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1 燃煤热水锅炉监控系统 燃煤热水锅炉监控系统 惠鸿忠 1 ， 白瑞祥2 （1.聊城大学汽车与交通工程学院，山东聊城 252000；2.天津科技大学电子信息与自动化工程学院，天津 300222） 摘摘 要要 本文介绍了基于 IPC-PLC 燃煤供暖热水锅炉监控系统的硬件配置及其功能的软件实现。 分析了燃烧控制系统、 压力控制系统及流量控制系统的特点， 采用了相应的控制算法。 实践证明， 该系统达到了锅炉燃烧工况良好、节能降耗的工艺要求，且运行稳定可靠。 关键词关键词 锅炉 SIMATIC PLC 燃烧控制 Monitoring and Control System of Coal Firing and Hot Water Boiler HUI Hong-zhong1 BAI Rui-xiang2 1. Institute of .Automobile and Traffic Engineering, Liaocheng University, Liaocheng ,Shandong Province 252000; 2.Ination and Automatic Institute of Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 30022 Abstract This article introduces the hardware configuration and the software achievement of coal firing and hot water boiler monitoring and control system based on IPC-PLC. In view of the features of the combustion control system, pressure control system and flux control system, corresponding algorithms are adopted. The results of operation prove that this system has realized the technical request of the better combustion and economizing energy reducing wastage and worked steadily. Key words Boiler SIMATIC PLC Combustion control 1 引 言1 引 言 锅炉是工业生产及采暖供热中一次能源转换为二次能源的重要设备， 为了保证锅炉本身 运行的安全性和经济性， 一般都要安装必要的检测和控制仪表。 目前随着计算机技术的迅猛 发展，锅炉计算机控制已经得到了广泛的应用。PLC 控制系统是目前过程控制系统中的主流 产品，它的出现使得锅炉的过程控制更具有了先进、可靠、简单易行的特点。下面以沈铁分 局丹东房建经营管理公司两台 20T/h 燃煤热水锅炉计算机监控制系统为例， 介绍其硬件配置 及功能的软件实现。 2 控制方案 2 控制方案 在采供暖热水锅炉中，控制的重点为出水温度、回水温度、出水压力、回水压力、给煤 量、鼓风量、炉膛负压、排烟残氧量。为达到锅炉燃烧工况良好，保证设备运行安全，满足 用户的供热要求，要对补水泵流量、循环泵流量、鼓风机转速、引风机转速、炉排电机转速 等进行综合调节。因此，我们设计采用变频调速计算机监控系统，保证了锅炉在良好燃烧工 况、安全可靠和节能降耗条件下运行。 2.1 锅炉引风机、鼓风机、炉排电机和循环水泵采用变频器控制2.1 锅炉引风机、鼓风机、炉排电机和循环水泵采用变频器控制 引风机、鼓风机、循环泵和炉排电机采用变频器进行控制，易于实现补水流量、循环泵 流量、鼓风机转速、引风机转速、炉排电机转速的综合调节，而且由于引风机、鼓风机、循 环泵都配备较大容量的电机，在启动、运行过程中势必造成冲击和电能损耗，影响锅炉燃烧 工况和水循环系统的节能运行。 