淺談PLC技術(shù)及其在鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊 潔

（太原鍋爐集團(tuán)，山西 太原 030021）

可編程序控制器（Programmable logic contoroller）簡(jiǎn)稱PLC，是以微處理器為核心，用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)。PLC不僅具有邏輯控制功能，而且還具有運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳送等功能。采用可編程控制器（PLC）設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鍋爐的系統(tǒng)自動(dòng)控制，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)采用兩臺(tái)戴爾微機(jī)作為上位機(jī)，其中一臺(tái)作為主機(jī)，另一臺(tái)為輔機(jī)，構(gòu)成雙機(jī)冗余系統(tǒng)。通過MPI多點(diǎn)接口與下位機(jī)PLC進(jìn)行通信，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鍋爐的運(yùn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的遠(yuǎn)程控制。操作人員也可以隨時(shí)通過計(jì)算機(jī)了解鍋爐的工況，并對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵等進(jìn)行控制和參數(shù)設(shè)定。此外，鍋爐運(yùn)行及網(wǎng)管系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫中，可顯示或打印。

2 新系統(tǒng)配置

2.1 軟件部分

微軟Windows 2000操作系統(tǒng)、西門子Wince V5.1組態(tài)軟件、西門子提供的Soft－net－S7軟件、西門子S7－300編程軟件 SETUP7v5.2＋spl。

2.2 硬件配置

P4 1.8 G CPU，256 M DDR內(nèi)存，32 M顯卡，40 G硬盤，4個(gè)USB2.0接口，17英寸戴爾CRT顯示器，觸摸式工業(yè)鍵盤，鼠標(biāo)套裝。

2.3 可編程控制器PLC

采用德國西門子的S7－300系列，CPU選用S7－315－DP可編程控制器，內(nèi)置PID模塊，48 k存儲(chǔ)器，I/O能擴(kuò)展到2 048點(diǎn)，西門子CP5611通信卡。

3 PLC調(diào)節(jié)控制功能

3.1 鍋爐水位控制系統(tǒng)

汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，水位過高，會(huì)破壞汽水分離裝置的正常工作，影響蒸汽質(zhì)量。水位過低，則會(huì)破壞水循環(huán)，造成干鍋，損壞汽包。因而，水位要控制好。它的被調(diào)量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是給水流量，通過對(duì)給水流量的調(diào)節(jié)，使汽包內(nèi)部的物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，變化在允許范圍之內(nèi)。一般鍋爐汽包水位對(duì)蒸氣流量和給水流量變化的響應(yīng)呈積極特性，但是在負(fù)荷（蒸氣流量）急劇增加時(shí)，表現(xiàn)卻為“逆響應(yīng)特性”，即所謂的“虛假水位”，造成這一現(xiàn)象的原因是負(fù)荷增加時(shí)，導(dǎo)致汽包壓力下降，使汽包內(nèi)水的沸點(diǎn)溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是維持鍋爐進(jìn)出水量平衡的系統(tǒng)，它是以水位作為水量平衡與否的控制指標(biāo)，通過調(diào)整進(jìn)水量的多少來達(dá)到進(jìn)出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。由于鍋爐水位系統(tǒng)是一個(gè)設(shè)有自平衡能力的被控對(duì)象，運(yùn)行中存在虛假水位現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)情況采用水位單沖量、水位蒸汽量雙重量和水位、蒸汽量、給水量三沖量的控制系統(tǒng)。

3.2 變頻技術(shù)控制鍋爐調(diào)速系統(tǒng)

變頻器在工業(yè)鍋爐調(diào)速控制系統(tǒng)中主要應(yīng)用于鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、供水系統(tǒng)及除渣系統(tǒng)。其最主要的目的在于節(jié)約能源。采用變頻調(diào)速方法節(jié)能的原理是基于流量、壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。鼓、引風(fēng)機(jī)采用變頻控制是鍋爐系統(tǒng)中變頻應(yīng)用的重頭戲，既是節(jié)電最顯著的部分，同時(shí)也是變頻投資最大的部分。這主要是由于鼓、引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)的幅度相對(duì)較大。用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速還具備對(duì)電機(jī)的保護(hù)功能，如當(dāng)過流、缺相、過熱等情況出現(xiàn)時(shí)可及時(shí)報(bào)警和停機(jī)，大大延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。變頻器還具備軟啟動(dòng)功能，可減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高企業(yè)的用電質(zhì)量。

3.3 監(jiān)控功能

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，上位機(jī)將下位機(jī)采集上來的鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)和熱力站傳送上來的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，通過上位機(jī)的分析、判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力、液位、流量、煙氣含氧量等工藝過程參數(shù)的模擬動(dòng)態(tài)顯示，通過下位機(jī)反饋至上位機(jī)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表、風(fēng)機(jī)、水泵及上煤系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。用戶通過上位機(jī)手動(dòng)和自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)、水泵的啟、?？刂啤Ｏ到y(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表、電氣設(shè)備配合可實(shí)現(xiàn)多變量閉環(huán)調(diào)節(jié)（如送風(fēng)變頻控制、引風(fēng)機(jī)變頻控制、給煤機(jī)變頻控制）和聯(lián)鎖控制（如上煤聯(lián)鎖控制）。

