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1、概述
    工業(yè)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)最重要的動力設(shè)備，鍋爐生產(chǎn)的主要任務(wù)是：安全可靠、經(jīng)濟有效地把燃料的化學能轉(zhuǎn)化為熱能，生產(chǎn)出滿足生產(chǎn)要求的蒸汽。工業(yè)鍋爐是一種受壓又直接受熱的高壓、高溫特種設(shè)備，如果操作不合理、管理不善、處理不當，往往會引起事故；同時鍋爐又是一種高能耗設(shè)備，因此確保鍋爐安全運行至關(guān)重要，降低單耗也是鍋爐經(jīng)濟運行的目標。隨著鍋爐不斷向大型化發(fā)展，實現(xiàn)鍋爐自動化是確保鍋爐安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的必不可少手段。
    云南紅塔藍鷹紙業(yè)有限公司擁有兩臺容量為20t／h的工業(yè)鍋爐，兩臺鍋爐原已有檢測儀表和控制設(shè)備，控制系統(tǒng)已運行10年（1988年投運），但困受當時電子技術(shù)限制，大部分儀表已不能正常工作，鍋爐控制主要由工人進行。同時鍋爐還存在一些需要急于解決的問題，主要表現(xiàn)在：(1)風量由風門調(diào)節(jié)，既浪費電能而效果很不理想，特別在停用蒸汽或少用蒸汽時，這種浪費尤為突出（有時浪費80%以上），風門關(guān)小，導致風門劇烈顫動和發(fā)出刺耳聲音。(2)沒有精確的檢測儀表，人工操作困難，風量偏大熱量浪費嚴重，風量偏小燃燒不充分，而煤質(zhì)的經(jīng)常變化，導致風量的不同需求。(3)由于鍋爐容量大，需要嚴密監(jiān)視，這必然增大工人的勞動強度；(d)因果用人工操作，汽包壓力和汽包液位波動很大，對鍋爐安全生產(chǎn)造成威脅。沒有可靠儀表和測控手段，難以進行生產(chǎn)考核，難以實現(xiàn)優(yōu)化控制。隨著本公司對生產(chǎn)要求的不斷提高，迫切需要用現(xiàn)代先進測控技術(shù)手段改造現(xiàn)有的鍋爐作業(yè)過程，達到先進、可靠、實用、經(jīng)濟和便于操作和維護的目的，同時系統(tǒng)設(shè)計要便于以后擴展，富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
2、主要測控參數(shù)及現(xiàn)場測控點
2.1主要測控參數(shù)
    (1)爐膛溫度的檢測和控制。爐膛溫度是工業(yè)鍋爐生產(chǎn)運行的重要指標，通過對爐膛溫度的檢測，及時了解到爐膛中的燃燒情況，從而推斷燃燒量、鼓風量和引用量的關(guān)系，并對有關(guān)量進行合理控制。
    (2)蒸汽溫度的檢測和控制。蒸汽溫度是生產(chǎn)工藝確定的重要參數(shù)(本鍋爐要求為385℃一400℃)，蒸汽過高會毀壞過熱器水管，對負荷設(shè)備帶來不利因素，過低會影響造紙效果。蒸汽溫度可通過調(diào)節(jié)減溫水控制。
    (3)省煤器進、出口水溫的檢測。對省煤器進、出口水溫的檢測，是為了更好地了解省煤器的工作情況，防止省煤器管道結(jié)垢、發(fā)生堵塞現(xiàn)象或其它事故。
    (4)省煤器進口和出口處煙氣溫度的檢測。對省煤器進、出口處煙氣溫度進行檢測，可監(jiān)視省煤器是否正常工作，有無發(fā)生漏水和結(jié)垢現(xiàn)象，同時也能了解煙氣通道是否暢通，以便充分利用低溫煙氣余熱．降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率。
    (5)空氣預熱器進、出口空氣溫度、出口煙氣溫度的檢測。空氣頂熱器是利用鍋爐尾部煙氣熱量加熱鍋爐膛燃燒所用空氣的一種對流交換裝置。檢測空氣預熱器進、出口的空氣溫度，可隨時了解空氣預熱器的預熱效果和工作情況，根據(jù)預熱空氣溫度的數(shù)值，可以推斷空氣預熱是否有漏風、堵塞故障。空氣預熱器出口煙氣溫度的檢測，能了解排煙溫度是否達到規(guī)定標準，從而采取措施。
