燃气热水锅炉群控系统技术方案.doc

Gas Boiler Control System Technology
燃气锅炉群控系统技术应用
（Xinjiang Mastery thermal limited liability company Chen Xiao Yan ）
（新疆水利电力建设总公司 陈晓燕）
摘要 根据燃气热水锅炉燃烧系统特点设计的，具有对燃气热水锅炉进行自动控制及故障保护等功能的燃气锅炉群控系统技术应用，操作安全、简单、可靠。
关键词 燃气锅炉 自动化 群控系统 技术应用
概述
本项目4台46MW、1台29MW燃气热水锅炉群控系统，根据我公司多年的工作经验，锅炉房辅机控制系统采用西门子公司的S7-300系列中的PLC可编程控制器，完成锅炉控制系统的所有信号的采集、分析、判断，根据燃气热水锅炉燃烧系统特点设计的，具有对燃气热水锅炉进行自动控制及故障保护等功能。
锅炉房群控系统是对新建燃气锅炉房内所有燃气锅炉及其辅机系统的集中监控，监控系统将实时、全面了解热源、热网和热用户的运行情况，根据热负荷的变化及时调节热源的工况的适应热用户的需求，它是热源、热网安全可靠高效运行的保证。
燃气锅炉房辅机控制系统的内容包括：热计量、多锅炉运行控制、循环水泵控制、补水泵控制等。锅炉房辅机控制系统的I/0清单如下：
锅炉房辅机控制系统I/O点位表
监测对象
数量
单位
输入
输出
传感器、阀门、执行机构等
AI
DI
AO
DO
传感器类型
信号类型
1.公共控制系统
燃气压力

接入燃气公司信号
燃气流量

总出回水压力
1
套
2

压力变送器
4—20mA
总出回水温度
1
套
2

热电阻/温度变送器
4—20mA
总循环水量
1
套
1

电磁流量计
4—20mA
循环泵变频
4
套
4

4

4—20mA
循环泵状态
4
套

8

继电器
循环泵控制
4
套

8

继电器
补水泵变频
2
套
2

2

4—20mA
补水泵状态
2
套

4

继电器
补水泵控制
2
套

4

继电器
3.其他
声报警
1
套

1

光报警
1
套

1

消音
1
套

1

复位
1
套

1

小计
11
12
6
16

一、锅炉房辅机控制系统的控制功能
1．1 热计量与负荷计量
热计量技术是通过检测出/回水温度和循环流量，根据热量计算公式Q=（T1-T2）*F来计算供热和传热的计算技术。通过对单台锅炉、总锅炉的热量计算和二次系统的热量计算，我们可以大致得到整个供热系统的热负荷和热平衡的关系；在此基础上，再通过对天然气流量的积算，我们可以得到锅炉的动态热效率,并指导锅炉的控制器控制锅炉的燃烧负荷,使锅炉能长期运行效率最佳点；同时，对于板换系统而言，通过得到的二次系统热量我们可以计算出锅炉的负荷是否合理，并能指导气候补偿系统的工作，调节一次侧循环水进入板换的流量和二次侧的流量，来达到供热和取热的负荷平衡，这种量调（循环水流量调节）与质调（出水温度调节）相结合的方式是先进的供热系统控制方式。
1．2 多锅炉运行技术
在五台锅炉同时运行过程中，我们要保证锅炉不处于启停临界点，尽量保证各台锅炉的燃烧负荷平衡，以避免锅炉频繁启停造成的热量浪费与使用寿命缩短。多锅炉运行技术借鉴了德国的优化燃烧技术，根据用户的总热负荷需求与循环水流量来进行锅炉负荷的最佳分配，从而达到最优化的燃烧效果。
此外，锅炉运行负荷问题是多台锅炉运行时必须考虑的问题，在系统软件中统计锅炉启停次数和每台锅炉运行累积时间，通过软件排序实现锅炉负荷的平均分配。一般采用的算法是队列法，即启停按1-2-3，2-3-1，3-1-2,的方法循环操作，可以采用十天（天数可自定）作为循环周期。
1．3 循环泵控制系统
循环泵采用系统泵的方式，采用变频控制（有变频器的前提下）方式，根据总出水和总回水压力差（也就是一次管网的扬程需求）来确定循环泵的运行转速。循环泵选型考虑锅炉、阀门、管网的最不利阻力，但可以采用分级泵，减少泵的电功耗，在末端不利点增加小泵保证水流量，具体根据管网参数来确定。
1．4 补水泵控制系统
补水泵控制根据循环泵入口压力确定管网失水状态，采用定压补水方式，变频控制。
1．5 换热站数据的接入
锅炉房的辅机集中控制系统，要对所有供热子站的情况进行接入，采用的方式是利用原有的换热站大屏幕集中监控宽带网络，将数据都集中到上位监控计算机中，计算机通过以太网络进行数据共享，在辅机集中监控系统中对供热子站的节能控制进行规划和监控。
1.6.辅机控制参考画面

