PLC软冗余在锅炉自动控制系统中的应用分析

刘赞赞

摘 要：随着工业自动化控制系统的发展，PLC软冗余在锅炉电气自动控制方面的应用越来越广泛，越来越成熟。主要从锅炉水位、优燃控制等几个方面阐述了软冗余在锅炉自动控制方面的有效应用，对锅炉实现节能安全稳定运行具有十分重要的意义。

关键词：PLC软冗余；基本构成；工作原理

Abstract： with the development of industrial automation control system， PLC software redundancy in boiler automatic control is more and more widely， more and more mature. This article mainly from the water level of boiler， and combustion control aspects of the effective application of the soft redundancy in the automatic control of boiler， have very important meanings for the boiler to achieve safe and stable operation and energy saving.

Keywords： PLC soft redundant； boiler automatic control system； application

随着工业自动化的发展，工业部门对生产设备及控制系统的可靠性也提出了更高的要求，仅仅通过提高单件硬件的可靠性已经不能满足特殊部门对可靠性的要求，所以提高系统的可靠性成为人们共同研究的话题。为了提高系统的稳定性，锅炉控制系统工业生产领域和产品设计中，采用冗余技术提高系统稳定性的做法越来越普遍，常规的冗余是采用增加元件的方式来参与控制，以期能够将设备因意外而导致的锅炉停机风险降到最低。PLC软冗余是西门子实现冗余功能的低成本解决方案，它是在硬件冗余的基础上通过软件程序设计实现硬件系统的在线切换，但程序处理需要一定的时间，对于时钟同步及切换时间要求不是十分严格的场合，选用软件冗余方式还是非常经济有效的。

一、PLC软冗余控制系统的基本构成

1.PLC软冗余的基本构成

西门子软件冗余系统的软件、硬件包括：1套STEP7编程软件加软件冗余包；2套PLC控制器及I/O模块，可以是S7-300或S7-400系统；3条通讯链路，主系统与从站通讯链路（PROFIBUS1）、备用系统与从站通讯链路（PROFIBUS2）、主系统与备用系统的数据同步通讯链路（MPI或PROFIBUS或Ethernet）；若干个ET200M从站，每个从站包括2个IM153-2接口模块和若干个I/0模块；除此之外，还需要一些相关的附件用于编程和上位机监控的PC-Adapter（连接在计算机串口）或CP5611（插在主板上的PCI槽上）或CP5511（插在主板上的PCMIA槽上）、PROFIBUS电缆、PROFIBUS总线连接器等。

2.软冗余系统的工作原理

在软冗余系统进行工作时，主、备控制系统（处理器、通讯、I/O）独立运行，由主系统的PLC掌握对ET200从站中的I/O控制权。主、备系统中的PLC程序由非冗余用户程序段和冗余用户程序段组成。主系统PLC执行全部的用户程序，备用系统PLC只执行非冗余用户程序段。

二、软冗余系统在锅炉应用方面的配置及保护

1.软冗余系统的优点

软冗余系统的平均寿命比单个系统的平均寿命延长了1.5倍，大大提高了系统的可靠性。加上组成软冗余系统所花费的费用比硬件冗余系统低，并且能够很好地满足系统可靠性要求。除此之外，软冗余系统还能及时发现故障、及时主备切换达到不停机的目的。

2.基于软冗余系统锅炉电气自动控制配置

锅炉控制系统是利用SIEMENS公司成熟的软冗余技术，结合最新推出的新一代硬件产品所建立可靠性高、模块化、可扩充能力及容错性较好的控制系统。不但使用了最新的硬件，同时在网络、硬件、软件等各个方面进行了冗余设计。

锅炉冗余控制系统采用了SIEMENS公司S7-300系列PLC，每站皆采用双CPU、双电源模块、双以太网通讯模块，下接冗余的ET200子站，实现PLC处理器冗余、背板总线冗余、PROFIBUS现场总线网络冗余（包括通讯接口、总线接头、总线电缆冗余）、ET200子站的通讯接口模块IM153-2冗余。在该系统配置中，双电源冗余可以实现自动平衡负载电流，提高了系统的供电可靠性。网络冗余采用了工业以太网进行通讯，当网络上某一段出现故障时仍能正常通讯。

