淺談PLC技術及其在鍋爐控制系統中的應用

楊 潔

（太原鍋爐集團，山西 太原 030021）

可編程序控制器（Programmable logic contoroller）簡稱PLC，是以微處理器為核心，用于工業控制的計算機。PLC不僅具有邏輯控制功能，而且還具有運算、數據處理和數據傳送等功能。采用可編程控制器（PLC）設計的控制系統實現了鍋爐的系統自動控制，既經濟又環保。

1 系統硬件構成

系統采用兩臺戴爾微機作為上位機，其中一臺作為主機，另一臺為輔機，構成雙機冗余系統。通過MPI多點接口與下位機PLC進行通信，對現場鍋爐的運行進行集中監控、統一調度，實現對鍋爐的遠程控制。操作人員也可以隨時通過計算機了解鍋爐的工況，并對風機和水泵等進行控制和參數設定。此外，鍋爐運行及網管系統的各種數據可存儲在計算機的數據庫中，可顯示或打印。

2 新系統配置

2.1 軟件部分

微軟Windows 2000操作系統、西門子Wince V5.1組態軟件、西門子提供的Soft－net－S7軟件、西門子S7－300編程軟件 SETUP7v5.2＋spl。

2.2 硬件配置

P4 1.8 G CPU，256 M DDR內存，32 M顯卡，40 G硬盤，4個USB2.0接口，17英寸戴爾CRT顯示器，觸摸式工業鍵盤，鼠標套裝。

2.3 可編程控制器PLC

采用德國西門子的S7－300系列，CPU選用S7－315－DP可編程控制器，內置PID模塊，48 k存儲器，I/O能擴展到2 048點，西門子CP5611通信卡。

3 PLC調節控制功能

3.1 鍋爐水位控制系統

汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數，水位過高，會破壞汽水分離裝置的正常工作，影響蒸汽質量。水位過低，則會破壞水循環，造成干鍋，損壞汽包。因而，水位要控制好。它的被調量是汽包水位，而調節量則是給水流量，通過對給水流量的調節，使汽包內部的物料達到動態平衡，變化在允許范圍之內。一般鍋爐汽包水位對蒸氣流量和給水流量變化的響應呈積極特性，但是在負荷（蒸氣流量）急劇增加時，表現卻為“逆響應特性”，即所謂的“虛假水位”，造成這一現象的原因是負荷增加時，導致汽包壓力下降，使汽包內水的沸點溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系統實質上是維持鍋爐進出水量平衡的系統，它是以水位作為水量平衡與否的控制指標，通過調整進水量的多少來達到進出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發效率，保證生產安全。由于鍋爐水位系統是一個設有自平衡能力的被控對象，運行中存在虛假水位現象，實際應用中可根據情況采用水位單沖量、水位蒸汽量雙重量和水位、蒸汽量、給水量三沖量的控制系統。

3.2 變頻技術控制鍋爐調速系統

變頻器在工業鍋爐調速控制系統中主要應用于鼓風機、引風機、供水系統及除渣系統。其最主要的目的在于節約能源。采用變頻調速方法節能的原理是基于流量、壓力、轉速、轉矩之間的關系。鼓、引風機采用變頻控制是鍋爐系統中變頻應用的重頭戲，既是節電最顯著的部分，同時也是變頻投資最大的部分。這主要是由于鼓、引風機調節的幅度相對較大。用變頻器對電機進行調速還具備對電機的保護功能，如當過流、缺相、過熱等情況出現時可及時報警和停機，大大延長了電機的使用壽命。變頻器還具備軟啟動功能，可減少對電網的沖擊，提高企業的用電質量。

3.3 監控功能

系統在運行過程中，上位機將下位機采集上來的鍋爐運行數據和熱力站傳送上來的運行參數進行實時處理，通過上位機的分析、判斷，實現對現場溫度、壓力、液位、流量、煙氣含氧量等工藝過程參數的模擬動態顯示，通過下位機反饋至上位機的信號實現對現場儀表、風機、水泵及上煤系統運行狀態的監控。用戶通過上位機手動和自動切換，實現風機、水泵的啟、停控制。系統與現場儀表、電氣設備配合可實現多變量閉環調節（如送風變頻控制、引風機變頻控制、給煤機變頻控制）和聯鎖控制（如上煤聯鎖控制）。

