范新芳

（大同煤矿集团晋华宫矿，山西大同 037003）

0 引言

煤矿锅炉系统是供热系统中的核心部分，是供热系统安全高效运行的重要保障。然而，国内多数煤矿建井年限长，煤矿锅炉设备相对落后，在使用中出现精确度低、可操作性差及集中控制自动化水平低等技术难题[1]，落后的锅炉供热系统已不能满足现代化煤矿供热需求。为了进一步提高煤矿供热系统的稳定运行，实现锅炉设备集中控制目的，对煤矿锅炉系统进行优化，安装一套PLC（编程逻辑控制器）集中控制系统。

1 PLC集中控制系统组成

1.1 PLC硬件系统组成

（1）锅炉本体设备。晋华宫矿一座年产量为800万t的大型矿井，现已安装4台40 t的锅炉。

（2）锅炉房公共设备。给水泵、水处理机构、引风机、鼓风机、操作台、变频柜、锅炉自检系统。

（3）锅炉控制系统。控制系统主要有可编程逻辑控制器（下位机）与操作站（上位机）两部分。为了使PLC系统之间能够形成冗余备用，分别为锅炉本体及公共设备各单配1台上位机；为了使4台40 t的锅炉形成PLC系统冗余备用，4台锅炉共同使用4套编程逻辑控制器；公共设备同样配备1台编程逻辑控制器[2]。

（4）软件操作系统。该系统使用的上下位机主要由性能先进的硬件及功能强大的软件组成，采用最先进的操作系统，能够对各种通讯方式和通讯协议进行支持，同时系统接口能够对各种数据进行交换，可以实现多任务共同完成的操作平台。

（5）通讯方式。编程逻辑控制器与操作站能够利用分散型控制系统快速地对各类通讯数据进行响应，而且由于使用5类双绞线，可以具备较高的抗干扰性[3]。

2 PLC集中控制功能及优点

2.1 主要功能

（1）锅炉监控系统能够实时对锅炉内的汽温、压力、膛温、负压、排烟温度、排烟压力、给水压力、水位、给水量、蒸汽量以及各类水箱水位进行实时监测。

（2）在锅炉的实际供热中，PLC可以按照技术人员预先设定好的程序进入自动控制模式，在该模式下，锅炉如果发生故障，系统可以根据操作者的需求自动切换到手动操作[4]。

（3）操作台可以在显示屏上对锅炉的燃烧情况及汽水系统形成流程图进行显示，同时还可以对系统供电、设备运行情况、各类实时参数进行显示，方便工作人员查看。

（4）系统还可以自动将锅炉内的汽温、压力、膛温、负压、排烟温度、排烟压力等参数进行收集，并储存于数据库。

（5）系统会根据程序员预先设定好的顺序，对锅炉辅助设备以及公用设备进行控制。

（6）如锅炉发生故障，系统会自动发出报警，同时将设备运行情况及故障类型进行分析，方便工作人员及时了解事故原因。此外，该系统还可以在线对数据修改及系统维护，大大缩短了事故的处理时间。

（7）该系统与矿内交换机进行联网，设备运行的情况及参数可以实时通过环网传至指挥中心。

2.2 优点

（1）稳定性强。PLC集中控制系统主要采用工业以太网进行设备之间的信号传输，信号传输稳定性强、受干扰率低，可实现长距离集中控制，与传统信号线传输相比，解决了系统敷设线路的困扰，降低了系统成本费用。

（2）应用效果好。PLC集中控制系统可将供热锅炉设备进行联锁控制作用，通过控制室可对所有设备运行状态、故障情况等进行实时监控，解决了传统系统设备分布区域广、监控效果差、故障率高等技术难题。

（3）降低劳动作业强度。安装PLC集中控制系统后，所有设备可集中监控，出现故障时系统自动报警，与传统系统相比，降低了施工人员对设备检修的劳动作业强度，同时避免了人工检修时误差率大，以及设备在运行时故障率高等技术难题。

3 控制方式

3.1 汽包水位三冲量

汽包水位的稳定性是判断锅炉运行是否正常的重要指标之一。在实际生产中，操作人员可以通过采取各种措施控制锅炉内汽包水位的稳定。目前来看，三冲量控制方法是最有效的控制方式。该方法采用串级加前馈方式，可以将锅炉内给水量与供汽量的变化通过显示器显示出来。锅炉给水流量、汽包水位以及蒸汽流量分别作为供热系统的副调回路、主调回路以及前馈量克服虚假水位[5]。锅炉在使用三冲量控制以后，能够将锅炉内的稳态控制在±5 mm。

3.2 恒压供水

在实际生产中发现，系统会由于各种原因造成锅炉内汽量不匀，特别是锅炉高峰和低谷供汽流量变化比较大。为了解决这个问题，操作人员采用变频泵对锅炉进行供水，这样可以确保供水压力随着供汽压力改变而变化，确保锅炉恒压供水[6]。

3.3 汽压-燃烧调节

锅炉内的蒸汽压力主要是通过调节排转速、鼓风量进行控制。因此在主汽压力燃烧设计时，可以将锅炉内的蒸汽压力检测值和设定值通过对比，再将数据偏差信号输入到控制器内，控制器经过数据处理后，根据控制器输出信号调整鼓风变频器频率和炉排转速[7]。为了保证锅炉系统的压力稳定，方便工作人员操作变频器，系统将蒸汽流量作为前馈信号，如图1所示。

图1 汽压-燃烧控制原理图

3.4 其他控制方式

（1）显示屏可以实时显示锅炉的运行参数，锅炉主要参数可以通过单独的显示器进行操作。

（2）次要参数主要通过巡检方式进行循环显示，比如锅炉的鼓风量、引风量均可通过手动进行调节[8]。

（3）系统给水控制回路能够实现手动、自动切换功能。

（4）锅炉内的汽包水位、汽包压力直接与报警装置联锁，必要时可以直接对锅炉进行停炉操作，还可以将锅炉内给水量和蒸汽量的瞬时值和累计值进行显示。

（5）为了能够更好地对锅炉内的给水压力进行实时监测，操作人员预先在水处理系统中安装一套控制器。

（6）系统能够分类对锅炉内蒸汽母管压力、各类水箱水位计流量以及辅助设备的启停信息进行显示。

4 实际应用效果

2018年7月20日，对矿供热锅炉系统结构进行优化改造，在原系统安装一套PLC集中控制系统，9月18日，整个系统改造完成；2018年10月1日，对矿区及井下进行供热，2019年5月1日停止供热。通过7个月的实际应用效果观察发现，供热锅炉设备安装PLC集中控制系统后，设备供热效率由原来的72%提高至93.2%以上，热量流失降低至7%以下；设备故障率降低至5%以下，减少设备维修费用达42万余元；同时，安装该系统后，所有供热设备实现了集中控制作用，在远程操控室内只需1人即可对整个系统进行操作、监控，与传统系统相比，降低了人员对设备检修的劳动强度，全年可降低劳动成本费用达21.7万元。

5 结束语

对煤矿锅炉设备安装PLC集中控制系统后，通过实际应用效果观察发现，该系统具有寿命长、精确度高、可操作性强及灵敏度高的特点，优化后的锅炉供热能力已经能够满足全矿的供热需求，提高了锅炉的安全性、高效性、稳定性。