上位机监控软件采用了WINCC6.0，采用了当前最先进的技术，组态功能强大，画面动态连接多样，同时具有C/VBA脚本编辑功能，可通过脚本实现更加灵活强大的功能。体现了良好的通用性、灵活性。尤其是在与SIEMENS PLC组成监控系统时，优点尤为明显，通讯配置方便，性能稳定，同时内置了对SIEMENS PLC软冗余、硬冗余的支持，仅须进行简单的设置而无须编写脚本即可实现与冗余PLC的通讯切换。

整个锅炉自控系统架构清晰明了，同时实现了网络、PLC系统的冗余功能，大大提高了系统的可靠性。

三、软冗余锅炉自动控制系统保护

锅炉房控制系统设计遵循先进、可靠、安全、经济、适用、开放的原则。控制系统可以采用可编程控制器PLC软冗余系統，实现锅炉及辅机的热工控制、电气检测、连锁保护、自动控制等。系统交付使用后控制室通过计算机系统对锅炉房生产过程进行集中监控，实现输煤系统、锅炉水位和系统供热优燃自动化，确保锅炉及辅机系统长期、可靠、经济、安全地运行。

1.鼓引风机及燃料供应电气连锁

通过PLC软件编程实现锅炉启炉程序：引风机—鼓风机—炉排减速机。停炉程序：炉排减速机—鼓风机—引风机。当启炉、停炉程序工作时会发出相应的程序运行信号，PLC软冗余程序会自动解除与就地操作装置的连锁。

2.上煤系统电气连锁

在软件编程时上煤程序实现如下启动顺序：配煤带式输送机—斗式提升机—上煤带式输送机—给煤机。停煤程序：给煤机—上煤带式输送机—斗式提升机—配煤带式输送机。

3.水位连锁保护

基于PLC冗余控制系统在处理水位变化方面实现了较好的自动控制。该系统设置了因压力大小导致水位偏高或偏低的声光报警装置和因水位偏低而停炉热工连锁保护功能。尤其是汽包水位控制设计方案依据给水流量、汽包液位和蒸汽流量调节给水阀，从而保护锅炉水位的稳定。

4.优燃烧自动控制

燃烧调节锅炉燃烧系统调节的主要任务是保证供水温度的稳定，同时保证锅炉的安全运行及经济燃烧。自控系统根据炉膛温度的变化和烟气含氧量的变化自动实时调整风—煤比以至最佳，达到经济燃烧。控制系统处于自动方式而不需人工干预。

5.炉膛负压控制

锅炉正常运行时，炉膛压力必须保持在规定的范围之内。在负压操作中，如果负压偏正，则锅炉炉膛局部地区容易喷火，不利于安全生产以及环境卫生；但是如果负压过大，漏风严重，会导致总风量增加，烟气热损失增大，这样會不利于经济燃烧。炉膛负压控制采用炉膛负压前馈—反馈控制系统，用鼓风调节输出作为前馈信号，这样可使引风量随着鼓风量的变化提前作相应的调整，使炉膛负压始终保持在一定负压上，维持整个燃烧系统的稳定性。

基于PLC冗余系统的锅炉自控系统具有多重优势，最主要的是促使复杂的锅炉控制流程能够清晰地、实时地显示在PLC监控屏幕上，并且该控制系统工作稳定，可靠性和自动化程度较高，操作灵活方便，大大减轻了工人的劳动强度，并且改善了工人的工作环境。

参考文献：

[1]马伯渊，吕京梅，张志同.PLC软冗余系统性能分析电力自动化设备，2009，29（2）.

[2]浙江大学自动化中心.可编程序控制器系统[M].浙江大学出版社，2000.

[3]张磊.浅析锅炉自动控制系统的实现[J].信息技术，2009（8）.

（作者单位 太原锅炉集团自控设备厂）

编辑 李建军