一种高性价比的燃煤热载体炉燃烧冗余控制系统的制作方法

专利名称：：一种高性价比的燃煤热载体炉燃烧冗余控制系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及DCS工业控制系统
技术领域：
，具体指大型链条煤层燃热载体炉(简称"热媒炉")的燃烧冗余控制系统。
背景技术：
：大型热载体炉(简称"热媒炉")作为大型的供热设备，广泛应用于化工、石化、冶金、纺织、塑料等许多行业。工业的飞速发展，离不开供热设备，因此，大型热媒炉这种热能转换设备也有着比较大的市场需求。燃煤热媒炉是一种以煤为燃料(炉排链条煤层燃)，以导热油为热载体(简称热媒)，利用循环油泵强制闭路液相循环，将热能输送给用热设备后，继续返回炉内再加热的直流式特种工业炉。其工艺特性是高温、低压、强制液相循环。温度可高达34(TC左右，压力低于lMPa。由于热媒超温时，会发生分解，变质，在炉管内壁上形成"结焦"，这样不但使导热油报废，还会严重损坏炉子，甚至造成设备人身伤亡事故，同时由于生产过程连续稳定的用热要求，因此，安全可靠的控制系统是确保锅炉安全运行和提供用户稳定热源的关键。燃煤热媒炉的控制有采用仪表控制，也有PLC控制和DCS控制。仪表控制的特点是简单，价格便宜，但是温度控制的波动大，控制灵活性差、系统可靠性低。PLC和DCS控制，可靠性高、系统可扩展，PLC系统价格稍高，DCS系统价格最高。但随着控制技术的发展和控制器产品的成熟，生产过程中节能降耗的要求和用热要求的提高，因此采用PLC和DCS控制是发展趋势。在一些重要的生产中，需要每天24小时、每年365天的不间断的供热，常常需要双保险的冗余控制系统，确保热媒炉的连续稳定的运行。常规的冗余控制系统，主要是指双CPU控制器冗余(包括硬件冗余和软件冗余)，由于CPU是控制系统的心脏，一旦CPU故障，会引起整个控制系统的瘫痪，因此为了提高系统可靠性，又考虑成本问题，仅对控制系统的心脏进行冗余，而这个冗余不能解决除CPU以外其他模块故障所带来的问题；而如果采用CPU和1/0全部冗余的系统，则费用相当昂贵。
发明内容本发明的目的为克服上述常规冗余系统的成本高、或对CPU模块以外的故障不能保护和燃煤热媒炉的燃烧控制比较困难，当用热负荷要求较高的温度精度时，温度控制精度比较难达到；燃烧不充分，燃烧效率低，没有燃尽的煤灰随着烟气排放，会对环境造成严重污染等缺失，而提出的燃煤热媒炉的自动控制系统。本系统采用双CPU、双采集回路和双控制回路的高可靠性低成本设计方案，燃煤热载体炉燃烧控制系统采用当今成熟的工业控制的主流产品PLC及工控机组成，以解决燃煤热媒炉的温度控制难题和提高燃烧效率，提高劳动生产率、提高热媒炉安全运行的可靠性。众所周知，PLC发展至今，已成为可靠性非常高、功能强大、速度快、实时性好、网络功能齐全的适用于各种工业控制场合的控制器或系统；工控机不同于一般商用机，适用于工业控制环境下的抗干扰强、可靠性高的计算机。用PLC作控制器、工控机作操作管理机组成的控制系统具有可靠性高、控制功能强、人机交互好、数据处理快、管理功能全、系统可扩展及生命周期长等特点。本发明的一种高性价比的燃煤热载体炉燃烧冗余控制系统，包括燃烧控制和供热循环控制两部分。燃烧控制是控制热媒炉燃烧，使热媒到达要求的温度；供热循环控制是控制热媒的传输，将加热的热媒送达用热设备，返回的热媒送回热媒炉加热。单炉控制是以每台热媒炉为一个控制单元；系统控制是以每个供热系统为一个控制单元。