南 貌

(寶雞職業(yè)技術學院, 陜西 寶雞 721013)

20世紀以來,隨著經濟社會的快速發(fā)展,鍋爐設備已經被應用到了現代工業(yè)的各個領域,是許多工業(yè)發(fā)展進步離不開的重要熱工設備[1-3]。工業(yè)鍋爐作為工業(yè)生產的熱能來源,整套鍋爐設備在工業(yè)生產過程中負責保持較高效率、穩(wěn)定安全地將燃料的化學能轉化為熱能,然后將產生的熱能通過轉化裝置變?yōu)樗璧哪茉葱螒B(tài)[4]。目前國內社會的各種資源作為工業(yè)快速發(fā)展的代價被消耗,環(huán)境資源受到很大的透支,工業(yè)鍋爐是在一次能源轉化為利于利用的二次能源過程中占據重要地位的動力設備,在為工業(yè)生產提供熱能中有著十分關鍵的作用[5-6]。為保證工業(yè)鍋爐能夠安全、高效地投入生產,減少燃燒過程中對環(huán)境資源的破壞,提高資源的利用率,需要引入自動化控制技術,提高鍋爐的控制水平,實現對工業(yè)鍋爐燃燒更加科學合理的控制。本文從這一問題出發(fā),基于PLC設計了一套工業(yè)鍋爐的自動控制系統(tǒng),希望可以促進工業(yè)鍋爐進一步發(fā)展,提高其整體節(jié)能環(huán)保水平[7-9]。

1 國內工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng)的發(fā)展現狀

直至今日,我國的主要燃料來源依舊是煤炭,而工業(yè)鍋爐中以煤炭為燃料的占有近七成的比例。近年來,科技水平的不斷提高,自動化控制技術也逐漸成熟,雖然這一過程提升了國內工業(yè)鍋爐的控制水平,但是國內以煤炭為燃料的工業(yè)鍋爐的運行狀態(tài)一直落后于國外的同類鍋爐。國內鍋爐主要存在以下幾點問題:第一點,鍋爐的實際運行效率較低,雖然在設計方案中效率為70%～80%,但是實際運行中一般只有60%左右,相較于國外近80%的平均效率,有著較大的提升空間;第二點,國內大多數燃煤設備的廢物排放嚴重超標,據目前對十八個重點城市的污染物統(tǒng)計,超過一半城市的工業(yè)鍋爐所造成的污染要比電站鍋爐嚴重,成為城市大氣污染的首要來源;第三點,國內處于運行狀態(tài)的大部分鍋爐控制技術落后,這也是工業(yè)鍋爐工作效率普遍低于國家標準的主要原因[10]。目前只有一些大型鍋爐采用DCS、FCS等等先進技術來提高鍋爐的控制水平與安全性,但是中小型鍋爐依據使用落后的控制儀表、繼電器控制方式,最后鍋爐系統(tǒng)較低的熱效率會浪費大量的環(huán)境資源。這一社會現象主要是因為中小企業(yè)無法承擔大型控制系統(tǒng)的昂貴費用[11]。

隨著環(huán)境污染和能源短缺問題的愈加嚴重,國家發(fā)展政策的改變,需要淘汰掉過去以犧牲環(huán)境,消耗資源來幫助經濟增長的生產方式,保證工業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護同步進行。在這一發(fā)展趨勢下,工業(yè)鍋爐的自動化控制要求被提高,中小企業(yè)只有升級優(yōu)化現有的控制技術來適應新時代前進腳步。因此,設計一種擁有合理價格,適用程度高,方便使用與維護的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)非常有必要。

2 工業(yè)鍋爐的結構與運行過程簡述

2.1 工業(yè)鍋爐結構的簡述

工業(yè)鍋爐可以分為鍋爐本體和輔助裝置,本體又可以分為鍋和爐兩個部分,圖1為燃煤工業(yè)鍋爐的平面結構示意圖。鍋主要負責接收燃料燃燒后產生的熱能,然后傳遞給鍋內的工質,由鍋殼、水冷壁、汽水分離裝置等多個部分組成;爐主要負責燃料燃燒,燃燒后熱能儲存在燃燒所產生的蒸汽中,由煤斗、爐膛、引風裝置等設備組成[12-13]。

