基于PLC的鍋爐多水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計研究

王榮華，秦勇，唐勇

（浙江陸虎汽車有限公司，浙江 臨海 317005）

蒸汽鍋爐供熱系統(tǒng)最先是由熱力鍋爐生產(chǎn)出蒸汽，然后再通過管道，將蒸汽送達(dá)至用熱設(shè)備，以滿足生產(chǎn)工藝或生活采暖等方面的需要，蒸汽溫度降低會產(chǎn)生冷凝水。冷凝水溫度達(dá)到90°以上，不含鈣鎂離子，不需要軟化處理，所以回收并利用冷凝水，可以節(jié)約鍋爐水處理費(fèi)，同時由于冷凝水地回收，不僅廢水及廢氣排放量相應(yīng)地減少了許多，而且鍋爐燃料消耗也有效降低。冷凝水地回收利用再具有經(jīng)濟(jì)效益的同時還具有環(huán)保效益。收集凝結(jié)水是冷凝水箱實現(xiàn)的主要功能，冷凝水在水泵得作用下由冷凝水箱進(jìn)入鍋爐水箱。鍋爐水箱水位低時需要市政供水管道補(bǔ)水，由于公司有新舊兩個鍋爐房，兩個鍋爐水箱儲水，操作不當(dāng)就會出現(xiàn)循環(huán)水溢出水箱的情況。為了解決這個問題，設(shè)計了一套基于PLC的循環(huán)水控制系統(tǒng)，系統(tǒng)不但能有效管理水泵、閥門、液位，還將液位、溫度等數(shù)據(jù)以信號的形式送到公司生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)的中控室。

1 信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

公司信息網(wǎng)絡(luò)劃分為3層結(jié)構(gòu)：（1）監(jiān)控中心：監(jiān)控中心作為整個系統(tǒng)的大腦，它的任務(wù)是收集工廠各個車間設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而完成對整個系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實時掌握，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并進(jìn)一步生成所需要的各種形式的表格或報表，設(shè)備有故障時會進(jìn)行報警等操作；（2）傳輸設(shè)備：由交換機(jī)、光纖等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸；（3）現(xiàn)場控制設(shè)備：蒸汽鍋爐循環(huán)水控制系統(tǒng)屬于現(xiàn)場控制設(shè)備，使用ModBus RTU協(xié)議進(jìn)行通信，通過交換機(jī)和光電轉(zhuǎn)換器接入以太網(wǎng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 管路結(jié)構(gòu)

在新鍋爐房和舊鍋爐房各有1個水箱，每個水箱有補(bǔ)水閥、冷凝水回水閥。補(bǔ)水閥打開，來自市政供水管道，經(jīng)過軟化處理存儲于壓力罐中的水進(jìn)入鍋爐水箱。冷凝水箱出口處有循環(huán)水泵，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，哪個鍋爐水箱的冷凝水回水閥打開，冷凝水就進(jìn)入哪個鍋爐水箱。燃?xì)忮仩t從鍋爐水箱抽水，鍋爐水位達(dá)到要求可以點燃鍋爐得到高溫高壓蒸汽將熱量輸送到各車間。管路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 管路結(jié)構(gòu)

2.2 控制點位

補(bǔ)水閥和回水閥都是220V的電動閥，回水閥有閥門開到位檢測開關(guān)，每個水箱上都配備液位傳感器，電動系統(tǒng)控制點位如表1所示。

表1 控制點位

2.3 主要硬件配置

硬件包含1個PLC控制柜、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳感器，PLC控制柜上帶有觸摸屏?？刂乒癜惭b在新鍋爐房內(nèi)，便于現(xiàn)場操作，控制柜上有電源開、電源關(guān)、運(yùn)行、停止4個按鈕，交換機(jī)、光電轉(zhuǎn)換器置于柜內(nèi)。

（1）PLC使用SIEMENS S7-1200 PLC，CPU1212C，配有1個4路模擬量輸入模塊和1個熱電阻輸入模塊。SIMATIC S7-1200可以實現(xiàn)多種任務(wù)，例如簡單地邏輯控制、高級地邏輯控制、HMI和網(wǎng)絡(luò)地通信等。此型號地PLC具有緊湊，模塊化的特征。小型自動化系統(tǒng)在需要選擇PLC實現(xiàn)功能的時候，此型號PLC是一個完美的解決方案。對于需要網(wǎng)絡(luò)的通信功能或與之類似的功能、單屏或多屏HMI得自動化系統(tǒng)來說，SIMATIC S7-1200易于設(shè)計和實施。

