研华ADAM4000系列在西钢热电厂锅炉控制上的应用

ApplicationStory系统需求我们查阅了一些资料，进行了必要考查，最终归纳出三种方案：方案A：采用DCS。浙大中控开发的或和利时公司的Focs2.0适合我公司锅炉生产实际，已成功地应用于多家同类场合。缺点是费用较昂贵。这类系统仅软件和软件开发即需三十万元，还要再加上二十万元以上的硬件费用。方案B：采用PLC+上位机形式。选择西门子公司S7300系列PLC和研华公司的IPC。此方案可靠性很高，但投资也很高，且PLC长于逻辑控制，用于锅炉生产的慢反应过程，优势不明显。方案C：采用研华ADAM4000系列智能模块，配以该公司的IPC610H工控机。此配置性价比很高，估算投资十万元以下，不仅能很好的满足生产工艺要求，且系统还极易扩展。唯一难点是,在锅炉自动控制领域，当时国内尚未发现采用此种方案的设计。在综合考虑了投资情况，性能价格比和日后的扩展功能等因素基础上，我们最终决定冒一定风险，选择方案C。系统描述1．硬件配置该系统I/O共计131点（不含冗余），其中，AI:4～20mA，55点；AO:4～20mA，10点；DI:40点；DO:26点。根据上述I/O点情况，硬件配置为：主机系统配置：PⅢ450；PCA6176S和PCA6114P4工业母板；64M内存；IPC610机箱(内带大功率电源)；PHILIPS15寸平面直角彩显；EPSONLQ-1600KIII针式打印机。智能模块配置：ADAM4017八块；DADAM4052六块；ADAM4024三块；ADAM4060四块；ADAM4520一块。系统配置图如下：案例名称：研华ADAM-4000系列在西钢热电厂锅炉控制上的应用行业分类：远程监控地点项目介绍：西钢热电厂有35t/h工业锅炉两座，供汽轮发电机组发电和厂区及家属区供热。长期以来，因测控系统陈旧，锅炉生产事故频繁，公司决定，锅炉大修同时引进微机控制。投产后，两年运行情况表明，微机系统状态良好，各项指标达均达到预定要求，是采用研华ADAM4000系列智能模块改造老设备的一个成功案例。ApplicationStory图1:系统配置图2.软件配置选用研华公司组态软件VISIDAQ3.1，运行于WINDOWS95/98操作系统。3.软硬件简介1）硬件ADAM4000系列是通用传感器到计算机的便携式接口模块，专为恶劣环境下的可靠操作而设计。该系列具有内置的微处理器，坚固的工业级塑料外壳，可以独立提供智能信号调理、模拟量I/O、数字量I/O、数据显示和RS-485通讯等功能。内置看门狗定时器功能可自动复位ADAM4000系列模块，减少维护量；对不同任务可以使用同一种模块，极大地简化了设计工作并降低了维护成本；基于ASCII的命令/响应协议可确保与任何计算机系统兼容。ADAM4017：ADAM4017是16位的8通道摸入模块。所有通道都可编程设定输入范围，对于工业测量和监控来说非常适用。它在模拟量输入和模块之间提供了3000VDC隔离，从而保护模块及外围设备。该模块用16位微处理器控制的sigma-deltaA/D转换器，把模拟量信号转换成数字量信号。当主机需要时，模块通过标准RS-485总线将数据传送给主机。该模块通道由6个差分和2个单端组成。本系统的模拟量输入范围为1～5V，选用差分通道。ADAM4052：ADAM4052是隔离数字量输入模块，有8个数字量输入通道(6个完全独立的通道和2个共地的隔离通道)，所有通道具有5000V隔离，可防止地线电流干扰和电源浪涌。ADAM4024:ApplicationStoryADAM4024是12位4通道D/A模块，内置看门狗定时器。隔离电压3000VDC，电压转换率为0.0625-64V/s，有4种输出信号可选，本系统选用4～20mA。ADAM4060:ADAM4060是继电器输出模块，比SSR模块成本低。它提供2个A型继电器，2个C型继电器。接触功率250VAC,0.3A或30VDC,2A。