供热锅炉自动控制系统研究

摘要：由于现代化工业的快速发展，使得對锅炉本身的控制和要求也日益增高。然而我国的中小型锅炉，大部分实际上还是在采用仪表/继电器控制，有的甚至还是人工操作的控制方式，自动化水平不高，因此控制的精度、安全性能偏低，本系统深入研究了锅炉的构造以及锅炉的工艺流程，设计了一套基于触摸屏加 PLC的蒸汽锅炉自动控制系统。可有效提高能源的转换以及资源的节约，同时对锅炉的安全可靠性有着重要的意义。

关键词：供热锅炉；安全性低；自动控制；安全可靠

但是由于我国目前大多数锅炉系统控制水平不高，锅炉的效率也不是很高，人工操作水平参差不齐，所以锅炉经常处于高能耗，污染大的生产状态。同时，锅炉作为一种压力容器，属于涉及生命及生产安全、具有高危险性的特种设备，所以在保证其节能减排的同时，也必须保证其运行的安全可靠性。

蒸汽锅炉控制系统是一个多变量输入和输出的控制系统，这些变量之间相互作用，每一个变量的变化都会对锅炉的控制产生影响，所以必须提高控制系统自动化的程度。

1、锅炉控制系统总体方案

1.1控制系统结构结构设计

建筑工程项目管理指的是在项目经理组织领导下，以工程项目为主要管理对象形成的组织结构，这种结构主要体现出了一定的临时性，在开展过程中对整个项目起到了一定的指导、计划以及控制作用，从而实现对项目工程的优化管理工作，将动态管理模式进行有效的落实。

根据蒸汽锅炉控制系统的功能要求和经济性要求，经过对比不同的控制方案后，最终确定选择由触摸屏与PLC结合的自动控制系统方案。控制系统的主要硬件由触摸屏（监控级）、PLC（控制级）、各个执行仪表等（现场执行级）组成。

1.2锅炉控制系统功能

在通常，作为一个完整的工业锅炉控制系统，包括数据的采集与处理，显示，调度管理，以及报警设置等部件。整个控制系统的功能主要体现在如下所示的几个方面：

1.2.1过程数据的采集和处理

锅炉控制系统主要采集和处理一系列的工艺及生产过程的参数，包括气泡水位、蒸汽流量、蒸汽压力、排烟温度等。

1.2.2逻辑控制和调节控制

通过现场采集的数据，现场设备的操作执行，来完成逻辑控制，通过各种输入输出信号实现自动控制。

1.2.3监控生产过程和运行操作

操作员可以在控制室内对设备实行自动或者手动的操作控制，同时可以监控整个工艺流程，以及设置参数、查询实时数据等。

1.2.4系统自动报警及记录

当锅炉出现异常情况时，例如出现锅炉气泡水位过高过低、蒸汽压力过高、排烟温度过高等情况，系统可以对异常情况自动进行报警，并在上位机监控软件中显示。另外对于温度、压力等数据也可以在上位机监控软件中进行记录。

1.3锅炉水位高度设计

水位控制回路的工作目的是为了使水流量适应锅炉的蒸发量，以保持水位稳定且使汽鼓水位在允许范围。但是锅炉的水位控制存在虚假水位的情况，当负荷增大时，蒸发量突然增大时，给水阀还未来得及动作，按照理论上来说，水位会先降低，但当蒸发量增大时，锅筒内的气压降低，此时筒内会产生大量的气泡，而这些汽水混合物极易膨胀，所以造成了水位虚涨的假象，然后水位才会下降；同理，当蒸发量突然减小时，水位也会出现虚假水位的情况，这种情况对锅炉的正常生产和运行有着很大的影响。

针对锅炉水位的控制，本文采用了PID三冲量水位控制系统完成对水位进行调节。

2、控制系统硬件架构

2.1 PLC功能简介

系统采用S7-200系列PLC，该型号PLC广泛使用于各行各业的检测、监测及控制的自动化中。S7-200系列的强大功能使其无论在独立的运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能，因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列PLC是将电源模块、输入/输出模块、CPU模块、拓展模块集成于一体的整体式PLC。

系统选用的PLC主要由了输入接线端子、输出接线端子、通讯接口、扩展接口、CPU状态指示灯、输入状态指示灯组成。

2.2现场功能仪表选型及设计

2.2.1锅炉气泡水位

为将锅炉水位保持在一定范围内，锅炉的水位控制采用浮球式液位开关及水位遮断器实现锅炉气泡的水位检测，浮球式液位开关进行自动给水的控制第二重保护，锅炉水位如果过高，则关闭自动给水开关，如果下降到安全水位线时鸣报警铃而停止燃烧。锅炉水位降低到规定水位以下时，（即达到危险水位时），则开启第一段水位遮断用开关接点，如第一段水位控制器故障不能动作，水位继续降低，则第二段的低水位遮断器开关电源，同时将强迫燃烧器停止运转，并发出报警。

