摘 要：本文闡述了一種鍋爐現場總線控制系統的設計理論和實現方法，從硬件和軟件兩方面分別做了論述，從實際運行結果來看，該系統提高了控制的安全性、穩定性和經濟性，具有廣闊的應用前景。 關鍵詞：鍋爐控制;現場總線控制;FIX;FCS 　　我國現有中小型鍋爐30多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產量的1/3，目前大多數工業和民用鍋爐仍處于效率低，環境污染嚴重，安全系數低的生產狀態[1]。為了提高鍋爐的熱效率，降低耗煤量，采用鍋爐的自動控制系統日益廣泛，作為鍋爐的控制裝置，其主要任務是保證鍋爐的安全、穩定、經濟運行，減輕工作人員的勞動強度。綜合考慮，我們采用SHCAN2000總線控制系統來實現對鍋爐的控制。SHCAN2000總線控制系統是基于CAN總線的現場總線控制系統（FCS），由于鍋爐控制系統對實時性和控制的可靠性要求較高，所以軟件的要求也較高，而Intellution公司的FIX監控軟件能滿足這些要求。本文針對大連金源小區供熱系統中兩臺20噸低壓熱水鍋爐的特點，以FCS系統為基礎，介紹了一套鍋爐現場總線監控系統方案，從實際應用中取得了比較好的控制效果。 　　整個系統工作原理為[2]：從控制現場來的4-20 mA或1-5V的標準信號，送至SHCAN2000型現場控制單元。信號在其中經處理后可由其AO或DO端口輸出，經信號調理模塊去控制現場設備;也可根據需要發送到CAN總線上，總線上其它現場控制單元或上位機系統根據事先設計好的驗收碼和驗收屏蔽碼，來判斷是否接收該信息。傳送到上位機的信息，可以通過上位機監控軟件進行顯示、控制、記錄以及報警、打印等。 一、 鍋爐現場總線控制系統的硬件體系 　　SHCAN2000總線控制系統不同于傳統的集散系統（DCS），它具有DCS的先進技術和完善的功能，特別適用于中、小型裝置的生產過程控制，它是計算機技術、控制技術、通訊技術綜合利用的結果，是新一代的全數字、全分散、全開放的現場總線控制系統[3]，控制系統設計思想為：從現場傳感器（鉑電阻、壓力變送器等）測得的信號經信號調理模塊（溫度變送器、輸入端安全柵等）送至智能控制單元，在智能控制單元中經過運算處理后，形成控制信號。控制信號再經信號調理模塊（溫度變送器、輸入端安全柵等）返送至現場執行器（電磁閥、切斷閥等）。不同的智能控制單元作為控制中心可以通過CAN總線互相通信，并可以將需要監控的信號送至上位機，實現人機交互。 　　SHCAN2000總線控制系統由三層網絡組成[4]：最底層為低速現場總線連成的控制網絡，連接各種智能儀表及調節閥等現場設備，各控制器節點下放到現場，構成一種徹底的分布式控制體系結構;中間的一層采用中速網連接控制器、遠程I/O及智能I/O設備，形成系統網絡;最上一層即決策層，采用高速以太網連接各種控制器和站級計算機。如圖1所示： 　　SHCAN2000型系統的總線通信標準采用CAN2.0B。CAN總線的短幀結構、CRC校驗以及錯誤節點自動關閉功能，保證了信號傳輸的可靠性。在操作站一側，工業PC機通過網卡作為數據緩沖與CAN總線網絡連接;在現場控制單元一側，數據緩沖由SJA1000和82C250芯片組成的標準CAN總線接口來實現。CAN總線通訊軟件完成上位機與實時數據庫之間、任意兩個實時數據庫之間的雙向數據交換，當任意兩個SHCAN智能測控組件的實時數據庫之間交換數據時，不需要上位機的干預，并符合ISO11898標準和CAN2.0B技術規范，最大通信速率1M bps，最遠通訊距離達10Km。 [align=center] 圖1 鍋爐現場總線控制系統硬件體系[/align] 　　SHCAN型智能測控組件是直接完成采集和控制功能的智能單元，可單獨運行，作為獨立的回路調節器，也可將該組件放在現場附近，通過網絡組合成一個完整的數據采集和控制系統。