泓格I－8000在鍋爐智能控制系統中的應用

王 波
摘要：為了提高上海柴油機股份有限公司生產保障中心20t/h鍋爐（以下簡稱上柴鍋爐）系統的智能控制和管理水平，保證蒸汽高產量、高效率生產，合理控制燃燒，提高鍋爐的熱效率，采用泓格公司的I－87K以及I－8000 ICPDAS模塊對鍋爐采用智能控制技術，進行了設備改造，智能控制系統的功能以及可靠性、安全性都達到了用戶的要求，各項技術指標都達到或超過預期的目標。
關鍵詞：I－87K I－8000
1 系統開發的必要性
上海柴油機股份有限公司生產保障中心20t/h鍋爐的原控制系統因各種客觀原因，系統經常出現自控系統故障而采用手操運行。為了進一步提高工作狀態參數的實時綜合監控和智能控制水平以及加強鍋爐技術的管理水平，及時發現并處理設備可能存在的隱患或發生的故障，提高鍋爐的系統的安全性，必須實施鍋爐控制系統的智能控制和管理。同時，在上柴鍋爐的控制系統中包括汽包液位控制，爐膛負壓控制，蒸汽壓力控制（包括爐排和送風），除氧系統中的蒸汽壓力和液位的控制。但傳統的自動控制不能滿足客戶的要求，加之鍋爐控制系統的復雜和安全性要求，急需對現有的設備和系統進行改造。為此，我們利用了泓格I－87K以及I－8000 ICPDAS模塊對上柴廠的兩臺供熱鍋爐采用了智能控制方式，其應用效果十分明顯。
2 工作原理
2.1 常規控制的弊端和智能控制的必要性
作為鍋爐控制設備和控制系統，其首要保證的是安全性，其安全因素包括鍋爐的蒸汽壓力，鍋爐內的液位，以及燃燒系統的引風和送風的控制。上柴鍋爐的蒸汽主要用于生產、供熱、后勤服務等。尤其在生產上，廠內的蒸汽壓縮機以及一些數控機床對蒸汽的壓力要求比較的高，蒸汽壓力的過高會增加對機器設備損傷，蒸汽壓力的過低又不能正常啟動設備，都對生產和生產設備造成很大的負面影響。而一些后勤服務主要是對蒸汽流量的要求，蒸汽流量不夠將會使后勤服務的質量跟不上。所以基于上柴鍋爐的特性，同時要保證蒸汽流量和蒸汽壓力，而在鍋爐系統中，蒸汽壓力和蒸汽流量之間是相互聯系的，當蒸汽流量發生變化時，勢必蒸汽壓力會產生變化。常規控制中，系統只是將各個回路作為單回路來控制，各個回路之間是相對獨立的，不能同時保證蒸汽壓力和蒸汽流量的穩定，這樣不僅會損傷廠內重要生產設備，還不能夠很好的保證供熱和后勤服務，這對企業帶來了較大的經濟損失。在全國鍋爐行業中，對鍋爐的最基本、最重要的要求是安全性。常規控制中，只是列出一些重要參數的報警顯示，并沒有在系統軟件方面對報警點做相應的處理，這給鍋爐的安全性帶來了安全方面的隱患。所以，對鍋爐的智能改造是很有必要的。
假如采用智能控制系統，效果則會完全不一樣。在智能控制系統中，采用模糊控制技術，將鍋爐系統的各個回路都聯系在一起，只要其中一個參數發生了變化，其他的參數會提前作出相應的變化。在鍋爐的系統中，首先發生變化的是蒸汽流量的變化，而蒸汽流量的變化會使蒸汽壓力發生變化，蒸汽壓力的變化同時會對汽包液位、爐膛負壓產生一定的影響。當系統檢測到蒸汽流量發生變化時，會在第一時間內作出一系列的參數的調整，以保證蒸汽流量變化后蒸汽壓力、爐膛負壓及其他參數的穩定。而在智能控制系統中，對安全方面也作出了比較全面的技術處理，對一些非重要參數做聲光報警并記錄，而對一些重要參數，如蒸汽壓力的過高、汽包液位的過高、汽包液位的過低、爐膛負壓的過高等，系統會依據參數的類型，作出相應的處理，當涉及到安全方面，如蒸汽壓力過高、汽包液位過高、汽包液位過低，系統會停爐并伴有聲光報警，當系統的安全參數解除時，系統會自動的切除停爐設定，并自動切到智能控制。智能控制系統會合理的控制燃燒回路，為燃料配置合理的空氣量，以保證燃料的充分燃燒，提高鍋爐的熱效率和環保。目前，經有關專業部門的鑒定，鍋爐的灰渣含碳量均低于14％，含氧量在8％左右，具有相當的水平。
