基于組態(tài)技術(shù)的蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)

摘要：論述了組態(tài)控制技術(shù)在蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)中的應用，詳細地介紹了蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的組成、控制要求和控制功能。并通過燃燒器主畫面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和遠程控制功能;通過實時趨勢曲線完成數(shù)據(jù)的查詢和分析。

蒸汽鍋爐提供的蒸汽主要用于民用采暖和工廠工藝用熱。目前使用較廣的蒸汽鍋爐分電蒸汽鍋爐、燃油蒸汽鍋爐、燃氣蒸汽鍋爐和燃油一燃氣蒸汽鍋爐4類。傳統(tǒng)的蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)是一種基于繼電接觸器和人工手動方式的半自動化系統(tǒng)，系統(tǒng)設計較為繁瑣，不易維護，故障率高;操作時需要工作人員親臨現(xiàn)場，存在嚴重損害操作人員身體健康的風險。組態(tài)(Configuration)控制技術(shù)以其編程簡單、運行安全可靠、故障率低、可維護性強等諸多優(yōu)點，逐步在蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)中得到廣泛采用。組態(tài)控制技術(shù)構(gòu)成的計算機系統(tǒng)在硬件設計上除采用工業(yè)PC機外，系統(tǒng)大量采用各種成熟通用的I/O接口設備和現(xiàn)場設備，基本上不再需要單獨進行具體電路設計，不僅節(jié)約了硬件開發(fā)時間，更提高了工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。

本控制系統(tǒng)硬件采用西門子S7—200作為核心控制部件，上位機軟件采用北京亞控公司的“組態(tài)王”。軟硬件采用模塊化設計，結(jié)構(gòu)與功能設計合理，操作簡單，智能化程度高，采用高性能的電源，具有較強的抗干擾能力?？蓪﹀仩t的當前工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并對故障進行自動識別及處理，使系統(tǒng)能夠更安全、可靠地運行。

1 蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的控制要求及構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)的控制要求

根據(jù)蒸汽鍋爐的工作過程，要求蒸汽壓力、鍋爐水液位和燃燒器達到以下控制要求：

1)蒸汽壓力控制

爐內(nèi)壓力要求控制在0.010 MPa≤P≤0.10 MPa。當蒸汽壓力P<0.01 MPa時，燃燒器先啟動小火，延時0～180s(可調(diào))。當延時時間到，啟動大火;當蒸汽壓力0.01MPa

2)鍋爐水液位控制

當爐水液位到達上上限時，關(guān)停補水泵和燃燒器并報警;當爐水液位到達上限時，關(guān)停補水泵;當爐水液位到達下限時，啟動補水泵;當爐水液位到達下下限時，關(guān)停補水泵和燃燒器并報警;當補水泵出現(xiàn)故障時，關(guān)停小火、大火和補油泵并報警。

3)燃燒器控制

燃燒器自動控制是由給煤量、送風量和爐膛負壓部分組成。在正常情況下，主蒸汽壓力偏離給定值時，系統(tǒng)將按著規(guī)定的控制算法調(diào)節(jié)爐排的轉(zhuǎn)速，以滿足靜態(tài)控制精度的要求。在調(diào)節(jié)給煤量時，為了保持合理的煤層厚度，還必須調(diào)整給煤閘板的高度;在調(diào)節(jié)送風的同時，為了使爐膛負壓相對穩(wěn)定，保證在任何情況下不出現(xiàn)正壓或超越爐膛負壓下限值，負壓控制可將送風量作為前饋信號，以獲得最佳燃燒效果，當蒸汽壓力P≤0.01 MPa時，燃燒器處于大、小火自動切換工作模式;當P>0.1 MPa時，燃燒器處于停機工作模式;當燃燒器出現(xiàn)故障時，關(guān)停小火、大火、補水泵和補油泵并報警。

1.2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)主要有鍋爐本體和燃燒器兩大部分組成：

1)鍋爐本體：配有蒸汽壓力變送器、爐水液位計、溫度傳感器、蒸汽壓力高保護壓力控制器和蒸汽壓力超高保護壓力控制器。蒸汽壓力超高保護壓力控制器的作用是在壓力超高時切斷燃燒器的電源。

2)燃燒器：配有小火電磁閥、大火電磁閥、火焰監(jiān)視探頭(電眼)和程序控制器。

蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，溫度、壓力和液位等模擬信號經(jīng)過變送器將非電信號轉(zhuǎn)換成1—5 V的標準電信號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，該數(shù)字信號為8位，其中7位數(shù)值位，1位停止位。8位數(shù)字信號經(jīng)RS232/RS485轉(zhuǎn)換接口傳送到計算機進行數(shù)據(jù)處理、顯示。開關(guān)量直接進入PLC模塊，首先由PLC完成對開關(guān)量的控制，再經(jīng)RS232/RS485轉(zhuǎn)換接口將其傳送到計算機進行處理，實現(xiàn)雙重控制。

