吳濤

【摘要】應(yīng)用PLC對(duì)熱電廠鍋爐進(jìn)行自動(dòng)化控制具有很好的效果。本文首先分析了熱電廠鍋爐的工藝控制要求，然后從理論方面闡述了鍋爐控制方案原理，最后介紹了一種用上位機(jī)和PLC所構(gòu)成的鍋爐控制系統(tǒng)，并給出了具體的系統(tǒng)配置。

【關(guān)鍵詞】可編程控制器 鍋爐控制 控制回路

1引言

鍋爐擁有非常廣的應(yīng)用層面，例如在供熱、發(fā)電、化纖、機(jī)械制造等行業(yè)，作為這些行業(yè)不可缺少的動(dòng)力來源，其應(yīng)用量非常大。而鍋爐蒸汽作為熱電廠對(duì)外供熱的一個(gè)最重要的動(dòng)力，在很大程度上影響著熱電廠的生產(chǎn)質(zhì)量，但是由于鍋爐在熱電廠中工作環(huán)境差、運(yùn)行時(shí)間長、生產(chǎn)流程特殊，并且控制系統(tǒng)復(fù)雜，所以要求控制系統(tǒng)需具有較強(qiáng)的可靠性。而目前國內(nèi)眾多若熱電廠由于其鍋爐中具有較多的控制回路，所以采用傳統(tǒng)的由多臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)鍋爐控制回路進(jìn)行控制，即分布式控制系統(tǒng)（簡稱DCS）。

但是，隨著邏輯可編程控制器的發(fā)展，使得用PLC對(duì)鍋爐的控制回路進(jìn)行簡化成為了可能，能夠?qū)﹀仩t控制系統(tǒng)中的輔助計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)鎖操作，提高了回路調(diào)節(jié)的能力，完善了工業(yè)組態(tài)監(jiān)控畫面。并且由于應(yīng)用PLC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)工作環(huán)境要求不高，可以替代傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)或用繼電器進(jìn)行控制的方法。因此，采用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電廠鍋爐的自動(dòng)化控制，具有很好的控制效果。

2工藝與控制要求

制粉系統(tǒng)、工況系統(tǒng)和鍋爐本體系統(tǒng)是熱電廠鍋爐控制系統(tǒng)的三大組成機(jī)構(gòu)：

2.1制粉系統(tǒng)

制粉系統(tǒng)主要包括直吹式和中儲(chǔ)式兩種方式。其目的是降低噸煤的磨煤電耗，其主要由圓盤給煤機(jī)、葉輪給粉機(jī)、球磨機(jī)等組成[1]，制粉系統(tǒng)要求它們能夠按照需要順序啟動(dòng)或停止，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)球磨機(jī)的出入口差壓進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

2.2工況系統(tǒng)

鍋爐的工況系統(tǒng)主要分為純煤燃燒工況和混合燃燒工況。其中混合燃燒工況可以在燒煤粉的基礎(chǔ)上，再混合摻入一部分高爐煤氣。因此需使工況系統(tǒng)能自動(dòng)對(duì)高爐煤氣的電動(dòng)閥進(jìn)行控制。

2.3鍋爐本體系統(tǒng)[2]

鍋爐本體系統(tǒng)主要由燃料調(diào)節(jié)、送風(fēng)調(diào)節(jié)和引風(fēng)調(diào)節(jié)等構(gòu)成。應(yīng)用PLC控制后，需要能夠?qū)λ惋L(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)啟動(dòng)和停止，并且能夠?qū)ζ何贿M(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)爐膛負(fù)壓進(jìn)行控制，對(duì)蒸汽溫度和煙氣含氧量進(jìn)行準(zhǔn)確操控。

3控制方案原理

3.1汽包液位調(diào)節(jié)

