基于PLC的燃油蒸汽锅炉控制系统的设计

张远梅，付建彬，王章宽

（广东省核工业华南高级技工学校教务实训科，广东韶关512026）

基于PLC的燃油蒸汽锅炉控制系统的设计

张远梅，付建彬，王章宽

（广东省核工业华南高级技工学校教务实训科，广东韶关512026）

以PLC控制技术及变频器技术为基础的燃油蒸汽锅炉控制系统，主要由可编程序控制器、变频器、触摸屏、鼓风电动机和水泵电动机、油泵电动机等组成，可以实现锅炉点火时序自动控制、水位自动控制、蒸汽压力自动控制以及安全报警等主要功能.通过变频器控制电机的启动、运行、调速，且运用触摸屏技术可以实时了解锅炉运行状态，并能修改和记录锅炉运行参数.

PLC；变频器；触摸屏；自动控制

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.

1 锅炉控制系统构成

通过分析传统的锅炉控制系统，结合先进的控制设备和控制技术的应用，本设计选用PLC作为控制中心组成燃油蒸汽锅炉自动控制系统.该系统的主要控制功能体现在锅炉燃烧过程的控制、炉膛负压的控制和主要影响锅炉安全运行的汽包水位的控制等方面，从而实现锅炉点火时序、水位和蒸汽压力的自动控制及安全警报等，提高系统的稳定性、可靠性和安全性.

该控制系统由PLC模块、开关量输入/输出模块、触摸屏模块及变频器模块组成.系统工作原理：通过FX2N-4AD模块对各个通道模拟量数据的检测，转化成数字量，并将汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温度的数据分别存在数据寄存器中.通过对系统当前信息量反馈与模拟输入量进行比较，由PLC发出信号改变变频器频率.利用变频器进行对风机、水泵、油泵的启动、运行、调速，以此来调节系统蒸汽压力、蒸汽温度与气包水位，并可以利用触摸屏对锅炉运行状态、各参数的显示，其系统结构如图1所示.

图1 控制系统结构图

2 控制系统原理设计

2.1 锅炉给水过程控制

针对中小型锅炉系统，由于汽包相对负荷而言其容量较大，水位受到扰动的反应速度较慢，虚假水位现象不严重的特点，采用单冲量（只根据水位变化去改变给水调节阀的开度）控制方法就可满足生产上的要求，控制算法常采用PI算法实现无差水位调节.

在此控制系统中，系统的全部信息都是靠压力变送器来反馈的，反馈回来的压力信号在PLC的配合下完成当前水泵转速的调整.即给系统设定一个正常工作水位值，再把系统检测的水位实际值作为反馈信号与给定值比较，比较值经过PID调节器进行运算，PLC输出信号到变频器，通过变频器控制补水泵的转速，从而实现恒压供水的效果.

2.2 蒸汽压力自动控制

锅炉蒸汽压力主要是通过调节燃油量来控制，以此保证锅炉蒸汽压力值保持在恒定数值，并通过调节送风量来保证供应燃烧时所需氧气的量，因此对蒸汽压力的控制实际上就是对燃烧系统的控制.

2.3 油位自动控制

该系统中，油位自动控制采用了启停补油泵的方法来控制进油量，从而保持日用油箱的油量.启动补油泵给日用油箱进油，当油箱中的油到高油位线后停泵，暂停补油.日用油箱停止进油后，随着油量的消耗，油位将逐步下降，油位降到低油位线时，再次启动补油泵进油，使油位控制在高低安全油位线内上下变化.

2.4 安全保护过程控制

当锅炉的某个工作过程处于异常状态，危及锅炉安全运行时，系统将进行必要的操作使锅炉停转，同时发出声光报警.该系统的保护措施包括：点火失败保护、气压过高保护、气温过高保护、危险油位保护、中途熄火保护、电动机的过流保护与短路保护以及PLC的自身保护等措施.

3 系统硬件设计

3.1 PLC系统配置

PLC系统配置包括开关量和模拟量的配置.根据锅炉不同的运行状态，变频器的调速运行要求，风机、水泵和油泵的手动、自动两种不同方式及热继电器输入和声光报警等进行PLC开关量输入输出端口配置.其中模拟量输入为蒸汽压力、蒸汽温度及汽包水位的传感器检测信号，模拟量输出为控制变频器的电压信号.PLC系统配置如图2所示.

3.2 变频器的配置

图2 PLC系统配置图

现代锅炉控制系统早已应用了变频调速控制技术.当锅炉运行时，通过作为执行器的变频器对燃烧系统及炉膛负压进行控制，对引、鼓风机及炉排电机转速的控制来实现风量大小的调节，从而满足控制要求.因为变频调速技术可以完成电动机的无级调速操作，并拥有异步电动机调压调速和串级调速的优点，所以将变频技术运用在锅炉系统中有很大的优越性.