    (6)汽包壓力檢測和控制。汽包壓力是鍋爐生產(chǎn)正常運行的主要參數(shù)之一，它既反映蒸汽量與燃料發(fā)熱最的平衡關(guān)系，又是指導鍋爐安全生產(chǎn)的重要依據(jù)。汽包壓力過高和過低都不利于安全生產(chǎn)，汽包壓力必須控制在工藝要求范圍內(nèi)。汽包壓力控制可根據(jù)實際情況，通過控制蒸汽流量、、燃料量、送引風量加以控制。
    (7)爐膛負壓檢測和控制。爐膛正常運行時，爐膛壓力應保持在15 - 25Pa的負值范圍內(nèi)。負壓過大，漏風嚴重，總風量增加，煙氣熱量增大，同時增加風機電耗。負壓偏低，易造成爐膛向外噴火，不利丁安全生產(chǎn)。爐膛負壓可通過引風機、鼓風機的風量合理配比控制。
    (8)鼓、引風壓的檢測和控制。保持燃料量和送風量的合理比值關(guān)系，是保證燃料充分燃燒的基本條件。鼓、引風風量可通過鼓、引風風壓間接檢測，同時通過變頻器來控制鼓、引風風機轉(zhuǎn)速而控制。
    (9)汽包液位及鍋爐進水流量檢測和控制。汽包液位是工業(yè)鍋爐安全運行最關(guān)鍵的參數(shù)，關(guān)系到汽水分離速度和生產(chǎn)蒸汽質(zhì)量。汽包液位太高，不利于汽水分離，同時威脅到過熱器安全；汽包液位太低，容易造成“干鍋”，也會威脅到對流管的安全。汽包液位必須控制在安全范周內(nèi)。鍋爐進水流量需要在線檢測，以便實現(xiàn)汽包液位的穩(wěn)定控制。
    (10)除氧器液位、進水流量檢測和控制。除氧器液位需要在線檢測和控制，以確保有足夠的水量供鍋爐生產(chǎn)需要。除氧器液佗太低，不利于安全生產(chǎn)；太高也不利于除氧和易于造成溢出事故。除氧器進水流量需要在線檢測，以便很好地控制除氧器液化。除氧器同樣存在“假液位”現(xiàn)象，檢測進水流量，可以實現(xiàn)前饋控制，從而實現(xiàn)除氧器液位的穩(wěn)定控制；
    (11)除氧器蒸汽壓力監(jiān)測和控制。除氧器蒸汽壓力是確保除氧效果的重要參數(shù)。蒸汽壓力增加時，氧氣在水中的溶解度降低，但并非越高越好，應參考除氧器的水溫度來進行蒸汽壓力控制。
    (12)除氧器溫度檢測和控制。除氧器溫度是關(guān)系到除氧效果很重要的參數(shù)，溫度一般控制在104℃。除氧器的水通過蒸汽來加熱，其溫度主要通過控制蒸汽量而控制。
    (13)爐排速度控制。因現(xiàn)有條件制約，鍋爐給煤量主要通過調(diào)節(jié)爐排速度來控制。速度快時煤量增大，速度慢時煤量減小。爐排速度不能太快，否則將會造成煤燃燒不充分。可采用滑差電機控制爐排轉(zhuǎn)速來控制煤量，煤量是控制鍋爐負荷量最根本的參數(shù)量。
    (14)主蒸汽流量的檢測。對作為工業(yè)鍋爐終產(chǎn)品的蒸汽進行檢測，以便于液位三沖量控制和生產(chǎn)考核。采用渦街流量計檢測蒸汽體積流量，并結(jié)合溫度、壓力，可計算出蒸汽質(zhì)量流量。
    (15)爐排前拱、后拱溫度的檢測。對爐排前拱、后拱溫度的檢測和顯示，可分析煤層的燃燒情況，以及燃燒中心的位置，以便根據(jù)情況進行調(diào)整。
2.2現(xiàn)場測控點
    根據(jù)控制系統(tǒng)洲控內(nèi)容和任務(wù)，本著先進、經(jīng)濟、實用、耐用的設(shè)計指導思想，對控制系統(tǒng)測控點作了精心選擇。由于氧化鋯探頭需要頻繁更換，且價格昂貴，控制系統(tǒng)沒有采用氧化鋯儀表進行氧份檢測，但增加相應的控制方法。控制系統(tǒng)測控點如圖1所示：
3、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
    根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計指導思想，以及鍋爐控制的實際需要，關(guān)鍵設(shè)備采用進口產(chǎn)品，其它則采用國產(chǎn)精品，盡可能降低成本，使性能價格比達到最大；因原有控制系統(tǒng)主機和現(xiàn)場儀表已損壞或嚴重老化，控制系統(tǒng)主機和現(xiàn)場儀表需要全部更換。現(xiàn)在兩臺鍋爐輪流使用，即一用一備，為節(jié)省投資，兩臺鍋爐共用一組變頻器，在選定鍋爐時進行信號切換和變頻器輸出切換即可。除變頻器外，兩臺鍋爐各沒有獨立的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件配置如圖2所示（1#、2#鍋爐配置相同，僅以一個控制系統(tǒng)為例），具體說明如下：
