泓格I－8000在锅炉智能控制系统中的应用

王 波
摘要：为了提高上海柴油机股份有限公司生产保障中心20t/h锅炉（以下简称上柴锅炉）系统的智能控制和管理水平，保证蒸汽高产量、高效率生产，合理控制燃烧，提高锅炉的热效率，采用泓格公司的I－87K以及I－8000 ICPDAS模块对锅炉采用智能控制技术，进行了设备改造，智能控制系统的功能以及可靠性、安全性都达到了用户的要求，各项技术指标都达到或超过预期的目标。
关键词：I－87K I－8000
1 系统开发的必要性
上海柴油机股份有限公司生产保障中心20t/h锅炉的原控制系统因各种客观原因，系统经常出现自控系统故障而采用手操运行。为了进一步提高工作状态参数的实时综合监控和智能控制水平以及加强锅炉技术的管理水平，及时发现并处理设备可能存在的隐患或发生的故障，提高锅炉的系统的安全性，必须实施锅炉控制系统的智能控制和管理。同时，在上柴锅炉的控制系统中包括汽包液位控制，炉膛负压控制，蒸汽压力控制（包括炉排和送风），除氧系统中的蒸汽压力和液位的控制。但传统的自动控制不能满足客户的要求，加之锅炉控制系统的复杂和安全性要求，急需对现有的设备和系统进行改造。为此，我们利用了泓格I－87K以及I－8000 ICPDAS模块对上柴厂的两台供热锅炉采用了智能控制方式，其应用效果十分明显。
2 工作原理
2.1 常规控制的弊端和智能控制的必要性
作为锅炉控制设备和控制系统，其首要保证的是安全性，其安全因素包括锅炉的蒸汽压力，锅炉内的液位，以及燃烧系统的引风和送风的控制。上柴锅炉的蒸汽主要用于生产、供热、后勤服务等。尤其在生产上，厂内的蒸汽压缩机以及一些数控机床对蒸汽的压力要求比较的高，蒸汽压力的过高会增加对机器设备损伤，蒸汽压力的过低又不能正常启动设备，都对生产和生产设备造成很大的负面影响。而一些后勤服务主要是对蒸汽流量的要求，蒸汽流量不够将会使后勤服务的质量跟不上。所以基于上柴锅炉的特性，同时要保证蒸汽流量和蒸汽压力，而在锅炉系统中，蒸汽压力和蒸汽流量之间是相互联系的，当蒸汽流量发生变化时，势必蒸汽压力会产生变化。常规控制中，系统只是将各个回路作为单回路来控制，各个回路之间是相对独立的，不能同时保证蒸汽压力和蒸汽流量的稳定，这样不仅会损伤厂内重要生产设备，还不能够很好的保证供热和后勤服务，这对企业带来了较大的经济损失。在全国锅炉行业中，对锅炉的最基本、最重要的要求是安全性。常规控制中，只是列出一些重要参数的报警显示，并没有在系统软件方面对报警点做相应的处理，这给锅炉的安全性带来了安全方面的隐患。所以，对锅炉的智能改造是很有必要的。
假如采用智能控制系统，效果则会完全不一样。在智能控制系统中，采用模糊控制技术，将锅炉系统的各个回路都联系在一起，只要其中一个参数发生了变化，其他的参数会提前作出相应的变化。在锅炉的系统中，首先发生变化的是蒸汽流量的变化，而蒸汽流量的变化会使蒸汽压力发生变化，蒸汽压力的变化同时会对汽包液位、炉膛负压产生一定的影响。当系统检测到蒸汽流量发生变化时，会在第一时间内作出一系列的参数的调整，以保证蒸汽流量变化后蒸汽压力、炉膛负压及其他参数的稳定。而在智能控制系统中，对安全方面也作出了比较全面的技术处理，对一些非重要参数做声光报警并记录，而对一些重要参数，如蒸汽压力的过高、汽包液位的过高、汽包液位的过低、炉膛负压的过高等，系统会依据参数的类型，作出相应的处理，当涉及到安全方面，如蒸汽压力过高、汽包液位过高、汽包液位过低，系统会停炉并伴有声光报警，当系统的安全参数解除时，系统会自动的切除停炉设定，并自动切到智能控制。智能控制系统会合理的控制燃烧回路，为燃料配置合理的空气量，以保证燃料的充分燃烧，提高锅炉的热效率和环保。目前，经有关专业部门的鉴定，锅炉的灰渣含碳量均低于14％，含氧量在8％左右，具有相当的水平。
2.2 系统架构
根据上述分析的智能控制技术，控制系统必须有稳定的控制器和相应稳定性和精度高的控制模块，由于锅炉系统的安全性要求高，不准许发生任何意外情况，而这就对现场各信号的采集精度及模块的稳定性有相当的要求。采用普通的信号采集模块显然时不行的，而国外知名模块的价格也相当昂贵，而泓格的I－8000系列的模块具有国外同类知名模块的功能，而且价格比较的适中，同时他的体积比较小，便于现场的安装，满足设计要求。为此，我们选用了相应功能的模块来完成采集和控制任务。在模拟量采集方面，我们选用了I－87018模块，它是8路差动输入模块，可高精度的采集现场过来的电压或电流信号；在热电欧信号方面，我们采用了I－87013模块，它可同时采集4路毫伏信号；在控制输出方面，我们采用4路电压或电流输出的I－87024，实时的将控制信号传送给执行机构；在数字量采入方面，我们采用I－87053，它具有16路的开关量采集点；在数字量控制方面，我们采用了16路I－87057，它可实现相应的控制开关的控制。