2.2 系統架構
根據上述分析的智能控制技術，控制系統必須有穩定的控制器和相應穩定性和精度高的控制模塊，由于鍋爐系統的安全性要求高，不準許發生任何意外情況，而這就對現場各信號的采集精度及模塊的穩定性有相當的要求。采用普通的信號采集模塊顯然時不行的，而國外知名模塊的價格也相當昂貴，而泓格的I－8000系列的模塊具有國外同類知名模塊的功能，而且價格比較的適中，同時他的體積比較小，便于現場的安裝，滿足設計要求。為此，我們選用了相應功能的模塊來完成采集和控制任務。在模擬量采集方面，我們選用了I－87018模塊，它是8路差動輸入模塊，可高精度的采集現場過來的電壓或電流信號；在熱電歐信號方面，我們采用了I－87013模塊，它可同時采集4路毫伏信號；在控制輸出方面，我們采用4路電壓或電流輸出的I－87024，實時的將控制信號傳送給執行機構；在數字量采入方面，我們采用I－87053，它具有16路的開關量采集點；在數字量控制方面，我們采用了16路I－87057，它可實現相應的控制開關的控制。
基于鍋爐控制系統的安全因素，為便于“集中管理，分布控制”，本智能控制系統采用了控制和管理分開的方式，這樣即使管理機發生故障或因人為操作等原因造成管理機不能正常工作，但這不影響控制機的工作。在智能控制系統中，我們的管理機和控制機是相互聯系又相互獨立的。控制機主要是控制鍋爐的正常運行，控制機沒有人機接口界面；管理機主要是實時的記錄鍋爐系統內的各個參數、報警記錄等，并完成報表和經濟量的記錄。本智能控制系統現場兩臺鍋爐的管理機可以通過以太網分別操作不同的控制機，現場的操作人員只是通過管理機進行一些相應的操作，并實時的了解鍋爐的運行狀態。在圖一所示的架構圖上，I－7520與I－8000模塊采用的是RS－485通信、I－7520與工控機之間采用了RS－232通信，而控制計算機之間是通過以太網相連并通信，從而實現了分級控制、分級管理，充分考慮了鍋爐的安全性，是一種比較優良的智能控制系統。
2.3 鍋爐智能控制系統調節過程
在鍋爐燃燒過程中，各項技術指標都要求限定在一定的范圍內。為了確保燃燒過程的穩定、可靠和經濟運行，我公司采用先進的智能控制技術，由泓格I－8000系列模塊中的I－87013、I－87017、I－87053等自動檢測各路溫度壓力等信號，經信號處理，隔離放大，A/D轉換后輸入計算機運算、判斷、分析、處理后，發出各控制信號。經RS－485轉換后，再由泓格I－8000系列模塊中的I－87024、I－87057等輸出，控制鼓、引風機和爐排轉速，改變鼓、引風量和給煤量，使爐膛負壓、汽包水位及蒸汽壓力控制在預定的范圍內，保證鍋爐燃燒在最佳工況和最節能條件下運行。
2.4 智能控制系統功能
本智能控制系統能自動地完成對給水 、給煤、送風、引風等進出鍋爐的物料量的自動控制，使鍋爐的汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、風煤配比系數，煙氣含量、爐膛負壓等運行參數維持在規定的最佳數值附近，以保證鍋爐的安全運行、平穩操作達到降低煤耗，節約電能提高供汽質量的目的。
1、 風機、引風機及爐排電機均實現軟啟動；
