基于CC—Link的锅炉风机控制系统设计.pdf

计 算机 测 量 与控 制 ． 2 0 l 0 ． 1 8 8 Co mpu t e r M e a s u r e me n t Co nt r ol 控 制 技术 文章编号 1 6 7 1 4 5 9 8 2 O l O 】 O 81 7 8 00 3 中图分类号 T P 3 3 6 文献标识码 A 基于 C CL i n k的锅炉风机控制 系统设计 徐 晓燕 ，严海磊。 1 ． 上海大屯能源股份有限公司 热电厂 ，江 苏 沛县2 2 1 6 1 1 ； 2 ．成都理工大学 核技 术与 自动化工程学 院，四川 成都6 1 0 0 5 9 摘要 鉴于 目前锅炉风机控制系统 比较分散 、硬件接线 复杂 、系统不稳定、实时性 差且浪费能源等 的问题，提出了一种针对 于锅 炉 风机的基 于 C CL i n k现场总线技术 的远程控制 系统改造设计 方案 ；详细介绍 了设 计的思想 以及架构 ，系统的硬件设 计 以及 软件设计 ； 实际工作情况表明 改造后的锅炉风机控制系统操作方便 、工作稳 定、实时性好 、运 行可靠 ；该方 案实现 了分 散控制 系统的集中管理 ， 达到了节约能源 的目的 ，具有较强 的实际应用价值。 关键 词C CL i n k现场总线 ；锅炉风机 ；分布式控制系统 ；Q系列 P L C De s i g n O f Co n t r o l S y s t e m f o r Fu r n a c e Fa n Ba s e d o n CC Li n k XU Xi a o y a n 。 Ya n H a i l e i 1 ． Th e r ma l P o we r P l a n t ，S h a n g h a i Da t u n En e r g y Re s o u r c e s C o ． ， Lt d ．，Pe i x i a n 2 2 1 6 t 1 ，Ch i n a ； 2 ． Co l l e g e o f Nu c l e a r a n d Au t o ma t i o n En g i n e e r i n g，Ch e n g d u Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，Ch e n d u 6 1 0 0 5 9 ，Ch i n a Ab s t r a c t A de s i g n s c h e m e o f t he r e mo t e c o n t r o l s y s t e m f o r Fu r n a c e Fa n i s p r e s e n t e d ba s e d o n CC I i n k f i e l d bu s ．Th e d e s i g n a r e p r o po s e d i n d e t a i l f or t h e h a r d wa r e a n d s o f t wa r e ，t h e i d e o l o g i c a l a n d f r a me wo r k ． Ap pl i c a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e a l t i me a n d r e l i a b l i t y o f t h e s y s t e m a r e g r e a t l y e n h a n c e d b a s e d o n CC L i n k ne t wo r k s ys t e m． F i na l l y ，t h e c o n c e n t r a t e c o n t r o l a n d m a n a g e m e n t o f d e c e n t r a l iz e d s y s t e rn i s r e a l i z e d，t h e g o a l o f e n e r gy s a v i n g i s r e a c h e d，a n d t h e s y s t e m h a s v e r y po we r f ul p r a c t i c a l a pp l i c a t i o n v a l u e ． Ke y wo r d s CCLi n k f i e l d b u s ；f ur n a c e f a n；d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ；Q S e r i e s PLC O 引 言 随着全球能源危机 的 日益加剧 ，人们关注 的重点逐渐集 中 到节约能源上l 】 J 。