2.2.2蒸汽流量检测

蒸汽流量采用孔板流量计，计算采用流量积算仪，可以记录累计流量，同时采用4-20mA信号输出给PLC。孔板流量计采用LGBK-150一体化智能孔板流量计，其测量精度高，可拓展能力强，具有耐高温，可适用于各种工况条件，并自动补偿。

2.2.3蒸汽压力检测

蒸汽压力的控制由压力变送器实现，可以实时显示蒸汽压力的变化，输出信号为4-20m A，蒸汽压力根据操作压力设定上限与下限，随蒸汽压力的变化控制锅炉的启停，并通过压力开关设置蒸汽压力过高的报警提醒。蒸汽压力变送器使用的是丹弗斯MBS3000压力变送器，MBS3000紧凑型压力传感器几乎适用于所有工业应用。工作温度-40-85℃，外壳和接触介质部件均采用耐酸不锈钢材料。具有配置灵活，输出信号多样化，抗稳定性高，耐用性高的特点。

2.2.4排烟温度检测

排烟温度由一体化温度变送器测量，其测量量程为0-350℃，采用4-20m A信号，在系统中可以设置烟道温度报警值。热电阻的工作原理是当温度变化时，热电阻自身电阻也随着温度变化而变化，以此原理来测量温度。一体化温度变送器采用的是WZP231热电阻温度传感器，热电阻材料为铂电阻，安装固定方式为螺纹式，接线盒形式为防水式，具有使用温度环境范围宽，测量偏差等级高、测量的可靠性的特点。

3、控制系统軟件功能设计

3.1控制程序的总体结构设计

对于S7-200系列PLC，其CPU的控制程序由三部分组成：主程序、子程序和中断程序。

主程序在每一个扫描周期内都要执行一次，并通过指令控制整个应用程序的执行。各个程序结束时，无条件结束指令和无条件返回指令都是没有必要添加的，其原因是由于每一个程序都存放在相对独立的程序块中。

同一个子程序可以再多个地方多次被调用，只有在被其他程序调用时，子程序才会进行执行。

中断程序是用来及时处理与用户程序的执行时序无关的操作，或者不能事先预测何时发生的中断事件。中断程序不由其他程序调用，而是在中断事件发生时由操作系统调用，它提供对特殊内部事件或外部事件的快速响应。

3.2主要控制回路的设计

气泡水位控制程序设计

气泡水位采用三冲量的比例积分微分控制，其中前段程序是对PID中的参数进行设置，然后将液位VD620通过PID进行控制计算，输出AQW0模拟量信号控制给水阀开度。另外当蒸汽流量增大时，蒸汽流量通过比较，若流量变化大，则输出增大阀门信号M31.1进行控制，当蒸汽流量接近给水流量时停止阀的开度。

3.3蒸汽流量控制程序设计

蒸汽流量采用孔板流量计，计算采用流量积算仪，可以记录累计流量，同时采用4-20mA信号，经过数据处理以及量程换算，输出瞬时信号给PLC中AW0通道。

3.4蒸汽压力控制程序设计

蒸汽压力数值采集程序同蒸汽流量数值采集程序一样，另外对于蒸汽压力的自动控制，在主程序里赋值 VD4030=0.8，VD4010=0.98。执行锅炉自动运行程序时，当压力小于0.8MPa时，锅炉可以进入启动程序M9.0=1，当压力大与0.98MPa时，停止，M9.0=0，即完成控制功能。

4、结束语

锅炉是工业企业中一个非常重要的能源转换设备。由于现代化工业的快速发展，使得对锅炉本身的控制和要求也日益增高；锅炉作为工业的重要动力设备，其控制系统的安全可靠性及其效率也越来越重要。本文以燃油蒸汽锅炉作为研究对象，研究设计了一套基于触摸屏加PLC的蒸汽锅炉自动控制系统，在综合分析锅炉的组成及工艺流程的基础上，完成对锅炉的自动控制系统的设计。利用Easy view的组态软件，完成了组态监控画面的设计以及系统通讯调试，实现了对设备的实时监控，设定参数，手自动切换，以及报警等功能，提高了锅炉控制系统的可靠性。

参考文献：

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[2]徐桂华，徐保国.LabVIEW和PLC技术在燃煤锅炉自动控制系统中的应用研究[J].仪表技术与传感器，2014（05）：93-95.

[3]徐瑞丽.基于PLC的燃煤锅炉智能温控系统设计[J].煤炭技术，2014，33（03）：164-166.

（作者单位：新疆大学）

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