基于PLC 的燃氣鍋爐控制系統改造設計

盧偉

寧夏長城水務有限責任公司 寧夏銀川 750001

長城水廠目前使用的鍋爐為常壓燃氣鍋爐，配有利雅路燃燒機一臺，通過接觸器及繼電器控制和SWP-C80 智能數顯控制儀實現鍋爐的啟爐停爐、循環泵及補水泵啟停、鍋爐大小火轉換以及故障報警。為了實現設備自動化控制，保證燃氣鍋爐高效、安全運行，可對燃氣鍋爐目前的控制方式進行改造，采用PLC 自動控制系統實現設備控制[1]。

1 PLC 控制系統優越性分析

大量的工程實踐證明，PLC 控制系統與傳統繼電器控制系統相比有著不可比擬的優越性。一是高可靠性。PLC 用軟件代替繼電器控制系統中大量接線減少了觸點接觸不良的可能性，同時其具有完善的通道保護和多種形式的濾波電路確保其極強的抗干擾性能；二是良好的可擴展性[2]。在控制系統使用的過程中，若設備更新或工藝流程改變，通過修改程序即可方便快速地適應工藝條件的變化，極大程度地縮短了開發周期；三是可維護性強。PLC 自身具有較強的自診斷能力，能及時報告出錯信息，或停止運行等待修復；四是可操作性。實現人機交互，監視設備運行狀態、報警及狀態顯示和進行過程控制，實現參數設置和在線組態；五是PLC 編程簡單。編程使用最多的編程語言是梯形圖，語言形象、直觀，易學易用，PLC 采用軟件方法取代繼電器控制系統中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等器件，使控制柜的安裝及接線很大程度上簡化，同時用戶程序可以進行模擬調試，減少了現場調試的工作量；六是采用模塊化結構、通用性強。PLC 標準化、模塊化，用戶可根據實際需求靈活選擇，無須再進行設計和制作硬件裝置。

2 燃氣鍋爐控制系統工作設計思路

2.1 主要控制功能

（1）投運前檢查。投運前可通過人機界面查看各設備目前狀態，判斷是否具備運行條件。通過檢測各采集信號作為燃氣鍋爐啟動前的啟動保護，主要包括燃燒機無故障、天然氣無泄漏、循環泵無故障、補水泵無故障、燃氣壓力正常、燃氣閥開，只有全部條件都滿足才能對鍋爐進行投運[3]。

（2）啟動控制。鍋爐可實現自動啟動或手動啟動，自動啟動通過設定好的啟動條件來啟爐，手動啟動則根據實際的運行需求在上位機進行啟動。自動和手動啟動信號的互鎖以確保控制系統安全運行。運行過程中通過實時采集運行中的出水溫度，根據設定的大、小火轉換溫度及停爐溫度，實現鍋爐大小火切換及正常停爐[4]。

（3）停爐控制。鍋爐停爐控制包括自動停爐、手動停爐及故障停爐。自動停爐和手動停爐根據所設定的停爐條件或運行需求來完成停爐；故障停爐則是通過對各個狀態點的監測，發現有天然氣泄漏、出水水溫超高溫等情況發生，控制系統發出報警并緊急停爐。

（4）鍋爐聯鎖安全保護功能

循環水泵、補水泵自投備用功能：兩臺循壞水泵、兩臺補水泵分別互為備用/故障自啟動功能，一旦某一水泵發生故障另一臺水泵立即自動投入運行，保證了熱水循壞系統的安全性；

（5）補水箱低水位報警：根據液位繼電器低水位信號發出報警并同時啟動補水泵進行補水，補水完畢后停泵同時停止報警；

（6）聯鎖停爐時，控制系統應按先停燃燒系統，循環水泵正常則根據運行需求來停泵；

（7）采集出水溫度，根據所設定的出水高溫報警值實現高溫報警、根據設定的出水超高溫值實現超高溫停爐；

（8）采集燃氣泄漏信號進行泄漏報警、天然氣管道自動關閥及鍋爐緊急停爐。

（9）實時采集天然氣壓力及流量。

圖1 鍋爐工藝圖

2.2 控制系統硬件部分設計

控制系統由PLC、光纖交換機、UPS、操作員站及工程師站組成。

PLC 主要包括CPU、輸入單元、輸出單元、人機觸摸界面HMI 等PLC 通過接收現場采集單元傳來的數據，控制鍋爐、循環泵、補水泵、閥門等執行機構。PLC 是整個鍋爐控制系統的核心部件，采用施耐德M340 系列可編程邏輯控制器，具有優越的運算能力及通訊能力，可方便地進行數據處理和通訊。CPU 采用BMEP342020，其是PLC 的運算和控制中心，實現邏輯判斷、數學運算、數據傳遞、協調PLC 各部分工作；輸入單元主要采集現場的各種開關量及壓力、溫度、流量等各項數據，現場數據采集系統由溫度傳感器、水位繼電器、燃氣泄露報警器、燃氣壓力及流量計等組成，模擬量輸入模塊采用施耐德BMXAMI0810 模塊，其主要采集傳感器送來的4-20mA 信號，開關量輸入/輸出分別采用施耐德BMXDDI1602 和BMXDDO1602 模塊；人機觸摸界面HMI采用施耐德HarmonyGTO 系列HMIGTO6310，主要用途是為設備運行狀態模擬顯示、設備控制、參數設定和修改、報警信息顯示、密碼保護等。

圖2 控制系統組成

光纖交換機采用西門子SCALANCE 系列光纖交換機接入水廠運行的既有光纖環網，實現數據的傳輸及操作指令的下達。

UPS 采用艾默生US11R 系列服務器，實現系統運行的穩定性，減少故障停機時間。

操作員站及工程師站使用現有設備，操作員站裝有InTouch監控軟件實現設備運行狀態模擬顯示、設備控制、參數設定和修改、報警信息顯示；工程師站裝有編程軟件平臺EcoStruxure ?機器專家、Vijieo-Designer 編程工具軟件及WonderwareInTouch 軟件，實現程序調試及上、下位組態。

執行單元由鍋爐、循環泵、補水泵及閥門等組成。

2.3 控制系統程序編制

PLC 程序利用梯形圖語言及功能塊相結合的方式進行編制，以實現對各個設備的控制及狀態的監測。

3 結語

燃氣鍋護PLC 控制系統的改造設計，將大大提高自動化程度，使得燃氣鍋爐處于良好的運行狀態，提高效率、減少運行能耗，同時也提高了燃氣鍋爐操作及運行的安全性，減輕運行人員工作強度。