牛壯(上海市安裝工程集團(tuán)有限公司，上海 200085)

0 引言

鍋爐的群控技術(shù)，主要目的在于保證鍋爐安全運(yùn)行、水的溫度穩(wěn)定達(dá)到所需標(biāo)準(zhǔn)的條件下，使鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效率最大化。而目前對于鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，大多是通過壓力、溫度[1-2]、風(fēng)量[3-5]、給煤量[6]等影響鍋爐燃燒性能的某一個(gè)或幾個(gè)環(huán)境變量的方法，提高鍋爐的燃燒性能，以及通過汽包水位，控制水泵的啟停，以使鍋爐安全運(yùn)行[7]，而對于項(xiàng)目整個(gè)鍋爐控制系統(tǒng)的總結(jié)研究不多。

本文針對大中里綜合發(fā)展項(xiàng)目的燃油燃?xì)忮仩t群控系統(tǒng)，將西門子PCL及全中文工控組態(tài)軟件作為核心部件對多臺(tái)鍋爐進(jìn)行控制，主要通過對鍋爐的單控和群控、鍋爐及水泵的排序以及鍋爐所處狀態(tài)進(jìn)行控制，在安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，使鍋爐運(yùn)行效率達(dá)到最大化，并在此基礎(chǔ)上，對鍋爐系統(tǒng)中的一次循環(huán)泵及各種閥門所處狀態(tài)開啟、關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行一定的控制，以避免對設(shè)備造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

大中里綜合發(fā)展項(xiàng)目40號地塊T1、T2及商業(yè)部分空調(diào)熱源采用燃?xì)馊加?燃油備用)兩用承壓熱水鍋爐，鍋爐房位于B2F，設(shè)置有6臺(tái)富爾頓FBD型承壓型熱水鍋爐，其中4臺(tái)5 600 kW，2臺(tái)2 800 kW，4臺(tái)5 600 kW鍋爐和2臺(tái)2 800 kW鍋爐分別自成獨(dú)立的子系統(tǒng)，并通過共同的供水總管和回水總管聯(lián)接成為一個(gè)總系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采暖季節(jié)時(shí)開啟運(yùn)行4臺(tái)5 600 kW鍋爐，非采暖季節(jié)時(shí)則開啟運(yùn)行2臺(tái)2 800 kW鍋爐。

本燃油燃?xì)忮仩t群控系統(tǒng)根據(jù)操作規(guī)程及控制要求設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用德國西門子PLC或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和控制核心，使用全中文工控組態(tài)軟件進(jìn)行上位控制，運(yùn)行情況集中在監(jiān)控室中顯示，并提供記錄和分析，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警、排查等實(shí)際有效的功能。項(xiàng)目采用10英寸的液晶觸摸屏或19寸的液晶顯示器作為系統(tǒng)的監(jiān)視平臺(tái)，同時(shí)根據(jù)需求預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，可實(shí)現(xiàn)總控室的遠(yuǎn)程監(jiān)控，如圖1所示。

圖1 鍋爐群控系統(tǒng)的原理圖

2 系統(tǒng)功能介紹

本鍋爐群控系統(tǒng)采用工控觸摸屏+工控計(jì)算機(jī)+西門子PLC+組態(tài)軟件的監(jiān)控方式與鍋爐本機(jī)專業(yè)鍋爐控制器相結(jié)合的雙路控制系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)群控功能，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)由專業(yè)鍋爐控制器控制單臺(tái)鍋爐自動(dòng)運(yùn)行[2]。群控時(shí)，由PLC控制器根據(jù)監(jiān)測到的熱水系統(tǒng)溫度變化等參數(shù)來控制鍋爐啟停臺(tái)數(shù)和鍋爐負(fù)荷輸出。當(dāng)群控系統(tǒng)不能工作時(shí)，獨(dú)立的鍋爐本機(jī)專業(yè)控制器可自行控制鍋爐單機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，并調(diào)節(jié)鍋爐的負(fù)荷輸出避免因PLC故障導(dǎo)致用戶停爐。

控制系統(tǒng)支持開放的通信協(xié)議，支持MODBUS RTU通信協(xié)議的技術(shù)要求，并帶有開放協(xié)議的BA接口和留有標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)RS232或RS485通訊接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視?？刂婆_(tái)采用人機(jī)對話界面，有高清圖形畫面顯示(配備顯示器)，如圖，具有可靠性高、自動(dòng)化程度高、使用方便、操作簡單、功能豐富、控制靈活、外形優(yōu)美、可實(shí)現(xiàn)無人操作、專人使用開機(jī)密碼專人操作等優(yōu)點(diǎn)。

