基于PLC的蒸汽锅炉控制系统的设计

基于PLC的蒸汽锅炉控制系统的设计

朱顺顺

徐州海德测控技术有限公司  江苏省徐州市   221000

摘要：锅炉是工业生产尤为重要的动力设备，早已在化工生产、炼油及发电等领域中广泛应用.然而，当前我国的部分企业中，中小型锅炉的使用普遍存在调节手段有限、锅炉的处理不能随外界负荷变化及时变化等现象，从而降低了锅炉的效率，远远不能满足我国经济发展的需要.通过对传统的锅炉系统进行改进，实现自动控制功能.在没有人工操作的情况下，该系统能随时根据当前情况调整水量、送风量等操作，从而达到维持水位、蒸汽温度、蒸汽压力以及负压的恒定，这样就可能提高锅炉的5%以上热效率.此外还能有效地控制燃烧状态，减少空气污染.

关键词：PLC;蒸汽锅炉;控制系统;设计

引言

针对目前我国中小型工程所使用的锅炉还采用继电器－接触器控制系统，容易出现安全性能低下、能源转化率不高和自动化水平偏低等问题，结合目前蒸汽锅炉的控制方式，利用ＰＬＣ替代传统的继电器控制，设计了一种新型蒸汽锅炉自动控制系统。整个控制系统由上位机、ＰＬＣ及各种现场仪器组成，并结合ＰＩＤ算法来确保控制参数的精确度，最后利用组态软件仿真实现了对设备的参数设定、手动与自动切换和报警等功能。

1程序设计

1)压力控制．电接点压力表是在机械式压力表的基础上安装电接点构成。由于压力的作用使表内弹簧管变形，通过传动机构放大并在分度盘上显示出被测量的压力值．指示指针在转动时，其上的支柱电触头与设定好限位位置的设定指针上的触点相接触(断开或接通)的瞬间，电气线路接通控制系统，在设定压力处发出报警信号(指示灯或电铃)，以达到对使用的设备进行需要的位式控制．压力控制部分的输入信号来自电接点压力表，电接点压力表广泛运用于工业气体压力测量，安装简单，维护方便．电接点压力表的压力设置与公共点是常闭开关，电接点压力表的报警开关与公共点是常开开关。2)水位控制．锅炉水位控制是锅炉是否可以正常工作的必要条件，锅炉内水位过高或过低都会影响蒸汽锅炉的出气质量．蒸汽必须要满足温度以及含水量的要求，否则会影响产品质量．水位监测使用三水位探针。水位探针是蒸汽锅炉液位测量的主要工具，结构简单、使用方便、易维护。本程序的补水分为两个阶段补水，当水位低于高水位探针时进行的补水定义为正常补水，当水位低于中水位探针时定义为缺水补水，锅炉一般工作在正常补水状态．在缺水状态时，定义了补水时间和补水间隔，补水时间是指补水电机向锅炉内注入水的时间，补水间隔指补水时强制补水电机暂停的时间，为此来减缓锅炉内温度剧烈下降，这两个时间使用者可以根据实际进行修改．为了保证人员安全及产品质量，还加入补水异常报警程序。3)温度控制．PID是工业温度控制中经常是使用的算法，P指比例控制，I指积分控制，D指微分控制，PID算法结构简单、工作可靠、稳定性高．在运用中还可以使用PI控制或PD控制．比例控制可以对偏差做出及时的响应，当系统只有比例控制时，系统的稳态误差较高．积分控制可以将比例控制所带来的稳态误差消除，提高控制精度，增强系统适应参数变化能力，即对快速变化的参数系统可以及时响应．微分控制对惯性滞后有克制作用，提高系统的抗干扰能力和稳定性。这3种控制相互独立，改变其中任意一种控制的参数对其他控制无影响。蒸汽锅炉由于补水作用，温度变化较快，所以必须保证其加热系统的及时响应速度，同时多次补水作用使其很难达到一个精准的稳定状态，所以在控制时只需要保证其工作在设定温度一定范围内即可。所以本蒸汽锅炉控制至采用PI控制．经过实际测试，发现比例增益设置为2，积分时间为6min时系统响应较快，而且系统温度波动较小。采样时间设置为1s，因为系统温度可能随时变化，此值设定较小。

2触摸屏的配置

锅炉的监控系统一般要完成的功能有：采集功能、监督功能、控制功能、工作状态功能.触摸屏是新一代的高科技人机界面产品，适用于现场控制，具有高的可靠性，简单的编程操作，维护方便等优点，可使整个生产的自动化控制的功能得到大大的加强.基于本控制系统的设计要求，通过对比多种型号的触摸屏系统后，选用三菱F940GOT系列的触摸屏，型号为F940G0T-SWD-C.F940G0T-SWD-C型号触摸屏是一种具有高级显示功能、报警处理能力及PLC顺序程序编辑功能的通用执行器.三菱触摸屏F940GOT型触摸式面板，该系列功能比较齐全，价格低廉，性能稳定，可实现过程控制和监视.它使得操作状态当前过程数据和关于连接PLC的故障能够以图形显示，并且使得相关的机械设备或系统能够被方便地监控和操作，可方便机械设备操作，监控并提供被监控的机械设备或系统的逼真的图形表现.

3排烟温度模块

选择热电阻进行排烟温度的测量。通过计算蒸汽锅炉的温度峰值，选择测量量程为０℃～３５０℃的ＷＺＰ２３１热电阻温度传感器作为温度变送器。此传感器中的热电阻材料为铂电阻，选用坚固稳定的螺纹式安装固定，其接线盒中除了具备防水功能外还有直径为１２ｍｍ的保护管作防护，使其能够适用于大部分场合，温度测量范围宽，测量误差波动小，可靠性高。

结语

通过对中小型锅炉使用特性和特点进行分析，设计的以可编程序控制技术、变频调速技术和触摸屏技术为基础的控制系统，对燃油蒸汽锅炉的运行进行全过程的自动控制和监控.该控制系统以三菱FX2NPLC作为控制中心，通过三菱FR-F740变频器控制电机的各项运作，利用F940GOT触摸屏对锅炉的状态和参数进行实时记录及操作.通过该系统实现的控制，不仅能够提高燃油蒸汽锅炉的热效率，还可以有效地控制其燃烧状态，减少对环境的污染，同时也提高了锅炉操作的稳定性和安全性，减少了部分物质资源和人力资源的投资.因此该控制系统有较好的社会及经济效益，具有一定的推广应用价值。

参考文献

［１］张磊，张华南．基于西门子ｓｍａｒｔ２００ＰＬＣ小型电蒸汽锅炉控制系统设计［Ｊ］．甘肃科技，２０１８，３４（２２）：２２－２３．

［２］周小凤．基于ＰＬＣ的锅炉自动控制系统设计［Ｊ］．包头职业技术学院学报，２０２０，２１（３）：８－１０．

［３］周忠臣．基于ＰＬＣ的锅炉自动化监控系统的设计与实现［Ｄ］．北京：北京工业大学，２０１８：２２－２５．

［４］卢春华，王丹丹，杜章永．三冲量锅炉汽包液位控制系统仿真研究［Ｊ］．化工管理，２０１９（３３）：１３５－１３６．