基于組態軟件的燃氣鍋爐自動控制系統

基于組態軟件的燃氣鍋爐自動控制系統

概述

系統研發的目的是通過改造燃氣鍋爐的電控系統，精確匹配燃氣鍋爐輸出溫度與反應釜需要的溫度，達到節約能源的效果。

當前我國為了保護環境，改善空氣質量，正在推進把燃煤鍋爐改造為天然氣鍋爐的工作，而天然氣的價格大大高于煤炭，幾乎是煤炭價格的四倍，所以通過技術改造減少鍋爐燃料消耗的需求變得日益迫切。

樹脂生產工廠生產樹脂的過程是這樣的：將特定原料投入反應釜，根據溫控曲線控制溫度的升降和保持，使原料發生化學反應，化學反應的產物就是需要的樹脂產品。

樹脂生產廠的鍋爐通過燃燒天燃氣產生上述化學反應所需要的熱量，鍋爐原有的控制系統只能輸出恒定的溫度，而反應釜所需的溫度是根據時間變化的，這樣有大量的熱量被白白浪費掉，如果燃氣鍋爐的輸出溫度能根據反應釜需要的溫度變化而變化，就能節約大量的天然氣，從而產生顯著的經濟效益。

系統需求分析

在進行系統的設計之前需要知道系統應具備的功能，系統設計人員在樹脂生產廠向生產主管和工廠負責人詳細了解了現有設備的結構功能，控制接口，在此基礎上設計新控制系統。

樹脂生產廠的燃氣鍋爐房距生產車間二百米左右，生產車間有四個反應釜，燃氣鍋爐通過加熱油向反應釜供熱。

現有燃氣鍋爐的電控設備輸入溫度傳感器信號和壓力傳感器信號，輸出關火控制信號，開大火控制信號和開小火控制信號，通過電控系統的終端，可以設置輸出溫度，大小火轉換溫度，控制流程如下圖所示：

現有燃氣鍋爐的電控設備控制流程是這樣的：

控制系統比較溫度傳感器的溫度與輸出溫度設置值，如果大于該值，則輸出關火控制信號；如果小于該值，則與大小火轉換溫度設置值比較，如果大于該值則輸出開小火控制信號，反之輸出開大火控制信號。

控制系統比較壓力傳感器的壓力值與最大壓力設置值，如果大于該值，則輸出關火控制信號。

了解了原有燃氣鍋爐電控系統的功能，才能根據用戶的需求得到新的燃氣鍋爐電控系統的功能，結構，性能指標。

新的燃氣鍋爐電控系統應具有如下功能：

控制終端計算機位于生產車間，與位于燃氣鍋爐室的控制端通過控制電纜相連。

在控制終端上預先設置四個反應釜的溫控曲線，根據控制模型計算出燃氣鍋爐的溫度輸出隨時間變化的曲線。

計算機根據燃氣鍋爐溫控曲線生成控制信號，通過電纜將控制信號傳輸至燃氣鍋爐的控制端，控制燃氣鍋爐的大小火點火開關和關閉開關。

顯示并存儲燃氣鍋爐溫度輸出曲線，并可以隨時調用查看。

可在控制終端計算機上設置控制系統的參數。

用戶權限管理，只有經過授權的工作人員才能進行相應的操作。

確定了新控制系統的功能后即可進行系統的概要設計。

系統概要設計

系統功能框圖

系統設計的原則是盡量采用成熟的軟件平臺和儀表，以減少軟件和硬件的工作量，提高系統的可靠性。

系統功能框圖如下圖所示：

在燃氣鍋爐房安裝一臺巡檢儀，用于采集燃氣鍋爐傳感器的壓力、溫度數據。

巡檢儀是一種工業測控儀表，它可以與各類傳感器、變送器配合使用，可對多路溫度、壓力、液位、流量、重量、電流、電壓等工業過程參數進行巡回檢測、報警控制、變送輸出、數據采集及通訊。

巡檢儀采集的壓力和溫度數據通過RS485總線傳輸到位于車間的控制終端，控制終端上的組態軟件接受到燃氣鍋爐的壓力和溫度數據后，結合反應釜工作需要的溫度，輸出控制信號，通過RS485總線傳輸到位于車間的執行單元控制燃氣鍋爐的大火控制開關，小火控制開關以及關火開關。系統框圖如下圖所示：

