基于PLC和組態(tài)軟件的沸騰鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

馬林聯(lián)，馬銘澤

（1.貴州理工學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003；2.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟南 250002）

沸騰鍋爐是煤矸石電廠最常見的熱力設(shè)備之一，它的功能是把煤矸石中的炭化學(xué)能，通過燃燒轉(zhuǎn)化成熱能，以蒸汽的形式輸出到汽輪機中。煤矸石屬于廢棄物再利用，因而沸騰鍋爐是一種節(jié)能型鍋爐，目前，中國大多數(shù)沸騰鍋爐都是手動控制或者簡單的DDZ儀表單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能耗較高，控制效果不理想。

1 確定沸騰鍋爐控制方案和控制對象

由于沸騰鍋爐整體系統(tǒng)復(fù)雜，有許多控制量和被控制量，許多參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜，擾動因素又很多，常規(guī)的控制方式不能達到理想的效果，采用PLC作為硬件平臺，運用梯形圖實現(xiàn)PID控制，選擇一種組態(tài)軟件來完成人機界面的設(shè)計，實現(xiàn)基于PLC和組態(tài)軟件配置的沸騰鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)，這樣的控制方式能夠獲得比較理想的控制效果。圖1為沸騰鍋爐基本結(jié)構(gòu)。

圖1 沸騰鍋爐基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of boiling boiler

由圖1可知，沸騰鍋爐基本結(jié)構(gòu)由4部分組成：沸騰鍋爐本體，輔助設(shè)備，安全裝置和控制系統(tǒng)。沸騰鍋爐本體由爐膛、沸騰管、水冷壁管、構(gòu)架和爐墻等主要部件組成，是生產(chǎn)蒸汽的核心部分，輔助設(shè)備主要由上汽包、省煤器、過熱器（有的沸騰鍋爐沒有）等部件組成。

被破碎成微小顆粒的煤矸石由皮帶運輸機運至沸騰鍋爐煤斗，由進煤機送到沸騰鍋爐爐膛，燃燒后經(jīng)排渣機排出。通過控制鼓風(fēng)機和引風(fēng)機電機轉(zhuǎn)速來控制沸騰鍋爐爐膛含氧量，從而控制沸騰鍋爐爐膛煤矸石燃燒，上水泵將經(jīng)過水處理后的軟水通過省煤器把沸騰鍋爐給水溫度提高至100℃左右送至上汽包中，然后由上汽包中的下降管將100℃左右的軟水送至沸騰鍋爐爐膛中的沸騰管及水冷壁管，通過吸收沸騰鍋爐爐膛煤矸石燃燒釋放的熱量，產(chǎn)生蒸汽。沸騰鍋爐控制參數(shù)主要有爐膛壓力、爐膛溫度、上汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、上水溫度、鼓風(fēng)機變頻器、引風(fēng)機變頻器、上水泵變頻器、進煤機變頻器等。

沸騰鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 沸騰鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of boiling boiler control system

根據(jù)沸騰鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)控制要求，上位計算機（PC）選用研華工控機IPC-610H，采用北京亞控科技有限公司的Kingview6.60SP2組態(tài)王軟件作為沸騰鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺。由于組態(tài)王軟件具有通信、設(shè)備連接、設(shè)備配置、構(gòu)造數(shù)據(jù)庫、設(shè)計圖形界面、動畫連接等功能，可以對被監(jiān)控的設(shè)備或系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)進行顯示、記錄、存儲、處理［1］，能滿足各種監(jiān)控要求。PLC（可編程控制器）選用西門子S7-200PLC CPU224為控制器，該控制器自身帶有14路數(shù)字量輸入和10路數(shù)字量輸出，再擴展6臺EM235模擬量輸入輸出模塊、1臺EM223數(shù)字量輸入輸出模塊［2］。

2 硬件設(shè)計

沸騰鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)由上位計算機（PC）及PLC、爐膛壓力傳感器、爐膛溫度傳感器、上汽包水位傳感器、上水溫度傳感器、蒸汽壓力傳感器、蒸汽溫度傳感器［3-6］、鼓風(fēng)機變頻器、引風(fēng)機變頻器、上水泵變頻器、進煤機變頻器等構(gòu)成，PLC硬件模塊由電源模塊、CPU模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊構(gòu)成，上位計算機（PC）與PLC間通過485串行通信接口連接［7］。

2.1 硬件連接

在該控制系統(tǒng)中由傳感器檢測到的溫度信號、壓力信號等均需轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊，先將采集到的溫度信號、壓力信號等轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將其送入到PLC進行處理。

2.2 I/O端口分配

沸騰鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)主要由引風(fēng)機控制程序段、鼓風(fēng)機控制程序段、上水泵控制程序段、進煤機控制程序段、壓力控制程序段、溫度控制程序段、水位控制程序段、讀模擬量A/D控制程序段、寫模擬量D/A控制程序段構(gòu)成，系統(tǒng)輸入輸出點包括爐膛壓力、爐膛溫度、上汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、上水溫度、鼓風(fēng)機頻率、引風(fēng)機頻率、上水泵頻率、進煤機頻率、電源電壓、鼓風(fēng)機電流、引風(fēng)機電流、上水泵電流、進煤機電流等［8-9］。

