基于PLC及變頻技術(shù)的鍋爐自動(dòng)化控制改造方案

鶴崗斯達(dá)機(jī)電設(shè)備制造有限責(zé)任公司 張忠寶

鶴崗誠(chéng)基水電熱力有限責(zé)任公司 張宇慧

基于PLC及變頻技術(shù)的鍋爐自動(dòng)化控制改造方案

鶴崗斯達(dá)機(jī)電設(shè)備制造有限責(zé)任公司 張忠寶

鶴崗誠(chéng)基水電熱力有限責(zé)任公司 張宇慧

某公司冬季主要由2臺(tái)SZF10-13型沸騰鍋爐對(duì)各車間用戶供暖。該型號(hào)鍋爐生產(chǎn)于1979年，現(xiàn)許多控制點(diǎn)失靈，導(dǎo)致鍋爐熱效率低、煤耗、電耗浪費(fèi)嚴(yán)重。2臺(tái)鍋爐分別由2套DCS系統(tǒng)（分布式控制系統(tǒng)）通過(guò)控制各自的電動(dòng)閥門來(lái)調(diào)節(jié)各自汽包的給水量，鍋爐運(yùn)行過(guò)程中閥門開(kāi)度較小，給水管壓力較大，電能消耗大。并且，較高的水壓還對(duì)管道、水泵葉輪和閥門造成損害，存在較大的安全隱患。

經(jīng)過(guò)分析論證，該公司決定對(duì)原有鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行改造。改造方案基于PLC及變頻技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制鍋爐的控制系統(tǒng)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。本文，筆者對(duì)該改造方案作一介紹。

一、PLC及變頻技術(shù)

1.PLC。即可編程控制器（Programmable Logic Controller），是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，它可以執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，可以通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程，是一種新型控制器。

（1）PLC的優(yōu)點(diǎn)。PLC采用微電腦技術(shù)（大規(guī)模集成電路），取代了以往靠硬導(dǎo)線布線的邏輯控制器，具有成本低、功耗低、體積小、重量輕等特點(diǎn)。它不僅能辨識(shí)處理各種運(yùn)行狀態(tài)，采用相應(yīng)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法程序來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)間的邏輯運(yùn)算和連鎖保護(hù)，還能對(duì)輸入的多個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行處理、運(yùn)算，輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)控來(lái)制變頻器的運(yùn)行速度。

（2） PLC的主要組成模塊。PLC主要由6個(gè)模塊構(gòu)成；電源模塊、CPU模塊、熱備模塊（可選）、輸入/輸出（I/O）模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/O）模塊和通訊模塊。其中，電源模塊向PLC提供直流24 V工作電源；CPU是微型處理器，是PLC的核心部件；熱備模塊是在2套PLC均為在線方式下互為熱備用，并且可以人為任意切換至工作或備用狀態(tài)，提高了PLC的安全可靠性；輸入/輸出（I/O）模塊是指外圍回路向PLC輸入高電平（或低電平）和PLC向外圍回路輸出高電平（或低電平）；模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/O）模塊是將外圍設(shè)備輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以供PLC進(jìn)行計(jì)算、判斷、比較和傳輸。

2.變頻器技術(shù)。變頻器是鍋爐改造系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵器件，它是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率電源的電能控制裝置。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系，有

n = 60 f（1 – s）/p。 （1）

式（1）中，n為點(diǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為工作電源輸入頻率，s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率，p為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。由式（1）可知，改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率（f），可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速（n）。

二、改造注意事項(xiàng)

改造前，應(yīng)對(duì)改造方案進(jìn)行詳細(xì)研究，查閱并編制注意事項(xiàng)。注意事項(xiàng)如下。

1. 要避免高次諧波對(duì)PLC的影響。變頻器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高次諧波，會(huì)對(duì)通訊產(chǎn)生干擾，PLC工作時(shí)需要采集模擬信號(hào)，并進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換處理。在此過(guò)程中，PLC容易受到變頻器高次諧波的影響，造成信號(hào)失真。因此，必須將變頻器零地分接并且加裝液波裝置，對(duì)PLC用隔離變壓器供電，最好將PLC安裝于距變頻器較遠(yuǎn)的位置。

2. 要保證原控制系統(tǒng)的安全性和完整性。鍋爐改造系統(tǒng)所需液位、壓力等模擬信號(hào)均采用鍋爐原控制系統(tǒng)，并將原有模擬信號(hào)通過(guò)隔離分路端子分路后使用，避免對(duì)鍋爐原控制系統(tǒng)造成不利影響。

