基于PLC的鍋爐爐膛吹灰控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石憲紅 延龍 岳吉瑞 張?jiān)? 張凱麗

摘要：在深入分析火力發(fā)電廠鍋爐爐膛吹灰控制要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)運(yùn)用博圖軟件、S7-1200 PLC和觸摸屏技術(shù)，進(jìn)行了火力發(fā)電廠鍋爐爐膛吹灰控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、控制程序編寫(xiě)以及系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，滿足了發(fā)電廠鍋爐爐膛吹灰的自動(dòng)控制需求，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電廠鍋爐爐膛的自動(dòng)吹灰，可以清除受熱面的結(jié)焦和積灰，保證鍋爐受熱面清潔，提高了鍋爐熱效率，節(jié)省了人力，保障了操作人員的人身安全。

關(guān)鍵詞：西門(mén)子PLC；鍋爐爐膛；自動(dòng)吹灰

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）11-0011-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.003

0? ? 引言

在工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域，PLC已經(jīng)成為不可或缺的設(shè)備之一。S7-1200 PLC作為西門(mén)子公司推出的一款面向離散和自動(dòng)化系統(tǒng)的控制器，可以滿足不同的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需求，在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越普遍[1]。運(yùn)用PLC技術(shù)，結(jié)合觸摸屏應(yīng)用[2]和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)[3]，可以完成對(duì)離散系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)立的自動(dòng)化系統(tǒng)的控制。鍋爐吹灰器是發(fā)電廠鍋爐必不可少的輔機(jī)設(shè)備，在鍋爐正常運(yùn)行過(guò)程中可以保證鍋爐受熱面的清潔，提高鍋爐熱效率。在分析借鑒PLC對(duì)其他火電設(shè)備控制的基礎(chǔ)上[4-6]，本文采用西門(mén)子PLC完成鍋爐爐膛吹灰器的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)合觸摸屏畫(huà)面進(jìn)行實(shí)時(shí)操作與監(jiān)控，提高了生產(chǎn)的安全性和效率。

1? ? 爐膛吹灰系統(tǒng)

吹灰系統(tǒng)是火力發(fā)電廠眾多設(shè)備中必不可少的一部分，包括爐膛吹灰、空預(yù)器吹灰、省煤器吹灰和水冷壁吹灰，通過(guò)對(duì)吹灰器的進(jìn)、退控制，完成吹灰工作，主要作用是清除掉爐膛水冷壁、過(guò)熱器、再熱器、省煤器管道及空氣預(yù)熱器等設(shè)備受熱面的結(jié)焦、積灰，保證受熱面清潔，提高鍋爐熱效率。本文以爐膛吹灰系統(tǒng)為對(duì)象對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1? ? 爐膛吹灰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，發(fā)電廠鍋爐爐膛兩側(cè)各布置一臺(tái)吹灰器，左側(cè)吹灰器為L(zhǎng)1，右側(cè)吹灰器為R1，每臺(tái)吹灰器設(shè)置兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)SQ1為左側(cè)吹灰器L1的后退到位，限位開(kāi)關(guān)SQ2為左側(cè)吹灰器L1的前進(jìn)到位，限位開(kāi)關(guān)SQ3為右側(cè)吹灰器R1的前進(jìn)到位，限位開(kāi)關(guān)SQ4為右側(cè)吹灰器R1的后退到位。同時(shí)設(shè)有自動(dòng)投入按鈕SB1、吹灰急停按鈕SB2、左側(cè)吹灰器L1啟動(dòng)按鈕SB3、左側(cè)吹灰器L1停止按鈕SB4、右側(cè)吹灰器R1啟動(dòng)按鈕SB5、右側(cè)吹灰器R1停止按鈕SB6等6個(gè)按鈕。

吹灰系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)兩個(gè)吹灰器同時(shí)進(jìn)退，吹灰器的管道和過(guò)熱蒸汽管道相套接，過(guò)熱蒸汽管道在內(nèi)，吹灰器管道在外。過(guò)熱蒸汽管道的外徑約等于吹灰器管道的內(nèi)徑。當(dāng)吹灰器離開(kāi)原位時(shí)，機(jī)械提升閥自動(dòng)打開(kāi)，蒸汽進(jìn)入吹灰器管道，繼而吹入爐膛開(kāi)始吹灰。兩個(gè)吹灰器在爐膛兩側(cè)對(duì)稱分布且同時(shí)進(jìn)退，保證了爐膛兩側(cè)同步吹灰，以防出現(xiàn)爐膛偏燒和爐膛兩側(cè)存在溫差。

