PLC在熱電廠鍋爐控制中的應用

吳濤

【摘要】應用PLC對熱電廠鍋爐進行自動化控制具有很好的效果。本文首先分析了熱電廠鍋爐的工藝控制要求，然后從理論方面闡述了鍋爐控制方案原理，最后介紹了一種用上位機和PLC所構成的鍋爐控制系統(tǒng)，并給出了具體的系統(tǒng)配置。

【關鍵詞】可編程控制器 鍋爐控制 控制回路

1引言

鍋爐擁有非常廣的應用層面，例如在供熱、發(fā)電、化纖、機械制造等行業(yè)，作為這些行業(yè)不可缺少的動力來源，其應用量非常大。而鍋爐蒸汽作為熱電廠對外供熱的一個最重要的動力，在很大程度上影響著熱電廠的生產質量，但是由于鍋爐在熱電廠中工作環(huán)境差、運行時間長、生產流程特殊，并且控制系統(tǒng)復雜，所以要求控制系統(tǒng)需具有較強的可靠性。而目前國內眾多若熱電廠由于其鍋爐中具有較多的控制回路，所以采用傳統(tǒng)的由多臺計算機對各個鍋爐控制回路進行控制，即分布式控制系統(tǒng)（簡稱DCS）。

但是，隨著邏輯可編程控制器的發(fā)展，使得用PLC對鍋爐的控制回路進行簡化成為了可能，能夠對鍋爐控制系統(tǒng)中的輔助計算機進行聯(lián)鎖操作，提高了回路調節(jié)的能力，完善了工業(yè)組態(tài)監(jiān)控畫面。并且由于應用PLC對系統(tǒng)進行控制，具有較強的抗干擾能力，對工作環(huán)境要求不高，可以替代傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)或用繼電器進行控制的方法。因此，采用PLC實現(xiàn)對熱電廠鍋爐的自動化控制，具有很好的控制效果。

2工藝與控制要求

制粉系統(tǒng)、工況系統(tǒng)和鍋爐本體系統(tǒng)是熱電廠鍋爐控制系統(tǒng)的三大組成機構：

2.1制粉系統(tǒng)

制粉系統(tǒng)主要包括直吹式和中儲式兩種方式。其目的是降低噸煤的磨煤電耗，其主要由圓盤給煤機、葉輪給粉機、球磨機等組成[1]，制粉系統(tǒng)要求它們能夠按照需要順序啟動或停止，能夠實現(xiàn)變頻調速，并且能夠實現(xiàn)對球磨機的出入口差壓進行實時控制。

2.2工況系統(tǒng)

鍋爐的工況系統(tǒng)主要分為純煤燃燒工況和混合燃燒工況。其中混合燃燒工況可以在燒煤粉的基礎上，再混合摻入一部分高爐煤氣。因此需使工況系統(tǒng)能自動對高爐煤氣的電動閥進行控制。

2.3鍋爐本體系統(tǒng)[2]

鍋爐本體系統(tǒng)主要由燃料調節(jié)、送風調節(jié)和引風調節(jié)等構成。應用PLC控制后，需要能夠對送風機和引風機實現(xiàn)變頻調速，實現(xiàn)其自動啟動和停止，并且能夠對汽包液位進行調節(jié)，對爐膛負壓進行控制，對蒸汽溫度和煙氣含氧量進行準確操控。

3控制方案原理

3.1汽包液位調節(jié)

汽包是指因水分和氣體融合，而導致的氣壓變化。汽包液位的高低在一定程度上影響著鍋爐的安全運行。汽包內的汽水分離裝置在汽包液位過高時會發(fā)生故障，甚至導致蒸汽過飽和，使蒸汽中含有一部分液態(tài)水，降低了蒸汽質量，增加了鍋爐管結垢。相反，鍋爐水冷壁管會在汽包液位迅速下降時產生爆裂現(xiàn)象，影響了鍋爐內部的水循環(huán)，甚至導致汽包干鍋。因此，無論汽包液位過高還是過低，都可能引起事故產生。汽包壓力隨鍋爐對外做功（即負荷）的增加而下降，壓力下降則會帶來沸點溫度下降，加劇沸騰，造成水位虛假上升。對汽包液位調節(jié)的目的是使鍋爐進出水量達到平衡，令水位保持在允許范圍內的汽包中位線附近。

因汽包液位調節(jié)系統(tǒng)在其工作狀態(tài)下，易有虛假水位現(xiàn)象產生，所以應采用以汽包液位、給水量和蒸汽量所組成的三沖量調節(jié)系統(tǒng)。具體的汽包液位調節(jié)控制回路如圖1所示，其中∑=F汽-2（L液-50%）。

汽包液位調節(jié)控制回路能夠使汽包不受虛假液位影響。當鍋爐對外做功（即負荷）增加時，雖然會出現(xiàn)虛假液位，但F汽和L液也隨之增加，使作為PID調節(jié)設定點的∑不發(fā)生變化，即主給水閥開度不受影響。當虛假液位現(xiàn)象隨著汽包壓力重新恢復平衡而消失時，汽包液位L液會隨著內部液態(tài)水蒸發(fā)量增加而下降，按照公式∑=F汽-2（L液-50%），則PID調節(jié)設定點的∑增大，進而加大主給水閥開度，使給水量增加，令汽包水位重新達到平衡態(tài)。

3.2球磨機風溫自動調節(jié)

