【论文摘要】本文介绍利用SIEMENS公司的S7-400PLC系统设计并实现铜冶炼过程中余热锅炉汽包液位过程控制和监控系统。阐述了系统的工艺流程、硬件配置、控制方案设计、软件实现及特点。
1 前言在我国冶金行业中，有很多冶炼过程中产生大量的热量白白的浪费掉，这样既浪费了能源又破坏了环境。安徽今昌冶炼厂去年引进了澳大利亚的奥斯麦特冶炼炉的同时，引进了芬兰的余热锅炉，它利用该炉在冶炼铜精矿的中产生烟气的热量给余热锅炉进行加热，从而产生大量的蒸汽。所产生的蒸汽一方面用于厂内其它车间热量的供应外，还将用于本厂发电。我们公司承担了余热锅炉控制系统设计安装和调试，为了保证系统长期稳定，我们选用了西门子公司的S7-400 PLC,采用现场分布式I/O,即主站和从站之间利用Profibus总线结构。于今年9月份完成调试并运行效果很好，有一定的推广应用价值。2工艺要求由于余热锅炉是利用冶炼炉在冶炼中产生的烟气给锅炉加热，烟气的温度范围一般在1000℃～1300℃之间波动，所以对汽包液位的控制较困难，为了实现很好的控制，具体要求是：1）、汽包的水位以差压变送气器1HAD10CL101和1HAD10CL102两个仪表来测量，测量的结果由汽包压力变送气1HAD10CP101来补偿，如果压力变送器出故障，液位控制器1HAD10DL101测量信号可以由操作人员手动选择，也可由控制系统自动筛选。如果输入信号低于3mA或高于25mA的时候，则有一个变送器出故障，测量信号可以是两个变送器的平均值，但是变送器坏了，则此时的检测值结果必须屏蔽掉。如果在有液位控制的情况下，控制器1HAD10DL101输出信号直接传送到给水控制阀1LAB10AA001。如果在串级三冲量控制情况下，液位控制器的输出端作为给水流量控制器的远程设定点，根据给水流量1LAB10CF101控制给水阀 1LAB10AA001,在流量控制器前，液位控制器输出信号是由主蒸汽流量1LBA10CF101和两台涡轮泵（循环泵和给水泵）的蒸汽消耗情况进行校正。有一个旁通电动阀可以代替气动控制阀来控制汽包中的水位。电动控制阀1LAB15AA001是由控制器1LAB10DF102以三冲量控制模式或水位控制器1HAD10DL101以液位控制模式或水位控制器来控制。阀门1LAB10AA001和1LAB15AA001在流量控制器1LAB10DF101和1LAB10DF102中有手/自动交叉联锁，这两个阀门不能同时处于自动模式中。控制器1HAD10DL101远程设定点来源于锅炉汽化率相关的曲线。汽包中的水位设定点根据锅炉汽化率在NWLL(正常低水位)和NWHL(正常高水位)之间变动。２）、蒸汽包压力控制是，锅炉正常运行时，锅炉压力控制器１HAD10DP101根据理想的设定点来控制汽包压力。如果压力变送器１HAD10CP101测量的压力信号增大，控制器１HAD10DP101输出信号增加，控制阀１LBA10AA001开启。如果压力下降，控制器会驱动控制阀向关闭方向运行，因此，如蒸汽流量增加，汽压下降，控制器将通过关闭控制阀来保持汽包压力。３）给水箱水位控制，给水箱水压是由控制阀１GHC10AA001控制补充水流量来实现控制的，控制阀的运动是根据变送器１LAA10CL101的测量信号进行控制。给水箱低水位用来作给水泵的联锁信号，以保护水泵。水箱高水位开关控制开启水箱排水阀。排水阀是气动非开既关的阀门，FW水箱水位测量仪表会给出高或低的报警信号。给４）、给水箱压力是由控制阀控制的低压蒸汽来控制的，控制阀1LBS10AA001的运动是根据变送器1LAA10CP101的FW水箱压力测量信号来进行的。3 控制系统的硬件组成控制系统由上位机OS操作员站监控系统和下位机PLC可编程逻辑控制系统组成。上位机和下位机通过西门子Profibus FMS协议网络，构成两级不同的层次，分别完成整个系统的监视和控制功能。控制系统硬件结构图如下图所示
 3.1下位机硬件配置从工艺要求、I/O点数、扫描速度、自诊断功能等方面考虑，下位机选用性能及可靠性都很高的SIEMENS公司的TI565型PLC，并采I/O分布从站控制方式，这样主站采用高性能的控制系统，提高系统的运行速度，从站可以采用S-300系列的信号模块，降低系统的整体造价，从而提高系统的性能价格比，以减少用户对工程的资金投入。主站系统机架采用6ES7 400-1JA00、电源采用6ES7 407-0DA01、CPU采用6ES7 414-2DP、OS站和PLC之间的通讯采用6ES7 443-5DX02。系统的开关量输入点有150点,开关量输出点有60点,模拟量输入点有20个,模拟量输出点有16个，共计246点。主站和从站之间通过Prfibus现场总线，采用Pribus Dp协议通过通讯接口模块进行连接。通讯模块采用6ES7 153-1AA03,模拟量输入模块采用6ES7 331-7KF02,它既可以采集4～20mA电流信号也可以采集电压信号，以及热电阻，热电偶信号，并可以进行编程组态。模拟量输出模块采用6ES7 332-5HD01可输出4～20mA电流信号，也可以输出1～10V电压信号。数字量输入采集模块选用6ES7 321-1BH02,电压信号为直流24V。数字量输出模块 6ES7 332-1BH01, 电压信号为直流24V。