3.4 調(diào)節(jié)控制功能

供暖燃煤鍋爐是一種多變量系統(tǒng)，被控量之間的關(guān)系耦合程度高，因此本套系統(tǒng)應(yīng)配以優(yōu)化的控制軟件，該套軟件以供水溫度、煙氣氧量、爐膛負(fù)壓等為控制指標(biāo)，室外溫度為補(bǔ)償量，同時(shí)具有PID控制，通過配置風(fēng)煤比、前饋系統(tǒng)，來加大或解除給煤調(diào)節(jié)，送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)和引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)輸出間的前饋聯(lián)鎖，以求取給煤量，送風(fēng)量和引風(fēng)量的最佳控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)燃燒控制。考慮到鍋爐此三環(huán)節(jié)的對(duì)象為電機(jī)，所以PID手/自動(dòng)切換時(shí)，加有無擾動(dòng)切換。

3.5 報(bào)警功能

系統(tǒng)具有故障報(bào)警（風(fēng)機(jī)、水泵、上煤系統(tǒng)等的啟停故障等）和超限報(bào)警（高、低液位、壓力、流量、溫度報(bào)警及用戶指定的其他參數(shù)報(bào)警）。

3.6 數(shù)據(jù)報(bào)表記錄功能

可根據(jù)用戶的要求，對(duì)熱網(wǎng)的供、回水流量、溫度、壓力、爐膛負(fù)壓等工藝參數(shù)及電機(jī)負(fù)載情況，報(bào)警記錄形成報(bào)表匯總。

3.7 冗余功能

為保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，下位機(jī)控制器也采用雙冗余控制器，以保障系統(tǒng)不間斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制器外圍供電電源也采用雙冗余方式，并有完備的手動(dòng)控制功能，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

3.8 密碼功能

為防止非專業(yè)人員隨意改動(dòng)參數(shù)，造成對(duì)鍋爐操作的錯(cuò)誤動(dòng)作，該系統(tǒng)可配制幾個(gè)操作員密碼，操作員可以鍵入唯一的標(biāo)識(shí)符和口令進(jìn)入較高級(jí)的系統(tǒng)修改參數(shù)。

4 控制系統(tǒng)的安全措施

4.1 通訊網(wǎng)絡(luò)冗余

為保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠，計(jì)算機(jī)測(cè)控通訊網(wǎng)采用雙冗余光纖環(huán)網(wǎng)，當(dāng)一條網(wǎng)絡(luò)線出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)正常工作。

4.2 PLC冗余

2套SIEMENS S7－300PLC實(shí)現(xiàn)冗余控制，每套SIEMENS S7－300PLC都由相同的模塊組成S7－300PLC，實(shí)現(xiàn)了冗余配置。輸入信號(hào)通過信號(hào)端子同時(shí)進(jìn)入 PLC的輸入模塊，經(jīng)過CPU運(yùn)算處理后，運(yùn)算結(jié)果送到對(duì)應(yīng)的輸出模塊，兩塊輸出模塊的輸出同時(shí)接到一個(gè)輸出端子上。主控的PLC輸出結(jié)果起控制作用，另一個(gè)PLC的輸出結(jié)果則處于等待狀態(tài)，只有主控PLC在故障狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)輸出信號(hào)才起控制作用。

4.3 電源冗余

西門子S7－300系列PLC各模塊采用DC24 V供電方式?，F(xiàn)場(chǎng)提供兩路獨(dú)立的A C220 V電源，分別給兩個(gè)西門子SITOP電源（20 A）輸入端供電。兩個(gè)SITOP電源輸出端經(jīng)二級(jí)管隔離后并聯(lián)到一起，共同給系統(tǒng)提供DC24 V電源。這樣當(dāng)任何一路交流電掉電或任一個(gè)SITOP電源損壞時(shí)，不影響系統(tǒng)的持續(xù)供電，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電源冗余。

總之，由于鍋爐采用了PLC技術(shù)，始終處于經(jīng)濟(jì)燃燒狀態(tài)，節(jié)能效果顯著，煙氣含氧量和爐渣含碳量明顯降低。采用變頻技術(shù)后，當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了電機(jī)的機(jī)械特性，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命，減少了大量的設(shè)備維護(hù)費(fèi)與人工費(fèi)。由于鍋爐燃燒達(dá)到最佳狀態(tài)，大大減少了煙氣、塵埃等污染，鍋爐房的環(huán)境大大改善，工人勞動(dòng)強(qiáng)度減輕，節(jié)省了資源。

［1］李友善.自動(dòng)控制原理（第三版）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［2］蔡建軍等.基于 PLC和變頻調(diào)速的供暖鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表用戶，2004（2）.

［3］馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌.鍋爐原理及計(jì)算（第三版）［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.