    (1)采用三菱PLC作下位乇機，研化多媒體工業(yè)計算機作上位主機，構(gòu)成集散控制系統(tǒng)，上位機負責系統(tǒng)管理，下位機負責系統(tǒng)控制。本系統(tǒng)的特點為：①分散控制，集中管理；②可靠性高、系統(tǒng)擴展方便；③支持PCI和ISA兩種總線；④在Win-dows平臺上運行，支持多媒體功能；⑤下位機可脫離上位機獨立工作；⑥具有動畫、語音等多媒體功能，人機界面更加友好，控制系統(tǒng)更加充滿生氣。⑦模塊可任意組合，數(shù)據(jù)采集迅速，模擬信號為4
 20mA，DI信號為24V DC，DO信號為220V AC。
    (2)采用日本富士變頻器控制風機、水泵的轉(zhuǎn)速，本變頻器具有性能可靠、價格適中、功能豐富、適應性強等特點；電動調(diào)節(jié)閥選用國產(chǎn)精品，一體化配置，安裝簡單，維護方便。
    (3)采用日本橫河公司的壓力、差壓變送器檢測有關(guān)壓力；同時通過差壓變送器檢測液面上、下兩點的壓力差，并結(jié)合不同溫度下水的比重，算出液位。壓力、差壓變送器可通過手持電腦終端進行量程調(diào)整和校準。
    (4)根據(jù)不同溫度和條件需要，選用國產(chǎn)熱電偶、熱電阻，檢測有關(guān)測點溫度。1000—1700℃測點采用鉑銠10 -鉑熱電偶，為使高溫下不致套管軟化和避免高溫腐蝕，采用耐腐蝕、耐高溫的剛玉套管；1000—500℃之間采用鎳鉻一鎳硅熱電偶（氧化鋁套管），500℃以下采用熱電阻（不銹鋼套管）。
    (5)選用H本橫河公司高溫型旋渦流量計檢測蒸氣流量，奉流量計耐溫可高達400℃。因鍋爐給水壓力和溫度較高（約105cc），選用普通型旋渦流量汁檢測鍋爐給水量。流量計可通過手持電腦終端進行量程調(diào)整和校準。
    (6)選用國產(chǎn)一體化電動凋節(jié)閥控制水量，本調(diào)節(jié)閥既可由控制器、手操器控制，也可進行現(xiàn)場手動調(diào)節(jié)。
    (7)為了防止強烈的電磁干擾，采用光電隔離調(diào)理模塊．對爐排滑差電機的控制信號進行隔離，同時此模塊可將4 - 20mA的PLC輸出信號調(diào)理至0~ 10V，滿足滑差電機對控制信號的要求。
4、上位組態(tài)軟件及其開發(fā)
    隨著生產(chǎn)過程對工業(yè)自動化的要求越來越高，以及大量控制設(shè)備和過程監(jiān)控裝置之間的通訊的需要，“監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”越來越受到用戶的重視，從而導致自動化組態(tài)軟件的在自動化系統(tǒng)中的大量使用。使用組態(tài)軟件，可以提高自動化管理系統(tǒng)的性能，大大縮短開發(fā)周期，提高自動化系統(tǒng)開發(fā)效率。
4.1組態(tài)軟件簡介
    采用北京亞控公司開發(fā)的Kingview組態(tài)軟件作為控制系統(tǒng)的上位組態(tài)軟件，進行控制系統(tǒng)上位軟件的二次開發(fā)。Kingview組態(tài)軟件主要由以下功能部分組成：
    工程管理器：工程管理器主要用于工程的管理，如新建工程、搜索工程、工程的備份、工程的恢復、變量的導人導出、定義工程的屬性等。
    工程瀏覽器：工程瀏覽器是Kingview組態(tài)軟件的核心部分和管理開發(fā)系統(tǒng)，它將畫面制作系統(tǒng)中已設(shè)計的圖形畫面、命令語言、設(shè)備驅(qū)動程序管理、配方管理、數(shù)據(jù)報告等工程資源進行集中管理，并在一個窗口中進行樹形結(jié)構(gòu)排列，這種功能與Windows98操作系統(tǒng)中的資源管理器的功能相似。