3. 要保證鍋爐給水的穩(wěn)定可靠。鍋爐給水是鍋爐運(yùn)行過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其穩(wěn)定可靠運(yùn)行是整個(gè)鍋爐系統(tǒng)安全運(yùn)行的保證。因此，一旦變頻器出現(xiàn)故障停車后，系統(tǒng)要能夠自動(dòng)切換至原有工頻控制系統(tǒng)下正常運(yùn)行，以保證企業(yè)的正常生產(chǎn)。

三、改造方案

1. 安裝2臺(tái)MM430變頻器用于控制40 kW鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)，安裝2臺(tái)MM440變頻器用于控制1.1 kW給煤電動(dòng)機(jī)。

2. 安裝BYD系列差壓變送器、威力巴流量計(jì)、一體化溫變等信號(hào)采集及傳輸裝置，用于測(cè)量密相區(qū)壓差、密相區(qū)溫度、爐膛壓力、排煙溫度、進(jìn)出口水溫、水壓等相關(guān)參數(shù)。

3. 采用西門子PLC進(jìn)行邏輯控制。

4.采用WinCCV6.0智能化運(yùn)行軟件便于進(jìn)行人工控制。WinCC可以利用SIMATICPCS7通過(guò)過(guò)程控制系統(tǒng)及其他西門子控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面組件，進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、模擬量處理和通訊聯(lián)網(wǎng)等操作，來(lái)實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的連接。借助該軟件可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，為操作人員提供相應(yīng)的診斷提示，保證鍋爐的正常高效運(yùn)行。

四、鍋爐改造系統(tǒng)運(yùn)行原理及優(yōu)點(diǎn)

1.鍋爐改造系統(tǒng)運(yùn)行原理。該系統(tǒng)主要由壓力變送器、溫度變送器、流量變送器、鍋爐專用變頻器和WinCCV6.0運(yùn)行系統(tǒng)等部件組成。壓力變送器經(jīng)濾波后取得信號(hào)將鍋爐的溫度、壓力、流量、風(fēng)量、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓、電流信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)WinCCV6.0運(yùn)行系統(tǒng)與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷出各相應(yīng)值的大小，同時(shí)把該信號(hào)輸出給風(fēng)煤比計(jì)算單元，相應(yīng)地算出在當(dāng)時(shí)的風(fēng)量下給煤電機(jī)的最大輸出值，經(jīng)過(guò)風(fēng)煤比限位，輸出到給煤電機(jī)變頻器，從而控制給煤量，實(shí)現(xiàn)風(fēng)煤聯(lián)動(dòng)的自動(dòng)控制。

2.鍋爐改造系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)將變頻調(diào)速技術(shù)、計(jì)算機(jī)和智能控制技術(shù)相結(jié)合，完成了工業(yè)鍋爐給水、給煤、送風(fēng)、引風(fēng)等參數(shù)的自動(dòng)控制，使鍋爐溫度、壓力、風(fēng)煤配比等在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制下，能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒工況的自尋優(yōu)控制，使鍋爐保持在最佳運(yùn)行狀態(tài)。此外，還可在運(yùn)行中可直觀、集中地顯示鍋爐各運(yùn)行參數(shù)，隨時(shí)修改各運(yùn)行參數(shù)控制值及系統(tǒng)的控制參數(shù)，還可以設(shè)置多點(diǎn)聲光報(bào)警、自動(dòng)連鎖停爐，有利于提高鍋爐的熱效率。

五、改造后的實(shí)際運(yùn)行效果

從已運(yùn)行的一個(gè)采暖期來(lái)看，鍋爐系統(tǒng)改造后，節(jié)電率達(dá)到30%～40%，節(jié)約電費(fèi)20多萬(wàn)元，節(jié)約用煤500 t，熱效率同比提高10%。鍋爐系統(tǒng)改造后，沒(méi)有出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)燒毀情況，在保證鍋爐安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí)，既減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又提高了鍋爐運(yùn)行的安全性。

六、結(jié)論

采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行是我國(guó)節(jié)能的一項(xiàng)重點(diǎn)推廣技術(shù)，《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》第39條將其列為通用技術(shù)加以推廣。采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)改造鍋爐，能充分利用變頻器調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、保護(hù)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、節(jié)能效果顯著的優(yōu)點(diǎn)，還能通過(guò)自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，既節(jié)煤、節(jié)電，又安全、環(huán)保，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。