基于PLC的锅炉控制系统设计

基于PLC的锅炉控制系统设计

赵春森

京能集团山西漳山发电有限责任公司山西长治046021

摘要：锅炉在炼油、发电、化工等领域占据着不可取代的地位，是工业生产的重要保障。现阶段我国锅炉具有数量多、分布广且耗能大的特征，并且缺乏自动化水平，一旦因为负荷引起变动将很难操控，常常出现系统故障问题。另外，传统的系统控制方式过于注重燃料燃烧效率的提升，忽视了节电，因此，系统在节能方面仍然具有一定的上升空间。本文就锅炉机电一体化节能控制系统做简要探讨。

关键词：锅炉；机电一体化；能源控制

中图分类号：TK223文献标识码：A

引言

我国作为人口大国，对资源的使用和开发也随着人口的增长不断增加，不断开发和浪费的资源也逐渐向我国呈现出资源短缺发展的现状。因此，我国为了保护生态环境和实现资源的合理开发和使用，提出了可持续发展战略，节约能源也逐渐成为每个企业发展目前必须实现的变革方向。锅炉机电一体化节能控制系统是当前锅炉企业建设的基本系统，是消除传统锅炉高能耗现象的主要方法。将变频技术应用于锅炉机电一体化节能系统不仅能进一步实现系统节能发展，还能有效减少系统能耗现象，最终为我国锅炉企业的发展做出了巨大贡献。

1、锅炉变频系统简介

锅炉设备调整工作有多个相互影响的阶段参数，因此相对复杂，相对简单的控制系统难以满足工作需求。设计调整措施方案时，必须全面考虑整合级联、前馈和比率合并在一起的繁琐调整方法。此时将现有仪器组装在一起，形成了仪器数量太多、不可靠、难以操作的文体。为此，在控制锅炉设备的过程中，使用计算机所在的可编程控制器，即PLC。在工作过程中，PLC连续逻辑计算输入的压力信号、火焰信号和水位信号，以信号形式输出，控制水状态和燃烧状态，以确保锅炉在正常状态下工作。水位下降、压力过大或异常火焰信号受多种因素影响时，停止PLC的逻辑操作并发出警告信号。此时，在解决故障问题后，必须重新启动，系统才能再次正常工作。如果系统中的设备出现故障，PLC以通道格式报警中文故障监视器，采取相应的保护措施，PLC可以通过中文故障监视器实时显示系统操作。使用变频调压器代替控制阀和挡板作为自动控制系统的执行结构，可以充分利用泵输出能量，有效降低阀门和挡板的阻塞压降，大大减少功耗。电力电磁技术与微电子技术相结合的变频器具有优异的调速性能和出色的节能效果，目前在感应风、爆炸、供水、篦子马达等电力行业采用变频技术。

2、锅炉控制系统的构成

锅炉控制系统主要包括三个组成部分，即:压力控制系统、水位调节系统以及燃烧控制系统。下面对这三个主要构成系统进行详细的介绍。

2.1蒸汽压力控制系统

应该用操作过程所需的实际蒸汽量来调节锅炉蒸汽的蒸汽压，从而有效地控制锅炉。随着工作所需蒸汽量的增加，蒸汽的出口量会增加，压力也会减少，而锅炉的蒸汽压力也会增加。可编程控制器首先根据桶压力值和测量值执行智能运算，将工作数据传递到锅炉内部设置的调整功能，同步、自动调整锅炉炉子和风扇等设备。通过增加鼓风机的空气量和鼓风机的量，加快炉子的旋转速度，提高炉子的温度，从而减少蒸汽量，而不是增加蒸汽量，从而有效地控制锅炉蒸汽的压力，从而实现锅炉控制任务的自动化。

2.2水位调节系统

对于锅炉设备，操作安全性主要取决于水位水平，如果水位过高，燃料燃烧时间相对较长，软分离速度下降，蒸汽含水量较高的质量下降，而水位过低，锅炉爆炸和燃烧等安全事故的可能性大大提高，因此必须科学合理地调整锅炉的水位，以有效地控制锅炉燃烧目前调节锅炉的常用方案是三冲量调节，该方案基于供水和蒸汽流前馈比率，前馈信号是相对经典的前馈级联调节系统，即蒸汽的流量。该算法有效地消除了假水位在调节过程中的不利影响，应用变频器的闭环控制，确保计算机将标准控制信号传递给变频器，调节给水泵的旋转速度，并自动跟踪水位变化，从而有效地提高控制精度。