为了确保系统的安全和可靠，采用二级控制，多级保障的冗余控制系统。其中，二级控制是指热媒炉产热生产过程控制中，有两个控制器可对其进行控制系统控制和单炉控制实现燃烧控制；系统控制和公用控制实现供热循环控制，并通过控制权(指对对象实施控制的权力)切换选择控制方式。在系统中，控制权只有一个，也就是说在同一时刻，只有一个控制器能对对象实行控制。在正常情况下，控制权在系统控制，热媒炉的燃烧控制和供热循环控制是由系统控制来完成；而在系统控制故障的情况下，控制权切换至单炉控制和公用控制，即单炉控制替换系统控制中的热媒炉控制功能，公用控制(是指系统以外的公用设备的控制)替换系统控制中的供热循环控制功能，来确保热媒炉和供热系统一直处于安全可控的范围内。采用SIEMENSS7-300的PLC控制器作为系统控制器，其良好的性能和模块化结构，控制功能强大、维护检修方便。采用SIEMENSS7-200的PLC控制器作为单炉控制器，虽不如SIEMENSS7-300的PLC控制器强大，但作为系统的短时间补充调节控制，其性能也能满足要求。多级保障，是指二级控制保障、变频调速控制和常规电气控制的保障。采用变频控制技术，控制热煤炉的两个主要电器变频调节鼓风机速度和炉排速度，使控制更加灵活，同时节电效果好。系统中采用公用引风，每台炉的引风量由出口烟道蝶阀调节来实现。控制算法采用智能PID技术及自适应和前馈等控制技术，解决燃煤热媒炉温度调节中非线性、扰动多、滞后大、惯性大等难题。控制软件设计采用标准化、功能化、模块化的结构，功能的扩展和程序的增添以及参数的调整非常容易，来应对燃烧过程控制中许多可能出现的扰动克服和不可预见因素的应急处理以及系统需要增添的新功能等。采用人性化的操作员界面和提供专家诊断系统，方便操作人员操作、维护系统，减小人为操作、疏忽等因素引起的事故可能。系统组成燃煤热载体炉燃烧控制系统是网络化控制系统，根据不同的热媒炉工程配置有所变化，但总体的系统结构可分为上、中、下三层操作管理层、系统控制层和单炉控制层。上层为操作管理层，由若干个管理操作站(工程师站和操作员站)和网络设备组成，实现人机交互的操作管理功能。管理操作站由工控机、显示器、打印机等组成，对热媒炉系统的运行数据和设备状态进行显示、报警、储存等处理和管理；将操作员的操作命令(启炉/停炉命令、设备开/关命令和参数设定值等)传送给热媒炉控制系统(人机交互)；在屏幕上、打印机上实现各种数据(包括操作命令)的记录(磁记录和打印绘图记录)和历史数据的查询等功能。中层为控制系统中心，一个供热系统配置一个系统控制柜，实现热媒炉系统的数据采集、回路调节、顺序控制、逻辑控制、安全联锁控制和综合报警等功能。每个系统控制柜向下直接连接相关的热媒炉控制柜、现场传感器、变送器、执行机构和其他设备电控柜，采集相关系统的实时运行数据和设备工况信号，控制相关设备的运行，调节鼓风机、引风机和炉排的运行速度，使热媒炉运行在良好的工况下、热媒出口温度稳定在设定的范围内，供热循环的热媒出口流量和压力保持稳定；向上通过以太网交换机(或其他网络设备)，与操作员站和一个工程师站相连，将采集的模拟量和开关量信号以及设备的状态信号传送给工作站，同时执行操作员站和工程师站发出的操作命令。下层为单炉控制层，由热媒炉控制柜和设备电控柜组成。每个热媒炉控制柜控制一台热媒炉的运行，实现该台热媒炉的回路调节、顺序控制、逻辑控制、安全联锁控制。热媒炉控制柜，包括热媒炉的电气控制和自动控制。