基于S7-300 PLC和PROFIBUS DP实现工业锅炉综合控制系统的设计

系统简介

锅炉是是石油化工、电厂等工业过程中非常重要的动力设备。锅炉的工艺流程大概可以概述为：冷流经过除氧器除氧处理之后，在炉膛内吸收燃料释放出来的热量变成一种高温高压气体，并将气体传送到下游工序的一个过程。

本课题采用高级多功能过程控制实训系统（Super Multifunction Process Control Training System，SMPT-1000）中的锅炉单元作为被控对象，其正视图和实物图如图1·1所示，通过控制该仿真锅炉了解与研究工业锅炉控制的特点。

SMPT-1000锅炉正视图和实物图

本课题以西门子公司的SIMATIC S7-300 PLC为控制器，通过硬件组态和PROFIBUS DP通信网络，完成S7-300和SMPT-1000之间的通信组态，实现对锅炉的综合控制。基于STEP7软件编程实现对锅炉各控制回路的控制调节PID参数，进行系统投运。此外，在PLC和上位机之间建立以太网通信，通过易控（INSPEC）监控组态软件组态，实现与PLC之间的通信，从而实现对SMPT-1000锅炉各个部分对象参数的监视，并可在线整定PID参数。本课题最终完成易控监控平台与S7-300 PLC之间、S7-300 PLC与SMPT-1000仿真锅炉之间的通信与控制，实现本课题所要实现的监控层-现场控制层-现场对象之间的三层通讯结构及综合控制，如图1·2所示。

SMPT-1000锅炉控制系统结构图

其中由易控组态软件组态监控平台形成上位机监控环境，通过Ethernet Network通信网络与下位机SIMATIC S7-300 PLC通信。再由下位机PLC通过Profibus DP 通信网络实现对控制对象的综合控制。

SMPT-1000系统构成

SMPT-1000锅炉大体上可以分为4个单元：除氧器单元、炉膛单元、减温器单元和汽包单元。共含有除氧器、上水管网、上汽包、锅炉本体、省煤器、减温器、蒸汽管线等设备，且有21个模拟量和6个开关量检测点。此外还有9个调节阀，5个开关阀，两台泵，一台压缩机的执行机构。

其工艺流程如图1·3所示。

SMPT-1000锅炉工艺流程图

除氧器控制单元

除氧器有两个作用，一是除去软化水中的氧气，另外是防止水源停水，作为一个储水箱，延长锅炉的紧急停运过程。对锅炉的稳定性和安全性具有重要的意义。由此可知，除氧器对软化水的除氧效果影响着整个锅炉设备的安全与寿命，并影响着产品的质量。因而除氧器的控制也是一个至关重要的环节。除氧器水位过高会影响除氧效果，缺水则会影响缺水事故，都会影响着整个锅炉的有效控制，因而在除氧器控制中，以除氧器液位为一个对象参数，施行控制。此外，除氧器的扰动较少，允许液位在一定范围内波动，因此在对除氧器液位回路控制中，采用单闭环控制系统。稳态时调节器无水位偏差信号输入，也无输出，进水阀不动。当锅炉给水流量变化（如阶跃扰动）时，给定水位与反馈产生偏差输入到调节器，调节器输出信号调节给水流量，使水位保持稳定。

基于上述内容，除氧器控制单元包括除氧器液位控制回路和除氧器压力控制回路。

炉膛控制单元

在整个锅炉系统中，炉膛的重要性可想而知，其过热蒸汽所要达到的温度以及压力，均是由送入炉膛中的燃料与风量混合后燃烧释放出来的热量实现的。此外，炉膛压力大小也影响着系统的安全。因而，此处在炉膛控制单元中，把出口蒸汽压力，和炉膛压力作为被控对象予以控制。

减温器控制单元

从工艺流程知道，由炉膛加热软化水生产出来的蒸汽会通过一个减温器，与进料冷料的一个分支进行换热。但由于过热蒸汽要保证出口压力的稳定，而用了燃料进料量来控制。至使不能直接简单的再用燃料量进料量来控制出口蒸汽温度，一般而言，所需要的蒸汽出口压力稳定的情况下，所生产出来的蒸汽温度也基本稳定在所需温度，但当温度有波动时，在保证压力稳定的前提条件下，这里设计用在换热器流过冷料流量大小来控制出口蒸汽温度的稳定。综上可知，这儿以蒸汽出口温度为被控对象，以去减温器的汽包上水量为控制参数，通过调节阀FV1103的开度，调节冷却液流量，以达到出口蒸汽温度的稳定。

汽包控制单元

针对工业锅炉，汽包水位波动的幅度影响锅炉的安全运行，蒸汽压力和稳定性。汽包水位的控制是非常重要的。目前采用的较为普遍的串级三冲量控制系统，即以锅炉蒸汽流量，汽包水位，锅炉给水流量这三个变量，通过2个PID控制器，实现给水的自动控制。

