基于PLC的燃油蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計

張遠(yuǎn)梅，付建彬，王章寬

（廣東省核工業(yè)華南高級技工學(xué)校教務(wù)實訓(xùn)科，廣東韶關(guān)512026）

基于PLC的燃油蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計

張遠(yuǎn)梅，付建彬，王章寬

（廣東省核工業(yè)華南高級技工學(xué)校教務(wù)實訓(xùn)科，廣東韶關(guān)512026）

以PLC控制技術(shù)及變頻器技術(shù)為基礎(chǔ)的燃油蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)，主要由可編程序控制器、變頻器、觸摸屏、鼓風(fēng)電動機(jī)和水泵電動機(jī)、油泵電動機(jī)等組成，可以實現(xiàn)鍋爐點火時序自動控制、水位自動控制、蒸汽壓力自動控制以及安全報警等主要功能.通過變頻器控制電機(jī)的啟動、運行、調(diào)速，且運用觸摸屏技術(shù)可以實時了解鍋爐運行狀態(tài)，并能修改和記錄鍋爐運行參數(shù).

PLC；變頻器；觸摸屏；自動控制

鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)尤為重要的動力設(shè)備，早已在化工生產(chǎn)、煉油及發(fā)電等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用.然而，當(dāng)前我國的部分企業(yè)中，中小型鍋爐的使用普遍存在調(diào)節(jié)手段有限、鍋爐的處理不能隨外界負(fù)荷變化及時變化等現(xiàn)象，從而降低了鍋爐的效率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要.

通過對傳統(tǒng)的鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)自動控制功能.在沒有人工操作的情況下，該系統(tǒng)能隨時根據(jù)當(dāng)前情況調(diào)整水量、送風(fēng)量等操作，從而達(dá)到維持水位、蒸汽溫度、蒸汽壓力以及負(fù)壓的恒定，這樣就可能提高鍋爐的5%以上熱效率.此外還能有效地控制燃燒狀態(tài)，減少空氣污染.

1 鍋爐控制系統(tǒng)構(gòu)成

通過分析傳統(tǒng)的鍋爐控制系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)的控制設(shè)備和控制技術(shù)的應(yīng)用，本設(shè)計選用PLC作為控制中心組成燃油蒸汽鍋爐自動控制系統(tǒng).該系統(tǒng)的主要控制功能體現(xiàn)在鍋爐燃燒過程的控制、爐膛負(fù)壓的控制和主要影響鍋爐安全運行的汽包水位的控制等方面，從而實現(xiàn)鍋爐點火時序、水位和蒸汽壓力的自動控制及安全警報等，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性.

該控制系統(tǒng)由PLC模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、觸摸屏模塊及變頻器模塊組成.系統(tǒng)工作原理：通過FX2N-4AD模塊對各個通道模擬量數(shù)據(jù)的檢測，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，并將汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度的數(shù)據(jù)分別存在數(shù)據(jù)寄存器中.通過對系統(tǒng)當(dāng)前信息量反饋與模擬輸入量進(jìn)行比較，由PLC發(fā)出信號改變變頻器頻率.利用變頻器進(jìn)行對風(fēng)機(jī)、水泵、油泵的啟動、運行、調(diào)速，以此來調(diào)節(jié)系統(tǒng)蒸汽壓力、蒸汽溫度與氣包水位，并可以利用觸摸屏對鍋爐運行狀態(tài)、各參數(shù)的顯示，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)原理設(shè)計

2.1 鍋爐給水過程控制

針對中小型鍋爐系統(tǒng)，由于汽包相對負(fù)荷而言其容量較大，水位受到擾動的反應(yīng)速度較慢，虛假水位現(xiàn)象不嚴(yán)重的特點，采用單沖量（只根據(jù)水位變化去改變給水調(diào)節(jié)閥的開度）控制方法就可滿足生產(chǎn)上的要求，控制算法常采用PI算法實現(xiàn)無差水位調(diào)節(jié).

