1. 前言 冶煉過程是冶金行業(yè)中重要的工藝部分，通常在冶煉過程中產(chǎn)生煙氣被直接排入大氣，大量的熱量被白白浪費(fèi)掉，同時(shí)煙氣中的固體顆粒又導(dǎo)致環(huán)境污染。目前，越來越多的冶煉廠開始采用余熱鍋爐實(shí)現(xiàn)能源回收。某冶煉廠利用冶煉銅精礦中產(chǎn)生煙氣對(duì)余熱鍋爐加熱，產(chǎn)生的蒸汽一部分用于廠內(nèi)其它車間熱量的供應(yīng)，另一部分用于發(fā)電。三博公司承擔(dān)了余熱鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝和調(diào)試，采用西門子公司的S7-400 PLC,采用現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O,即主站和從站之間利用Profibus總線結(jié)構(gòu)。投運(yùn)效果很好，有推廣應(yīng)用價(jià)值。 2. 工藝要求 余熱鍋爐利用冶煉爐在冶煉中產(chǎn)生的煙氣給鍋爐加熱，煙氣的溫度范圍一般在1000℃～1300℃之間波動(dòng)，對(duì)汽包液位的控制較困難，控制系統(tǒng)可以分成以下部分： 1）汽包的水位以差壓變送氣器1HAD10CL101和1HAD10CL102兩個(gè)儀表來測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果由汽包壓力變送氣1HAD10CP101來補(bǔ)償，如果壓力變送器出故障，液位控制器1HAD10DL101測(cè)量信號(hào)可以由操作人員手動(dòng)選擇，也可由控制系統(tǒng)自動(dòng)篩選。如果輸入信號(hào)低于3mA或高于25mA的時(shí)候，則有一個(gè)變送器出故障，測(cè)量信號(hào)可以是兩個(gè)變送器的平均值，但是變送器壞了，則此時(shí)的檢測(cè)值結(jié)果必須屏蔽掉。如果在有液位控制的情況下，控制器1HAD10DL101輸出信號(hào)直接傳送到給水控制閥1LAB10AA001。如果在串級(jí)三沖量控制情況下，液位控制器的輸出端作為給水流量控制器的遠(yuǎn)程設(shè)定點(diǎn)，根據(jù)給水流量1LAB10CF101控制給水閥 1LAB10AA001,在流量控制器前，液位控制器輸出信號(hào)是由主蒸汽流量1LBA10CF101和兩臺(tái)渦輪泵（循環(huán)泵和給水泵）的蒸汽消耗情況進(jìn)行校正。有一個(gè)旁通電動(dòng)閥可以代替氣動(dòng)控制閥來控制汽包中的水位。電動(dòng)控制閥1LAB15AA001是由控制器1LAB10DF102以三沖量控制模式或水位控制器1HAD10DL101以液位控制模式或水位控制器來控制。閥門1LAB10AA001和1LAB15AA001在流量控制器1LAB10DF101和1LAB10DF102中有手/自動(dòng)交叉聯(lián)鎖，這兩個(gè)閥門不能同時(shí)處于自動(dòng)模式中。控制器1HAD10DL101遠(yuǎn)程設(shè)定點(diǎn)來源于鍋爐汽化率相關(guān)的曲線。汽包中的水位設(shè)定點(diǎn)根據(jù)鍋爐汽化率在NWLL（正常低水位）和NWHL（正常高水位）之間變動(dòng)。 ２）蒸汽包壓力控制是，鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，鍋爐壓力控制器１HAD10DP101根據(jù)理想的設(shè)定點(diǎn)來控制汽包壓力。如果壓力變送器１HAD10CP101測(cè)量的壓力信號(hào)增大，控制器１HAD10DP101輸出信號(hào)增加，控制閥１LBA10AA001開啟。如果壓力下降，控制器會(huì)驅(qū)動(dòng)控制閥向關(guān)閉方向運(yùn)行，因此，如蒸汽流量增加，汽壓下降，控制器將通過關(guān)閉控制閥來保持汽包壓力。 ３）給水箱水位控制，給水箱水壓是由控制閥１GHC10AA001控制補(bǔ)充水流量來實(shí)現(xiàn)控制的，控制閥的運(yùn)動(dòng)是根據(jù)變送器１LAA10CL101的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行控制。給水箱低水位用來作給水泵的聯(lián)鎖信號(hào)，以保護(hù)水泵。水箱高水位開關(guān)控制開啟水箱排水閥。排水閥是氣動(dòng)非開既關(guān)的閥門，F(xiàn)W水箱水位測(cè)量?jī)x表會(huì)給出高或低的報(bào)警信號(hào)。 ４）給水箱壓力是由控制閥控制的低壓蒸汽來控制的，控制閥1LBS10AA001的運(yùn)動(dòng)是根據(jù)變送器1LAA10CP101的FW水箱壓力測(cè)量信號(hào)來進(jìn)行的。 3. 控制系統(tǒng)的硬件組成 控制系統(tǒng)由上位機(jī)OS操作員站監(jiān)控系統(tǒng)和下位機(jī)PLC可編程邏輯控制系統(tǒng)組成。上位機(jī)和下位機(jī)通過西門子Profibus FMS協(xié)議網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成兩級(jí)不同的層次，分別完成整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視和控制功能。 3.1下位機(jī)配置 從工藝要求、I/O點(diǎn)數(shù)、掃描速度、自診斷功能等方面考慮，下位機(jī)選用性能及可靠性都很高的SIEMENS公司的S7-400，并采I/O分布從站控制方式，這樣主站采用高性能的控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，從站可以采用S7-300系列的信號(hào)模塊，降低系統(tǒng)的整體造價(jià)，從而提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比，以減少用戶對(duì)工程的資金投入。 2上位機(jī)配置 按集中管理、集中顯示、分散控制的思想，系統(tǒng)設(shè)有1個(gè)操作員終端監(jiān)控站，選用Dell Pentium-Ⅳ 2.4GHz/512M工控機(jī)，硬盤60G,加PHILIPS 21"彩色顯示器，并配以打印機(jī)。工控機(jī)內(nèi)安裝西門子公司的CP 5611 Profibus FMS通訊接口卡，通訊速率從9.6KB/s～12MKB/s,實(shí)時(shí)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過OS站修改各個(gè)PID參數(shù)的設(shè)定點(diǎn)、比例、積分、微分和報(bào)警的設(shè)定值。 4. 控制方案的設(shè)計(jì) 4.1下位機(jī)程序控制設(shè)計(jì) 將控制系統(tǒng)分為四個(gè)大的功能塊: 汽包液位控制、主蒸汽壓力控制、除氧氣液位和壓力控制。 （1） 汽包液位控制采用串級(jí)三沖量給水控制的工作原理，主調(diào)節(jié)器為1HAD10DL101,副調(diào)節(jié)器為1LAB10DF101,主調(diào)節(jié)器接受水位信號(hào)去控制副調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器接受主調(diào)節(jié)器信號(hào)外，還接受主蒸汽流量溫壓補(bǔ)償信號(hào)和給水流量的溫度補(bǔ)償信號(hào)，組成一個(gè)三沖量的串級(jí)控制系統(tǒng)。以達(dá)到汽包水位在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)。 （2） 蒸汽包的壓力控制在６Mpa范圍內(nèi)，采用單回路PI調(diào)節(jié)器，如果汽包壓力突然超過一定范圍時(shí)，可用調(diào)節(jié)器1HAD10DP102打開啟動(dòng)蒸汽控制閥，通過消音裝置將一部分蒸汽排放，以保證蒸汽包的蒸汽壓力穩(wěn)定。 4.2上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì) 上位機(jī)對(duì)所有采集到的模擬量實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ), 開關(guān)量進(jìn)行狀態(tài)追憶。對(duì)重要參數(shù)指標(biāo)如給水導(dǎo)電率、飽和蒸汽的電導(dǎo)率、鍋爐水的電導(dǎo)率等進(jìn)行在線分析、監(jiān)測(cè)和報(bào)警。監(jiān)控畫面上設(shè)有“自動(dòng)”、“半自動(dòng)”及“軟手操”三個(gè)按鈕并可進(jìn)行相互切換?！白詣?dòng)”狀態(tài)時(shí)，只能監(jiān)測(cè)不能對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作；“手動(dòng)”時(shí)，可任意調(diào)節(jié)閥門的開度。