基于现场总线技术的锅炉控制系统的设计

摘要：本文通过对工业领域内广泛的自然循环锅炉网络结构的设计及检测信号的分析，提出采用PROFIBUS和工业以太网的总线技术，实现系统网络设计，并采用双闭环比值控制结构，实现了再燃烧过程中的空气燃油量的相互跟随关系。结论表明该方法是改善控制质量的有效方法之一。

关键词：PROFIBUS 低碳节能 网络架构

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）01-0011-02

1 概述

自然循环锅炉在工业领域被广泛应用的，经处理的软化水进入除氧器V1101上部的除氧头，进行热力除氧，除氧蒸汽由除氧头底部通入。热力除氧是用蒸汽将给水加热到饱和温度，将水中溶解的氧气和二氧化碳放出，然后输送给下一单元。工艺流程如图1所示。

具体设备包括：除氧器，减温器，省煤器，上水泵，上汽包，炉膛。

2 系统技术方案

根据锅炉的实际情况以及目前工业自动化技术的发展水平和现状，以及行业内网络技术的应用，选择双层网络架构的工业控制网络系统来实现整个系统的网络通信功能。其中设备底层采用基于PROFIBUS控制系统来完成对整个生产流水线中各设备的信息采集和集成；上层采用基于工业Ethernet技术实现对整个信息系统的信息传输，监控与管理，并使用优化的应用软件系统来完成终端数据的处理。如图2所示。

3 系统网络检测信号设计

SIMATICS7-400是功能最强大的PLC，常用于中型大型系统的控制。根据系统实际功能需求，本系统选用CPU414C作为系统的主控制器及主站，实现整个网络系统的自动化控制。通过现场总线技术，现场设备不仅可以与上层网络进行通信，也可以在相互之间进行通信，并且不同厂家的同类产品可以相互替换。具有了高度的智能化，能够完成信号变换，补偿计算、工程量处理和部分逻辑控制功能，还具有自检功能，预测潜在的故障，实现了高度的自治性。传统的控制系统采用4～20mA或1～5V的模拟信号通道，传输精度不高，容易受外界干扰；并且只能单向传输单变量信号，不能满足多变量仪表的信号传输、组态和自诊断的要求。而现场总线采用双向串行的数字化通信，具有较强的抗干扰能力和极高的可靠性，在特定条件下，还可以满足安全防爆的要求，这样总线技术的应用场合就得到了极大的拓展，对环境的适应性也有了极大的提高。系统中主要的检测点，及位号如表1所示。

4 系统低碳节能控制

为了满足系统设计的低碳排放量，所以要对燃料进行的充分燃烧。为了保证燃料在炉膛内充分燃烧，在炉膛里宁可让空气稍有过剩，而不让空气不足。为此，必须要送入比理论空气量稍多的空气。为了保证燃料完全燃烧，按每千克或每标准立方米燃料实际送入炉内标准状况下的空气量，称为实际空气量。最佳过量空气系数与很多因素有关，目前还不能从理论上确定在各种负荷下的最佳过量空气系数。一般都是通过现场的热力试验来确定。

为了满足要求对于燃料与空气的控制采用先进的含双闭环比值控制的串级控制系统。

（1）串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，它能够个改善被控过程的动态性能，对二次干扰有较强的克服能力。（2）双闭环控制系统能够实现主动量的抗扰动，定值控制，使主，从动量均比较稳，从而使总物料也比较平稳，系统总负荷也将很稳定，

两者结合，双闭环比值控制的主动量回路作为整个串级控制系统的一部分，在保证炉温控制的前提下，可保证燃料与空气的动态比值关系，使燃料充分燃烧，放出较多的热能，节约燃料的同时降低了碳的排放量。

图3是双闭环比值控制结构图，实现了再燃烧过程中的空气燃油量的相互跟随关系，保证了再负荷增减过程中的最佳燃烧效率。在图中的最左端，指定燃油量的设定值，可以方便的实现锅炉的指定燃油量，经过双闭环控制的一系列动态过程，使供油量等于设定值，同时供风量符合最佳燃烧的风量和燃油量比。

燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使锅炉水汽化，工艺要求被加热物料的温度为一定值。影响炉出口温度的因素很多，主要有被加热物料的流量和初温f1（t），燃料热值的变化，压力的波动，流量的变化f2（t），烟囱挡板位置的改变，抽力的变化f3（t）等。

5 结语

系统采用PROFIBUS和工业以太网的总线技术，实现系统网络设计，通过对检测信号的分析，采用双闭环比值控制结构，实现了再燃烧过程中的空气燃油量的相互跟随关系。结论表明该方法是改善控制质量的有效方法之一。

参考文献

[1] 刘培扬，王冠峰.PLC在卷烟厂锅炉给水系统中的应用[J].制造业自动化，2012.32（11），109-111.

[2] 靳雷，李宏伟.基于PLC和现场总线的锅炉控制系统[J]，仪表技术与传感器，2010（7），51-53.

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