锅炉控制及PLC应用

摘要: 在当今各种工业企业的动力设备中，锅炉仍然是一重要的组成部分。随着现代化工业的飞速发展，对能源利用率的要求越来越高，作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理随之要求越来越高。但在我们国家，除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术外，绝大多数中小企业所用的锅炉，如1OT/h、2OT/h锅炉，大部分还在采用仪表/继电器控制，甚至还是人工操作，自动投入率一直不高，造成电站锅炉运行工况很不稳定，燃烧效率低，厂用电率高，严重影响锅炉的安全经济运行，如何提高中小型电站锅炉的安全、经济运行水平，减少事故，提高设备(系统)效率，降低煤耗和厂用电率，成为一个亟待解决的问题。随着经济和科技水平的不断提高，节能和环保也被提上日程，越来越受到全世界人民的重视。因此，锅炉燃烧系统对于锅炉的燃烧控制也提出了全新的要求，为此在深刻分析锅炉原控制系统的基础上，针对锅炉控制系统在应用上的问题提出用可编控制器PLC 锅炉控制系统的应用。当前PLC应用中存在的这些问题，在一定程度上阻碍了它的推广应用，有的造成了不应有的经济损失，因此值得有关方面给予重视。笔者就锅炉控制及PLC的应用作一浅析。

关键词：锅炉控制；PLC研究；应用

Abstract: in today's all kinds of industrial enterprise of power equipment, remains an important part of the boiler. With the rapid development of modern industry, more and more high to the requirement of energy efficiency, as the primary energy is converted into secondary energy, one of the important equipment of boiler, the control and management with the demand is higher and higher. But in our country, except for some large and medium-sized boiler adopts the advanced control technology, the vast majority of small and medium-sized enterprises (smes) used in boiler, such as ot / 1 h, 2 ot/h boiler, most still use instrument/relay control, or even manual operation, automatic TouRuLv has been is not high, resulting in power plant boiler operation condition is not very stability, combustion efficiency is low, the service-power consumption rate is high, seriously affect the boiler safe and economic operation, how to improve small and medium-sized power plant boiler safe and economic operation level, reduce accidents and improve the efficiency of equipment (system), decrease the rate of coal consumption and auxiliary power, become a problem to be solved. With the constant improvement of the level of economic and science and technology, energy saving and environmental protection have also been on the agenda, more and more get the attention of the people all over the world. Therefore, boiler combustion system of boiler combustion control are also put forward new requirements, therefore on the basis of deep analysis of the original control system of the boiler, aiming at the problem of boiler control system on the application of programmable controller of PLC control system of boiler is put forward to the application. These problems that exist in the current PLC application, to some extent hindered the popularization and application of it, some caused undue economic loss, thus worth of attention. The author, boiler control and PLC application is analysed.

Key words: boiler control; The PLC research; application

中图分类号： TK223 文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

一、可编程序控制器(Programmable logic contoroller)

可编程序控制器(Programmable logic contoroller)，简称PLC，是以微处理器为核心，用于工业控制的计算机，由于PLC广泛采用微机技术，使得PLC不仅具有逻辑控制功能，而且还具有了运算、数据处理和数据传送等功能。目前城市供暖的锅炉在启停和运行的过程中都需要精确的实时控制，大多数锅炉系统的控制还采用继电器逻辑控制。这类系统自动化程序很低，大部分操作还是由手动来完成，只能处理一些开关量问题，无法处理系统的模拟量，即使控制一些开关量，其电气线路复杂，可靠性不高，不便维护，实际锅炉系统控制中每台炉就需要一套继电器控制系统，而采用OMRON CQM 系列可编程控制器设计的控制系统，以较低的成本实现了在20T水炉的系统自动控制，取得了较好的运行效果。

二、控制方案原理

2.1 燃烧过程控制

锅炉燃烧系统是一个多变量输入、多变量输出、大惯性、大滞后且相互影响的一个复杂系统。锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应负荷的需要，同时还要保证锅炉安全经济运行。对于给定出水温度的情况下，需要调节鼓风量与给煤量的比例，使锅炉运行在最佳燃烧状态。

