一种基于PROFIBUS的锅炉现场总线控制设计

2023-01-02

1 现场总线

现场总线是从控制室连接到现场设备的双向全数字通信总线。现场总线 (Fieldbus) 是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络, 是现场通信、计算机技术和控制系统的集成。现场总线的节点是现场设备或现场仪表, 如传感器、执行器和编程器等。但不是传统的单功能的现场仪表, 而是具有综合功能的智能仪表, 例如温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能, 而且具有PID控制和运算功能, 它具有通信功能, 并存贮7层 (有的3层) 协议, 现场设备具有互换性和互操作性, 采用总线供电。现场总线不单是一种通信技术, 也不仅仅是数字仪表代替模拟仪表, 关键是用新一代的现场总线控制系统FCS (Fieldbus control system) 代替传统的DCS (Distributed control system) , 实现了现场通信网络、计算机技术与控制系统的集成。

2 PROFIBUS总线的设计原理及特点

PROFIBUS是Process Fieldbus的简称。PROFIBUS由三部分组成:PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification现场总线报文规范) ;PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery分散型外围设备) ;PROFIBUS-PA (ProcessAutomation过程自动化) 。PROFIBUS遵循ISO/OSI模型, 其通信模型由三层构成:物理层、数据链路层和应用层。三种系列的PROFIBUS均使用单一的总线存取协议, 数据链路层采用混合介质存取方式, 即主站间按令牌方式, 主站和从站间按主从方式工作。三种系列的PROFIBUS很容易集成在一起, DP和FMS使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议, 因而这两套系统可在同一根电线上同时操作;PA和DP之间使用分段偶合器能方便地集成在一起。PROFIBUS-PA采用总线供电, 支持防爆要求。

2.1 Profibus协议结构

Profibus协议结构是根据IS07498国际标准, 以开放式互连系统OSI (OpenSystem Interconnection) 作为参考模型。这种结构确保了数据传输的快速和有效进行, 直接数据链路映像 (DDLM) 为用户接口提供第二层功能映像, 用户接口规定了用户和系统以及不同设备可调用的应用功能。

Profibus-DP使用了第一层、第二层和用户接口层。第三到第七层未使用, 这种精简的数据结构确保高速数据传输。直接数据链路映像 (DDLM) 为用户接口提供第二层功能映像。用户接口规定了用户和系统以及不同设备可调用的应用功能, 以及各种设备类型的系统和设备的行为特性。

Profibus-FMS定义了第一、二、七层, 应用层包括现场总线信息规范 (FMS, Fieldbus Message Specification) 和底层接口 (LLI, Lower Layer Interface) 。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。

Profibus-PA的数据传输采用扩展的Profibus-DP协议。另外, PA还描述了设备行为的PA行规。根据IEC 1158-2标准, PA的传输技术可确保其本征安全性, 而且还可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。

2.2 Profibus的特点

总线存取协议三种系列的Profibus均使用单一的总线存取协议, 数据链路层采用混合介质存取方式, 即主站间按令牌方式、主站和从站间按主从方式工作。得到令牌的主站可在一定的时间内执行本站的工作, 这种方式保证了在任一时刻只能有一个站点发送数据, 并且任一个主站在一个特定的时间片内都可以得到总线操作权, 这就完全避免了冲突。这样的好处在于传输速度较快, 而其它一些总线标准则采用的是冲突碰撞检测法, 在这种情况下, 某些信息组需要等待, 然后再发送, 从而使系统传输速度降低。

灵活的配置根据不同的应用对象, 可灵活选取不同规格的总线系统, 如简单的设备级的高速数据传送, 可选用Profibus-DP单主站系统, 稍微复杂一些的设备级的高速数据传送, 可选用Profibus-DP多主站系统, 比较复杂一些的系统可将Profibus-DP和Profibus-FMS混合选用, 两套系统可方便地在同一根电缆上同时操作, 而无需附加任何转换装置。

