基于PLC和組態軟件的沸騰鍋爐監控系統設計

馬林聯，馬銘澤

（1.貴州理工學院礦業工程學院，貴州 貴陽 550003；2.山東大學控制科學與工程學院，山東 濟南 250002）

沸騰鍋爐是煤矸石電廠最常見的熱力設備之一，它的功能是把煤矸石中的炭化學能，通過燃燒轉化成熱能，以蒸汽的形式輸出到汽輪機中。煤矸石屬于廢棄物再利用，因而沸騰鍋爐是一種節能型鍋爐，目前，中國大多數沸騰鍋爐都是手動控制或者簡單的DDZ儀表單回路調節系統，能耗較高，控制效果不理想。

1 確定沸騰鍋爐控制方案和控制對象

由于沸騰鍋爐整體系統復雜，有許多控制量和被控制量，許多參數之間關系復雜，擾動因素又很多，常規的控制方式不能達到理想的效果，采用PLC作為硬件平臺，運用梯形圖實現PID控制，選擇一種組態軟件來完成人機界面的設計，實現基于PLC和組態軟件配置的沸騰鍋爐監控系統，這樣的控制方式能夠獲得比較理想的控制效果。圖1為沸騰鍋爐基本結構。

圖1 沸騰鍋爐基本結構Fig.1 Basic structure of boiling boiler

由圖1可知，沸騰鍋爐基本結構由4部分組成：沸騰鍋爐本體，輔助設備，安全裝置和控制系統。沸騰鍋爐本體由爐膛、沸騰管、水冷壁管、構架和爐墻等主要部件組成，是生產蒸汽的核心部分，輔助設備主要由上汽包、省煤器、過熱器（有的沸騰鍋爐沒有）等部件組成。

被破碎成微小顆粒的煤矸石由皮帶運輸機運至沸騰鍋爐煤斗，由進煤機送到沸騰鍋爐爐膛，燃燒后經排渣機排出。通過控制鼓風機和引風機電機轉速來控制沸騰鍋爐爐膛含氧量，從而控制沸騰鍋爐爐膛煤矸石燃燒，上水泵將經過水處理后的軟水通過省煤器把沸騰鍋爐給水溫度提高至100℃左右送至上汽包中，然后由上汽包中的下降管將100℃左右的軟水送至沸騰鍋爐爐膛中的沸騰管及水冷壁管，通過吸收沸騰鍋爐爐膛煤矸石燃燒釋放的熱量，產生蒸汽。沸騰鍋爐控制參數主要有爐膛壓力、爐膛溫度、上汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、上水溫度、鼓風機變頻器、引風機變頻器、上水泵變頻器、進煤機變頻器等。

沸騰鍋爐控制系統結構如圖2所示。

圖2 沸騰鍋爐控制系統結構圖Fig.2 Structure chart of boiling boiler control system

根據沸騰鍋爐監控系統控制要求，上位計算機（PC）選用研華工控機IPC-610H，采用北京亞控科技有限公司的Kingview6.60SP2組態王軟件作為沸騰鍋爐監控系統軟件平臺。由于組態王軟件具有通信、設備連接、設備配置、構造數據庫、設計圖形界面、動畫連接等功能，可以對被監控的設備或系統中的實時數據進行顯示、記錄、存儲、處理［1］，能滿足各種監控要求。PLC（可編程控制器）選用西門子S7-200PLC CPU224為控制器，該控制器自身帶有14路數字量輸入和10路數字量輸出，再擴展6臺EM235模擬量輸入輸出模塊、1臺EM223數字量輸入輸出模塊［2］。

2 硬件設計

沸騰鍋爐監控系統由上位計算機（PC）及PLC、爐膛壓力傳感器、爐膛溫度傳感器、上汽包水位傳感器、上水溫度傳感器、蒸汽壓力傳感器、蒸汽溫度傳感器［3-6］、鼓風機變頻器、引風機變頻器、上水泵變頻器、進煤機變頻器等構成，PLC硬件模塊由電源模塊、CPU模塊、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊構成，上位計算機（PC）與PLC間通過485串行通信接口連接［7］。

2.1 硬件連接

在該控制系統中由傳感器檢測到的溫度信號、壓力信號等均需轉換為4～20 mA電流信號，系統需要配置模擬量輸入模塊，先將采集到的溫度信號、壓力信號等轉換為數字信號，然后將其送入到PLC進行處理。

2.2 I/O端口分配

沸騰鍋爐監控系統主要由引風機控制程序段、鼓風機控制程序段、上水泵控制程序段、進煤機控制程序段、壓力控制程序段、溫度控制程序段、水位控制程序段、讀模擬量A/D控制程序段、寫模擬量D/A控制程序段構成，系統輸入輸出點包括爐膛壓力、爐膛溫度、上汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、上水溫度、鼓風機頻率、引風機頻率、上水泵頻率、進煤機頻率、電源電壓、鼓風機電流、引風機電流、上水泵電流、進煤機電流等［8-9］。

