劉成偉 聞娜 高勇 吳俊芹 方紅彬 謝青海

摘 要：該文介紹了基于WinCC組態(tài)的鍋爐廢氣余熱回收監(jiān)控系統(tǒng)，余熱利用的現(xiàn)狀，系統(tǒng)的總體設(shè)計思路，結(jié)合控制要求介紹了系統(tǒng)的組成、硬件配置、程序設(shè)計、組態(tài)界面的組成及開發(fā)過程，通過采用西門子PLC設(shè)備與WinCC組態(tài)實現(xiàn)對廢氣余熱回收系統(tǒng)的監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：PLC 節(jié)能 余熱回收 WinCC

中圖分類號：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（a）-0066-02

余熱是各種生產(chǎn)過程中未能被充分利用的熱能，如冶金廢氣爐渣余熱、冷卻介質(zhì)殘存的余熱、廢水余熱、高溫產(chǎn)品余熱等，均為多余、未利用或廢棄的能源。各種余熱資源在消耗資源中占有很大的比例，而很多余熱資源還可以被回收利用。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，資源的日趨緊缺，環(huán)保越來越被人們所重視，節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，國家節(jié)能政策的陸續(xù)出臺，提高能源使用的效率日益重要。其中充分利用余熱成為重要有效的節(jié)能措施之一。工業(yè)鍋爐是我國目前廣泛使用的重要熱能動力設(shè)備，鍋爐的煙氣排放是其能耗高、污染高的主要原因，煙氣攜帶污染物對大氣造成污染，煙氣又帶走了大量的余熱。對鍋爐廢氣進(jìn)行余熱回收可以降低所排煙氣溫度，充分利用資源，大大提升設(shè)備運行效率，同時使煙氣中可凝性污染氣體凝結(jié)，可以降低大氣污染。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)對于帶有余熱的工業(yè)廢氣進(jìn)行回收處理，回收其剩余能量，起到節(jié)能作用，再輔以廢氣處理裝置，同時能進(jìn)行除塵、減少污染氣體排放，系統(tǒng)利用PLC作為控制器對系統(tǒng)中的煙風(fēng)系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)以及各循環(huán)泵、補水泵、電動閥門等設(shè)備進(jìn)行控制，并對運行情況進(jìn)行實時監(jiān)控，在監(jiān)控室的計算機用WinCC組態(tài)的監(jiān)控畫面上進(jìn)行體現(xiàn)和控制，針對不同的情況對煙氣余熱進(jìn)行回收，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1.1 工藝概述

高溫廢氣由進(jìn)氣口進(jìn)入煙風(fēng)系統(tǒng)中，先經(jīng)過過熱器對飽和蒸汽進(jìn)行加熱產(chǎn)生過熱蒸汽，然后經(jīng)過省煤器等熱交換設(shè)備，與汽水系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，對流經(jīng)省煤器的冷水進(jìn)行預(yù)熱，產(chǎn)生的預(yù)熱水流入汽包，加熱產(chǎn)生過熱蒸汽供用戶使用，煙氣最終由引風(fēng)機抽出，經(jīng)過廢氣處理裝置處理后排入到空氣中；汽水系統(tǒng)主要由汽包、強壓循環(huán)系統(tǒng)、給水補水系統(tǒng)組成，包括省煤器、除氧器、強壓循環(huán)泵、給水泵、補水泵、電動閥、管道等設(shè)備，水源從進(jìn)水口經(jīng)過軟水管進(jìn)入軟水箱，由補水泵組抽出到達(dá)除氧器中進(jìn)行除氧，除氧后由給水泵組抽出進(jìn)入省煤器，在省煤器中與煙氣系統(tǒng)中的煙氣進(jìn)行熱交換進(jìn)入汽包；汽包中的水由強制循環(huán)泵組進(jìn)入強制循環(huán)管道，與煙風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，提高循環(huán)水的溫度。

1.2 控制要求

系統(tǒng)以PLC為控制核心進(jìn)行自動控制，系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)時，可以有兩種模式進(jìn)行控制，一種為通過上位機上的監(jiān)控畫面進(jìn)行控制，作為上位機的工控機上運行WinCC組態(tài)監(jiān)控軟件，現(xiàn)場各種參數(shù)和各設(shè)備的運行狀態(tài)由傳感器測得后傳送到PLC中，通過PLC處理后將各種參數(shù)值以及設(shè)備運行情況傳送到上位機中，在上位機上顯示運行狀態(tài)，進(jìn)行生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控，監(jiān)控畫面中的操作將命令傳遞給PLC，控制設(shè)備的運行；還可以基于PLC中的程序進(jìn)行自動控制，在這種模式下，可以根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的程序在無人操作的情況下用PLC進(jìn)行全自動控制，用PLC控制系統(tǒng)各電機、泵、電磁閥等設(shè)備的運行，并將在上位機顯示各設(shè)備運行狀態(tài)和參數(shù)值，實現(xiàn)系統(tǒng)的全自動控制；部分設(shè)備可以在現(xiàn)場的控制柜進(jìn)行手動操作，系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場緊急情況，控制閥門、水泵、風(fēng)機等設(shè)備的運行。