二、锅炉房辅机控制系统标准配置
序号
设备名称
型号
单位
数量
1
电源模块
PS307 5A
块
1
2
控制单元
313C
块
1
3
模拟量输入模块
SM331
块
2
4
模拟量输出模块
SM332
块
1
5
开关量输入模块
SM321
块
1
6
安装导轨
530mm
条
1
7
程序卡
MMC 256K
块
1
8
前连接器
20针/40针
套
1
9
以太网络光电转换
X204P
套
1
10
通讯电缆
多模光钎
条
1
11
直流电源
24V/5A
个
1
12
控制软件
DL-BC V1.0
套
1
13
断路器
NSC系列
只
1
14
中间继电器
MJ-40
套
1
15
钥匙开关

只
1
16
强手操作
转换开关、指示灯
套
1
17
声光报警器
LAD16-22SM/R
个
1
18
出回水温度变送器
0~200度，M27*2，L=200mm
只
2
19
出回水压力
DL-KSG 0~1.6MPa
只
2
20
补水流量
DN100
只
1
21
室外温度
-50-50度，4-20mA
只
1
22
人机界面
10寸真彩触摸屏
块
1
三、燃气锅炉群控系统的系统架构
3.1 项目概述
本项目4台46MW、1台29MW燃气热水锅炉群控系统，通过上位监控管理计算机完成对所有锅炉控制系统的数据通讯与处理，并负责完成所有锅炉系统重要运行参数的历史记录、存储、和生产报表打印以及各锅炉运行负荷的统一调配，充分体现了控制分散，信息管理集中的现代工业设备控制思想的发展理念。具有投资小，可靠性高、便于扩展，技术先进等优点。
3.2 系统架构
系统构架的设计是指整个锅炉控制系统的框架设计，在严格遵循控制系统设计标准和设计原则的基础上，我方根据46MW燃气热水锅炉的运行特点和中央监控系统的功能要求，并考虑控制系统的科学性和先进性要求，将整个群控系统按操作的等级分为上位监控子系统、锅炉群控子系统和锅炉辅机强电操作子系统三个部分。
上位监控子系统是整个锅炉群控系统的指挥中心，所有锅炉的信息都集中显示在中央控制计算机中，在正常运行情况下，操作员可以在指挥中心对每台锅炉进行远程操控，如控制参数的设置、修改，启动优化控制程序，建立锅炉节能分析报表等；同时，上位监控子系统起到信息和人员的管理职能，如建立重要锅炉参数的历史报表和趋势，对现场操作人员的生产监督，中央监控操作员的权限设置等。上位监控子系统一般建立在锅炉房控制室内，由监控软件、通讯电缆、监控操作平台、网络打印机、不间断电源等部分组成。
锅炉群控子系统是整个锅炉群控系统的控制核心，如果说上位集中监控子系统是“大脑”的话，那么锅炉群控子系统就是“心脏”。在本系统中，单台锅炉和群控系统都由S7-300PLC系统控制，采用集中管理的节能运行控制器作为优化策略的实施者。锅炉群控子系统建立在锅炉房控制室内，核心控制器与上位监控子系统安装在同一平台中，主要由一次传感器、变送器（现场安装）、核心控制模块（S7-300系列PLC）、强电手动控制、控制柜等部分组成。
锅炉辅机强电操作子系统是指现场对锅炉各个辅机设备的强电手动操作系统，主要由强电操作按钮、紧急连锁设备和操作柜组成，负责锅炉辅机设备的启/停操作以及出现异常情况时的紧急操作和连锁保护功能，并具有操作上的最高优先级。根据需求在锅炉房现场单独安装的，通过手动/自动切换开关和锅炉控制柜进行控制权限的切换。
从横向角度来看，上述群控系统的设计符合国际上流行的“控制分散、监视集中”的群控系统的标准。对于单台锅炉而言，控制是相互独立的，彼此不会干扰，而监视系统又是集中的，信息是共享的，这有利于整体管理。从纵向角度看，锅炉控制系统是安全可靠的，在正常情况下，操作员在上位监控系统就可以对所有锅炉进行远程监控，一旦上位系统发生故障，操作员可以通过单台锅炉控制系统进行操作，即使发生极端情况，操作员也可以通过控制柜的强电手动操作和就地强电操作系统对锅炉进行简单的操作，而不会因为控制系统影响锅炉的正常运行。因此，这样的控制系统是强壮的、科学的、合理的。
以下是本群控系统的网络拓扑图。

