基于可編程邏輯控制器的工業鍋爐遠程監測系統設計

李 磊

(西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

隨著現代控制理論與計算機技術的不斷發展，以物聯網技術為基礎的遠程監控體積開始大范圍應用于工業監控中，在工業鍋爐管理工作中引入遠程監測系統，能夠顯著提高管理者對于鍋爐的控制精度，同時也有助于降低管理成本，現已成為提高工業企業管理效率的一項重要手段[1-3]。

1 工業鍋爐系統概述

本次研究針對某化工廠的2×14MW燃水煤漿熱水鍋爐專門設計一套DCS系統。該鍋爐系統由鍋爐主體、供漿及儲漿系統、管道吹掃及沖洗系統、燃燒系統、水系統、除塵脫硫系統六個部分所組成，工作流程如圖1所示。

2 計算機控制方案設計

本次研究所設計的水煤漿鍋爐監控DCS系統具體包含三層結構，即工業現場級、過程控制級與過程管理級。

圖1 水煤漿鍋爐系統工作流程圖

1)工業現場級

工業現場級設備具體負責數據的傳送與采集，相關硬件為各種變送器和傳感器，可以將所采集到的非控變量轉換為供計算機分析的可控變量信號[4-5]。本次研究所采用的儀器儀表輸出信號為DC 4～20 mA，以滿足PLC控制模塊在信號輸入方面的要求。

2)過程控制級

水煤漿鍋爐監控DCS系統過程中控制級的核心元件為西門子S7-300型PLC可編程序控制器，該元件由接口模塊、CPU模塊、通信模塊、內存儲卡等模塊所組成，單個機架上最多可以安裝8個模塊，具有調試工作量小、抗干擾能力強、使用方便等特點[6-8]。

3)過程管理級

過程管理級主要由操作員站和工程師站兩部分組成，負責整個系統的數據管理、控制管理、圖形顯示與指令下達，其硬件結構與常規的工業控制系統相類似。

3 主要控制回路設計

3.1 符號表設計

符號表負責對端口變量和用戶所使用變量之間的映射加以定義，進而實現PLC系統變量與用戶自定義符號之間的綁定[9-10]，水煤漿鍋爐監控DCS系統的部分符號表如表1所示。符號表的設計應當盡量直觀簡潔，最大程度上提高程序的運行效率。

表1 部分變量符號定義

在表1中，地址代表著用戶定義的變量名稱所在的寄存器物理地址，符號代表用戶定義的變量名稱。在編號PLC控制程序之前要建立一套完成的符號表，使寄存器與用戶自定義符號之間建立映射關系，便于接下來的程序編寫[11]。

3.2 程序塊

程序塊由主程序和子程序兩部分構成，二者之間可以相互調用，并且其中所有的程序都是并行的[12]。水煤漿鍋爐監控DCS系統的項目程序架構如圖2所示，主程序如圖3所示。

圖2 程序塊結構

本次研究通過梯形圖來編寫主程序，SM0.0在PLC中代表特殊標志繼電器，負責實現被控對象與PLC之間的信息傳輸。在程序運行過程中，SM0.0的狀態一直為ON，具體負責激活鼓風機、引風機、水泵、爐排、數據轉換、報警等六個子程序。

圖3 主程序

3.3 子程序

1)數據轉換程序

水煤漿鍋爐監控DCS系統中的大多數模擬量需要以電壓電流的形式反饋給PLC，以溫度轉換為例，熱電阻傳感器在獲取溫度輸入值后需要通過PLC將該輸入值轉換為可供計算機處理的數據，即將模塊量轉換為數字量，在此基礎上利用計算機的邏輯計算能力對數據進行處理，經過處理的溫度指標數據可直接用于對鍋爐系統中的各項設備實施控制[13]。本次研究所設計的數據轉換程序如圖4所示。

2)控制程序

控制程序具體涉及護排、風量、水位等方面的控制，本次研究以鼓風控制為例來設計控制程序，通過針對爐膛負壓的控制來實現針對鼓風機的調節，即根據壓力測量值來對引風機和鼓風機進行調節。在水煤漿鍋爐監控DCS系統運行過程中，壓力傳感器會向PLC上傳壓力信號，PLC將壓力模塊信號轉換為數字信號后向其發送給計算機，計算機通過PID算法對鼓風機進行調節，進而精確控制爐膛壓力。所使用的PID控制模塊如表2所示，鼓風機的控制程序如圖5所示。

圖4 數據轉換程序

表2 PID功能模塊

圖5 鼓風機控制程序

4 結 語

本文詳細闡述了基于可編程邏輯控制器的工業鍋爐遠程監測系統設計思路，并以鼓風機控制為例介紹了控制程度的具體設計方案。在未來的研究工作中，還需要進一步加強該系統中PID算法的應用研究，不斷提升工業鍋爐遠程監測系統的智能化水平。