2、 變頻調速系統能夠自動控制鍋爐的燃燒工況，在負載變化時結合專家智能與計算機的控制，保證鍋爐的最佳運行工況；
3、 變頻調速系統保證在負載調節過程中，爐膛負壓恒定不變，而給煤量與供氧量隨負荷的變化自動控制在最佳值。
4、 能夠自動根據用戶熱量需求的變化，調節供熱量，實現精確供熱，從而實現綜合節能。
2.5 效益分析
本智能控制系統應用后，實現了鍋爐全自動控制，自動運行率達到95％以上，基本實現了無人操作；運用傳統的三沖量加智能控制技術，鍋爐的汽包水位穩態偏差在正負15mm以內；在外界負荷變化的情況下，鍋爐的蒸汽壓力穩態偏差在正負50KPa以內；爐膛壓力的穩態偏差小于正負10Pa；由于本智能控制系統實現了合理燃燒，灰渣含碳量小于14.5％（負荷率80％～100％）。本智能控制系統投運以后保證了鍋爐的安全運行、平穩操作達到降低煤耗，提高供汽質量，深受上柴廠生產保障中心的喜愛。下圖為生產過程中的歷史曲線。


圖 智能控制下的歷史曲線
3 所選模塊特性
3.1 I－8000的I/O擴展模塊單元I－87K9
◆支持串行I/O模塊 ◆RS－485最大115.2K bps
◆兼容16C550，16字節FIFO ◆直接驅動256個I－7000模塊
◆ 最大距離4000英尺（1.2Km） ◆隔離電壓：2500VDC
3.2 模擬輸入模塊I－87017
◆8路模擬差分輸入 ◆輸入阻抗：20M歐
◆采樣率：10Hz ◆C.M.R.：86dB
◆過壓保護：－35～＋35V ◆隔離：3000Vrms
3.3 RTD輸入模塊 I－87013
◆4路RTD（熱電阻）差分輸入 ◆輸入類型：2/3/4線RTD
◆精度：＋/－0.1% ◆采樣速率：10Hz
◆C.M.R.：150dB@50/60Hz ◆隔離：3000Vrms
3.4 模擬輸出模塊 I－87024
本智能控制系統中，除了控制一些變頻調速以外，還要控制一些非變頻調速的電機，泓格提供的I－87024是4路隔離模擬量輸出模塊，它不僅能提供＋/－10V、0～10V、＋/－5V、0～5V的電壓輸出，還能夠提供0～20mA/4～20mA的電流輸出，這樣智能控制系統不僅可以用I－87024的模擬輸出信號，給變頻器提供0～10V的控制信號，還可以用I－87024給一些非變頻的控制對象提供4～20mA的控制信號。由于I－87024控制精度是滿量程的＋/－0.1%，還具有14位的分辨率，采用了光電隔離方式，從而提高了智能控制系統的特性，保護了智能控制系統。
4 應用體會
泓格公司提供的I－8000系列模塊在安全性要求極高的鍋爐系統中能夠穩定的運行，且故障率極低，說明其品質是可靠的。最重要的是泓格產品具有雙重“看門狗”以及運行可靠的總線隔離系統，極大的提高了系統的可靠性以及運行的穩定性。泓格公司給開發者提供了極為便利的開發環境，為其產品提供了完善的設備接口驅動（如I－8000庫函數以及OPC服務器等），并提供了大量的例程，便于程序開發人員的參考，所有這些均有利于降低開發者的開發時間，提高開發的效率。智能控制系統投入運行，不僅自動地完成對給水 、給煤、送風、引風等進出鍋爐的物料量的自動控制，使鍋爐的汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、風煤配比系數，煙氣含量、爐膛負壓等運行參數維持在規定的最佳數值附近，保證鍋爐的安全運行、平穩操作達到降低煤耗，節約電能提高供汽質量，并且提高了用戶對鍋爐設備的管理水平，取得了良好的經濟效益。