基于WinCC組態的鍋爐廢氣余熱回收監控系統

劉成偉 聞娜 高勇 吳俊芹 方紅彬 謝青海

摘 要：該文介紹了基于WinCC組態的鍋爐廢氣余熱回收監控系統，余熱利用的現狀，系統的總體設計思路，結合控制要求介紹了系統的組成、硬件配置、程序設計、組態界面的組成及開發過程，通過采用西門子PLC設備與WinCC組態實現對廢氣余熱回收系統的監控。

關鍵詞：PLC 節能 余熱回收 WinCC

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（a）-0066-02

余熱是各種生產過程中未能被充分利用的熱能，如冶金廢氣爐渣余熱、冷卻介質殘存的余熱、廢水余熱、高溫產品余熱等，均為多余、未利用或廢棄的能源。各種余熱資源在消耗資源中占有很大的比例，而很多余熱資源還可以被回收利用。隨著經濟的發展，資源的日趨緊缺，環保越來越被人們所重視，節能標準不斷提高，國家節能政策的陸續出臺，提高能源使用的效率日益重要。其中充分利用余熱成為重要有效的節能措施之一。工業鍋爐是我國目前廣泛使用的重要熱能動力設備，鍋爐的煙氣排放是其能耗高、污染高的主要原因，煙氣攜帶污染物對大氣造成污染，煙氣又帶走了大量的余熱。對鍋爐廢氣進行余熱回收可以降低所排煙氣溫度，充分利用資源，大大提升設備運行效率，同時使煙氣中可凝性污染氣體凝結，可以降低大氣污染。

1 系統總體設計

該系統對于帶有余熱的工業廢氣進行回收處理，回收其剩余能量，起到節能作用，再輔以廢氣處理裝置，同時能進行除塵、減少污染氣體排放，系統利用PLC作為控制器對系統中的煙風系統、汽水系統以及各循環泵、補水泵、電動閥門等設備進行控制，并對運行情況進行實時監控，在監控室的計算機用WinCC組態的監控畫面上進行體現和控制，針對不同的情況對煙氣余熱進行回收，達到節能減排的目的。

1.1 工藝概述

高溫廢氣由進氣口進入煙風系統中，先經過過熱器對飽和蒸汽進行加熱產生過熱蒸汽，然后經過省煤器等熱交換設備，與汽水系統進行熱交換，對流經省煤器的冷水進行預熱，產生的預熱水流入汽包，加熱產生過熱蒸汽供用戶使用，煙氣最終由引風機抽出，經過廢氣處理裝置處理后排入到空氣中；汽水系統主要由汽包、強壓循環系統、給水補水系統組成，包括省煤器、除氧器、強壓循環泵、給水泵、補水泵、電動閥、管道等設備，水源從進水口經過軟水管進入軟水箱，由補水泵組抽出到達除氧器中進行除氧，除氧后由給水泵組抽出進入省煤器，在省煤器中與煙氣系統中的煙氣進行熱交換進入汽包；汽包中的水由強制循環泵組進入強制循環管道，與煙風系統進行熱交換，提高循環水的溫度。

1.2 控制要求

系統以PLC為控制核心進行自動控制，系統處于自動控制狀態時，可以有兩種模式進行控制，一種為通過上位機上的監控畫面進行控制，作為上位機的工控機上運行WinCC組態監控軟件，現場各種參數和各設備的運行狀態由傳感器測得后傳送到PLC中，通過PLC處理后將各種參數值以及設備運行情況傳送到上位機中，在上位機上顯示運行狀態，進行生產過程的實時監控，監控畫面中的操作將命令傳遞給PLC，控制設備的運行；還可以基于PLC中的程序進行自動控制，在這種模式下，可以根據預先設置好的程序在無人操作的情況下用PLC進行全自動控制，用PLC控制系統各電機、泵、電磁閥等設備的運行，并將在上位機顯示各設備運行狀態和參數值，實現系統的全自動控制；部分設備可以在現場的控制柜進行手動操作，系統可根據現場緊急情況，控制閥門、水泵、風機等設備的運行。

