PLC控制在煤礦鍋爐系統中的應用

潘應仲

（淮南煤炭勘察設計院，安徽淮南232001）

近年來，在我國采煤工藝不斷發展、煤礦產量大幅提高的情況下，年產量在千萬噸左右的現代化大型煤礦不斷建成。作為煤礦企業一個很重要車間場所的鍋爐房，其運行的可靠性和安全性，直接關系著全礦的安全生產和經濟效益。但由于大多數煤礦均地處偏僻，工況惡劣、水堿大、供熱時間長等特點，對供熱系統的要求極高。傳統的儀表控制系統由于抗干擾能力弱、可靠性差及人力工作量大，難以滿足大型鍋爐的控制要求。而可編程邏輯控制器（PLC）的抗干擾能力強、精度高與可靠性好的特點，在煤礦鍋爐控制系統中的應用具有諸多優點。

1 硬件系統組成

（1）鍋爐本體設備。淮南礦業集團潘北煤礦是一家現代化大型煤礦，設計生產能力為400萬t/年。該礦鍋爐房目前安裝有2臺10 t蒸汽鍋爐和2臺4 t蒸汽鍋爐，型號分別為DZL10－1.25－AI和SZL4－1.25－AII。

（2）鍋爐房公共設備。主要有給水泵、水處理裝置、引風機、鼓風機、鍋爐本體控制臺、鼓引風變頻柜、鍋爐給水變頻柜、鍋爐系統檢測器件等。

（3）控制系統硬件配置及網絡結構。控制系統硬件主要由兩大部分組成，一是可編程邏輯控制器，即下位機；二是操作站，即上位機。

每臺鍋爐配備1臺操作站（上位機），公共設備單配1臺操作站；2臺10 t鍋爐共用2套PLC，相互之間互為冗余備用；2臺4 t鍋爐共用2套PLC，之間也互為冗余備用；另外給公共設備單配1臺PLC。

在本鍋爐控制系統中，下位機使用美國AB公司Control-Logix5000系列PLC，其顯著優點是先進的系統構建理念，高性能的硬件，以及功能強大的軟件，而組成的一個可實現多種性質控制任務的復雜多任務控制平臺，能夠提供單一的集成化控制架構，能夠實現離散、傳動、運動、過程控制任務。

上位機采用DELL商用機（配置為：PIV 2.06G 512 M 80G 52 X光驅）。

控制系統硬件網絡結構圖如圖1。

圖1 鍋爐房計算機監控網絡結構圖

2 軟件配置

上位機操作系統為Windows 2000，監控組態軟件采用RSView7.20。此組態軟件能夠支持多種通訊方式和通訊協議，使系統具有良好的開放性，易于升級和開發。同時能夠提供強大的標準接口。RSView建立了象DDE、OLE等在Windows程序間交換數據的標準接口。

3 通訊方式

上位機和下位機之間采用適用于分散型控制系統的Ethnet/IP通訊。該通訊方式具有快速的通訊響應時間。數據傳輸率可達到為12Mbit/s。傳輸媒介采用5類雙絞線，具有較高的抗干擾特性。

4 控制系統功能

（1）實時監測鍋爐主汽溫度、壓力、爐膛溫度、負壓、排煙溫度、煙壓，給水壓力、汽包水位、給水流量、蒸汽流量以及中間水箱、軟化水箱、除氧水箱水位等有關參數。

（2）鍋爐在自動控制時，由PLC控制，嚴格按控制程序進行，并對鍋爐正常切換和故障切換進行控制和操作指導。鍋爐在自動運行條件下執行PID自調節。

（3）在操作站顯示鍋爐燃燒及汽水系統動態流程圖、鍋爐輔機以及其他公用設備控制流程圖、供電系統圖、工藝參數表、電氣參數、設備運行狀態（工作、停止、故障）以及報警參數表等。

（4）對于重要的工藝參數如爐膛負壓和溫度、汽包水位、主汽溫度和壓力、蒸汽流量和給水流量、排煙溫度等自動建立數據庫。

（5）按預先編制的控制程序，對鍋爐輔機以及其他公用設備進行控制和操作指導。

（6）當鍋爐發生故障時，利用運行記錄的曲線對故障進行分析和判斷。同時，對整個系統進行維護、修改，使系統可在線運行、在線修改，維護極為方便。

（7）與礦井綜合自動化系統聯網：將鍋爐房各設備運行的狀況和有關的熱工參數通過以太網實時地傳送至礦井調度中心。

5 控制方式

（1）鍋爐運行參數實時監視，主要參數單獨儀表顯示在操作臺上。

（2）次要數據采用巡檢的方式顯示，鼓風、引風、爐排實行遠程手動調節。

（3）給水控制回路實行PID自動運行，手/自動無擾動切換。

（4）汽包水位、汽包壓力參數參與報警連鎖停爐控制；給水流量、蒸汽流量能顯示瞬時值和累計值。

（5）鍋爐水處理系統及輔助設備設一套控制器，對給水壓力實行行遠程手動調節。

（6）對蒸汽母管壓力、流量進行顯示、累計；除氧水箱、中間水箱、軟水箱進行顯示、報警；所有的輔助設備啟停和運行顯示。

6 鍋爐系統關鍵運行參數控制方案

（1）汽包水位三沖量控制。汽包水位的穩定，影響到鍋爐安全、高效、經濟等各個方面，所以必須采取行之有效的方法，來控制汽包水位的穩定。三沖量控制是最優化的控制方式，反映了給水量與供汽量的動態變化，屬于典型的串級加前饋控制方式。給水流量，作為副調回路，克服給水流量變化擾動；汽包水位，作為主調回路；蒸汽流量，作為前饋量克服虛假水位現象，使水位達到很高的控制精度。本系統應用串級前饋三沖量控制算法，在鍋爐負荷平穩的情況下，控制穩態誤差≤±10 mm。控制原理如圖2。

（2）恒壓供水控制。由于礦用鍋爐用汽量非常不平衡，高峰和低谷供汽流量差異很大，所以本鍋爐系統在供水環節采用1臺變頻泵，對供水壓力進行PID調節，使供水壓力隨供汽壓力大小波動。

圖2 鍋爐汽包水位三沖量控制框圖

（3）汽壓-燃燒調節。蒸汽壓力通過調節爐排轉速、鼓風量實現控制要求，所以在構建主汽壓力-燃燒控制方案時，將汽壓力檢測值和設定值經過比較，其偏差作為控制器的輸入信號，控制器進行PID運算后，控制鼓風變頻器頻率和爐排轉速。為了壓力的穩定，系統引入蒸汽流量作為前饋信號，更為及時操縱爐排和變頻器。控制原理如圖3。

圖3 控制原理圖

7 結束語

經過實踐應用證明，由PLC控制技術結合變頻傳動技術構成的大型鍋爐控制系統，具有控制精度高、動態響應快、計量準確、穩定性好等諸多優點，確保鍋爐系統安全可靠運行，特別在現代化大型煤礦鍋爐控制系統中，其安全性、經濟性和實用性都具有更優越的特點。

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