3.4 調節控制功能

供暖燃煤鍋爐是一種多變量系統，被控量之間的關系耦合程度高，因此本套系統應配以優化的控制軟件，該套軟件以供水溫度、煙氣氧量、爐膛負壓等為控制指標，室外溫度為補償量，同時具有PID控制，通過配置風煤比、前饋系統，來加大或解除給煤調節，送風機調節和引風機調節輸出間的前饋聯鎖，以求取給煤量，送風量和引風量的最佳控制參數，從而實現燃燒控制。考慮到鍋爐此三環節的對象為電機，所以PID手/自動切換時，加有無擾動切換。

3.5 報警功能

系統具有故障報警（風機、水泵、上煤系統等的啟停故障等）和超限報警（高、低液位、壓力、流量、溫度報警及用戶指定的其他參數報警）。

3.6 數據報表記錄功能

可根據用戶的要求，對熱網的供、回水流量、溫度、壓力、爐膛負壓等工藝參數及電機負載情況，報警記錄形成報表匯總。

3.7 冗余功能

為保障系統運行的可靠性，下位機控制器也采用雙冗余控制器，以保障系統不間斷地進行數據的實時采集，對現場儀表和控制器外圍供電電源也采用雙冗余方式，并有完備的手動控制功能，從而實現系統持續、穩定可靠的運行。

3.8 密碼功能

為防止非專業人員隨意改動參數，造成對鍋爐操作的錯誤動作，該系統可配制幾個操作員密碼，操作員可以鍵入唯一的標識符和口令進入較高級的系統修改參數。

4 控制系統的安全措施

4.1 通訊網絡冗余

為保障系統運行的可靠，計算機測控通訊網采用雙冗余光纖環網，當一條網絡線出現故障時不會影響系統正常工作。

4.2 PLC冗余

2套SIEMENS S7－300PLC實現冗余控制，每套SIEMENS S7－300PLC都由相同的模塊組成S7－300PLC，實現了冗余配置。輸入信號通過信號端子同時進入 PLC的輸入模塊，經過CPU運算處理后，運算結果送到對應的輸出模塊，兩塊輸出模塊的輸出同時接到一個輸出端子上。主控的PLC輸出結果起控制作用，另一個PLC的輸出結果則處于等待狀態，只有主控PLC在故障狀態時，另一個輸出信號才起控制作用。

4.3 電源冗余

西門子S7－300系列PLC各模塊采用DC24 V供電方式。現場提供兩路獨立的A C220 V電源，分別給兩個西門子SITOP電源（20 A）輸入端供電。兩個SITOP電源輸出端經二級管隔離后并聯到一起，共同給系統提供DC24 V電源。這樣當任何一路交流電掉電或任一個SITOP電源損壞時，不影響系統的持續供電，從而實現系統的電源冗余。

總之，由于鍋爐采用了PLC技術，始終處于經濟燃燒狀態，節能效果顯著，煙氣含氧量和爐渣含碳量明顯降低。采用變頻技術后，當設備啟動時減少了對電網的沖擊，提高了電機的機械特性，延長了電機的使用壽命，減少了大量的設備維護費與人工費。由于鍋爐燃燒達到最佳狀態，大大減少了煙氣、塵埃等污染，鍋爐房的環境大大改善，工人勞動強度減輕，節省了資源。

［1］李友善.自動控制原理（第三版）［M］.北京：國防工業出版社，2005.

［2］蔡建軍等.基于 PLC和變頻調速的供暖鍋爐控制系統設計［J］.儀器儀表用戶，2004（2）.

［3］馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌.鍋爐原理及計算（第三版）［M］.北京：科學出版社，2003.