在热媒炉控制柜上可进行系统控制和单炉控制的控制权切换选择，在切换到单炉控制时，该炉的控制(包括手动控制和自动控制)全部在该控制柜上实现；当选择系统控制时，该炉的控制全部由系统控制柜实现，热媒炉控制柜仅作为电气控制用。热媒炉控制柜同样具有自动控制功能，但是它只是在系统控制失效时暂时行使自动控制功能，因此较为简单。图1为本发明一种燃煤热媒炉燃烧控制系统的实施例结构框图2为本发明的实施例中鼓风机调速控制权切换示意图3为本发明控制权切换控制软件流程图。具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述下面给出的是九台700万大卡燃煤热媒炉DCS控制系统结构框图(如附图1所示)。本发明的一个热媒炉工程自动控制系统，控制包括三个供热循环系统的九台燃煤热媒炉系统。上层由四个操作员站、一个工程师站和以太网交换机组成。操作员站和工程师站分别配置研华PIII工控机、优派19时液晶显示屏、EPSON打印机等。正常情况下，四个操作员站分别操作控制四个子系统(对应C01、C02、C03、C04四个系统控制柜)，一个工程师站作为系统管理用。四个操作员站软件与硬件配置标准一致，可以互为备份。系统控制柜C01、C02、C03、C04共四个，其中COl、C02、C03分别是HCP-l、HCP-2和BCP-1三个供热系统控制柜，C04是公共系统控制柜。每个系统控制柜，由SIEMENS的S7-300PLC作为主控制器，外部变送器等由双开关电源供电，主要元器件选用优质可靠的品牌，确保控制系统的安全、稳定、可靠。三个供热系统控制柜，软件与硬件配置完全一样，便于维护和管理。热媒炉控制柜有九个C27-C29，C37-C39，C47-C49，分别对应三个供热循环系统的九个热煤炉，实现热媒炉设备的电气控制和调速控制以及供电。同时，当系统控制异常6时，可代替系统实现热媒炉的单台炉自动控制和调节。热媒炉控制柜，配置有SIEMENS的S7-200PLC、变频器、开关、接触器及操作面板等。另外还有C05UPS配电柜；C11-C17引风机电控柜；C21_C26、C31-C36,C41-C44循环泵和增压泵电控柜；C45综合电控柜。关键技术二级控制架构采用系统级和热媒炉级的二级控制架构，低成本实现了系统的冗余控制功能，确保了控制系统长期的安全可靠。针对控制器冗余的要求，给出了控制系统冗余的实现方案系统控制和热媒炉控制，既控制了系统成本又满足了用户的要求，解决了用户的后顾之忧，确保了热媒炉控制系统的24小时、365天的故障不停炉的连续运行。冗余控制的实现方案有多种，有完全独立的两套控制系统的冗余、有控制系统中控制器的冗余等等，目的是一个，就是在一套控制系统失效时，另一套控制系统起作用。由于热媒炉工程是为聚酯工艺配套的，要求提供稳定的热源，一旦控制系统故障而产生停炉，热源温度会发生变化，将对聚酯造成严重损失，因此确保热媒炉安全稳定是非常重要的。而热媒炉系统并非是个无人值守系统，采用完全一样的两个控制系统冗余，成本高、代价大；采用控制器冗余方案，比前一种方案的成本是节省了许多，但是不能解决除控制器以外的故障影响。因此本发明给出的这套方案，二级控制既是两个相互独立控制系统，又采用不同的配置，适应不同的需求，提高系统的可靠性，并以最低的成本(比前两种方案)实现了系统的冗余控制功能。