信號補償、線性化處理、PID運算、自動報警、故障自診斷、PID參數(shù)自動整定等等?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)“功能全分散”的特點，使現(xiàn)場控制單元成了控制系統(tǒng)的核心。SHCAN2000型現(xiàn)場控制單元采用了由實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、實時監(jiān)控軟件、任務(wù)級組態(tài)軟件、實時數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成的現(xiàn)場智能測控儀表軟件組成集成技術(shù)，支持在線組態(tài)。二、鍋爐現(xiàn)場總線控制系

7、統(tǒng)的軟件體系鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)軟件體系由下述四部分構(gòu)成，如圖2所示：圖2 鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的軟件體系1. 系統(tǒng)監(jiān)控軟件FIXSHCAN2000系統(tǒng)選用美國Intellution公司的FIX DMACS作為組態(tài)軟件完成人機界面（MMI）和數(shù)據(jù)的操作管理，軟件操作平臺采用Windows 98,它集控制技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，包含靜態(tài)編輯、動態(tài)顯示、報警、歷史曲線、報表打印、控制網(wǎng)絡(luò)通信等多種功能，為客戶提供了一個良好的人機交互界面，為實現(xiàn)控制的實時性提供了可能。2. SHCANI/O  I/O驅(qū)動程序;

8、SHCANIO是FIX DMACS與CAN網(wǎng)卡連接，進而與網(wǎng)絡(luò)上SHCAN智能測控組件連接的軟件模塊。SHCANIO是使用Intellution公司提供的I/O驅(qū)動程序?qū)Ｓ瞄_發(fā)工具（ITK）開發(fā)的高性能I/O驅(qū)動程序。它與常規(guī)DDE動態(tài)數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)的驅(qū)動程序相比較，具有較高的實時性能和更加完善的功能。3. SHCANCFG  SHCAN下載與調(diào)試工具;SHCANCFG是一個基于中文WINDOWS95/98/NT上的下載與調(diào)試工具，它通過CAN總線，能對SHCAN2000上的每一個智能儀表測控組件進行組態(tài)、參數(shù)編輯、下載、上傳、管理和實時監(jiān)控。4.

9、0;SHCAN智能測控組件組態(tài)軟件SHCAN智能測控組件組態(tài)軟件是嵌入在SHCAN智能儀表中的組態(tài)、數(shù)據(jù)采集、控 制、輸入、輸出和通訊的模塊。三、鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計與實現(xiàn)整個供熱系統(tǒng)包括2臺20t/h鍋爐，兩臺鍋爐生產(chǎn)的熱水匯總后經(jīng)由小區(qū)各住戶的供熱裝置，經(jīng)換熱后，返回到鍋爐循環(huán)加熱，燃燒方式為火床中的拋煤鏈條爐，它主要有鍋爐主體、出水總網(wǎng)、回水總網(wǎng)等幾部分組成，此外，還有引風(fēng)機、鼓風(fēng)機、爐排電機、循環(huán)泵、除塵器等輔助設(shè)備。要滿足供暖的需要，首先必須保證鍋爐回水溫度和出水流量的穩(wěn)定，其次要保證爐膛壓力維持在一定范圍，以保證生產(chǎn)的安全性和燃燒的經(jīng)濟性，因此鍋爐的被控對象

10、可以確定為鍋爐的回水溫度，爐膛負壓，總網(wǎng)的出水壓力（其決定出水流量），下面根據(jù)三個回路各自的特點分別闡述如下：1、 鍋爐溫度回路的控制從控制理論的角度分析熱水鍋爐，它是一個多變量、非線性、分布參數(shù)的和帶時延的復(fù)雜對象，它有多個被控變量（溫度、爐膛負壓等）和調(diào)節(jié)變量（煤量，鼓風(fēng)量和引風(fēng)量等）相互之間存在交叉影響，還有媒質(zhì)，環(huán)境溫度和水流量等諸多因數(shù)，不難分析燃燒對象具有大的純滯后，特別是回水溫度回路，其滯后時間與PID時間常數(shù)相比更大，在傳統(tǒng)的PID控制回路中，其中有三個重要的參量：SP（被控量的設(shè)定值），PV（被控量的實際值），OP（PID的操作輸出），一般根據(jù)SP和PV的偏差E通過