总切换时间10毫秒。2）软件VISIDAQ3.1提供了集成开发环境，包含数据采集和控制的基本组件，是图形化工控软件包。Display开发器提供丰富的图形器件库，用于生成人机界面；Task开发器是控制策略生成器，提供各类运算或控制功能块，用户只需将所选功能块连接好，即可形成控制策略，完成各种控制功能，用内嵌的Vbscript可编制复杂的控制程序。4.系统通讯各模块通过双绞线连入485网上，主机通过4520模块与485网连接。各智能模块被连成总线式。主机系统与智能模块间用屏蔽双绞线联成RS-485总线式网络。EIARS-485是工业上使用最广泛的双向有补偿传输线标准。它是特别为能够高速和长距离发送和接收的工业系统开发的。EIARS-485协议主要技术指标如下:a)每段最长连接1200Mb)传输速率在10M波特c)单组双绞线电缆上的双向主从通讯ADAM4000模块完全隔离，并仅用一组双绞线发送和接收。因为节点并行连接，它们可以不连接主机而不影响其余节点的功能。当节点通过网络通讯时，由于采用简单的命令/回答时序，不会产生发送冲突。总是有一台主机(不带地址)和几台从机(带地址)通信。主机是IPC机，从机是ADAM智能模块，当模块不发送数据时，它们处于侦听方式。主机与其中一个ADAM智能模块发出一个命令/回答序列。命令包含主机想要与之通讯的模块地址，地址符合的模块执行命令并向主机送出应答:如下图所示:图2:RS-485协议下的通讯时序图5.应用软件的开发5.1各对象间的关系在TASK中各对象间的关系如图:ApplicationStory图3:各对象间的关系5.2系统的功能1)监控①工艺流程图画面各热工参数均显示在流程图的相应位置上，直观而形象。相关设备的状态由颜色的变化来识别。开机后，系统被设置成自动引导进入主画面，操作员自动登录。操作员只被授予“打印”，“查询”，“察看报警历史”和“翻页”等权力。若需修改应用软件，则只有被授权的工程师登录，中断任务，然后才能对整个系统进行操作。②阀门操作画面需在计算机上手动调节阀门时，用鼠标点击相应阀门就可弹出该阀门的调节窗口可用滑动方式调节阀门开度或用开关方式控制开关阀。③设备操作画面可在此画面上启停设备和调整变频速度。④急停画面在紧急情况下，点击该画面中的任何一个设备，就会实现此设备上游设备保持原状，下游设备紧急停车。若点击“急停”按钮，则所有设备均立即停止。⑤自动调节画面允许有授权的操作人员改变设定值，实现手动、半自动和自动的无扰切换。⑥趋势画面实时趋势：利用实时趋势可以分析某个或某几个热工参数的发展趋势历史趋势：利用历史趋势可以查询某个或某几个热工参数的历史记录，便于有关人员分析数据和事件。⑦报警画面显示所有已确认和未确认的报警信息，可显示报警参数名称、报警值、报警时间和确认时间。设备故障时或主要参数严重超限时，电笛将发声。ApplicationStory⑧报表打印在系统设置上，每日早8:00打印前24小时报表，也可随时按“打印”按钮，选择时间范围后，打印机便可输出报表。硬盘上仅存当前日期前31天的数据。2)控制对一些重要参数进行以PID为主的调节，调节回路有三种工作方式：自动，半自动和手动。自动时由工控机自动调节阀门开度；半自动由操作人员直接在画面上键入阀门开度；手动由操作人员用手操器操作阀门开度，画面上跟踪此阀门开度。这三种工作方式的优先顺序是：手动最高，半自动次之，自动最低。a.气包液位调节锅炉气包液位是表征其生产过程的主要工艺指标，同时，也是保证锅炉安全运行的主要条件之一。液位过高，使蒸汽产生带液现象，不仅降低了蒸汽的质量和产量，而且还会使过热器结垢，或使汽轮机叶片损坏；当液位过低时，轻则影响水汽平衡，重则烧干锅炉，严重时会导致锅炉爆炸等事故。本系统采用三冲量调节，即根据给水流量、气包液位和蒸汽流量调节主给水阀。系统图如下：图4:液位调节系统图上图中，∑=a+b。在微机内部，蒸汽流量需经温度、压力校正（补偿）后，方可作为加法器的输入。