某火 电厂考虑 到能源 的可持续发展 ，决心改 造其原有的锅炉风机控 制系统 。由于该火 电厂原先锅炉风机的 控制是采用继电器 进行各 自的逻辑控制 ，并且需要采集现场 的 数据 ，硬件接线 比较复杂 ，各个系统也 比较分散r 2 ] ，所以系统 不稳定 、抗 干扰能力差 、故 障多 、实时性不好 。为了克服上述 缺点 ，实现分散控制 的集 中管理 ，在节约能源的基础上 ，设计 出了一套基于 C CI i n k现场总线技术 的锅炉风机控制系统。 1 CCLi n k简 介 CCLi n k是 Co n t r o l Co mmu n i c a t i o n L i n k 控 制 与 通 讯 链路 系统 的简称 ，是一种省配线 、低成本、高性能 的开 放式 现场总线 l_ 3 ] 。C C L i n k以双 绞线作 为传输 介质 ，采 用主从 通 讯模 式，并且提供 了轮询 以及瞬时传输两种通讯方式 ，最 多可 支持 6 4个从 站 ，同时 可将控制 和数据信息 以 1 0 Mb p s的速度 进行高速传输[ 4 ] 。 C C L i n k网络 包括 主站 和从 站 ，其 问 的距 离 最 长 可达 l 1 2 k ml 5 ] 。在一个 C CL i n k网络 中主站 只有一个 ，主要负 责 管理 和控制该 网路 的运行 ，而从站则包括了本地站、智能设备 站 、远程 I ／ 0站 以及远程设 备站 。C CL i n k网络满足 了用户 对开放结构和可靠性的严格要 求 ，能够适应 于较高 的管理层 网 络到较低的传感器层网络的不同范围。 收稿 日期 2 0 1 00 2 0 2 ； 修回 日期 2 0 1 00 31 0 。 作者简介 徐晓燕 1 9 8 4 一 ，女 ， 吉林通榆人 ， 助理工程师 ，主要从 事热工设备 的控制系统研究及现场仪表维护工作方向的工作 。 中华测 控 网 c hi na mc a ． c om 图 1 系统拓扑 图 2控 制 过 程描 述 本 系统 由三菱公 司的 P L C、C CL i n k接 口模块 、远程 模 块 、 人 机 界 面 以下 简 称 HMI 以及 变 频 器 组 成 。远 程 监 控 中心配备若干 台 P C作 为 主站 P L C的上位 机 ，并 通过 以太 网 实现 P C与主站 P L C间的通 讯 ，监 控现 场设备 的同时也 监 控 各个 本地站 。控制室 配备一 台 Q 系列 P L C作 为各个本地站 的 主站 ，可用来控 制各 个本地站 以及通过 C CL i n k实现各个 本 地站与主站 P L C间的数据交换。在现场控制室中配备了三菱 公 司各个系列的 P L C来完成 工程对各 个部 门的不 同任务 ，其 中本地 站 1采用 了一 台 Q系列 P L C做 为主站 P I C的本地 站 ， 与 此 同时本 地 站 1又兼 顾着 现场 设 备层 C CL i n k网 络的 主 第 8期 徐 晓 燕 ，等 基 于 C CL i n k的锅 炉 风 机 控 制 系 统 设 计 站 。根据 1 I 程 对现 场 的 要求 ，通 过 上 位机 以及 HMI 对 系 统 的参数 、控 制方式 以及线 路进 行设 置 ，设置 完后 检查 设 置是 有误 ，确认 无误后 通过 以太 网 以及 R s一2 3 2通 讯协 议 将数 据和控制信 息发送 至 主 站 P I C进 行 配置 。主 站 P I C接 收完 毕 上位机 以及 HMI 发 送来 的 信息 配置 后 ，通 过 C C L i n k通 信 总线 向各个 本地站 发送相 应 的控 制指 令 和数 据信 息 ，以控 制分 布在现场 的各个本 地站 。