本设计在选用变频器时，通过对不同型号的三菱变频器工作性能的对比，并结合本设计的主要要求，对风机、油泵、补水泵进行启动和运行控制，实现对风机和泵类的无级调速，因此选用FR-F700系列变频器，型号为FR-F740.

3.3 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F940 GOT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F940 GOT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.

3.4 控制系统电路设计

燃油蒸汽锅炉的运行状态有三种：启动状态、停止状态、出现问题时的暂停和消除问题后自动重新.锅炉的启动由鼓风电动机进行送风、油泵电动机进行送油，接通点火变压器来实现.停止燃烧时先关闭喷油泵，最后鼓风电动机停止送风.为了避免电动机长期过载运行时发热而烧坏电动机，在主电路中设有热继电器进行过载保护，同时装配熔断器进行短路保护.一旦发生短路故障或者电动机长期过载运行，这些电器立即动作，及时切断电源实现对系统的保护.

该控制系统的主电路应用三相380 V交流电源，通过热继电器以及交流接触器等低压元器件控制来实现三相电动机的运行.控制电路中主要以PLC为核心，以及控制按钮、开关等控制器件，用来实现接触器及继电器线圈的得失电状态，从而实现对主电路运行状态的控制.系统采用220 V交流电源和24 V直流电源两种电源供电，其中24 V直流电源由PLC提供.

4 系统软件设计

该燃油蒸汽锅炉自动控制系统主要由锅炉点火时序自动控制、蒸汽压力自动控制及水位自动控制和安全报警等几大部分组成.

点火及燃烧时序控制主要由预扫风、喷油点火、点火胜利几部分组成，首先启动鼓风机且以最大速度、最大的风量进行预扫风，预扫风操作完成后自动进行关小风速操作，随后开启燃油泵，以小风量和少喷油的形式进行点火操作.点火胜利之后，首先保持一段时间低火燃烧操作以对锅炉进行预热，然后增加风速与油量，使锅炉转入高火燃烧，即进入正常燃烧的负荷控制阶段.如果在预定时间之内锅炉出现点火不胜利或者风机失压、中间熄火等问题时，系统会自动进行停炉保护操作，只有在消除故障并按下恢复按钮，使时序控制恢复到起动前的状态时，锅炉才能重新启动.

锅炉蒸汽压力P控制要求范围为0.9 MPa≤P≤1.1 MPa.当蒸汽压P＜0.9 MPa时，燃烧器先启动小火，延时时间为0～180 s可以根据实际情况进行调整.经延时启动大火；当0.9 MPa＜P＜1.1 MPa时，先关闭大火，并让小火继续工作，维持压力；当P=1.1 MPa时，关停小火；当1.1 MPa＜P＜1.5 MPa时，进行报警及停炉；当P≥1.5 MPa时，关闭补水泵、补油泵及燃烧器操作并进行报警，以及切断燃烧器的电源.其程序控制流程图如图3所示.

水位自动控制是当水位与给定值有偏差时，补水泵工作.若补水泵故障时，关闭小火、大火及补油泵并进行报警操作.安全警报是当油位到达油位下限时，补油泵进行工作.若油位上下限到或者蒸汽压力超过额定压力值或者蒸汽温度超过额定温度时，发出声光报警.通过对触摸屏的画面设计，可以实现对燃油蒸汽锅炉系统的自动监控.其部分触摸屏监控画面如图4所示.

5 结语

图3 蒸汽压力控制程序流程图

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FX2N PLC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F940 GOT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.

图4 部分触摸屏监控画面

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［2］甘辉兵.大型油船燃油锅炉系统建模与仿真研究[D].大连：大连海事大学，2007.

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［4］史培甫.工业锅炉节能减排应用技术[M].北京：化学工业出版社，2009.

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The Design of Fuel Steam Boiler Control System Based on PLC

ZHANG Yuan-mei，FU Jian-bin，WANG Zhang-kuan
（South China Nuclear Industry advanced technical schools，Teaching Management and Practical Training Department，Shaoguan，Guangdong，512026，China）

The control system of fuel steam boiler based on PLC control technology and frequency converter technology is mainly composed of programmable logic controller，frequency converter，touch screen，blast motor and pump motor and oil pump motor and other components，which can achieve ignition timing automatic control，water level automatic control，steam pressure automatic control，safety alarm and other major functions of the boiler. The inverter and the application of touch screen technology can control the start，operation，speed of the motor, which can be observed in real time boiler operating status，so as to modify and record the boiler operating parameters.

PLC；inverter；touch-screen；automatic control

TP272

A

1007-5348（2017）06-0036-04

（责任编辑：李婉）

2017-03-13

张远梅（1989-），女，广东惠州人，广东省核工业华南高级技工学校教务实训科助理讲师；研究方向：电气自动化.