基于PLC的锅炉实时监控系统的设计

基于PLC的锅炉实时监控系统的设计
摘要：本文主要从锅炉技术的现状及其未来的发展前景、锅炉系统控制方案设计、锅炉控制系统设计三个方面对基于PLC锅炉实施监控系统设计进行了详细的分析。

关键字：锅炉；监控；现状；
前言：因为PLC自动化控制系统本身的优越性，故其在锅炉的实时监控系统的设计中有较强的使用价值。

一、锅炉技术的现状及其未来的发展前景
（一）锅炉技术的现状
传统的工业锅炉大多使用的是继电器--接触器控制，给水、鼓风、引风等基本的控制部分均为现场手动控制，其控制系统通常是由输入电路、控制电路、输出电路与生产现场这四分部分组成。

在以往传统的锅炉生产环节中，老式控制系统运用很普遍，但是随着科技的进步，企业生产量得到扩大，这种控制调节方式在面对逐渐严格与多样化的生产工艺要求时，已经无法起到相应的精确控制，越来越显得落后。

（二）锅炉的发展前景
从经济性上来讲，要求锅炉的能耗小，维护成本低，自动化控制程度高。

从锅炉的技术上讲，整个全自动控制系统要使用高效率、高质量的控制组件来保证，依靠微机技术智能化控制，优化每个凋节量，提高节能效果。

从安全性方面上讲，锅炉控制系统的各个部分能够单独进行控制，但又相互联系，遇到紧急故障时可以单独停止来保证现场的操作人员的安全。

从环保性方面上讲，通过计算机的调节，可以在一定程度上降低锅炉与其他系统设备对环境气候造成的污染，特别是对大气与水质。

二、锅炉系统控制方案设计
（一）锅炉结构介绍
锅炉是种生产蒸汽或热水的换热设备。

在常见的锅炉设备中，链条炉排锅炉的结构紧凑、系统成熟、性能稳定等特点，使得它被运用的尤为广泛。

（二）锅炉水位控制方案设计
1、锅炉汽包水位控制要求
汽包水位存锅炉的运行过程中起着十分重要的作用，决定着锅炉的工作质量。

汽包水位作为锅炉安全运行的前提条件，如果太低则会破坏锅炉的水循环，引发水冷壁管破裂和锅体干烧等现象，如果汽包受此影响损坏，还会引发爆炸；水位过高会使得汽水混合物元法正常分离，产生“带水”蒸汽，引起过热管壁结垢，从而会使相关负载设备的传动叶片损坏。

2、锅炉汽包水位控制方案设计
三级冲量控制系统与单冲量、双冲量控制系统有明显的优越性，虽然双冲量控制系统可以克服单冲量控制系统无法克服的“虚假水位”问题，但是它还是无法做到对调节阀的静态补偿和无法及时克服给水系统的干扰。

因此工业锅炉汽包水位控制一般都采用三冲量控制的方式，即为在双冲量水位调节控制系统的基础上加入给水流量信号构成的三冲量控制系统：汽包水位为主冲量信号、给水流量为回馈信号、蒸汽流量为前馈信号。

（三）锅炉燃烧控制方案设计
1、锅炉燃烧控制要求
工业锅炉是一个多输入输出、非线性的复杂控制对象，当某个参数变化时，其他的参数都会做出相应的改变，各个参数之间相互关系错综复杂，并且相互影响。

锅炉燃烧过程中的主要控制任务是给煤控制、给风控制和炉膛负压控制。

实现燃料量控制调节蒸汽压力，送风量控制调节烟气含量以及引风量控制炉膛负压，并有效克服了彼此间的干扰，保证锅炉经济安全运行的同时又能使产生的蒸汽可以满足设备负荷的需求。

2、主蒸汽压力控制方案设计
锅炉主蒸汽压力是整个燃烧控制系统的重要调节参数之一，引起蒸汽压力变化的因素有许多，给煤量、蒸汽流量是其中主要的两个原因。

3、送风控制方案设计
送风调节的目标是维持系统风煤比处于规定范围以保证煤粉燃烧的经济性。

但因为烟氧量主要由送风量决定，因为在控制时不能及时调节烟氧量，所以采用由烟气含氧量为主回路，送风量为副回路构成的串级控制，并结合比值控制调节送风量和给煤量，优化送风控制系统，保证烟氧量处于稳定值。

4、引风控制方案设计
引风量控制系统的主要任务在于调节控制引风调节阀，确保引风量始终稳定在规定范围，由此维持炉膛负压的稳定。

一旦炉膛内燃烧情况发生变化，炉膛负
压就会立即发生波动，因此要使锅炉能正常运行就必须控制炉膛负压。

（四）锅炉过热蒸汽温度控制方案设计
1、过热蒸汽温度控制方案要求
锅炉过热蒸汽温度控制系统的任务是维持过热器出口蒸汽温度在规定范围内，并保证过热器管壁温度始终处在安全值。