2.2 炉膛负压控制

炉膛负压是保证锅炉安全运行的一个重要参数，同时也是维持锅炉热效率的一个重要量值。在锅炉炉膛内存在一定的负压可以避免炉膛过多的热量随尾气排放，也可以防止锅炉炉膛因正压而向外喷火，因而它保证了锅炉操作人员的安全和环境卫生。负压控制是通过调节锅炉的引风量实现的。负压是由鼓风量和引风量之间的特定关系形成的，鼓风量的大小变化是炉膛负压产生扰动的主要因素。本控制系统通过变频器调速系统调节引风量来控制炉膛负压。同时炉内压力变化是个快速环节，因此在设计负压控制器时，采用前馈PID 控制器。这样，一旦鼓风量发生变化，控制器可以迅速地调整引风机的转速，从而将炉膛负压控制在设定值附近。

2.3 锅炉汽包水位控制系统

汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以其值过高过低都可能造成重大事故。在负荷急剧增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高，造成“虚假水位”。汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。

三、PLC应用技术的特点

1.1可靠性高

工业生产的环境条件是不能保证的，通常是不能和通用计算机所处的环境进行比较的，有些生产环境极为恶劣，因此要求PLC具有较高的抗干扰能力以及可靠性，尤其是能适应恶劣的环境，比如高温、高压以及强电磁干扰等环境，而其正是又要具有可靠性高、抗干扰能力强等特点，在工业生产中才有如此地位。

1.2使用方便

使用方便作为PLC的有一个特点，这主要表现在:第一，操作简单方便，一般其操作主要包括程序输人以及更改操作，多数PLC是通过编程器来实现程序输人和更改操作的。需要对程序进行更改操作的时候，也叫以根据所需安的地址编号、接点号或者是继电器标号进行顺序或者是搜索查找来完成更改;第二，编程简单方便，PLC具有包括梯形图、功能表图、C语言以及功能模块图等在内的多种程序设计语言可以使用;第三，维修简单方便，如果系统出现故障，通过硬件和软件可以完成自诊断，这时维修人员根据故障的提示很容易找到故障的位置，以便于及时出来，这样既省时又省力。

1.3灵活性高

灵活性高作为PLC一个显著的特点主要表现在:第一，编程的灵活性，由于其具有多种编程语言，只需要掌握一种设计语言就可以完成编程;第二，扩展的灵活性，PLC可以根据应用的规模进行扩展，可以通过输人的增加、输出卡件点数的增加以及单元的扩展等来扩大容量和功能;第三，操作灵活，操作的灵活性即就是有效的减少了设计的工作量、安装工作量以及编程工作量，而且操作方便灵活，很容易进行监视和控制。

1.4机电一体化

其是专门为工业控制而设计的，体积小但是功能却很完善，具有较强的抗干扰能力，其集机械、电气、仪表、计算机以及控制于一体，真正实现了机电一体化。

2．PLC应用中需要注意的问题

PLC作为一种可直接用于自动化工业生产控制的设备，虽然其具有较高的可靠性以及较强的抗干扰能力，但是如果生产环境太过恶劣的话，由于受到各种因素的干扰，或者是没有正确的安装，其程序就可能出现错误或者计算错误，这样就无法保证其的正常运行，因此想要从本质上确保其的可靠性，除了其生产厂家要不断提高设备的抗干扰能力和可靠性之外，对其的设计、安装以及维护也要给予高度的重视，只有做好多方面的配合才能真正提高其系统的抗干扰能力，使其具有较高的可靠性。下面将对其在应用中需要注意的问题进行分析。

2.1使用环境

2.1.1温度

根据PLC的使用要求，其的使用环境应该在0℃一550 C的范围之内，在安装的时候注意不要在发热热量大的元器件下面进行安装，要确保其周围具有足够的通风散热面积。

2.1.2震动

不能让PLC接近强烈的震动源，要防止震动频率为十到五百五十赫兹的频繁或者是持续震动，如果必须在存在震动的环境中使用的话，就要采取有效的减震措施，比如采用减震胶等来减少震动。

2.1.3空气

要顶防氯化氢以及硫化氢等有腐蚀或者是易燃的气体，如果在空气中存在的粉尘或者是腐蚀性气体比较多的话，可以在封闭性较好的控制室内进行PLC的安装，以保证其不受到空气中粉尘和腐蚀气体的影响。

