基于PLC的余熱鍋爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

趙亞平

河南商電鋁業(yè)集團，河南 商丘 476000

0 引言

隨著世界能源日益枯竭，各國都越來越關(guān)注節(jié)約能源。節(jié)約能源除采用高能效的新設(shè)備和新工藝外，采用余熱鍋爐回收各類余熱源也是一次能源利用率的重要手段。本設(shè)計通過PLC實現(xiàn)余熱鍋爐的各種控制調(diào)節(jié)功能,汽包水位控制系統(tǒng)采用的是二沖量給水控制系統(tǒng)，它依據(jù)水位，同時參照蒸汽流量的變化控制給水閥，實現(xiàn)汽包水位的動態(tài)平衡，該設(shè)計方案大大節(jié)約了余熱鍋爐供水系統(tǒng)的水耗和電耗，同時也減少了余熱鍋爐供水系統(tǒng)的設(shè)備故障率，進一步完善了余熱鍋爐控制系統(tǒng)的信號報警和事故連鎖功能，保證了余熱鍋爐安全、高效、經(jīng)濟的運行。

1 余熱鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計要求

余熱鍋爐是利用高溫的煙氣、工藝氣、產(chǎn)品的余熱，以產(chǎn)生蒸汽的熱交換備。 該控制系統(tǒng)的設(shè)計要求如下：

1）在中央控制室利用閉路電視系統(tǒng)和工業(yè)電視，實現(xiàn)對汽包水位和汽包壓力的遠(yuǎn)程監(jiān)視；

2）對鍋爐的運行狀態(tài)采用PLC控制系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制；

3）利用PLC的基本單元完成各種動力設(shè)備運行狀態(tài)（如水泵、風(fēng)機的啟/停，執(zhí)行閥的開/關(guān)等）的監(jiān)視，各種動力設(shè)備遠(yuǎn)方操作（啟/停）；

4）利用觸摸屏完成各種控制參數(shù)的輸入、鍋爐運行狀態(tài)和運行參數(shù)（如壓力、水位等）的顯示；

5）用A/D轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)對水位、壓力、溫度等模擬量信號的輸出；

6）利用D/A轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)水泵的控制。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

1）PLC的選型可編程控制器都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)，其功能的實現(xiàn)不僅基于硬件的作用，更要靠軟件的支持，實際上可編程控制器就是一種新型的工業(yè)控制計算機。本設(shè)計采用的是三菱FX2N可編程控制器。

可編程控制器中常用的CPU主要采用通用微處理器、單片機和雙極型位片式微處理器三種類型。

通用微處理器有8080、8086、80286、80386等；單片機有8031、8096等；位片式微處理器的AM2900、AM2903等。FX2N可編程控制器使用的微處理器是16位的8096單片機。

可編程控制器配有兩種存儲器：系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器是用來存放系統(tǒng)管理程序，用只讀存儲器實現(xiàn)，不能修改，可以使用。用戶存儲器是用來存放用戶編制的控制程序，一般用RAM實現(xiàn)或固化到只讀存儲器中。

2）PLC擴展模塊接口電路設(shè)計

作用：這個電路要求連接用戶的輸入輸出設(shè)備以及控制器，將各個輸入進來的信號轉(zhuǎn)變成PLC標(biāo)準(zhǔn)電平供PLC處理，然后將處理好的信號轉(zhuǎn)換成用戶所要去的信號來帶動外部負(fù)載。同時要求輸入輸出接口要有很好的抗干擾能力和匹配能力。

PLC輸入輸出接口的類型包括模擬量輸入輸出接口、開關(guān)量輸入輸出接口（直流、交流及交直流）。外圍設(shè)備：編程器、打印機、演示板等，應(yīng)用編程器可以將用無所需要的程序或者所要修改的程序進行輸入，還可以應(yīng)用編程器來監(jiān)視PLC的工作情況。用戶輸入輸出設(shè)備∶用戶輸入器件有控制開關(guān)和檢測元件，即各種開關(guān)、按鈕、傳感器等；用戶輸出設(shè)備主要有接觸器、電磁閥、指示燈等。

2.2 變頻器控制電路設(shè)計

變頻器的控制電路與主電路相對應(yīng)，為主電路提供所需要的驅(qū)動信號。變頻器可控制電路還包括對電流、電壓、電動機速度進行檢測的信號檢測電路，為變頻器和電動機提供保護的電路，對外接口電路和對數(shù)字操作器的控制電路。

1）變頻器主控制電路 變頻器主控制電路的中心是一個高性能的微處理器，并配以ASIC,PROM,RAM芯片和其他必要的周邊電路。這種處理器可以使用檢測來的信號和接收來的信號以及所給定的參數(shù)設(shè)定值，利用用戶所給定的軟件設(shè)定來進行必要的處理，同時它還可以給變頻器提供可以控制的信號和所想要顯示的信息；

2）檢測電路 變頻器和電動機的工作狀態(tài)可以用檢測電路來檢測出來，檢測出來的信息返回給處理器，由處理器按照給定的算法來進行處理，處理后變成控制喜好和保護信號，從而達(dá)到保護電動機及控制變頻器的作用；

3）保護電路 對于檢測電路得到的各種信號，通過微處理器處理有一部分變成保護信號，連接而成一種保護電路。他可以判斷變頻器有無故障，從而對應(yīng)的進行處理，故障嚴(yán)重的情況下可以停止變頻器的輸出以保護它的各個系統(tǒng)；

4）外部接口電路 變頻器的外部接口電路通常包括以下硬件電路：順序控制指令輸入電路、頻率指令（模擬信號）輸入電路、檢測信號輸出電路以及通信接口電路；

5）數(shù)字操作器 數(shù)字操作器是人機對話的一個窗口。我們可以使用它來進行變頻器的停機及運行的操作，它還可以檢查變頻的工作狀態(tài)，故障情況，以及對系統(tǒng)參數(shù)的修改等；

6）變頻器的保護電路變頻器的保護功能可以分為3類：對變頻器本身的保護、對驅(qū)動電動機的保護和對系統(tǒng)的保護。變頻器本身的保護由微處理器來完成；而對驅(qū)動器和系統(tǒng)的保護，則需要用戶根據(jù)負(fù)載和外部環(huán)境設(shè)置必要的工作條件。

3 結(jié)論

本文實現(xiàn)了基于PLC（三菱FX2N）的余熱鍋爐控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，主要包括熱工信號檢測、PLC控制系統(tǒng)、變頻器控制電路、模擬量輸入輸出模塊等。整個控制系統(tǒng)具有及時性、可靠性、自動化程度高的特點，具有一定的工業(yè)推廣及應(yīng)用價值。

[1]張本舉.煤氣余熱鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].中國計量協(xié)會冶金分會2008年會論文集，2008.

[2]馬永富，楊多佳，蘇拉玉，董園園.AOD轉(zhuǎn)爐自動化控制系統(tǒng)[D].2009年河北省冶金學(xué)會煉鋼—連鑄技術(shù)與學(xué)術(shù)年會論文集，2009.

[3]王春艷，王孝紅，吳姝芹.水泥余熱發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)[D].水泥生產(chǎn)關(guān)鍵檢測及控制技術(shù)研討會論文集，2005.