基于PLC及變頻技術的鍋爐自動化控制改造方案

鶴崗斯達機電設備制造有限責任公司 張忠寶

鶴崗誠基水電熱力有限責任公司 張宇慧

基于PLC及變頻技術的鍋爐自動化控制改造方案

鶴崗斯達機電設備制造有限責任公司 張忠寶

鶴崗誠基水電熱力有限責任公司 張宇慧

某公司冬季主要由2臺SZF10-13型沸騰鍋爐對各車間用戶供暖。該型號鍋爐生產于1979年，現許多控制點失靈，導致鍋爐熱效率低、煤耗、電耗浪費嚴重。2臺鍋爐分別由2套DCS系統（分布式控制系統）通過控制各自的電動閥門來調節各自汽包的給水量，鍋爐運行過程中閥門開度較小，給水管壓力較大，電能消耗大。并且，較高的水壓還對管道、水泵葉輪和閥門造成損害，存在較大的安全隱患。

經過分析論證，該公司決定對原有鍋爐系統進行改造。改造方案基于PLC及變頻技術，通過計算機控制鍋爐的控制系統，進而達到節能環保的目的。本文，筆者對該改造方案作一介紹。

一、PLC及變頻技術

1.PLC。即可編程控制器（Programmable Logic Controller），是一種專用于工業控制的計算機，它可以執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，可以通過數字或模擬式輸入/輸出來控制各種類型的機械或生產過程，是一種新型控制器。

（1）PLC的優點。PLC采用微電腦技術（大規模集成電路），取代了以往靠硬導線布線的邏輯控制器，具有成本低、功耗低、體積小、重量輕等特點。它不僅能辨識處理各種運行狀態，采用相應的A/D和D/A轉換模塊及各種各樣的控制算法程序來進行系統間的邏輯運算和連鎖保護，還能對輸入的多個模擬信號進行處理、運算，輸出標準的模擬信號控來制變頻器的運行速度。

（2） PLC的主要組成模塊。PLC主要由6個模塊構成；電源模塊、CPU模塊、熱備模塊（可選）、輸入/輸出（I/O）模塊、模數轉換（A/O）模塊和通訊模塊。其中，電源模塊向PLC提供直流24 V工作電源；CPU是微型處理器，是PLC的核心部件；熱備模塊是在2套PLC均為在線方式下互為熱備用，并且可以人為任意切換至工作或備用狀態，提高了PLC的安全可靠性；輸入/輸出（I/O）模塊是指外圍回路向PLC輸入高電平（或低電平）和PLC向外圍回路輸出高電平（或低電平）；模數轉換（A/O）模塊是將外圍設備輸入的電信號轉換成數字信號，以供PLC進行計算、判斷、比較和傳輸。

2.變頻器技術。變頻器是鍋爐改造系統的一個關鍵器件，它是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率電源的電能控制裝置。根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系，有

n = 60 f（1 – s）/p。 （1）

式（1）中，n為點電機轉速，f為工作電源輸入頻率，s為電機轉差率，p為電機磁極對數。由式（1）可知，改變電動機工作電源頻率（f），可以改變電機轉速（n）。

二、改造注意事項

改造前，應對改造方案進行詳細研究，查閱并編制注意事項。注意事項如下。

1. 要避免高次諧波對PLC的影響。變頻器工作時會產生高次諧波，會對通訊產生干擾，PLC工作時需要采集模擬信號，并進行A/D和D/A轉換處理。在此過程中，PLC容易受到變頻器高次諧波的影響，造成信號失真。因此，必須將變頻器零地分接并且加裝液波裝置，對PLC用隔離變壓器供電，最好將PLC安裝于距變頻器較遠的位置。

2. 要保證原控制系統的安全性和完整性。鍋爐改造系統所需液位、壓力等模擬信號均采用鍋爐原控制系統，并將原有模擬信號通過隔離分路端子分路后使用，避免對鍋爐原控制系統造成不利影響。

3. 要保證鍋爐給水的穩定可靠。鍋爐給水是鍋爐運行過程中至關重要的環節，其穩定可靠運行是整個鍋爐系統安全運行的保證。因此，一旦變頻器出現故障停車后，系統要能夠自動切換至原有工頻控制系統下正常運行，以保證企業的正常生產。

三、改造方案

1. 安裝2臺MM430變頻器用于控制40 kW鼓風電動機，安裝2臺MM440變頻器用于控制1.1 kW給煤電動機。

2. 安裝BYD系列差壓變送器、威力巴流量計、一體化溫變等信號采集及傳輸裝置，用于測量密相區壓差、密相區溫度、爐膛壓力、排煙溫度、進出口水溫、水壓等相關參數。

3. 采用西門子PLC進行邏輯控制。

4.采用WinCCV6.0智能化運行軟件便于進行人工控制。WinCC可以利用SIMATICPCS7通過過程控制系統及其他西門子控制系統中的人機界面組件，進行算術運算、模擬量處理和通訊聯網等操作，來實現與計算機的連接。借助該軟件可以進行人機對話，為操作人員提供相應的診斷提示，保證鍋爐的正常高效運行。

四、鍋爐改造系統運行原理及優點

1.鍋爐改造系統運行原理。該系統主要由壓力變送器、溫度變送器、流量變送器、鍋爐專用變頻器和WinCCV6.0運行系統等部件組成。壓力變送器經濾波后取得信號將鍋爐的溫度、壓力、流量、風量、轉速等數據轉換成電壓、電流信號送入計算機，計算機通過WinCCV6.0運行系統與設定值進行比較，判斷出各相應值的大小，同時把該信號輸出給風煤比計算單元，相應地算出在當時的風量下給煤電機的最大輸出值，經過風煤比限位，輸出到給煤電機變頻器，從而控制給煤量，實現風煤聯動的自動控制。

2.鍋爐改造系統優點。該系統將變頻調速技術、計算機和智能控制技術相結合，完成了工業鍋爐給水、給煤、送風、引風等參數的自動控制，使鍋爐溫度、壓力、風煤配比等在計算機系統控制下，能夠實現燃燒工況的自尋優控制，使鍋爐保持在最佳運行狀態。此外，還可在運行中可直觀、集中地顯示鍋爐各運行參數，隨時修改各運行參數控制值及系統的控制參數，還可以設置多點聲光報警、自動連鎖停爐，有利于提高鍋爐的熱效率。

五、改造后的實際運行效果

從已運行的一個采暖期來看，鍋爐系統改造后，節電率達到30%～40%，節約電費20多萬元，節約用煤500 t，熱效率同比提高10%。鍋爐系統改造后，沒有出現電動機燒毀情況，在保證鍋爐安全、穩定、經濟運行的同時，既減輕了操作人員的勞動強度，又提高了鍋爐運行的安全性。

六、結論

采用變頻調速技術實現節能運行是我國節能的一項重點推廣技術，《中華人民共和國節約能源法》第39條將其列為通用技術加以推廣。采用計算機控制系統改造鍋爐，能充分利用變頻器調速范圍寬、調速精度高、保護功能完善、運行穩定可靠、節能效果顯著的優點，還能通過自動化控制技術實現安全生產，既節煤、節電，又安全、環保，具有良好的經濟效益和社會效益。