摘要：介紹了JX一300X DCS系統的組成、功能、特點以及熱水鍋爐主要控制方案及其在鍋爐測控方面的應用。
關鍵詞：DCS；采暖鍋爐；檢測；控制；過剩空氣系數；排煙熱損失
The Application of DCS in Heating Boiler
WUYan—hui
（Information and Control Institute，University of Petroleum ，Dongying Shandong 257061，China）
Abstract：In this paper’the application of JX一300X DCS system for measuring and controlling boiler was introduced．The system structure，functions，characters，and the main control scheme were presented．
Key words：DCS；heating boiler；measure；control；coefficient of overmuch air；heat losing of smoke vent
1 前言
目前全國各油田采用了大量的燃油鍋爐采暖。鍋爐控制屬于手動控制，鍋爐房自動化程度和管理水平較低，許多重要工藝參數沒有檢測手段，現有儀表原始落后、工況差（不準確或不能工作），采用人工記錄、手抄報表，勞動強度大、易出錯。加之供暖系統的工藝缺陷和設備老化等問題致使鍋爐系統的運行過程達不到安全、高效、節能、降耗的要求，耗電量、耗油量較大。因此，如何使燃油鍋爐經濟可靠運行、安全生產、提高熱效率是至關重要的事情。為此，我們采用浙大中控的JX一300X DCS系統對勝利油田的純梁社區采暖鍋爐房進行了自動化改造。
JX一300X DCS是浙大中控自動化有限公司在JX一100、JX一200、JX一300基礎上，經不斷完善、提高而全新設計的新一代全數字化DCS裝置，是當今國內同類產品之佼佼者。
該系統具有以下特點：
（1）傳統DCS控制運算功能和PLC聯鎖邏輯功能有機結合的開放、分散的體系結構；
（2）全數字化新型集散型控制系統，可作為向現場總線過渡的技術基礎；
（3）雙重化冗余工業以太網，10 M／100 M 冗余Ethernet（SCnet I）：
（4）工作站軟件模塊化，功能全面，可靠性高；
（5）基于Windows NT 軟件體系的實時多任務控制軟件；
（6）現場總線設備的聯接；
（7）組態IEEEll31—3、高級控制算法C語言；
（8）控制站處理功能強大，控制算法容量大，工業級的嵌入式微處理器；
（9）卡件設計、使用更為靈活；
（10）順序事件記錄和事件分析軟件功能強大；
（11）標準化設計。
2 系統組成
系統由一臺上位機和一臺下位機組成。上位機為工程師站／操作員站，下位機作控制站，上位機和下位機之間利用“過程控制網（SCnet I）”進行通訊，系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 鍋爐房DCS系統組成框圖
2．1 上位機
如前所述，本系統由于只有一臺上位機，所以上位機兼有工程師站和操作員站的雙重功能，其主要功能如下：
（1）系統組態包括總體組態、控制站硬件組態（I／O 卡件組態、信號點組態）、控制方案組態（常規控制方案組態、特殊控制方案組態—— SC語言、圖形化控制方案組態）、操作組態等；
（2）系統工藝流程顯示 顯示鍋爐工藝的全運行過程，包含系統總貌及各主要工藝分畫面，各畫面工藝參數實時動態顯示，工藝流程動畫顯示；
（3）系統參數總貌圖表格式顯示系統所有參數；
（4）報警綜述相關報警參數的狀態指示實時動態顯示；
（5）系統重要參數歷史曲線趨勢圖記錄、顯示；
（6）系統所有參數實時曲線趨勢圖記錄、顯示；
（7）控制參數設置按操作級別在線修改控制參數；
（8）打印可定時／即時打印生產報表、屏幕硬拷貝；
