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摘 要：本文阐述了一种锅炉现场总线控制系统的设计理论和实现方法，从硬件和软件两方面分别做了论述，从实际运行结果来看，该系统提高了控制的安全性、稳定性和经济性，具有广阔的应用前景。
关键词：锅炉控制;现场总线控制;FIX;FCS
我国现有中小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业和民用锅炉仍处于效率低，环境污染严重，安全系数低的生产状态[1]。为了提高锅炉的热效率，降低耗煤量，采用锅炉的自动控制系统日益广泛，作为锅炉的控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻工作人员的劳动强度。综合考虑，我们采用SHCAN2000总线控制系统来实现对锅炉的控制。SHCAN2000总线控制系统是基于CAN总线的现场总线控制系统（FCS），由于锅炉控制系统对实时性和控制的可靠性要求较高，所以软件的要求也较高，而Intellution公司的FIX监控软件能满足这些要求。本文针对大连金源小区供热系统中两台20吨低压热水锅炉的特点，以FCS系统为基础，介绍了一套锅炉现场总线监控系统方案，从实际应用中取得了比较好的控制效果。
整个系统工作原理为[2]：从控制现场来的4-20 mA或1-5V的标准信号，送至SHCAN2000型现场控制单元。信号在其中经处理后可由其AO或DO端口输出，经信号调理模块去控制现场设备;也可根据需要发送到CAN总线上，总线上其它现场控制单元或上位机系统根据事先设计好的验收码和验收屏蔽码，来判断是否接收该信息。传送到上位机的信息，可以通过上位机监控软件进行显示、控制、记录以及报警、打印等。
一、 锅炉现场总线控制系统的硬件体系
SHCAN2000总线控制系统不同于传统的集散系统（DCS），它具有DCS的先进技术和完善的功能，特别适用于中、小型装置的生产过程控制，它是计算机技术、控制技术、通讯技术综合利用的结果，是新一代的全数字、全分散、全开放的现场总线控制系统[3]，控制系统设计思想为：从现场传感器（铂电阻、压力变送器等）测得的信号经信号调理模块（温度变送器、输入端安全栅等）送至智能控制单元，在智能控制单元中经过运算处理后，形成控制信号。控制信号再经信号调理模块（温度变送器、输入端安全栅等）返送至现场执行器（电磁阀、切断阀等）。不同的智能控制单元作为控制中心可以通过CAN总线互相通信，并可以将需要监控的信号送至上位机，实现人机交互。
SHCAN2000总线控制系统由三层网络组成[4]：最底层为低速现场总线连成的控制网络，连接各种智能仪表及调节阀等现场设备，各控制器节点下放到现场，构成一种彻底的分布式控制体系结构;中间的一层采用中速网连接控制器、远程I/O及智能I/O设备，形成系统网络;最上一层即决策层，采用高速以太网连接各种控制器和站级计算机。如图1所示：
SHCAN2000型系统的总线通信标准采用CAN2.0B。CAN总线的短帧结构、CRC校验以及错误节点自动关闭功能，保证了信号传输的可靠性。在操作站一侧，工业PC机通过网卡作为数据缓冲与CAN总线网络连接;在现场控制单元一侧，数据缓冲由SJA1000和82C250芯片组成的标准CAN总线接口来实现。CAN总线通讯软件完成上位机与实时数据库之间、任意两个实时数据库之间的双向数据交换，当任意两个SHCAN智能测控组件的实时数据库之间交换数据时，不需要上位机的干预，并符合ISO11898标准和CAN2.0B技术规范，最大通信速率1M bps，最远通讯距离达10Km。
SHCAN型智能测控组件是直接完成采集和控制功能的智能单元，可单独运行，作为独立的回路调节器，也可将该组件放在现场附近，通过网络组合成一个完整的数据采集和控制系统。每个SHCAN智能测控组件都固化有不同的采集和控制软件，可通过实时组态和参数 设置完成不同功能组合、过程信号的采集、工程量转换、信号补偿、线性化处理、PID运算、自动报警、故障自诊断、PID参数自动整定等等。