本 地站根 据 主站 P L C的控 制指 令执行 相应 的控 制任 务 ，或 是通 过 I ／ 0模 块 与现 场设 备相 连 完成控 制任务 ，或是通过 C CL i n k来读 取现场设备 的信 号以 及通过 C CL i n k将数据 和控制指 令写入 远程设 备站 的方式 来 实现对 现场设备 的控制 。在本 系统 中本地 站 1执行 的是 某 火 电厂锅 炉风机 的控制 ，可 同时对 1 号 锅炉 、2号锅炉 、4号锅 炉 、5号锅 炉 、8号锅 炉 、9号锅 炉的风机 进行 闭 环控 制 由 于控制方式 基本相 同 ，本 系统 仅 给 出了 1 号 和 2号 锅炉 的风 机控制 ，通过 对 风 机 的 控 制 来 实 现 对 各 个 锅 炉 内 的 压 力 、 温度 、流量 以及含 氧量等参 冒 的综合 控 制 ；而本 地 站 2则对 该火 电厂 的各个 汽包 给水 系统 进行 控 制 。系 统 的拓 扑 网如 图 1所 示 3控 制 系统 硬 件 设 计 本 系统 以三菱 公司的 Q系列 P L C为核心 ，采用 c cL i n k 现场 总线 技术 实现两组锅炉 1 号锅 炉和 2号锅炉 的风机 闭 环控制 ，包括 一个 主 站 P L C、两个 本 地站 、一个 远程 I ／ o站 以及六个远程设备 站。主站 P L C主要 用 于监控 和管 理各个 本 地站 的 P L C，通 过 C CL i n k与各个本地 站通讯 以获取各 个控 制系统 的信息 ，然后 给出相应的响应 。本地站 主要是 对各个部 门现场独立 的信号进行 控制 ，本地站 1同时又是一个 远程 I ／ 站和六个远程设备 站的主站 ，通过 C CL i n k通讯 网络来 实现 对锅炉风机的控制 ；本地站 2 对 汽包给水系统进行控制 。远程 设备站包括两个远程 A／ D站 和四个 变频 器站 。硬 件配 置如 图 2所 示 。 主 站 P I C 单 元 由 QO 2 H C P U、C C L i n k 主／ 从 模 块 O ．J 6 1 B T l 1 N、以太网模块 Q J 7 l E 7 1 1 O O组成 ，其 中以太 网模 块 7 1 E 7 1 1 0 0的 I ／ 0地 址 分 配为 x／ Y0 0 0 0 ～ O 0 1 F，C C L i n k主／ 从 模 块 Q J 6 1 B T1 1 N 的 I ／ 0 地 址 分 配 为 X ／ Y O 0 2 0 ～ O 0 3 F 。本地站 1 单 元 南 QO 2 H C P U、两 块 C CL i n k主／ 从模 块 Q J 6 1 B T1 1 N组 成 ，其 中 C CL i n k主／ 从模 块 Q J 6 1 B T 1 1 N 的 I ／ 0地址分配分 别为 x ／ Y o o o o ～O 0 l F和 x ／ Y O 0 2 O ～O O 3 F 。 4系统的软件设计 系统 的软件设计主要包括 主站程 序的设计和本地站程序 的 设计 两部分 ，两者均采用梯形 图在 G X D e v e l o p e r V e r i s o n 8平 台编写系统运行的 C C L i n k应用 程序 ，然 后分别 下载 到各 自 的 P L C中，上电设置后 即可运行 。然而 ，在此之前必须先设 主站P L C l l QJ 7 1 E 7l QJ 6 1 B Q 6 1 1, I Q O 2 H I 1--I O 0 l r l l N l I ⋯F l 2 0 F J l Q J 6 1 B I Q J 6 I B 1P i Q o z n I 1 “1I N i T 1 1N ．A 2 I C P U 』 l I 1 0 I F} 2 0 3 F 置好 C cL i n k的远 程参数以及建立各个远程参数 与C P U 中缓 冲区 B F M 地址 的对应关系 。 存主站 P I C的 C CL i n k网 络参 数 的设 置 中，本系 统将 C CL i n k 起 始 I ／ O设置 为 0 0 2 0 ；类 型为 主站 ，并将 远程输人 R X刷 新软元件起始设 置为 X S O 0 ；远程 输 l叶 J R Y设置为 Y S O 0 ；远 程 寄 存 器 R Wr 设 置 为 D5 0 0 ；远 程 寄 存 器 R Ww设置 为 D 4 O 0 ；特殊 继 电 器 S B 设 置 为 S B O ；特 殊 寄存 器 S W 没置为 S WO 。 对 于本地站 1的而言 ，由于其采用 了两块 C C L i n k主／ 从 模块 O ．