PLC 在熱介質鍋爐控制系統中的應用

劉志強

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300456）

引言

某浮式生產儲油輪配備一套熱介質油加熱系統，該系統主要由2 臺熱介質鍋爐和相應的配套設施組成，單臺熱介質鍋爐（以下簡稱鍋爐），設計溫度為-10/350 ℃，壓力為1 000 kPaG，容量為8 140 kW。

熱介質加熱系統的主要作用是：鍋爐把熱介質油加到約220 ℃，再通過閉式循環泵，強制循環輸送到各原油艙、工藝艙、污水污油艙、燃料油箱、原油分離和處理模塊上的各種熱交換器，予熱器，加熱器等，滿足原油儲藏溫度恒定為45℃和油氣生產的供熱需求。

1 鍋爐控制系統的基本原理

鍋爐控制系統主要由鍋爐安全保護鏈、燃燒程序控制器（以下簡稱控制器）安全鏈、控制器（LFE1/8851）、溫度控制器（KFM）和檢測、報警模塊組成。

當按下起動按鈕后控制器開始工作，在鍋爐安全鏈路閉合的情況下，鼓風機開始運轉，比例調節機構的伺服電機將風門開至最大，開始向爐膛內送風掃膛，清除空氣管線、天然氣管線及爐膛內的廢氣。掃氣完成后，比例調節機構的伺服電機將風門關閉。

控制器繼續運行，點火變壓器通電使火花塞發火，同時點火天然氣閥打開，點火天然氣在爐膛內燃燒形成點火火焰。火焰探測器開始工作，確認點火火焰形成5 s 后，燃氣或燃油電磁閥打開，天然氣或經霧化的柴油進入爐膛與點火火焰相遇形成主火焰。然后點火變壓器斷電，點火電磁閥關閉，點火程序完成。

控制器繼續運行，鍋爐進入正常燃燒程序，由溫度控制器根據熱介質油的溫度控制比例調節機構自動調節。當鍋爐安全保護鏈斷裂或鍋爐運行參數異常時，鍋爐控制系統會觸發不同級別的系統關斷并發出相應的報警。

2 原控制系統改造設計的必要性

鍋爐原有電氣控制系統為20 世紀80 年代，在浮式生產儲油輪建造時，配套引進的繼電器－接觸器控制系統，限于當時的技術條件，控制系統所要求的各種關聯、鎖定關系、報警功能均由傳統繼電器、按鈕和指示燈實現[1]。控制柜內各類繼電器、接觸器和控制盤上的指示燈、按鈕有兩百多個，接線繁雜。圖紙缺失、控制線無線號，報警點少，出現故障時，維修人員查找排除故障困難。隨著25 年的連續使用，元器件和內部線路出現老化、松動現象，運行繼電器、接觸器的線圈溫度在90℃左右，觸點溫度高達110 ℃，密集的熱源，使控制柜內溫度升高，控制柜內溫度的升高加劇了繼電器－接觸器控制系統的老化速度，造成鍋爐故障連續不斷，給浮式生產儲油輪安全穩定生產造成了很大的威脅。

隨著對PLC 和觸摸屏技術的深一步了解、學習及其運用技術的日漸成熟，改造成本不斷下降，同時鑒于爐膛和相應的配套設施狀態良好。并經過對原鍋爐控制系統進行評估、研究和分析，于2015 年6月對鍋爐控制系統進行了全新的升級改造。

3 控制系統的改進設計

3.1 控制系統的硬件設計

通過對原鍋爐控制系統進行分析、梳理，除去觸摸屏可以代替的輸入輸出信號，得出新系統PLC 的I/O 類型及點數，如下頁表1 所示。

表1 PLC I/O 類型及點數

根據PLC I/O 類型及點數，對控制系統進行硬件設計，PLC系統配置及網絡拓撲結構，如下頁圖1 所示。

圖1 PLC 系統配置及網絡拓撲圖

根據PLC 系統配置及網絡拓撲結構和現場使用需求，確定PLC、觸摸屏等材料明細表，見表2。

表2 PLC、觸摸屏材料明細表

其中，S7-300 是西門子S 系列一種中小型PLC，因其不錯的性價比，使之成為各類中小型控制系統的較好的選擇[3]；KTP 1200 PN 觸摸屏，配備可調光、12 英寸屏幕、1 個以太網接口（TCP/IP，PROFINET）和10 個觸覺功能鍵，可以很好地滿足現場需求。

3.2 觸摸屏設計

新設計操作界面結構如圖2 所示，主要分為主畫面、參數設定和趨勢、報警三部分。

圖2 操作界面結構

主畫面主要用于熱介質爐操作、設備狀態、運行監控；參數設定畫面，用于熱介質爐運行參數設定；趨勢曲線，可監視熱介質爐的加熱溫度動態趨勢；報警記錄，用于查詢當前或歷史報警信息；報警記錄逆序排列，即最后出現的在最上面。

3.3 梯形圖程序的設計與優化

在觸摸屏強大功能的支持下，消化吸收原有鍋爐控制系統基本原理和電路圖的基礎上，通過梯形圖程序設計，在實現原有控制系統所有功能的前提下，新系統只保留6 個功能按鈕、9 個斷路器、9 個接觸器和部分輸出繼電器，使繼電控制系統得到了最大的簡化。簡化繼電控制系統的同時，增加了12 個安全鏈監控和5 個報警監控，鍋爐系統所有附屬設備的選擇、起動、停止、運行狀態都融入到了觸摸屏上。系統所涉及到的所有開關量輸入、輸出觸點狀態，都通過觸摸屏畫面進行直觀地顯示，很好的改善了人際界面，極大地方便了電氣人員對系統的日常檢查、維護。

4 結論

以S7-300 系列可編程序控制器為核心，原有鍋爐控制邏輯為基礎，結合觸摸屏技術，完成鍋爐控制系統的改造，使控制系統電氣元器件和開關數量比原系統減少了4/5，接線變得更簡單，可視化更強。從2015 年至今5 年多的運行時間，鍋爐控制系統有記錄的故障4 起，故障率下降到改造以前的2.7%，可靠性有了很大程度的提高。

故障記錄統計、趨勢曲線、關鍵參數實時監測等功能的增加，能使維護人員很快地確認鍋爐故障原因，一定程度地減少了維護的工作量。PLC 與觸摸屏結合，比繼電控制系統安全、方便、可靠，和集散控制系統[4]相比結構簡單、操控方便。PLC 在熱介質鍋爐控制系統改造中的成功應用，對類似控制系統的改造具有一定的借鑒意義。