3.3、上位监控系统的硬件组成
上位监控系统的硬件主要由监控工控机、通讯板卡、不间断电源、打印机与电缆、控制操作台等组成。
监控工控机是上位集中监控系统的核心，主要功能包括：
u 程序开发、系统诊断、控制系统组态、画面编辑和修改。
u 设置软件保护密码，以防一般操作人员擅自改变控制策略、控制程序和系统数据库。同时，设置操作权限，防止操作人员不经意更改的参数影响系统运行。
u 对系统数据进行备份，同时实现与远程调度计算机之间的信息交互。
u 用户管理。
u 监视工艺子系统内的每一检测点。
u 显示并确认报警。
u 显示每一模拟量的实时和历史趋势走向。
u 显示日报表数据并打印显示设备运行记录。
u 操作方式的选择和运行参数的设置。
u 运行工况画面的切换显示。
u 操作帮助文件。

3.3.1 工业控制计算机
工程师站/操作员站由工控机组成，监控计算机选用德国西门子品牌产品，机箱ATX 主板版本 IPC-610 是 19" 机架安装工业电脑机箱，
工控机（工程师站/操作员站）配置如下：
◇ CPU：P4（2.6G）
◇ 内存：DDR8G
◇ 硬盘：500G
◇ I/O口：两串一并
◇ CD RW：DVD
◇ 键盘：工程师键盘
◇ 鼠标：机械
3.3.2 显示器（三星）
u 面板尺寸 : 22英寸
u 显示色彩 : 16.7M
u 接口类型 : 模拟、数字、多媒体接口
u 最大分辨率 : 1600×1200
3.3.3 不间断电源UPS
其主要特点与技术指标如下：
u 先进高频技术：移植山特在线式UPS所采用的PWM高频技术，工作频率高达40KHz，使体积大为缩小，使用更方便。
u 安全型充电器：充电器设计结构更紧凑，充电电路和逆变电路交互作用，既实现了充电的快速性，又可以保护电池，延长电池的使用寿命。
u 自我监视：开机时UPS自动模拟断电状况，对逆变器、电池等元件及负载自检，便于及时发现问题。平时不会因为UPS的故障而影响计算机的操作。
u 自我诊断：UPS始终监视电池电压，充电过高或放电过深时，自动停止充电,有效延长UPS整机及电池的使用寿命。
u 内置高品质阀控式铅酸蓄电池：采用原装高品质免维护阀控式铅酸蓄电池，电力持久、稳定，有效提高UPS的使用可靠性。
3.4、上位监控系统的软件功能
上位集中监控系统的软件功能主要包括以下几个部分：
数据采集，通过标准工业接口RS485/MODBUS通讯协议，实现与锅炉控制系统的数据双向通信；