在系統運行過程中，要完成的主要任務有：維持余熱回收系統的正常運行，監控并保持適當的氣壓與汽溫；確保汽水系統中各設備給水并維持適當的水位；確保產生的飽和蒸汽的品質；煙風系統出口煙氣的溫度應穩定在合適的范圍內；保證鍋爐密閉，防止漏氣；保證清灰裝置、水泵、風機等設備的正常運行等。

2 系統硬件設計

基于WinCC組態的鍋爐廢氣余熱回收監控系統主要由溫度和壓力測量模塊、PLC控制模塊、上位機用戶組態操作界面及各種執行機構組成。溫度和壓力測量模塊主要通過溫度和壓力傳感器完成煙風系統和汽水系統中各點溫度、壓力數據的采集；傳送到PLC控制模塊進行運算處理后控制閥門、泵等執行機構的運行，同時在上位機組態界面上進行監控，用戶還可以在上位機組態界面上設置各種參數，控制其他模塊的運行。

上位機采用具有較高的性能及可靠性的工控機，可以運行西門子PLC編程軟件和WinCC組態軟件；主控制器采用西門子高性能PLC，型號為CPU414H，具有較強的數據處理能力和通信功能，并配有通信模塊，可以利用PROFIBUS總線同分布式I/O模塊間的信息交換；使用CP443-1模塊作為通訊處理器，連接到工業以太網，與上位機之間的連接，構成工業以太網總線系統。系統共使用水泵8臺，3臺中壓強制循環泵，采用施耐德ATS48C32Q軟啟動器進行啟動；3臺鍋爐給水泵，2臺鍋爐補水泵，既可以在現場進行操作，又可以在中控室進行操作，系統在上位機對生產過程進行監控，對現場的設備進行控制。還設置了多個電動閥：補水電動閥、汽包電動放散閥、外部蒸汽送汽包電動閥、鍋爐卸灰閥等，可以在中控室根據預先設置好的程序進行控制。

3 系統軟件設計

控制系統的軟件設計由上位機監控軟件設計和PLC控制程序設計兩部分。監控軟件采用的是西門子WinCC組態軟件；PLC程序設計采用西門子STEP 7編程軟件，用于PLC配置和編程。

利用西門子WinCC組態軟件對系統監控界面進行開發，繪制系統監控畫面，根據系統控制要求，用WinCC組態軟件提供的圖形、設備控件來繪制監控界面中的余熱回收系統，輔以圖形、動作、實時數據顯示等，組成全系統的監控界面，完成整個余熱回收系統的生產過程的管理和控制，并可顯示煙氣溫度、蒸汽溫度、管道壓力、管道水溫等現場數據，還可以記錄分析實時數據和歷史數據，便于對整個生產過程經驗總結和生產工藝的優化。該系統共設計了主界面、煙氣系統界面、汽水系統界面、吹灰系統界面、水冷系統、歷史數據、信息管理等10余幅界面，在每個界面都設有對應的功能鍵，在監控系統運行的過程中還可以通過相應功能按鍵完成系統部分參數的修改和設備的控制。

4 結語

該系統實現了鍋爐廢氣余熱回收的實時監控與自動控制，提高了設備的自動化程度和易用程度，便于掌握設備運行情況。回收廢氣中的余熱的同時減少廢氣中污染氣體的含量，有效地提高了鍋爐的效率，節能效果顯著，同時也改善了環境。

參考文獻

[1] 西門子（中國）有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子WinCC V6[M].北京航天航空大學出版社，2011.

[2] 廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

[3] 廖常初.西門子工業通信網絡組態編程與故障診斷[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4] 陳麗芬.工業鍋爐的節能措施分析與應用[J].華章，2011（14）：319.

[5] 焦宏杰.工業鍋爐能耗現狀分析與節能措施[J].科技創新與應用，2014（10）：64.