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掉，同時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現(xiàn)能源回收。某冶煉廠利用冶煉銅精礦中產(chǎn)生煙氣對余熱鍋爐加熱，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)計安裝和調(diào)試，采用西門子公司的S7-400 PLC,采用現(xiàn)場分布式I/O,即主站和從站之間利用Profibus總線結(jié)構(gòu)。投運效果很好，有推廣應(yīng)用價值。 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，對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1HAD10CL102兩個儀表來測量，測量的結(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測量信號可以由操作人員手動選擇，也可由控制系統(tǒng)自動篩選。如果輸入信號低于3mA或高于25mA的時候，則有一個變送器出故障，測量信號可以是兩個變送器的平均值，但是變送器壞了，則此時的檢測值結(jié)果必須屏蔽掉。如果在有液位控制的情況下，控制器1HAD10DL101輸出信號直接傳送到給水控制閥1LAB10AA001。如果在串級三沖量控制情況下，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，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是由主蒸汽流量1LBA10CF101和兩臺渦輪泵（循環(huán)泵和給水泵）的蒸汽消耗情況進(jìn)行校正。有一個旁通電動閥可以代替氣動控制閥來控制汽包中的水位。電動控制閥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/自動交叉聯(lián)鎖，這兩個閥門不能同時處于自動模式中。控制器1HAD10DL101遠(yuǎn)程設(shè)定點來源于鍋爐汽化率相關(guān)的曲線。汽包中的水位設(shè)定點根據(jù)鍋爐汽化率在NWLL（正常低水位）和NWHL（正常高水位）之間變動。 ２）蒸汽包壓力控制是，鍋爐正常運行時，鍋爐壓力控制器１HAD10DP101根據(jù)理想的設(shè)定點來控制汽包壓力。如果壓力變送器１HAD10CP101測量的壓力信號增大，控制器１HAD10DP101輸出信號增加，控制閥１LBA10AA001開啟。如果壓力下降，控制器會驅(qū)動控制閥向關(guān)閉方向運行，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)充水流量來實現(xiàn)控制的，控制閥的運動是根據(jù)變送器１LAA10CL101的測量信號進(jìn)行控制。給水箱低水位用來作給水泵的聯(lián)鎖信號，以保護(hù)水泵。水箱高水位開關(guān)控制開啟水箱排水閥。排水閥是氣動非開既關(guān)的閥門，F(xiàn)W水箱水位測量儀表會給出高或低的報警信號。 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的運動是根據(jù)變送器1LAA10CP101的FW水箱壓力測量信號來進(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)成兩級不同的層次，分別完成整個系統(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)的運行速度，從站可以采用S7-300系列的信號模塊，降低系統(tǒng)的整體造價，從而提高系統(tǒng)的性能價格比，以減少用戶對工程的資金投入。 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,實時監(jiān)視現(xiàn)場數(shù)據(jù)，同時通過OS站修改各個PID參數(shù)的設(shè)定點、比例、積分、微分和報警的設(shè)定值。 4. 控制方案的設(shè)計 4.1下位機(jī)程序控制設(shè)計 將控制系統(tǒng)分為四個大的功能塊: 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)器信號外，還接受主蒸汽流量溫壓補(bǔ)償信號和給水流量的溫度補(bǔ)償信號，組成一個三沖量的串級控制系統(tǒng)。以達(dá)到汽包水位在動態(tài)范圍內(nèi)自動調(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，可用調(diào)節(jié)器1HAD10DP102打開啟動蒸汽控制閥，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 上位機(jī)對所有采集到的模擬量實時顯示并存儲, 開關(guān)量進(jìn)行狀態(tài)追憶。對重要參數(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)測和報警。監(jiān)控畫面上設(shè)有“自動”、“半自動”及“軟手操”三個按鈕并可進(jìn)行相互切換?！白詣印睜顟B(tài)時，只能監(jiān)測不能對設(shè)備進(jìn)行操作；“手動”時，可任意調(diào)節(jié)閥門的開度。在由自動到手動時，閥門之間的轉(zhuǎn)換是無擾動進(jìn)行切換的。在操作員站上可根據(jù)工藝的改動，修改各個PID回路的設(shè)定點，但是某些參數(shù)只有具有不同操作權(quán)限的級別才可相應(yīng)進(jìn)行修改?！败浭植佟睍r，可獨立對閥門進(jìn)行操作。同時PID調(diào)節(jié)回路可以選擇自動手動以及汽包液位的單回路和串級三沖量控制。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、積微分時時間等）。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：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、手動、軟手操可切換，操作簡單，減輕操作工的勞動強(qiáng)度。3）重要參數(shù)的歷史趨勢和實時曲線顯示，實時報表打印及報警處理功能。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：1）具有三種不同的基本編程語言：LAD梯形圖，STL語句表，F(xiàn)BD功能塊，對不同專業(yè)工程設(shè)計人員提供很方便的編程工具。如梯形圖編程方式對電氣自動化專業(yè)人員；語句表針對計算機(jī)專業(yè)人員；功能塊對工藝專業(yè)人員等。2）硬件和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)簡單靈活，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)工程師對系統(tǒng)進(jìn)行快速發(fā)現(xiàn)故障點，急時處理。4）STEP 7標(biāo)準(zhǔn)庫中提供了大量的標(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，同時提供在線英文幫助。使編程設(shè)計人員方便靈活。 6. 結(jié)束語 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)效益和社會效益，屬國內(nèi)領(lǐng)先水平。在同類控制系統(tǒng)中推廣應(yīng)用前景很好。