基于PLC的燃油蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的設計

張遠梅，付建彬，王章寬

（廣東省核工業(yè)華南高級技工學校教務實訓科，廣東韶關512026）

基于PLC的燃油蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的設計

張遠梅，付建彬，王章寬

（廣東省核工業(yè)華南高級技工學校教務實訓科，廣東韶關512026）

以PLC控制技術及變頻器技術為基礎的燃油蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)，主要由可編程序控制器、變頻器、觸摸屏、鼓風電動機和水泵電動機、油泵電動機等組成，可以實現(xiàn)鍋爐點火時序自動控制、水位自動控制、蒸汽壓力自動控制以及安全報警等主要功能.通過變頻器控制電機的啟動、運行、調速，且運用觸摸屏技術可以實時了解鍋爐運行狀態(tài)，并能修改和記錄鍋爐運行參數(shù).

PLC；變頻器；觸摸屏；自動控制

鍋爐是工業(yè)生產尤為重要的動力設備，早已在化工生產、煉油及發(fā)電等領域中廣泛應用.然而，當前我國的部分企業(yè)中，中小型鍋爐的使用普遍存在調節(jié)手段有限、鍋爐的處理不能隨外界負荷變化及時變化等現(xiàn)象，從而降低了鍋爐的效率，遠遠不能滿足我國經(jīng)濟發(fā)展的需要.

通過對傳統(tǒng)的鍋爐系統(tǒng)進行改進，實現(xiàn)自動控制功能.在沒有人工操作的情況下，該系統(tǒng)能隨時根據(jù)當前情況調整水量、送風量等操作，從而達到維持水位、蒸汽溫度、蒸汽壓力以及負壓的恒定，這樣就可能提高鍋爐的5%以上熱效率.此外還能有效地控制燃燒狀態(tài)，減少空氣污染.

1 鍋爐控制系統(tǒng)構成

通過分析傳統(tǒng)的鍋爐控制系統(tǒng)，結合先進的控制設備和控制技術的應用，本設計選用PLC作為控制中心組成燃油蒸汽鍋爐自動控制系統(tǒng).該系統(tǒng)的主要控制功能體現(xiàn)在鍋爐燃燒過程的控制、爐膛負壓的控制和主要影響鍋爐安全運行的汽包水位的控制等方面，從而實現(xiàn)鍋爐點火時序、水位和蒸汽壓力的自動控制及安全警報等，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性.

該控制系統(tǒng)由PLC模塊、開關量輸入/輸出模塊、觸摸屏模塊及變頻器模塊組成.系統(tǒng)工作原理：通過FX2N-4AD模塊對各個通道模擬量數(shù)據(jù)的檢測，轉化成數(shù)字量，并將汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度的數(shù)據(jù)分別存在數(shù)據(jù)寄存器中.通過對系統(tǒng)當前信息量反饋與模擬輸入量進行比較，由PLC發(fā)出信號改變變頻器頻率.利用變頻器進行對風機、水泵、油泵的啟動、運行、調速，以此來調節(jié)系統(tǒng)蒸汽壓力、蒸汽溫度與氣包水位，并可以利用觸摸屏對鍋爐運行狀態(tài)、各參數(shù)的顯示，其系統(tǒng)結構如圖1所示.

圖1 控制系統(tǒng)結構圖

2 控制系統(tǒng)原理設計

2.1 鍋爐給水過程控制

針對中小型鍋爐系統(tǒng)，由于汽包相對負荷而言其容量較大，水位受到擾動的反應速度較慢，虛假水位現(xiàn)象不嚴重的特點，采用單沖量（只根據(jù)水位變化去改變給水調節(jié)閥的開度）控制方法就可滿足生產上的要求，控制算法常采用PI算法實現(xiàn)無差水位調節(jié).

在此控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的全部信息都是靠壓力變送器來反饋的，反饋回來的壓力信號在PLC的配合下完成當前水泵轉速的調整.即給系統(tǒng)設定一個正常工作水位值，再把系統(tǒng)檢測的水位實際值作為反饋信號與給定值比較，比較值經(jīng)過PID調節(jié)器進行運算，PLC輸出信號到變頻器，通過變頻器控制補水泵的轉速，從而實現(xiàn)恒壓供水的效果.

2.2 蒸汽壓力自動控制

鍋爐蒸汽壓力主要是通過調節(jié)燃油量來控制，以此保證鍋爐蒸汽壓力值保持在恒定數(shù)值，并通過調節(jié)送風量來保證供應燃燒時所需氧氣的量，因此對蒸汽壓力的控制實際上就是對燃燒系統(tǒng)的控制.