现场总线控制系统“功能全分散”的特点，使现场控制单元成了控制系统的核心。SHCAN2000型现场控制单元采用了由实时多任务操作系统、实时监控软件、任务级组态软件、实时数据库等构成的现场智能测控仪表软件组成集成技术，支持在线组态。
二、锅炉现场总线控制系统的软件体系
锅炉现场总线控制系统软件体系由下述四部分构成，如图2所示：
1. 系统监控软件FIX
SHCAN2000系统选用美国Intellution公司的FIX DMACS作为组态软件完成人机界面（MMI）和数据的操作管理，软件操作平台采用Windows 98,它集控制技术、图形技术、数据库技术、网络技术于一身，包含静态编辑、动态显示、报警、历史曲线、报表打印、控制网络通信等多种功能，为客户提供了一个良好的人机交互界面，为实现控制的实时性提供了可能。
2. SHCANI/O —— I/O驱动程序;
SHCANIO是FIX DMACS与CAN网卡连接，进而与网络上SHCAN智能测控组件连接的软件模块。SHCANIO是使用Intellution公司提供的I/O驱动程序专用开发工具（ITK）开发的高性能I/O驱动程序。它与常规DDE动态数据交换实现的驱动程序相比较，具有较高的实时性能和更加完善的功能。
3. SHCANCFG —— SHCAN下载与调试工具;
SHCANCFG是一个基于中文WINDOWS95/98/NT上的下载与调试工具，它通过CAN总线，能对SHCAN2000上的每一个智能仪表测控组件进行组态、参数编辑、下载、上传、管理和实时监控。
4. SHCAN智能测控组件组态软件
SHCAN智能测控组件组态软件是嵌入在SHCAN智能仪表中的组态、数据采集、控 制、输入、输出和通讯的模块。
三、锅炉现场总线控制系统控制方案的设计与实现
整个供热系统包括2台20t/h锅炉，两台锅炉生产的热水汇总后经由小区各住户的供热装置，经换热后，返回到锅炉循环加热，燃烧方式为火床中的抛煤链条炉，它主要有锅炉主体、出水总网、回水总网等几部分组成，此外，还有引风机、鼓风机、炉排电机、循环泵、除尘器等辅助设备。要满足供暖的需要，首先必须保证锅炉回水温度和出水流量的稳定，其次要保证炉膛压力维持在一定范围，以保证生产的安全性和燃烧的经济性，因此锅炉的被控对象可以确定为锅炉的回水温度，炉膛负压，总网的出水压力（其决定出水流量），下面根据三个回路各自的特点分别阐述如下：
1、 锅炉温度回路的控制
从控制理论的角度分析热水锅炉，它是一个多变量、非线性、分布参数的和带时延的复杂对象，它有多个被控变量（温度、炉膛负压等）和调节变量（煤量，鼓风量和引风量等）相互之间存在交叉影响，还有媒质，环境温度和水流量等诸多因数，不难分析燃烧对象具有大的纯滞后，特别是回水温度回路，其滞后时间与PID时间常数相比更大，在传统的PID控制回路中，其中有三个重要的参量：SP（被控量的设定值），PV（被控量的实际值），OP（PID的操作输出），一般根据SP和PV的偏差E通过PID运算得到OP输出，进而控制现场的相应设备来调节温度，使其逼近SP值，当设定回水SP后，由于回水温度回路滞后时间比较长，其起作用的效果至少要等2个小时才能得到，（这主要取决于小区供热面积），这样大的滞后必然会带来系统大的超调，，甚至造成系统的不稳定，这样我们采用控制锅炉的出水温度，但是为了保证锅炉回水温度达到要求，出水温度的SP值要受到回水的控制，在这里我们采纳仿人智能控制的思想，通过软件实现对出水温度SP值的设定，其实现方法如图3所示：
回水SP根据供暖要求一般由供暖曲线给出，即根据室外的温度按曲线给出回水温度的SP预定值，然后将其和回水的实际值PV相比较，如果其绝对值大于偏差上限值△max，那么如果其值大于0，则把出水的SP值设为SP的最小值，否则设为最大值，如果不大于偏差上限△max，那么如果其值大于0，则把出水SP设定为当前值减去一个偏移量，否则加上偏移量。通过这样设定出水SP，不仅可以避免系统的超调太大，而且大大缩短了调节时间。
