基于PLC的鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

王淑杰

摘要：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展迅速，我國的各行各業(yè)的發(fā)展也有了很大的創(chuàng)新。鍋爐供暖系統(tǒng)的自動(dòng)化控制可以有效地提高煤炭燃燒效率，降低資源消耗、減少大氣污染。給風(fēng)給煤量比值是影響成本和大氣污染的重要因素，本文針對(duì)如何快速、可靠地尋找到最佳比值的問題進(jìn)行了研究，并在實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下進(jìn)行溫度穩(wěn)定性和燃燒率的測試。

關(guān)鍵詞：PLC;鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì);研究

引言

目前我國大氣污染嚴(yán)重，其中很多污染是由使用燃煤供暖造成的。為解決這一突出問題，我國各地特別是華北、東北和西北等地區(qū)相繼出臺(tái)了用電鍋爐代替燃煤鍋爐供暖的政策。為響應(yīng)這一號(hào)召，應(yīng)某環(huán)境保護(hù)局的需求，設(shè)計(jì)了一套供熱鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)供暖功能。

1供熱鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)配置分析

供熱系統(tǒng)的控制部分主要包括上位機(jī)、下位機(jī)，兩者是使用ProfiNet進(jìn)行通訊的。上位機(jī)是給操作者使用的，操作者可以通過西門子WINCC由組態(tài)軟件對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)供暖系統(tǒng)的給風(fēng)/給煤量設(shè)置、溫度監(jiān)控與控制、報(bào)警跟蹤及檢查、復(fù)位等操作;下位機(jī)使用的是S7-1200系列PLC，訂貨號(hào)為：6ES7 215-1HG40-0XB0，其作用是接收上位機(jī)指令傳遞給供暖系統(tǒng)、采集供暖系統(tǒng)現(xiàn)場信息傳遞給上位機(jī)，配合16點(diǎn)數(shù)字量輸入/輸出模塊訂貨號(hào)分別為：6ES7 221-1BH32-0XB0、6ES7 222-1HH32-0XB0、8路模擬量輸入/4路輸出模塊訂貨號(hào)分別為：6ES7 231-4HF32-0XB0、6ES7 232-4HD32-0XB0、相關(guān)通訊接口ProfiNet接口、RS422/485接口等模塊，使用總線方式進(jìn)行與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

2鍋爐的構(gòu)成，現(xiàn)狀以及發(fā)展前景

2.1 鍋爐的構(gòu)成

（1）氣鍋：上下鍋爐和沸水管構(gòu)成。外部的煙氣對(duì)水進(jìn)行加熱，從而引發(fā)管簇內(nèi)的自然循環(huán)流動(dòng)，汽化后產(chǎn)生的飽和蒸汽聚集在鍋里，下鍋筒連接著沸水管，同時(shí)也有蓄水的作用。（2）爐膛：相當(dāng)于燃燒車間，送入的燃料在此燃燒后釋放能量。送入燃燒所需的空氣后，傳送設(shè)備把燃料送入爐膛，經(jīng)過內(nèi)部燃燒過后，所剩的灰渣會(huì)被送到除灰口，落入灰斗。整個(gè)過程產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，?jīng)過鍋爐的每個(gè)受熱面，將熱量傳遞給水后，高溫?zé)煔饨?jīng)由煙囪排出。（3）過熱器和省煤器：對(duì)爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生的飽和蒸汽進(jìn)行再次加熱的過熱裝置是過熱器。在爐膛內(nèi)產(chǎn)生的煙氣中的余熱進(jìn)行再次利用，對(duì)設(shè)備內(nèi)的給水進(jìn)行再次加熱，從而降低排放的煙氣的溫度的加熱器是省煤器。兩裝置都屬于內(nèi)部加熱器（4）此設(shè)備是爐膛內(nèi)產(chǎn)生的煙氣中的余熱進(jìn)行再次利用，對(duì)設(shè)備內(nèi)的給水進(jìn)行再次加熱，從而降低排放的煙氣的溫度的加熱器。（5）空氣預(yù)熱裝置：對(duì)離開省煤器的煙氣的余熱進(jìn)行再次利用，對(duì)燃料燃燒時(shí)所需的空氣進(jìn)行加熱處理的換熱裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中，大中型鍋爐一般都設(shè)有空氣預(yù)熱器。

