基于PLC的鍋爐爐膛吹灰控制系統設計

石憲紅 延龍 岳吉瑞 張月 張凱麗

摘要：在深入分析火力發電廠鍋爐爐膛吹灰控制要求的基礎上，通過運用博圖軟件、S7-1200 PLC和觸摸屏技術，進行了火力發電廠鍋爐爐膛吹灰控制系統的硬件設計、控制程序編寫以及系統仿真設計，滿足了發電廠鍋爐爐膛吹灰的自動控制需求，實現了發電廠鍋爐爐膛的自動吹灰，可以清除受熱面的結焦和積灰，保證鍋爐受熱面清潔，提高了鍋爐熱效率，節省了人力，保障了操作人員的人身安全。

關鍵詞：西門子PLC；鍋爐爐膛；自動吹灰

中圖分類號：TP23? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0011-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.003

0? ? 引言

在工業生產控制領域，PLC已經成為不可或缺的設備之一。S7-1200 PLC作為西門子公司推出的一款面向離散和自動化系統的控制器，可以滿足不同的生產現場需求，在自動化生產領域的應用越來越普遍[1]。運用PLC技術，結合觸摸屏應用[2]和工業現場網絡等技術[3]，可以完成對離散系統的自動化控制，也可以實現對獨立的自動化系統的控制。鍋爐吹灰器是發電廠鍋爐必不可少的輔機設備，在鍋爐正常運行過程中可以保證鍋爐受熱面的清潔，提高鍋爐熱效率。在分析借鑒PLC對其他火電設備控制的基礎上[4-6]，本文采用西門子PLC完成鍋爐爐膛吹灰器的自動控制系統設計，結合觸摸屏畫面進行實時操作與監控，提高了生產的安全性和效率。

1? ? 爐膛吹灰系統

吹灰系統是火力發電廠眾多設備中必不可少的一部分，包括爐膛吹灰、空預器吹灰、省煤器吹灰和水冷壁吹灰，通過對吹灰器的進、退控制，完成吹灰工作，主要作用是清除掉爐膛水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器管道及空氣預熱器等設備受熱面的結焦、積灰，保證受熱面清潔，提高鍋爐熱效率。本文以爐膛吹灰系統為對象對控制系統進行設計。

1.1? ? 爐膛吹灰系統結構

如圖1所示，發電廠鍋爐爐膛兩側各布置一臺吹灰器，左側吹灰器為L1，右側吹灰器為R1，每臺吹灰器設置兩個限位開關，限位開關SQ1為左側吹灰器L1的后退到位，限位開關SQ2為左側吹灰器L1的前進到位，限位開關SQ3為右側吹灰器R1的前進到位，限位開關SQ4為右側吹灰器R1的后退到位。同時設有自動投入按鈕SB1、吹灰急停按鈕SB2、左側吹灰器L1啟動按鈕SB3、左側吹灰器L1停止按鈕SB4、右側吹灰器R1啟動按鈕SB5、右側吹灰器R1停止按鈕SB6等6個按鈕。

吹灰系統正常運行時兩個吹灰器同時進退，吹灰器的管道和過熱蒸汽管道相套接，過熱蒸汽管道在內，吹灰器管道在外。過熱蒸汽管道的外徑約等于吹灰器管道的內徑。當吹灰器離開原位時，機械提升閥自動打開，蒸汽進入吹灰器管道，繼而吹入爐膛開始吹灰。兩個吹灰器在爐膛兩側對稱分布且同時進退，保證了爐膛兩側同步吹灰，以防出現爐膛偏燒和爐膛兩側存在溫差。

1.2? ? 爐膛吹灰系統功能

1.2.1? ? 自動模式

按下按鈕SB1，投入系統自動模式。

（1）吹灰器啟動：按下按鈕SB1以后，吹灰器L1和吹灰器R1同時啟動。

（2）吹灰器前進：吹灰器L1和吹灰器R1收到啟動指令以后，相應的接觸器閉合，吹灰器電機正轉，兩個吹灰器同時向鍋爐爐膛內前進。

（3）吹灰器前進到位：吹灰器L1前進到限位開關SQ2處停止，吹灰器R1前進到限位開關SQ3處停止。

（4）吹灰器后退：吹灰器前進到位以后，原地等待10 s，然后吹灰器電機反轉接觸器動作，電機反轉，吹灰器開始后退。后退過程中，后退10 s則停留原地吹灰60 s，再后退10 s，停留原地吹灰60 s，如此循環，直到到達后限位開關SQ1和SQ4。

（5）吹灰器后退到位：吹灰器L1和R1分別后退到SQ1和SQ4后停止，吹灰結束。

1.2.2? ? 手動模式（單體模式）

手動模式下，按下按鈕SB3，左側吹灰器L1勻速向前移動，前進到限位開關SQ2，左側吹灰器L1停止前進，自動后退到限位開關SQ1處停止。按下按鈕SB1啟動后，無論左側吹灰器L1處于何處，再按下停止按鈕SB4以后，左側吹灰器L1將自動后退至后限位SQ1處；按下按鈕SB5，右側吹灰器R1勻速向前移動，前進到限位開關SQ3，右側吹灰器R1停止前進，自動后退到限位開關SQ4處停止。按下啟動按鈕SB5以后，無論右側吹灰器R1處于何處，按下停止按鈕SB6，右側吹灰器R1將自動后退至后限位SQ4處。