1.2? ? 爐膛吹灰系統(tǒng)功能

1.2.1? ? 自動(dòng)模式

按下按鈕SB1，投入系統(tǒng)自動(dòng)模式。

（1）吹灰器啟動(dòng)：按下按鈕SB1以后，吹灰器L1和吹灰器R1同時(shí)啟動(dòng)。

（2）吹灰器前進(jìn)：吹灰器L1和吹灰器R1收到啟動(dòng)指令以后，相應(yīng)的接觸器閉合，吹灰器電機(jī)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)吹灰器同時(shí)向鍋爐爐膛內(nèi)前進(jìn)。

（3）吹灰器前進(jìn)到位：吹灰器L1前進(jìn)到限位開(kāi)關(guān)SQ2處停止，吹灰器R1前進(jìn)到限位開(kāi)關(guān)SQ3處停止。

（4）吹灰器后退：吹灰器前進(jìn)到位以后，原地等待10 s，然后吹灰器電機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器動(dòng)作，電機(jī)反轉(zhuǎn)，吹灰器開(kāi)始后退。后退過(guò)程中，后退10 s則停留原地吹灰60 s，再后退10 s，停留原地吹灰60 s，如此循環(huán)，直到到達(dá)后限位開(kāi)關(guān)SQ1和SQ4。

（5）吹灰器后退到位：吹灰器L1和R1分別后退到SQ1和SQ4后停止，吹灰結(jié)束。

1.2.2? ? 手動(dòng)模式（單體模式）

手動(dòng)模式下，按下按鈕SB3，左側(cè)吹灰器L1勻速向前移動(dòng)，前進(jìn)到限位開(kāi)關(guān)SQ2，左側(cè)吹灰器L1停止前進(jìn)，自動(dòng)后退到限位開(kāi)關(guān)SQ1處停止。按下按鈕SB1啟動(dòng)后，無(wú)論左側(cè)吹灰器L1處于何處，再按下停止按鈕SB4以后，左側(cè)吹灰器L1將自動(dòng)后退至后限位SQ1處；按下按鈕SB5，右側(cè)吹灰器R1勻速向前移動(dòng)，前進(jìn)到限位開(kāi)關(guān)SQ3，右側(cè)吹灰器R1停止前進(jìn)，自動(dòng)后退到限位開(kāi)關(guān)SQ4處停止。按下啟動(dòng)按鈕SB5以后，無(wú)論右側(cè)吹灰器R1處于何處，按下停止按鈕SB6，右側(cè)吹灰器R1將自動(dòng)后退至后限位SQ4處。

1.2.3? ? 安全保護(hù)功能

（1）過(guò)載保護(hù)：在吹灰器L1、R1控制回路中各有一個(gè)熱繼電器，分別為FR1和FR2，如圖2的爐膛吹灰系統(tǒng)硬件接線圖所示，在吹灰器前進(jìn)或后退過(guò)程中，若機(jī)械部分出現(xiàn)卡澀或電機(jī)電流不匹配，熱繼電器會(huì)立即動(dòng)作從而斷開(kāi)控制回路，使吹灰器電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，防止吹灰器電機(jī)因過(guò)載而燒損。

（2）急停保護(hù)：當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，如吹灰器在吹灰過(guò)程中出現(xiàn)卡澀不動(dòng)，應(yīng)當(dāng)按下急停按鈕SB2，吹灰器L1和R1將自動(dòng)后退到位。如果后退過(guò)程出現(xiàn)卡澀，則選用人工方式將其退出。

（3）短路保護(hù)：FU1～FU4（圖2）為熔斷器，在電路中起到短路保護(hù)作用。

1.3? ? 硬件接線設(shè)計(jì)

工控機(jī)、觸摸屏和PLC通過(guò)交換機(jī)組成局域網(wǎng)，PLC輸入/輸出變量接線以及吹灰電機(jī)控制線路如圖2所示，QF1～QF3為斷路器，KM1～KM4為交流接觸器，F(xiàn)R1和FR2為熱繼電器，使用的是熱繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)。

2? ? 控制程序

根據(jù)爐膛吹灰系統(tǒng)功能和確定好的PLC控制系統(tǒng)的I/O變量，運(yùn)用博途軟件編寫(xiě)爐膛吹灰PLC控制程序。部分吹灰自動(dòng)模式控制程序如圖3所示。