在此控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的全部信息都是靠壓力變送器來反饋的，反饋回來的壓力信號在PLC的配合下完成當(dāng)前水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)整.即給系統(tǒng)設(shè)定一個正常工作水位值，再把系統(tǒng)檢測的水位實際值作為反饋信號與給定值比較，比較值經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行運算，PLC輸出信號到變頻器，通過變頻器控制補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)恒壓供水的效果.

2.2 蒸汽壓力自動控制

鍋爐蒸汽壓力主要是通過調(diào)節(jié)燃油量來控制，以此保證鍋爐蒸汽壓力值保持在恒定數(shù)值，并通過調(diào)節(jié)送風(fēng)量來保證供應(yīng)燃燒時所需氧氣的量，因此對蒸汽壓力的控制實際上就是對燃燒系統(tǒng)的控制.

2.3 油位自動控制

該系統(tǒng)中，油位自動控制采用了啟停補(bǔ)油泵的方法來控制進(jìn)油量，從而保持日用油箱的油量.啟動補(bǔ)油泵給日用油箱進(jìn)油，當(dāng)油箱中的油到高油位線后停泵，暫停補(bǔ)油.日用油箱停止進(jìn)油后，隨著油量的消耗，油位將逐步下降，油位降到低油位線時，再次啟動補(bǔ)油泵進(jìn)油，使油位控制在高低安全油位線內(nèi)上下變化.

2.4 安全保護(hù)過程控制

當(dāng)鍋爐的某個工作過程處于異常狀態(tài)，危及鍋爐安全運行時，系統(tǒng)將進(jìn)行必要的操作使鍋爐停轉(zhuǎn)，同時發(fā)出聲光報警.該系統(tǒng)的保護(hù)措施包括：點火失敗保護(hù)、氣壓過高保護(hù)、氣溫過高保護(hù)、危險油位保護(hù)、中途熄火保護(hù)、電動機(jī)的過流保護(hù)與短路保護(hù)以及PLC的自身保護(hù)等措施.

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 PLC系統(tǒng)配置

PLC系統(tǒng)配置包括開關(guān)量和模擬量的配置.根據(jù)鍋爐不同的運行狀態(tài)，變頻器的調(diào)速運行要求，風(fēng)機(jī)、水泵和油泵的手動、自動兩種不同方式及熱繼電器輸入和聲光報警等進(jìn)行PLC開關(guān)量輸入輸出端口配置.其中模擬量輸入為蒸汽壓力、蒸汽溫度及汽包水位的傳感器檢測信號，模擬量輸出為控制變頻器的電壓信號.PLC系統(tǒng)配置如圖2所示.

3.2 變頻器的配置

圖2 PLC系統(tǒng)配置圖

現(xiàn)代鍋爐控制系統(tǒng)早已應(yīng)用了變頻調(diào)速控制技術(shù).當(dāng)鍋爐運行時，通過作為執(zhí)行器的變頻器對燃燒系統(tǒng)及爐膛負(fù)壓進(jìn)行控制，對引、鼓風(fēng)機(jī)及爐排電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制來實現(xiàn)風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)，從而滿足控制要求.因為變頻調(diào)速技術(shù)可以完成電動機(jī)的無級調(diào)速操作，并擁有異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速和串級調(diào)速的優(yōu)點，所以將變頻技術(shù)運用在鍋爐系統(tǒng)中有很大的優(yōu)越性.

本設(shè)計在選用變頻器時，通過對不同型號的三菱變頻器工作性能的對比，并結(jié)合本設(shè)計的主要要求，對風(fēng)機(jī)、油泵、補(bǔ)水泵進(jìn)行啟動和運行控制，實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)和泵類的無級調(diào)速，因此選用FR-F700系列變頻器，型號為FR-F740.