J 6 l B T1 l N，因此需要对这 两块分别设 置 C C L i n k的网 络参数 。第一块是 作为主站 P I C的本地 站 ，【大 j 此将 C C L i n k 起始 I ／ 0设置为 0 0 0 0 ；类 型 为本 地站 ，并将 远程 输 入 R X 刷新软元件起 始设 置为 XS O 0 ；远 程输 出 RY设 置为 YS O 0 ； 远程寄存器 R Wr 设 置为 D 5 0 0 ；远 程寄存器 R Ww 设 置 为 D 4 0 0 ；特殊继电器 S B 设 置为 S B O ；特殊 寄存 器 S W 设置为 S WO 。第二块 作 为传感 器 以及变 频器 层各 个远 程设备 站 的 主 站 ， 此 将 CCL i n k起 始 i ／ 设 置 为 0 0 2 0； 楚型 为 主 站 ，并将 远程输入 R X刷新软 元件起始设 置为 X1 m；远程 输出 R Y设置为 YI O 0 ；远程寄存 器 R Wr 设 置为 DI O 0 ； 远程 寄存 器 RWw设 置 为 D O ；特殊 继 电器 S B设 置为 S B O ；特殊 寄存 器 s w设鬣 为 S WO 。 通过设置 C C L i n k网络参数 和 自动 刷新 的参数 以及设置 的站 号分 别对主站 P L C和本 地站 建立 C P U 中缓 冲区 B F M 地 址 与远程 参数 的对应 关系 。如 图 3 、4所 示 ，其 中图 3为本地 站 1中 C P U缓 冲区地 址与 远程参 数 的对 应关 系 ； 4为主站 P L C中 C P U缓 冲区地址与远程参数 的对应关 系。 4 ． 1主 站 PL C程 序 设 计 主站 P L C是系统 的核心 部分 ，负责 与上位 机进 行数 据交 换 以获得 上 位 机 的 参 数 配置 和 控 制 指 令 ，同时 又 通 过 C C L i n k监控和管理分布在现 场的各个本地站 。 主站 P I C程序 的流程 图 如罔 5所示 。系统上 电后 ，首 先 对各个模块进行 初始 化 ，然后 通 过 以太 网或 R S一2 3 2通讯 协 议读取 上位机 P C或 HMI 的 参 数设 置 。设 置 完后 通 过 C C L i n k读取各个本 地站数 据 ，并 判 断数 据状 态是 否有 更新 ，若 无更新 则 返 回继 续 读取 参 数设 置 ，若 有 更 新 则 将 数 据 交 给 C P U计 算处 理 。计 算 处 理 完后 ，分 别 通 过 以太 网 以及 C C L i n k现场总线将处理后 的数 据和控制信息发送到 P C及各个 本 地 站 。 4 ． 2本 地 站 程 序 设 计 本 地 站 负 责 与 主站 P LC进 行 数 据 交 换 以 获 得 主 站 PL C 的 参数 配置和控制指令 ，同时又通过 C CL i n k监控 和管理分 布 在现场 的各 个远 程设 备站 。本地 站 1程序 的流程 图如 图 6所 示。 由于本 地站 2 控 制是汽包给水系统 ，因此 不再 赘述 A, 1 6 5 S BT B1 1 6 1 “ R． E5 40 ． 0 ． 4 K CHT FR． E54 0 - 0． 4K． CHT CC - L i n k 专H j 屯缆 cC - L i n k 专H j 电缆 图 2 控制系统 的配置 图 FR- E5 4 0 ． 4K． CHT FR． E5 4 0 ． 4K． CH T 中 华 测 控 网 ch i n a mc a．co m 计算机测量与控制 第 1 8卷 查些塑 l L X 1 0 F -一 X 1 0 0 l 』 { l 踅垡 垫 三 Q s j l X 1 8 F - 一X 1 8 0 l j 塑 l 垒 f r 而 1 广 而 z ， Y1 6 F ，Y 1 6 0 Yl 7 F 1 7 0 s { l l Y1 AF Y1 A 0 础1 r _ 面 丽 Y1 CF - y1 C 0 { r 丽可 两 D1 0 3 ND1 0 0 D1 0 7 -D1 0 4 Dl 1 l ～Dl O 8 Dl 1 5 -Dl l 2 Dl 1 9 ～Dl l 6 Dl 2 3 ～D1 2 0 Dl 2 7 ～D1 2 4 ● ．一 一 ■ ．． 