圖1 工業(yè)鍋爐的整體結構圖

2.2 工業(yè)鍋爐工作過程簡述

燃料進入爐膛內部后,在燃燒設備中充分燃燒將內部的化學能轉化為熱能,再將產生的熱能通過熱輻射傳遞給鍋爐的受熱部分,受熱部分將熱量傳遞給水,水被蒸發(fā)為高溫高壓氣體后再通過轉化裝置供工業(yè)生產使用,具體的工作過程如下:

(1)燃料燃燒:準備好燃料放入煤斗中后,然后由爐排將其送入爐膛內部燃料燃燒,傳送完成,在開始燃燒之后,開啟引風裝置向爐膛內部不斷輸送氧氣,在不斷燃燒的過程中將燃燒完全的燃料移出燃燒層,傳送至壓渣機,經過壓渣機處理后傳送至渣斗內。

(2)熱量轉化:鍋爐燃燒燃料產生后的高溫蒸汽,通過熱輻射的方式與爐膛的水冷壁相互作用,通過排風裝置向上排出蒸汽,到達水平管道后,與熱能轉化裝置產生熱量交換。在降溫的同時進行脫硫及除塵處理,最終將符合標準的煙氣進行排放。

(3)加熱汽化:對加壓泵進行加壓,將煙氣中的熱能向加壓完畢的水中傳遞,然后通過管線進行省煤器,再次加熱后與鍋筒中的水一同進入下集箱中,通過汽水分離器將飽和蒸汽與液體分離后將飽和蒸汽傳送至過熱器中,再加熱后傳送至能量轉化裝置投入工業(yè)生產。

3 工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng)的總體設計

3.1 工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng)功能分析

根據目前工業(yè)發(fā)展對鍋爐的需求,設計一款主要由PLC、溫度變送器、變頻器、傳感器、電氣控制柜等等組成的工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng),系統(tǒng)的主要功能如下:①單動、聯動控制模式,根據鍋爐實際運行狀態(tài)智能調節(jié)鍋爐設備的電機轉速,消除人工操作的不穩(wěn)定性,實現自動化操作。②遠程控制,保證系統(tǒng)可以同時支持遠程控制與現場控制,通過操作臺和可編程控制器完成對整個系統(tǒng)的遠程控制。③系統(tǒng)監(jiān)測,在控制系統(tǒng)的各節(jié)點處安裝相應的傳感器,實時監(jiān)測系統(tǒng)內不同設備的各項運行數據,然后結合電機的工作狀態(tài)進行數據分析,最后通過人機交互平臺以圖表的形式進行展示。④警報功能,對工業(yè)鍋爐內的可能產生的危險部分設定報警程序,設定工作部分的上下限范圍,一旦工作狀態(tài)超出設定范圍立即發(fā)出報警信號,自動進行初步補救措施,提高工業(yè)鍋爐在運行過程中的安全性。

3.2 工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng)結構

本文采用西門子S7-300PLC作為下位機來進行對鍋爐燃燒過程、溫度水位等等的控制。將工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng)分為管理層、現場控制層、數據采集與分析層三個部分進行設計,分別對燃料燃燒、補水泵、循環(huán)泵三個工作過程進行控制,系統(tǒng)的結構框圖如圖2所示。

圖2 工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng)結構框圖

管理層即系統(tǒng)的上位機,由主控機與輔控機組成。為保證系統(tǒng)對鍋爐的遠程控制,在設定鍋爐運行過程時采用集中監(jiān)控、統(tǒng)一調控的遠測,使用MPI多點接口連接上位機與下位機PLC[14]。用戶可以通過觸控屏這一交互平臺完成信息交換來實時監(jiān)測現場設備的運行狀態(tài),根據實際情況及時對運行參數進行調整或及時關閉、開啟相應設備。

