摘要：本文結(jié)合某中型電廠的鍋爐給水控制實(shí)例，介紹了基于羅克韋爾PLC-5和西門(mén)子MM430變頻器組建的鍋爐給水控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果良好，效率得到較大提升，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)和故障率，符合設(shè)計(jì)的初衷，為國(guó)內(nèi)同行提供一個(gè)實(shí)際可行的工程案例。

關(guān)鍵詞： PLC 給水控制 調(diào)節(jié) 變頻器

1 引言

　　目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)鍋爐汽包水位都采用串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。鍋爐燃料是煉鐵過(guò)程中產(chǎn)生的尾氣，其可燃成分主要是CO。受高爐爐況的影響，尾氣壓力及CO含量時(shí)常變化，鍋爐的燃燒狀況也隨之變化，汽包水位及蒸汽壓力變化較大，串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能保證汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)，只能采用手動(dòng)方式，通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)管道閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)改變給水流量，以維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)。這種方式不僅調(diào)節(jié)不便，而且浪費(fèi)大量電能。工業(yè)蒸汽鍋爐的過(guò)程控制系統(tǒng)包括汽包水位控制系統(tǒng)和燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)，兩系統(tǒng)在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中互相耦合，需要較高的控制水平才能達(dá)到有效運(yùn)行。

　　結(jié)合國(guó)內(nèi)某中型電廠的2臺(tái)30T燃煤蒸汽鍋爐，這2臺(tái)鍋爐通過(guò)1個(gè)給水母管分別給各自汽包供水，用汽量小的季節(jié)，2臺(tái)鍋爐只運(yùn)行1臺(tái)，當(dāng)用汽量較大時(shí)，則必須2臺(tái)鍋爐同時(shí)運(yùn)行。由于給水泵額定功率為37kw，一般情況下，1臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)，只開(kāi)1臺(tái)給水泵余量仍較大，而2臺(tái)鍋爐同時(shí)運(yùn)行且用汽量較大時(shí)，只開(kāi)1臺(tái)給水泵無(wú)法滿足需要，而開(kāi)2臺(tái)給水泵后，相對(duì)單臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)，余量更大。由于2臺(tái)鍋爐分別由2套DCS系統(tǒng)控制各自的電動(dòng)閥門(mén)調(diào)節(jié)各自汽包的給水量，運(yùn)行中，閥門(mén)開(kāi)度較小造成給水母管壓力較大，不僅浪費(fèi)了大量的電能，較高的水壓還可能對(duì)管道、水泵葉輪和閥門(mén)造成損害。如圖1所示。

2 系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)

　　變頻技術(shù)以其在節(jié)能與恒壓方面的優(yōu)越性能可以解決水壓控制系統(tǒng)存在的以上問(wèn)題?？紤]選用單片機(jī)或PLC與變頻器結(jié)合為核心構(gòu)成的系統(tǒng)都能達(dá)到較好的控制效果。但在軟件設(shè)計(jì)上，PLC比單片機(jī)的編程更簡(jiǎn)潔、直觀；從硬件接口考慮，單片機(jī)電路稍微復(fù)雜一些；從經(jīng)濟(jì)方面考慮，由于PLC工藝的日漸成熟，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，PLC的軟件中時(shí)間參數(shù)的調(diào)整更簡(jiǎn)單，這樣更有利于售后服務(wù)人員掌握。基于系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，本著既能節(jié)能降耗，又能控制簡(jiǎn)便、安全且投資較少的原則，選用了西門(mén)子MM430變頻器和羅克韋爾PLC-5型PLC作為控制核心，再加上PSW7調(diào)節(jié)器與WSP300壓力變送器，控制效果非常好，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，硬件接口簡(jiǎn)易可行、可靠性高，整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比非常高。具體如圖2所示。

　　在本方案中，充分利用了鍋爐層有的DCS控制系統(tǒng)，同時(shí)增加了變頻器、可編程序控制器（PLC）和控制信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。

2.1硬件控制系統(tǒng)

　　（1） 羅克韋爾PLC-5型PLC

　　我們選擇的PLC-5/40E CPU，內(nèi)存容量大，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，帶有以太網(wǎng)網(wǎng)口，不需要額外以太網(wǎng)通訊模塊。

