工業鍋爐是生產過程中的重要動力設備。在石油化工領域，它的主要作用是向各生產裝置提供所需要的合格蒸汽，其控制質量的優劣不僅關系到鍋爐自身運行的效果，而且還將直接影響到相關裝置生產過程的穩定性。

下面以林源煉油廠熱電分廠鍋爐控制系統改造項目為例，介紹力控組態軟件在工業鍋爐控制系統中的應用。

一、現場條件與改造內容

熱電分廠3#、4#鍋爐原控制系統的操作站為兩臺INTEL工控機、WINDOWS 3.1操作系統，組態軟件為INTOUCH5.1，下位機PLC是GE FANUC90-30 PLC。 針對原系統不同程度存在的一些問題，提出了改造的要求，歸納起來主要有以下三個方面的內容：

1、更新操作站，實現雙機冗余操作，具有在線熱備份功能，解決Y2K問題。

2、更換組態軟件，增加報表打印、班組核算、流量計算、報警參數查詢等功能。在保持原操作畫面風格的情況下，重組監控畫面，方便參數修改。

3、增加一部分溫度、壓力等采集點和控制點。根據鍋爐運行狀況，能夠隨時進行手動、自動、串級三種控制方式的無擾動切換。

4、解決Y2K問題。

二、系統設計

用KP工業控制機替換原系統操作站，用力控組態軟件替換原來的INTOUCH5.1軟件，從根本上解決Y2K問題。

硬件連接方法

保留原有的GE FANUC90-30 PLC可編程序控制器，利用其CMM311可配置口和電源模塊SWP321分別與兩臺KP機連接。如圖1所示。

圖1 雙機冗余方案

其中：電源模塊SWP321經SNP接口與1#操作站的RS232串口連接。SNP接口與RS232串口連接的方法見圖2所示；而通訊模塊CMM311則直接與2#操作站RS232串口連接，連接方法見圖3所示。CMM311是專用通訊模塊，它支持GE Fance CMM通訊協定、RTU（Modbus）通訊協定，以及SNP協儀等。

圖2 CMM311通訊模塊接線圖

圖3 SNP321接線圖

雙機冗余操作策略

兩臺操作站中，一臺作為主機，另一臺作從機。當系統首次啟動時，只有主機與PLC建立通訊，從機只有與PLC間的物理通訊鏈路，但不與PLC通訊，從機通過主機讀取PLC的數據，操作人員在從機上發出的控制命令也經主機下達給PLC。正常情況下，操作人員無論在哪個操作站上都能夠正常操作，當從機發現主機出現故障時，便啟動與PLC通訊的程序，由從機變成主機，同時發出系統報警，從而實現雙機實時數據庫的冗余熱備用。

三、軟件設計說明

操作站組態

（1）報表打印

利用力控組態軟件中的"歷史報表"工具，可以方便地實現報表打印功能。

在"數據表"上可以設定報表打印的時間范圍、時間間隔和時間輸出的格式；點名是DB中的變量參數名，填寫時必須和DB數據庫中的變量相對應；格式是用來定義報表中數據長度和小數的位數，如5.2為5位字符長，小數點后有2位小數。

（2）班組核算

班組核算制是目前國內各企業普遍采用的一種經濟管理方式。它是把實際生產中的有關參數取出來，然后按企業確定的核算公式進行計算，從而得到本班組一定時間內的經濟效益。隨著計算機控制系統的普遍應用，管控一體化的要求也日益增加，用數采系統得到的生產數據直接參與核算，不僅消除了繁瑣的人工計算過程和工作強度，而且極大地提高了管理水平。下面著重介紹在該系統中實現班組核算的一般方法。

班組核算是根據送出的蒸汽數量、消耗的煤、油、水等數量，經過核算公式計算，得出一段時間內的經濟效益及各崗位的費用支出，然后根據用戶的要求定時打印班組核算表，并利用數據庫DB把相關參數保存起來。極大地方便了企業對生產的監督。

例如鍋爐控制系統部分的班組核算公式為：

本班有上煤時：
耗煤量=上煤量-[交班（存煤量+存粉量）-接班（存煤量+存粉量）]

本班沒有上煤時：
耗煤量=接班（存煤量+存粉量）-交班（存煤量+存粉量）

單位成本值：
單位成本=（煤耗量*單價+耗電量*單價+除鹽水耗量*單價+瓦斯消耗量*單價+耗油量*單價+耗天然氣量*單價+耗風量*單價+耗氣量*單價+折舊+工資+低值易耗+耗液態烴量*單價+材料消耗+工資附加費+財產保險+勞保）/總發汽量；

貢獻毛利值：
貢獻毛利=總發汽量*（蒸汽單價-單位成本）；

從以上幾個公式可以看出，這樣直接可以看到本月的貢獻毛利，從而得到實際的經濟效益。

四、PLC控制算法設計

鍋爐設備是一個復雜的控制對象，主要輸入變量是負荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風和引風等；主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、爐膛負壓、過剩空氣等。因輸入變量與輸出變量相互關聯，如果蒸汽負荷發生變化，必將會引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度的變化。所以說鍋爐是一個多輸入、多輸出且相互關聯的控制對象，本控制系統將其分為送風系統、爐膛負壓系統、磨煤熱風系統、汽包水位系統、汽包壓力和主汽溫度系統幾部分（見圖4）。

圖4 鍋爐對象簡圖

以汽包水位系統為例，受控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量。它主要考慮汽包內部的物料平衡，使給水量適應鍋爐的蒸發量，維持汽包中水位在工藝允許范圍之內，這是保證鍋爐、汽輪機安全運行的必要條件之一，是鍋爐正常運行的重要指標。

1、汽包水位的動態特性

a.蒸汽負荷（蒸汽流量）對水位的影響，即干擾通道的動態特性。主要是在蒸汽量突然增加時，產生假水位現象。

b.給水流量對水位的影響，即控制通道的動態特性。當給水時，給水溫度和汽包內的水溫相差很大，所以給水量增加后，使汽包中汽泡含量減少，導致水位下降。

c.鍋爐排污、吹灰等對水位也有影響。

2、控制方法

基于汽包水位的特性，我們采用串級控制系統。因本系統受控對象有較大滯后，主控制器采用PID控制。

a.減少干擾對主回路的影響，可由副回路控制器予以校正。
b.由于副回路的存在減少了相位滯后，從而改善了主回路的響應速度。
c.對控制閥特性的變化具有較好的魯棒性。
d.副回路可以按照主回路的需求對對象實施精確控制。

實際PLC的控制程序采用主副回路進行串級控制，即主回路的輸出做為副回路的設定值，經副回路輸出作用于被控對象。也可以不用副回路只用主回路形成單回路調解，或手動操作完成。

a、主調節器
b、串級控制回路算法
c、副調節器
d、PLC程序

本系統共有6個PID回路，除了爐膛負壓和磨煤熱風外均為主、副串級控制，程序的控制算法也是一樣的，只有每個程序中的變量不同，每部分程序主要由兩個PID回路構成，第一個為主回路，第二個為副回路。

五、系統運行情況

該系統自動化程度較高，大大降低了操作者勞動強度，降低了成本，經過近2年的運行，用戶給予了很高評價，認為利用力控開發的上位機監控程序功能完善，綜合性強，人機界面友好，實用性好。