PLC控制在煤矿锅炉系统中的应用

潘应仲

（淮南煤炭勘察设计院，安徽淮南232001）

近年来，在我国采煤工艺不断发展、煤矿产量大幅提高的情况下，年产量在千万吨左右的现代化大型煤矿不断建成。作为煤矿企业一个很重要车间场所的锅炉房，其运行的可靠性和安全性，直接关系着全矿的安全生产和经济效益。但由于大多数煤矿均地处偏僻，工况恶劣、水碱大、供热时间长等特点，对供热系统的要求极高。传统的仪表控制系统由于抗干扰能力弱、可靠性差及人力工作量大，难以满足大型锅炉的控制要求。而可编程逻辑控制器（PLC）的抗干扰能力强、精度高与可靠性好的特点，在煤矿锅炉控制系统中的应用具有诸多优点。

1 硬件系统组成

（1）锅炉本体设备。淮南矿业集团潘北煤矿是一家现代化大型煤矿，设计生产能力为400万t/年。该矿锅炉房目前安装有2台10 t蒸汽锅炉和2台4 t蒸汽锅炉，型号分别为DZL10－1.25－AI和SZL4－1.25－AII。

（2）锅炉房公共设备。主要有给水泵、水处理装置、引风机、鼓风机、锅炉本体控制台、鼓引风变频柜、锅炉给水变频柜、锅炉系统检测器件等。

（3）控制系统硬件配置及网络结构。控制系统硬件主要由两大部分组成，一是可编程逻辑控制器，即下位机；二是操作站，即上位机。

每台锅炉配备1台操作站（上位机），公共设备单配1台操作站；2台10 t锅炉共用2套PLC，相互之间互为冗余备用；2台4 t锅炉共用2套PLC，之间也互为冗余备用；另外给公共设备单配1台PLC。

在本锅炉控制系统中，下位机使用美国AB公司Control-Logix5000系列PLC，其显著优点是先进的系统构建理念，高性能的硬件，以及功能强大的软件，而组成的一个可实现多种性质控制任务的复杂多任务控制平台，能够提供单一的集成化控制架构，能够实现离散、传动、运动、过程控制任务。

上位机采用DELL商用机（配置为：PIV 2.06G 512 M 80G 52 X光驱）。

控制系统硬件网络结构图如图1。

图1 锅炉房计算机监控网络结构图

2 软件配置

上位机操作系统为Windows 2000，监控组态软件采用RSView7.20。此组态软件能够支持多种通讯方式和通讯协议，使系统具有良好的开放性，易于升级和开发。同时能够提供强大的标准接口。RSView建立了象DDE、OLE等在Windows程序间交换数据的标准接口。

3 通讯方式

上位机和下位机之间采用适用于分散型控制系统的Ethnet/IP通讯。该通讯方式具有快速的通讯响应时间。数据传输率可达到为12Mbit/s。传输媒介采用5类双绞线，具有较高的抗干扰特性。

4 控制系统功能

（1）实时监测锅炉主汽温度、压力、炉膛温度、负压、排烟温度、烟压，给水压力、汽包水位、给水流量、蒸汽流量以及中间水箱、软化水箱、除氧水箱水位等有关参数。

（2）锅炉在自动控制时，由PLC控制，严格按控制程序进行，并对锅炉正常切换和故障切换进行控制和操作指导。锅炉在自动运行条件下执行PID自调节。

（3）在操作站显示锅炉燃烧及汽水系统动态流程图、锅炉辅机以及其他公用设备控制流程图、供电系统图、工艺参数表、电气参数、设备运行状态（工作、停止、故障）以及报警参数表等。

（4）对于重要的工艺参数如炉膛负压和温度、汽包水位、主汽温度和压力、蒸汽流量和给水流量、排烟温度等自动建立数据库。

（5）按预先编制的控制程序，对锅炉辅机以及其他公用设备进行控制和操作指导。

（6）当锅炉发生故障时，利用运行记录的曲线对故障进行分析和判断。同时，对整个系统进行维护、修改，使系统可在线运行、在线修改，维护极为方便。

（7）与矿井综合自动化系统联网：将锅炉房各设备运行的状况和有关的热工参数通过以太网实时地传送至矿井调度中心。

5 控制方式

（1）锅炉运行参数实时监视，主要参数单独仪表显示在操作台上。

（2）次要数据采用巡检的方式显示，鼓风、引风、炉排实行远程手动调节。

（3）给水控制回路实行PID自动运行，手/自动无扰动切换。

（4）汽包水位、汽包压力参数参与报警连锁停炉控制；给水流量、蒸汽流量能显示瞬时值和累计值。

（5）锅炉水处理系统及辅助设备设一套控制器，对给水压力实行行远程手动调节。

（6）对蒸汽母管压力、流量进行显示、累计；除氧水箱、中间水箱、软水箱进行显示、报警；所有的辅助设备启停和运行显示。

6 锅炉系统关键运行参数控制方案

（1）汽包水位三冲量控制。汽包水位的稳定，影响到锅炉安全、高效、经济等各个方面，所以必须采取行之有效的方法，来控制汽包水位的稳定。三冲量控制是最优化的控制方式，反映了给水量与供汽量的动态变化，属于典型的串级加前馈控制方式。给水流量，作为副调回路，克服给水流量变化扰动；汽包水位，作为主调回路；蒸汽流量，作为前馈量克服虚假水位现象，使水位达到很高的控制精度。本系统应用串级前馈三冲量控制算法，在锅炉负荷平稳的情况下，控制稳态误差≤±10 mm。控制原理如图2。

（2）恒压供水控制。由于矿用锅炉用汽量非常不平衡，高峰和低谷供汽流量差异很大，所以本锅炉系统在供水环节采用1台变频泵，对供水压力进行PID调节，使供水压力随供汽压力大小波动。

图2 锅炉汽包水位三冲量控制框图

（3）汽压-燃烧调节。蒸汽压力通过调节炉排转速、鼓风量实现控制要求，所以在构建主汽压力-燃烧控制方案时，将汽压力检测值和设定值经过比较，其偏差作为控制器的输入信号，控制器进行PID运算后，控制鼓风变频器频率和炉排转速。为了压力的稳定，系统引入蒸汽流量作为前馈信号，更为及时操纵炉排和变频器。控制原理如图3。

图3 控制原理图

7 结束语

经过实践应用证明，由PLC控制技术结合变频传动技术构成的大型锅炉控制系统，具有控制精度高、动态响应快、计量准确、稳定性好等诸多优点，确保锅炉系统安全可靠运行，特别在现代化大型煤矿锅炉控制系统中，其安全性、经济性和实用性都具有更优越的特点。

[1]朱传标.工业锅炉技术基础[M].上海：上海远东出版社，1996.

[2]任永华.工业控制的以太网通信系统研究及实现[D].杭州：浙江大学，2002.

[3]姚若玉.基于模糊控制理论的锅炉燃烧系统控制[D].西安：西安建筑科技大学，2003.