基于PLC的锅炉远程监控系统设计与研究

王淑杰

摘要：科学技术的发展迅速，我国的各行各业的发展也有了很大的创新。锅炉供暖系统的自动化控制可以有效地提高煤炭燃烧效率，降低资源消耗、减少大气污染。给风给煤量比值是影响成本和大气污染的重要因素，本文针对如何快速、可靠地寻找到最佳比值的问题进行了研究，并在实验环境条件下进行温度稳定性和燃烧率的测试。

关键词：PLC;锅炉远程监控系统设计;研究

引言

目前我国大气污染严重，其中很多污染是由使用燃煤供暖造成的。为解决这一突出问题，我国各地特别是华北、东北和西北等地区相继出台了用电锅炉代替燃煤锅炉供暖的政策。为响应这一号召，应某环境保护局的需求，设计了一套供热锅炉监控系统来实现供暖功能。

1供热锅炉监控系统配置分析

供热系统的控制部分主要包括上位机、下位机，两者是使用ProfiNet进行通讯的。上位机是给操作者使用的，操作者可以通过西门子WINCC由组态软件对现场进行实时监控与操作，可以实现对供暖系统的给风/给煤量设置、温度监控与控制、报警跟踪及检查、复位等操作;下位机使用的是S7-1200系列PLC，订货号为：6ES7 215-1HG40-0XB0，其作用是接收上位机指令传递给供暖系统、采集供暖系统现场信息传递给上位机，配合16点数字量输入/输出模块订货号分别为：6ES7 221-1BH32-0XB0、6ES7 222-1HH32-0XB0、8路模拟量输入/4路输出模块订货号分别为：6ES7 231-4HF32-0XB0、6ES7 232-4HD32-0XB0、相关通讯接口ProfiNet接口、RS422/485接口等模块，使用总线方式进行与上位机进行通讯。

2锅炉的构成，现状以及发展前景

2.1 锅炉的构成

（1）气锅：上下锅炉和沸水管构成。外部的烟气对水进行加热，从而引发管簇内的自然循环流动，汽化后产生的饱和蒸汽聚集在锅里，下锅筒连接着沸水管，同时也有蓄水的作用。（2）炉膛：相当于燃烧车间，送入的燃料在此燃烧后释放能量。送入燃烧所需的空气后，传送设备把燃料送入炉膛，经过内部燃烧过后，所剩的灰渣会被送到除灰口，落入灰斗。整个过程产生的高温烟气，经过锅炉的每个受热面，将热量传递给水后，高温烟气经由烟囱排出。（3）过热器和省煤器：对炉膛内燃烧产生的饱和蒸汽进行再次加热的过热装置是过热器。在炉膛内产生的烟气中的余热进行再次利用，对设备内的给水进行再次加热，从而降低排放的烟气的温度的加热器是省煤器。两装置都属于内部加热器（4）此设备是炉膛内产生的烟气中的余热进行再次利用，对设备内的给水进行再次加热，从而降低排放的烟气的温度的加热器。（5）空气预热装置：对离开省煤器的烟气的余热进行再次利用，对燃料燃烧时所需的空气进行加热处理的换热装置。在工业生产中，大中型锅炉一般都设有空气预热器。

2.2 锅炉技术的现状

传统的锅炉设备主要以继电器—接触器来进行控制，其中给水，鼓风，引风等过程主要都是以人工手动的形式进行操作，由输入电路，输出电路，控制电路和生产现场这几个部分构成。在过去的生产活动中，人工控制是主要的操作手段，但社会的不断进步后对企业的生产规模提出了更高的要求，这种老式的控制手段已无法适应现阶段对工艺的高产量，高精确度，高自动化等要求，此时全过程高智能化自动化控制已是势在必行。

2.3 PLC技术在锅炉上的发展前景

经济角度上来说，自动化控制，能源消耗低，哪个部分出问题直接反应在操作系统中，可以减少反复排查的时间，降低产品维护成本。技术层面上来说，整个系统都采用高质量和高效率的自动化检测部件，电子技术对其每个环节进行精确化控制，优化每个调节量。安全性方面来说，整个锅炉系统的各个部分都能进行独立的运行，在遇到紧急状况时可以单独停止故障部件进行维护，维护人员的安全操作得到了保障。