2.3 油位自動控制

該系統(tǒng)中，油位自動控制采用了啟停補油泵的方法來控制進油量，從而保持日用油箱的油量.啟動補油泵給日用油箱進油，當油箱中的油到高油位線后停泵，暫停補油.日用油箱停止進油后，隨著油量的消耗，油位將逐步下降，油位降到低油位線時，再次啟動補油泵進油，使油位控制在高低安全油位線內上下變化.

2.4 安全保護過程控制

當鍋爐的某個工作過程處于異常狀態(tài)，危及鍋爐安全運行時，系統(tǒng)將進行必要的操作使鍋爐停轉，同時發(fā)出聲光報警.該系統(tǒng)的保護措施包括：點火失敗保護、氣壓過高保護、氣溫過高保護、危險油位保護、中途熄火保護、電動機的過流保護與短路保護以及PLC的自身保護等措施.

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 PLC系統(tǒng)配置

PLC系統(tǒng)配置包括開關量和模擬量的配置.根據(jù)鍋爐不同的運行狀態(tài)，變頻器的調速運行要求，風機、水泵和油泵的手動、自動兩種不同方式及熱繼電器輸入和聲光報警等進行PLC開關量輸入輸出端口配置.其中模擬量輸入為蒸汽壓力、蒸汽溫度及汽包水位的傳感器檢測信號，模擬量輸出為控制變頻器的電壓信號.PLC系統(tǒng)配置如圖2所示.

3.2 變頻器的配置

圖2 PLC系統(tǒng)配置圖

現(xiàn)代鍋爐控制系統(tǒng)早已應用了變頻調速控制技術.當鍋爐運行時，通過作為執(zhí)行器的變頻器對燃燒系統(tǒng)及爐膛負壓進行控制，對引、鼓風機及爐排電機轉速的控制來實現(xiàn)風量大小的調節(jié)，從而滿足控制要求.因為變頻調速技術可以完成電動機的無級調速操作，并擁有異步電動機調壓調速和串級調速的優(yōu)點，所以將變頻技術運用在鍋爐系統(tǒng)中有很大的優(yōu)越性.

本設計在選用變頻器時，通過對不同型號的三菱變頻器工作性能的對比，并結合本設計的主要要求，對風機、油泵、補水泵進行啟動和運行控制，實現(xiàn)對風機和泵類的無級調速，因此選用FR-F700系列變頻器，型號為FR-F740.

3.3 觸摸屏的配置

鍋爐的監(jiān)控系統(tǒng)一般要完成的功能有：采集功能、監(jiān)督功能、控制功能、工作狀態(tài)功能.觸摸屏是新一代的高科技人機界面產品，適用于現(xiàn)場控制，具有高的可靠性，簡單的編程操作，維護方便等優(yōu)點，可使整個生產的自動化控制的功能得到大大的加強.

基于本控制系統(tǒng)的設計要求，通過對比多種型號的觸摸屏系統(tǒng)后，選用三菱F940 GOT系列的觸摸屏，型號為F940G0T-SWD-C.F940G0T-SWD-C型號觸摸屏是一種具有高級顯示功能、報警處理能力及PLC順序程序編輯功能的通用執(zhí)行器.三菱觸摸屏F940 GOT型觸摸式面板，該系列功能比較齊全，價格低廉，性能穩(wěn)定，可實現(xiàn)過程控制和監(jiān)視.它使得操作狀態(tài)當前過程數(shù)據(jù)和關于連接PLC的故障能夠以圖形顯示，并且使得相關的機械設備或系統(tǒng)能夠被方便地監(jiān)控和操作，可方便機械設備操作，監(jiān)控并提供被監(jiān)控的機械設備或系統(tǒng)的逼真的圖形表現(xiàn).

3.4 控制系統(tǒng)電路設計

燃油蒸汽鍋爐的運行狀態(tài)有三種：啟動狀態(tài)、停止狀態(tài)、出現(xiàn)問題時的暫停和消除問題后自動重新.鍋爐的啟動由鼓風電動機進行送風、油泵電動機進行送油，接通點火變壓器來實現(xiàn).停止燃燒時先關閉噴油泵，最后鼓風電動機停止送風.為了避免電動機長期過載運行時發(fā)熱而燒壞電動機，在主電路中設有熱繼電器進行過載保護，同時裝配熔斷器進行短路保護.一旦發(fā)生短路故障或者電動機長期過載運行，這些電器立即動作，及時切斷電源實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護.

該控制系統(tǒng)的主電路應用三相380 V交流電源，通過熱繼電器以及交流接觸器等低壓元器件控制來實現(xiàn)三相電動機的運行.控制電路中主要以PLC為核心，以及控制按鈕、開關等控制器件，用來實現(xiàn)接觸器及繼電器線圈的得失電狀態(tài)，從而實現(xiàn)對主電路運行狀態(tài)的控制.系統(tǒng)采用220 V交流電源和24 V直流電源兩種電源供電，其中24 V直流電源由PLC提供.