整個(gè)鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了PLC控制及強(qiáng)電手動(dòng)操作兩部分，控制系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)相對獨(dú)立，具備了較完善功能。在PLC控制或強(qiáng)電手動(dòng)控制的情況下，燃燒器可以實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)具有爐膛自動(dòng)吹掃程序，并具有爐膛火焰自動(dòng)檢測功能；(2)具有燃燒自動(dòng)點(diǎn)火程序，點(diǎn)火失敗可以自動(dòng)進(jìn)入聯(lián)鎖保護(hù)并報(bào)警的功能；(3)具有燃燒的安全運(yùn)行聯(lián)鎖保護(hù)功能；(4)具有停電再來電鍋爐處于待機(jī)狀態(tài)保護(hù)功能；(5)具有故障待機(jī)保護(hù)功能；(6)燃燒器故障報(bào)警，并能自動(dòng)停機(jī)，需手動(dòng)復(fù)位；(7)燃?xì)鈮毫Ω?低自動(dòng)檢測，超高超低均進(jìn)入聯(lián)鎖保護(hù)；(8)風(fēng)壓低聯(lián)鎖保護(hù)功能，并能自動(dòng)停機(jī)；(9)燃燒器空氣/燃料自動(dòng)全程比例調(diào)節(jié)。

2.1 PLC控制

可編程邏輯控制器PLC自控系統(tǒng)可以自動(dòng)識別故障，在出現(xiàn)以下故障時(shí)鍋爐PLC自控系統(tǒng)會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)，并聲光報(bào)警。

鍋爐溫度超高保護(hù)：系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)熱水鍋爐溫度超出設(shè)定的高限工作溫度時(shí)，“電腦屏幕”上“熱水溫度超溫故障”指示燈閃爍，中文顯示：“熱水溫度超溫故障”，自動(dòng)停機(jī)，并聲光報(bào)警指示，需手動(dòng)復(fù)位。

鍋爐缺水故障保護(hù)：系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)鍋爐缺水時(shí)，“電腦屏幕”上“低水位故障”指示燈閃爍，中文顯示：“低水位故障”，自動(dòng)停機(jī)聯(lián)鎖，并聲光報(bào)警顯示，需手動(dòng)復(fù)位。

斷電故障保護(hù)：系統(tǒng)運(yùn)行過程中，出現(xiàn)供電系統(tǒng)突然斷電，自動(dòng)停機(jī)，再次供電時(shí)，可編程邏輯控制器“PLC”使鍋爐處于停機(jī)狀態(tài)，確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

燃燒熄火故障保護(hù)：燃燒器如因各種原因不能正確點(diǎn)火或燃燒過程中出現(xiàn)熄火，“電腦屏幕”上“熄火故障”指示燈閃爍，中文顯示：“熄火故障”聯(lián)鎖關(guān)閉燃燒器，需手動(dòng)復(fù)位。

燃?xì)鈮毫Ξ惓１Ｗo(hù)：當(dāng)供氣壓力超出燃燒器正常工作壓力范圍時(shí)，“電腦屏幕”上“燃?xì)鈮毫Φ突蚋摺敝甘緹糸W爍，中文顯示：“燃?xì)鈮毫Φ突蚋摺?，聲光?bào)警指示，連鎖關(guān)閉燃燒器，需手動(dòng)復(fù)位。

傳感器故障識別與保護(hù)：系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)溫度傳感器發(fā)生斷路事故時(shí)，“電腦屏幕”上的“溫度傳感器故障”指示燈閃爍，中文顯示：“溫度傳感器故障”且聲光報(bào)警，并同時(shí)停止運(yùn)行燃燒器設(shè)備。

電機(jī)負(fù)荷保護(hù)：通過自動(dòng)空氣斷路器，三相交流接觸器，過載保護(hù)熱繼電器，保護(hù)線路、對電機(jī)設(shè)備在運(yùn)行過程中的短路、缺相、過載、過流、欠壓、失壓等起良好的保護(hù)。

控制系統(tǒng)與消防系統(tǒng)溝通，當(dāng)有氣體泄漏或鍋爐房及生火警時(shí)，控制系統(tǒng)停止機(jī)組運(yùn)行。

2.2 強(qiáng)手動(dòng)控制

緊急停止開關(guān)；主電源指示燈；鍋爐啟動(dòng)/停止控制開關(guān)及鍋爐運(yùn)行狀態(tài)指示燈；燃燒器負(fù)荷調(diào)節(jié)控制開關(guān)及大小火變化指示燈；鍋爐高/極低水位指示燈(熱水鍋爐無高水位指示燈)；熄火故障指示燈；故障報(bào)警器及消音按鈕；燃燒管理程控器手動(dòng)復(fù)位按鈕。