在系統(tǒng)運行過程中，要完成的主要任務(wù)有：維持余熱回收系統(tǒng)的正常運行，監(jiān)控并保持適當(dāng)?shù)臍鈮号c汽溫；確保汽水系統(tǒng)中各設(shè)備給水并維持適當(dāng)?shù)乃?；確保產(chǎn)生的飽和蒸汽的品質(zhì)；煙風(fēng)系統(tǒng)出口煙氣的溫度應(yīng)穩(wěn)定在合適的范圍內(nèi)；保證鍋爐密閉，防止漏氣；保證清灰裝置、水泵、風(fēng)機等設(shè)備的正常運行等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于WinCC組態(tài)的鍋爐廢氣余熱回收監(jiān)控系統(tǒng)主要由溫度和壓力測量模塊、PLC控制模塊、上位機用戶組態(tài)操作界面及各種執(zhí)行機構(gòu)組成。溫度和壓力測量模塊主要通過溫度和壓力傳感器完成煙風(fēng)系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)中各點溫度、壓力數(shù)據(jù)的采集；傳送到PLC控制模塊進(jìn)行運算處理后控制閥門、泵等執(zhí)行機構(gòu)的運行，同時在上位機組態(tài)界面上進(jìn)行監(jiān)控，用戶還可以在上位機組態(tài)界面上設(shè)置各種參數(shù)，控制其他模塊的運行。

上位機采用具有較高的性能及可靠性的工控機，可以運行西門子PLC編程軟件和WinCC組態(tài)軟件；主控制器采用西門子高性能PLC，型號為CPU414H，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和通信功能，并配有通信模塊，可以利用PROFIBUS總線同分布式I/O模塊間的信息交換；使用CP443-1模塊作為通訊處理器，連接到工業(yè)以太網(wǎng)，與上位機之間的連接，構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)。系統(tǒng)共使用水泵8臺，3臺中壓強制循環(huán)泵，采用施耐德ATS48C32Q軟啟動器進(jìn)行啟動；3臺鍋爐給水泵，2臺鍋爐補水泵，既可以在現(xiàn)場進(jìn)行操作，又可以在中控室進(jìn)行操作，系統(tǒng)在上位機對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，對現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行控制。還設(shè)置了多個電動閥：補水電動閥、汽包電動放散閥、外部蒸汽送汽包電動閥、鍋爐卸灰閥等，可以在中控室根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的程序進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計由上位機監(jiān)控軟件設(shè)計和PLC控制程序設(shè)計兩部分。監(jiān)控軟件采用的是西門子WinCC組態(tài)軟件；PLC程序設(shè)計采用西門子STEP 7編程軟件，用于PLC配置和編程。

利用西門子WinCC組態(tài)軟件對系統(tǒng)監(jiān)控界面進(jìn)行開發(fā)，繪制系統(tǒng)監(jiān)控畫面，根據(jù)系統(tǒng)控制要求，用WinCC組態(tài)軟件提供的圖形、設(shè)備控件來繪制監(jiān)控界面中的余熱回收系統(tǒng)，輔以圖形、動作、實時數(shù)據(jù)顯示等，組成全系統(tǒng)的監(jiān)控界面，完成整個余熱回收系統(tǒng)的生產(chǎn)過程的管理和控制，并可顯示煙氣溫度、蒸汽溫度、管道壓力、管道水溫等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，還可以記錄分析實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，便于對整個生產(chǎn)過程經(jīng)驗總結(jié)和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化。該系統(tǒng)共設(shè)計了主界面、煙氣系統(tǒng)界面、汽水系統(tǒng)界面、吹灰系統(tǒng)界面、水冷系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)、信息管理等10余幅界面，在每個界面都設(shè)有對應(yīng)的功能鍵，在監(jiān)控系統(tǒng)運行的過程中還可以通過相應(yīng)功能按鍵完成系統(tǒng)部分參數(shù)的修改和設(shè)備的控制。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)實現(xiàn)了鍋爐廢氣余熱回收的實時監(jiān)控與自動控制，提高了設(shè)備的自動化程度和易用程度，便于掌握設(shè)備運行情況?；厥諒U氣中的余熱的同時減少廢氣中污染氣體的含量，有效地提高了鍋爐的效率，節(jié)能效果顯著，同時也改善了環(huán)境。

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