基于PLC 的燃气锅炉控制系统改造设计

2020-09-03卢伟

商品与质量 2020年28期

卢伟

宁夏长城水务有限责任公司宁夏银川 750001

长城水厂目前使用的锅炉为常压燃气锅炉，配有利雅路燃烧机一台，通过接触器及继电器控制和SWP-C80 智能数显控制仪实现锅炉的启炉停炉、循环泵及补水泵启停、锅炉大小火转换以及故障报警。为了实现设备自动化控制，保证燃气锅炉高效、安全运行，可对燃气锅炉目前的控制方式进行改造，采用PLC 自动控制系统实现设备控制[1]。

1 PLC 控制系统优越性分析

大量的工程实践证明，PLC 控制系统与传统继电器控制系统相比有着不可比拟的优越性。一是高可靠性。PLC 用软件代替继电器控制系统中大量接线减少了触点接触不良的可能性，同时其具有完善的通道保护和多种形式的滤波电路确保其极强的抗干扰性能；二是良好的可扩展性[2]。在控制系统使用的过程中，若设备更新或工艺流程改变，通过修改程序即可方便快速地适应工艺条件的变化，极大程度地缩短了开发周期；三是可维护性强。PLC 自身具有较强的自诊断能力，能及时报告出错信息，或停止运行等待修复；四是可操作性。实现人机交互，监视设备运行状态、报警及状态显示和进行过程控制，实现参数设置和在线组态；五是PLC 编程简单。编程使用最多的编程语言是梯形图，语言形象、直观，易学易用，PLC 采用软件方法取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的安装及接线很大程度上简化，同时用户程序可以进行模拟调试，减少了现场调试的工作量；六是采用模块化结构、通用性强。PLC 标准化、模块化，用户可根据实际需求灵活选择，无须再进行设计和制作硬件装置。

2 燃气锅炉控制系统工作设计思路

2.1 主要控制功能

（1）投运前检查。投运前可通过人机界面查看各设备目前状态，判断是否具备运行条件。通过检测各采集信号作为燃气锅炉启动前的启动保护，主要包括燃烧机无故障、天然气无泄漏、循环泵无故障、补水泵无故障、燃气压力正常、燃气阀开，只有全部条件都满足才能对锅炉进行投运[3]。

（2）启动控制。锅炉可实现自动启动或手动启动，自动启动通过设定好的启动条件来启炉，手动启动则根据实际的运行需求在上位机进行启动。自动和手动启动信号的互锁以确保控制系统安全运行。运行过程中通过实时采集运行中的出水温度，根据设定的大、小火转换温度及停炉温度，实现锅炉大小火切换及正常停炉[4]。

（3）停炉控制。锅炉停炉控制包括自动停炉、手动停炉及故障停炉。自动停炉和手动停炉根据所设定的停炉条件或运行需求来完成停炉；故障停炉则是通过对各个状态点的监测，发现有天然气泄漏、出水水温超高温等情况发生，控制系统发出报警并紧急停炉。

（4）锅炉联锁安全保护功能

循环水泵、补水泵自投备用功能：两台循坏水泵、两台补水泵分别互为备用/故障自启动功能，一旦某一水泵发生故障另一台水泵立即自动投入运行，保证了热水循坏系统的安全性；

（5）补水箱低水位报警：根据液位继电器低水位信号发出报警并同时启动补水泵进行补水，补水完毕后停泵同时停止报警；

（6）联锁停炉时，控制系统应按先停燃烧系统，循环水泵正常则根据运行需求来停泵；

（7）采集出水温度，根据所设定的出水高温报警值实现高温报警、根据设定的出水超高温值实现超高温停炉；

（8）采集燃气泄漏信号进行泄漏报警、天然气管道自动关阀及锅炉紧急停炉。

（9）实时采集天然气压力及流量。

图1 锅炉工艺图

2.2 控制系统硬件部分设计

控制系统由PLC、光纤交换机、UPS、操作员站及工程师站组成。

PLC 主要包括CPU、输入单元、输出单元、人机触摸界面HMI 等PLC 通过接收现场采集单元传来的数据，控制锅炉、循环泵、补水泵、阀门等执行机构。PLC 是整个锅炉控制系统的核心部件，采用施耐德M340 系列可编程逻辑控制器，具有优越的运算能力及通讯能力，可方便地进行数据处理和通讯。CPU 采用BMEP342020，其是PLC 的运算和控制中心，实现逻辑判断、数学运算、数据传递、协调PLC 各部分工作；输入单元主要采集现场的各种开关量及压力、温度、流量等各项数据，现场数据采集系统由温度传感器、水位继电器、燃气泄露报警器、燃气压力及流量计等组成，模拟量输入模块采用施耐德BMXAMI0810 模块，其主要采集传感器送来的4-20mA 信号，开关量输入/输出分别采用施耐德BMXDDI1602 和BMXDDO1602 模块；人机触摸界面HMI采用施耐德HarmonyGTO 系列HMIGTO6310，主要用途是为设备运行状态模拟显示、设备控制、参数设定和修改、报警信息显示、密码保护等。

图2 控制系统组成

光纤交换机采用西门子SCALANCE 系列光纤交换机接入水厂运行的既有光纤环网，实现数据的传输及操作指令的下达。

UPS 采用艾默生US11R 系列服务器，实现系统运行的稳定性，减少故障停机时间。

操作员站及工程师站使用现有设备，操作员站装有InTouch监控软件实现设备运行状态模拟显示、设备控制、参数设定和修改、报警信息显示；工程师站装有编程软件平台EcoStruxure ™机器专家、Vijieo-Designer 编程工具软件及WonderwareInTouch 软件，实现程序调试及上、下位组态。

执行单元由锅炉、循环泵、补水泵及阀门等组成。