【关键词】 TPS系统 循环流化床锅炉控制 MODBUS通讯
一：概述
能源的高效、低污染应用已成为世界各国共同追求的目标。随着国家环保政策的逐步完善和国民环保意识的日益提高，清洁煤燃烧技术尤其是循环流化床锅炉（CFB锅炉）技术得到了迅速发展。CFB锅炉以其燃料适应范围广、炉内脱硫、低NO排放、燃烧效率高、负荷调节比大、灰渣综合利用等优点成为清洁煤燃烧技术的主要发展方向，因此在电力、供热、化工生产等行业中得到越来越广泛的应用。 随着CFB锅炉在数量上和容量上的不断发展，与之相适应的大容量CFB锅炉的自动控制问题也成为业内的热点。从CFB锅炉的工艺特性来看，它与常规煤粉锅炉一样，具有多参数、非线性、时变和多变量紧密耦合的特点，而且，CFB锅炉比普通锅炉具有更多的输入/输出变量，耦合关系也更为复杂。
二：TPS系统在热电自控装置中的具体应用
1. 系统选型、简介及配置
为了满足控制要求，设计的调节系统均为复杂控制系统，常规的自控方案及自控装置很难收到理想的控制效果。鉴于此，目前国内的循环流化床锅炉的控制一般采用DCS控制。我们采用的是HONEYWELL的TPS集散控制系统。
TPS系统是Honeywell公司在TDC-3000系统基础上推出的全厂管控一体化系统，引入了最新计算机系统的软硬件技术平台，又保持了原有的可靠性、实时性和灵活性的特点。TPS系统在网络结构上，采用了三层网络（PIN、LCN、UCN）的框架形式，分别完成各自的功能，网络的传输介质采用冗余技术。在功能部件上，系统操作站可多重配置，互为冗余备份；现场控制站的控制器、I/O模件均可实现冗余配置，保证控制系统在故障的情况下进行无扰动切换；系统通讯接口模件的完全冗余配置提高了系统的容错性能。在系统硬件方面，采用特殊的板卡制造和涂覆保护技术，允许系统工作在恶劣的环境下；系统软件的自诊断功能和故障状态下的自动处理功能，大大方便了维护人员对系统的维护。GUS操作站采用Win2000操作系统，应用软件可以通过网络DDE、OPC等方式与操作站进行数据交换，提高了系统的开放性。
在整个TPS系统中，配置了一个公用的HM（History Module）历史模件，用于存储整个系统的系统文件、属性文件、用户组态文件、工艺参数的历史数据；两对冗余的网络接口模件NIM（Network Interface Module），网络号为03和04，分别用于连接#11、#12锅炉，#4机和#13、#14锅炉，#5机的HPMM。在控制室配置了六台GUS操作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，一台APP接点用于和生产管理网络的连接及数据采集传输。各一对冗余的HPMM（High Performance Control Module）控制器用于完成数据的采集和控制。整个系统的配置结构方案图如图。
2. 系统在机组控制系统中主要完成的功能
热电TPS系统主要包括了DAS、SCS、MCS、FSSS等部分，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，稳定了生产。
3：连续回路（MCS）控制功能
主汽压力调节系统的控制方式有三种:串级（CAS）方式、自动（AUTO）和手动（MAN）。串级控制方式采用直接能量平衡的调节方式；自动控制方式采用直接能量平衡的调节方式。其工作原理介绍如下。
1）间接能量平衡调节原理及实现：
对于母管制运行的锅炉，由于机炉间能量供求关系不存在简单的直接对应关系，锅炉的负荷调节通常采用间接能量平衡控制方式。即根据反映机炉间能量平衡关系的主蒸汽压力信号，作为反映锅炉侧出力的间接能量信号，通过调节运算计算并控制锅炉侧所需的燃烧率（煤量及助燃空气量等）值，从而满足汽机侧对锅炉出力的要求。
主汽压力调节系统的自动控制（AUTO）方式针对此调节方式而设计。由主调节器、副调节器和4个自动/手动操作站（A/M）组成。其中，主调节器接受锅炉出口主蒸汽压力信号作为测量值，根据运行人员给出的主蒸汽压力设定值，计算出锅炉所需的煤量值。副调节器作为给煤量调节器，用于保证进入炉膛的给煤量满足主调节器计算出的煤量值，并及时消除因煤量扰动而造成对主汽压力的影响。它以锅炉实际给煤量信号为测量值，以主调节器的输出为煤量设定值，计算并向4台给煤机变频器发出转速调节指令。4台给煤机变频器转速的A/M操作站，用于主汽压力调节系统出现异常情况下,由运行人员直接调节给煤机变频器转速，达到调节给煤量的目的。4台给煤机变频器转速A/M操作站有偏置设定值输入功能，以便多台给煤机变频器同时投入自动控制方式后，微调各台给煤机变频器的转速。
