基于组态软件的燃气锅炉自动控制系统

基于组态软件的燃气锅炉自动控制系统

概述

系统研发的目的是通过改造燃气锅炉的电控系统，精确匹配燃气锅炉输出温度与反应釜需要的温度，达到节约能源的效果。

当前我国为了保护环境，改善空气质量，正在推进把燃煤锅炉改造为天然气锅炉的工作，而天然气的价格大大高于煤炭，几乎是煤炭价格的四倍，所以通过技术改造减少锅炉燃料消耗的需求变得日益迫切。

树脂生产工厂生产树脂的过程是这样的：将特定原料投入反应釜，根据温控曲线控制温度的升降和保持，使原料发生化学反应，化学反应的产物就是需要的树脂产品。

树脂生产厂的锅炉通过燃烧天燃气产生上述化学反应所需要的热量，锅炉原有的控制系统只能输出恒定的温度，而反应釜所需的温度是根据时间变化的，这样有大量的热量被白白浪费掉，如果燃气锅炉的输出温度能根据反应釜需要的温度变化而变化，就能节约大量的天然气，从而产生显著的经济效益。

系统需求分析

在进行系统的设计之前需要知道系统应具备的功能，系统设计人员在树脂生产厂向生产主管和工厂负责人详细了解了现有设备的结构功能，控制接口，在此基础上设计新控制系统。

树脂生产厂的燃气锅炉房距生产车间二百米左右，生产车间有四个反应釜，燃气锅炉通过加热油向反应釜供热。

现有燃气锅炉的电控设备输入温度传感器信号和压力传感器信号，输出关火控制信号，开大火控制信号和开小火控制信号，通过电控系统的终端，可以设置输出温度，大小火转换温度，控制流程如下图所示：

现有燃气锅炉的电控设备控制流程是这样的：

控制系统比较温度传感器的温度与输出温度设置值，如果大于该值，则输出关火控制信号；如果小于该值，则与大小火转换温度设置值比较，如果大于该值则输出开小火控制信号，反之输出开大火控制信号。

控制系统比较压力传感器的压力值与最大压力设置值，如果大于该值，则输出关火控制信号。

了解了原有燃气锅炉电控系统的功能，才能根据用户的需求得到新的燃气锅炉电控系统的功能，结构，性能指标。

新的燃气锅炉电控系统应具有如下功能：

控制终端计算机位于生产车间，与位于燃气锅炉室的控制端通过控制电缆相连。

在控制终端上预先设置四个反应釜的温控曲线，根据控制模型计算出燃气锅炉的温度输出随时间变化的曲线。

计算机根据燃气锅炉温控曲线生成控制信号，通过电缆将控制信号传输至燃气锅炉的控制端，控制燃气锅炉的大小火点火开关和关闭开关。

显示并存储燃气锅炉温度输出曲线，并可以随时调用查看。

可在控制终端计算机上设置控制系统的参数。

用户权限管理，只有经过授权的工作人员才能进行相应的操作。

确定了新控制系统的功能后即可进行系统的概要设计。

系统概要设计

系统功能框图

系统设计的原则是尽量采用成熟的软件平台和仪表，以减少软件和硬件的工作量，提高系统的可靠性。

系统功能框图如下图所示：

在燃气锅炉房安装一台巡检仪，用于采集燃气锅炉传感器的压力、温度数据。

巡检仪是一种工业测控仪表，它可以与各类传感器、变送器配合使用，可对多路温度、压力、液位、流量、重量、电流、电压等工业过程参数进行巡回检测、报警控制、变送输出、数据采集及通讯。

巡检仪采集的压力和温度数据通过RS485总线传输到位于车间的控制终端，控制终端上的组态软件接受到燃气锅炉的压力和温度数据后，结合反应釜工作需要的温度，输出控制信号，通过RS485总线传输到位于车间的执行单元控制燃气锅炉的大火控制开关，小火控制开关以及关火开关。系统框图如下图所示：