在由自動(dòng)到手動(dòng)時(shí)，閥門之間的轉(zhuǎn)換是無(wú)擾動(dòng)進(jìn)行切換的。在操作員站上可根據(jù)工藝的改動(dòng)，修改各個(gè)PID回路的設(shè)定點(diǎn)，但是某些參數(shù)只有具有不同操作權(quán)限的級(jí)別才可相應(yīng)進(jìn)行修改?！败浭植佟睍r(shí)，可獨(dú)立對(duì)閥門進(jìn)行操作。同時(shí)PID調(diào)節(jié)回路可以選擇自動(dòng)手動(dòng)以及汽包液位的單回路和串級(jí)三沖量控制。設(shè)密碼保護(hù)（如設(shè)置和修改某一調(diào)節(jié)回路的比例、積微分時(shí)時(shí)間等）。為便于生產(chǎn)維護(hù)和安全，用不同的顏色區(qū)分設(shè)備不同的開關(guān)狀態(tài)，重要設(shè)備的集中監(jiān)視畫面 5 . 軟件實(shí)現(xiàn) SIEMENS公司的WinCC工控組態(tài)軟件，功能齊全，具有很強(qiáng)的過程監(jiān)視、控制和信息管理功能。本系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控程序采用WinCC編制，開發(fā)了豐富的、漢化的工藝流程畫面及操作圖表，有下列特點(diǎn)：1）兼有監(jiān)視系統(tǒng)總貌、分部流程等操作畫面，參數(shù)設(shè)定與調(diào)整靈活、人機(jī)界面友好。2）設(shè)備的自動(dòng)、手動(dòng)、軟手操可切換，操作簡(jiǎn)單，減輕操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。3）重要參數(shù)的歷史趨勢(shì)和實(shí)時(shí)曲線顯示，實(shí)時(shí)報(bào)表打印及報(bào)警處理功能。如下圖6汽包調(diào)節(jié)畫面所示： 下位機(jī)程序用西門子公司提供的STEP 5 V5.1.02。STEP 5編程軟件具有下列優(yōu)點(diǎn)：1）具有三種不同的基本編程語(yǔ)言：LAD梯形圖，STL語(yǔ)句表，F(xiàn)BD功能塊，對(duì)不同專業(yè)工程設(shè)計(jì)人員提供很方便的編程工具。如梯形圖編程方式對(duì)電氣自動(dòng)化專業(yè)人員；語(yǔ)句表針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)人員；功能塊對(duì)工藝專業(yè)人員等。2）硬件和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)簡(jiǎn)單靈活，所有西門子公司的模塊都可以通過STEP 7 再加上相應(yīng)的軟件包即可組態(tài)。3）STEP 7編程軟件具有硬件診斷功能，系統(tǒng)中任何一處出現(xiàn)故障，都可以通過它進(jìn)行診斷出來，以便維護(hù)工程師對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行快速發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，急時(shí)處理。4）STEP 7標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)功能和功能塊，如標(biāo)準(zhǔn)的軟PID控制功能塊，同時(shí)提供在線英文幫助。使編程設(shè)計(jì)人員方便靈活。 6. 結(jié)束語(yǔ) 余熱鍋爐控制系統(tǒng)投入使用后，完全達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)，目前系統(tǒng)運(yùn)行十分穩(wěn)定。是同類鍋爐控制系統(tǒng)中最具代表性的一個(gè)過程控制典型系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將集散控制系統(tǒng)（DCS）與可編程控制器（PLC）融合為一體的、控制系統(tǒng)不論是放案設(shè)計(jì)還是控制方式都比較先進(jìn)，為以后該廠蒸汽的利用打下了良好的基礎(chǔ)。投運(yùn)后大大提高了生產(chǎn)效率，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，屬國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。在同類控制系統(tǒng)中推廣應(yīng)用前景很好。