一種PLC的工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

南 貌

(寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 寶雞 721013)

20世紀(jì)以來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,鍋爐設(shè)備已經(jīng)被應(yīng)用到了現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域,是許多工業(yè)發(fā)展進(jìn)步離不開(kāi)的重要熱工設(shè)備[1-3]。工業(yè)鍋爐作為工業(yè)生產(chǎn)的熱能來(lái)源,整套鍋爐設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中負(fù)責(zé)保持較高效率、穩(wěn)定安全地將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能,然后將產(chǎn)生的熱能通過(guò)轉(zhuǎn)化裝置變?yōu)樗璧哪茉葱螒B(tài)[4]。目前國(guó)內(nèi)社會(huì)的各種資源作為工業(yè)快速發(fā)展的代價(jià)被消耗,環(huán)境資源受到很大的透支,工業(yè)鍋爐是在一次能源轉(zhuǎn)化為利于利用的二次能源過(guò)程中占據(jù)重要地位的動(dòng)力設(shè)備,在為工業(yè)生產(chǎn)提供熱能中有著十分關(guān)鍵的作用[5-6]。為保證工業(yè)鍋爐能夠安全、高效地投入生產(chǎn),減少燃燒過(guò)程中對(duì)環(huán)境資源的破壞,提高資源的利用率,需要引入自動(dòng)化控制技術(shù),提高鍋爐的控制水平,實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)鍋爐燃燒更加科學(xué)合理的控制。本文從這一問(wèn)題出發(fā),基于PLC設(shè)計(jì)了一套工業(yè)鍋爐的自動(dòng)控制系統(tǒng),希望可以促進(jìn)工業(yè)鍋爐進(jìn)一步發(fā)展,提高其整體節(jié)能環(huán)保水平[7-9]。

1 國(guó)內(nèi)工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

直至今日,我國(guó)的主要燃料來(lái)源依舊是煤炭,而工業(yè)鍋爐中以煤炭為燃料的占有近七成的比例。近年來(lái),科技水平的不斷提高,自動(dòng)化控制技術(shù)也逐漸成熟,雖然這一過(guò)程提升了國(guó)內(nèi)工業(yè)鍋爐的控制水平,但是國(guó)內(nèi)以煤炭為燃料的工業(yè)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)一直落后于國(guó)外的同類鍋爐。國(guó)內(nèi)鍋爐主要存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題:第一點(diǎn),鍋爐的實(shí)際運(yùn)行效率較低,雖然在設(shè)計(jì)方案中效率為70%～80%,但是實(shí)際運(yùn)行中一般只有60%左右,相較于國(guó)外近80%的平均效率,有著較大的提升空間;第二點(diǎn),國(guó)內(nèi)大多數(shù)燃煤設(shè)備的廢物排放嚴(yán)重超標(biāo),據(jù)目前對(duì)十八個(gè)重點(diǎn)城市的污染物統(tǒng)計(jì),超過(guò)一半城市的工業(yè)鍋爐所造成的污染要比電站鍋爐嚴(yán)重,成為城市大氣污染的首要來(lái)源;第三點(diǎn),國(guó)內(nèi)處于運(yùn)行狀態(tài)的大部分鍋爐控制技術(shù)落后,這也是工業(yè)鍋爐工作效率普遍低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的主要原因[10]。目前只有一些大型鍋爐采用DCS、FCS等等先進(jìn)技術(shù)來(lái)提高鍋爐的控制水平與安全性,但是中小型鍋爐依據(jù)使用落后的控制儀表、繼電器控制方式,最后鍋爐系統(tǒng)較低的熱效率會(huì)浪費(fèi)大量的環(huán)境資源。這一社會(huì)現(xiàn)象主要是因?yàn)橹行∑髽I(yè)無(wú)法承擔(dān)大型控制系統(tǒng)的昂貴費(fèi)用[11]。

隨著環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題的愈加嚴(yán)重,國(guó)家發(fā)展政策的改變,需要淘汰掉過(guò)去以犧牲環(huán)境,消耗資源來(lái)幫助經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的生產(chǎn)方式,保證工業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)同步進(jìn)行。在這一發(fā)展趨勢(shì)下,工業(yè)鍋爐的自動(dòng)化控制要求被提高,中小企業(yè)只有升級(jí)優(yōu)化現(xiàn)有的控制技術(shù)來(lái)適應(yīng)新時(shí)代前進(jìn)腳步。因此,設(shè)計(jì)一種擁有合理價(jià)格,適用程度高,方便使用與維護(hù)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)非常有必要。