每個SHCAN智能測控組件都固化有不同的采集和控制軟件，可通過實時組態和參數 設置完成不同功能組合、過程信號的采集、工程量轉換、信號補償、線性化處理、PID運算、自動報警、故障自診斷、PID參數自動整定等等。 　　現場總線控制系統“功能全分散”的特點，使現場控制單元成了控制系統的核心。SHCAN2000型現場控制單元采用了由實時多任務操作系統、實時監控軟件、任務級組態軟件、實時數據庫等構成的現場智能測控儀表軟件組成集成技術，支持在線組態。 二、鍋爐現場總線控制系統的軟件體系 　　鍋爐現場總線控制系統軟件體系由下述四部分構成，如圖2所示： [align=center] 圖2 鍋爐現場總線控制系統的軟件體系[/align] 　　1. 系統監控軟件FIX 　　SHCAN2000系統選用美國Intellution公司的FIX DMACS作為組態軟件完成人機界面（MMI）和數據的操作管理，軟件操作平臺采用Windows 98,它集控制技術、圖形技術、數據庫技術、網絡技術于一身，包含靜態編輯、動態顯示、報警、歷史曲線、報表打印、控制網絡通信等多種功能，為客戶提供了一個良好的人機交互界面，為實現控制的實時性提供了可能。 　　2. SHCANI/O —— I/O驅動程序; 　　SHCANIO是FIX DMACS與CAN網卡連接，進而與網絡上SHCAN智能測控組件連接的軟件模塊。SHCANIO是使用Intellution公司提供的I/O驅動程序專用開發工具（ITK）開發的高性能I/O驅動程序。它與常規DDE動態數據交換實現的驅動程序相比較，具有較高的實時性能和更加完善的功能。 　　3. SHCANCFG ­—— SHCAN下載與調試工具; 　　SHCANCFG是一個基于中文WINDOWS95/98/NT上的下載與調試工具，它通過CAN總線，能對SHCAN2000上的每一個智能儀表測控組件進行組態、參數編輯、下載、上傳、管理和實時監控。 　　4. SHCAN智能測控組件組態軟件 　　SHCAN智能測控組件組態軟件是嵌入在SHCAN智能儀表中的組態、數據采集、控 制、輸入、輸出和通訊的模塊。 三、鍋爐現場總線控制系統控制方案的設計與實現 　　整個供熱系統包括2臺20t/h鍋爐，兩臺鍋爐生產的熱水匯總后經由小區各住戶的供熱裝置，經換熱后，返回到鍋爐循環加熱，燃燒方式為火床中的拋煤鏈條爐，它主要有鍋爐主體、出水總網、回水總網等幾部分組成，此外，還有引風機、鼓風機、爐排電機、循環泵、除塵器等輔助設備。要滿足供暖的需要，首先必須保證鍋爐回水溫度和出水流量的穩定，其次要保證爐膛壓力維持在一定范圍，以保證生產的安全性和燃燒的經濟性，因此鍋爐的被控對象可以確定為鍋爐的回水溫度，爐膛負壓，總網的出水壓力（其決定出水流量），下面根據三個回路各自的特點分別闡述如下： 　　1、 鍋爐溫度回路的控制 　　從控制理論的角度分析熱水鍋爐，它是一個多變量、非線性、分布參數的和帶時延的復雜對象，它有多個被控變量（溫度、爐膛負壓等）和調節變量（煤量，鼓風量和引風量等）相互之間存在交叉影響，還有媒質，環境溫度和水流量等諸多因數，不難分析燃燒對象具有大的純滯后，特別是回水溫度回路，其滯后時間與PID時間常數相比更大，在傳統的PID控制回路中，其中有三個重要的參量：SP（被控量的設定值），PV（被控量的實際值），OP（PID的操作輸出），一般根據SP和PV的偏差E通過PID運算得到OP輸出，進而控制現場的相應設備來調節溫度，使其逼近SP值，當設定回水SP后，由于回水溫度回路滯后時間比較長，其起作用的效果至少要等2個小時才能得到，（這主要取決于小區供熱面積），這樣大的滯后必然會帶來系統大的超調，，甚至造成系統的不穩定，這樣我們采用控制鍋爐的出水溫度，但是為了保證鍋爐回水溫度達到要求，出水溫度的SP值要受到回水的控制，在這里我們采納仿人智能控制的思想，通過軟件實現對出水溫度SP值的設定，其實現方法如圖3所示： 　　