4 系統(tǒng)軟件設計

該燃油蒸汽鍋爐自動控制系統(tǒng)主要由鍋爐點火時序自動控制、蒸汽壓力自動控制及水位自動控制和安全報警等幾大部分組成.

點火及燃燒時序控制主要由預掃風、噴油點火、點火勝利幾部分組成，首先啟動鼓風機且以最大速度、最大的風量進行預掃風，預掃風操作完成后自動進行關小風速操作，隨后開啟燃油泵，以小風量和少噴油的形式進行點火操作.點火勝利之后，首先保持一段時間低火燃燒操作以對鍋爐進行預熱，然后增加風速與油量，使鍋爐轉入高火燃燒，即進入正常燃燒的負荷控制階段.如果在預定時間之內鍋爐出現(xiàn)點火不勝利或者風機失壓、中間熄火等問題時，系統(tǒng)會自動進行停爐保護操作，只有在消除故障并按下恢復按鈕，使時序控制恢復到起動前的狀態(tài)時，鍋爐才能重新啟動.

鍋爐蒸汽壓力P控制要求范圍為0.9 MPa≤P≤1.1 MPa.當蒸汽壓P＜0.9 MPa時，燃燒器先啟動小火，延時時間為0～180 s可以根據(jù)實際情況進行調整.經(jīng)延時啟動大火；當0.9 MPa＜P＜1.1 MPa時，先關閉大火，并讓小火繼續(xù)工作，維持壓力；當P=1.1 MPa時，關停小火；當1.1 MPa＜P＜1.5 MPa時，進行報警及停爐；當P≥1.5 MPa時，關閉補水泵、補油泵及燃燒器操作并進行報警，以及切斷燃燒器的電源.其程序控制流程圖如圖3所示.

水位自動控制是當水位與給定值有偏差時，補水泵工作.若補水泵故障時，關閉小火、大火及補油泵并進行報警操作.安全警報是當油位到達油位下限時，補油泵進行工作.若油位上下限到或者蒸汽壓力超過額定壓力值或者蒸汽溫度超過額定溫度時，發(fā)出聲光報警.通過對觸摸屏的畫面設計，可以實現(xiàn)對燃油蒸汽鍋爐系統(tǒng)的自動監(jiān)控.其部分觸摸屏監(jiān)控畫面如圖4所示.

5 結語

圖3 蒸汽壓力控制程序流程圖

通過對中小型鍋爐使用特性和特點進行分析，設計的以可編程序控制技術、變頻調速技術和觸摸屏技術為基礎的控制系統(tǒng)，對燃油蒸汽鍋爐的運行進行全過程的自動控制和監(jiān)控.該控制系統(tǒng)以三菱FX2N PLC作為控制中心，通過三菱FR-F740變頻器控制電機的各項運作，利用F940 GOT觸摸屏對鍋爐的狀態(tài)和參數(shù)進行實時記錄及操作.

通過該系統(tǒng)實現(xiàn)的控制，不僅能夠提高燃油蒸汽鍋爐的熱效率，還可以有效地控制其燃燒狀態(tài)，減少對環(huán)境的污染，同時也提高了鍋爐操作的穩(wěn)定性和安全性，減少了部分物質資源和人力資源的投資.因此該控制系統(tǒng)有較好的社會及經(jīng)濟效益，具有一定的推廣應用價值.

圖4 部分觸摸屏監(jiān)控畫面

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The Design of Fuel Steam Boiler Control System Based on PLC

ZHANG Yuan-mei，F(xiàn)U Jian-bin，WANG Zhang-kuan
（South China Nuclear Industry advanced technical schools，Teaching Management and Practical Training Department，Shaoguan，Guangdong，512026，China）

The control system of fuel steam boiler based on PLC control technology and frequency converter technology is mainly composed of programmable logic controller，frequency converter，touch screen，blast motor and pump motor and oil pump motor and other components，which can achieve ignition timing automatic control，water level automatic control，steam pressure automatic control，safety alarm and other major functions of the boiler. The inverter and the application of touch screen technology can control the start，operation，speed of the motor, which can be observed in real time boiler operating status，so as to modify and record the boiler operating parameters.

PLC；inverter；touch-screen；automatic control

TP272

A

1007-5348（2017）06-0036-04

（責任編輯：李婉）

2017-03-13

張遠梅（1989-），女，廣東惠州人，廣東省核工業(yè)華南高級技工學校教務實訓科助理講師；研究方向：電氣自動化.