2.3 燃燒設(shè)備控制

啟?？刂疲寒?dāng)滿足所有鍋爐啟動(dòng)條件及鍋爐熱水溫度又低于設(shè)定的熱水溫度下限時(shí)，啟動(dòng)燃燒管理程控器，使燃燒器處于運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)鍋爐燃燒器處于運(yùn)行狀態(tài)且熱水溫度達(dá)到設(shè)定的熱水溫度上限時(shí)，關(guān)閉燃燒管理程控器，使燃燒設(shè)備處于停止?fàn)顟B(tài)。

燃燒負(fù)荷調(diào)節(jié)：控制系統(tǒng)啟動(dòng)燃燒管理程控器，燃燒管理程控器啟動(dòng)燃燒點(diǎn)火程序，當(dāng)鍋爐正常燃燒后，進(jìn)入燃燒負(fù)荷調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時(shí)，由燃燒器自己根據(jù)熱水溫度直接調(diào)節(jié)燃燒負(fù)荷量。燃燒器負(fù)荷調(diào)節(jié)為全程比例式，由燃燒器自己根據(jù)熱水溫度按比例直接調(diào)節(jié)燃燒負(fù)荷量。

當(dāng)熱水溫度達(dá)到設(shè)定的熱水溫度上限時(shí)，進(jìn)入停止燃燒過程，關(guān)閉燃燒器。

2.4 群控系統(tǒng)

根據(jù)運(yùn)行的負(fù)荷量設(shè)定投入運(yùn)行的鍋爐臺(tái)數(shù)，分別可以設(shè)定蒸汽鍋爐和熱水鍋爐群控運(yùn)行。群控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判斷并決定投入響應(yīng)的運(yùn)行的鍋爐設(shè)備臺(tái)數(shù)，根據(jù)每臺(tái)鍋爐設(shè)備累計(jì)運(yùn)行的時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行平衡。

2.5 控制柜其他主要功能

(1)通訊功能：本系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)RS-485，RS232，通訊接口，具有與上位計(jì)算機(jī)連接以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控或與“DCS”“FCS”系統(tǒng)連網(wǎng)，上傳鍋爐運(yùn)行工況參數(shù)。

(2)幫助功能：系統(tǒng)具有中文幫助功能窗口，窗口內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)全中文顯示操作方法、使用方式、維護(hù)方式、故障排除等相關(guān)信息，便于使用者在初期更快的熟悉掌握計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的操作應(yīng)用。

(3)密碼認(rèn)證：相關(guān)權(quán)限的密碼只能進(jìn)入相應(yīng)的功能模塊。操作員經(jīng)密碼驗(yàn)證可進(jìn)入開/關(guān)機(jī)、及手動(dòng)操作，管理員經(jīng)密碼驗(yàn)證可進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置，工程師級經(jīng)密碼驗(yàn)證可進(jìn)入以上所有功能模塊。

(4)信息記錄與查詢功能：控制系統(tǒng)在正常工作時(shí)，會(huì)定期記錄鍋爐運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，包括燃燒設(shè)備、給水泵等設(shè)備累計(jì)運(yùn)行工作的時(shí)間、設(shè)備運(yùn)行工作的狀況等其他多項(xiàng)工況參數(shù)。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)將及時(shí)記錄相關(guān)的故障信息，同時(shí)，系統(tǒng)電腦屏幕可存儲(chǔ)大量的時(shí)間信息，并可以自動(dòng)生成相關(guān)的工作報(bào)表及故障信息表格，存儲(chǔ)的信息可通過查詢鍵在電腦屏幕上查詢，也可打印輸出。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)

鍋爐群控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對各臺(tái)鍋爐的單獨(dú)控制以及對整個(gè)系統(tǒng)的群體控制功能，因此可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能。同時(shí)，可以平衡每臺(tái)鍋爐設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)(也可以遠(yuǎn)程手動(dòng))切換啟、停各臺(tái)鍋爐設(shè)備，以增加設(shè)備的利用率。而鍋爐啟、停的控制序列可根據(jù)項(xiàng)目的控制需求通過軟件事先設(shè)定。在采暖季和非采暖季，由鍋爐群控PLC控制柜依據(jù)各鍋爐子系統(tǒng)的總管供水溫度，對鍋爐進(jìn)行群控，并自動(dòng)調(diào)整每臺(tái)鍋爐設(shè)備的開啟運(yùn)行。

