基于PLC的鍋爐遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與研究

王淑杰

摘要：科學技術的發(fā)展迅速，我國的各行各業(yè)的發(fā)展也有了很大的創(chuàng)新。鍋爐供暖系統(tǒng)的自動化控制可以有效地提高煤炭燃燒效率，降低資源消耗、減少大氣污染。給風給煤量比值是影響成本和大氣污染的重要因素，本文針對如何快速、可靠地尋找到最佳比值的問題進行了研究，并在實驗環(huán)境條件下進行溫度穩(wěn)定性和燃燒率的測試。

關鍵詞：PLC;鍋爐遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計;研究

引言

目前我國大氣污染嚴重，其中很多污染是由使用燃煤供暖造成的。為解決這一突出問題，我國各地特別是華北、東北和西北等地區(qū)相繼出臺了用電鍋爐代替燃煤鍋爐供暖的政策。為響應這一號召，應某環(huán)境保護局的需求，設計了一套供熱鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)供暖功能。

1供熱鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)配置分析

供熱系統(tǒng)的控制部分主要包括上位機、下位機，兩者是使用ProfiNet進行通訊的。上位機是給操作者使用的，操作者可以通過西門子WINCC由組態(tài)軟件對現(xiàn)場進行實時監(jiān)控與操作，可以實現(xiàn)對供暖系統(tǒng)的給風/給煤量設置、溫度監(jiān)控與控制、報警跟蹤及檢查、復位等操作;下位機使用的是S7-1200系列PLC，訂貨號為：6ES7 215-1HG40-0XB0，其作用是接收上位機指令傳遞給供暖系統(tǒng)、采集供暖系統(tǒng)現(xiàn)場信息傳遞給上位機，配合16點數(shù)字量輸入/輸出模塊訂貨號分別為：6ES7 221-1BH32-0XB0、6ES7 222-1HH32-0XB0、8路模擬量輸入/4路輸出模塊訂貨號分別為：6ES7 231-4HF32-0XB0、6ES7 232-4HD32-0XB0、相關通訊接口ProfiNet接口、RS422/485接口等模塊，使用總線方式進行與上位機進行通訊。

2鍋爐的構成，現(xiàn)狀以及發(fā)展前景

2.1 鍋爐的構成

（1）氣鍋：上下鍋爐和沸水管構成。外部的煙氣對水進行加熱，從而引發(fā)管簇內(nèi)的自然循環(huán)流動，汽化后產(chǎn)生的飽和蒸汽聚集在鍋里，下鍋筒連接著沸水管，同時也有蓄水的作用。（2）爐膛：相當于燃燒車間，送入的燃料在此燃燒后釋放能量。送入燃燒所需的空氣后，傳送設備把燃料送入爐膛，經(jīng)過內(nèi)部燃燒過后，所剩的灰渣會被送到除灰口，落入灰斗。整個過程產(chǎn)生的高溫煙氣，經(jīng)過鍋爐的每個受熱面，將熱量傳遞給水后，高溫煙氣經(jīng)由煙囪排出。（3）過熱器和省煤器：對爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生的飽和蒸汽進行再次加熱的過熱裝置是過熱器。在爐膛內(nèi)產(chǎn)生的煙氣中的余熱進行再次利用，對設備內(nèi)的給水進行再次加熱，從而降低排放的煙氣的溫度的加熱器是省煤器。兩裝置都屬于內(nèi)部加熱器（4）此設備是爐膛內(nèi)產(chǎn)生的煙氣中的余熱進行再次利用，對設備內(nèi)的給水進行再次加熱，從而降低排放的煙氣的溫度的加熱器。（5）空氣預熱裝置：對離開省煤器的煙氣的余熱進行再次利用，對燃料燃燒時所需的空氣進行加熱處理的換熱裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中，大中型鍋爐一般都設有空氣預熱器。

2.2 鍋爐技術的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的鍋爐設備主要以繼電器—接觸器來進行控制，其中給水，鼓風，引風等過程主要都是以人工手動的形式進行操作，由輸入電路，輸出電路，控制電路和生產(chǎn)現(xiàn)場這幾個部分構成。在過去的生產(chǎn)活動中，人工控制是主要的操作手段，但社會的不斷進步后對企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模提出了更高的要求，這種老式的控制手段已無法適應現(xiàn)階段對工藝的高產(chǎn)量，高精確度，高自動化等要求，此時全過程高智能化自動化控制已是勢在必行。

2.3 PLC技術在鍋爐上的發(fā)展前景

經(jīng)濟角度上來說，自動化控制，能源消耗低，哪個部分出問題直接反應在操作系統(tǒng)中，可以減少反復排查的時間，降低產(chǎn)品維護成本。技術層面上來說，整個系統(tǒng)都采用高質(zhì)量和高效率的自動化檢測部件，電子技術對其每個環(huán)節(jié)進行精確化控制，優(yōu)化每個調(diào)節(jié)量。安全性方面來說，整個鍋爐系統(tǒng)的各個部分都能進行獨立的運行，在遇到緊急狀況時可以單獨停止故障部件進行維護，維護人員的安全操作得到了保障。