系统控制配置较高性能的模块化结构的SIEMENSS7-300PLC，对三台热媒炉、一个供热系统进行调节、控制和管理；单炉控制配置比较简易的SIEMENSS7_200PLC，对每台热媒炉进行比较简单的调节、控制和管理。正常情况下热媒炉工程为系统控制，一旦系统控制出现异常，可以在热媒炉控制柜上一"键"切换，立即转换到单炉控制，实现热媒炉的安全控制、温度调节、炉膛负压调节、其它设备的辅助控制等。由于系统控制采用的是模块化结构的PLC，因此故障修复时间极短；单炉控制不是处于长时间的控制，调节精度完全满足要求，这种二级控制的实现，确保了系统的高效、可靠、安全。控制权的无扰动切换从系统控制到单炉控制，或从单炉控制到系统控制，或从手动控制转到自动控制，由于热媒炉需要24小时、365天不间断运行，又由于热煤炉有一部分人工调节的环节，因此在进行控制权切换过程中所有设备运行保持平稳，只要一个旋纽就能实现切换，而不需要操作员进行复杂操作，确保系统一直处在安全、可控的运行中。这一功能的实现就是在切换控制权前，系统和热媒炉两套控制系统一直保持运行状态，两套控制系统的硬件和软件配套实现的。以鼓风机为例(如附图2所示)，说明由一个开关切换控制权。这是一个三位开关。正常运行时，开关置于"左"侦U，处于系统运行模式，是由系统控制器输出的"RA0"和"RD0"来控制和调节变频器运行；当开关转到中间位置时，即切换到单炉控制模式，是由单炉控制器"LA0"和"LD0"来控制和调节变频器运行；当开关转到"右"侧时，为手动模式，由面板操作按钮来控制和调节变频器运行。其他的电器控制也一样。控制权的无扰动切换软件实现包括以下步骤(如附图3所示)控制权是否在本地，是一算法处理一输出控制；反之，否一读取变频器速度信号和状态信号一将本地输出跟踪输入信号。系统控制和单炉控制的软件控制流程一样。热备控制系统(没有控制权)时刻跟踪变频器(执行器)状态，将其输出与执行器保持一致，当控制权切换时，不会产生扰动。专家系统故障分析和燃烧分析的专家诊断系统实现，有助于故障排除和提高燃烧效率。热媒炉控制系统的专家诊断系统，方便操作员、管理员了解当前热煤炉的运行状态，及时排除故障或调整人工操作的给定(如给煤层厚度的调整等)。专家诊断系统是基于控制对象和控制规律的各种经验和知识集合的推理和推测在操作员屏幕上的显示。热媒炉控制系统的专家系统，包括故障分析诊断和燃烧状态分析两部分。故障分析诊断系统，是当故障出现时，操作员站屏幕上立即出现醒目的报警信息，在进入报警查询画面后，可以看到故障发生的可能原因分析，以帮助操作员了解情况，采取相应的措施。燃烧状态分析，是在操作员站的每台热煤炉操作屏幕上实现。当基于燃烧量的计算，实际燃烧量与理论计算发生较大偏差或炉排(燃料量)与鼓风机调速(燃烧氧量)发生较大偏离时，提示操作人员当前燃烧情况不好，要增加或减少煤层厚度，来提高燃烧效率。标准化、模块化标准化、开放式的系统结构，可灵活方便地扩展系统功能、增减系统配置。由于从硬件到软件均采用模块化的结构，热媒炉控制系统可以根据实际工程的大小进行不同的配置，满足工程的需求。系统技术指标操作员站和工程师站操作员站和工程师站根据用户需要可设置1至多台。每个工作站主要硬件配置工控机、显示器、鼠标、键盘、打印机(可选)、网络配件。软件配置MicrosoftWindows2000Professional操作系统、网络软件、组态王监控软件等。系统控制柜根据工程的大小(或供热循环系统)进行配置。如四台800万大卡的热媒炉系统，由于是一个供热系统，因此配置一个系统控制柜；如九台700万大卡热煤炉系统，由于是三个供热循环系统，因此配置信号隔离器、继电器等。