系統I點PLC地址功能分配如下：I0.0為進煤機手動控制開關，I0.1為鼓風機手動控制開關，I0.2為引風機手動控制開關，I0.3為上水泵手動控制開關，I0.4為排渣機手動控制開關，I0.5為自動/手動，I0.6為系統總停止開關，I0.7為電動機故障，I1.1為變頻器故障，I1.2為備用，I1.3為備用，AIW0為爐膛壓力，AIW2為爐膛溫度，AIW4為蒸汽溫度，AIW6為蒸汽壓力，AIW8為上水溫度，AIW10為上汽包水位，AIW12為電源電壓，AIW14為引風機電流，AIW16為鼓風機電流，AIW18為上水泵電流，AIW20為進煤機電流，AIW22為引風機轉速，AIW24為鼓風機轉速，AIW26為上水泵轉速，AIW28為進煤機轉速，AIW30為備用，AIW32為備用，AIW34為備用。

系統O點PLC地址功能分配如下：Q0.0為進煤機變頻器控制KA1，Q0.1為鼓風機變頻器控制KA2，Q0.2為引風機變頻器控制KA3，Q0.3為上水泵變頻器控制KA4，Q0.4為排渣機控制KM1，Q0.5為系統運行指示，Q0.6為自動工作指示，Q0.7為手動工作指示，Q1.0為系統故障指示，Q1.1為電源故障指示，Q1.2為電動機故障指示，Q2.0為壓力報警指示，Q2.1為溫度報警指示，Q2.2為水位報警指示，Q2.3為備用，Q2.4為備用，Q2.5為備用，AQW0為進煤機轉速給定，AQW2為鼓風機轉速給定，AQW4為引風機轉速給定，AQW6為上水泵轉速給定，AQW8為備用，AQW10為備用。

3 軟件設計

沸騰鍋爐參數控制流程圖如圖3所示。

圖3 沸騰鍋爐參數控制流程圖Fig.3 Flow chart of parameter control for boiling boiler

新型沸騰爐監控系統軟件設計主要包括下位機PLC的梯形圖設計和上位機配置的組態軟件人機界面設計。

3.1 下位機PLC控制流程

為了滿足沸騰鍋爐的控制要求，更好地達到沸騰鍋爐爐膛溫度、爐膛壓力、蒸汽溫度、蒸汽壓力、上汽包水位、引風機轉速、鼓風機轉速、上水泵轉速、進煤機轉速等各參數的預期控制要求，設計了PLC的通用控制流程圖，如圖4所示。

圖4 下位機PLC控制流程圖Fig.4 Flow chart of PLC control for lower machine

3.2 上位機組態軟件人機界面

圖5為沸騰鍋爐上位機組態軟件人機界面。

圖5 沸騰鍋爐上位機組態軟件人機界面Fig.5 Human machine interface of boiling boiler upper unit software

沸騰鍋爐控制系統上位機主要實現對沸騰鍋爐主要設備及各關鍵參數的管理，包括實時數據采集、數據分析和處理、實時控制、定義配置、統計存儲、屏幕顯示、查詢打印、通信等，可以異地實時共享完整的沸騰鍋爐控制系統監控信息，可以圖形化或者以圖形方式文本模式顯示沸騰鍋爐各關鍵參數信息，查詢各種報表數據等任務，能滿足沸騰鍋爐各種監控要求，人機界面友好［10-12］。

4 沸騰鍋爐監控系統應用

某煤矸石電廠5號沸騰鍋爐主要參數為：額定蒸發量35 T/h，主蒸汽壓力3.82 MPa，主蒸汽溫度450℃，給水溫度100℃。

改造前該煤矸石電廠5號沸騰鍋爐采用簡單的DDZ儀表單回路調節手動控制系統，5號沸騰鍋爐經常出現爐堂溫度控制不好，造成沸騰鍋爐熄火或結焦，爐膛壓力經常出現正壓，蒸汽溫度控制不能穩定在450℃，蒸汽壓力控制也不能穩定在3.82 MPa，上汽包水位控制不穩定忽高忽低，引風機、鼓風機、上水泵、進煤機轉速控制不好，造成沸騰鍋爐工作可靠性比較低，影響發電生產。

為了保證連續發電，提高供電質量，該煤矸石電廠決定對5號沸騰鍋爐進行1個月的停爐改造，采用該監控系統對5號沸騰鍋爐進行監控，改造后，5號沸騰鍋爐爐堂溫度、爐膛壓力、蒸汽溫度、蒸汽壓力等關鍵參數能穩定運行，5號沸騰鍋爐能耗降低，控制效果較好，能滿足發電生產需求。

5 結論

基于PLC和組態軟件在可視化界面中監控沸騰鍋爐的各關鍵參數，在上位機中可以方便修改沸騰鍋爐控制系統各參數，并按照沸騰鍋爐控制要求完成相關監測監控。

試運行表明，該系統能滿足設計要求，可以達到對沸騰鍋爐生產過程關鍵參數自動監測和控制的目的。