采用变频技术后， 将弥补设计的不足， 达到经济运行的效果。 2 同时对电机减小冲击电流和机械磨损，延长电机的机械寿命。采用变频控制与风档、阀门类 控制方式相比又减小了管道压力损失，同样也达到节能效果，使维护工作量大大减小，锅炉 运行效益明显提高。 2.2 监控系统采用基于2.2 监控系统采用基于 IPCPLC 二级监控结构二级监控结构 根据两台 20T/h 锅炉的控制工艺要求，即要求达到安全运行、系统可靠、技术先进和节 能降耗及操作管理简便、 直观、 维护方便等目的， 同时降低监控系统成本， 选用基于 IPC-PLC 二级监控结构方案。选用一台工业控制计算机作为上位机（兼工程师站和操作员站） ，主要 负责监视（显示流程画面、数据和报警等） 、数据设定（设定值和调节参数等） 、管理（实时 和历史曲线、定时和及时打印数据报表等） ，同时可进行优化计算（如根据环境温度实时调 整锅炉出水温度） 。选用高可靠性的西门子 S7-300 系列中的 315-DP 作为下位控制站，完成 主要控制功能。这种结构即使上位计算机出现临时死机，也不会影响下位机的正常工作。再 辅于 DY2000 系列智能型操作器作为现场手动操作级，可确保该系统运行可靠，灵活，操作 维护方便。 3 系统主要检测、控制和报警功能3 系统主要检测、控制和报警功能 3.1 变量检测 3.1 变量检测 要满足供暖的需要， 首先必须保证锅炉的出口水温和出口流量的稳定； 其次要保证炉膛 负压维持在一定的范围内， 以保证生产的安全性和燃烧的经济性。 因此， 需要检测的变量有 炉膛温度、省煤器进口烟气温度、排烟温度、省煤器进口水温、出口水温、出口流量、补水 流量、炉膛负压、供水压力、引风负压、鼓风压力、水箱液位、大气温度等。 3.2 主要控制系统3.2 主要控制系统 锅炉控制系统可分为循环泵流量控制系统、炉膛负压及稳压补水控制系统和燃烧控制 系统。 1、循环泵流量控制系统由于我国的采暖供热系统大都采用“小系统，大流量”设计， 造成循环水流量过大，导致管网热损失大而用户供热不足的现象。采用阀门调节,精度低， 调节复杂，容易导致系统热平衡的破坏。采用变频技术调节循环泵的流量，可在系统压力稳 定条件下调节水量．保证采暖系统的运行安全。依据全国节能网推荐使用的“低出水温度， 小出/回水温差”的连续供热制度和推荐使用的运行调节公式，可根据室外温度的变化调节 锅炉的出水温度由燃烧控制回路实现； 根据出／回水温差调节循环泵转速， 达到调节循环 水流量和扬程的目的；并且间接调节回水温度，满足锅炉供热负荷的需求；采用限定循环泵 转速范围进行调节，可控制采暖系统的运行压力，确保设备安全与节能运行。 2、燃烧控制系统从燃烧对象特性来看，它们都是具有自衡能力的对象。另一个明显 的特点是燃烧对象具有大的纯滞后和时间常数， 特别是出口温度， 其纯滞后和过程时间常数 相比比较大，甚至接近 1，这一点也是燃煤锅炉和燃油燃气锅炉的最大差别。究其原因，工 业燃煤锅炉目前以层燃方式居多。 燃煤从给煤机传给抛煤机， 抛煤机再将煤抛撒在炉排上后， 它不象燃油燃气锅炉那样立即燃烧生热．而是分区分段进行的。因此，燃煤锅炉的燃烧过程 具有较大的热惯性，且受煤质、煤种、炉排配风是否合理及炉膛漏风等因素影响。使燃煤锅 炉较燃油燃气锅炉燃烧过程的自动调节更困难一些， 许多在燃油燃气锅炉上运用十分成功的 控制方案．照搬到燃煤锅炉上往往是失败的。在测试分析燃烧对象特征的基础上．结合国内 外有关锅炉控制方案和本锅炉的实际，采用了出口温度的“等等看”控制算法。 （1）出口温度的“等等看”控制算法 “等等看”控制算法就是仿人工操作而设计的一种非连续的自动控制方式，其主要思想 是偏差e的校正是不连续的，只有偏差大到必须改变控制量时，才使控制量发生相应的变 化；在施加控制之后，等一段时间看看控制效果，以决定是否进一步施加控制。