摘 要:
针对工业锅炉自动化技术落后，生产安全性较低，生产效率低下等的问题，结合市场对自动控制系统的需求，本设计利用可编程逻辑控制器西门子S7-400来对工业锅炉系统进行核心控制，利用先进的自动化技术和控制手段设计工业锅炉自动控制系统。本系统设计方案是以PCS7软件和西门子CPU412-5H系列CPU以SMPT-1000设备为基础，以Profibus-DP为通讯协议，利用DCS计算机集散控制系统为整体框架进行系统设计，通过CFC、SFC程序块实现系统程序设计，其中通过CFC块设计系统中温度、压力、流量、液位的自动控制回路，通过SFC块对整个控制流程进行设计，之后再将程序下载入PLC中进行仿真以及调试，通过对PID参数的整定使系统稳定，达到控制需求，从而实现对锅炉系统的精确控制和自动化管理，提高锅炉系统的安全性、稳定性和运行效率。
关键词:工业锅炉;PLC;Profibus-DP;DCS;PID;
Abstract:
Aimed at the problems of backward industrial boiler automation technology, low production safety and low production efficiency, combined with the market demand for automatic control system, programmable logic controller Siemens S7-400 is used for core control of industrial boiler system, and advanced automation technology and control means are used to design industrial boiler automatic control system. The PCS7 software and Siemens CPU412-5H series CPU are used as the foundation of this system, with the SMPT-1000 device as the basis, with Profibus-DP as the communication protocol, and the DCS computer distributed control system as the overall framework for system design, and the system program design is realized through CFC and SFC program blocks. The automatic control loop of liquid level, the whole control process is designed through the SFC block, and then the program is downloaded into the PLC for simulation and debugging, and the system is stable and meets the control requirements through the setting of PID parameters, so as to realize the accurate control and automatic management of the boiler system, and improve the safety, stability and operation efficiency of the boiler system.
Key words: Industrial boiler.;PLC;Profibus-DP;DCS;PID;
1 引言
1.1 工业锅炉过程控制的研究背景
近代以来，科学技术飞速发展，到了20世纪，科学技术在各个领域之中迅速的融合并占据重要地位。尤其是在自动控制和工业生产等领域更为重要，科技对其发展的提供了源源不断的动力。其中，锅炉也由原来的手动控制方式转化成智能的自动化控制[1]。
近年来，环境污染和能源短缺等问题的日益严重，国家的发展政策针对这些问题也相应做出了一些改变，舍弃掉过去以牺牲环境，消耗资源来促进经济增长的生产方式，从而保证工业发展和环境保护同步进行。在这种发展趋势下，工业锅炉的自动化控制要求也被相应的提高[2]。
1.2 工业锅炉过程控制的研究意义
工业锅炉的发展十分必要且有着许多意义，如下所示：
