PLC在热电厂锅炉控制中的应用

【摘　要】　应用PLC对热电厂锅炉进行自动化控制具有很好的效果。本文首先分析了热电厂锅炉的工艺控制要求，然后从理论方面阐述了锅炉控制方案原理，最后介绍了一种用上位机和PLC所构成的锅炉控制系统，并给出了具体的系统配置。

【关键词】　可编程控制器 锅炉控制 控制回路

1　引言

锅炉拥有非常广的应用层面，例如在供热、发电、化纤、机械制造等行业，作为这些行业不可缺少的动力来源，其应用量非常大。而锅炉蒸汽作为热电厂对外供热的一个最重要的动力，在很大程度上影响着热电厂的生产质量，但是由于锅炉在热电厂中工作环境差、运行时间长、生产流程特殊，并且控制系统复杂，所以要求控制系统需具有较强的可靠性。而目前国内众多若热电厂由于其锅炉中具有较多的控制回路，所以采用传统的由多台计算机对各个锅炉控制回路进行控制，即分布式控制系统（简称DCS）。

但是，随着逻辑可编程控制器的发展，使得用PLC对锅炉的控制回路进行简化成为了可能，能够对锅炉控制系统中的辅助计算机进行联锁操作，提高了回路调节的能力，完善了工业组态监控画面。并且由于应用PLC对系统进行控制，具有较强的抗干扰能力，对工作环境要求不高，可以替代传统的分布式控制系统或用继电器进行控制的方法。因此，采用PLC实现对热电厂锅炉的自动化控制，具有很好的控制效果。

2　工艺与控制要求

制粉系统、工况系统和锅炉本体系统是热电厂锅炉控制系统的三大组成机构：

2.1　制粉系统

制粉系统主要包括直吹式和中储式两种方式。其目的是降低吨煤的磨煤电耗，其主要由圆盘给煤机、叶轮给粉机、球磨机等组成[1]，制粉系统要求它们能够按照需要顺序启动或停止，能够实现变频调速，并且能够实现对球磨机的出入口差压进行实时控制。

2.2　工况系统

锅炉的工况系统主要分为纯煤燃烧工况和混合燃烧工况。其中混合燃烧工况可以在烧煤粉的基础上，再混合掺入一部分高炉煤气。因此需使工况系统能自动对高炉煤气的电动阀进行控制。

2.3　锅炉本体系统[2]

锅炉本体系统主要由燃料调节、送风调节和引风调节等构成。应用PLC控制后，需要能够对送风机和引风机实现变频调速，实现其自动启动和停止，并且能够对汽包液位进行调节，对炉膛负压进行控制，对蒸汽温度和烟气含氧量进行准确操控。

3　控制方案原理

3.1　汽包液位调节

汽包是指因水分和气体融合，而导致的气压变化。汽包液位的高低在一定程度上影响着锅炉的安全运行。汽包内的汽水分离装置在汽包液位过高时会发生故障，甚至导致蒸汽过饱和，使蒸汽中含有一部分液态水，降低了蒸汽质量，增加了锅炉管结垢。相反，锅炉水冷壁管会在汽包液位迅速下降时产生爆裂现象，影响了锅炉内部的水循环，甚至导致汽包干锅。因此，无论汽包液位过高还是过低，都可能引起事故产生。汽包压力随锅炉对外做功（即负荷）的增加而下降，压力下降则会带来沸点温度下降，加剧沸腾，造成水位虚假上升。对汽包液位调节的目的是使锅炉进出水量达到平衡，令水位保持在允许范围内的汽包中位线附近。

因汽包液位调节系统在其工作状态下，易有虚假水位现象产生，所以应采用以汽包液位、给水量和蒸汽量所组成的三冲量调节系统。具体的汽包液位调节控制回路如图1所示，其中∑=F汽-2（L液-50%）。

汽包液位调节控制回路能够使汽包不受虚假液位影响。当锅炉对外做功（即负荷）增加时，虽然会出现虚假液位，但F汽和L液也随之增加，使作为PID调节设定点的∑不发生变化，即主给水阀开度不受影响。当虚假液位现象随着汽包压力重新恢复平衡而消失时，汽包液位L液会随着内部液态水蒸发量增加而下降，按照公式∑=F汽-2（L液-50%），则PID调节设定点的∑增大，进而加大主给水阀开度，使给水量增加，令汽包水位重新达到平衡态。

3.2　球磨机风温自动调节

球磨机风温过高，会导致其内部煤粉自燃，球磨机风温过低，会影响高炉煤粉喷吹。所以，PLC利用控制球磨机入口处的热风阀来对球磨机风温进行调节，使热风阀开度的大小随出口风温的大小而改变。