3優(yōu)化措施分析

3.1硬件系統(tǒng)具體實施

設計的系統(tǒng)硬件部分主要是下位機采用PLC進行數(shù)據(jù)的采集、控制和傳輸，通過水位傳感器的工作實現(xiàn)鍋爐內(nèi)水位高低的測定;分別安裝兩個氣壓傳感器，其中一個用于檢測鍋爐煤氣罐的氣壓，另一個用于檢測鍋爐內(nèi)的蒸汽壓力;兩個流量傳感器，一個用于檢測進氣量，一個用于檢測出氣量;用于檢測流入流量的兩個電動閥，一個用于控制蒸汽排出速度，一個用于控制氣體排出速度一個用于檢測鍋爐內(nèi)的溫度PT100;一個檢測燃燒狀況的火焰?zhèn)鞲衅鳌Ｕ麄€鍋爐的工作過程需要通過三相異步磁力水泵實現(xiàn)水箱內(nèi)的水順利流向鍋爐內(nèi)部，當鍋爐內(nèi)的水位傳感器檢測到鍋爐內(nèi)的水位達到一定的標準后，打開煤氣閥，啟動鼓風機，爐膛內(nèi)電子打火，啟動加熱裝置進行加熱，同時溫度傳感器隨時檢測爐內(nèi)溫度值，由一個火焰?zhèn)鞲衅鳈z測燃燒狀態(tài)，調(diào)節(jié)燃燒狀況，控制溫度值，當水位過低時要啟動閥門開始注水，壓力和溫度過高時打開閥門排放蒸汽。系統(tǒng)的現(xiàn)場工作站采用了西門子公司的S7-1200系列PLC，它可以進行實時的數(shù)據(jù)采集，加入各種模塊后可進行模擬量的輸入輸出、開關量的輸入輸出，主要用來采集鍋爐的現(xiàn)場參數(shù)值、數(shù)據(jù)的傳輸以及現(xiàn)場的控制，既有傳感器的數(shù)據(jù)輸入，同時還有模擬量控制信號的數(shù)據(jù)輸出，這樣才能實現(xiàn)信號的回路控制以及批量順序控制或邏輯控制。

3.2操作員站（上位操作系統(tǒng)）

系統(tǒng)主要采用西門子WINCC上位軟件系統(tǒng)建立的工程師站和操作員站實現(xiàn)數(shù)據(jù)和人進行交互的一個人機界面，主要功能在這個界面上完成監(jiān)控系統(tǒng)的設置、系統(tǒng)運行過程的設置以及系統(tǒng)控制過程的設置。系統(tǒng)操作員在操作站可以了解到的信息主要有：系統(tǒng)的整體運行狀況、系統(tǒng)各個傳感器測得的數(shù)據(jù)以及相關的值是否在規(guī)定范圍內(nèi)、系統(tǒng)運行過程中是否出現(xiàn)緊急狀況等，這個界面實現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制工藝過程，可以保證整個鍋爐的生產(chǎn)安全、可靠的進行。人機界面上顯示的內(nèi)容主要有：（1）利用模擬圖形來表示現(xiàn)場生產(chǎn)裝置和運行方向，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的圖形模擬，在圖中標注生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)、控制參數(shù)和生產(chǎn)狀態(tài)的實時狀態(tài)。（2）當傳感器檢測的數(shù)值超過設置的閾值范圍，會出現(xiàn)報警窗口，里面出現(xiàn)生產(chǎn)過程異常的數(shù)據(jù)、狀態(tài)，以便操作人員即使處理，避免事故的產(chǎn)生。（3）實時趨勢曲線顯示：系統(tǒng)可以長時間工作，將數(shù)據(jù)進行存儲，因此可在趨勢曲線部分繪制生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)的歷史曲線及當前的變化趨勢，以便于操作人員了解鍋爐的生產(chǎn)狀態(tài)，幫助其分析生產(chǎn)狀態(tài)是否正常。

3.3鍋爐汽包水位的控制

在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中，汽包水位主要根據(jù)給水流量的控制決定的。于是影響到汽包水位的因素可以歸類為四個方面：其一，供水過程的相關因素干擾。主要涉及供水壓力的變化方式以及控制閥的開合狀況等系列因素。其二，鍋爐蒸汽供應的變化。這一影響因素主要涉及到蒸汽管道的阻力變化以及鍋爐設備的負荷變化過程。其三，鍋爐燃料供應的變化。這一影響因素主要涉及到燃料供應量的變化以及燃料本身的性質(zhì)、燃料供應的壓力變化以及燃料自身的含水量等。其四，鍋爐內(nèi)部壓力的變化，這一影響因素主要根據(jù)汽包內(nèi)部蒸汽以及蒸汽系統(tǒng)自身在高壓下的“自冷凝”和在減壓下的“自蒸發(fā)”影響水位。由于蒸汽負荷的擾動具有可測量但卻無法控制的特點，可以將蒸汽流量和汽包水位進行組合，前饋信號用作前饋信號以形成前饋-反饋控制系統(tǒng)。結合給水流量的擾動和受控對象的非線性，給水流量被納入系統(tǒng)，從而形成三沖程的水流量控制系統(tǒng)。這一水流量控制系統(tǒng)主要包括給水流量、蒸汽流量以及滾筒水位的控制。起到主要控制作用的是滾筒水位的控制，也稱主控制變量。輔助控制變量是給水流量，主要和次要控制變量形成連級控制結構系統(tǒng)，同時該級聯(lián)控制系統(tǒng)形成進給流量的前反饋信號，進而構成前饋以及級聯(lián)反饋控制系統(tǒng)。

結語

運用西門子本地控制的PLC系統(tǒng)和上位WINCC軟件開發(fā)的系統(tǒng)很好地運用到我國的供熱項目中，為用戶提供了方便的查詢、操作等功能，獲得了用戶的好評。

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