3优化措施分析

3.1硬件系统具体实施

设计的系统硬件部分主要是下位机采用PLC进行数据的采集、控制和传输，通过水位传感器的工作实现锅炉内水位高低的测定;分别安装两个气压传感器，其中一个用于检测锅炉煤气罐的气压，另一个用于检测锅炉内的蒸汽压力;两个流量传感器，一个用于检测进气量，一个用于检测出气量;用于检测流入流量的两个电动阀，一个用于控制蒸汽排出速度，一个用于控制气体排出速度一个用于检测锅炉内的温度PT100;一个检测燃烧状况的火焰传感器。整个锅炉的工作过程需要通过三相异步磁力水泵实现水箱内的水顺利流向锅炉内部，当锅炉内的水位传感器检测到锅炉内的水位达到一定的标准后，打开煤气阀，启动鼓风机，炉膛内电子打火，启动加热装置进行加热，同时温度传感器随时检测炉内温度值，由一个火焰传感器检测燃烧状态，调节燃烧状况，控制温度值，当水位过低时要启动阀门开始注水，压力和温度过高时打开阀门排放蒸汽。系统的现场工作站采用了西门子公司的S7-1200系列PLC，它可以进行实时的数据采集，加入各种模块后可进行模拟量的输入輸出、开关量的输入输出，主要用来采集锅炉的现场参数值、数据的传输以及现场的控制，既有传感器的数据输入，同时还有模拟量控制信号的数据输出，这样才能实现信号的回路控制以及批量顺序控制或逻辑控制。

3.2操作员站（上位操作系统）

系统主要采用西门子WINCC上位软件系统建立的工程师站和操作员站实现数据和人进行交互的一个人机界面，主要功能在这个界面上完成监控系统的设置、系统运行过程的设置以及系统控制过程的设置。系统操作员在操作站可以了解到的信息主要有：系统的整体运行状况、系统各个传感器测得的数据以及相关的值是否在规定范围内、系统运行过程中是否出现紧急状况等，这个界面实现调节和控制工艺过程，可以保证整个锅炉的生产安全、可靠的进行。人机界面上显示的内容主要有：（1）利用模拟图形来表示现场生产装置和运行方向，实现生产过程的图形模拟，在图中标注生产过程的数据、控制参数和生产状态的实时状态。（2）当传感器检测的数值超过设置的阈值范围，会出现报警窗口，里面出现生产过程异常的数据、状态，以便操作人员即使处理，避免事故的产生。（3）实时趋势曲线显示：系统可以长时间工作，将数据进行存储，因此可在趋势曲线部分绘制生产过程中数据的历史曲线及当前的变化趋势，以便于操作人员了解锅炉的生产状态，帮助其分析生产状态是否正常。

3.3锅炉汽包水位的控制

在锅炉汽包水位控制系统中，汽包水位主要根据给水流量的控制决定的。于是影响到汽包水位的因素可以归类为四个方面：其一，供水过程的相关因素干扰。主要涉及供水压力的变化方式以及控制阀的开合状况等系列因素。其二，锅炉蒸汽供应的变化。这一影响因素主要涉及到蒸汽管道的阻力变化以及锅炉设备的负荷变化过程。其三，锅炉燃料供应的变化。这一影响因素主要涉及到燃料供应量的变化以及燃料本身的性质、燃料供应的压力变化以及燃料自身的含水量等。其四，锅炉内部压力的变化，这一影响因素主要根据汽包内部蒸汽以及蒸汽系统自身在高压下的“自冷凝”和在减压下的“自蒸发”影响水位。由于蒸汽负荷的扰动具有可测量但却无法控制的特点，可以将蒸汽流量和汽包水位进行组合，前馈信号用作前馈信号以形成前馈-反馈控制系统。结合给水流量的扰动和受控对象的非线性，给水流量被纳入系统，从而形成三冲程的水流量控制系统。这一水流量控制系统主要包括给水流量、蒸汽流量以及滚筒水位的控制。起到主要控制作用的是滚筒水位的控制，也称主控制变量。辅助控制变量是给水流量，主要和次要控制变量形成连级控制结构系统，同时该级联控制系统形成进给流量的前反馈信号，进而构成前馈以及级联反馈控制系统。

结语

运用西门子本地控制的PLC系统和上位WINCC软件开发的系统很好地运用到我国的供热项目中，为用户提供了方便的查询、操作等功能，获得了用户的好评。

参考文献

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