現場控制層以西門子S7-300系列的可編程控制器作為核心,接收到上位機傳來的控制指令后,由總線連接變頻器和下位機,來完成對電機設備的轉速調整和啟?？刂?。

數據采集與分析層主要負責對工業(yè)鍋爐工作數據進行收集、分析及處理[15]。包括變送器采集負荷容量、回水溫度、蒸汽流量等設備運行參數的收集,然后將參數轉化為電流信號傳送至下位機PLC將信號進行分析處理。

3.3 系統(tǒng)控制電路

考慮到工業(yè)鍋爐在工作過程中會出現強弱電之間的隔離問題,通過編寫PLC程序來完成電機、繼電器、接觸器之間的控制操作。在PLC輸出端口與交流電接觸器之間安裝中間繼電器,將這種方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)直接與交流接觸器連接的控制操作方式,提高了控制回路的整體安全性與可靠性,也增強了控制對外界的抗干擾能力。控制系統(tǒng)可以同時完成手動控制與系統(tǒng)控制,對電路進行過載、過電壓、過電流等保護。綜合上述所需的功能,所設計的控制電路示意圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制電路示意圖

3.4 控制系統(tǒng)的硬件選擇

首先是主機的選擇,選用雙機冗余系統(tǒng)作為主機系統(tǒng),即兩臺工業(yè)計算機作為主要硬件裝置,分別為主控機與輔控機;其次是可編輯控制器的選擇,本文采用西門子的S7-300系列可編輯控制器,這一系列的控制器由電源、CPU、信號、接口、功能、通信處理器、導軌等等模塊組成,擁有編輯方式簡單方便、模塊化工作、強抗干擾能力、指令功能風度、維修成本低且維修方便等優(yōu)點,很好地滿足了中小企業(yè)對自動控制系統(tǒng)的各項生產需求;其次,儀表設備的選擇需要能夠保證控制系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定工作,加強所有的儀表需要進行抗干擾設計;最后是變頻控制室的選擇,本文采用三菱公司的FR系列變頻器,該變頻器具有控制功能強、通訊能力穩(wěn)定、噪聲小等優(yōu)勢。

3.5 控制系統(tǒng)的抗干擾設計

干擾信號大致分為四種類型:外界電源干擾、外部空間電磁輻射干擾、信號傳輸線干擾、數字電路干擾。綜合考慮后采用出以下四種措施抗干擾:

(1)安裝屏蔽裝置,使用有較強性能的電源來抵御干擾,對CPU、PLC等進行屏蔽,保證電源的穩(wěn)定性、可靠性及安全性。

(2)電纜的選擇,選用具有較強屏蔽性能的電纜來減少工作電纜之間的電磁干擾。在鋪設電纜時,然后在電纜鋪設時,分別對動力線、電源線、控制線進行配線,采用雙絞線的鋪設方式連接,減少系統(tǒng)內部工作電纜之間的干擾。

(3)優(yōu)化接地系統(tǒng),接地在有效保證工作人員與工作設備的安全之外還能抑制外界對系統(tǒng)的干擾。為減少輸入、輸出端之間的干擾,結合系統(tǒng)工作信號頻率,根據實際情況采用多點接地或者一點接地方式優(yōu)化接地系統(tǒng),增強系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結 語

國內工業(yè)經濟不斷發(fā)展,未來會有更多的中小工業(yè)涌入國內市場,本文就中小企業(yè)的生產需求出發(fā),基于PLC技術,分管理層、現場控制層、數據收集與分析層三個層面設計了一種成本較低,適用范圍廣的工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng),在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎上做了全面優(yōu)化和更新,實現工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的自動化,在系統(tǒng)的安全性和可靠性上有了較大的提升,為中小企業(yè)節(jié)約生產成本的同時滿足了其對工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng)的需求。