    Kingview畫面開發(fā)系統(tǒng)：Kingview組態(tài)軟件畫面開發(fā)系統(tǒng)是應用程序的集成開發(fā)環(huán)境。工程人員在這個環(huán)境中完成界面的設(shè)計、動畫連接的定義等。畫面開發(fā)系統(tǒng)具有先進完善的圖形生成功能；數(shù)據(jù)庫中有多種數(shù)據(jù)類型，能合理地抽象控制對象的特性，對數(shù)據(jù)的報警、趨勢曲線、過程記錄、安全防范等重要功能有簡單的操作辦法。利用Kingview豐富的圖庫，用戶可以夫人減少設(shè)計界面的時間，從整體上提高工控軟件的質(zhì)量。
    畫面運行系統(tǒng)TOUCHVEW: TOUCHVEW是Kingiew組態(tài)軟件的實時運行環(huán)境，用于顯示畫面開發(fā)系統(tǒng)中建立的動畫圖形畫面，并負責數(shù)據(jù)庫與I/O服務(wù)程序（數(shù)據(jù)采集組件）的數(shù)據(jù)交換。它通過實時數(shù)據(jù)庫管理從一組工業(yè)控制對象采集到的各種數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)的變化用動畫的方式形象地表示出來，同時完成報警、歷史記錄、趨勢曲線等監(jiān)視功能，并可生成歷史數(shù)據(jù)文件。
    信息窗口：“組態(tài)王信息窗口”是一個獨立的Windows應用程序，用來記錄、顯示Kingview開發(fā)和運行系統(tǒng)在運行時的狀態(tài)信息。信息窗口中顯示的信息可以作為一個文件存于指定的目錄中或是用打印機打印出來，供用戶查閱。當工程瀏覽器、TouchVew、I/O設(shè)備等啟動時，一般會自動啟動信息窗口。
    Kingview5.1組態(tài)軟件支持的硬件設(shè)備，已經(jīng)由原來的數(shù)十種到現(xiàn)在的300多種，功能也日益豐富和強人。功能特點如下：
    (1)全新中文Explorer界面，使用更加方便、更加靈活；
    (2)真正32位程序，多任務(wù)、多線程，運行于Win98/NT平臺，更加穩(wěn)定、更加可靠；
    (3)采用OLE自動化技術(shù)，將組態(tài)王和驅(qū)動程序整合到一起，采樣速度快，可靠性高，保證不丟失任何重要數(shù)據(jù)；
    (4)新增立體管道、透明點位圖、多種動畫控件，生成畫面更加逼真、美觀；
    (5)增強的多媒體功能，支持語音報警，視頻輸出；
    (6)支特AetiveX控件，增加溫控曲線、x-Y軸曲線，列表框等幾十種功能控件；
    (7)集成近二百種驅(qū)動程序，支持國內(nèi)外流行的31種PLC（Siemens、Modicon、OMRON、三菱等），11種智能儀表（歐陸、島電、理化、神王、字光等），6大類智能模塊（牛頓7000、ADAM4000等），約150種板卡（中泰、研華、威達華控、研祥、磐儀等），還有多種變頻器，支持的驅(qū)動程序種之多，居各類組態(tài)軟件之首；
    (8)驅(qū)動程序自動配置向?qū)В�引導您連接各種硬件沒備；
    (9)配方管理、美觀的實時報表和歷史報表：
    (10)內(nèi)容豐富的在線幫助系統(tǒng)，引導迅速掌握組態(tài)王5.1;
    (11)直接支持TCP／IP及串口互連網(wǎng)，分布式歷史數(shù)據(jù)庫．掏造企業(yè)級信息共享更容易；
    (12>操作員Ll令保護，操作過程記錄，安全級達999級；
    (131強人的雙機熱備功能使您的系統(tǒng)更加可靠；
    (14)新增ODBC接口，支持SQL Server，可與任何標準的數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交換；
    (15)新增OPC接口，可與任何擁有該接口的系統(tǒng)進行通訊。
4.2組態(tài)軟件開發(fā)
    Kingview組態(tài)軟件進行控制系統(tǒng)軟件開發(fā)的主要步驟為：
    ①創(chuàng)建控制項目工程，進行下位機AIS PLC和FX2N PLC的創(chuàng)建和組態(tài)。包括設(shè)備地址、通倍方式、通信口等的組態(tài)；
    ②創(chuàng)建變量數(shù)據(jù)庫。這是上位軟件的核心之一，數(shù)據(jù)變量必須正確，才能實現(xiàn)要求的功能。數(shù)據(jù)變量按來源分，可分為內(nèi)部變量和外部變量；按性質(zhì)來分，可分為：離散變量、整型變量、實型變量和字符串變量。根據(jù)實際情況進行組態(tài)；