PLC-5/40E CPU使用鑰匙開(kāi)關(guān)改變處理器操作模式：

RUN（運(yùn)行）
運(yùn)行模式下，用戶不能創(chuàng)建或刪除程序文件，創(chuàng)建或刪除數(shù)據(jù)文件，或編程軟件改變操作模式。

PROG（編程）
編程模式時(shí)，用軟件編程不能改變操作模式

REM（遠(yuǎn)程）
編程軟件，遠(yuǎn)程編程、遠(yuǎn)程測(cè)試、遠(yuǎn)程運(yùn)行模式之間改變。

RSLogix 5編程軟件具有可靠通訊能力、強(qiáng)大編程功能和卓越診斷能力和監(jiān)控能力，以及運(yùn)行控制功能：

診斷和故障查找工具
可靠通訊功能
統(tǒng)一項(xiàng)目視圖
靈活梯形圖邏輯
符號(hào)編程
可選梯形圖視圖
容易通信組態(tài)

利用RSLogix 5梯形邏輯編程軟件，可以優(yōu)化系統(tǒng)性能，節(jié)省項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高生產(chǎn)率。上位機(jī)監(jiān)控軟件RSView32是羅克韋爾自動(dòng)化公司推出組態(tài)軟件平臺(tái)，它使用方便，可以構(gòu)造靈活界面和強(qiáng)大功能，用RSView32組態(tài)軟件能開(kāi)發(fā)出較強(qiáng)組合畫(huà)面：
快速靈活畫(huà)面切換
靈活有效報(bào)警方式
強(qiáng)大功能和簡(jiǎn)單直觀操作方式
靈活實(shí)用設(shè)置功能
實(shí)用管理功能
　　因此，利用上位機(jī)監(jiān)控軟件RSView32，坐中央控制室，就可以監(jiān)控現(xiàn)一切機(jī)械化設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況一目了然。

　　（2） 西門(mén)子MM430變頻器

　　MM430變頻器是西門(mén)子公司最新研制生產(chǎn)的一種適用于各種變速驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合的高性能變頻器（調(diào)試簡(jiǎn)單、配置靈活），它具有最新的IGBT技術(shù)和高質(zhì)量控制系統(tǒng)，完善的保護(hù)功能和較強(qiáng)的過(guò)載能力以及較寬的工作環(huán)境溫度，安裝接線方便，兩路可編程的隔離數(shù)字輸入、輸出接口以及模擬輸入、輸出接口等優(yōu)點(diǎn)，使其配置靈活多樣，控制簡(jiǎn)單方便。

2.2運(yùn)行分析

　?。?） 當(dāng)1臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)

　　由于只開(kāi)1臺(tái)給水泵，就足夠鍋爐汽包所需用水量，故此時(shí)，系統(tǒng)只對(duì)運(yùn)行鍋爐的汽包水位進(jìn)行恒液位控制即可。將切換開(kāi)關(guān)置于相應(yīng)位置，通過(guò)鍋爐原有DCS控制系統(tǒng)中的手動(dòng)操作器將控制該鍋爐汽包進(jìn)水量的電動(dòng)閥完全打開(kāi)后，再通過(guò)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置切斷該控制信號(hào)，使原有控制回路斷開(kāi)，電動(dòng)閥保持全開(kāi)狀態(tài)，同時(shí)，將該鍋爐汽包液位信號(hào)切入PLC，讓PLC將該鍋爐汽包液位信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算處理后，再由控制信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置，將PLC輸出的4～20mA模擬信號(hào)傳遞給變頻器，從而控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)速。

　　在本控制過(guò)程中，關(guān)鍵的問(wèn)題是過(guò)程參數(shù)PID （P:比例系數(shù)I:積分系數(shù)、D:微分系數(shù)）的整定。由于工業(yè)鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，用汽量的多小和蒸汽壓力的大小，決定了給水流量的大小和給水壓力的大小。為了保證系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行，不出現(xiàn)大的波動(dòng)，對(duì)生產(chǎn)造成影響，在調(diào)試過(guò)程中，應(yīng)多次反復(fù)調(diào)整PID參數(shù)，直至出現(xiàn)最佳控制過(guò)程。

　?。?） 當(dāng)兩臺(tái)鍋爐同進(jìn)運(yùn)行時(shí)