1.3 控制系統(tǒng)I/O配置

本控制系統(tǒng)I/O配置如表1所示。模擬量應實時顯示在操作畫面中，數(shù)值范圍滿足表1要求，若出現(xiàn)數(shù)值超限應在主畫面中出現(xiàn)報警提示;數(shù)字量通過西門子PLC(S7—200)輸入和輸出，并能進行遠程監(jiān)視與控制。

2 蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)的基本功能

1)本系統(tǒng)可根據(jù)出口原油溫度或采暖水出口溫度與設定值相比較，實現(xiàn)自動、連續(xù)的調(diào)節(jié)爐內(nèi)火焰的大小。

2)本系統(tǒng)可實時顯示7個模擬量參數(shù)，它們分別是：原油入口溫度、原油出口溫度、采暖水入口溫度、采暖水出口溫度、爐內(nèi)液位、爐內(nèi)壓力、燒火間內(nèi)可燃氣泄漏量。

3)本系統(tǒng)可實時顯示的數(shù)字量包括：電源指示、燃燒器運行狀態(tài)、燃燒器故障狀態(tài)、檢漏故障狀態(tài)等。

4)本系統(tǒng)可實現(xiàn)超溫后的自動停機及溫度恢復后的自動啟動。

5)本系統(tǒng)可實時聲光指示所有參數(shù)的報警狀態(tài)，并可以手動消音。

6)本系統(tǒng)可實現(xiàn)手/自動的切換。在加熱爐調(diào)試期間，打到手動狀態(tài)進行前期的調(diào)試，當鍋爐具備自動控制的條件后，可打到自控狀態(tài)，以實現(xiàn)自動控制。

3 燃燒器運行主畫面

燃燒器運行主畫面可實時顯示燃燒器的工作狀態(tài)，通過對畫面的操作，可以實現(xiàn)對燃燒器工作參數(shù)的監(jiān)測和遠程控制。圖2所示為燃燒器停止運行狀態(tài)畫面圖。

1)油出口溫度：實時指示油出口溫度值，當溫度值高于報警設定值時，將自動跳出“報警窗口”當溫度值高于報警停機值時，燃燒器自動停機，并且溫度值以紅色顯示，待溫度值恢復正常后，燃燒器自動啟動。

2)爐內(nèi)壓力：實時指示爐內(nèi)壓力值，當壓力值高于報警設定值時，將自動跳出“報警窗口”;當壓力值高于報警停機值時，燃燒器自動停機，并且壓力值以紅色顯示，待壓力值恢復正常后，燃燒器自動啟動。

3)爐內(nèi)液位：實時指示爐內(nèi)液位值，當液位值低于報警設定值時，將自動跳出“報警窗口”;當液位值低于報警停機值時，燃燒器自動停機，并且液位值以紅色顯示。

4)燃氣泄漏量：實時指示燒火間內(nèi)可燃氣泄漏值，當泄漏值高于報警設定值時，將自動跳出“報警窗口”;當泄露值高于報警停機值時，燃燒器自動停機，并且可燃氣泄露值以紅色顯示。

5)運行狀態(tài)指示：當燃燒器運行時，顯示綠色“燃燒器運行”且火苗閃爍;當燃燒器停止時，顯示紅色“燃燒器停止”火苗停止閃爍。

4 控制系統(tǒng)軟件流程圖設計

本蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)主流程圖如圖3示。系統(tǒng)工作時，通過上位機的主畫面給系統(tǒng)上電，并將點火標志位置1，然后進入點火子程序進行點火，若燃燒器工作正常，則成功點火;若燃燒器出現(xiàn)故障，則通過點火子程序判斷故障點，排除故障后繼續(xù)點火，直到成功。

5 趨勢曲線

數(shù)據(jù)分析是一個完善的控制軟件必不可少的功能。趨勢曲線是實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的方式之一，其特點是直觀，便于比較。本系統(tǒng)設計了實時趨勢曲線來分析現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集情況。

趨勢曲線的外形類似于坐標紙，X軸代表時間，Y軸代表變量值。主要用于觀察變量的變化趨勢。在趨勢曲線中工程人員可以規(guī)定時間間距、數(shù)據(jù)的數(shù)值范圍、網(wǎng)絡分辨率、時間坐標數(shù)目、數(shù)值坐標數(shù)目以及繪制曲線的“筆”的顏色屬性。軟件運行時，實時趨勢曲線可以自動卷動，以快速反映變量隨時間的變化。

實時趨勢用于實時顯示數(shù)據(jù)的變化情況。在畫面運行時趨勢曲線對象由系統(tǒng)自動更新。數(shù)據(jù)將從趨勢的右邊進入，同時趨勢將從右向左移動，本系統(tǒng)實時趨勢曲線如圖4所示。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)測試和運行結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)崟r記錄鍋爐的運行情況，并通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)奖鞠到y(tǒng)，且系統(tǒng)操控界面友好、使用方便，實現(xiàn)了蒸汽鍋爐運行系統(tǒng)的實時監(jiān)測和自動控制。