考虑到系统的通讯实时性、数据量的大小、通讯的安全可靠，通讯物理层采用 RS485，这是一种简单方便的通讯方式，通常在通讯速率要求不高、数据量不大场合使用。

控制终端计算机选型

位于生产车间的控制终端计算机可选用研华工控机，操作系统为windows 7。

研华科技是全球电子平台服务的领导厂商，中国台湾企业，自1983年创立以来，研华致力于工业计算机和自动化领域的创新，发展和提供高品质/高性能电子产品和服务。经过 30 多年的发展，研华在电子平台服务市场积累了丰富的经验，并引领工业发展方向，为全球用户提供全套硬件解决方案。

工具软件选型

20 世纪 70 年代以来，集散控制系统和现场总线技术取得了突飞猛进的发展，伴随着控制技术的进步和 Window 操作系统的普及， 组态软件渐渐被控制工程师们所熟知。组态软件专注于工业过程控制、信息采集处理，用户可以根据工业现场情况自由地设计、开发上位机界面，以满足现场监控要求。

上位机监控软件选用北京亚控公司 Kingview，组态王提供便捷的图库、强大的脚本系统、曲线报表及 Web 功能。有利于用户短时间内开发出监控画面，提高开发效率。

如果不使用组态软件，系统工程师在设计实际人机界面时，往往采用 VB、VC++等编程语言实现，开发周期漫长，可靠性差、可扩展性差，不利于系统的再次维护。并且不同系统开发工程师编程思路的不同，造成系统下一步升级和扩展难度加大。而组态软件的出现，极大的简化这一难题，通过组态软件可以方便设计出性能稳定可靠、界面美观实用的监控系统，用户自己也可轻易上手，极大的降低了系统维护、培训等成本。

组态软件主要有以下功能：

1、出色的兼容性。组态软件支持各种通讯协议如：工业以太网、Profibus、Modbus、OPC 等。通过组态软件可以方便的建立上位机与板卡、智能仪表、变频器、PLC 等设备的通讯，免去了编写、调试通讯驱动程序的宝贵时间，从而建立现场设备、控制器之间稳定可靠的数据通讯。

2、 画面组态方便实用。 组态软件移植了 Windows 系统下的各种工具栏、 菜单、按钮等，非常方便用户上手。组态软件提供各种图库、控件、动画连接供用户组态开发，使用户开发出生动形象的监控画面。同时脚本程序极大丰富组态软件所能实现的控制功能。

3、强大的数据库。数据库存储数字量、模拟量、字符型等数据，组态软件可以快速存取可读写数据，实现与外部控制器的数据交互。

组态王的使用可以极大的减少了监控系统的开发时间，使设计工程师能在最短的时间内开发出稳定高效的控制界面。

组态的画面将生产现场、信息呈现给控制工程师，供控制工程师参与控制和决策。

本次系统采用的组态王版本为 Kingview6.55。

Kingview6.55 功能特点如下：

提供功能强大的可视化人机界面，图库新颖，对象属性强大实用。

事件报警处理及时方便，并对数据实施归档保存，方便查阅。

脚本语言实用强大，使用户轻易实现复杂的逻辑和决策处理。

支持各种常见的通讯网络，支持常见的 PLC、智能仪表、变频器、智能模块等硬件。

变量导入、替换功能非常人性化。变量可以通过 excel导入导出。变量可以导出至excel 表格中，方便对名称等属性进行修改。然后再导入新的项目中，节省开发时间，实现变量的二次利用。

控制软件设计

进入组态软件Kingview 工程管理器，选中相应的项目，点击运行按钮，即进入系统运行画面，它是项目运行的默认画面。画面的左侧为功能导航区，组态了开始控制、生成温控曲线、退出按钮，点击相应的按钮，可执行相应功能。该画面模拟了反应釜温控曲线，燃气锅炉温度输出曲线等情况。点击退出按钮即可退出 Kingview。

进入运行画面后，首先载入各个反应釜的温控曲线，按“生成温控曲线”按钮，即可生成燃气锅炉的温控曲线，再按“开始控制”按钮，即可开始控制燃气锅炉的工作。

结束语

本燃气锅炉电控系统具有自动化、网络化和实时监控的特点，具有硬件稳定、人机界面友好、通讯实时性高等优点，在提高厂方劳动生产率的同时为企业创造更大的经济效益。本控制系统技术先进，可以为其他同类型企业提供借鉴和参考，极具推广意义。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.015