基于組態(tài)技術(shù)的蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)

王麗艷

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧 大連 116037）

蒸汽鍋爐提供的蒸汽主要用于民用采暖和工廠工藝用熱。目前使用較廣的蒸汽鍋爐分電蒸汽鍋爐、燃油蒸汽鍋爐、燃?xì)庹羝仩t和燃油－燃?xì)庹羝仩t4類[1]。傳統(tǒng)的蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)是一種基于繼電接觸器和人工手動(dòng)方式的半自動(dòng)化系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為繁瑣，不易維護(hù)，故障率高；操作時(shí)需要工作人員親臨現(xiàn)場，存在嚴(yán)重?fù)p害操作人員身體健康的風(fēng)險(xiǎn)。組態(tài)（Configuration）控制技術(shù)以其編程簡單、運(yùn)行安全可靠、故障率低、可維護(hù)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐步在蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)中得到廣泛采用。組態(tài)控制技術(shù)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上除采用工業(yè)PC機(jī)外，系統(tǒng)大量采用各種成熟通用的I/O接口設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備，基本上不再需要單獨(dú)進(jìn)行具體電路設(shè)計(jì)，不僅節(jié)約了硬件開發(fā)時(shí)間，更提高了工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性和安全性[2]。

本控制系統(tǒng)硬件采用西門子S7-200作為核心控制部件，上位機(jī)軟件采用北京亞控公司的“組態(tài)王”。軟硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)合理，操作簡單，智能化程度高，采用高性能的電源，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。可對鍋爐的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對故障進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別及處理，使系統(tǒng)能夠更安全、可靠地運(yùn)行。

1 蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的控制要求及構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)的控制要求

根據(jù)蒸汽鍋爐的工作過程，要求蒸汽壓力、鍋爐水液位和燃燒器達(dá)到以下控制要求：

1）蒸汽壓力控制

爐內(nèi)壓力要求控制在0.010 MPa≤P≤0.10 MPa。當(dāng)蒸汽壓力P＜0.01 MPa 時(shí)，燃燒器先啟動(dòng)小火，延時(shí)0～180s(可調(diào)) 。當(dāng)延時(shí)時(shí)間到，啟動(dòng)大火 ；當(dāng)蒸汽壓力0. 01 MPa＜P＜0.1 MPa時(shí)，先關(guān)停大火，小火繼續(xù)工作，維持壓力；當(dāng)P =0.1 MPa 時(shí)，關(guān)停小火；當(dāng)蒸汽壓力0..1 MPa＜P＜0.15 MPa 時(shí)，報(bào)警并停爐；當(dāng)P≥0.15 MPa 時(shí)，關(guān)停補(bǔ)水泵、補(bǔ)油泵和燃燒器并報(bào)警，切斷燃燒器電源。

2）鍋爐水液位控制

當(dāng)爐水液位到達(dá)上上限時(shí)，關(guān)停補(bǔ)水泵和燃燒器并報(bào)警；當(dāng)爐水液位到達(dá)上限時(shí)，關(guān)停補(bǔ)水泵；當(dāng)爐水液位到達(dá)下限時(shí)，啟動(dòng)補(bǔ)水泵；當(dāng)爐水液位到達(dá)下下限時(shí)，關(guān)停補(bǔ)水泵和燃燒器并報(bào)警；當(dāng)補(bǔ)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)停小火、大火和補(bǔ)油泵并報(bào)警。

3）燃燒器控制

燃燒器自動(dòng)控制是由給煤量、送風(fēng)量和爐膛負(fù)壓部分組成。在正常情況下，主蒸汽壓力偏離給定值時(shí)，系統(tǒng)將按著規(guī)定的控制算法調(diào)節(jié)爐排的轉(zhuǎn)速，以滿足靜態(tài)控制精度的要求。在調(diào)節(jié)給煤量時(shí), 為了保持合理的煤層厚度，還必須調(diào)整給煤閘板的高度；在調(diào)節(jié)送風(fēng)的同時(shí)，為了使?fàn)t膛負(fù)壓相對穩(wěn)定，保證在任何情況下不出現(xiàn)正壓或超越爐膛負(fù)壓下限值，負(fù)壓控制可將送風(fēng)量作為前饋信號(hào)，以獲得最佳燃燒效果，當(dāng)蒸汽壓力P≤0.01 MPa 時(shí)，燃燒器處于大、小火自動(dòng)切換工作模式；當(dāng)P＞0.1 MPa 時(shí)，燃燒器處于停機(jī)工作模式；當(dāng)燃燒器出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)停小火、大火、補(bǔ)水泵和補(bǔ)油泵并報(bào)警。

