基于S7-300-Wincc鍋爐自動控制

郭欣

摘要：隨著以工業PC為核心的自動控制集成系統技術的日趨完善和工程技術人員的使用組態軟件水平的不斷提高，用戶對組態軟件的要求已不像過去那樣主要側重于畫面，而是要考慮一些實質性的應用功能。

關鍵詞：WinCC；鍋爐自動控制；S7—300PLC

中圖分類號：TB486文獻標識碼： A

1. WinCC

1.1 WinCC的介紹及發展現狀

STMATIC WinCC是西門子（SIEMENS）在自動化領域中的先進技術和Microsoft的強大功能相結合的產物。它有各種有效功能用于自動化過程，是用于個人計算機上的，按價格和性能分級的人機界面和SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統?？梢匀菀椎慕Y合標準和用戶程序生成人機界面，準確的滿足實際要求。與其他監控系統相比，WinCC具有以下系統特性：

1.2 WinCC創建項目

1.2.1 啟動Wincc

啟動Wincc，單擊“開始”＞SIMATIC＞Wincc＞Windows Control Center 6.0菜單項。

1.2.2 建立一個新項目

第一次運行Wincc時，出現一個對話框，選擇建立一個新項目的類型包括以下有3種：

—單用戶項目

—多用戶項目

—客戶機項目

1.3 SIMATIC WinCC的組成

SIMATIC WinCC主要包括計算機（Computer），標簽管理（Tag Management），數據類型（Data Type）和編輯器（Editor）四大部分。

2 鍋爐的介紹及控制現狀

2.1鍋爐的介紹

鍋爐是使燃燒產生的熱能把水加熱或變成蒸汽的熱力設備。鍋爐的種類雖繁多，但都是由“鍋”和“爐”以及保證“鍋”和“爐”正常運行所必需的附件、儀表及附屬設備三大部分組成?！板仭笔侵稿仩t中盛放水和蒸氣的密封受壓部分，是鍋爐的吸熱部分，主要包括汽包、對流管、水冷壁、聯箱、過熱器、省煤器等?！盃t”是指鍋爐中燃料進行燃燒、放出熱能的部分，是鍋爐的放熱部分，主要包括燃燒設備、爐墻、爐拱、鋼架和煙道及排煙除塵設備等。

2.2 鍋爐硬件簡要分析

鍋爐整體的結構包括鍋爐本體和輔助設備兩大部分。鍋爐中的鍋筒、爐膛、燃燒器、水冷壁過熱器、省煤器、空氣預熱器、構架和爐墻等主要部件構成生產蒸汽的核心部分，稱為鍋爐本體。鍋爐本體中兩個最主要的部件是鍋筒和爐膛。

2.3 S7-300PLC的主要功能及發展趨勢

S7-300是模塊化小型PlC系統，能滿足中等性能要求的應用。其模塊化結構設計使得各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合以用于擴展。

3鍋爐的自動控制原理

鍋爐的給水、燃燒等熱工過程變量的自動調節，實現鍋爐的自動控制，對安全運行、節能具有重要的經濟意義。依鍋爐的結構，運行方式和所用的燃料不同，控制系統也有差異。一般小型鍋爐只有水位調節系統，中型鍋爐要有燃燒和爐膛壓力調節系統，大型鍋爐還要有氧量校正系統，而供應過熱蒸汽的鍋爐還需要增加過熱蒸汽溫度調節系統。

4.S7-300PLC的控制過程

4.1電機的控制流程

S7-300PLC可應用于自動控制系統控制系統是由下位機（現場控制工作站）與上位機（中央管理工作站）組成，下位機采用可編程序控制器（PLC）與觸摸屏，上位機采用工業級計算機與打印機，系統配置必要的附件如通信設備接口、網卡、調制解調器等，實現蓄冷系統的參數化與全自動智能化運行。 下位機和觸摸屏在現場可以進行系統控制、參數設置和數據顯示。上位機進行遠程管理和打印，它包含下位機和觸摸屏的所有功能。整個系統以下位機的工業級可編程序控制器為核心，實現自動化控制。

4.2手自動操作無擾動切

換鍋爐全自動運行的目的主是自動準確及時的根據檢測到的數據合理地控制鍋爐的連續運行。所以所說的自動不是開爐后就開始自動運轉，是在手動操作后鍋爐正常運轉后再轉入自動運行。

如圖所示,手動操作時,通過滑動操作面板上的滑動塊,可直接設定變頻器的頻率,設定范圍為0%~100%(對應0-50HZ)，這個值直接輸入到PLC相應PID功能塊的MAN變量，再直接通過PID傳入到功能塊的變量LMN（PID輸出），此時PID的自動計算無效，當轉為自動操作時，PID的輸出值自動調節，也就是在原來值的基礎上開始進行自動調節，實現無擾切換。