3 基于PROFIBUS的锅炉控制系统

3.1 系统结构

锅炉装置是工业领域广泛存在的重要动力设备, 其控制系统组成及控制方案也极具代表性, 有液位、流量、压力、温度等控制参数, 有常规PID、串级、前馈、以及先进控制、智能控制等。但由于大多锅炉仍然采用传统的控制模式, 导致锅炉效率低下, 环境污染严重, 安全系数不高。在大多总线实验室, 以工业锅炉为监控对象, 采用Profibus现场总线技术、结合优秀的组态软件等关键技术, 设计工业锅炉的控制系统并开展相关技术的研究。

系统由操作站、工程师站、控制站、监控对象组成。其中, 操作站用于在系统运行时执行人机界面组态程序;工程师站用于在系统组态时对控制器控制程序的编制、下载, 以及对操作站人机界面程序进行修改、编辑;控制站作用是接受操作站指令, 按下载到控制器中的控制程序对被控对象进行控制;监控对象为20t/h供热锅炉。。

3.2 锅炉工艺原理

工业锅炉主要用于工业生产和采暖, 所产生的蒸汽量不是很大, 一般是过热蒸汽和饱和蒸汽。锅炉设备分为本体和辅助设备两大类。本体设备包括: (上、下) 汽包、对流管束、下降管、水冷壁、 (上、下) 联箱、蒸汽过热器、减温器、省煤器、空气预热器、燃烧室、火嘴等。辅助设备包括:通风设备、给水设备、除尘设备和锅炉附件等。图1为锅炉的工艺流程示意图。

蒸汽生产主流程为:除氧器V 102用蒸汽将系统外送来的软水热力除氧后, 用高压泵P101抽出作为锅炉用水。锅炉给水中一部分经减温器加热后与另一部分混合进入省煤器, 被烟气加热为228℃的饱和水进入上汽包。上汽包中的热水由对流管束流到下汽包, 再提供下降管、下联箱进入水冷壁。吸收炉膛辐射热后成为汽水混合物, 经上联箱进入上汽包进行汽水分离。上汽包分离出的饱和蒸汽经过热器低温段、减温器、过热器高温段后, 成为448℃、3.77Mpa的过热蒸汽供用户使用。

燃烧系统流程为:来自外部的高压燃气在气罐V101中经稳压送入火嘴。燃烧用空气由鼓风机P102升压后送入燃烧室, 送风量的大小根据烟气含氧量AI101由鼓风机挡板HV101来调整。在燃烧室内经蒸汽过热器、上升管、对流管束、省煤器等, 被逐步吸收热量, 温度逐渐降低, 最后经引风机P103送入烟囱, 排入大气。

3.3 系统的主要任务

锅炉运行的好坏很大程度上决定着整个锅炉运行的安全性和经济性。操作人员必须经常对锅炉进行维护, 及时而准确地进行调节。运行中对锅炉进行监视和调节的主要任务是: (1) 均衡给水, 保存锅炉正常水位; (2) 汽压、汽温稳定在规定的范围; (3) 维持经济的燃烧, 尽量减少损失, 提高锅炉的热效率; (4) 使锅炉的蒸发量随时适应外界负荷的变化, 防止锅炉超负荷运行; (5) 监视锅炉各设备部件, 使之保持良好的工作状态。

4 系统软件设计

4.1 实时监控画面功能实现

实时监控画面如图2所示。

在实时监测画面中, 可以监测各个被检测变量的瞬时值变化, 以及累计量的变化, 并且可以通过点击清零按钮对累计量清零。通过锅炉汽包水位动态效果图, 可以形象地监测锅炉汽包水位控制系统各个变量的实时变化状态。当有报警信息时, 报警指示灯将变成红色闪烁, 点击报警信息, 则可进入报

图6实时数据曲线界面警信息浏览画面查看报警的具体参数。如图3所示。

4.2 参数初始化画面功能实现

在参数初始化窗口中, 将对各个监测变量的量程范围、及各个PID控制回路的PID参数进行初始化赋值, 如图4所示。初始化的参数值通过设备连接与从机地址相对应, 如图5所示, 对应的数据对象分别为检测变量的量程上、下限, 各个PID控制回路的参数初始化值, 图中通道类型为从机 (PLC) 变量存储单元地址, 然后利用主机与从机的通讯功能, 当主从机通讯时, 将初始化好的数据写到从机 (PLC) 对应的存储单元中, 实现参数的在线修改。