1.2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)主要有鍋爐本體和燃燒器兩大部分組成:

1）鍋爐本體：配有蒸汽壓力變送器、爐水液位計(jì)、溫度傳感器、蒸汽壓力高保護(hù)壓力控制器和蒸汽壓力超高保護(hù)壓力控制器。蒸汽壓力超高保護(hù)壓力控制器的作用是在壓力超高時(shí)切斷燃燒器的電源。

FC教學(xué)模式是當(dāng)今較為流行并獲得大多數(shù)教育家和學(xué)者認(rèn)可的一種教育模式，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，對于培養(yǎng)高素質(zhì)且有創(chuàng)新能力的人才具有重要意義，教師可以在自己所講授的課程中嘗試使用。但這也只是一種教學(xué)模 式，不可千篇一律，照抄照搬，要根據(jù)每門課程的特點(diǎn)，遵循 “宜翻則翻”的原則，并非所有有關(guān)高等教育翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)的研究 都有積極的效果［12］。教師應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，根據(jù)學(xué)生的 特點(diǎn)和課程的特點(diǎn)，完成教學(xué)任務(wù)，從而達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)。

2）燃燒器：配有小火電磁閥、大火電磁閥、火焰監(jiān)視探頭( 電眼) 和程序控制器。

圖1 蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)構(gòu)成Fig. 1 steam boiler control system

蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，溫度、壓力和液位等模擬信號(hào)經(jīng)過變送器將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成1～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)， 該數(shù)字信號(hào)為8位，其中7位數(shù)值位，1位停止位。8位數(shù)字信號(hào)經(jīng)RS232/RS485轉(zhuǎn)換接口傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示。開關(guān)量直接進(jìn)入PLC模塊，首先由PLC完成對開關(guān)量的控制，再經(jīng)RS232/RS485轉(zhuǎn)換接口將其傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)雙重控制。

1.3 控制系統(tǒng)I/O配置

本控制系統(tǒng)I/O配置如表1所示。模擬量應(yīng)實(shí)時(shí)顯示在操作畫面中，數(shù)值范圍滿足表1要求，若出現(xiàn)數(shù)值超限應(yīng)在主畫面中出現(xiàn)報(bào)警提示；數(shù)字量通過西門子PLC（S7-200）輸入和輸出，并能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。

表1 控制系統(tǒng)I/O配置Tab.1 Control system conf i guration of I/O

2 蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的基本功能

1）本系統(tǒng)可根據(jù)出口原油溫度或采暖水出口溫度與設(shè)定值相比較，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、連續(xù)的調(diào)節(jié)爐內(nèi)火焰的大小。

2）本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示7個(gè)模擬量參數(shù)，它們分別是：原油入口溫度、原油出口溫度、采暖水入口溫度、采暖水出口溫度、爐內(nèi)液位、爐內(nèi)壓力、燒火間內(nèi)可燃?xì)庑孤┝俊?/p>

3）本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示的數(shù)字量包括：電源指示、燃燒器運(yùn)行狀態(tài)、燃燒器故障狀態(tài)、檢漏故障狀態(tài)等。

4）本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)超溫后的自動(dòng)停機(jī)及溫度恢復(fù)后的自動(dòng)啟動(dòng)。

6）本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)的切換。在加熱爐調(diào)試期間，打到手動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行前期的調(diào)試，當(dāng)鍋爐具備自動(dòng)控制的條件后，可打到自控狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

3 燃燒器運(yùn)行主畫面

燃燒器運(yùn)行主畫面可實(shí)時(shí)顯示燃燒器的工作狀態(tài)，通過對畫面的操作，可以實(shí)現(xiàn)對燃燒器工作參數(shù)的監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。圖2所示為燃燒器停止運(yùn)行狀態(tài)畫面圖。