汽包是指因水分和氣體融合，而導(dǎo)致的氣壓變化。汽包液位的高低在一定程度上影響著鍋爐的安全運(yùn)行。汽包內(nèi)的汽水分離裝置在汽包液位過高時(shí)會(huì)發(fā)生故障，甚至導(dǎo)致蒸汽過飽和，使蒸汽中含有一部分液態(tài)水，降低了蒸汽質(zhì)量，增加了鍋爐管結(jié)垢。相反，鍋爐水冷壁管會(huì)在汽包液位迅速下降時(shí)產(chǎn)生爆裂現(xiàn)象，影響了鍋爐內(nèi)部的水循環(huán)，甚至導(dǎo)致汽包干鍋。因此，無論汽包液位過高還是過低，都可能引起事故產(chǎn)生。汽包壓力隨鍋爐對(duì)外做功（即負(fù)荷）的增加而下降，壓力下降則會(huì)帶來沸點(diǎn)溫度下降，加劇沸騰，造成水位虛假上升。對(duì)汽包液位調(diào)節(jié)的目的是使鍋爐進(jìn)出水量達(dá)到平衡，令水位保持在允許范圍內(nèi)的汽包中位線附近。

因汽包液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)在其工作狀態(tài)下，易有虛假水位現(xiàn)象產(chǎn)生，所以應(yīng)采用以汽包液位、給水量和蒸汽量所組成的三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。具體的汽包液位調(diào)節(jié)控制回路如圖1所示，其中∑=F汽-2（L液-50%）。

汽包液位調(diào)節(jié)控制回路能夠使汽包不受虛假液位影響。當(dāng)鍋爐對(duì)外做功（即負(fù)荷）增加時(shí)，雖然會(huì)出現(xiàn)虛假液位，但F汽和L液也隨之增加，使作為PID調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)的∑不發(fā)生變化，即主給水閥開度不受影響。當(dāng)虛假液位現(xiàn)象隨著汽包壓力重新恢復(fù)平衡而消失時(shí)，汽包液位L液會(huì)隨著內(nèi)部液態(tài)水蒸發(fā)量增加而下降，按照公式∑=F汽-2（L液-50%），則PID調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)的∑增大，進(jìn)而加大主給水閥開度，使給水量增加，令汽包水位重新達(dá)到平衡態(tài)。

3.2球磨機(jī)風(fēng)溫自動(dòng)調(diào)節(jié)

球磨機(jī)風(fēng)溫過高，會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部煤粉自燃，球磨機(jī)風(fēng)溫過低，會(huì)影響高爐煤粉噴吹。所以，PLC利用控制球磨機(jī)入口處的熱風(fēng)閥來對(duì)球磨機(jī)風(fēng)溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，使熱風(fēng)閥開度的大小隨出口風(fēng)溫的大小而改變。

3.3過熱蒸汽溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)

蒸汽溫度是衡量鍋爐性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，蒸汽溫度過熱則會(huì)導(dǎo)致過熱器管道被燒壞，蒸汽溫度過低則會(huì)影響對(duì)外做功的質(zhì)量。因此，需要控制好蒸汽溫度，目前較為主流的控制蒸汽溫度的措施是噴水減溫法。如圖2所示為蒸汽溫度調(diào)節(jié)控制回路圖。

蒸汽溫度調(diào)節(jié)控制回路采用串級(jí)PID形式，系統(tǒng)分別對(duì)蒸汽溫度和減溫水管的溫度進(jìn)行測量，以此為依據(jù)對(duì)減溫水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，使蒸汽溫度保持在允許范圍內(nèi)。

3.4爐膛負(fù)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)