此外，由于影响出水温度高低的因素有三个，它们分别为加煤量，鼓风量，和炉排电机速度，而且三者之间存在比例关系，只有分配好这三者关系，锅炉才能安全、经济、有效的运行，所以，出水温度PID控制回路的输出OP值最终要分配给这三者，即：
加煤量 OP1=K1＊OP+D1
鼓风量 OP2=K2＊OP+D2
炉排电机 OP3=K3＊OP+D3
当调节K1、K2、K3、D1、D2、D3六个加权系数便可以保证锅炉的经济有效运行。
2.炉膛负压回路[5]
为了保证炉膛内粉煤有效的燃烧，炉膛内部压力是一个重要的参数，一般炉膛负压控制在-200Pa～200Pa范围之内，影响炉膛负压的因素主要是鼓风量和引风量，下面分别介绍两者的控制方案：
对于鼓风量，我们可以采用常规的PID控制，但是煤量的变化是鼓风控制的一个大的干扰，如果鼓风的调节滞后于煤量的变化，那么势必会造成冒黑烟现象，严重污染环境，采用的解决方法是把煤量作为鼓风控制的前馈量，这样可以实现当煤量变化后及时改变鼓风量进行调节，值得说明的是，当煤量增加时，提前增加鼓风量这是应该的，但是当煤量减少时，却不能立即减少鼓风量，这样同样会因为鼓风不足，造成冒黑烟，因此必须做出一个判断，判断加煤量OP1值是增加还是减少，如果加煤量OP1值增加那么立即增加鼓风量OP2值，如
果加煤量OP1值减少那么要等待一段时间，然后在减少鼓风量OP2值。
控制炉膛负压我们主要控制引风量的大小，在这里炉膛负压作为被控对象，当然这是在鼓风量一定的状态，那么当鼓风量发生变化的时候，对于引风量的控制同样可以参照鼓风控制的方案，在这里是把鼓风量作为引风控制的前馈量，当鼓风OP值增加时立即增加引风OP值，但当鼓风OP减少时，却要等待一段时间，然后再减少引风OP值的大小。
3.出水压力控制回路
此回路控制小区供热管网的水流量，主要通过控制循环泵的工作情况来改变流量的大小，采用常规的PID控制很容易实现，在此不做赘述。
四、结束语
从大连金源小区2001年冬季供暖情况来看，采用本文提出的现场总线控制系统实现了锅炉的安全、经济、有效的运行，为小区节省了20%的原煤，而且大大改善了锅炉操作人员的工作环境，减轻的劳动强度，达到了供暖工程改造的预期目标。
关键词：锅炉控制;现场总线控制;FIX;FCS
我国现有中小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业和民用锅炉仍处于效率低，环境污染严重，安全系数低的生产状态[1]。为了提高锅炉的热效率，降低耗煤量，采用锅炉的自动控制系统日益广泛，作为锅炉的控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻工作人员的劳动强度。综合考虑，我们采用SHCAN2000总线控制系统来实现对锅炉的控制。SHCAN2000总线控制系统是基于CAN总线的现场总线控制系统（FCS），由于锅炉控制系统对实时性和控制的可靠性要求较高，所以软件的要求也较高，而Intellution公司的FIX监控软件能满足这些要求。本文针对大连金源小区供热系统中两台20吨低压热水锅炉的特点，以FCS系统为基础，介绍了一套锅炉现场总线监控系统方案，从实际应用中取得了比较好的控制效果。
整个系统工作原理为[2]：从控制现场来的4-20 mA或1-5V的标准信号，送至SHCAN2000型现场控制单元。信号在其中经处理后可由其AO或DO端口输出，经信号调理模块去控制现场设备;也可根据需要发送到CAN总线上，总线上其它现场控制单元或上位机系统根据事先设计好的验收码和验收屏蔽码，来判断是否接收该信息。传送到上位机的信息，可以通过上位机监控软件进行显示、控制、记录以及报警、打印等。
一、 锅炉现场总线控制系统的硬件体系
SHCAN2000总线控制系统不同于传统的集散系统（DCS），它具有DCS的先进技术和完善的功能，特别适用于中、小型装置的生产过程控制，它是计算机技术、控制技术、通讯技术综合利用的结果，是新一代的全数字、全分散、全开放的现场总线控制系统[3]，控制系统设计思想为：从现场传感器（铂电阻、压力变送器等）测得的信号经信号调理模块（温度变送器、输入端安全栅等）送至智能控制单元，在智能控制单元中经过运算处理后，形成控制信号。控制信号再经信号调理模块（温度变送器、输入端安全栅等）返送至现场执行器（电磁阀、切断阀等）。不同的智能控制单元作为控制中心可以通过CAN总线互相通信，并可以将需要监控的信号送至上位机，实现人机交互。