（2）觸摸屏用西門子的精簡系列面板KTP900 Basic。

（3）西門子交換機(jī)為6GK5204-2BB10-2AA3，4個通信RJ45接口，分別連接PLC、觸摸屏、編程電腦、中控室。由于距離較遠(yuǎn)，使用多模光纖通信，交換機(jī)和光纖之間有光電轉(zhuǎn)換模塊。

（4）3個液位測量是用磁性翻板式液位傳感器來實現(xiàn)，該傳感器型號為UQK-10，測量范圍為0.2～1.5m，輸出信號為2線4～20mA信號。該液位計得測量元件為磁浮子，測量出的液位結(jié)果會顯示在磁鋼驅(qū)動翻柱上，該液位計適用得條件十分廣泛，從低溫到高溫、真空到高壓等各種環(huán)境都可以使用。在石油、化工等工業(yè)部門是理想得液位測量產(chǎn)品。

（5）溫度傳感器為PT100，測量范圍-50～400℃。

3 PLC程序設(shè)計

軟件開發(fā)平臺為西門子的博途(TIA)，是全集成自動化軟件TIA portal的簡稱，該軟件是一款全新地全集成型自動化軟件并且是由西門子工業(yè)自動化集團(tuán)發(fā)布的。幾乎所有地自動化任務(wù)都可以使用該軟件來完成，在該全新地工程技術(shù)軟件平臺得功能協(xié)助下，用戶可以迅速、直觀地開發(fā)并且調(diào)整試驗自動化系統(tǒng)。

閥門及水泵控制分為手動、自動2種方式。在手動運(yùn)行地方式下，操作員可以隨意操控各個機(jī)構(gòu)的啟動與停止。在自動狀態(tài)下按如下策略進(jìn)行。

（1）巡查新鍋爐房水箱、舊鍋爐房水箱、冷凝水箱的水位。冷凝水箱水位劃分為高、中、低3個水位位置，鍋爐水箱水位也分為低、中、高3個水位位置。（2）根據(jù)液位組合情況控制閥門及水泵。當(dāng)a冷凝水箱的水位低于低水位時，回水閥關(guān)閉、水泵停止。b冷凝水箱水位高于中水位，舊鍋爐房水箱水位和新鍋爐房水箱水位均低于高位，哪個鍋爐房水箱水位降低則開啟哪個鍋爐房的回水閥，啟動循環(huán)泵直到冷凝水箱的處于低水位及以下狀態(tài)。當(dāng)c鍋爐水箱的水位于低水位及以下狀態(tài)時，相應(yīng)的補(bǔ)水閥進(jìn)行打開操作，從市政供水管道補(bǔ)水，當(dāng)液位比中水位高時，關(guān)閉補(bǔ)水閥。

詳細(xì)控制參看圖2所示的軟件流程圖。

圖2 軟件流程圖

4 觸摸屏畫面設(shè)計

組態(tài)設(shè)計主要是指觸摸屏得組態(tài)設(shè)計，觸摸屏地組態(tài)設(shè)計包括：添加設(shè)備驅(qū)動、設(shè)置IP參數(shù)、添加通道、在組態(tài)畫面中添加構(gòu)件并連接變量等步驟。其中，在設(shè)置觸摸屏IP地址地過程中，要注意地問題是要與PLC的IP地址網(wǎng)址在相同的網(wǎng)段。主監(jiān)控界面如圖3所示，上電即處于手動狀態(tài)，登錄后可以手動控制各閥門循環(huán)泵的啟停。在設(shè)置好各水位的高度等參數(shù)之后，運(yùn)行過程中可以通過畫面中手動/自動地切換按鈕，切換到自動控制方式則系統(tǒng)自動控制各水箱的液位。主界面中還可以觀察管道蒸汽流量、蒸汽溫度、各水箱液位等。

圖3 監(jiān)控主界面

5 結(jié)語

該系統(tǒng)已于2020年在公司使用，實現(xiàn)了鍋爐房水箱水位的自動管理，自動化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定、平穩(wěn)、可靠，減少了巡邏檢查次數(shù)，從而降低了能源消耗，減少了污染排放，獲得了良好的效益。通過實踐可以發(fā)現(xiàn)，PLC與觸摸屏構(gòu)成的控制系統(tǒng)開發(fā)簡單、周期短，可以在公司其它需要實現(xiàn)信息化、自動化的部門進(jìn)一步推廣。