　　由于2臺(tái)鍋爐分別由兩套DCS系統(tǒng)控制，在運(yùn)行過(guò)程，雖然蒸汽并網(wǎng)后壓力相同，但由于燃燒過(guò)程中存在不確定性，兩臺(tái)鍋爐汽包各自的液位就必然存在差異。因此，單臺(tái)鍋爐運(yùn)行中所用的恒液位控制方案在此就不再適合。通過(guò)給水原理圖（圖1）我們不難發(fā)現(xiàn)，要對(duì)2臺(tái)鍋爐汽包的液位分別控制，最理想的方案是將1個(gè)給水母管向2臺(tái)鍋爐給水的現(xiàn)狀徹底改變，將給水系統(tǒng)分開(kāi)，使每個(gè)鍋爐都有自己獨(dú)立的給水系統(tǒng)，再在此基礎(chǔ)上加裝變頻控制，由1臺(tái)變頻器單獨(dú)控制1臺(tái)鍋爐的給水。但此方案不僅改動(dòng)較大，投資較高，且要停產(chǎn)改造，顯然是行不通的。為了能在不改變?cè)邢到y(tǒng)現(xiàn)狀的前提下，更好的利用變頻裝置，節(jié)能降耗，減小系統(tǒng)運(yùn)行，維護(hù)費(fèi)用，提高原有系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，我們針對(duì)該企業(yè)2臺(tái)鍋爐的運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套專用于2臺(tái)（或2臺(tái)以上）鍋爐同時(shí)運(yùn)行時(shí)的控制方案，即:蒸汽壓力和母管給水壓力的恒壓差控制方案。

　　當(dāng)2臺(tái)鍋爐同時(shí)運(yùn)行時(shí)，由于外供蒸汽并管，故蒸汽壓力相同，又由于2鍋爐由同一母管給水，故給水壓力也相同。但由于蒸汽用量的變化不定和鍋爐燃燒情況的不同，蒸汽壓力是時(shí)刻變化的。這樣，為了能保證給鍋爐汽包供上水，就必須要求給水的壓力始終高于蒸汽壓力，由圖2我們看到，由PLC采集蒸汽壓力和母管給水壓力，通過(guò)處理、比較后，得到二者的差值，再將此差值通過(guò)PID運(yùn)算處理，輸出4～20mA的模擬信號(hào)給控制信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。再由該裝置將信號(hào)傳輸給變頻器，從而控制變頻器的運(yùn)行速度。這樣雖然可以保證給水母管壓力始終高于鍋爐蒸汽壓力（壓力差的大小可以通過(guò)PLC在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)），但鍋爐各自汽包的液位卻無(wú)法再通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的轉(zhuǎn)速去控制。在此，我們充分利用了原有給水控制裝置，即汽包各自的進(jìn)水電動(dòng)閥門(mén)。仍由鍋爐原有DCS控制系統(tǒng)采集各自汽包的液位，蒸汽壓力，給水壓力和給水流量等信號(hào)，去相應(yīng)的調(diào)整進(jìn)水電動(dòng)閥的開(kāi)度，從而控制各汽泡液位和進(jìn)水流量。

　　此方案由于存在閥門(mén)的調(diào)節(jié)，所以理論上不能最大限度的節(jié)能降耗，但實(shí)際應(yīng)用中，由于減小了給水母管與蒸汽壓力之間的壓力差，使電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度由原來(lái)的平均10%左右開(kāi)大到75%左右，系統(tǒng)回水閥門(mén)關(guān)閉，仍大大節(jié)約了能源。且本方案充分考慮了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，一旦變頻器故障，系統(tǒng)可立即自動(dòng)由變頻運(yùn)行狀態(tài)切換至原有工頻運(yùn)行狀態(tài)，完全恢復(fù)改造前的運(yùn)行狀態(tài)，保證鍋爐正常運(yùn)行。變頻故障解除后，仍可方便的手動(dòng)切換為變頻狀態(tài)，使變頻器方便的投入運(yùn)行，且不影響鍋爐的運(yùn)行。

3 PLC控制系統(tǒng)介紹

　　羅克韋爾PLC-5是本系統(tǒng)的核心控制器件，它不僅辨識(shí)、處理各種運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)間的邏輯運(yùn)算和聯(lián)鎖保護(hù)，還對(duì)輸入的多個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行處理、運(yùn)算后，輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)控制變頻器的運(yùn)行速度。主程序結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其中，對(duì)液位信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算的子程序，原理圖和程序框圖如圖3、圖4所示。