    ③監(jiān)控畫面的開發(fā)。控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)、運行過程等需要通過畫面反映出來，本部分的開發(fā)一方面反映開發(fā)人員的水準，另u-方面，包括圖形、數(shù)據(jù)顯示或設(shè)定、控件操作、趨勢圖等的開發(fā)；
    ④命令語言編程。為了實現(xiàn)各種需要的功能，單依軟件控件的功能遠遠不夠，需要對操作項逐個進行編程。Kingview組態(tài)軟件的命令語言與C語言格式相似。
    ⑤報表開發(fā)。Kingview組態(tài)軟件支持與EXCEL的連接，可通過EXCEL進行復雜報表的編寫。
5、結(jié)論
    (1)采用PLC與工業(yè)計算機組成的集散式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了分散控制、集中管理，控制系統(tǒng)性能可靠，功能豐富。
    (2)采用二線制檢測儀表，減少了布線量和線路故障，提高了系統(tǒng)抗干擾能力，檢測數(shù)據(jù)精確。采用智能電腦終端，儀表調(diào)試更加方便。
    (3)采用變頻調(diào)速技術(shù)及相應合理的控制方法，節(jié)能可觀。經(jīng)3年的生產(chǎn)考核表明，節(jié)能42.8%．節(jié)煤5.6%。排煙、排渣連續(xù)這標。
    (4)系統(tǒng)設(shè)計充分考慮可能出現(xiàn)的情況，同時具有相應的手段，使系統(tǒng)更加可靠安全。采用高性能電動調(diào)節(jié)閥和相應的改進技術(shù)，穩(wěn)定性好，無泄漏，調(diào)節(jié)靈活。
    (5)對傳統(tǒng)的PID控制算法作了改進，增加了判斷和處理程序，具有智能化，可避免控制回路在非正常情況下的誤動作，增加了控制回路的可靠性、靈活性和穩(wěn)定性。
    (6)汽包液位采用二沖量串級控制技術(shù)，克服了“假液位”難于控制的難題，液位控制及時、穩(wěn)定性好；與其它三沖量串級控制不同的是，回路PID控制器都為獨立型增量控制，各控制回路輸出信號可進行算術(shù)運算，并對計算結(jié)果作限定。
    (7)爐膛負壓采用智能PID串級控制技術(shù)，當鼓風量改變時，引風量也自動作相應的調(diào)節(jié)，始終保持爐膛負壓穩(wěn)定。調(diào)節(jié)迅速、控制品質(zhì)好。
    (8)除氧箱液位采用前饋PID串級控制算法，解決丁“假液位”難于控制的難題，對“假液位”f：擾不敏感，穩(wěn)定性好。除氧箱壓力、溫度控制，采用模糊控制與智能PID串接的控制技術(shù)，除氧箱，E力和溫度互為控制目標，也取得了很好的的控制效果。
    (9)采用光電隔離和信號調(diào)理技術(shù)，避免爐排控制器對Pl,C的強烈干擾+實現(xiàn)了PLC對爐排速度的控制：
    (10)以汽包壓力為控制目標、爐膛溫度為控制參考，通過模糊控制器對鼓風和給煤控制回路的管理，實現(xiàn)送風和給煤的合理自動控制，實現(xiàn)鍋爐作業(yè)的全自動控制。達到了節(jié)能降耗的目的。
    (11)在具有硬件操作面板以供備用的同時，提供了“軟控件”的操作面板，使調(diào)節(jié)更加簡單方便和精確。
    (12)豐富的功能，精美的畫面、方便的操作，使操作人員能方便及時地了解鍋爐運行工況，對鍋爐的生產(chǎn)管理方便及時。提供實時趨勢，能方便地了解各參數(shù)目前和過去的變化情況，為生產(chǎn)管理提供強有力的手段。
    (13)具有實時在線調(diào)試功能，為系統(tǒng)調(diào)試和參數(shù)修改提供方便。
    (14)具有多媒體功能，提供語音報警。提供實時報警和歷史報警窗口，和提供對歷史數(shù)據(jù)的檢索功能。系統(tǒng)啟動簡單、顯示直觀、操作簡單、維護方便。
    (16)充分利用PLC的特點，采用線性補償、溫度與壓力修正技術(shù)，使檢測數(shù)據(jù)更加精確。