圖2 燃燒器運(yùn)行主畫面Fig. 2 Burner running the main screen

1）油出口溫度：實(shí)時(shí)指示油出口溫度值，當(dāng)溫度值高于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，將自動(dòng)跳出“報(bào)警窗口”當(dāng)溫度值高于報(bào)警停機(jī)值時(shí)，燃燒器自動(dòng)停機(jī)，并且溫度值以紅色顯示，待溫度值恢復(fù)正常后，燃燒器自動(dòng)啟動(dòng)。

2）爐內(nèi)壓力：實(shí)時(shí)指示爐內(nèi)壓力值，當(dāng)壓力值高于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，將自動(dòng)跳出“報(bào)警窗口”；當(dāng)壓力值高于報(bào)警停機(jī)值時(shí)，燃燒器自動(dòng)停機(jī)，并且壓力值以紅色顯示，待壓力值恢復(fù)正常后，燃燒器自動(dòng)啟動(dòng)。

3）爐內(nèi)液位：實(shí)時(shí)指示爐內(nèi)液位值，當(dāng)液位值低于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，將自動(dòng)跳出“報(bào)警窗口”；當(dāng)液位值低于報(bào)警停機(jī)值時(shí)，燃燒器自動(dòng)停機(jī)，并且液位值以紅色顯示。

4）燃?xì)庑孤┝浚簩?shí)時(shí)指示燒火間內(nèi)可燃?xì)庑孤┲?，?dāng)泄漏值高于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，將自動(dòng)跳出“報(bào)警窗口”；當(dāng)泄露值高于報(bào)警停機(jī)值時(shí)，燃燒器自動(dòng)停機(jī)，并且可燃?xì)庑孤吨狄约t色顯示。

5）運(yùn)行狀態(tài)指示：當(dāng)燃燒器運(yùn)行時(shí)，顯示綠色“燃燒器運(yùn)行”且火苗閃爍；當(dāng)燃燒器停止時(shí)，顯示紅色“燃燒器停止”火苗停止閃爍。

4 控制系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計(jì)

本蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)主流程圖如圖3示。系統(tǒng)工作時(shí)，通過上位機(jī)的主畫面給系統(tǒng)上電，并將點(diǎn)火標(biāo)志位置1，然后進(jìn)入點(diǎn)火子程序進(jìn)行點(diǎn)火，若燃燒器工作正常，則成功點(diǎn)火；若燃燒器出現(xiàn)故障，則通過點(diǎn)火子程序判斷故障點(diǎn)，排除故障后繼續(xù)點(diǎn)火，直到成功。

圖3 汽鍋爐控制系統(tǒng)主流程圖Fig. 3 Steam boiler control system for the main flow chart

5 趨勢曲線

數(shù)據(jù)分析是一個(gè)完善的控制軟件必不可少的功能。趨勢曲線是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析[7]的方式之一，其特點(diǎn)是直觀，便于比較。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)趨勢曲線來分析現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集情況。

圖4 系統(tǒng)實(shí)時(shí)趨勢曲線Fig. 4 System real-time trend curve

趨勢曲線的外形類似于坐標(biāo)紙，X軸代表時(shí)間，Y軸代表變量值。主要用于觀察變量的變化趨勢。在趨勢曲線中工程人員可以規(guī)定時(shí)間間距、數(shù)據(jù)的數(shù)值范圍、網(wǎng)絡(luò)分辨率、時(shí)間坐標(biāo)數(shù)目、數(shù)值坐標(biāo)數(shù)目以及繪制曲線的“筆”的顏色屬性。軟件運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)趨勢曲線可以自動(dòng)卷動(dòng)，以快速反映變量隨時(shí)間的變化。

實(shí)時(shí)趨勢用于實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的變化情況。在畫面運(yùn)行時(shí)趨勢曲線對象由系統(tǒng)自動(dòng)更新。數(shù)據(jù)將從趨勢的右邊進(jìn)入，同時(shí)趨勢將從右向左移動(dòng)，本系統(tǒng)實(shí)時(shí)趨勢曲線如圖4所示。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)測試和運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄鍋爐的運(yùn)行情況，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)奖鞠到y(tǒng)，且系統(tǒng)操控界面友好、使用方便，實(shí)現(xiàn)了蒸汽鍋爐運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)控制。

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