SHCAN2000总线控制系统由三层网络组成[4]：最底层为低速现场总线连成的控制网络，连接各种智能仪表及调节阀等现场设备，各控制器节点下放到现场，构成一种彻底的分布式控制体系结构;中间的一层采用中速网连接控制器、远程I/O及智能I/O设备，形成系统网络;最上一层即决策层，采用高速以太网连接各种控制器和站级计算机。如图1所示：
SHCAN2000型系统的总线通信标准采用CAN2.0B。CAN总线的短帧结构、CRC校验以及错误节点自动关闭功能，保证了信号传输的可靠性。在操作站一侧，工业PC机通过网卡作为数据缓冲与CAN总线网络连接;在现场控制单元一侧，数据缓冲由SJA1000和82C250芯片组成的标准CAN总线接口来实现。CAN总线通讯软件完成上位机与实时数据库之间、任意两个实时数据库之间的双向数据交换，当任意两个SHCAN智能测控组件的实时数据库之间交换数据时，不需要上位机的干预，并符合ISO11898标准和CAN2.0B技术规范，最大通信速率1M bps，最远通讯距离达10Km。
图1 锅炉现场总线控制系统硬件体系
SHCAN型智能测控组件是直接完成采集和控制功能的智能单元，可单独运行，作为独立的回路调节器，也可将该组件放在现场附近，通过网络组合成一个完整的数据采集和控制系统。每个SHCAN智能测控组件都固化有不同的采集和控制软件，可通过实时组态和参数 设置完成不同功能组合、过程信号的采集、工程量转换、信号补偿、线性化处理、PID运算、自动报警、故障自诊断、PID参数自动整定等等。
现场总线控制系统“功能全分散”的特点，使现场控制单元成了控制系统的核心。SHCAN2000型现场控制单元采用了由实时多任务操作系统、实时监控软件、任务级组态软件、实时数据库等构成的现场智能测控仪表软件组成集成技术，支持在线组态。
二、锅炉现场总线控制系统的软件体系
锅炉现场总线控制系统软件体系由下述四部分构成，如图2所示：
图2 锅炉现场总线控制系统的软件体系
1. 系统监控软件FIX
SHCAN2000系统选用美国Intellution公司的FIX DMACS作为组态软件完成人机界面（MMI）和数据的操作管理，软件操作平台采用Windows 98,它集控制技术、图形技术、数据库技术、网络技术于一身，包含静态编辑、动态显示、报警、历史曲线、报表打印、控制网络通信等多种功能，为客户提供了一个良好的人机交互界面，为实现控制的实时性提供了可能。
2. SHCANI/O —— I/O驱动程序;
SHCANIO是FIX DMACS与CAN网卡连接，进而与网络上SHCAN智能测控组件连接的软件模块。SHCANIO是使用Intellution公司提供的I/O驱动程序专用开发工具（ITK）开发的高性能I/O驱动程序。它与常规DDE动态数据交换实现的驱动程序相比较，具有较高的实时性能和更加完善的功能。
3. SHCANCFG —— SHCAN下载与调试工具;
SHCANCFG是一个基于中文WINDOWS95/98/NT上的下载与调试工具，它通过CAN总线，能对SHCAN2000上的每一个智能仪表测控组件进行组态、参数编辑、下载、上传、管理和实时监控。
4. SHCAN智能测控组件组态软件
SHCAN智能测控组件组态软件是嵌入在SHCAN智能仪表中的组态、数据采集、控 制、输入、输出和通讯的模块。
三、锅炉现场总线控制系统控制方案的设计与实现
整个供热系统包括2台20t/h锅炉，两台锅炉生产的热水汇总后经由小区各住户的供热装置，经换热后，返回到锅炉循环加热，燃烧方式为火床中的抛煤链条炉，它主要有锅炉主体、出水总网、回水总网等几部分组成，此外，还有引风机、鼓风机、炉排电机、循环泵、除尘器等辅助设备。要满足供暖的需要，首先必须保证锅炉回水温度和出水流量的稳定，其次要保证炉膛压力维持在一定范围，以保证生产的安全性和燃烧的经济性，因此锅炉的被控对象可以确定为锅炉的回水温度，炉膛负压，总网的出水压力（其决定出水流量），下面根据三个回路各自的特点分别阐述如下：