2 工業(yè)鍋爐的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行過(guò)程簡(jiǎn)述

2.1 工業(yè)鍋爐結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)述

工業(yè)鍋爐可以分為鍋爐本體和輔助裝置,本體又可以分為鍋和爐兩個(gè)部分,圖1為燃煤工業(yè)鍋爐的平面結(jié)構(gòu)示意圖。鍋主要負(fù)責(zé)接收燃料燃燒后產(chǎn)生的熱能,然后傳遞給鍋內(nèi)的工質(zhì),由鍋殼、水冷壁、汽水分離裝置等多個(gè)部分組成;爐主要負(fù)責(zé)燃料燃燒,燃燒后熱能儲(chǔ)存在燃燒所產(chǎn)生的蒸汽中,由煤斗、爐膛、引風(fēng)裝置等設(shè)備組成[12-13]。

圖1 工業(yè)鍋爐的整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 工業(yè)鍋爐工作過(guò)程簡(jiǎn)述

燃料進(jìn)入爐膛內(nèi)部后,在燃燒設(shè)備中充分燃燒將內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能,再將產(chǎn)生的熱能通過(guò)熱輻射傳遞給鍋爐的受熱部分,受熱部分將熱量傳遞給水,水被蒸發(fā)為高溫高壓氣體后再通過(guò)轉(zhuǎn)化裝置供工業(yè)生產(chǎn)使用,具體的工作過(guò)程如下:

(1)燃料燃燒:準(zhǔn)備好燃料放入煤斗中后,然后由爐排將其送入爐膛內(nèi)部燃料燃燒,傳送完成,在開(kāi)始燃燒之后,開(kāi)啟引風(fēng)裝置向爐膛內(nèi)部不斷輸送氧氣,在不斷燃燒的過(guò)程中將燃燒完全的燃料移出燃燒層,傳送至壓渣機(jī),經(jīng)過(guò)壓渣機(jī)處理后傳送至渣斗內(nèi)。

(2)熱量轉(zhuǎn)化:鍋爐燃燒燃料產(chǎn)生后的高溫蒸汽,通過(guò)熱輻射的方式與爐膛的水冷壁相互作用,通過(guò)排風(fēng)裝置向上排出蒸汽,到達(dá)水平管道后,與熱能轉(zhuǎn)化裝置產(chǎn)生熱量交換。在降溫的同時(shí)進(jìn)行脫硫及除塵處理,最終將符合標(biāo)準(zhǔn)的煙氣進(jìn)行排放。

(3)加熱汽化:對(duì)加壓泵進(jìn)行加壓,將煙氣中的熱能向加壓完畢的水中傳遞,然后通過(guò)管線進(jìn)行省煤器,再次加熱后與鍋筒中的水一同進(jìn)入下集箱中,通過(guò)汽水分離器將飽和蒸汽與液體分離后將飽和蒸汽傳送至過(guò)熱器中,再加熱后傳送至能量轉(zhuǎn)化裝置投入工業(yè)生產(chǎn)。

3 工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.1 工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)功能分析

根據(jù)目前工業(yè)發(fā)展對(duì)鍋爐的需求,設(shè)計(jì)一款主要由PLC、溫度變送器、變頻器、傳感器、電氣控制柜等等組成的工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng),系統(tǒng)的主要功能如下:①單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)控制模式,根據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)智能調(diào)節(jié)鍋爐設(shè)備的電機(jī)轉(zhuǎn)速,消除人工操作的不穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。②遠(yuǎn)程控制,保證系統(tǒng)可以同時(shí)支持遠(yuǎn)程控制與現(xiàn)場(chǎng)控制,通過(guò)操作臺(tái)和可編程控制器完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。③系統(tǒng)監(jiān)測(cè),在控制系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)處安裝相應(yīng)的傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)不同設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù),然后結(jié)合電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,最后通過(guò)人機(jī)交互平臺(tái)以圖表的形式進(jìn)行展示。④警報(bào)功能,對(duì)工業(yè)鍋爐內(nèi)的可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)部分設(shè)定報(bào)警程序,設(shè)定工作部分的上下限范圍,一旦工作狀態(tài)超出設(shè)定范圍立即發(fā)出報(bào)警信號(hào),自動(dòng)進(jìn)行初步補(bǔ)救措施,提高工業(yè)鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中的安全性。

3.2 工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用西門(mén)子S7-300PLC作為下位機(jī)來(lái)進(jìn)行對(duì)鍋爐燃燒過(guò)程、溫度水位等等的控制。將工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)分為管理層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、數(shù)據(jù)采集與分析層三個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì),分別對(duì)燃料燃燒、補(bǔ)水泵、循環(huán)泵三個(gè)工作過(guò)程進(jìn)行控制,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

管理層即系統(tǒng)的上位機(jī),由主控機(jī)與輔控機(jī)組成。為保證系統(tǒng)對(duì)鍋爐的遠(yuǎn)程控制,在設(shè)定鍋爐運(yùn)行過(guò)程時(shí)采用集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)控的遠(yuǎn)測(cè),使用MPI多點(diǎn)接口連接上位機(jī)與下位機(jī)PLC[14]。用戶可以通過(guò)觸控屏這一交互平臺(tái)完成信息交換來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整或及時(shí)關(guān)閉、開(kāi)啟相應(yīng)設(shè)備。