软件配置相应的PLC控制软件四个系统控制柜，其中三个为供热循环系统控制柜，另一个为公用系统控制柜。每个系统控制柜的配置主要有模块化结构的PLC、开关电源、信号隔离器、继电器等。热媒炉控制柜根据热媒炉数来进行配置，一台热媒炉配置一个热媒炉控制柜。每个热媒炉控制柜的配置主要有小型PLC、开关电源、信号隔离器、继电器、操作面板、变频器及热媒炉设备的电器配套等。软件配置相应的PLC控制软件。8控制精度通过对炉排的变频调节、鼓风机的变频调节和引风机的变频调节或风门开度调节，使热媒炉稳态时i)设定温度-rc-热媒出口温度《设定温度+rc2)设定压力-5Pa《炉膛压力《设定压力+5Pa创新性1)提供的燃烧状态分析的专家系统，可以帮助操作员调节热媒炉的人工调节环节，提高了燃烧效率。2)用系统控制和热媒炉单炉控制的二级架构，低成本、高可靠地实现了热媒炉的冗余控制，解决了控制系统零故障停炉的问题，使燃煤热媒炉系统保持24小时/天、365天/年连续不间断的可控制、可调节。节能情况燃煤热媒炉控制系统第一套供热循环系统投入运行，到目前为止已有多套供热系统、数十台热媒媒炉投入运行，系统运行可靠稳定，燃烧状态良好，满足了用户的要求，获得了用户的好评。以一台700万大卡的热媒炉需要消耗的燃料(燃油和燃煤)比较如下表，来进行热煤炉运行成本比较<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>(以上的燃料价格为2004年情况。)由上表可知，一台700万大卡的燃煤热媒炉比同样功率的燃油热媒炉消耗的燃料价格一年节省接近300万人民币，九台700万大卡的燃煤热媒炉一年就节省了2565万人民币。这还是以80%效率计算的结果，如果提高燃烧效率到90%，运行成本更可降低。因此，九台700万大卡的燃煤热媒炉的控制系统不需要2个月就可以从燃料上收回投资成本。近年来，在我国经济的高速发展进程中，能源消费结构不合理、供需矛盾加剧日益突出。煤炭是我国的基础能源，在能源消费结构中起主导地位，节约和替代燃料油，符合我国的能源发展政策。燃煤热媒炉控制系统的实现，从控制上确保了热煤炉的安全生产、热媒温度的控制精度和提高燃煤燃烧效率的可能。由于其良好的控制效果，较低的运行成本，使燃煤热媒炉替代燃油热媒炉成为可能，并具有广阔的市场前景。权利要求一种高性价比的燃煤热载体炉燃烧冗余控制系统，包括PLC控制器，操作管理系统及变频控制技术系统及常规电气控制系统，其特征是，所述的控制系统结构，包括操作管理层、系统控制层和单炉控制层上、中、下三层；同时，热媒炉产热生产过程控制采用有系统控制和单炉控制，并在系统控制故障的情况下，可通过控制权的无扰动切换功能，由单炉控制来替代实现；所述的变频控制技术系统，包括鼓风机速度和炉排速度的调节；为方便操作人员的操作、系统维护，减少因人为操作、疏忽因素引起的事故可能，采用人性化的操作员界面和提供专家诊断系统；以及采用标准化、功能化、模块化的结构及功能的扩展和程序的增添以及参数的调整的控制软件设计。2.