爐膛壓力是衡量鍋爐能否安全運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)，鍋爐的爐膛壓力如果過小，易導(dǎo)致噴火現(xiàn)象產(chǎn)生；爐膛壓力如果過大，則會(huì)使鍋爐產(chǎn)生漏風(fēng)現(xiàn)象，增大煙氣熱損失，影響鍋爐的經(jīng)濟(jì)燃燒。因此，有必要保持爐膛的壓力符合給定值。爐膛負(fù)壓主要受引風(fēng)量和送風(fēng)量影響，因此，控制引風(fēng)機(jī)的引風(fēng)流量是調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓的一個(gè)有效手段。然而，煤粉在鍋爐中燃燒時(shí)，會(huì)給爐膛負(fù)壓帶來脈沖振動(dòng)，影響調(diào)節(jié)器正常工作，傳統(tǒng)方法是在接收爐膛負(fù)壓信號(hào)前添加濾波器，但這便延遲了測量信號(hào)，導(dǎo)致爐膛負(fù)壓和給定值的偏差較大，因此需要引入前饋控制方式，以消除干擾。因此，PLC主要是通過控制引風(fēng)變頻器進(jìn)而調(diào)控引風(fēng)機(jī)的引風(fēng)流量來對(duì)爐膛負(fù)壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，而爐膛負(fù)壓的變化率又很快，所以需在控制回路中添加一個(gè)前饋PID控制器。

4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其配置

系統(tǒng)采用雙機(jī)冗余系統(tǒng)。上位機(jī)方面，使用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，分別用作主控和輔控。下位機(jī)方面，則采用邏輯與可編程控制器（即PLC）。上位機(jī)與下位機(jī)之間使用多點(diǎn)接口（MPI）進(jìn)行通訊，以便能夠統(tǒng)一監(jiān)控現(xiàn)場鍋爐，以及對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。操作人員利用上位機(jī)便可以對(duì)現(xiàn)場鍋爐進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而充分地了解它們運(yùn)行狀況，還可以遠(yuǎn)程控制風(fēng)機(jī)、球磨機(jī)等鍋爐內(nèi)部器件的啟動(dòng)和停止，以及對(duì)它們的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。另一方面，計(jì)算機(jī)還可以記錄現(xiàn)場每臺(tái)鍋爐在其運(yùn)行過程中的各種歷史數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，可以隨時(shí)進(jìn)行提取并打印。

系統(tǒng)計(jì)算機(jī)配置方面，計(jì)算機(jī)軟件部分采用微軟WINDOWS2000操作系統(tǒng)，組態(tài)軟件使用了西門子WINCCV5.1，PLC編程軟件使用基于西門子S7-300的SETUP7v5.2+sp1[3]。

邏輯與可編程控制器（PLC）方面，選用S7-315-DP作為CPU，其屬于西門子S7-300系列，內(nèi)置PID模塊，48K存儲(chǔ)器，I/O能擴(kuò)展到2048點(diǎn)，標(biāo)配西門子CP5611通訊卡[4]。

在安全措施方面，系統(tǒng)采用了通訊網(wǎng)絡(luò)冗余、PLC冗余以及電源冗余。雙通訊網(wǎng)絡(luò)冗余可以保證系統(tǒng)在某一網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，不受影響。而PLC冗余則是利用兩套PLC設(shè)備進(jìn)行控制，兩套設(shè)備的輸出均接至同一輸出端上，當(dāng)主控PLC出現(xiàn)問題是，輔控PLC接替工作。電源冗余是用兩路西門子SITOP電源經(jīng)二級(jí)管隔離后并聯(lián)到一起進(jìn)行供電，某一SITOP電源發(fā)生故障，不會(huì)影響系統(tǒng)正常工作。

5結(jié)語

目前，多數(shù)熱電廠在鍋爐控制方面仍采用傳統(tǒng)的用多臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)鍋爐控制回路進(jìn)行控制的分布式控制方式，這種方式不但可靠性差、效率低下，而且耗能嚴(yán)重。相比之下，采用PLC對(duì)熱電廠鍋爐進(jìn)行控制，在很大程度上減少了設(shè)備的維護(hù)成本，提高了系統(tǒng)工作效率，并且利用PLC中的PID模塊，可以將帶有閉環(huán)控制的變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于鍋爐控制中，提高了風(fēng)機(jī)的可調(diào)速性，進(jìn)而達(dá)到減小能耗、提高節(jié)能效果、提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量的目的，從而使鍋爐能夠經(jīng)濟(jì)可靠地運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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