3? ? 系統(tǒng)仿真

在西門(mén)子觸摸屏仿真界面繪制爐膛吹灰控制系統(tǒng)仿真畫(huà)面如圖4所示。自動(dòng)模式下的啟動(dòng)和停止命令、手動(dòng)模式下的啟動(dòng)和停止命令均通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)；吹灰器L1和R1的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)、限位開(kāi)關(guān)SQ1～SQ4接通斷開(kāi)狀態(tài)、吹灰器過(guò)載FR1和FR2會(huì)實(shí)時(shí)顯示（顏色變紅）；吹灰器L1和R1電機(jī)電流的大小也會(huì)通過(guò)數(shù)字顯示出來(lái)，如果電機(jī)電流超過(guò)額定值，會(huì)變?yōu)榧t色，以提醒操作員。

在自動(dòng)模式下，按下啟動(dòng)按鈕，左側(cè)吹灰器L1、右側(cè)吹灰器R1同時(shí)正轉(zhuǎn)向爐膛前進(jìn)，仿真界面顯示吹灰器“正轉(zhuǎn)”，當(dāng)前進(jìn)到限位開(kāi)關(guān)SQ2和SQ3時(shí)，畫(huà)面顯示“限位開(kāi)關(guān)SQ2接通” “限位開(kāi)關(guān)SQ3接通”，“正轉(zhuǎn)”顯示消失。同時(shí)10 s后，吹灰器后退，仿真界面顯示吹灰器“反轉(zhuǎn)”，“限位開(kāi)關(guān)SQ2斷開(kāi)” “限位開(kāi)關(guān)SQ3斷開(kāi)”；當(dāng)后退到限位開(kāi)關(guān)SQ1和SQ4時(shí)，畫(huà)面顯示“限位開(kāi)關(guān)SQ1接通” “限位開(kāi)關(guān)SQ4接通”，“反轉(zhuǎn)”顯示消失。當(dāng)按下急停按鈕SB2后，吹灰器自動(dòng)退回到限位開(kāi)關(guān)SQ1和SQ4處，仿真畫(huà)面顯示“限位開(kāi)關(guān)SQ1接通” “限位開(kāi)關(guān)SQ4接通”。同時(shí)，仿真畫(huà)面會(huì)實(shí)時(shí)顯示吹灰器電機(jī)電流值。

在手動(dòng)模式下，按下左側(cè)吹灰器L1啟動(dòng)按鈕SB3，吹灰器L1自動(dòng)前進(jìn)到限位開(kāi)關(guān)SQ2處，仿真界面顯示吹灰器L1“正轉(zhuǎn)”，當(dāng)“限位開(kāi)關(guān)SQ2接通”后，吹灰器L1自動(dòng)后退到限位開(kāi)關(guān)SQ1處，仿真界面顯示吹灰器L1“反轉(zhuǎn)”。當(dāng)畫(huà)面顯示“限位開(kāi)關(guān)SQ1接通”后，吹灰器L1“反轉(zhuǎn)”顯示消失。在左側(cè)吹灰器L1運(yùn)行過(guò)程中若按下停止按鈕SB4，仿真界面顯示吹灰器L1后退“反轉(zhuǎn)”，后退到限位開(kāi)關(guān)SQ1處，顯示“限位開(kāi)關(guān)SQ1接通”，吹灰器L1“反轉(zhuǎn)”消失。在手動(dòng)模式下，右側(cè)吹灰器R1按相同的工作方式動(dòng)作。

若在運(yùn)行過(guò)程中熱繼電器FR1和FR2動(dòng)作，仿真畫(huà)面顯示“吹灰器L1過(guò)載FR1” “吹灰器R1過(guò)載FR2”進(jìn)行報(bào)警，左側(cè)吹灰器L1、右側(cè)吹灰器R1會(huì)立即停止運(yùn)行。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)爐膛吹灰PLC控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、元器件使用壽命及后期功能改造等情況，因此在控制器、輸入/輸出模件選用時(shí)應(yīng)考慮選型和預(yù)留部分備用通道。本次對(duì)爐膛吹灰器進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證了爐膛受熱面的清潔，為現(xiàn)場(chǎng)工作人員提供了更加便利、更加可靠的控制方法，同時(shí)也提高了爐膛熱效率和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安全性。

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收稿日期：2023-02-06

作者簡(jiǎn)介：石憲紅（1987—），女，山東曹縣人，助教，研究方向：流程工業(yè)自動(dòng)化。