鍋爐設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷問題是項(xiàng)目中存在多臺(tái)鍋爐時(shí)必須考慮的一個(gè)問題，而本項(xiàng)目可以在系統(tǒng)軟件中通過統(tǒng)計(jì)鍋爐啟停次數(shù)和每臺(tái)鍋爐的累計(jì)工作時(shí)間，通過軟件自身的排序功能，平均分配每臺(tái)鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷。鍋爐群控系統(tǒng)采用開放式通訊協(xié)議，可以與熱力監(jiān)控系統(tǒng)或者能源中心數(shù)據(jù)站建立通訊，使兩個(gè)系統(tǒng)之間完成數(shù)據(jù)交互，當(dāng)通訊正常，可以在熱力監(jiān)控系統(tǒng)畫面或能源中心數(shù)據(jù)站畫面上直接設(shè)定鍋爐群控的啟停順序，也可以直接控制鍋爐的啟動(dòng)/停止(需要在熱力監(jiān)控系統(tǒng)畫面或則能源中心數(shù)據(jù)站畫面上設(shè)定權(quán)限，防止誤操作)。

3.2 燃油燃?xì)忮仩t單控/群控設(shè)計(jì)

單控：當(dāng)鍋爐PLC控制柜切換到遠(yuǎn)程控制，鍋爐無影響停機(jī)故障，通訊正常，可以在鍋爐群控畫面上直接啟動(dòng)/停止鍋爐。

群控：當(dāng)鍋爐PLC控制柜切換到遠(yuǎn)程控制，鍋爐無影響停機(jī)故障，通訊正常，根據(jù)鍋爐的啟停排列順序自動(dòng)控制鍋爐的啟動(dòng)/停止。順序方式加載啟動(dòng)設(shè)備，逆序方式減載停機(jī)設(shè)備。

3.3 燃油燃?xì)忮仩t和水泵的排序設(shè)計(jì)

鍋爐排序可分為手動(dòng)排序/自動(dòng)排序兩種。

手動(dòng)排序：操作員手動(dòng)設(shè)定鍋爐的啟動(dòng)順序；

自動(dòng)排序：采用時(shí)間均衡法，采暖季時(shí)，僅運(yùn)行4臺(tái)5 600 kW鍋爐子系統(tǒng)，對4臺(tái)5 600 kW以及對應(yīng)的5臺(tái)水泵設(shè)定一個(gè)輪換比較時(shí)間(2～24 h)，群控啟用后，PLC程序根據(jù)輪換比較時(shí)間，每隔(2～24 h)，自動(dòng)計(jì)算每臺(tái)鍋爐(以及水泵)運(yùn)行累積時(shí)間，運(yùn)行時(shí)間越短，序號越小，運(yùn)行時(shí)間越大，序號越大。比如 1號鍋爐運(yùn)行50 h，2號鍋爐運(yùn)行30 h，3號鍋爐運(yùn)行20 h，4號鍋爐運(yùn)行40 h，那么程序自動(dòng)排列順序是：1號鍋爐序號為4，2號鍋爐序號為3，3號鍋爐序號為1,4號鍋爐序號為2。非采暖季時(shí)，僅運(yùn)行2臺(tái)2 800 kW鍋爐子系統(tǒng)，排序方法與4臺(tái)相同，比如1號鍋爐運(yùn)行50 h，2號鍋爐運(yùn)行40 h，那么程序自動(dòng)排列順序是： 1號鍋爐序號為2，2號鍋爐序號為1。

3.4 燃油燃?xì)忮仩t加載/減載設(shè)計(jì)

根據(jù)鍋爐總管出水溫度來進(jìn)行增機(jī)/減機(jī)控制。

增機(jī)控制：設(shè)定4臺(tái)5 600 kW鍋爐(采暖季)或2臺(tái)2 800 kW鍋爐(非采暖季)總管供水溫度中心值，當(dāng)總管供水溫度測定值小于設(shè)定值時(shí)，說明需要增加負(fù)荷，此時(shí)自動(dòng)開啟未在運(yùn)行的序號較小(即運(yùn)行時(shí)間較短)的那臺(tái)5 600 kW鍋爐(采暖季)或2 800 kW鍋爐(非采暖季)的出水電動(dòng)閥，同時(shí)開啟該子系統(tǒng)一臺(tái)序號較小一次循環(huán)水泵，延時(shí)到設(shè)定時(shí)間自動(dòng)增開該臺(tái)鍋爐。