为了及时反映并提前有效调节锅炉燃料发热量，主调节器引入了汽包压力微分信号作为前馈信号之一；同时，考虑到进入炉膛的给煤量对床温的影响，还引入了床温偏差校正函数信号进入主调节器的前馈通道。当床温正偏差大时，适当减少进入炉膛的给煤量；反之亦然。
间接能量式主汽压力调节系统见图1所示。
2）直接能量平衡调节原理及实现
主汽压力调节系统的串级控制（CAS）方式采用该调节原理。
从调节系统结构上，该控制方式在间接能量平衡调节方式基础上增加了锅炉负荷分配计算回路，但其调节机理与前者有一定的差别。见图2所示。
锅炉负荷分配计算回路的功能是根据汽机的负荷情况（包括发电负荷、一级抽汽量和一级减温减压蒸汽量），计算出汽机侧对主蒸汽量的总需求量，然后根据母管制运行中各台锅炉承担的负荷分配额度（由运行人员设定），计算出所需各台锅炉蒸汽量对应的燃料量，再通过各台锅炉中的主汽压力调节系统对此负荷额度所需燃料量和空气量实现调节。
锅炉负荷分配计算回路主要由三级调节器组成。其中，第一级调节器用于汽机发电负荷和一级抽汽量所需的蒸汽量计算，第二级调节器计算出包括了一级减温减压蒸汽量的汽机蒸汽总需求量，第三级调节器有2个，分别计算出分配到#11、#12炉所需蒸汽量对应的燃料量，然后送入各自主汽压力调节系统进行调节。
主汽压力调节系统进入CAS方式采用外部逻辑控制方式。随着控制方式的改变，主汽压力调节系统原来的主调节器被另一个代替。该调节器的功能转变为对锅炉主汽压力的校正作用。由锅炉负荷分配计算回路计算出的燃料量信号作为此时主汽压力调节系统的主要调节信号，随同汽包压力微分前馈信号、床温偏差校正函数信号进入该主调节器的前馈通道。其后的调节机理与间接能量调节原理中所述相同。
4: 逻辑顺控（SCS）功能
顺序控制（SCS）功能，是对机炉有关泵机类、电动门类和遥控操作类设备的操作控制、联锁保护、状态监视及异常报警。恒通化工热电厂DCS系统的锅炉侧SCS功能还包括了锅炉安全监控系统（FSSS系统）、锅炉总联锁、点火程控等。
在此我们以顺序控制系统（SCS）中锅炉风机的控制和保护为实例，来体会一下TPS系统强大的控制功能。 风机逻辑控制的原理框图如下：
在逻辑设计过程中，为了安全可靠的控制风机，反映风机实际的控制过程，引入了风机的协调控制信号，这包括操作状态允许、联锁投入允许、风机开关状态反馈信号、就地/远控状态和其他互备联锁设备状态等现场电器信号。在实际操作风机时，操作员通过CRT上的小面板（如图）
可以直观的观察到风机状态。正常启动风机时，应先把“禁操切除”按扭投入，再把控制方式打到远控，这时小面板上的“风机就地/远控”状态灯应变为红色。最后操作“合闸”按扭，如果逻辑组态条件都满足，HPM的输出通过中间继电器，把控制信号送到现场风机，同时返回风机运行状态信号。如果风机未运行，在CRT上将有“合闸失效”提示，否则“合闸”按扭变为红色。在“联锁投入”控制时，正常运行中的风机一旦由于“事故跳闸”，并且两台一次风机都在运行，这时另一台备用风机自启动，继续维持锅炉风正常，保证了锅炉安全、稳定运行。
5: TPS系统与DEH系统之间的通讯
根据公司发展的需要，2002年在对60MW机组的汽机控制岛中引进了上海新华的DEH（Digital Electric_Hydraulic Control System ）。DEH系统为新华公司自行开发研制的数字电液控制系统，具有灵敏度高、稳态精度高、动态响应快、系统易扩展等特点。其成功实现了我公司2台60MW机组脱离外网的稳定运行。但由于TPS与DEH网络结构的不同，直接很难实现数据的共享。经过我们多次分析与研究，在DEH的网关机上以网关（GateWay或简称GTW）软件方式向DCS发送数据。GTW软件，是新华公司依据其XDPS系统向用户提供的一套标准的XDPS标准的XDPS实时数据库VC++ 6.0的接口规范，按照此规范，编制各种接口软件。DEH系统软件运行时，在MMI接点上执行GTW的可执行文件modbus2.exe，以虚拟PLC的方式，通过Modbus通讯协议，向TPS发送数据，数据通过计算机串口送出。但由于DCS中的串行信号接口卡采用了RS-485协议，所以数据必须经过RS-232转RS-485转换器才能被接收。在DCS端只需用一块SI—串行信号接口卡接收数据。数据以数组点的形式在HPM中读出并送向操作员站，并逐级传输至不同的控制系统和管理系统。
其原理图如下：
三:结束语
TPS控制系统强大的功能模块和其优越性能保证了项目按照设计方案在预定时间内投入并无故障运行,其控制精度完全满足生产的要求。HONEYWELL的TPS系统在循环流化床锅炉控制及不同规模的电站生产中有着广阔的应用前景,同时也为我们企业独立网运行机制打下良好的基础,我们还要不断研究开发TPS系统的潜力,为更好实现管控一体化做好准备。