(1)提高生产效率和质量：工业锅炉是工业生产中重要的热能设备，其控制对于生产效率和产品质量至关重要。通过研究基于PLC的过程控制系统，可以实现对锅炉的精确控制，提高燃烧效率，减少能源浪费，从而提高生产效率和产品质量[3-5]。
(2)降低能源消耗和环境污染：目前能源和环境问题已成为人类社会重点关注和急需解决的问题，提高锅炉控制系统回收效率和能源利用率减少环境污染，意义重大[6]。工业锅炉的运行直接影响到能源的消耗和环境的污染。通过优化锅炉的控制系统，可以实现对燃烧过程的精确控制，减少能源消耗，降低排放物的排放，达到节能减排的目的，符合环保要求[7-8]。
(3)提高安全性和稳定性：由于锅炉的内部构造复杂，易被一些外在因素所影响，再加上长期在高温、高压等恶劣环境中长期运转，运行的参数甚至有时被调整到临界或超临界。长期这样下去，锅炉在使用过程中容易出现各种各样的故障[9]。所以，工业锅炉所需具备的安全性和稳定性对于工业生产至关重要。基于PLC的控制系统可以实时监测锅炉的运行状态，及时发现并处理异常情况，提高锅炉的安全性和稳定性，减少事故的发生。
(4)促进自动化和智能化发展：工业锅炉的过程控制是工业自动化和智能化的重要组成部分。通过研究基于PLC的控制系统，可以推动工业锅炉生产过程的自动化和智能化发展，提高生产效率和管理水平。
进行工业锅炉燃烧控制系统的部署，有效监控成本，为流程的查询、报表功能提供方便，将可视化的操作界面提供给相应的操作用户，从而将误操作率进行相应的降低和减少，将使用者的上手时间进行相应的缩短，可以提高操作管理水平，可以避免人为因素失误等现象。此外，在企业掌握工业锅炉运行的使用情况、信息查询方面都有着十分积极的作用，可以将锅炉的利用率进行相应的提高。
工业锅炉的DCS自动控制系统，是近年来研发的一项新技术。工业锅炉采用智能控制算法和DCS控制系统相结合与传统控制相比具有明显的优势[10]。
随着计算机技术的普及，计算机技术被广泛应用于各行各业。工业锅炉的计算机控制是由计算机技术、工业锅炉和自动控制相结合的产物[11]，而本文将介绍以西门子S7-400 PLC为核心控制器，采用用DCS计算机控制系统，通过程序编程实现对工业锅炉过程的自动控制。
1.3 工业锅炉自动控制的发展历史
工业锅炉的自动控制过程是通过显示仪表、检测元件或者其他的自动化设备对工业锅炉的温度、液位、压力、流量等参数进行自动检测，再依据一定的时间、次序、约束条件等要求来对工业锅炉进行自动控制[12]。锅炉的控制技术经历了以下几个阶段：
(1)纯手动阶段：在工业化的早期阶段，锅炉操作主要是手动进行的，操作人员手动控制燃料供应、空气流量和水位。这个时期以简单的开关控制和最低限度的自动化为特征[13]。
(2)基本控制系统的引入：随着工业过程的日益复杂，基本的控制系统被引入以调节锅炉操作。这包括使用机械或气动控制管理燃料和空气流量，以及水位控制[14]。
(3)电子控制系统的进步：随着电子技术的出现，20世纪见证了锅炉过程控制的重大进步。电子控制器取代了机械系统，允许更精确地调节锅炉参数，如温度、压力和水位[15]。
(4)可编程逻辑控制器(PLC)的集成：PLC开始集成到锅炉控制系统中，提供了更大的灵活性和可编程性。这使得更复杂的控制策略得以发展，并实现了安全系统的集成。
(5)分布式控制系统DCS的引入：DCS技术的出现，实现了从单个位置对多个锅炉和相关工艺进行集中控制和监控，这明显提高了工业锅炉操作的协调性和效率。
总的来说，工业锅炉过程控制的发展经历了从手动到自动化系统的渐进演变，这是由技术的进步和对工业过程效率和安全性需求的不断提高所推动的[16]。
2 系统框架设计
2.1 工业锅炉过程控制系统概述
基于PLC的工业锅炉过程控制系统方案设计包括确定系统架构、选择传感器、设计控制策略、编写PLC程序、集成安全保护、实现通讯和远程监控，以及进行系统测试与调试。系统主要考虑安全性、稳定性和效率，并根据实际情况进行调整和优化。
本系统设计方案是基于PCS7软件、西门子412-5H系列CPU和SMPT-100设备为基础，采用DCS分散控制系统为控制系统。根据项目工程要求进行分析，工艺分析、开车步骤设计及控制系统设计等。本系统设计以安全性为第一考虑要素，争对不同的产品特性和反应进行不同的控制思路。
整个系统设计的特点主要体现在以下几个方面：
(1)控制方案充分的考虑被控变量的物料特性，针对不同的控制物料特性采用不同的控制思路，设计不同的控制方案。
(2)方案设计以安全性第一为原则在进行方案设计中对于所控对象预留了10%-15%的安全余量。
2.2 系统I/O配置