为确保气包操作安全，用两台差压变送器测气包水位，程序上设置成一台用于调节，一台用于屏幕显示，一旦出现故障，立即切换到另一台信号上，（在上位机画面上设置一转换开关，一旦切换程序失灵，可按此开关转换）。水位调节器选用负作用方式。当气包水位上升时，调节器输出减小，加法器输出也下降，从而给水调节阀关小。该控制回路可以克服“假水位”现象：当蒸汽负荷突然增加而出现“假水位”时，∑中的F汽和L液都增加，使得∑值基本不变，即PID的设定点值不变；短时间后，气包内压力恢复平衡，“假水位”消除，此时，由于蒸发量增加，液位开始下降，导致∑值开始增加，PID的设定点值就增大，给水阀门开大，增加了给水量，保持气包水位平衡。b.过热蒸汽温度调节ApplicationStory过热蒸汽温度的控制要求较严格，该温度过高会烧坏过热器水管，对负荷设备的安全运行极为不利；过低会直接影响负荷设备的使用。工艺上用喷水减温方法来控制该温度。此回路采用串级PID调节。根据过热蒸汽温度调节减温水调节阀，使过热蒸汽温度维持在工艺要求的范围内。如下图：图5:过热蒸汽温度调节框图入口蒸汽及减温水一侧的扰动，首先反映为减温器后气温的变化，该回路可及时调节，使扰动对过热蒸汽温度的影响大大减小，提高了调节品质。c.过热蒸汽压力调节过热蒸汽压力是蒸汽供需平衡的标志，它通过调节进入炉膛的给煤量和送风量来保证。采用PI控制，通过过热蒸汽压力的变化来控制鼓风机风门开度和炉排转速。同时，送风系统的调节必须与炉排转速配合好，以便充分燃烧，提高炉子的热效率。框图如下：图6:过热蒸汽压力调节框图d.炉膛负压调节炉膛负压是一个重要参数，是锅炉安全运行的必要条件。负压过大，则漏风严重，总风量增加，烟气热量损失增大，同时，不利于经济燃烧；压力偏正时，炉膛要向外喷火，不利于安全生产。该回路主要靠调节引风机风门开度来实现。另外，还应兼顾调整送风量和给煤量，互相配合，使炉膛压力能够稳定在-20～-10Pa间。该系统和“c”项系统实际上应合称为“锅炉燃烧系统”，投ApplicationStory运时，应先投入引风调节系统，再投入送风调节系统，最后投入给煤调节系统。图7:炉膛压力调节框图5.3系统的调试1)主机系统的软硬件设置2)输入智能模块的设置与校验ADAM4000系列自带可设置与校验智能模块的基于DOS的工具软件。一种DLL（动态连接库）驱动器可用于编制Windows应用程序。a)设置：分别使每个ADAM4000系列智能模块处于“初始”状态，设置其波特率，起始位，数据位，结束位，奇偶校验位和地址。b)校验：用工具软件中的Terminal菜单可直接在RS-485总线上发送和接收命令。c)本系统的模拟量模块被设置成接受1～5V标准信号。3)输出智能模块的设置与校验模拟量输出模块的输出电流可以用低校准值和高校准值进行比较。模出模块被配置为以下量程:4～20mA。4)主机与智能模块通讯的测试用commandtest或terminalemulation直接在RS-485总线上发送和接收命令，从而可测试主机与智能模块各通道的通讯情况。5)应用软件功能块功能的测试包括记录功能的测试，查询功能的测试和报警输出功能的测试。6)PID参数的整定7)系统波特率的选择本系统选择9600。8)网络终端电阻的确定在每个阻抗不连续处将引起信号反射和奇变，在传输线上发生阻抗不连续时，阻抗的影响使信号反射。这就会导致信号奇变。特别在传输线的末端，造成不匹配问题。为了消除这种不连续性，ApplicationStory要在终端加上匹配电阻。终端匹配电阻值应尽可能接近传输线的特性阻抗值。一般R=120欧总结实践证明，ADAM4000系列用于锅炉微机控制领域是可行的。系统投运两年来非常稳定，同时，优势明显：成本极低：IPC+ADAM4000智能模系统是解决中小企业生产自动化的低成本方案，本文即是一个实例。本系统设备投资仅69720元，远远低于用DCS或PLC。极易扩展：硬件上模块扩展只需通过双绞线挂接入RS-485总线即可；软件上由于采