基于可編程邏輯控制器的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 磊

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

隨著現(xiàn)代控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程監(jiān)控體積開始大范圍應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控中，在工業(yè)鍋爐管理工作中引入遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，能夠顯著提高管理者對(duì)于鍋爐的控制精度，同時(shí)也有助于降低管理成本，現(xiàn)已成為提高工業(yè)企業(yè)管理效率的一項(xiàng)重要手段[1-3]。

1 工業(yè)鍋爐系統(tǒng)概述

本次研究針對(duì)某化工廠的2×14MW燃水煤漿熱水鍋爐專門設(shè)計(jì)一套DCS系統(tǒng)。該鍋爐系統(tǒng)由鍋爐主體、供漿及儲(chǔ)漿系統(tǒng)、管道吹掃及沖洗系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、水系統(tǒng)、除塵脫硫系統(tǒng)六個(gè)部分所組成，工作流程如圖1所示。

2 計(jì)算機(jī)控制方案設(shè)計(jì)

本次研究所設(shè)計(jì)的水煤漿鍋爐監(jiān)控DCS系統(tǒng)具體包含三層結(jié)構(gòu)，即工業(yè)現(xiàn)場級(jí)、過程控制級(jí)與過程管理級(jí)。

圖1 水煤漿鍋爐系統(tǒng)工作流程圖

1)工業(yè)現(xiàn)場級(jí)

工業(yè)現(xiàn)場級(jí)設(shè)備具體負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳送與采集，相關(guān)硬件為各種變送器和傳感器，可以將所采集到的非控變量轉(zhuǎn)換為供計(jì)算機(jī)分析的可控變量信號(hào)[4-5]。本次研究所采用的儀器儀表輸出信號(hào)為DC 4～20 mA，以滿足PLC控制模塊在信號(hào)輸入方面的要求。

2)過程控制級(jí)

水煤漿鍋爐監(jiān)控DCS系統(tǒng)過程中控制級(jí)的核心元件為西門子S7-300型PLC可編程序控制器，該元件由接口模塊、CPU模塊、通信模塊、內(nèi)存儲(chǔ)卡等模塊所組成，單個(gè)機(jī)架上最多可以安裝8個(gè)模塊，具有調(diào)試工作量小、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便等特點(diǎn)[6-8]。

3)過程管理級(jí)

過程管理級(jí)主要由操作員站和工程師站兩部分組成，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、控制管理、圖形顯示與指令下達(dá)，其硬件結(jié)構(gòu)與常規(guī)的工業(yè)控制系統(tǒng)相類似。

3 主要控制回路設(shè)計(jì)

3.1 符號(hào)表設(shè)計(jì)

符號(hào)表負(fù)責(zé)對(duì)端口變量和用戶所使用變量之間的映射加以定義，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)變量與用戶自定義符號(hào)之間的綁定[9-10]，水煤漿鍋爐監(jiān)控DCS系統(tǒng)的部分符號(hào)表如表1所示。符號(hào)表的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)盡量直觀簡潔，最大程度上提高程序的運(yùn)行效率。

表1 部分變量符號(hào)定義

在表1中，地址代表著用戶定義的變量名稱所在的寄存器物理地址，符號(hào)代表用戶定義的變量名稱。在編號(hào)PLC控制程序之前要建立一套完成的符號(hào)表，使寄存器與用戶自定義符號(hào)之間建立映射關(guān)系，便于接下來的程序編寫[11]。

3.2 程序塊

程序塊由主程序和子程序兩部分構(gòu)成，二者之間可以相互調(diào)用，并且其中所有的程序都是并行的[12]。水煤漿鍋爐監(jiān)控DCS系統(tǒng)的項(xiàng)目程序架構(gòu)如圖2所示，主程序如圖3所示。

圖2 程序塊結(jié)構(gòu)

本次研究通過梯形圖來編寫主程序，SM0.0在PLC中代表特殊標(biāo)志繼電器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象與PLC之間的信息傳輸。在程序運(yùn)行過程中，SM0.0的狀態(tài)一直為ON，具體負(fù)責(zé)激活鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、水泵、爐排、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、報(bào)警等六個(gè)子程序。

圖3 主程序

3.3 子程序

1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序

水煤漿鍋爐監(jiān)控DCS系統(tǒng)中的大多數(shù)模擬量需要以電壓電流的形式反饋給PLC，以溫度轉(zhuǎn)換為例，熱電阻傳感器在獲取溫度輸入值后需要通過PLC將該輸入值轉(zhuǎn)換為可供計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)，即將模塊量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在此基礎(chǔ)上利用計(jì)算機(jī)的邏輯計(jì)算能力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過處理的溫度指標(biāo)數(shù)據(jù)可直接用于對(duì)鍋爐系統(tǒng)中的各項(xiàng)設(shè)備實(shí)施控制[13]。本次研究所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序如圖4所示。

2)控制程序

控制程序具體涉及護(hù)排、風(fēng)量、水位等方面的控制，本次研究以鼓風(fēng)控制為例來設(shè)計(jì)控制程序，通過針對(duì)爐膛負(fù)壓的控制來實(shí)現(xiàn)針對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)，即根據(jù)壓力測量值來對(duì)引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在水煤漿鍋爐監(jiān)控DCS系統(tǒng)運(yùn)行過程中，壓力傳感器會(huì)向PLC上傳壓力信號(hào)，PLC將壓力模塊信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后向其發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過PID算法對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而精確控制爐膛壓力。所使用的PID控制模塊如表2所示，鼓風(fēng)機(jī)的控制程序如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序

表2 PID功能模塊

圖5 鼓風(fēng)機(jī)控制程序

4 結(jié) 語

本文詳細(xì)闡述了基于可編程邏輯控制器的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，并以鼓風(fēng)機(jī)控制為例介紹了控制程度的具體設(shè)計(jì)方案。在未來的研究工作中，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)該系統(tǒng)中PID算法的應(yīng)用研究，不斷提升工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平。