基于PLC的鍋爐多水箱液位控制系統設計研究

王榮華，秦勇，唐勇

（浙江陸虎汽車有限公司，浙江 臨海 317005）

蒸汽鍋爐供熱系統最先是由熱力鍋爐生產出蒸汽，然后再通過管道，將蒸汽送達至用熱設備，以滿足生產工藝或生活采暖等方面的需要，蒸汽溫度降低會產生冷凝水。冷凝水溫度達到90°以上，不含鈣鎂離子，不需要軟化處理，所以回收并利用冷凝水，可以節約鍋爐水處理費，同時由于冷凝水地回收，不僅廢水及廢氣排放量相應地減少了許多，而且鍋爐燃料消耗也有效降低。冷凝水地回收利用再具有經濟效益的同時還具有環保效益。收集凝結水是冷凝水箱實現的主要功能，冷凝水在水泵得作用下由冷凝水箱進入鍋爐水箱。鍋爐水箱水位低時需要市政供水管道補水，由于公司有新舊兩個鍋爐房，兩個鍋爐水箱儲水，操作不當就會出現循環水溢出水箱的情況。為了解決這個問題，設計了一套基于PLC的循環水控制系統，系統不但能有效管理水泵、閥門、液位，還將液位、溫度等數據以信號的形式送到公司生產集中控制系統的中控室。

1 信息網絡結構

公司信息網絡劃分為3層結構：（1）監控中心：監控中心作為整個系統的大腦，它的任務是收集工廠各個車間設備的運行數據，從而完成對整個系統運行狀態的實時掌握，同時對數據進行分析處理，并進一步生成所需要的各種形式的表格或報表，設備有故障時會進行報警等操作；（2）傳輸設備：由交換機、光纖等組成，能夠實現數據的可靠傳輸；（3）現場控制設備：蒸汽鍋爐循環水控制系統屬于現場控制設備，使用ModBus RTU協議進行通信，通過交換機和光電轉換器接入以太網。

2 系統結構

2.1 管路結構

在新鍋爐房和舊鍋爐房各有1個水箱，每個水箱有補水閥、冷凝水回水閥。補水閥打開，來自市政供水管道，經過軟化處理存儲于壓力罐中的水進入鍋爐水箱。冷凝水箱出口處有循環水泵，水泵運轉，哪個鍋爐水箱的冷凝水回水閥打開，冷凝水就進入哪個鍋爐水箱。燃氣鍋爐從鍋爐水箱抽水，鍋爐水位達到要求可以點燃鍋爐得到高溫高壓蒸汽將熱量輸送到各車間。管路結構如圖1所示。

圖1 管路結構

2.2 控制點位

補水閥和回水閥都是220V的電動閥，回水閥有閥門開到位檢測開關，每個水箱上都配備液位傳感器，電動系統控制點位如表1所示。

表1 控制點位

2.3 主要硬件配置

硬件包含1個PLC控制柜、執行機構及傳感器，PLC控制柜上帶有觸摸屏。控制柜安裝在新鍋爐房內，便于現場操作，控制柜上有電源開、電源關、運行、停止4個按鈕，交換機、光電轉換器置于柜內。

（1）PLC使用SIEMENS S7-1200 PLC，CPU1212C，配有1個4路模擬量輸入模塊和1個熱電阻輸入模塊。SIMATIC S7-1200可以實現多種任務，例如簡單地邏輯控制、高級地邏輯控制、HMI和網絡地通信等。此型號地PLC具有緊湊，模塊化的特征。小型自動化系統在需要選擇PLC實現功能的時候，此型號PLC是一個完美的解決方案。對于需要網絡的通信功能或與之類似的功能、單屏或多屏HMI得自動化系統來說，SIMATIC S7-1200易于設計和實施。

（2）觸摸屏用西門子的精簡系列面板KTP900 Basic。

（3）西門子交換機為6GK5204-2BB10-2AA3，4個通信RJ45接口，分別連接PLC、觸摸屏、編程電腦、中控室。由于距離較遠，使用多模光纖通信，交換機和光纖之間有光電轉換模塊。

（4）3個液位測量是用磁性翻板式液位傳感器來實現，該傳感器型號為UQK-10，測量范圍為0.2～1.5m，輸出信號為2線4～20mA信號。該液位計得測量元件為磁浮子，測量出的液位結果會顯示在磁鋼驅動翻柱上，該液位計適用得條件十分廣泛，從低溫到高溫、真空到高壓等各種環境都可以使用。在石油、化工等工業部門是理想得液位測量產品。

（5）溫度傳感器為PT100，測量范圍-50～400℃。

3 PLC程序設計

軟件開發平臺為西門子的博途(TIA)，是全集成自動化軟件TIA portal的簡稱，該軟件是一款全新地全集成型自動化軟件并且是由西門子工業自動化集團發布的。幾乎所有地自動化任務都可以使用該軟件來完成，在該全新地工程技術軟件平臺得功能協助下，用戶可以迅速、直觀地開發并且調整試驗自動化系統。

閥門及水泵控制分為手動、自動2種方式。在手動運行地方式下，操作員可以隨意操控各個機構的啟動與停止。在自動狀態下按如下策略進行。

（1）巡查新鍋爐房水箱、舊鍋爐房水箱、冷凝水箱的水位。冷凝水箱水位劃分為高、中、低3個水位位置，鍋爐水箱水位也分為低、中、高3個水位位置。（2）根據液位組合情況控制閥門及水泵。當a冷凝水箱的水位低于低水位時，回水閥關閉、水泵停止。b冷凝水箱水位高于中水位，舊鍋爐房水箱水位和新鍋爐房水箱水位均低于高位，哪個鍋爐房水箱水位降低則開啟哪個鍋爐房的回水閥，啟動循環泵直到冷凝水箱的處于低水位及以下狀態。當c鍋爐水箱的水位于低水位及以下狀態時，相應的補水閥進行打開操作，從市政供水管道補水，當液位比中水位高時，關閉補水閥。

詳細控制參看圖2所示的軟件流程圖。

圖2 軟件流程圖

4 觸摸屏畫面設計

組態設計主要是指觸摸屏得組態設計，觸摸屏地組態設計包括：添加設備驅動、設置IP參數、添加通道、在組態畫面中添加構件并連接變量等步驟。其中，在設置觸摸屏IP地址地過程中，要注意地問題是要與PLC的IP地址網址在相同的網段。主監控界面如圖3所示，上電即處于手動狀態，登錄后可以手動控制各閥門循環泵的啟停。在設置好各水位的高度等參數之后，運行過程中可以通過畫面中手動/自動地切換按鈕，切換到自動控制方式則系統自動控制各水箱的液位。主界面中還可以觀察管道蒸汽流量、蒸汽溫度、各水箱液位等。

圖3 監控主界面

5 結語

該系統已于2020年在公司使用，實現了鍋爐房水箱水位的自動管理，自動化程度高，運行穩定、平穩、可靠，減少了巡邏檢查次數，從而降低了能源消耗，減少了污染排放，獲得了良好的效益。通過實踐可以發現，PLC與觸摸屏構成的控制系統開發簡單、周期短，可以在公司其它需要實現信息化、自動化的部門進一步推廣。