系統(tǒng)I點PLC地址功能分配如下：I0.0為進煤機手動控制開關(guān)，I0.1為鼓風(fēng)機手動控制開關(guān)，I0.2為引風(fēng)機手動控制開關(guān)，I0.3為上水泵手動控制開關(guān)，I0.4為排渣機手動控制開關(guān)，I0.5為自動/手動，I0.6為系統(tǒng)總停止開關(guān)，I0.7為電動機故障，I1.1為變頻器故障，I1.2為備用，I1.3為備用，AIW0為爐膛壓力，AIW2為爐膛溫度，AIW4為蒸汽溫度，AIW6為蒸汽壓力，AIW8為上水溫度，AIW10為上汽包水位，AIW12為電源電壓，AIW14為引風(fēng)機電流，AIW16為鼓風(fēng)機電流，AIW18為上水泵電流，AIW20為進煤機電流，AIW22為引風(fēng)機轉(zhuǎn)速，AIW24為鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速，AIW26為上水泵轉(zhuǎn)速，AIW28為進煤機轉(zhuǎn)速，AIW30為備用，AIW32為備用，AIW34為備用。

系統(tǒng)O點PLC地址功能分配如下：Q0.0為進煤機變頻器控制KA1，Q0.1為鼓風(fēng)機變頻器控制KA2，Q0.2為引風(fēng)機變頻器控制KA3，Q0.3為上水泵變頻器控制KA4，Q0.4為排渣機控制KM1，Q0.5為系統(tǒng)運行指示，Q0.6為自動工作指示，Q0.7為手動工作指示，Q1.0為系統(tǒng)故障指示，Q1.1為電源故障指示，Q1.2為電動機故障指示，Q2.0為壓力報警指示，Q2.1為溫度報警指示，Q2.2為水位報警指示，Q2.3為備用，Q2.4為備用，Q2.5為備用，AQW0為進煤機轉(zhuǎn)速給定，AQW2為鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速給定，AQW4為引風(fēng)機轉(zhuǎn)速給定，AQW6為上水泵轉(zhuǎn)速給定，AQW8為備用，AQW10為備用。

3 軟件設(shè)計

沸騰鍋爐參數(shù)控制流程圖如圖3所示。

圖3 沸騰鍋爐參數(shù)控制流程圖Fig.3 Flow chart of parameter control for boiling boiler

新型沸騰爐監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括下位機PLC的梯形圖設(shè)計和上位機配置的組態(tài)軟件人機界面設(shè)計。

3.1 下位機PLC控制流程

為了滿足沸騰鍋爐的控制要求，更好地達到沸騰鍋爐爐膛溫度、爐膛壓力、蒸汽溫度、蒸汽壓力、上汽包水位、引風(fēng)機轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速、上水泵轉(zhuǎn)速、進煤機轉(zhuǎn)速等各參數(shù)的預(yù)期控制要求，設(shè)計了PLC的通用控制流程圖，如圖4所示。

圖4 下位機PLC控制流程圖Fig.4 Flow chart of PLC control for lower machine

3.2 上位機組態(tài)軟件人機界面

圖5為沸騰鍋爐上位機組態(tài)軟件人機界面。

圖5 沸騰鍋爐上位機組態(tài)軟件人機界面Fig.5 Human machine interface of boiling boiler upper unit software

沸騰鍋爐控制系統(tǒng)上位機主要實現(xiàn)對沸騰鍋爐主要設(shè)備及各關(guān)鍵參數(shù)的管理，包括實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理、實時控制、定義配置、統(tǒng)計存儲、屏幕顯示、查詢打印、通信等，可以異地實時共享完整的沸騰鍋爐控制系統(tǒng)監(jiān)控信息，可以圖形化或者以圖形方式文本模式顯示沸騰鍋爐各關(guān)鍵參數(shù)信息，查詢各種報表數(shù)據(jù)等任務(wù)，能滿足沸騰鍋爐各種監(jiān)控要求，人機界面友好［10-12］。

4 沸騰鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

某煤矸石電廠5號沸騰鍋爐主要參數(shù)為：額定蒸發(fā)量35 T/h，主蒸汽壓力3.82 MPa，主蒸汽溫度450℃，給水溫度100℃。

改造前該煤矸石電廠5號沸騰鍋爐采用簡單的DDZ儀表單回路調(diào)節(jié)手動控制系統(tǒng)，5號沸騰鍋爐經(jīng)常出現(xiàn)爐堂溫度控制不好，造成沸騰鍋爐熄火或結(jié)焦，爐膛壓力經(jīng)常出現(xiàn)正壓，蒸汽溫度控制不能穩(wěn)定在450℃，蒸汽壓力控制也不能穩(wěn)定在3.82 MPa，上汽包水位控制不穩(wěn)定忽高忽低，引風(fēng)機、鼓風(fēng)機、上水泵、進煤機轉(zhuǎn)速控制不好，造成沸騰鍋爐工作可靠性比較低，影響發(fā)電生產(chǎn)。

為了保證連續(xù)發(fā)電，提高供電質(zhì)量，該煤矸石電廠決定對5號沸騰鍋爐進行1個月的停爐改造，采用該監(jiān)控系統(tǒng)對5號沸騰鍋爐進行監(jiān)控，改造后，5號沸騰鍋爐爐堂溫度、爐膛壓力、蒸汽溫度、蒸汽壓力等關(guān)鍵參數(shù)能穩(wěn)定運行，5號沸騰鍋爐能耗降低，控制效果較好，能滿足發(fā)電生產(chǎn)需求。

5 結(jié)論

基于PLC和組態(tài)軟件在可視化界面中監(jiān)控沸騰鍋爐的各關(guān)鍵參數(shù)，在上位機中可以方便修改沸騰鍋爐控制系統(tǒng)各參數(shù)，并按照沸騰鍋爐控制要求完成相關(guān)監(jiān)測監(jiān)控。

試運行表明，該系統(tǒng)能滿足設(shè)計要求，可以達到對沸騰鍋爐生產(chǎn)過程關(guān)鍵參數(shù)自動監(jiān)測和控制的目的。