Honeywell TPS控制系统在260T/H循环流化床锅炉的应用

摘要：TPS控制系统是一个将整个工厂的信息系统与生产过程控制系统统一在一个平台上的自动化系统，具有控制功能强，操作简便，可靠性高等特点。论述了HONEYWELL TPS控制系统的特点，冗余网络结构，控制功能，并结合公司实际论述了美国HONEYWELL TPS系统在循环流化床锅炉的应用。
关键字：TPS系统;循环流化床锅炉；冗余；控制
Key words：TPS system；Circular Flow Bed Boiler；Redundancy；Control

1 前言
       随着市场需求的不断增加和公司项目的不断扩产，公司决定在原有的两台130T/H循环流化床锅炉（CFB锅炉）的基础上再增加一台260T/H CFB锅炉。虽然CFB锅炉具有燃烧效率高、煤种适应性广、NO排放浓度低、负荷调节范围大等优点，但其结构的复杂程度却远远胜于普通锅炉，这就对锅炉的正常运行提出了更高的要求。而Honeywell TPS控制系统采用多处冗余设置，增加了系统的可靠性，其强大的逻辑控制功能是系统的长周期安全稳定运行的保障。

2 系统配置及特点
      TPS系统是美国Honeywell公司在TDC-3000系统基础上推出的将工厂的信息系统与生产过程控制系统统一在一个平台上的全厂一体化解决方案控制系统，引入了最新计算机系统的软硬件技术平台，将Windows 2000操作系统，OLE公共软件，ODBC公共数据库技术集成在一起，从而形成功能强大，配置灵活，结构开放的自动控制系统【1】。
2.1 系统配置
      在整个TPS系统中，配置了两对冗余的高性能过程管理器 (HPM)，节点号分别为11、12和13、14，其主要功能是快速的内部数据处理和强大的存储能力，以及通过UCN网络点对点通信共享数据的控制能力，最终完成扫描、控制TPS系统过程数据；一对冗余的网络接口模件NIM（Network Interface Module），节点号为21和22，主要用于系统组态、通信、报警、命令处理、时钟广播等；一个公用的HM（History Module）历史模件，节点号是25，用于存储整个系统的系统文件、属性文件、用户组态文件和工艺参数及其产生的历史数据；三台GUS（操作员站），用于操作人员对整个生产工艺进行监视和控制，一台工程师站用于组态和调试，GUS和工程师站互为冗余，所有GUS和工程站组态相同，互为备用，大大提高了系统的安全可靠性。整个系统通过一条冗余的UCN网和一条冗余的LCN网连接而成。具体配置如图1所示。
 

                        图1  系统配置结构图
2.2 系统特点
      TPS控制系统多处采用冗余设置，增加了系统的可靠性。除此之外，从电气设备来的数字输入量信号及全部的数字量输出采用继电器隔离，不直接接入系统，避免瞬间大电流，高电压传入系统，造成系统设备的损坏。此外，该系统的I/O卡件、通讯卡件和网络还具有自诊断功能，任何地方出现故障都能在操作界面上清楚的显示出来，并且能尽快排除故障【2】。