5.鍋爐的控制流程

5.1鍋爐給水水位自動控制

鍋爐水位波動的幅度影響鍋爐的安全和蒸汽汽壓和穩定性。而鍋爐蒸汽流量，給水流量和燃煤量的變化都會擾動水位，而且這些擾動剛開始都會造成虛假水位。從鍋爐給水流量改變到水位恢復正常要經過較長的時間，屬于大滯后系統，這些客觀條件要求鍋爐水位控制系統要有良好的性能。目前采用的較普遍的串級三沖量控制系統，也就是通過2個PID，鍋爐蒸汽流量，鍋爐水位，鍋爐給水流量三個變量實現給水的自動控制。三沖量的特點是綜合控制，各有主次，控制原理。

由于是供暖鍋爐，鍋爐的啟停較頻繁，工人操作時為了在停止時也自動供水，程序設計了在停止時采用上下限的自動供水方式，設定水位低于鍋爐運行時的水位，目的是當鍋爐啟動后，盡量減小由于爐內升溫引起水位上漲，造成假水位。

5.2鍋爐蒸汽壓力控制（給煤量自動調節）

鍋爐汽壓的高低影響安全和用戶對蒸汽參數的要求。影響汽壓的因素多，如鍋爐負荷、給煤量、給水流量、送風量、引風量等。從給煤量改變到引起汽壓變化要經歷很多過程和時間，也是大純滯后系統。這些條件對汽壓控制系統的性能要求高。采用系統如圖所示。用兩個調節器組成串級控制系統，以汽壓負反饋構成主環，以蒸汽流量做前饋和以給煤量做反饋。

構成副環的串級調節系統。用汽壓反饋和給定的偏差做為主調輸入信號，可保證汽壓穩態誤差小，特性好；用蒸汽流量前饋和給煤量反饋與主調輸出的偏差信號輸入副調，副調輸出通過調節爐排轉速調節給煤量，達到控制汽壓的目的，可保證對負荷階躍擾動的快速響應，減小超調量，使過渡過程平穩，縮短調整時間。

5.3煙氣含氧量控制（送風量自動調節）

鍋爐的送風量必須與給煤量成比例地調節。送風量大小不僅影響汽壓，還對鍋爐運行的經濟性（熱效率）影響很大。送風量過大和過小都會降低熱效率。與最高熱效率時的風/煤比相對應，有一個最佳煙氣含氧量（O2最佳）。所以，以煙氣含氧量作為被調量，以（O2最佳）為給定值的送風調節系統是鍋爐運行最經濟的送風調節方案。而且它不受煤種變化的影響。采用煙氣含氧量負反饋系統。

穩態時含氧量反饋與給定相等，偏差為0，即調節器沒有輸入信號，也就沒有輸出信號，操作器沒動作。當鍋爐負荷變化（給煤量也變化）時，含氧量反饋與給定產生了偏差信號輸入調節器，調節器輸出調整送風量，保證風煤燃燒后煙氣中的最佳含氧量。為了減少風量調節的遲延和氧量的波動，以給煤量作前饋。

5.4爐膛出口負壓控制（引風量自動調節）

引風量和送風量需要合理配合。配合合理的標志就是將爐膛出口負壓控制在給定的范圍內。負壓過高和過低影響安全、經濟運行。采用爐膛出口負壓負反饋調節系統。

爐膛出口負壓給定與反饋偏差信號輸入調節器，調節器輸出調節引風量，使爐膛出口煙氣負壓穩定在要求的范圍內。當發生階躍擾動時，為了調節響應快，減小爐膛負壓波動，采用送風量前饋。

5.5除氧器水位控制（進水流量自動調節）

除氧器水位過高影響除氧效果，缺水能造成鍋爐缺水事故。但擾動因素少，對水位波動范圍要求不高。采用單閉環控制系統，

穩態時調節器無水位偏差信號輸入，也無輸出。進水調節閥不動。當鍋爐給水流量變化（階躍擾動）時，給定水位與反饋產生偏差信號輸入調節器，調節器輸出信號作用操作器，調節除氧器進水流量，使水位保持穩定在規定范圍內。

5.6除氧器壓力控制（進氣流量自動調節）

除氧器壓力低，除氧效果下降，壓力高、不安全和浪費能源。

采用單閉環調節系統。當進水流量變化時，壓力反饋與給定值的偏差信號輸入調節器，調節器輸出改變進汽調節閥開度，調節進入除氧器的蒸汽流量，保持除氧器壓力穩定在規定范圍內。

為了減少大氣污染和節約能源，燃氣鍋爐正在逐步取代燃煤鍋爐供電、供熱，如熱電廠既供熱又發電等等，特別在大型冶金企業生產過程中產生的各種煤氣，如高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣等現在基本上都已回收利用。由于各個企業經濟、技術等條件的不同，能源的利用程度等也是有差別的。