人机操作界面，通过各种形式的数据显示方式，实现对现场重要工况数据的监控；
数据的记录、检索与分析，通过数据报表、历史趋势和数据打印等形式，对锅炉运行状况进行统计和记录；
优化调度，在对历史数据进行记录的基础上进行数据分析，建立锅炉优化运行的调度指令和开环指导；
操作管理，对当班的司炉工进行操作登记，使操作工的操作与锅炉运行状况一一对应，真正实现生产管理。
以下我们将分别对上位监控系统的软件功能进行详细描述。
3.4.1 人机界面
u 人机界面运用开放系统的图形窗口技术
u 友好的操作人员界面
u 画面的切换速度<5秒
u 程序员可在线修改和编辑画面
u 支持三维图形
u 带有联机帮助功能
3.4.2 动态图形及实时数据显示
在上位监控管理计算机彩色显示器上动态实时显示动力站锅炉、给水系统工艺流程、各主要工艺设备的运行状态、运行趋势等数据。使生产管理人员掌握当前锅炉动力设备的生产运行情况，能从总图详图多层次监测。
动态图形的总体结构形式为分层展开式，画面应包括但不限于：
u 监控系统总图
u 锅炉动态工艺流程图
u 自控系统总图
u 主要参数实时/历史趋势图
u 各主要设备的状态和回路图
3.4.3 趋势图功能
可以用棒状图或线状图显示历史趋势或当前趋势，一幅画面上可在一个时间轴上用不同颜色来显示1至4条不同的实时或历史曲线。模拟量的变化范围同时也显示在图形的座标上。当前趋势显示可根据实时原理不断校正。同时指示光标的当前位置。操作规程员可以很方便地调整趋势显示的时间坐标或输入范围。
每个测量变量趋势图是以时间为背景的，操作人员能够输入开始时间和结束时间。随着时间跨度的变化，采样频率也相应变化。为加快数据检索时间，趋势曲线所用的数据应存放在数据库中一个特定的缓冲区内，并以新弃旧。
每个模拟信号均可以采用垂直的棒状图形来表达其大小，并在棒的顶部或底部用工程数字量显示其量值，该模拟量的最大和最小值分别以工程量的形式显示在该信号棒状图形的底部。数据库中有关该模拟量的报警设定值以彩色显示在棒上或其棒下的边上。
3.4.4 报警处理
计算机系统内配置了故障处理专家系统软件，通过预装的专家系统得到故障原因的详细资料及排除故障的对策。在任何时间和在任何显示上工作站都能在画面顶部或底部显示出总的报警信息，操作人员点击该报警信息可以快速地调出与本报警有关的画面，该画面可以显示出故障原因的详细资料及排除故障的对策。
所有的报警信号都以时间先后排队，该队可以在画面上显示并存贮在内存内。在任何时间该队列在画面上保留最新的128个报警点。
这个历史报警队列在画面上采用颜色的闪烁和颜色的变化来表示一个报警信号是否被确认和是否被已恢复到正常的工况。
在产生任何一个报警信号时，工作站便产生一个报警声音以提醒操作人员，报警内容登陆在数据库事件登录清单内，如果需要可以按要求调用并按命令分别打印。
对于长期不正常事件（由监视人员对输入信号确认后）可禁止报警和登录。
对于未确认的报警状态，持续发出声光报警，直至值班人员确认。
对达到预设报警停炉值报警并停炉。
3.4.5 历史数据的存档
所有收集的实时数据都按类型、名称、属性分类，按时序依次存档，可以保存一年的历史数据，历史数据的永久保存是写入光盘。历史数据的采样周期在1秒钟到1小时内可调。
3.4.6 事件处理
a. 事件登录
“事件”是指运行事件和重要的系统操作，事件登录是按时间顺序排列的，站内事件顺序记录分辨率不小于20ms。以下事件都要记入不可修改的“事件登录簿”；全部的报警、报警的禁止或允许、写入数据、修改设定值、报警的确认和删除。
b. 事件检索
操作员可在“事件检索”的视窗中按事件类别名称、对象名称、事件超始至截止的日期和时间及对象编号展品时序进行检索。
c. 事件记录存档
事件库中具有足够的容量存放事件登录，事件登录每天以数据文件形式入库，盘区存满后通知操作员移出另外存档。
3.4.7 报表产生与打印
工作站接收各PLC站提供的带时标的数据，并储存于计算机硬盘作为编辑报表的基础。根据实际输入信号制作出班、日、月、年报表。报表可按照标准格式或用户需要的格式打印。
打印功能包括：
u 数据的班、日、月、年的定时报表打印。
u 操作人员的随机打印
u 全部监视器上可以看到的硬拷贝输出打印
打印格式包括：
u 时间（年、月、日、时、分、秒）；
u 数据或事件名称；
u 编号；
u 单位（瞬时值、平均值、最大/最小值、累积值）。
3.4.8 安全登录和密码保护
u 设计中把操作级别分为：工程师级和操作员级，对各个级别的操作都设置密码，防止非法操作，确保锅炉设备安全有序运行。
u 技术人员在上位机监控管理站通过键盘设定的参数有两大类。第一类是各控制回路中的调节参数的设定；第二类是报警限的设定。所有设定的参数需操作员再次确认后才下达。对错误设定、超范围设定要加以屏蔽和送出“错误”信息，工作站会要求立即改正。
3.5、上位监控系统的配置清单
序号
名称
型号
数量
单位
1
监控工控机
P4-2.6，8G，500G
6
台
2
显示器
22’液晶
6
台
3
操作系统
WINDOWS-XP
6
套
4
运行软件
UNIONCONTOL-V1.0
6
套
5
不间断电源
60分钟，30KVA
1
台
6
以太网通讯卡
X204P
1
套
7
以太网交换机
TP-LINK 16口
1
套
8
打印机
A3激光
1
台
9
琴台式操作台
现场定制
2
台
10
箱内附件

2
套
四、典型参考画面
4.1 工况监控画面

4.2报表浏览

五、 结论
燃气锅炉房群控系统的应用，实现多台锅炉群控自动化运行、自动生成报表打印、热计量等功能，人性化操作安全、简单、可靠，在很大程度上简化操作过程，减轻值班人员监控强度，可靠的报警停炉预设给值班人员带来更安全的工作环境。
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