1.2.3? ? 安全保護功能

（1）過載保護：在吹灰器L1、R1控制回路中各有一個熱繼電器，分別為FR1和FR2，如圖2的爐膛吹灰系統硬件接線圖所示，在吹灰器前進或后退過程中，若機械部分出現卡澀或電機電流不匹配，熱繼電器會立即動作從而斷開控制回路，使吹灰器電機停止轉動，防止吹灰器電機因過載而燒損。

（2）急停保護：當出現故障時，如吹灰器在吹灰過程中出現卡澀不動，應當按下急停按鈕SB2，吹灰器L1和R1將自動后退到位。如果后退過程出現卡澀，則選用人工方式將其退出。

（3）短路保護：FU1～FU4（圖2）為熔斷器，在電路中起到短路保護作用。

1.3? ? 硬件接線設計

工控機、觸摸屏和PLC通過交換機組成局域網，PLC輸入/輸出變量接線以及吹灰電機控制線路如圖2所示，QF1～QF3為斷路器，KM1～KM4為交流接觸器，FR1和FR2為熱繼電器，使用的是熱繼電器的常開觸點。

2? ? 控制程序

根據爐膛吹灰系統功能和確定好的PLC控制系統的I/O變量，運用博途軟件編寫爐膛吹灰PLC控制程序。部分吹灰自動模式控制程序如圖3所示。

3? ? 系統仿真

在西門子觸摸屏仿真界面繪制爐膛吹灰控制系統仿真畫面如圖4所示。自動模式下的啟動和停止命令、手動模式下的啟動和停止命令均通過按鈕實現；吹灰器L1和R1的正反轉狀態、限位開關SQ1～SQ4接通斷開狀態、吹灰器過載FR1和FR2會實時顯示（顏色變紅）；吹灰器L1和R1電機電流的大小也會通過數字顯示出來，如果電機電流超過額定值，會變為紅色，以提醒操作員。

在自動模式下，按下啟動按鈕，左側吹灰器L1、右側吹灰器R1同時正轉向爐膛前進，仿真界面顯示吹灰器“正轉”，當前進到限位開關SQ2和SQ3時，畫面顯示“限位開關SQ2接通” “限位開關SQ3接通”，“正轉”顯示消失。同時10 s后，吹灰器后退，仿真界面顯示吹灰器“反轉”，“限位開關SQ2斷開” “限位開關SQ3斷開”；當后退到限位開關SQ1和SQ4時，畫面顯示“限位開關SQ1接通” “限位開關SQ4接通”，“反轉”顯示消失。當按下急停按鈕SB2后，吹灰器自動退回到限位開關SQ1和SQ4處，仿真畫面顯示“限位開關SQ1接通” “限位開關SQ4接通”。同時，仿真畫面會實時顯示吹灰器電機電流值。

在手動模式下，按下左側吹灰器L1啟動按鈕SB3，吹灰器L1自動前進到限位開關SQ2處，仿真界面顯示吹灰器L1“正轉”，當“限位開關SQ2接通”后，吹灰器L1自動后退到限位開關SQ1處，仿真界面顯示吹灰器L1“反轉”。當畫面顯示“限位開關SQ1接通”后，吹灰器L1“反轉”顯示消失。在左側吹灰器L1運行過程中若按下停止按鈕SB4，仿真界面顯示吹灰器L1后退“反轉”，后退到限位開關SQ1處，顯示“限位開關SQ1接通”，吹灰器L1“反轉”消失。在手動模式下，右側吹灰器R1按相同的工作方式動作。

若在運行過程中熱繼電器FR1和FR2動作，仿真畫面顯示“吹灰器L1過載FR1” “吹灰器R1過載FR2”進行報警，左側吹灰器L1、右側吹灰器R1會立即停止運行。

4? ? 結語

在設計爐膛吹灰PLC控制系統時，應充分考慮現場環境惡劣、元器件使用壽命及后期功能改造等情況，因此在控制器、輸入/輸出模件選用時應考慮選型和預留部分備用通道。本次對爐膛吹灰器進行PLC控制系統設計，保證了爐膛受熱面的清潔，為現場工作人員提供了更加便利、更加可靠的控制方法，同時也提高了爐膛熱效率和生產現場的安全性。

[參考文獻]

[1] 侍壽永.西門子S7-1200 PLC編程及應用教程[M].2版.北京：機械工業出版社，2021.

[2] 廖常初.西門子人機界面（觸摸屏）組態與應用技術[M].3版.北京：機械工業出版社，2018.

[3] 張帆.工業控制網絡技術[M].2版.北京：機械工業出版社，2015.

[4] 劉文俊.電廠除灰渣及除塵PLC控制系統的優化分析[J].智能城市，2021，7（22）：66-67.

[5] 胡瑋.基于PLC控制火電廠給水泵的應用[J].電子世界，2021（14）：127-129.

[6] 王麗君，周月娥，孫敦艷.基于PLC的電廠干式排渣系統設計[J].通信電源技術，2019，36（1）：127-129.

收稿日期：2023-02-06

作者簡介：石憲紅（1987—），女，山東曹縣人，助教，研究方向：流程工業自動化。