本系统设计以SMPT-100设备为基础，该设备包含阀门、显示仪表、混合罐、反应器、闪蒸罐等设备，其中各种智能显示仪表需要与PLC进行数据交互，为此需要将各个参数进行地址配置编写，配置如表2.1所示：
位号
说明
仪表下限
仪表上限
类型
地址
FI1106
产品D混合物流量
0
40
模拟量输出
IW+0
FI1101
原料A流量
0
12
模拟量输出
IW+2
FI1102
原料B流量
0
6
模拟量输出
IW+4
FI1103
原料混合进料流量
0
20
模拟量输出
IW+6
FI1104
催化剂C流量
0
3
模拟量输出
IW+8
FI1105
反应生成液流量
0
40
模拟量输出
IW+10
FI1107
闪蒸罐顶部物料出口流量
0
10
模拟量输出
IW+12
FI1201
反应器R101夹套循环上水流量
0
60
模拟量输出
IW+14
FI1202
反应器R101夹套加热蒸汽流量
0
10
模拟量输出
IW+16
FI1203
冷凝器E102循环上水流量
0
25
模拟量输出
IW+18
LI1101
混合罐V101液位
0
100
模拟量输出
IW+20
LI1102
反应器R101液位
0
100
模拟量输出
IW+22
LI1201
闪蒸罐V102液位
0
100
模拟量输出
IW+24
TI1101
混合罐V101温度
0
100
模拟量输出
IW+26
TI1102
取消
0
100
模拟量输出
IW+28
TI1103
反应器R101温度
0
200
模拟量输出
IW+30
TI1104
闪蒸罐V102温度
0
200
模拟量输出
IW+32
TI1105
物料E102冷凝后温度
0
200
模拟量输出
IW+34
TI1201
反应器R101夹套循环回水温度
0
200
模拟量输出
IW+36
TI1202
反应器R101夹套加热蒸汽凝结水温度
0
200
模拟量输出
IW+38
PI1101
冷凝罐压力
0
350
模拟量输出
IW+40
PI1102
反应器压力
0
250
模拟量输出
IW+42
PI1103
闪蒸罐压力
0
250
模拟量输出
IW+44
FI1108
循环物料流量
0
5
模拟量输出
IW+46
LI1202
冷凝罐V103液位
0
100
模拟量输出
IW+48
TI1203
冷凝罐V103温度
0
200
模拟量输出
IW+50
AI1101
产物中产品D含量
0
100
模拟量输出
IW+52
FV1106
闪蒸罐V102底部产品D管线阀门
0
100
模拟量输入
QW+0
PV1101
闪蒸罐V102顶部循环原料A管线阀门
0
100
模拟量输入
QW+2
FV1101
原料A管线阀门
0
100
模拟量输入
QW+4
FV1102
原料B管线阀门
0
100
模拟量输入
QW+6
FV1103
混合罐V101底部混合进料管线阀门
0
100
模拟量输入
QW+8
FV1104
催化剂C管线阀门
0
100
模拟量输入
QW+10
S1101
变频真空泵频率
0
100
模拟量输入
QW+12
FV1105
反应器R101底部反应生成液管线阀门
0
100
模拟量输入
QW+14
PV1102
闪蒸罐顶抽真空阀门
0
100
模拟量输入
QW+16
FV1108
循环物料管线阀门
0
100
模拟量输入
QW+18
FV1204
冷凝器E102冷却水阀门
0
100
模拟量输入
QW+20
FV1201
反应器R101夹套循环上水管线阀门
0
100
模拟量输入
QW+22
FV1202
反应器R101夹套加热蒸汽管线阀门
0
100
模拟量输入
QW+24
FV1203
反应器R101夹套循环回水至界区管线阀门
0
100
模拟量输入
QW+26
HS1106
循环泵开关
数字量输入
Q+2.0
XV1101
抑制剂管线阀门
0
100
数字量输入
Q+2.1
XV1102
冷凝罐排气阀
0
100
数字量输入
Q+2.2
HS1105
D输送泵P105开关
数字量输入
Q+2.3
XV1105
反应器R101夹套凝结水管线阀门
0
100
数字量输入
Q+2.4
HS1101
A进料泵P101开关
0
100
数字量输入
Q+2.5
HS1102
B进料泵P102开关
0
100
数字量输入
Q+2.6
HS1103
催化剂输送泵P103开关
0
100
数字量输入
Q+2.7
HS1104
真空泵P104开关
0
100
数字量输入
Q+3.0
表2.1 系统I/O配置表
在数据的传输过程中，主要用到的数据类型分别数字量输入\\输出以及模拟量输入\\输出，通过对各个参数的地址配置后，可在程序中将各数据与各个回路中进行连接配对，从而做到高效精准地控制。