当被控对象 纯滞后和过程时间常数相比较大时，“等等看”控制算法可以很好地解决常规的PID控制引起 3 的超调和振荡。 （2）这种控制算法的优点 1）供暖用燃煤热水锅炉、对控制品质没有过高要求，主要要求生产过程平稳，出口温 度有1C左右的偏差是允许的。而且，主要的干扰如入口温度的变化是缓慢进行的，所以 “等等看”控制算法是适用的。 2）“等等看”控制算法避免了煤量的频繁调节。对燃煤链条锅炉，煤量频繁调节，鼓风 和引风量都必须相应变化， 而鼓风通道的滞后和时间常数也比较大， 会导致整个系统一直处 于调整状态，不利于工况稳定；另外，频繁调节煤量会使整个炉排上层煤层厚度不均，使炉 排配风困难。 所以“等等看”控制算法简单，对燃煤热水锅炉这类具有大滞后对象是比较合适的。 3、系统稳压补水控制系统在锅炉的运行中，维持系统稳压是供热系统正常的基本前 提。在大的供热系统中，采用补水泵变频调速稳压，供暖系统采用封闭的系统，减少了水的 消耗。根据供热系统压力变化，采用补水泵变频稳压，可平滑地调节补水泵的转速，及时调 节补水量，实现系统水体积的稳定。 4、炉膛负压控制系统PLC 把采集到的炉膛压力测量值与炉膛压力的设定值相比较， 通过 PID 运算调节，进而调节引风机电机转速，保证锅炉在微负压状态下运行。同时引入鼓 风量前馈信号以克服鼓风量变化对负压控制的影响。 3.3 报警连锁3.3 报警连锁 为保证锅炉的安全运行，设置了相关的报警连锁保护功能，具体有炉膛温度高报警， 超高连锁停炉；出水温度高报警，超高连锁停炉；回水压力过低报警，超低连锁停炉；供水 压力过高报警，泄压保护；其它关键变量均具有报警功能。 4 系统硬件配置 4 系统硬件配置 4.1 控制设备4.1 控制设备 PLC 系统 CPU 选用 S7-315-DP， 它具有 48KB RAM， 扫描速率为 3us/1KB， 最大可扩展 1024 DI/DO，128 AI/AO，24VDC 负载电源和 MPI 接口。开关量模块分别选用 SM321（数字输入模 板 16 点输入，24VDC）和 SM322（数字输出模板 16 点输出，24VDC） 。模拟量输入模板选用 SM331，8 通道隔离输入，10-14 位精度。模拟输出模板选用 SM332，四通道隔离输出， 12 位精度、4-20mA 输出信号。上述模块在采用 STEP7 软件编程时，由软件进行硬件配 置，所以更换模块非常方便。 上述 DO 模块为直流 24V 共 COM 模块，在与强电电路连接通过中间继电器转换。 4.2 测量设备 4.2 测量设备 在该系统中，液位测量选用静压式液位变送器（UC22T） ，压力测量选用远程压力 变送器（8308） ，流量选用电磁流量计（IFM4080K） ，炉膛温度选用双支“K”热电偶 （WRN2-231）,出水温度选用双支铂电阻（WZP2-231）,其它温度测量选用铂电阻 （WZP-231） 。上述仪表均输出 4-20mADC 或 0-10V 标准信号。 模拟量输入模板具有多种信号范围0-10V、4-20mA、1-5V 及热电阻等。在使用时， 信号类别通过 STEP7 软件来指定。由于 4-20mA 信号抗干扰能力强，传输距离远，所以 通过软件指定 4-20mADC 信号。又因该模板为有源，所采集的信号无源，所以上述仪表 输出的 4-20mADC 标准信号，可方便与 PLC 模拟输入模块相连接。 各电机、泵的起动信号取自交流接触器的触点，报警信号取自热继电器的触点，起停信 号由 PLC 通过中间继电器送往控制回路，手动/自动操作通过电器柜上的转换开关切换。系 统构成如图 1 所示 4 5 软件编程软件编程 5.1 下位机 PLC 控制程序 5.1 下位机 PLC 控制程序 SIMATIC S7-300 系列可编程控制器采用 STEP7 标准软件编程。 它的最大优点在于 符号化编程和组织分层结构， 使得编制的程序可读性非常好， 现场调试非常容易。 