基于DSP和PLC的大型锅炉测控系统设计

第２７卷第１２期增刊２００６年１２月仪器仪表学Ｃｈｉｎｅｓｅ报Ｖ０１．２７Ｎｏ．１２Ｄｅｃ．２００６ＪｏｕｍａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ基于ＤＳＰ和ＰＬＣ的大型锅炉测控系统设计刘鹰１王方２丛黎亮３谌峰１赵怀军４马鹏２１（西安航空职业技术学院西安７１００８９）２（西安理工大学西安７１００４８）３（大连大学大连１１６６２２）４（西北工业大学西安７１００７２）摘要介绍了基于数字信号处理器（Ｄ：ｓＰ）和可编程控制器（ＰＬＣ）的大型锅炉测控系统的设计与实现。为了提高系统的实时响应能力，在硬件设计上采用了数字信号处理器和复杂可编程逻辑器件（ＣＰＵ））技术，使系统的集成化程度和可靠性得到显著提高。最后介绍了以ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２作为处理器的燃气控制单元的硬件电路设计以及控制过程中的相关措施。该测控系统的成功运行表明，在现场环境下能够达到可靠、高效和实时的控制。在调试过程中，一些意外的情况表明，整个系统设计的正确性能够有效的保护系统核心硬件的安全。关键词锅炉测控ＰＬＣＤＳＰＤｅｓｉｇｎｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｌａｒｇｅｓｃａｌｅｂｏｉｌｅｒＬｉｕＹｉｎ９１ｂａｓｅｄｏｎＤＳＰａｎｄＰＬＣＭａＰｅｎｇ＝ＷａｎｇＦａｎｇ＝Ｃｏｎｇ２（Ｘｉ＇ａｎＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＬｉｌｉａｎｇ＝ＳｈｅｎＦｅｎ９１ＺｈａｏＨｕａｉｊｕｎ４ＴｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，慰么，ｚ７１００８９，Ｃｈｉｎａ）２（Ｘｉ＇ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ＇ａｎ７１００４８，Ｃｈｉｎａ）３（ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６６２２，Ｃｈｉｎａ）４（ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＂ａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅｄｏｎＤＳＰａｎｄＰＬＣ．ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｌａｒｇｅｔｏｓｃａｌｅｂｏｉｌｅｒ，ｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｉｎｏｒｄｅｒｐｒｏｃｅｓｓ，ＤＳＰａｎｄＣＰＬＤａｒｅｅｎｈａｎｃｅｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｒｅａｌ－ｔｉｍｅｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄｓｉｇｎａｌａｒｅａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｕｓｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｇａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｆｉｎａｌｌｙｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｂａｓｅｄｏｎｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔ，ｗｈｉｃｈｗａｓＴＭ￥３２０Ｆ２８１２．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ。ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｓｔｈａｔａｒｅｔａｋｅｎｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｓｓｉＳｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｕｃｃｅｓｓｏｆｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｍｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｒｅｌｉａｂｌｅ．ｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｒｅａｌ－ｔｏｔｉｍｅｃｏｎｔｒ０１ｔｈｅｂｏｉｌｅｒ．Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｅｂｕｇｇｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｏｍｅｔｈｕｎｄｅｒｂｏｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｔｏｅｎｓｕｒｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｐｒｏｐｏｓａｌｉｓｔｒｕｓｔｗｏｒｔｈｙＫｅｙｗｏｒｄｓｂｏｉｌｅｒｔｈｅｓａｆｅｏｆｋｅｙｈａｒｄｗａｒｅｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ｃｏｎｔｒｏｌＰＬＣＤＳＰ设定阈值时要及时实现对锅炉的调节控制，以使锅炉负１引言荷能够达到一个最佳的效果；同时，当系统某一部分出现不正常情况时，要能够及时发现，并且能够迅速进入故障处理程序，直至系统安全停止运行。因此，针对被控锅炉的实际情况，利用ＰＬＣ设计了１套锅炉测控系统，实现了对锅炉运行的自动化监控。如在大型锅炉的运行过程中，不仅要严格按照各开关量之间复杂的互联锁关系对其实现开关量投切，以实现锅炉的正常点火启动，还要对锅炉的各处运行参数实现精确的监测，以确保系统的稳定可靠运行，并且在其超出何使煤气和空气达到１个合理的配比是本系统中的１个３５８仪器仪表学报第２７卷难点，因此利用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２设计了一个燃气配比控制模块，对煤气燃烧实现了选择式调节。系统功能分布、模块化的分散网络型结构有效地提高了系统的抗干扰能力和容错能力，从而提高了系统的可靠性、可维护性以及可扩展性。２系统结构本测控系统拓扑如图１所示［１］。上位机采用ＤＥＬＬ工控机作为整个系统的高层管理设备，完成对本测控系统的监视和管理，实现诸如报表打印，数据存储，系统启动、停止及故障报警等任务。下位机采用ＧＥ公司ＰＬＣ作为现场监控单元，下位机ＰＬＣ主要实现对各控制接点的开关量、连续量以及燃气配比控制模块的开关输出量进行全程逻辑控制以及对开关量和模拟量的输入输出监测。最终通过现场总线完成现场监控单元与高层管理设备之间的联系。当锅炉点火运行后，程序会自动将ＰＬＣ模拟量部分的控制功能切换到燃气配比模块，通过燃气配比模块对５台锅炉的煤气流量、空气流量、燃烧火焰信号以及阀门开度等信号的采集运算实现对各处阀门的控制，以便使锅炉能够工作在最佳的状态。当下位机ＰＬＣ在指定的状态空间内监测到锅炉系统监控点状态与设置阈值不符，会立即向上位机发出故障信号，并协同上位机完成对故障信号的模糊辨识功能，指示出系统的故障类型并自动转入故障处理程序模块，直至系统安全退出运行。Ｉ上位机卜＿一ｌ打印机ＩＩＲＳ２３２（ｓ胁议）测控系统下位机ＰＬｃ开关开关模拟模拟ＣＰＵ输入输出输入输出ｌ燃气配圭－ｌｌ豁髅怯主｜ｆＩ阀门开度信号煤气、嚣ＩＩＩ淼空气流量信息ｌ椭呙炉２椭炉３辨呙Ｉ声４瑚炉５瑚炉图１测控系统拓扑结构３硬件设计整个锅炉测控系统处于一个比较恶劣的工作环境，系统的拓扑结构已经在上一部分详细介绍，以下对系统具体的硬件设计做一简要介绍：供电电源：经过ＵＰＳ、隔离变压器、滤波器、ＥＭＩ抑制器净化。保证控制系统供电可靠，电压稳定，质量高，抗干扰性好。供电电源与市电之间设有旁路开关，可使他们互相冗余。接触器监控：ＰＬＣ发出的控制信号控制中间继电器的动作以开合接触器主触头来分合主回路；接触器状态也通过继电器将其辅助触点再次隔离后传递给ＰＬＣ模块来监控其状态。可编程控制器输出继电器：全部加上阻容吸收和压敏电阻。火焰检测：火焰检测采用双检测方式，同时利用离子棒、紫外线检测，以保证锅炉能长期平稳安全地运行。手动操作盘：为了安全考虑控制采用自动／手动双重方式，要配有手动操作盘以防止ＤＣｓ发生掉电故障时锅炉能正常安全退出运行。手动操作盘点火部分采用步步连锁。燃气配比控制模块［２］：采用了ＴＩ公司内置ＣＡＮ控制器的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２作为核心处理器。它是１个３２位定点ＤＳＰ，内带丰富的外围接口电路（ＣＡＮ，ＳＣＩ，ＳＰＩ，ＧＰＩＯ等）。