1_ 远 程站 R XO F～R X0 0 RX0 F ～ R Xo o RXl F～R Xl O RX0 F ～ R X0 0 R Xl F ～ R X1 0 R XO F R XO 0 I _ 一 ●_一 一 ■卜 ． ． ． _ ● RXO F ～ R Xo o R X1 F ～ R XI O R XO F -- R X0 0 R X l F ～ R X1 O RXO F～ RX0O R Xl F ～ R Xl 0 RYO F～ RY00 R Y0 F ～ R Y0 0 RYl F ～ R Y1 O R YO F ～ RY 0 0 RYl F ～ R Y】 O RYO F～ RY00 R Yl F ～ R Y1 O f R Y0 F ～ R Y0 0 l R Yl F ～ R Y1 0 I R YO F ～R Y0 0 l R Yl F ～ R Y1 0 0 R YO F ～ R Y0 0 [R Y1 F ～ R Y1 0 R W w 3 ～ RW w 0 R W w3 R W w0 RW、 v 3 ～ R W w0 RW w3 ～ RW w O RW w 3 ～ RW 、 棚 RW w 3 - RW w O R W r 3 ～ R W 1 0 R W 1 3 ～ RW I o RW r 3 ～ RW I o RW r 3 ～ RW l o R W r 3 ～ RWl 0 RW T 3一RW I o 图 3 本地站 1 与远程站间的通信缓 冲区对应关系 主站P I C CP U 本地站 I I 5 0 5 0 0 一 l Y 5 0 F Y 5 0 0 1 2 R X 5 F 2 0 l I I R ∞ F o 0 I J X 5 3 F X 5 3 0 广 矸 I l Y 5 0 F N Y 5 0 O 。 I X 5 0 F X S 0 0 I 掰} 圈 l l Y 5 3 Y 5 3 O 【， ◆ l R Y 1 F R Y1 0 I 图 4主站与本地站间的通信缓 冲区对应关系 系统上电初始化后 ，通过 C CL i n k或 R S一2 3 2通讯 协议 读取主站 P L C或 HMI 的参数配置并读 取各个控制参量 的设 定 值 s V 。配置完后通过 C C L i n k读 取各个 远程设 备站 的数 据 现场 的实 际 运行 参数 测 量值 P V，包括 现 场 的温度 、压 力 、流量等信息 ，将这些数据送人 C P U 中分析运算 ，运算后 的结果 MV通过 C C L i n k传 送 至各个 远程设 备 站来控 制 相应的执行器运行 ，并将现 场的测量值 P V通 过 C C L i n k 反馈至 C P U 中，实现系统 的闭环控制 。同时也将 C P U分析运 算后的结果通过 C CL i n k或 R S一2 3 2 通讯协议写入 主站 P L C 或 HMI 中，实现主站 P L C和 HMI 对本地站的监控和管理 。 中华 测 控 网 c h i n a mc a． c o m 图 5 主站 P L C程序流程图 图 6 本地站 1 程 序流程 图 5 结 语 由于引入 了 C CL i n k现场 总线技术 ，同时又采用 了分 布 式的控制结 构 ，简化 了硬件 接线 ，使 得各 个 P L C各 司其 职 、 各尽其能，实 现不 同的任务 同时进行不 同的控制 。相对于未采 用 C CL i n k现场 总线技 术 的控制 系统 而言 ，采用 C CL i n k 现场总线技术 的控 制系统运行周期更 短、控制精确更 高、实 时 性更好、可靠性更 高。运用 C CL i n k现场 总线技术 改造后 的 锅炉风机控制系 统实 际工作 情况 表 明 风机控 制 系统操 作方 便 、工作稳定、实时性 好、运行可靠 ，同时也完成 了各个执行 单元的闭环反馈控 制 ，实现 了分散控 制系统 的集 中管理 ，达 到 了节约能源的 目的，具有较强 的实 际应用价值 。 下 转 第 1 7 8 5页 f f f f f f f f f f f f f f 卜 斛 姆 蹄 斜 斜 斟 耕 钳 № № № 第 8期 谢 完成 多轴运 动控 制器在机械手上 的研究 1 7 8 5 活 ，则它们的连接强度 的增强 与它们激励的乘积成正 比。