3.3 觸摸屏的配置

鍋爐的監(jiān)控系統(tǒng)一般要完成的功能有：采集功能、監(jiān)督功能、控制功能、工作狀態(tài)功能.觸摸屏是新一代的高科技人機(jī)界面產(chǎn)品，適用于現(xiàn)場控制，具有高的可靠性，簡單的編程操作，維護(hù)方便等優(yōu)點，可使整個生產(chǎn)的自動化控制的功能得到大大的加強(qiáng).

基于本控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，通過對比多種型號的觸摸屏系統(tǒng)后，選用三菱F940 GOT系列的觸摸屏，型號為F940G0T-SWD-C.F940G0T-SWD-C型號觸摸屏是一種具有高級顯示功能、報警處理能力及PLC順序程序編輯功能的通用執(zhí)行器.三菱觸摸屏F940 GOT型觸摸式面板，該系列功能比較齊全，價格低廉，性能穩(wěn)定，可實現(xiàn)過程控制和監(jiān)視.它使得操作狀態(tài)當(dāng)前過程數(shù)據(jù)和關(guān)于連接PLC的故障能夠以圖形顯示，并且使得相關(guān)的機(jī)械設(shè)備或系統(tǒng)能夠被方便地監(jiān)控和操作，可方便機(jī)械設(shè)備操作，監(jiān)控并提供被監(jiān)控的機(jī)械設(shè)備或系統(tǒng)的逼真的圖形表現(xiàn).

3.4 控制系統(tǒng)電路設(shè)計

燃油蒸汽鍋爐的運行狀態(tài)有三種：啟動狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)、出現(xiàn)問題時的暫停和消除問題后自動重新.鍋爐的啟動由鼓風(fēng)電動機(jī)進(jìn)行送風(fēng)、油泵電動機(jī)進(jìn)行送油，接通點火變壓器來實現(xiàn).停止燃燒時先關(guān)閉噴油泵，最后鼓風(fēng)電動機(jī)停止送風(fēng).為了避免電動機(jī)長期過載運行時發(fā)熱而燒壞電動機(jī)，在主電路中設(shè)有熱繼電器進(jìn)行過載保護(hù)，同時裝配熔斷器進(jìn)行短路保護(hù).一旦發(fā)生短路故障或者電動機(jī)長期過載運行，這些電器立即動作，及時切斷電源實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護(hù).

該控制系統(tǒng)的主電路應(yīng)用三相380 V交流電源，通過熱繼電器以及交流接觸器等低壓元器件控制來實現(xiàn)三相電動機(jī)的運行.控制電路中主要以PLC為核心，以及控制按鈕、開關(guān)等控制器件，用來實現(xiàn)接觸器及繼電器線圈的得失電狀態(tài)，從而實現(xiàn)對主電路運行狀態(tài)的控制.系統(tǒng)采用220 V交流電源和24 V直流電源兩種電源供電，其中24 V直流電源由PLC提供.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該燃油蒸汽鍋爐自動控制系統(tǒng)主要由鍋爐點火時序自動控制、蒸汽壓力自動控制及水位自動控制和安全報警等幾大部分組成.

點火及燃燒時序控制主要由預(yù)掃風(fēng)、噴油點火、點火勝利幾部分組成，首先啟動鼓風(fēng)機(jī)且以最大速度、最大的風(fēng)量進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)，預(yù)掃風(fēng)操作完成后自動進(jìn)行關(guān)小風(fēng)速操作，隨后開啟燃油泵，以小風(fēng)量和少噴油的形式進(jìn)行點火操作.點火勝利之后，首先保持一段時間低火燃燒操作以對鍋爐進(jìn)行預(yù)熱，然后增加風(fēng)速與油量，使鍋爐轉(zhuǎn)入高火燃燒，即進(jìn)入正常燃燒的負(fù)荷控制階段.如果在預(yù)定時間之內(nèi)鍋爐出現(xiàn)點火不勝利或者風(fēng)機(jī)失壓、中間熄火等問題時，系統(tǒng)會自動進(jìn)行停爐保護(hù)操作，只有在消除故障并按下恢復(fù)按鈕，使時序控制恢復(fù)到起動前的狀態(tài)時，鍋爐才能重新啟動.

