浅议基于PCS7的锅炉控制系统的设计和实现

东华大学信息科学与技术学院 马丽萌 谭光韬

浅议基于PCS7的锅炉控制系统的设计和实现

东华大学信息科学与技术学院 马丽萌 谭光韬

本文以目前我国的锅炉控制系统存在高耗能、高排放和技术水平低为背景，研究PCS7控制系统应用到锅炉控制系统中，实现对锅炉控制的优化和升级。制作锅炉控制系统的方案，对控制系统的程序进行设计，并利用SMPT1000锅炉仿真系统进行模拟仿真实验。实验结果表明，PCS7对锅炉控制系统的控制较好，能够达到预期的效果。

PCS7；锅炉控制系统；设计；SMPT1000

一、引言

目前锅炉应用越来越广泛，不仅人们取暖需要锅炉，工业生产、发电、化工、火车船舶、工矿企业等也都离不开锅炉。锅炉的应用和需求量提升的问题被关注的同时，当前锅炉耗能高、污染严重等缺点更是突显出来。我国锅炉的控制目前大多数是人工进行控制，对污染排放标准执行不严。

二、锅炉控制系统的概述

锅炉控制系统主要是对锅炉内的压力、温度、液位等指标参数的控制。具体包括汽包水位控制系统、燃烧控制系统、蒸汽温度控制系统和减排环保控制系统。本文重点对汽包水位的控制进行分析。我们的控制对象SMPT-1000锅炉仿真控制系统如图1所示。

图1 SMPT-1000锅炉仿真控制系统

1.汽包水位控制系统

该系统对锅炉内部蒸汽水位进行控制。通常情况下，汽包内的水位如果过高，则会影响水汽分离，会使内部管道受到损害，同时也导致蒸汽温度骤降；如果水位过低，则会加速汽化，导致汽包内部的水发生汽化，如得不到及时控制，则可能烧坏水冷壁甚至锅炉发生爆炸。

由于过热蒸汽出口流量对汽包水位调节的动态特性，使汽包水位出现“虚假水位”现象，所以可以依据过热蒸汽出口流量的变化来控制给水阀，调节给水量，构成前馈控制系统。而汽包给水流量总是波动，将对汽包水位造成一定影响。为了使水位稳定，可以采用汽包水位-上水流量串级控制，再加上蒸汽负荷前馈控制，形成前馈-串级控制系统。

2.燃烧控制系统

本系统对保持锅炉内部的气压稳定、调节出风量和送风量、确保燃烧的彻底性和内部压力稳定具有重要的作用。锅炉内的压力对过热蒸汽的产生有着重要的影响。

3.蒸汽温度控制系统

过热管工作的温度范围为过热管材的受热范围。如果过热管中的蒸汽温度太高，超过了管材的受热范围，则会导致器材受损，锅炉内部器件发生膨胀，影响锅炉的正常工作。如果过热管中的蒸汽温度过低，也会导致器件的受损。在实际操作中，增加燃料前应先增加空气，提高蒸汽负荷；同理，在减少蒸汽负荷是就要减少燃料的供应和内部的空气。

4.减排环保控制系统

保证燃料充分燃烧既可以提高燃料的燃烧效率，节省成本，同时也降低了废气排放量。锅炉的挡烟板的操控影响着烟气的含氧量和温度等。烟道挡板能够通过开度来控制含氧量以及锅炉的压力。当含氧量过高时，可以将烟道挡板的开度适当降低，来保证足够的氧气供燃料燃烧来消耗，从而保证燃料能够得到充分的燃烧，提高燃烧的效率。当然，调节挡烟板的开度也影响送风量和出风量，进而影响锅炉的压力。

三、PCS7在锅炉控制系统的实现

PCS7系统是西门子的DCS系统，基于过程自动化，从传感到控制到执行，再到上位机，自下而上形成完整的全集成自动化架构，可以实现完全无缝集成自动化。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。有标准的SIMATIC软件和硬件组件，分布式客户机/服务器架构，强大的HMI系统，基于SQL服务器的归档系统，无缝集成的安全系统，可实现 MES/ERP层级的接口。

对于锅炉控制系统需要通过引入PCS7系统的软件、硬件以及程序的设计来实现。

1.硬件方面

针对锅炉控制系统所涉及到的参数类型，对软件进行配置。不同的参数类型配不同的位号、地址。PCS7的硬件包括控制模块初始化和网络参数初始化两部分。硬件的模块参数包括后台自动控制、班长控制以及坐席人员控制三个组态。不同的模块参数相应的操作界面存在不同，权限也存在差别。需要对各模块参数进行系统导入，对软件配置的类型和位号等与硬件的模块进行捆绑。最后还需要制作人员对系统进行控制的界面。

2.程序方面

CFC组态设计：包含多个模块来实现，但基本上都是通过串联控制进行的，可以进行控制模块和控制模块类型同步。在设计的过程中，需要对特定值的范围进行设置，在编辑器中连接相应的CFC图表。CFC可以根据模块类型的功能，在设计的过程中预设多个许可或不预设任何许可。将模块进行输入和输出，实现模块的互联，而可以不用考虑算法、资源分配等细节。在CFC编辑过程中创建图表，可以插入、组态和连接块。在CFC中，可以使用预组态块来执行某些特定的功能，并将这些功能块连接进行组态。CFC所包含的块的数量是可变的，可以在图表中进行更改，每个块在创建时都分配有一个自己的标识符。

3.WinCC组态设计

西门子PCS7 WinCC库中已经提供了丰富多彩的图形，利用WinCC和库可以完成各种复杂的过程监控画面，包括动态和静态图形。在WinCC的图形设计编辑器中，在组态模式中用各种工具和对象生成静态图形，按照汽包工作的工艺，搭建好人机交互界面，使操作员界面可视化。

四、对PCS7在锅炉控制系统的实现的验证试验

验证过程：利用PCS7完成了对锅炉控制系统的设计，根据设计方案对装置进行试验。首先，将所有参数调整到正常值范围。包括炉内压力、温度、水位等。其次，将参数作为变量，进行改变，观察反映是否迅速准确，并且误差是否在正常范围内。最后，对硬件模块参数的进行检测。

试验结论：PCS7系统能够充分满足锅炉控制系统的控制需求，实现了对锅炉的优化控制，达到了锅炉效率的提升的标准。同时，PCS7在锅炉控制系统应用中，设计的方案合理，具有可操作性，实际应用安全性能好，达到了预期的效果。

五、结束语

本文将PCS7系统应用于锅炉控制系统中，并通过试验，完成了验证。锅炉控制系统的安全性关系着人们生活和企业生产，不容忽视。完善和提升锅炉控制系统是一个不断探索的过程，控制系统也在不断的更新。希望本文的论述，能够为锅炉控制系统的完善和发展提供一个技术参考和思路。相信未来，将会有更多的学者、研究人员探索和发现更加完善的系统、技术和方法。

[1]张春晓.基于SMPT-1000的锅炉系统控制方案设计及其实现[D].北京:北京化工大学,2013.

[2]倪晓杰,马彦霞,薄翠梅,等.基于PCS7的锅炉控制系统的设计和实现[J].控制工程,2011,18(6):927-930.