減機(jī)控制：設(shè)定4臺(tái)5 600 kW鍋爐(采暖季)或2臺(tái)2 800 kW鍋爐(非采暖季)總管供水溫度中心值，當(dāng)總管供水溫度測定值大于設(shè)定值時(shí)，說明需要減小負(fù)荷，此時(shí)立即自動(dòng)關(guān)閉正在運(yùn)行的序號較大(即運(yùn)行時(shí)間較長)的那臺(tái)鍋爐，延時(shí)到設(shè)定時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉對應(yīng)電動(dòng)閥和正在運(yùn)行的該子系統(tǒng)序號較大的一臺(tái)一次循環(huán)水泵。

3.5 燃油燃?xì)忮仩t一次循環(huán)泵控制設(shè)計(jì)

鍋爐一次循環(huán)泵控制可分為本地/遠(yuǎn)程控制。本地模式：控制權(quán)交由就地循環(huán)泵電氣控制盤開關(guān)控制。PLC程序只監(jiān)不控。遠(yuǎn)程模式：控制權(quán)交由PLC程序控制。

水泵的排序：水泵排序可分為手動(dòng)排序/自動(dòng)排序兩種。手動(dòng)排序：操作員手動(dòng)設(shè)定水泵的啟動(dòng)順序。自動(dòng)排序：參見上述鍋爐的自動(dòng)排序方式

鍋爐一次循環(huán)泵手動(dòng)/自動(dòng)控制。熱水一次循環(huán)泵切換到遠(yuǎn)程模式后，在上位機(jī)上又可分為手動(dòng)/自動(dòng)控制。手動(dòng)：熱水一次循環(huán)泵無故障，操作員在上位機(jī)上可直接啟動(dòng)/停止。自動(dòng)：每需要一臺(tái)鍋爐啟動(dòng)時(shí)，對應(yīng)鍋爐出水電動(dòng)閥應(yīng)先于鍋爐開啟，循環(huán)泵無故障，自動(dòng)啟動(dòng)與該鍋爐所在子系統(tǒng)的序號較小(即累計(jì)運(yùn)行時(shí)間較短)的那臺(tái)熱水一次循環(huán)泵。延時(shí)到設(shè)定時(shí)間才能開啟鍋爐。程序未收到電動(dòng)閥開啟信號時(shí)，水泵停機(jī)并報(bào)警。

每有一臺(tái)鍋爐停止，對應(yīng)鍋爐的出水電動(dòng)閥應(yīng)延時(shí)到設(shè)定時(shí)間后才關(guān)閉，并在關(guān)閉電動(dòng)閥同時(shí)停止一臺(tái)序號較大(即運(yùn)行時(shí)間較長)的熱水一次循環(huán)泵。

如果關(guān)閉的是最后一臺(tái)鍋爐，出水電動(dòng)閥及最后一臺(tái)在運(yùn)行的水泵則不應(yīng)關(guān)閉，直到有一臺(tái)需要鍋爐開啟為止，以保證媒介水系統(tǒng)的水流循環(huán)。

3.6 燃油燃?xì)忮仩t出水電動(dòng)閥控制設(shè)計(jì)

手動(dòng)：操作員在上位機(jī)上可直接開啟/關(guān)閉鍋爐出水電動(dòng)閥。

自動(dòng)：鍋爐需要啟動(dòng)前，應(yīng)先開啟鍋爐對應(yīng)出水電動(dòng)閥及1臺(tái)序號最小水泵，延時(shí)到設(shè)定時(shí)間后鍋爐才能開啟，如程序未收到出水電動(dòng)閥全開信號，一次循環(huán)水泵停機(jī)并報(bào)警。

鍋爐停機(jī)后，延時(shí)到設(shè)定時(shí)間后停止序號最大的熱水一次循環(huán)泵，同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉鍋爐對應(yīng)出水電動(dòng)閥。如果關(guān)閉的是最后一臺(tái)鍋爐，出水電動(dòng)閥及最后一臺(tái)在運(yùn)行的水泵則不應(yīng)關(guān)閉，直到有一臺(tái)需要鍋爐開啟為止，以保證媒介水系統(tǒng)的水流循環(huán)。

4 結(jié)語

本文對大中里項(xiàng)目的燃油燃?xì)忮仩t的群控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，本項(xiàng)目通過PLC和上位機(jī)組成的控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)軟件中通過統(tǒng)計(jì)鍋爐啟停次數(shù)和每臺(tái)鍋爐的累計(jì)工作時(shí)間，通過軟件自身的排序設(shè)計(jì)功能，平均分配每臺(tái)鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷，及其附屬設(shè)備的運(yùn)行起止時(shí)間，達(dá)到鍋爐經(jīng)濟(jì)性能最大化的目的。