11、PID運算得到OP輸出，進而控制現(xiàn)場的相應(yīng)設(shè)備來調(diào)節(jié)溫度，使其逼近SP值，當設(shè)定回水SP后，由于回水溫度回路滯后時間比較長，其起作用的效果至少要等2個小時才能得到，（這主要取決于小區(qū)供熱面積），這樣大的滯后必然會帶來系統(tǒng)大的超調(diào)，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，這樣我們采用控制鍋爐的出水溫度，但是為了保證鍋爐回水溫度達到要求，出水溫度的SP值要受到回水的控制，在這里我們采納仿人智能控制的思想，通過軟件實現(xiàn)對出水溫度SP值的設(shè)定，其實現(xiàn)方法如圖3所示：回水SP根據(jù)供暖要求一般由供暖曲線給出，即根據(jù)室外的溫度按曲線給出回水溫度的SP預(yù)定值，然后將其和回水的實際值PV相比較，如果其絕對值大于偏差上限值max，

12、那么如果其值大于0，則把出水的SP值設(shè)為SP的最小值，否則設(shè)為最大值，如果不大于偏差上限max，那么如果其值大于0，則把出水SP設(shè)定為當前值減去一個偏移量，否則加上偏移量。通過這樣設(shè)定出水SP，不僅可以避免系統(tǒng)的超調(diào)太大，而且大大縮短了調(diào)節(jié)時間。此外，由于影響出水溫度高低的因素有三個，它們分別為加煤量，鼓風(fēng)量，和爐排電機速度，而且三者之間存在比例關(guān)系，只有分配好這三者關(guān)系，鍋爐才能安全、經(jīng)濟、有效的運行，所以，出水溫度PID控制回路的輸出OP值最終要分配給這三者，即：加煤量 OP1=K1OP+D1鼓風(fēng)量 OP2=K2OP+D2爐排電機 OP3=K3OP+D3當調(diào)節(jié)

13、K1、K2、K3、D1、D2、D3六個加權(quán)系數(shù)便可以保證鍋爐的經(jīng)濟有效運行。圖3 出水SP設(shè)置方框圖2.爐膛負壓回路5為了保證爐膛內(nèi)粉煤有效的燃燒，爐膛內(nèi)部壓力是一個重要的參數(shù)，一般爐膛負壓控制在-200Pa200Pa范圍之內(nèi)，影響爐膛負壓的因素主要是鼓風(fēng)量和引風(fēng)量，下面分別介紹兩者的控制方案：對于鼓風(fēng)量，我們可以采用常規(guī)的PID控制，但是煤量的變化是鼓風(fēng)控制的一個大的干擾，如果鼓風(fēng)的調(diào)節(jié)滯后于煤量的變化，那么勢必會造成冒黑煙現(xiàn)象，嚴重污染環(huán)境，采用的解決方法是把煤量作為鼓風(fēng)控制的前饋量，這樣可以實現(xiàn)當煤量變化后及時改變鼓風(fēng)量進行調(diào)節(jié)，值得說明的是，當煤量增加時，提前增加鼓風(fēng)量這是應(yīng)

14、該的，但是當煤量減少時，卻不能立即減少鼓風(fēng)量，這樣同樣會因為鼓風(fēng)不足，造成冒黑煙，因此必須做出一個判斷，判斷加煤量OP1值是增加還是減少，如果加煤量OP1值增加那么立即增加鼓風(fēng)量OP2值，如果加煤量OP1值減少那么要等待一段時間，然后在減少鼓風(fēng)量OP2值?？刂茽t膛負壓我們主要控制引風(fēng)量的大小，在這里爐膛負壓作為被控對象，當然這是在鼓風(fēng)量一定的狀態(tài)，那么當鼓風(fēng)量發(fā)生變化的時候，對于引風(fēng)量的控制同樣可以參照鼓風(fēng)控制的方案，在這里是把鼓風(fēng)量作為引風(fēng)控制的前饋量，當鼓風(fēng)OP值增加時立即增加引風(fēng)OP值，但當鼓風(fēng)OP減少時，卻要等待一段時間，然后再減少引風(fēng)OP值的大小。3.出水壓力控制回路此回路控制小區(qū)供熱管網(wǎng)的水流量，主要通過控制循環(huán)泵的工作情況來改變流量的大小，采用常規(guī)的PID控制很容易實現(xiàn)，在此不做贅述。四、結(jié)束語從大連金源小區(qū)2001年冬季供暖情況來看，采用本文提出的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實現(xiàn)了鍋爐的安全、經(jīng)濟、有效的運行，為小區(qū)節(jié)省了20%的原煤，而且大大改善了鍋爐操作人員的工作環(huán)境，減輕的勞動強度，