4 注意事項(xiàng)

4.1隔離

　　周密完善地考慮器件或設(shè)備的布置及布線，并盡量增大干擾源與受擾電路之間的距離，將大大降低干擾的傳播，減少系統(tǒng)的故障率。在實(shí)際安裝布線時(shí)，應(yīng)按其對(duì)干擾的靈敏度或按其本身功率的大小分門(mén)別類的進(jìn)行處理，布置的順序是：低電平模擬信號(hào)，一般數(shù)字信號(hào)，交流控制裝置，直流動(dòng)力裝置，交流動(dòng)力裝置等。按照這樣的順序布置使其相互隔開(kāi)，保持一定距離，在安裝場(chǎng)合受到限制、設(shè)備要求體積小的情況下，還需要增加以下措施。

　?。?）使所有的信號(hào)線很好地絕緣，使其不可能漏電，這樣，防止由于接觸引入的干擾；

　?。?）將不同種類的信號(hào)線隔離鋪設(shè)（在不同一電纜槽中，或用隔板隔開(kāi)），我們可以根據(jù)信號(hào)不同類型將其按抗噪聲干擾的能力分成幾等。

　　（3）模擬量信號(hào)（模人、摸出，特別是低電平的模人信號(hào)如熱電偶信號(hào)，熱電阻信號(hào)等）對(duì)高頻的脈沖信號(hào)的抗干擾能力是很差的。建議用屏蔽雙絞線連接，且這些信號(hào)線必須單獨(dú)占用電線管或電纜槽，不可與其它信號(hào)在同一電纜管（或槽）中走線。

　　（4）低電平的開(kāi)關(guān)信號(hào)（一些狀態(tài)干結(jié)點(diǎn)信號(hào)），數(shù)據(jù)通信線路（RS232、EIA485等），對(duì)低頻的脈沖信號(hào)的抗干擾能力比上種信號(hào)要強(qiáng)，但建議最好采用屏蔽雙絞線（至少用雙絞線）連接。此類信號(hào)也要單獨(dú)走線，不可和動(dòng)力線和大負(fù)載信號(hào)線在一起平行走線。

　　（5）高電平（或大電流）的開(kāi)關(guān)量的輸入輸出、CATV、電話線，以及其它繼電器輸入輸出信號(hào)，這類信號(hào)的抗干擾能力又強(qiáng)于以上兩種，但這些信號(hào)會(huì)干擾別的信號(hào)，因此建議用雙絞線連接，也單獨(dú)走電纜管或電纜槽。

4.2屏蔽

　　屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏;輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號(hào)控制變頻器時(shí)，要求信號(hào)線盡可能短（一般為20m以內(nèi)），且信號(hào)線采用雙芯屏蔽，并與主電路的輸入和輸出線及控制線（AC220V）完全分離，決不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周圍電子敏感設(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。

4.3聯(lián)鎖

　　鍋爐給水是鍋爐運(yùn)行過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一，其運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性直接關(guān)系到整個(gè)鍋爐系統(tǒng)乃至整個(gè)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定與安全。因此，一旦變頻器出現(xiàn)故障而停車后，系統(tǒng)可自動(dòng)切換至原有工頻控制系統(tǒng)而不影響生產(chǎn)，這一聯(lián)鎖措施至關(guān)重要。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)實(shí)際的調(diào)試和運(yùn)行實(shí)踐證明，采用羅克韋爾自動(dòng)化公司產(chǎn)品和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)某中型電廠鍋爐給水控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，取得良好的效果，并獲得用戶的一致好評(píng)。

　?。?）該系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，自投入運(yùn)行以來(lái)冬夏兩季日均節(jié)電約35％。

　　（2）該系統(tǒng)大大降低了操作工人的操作難度，減少了運(yùn)行故障率，減少了檢修次數(shù)。

　?。?）能合理地應(yīng)用設(shè)備，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，提高設(shè)備運(yùn)行壽命。

參考文獻(xiàn)

[1] PLC-5使用手冊(cè)
[2] RSView32用戶指南
[3] 寥常初. 可編程序控制器應(yīng)用技術(shù). 重慶:重慶大學(xué)出版社, 2000
[4] 湯毅堅(jiān). 計(jì)算機(jī)局域網(wǎng).北京 :人民郵電出版社, 1989