3 系统控制功能
3.1 过程点功能
       在TPS控制系统中，过程点是组成控制回路的最小单元，点与点之间的连接关系是通过定义点的输入、输出连接参数完成的。过程点分为I/O中的点和HPM中的点。
（1）I/O中的点包括：
模拟量输入点（AI）：将接收的现场模拟输入信号转换成工程单位表示的PV值。
模拟量输出点（AO）：将OP值转换成4～20mA信号并输出至执行机构。
开关量输入点（DI）：通过选择不同的FTA，可处理24VDC、110VAC或220VAC的开关量输入信号。
开关量输出点（DO）：接受控制算法的输出，并通过FTA转换成24VDC，110VAC或220VAC开关量信号。
（2）HPM中的点包括：
常规处理点(RPV)：提供对过程变量的进一步处理，通过选择相关的PV处理算法，可完成输入变量选择、计算流量补偿、流量累积、折线函数等9种控制算法，每个PV点必须至少定义一个输入连接，不能定义输出连接。
常规控制点(RC)：提供各种有关标准控制方案的算法，内置了大量控制功能，使用这些算法大大简化了复杂多回路控制方案的实现，比如PID，带前馈PID，比率控制器，函数控制器等13种控制算法。
数字组合点(DC)：提供对马达、泵、电磁阀等离散型设备的控制操作面板，一种多输入多输出点，带联锁功能。
逻辑点(Logic)：包括输入条件、逻辑运算块、输出条件三部分，图示逻辑执行过程，一个逻辑点相当于2页梯形图功能。                       
3.2 控制方案的实现
      我公司260T/H CFB锅炉的控制系统主要包括数据采集系统（DAS）、顺序控制系统（SCS）、模拟量控制系统（MCS）、锅炉炉膛安全监控系统 (FSSS)四大部分。其成功应用实现了工业生产过程实时数据采集、过程控制、顺序控制、报警控制，监视、操作及数据远传等功能，提高了整体自动化水平，优化了工况，保证了系统的稳定生产。
（1）DAS功能：实现工艺人员监控所需的数据采集功能。
（2）MCS功能：对模拟量的部分参数进行修正，保证了系统的平衡和稳定。主要包括锅炉汽包水位控制、主蒸汽温度控制、主蒸汽负荷控制、炉膛床温控制、炉膛压力控制、燃煤控制、风量控制等，共设计模拟量自动调节系统40套。
      以锅炉汽包水位控制为例介绍MCS系统在CFB锅炉中的逻辑控制，如图2所示。锅炉汽包水位的控制是通过调节其给水管道上主、副给水调节阀的开度来实现。锅炉负荷在0～30%时，由副给水调节阀控制；锅炉负荷大于30%时由主调节阀控制。正常运行时的控制由蒸汽流量、汽包水位、给水流量组成的三冲量控制系统控制，启动时只有汽包水位的单冲量控制。单冲量控制和三冲量的控制的相互切换是无扰动的。在异常情况下，控制系统由自动切换至手动操作【3】。
 

图2  汽包水位逻辑控制图
      在逻辑图中的C1为给水流量和蒸汽流量的补偿系数，主、副给水调节门有手动、自动两种控制方式。在点炉或者停炉过程中，由于系统工况不稳定，调节阀打到手动控制。在系统正常运行过程中，由于整个系统比较稳定，可以将主、副给水电动门投入自动控制模式，调节阀会根据工艺人员对汽包液位的设定值来自动调节阀位的开度。当液位降低时，阀门开度增加；当液位升高时，阀门开度减小。这种控制模式不但能够使系统安全稳定的运行，而且方便了工艺人员的操作。
（3）SCS功能，是对锅炉有关泵、机、电动门和遥控操作设备的操作控制、联锁保护、状态监视及异常报警。主要包括给水泵启停逻辑、一次风机启停逻辑、二次风机启停逻辑、返料风机启停逻辑、引风机启停逻辑，以及给煤机启停逻辑等。共设计顺序控制逻辑38个。
　　 在此以引风机的控制和保护为实例，如图3所示。来体会一下TPS系统强大的SCS控制功能。
 

图3  引风机的启停逻辑图
      在逻辑设计过程中，为了安全可靠的控制引风机，反映引风机实际的控制过程，引入了引风机的前后轴承温度和振动、入口挡板开度、运行状态反馈信号等。NN1～NN5是逻辑点提供的内部数值寄存器，分别用来存储挡板开度，轴承温度和振动的内部常数；FL12是逻辑点提供的内部标志量寄存器，主要用来投入和切除引风机联锁，当引风机联锁投入时，FL12为“TRUE”，当引风机联锁切除时，FL12为“FALSE； P1为允许联锁参数，当引风机入口挡板开度小于NN1时，允许启动引风机；I0为强制联锁参数，当引风机前、后轴承振动大于NN2、NN3或前、后轴承温度大于NN4、NN5时，引风机强制停机；CMDDISFL为有命令不执行，UNCMDFL为没命令却执行，这两种故障出现，引风机都会强制停机。
（4）FSSS功能：保证锅炉系统的正常启动和安全运行。主要包括锅炉总联锁、点火控制等。
下面以紧急停炉总联锁MFT逻辑为例，如图4所示。介绍FSSS系统在CFB锅炉总联锁中的控制功能。
 

图4  CFB锅炉MFT逻辑
       为了保证CFB锅炉安全稳定运行，MFT联锁中的炉膛压力、汽包水位、汽包压力和高过集箱出口压力都采用了三选二逻辑，假如三个炉膛压力高高信号中只要有两个信号达到高报警值，就会触发MFT联锁。而引风机、一次风机和二次风机采用与门逻辑，六个风机中只要有一个风机停运，同样会触发MFT联锁。如果除了上述原因需要紧急停炉，可以直接按操作台上的紧急停炉按钮，直接触发MFT联锁，直接保证了系统的安全生产。

4：结束语
      Honeywell TPS作为在一套技术成<