基于西门子PCS7的循环锅炉控制系统设计

朱　军，刘以建

(上海海事大学，上海 201306)



基于西门子PCS7的循环锅炉控制系统设计

朱军，刘以建

(上海海事大学，上海 201306)

摘要:文中结合自然循环锅炉的运行需求，以SIMATIC PCS7 系统为平台，采用西门子PLC作为系统的逻辑控制单元，利用PROFIBUS传输技术，构建网络通讯系统；另外，利用SFC、CFC编程实现锅炉系统的远程控制，并且在保证控制目标的前提下模拟实现了锅炉的提升负荷。

关键词：PCS7；锅炉控制系统；PROFIBUS

0　引　言

随着现代化工业的飞速发展，对能源的利用率、锅炉的控制和管理等要求越来越高。目前我国锅炉的燃烧率还很低，燃烧不充分，污染严重，需设计出一套良好的锅炉控制系统。因此，进行锅炉控制系统的设计具有重要的实际意义。

文中根据循环锅炉的流程和控制要求，结合PID智能控制系统，综合考虑设计了锅炉各个部分的控制系统方案，实现了锅炉的自动控制。

1　系统分析

自然循环锅炉开车过程是按照非常严格的要求来执行的，在开车过程中如果开车步骤颠倒或者缺漏可能会导致严重的后果，因此对开车过程进行分析是十分必要的。这也对下面写顺序功能图提供了依据，让开车过程一目了然。开车过程的流程图如图1所示。

锅炉的控制任务是根据生产负荷的需要供应热量，使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备主要的控制需求如下。

1.1　燃烧控制系统

燃烧控制系统的主要目的是为了保证燃料能够充分燃烧，释放全部能量，使得加热炉的燃烧状况正常、平稳。

1.2　汽包水位控制系统

汽包水位控制系统使汽包水位维持在要求范围之内。汽包水位受很多因素的影响。蒸汽负荷的扰动会引起虚假水位，可根据蒸汽的变化来控制给水阀，这样就构成了前馈控制系统。针对双冲量控制系统对给水流量扰动不能及时调整的缺点，汽包水位控制可以将给水流量信号作为第三个冲量引入，闭环控制给水流量。三冲量给水自动调节控制系统实质上是前馈-串级控制系统的形式。

2　控制系统的实现

2.1　硬件的配置

控制系统采用西门子PCS7过程控制系统。PCS7是西门子DCS系统，基于过程自动化，从传感器、执行机器到控制器，再到上位机，自上而下形成完整的全集成自动化架构。其主要包括Step7、CFC、SFC、Simatic Net和Wincc以及PDM等软件，组态对象选用S7-400高端CPU。

整个控制系统控制方案的实施基于PCS7提供的连续功能图CFC和顺序功能图SFC。在CFC进行组态时，里面有很多模块，如模拟输入、模拟输出、数字输入、加法、乘法模块等。在组态完成时需要将一些参数写入模块中，如PID模块中的SP_OP是用于设置设定值的，还有一些范围参数等。

CPU选择S7-400系列的CPU 412-3 H，电源选

图1 自燃循环锅炉开车过程的工艺流程

择 PS 407 10A，分别统计过程控制系统和安全仪表系统所配置的I/O口点数后，选择合适的输入/输出模块。通讯模块选择的是PM125模块，具体如图2、图3所示。

图2 硬件配置

图3 通讯模块配置

2.2　基础功能控制的实施

(1) 基于PCS7利用CFC编写主要控制系统方案

CFC(连续功能图表)拥有强大的预制程序库，可以使用STEP7中的标准模块，优化集成在STEP7中，与STEP7兼容。而且适用于SIMATIC S7-300(推荐用于CPU314以上的CPU)、S7-400、C7和WinAC。S7-CFC不仅具有PLC典型元素(输入/输出、定时器、计数器、符号表等)，而且具有图形化编程语言的特点，十分适用于过程控制和系统工程。

在西门子PCS7过程控制系统中利用CFC编写的汽包液位控制回路系统，采用了汽包水位-汽包上水流量-过热蒸汽出口流量前馈-串级控制系统，如图4所示。

图4 汽包水位-汽包上水流量-过热蒸汽出口流量前馈-串级控制系统

(2)系统的顺序功能图

西门子PCS7还提供了顺序功能图(SFC)，是一种强大的描述控制程序的顺序行为图形化语言，可对复杂的过程或操作由顶到底进行辅助开发。在程序中可以很直观地看到设备的动作顺序，也比较容易看懂。程序设备是按照动作顺序进行编写，规律性较强。本次自然循环锅炉开车运行就是采用了SFC来实现的。图5就是本次锅炉运行的部分顺序功能图。

图5 顺序功能图

(3)PID参数

在西门子PCS7的连续功能图(CFC)中包含有CTRL_PID[FB61:PID Control]模块，在此模块中主要调节GAIN、TN、TV三个参数，分别对应比例、积分、微分三个参数。该模块的功能强大，主要引脚功能如下：

PV_IN：过程检测值，用于与前面的输入信号连接。

SPEXTHLM：外部设定值上限，对应的SPEXTLLM是外部设定值下限，在进行温度检测时一定要注意设定那个值范围。

SP_OP：设定值的操作员输入，也就是预期要达到的设定值，如要将水位设定为50%，那么现将SP_HLM值赋予100，SP_LLM为0，再将SP_OP赋值为50即可。

AUT_ON_OP：操作员输入：0=手动；1=自动，在调参数时设置AUT_ON_OP=Manual。

3　结束语

锅炉既是工业生产的重要设备之一，也是复杂的热工系统，由于设备分散、管理不善或技术原因，锅炉虽处于良好状态，但还没有达到最优的效果。为降低锅炉的燃料损耗，提高锅炉的效率，研究开发功能完备、性能可靠地锅炉是非常必要的。PCS7作为面向过程控制的工业控制平台，已经在越来越多的工业领域得到应用。这次试验基于PCS7控制系统，针对锅炉的各个控制进行了系统分析，综合了控制方案的设计与实施，基本完成了从方案设计到设备选型及工程实施的全部过程。试验验证了方案的可实施性。

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[7]崔坚.西门子S7可编程控制器：STEP7编程指南(第2版)[M].北京：机械工业出版社，2009.

李志锋(1977-)，男，广西北流人，动力系统工程师，主要从事数据中心动力系统运维、项目管理工作。

刘文飞(1980-)，男，陕西延川人，动力系统工程师，主要从事数据中心动力系统运维、节能减排研究工作。

何其振(1986- )，男，广东高州人，动力系统工程师，主要从事数据中心动力系统运维、节能减排研究工作。

设计应用

Design of Circulation Boiler Control System Based on SIMATIC PCS7

ZHU Jun, LIU Yi-jian

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Abstract:Combining with the operation demands of the natural circulation boiler, a control system is designed in this paper which adopts the SIMATIC PCS7 system as the platform and the SIMATIC PLC as the logic control unit, and utilizes the PROFIBUS transmission technology to build the network communication system. Then the remote control of the boiler system is realized with program written by SFC and CFC, and the boiler load improvement is simulated on the premise of guaranteeing the control target.

Key words:PCS7; boiler control system; PROFIBUS

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0053-02

作者简介：朱军(1987-) , 男，山东滕州人， 硕士研究生， 研究方向：工业自动化。 王旭(1986-)，男，河南郑州人，动力系统工程师，主要从事数据中心动力系统运维、节能减排研究工作。

收稿日期：2014-11-11 2014-12-25