高溫熱水鍋爐自動控制系統(tǒng)的設計

王秀麗 李瑞福

摘要：為了解決當前供熱中存在的供熱效率低、供熱不平衡、污染嚴重、能量浪費等諸多問題，設計開發(fā)了針對供熱行業(yè)的高溫熱水鍋爐自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用德國西門子的可編程控制器（PLC）作為控制核心，操作員站采用工業(yè)控制計算機作為監(jiān)控中心，既實現(xiàn)了分布式邏輯控制和過程控制，又實現(xiàn)了集中監(jiān)視、方便操作的功能。該套系統(tǒng)已成功運用在很多熱電企業(yè)，達到了無人值守、節(jié)能減排的目的。安裝本系統(tǒng)，鍋爐運行由人工手動燒爐發(fā)展到自動控制鍋爐運行，大大提高鍋爐燃燒的熱效率，節(jié)省煤、水、電，改善鍋爐的燃燒工況，降低故障率，改善司爐人員工作條件，促進安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。

關鍵詞：控制器；變送器；數(shù)據(jù)采集；PLC

一、系統(tǒng)概述

某工程有限公司的29MW鏈條爐排熱水鍋爐是一種中小型鍋爐，其燃燒特點是空氣在爐膛前后兩端過剩，在中部不足，手動燒爐時升溫速度慢、易掉火、燃燒火床短。鏈條爐監(jiān)控系統(tǒng)采用先進的控制算法，調(diào)節(jié)鼓風機、引風機和爐排電機轉(zhuǎn)速使其達到合理的配比，控制出水溫度、爐膛煙氣壓力、風煤比三個主要參數(shù)，快速穩(wěn)定地跟隨給定值，改善了手動燒爐時的缺陷。

監(jiān)控系統(tǒng)采用分層、分布式監(jiān)控方式，現(xiàn)場采用德國西門子的可編程控制器（PLC）作為控制核心，操作員站采用工業(yè)控制計算機作為監(jiān)控中心，既實現(xiàn)了分布式邏輯控制和過程控制，又實現(xiàn)了集中監(jiān)視、方便操作的功能。監(jiān)控系統(tǒng)各種實時、分析、計算數(shù)據(jù)庫的建立，為檢修、發(fā)展計劃提供依據(jù)。

鍋爐監(jiān)控控制系統(tǒng)，具備自動控制、遠程手動和就地手動三種控制方式，并且可以實現(xiàn)一種方式向另一種方式的無擾切換。當操作站發(fā)生故障時，可由控制單元無擾動切換控制鍋爐運轉(zhuǎn)，保障鍋爐的正常運行。當計算機監(jiān)控系統(tǒng)完全故障時，可在控制柜轉(zhuǎn)換到手動操作，控制柜上有必要的信號指示。

本系統(tǒng)設計的控制方案使系統(tǒng)操作簡單、安全、易于維護。監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)運行人員在操作站輸入的給定出水溫度值、風煤比、爐膛煙氣壓力，控制給煤量及給風量輔助設備自動聯(lián)動投入工作，系統(tǒng)并對該給定值的合法性進行檢查。在事故、故障情況下能迅速反映，保證鍋爐輔助設備每一控制點能按需要進行操作。

安裝本系統(tǒng)，鍋爐運行由人工手動燒爐發(fā)展到自動控制鍋爐運行，大大提高鍋爐燃燒的熱效率，節(jié)省煤、水、電，改善鍋爐的燃燒工況，降低故障率，改善司爐人員工作條件，促進安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。為保證控制系統(tǒng)的高度可靠性，我們在硬件與軟件方面采取了多種保護措施。

二、系統(tǒng)的構(gòu)成及功能

鍋爐自動控制系統(tǒng)

鍋爐自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)曲線、報表一覽等功能，主要完成控制鍋爐設備的起/停操作及電氣的聯(lián)鎖保護。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1：

系統(tǒng)包括以下三部分：

1、操作站軟件

操作站軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理、生成報表、繪制工藝流程圖，及控制鍋爐設備的起停和電氣聯(lián)動保護功能，具體功能如下：（1）鍋爐實時數(shù)據(jù)監(jiān)測功能（2）工藝流程模擬功能（3）鍋爐設定功能（4）報警功能（5）記錄歷史曲線功能（6）多用戶登錄與事故追憶功能（7）報表和打印功能（8）生產(chǎn)過程的控制功能。

2、通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)把操作站與控制單元聯(lián)系起來，為了保證系統(tǒng)通訊的穩(wěn)定性，我們采用了標準的PROFIBUS-MPI方式通訊。MPI是SIMATIC S7的PLC（可編程控制器）接口，它提供了PLC及其它SIMATIC系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的最簡單、最節(jié)省成本的方法。PROFIBUS-MPI方式通訊保證了整個系統(tǒng)通訊的可靠性和實時性。

3、控制單元

控制單元采用SIEMENS公司的S7-300系列可編程控制器（PLC）。S7-300是模塊化的小型PLC系統(tǒng)，但它能滿足中等性能要求的應用。模塊化、無排風扇結(jié)構(gòu)、易于實現(xiàn)分布、易于掌握等特點使得S7-300成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務的方便又經(jīng)濟的解決方案。

三、控制方式

控制單元系統(tǒng)具有三種控制方式：

就地手動：操作人員可以通過控制柜上的按鈕實現(xiàn)手動控制鍋爐運行的操作，就地手動控制方式作為操作站控制的備用方式，當操作站發(fā)生故障時，在控制柜上的按鈕可直接控制各設備的起/停。

自動控制：通過工作站計算機可以控制PLC完成各種控制功能。只需設定風煤比和爐膛煙氣壓力，選擇以室外溫度（或用戶室內(nèi)溫度）控制還是自定出口溫度控制，控制單元就可以自動完成所有操作，不需人工干預。

遠程手動：由操作站進行控制，操作人員根據(jù)命令和指示信息在操作站上可以直接控制控制單元完成對鍋爐的各項操作。

四、控制方案

1、系統(tǒng)包括三個控制回路：鍋爐出水溫度控制、風煤比控制、爐膛出口煙氣壓力控制。三個回路均可以手動/自動無擾切換，設定參數(shù)可以在線修改。

2、出水溫度與風煤比控制回路如圖2所示：

3、電器系統(tǒng)控制包括：引風機控制、鼓風機控制、爐排電機控制、聲光報警控制、電氣連鎖控制。

遼寧石化職業(yè)技術(shù)學院2018年度學院課題成果（課題批準號LSHYY1737，項目負責人：王秀麗）

作者簡介：

王秀麗（1964-）女，遼寧錦州人，碩士、教授，主要從事自動化及控制工程等的研究；

李瑞福（1964-），男，遼寧錦州人，碩士、副教授，主要從事自動化及控制工程等的研究。