基于锅炉控制系统的安全因素，为便于“集中管理，分布控制”，本智能控制系统采用了控制和管理分开的方式，这样即使管理机发生故障或因人为操作等原因造成管理机不能正常工作，但这不影响控制机的工作。在智能控制系统中，我们的管理机和控制机是相互联系又相互独立的。控制机主要是控制锅炉的正常运行，控制机没有人机接口界面；管理机主要是实时的记录锅炉系统内的各个参数、报警记录等，并完成报表和经济量的记录。本智能控制系统现场两台锅炉的管理机可以通过以太网分别操作不同的控制机，现场的操作人员只是通过管理机进行一些相应的操作，并实时的了解锅炉的运行状态。在图一所示的架构图上，I－7520与I－8000模块采用的是RS－485通信、I－7520与工控机之间采用了RS－232通信，而控制计算机之间是通过以太网相连并通信，从而实现了分级控制、分级管理，充分考虑了锅炉的安全性，是一种比较优良的智能控制系统。
2.3 锅炉智能控制系统调节过程
在锅炉燃烧过程中，各项技术指标都要求限定在一定的范围内。为了确保燃烧过程的稳定、可靠和经济运行，我公司采用先进的智能控制技术，由泓格I－8000系列模块中的I－87013、I－87017、I－87053等自动检测各路温度压力等信号，经信号处理，隔离放大，A/D转换后输入计算机运算、判断、分析、处理后，发出各控制信号。经RS－485转换后，再由泓格I－8000系列模块中的I－87024、I－87057等输出，控制鼓、引风机和炉排转速，改变鼓、引风量和给煤量，使炉膛负压、汽包水位及蒸汽压力控制在预定的范围内，保证锅炉燃烧在最佳工况和最节能条件下运行。
2.4 智能控制系统功能
本智能控制系统能自动地完成对给水 、给煤、送风、引风等进出锅炉的物料量的自动控制，使锅炉的汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温度、风煤配比系数，烟气含量、炉膛负压等运行参数维持在规定的最佳数值附近，以保证锅炉的安全运行、平稳操作达到降低煤耗，节约电能提高供汽质量的目的。
1、 风机、引风机及炉排电机均实现软启动；
2、 变频调速系统能够自动控制锅炉的燃烧工况，在负载变化时结合专家智能与计算机的控制，保证锅炉的最佳运行工况；
3、 变频调速系统保证在负载调节过程中，炉膛负压恒定不变，而给煤量与供氧量随负荷的变化自动控制在最佳值。
4、 能够自动根据用户热量需求的变化，调节供热量，实现精确供热，从而实现综合节能。
2.5 效益分析
本智能控制系统应用后，实现了锅炉全自动控制，自动运行率达到95％以上，基本实现了无人操作；运用传统的三冲量加智能控制技术，锅炉的汽包水位稳态偏差在正负15mm以内；在外界负荷变化的情况下，锅炉的蒸汽压力稳态偏差在正负50KPa以内；炉膛压力的稳态偏差小于正负10Pa；由于本智能控制系统实现了合理燃烧，灰渣含碳量小于14.5％（负荷率80％～100％）。本智能控制系统投运以后保证了锅炉的安全运行、平稳操作达到降低煤耗，提高供汽质量，深受上柴厂生产保障中心的喜爱。下图为生产过程中的历史曲线。


图 智能控制下的历史曲线
3 所选模块特性
3.1 I－8000的I/O扩展模块单元I－87K9
◆支持串行I/O模块 ◆RS－485最大115.2K bps
◆兼容16C550，16字节FIFO ◆直接驱动256个I－7000模块
◆ 最大距离4000英尺（1.2Km） ◆隔离电压：2500VDC
3.2 模拟输入模块I－87017
◆8路模拟差分输入 ◆输入阻抗：20M欧
◆采样率：10Hz ◆C.M.R.：86dB
◆过压保护：－35～＋35V ◆隔离：3000Vrms
3.3 RTD输入模块 I－87013
◆4路RTD（热电阻）差分输入 ◆输入类型：2/3/4线RTD
◆精度：＋/－0.1% ◆采样速率：10Hz
◆C.M.R.：150dB@50/60Hz ◆隔离：3000Vrms
3.4 模拟输出模块 I－87024
本智能控制系统中，除了控制一些变频调速以外，还要控制一些非变频调速的电机，泓格提供的I－87024是4路隔离模拟量输出模块，它不仅能提供＋/－10V、0～10V、＋/－5V、0～5V的电压输出，还能够提供0～20mA/4～20mA的电流输出，这样智能控制系统不仅可以用I－87024的模拟输出信号，给变频器提供0～10V的控制信号，还可以用I－87024给一些非变频的控制对象提供4～20mA的控制信号。由于I－87024控制精度是满量程的＋/－0.1%，还具有14位的分辨率，采用了光电隔离方式，从而提高了智能控制系统的特性，保护了智能控制系统。
4 应用体会
泓格公司提供的I－8000系列模块在安全性要求极高的锅炉系统中能够稳定的运行，且故障率极低，说明其品质是可靠的。最重要的是泓格产品具有双重“看门狗”以及运行可靠的总线隔离系统，极大的提高了系统的可靠性以及运行的稳定性。泓格公司给开发者提供了极为便利的开发环境，为其产品提供了完善的设备接口驱动（如I－8000库函数以及OPC服务器等），并提供了大量的例程，便于程序开发人员的参考，所有这些均有利于降低开发者的开发时间，提高开发的效率。智能控制系统投入运行，不仅自动地完成对给水 、给煤、送风、引风等进出锅炉的物料量的自动控制，使锅炉的汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温度、风煤配比系数，烟气含量、炉膛负压等运行参数维持在规定的最佳数值附近，保证锅炉的安全运行、平稳操作达到降低煤耗，节约电能提高供汽质量，并且提高了用户对锅炉设备的管理水平，取得了良好的经济效益。