采用该处理器可以使整个电路外围设计简单化，可靠性也得到提高。模块主板结构如图２所示。．．．．．．．．．．．Ｌ控制命令门狗和液晶显示器ＴＬＰ５２１－２Ｊ电源ＴＡＧ期接ＬＩｌ呼Ｌｒ＝＝爿ＩＥＰＭ７１２８广１ＤＳＰｉ１３讳一ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２．．．．．＿Ｊ—矿斤五；羽西高模拟量ｒ＿叫．调理电路ｌ囊恭夏忑壶盹到篙２ｌ４ＬＶＣｌ煤气流量开关量各调节阀巴！三翌巴二。尘兰竺＝＝二翌受总线阀ｆＪ开度状态信号『１图２燃气配比控制模块硬件结构在人机界面上，选择内带汉字库的液晶显示器（ＮＳｌ２８６４－１２）构成菜单式界面，显示系统各处模拟量数据等，由４个简单的按键完成用户各项功能参数的设定（包括报警阈值、ＰＩＤ参数等）以及数据查询功能。另外模块设计有ＲＳ２３２接口和ＣＡＮ接口，所以当需要多个控制模块协同工作时，可以很方便的将其通过ＣＡＮ总线［３］连接成现场控制网络，并通过其中１台的ＲＳ２３２接口与上位机联系起来，因而可以远程监视控制模块的工作状态。在本文所介绍的系统中，由于ＰＬＣ控制柜与上位机都安装在主控室，燃气配比控制模块的工作状态可直接由其自带的液晶模块显示，且厂方并无对此模块工作情况的记录要求，所以并没有将其连接到工控机上。第１２期增刊刘鹰等：基于ＤＳＰ和ＰＬＣ的大型锅炉测控系统设计３５９４软件设计４．１测控系统软件设计锅炉测控系统监控软件分为上位机和下位机两部分。其中，上位机部分利用专业的工业控制组态软件实现。上位机监控软件充分利用工控组态软件的实时数据库管理系统实现了实时数据的快速存取。通过上位机软件，操作人员可以非常直观地完成对锅炉的操作，并且监视系统运行过程中煤气与空气的进气量等各项参数以及与所运行的锅炉台位相关的各接触器状态，也可以对历史操作信息、报警信息进行查询，系统管理员可以修改其他操作员的操作权限，以防止出现越权操作。下位机在每次系统启动时通过现场总线读取上位机对系统设置的各项参数，在锅炉运行过程中直接通过下位机ＰＬＣ以及煤气配比控制模块对系统状态进行判断并发出操作指令，从而保证了系统运行的实时性。４．２配比模块软件燃气配比模块程序设计流程如图３所示［４］。燃气配比模块主要任务是实现锅炉火焰信号以及煤气及空气流量信号的采集及处理，然后根据采集到的温度以及火焰信号来调整煤气以及空气流量，并把它们转换成相应的参量显示出来。其软件功能主要有：定时采样煤气流量、空气流量信号；定时采样反映锅炉状态的开关量、炉膛温度、以及由Ｕｖ探头等上传的信号；完成与ＰＬＣ的数据传递以及模块本身的人机接口功能。图３燃气配比模块程序流程图煤气和空气配比是控制系统的难点。煤气燃烧需有经济损失。但空气进炉量也不是越大越好，因为空气进炉是由鼓风机做动力的，空气进炉量越大，鼓风机负荷就越大，损耗设备寿命；过剩的空气形成的尾气会带走大量的热，降低热利用率；还可能吹灭小的燃烧火焰，煤气燃烧也不稳定。这就要求有一个合理配比。根据传统的控制方法，一般将温度和煤气做串级调节，再将煤气和空气做比例调节。这种控制方案虽然实现了控制煤气空气配比进炉燃烧的要求，但第一种方案当锅炉负荷小于给定值时，空气流量增加在煤气之后，大于给定值时，空气流量减小在煤气之前。在调节过程中，显然都会造成煤气的不完全燃烧。因此，这两种传统的控制方案都不能满足实际要求。为了使煤气燃烧充分，采用选择式调节。稳定情况下，炉膛负荷被控制在给定值。当出现扰动，例如测量值低于给定值时，配比模块控制调节器增大输出，使空气流量调节器的给定值增大，在调节器的作用下，空气流量就先开始增大。同时，空气流量信号经ＤＳＰ计算变为相对煤气流量的给定值，随着空气流量的增大，也即增大了煤气给定值，在煤气调节器的作用下，使煤气流量随着空气流量增大之后增大，直到三量均衡，测量值回到给定值。为了提高处理器的资源利用率和系统实时处理能力，燃气控制模块充分利用了ＴＭＳ３２０Ｆ＇２８１２的中断资源来实现上述功能。系统设定程序可以完成模块参数的设定，参数包括外部电压、电流互感器的转换变比等。状态参量显示程序则通过相应的算法将采集的交流数据或脉冲数据转换成相应的状态参量，并输出到液晶显示器。数据模块显示的系统状态参量主要有：煤气流量、空气流量；炉膛温度；空气流量调整变化率；与流量调整相关的几个阀门开度信号等。５锅炉运行调节措施５．１燃烧调节燃烧调节中，采用锅炉蒸汽出口压力为主调节参数，炉膛温度为副调节，蒸汽出口流量作为前馈调节，以保证锅炉负荷平稳地升降，不至于波动太大。锅炉监控的主要目标是锅炉负荷即锅炉出汽，当用汽产生变化时要相应加大／减小燃气供应量，如果直接调节燃气量，从阀门开度变化到引起产汽变化需要很长的时间。