考慮到系統的通訊實時性、數據量的大小、通訊的安全可靠，通訊物理層采用 RS485，這是一種簡單方便的通訊方式，通常在通訊速率要求不高、數據量不大場合使用。

控制終端計算機選型

位于生產車間的控制終端計算機可選用研華工控機，操作系統為windows 7。

研華科技是全球電子平臺服務的領導廠商，中國臺灣企業，自1983年創立以來，研華致力于工業計算機和自動化領域的創新，發展和提供高品質/高性能電子產品和服務。經過 30 多年的發展，研華在電子平臺服務市場積累了豐富的經驗，并引領工業發展方向，為全球用戶提供全套硬件解決方案。

工具軟件選型

20 世紀 70 年代以來，集散控制系統和現場總線技術取得了突飛猛進的發展，伴隨著控制技術的進步和 Window 操作系統的普及， 組態軟件漸漸被控制工程師們所熟知。組態軟件專注于工業過程控制、信息采集處理，用戶可以根據工業現場情況自由地設計、開發上位機界面，以滿足現場監控要求。

上位機監控軟件選用北京亞控公司 Kingview，組態王提供便捷的圖庫、強大的腳本系統、曲線報表及 Web 功能。有利于用戶短時間內開發出監控畫面，提高開發效率。

如果不使用組態軟件，系統工程師在設計實際人機界面時，往往采用 VB、VC++等編程語言實現，開發周期漫長，可靠性差、可擴展性差，不利于系統的再次維護。并且不同系統開發工程師編程思路的不同，造成系統下一步升級和擴展難度加大。而組態軟件的出現，極大的簡化這一難題，通過組態軟件可以方便設計出性能穩定可靠、界面美觀實用的監控系統，用戶自己也可輕易上手，極大的降低了系統維護、培訓等成本。

組態軟件主要有以下功能：

1、出色的兼容性。組態軟件支持各種通訊協議如：工業以太網、Profibus、Modbus、OPC 等。通過組態軟件可以方便的建立上位機與板卡、智能儀表、變頻器、PLC 等設備的通訊，免去了編寫、調試通訊驅動程序的寶貴時間，從而建立現場設備、控制器之間穩定可靠的數據通訊。

2、 畫面組態方便實用。 組態軟件移植了 Windows 系統下的各種工具欄、 菜單、按鈕等，非常方便用戶上手。組態軟件提供各種圖庫、控件、動畫連接供用戶組態開發，使用戶開發出生動形象的監控畫面。同時腳本程序極大豐富組態軟件所能實現的控制功能。

3、強大的數據庫。數據庫存儲數字量、模擬量、字符型等數據，組態軟件可以快速存取可讀寫數據，實現與外部控制器的數據交互。

組態王的使用可以極大的減少了監控系統的開發時間，使設計工程師能在最短的時間內開發出穩定高效的控制界面。

組態的畫面將生產現場、信息呈現給控制工程師，供控制工程師參與控制和決策。

本次系統采用的組態王版本為 Kingview6.55。

Kingview6.55 功能特點如下：

提供功能強大的可視化人機界面，圖庫新穎，對象屬性強大實用。

事件報警處理及時方便，并對數據實施歸檔保存，方便查閱。

腳本語言實用強大，使用戶輕易實現復雜的邏輯和決策處理。

支持各種常見的通訊網絡，支持常見的 PLC、智能儀表、變頻器、智能模塊等硬件。

變量導入、替換功能非常人性化。變量可以通過 excel導入導出。變量可以導出至excel 表格中，方便對名稱等屬性進行修改。然后再導入新的項目中，節省開發時間，實現變量的二次利用。

控制軟件設計

進入組態軟件Kingview 工程管理器，選中相應的項目，點擊運行按鈕，即進入系統運行畫面，它是項目運行的默認畫面。畫面的左側為功能導航區，組態了開始控制、生成溫控曲線、退出按鈕，點擊相應的按鈕，可執行相應功能。該畫面模擬了反應釜溫控曲線，燃氣鍋爐溫度輸出曲線等情況。點擊退出按鈕即可退出 Kingview。

進入運行畫面后，首先載入各個反應釜的溫控曲線，按“生成溫控曲線”按鈕，即可生成燃氣鍋爐的溫控曲線，再按“開始控制”按鈕，即可開始控制燃氣鍋爐的工作。

結束語

本燃氣鍋爐電控系統具有自動化、網絡化和實時監控的特點，具有硬件穩定、人機界面友好、通訊實時性高等優點，在提高廠方勞動生產率的同時為企業創造更大的經濟效益。本控制系統技術先進，可以為其他同類型企業提供借鑒和參考，極具推廣意義。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.015