回水SP根據供暖要求一般由供暖曲線給出，即根據室外的溫度按曲線給出回水溫度的SP預定值，然后將其和回水的實際值PV相比較，如果其絕對值大于偏差上限值△max，那么如果其值大于0，則把出水的SP值設為SP的最小值，否則設為最大值，如果不大于偏差上限△max，那么如果其值大于0，則把出水SP設定為當前值減去一個偏移量，否則加上偏移量。通過這樣設定出水SP，不僅可以避免系統的超調太大，而且大大縮短了調節時間。 　　此外，由于影響出水溫度高低的因素有三個，它們分別為加煤量，鼓風量，和爐排電機速度，而且三者之間存在比例關系，只有分配好這三者關系，鍋爐才能安全、經濟、有效的運行，所以，出水溫度PID控制回路的輸出OP值最終要分配給這三者，即： 　　加煤量 OP1=K1＊OP+D1 　　鼓風量 OP2=K2＊OP+D2 　　爐排電機 OP3=K3＊OP+D3 　　當調節K1、K2、K3、D1、D2、D3六個加權系數便可以保證鍋爐的經濟有效運行。 [align=center] 圖3 出水SP設置方框圖[/align] 　　2.爐膛負壓回路[5] 　　為了保證爐膛內粉煤有效的燃燒，爐膛內部壓力是一個重要的參數，一般爐膛負壓控制在-200Pa～200Pa范圍之內，影響爐膛負壓的因素主要是鼓風量和引風量，下面分別介紹兩者的控制方案： 　　對于鼓風量，我們可以采用常規的PID控制，但是煤量的變化是鼓風控制的一個大的干擾，如果鼓風的調節滯后于煤量的變化，那么勢必會造成冒黑煙現象，嚴重污染環境，采用的解決方法是把煤量作為鼓風控制的前饋量，這樣可以實現當煤量變化后及時改變鼓風量進行調節，值得說明的是，當煤量增加時，提前增加鼓風量這是應該的，但是當煤量減少時，卻不能立即減少鼓風量，這樣同樣會因為鼓風不足，造成冒黑煙，因此必須做出一個判斷，判斷加煤量OP1值是增加還是減少，如果加煤量OP1值增加那么立即增加鼓風量OP2值，如 　　果加煤量OP1值減少那么要等待一段時間，然后在減少鼓風量OP2值。 　　控制爐膛負壓我們主要控制引風量的大小，在這里爐膛負壓作為被控對象，當然這是在鼓風量一定的狀態，那么當鼓風量發生變化的時候，對于引風量的控制同樣可以參照鼓風控制的方案，在這里是把鼓風量作為引風控制的前饋量，當鼓風OP值增加時立即增加引風OP值，但當鼓風OP減少時，卻要等待一段時間，然后再減少引風OP值的大小。 　　3.出水壓力控制回路 　　此回路控制小區供熱管網的水流量，主要通過控制循環泵的工作情況來改變流量的大小，采用常規的PID控制很容易實現，在此不做贅述。 四、結束語 　　從大連金源小區2001年冬季供暖情況來看，采用本文提出的現場總線控制系統實現了鍋爐的安全、經濟、有效的運行，為小區節省了20%的原煤，而且大大改善了鍋爐操作人員的工作環境，減輕的勞動強度，達到了供暖工程改造的預期目標。 參考文獻： 　　[1]鄭金吾等，梁道君，燃煤低壓熱水鍋爐測控系統設計與研究，工業控制計算機，2001年14卷第6期 　　[2]袁愛進，現場智能測控儀表軟件集成技術的研究，儀器儀表學報，2001年第2期 　　[3]郝曉華，馬向華，論現場總線控制系統，自動化與儀表，2001年第3期 　　[4]SHCAN2000分布控制系統智能測控組件系統組態使用手冊. 大連鐵道學院三合儀表開發公司 1999 　　[5]唐世金，工業鍋爐節能的控制技術，兵器工業出版社，1993