过热蒸汽温度控制一般采用减温水流量调节法来实现。

减温器等相关设备结构简单，操作起来简便快捷，因此通过减温水来调节过热器出口蒸汽温度的办法应用较为广泛。

在安装减温器时应尽可能靠近蒸汽的出口，确保过热器工作的安全。

2、过热蒸汽减温器的安装设计
为了保护过热器、提高蒸汽温度调节的灵敏性，过热蒸汽温度控制系统都采用前后两个喷水减温器。

第一个减温器安装在前屏过热器后面，调节幅度和惰性都较大。

因为末级的过热器热惯性小，第二个减温器安装在末级过热器前方，以便迅速调节出口蒸汽温度。

汽温控制一般采用两个调节器串联互相配合的工作模式，彼此协调，当一级减温器出现扰动时，它立即进行调节，随后二级减温器对扰动再次调节。

相较于单控制系统来说，优势明显。

三、锅炉控制系统设计
(一)锅炉控制系统硬件设计
1、硬件型号选定
（1）电动机
存锅炉汽包水位控制系统和燃烧控制系统中，电动机是主要的动力设备。

选择了合适的电动机才能保证供水准确、给煤适当，让锅炉运作更为稳定安全。

（2）变频器
变频器是实现变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因子、过流／过压／超载保护等功能。

（3）变送器
变送器就是把传感器输出的信号转化成能被控制设备接收的数字信号的一种信号转化组件，它可以把传感器的非电量输入变成电流或电压信号，同时将这些电信号放大后传送给控制和监测设备。

大多实时监测信号都南变送器发出，但是不同的模拟量信号需要相应的传感器结合对应的变送器来产生。

变送器多种多
样，常见的工控变送器有压力变送器，流量变送器，电流变送器，电压变送器等。

（4）调节阀
根据传动能源的不同，调节阀可以分为气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀二类。

其中液动和气动调节阀应用最为广泛，具有结构简单，动作迅速，性能可靠稳定，适用丁防火防爆场合等特点。

（5）开关电源
锅炉控制系统中，除了需要接入二相交流电以外，一些控制器件的电源为DC24V。

（6）PLC
主要由机架、CPU模块、信号(I／O)模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和程序设计计算器组成，通过CPU模块或通信模块借口，PLC被连接到通信网路，可以与计算机、其他PLC或其他设备进行通信与控制。

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2、锅炉控制系统硬件设计
从电源接头引入380V电源为锅炉控制系统供电，为了保证设备的安全和不被瞬时过人的电流损坏，必须接入过流保护装置确保电流过大时能够及时断电。

当电气设备存自身出现故障时会使回路电流过大，此时熔断器动作，及时切断回路，保证供电回路和电动机的安全。

对于变频器的接线，因此首先应该将变频器的电源端与380V交流电源相连，利用PLC 输出控制变频器，进而控制电机的启停与转速的快慢，实现对参数的调节。

（二）锅炉系统软件设计
1、在给水控制上，采用电动机控制给水，并准备故障备用电机一台。

2、燃烧控制系统方面，通过变频器的调速来控制给煤电机的启停及给煤量，炉排电机也由电机结合变频器控制调节，保证经济节能的运作。

3、锅炉安全系统方面，为了保证过热的止常工作，通常会限制过热蒸汽的温度，并由减温水来调节控制。

（三）软件程序设计
根据一般课题要求，通过所编程序实现燃料量控制调节蒸汽压力，送风量控制调节烟气含量以及引风量控制炉膛负压的设计，并有效克服彼此间的干扰。

FC1：气泡水位控制系统
程序段1：给水电机I启停
程序段2：给水电机I故障无法运行时，启动设备用给水电机Ⅱ
程序段3：气泡水位低于低水位上限I，打开给水调节阀
程序段4：气泡水位高于高水位上限I，打开出水调节阀
程序段5：气泡水位超出警戒水位范围时，给水电机停机
程序段6：将对应参数传送到控制器并由其对相关变频器进行调节
FC2：燃烧系统控制系统
程序段1：给煤电机启停
程序段2：炉排电机启停
程序段3：炉膛温度数据、蒸汽流量数据采集
程序段4：将采集的对应参数传送到控制器并由其对相关变频器进行调节
程序段5：送风机Ⅰ启停
程序段6：送风机Ⅱ启停
程序段7：送风压力资料、给煤量数据采集
程序段8：将采集的对应参数传送到控制器并由其对相关变频器进行调节
程序段9：引风机启停
程序段10：送风压力资料、炉膛负压数据采集
程序段11：将采集的对应参数传送到控制器并由其对相关变频器进行调节
FC3：过热蒸汽控制系统、
程序段1：过热蒸汽温度数据采集
程序段2：将采集的对应参数传送到控制器并由其对阀门的开度进行调节
四、结论
对锅炉进行实施监控控制系统设计，要进行综合考虑，对遇到的问题及时予以解决，在实际运行过程中不断提高锅炉控制系统的技术水平，保证整个系统的稳定与安全。

参考文献：
[1] 邹丹丹. 基于PLC锅炉监控系统研究[M]. 黑龙江八一农垦大学.2010(4)
[2] 欧阳源敏; 丁维明.锅炉实时监控系统的研究与实现[J] 能源研究与利用.2001(9)。