PLC和现场总线的锅炉控制系统分析

韩如萍

（北京英贝思科技有限公司，北京 100000）

1 相关概念

1.1 PLC

PLC的全称为可编程逻辑控制器，是一种专门为适应工业环境的数字运算操作电子系统。PLC的核心是可编程存储器，在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、操作控制以及计算等，采用模拟量、数字量输入输出的方式实现自动化生产。PLC编辑器在实际应用中好比一台集成计算机，具有扩展性、可靠性等优势。无论是计算机直接控制还是集中分散控制系统DCS，都可以满足绝大部分工业生产需求。

1.2 现场总线

现场总线是一种针对工业生产的数据总线，负责工业智能仪表、控制器以及执行器之间的信息通信，实现控制指令和数据信息的传递。现场总线具有经济适用、可靠性强、结构简单等优势，在工业领域应用广泛，特别适用于自动化生产领域。如今，现场总线已经取替了传统的4～20 mA模拟信号传输。

1.3 WinCC

WinCC全称为视窗控制中心，是首个使用最新32位技术的过程监控系统，具有灵活性、开放性等特点。WinCC可以让设备、机械最优化运行，提高工业生产的效率和可用性。

2 锅炉控制系统改造要求

PLC和现场总线的锅炉控制系统改造，需要保持出水温度负荷稳定性，即恒温出水；要保证炉膛内风煤比最优，提高燃料的燃烧效率；炉膛负压稳定，保持燃烧效益；保持给水、出水压力的稳定性。

结合PLC和现场总线的控制系统改造要求，需要改造后的系统对出水/回收温度、出水/回水压力、鼓风量、给煤量以及负压信号等进行精准检测，并将检测的数据信息存储、实时显示。如果信号超出标准可以自动报警，自动控制系统的运行参数[1]。针对锅炉内部系统的连锁问题（如鼓风机、引风机运行顺序连锁等），综合调节循环泵、补水泵、风机转速和电机转速等，以最佳的燃烧效率运行，降低煤烟产出量和污染。

3 锅炉控制系统框架设计

3.1 系统框架设计

整个控制系统分为多个子系统，包括恒压补水、循环流量调节和燃烧控制等。其中，恒压补水系统主要是针对管网渗漏问题（不可避免）匹配相应的给水量，确保锅炉运行水压恒定；循环流量调节系统可以确保出水压力保持恒定；燃烧控制系统主要负责供热量稳定和出水温度恒定，同时确保锅炉运行燃烧效率，提高整个系统的运行安全。

3.2 软硬件设计

结合锅炉运行特性，将PLC设置为下位机，负责处理开关量、模拟量信号。PC作为上位机，采用WinCC组态软件构建监控界面，利用现场总线与PLC直接通信。

3.2.1 硬件设计

结合锅炉控制系统运行要求和网络结构，硬件系统采用最新的西门子PLC设备，共2台；数字量扩展模块共4个，模拟量扩展模块共4个；现场总线采用2块接口模块，通信卡2块，并配备现场总线接头与线缆；变频器8台，对应引风机、鼓风机、炉排电机、循环泵电机和3台循环泵，实现实时调节；上位机采用2台PC。

3.2.2 软件设计

PC操作系统采用Windows 10、WinCC10.0和编程软件。软件采用结构化编程方案，并调用各个功能模块，相关功能也可以在相应模块中实现。程序扫描时间为100 ms以内，采样、标度变化、流量计算、线性化以及PLC控制执行周期为200 ms，以毫秒量级累计数据，可以更好地传递实时数据信息[2]。数据采集通过传感器获取模拟量输入信息采集，将模拟量输入模板读入模拟量值，数值为12位整数，定义系统参数数据块，包括模拟量通道数量、滤波重复采集次数和模拟量起始通道地址。

4 锅炉自动化控制系统功能实现

主要以压力与温度控制、上位机、上下位机设计为主。

4.1 温度与压力控制

温度与压力控制的对象是引风机、鼓风机和炉排电机。采用联动控制方案，3种设备分别采用独立的变频器驱动控制。为了能够确保出水温度的恒定，采取串级双闭环控制方案。出水温度作为主要控制变量，炉膛温度作为次要控制变量，采用主副配合控制方案，这两个控制单元均采用PD控制方法。当今大部分编程软件中都含有PD控制子程序，在实际操作中修改相关阐述即可直接在数据库中调用。

