基于PLC的燃气锅炉自动控制系统

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来源：《中国新技术新产品》2011年第13期

        摘要：本文简单介绍了燃气锅炉的PLC自动控制系统。采用完整优化的数字PID控制原理及分布式控制系统，对整个生产过程进行控制，实现了从锅炉点火到稳定生产蒸汽全过程的自动完成，既能提高蒸汽质量，又可提高锅炉燃烧热效率和管理水平，实现锅炉安全、可靠、经济的运行。

        关键词：PLC；燃气锅炉；控制

        中图分类号：X933.2 文献标识码：A

        1 前言

        进入二十一世纪，环保和能源已成为整个社会关注的问题，随着我国经济建设的高速增长，煤烟、浮尘、汽车尾气等污染源时刻威胁着人们的健康，天然气是一种国际公认洁净的能源，其主要成分是甲烷，是保护大气环境最理想的燃料。我国有着丰富的天然气资源，国家也已明确提出在今后一个时期要大力开发和利用天然气资源，西气东输工程每年向长江三角洲和沿线地区输气120亿立方米。西气东输沿线城市可用清洁燃料代替部分电厂、窑炉、化工企业和居民生活使用的燃气和煤炭，以然气作为燃料的燃气锅炉将得到广泛的应用，这将有效改善大气环境，提高人民生活质量。近年来，PLC的控制功能不断增加，由PLC构成的系统具有抗干扰能力强，对电源质量要求低，控制可靠及响应灵敏等优点，采用PLC对燃气锅炉燃烧系统进行控制，保障锅炉安全平稳运行，满足生产对蒸汽负荷和蒸汽品质的要求，实现锅炉经济燃烧。

        2 控制系统的组成与特点

        本系统采用二级监控系统，即上位机和下位机分工协作的监控方法。上位机为监控计算机，主要负责接收下位机传来的数据，监视燃气锅炉的运行参数，故障检测以及必要的参数设定。下位机为现场控制单元，包括现场输入单元、执行单元、现场控制单元及人机界面，主要负责锅炉运行过程中参数的自动调节，并把数据上传至上位机，并接受上位机下传的命令。

        2.1 系统的组成

        系统硬件：

        监控计算机：DELL 酷睿2双核处理器，2G RAM， 320GB硬盘。

        现场控制单元：采用西门子S7-300可编程控制器， 西门子EM235模拟数据输出模块，相应的数据采集模块和执行机构。

        现场数据采集系统：温度传感器、压力传感器、水位传感器、火焰监视器、流量计、氧化锆氧量分析仪等

        监控计算机与现场控制单元采用RS-485实时通讯。

        系统软件：

        VB是一种很好的Windows开发语言，监控计算机可以采用VB开发设计出功能强大，操作灵活的人机界面。

        现场控制单元可选用西门子TD-400C人机界面，它通过连接电缆，连接到S7-300上即可。

        2.2 系统的特点

        2.2.1 控制系统采用实用而简捷的人机对话系统，复合窗口技术，实时显示工艺流程图、各控制回路、纪录数据并生成报表，直观显示各工艺测点的历史趋势；

        2.2.2 通过人机接口和I/O接口，对过程对象的数据进行实时采集、记录、监视、操作控制，可进行系统结构、组态回路的在线修改、局部故障的在线维修

        2.2.3 现场监控点由PLC实现自动控制，后传送到监控计算机，通过系统软件对数据进行还原显示，并进行数据处理，这样进一步增强了系统数据通信安全性能。

        2.2.4 工程师可以方便地把不同设备的控制功能按设备分配到不同的合适控制单元上，这样操作工可以根据需要对单个控制单元进行模块化的功能修改、维护、下装和调试。

        2.2.5 各个控制单元分布安装在被控设备附近，既节省电缆，又可以提高该设备的控制速度。

        3 主要回路的控制原理与方案

        3.1 锅炉燃烧控制系统

        锅炉燃烧系统的主调节对象为主汽压力，根据主汽压力的变化及时调整燃气调节阀的开度来调整进入炉内的燃料量，同时调节送风机的入口挡板开度以保证空气量按合适的配比随之变化。燃气流量的设定值由主汽压力调节器的输出直接给出，将蒸汽压力检测值由压力传感器反馈回来，和设定值经过比较，作为前馈信号纳入到燃气调节回路上，操作燃气调节阀。当蒸汽压力低就加大调节阀门开度，当蒸汽压力高则减少调节阀门开度，使其保持在设定的压力值上

        3.2 炉膛负压控制系统

        炉膛负压是反映燃烧工况稳定与否的重要参数，是锅炉运行中控制和监视的重要参数。如果炉膛负压过大，则漏风量严重，排烟量损失增加，不利用经济燃烧；炉膛负压过小或偏正时，炉膛要向外喷火，危机人身及设备安全。为保证锅炉高效、安全的运行，应将炉膛负压控制在正常的范围内。

        采用PLC与变频器结合控制风机转速达到控制引风量，保持炉膛负压稳定。将炉膛负压作为反馈信号送回PID调节器中，同时将风机信号作为负压调节器的前馈信号加到调节器的输出端，使引风系统及时影响送风量的变化，是负压的变化趋于平稳。

        3.3 锅炉汽包水位控制系统

        锅炉汽包水位大幅度的波动会造成汽包内空水或满水而影响生产安全。锅炉汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常运行，造成出口蒸汽水分过多，结果使过热器受热面结垢而导致过热器烧坏，直接影响机组运行的经济型和安全性；汽包水位过低，当负荷很大时，水的气化速度过快，如不及时有效控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉被烧坏或爆炸。因此，控制汽包水位的稳定是极为重要的。

        汽包水位控制系统可采用单冲量、双冲量或三冲量控制方案。由于单冲量、双冲量控制策略比较简单，难以适应现代各种复杂锅炉的要求，我们选用三冲量水位控制系统。影响汽包水位的主要因素是蒸汽流量和给水流量，汽包水位会随着蒸汽流量的增加或减少而波动，给水流量也会随之增加或减少，以维持给水量和蒸汽量之间的平衡，保证锅炉的正常运行。以蒸汽流量为前馈信号，构成前馈调节回路，给水流量作为串级信号，构成副调节回路，以锅炉汽包水位测量信号作为主，构成主调节回路，从而构成锅炉汽包水位前馈——串级三冲量控制系统。

        4 结束语

        随着燃气锅炉越来越广泛的应用到工业生产中，实现燃气锅炉的完全智能化及远程技术服务系统已成为燃气锅炉的发展趋势。采用PLC自动控制系统对燃气锅炉运行全过程进行监控，不仅能提高燃气锅炉的自动化控制水平，保证锅炉处于良好的运行状态，还能提高锅炉效率，节省运行能耗，减少大气污染，同时也提高了锅炉操作的安全性，降低了工作人员的劳动强度，取得较好的经济效益和社会效益。

        参考文献

        [1]张雪平. PLC在锅炉风机控制中的应用.微计算机信息，2005（6）：33-34.

        [2]齐敏，王猛.130T/H燃气锅炉自动控制系统的设计与实现.自动化博览，2008（5）：59-61.