鍋爐蒸汽壓力P控制要求范圍為0.9 MPa≤P≤1.1 MPa.當(dāng)蒸汽壓P＜0.9 MPa時，燃燒器先啟動小火，延時時間為0～180 s可以根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整.經(jīng)延時啟動大火；當(dāng)0.9 MPa＜P＜1.1 MPa時，先關(guān)閉大火，并讓小火繼續(xù)工作，維持壓力；當(dāng)P=1.1 MPa時，關(guān)停小火；當(dāng)1.1 MPa＜P＜1.5 MPa時，進(jìn)行報警及停爐；當(dāng)P≥1.5 MPa時，關(guān)閉補(bǔ)水泵、補(bǔ)油泵及燃燒器操作并進(jìn)行報警，以及切斷燃燒器的電源.其程序控制流程圖如圖3所示.

水位自動控制是當(dāng)水位與給定值有偏差時，補(bǔ)水泵工作.若補(bǔ)水泵故障時，關(guān)閉小火、大火及補(bǔ)油泵并進(jìn)行報警操作.安全警報是當(dāng)油位到達(dá)油位下限時，補(bǔ)油泵進(jìn)行工作.若油位上下限到或者蒸汽壓力超過額定壓力值或者蒸汽溫度超過額定溫度時，發(fā)出聲光報警.通過對觸摸屏的畫面設(shè)計，可以實現(xiàn)對燃油蒸汽鍋爐系統(tǒng)的自動監(jiān)控.其部分觸摸屏監(jiān)控畫面如圖4所示.

5 結(jié)語

圖3 蒸汽壓力控制程序流程圖

通過對中小型鍋爐使用特性和特點進(jìn)行分析，設(shè)計的以可編程序控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)和觸摸屏技術(shù)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，對燃油蒸汽鍋爐的運行進(jìn)行全過程的自動控制和監(jiān)控.該控制系統(tǒng)以三菱FX2N PLC作為控制中心，通過三菱FR-F740變頻器控制電機(jī)的各項運作，利用F940 GOT觸摸屏對鍋爐的狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行實時記錄及操作.

通過該系統(tǒng)實現(xiàn)的控制，不僅能夠提高燃油蒸汽鍋爐的熱效率，還可以有效地控制其燃燒狀態(tài)，減少對環(huán)境的污染，同時也提高了鍋爐操作的穩(wěn)定性和安全性，減少了部分物質(zhì)資源和人力資源的投資.因此該控制系統(tǒng)有較好的社會及經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的推廣應(yīng)用價值.

圖4 部分觸摸屏監(jiān)控畫面

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The Design of Fuel Steam Boiler Control System Based on PLC

ZHANG Yuan-mei，F(xiàn)U Jian-bin，WANG Zhang-kuan
（South China Nuclear Industry advanced technical schools，Teaching Management and Practical Training Department，Shaoguan，Guangdong，512026，China）

The control system of fuel steam boiler based on PLC control technology and frequency converter technology is mainly composed of programmable logic controller，frequency converter，touch screen，blast motor and pump motor and oil pump motor and other components，which can achieve ignition timing automatic control，water level automatic control，steam pressure automatic control，safety alarm and other major functions of the boiler. The inverter and the application of touch screen technology can control the start，operation，speed of the motor, which can be observed in real time boiler operating status，so as to modify and record the boiler operating parameters.

PLC；inverter；touch-screen；automatic control

TP272

A

1007-5348（2017）06-0036-04

（責(zé)任編輯：李婉）

2017-03-13

張遠(yuǎn)梅（1989-），女，廣東惠州人，廣東省核工業(yè)華南高級技工學(xué)校教務(wù)實訓(xùn)科助理講師；研究方向：電氣自動化.