（9）故障診斷 以畫面形式顯示控制站上所有卡件的運行狀態以及上位機和下位機之間的通訊情況；
（10）操作人員管理對不同人員設定不同的操作權限。
2．2 控制站
現場控制站安裝在控制站機柜中，主要有以下特點：
（1）嵌入式微處理器和實時多任務的內核（完成多種控制任務）；
（2）支持圖形化、C語言、大模塊構造的控制程序；
（3）能完成順控、連續、聯鎖控制；
（4）4M 的應用程序空間（FLASH 技術），4 M 的數據空間；
（5）全智能的I／0 卡件，具有高度自治性、任意冗余；
（6）通過10 M 的SCnet I網絡接口與操作站交換信息；
（7）通過1 M 的SBUS總線與就地和遠程分散I／0單元連接；
（8）完善的故障自診斷（I／0 通道、卡件、現場傳感器）。
（9）抗干擾設計；
（10）硬件隔離設計（通信、I／0 通道、網絡）；
（11）軟件的避錯和容錯設計等；
（12）帶電插拔維護，在線維修。
控制站主要完成以下功能：
（1）現場儀表輸入信號調理與轉換模擬輸入信號有電壓（0——-5 V）和電流（4～20 mA）兩種；
（2）控制運算 可實現手操、單回路、串級、比值、前饋等多種常規控制，還可以用編程實現優化、專家控制、模糊控制等先進控制及特殊要求的控制，手／自動無擾切換；
（3）信號輸出 根據控制算法得到的輸出信號由信號輸出卡輸出，完成對調節閥和變頻器的控制。
2．3 變送單元
變送單元輸出4～20 mA或0-5 V 的信號，送入控制站中的信號輸入卡。主要包括：
（1）壓力變送器 測量爐膛壓力、燃料油壓力、總回水壓力、總出口水壓力、出口分支水壓力等參數；
（2）溫度變送器 測量爐膛溫度、對流室煙溫、鍋爐入口水溫、鍋爐出口水溫、鍋爐入口燃油溫度、煙溫、總回水溫度、分支回水溫度、總出口水溫度、燃料油罐溫度、水罐溫度、環境溫度等；
（3）流量變送器 測量燃料油流量、水流量等；
（4）氧含量變送器 測量煙氣氧含量；
（5）液位變送器 測量水罐液位、燃料油罐液位；
（6）火焰監視器 檢測鍋爐熄火。
3 系統控制方案
本系統采用PID控制算法，主要包括以下控制：
（1）出口水溫控制 根據熱負荷、出爐水溫要求，控制燃料油流量。該系統為前饋加串級控制系統。
（2）風量控制 通過監測煙氣溫度和煙氣中的氧含量，經過計算得到過剩空氣系數 和排煙熱損失q值，以此作為調節燃料／空氣配比的依據，實現充分完全燃燒，達到降低燃料消耗、提高鍋爐熱效率、減少環境污染等目的。正常控制以過剩空氣系數為主參數控制風機供風量，該控制系統采用變頻器調整風機風量。其中考慮以下因素影響，進行修正。
（a）鍋爐熱負荷影響
鍋爐的加熱過程可用下列熱平衡方程描述：

式中：△H—— 被加熱介質帶出與帶入鍋爐的焓差（即鍋爐熱負荷）；
—— 被加熱介質的質量流量；
—— 被加熱介質的比熱；
△T—— 被加熱介質出口與入口溫差。
由于流量較穩定，鍋爐的熱負荷可以用鍋爐出口與入口的溫差計算。當鍋爐熱負荷接近額定負荷時，過剩空氣系數為某一定值。當負荷減少時，為保證爐體運行效率，過剩空氣系數給定值自動進行校正。
（b）由于煙道安裝CX系列高效換熱器，要求入口煙氣溫度≥210"C，該溫度是靠鍋爐提供的。必須提高鼓風量，才能提高其入口溫度，風量提高會引起鍋爐出口水溫下降，由出口水溫控制系統改變燃油量予以保證。
（c）前饋量為燃油量或燃油給定值選大取得，以保證油量加大時提高風量。
（3）燃料油預熱溫度控制 由CX系列高效換熱器部分予以保證，它分兩級控制，第一級為高溫水預熱，第二級采用電加熱器加熱，以保證燃料油溫度恒定。


單臺鍋爐控制流程示意圖如圖2所示：
4 結束語
本系統在進行自動化改造的同時，根據鍋爐原來排煙溫度高的缺點，增加了CX系列高效換熱器，有效地利用了余熱。改造后，停運了鍋爐房的蒸汽鍋爐，大大降低了燃油消耗。
本系統于2001年l1月在勝利油田純梁社區投入使用，運行表明：系統操作簡便，運行平穩，達到了管理自動化、節約能源、節省勞動力、改善勞動條件、降低勞動強度等目的，得到了使用單位的好評。