在除水温度变送器中输入电路接口接热电阻，标准信号标量为4～20 mA，以模拟量扩展单元通过总线传输到PLC下位机，在PLC中将数据信息进行A/D转换和线性变换，即可获取到水温实际测量数值。将处理的数值与标准阈值进行对比，在主控单元PD中运算分析后传输给副控制单元进行运算，将运算的数据输出4～20 mA电流信号控制炉排电机变频器中[3]。结合信号数据和烟气实际含量计算最佳的风煤比值，从而计算出鼓风机的最佳控制数值。通过PD运算控制鼓风机变频器，实时调整鼓风机的运行功率，提高燃煤的燃烧率，确保锅炉以最佳的状态运行，降低运行成本。

在锅炉实际运行中，将炉膛运行压力控制在允许范围内，保持引风量和鼓风量的比值，结合锅炉规格、生产要求设定炉膛负压运行阈值，驱动PD程序调节引风机转速量，将炉膛负压控制在阈值允许范围内。本系统利用汽包蒸汽压力控制炉排电机运行效率即燃料量，结合锅炉负荷变化大的特性，系统将汽包压力控制回路中的蒸汽流量作为前馈信号。根据蒸汽压力动态特性可知，蒸汽负荷变化会导致燃料量变化，而将其作为前馈信号可以直接反映燃料量负荷变化。本系统将汽包压力变化传输到副调节器中，通过串级控制方案调节烟气氧含量，副调节负责送风量控制，这样连接变频器可实现自动调节电机转速的目标，可以明显改善锅炉运行热效率，将炉膛压力控制在0～100 Pa的微负压范围，提高锅炉运行的效益[4]。

4.2 上位机系统

新型上位机监控软件WinCC 10.0性能更加丰富，操作十分灵活，通信便捷。上位机操作采用权限管理，将其划分为工程师站和操作员站，采用WinCC上的项目复制器，将一台工控机上组态数据复制到另一台工控机，即可实现2台工控机的同时运行，实现监控信息的实时备份和储存。采用WinCC组态软件显示上位机控制的监控画面。用户在上位机呈现监测画面，设定运行参数，实现远程调节，还可以检查运行历史数据、报警记录和动态信息等。

4.3 上位机与下位机的总线通信

通过现场总线协议将PLC和WinCC联通，可以保证数据传输效率，扩展性能，实现实时通信。

（1）在编程软件中将现场总线通信模式设定为configured mode模式，在网络组态工具中加载GSD文件，生成相关选项，完成后即可进行网络组态。将PC机设定为主站、BM277设定为从站，主站地址为1，从站地质分别为2和3，确保每个站的地址与相关硬件一一对应。通过BM277模块旋转开关设定从站地址硬件设置，旋转开关出现变动后，系统要重新配置，此时要重新启动电源。鼠标右键点击从站，从属性中找到configure选项，即可设置从站数据缓冲区大小，在parameter中选择偏移地址，对应PLC的数据区，实现区的划分。2号从站与数据区存储地址连接，3号从站与数据区存储地址连接，完成整个系统的组态功能，将NCM文件导出并生成.TXT文件。在properties中设置通信参数，采用DP通信协议确保传输速率满足要求。设置完毕后针对现场总线网络，在诊断对话框中点击“test”，显示“OK”则表示配置无误。

（2）在WinCC中添加新的驱动程序，选择好驱动程序和板卡编号，configure与之前生成的.TXT路径相同。在PLC正常运行过程中，采用WinCC软件中的诊断程序测试通信情况，如果显示为绿色标志（WinCC中是绿色小旗），则表示已经成功建立通信渠道。

（3）构建WinCC变量，可以划分为in和out。这个两个变量是针对主站运行条件而选择的，in代表WinCC从PLC获取数据，out表示WinCC向PLC存储器中写入数据，in、out分别对应PLC数据区。

5 结 论

采用以PLC、现场总线的锅炉控制方案，可以有效提高锅炉的运行效率，降低污染。采用最新的PLC控制器、现场总线、WinCC，可实现上位机、下位机的一体化控制与监控，自动调节锅炉系统运行环节，减少人为因素的负面干预，既能够保障锅炉运行效率和安全，也可以降低运行成本，综合效益高。