控 制 算法为 3 “ u k 一1 K ∑∞ z 1 o i -- 1 在控制中 ，先设定 P I D参数 的初 始值 ，73 3 可 以通过 神经网络的 自学习功能进行 自适应 调整 ，因此提高 了控制器 的 鲁 棒性 能 ，并且保证了控制系统 的稳定 性_ 6 ] 。 4实 验 结 果 及 分 析 实验对 象采 用 的是 Mi t s u b i s h i 公 司推 出 的 Mo v e ma s t e r E X RVM1 关节式 机械手 ，具有腰部 、肩部 、肘部 、腕部 4个关 节 。采用单神经元 自适应 P I D控制 ，伺服周期 为 4 0 0 ms 。机械 手 的 运 动 过 程 是 从 空 间 一 点 9 4 ． 3 mm， 3 0 3 ． 5 m m， 4 0 3 ． 9 ram 运 动 到 另 一 点 2 9 9 ． 8 ram ，O mm， 1 9 9 ． 6 ram ， 然 后再返 回到第一 点。第 一关节 运动 范围 7 2 ． 7 4 ～0 。 ；第 二关 节运 动 范 围 一 5 0 ． 1 6 。 ～ 一 2 6 ． 6 6 。 ；第 三 关 节 运 动 范 围 5 5 ． 9 2 。 ～8 8 ． 0 8 。 ；第四关节运动 范围 一4 ． 5 8 。 ～ 一6 1 ． 3 2 。 ；其 中加减速 的 时间分 别 为 2 5 6 ms ，4 8 7 ms ，2 5 6 ms 。控 制参 数 规 划好运动位置及速度后 ，电机将执行伺 服控制算法 ，采用单神 经元 自适应 P I D控制算法 。其 运动结果如图 3所示 。 I 3 机械手运动轨迹 各关节位置与速度 跟踪情 况如 图 4所 示。实验 结果 表 明， 该控制器满足 四 自由度 的运 动控制要求 ，在这种复杂 、非线性 的控制系统 中，采用 单神 经元 自适 应 P I D控 制 器在 上述 的参 考模 型下对控制参数进行在线调整 ，大 大提高了系统的稳定性 和 精 度 。 5 结 论 提出了基 于 D S P的多轴 运动 控制器 的设 计方 案 ，详 细 阐 述了其硬 件及 各功能模块作用 ，并根据控制器 的实际应用 ，建 立 了包含 电机 动力 学的机器人单关节控制 的精确 动力 学模 型 ， 蛊2 o ， 1 0 ， e } 1 O ， 争 2 0 ， 2 3 ， 2 l ， l 9， 1 T， 兽 l 5 ， 一 4， 一 8， - 1 2， 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 图 4 各关节位置与速度跟踪 采用单神 经元 自适应 P I D控制 算法 实现 机械 手 的精确 运动 控 制 。经过实验表明 ，该机械手控制 系统 能够 有效地改善运动系 统 的性 能、大大提高 了系统 的稳定性 和精 度 ，具有非常广泛的 市场前景 。 参考文献 [ 1 ]郗 志刚，周宏 甫．运动控 制器 的发展 与现状口] ．电气传 动 自动 化 ，2 0 0 5 ， 2 7 3 1 0 1 4 ． [ 2 3徐冬 ，赵冬斌 ，易建 强，等．全方位移 动机械手运动 控制 [ J ] ． 机械工程学报 ，2 0 0 9 ，4 5 1 4 24 5 ． [ 3 ]吴培根 ，杨纪明 ，闷勇 ，等．基于 D S P内置 AD C的频率测量系 统设计 [ J ] _计算机测量 与控制 ，2 0 1 0 ，1 8 2 2 6 42 6 6 ． [ 4 3何 国军 ，陈维荣 ，刘小强 ，等．基于 D S P与 F P GA 的运 动控制器 设计 口] ． 电子技术应用 ，2 0 0 9 ， 7 3 5 3 7 ． [ 5 ]袁剑 锋 ，张宪 民． 同速 并联 机 械手 驱 动系 统减 速 比的优 化 配置 [ J ] ．机械工程学报 ，2 0 0 9 ，4 5 2 2 5 62 5 8 ． [ 6 ]王俊 国，王永骥 ，万淑芸．MATL AB环境 下的单神经元 自适 应实 时控制 系统[ J ] ．仪表技术与传感器 ，2 0 0 4 ， 4 2 72 9 ． 上接第 1 7 8 2页 参考文献 [ 1 ]徐平 ，石征锦 ，王 义凤．变频 调速器 在锅炉鼓 引风 机控制 系统 中 的应用[ J ] ．节 能，2 0 0 0 ， 5 4 34 4 ． [ 2 3杨 盛泉，姚金珠 ．工业窑炉 分布 式控制 系统 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