2.3燃烧控制系统

有效地控制锅炉燃烧过程可以提高锅炉运行的安全性、经济性和环保性。员工根据变频器输出的控制信号，控制提供给锅炉的煤量，调节风扇中的爆破量，使锅炉膛里的煤实现最佳燃烧，变频器收集锅炉膛内负压传感器测量的压力值，并使用内置调节功能自动调节锅炉风扇的旋转速度，从而保持锅炉内孔负压的稳定性。感应风扇的旋转速度可以直接通过压力控制器的输出参数进行调整，从而有效地调整风机电机和炉子的旋转速度，然后将风弹调整到最佳比例，从而使燃烧状态达到最佳状态，从而实现锅炉工作过程的有效自动控制。

3、锅炉机电一体化节能控制系统

控制系统分、保护控公共设备控制以及和锅炉运行；锅炉控制系统有自动控制和手动控制。前者是通过设置开关柜的按钮从而实现执行操作的；后者则是独立双线制能切换，可以通过编制控制程序实现自动控制的要求，程序的控制和编制也可以通过键盘与鼠标实现，整个控制过程可以在锅炉房内进行。集中控制法为自动控制系统的主要执行方法，运用智能控制法操控引风、鼓风以及水泵。并且其之间独立协调。详细控制方案如下：

锅炉机电一体化燃烧控制系统的运行需要借助引风，需要控制煤量和风量的需求量，这个过程涉及到PID运算工程、自动调节仪表和变频技术，从而保持锅炉的气压值在-30~30Pa区间之内。另外，能够在压力的作用下调节锅炉燃烧系统，从而实现鼓风的降低，维持锅炉燃烧的最佳状态。以自动化理念为基础实行对控制系统的操作，调控锅炉燃烧和煤量对膛负值进行控制，实现自动化，最大程度上减少人工干预，仅需要操作人员按时查看锅炉燃烧质量和控制煤量，维持锅炉运行的最佳状态。

汽包水位控制。借助恒频控制系统技术，使用最新PID模糊控制理论开发新产品，实现自动获取炉内电平信号，并且将所获信号转为延迟补偿器和标准PID运算公式，在此过程中能产生新信号，调节控制泵运转频率，PID调节器能够自动调节增长的泵，一旦高于水平高度，泵的运行速度可以通过PID控制器降低，从未有效的控制水量，将水量维持在一个恒定的状态。在变频器发生故障时，系统便会通过控制频率实现原有频率模式的切回。对水池液位的控制需要检查水池的具体水位，水位过高或过低都会发出警报，保证水位在标准范围。上位控制系统需要能够显示总机状态，并且能够参数设定、报告显示、参数显示、分组显示、故障报警显示和电动屏幕显示等；锅炉机电一体化上位控制系统能够自动打印参数报告；使用TPC/IP协议远程监控计算机通信实现集成访问端口信息平台，控制室内联网，使得控制中心技术接收到锅炉操作信息；设置权限系统注册表，明确操作人员职责。

4、基于变频调节的锅炉机电一体化节能系统运行措施

首先，由于某电厂锅炉机电一体化节能改造重点为高炉煤气增压风机高速电机，常规变频控制要求为变频控制。而针对变频运行过程中风机切换问题，系统改造人员可将第三台风机设置为变频启动模式，其余风机设置自动控制模块。若第三台风机转速达到起始转速350r/min后，作业人员可手动增速，促使其余自动控制风机风速下降。在全部风机在转速一致后，将待切换风机控制模式转化为手动降速，在其转速达到350r/min以上时，关停变频器。考虑到风机挡板、变频器为统一手操器控制，因此，在系统运行过程中，可在模拟量控制中添加切换逻辑。此时在变频器启动后，增压风机入口调门会根据速率变化进行逐步启动。同时采用PID或者手动操作的方式，直接输出命令符，控制增压风机入口调门。