現(xiàn)場(chǎng)控制層以西門(mén)子S7-300系列的可編程控制器作為核心,接收到上位機(jī)傳來(lái)的控制指令后,由總線連接變頻器和下位機(jī),來(lái)完成對(duì)電機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速調(diào)整和啟?？刂啤?/p>

數(shù)據(jù)采集與分析層主要負(fù)責(zé)對(duì)工業(yè)鍋爐工作數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析及處理[15]。包括變送器采集負(fù)荷容量、回水溫度、蒸汽流量等設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的收集,然后將參數(shù)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)傳送至下位機(jī)PLC將信號(hào)進(jìn)行分析處理。

3.3 系統(tǒng)控制電路

考慮到工業(yè)鍋爐在工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)弱電之間的隔離問(wèn)題,通過(guò)編寫(xiě)PLC程序來(lái)完成電機(jī)、繼電器、接觸器之間的控制操作。在PLC輸出端口與交流電接觸器之間安裝中間繼電器,將這種方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)直接與交流接觸器連接的控制操作方式,提高了控制回路的整體安全性與可靠性,也增強(qiáng)了控制對(duì)外界的抗干擾能力?？刂葡到y(tǒng)可以同時(shí)完成手動(dòng)控制與系統(tǒng)控制,對(duì)電路進(jìn)行過(guò)載、過(guò)電壓、過(guò)電流等保護(hù)。綜合上述所需的功能,所設(shè)計(jì)的控制電路示意圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制電路示意圖

3.4 控制系統(tǒng)的硬件選擇

首先是主機(jī)的選擇,選用雙機(jī)冗余系統(tǒng)作為主機(jī)系統(tǒng),即兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)作為主要硬件裝置,分別為主控機(jī)與輔控機(jī);其次是可編輯控制器的選擇,本文采用西門(mén)子的S7-300系列可編輯控制器,這一系列的控制器由電源、CPU、信號(hào)、接口、功能、通信處理器、導(dǎo)軌等等模塊組成,擁有編輯方式簡(jiǎn)單方便、模塊化工作、強(qiáng)抗干擾能力、指令功能風(fēng)度、維修成本低且維修方便等優(yōu)點(diǎn),很好地滿足了中小企業(yè)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)生產(chǎn)需求;其次,儀表設(shè)備的選擇需要能夠保證控制系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定工作,加強(qiáng)所有的儀表需要進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì);最后是變頻控制室的選擇,本文采用三菱公司的FR系列變頻器,該變頻器具有控制功能強(qiáng)、通訊能力穩(wěn)定、噪聲小等優(yōu)勢(shì)。

3.5 控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

干擾信號(hào)大致分為四種類型:外界電源干擾、外部空間電磁輻射干擾、信號(hào)傳輸線干擾、數(shù)字電路干擾。綜合考慮后采用出以下四種措施抗干擾:

(1)安裝屏蔽裝置,使用有較強(qiáng)性能的電源來(lái)抵御干擾,對(duì)CPU、PLC等進(jìn)行屏蔽,保證電源的穩(wěn)定性、可靠性及安全性。

(2)電纜的選擇,選用具有較強(qiáng)屏蔽性能的電纜來(lái)減少工作電纜之間的電磁干擾。在鋪設(shè)電纜時(shí),然后在電纜鋪設(shè)時(shí),分別對(duì)動(dòng)力線、電源線、控制線進(jìn)行配線,采用雙絞線的鋪設(shè)方式連接,減少系統(tǒng)內(nèi)部工作電纜之間的干擾。

(3)優(yōu)化接地系統(tǒng),接地在有效保證工作人員與工作設(shè)備的安全之外還能抑制外界對(duì)系統(tǒng)的干擾。為減少輸入、輸出端之間的干擾,結(jié)合系統(tǒng)工作信號(hào)頻率,根據(jù)實(shí)際情況采用多點(diǎn)接地或者一點(diǎn)接地方式優(yōu)化接地系統(tǒng),增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)內(nèi)工業(yè)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,未來(lái)會(huì)有更多的中小工業(yè)涌入國(guó)內(nèi)市場(chǎng),本文就中小企業(yè)的生產(chǎn)需求出發(fā),基于PLC技術(shù),分管理層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、數(shù)據(jù)收集與分析層三個(gè)層面設(shè)計(jì)了一種成本較低,適用范圍廣的工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng),在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做了全面優(yōu)化和更新,實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的自動(dòng)化,在系統(tǒng)的安全性和可靠性上有了較大的提升,為中小企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本的同時(shí)滿足了其對(duì)工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的需求。