3.3　过热蒸汽温度的自动调节

蒸汽温度是衡量锅炉性能好坏的一个重要指标，蒸汽温度过热则会导致过热器管道被烧坏，蒸汽温度过低则会影响对外做功的质量。因此，需要控制好蒸汽温度，目前较为主流的控制蒸汽温度的措施是喷水减温法。如图2所示为蒸汽温度调节控制回路图。

蒸汽温度调节控制回路采用串级PID形式，系统分别对蒸汽温度和减温水管的温度进行测量，以此为依据对减温水调节阀进行控制，使蒸汽温度保持在允许范围内。

3.4　炉膛负压自动调节

炉膛压力是衡量锅炉能否安全运行的一个重要指标，锅炉的炉膛压力如果过小，易导致喷火现象产生；炉膛压力如果过大，则会使锅炉产生漏风现象，增大烟气热损失，影响锅炉的经济燃烧。因此，有必要保持炉膛的压力符合给定值。炉膛负压主要受引风量和送风量影响，因此，控制引风机的引风流量是调节炉膛负压的一个有效手段。然而，煤粉在锅炉中燃烧时，会给炉膛负压带来脉冲振动，影响调节器正常工作，传统方法是在接收炉膛负压信号前添加滤波器，但这便延迟了测量信号，导致炉膛负压和给定值的偏差较大，因此需要引入前馈控制方式，以消除干扰。因此，PLC主要是通过控制引风变频器进而调控引风机的引风流量来对炉膛负压进行自动调节，而炉膛负压的变化率又很快，所以需在控制回路中添加一个前馈PID控制器。

4　系统结构及其配置

系统采用双机冗余系统。上位机方面，使用两台计算机，分别用作主控和辅控。下位机方面，则采用逻辑与可编程控制器（即PLC）。上位机与下位机之间使用多点接口（MPI）进行通讯，以便能够统一监控现场锅炉，以及对其进行远程控制。操作人员利用上位机便可以对现场锅炉进行实时监控，进而充分地了解它们运行状况，还可以远程控制风机、球磨机等锅炉内部器件的启动和停止，以及对它们的参数进行设定。另一方面，计算机还可以记录现场每台锅炉在其运行过程中的各种历史数据，将其存储于数据库中，可以随时进行提取并打印。

系统计算机配置方面，计算机软件部分采用微软WINDOWS　2000操作系统，组态软件使用了西门子WINCC　V5.1，PLC编程软件使用基于西门子S7-300的SETUP7　v5.2+sp1[3]。

逻辑与可编程控制器（PLC）方面，选用S7-315-DP作为CPU，其属于西门子S7-300系列，内置PID模块，48K存储器，I/O能扩展到2048点，标配西门子CP5611通讯卡[4]。

在安全措施方面，系统采用了通讯网络冗余、PLC冗余以及电源冗余。双通讯网络冗余可以保证系统在某一网络出现故障时，不受影响。而PLC冗余则是利用两套PLC设备进行控制，两套设备的输出均接至同一输出端上，当主控PLC出现问题是，辅控PLC接替工作。电源冗余是用两路西门子SITOP电源经二级管隔离后并联到一起进行供电，某一SITOP电源发生故障，不会影响系统正常工作。

5　结语

目前，多数热电厂在锅炉控制方面仍采用传统的用多台计算机对各个锅炉控制回路进行控制的分布式控制方式，这种方式不但可靠性差、效率低下，而且耗能严重。相比之下，采用PLC对热电厂锅炉进行控制，在很大程度上减少了设备的维护成本，提高了系统工作效率，并且利用PLC中的PID模块，可以将带有闭环控制的变频调速技术应用于锅炉控制中，提高了风机的可调速性，进而达到减小能耗、提高节能效果、提高系统调节质量的目的，从而使锅炉能够经济可靠地运行。

参考文献：

[1]冯秋，曹国刚.浅谈工业锅炉技术的发展与应用[J].北京：电力电子技术应用，2010，（10）；187-188.

[2]葛云燕，李新平.可编程逻辑控制器在电厂中的应用[J].中国电力企业化管理，2007，（3）；66-67.

[3]李宝英，魏长宏.PLC在电厂锅炉设备变频器上的应用[J]动力与电气工程，2011，（03）；167-168.

[4]怨磊，王国伟.电厂锅炉补水处理PLC控制系统及组态[J]江西煤炭科技，2006，（01）；122-123.

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