其次，考虑到锅炉机电一体化节能系统在实际运行中各调节系统间相互关联，系统改造人员可将具体系统划分为水位调节、压力调节、经济燃料控制系统3个模块。其中水位调节主要包括单冲量、双冲量或三冲量等不同形式。主要采用三冲量调节方式，利用给水流量前馈比例运算。结合蒸汽流量前馈比例等级运算结果，可进行前馈串级调节系统搭建。同时在前馈串级调节系统内，以蒸汽流量为主要信号，结合锅筒水位阐参数及给水流量参数，对汽包水位进行控制，保证锅筒水位在一定限度内。蒸汽压力控制主要是依据用汽量变化进行锅炉产热量的调节，保证锅炉内汽压力一定。为保证汽压调节效果，主要利用PLC（可编程控制器），以锅筒压力标准值、实测值为已知参数，进行PID智能运算。并引入蒸汽流量比例前馈运算方式，以保证内置调节功能自动运行，同步调节锅炉炉排、鼓风机，保证变频闭环控制精确度。锅炉燃烧变频控制主要是以燃烧热量与负荷需求相符为目标，利用变频器输出控制信号的方式，调节鼓风量、给煤量平衡。同时利用烟气含氧量参数，加强风煤比分析，保证给煤量稳定，为锅炉机电一体化节能系统经济燃烧提供依据。同时考虑到锅炉燃烧控制中各种不确定因素，在某机组锅炉运行过程中，可在锅炉炉膛位置设置负压传感器，负压传感器可直接将压力测量值输送到变频器，利用内置调节功能，对锅炉引风机转速进行合理控制。随后依据锅炉压力控制器输出值，对引风机转速进行控制，进而改善锅炉炉膛负压情况。结合送煤量、锅炉炉排转速、鼓风量比例的换算，可获得最佳风煤配比，保证燃烧效果。

再次，为保证基于变频调节的锅炉机电一体化节能系统稳定运行，系统改造人员可利用蒸汽压力、进水流量、锅筒水位、烟气含氧量、火焰温度等测量检测仪表，将锅炉内部运行参数转化为以PLC控制系统为核心，添加少量输入输出控制点，为后续系统升级优化奠定基础。由于锅炉通信辅助电路需在CPU串行口配合下运行。即多台测量检测仪表需经一总线，与上位机进行信息交互。随后将锅炉现场运行信息、测量检测仪表信息传送给上位机，上位机根据通信反馈数据，进行模拟量输出。据此，本次锅炉机电一体化节能系统变频控制模式设计主要依据模块化控制原则，利用PLC可编程功能，在面板上进行运算功能模块、调节功能模块等用户程序的直接编制。其中运算功能模块主要包括一阶滞后、加减乘除、高限、低限、变化率限制、速度计算等；调节模块主要包括串级、比值、基本调节、前馈、脉冲调制输出、带死区PID非线性控制等模块。

最后，依据锅炉机电一体化节能系统运行特点，在PID/手操调节的基础上，系统改造人员可依据鼓风机、引风机、给水系统运行需求。结合电机学原理，进行变频器调速控制方案设计。其中电机学原理主要为交流异步电动机转速计算公式：n（轴转速）=60×定子供电频率×（1-转差率）/极对数。根据上述公式可知，通过对定子供电频率的合理变化，可平滑调整风机同步转速，实现风量调整。即依据风量变化调节风机转速，在风量下降到75%时，交流异步电动机转速也下降75%，此时轴功率下降到额定功率的49.8%。

结束语

改革开放以来，我国逐渐呈现出老师的发展趋势，产业是我国的核心产业，对我国综合国力的提高产生了积极影响。工业产业在不断发展的过程中，只有对资源的供给提出更高的要求，确保资源的供给，才能实现我们工业产业的健康发展。因此，锅炉企业如何实现快速发展，满足当前资源需求，同时不影响我国生态环境，成为锅炉企业研究的主要课题。本文研究变频技术在锅炉机电一体化节能系统中的应用，实现锅炉企业现代化，为我国提供更多资源保障，实现我国的综合发展。

参考文献

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