STEP7 标准软件包包括符号编辑器、SIMATIC 管理器、NETPRO 通讯组态、硬件组态、和三种 编程语言（LAD、FBD 和 STL） ，此外，还具有硬件诊断能力。 整个过程监控程序分层及调用结构如图 2 所示。 FC10 图 2 1炉过程监控程序结构 OB1 FC1 FC2 FC3 FC4 FC6 FC5 FC14 FC13 FC12 FC11 FC41 DB10 DB11 DB20 DB21 DB22 DB23 DB24 DB25 图 1 系统构成框图 引风、鼓风、炉排、循环泵、补水泵变频配电柜 1操作柜 2操作柜 公用操作柜 MPI 上位机 1PLC 2PLC 公用 PLC 5 OB1为系统组织块，用于循环程序处理；FC1 为上位数据交换功能块；FC2 为量 程换算功能块；FC3 为报警处理功能块，用于各种报警信号的处理及与上位数据块（共 享）DB10 的数据交换且可通过上位机确认；FC4 为链排控制功能块，用于实现链排机和 燃烧控制；FC5 为断续控制功能块；FC6 为连续控制功能块，六次调用 STEP7 中标准 PID 功能块 FB41 和可通过上位机设定参数的背景数据块 DB20、DB21、DB22、DB23、DB24、 DB25 用于实现 1、2炉膛负压、出水压力及鼓风压力控制；FC11、FC12 分别为 1炉自 动启炉、停炉控制功能块；FC13、FC14 分别为 2炉自动启炉、停炉控制功能块；FC10 为 主程序功能块，通过调用子程序功能块 FC11、FC12、FC13、FC14 实现 1、2炉的自动启 炉、停炉控制功能；OB35 为循环中断子程序，中断优先级为 12，其中断时间可在 5ms～ 60000ms 之间设定， 本过程设定为 500ms； OB80、 OB82 分别为时间错误、 诊断错误子程序； 共享数据块 DB10 为上位数据块，用于上、下位机的数据交换；共享数据块 DB11 为上位设 定数据块，用于各种参数的设定和调整。 5.2 上位机组态程序 5.2 上位机组态程序 上位机采用组态王 6.02 组态软件开发监控程序，主要实现以下功能 （1） 工艺流程图及运行参数的显示 开发锅炉燃烧工况流程图， 实时显示现场各类电机、 泵等设备的运行状态及各种监控数据，并能对液位、压力、流量、温度、转速等数据进行设 定和控制。主画面模拟现场工作状况，能够直观、精确了解现场工作状况。 2数据查询功能在主机画面上，通过实时数据曲线对采集到的各种数据进行实时观 测，便于了解具体的工作情况；通过历史数据曲线对采集到的数据存放到数据库中，便于了 解长时间工作的历史趋势。查询时可保证精确、方便、快捷。 3报警功能对各超出设定值范围的参数及设备故障进行报警，当某一实时数据超过 设定值或某一设备出现故障时，进行声光报警，并做相应的处理，报警后将所需参数存入数 据库中，供日后查询。 4报表功能对需要上报或对比以及长期需要保存的数据生成报表进行定时或实时打 印存档。 6 结束语结束语 采用 SIMATIC S7-300 系列可编程控制器进行锅炉控制,硬件可由软件组态，软件 编程层次清楚，现场调试方便，利用其强大的通讯功能可组成各种分布式监控管理系 统。该系统在沈阳铁路分局丹东房建经营管理公司两台 20T/h 燃煤热水锅炉供暖工程 中运行表明，其可靠性和较高的性价比是常规仪表无法比拟的。 参考文献 参考文献 [1]鹿世金.工业锅炉节能的控制技术[M].兵器工业出版社.1993. [2]郑金吴等.燃煤低压热水锅炉测控技术设计与研究[J].工业控制计算机.14 卷第 6 期.2001. [3]SIMATIC S7-300 系列可编程控制器硬件安装手册 [4]SIMATIC S7 STEP7 5.2 编程手册 作者简介 作者简介 惠鸿忠，男，聊城大学汽车与交通工程学院讲师,研究方向计算机监控系统，智能控制；白瑞 祥，男，天津科技大学电子信息与自动化学院副教授，研究方向工业过程控制，计算机监控系 统，智能控制。 通讯地址山东省聊城市龙山南区 25楼三单元 5 楼东 惠鸿忠 邮政编码252000 Emailhhz3609