2.1.4湿度

根据PLC的使用要求，空气的相对湿度不能超过85 %，就是在没有凝露的情况下使用，否则无法保证其的绝缘性能。

2.1.5电源

通常PLC可以抑制电源线带来的干扰，如果在电源干扰严重或者是可靠性要求相对较高的使用环境中，为了减少设备和地之间的干扰，可以按照一台带屏蔽层的隔离变压器进行改善。

四、PLC锅炉控制系统的功能及应用：

为充分保证炉膛的最佳温度控制在最理想的范围内，对温度控制则采用了串级比例调节的方式。

（1）此控制系统采用锅炉的燃烧系统自动控制和水控制相结合的方法，利用外界负荷的变化来进行自动调节，从而实现鼓风和给煤量的自动化。当风煤的比例达到平衡的最佳状态下锅炉也就实现了经济燃烧。其中包括：蒸汽压力控制、汽包水位控制、给煤量控制、烟气含氧量控制等。

（2）热工及电气的保护功能热工保护及电气保护的功能主要就是对重要参数进行限位，使机泵过负荷、设备故障等声光报警和故障自动处理的功能达到要求。PLC控制系统是根据工艺要求设置的高压力极限、引风机自动跳闸连锁电气保护和汽包低水位热工保护，使之能够在最大程度上保证锅炉的安全生产，也给锅炉操作人员以人身安全的保证。PLC锅炉控制系统应用变频多泵切换技术保证母管水压控制在最佳的范围之内，从而保证了节电运行的顺利进行。热工保护指的是蒸汽压力的保护程度高、汽包水位的保护程度低，电力保护指引风机会连锁跳闸、给水泵会自动跳闸报警。

（3）快捷的操作系统、强大的显示功能PLC的应用为保证控制台的集中操作以及提供安全方便快捷的操作方法的设置提供及时有效的运行、快速的报警显示。这个保护系统高度的完善性和强大的锁定性防止了操作过程中可能出现的失误。

（4）PLC的运用使锅炉实现半自动点火、停炉的自动化。

（5）PLC的运用使之达到了参数在线工人设置的标准。

（6）PLC的运用使之能够脱离上位机的独立运行，为其自动化的实现提供了不可忽视的重要作用。

（7）监控功能：该系统在运行的过程中，通过对上机位的分析和判断，实现对现场温度/流量、烟气含氧量等的模拟动态显示。使系统和现场仪表、电气设备的结合达到闭环调节和连锁控制的目标。

（8）密码功能：为了防止随意改动参数造成锅炉操作误动作的发生，PLC系统为之配备了操作员的独立密码，操作员可以通过这个唯一的标识符和口令进入从而修改参数。

五、控制系统的安全措施

(1) 通讯网络冗余

为保障系统运行的可靠,计算机测控通讯网采用双冗余光纤环网,当一条网络线出现故障时不会影响系统正常工作。

(2) PLC冗余

比如，2套SIEMENS S7-300 PLC实现冗余控制,每套SIEMENS S7-300 PLC都由相同的模块组成S7-300 PLC 实现了冗余配置。输入信号通过信号端子同时进入PLC的输入模块, 经过CPU运算处理后,运算结果送到对应的输出模块,两块输出模块的输出同时接到一个输出端子上。主控的PLC 输出结果起控制作用,另一个PLC 的输出结果则处于等待状态, 只有主控PLC在故障状态时,另一个输出信号才起控制作用。

(3) 电源冗余

以西门子S7-300 系列PLC 为例，它的各模块采用DC24V供电方式。现场提供两路独立的AC220V 电源，分别给两个西门子SITOP 电源(20A)输入端供电。两个SITOP电源输出端经二级管隔离后并联到一起,共同给系统提供 DC24V电源。这样当任何一路交流电掉电或任一个SITOP电源损坏时,不影响系统的持续供电,从而实现系统的电源冗余。

结束语

PLC技术具有很多的优点，在工业生产中得到了越来越广泛的应用，而其系统的干扰是非常复杂的，在设计中要做好抗干扰，同时要采用有效的方法来对干扰进行控制，使其具有更高的可靠性，使其在工业控制领域的作用在最大限度生得以发挥。所以，PLC锅炉控制系统的完成使用带来了巨大的经济效益和社会效益，受到了广大人民的青睐。采用PLC系统功能完善，先进合理的结构，扩展灵活便于维护，而且具有很高的可靠性使之得到了更为广阔的前景。

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