1、 锅炉温度回路的控制
从控制理论的角度分析热水锅炉，它是一个多变量、非线性、分布参数的和带时延的复杂对象，它有多个被控变量（温度、炉膛负压等）和调节变量（煤量，鼓风量和引风量等）相互之间存在交叉影响，还有媒质，环境温度和水流量等诸多因数，不难分析燃烧对象具有大的纯滞后，特别是回水温度回路，其滞后时间与PID时间常数相比更大，在传统的PID控制回路中，其中有三个重要的参量：SP（被控量的设定值），PV（被控量的实际值），OP（PID的操作输出），一般根据SP和PV的偏差E通过PID运算得到OP输出，进而控制现场的相应设备来调节温度，使其逼近SP值，当设定回水SP后，由于回水温度回路滞后时间比较长，其起作用的效果至少要等2个小时才能得到，（这主要取决于小区供热面积），这样大的滞后必然会带来系统大的超调，，甚至造成系统的不稳定，这样我们采用控制锅炉的出水温度，但是为了保证锅炉回水温度达到要求，出水温度的SP值要受到回水的控制，在这里我们采纳仿人智能控制的思想，通过软件实现对出水温度SP值的设定，其实现方法如图3所示：
回水SP根据供暖要求一般由供暖曲线给出，即根据室外的温度按曲线给出回水温度的SP预定值，然后将其和回水的实际值PV相比较，如果其绝对值大于偏差上限值△max，那么如果其值大于0，则把出水的SP值设为SP的最小值，否则设为最大值，如果不大于偏差上限△max，那么如果其值大于0，则把出水SP设定为当前值减去一个偏移量，否则加上偏移量。通过这样设定出水SP，不仅可以避免系统的超调太大，而且大大缩短了调节时间。
此外，由于影响出水温度高低的因素有三个，它们分别为加煤量，鼓风量，和炉排电机速度，而且三者之间存在比例关系，只有分配好这三者关系，锅炉才能安全、经济、有效的运行，所以，出水温度PID控制回路的输出OP值最终要分配给这三者，即：
加煤量 OP1=K1＊OP+D1
鼓风量 OP2=K2＊OP+D2
炉排电机 OP3=K3＊OP+D3
当调节K1、K2、K3、D1、D2、D3六个加权系数便可以保证锅炉的经济有效运行。
图3 出水SP设置方框图
2.炉膛负压回路[5]
为了保证炉膛内粉煤有效的燃烧，炉膛内部压力是一个重要的参数，一般炉膛负压控制在-200Pa～200Pa范围之内，影响炉膛负压的因素主要是鼓风量和引风量，下面分别介绍两者的控制方案：
对于鼓风量，我们可以采用常规的PID控制，但是煤量的变化是鼓风控制的一个大的干扰，如果鼓风的调节滞后于煤量的变化，那么势必会造成冒黑烟现象，严重污染环境，采用的解决方法是把煤量作为鼓风控制的前馈量，这样可以实现当煤量变化后及时改变鼓风量进行调节，值得说明的是，当煤量增加时，提前增加鼓风量这是应该的，但是当煤量减少时，却不能立即减少鼓风量，这样同样会因为鼓风不足，造成冒黑烟，因此必须做出一个判断，判断加煤量OP1值是增加还是减少，如果加煤量OP1值增加那么立即增加鼓风量OP2值，如
果加煤量OP1值减少那么要等待一段时间，然后在减少鼓风量OP2值。
控制炉膛负压我们主要控制引风量的大小，在这里炉膛负压作为被控对象，当然这是在鼓风量一定的状态，那么当鼓风量发生变化的时候，对于引风量的控制同样可以参照鼓风控制的方案，在这里是把鼓风量作为引风控制的前馈量，当鼓风OP值增加时立即增加引风OP值，但当鼓风OP减少时，却要等待一段时间，然后再减少引风OP值的大小。
3.出水压力控制回路
此回路控制小区供热管网的水流量，主要通过控制循环泵的工作情况来改变流量的大小，采用常规的PID控制很容易实现，在此不做赘述。
四、结束语
从大连金源小区2001年冬季供暖情况来看，采用本文提出的现场总线控制系统实现了锅炉的安全、经济、有效的运行，为小区节省了20%的原煤，而且大大改善了锅炉操作人员的工作环境，减轻的劳动强度，达到了供暖工程改造的预期目标。