调节不及时，锅炉负荷必然波动很大。为了避免锅炉波动太大，选择炉膛温度作为１个副参数。它离调节阀较近，并可提前感受干扰影响。当燃气压力引起炉膛热量不平衡时，炉膛温度首先要发生变化。这时副调节回路就产生调节作用，促使炉膛温度维持不变。由于炉膛温度与产汽量在一定条件下有着一一对应的关系，所以那些已被炉膛温度副调节回路克服了的干扰对锅炉足够的空气助燃。否则，煤气燃烧不充分，就会积碳，有损炉子寿命；生成一氧化碳等有害气体，放空会给大气造成污染；煤气燃烧利用效率低，则会造成煤气浪费，造成仪器仪表学报第２７卷产汽量的影响就非常微弱。如用汽量发生变化时，主调节器就会发出控制信号，改变副调节器的给定值，即通过炉膛温度使蒸汽出口压力维持不变。蒸汽出口压力和炉膛温度两个调节回路协调工作，使调节过程大大加快，调节质量也更好。为了达到提前感知效果，把蒸汽出口流量作为前馈调节，因为蒸汽出口流量的变化会影响主蒸汽压力从而影响燃气进量，把前馈调节输出的信号与主调节的输出相加后作为副调节的给定，从而稳定蒸汽压力使其不波动或波动很小。５．２助燃风调节助燃风调节根据上述通过选择性跟随煤气阀按照设定比例动作，同时阀位反馈与煤气阀位反馈进行比例比较并作联锁。６运行过程中的保护测控系统在锅炉运行中会实时监测锅炉的运行状态，并做出相应的动作或报警。（１）锅炉的各项参数如：汽包液位过低限、蒸汽压力等，会自动报警１０ｓ后自动进入小火状态，如仍不能解除将进行熄火处理。（２）为了保证锅炉能长期平稳安全的运行，火焰检测采用双检测方式，同时利用离子棒、紫外线检测。任一检测器检测不到火焰时，系统会报警提示让操作员注意并确认是否真正熄火，如不能及时确认，系统会作熄火处理。如果任一燃烧器出现此类情况将会关断所有燃烧器的燃料供应并报警提示，同时吹扫炉膛。（３）监测燃气压力、助燃风压力等参数，如异常声光报警并指明位置，如不能及时处理，将熄火保护。（４）燃气阀与助燃风阀阀位反馈值之差，若大于设定值，将锁定阀位并报警，如操作员不能及时判断故障将熄火处理。７结语该测控系统在调试过程中，所采取的隔离措施能够有效地屏蔽现场环境的影响，保护系统核心硬件的安全；系统设计的高可靠性，保证了系统准确高效的数据传输；对锅炉系统模拟量采取的准确有效的监测手段，使控制系统能够迅速做出正确而及时的判断。ＰＬＣ自身的可靠性以及ＤＳＰ控制模块合理的软硬件设计为整个系统实现可靠的控制提供了条件。同时，在开发过程中充分利用ＤＳＰ强大的运算能力和丰富的外围接口电路，采用比较先进的软件编程技术，尽可能地通过软件代替硬件，使该系统的硬件结构简单，可靠性高，成本低廉，通用性强，也增加了系统的可扩展性。该系统集多种功能于一体，具有精度高、实时陛强、人机接口友好等特点，对进一步提高系统的自动化水平、提高运行安全性和可靠性、增加经济效益都将具有重要意义。参考文献［１］顾战松．可编程控制器原理与应用［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９６．［２］苏奎峰．ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２原理与开发ＥＭ］．北京：电子工业出版社，２００５．［３］ＴＭＳ３２０ｘ２８１ｘ，２８０ｘＥｎｈａｎｃｅｄＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔ－ｗｏｒｋ（ｅ（、ＡＮ）ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＧｕｉｄｅ（Ｒｅｖ．Ｂ）［ｚ３．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，０５Ｎｏｖ２００４．［４］ＴＭＳ３２０ｘ２８０ｘＳｙｓｔｅｍＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＩｎｔｅｒｒｕｐｔｓＲｅｆｅｒ－ｅｎｃｅＧｕｉｄｅ［Ｚ］．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，０５Ｎｏｖ２００４．基于DSP和PLC的大型锅炉测控系统设计

作者：作者单位：

刘鹰， 王方， 丛黎亮， 谌峰， 赵怀军， 马鹏

刘鹰,谌峰(西安航空职业技术学院 西安 710089)， 王方,马鹏(西安理工大学 西安 710048)， 丛黎亮(大连大学 大连 116622)， 赵怀军(西北工业大学 西安 710072)

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