2.2 鍋爐技術(shù)的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的鍋爐設(shè)備主要以繼電器—接觸器來進(jìn)行控制，其中給水，鼓風(fēng)，引風(fēng)等過程主要都是以人工手動(dòng)的形式進(jìn)行操作，由輸入電路，輸出電路，控制電路和生產(chǎn)現(xiàn)場這幾個(gè)部分構(gòu)成。在過去的生產(chǎn)活動(dòng)中，人工控制是主要的操作手段，但社會(huì)的不斷進(jìn)步后對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模提出了更高的要求，這種老式的控制手段已無法適應(yīng)現(xiàn)階段對(duì)工藝的高產(chǎn)量，高精確度，高自動(dòng)化等要求，此時(shí)全過程高智能化自動(dòng)化控制已是勢在必行。

2.3 PLC技術(shù)在鍋爐上的發(fā)展前景

經(jīng)濟(jì)角度上來說，自動(dòng)化控制，能源消耗低，哪個(gè)部分出問題直接反應(yīng)在操作系統(tǒng)中，可以減少反復(fù)排查的時(shí)間，降低產(chǎn)品維護(hù)成本。技術(shù)層面上來說，整個(gè)系統(tǒng)都采用高質(zhì)量和高效率的自動(dòng)化檢測部件，電子技術(shù)對(duì)其每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精確化控制，優(yōu)化每個(gè)調(diào)節(jié)量。安全性方面來說，整個(gè)鍋爐系統(tǒng)的各個(gè)部分都能進(jìn)行獨(dú)立的運(yùn)行，在遇到緊急狀況時(shí)可以單獨(dú)停止故障部件進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)人員的安全操作得到了保障。

3優(yōu)化措施分析

3.1硬件系統(tǒng)具體實(shí)施

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件部分主要是下位機(jī)采用PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、控制和傳輸，通過水位傳感器的工作實(shí)現(xiàn)鍋爐內(nèi)水位高低的測定;分別安裝兩個(gè)氣壓傳感器，其中一個(gè)用于檢測鍋爐煤氣罐的氣壓，另一個(gè)用于檢測鍋爐內(nèi)的蒸汽壓力;兩個(gè)流量傳感器，一個(gè)用于檢測進(jìn)氣量，一個(gè)用于檢測出氣量;用于檢測流入流量的兩個(gè)電動(dòng)閥，一個(gè)用于控制蒸汽排出速度，一個(gè)用于控制氣體排出速度一個(gè)用于檢測鍋爐內(nèi)的溫度PT100;一個(gè)檢測燃燒狀況的火焰?zhèn)鞲衅?。整個(gè)鍋爐的工作過程需要通過三相異步磁力水泵實(shí)現(xiàn)水箱內(nèi)的水順利流向鍋爐內(nèi)部，當(dāng)鍋爐內(nèi)的水位傳感器檢測到鍋爐內(nèi)的水位達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)后，打開煤氣閥，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，爐膛內(nèi)電子打火，啟動(dòng)加熱裝置進(jìn)行加熱，同時(shí)溫度傳感器隨時(shí)檢測爐內(nèi)溫度值，由一個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測燃燒狀態(tài)，調(diào)節(jié)燃燒狀況，控制溫度值，當(dāng)水位過低時(shí)要啟動(dòng)閥門開始注水，壓力和溫度過高時(shí)打開閥門排放蒸汽。系統(tǒng)的現(xiàn)場工作站采用了西門子公司的S7-1200系列PLC，它可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，加入各種模塊后可進(jìn)行模擬量的輸入輸出、開關(guān)量的輸入輸出，主要用來采集鍋爐的現(xiàn)場參數(shù)值、數(shù)據(jù)的傳輸以及現(xiàn)場的控制，既有傳感器的數(shù)據(jù)輸入，同時(shí)還有模擬量控制信號(hào)的數(shù)據(jù)輸出，這樣才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的回路控制以及批量順序控制或邏輯控制。