球磨機風溫過高，會導致其內部煤粉自燃，球磨機風溫過低，會影響高爐煤粉噴吹。所以，PLC利用控制球磨機入口處的熱風閥來對球磨機風溫進行調節(jié)，使熱風閥開度的大小隨出口風溫的大小而改變。

3.3過熱蒸汽溫度的自動調節(jié)

蒸汽溫度是衡量鍋爐性能好壞的一個重要指標，蒸汽溫度過熱則會導致過熱器管道被燒壞，蒸汽溫度過低則會影響對外做功的質量。因此，需要控制好蒸汽溫度，目前較為主流的控制蒸汽溫度的措施是噴水減溫法。如圖2所示為蒸汽溫度調節(jié)控制回路圖。

蒸汽溫度調節(jié)控制回路采用串級PID形式，系統(tǒng)分別對蒸汽溫度和減溫水管的溫度進行測量，以此為依據對減溫水調節(jié)閥進行控制，使蒸汽溫度保持在允許范圍內。

3.4爐膛負壓自動調節(jié)

爐膛壓力是衡量鍋爐能否安全運行的一個重要指標，鍋爐的爐膛壓力如果過小，易導致噴火現(xiàn)象產生；爐膛壓力如果過大，則會使鍋爐產生漏風現(xiàn)象，增大煙氣熱損失，影響鍋爐的經濟燃燒。因此，有必要保持爐膛的壓力符合給定值。爐膛負壓主要受引風量和送風量影響，因此，控制引風機的引風流量是調節(jié)爐膛負壓的一個有效手段。然而，煤粉在鍋爐中燃燒時，會給爐膛負壓帶來脈沖振動，影響調節(jié)器正常工作，傳統(tǒng)方法是在接收爐膛負壓信號前添加濾波器，但這便延遲了測量信號，導致爐膛負壓和給定值的偏差較大，因此需要引入前饋控制方式，以消除干擾。因此，PLC主要是通過控制引風變頻器進而調控引風機的引風流量來對爐膛負壓進行自動調節(jié)，而爐膛負壓的變化率又很快，所以需在控制回路中添加一個前饋PID控制器。

4系統(tǒng)結構及其配置

系統(tǒng)采用雙機冗余系統(tǒng)。上位機方面，使用兩臺計算機，分別用作主控和輔控。下位機方面，則采用邏輯與可編程控制器（即PLC）。上位機與下位機之間使用多點接口（MPI）進行通訊，以便能夠統(tǒng)一監(jiān)控現(xiàn)場鍋爐，以及對其進行遠程控制。操作人員利用上位機便可以對現(xiàn)場鍋爐進行實時監(jiān)控，進而充分地了解它們運行狀況，還可以遠程控制風機、球磨機等鍋爐內部器件的啟動和停止，以及對它們的參數進行設定。另一方面，計算機還可以記錄現(xiàn)場每臺鍋爐在其運行過程中的各種歷史數據，將其存儲于數據庫中，可以隨時進行提取并打印。

系統(tǒng)計算機配置方面，計算機軟件部分采用微軟WINDOWS2000操作系統(tǒng)，組態(tài)軟件使用了西門子WINCCV5.1，PLC編程軟件使用基于西門子S7-300的SETUP7v5.2+sp1[3]。

邏輯與可編程控制器（PLC）方面，選用S7-315-DP作為CPU，其屬于西門子S7-300系列，內置PID模塊，48K存儲器，I/O能擴展到2048點，標配西門子CP5611通訊卡[4]。

在安全措施方面，系統(tǒng)采用了通訊網絡冗余、PLC冗余以及電源冗余。雙通訊網絡冗余可以保證系統(tǒng)在某一網絡出現(xiàn)故障時，不受影響。而PLC冗余則是利用兩套PLC設備進行控制，兩套設備的輸出均接至同一輸出端上，當主控PLC出現(xiàn)問題是，輔控PLC接替工作。電源冗余是用兩路西門子SITOP電源經二級管隔離后并聯(lián)到一起進行供電，某一SITOP電源發(fā)生故障，不會影響系統(tǒng)正常工作。

5結語

目前，多數熱電廠在鍋爐控制方面仍采用傳統(tǒng)的用多臺計算機對各個鍋爐控制回路進行控制的分布式控制方式，這種方式不但可靠性差、效率低下，而且耗能嚴重。相比之下，采用PLC對熱電廠鍋爐進行控制，在很大程度上減少了設備的維護成本，提高了系統(tǒng)工作效率，并且利用PLC中的PID模塊，可以將帶有閉環(huán)控制的變頻調速技術應用于鍋爐控制中，提高了風機的可調速性，進而達到減小能耗、提高節(jié)能效果、提高系統(tǒng)調節(jié)質量的目的，從而使鍋爐能夠經濟可靠地運行。

參考文獻：

[1]馮秋，曹國剛.淺談工業(yè)鍋爐技術的發(fā)展與應用[J].北京：電力電子技術應用，2010，（10）；187-188.

[2]葛云燕，李新平.可編程邏輯控制器在電廠中的應用[J].中國電力企業(yè)化管理，2007，（3）；66-67.

[3]李寶英，魏長宏.PLC在電廠鍋爐設備變頻器上的應用[J]動力與電氣工程，2011，（03）；167-168.

[4]怨磊，王國偉.電廠鍋爐補水處理PLC控制系統(tǒng)及組態(tài)[J]江西煤炭科技，2006，（01）；122-123.