上位机监控平台上位机监控平台

主控画面主控画面

本课题用易控（INSPEC）组态软件进行组态。完成锅炉系统的监控，如图所示，为上位机监控画面的主控画面。

上位机监控主画面

在其中可以监视着整个系统各个部分的参数，并可以通过右下方的控制器板块，进行各控制器参数调整。也可以点击操控平台中的按钮，进行实时曲线，数据显示的集中监控。此外，在进行分块整定PID参数时，可以通过左方按钮点击，进行单一控制区域的参数的监控。

分组控制画面如图：

分组控制画面

例如，除氧器画面，除了可以直观的显示出除氧器液位，还能够监控相关参数，不需要进入集中的数据显示画面，此外还能够在右上方上监视与除氧器相关的全部或部分实时曲线。也可以点击“历史曲线”查看该参数的所有记录曲线。在该画面下，可以点击控制器按钮，打开单一控制器进行PID参数调控。无需进入控制器组画面寻找对应的控制器。

图4•3 除氧器压力控制器画面

控制器组画面

控制器组画面与单一控制器作用差不多，也是对相应PID控制器的参数进行调整，测量值显示，以及控制器手自动切换控制的集中模块。但不同的是这里汇总了本课题锅炉系统的所有控制器，即可以在该画面中调整所用的控制器参数，不必一一打开单一的控制器画面。从而方便在工业上，对大多数回路控制器参数的集中调整。

控制器组画面如图所示：

控制组画面

在控制器组画面下，同样也可以与主控画面，数据显示画面等进行相互切换。方便监控点的切换。

数据显示画面

数据显示画面，顾名思义，是集中显示所有参数的地方，工业上需要集中管理整个系统的所有参数而构建的这一平台。如图所示：

图4•5 数据显示画面

数据显示画面是分为多个模块进行的参数显示的。例如除氧器液位块，就能够清楚的看到除氧器液位测量值，以及其液位给定值。此外，还能够看到影响其液位的软化水流量值以及控制它的阀开值。

曲线画面

实时曲线画面

实时曲线，是显示设定时间范围，各参数变化趋势的一个平台，这里集中了除氧器液位，除氧器压力，汽包液位，蒸汽出口压力，蒸汽出口温度和炉膛压力这六个被控参数，相关的各变量的曲线。为了更好的监控，配置曲线显示时长为两个小时。在每条曲线标注前都添加了复选框，可以通过选中与否控制是否显示对应曲线。以排除过多曲线的干扰，为监控者带来不必要的视觉影响。

图4•6 实时曲线画面

历史曲线画面

历史曲线画面包括曲线显示配置、坐标缩放、刷新、时间配置等等。还有一个公共曲线显示区以及在其下方的曲线具体数值显示块。与实时曲线不同的是，它所显示的曲线，是依赖于实时控制的时候所通过历史记录功能，记录下来的数据构成的曲线。因而它不仅可以显示实时曲线的当前内容，也可以显示超过实时曲线所限定的两小时以外的内容。方便过去历史数据的分析。然而历史曲线并不是自动打开就能够显示，而是需要配置曲线以及查看时间段，且必须基于数据库储存数据才能够有显示作用，因此历史曲线无法取代实时曲线。故本课题在方面实时监控的前提下添加了历史曲线平台，方便更全面的分析实时控制效果以及历史控制曲线趋势。

如图所示：

历史曲线画面

通信连接

易控组态软件与PLC通过SIMATIC公司提供的网络通信软件SIMATIC.NET来实现。要组态易控之前必须先组态SIMATIC.NET软件包下的STATION CONFIGURATION EDITOR木块。打开后在OFFLINE状态下添加Application模块，与STEP7中一样，再添加IE General通信块，地址自动获取为本机地址。返回STEP7软件，在PC工作站栏目下，修改PG-PC interface 为 PC internal 通道，将STEP7中组态的Application应用程序块和IE General通信块下装到STATION CONFIGURATION EDITOR中，进行相应模块的连接。

如下图所示：

Station Configuration Editor组态图

连接完毕后，打开已经构建好的易控工程，在工程栏下的I/O通信下添加SimaticNet通道，CP选择TCP/IP协议下的本机网卡，VFD自动选择由STEP7软件组态的Application模块。然后选择通信对象为以太网S7-300工作站，完成硬件选择。

当完成硬件选择后，针对需要从PLC读入的数据和需要写入PLC的变量个数一一建立对应变量关联表。使得，易控画面中所用到的变量与实际PLC读入的变量真正对应起来。

易控通道组态

易控通信组态变量表

完成变量的关联，整个通信网络建立完成，整个锅炉系统也构建完成。

结论

系统最终实现了以易控监控平台为上位机通过Ethernet以太网与PLC下位机通信，且通过PROFIBUS DP通信网络对SMPT-1000锅炉的综合控制，整个系统控制良好。

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