如权利要求1所述的一种高性价比的燃煤热载体炉燃烧冗余控制系统，其特征是，燃煤热载体炉燃烧控制系统为一网络化控制系统，根据不同的热煤炉工程配置而变化，其中，所述的上层为操作管理层，由若干个实现人机交互操作管理功能的管理操作站和网络设备组成；管理操作站由工控机、显示器、打印机及软件配置组成，对热媒炉系统的运行数据和设备状态进行显示、报警、储存处理和管理；将操作员的操作命令，包括启炉/停炉命令、设备开/关命令和参数设定值，传送给具有人机交互功能的热媒炉控制系统；在屏幕上、打印机上实现各种数据，包括经磁记录和打印绘图记录的操作命令的记录和历史数据的查询；所述的中层为控制系统中心，由一个供热系统配置一个系统控制柜组成，以实现热媒炉系统的数据采集、回路调节、顺序控制、逻辑控制、安全联锁控制和综合报警；每个系统控制柜向下直接连接相关的热媒炉控制柜、现场传感器、变送器、执行机构和其他设备电控柜，采集相关系统的实时运行数据和设备工况信号，控制相关设备的运行，调节鼓风机、引风机和炉排的运行速度；向上通过以太网交换机或其他网络设备，与操作员站和一个工程师站相连，将采集的模拟量和开关量信号以及设备的状态信号传送给工作站，同时执行操作员站和工程师站发出的操作命令；所述的下层为单炉控制层，由热媒炉控制柜和设备电控柜组成，每个热媒炉控制柜控制一台热煤炉的运行，实现该台热媒炉的回路调节、顺序控制、逻辑控制、安全联锁控制；所述的热媒炉控制柜，包括热媒炉的电气控制和自动控制；每个热媒炉控制柜的配置主要有小型PLC、开关电源、信号隔离器、继电器、操作面板、变频器及热煤炉设备的电器配套和相应的PLC控制软件配置；在热媒炉控制柜上可进行系统控制和单炉控制的控制切换选择，在切换到单炉控制时，该炉的控制包括手动控制和自动控制全部在该控制柜上实现；当选择系统控制时，该炉的控制全部由系统控制柜实现，热媒炉控制柜仅作为电气控制用，在系统控制失效时，热媒炉控制柜行使自动控制功能；从系统控制到单炉控制，或从单炉控制到系统控制，或从手动控制转到自动控制，该功能通过在切换控制权前，系统控制和单炉控制两套系统一直保持运行状态，两套控制系统的硬件和软件配套实现的。3.如权利要求1或2所述的一种高性价比的燃煤热载体炉燃烧冗余控制系统，其特征是，所述的控制权的无扰动切换功能，通过一个三位开关切换的如下操作正常运行时，开关置于"左"侧，处于系统运行模式，由系统控制器输出的"RAO"和"RDO"来控制和调节变频器运行；当开关转到中间位置时，即切换到单炉控制模式，由单炉控制器"LA0"和"LD0"来控制和调节变频器运行；当开关转到"右"侧时，为手动模式，由面板操作按钮进行控制和调节变频器运行；控制权的无扰动切换软件实现包括以下步骤控制权是否在本地，是一算法处理一输出控制；反之，否一读取变频器速度信号和状态信号一将本地输出跟踪输入信号。全文摘要本发明一种高性价比的燃煤热载体炉燃烧冗余控制系统，涉及DCS工业控制系统
技术领域：
，具体指大型链条煤层燃热载体炉的燃烧冗余控制系统。包括PLC控制器，操作管理系统及变频控制技术系统及常规电气控制系统组成。控制系统的燃烧控制和供热循环控制都有两套控制系统来保障并实现无扰动控制权切换，两套系统低成本高性价比的实施，确保了热媒炉控制系统的安全可靠；采用人性化的操作员界面和提供专家诊断系统；以及采用标准化、功能化、模块化的结构及功能的扩展和程序的增添以及参数的调整的控制软件设计。本发明从控制上确保了热媒炉的安全生产、热媒温度的控制精度和提高燃煤燃烧效率的可能。有良好的控制效果和较低的运行成本。文档编号F23N1/02GK101749727SQ20081020423公开日2010年6月23日申请日期2008年12月9日优先权日2008年12月9日发明者严敏,严海,卢志航,周智,王超,郭胜军,陈洁申请人:上海交技发展股份有限公司