3.2操作員站（上位操作系統(tǒng)）

系統(tǒng)主要采用西門子WINCC上位軟件系統(tǒng)建立的工程師站和操作員站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和人進(jìn)行交互的一個(gè)人機(jī)界面，主要功能在這個(gè)界面上完成監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置、系統(tǒng)運(yùn)行過程的設(shè)置以及系統(tǒng)控制過程的設(shè)置。系統(tǒng)操作員在操作站可以了解到的信息主要有：系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況、系統(tǒng)各個(gè)傳感器測得的數(shù)據(jù)以及相關(guān)的值是否在規(guī)定范圍內(nèi)、系統(tǒng)運(yùn)行過程中是否出現(xiàn)緊急狀況等，這個(gè)界面實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制工藝過程，可以保證整個(gè)鍋爐的生產(chǎn)安全、可靠的進(jìn)行。人機(jī)界面上顯示的內(nèi)容主要有：（1）利用模擬圖形來表示現(xiàn)場生產(chǎn)裝置和運(yùn)行方向，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的圖形模擬，在圖中標(biāo)注生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)、控制參數(shù)和生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。（2）當(dāng)傳感器檢測的數(shù)值超過設(shè)置的閾值范圍，會(huì)出現(xiàn)報(bào)警窗口，里面出現(xiàn)生產(chǎn)過程異常的數(shù)據(jù)、狀態(tài)，以便操作人員即使處理，避免事故的產(chǎn)生。（3）實(shí)時(shí)趨勢曲線顯示：系統(tǒng)可以長時(shí)間工作，將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，因此可在趨勢曲線部分繪制生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)的歷史曲線及當(dāng)前的變化趨勢，以便于操作人員了解鍋爐的生產(chǎn)狀態(tài)，幫助其分析生產(chǎn)狀態(tài)是否正常。

3.3鍋爐汽包水位的控制

在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中，汽包水位主要根據(jù)給水流量的控制決定的。于是影響到汽包水位的因素可以歸類為四個(gè)方面：其一，供水過程的相關(guān)因素干擾。主要涉及供水壓力的變化方式以及控制閥的開合狀況等系列因素。其二，鍋爐蒸汽供應(yīng)的變化。這一影響因素主要涉及到蒸汽管道的阻力變化以及鍋爐設(shè)備的負(fù)荷變化過程。其三，鍋爐燃料供應(yīng)的變化。這一影響因素主要涉及到燃料供應(yīng)量的變化以及燃料本身的性質(zhì)、燃料供應(yīng)的壓力變化以及燃料自身的含水量等。其四，鍋爐內(nèi)部壓力的變化，這一影響因素主要根據(jù)汽包內(nèi)部蒸汽以及蒸汽系統(tǒng)自身在高壓下的“自冷凝”和在減壓下的“自蒸發(fā)”影響水位。由于蒸汽負(fù)荷的擾動(dòng)具有可測量但卻無法控制的特點(diǎn)，可以將蒸汽流量和汽包水位進(jìn)行組合，前饋信號(hào)用作前饋信號(hào)以形成前饋-反饋控制系統(tǒng)。結(jié)合給水流量的擾動(dòng)和受控對(duì)象的非線性，給水流量被納入系統(tǒng)，從而形成三沖程的水流量控制系統(tǒng)。這一水流量控制系統(tǒng)主要包括給水流量、蒸汽流量以及滾筒水位的控制。起到主要控制作用的是滾筒水位的控制，也稱主控制變量。輔助控制變量是給水流量，主要和次要控制變量形成連級(jí)控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，同時(shí)該級(jí)聯(lián)控制系統(tǒng)形成進(jìn)給流量的前反饋信號(hào)，進(jìn)而構(gòu)成前饋以及級(jí)聯(lián)反饋控制系統(tǒng)。

結(jié)語

運(yùn)用西門子本地控制的PLC系統(tǒng)和上位WINCC軟件開發(fā)的系統(tǒng)很好地運(yùn)用到我國的供熱項(xiàng)目中，為用戶提供了方便的查詢、操作等功能，獲得了用戶的好評(píng)。

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