以上四种型号的信号采集模块都带光电隔离和故障诊断功能，大大提高系统的可靠性，也便于用户对系统进行维护。3.2上位机硬件配置按集中管理、集中显示、分散控制的思想，系统设有1个操作员终端监控站，选用Dell Pentium-Ⅳ 2.4GHz/512M工控机，硬盘60G,加PHILIPS 21"彩色显示器，并配以打印机。工控机内安装西门子公司的CP 5611 Profibus FMS通讯接口卡，通讯速率从9.6KB/s～12MKB/s,实时监视现场数据，同时通过OS站修改各个PID参数的设定点、比例、积分、微分和报警的设定值。4 控制方案的设计4.1下位机程序控制设计将控制系统分为四个大的功能块: 汽包液位控制、主蒸汽压力控制、除氧气液位和压力控制。（1） 汽包液位控制采用串级三冲量给水控制的工作原理，主调节器为1HAD10DL101,副调节器为1LAB10DF101,主调节器接受水位信号去控制副调节器，副调节器接受主调节器信号外，还接受主蒸汽流量温压补偿信号和给水流量的温度补偿信号，组成一个三冲量的串级控制系统。以达到汽包水位在动态范围内自动调节。（2） 蒸汽包的压力控制在６Mpa范围内，采用单回路PI调节器，如果汽包压力突然超过一定范围时，可用调节器1HAD10DP102打开启动蒸汽控制阀，通过消音装置将一部分蒸汽排放，以保证蒸汽包的蒸汽压力稳定。4.2上位机监控程序设计上位机对所有采集到的模拟量实时显示并存储, 开关量进行状态追忆。对重要参数指标如给水导电率、饱和蒸汽的电导率、锅炉水的电导率等进行在线分析、监测和报警。监控画面上设有“自动”、“半自动”及“软手操”三个按钮并可进行相互切换。“自动”状态时，只能监测不能对设备进行操作；“手动”时，可任意调节阀门的开度。在由自动到手动时，阀门之间的转换是无扰动进行切换的。在操作员站上可根据工艺的改动，修改各个PID回路的设定点，但是某些参数只有具有不同操作权限的级别才可相应进行修改。“软手操”时，可独立对阀门进行操作。同时PID调节回路可以选择自动手动以及汽包液位的单回路和串级三冲量控制。设密码保护（如设置和修改某一调节回路的比例、积微分时时间等）。为便于生产维护和安全，用不同的颜色区分设备不同的开关状态，重要设备的集中监视画面5 软件实现SIEMENS公司的WinCC工控组态软件，功能齐全，具有很强的过程监视、控制和信息管理功能。本系统上位机监控程序采用WinCC编制，开发了丰富的、汉化的工艺流程画面及操作图表，有下列特点：1）兼有监视系统总貌、分部流程等操作画面，参数设定与调整灵活、人机界面友好。2）设备的自动、手动、软手操可切换，操作简单，减轻操作工的劳动强度。3）重要参数的历史趋势和实时曲线显示，实时报表打印及报警处理功能。如下图6汽包调节画面所示：
 下位机程序用西门子公司提供的STEP 5 V5.1.02。STEP 5编程软件具有下列优点：1）具有三种不同的基本编程语言：LAD梯形图，STL语句表，FBD功能块，对不同专业工程设计人员提供很方便的编程工具。如梯形图编程方式对电气自动化专业人员；语句表针对计算机专业人员；功能块对工艺专业人员等。2）硬件和网络组态简单灵活，所有西门子公司的模块都可以通过STEP 7 再加上相应的软件包即可组态。3）STEP 7编程软件具有硬件诊断功能，系统中任何一处出现故障，都可以通过它进行诊断出来，以便维护工程师对系统进行快速发现故障点，急时处理。4）STEP 7标准库中提供了大量的标准系统功能和功能块，如标准的软PID控制功能块，同时提供在线英文帮助。使编程设计人员方便灵活。如该系统中主要应用如下标准PID调节回路系统功能块。
 6 结束语安徽铜陵金昌冶炼厂余热锅炉控制系统于2003年8月初投运成功，9月底验收合格后正式投入使用，完全达到预期的控制目标，目前系统运行十分稳定。是同类锅炉控制系统中最具代表性的一个过程控制典型系统。该系统是将集散控制系统（DCS）与可编程控制器（PLC）融合为一体的、控制系统不论是放案设计还是控制方式都比较先进，为以后该厂蒸汽的利用打下了良好的基础。投运后大大提高了生产效率，并取得了良好的经济效益和社会效益，属国内领先水平。在同类控制系统中推广应用前景很好。参考文献[1] SIEMENS STEP 7 User manual[2] SIEMENS Simatic WinCC V5.02 组态手册[3] 热工自动化控制系统 东北电力学院 张玉铎、王满稼编[4] 芬兰锅炉运行规程 [5] 温压补偿和液位动态曲线等公式参考芬兰公司的有关资料作者简介：张喜东：男，66年出生，毕业于沈阳工业学院计算机专业，工程师，一直从事计算机自动化控制，95年参加斯里兰卡邮政分拣援外工程，98年到美国ASI自动化公司培训3个月，亲自设计、安装、调试上海通用别克轿车生产线项目。现在在中国科学院自动化所综合自动化技术中心三博中自公司从事自动化控制工作。作者联系地址及电话：电话：（010）62553989-826、82614500传真：（010 82614500地址： 北京 中关村南一条95号 中国科学院 自动化所 三博 邮编：100080 E-Mail: zxd@sample.ia.ac.cn |
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