基于PLC及变频技术的锅炉自动化控制改造方案

鹤岗斯达机电设备制造有限责任公司 张忠宝

鹤岗诚基水电热力有限责任公司 张宇慧

基于PLC及变频技术的锅炉自动化控制改造方案

鹤岗斯达机电设备制造有限责任公司 张忠宝

鹤岗诚基水电热力有限责任公司 张宇慧

某公司冬季主要由2台SZF10-13型沸腾锅炉对各车间用户供暖。该型号锅炉生产于1979年，现许多控制点失灵，导致锅炉热效率低、煤耗、电耗浪费严重。2台锅炉分别由2套DCS系统（分布式控制系统）通过控制各自的电动阀门来调节各自汽包的给水量，锅炉运行过程中阀门开度较小，给水管压力较大，电能消耗大。并且，较高的水压还对管道、水泵叶轮和阀门造成损害，存在较大的安全隐患。

经过分析论证，该公司决定对原有锅炉系统进行改造。改造方案基于PLC及变频技术，通过计算机控制锅炉的控制系统，进而达到节能环保的目的。本文，笔者对该改造方案作一介绍。

一、PLC及变频技术

1.PLC。即可编程控制器（Programmable Logic Controller），是一种专用于工业控制的计算机，它可以执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，可以通过数字或模拟式输入/输出来控制各种类型的机械或生产过程，是一种新型控制器。

（1）PLC的优点。PLC采用微电脑技术（大规模集成电路），取代了以往靠硬导线布线的逻辑控制器，具有成本低、功耗低、体积小、重量轻等特点。它不仅能辨识处理各种运行状态，采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来进行系统间的逻辑运算和连锁保护，还能对输入的多个模拟信号进行处理、运算，输出标准的模拟信号控来制变频器的运行速度。

（2） PLC的主要组成模块。PLC主要由6个模块构成；电源模块、CPU模块、热备模块（可选）、输入/输出（I/O）模块、模数转换（A/O）模块和通讯模块。其中，电源模块向PLC提供直流24 V工作电源；CPU是微型处理器，是PLC的核心部件；热备模块是在2套PLC均为在线方式下互为热备用，并且可以人为任意切换至工作或备用状态，提高了PLC的安全可靠性；输入/输出（I/O）模块是指外围回路向PLC输入高电平（或低电平）和PLC向外围回路输出高电平（或低电平）；模数转换（A/O）模块是将外围设备输入的电信号转换成数字信号，以供PLC进行计算、判断、比较和传输。

2.变频器技术。变频器是锅炉改造系统的一个关键器件，它是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率电源的电能控制装置。根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，有

n = 60 f（1 – s）/p。 （1）

式（1）中，n为点电机转速，f为工作电源输入频率，s为电机转差率，p为电机磁极对数。由式（1）可知，改变电动机工作电源频率（f），可以改变电机转速（n）。

二、改造注意事项

改造前，应对改造方案进行详细研究，查阅并编制注意事项。注意事项如下。

1. 要避免高次谐波对PLC的影响。变频器工作时会产生高次谐波，会对通讯产生干扰，PLC工作时需要采集模拟信号，并进行A/D和D/A转换处理。在此过程中，PLC容易受到变频器高次谐波的影响，造成信号失真。因此，必须将变频器零地分接并且加装液波装置，对PLC用隔离变压器供电，最好将PLC安装于距变频器较远的位置。

2. 要保证原控制系统的安全性和完整性。锅炉改造系统所需液位、压力等模拟信号均采用锅炉原控制系统，并将原有模拟信号通过隔离分路端子分路后使用，避免对锅炉原控制系统造成不利影响。

3. 要保证锅炉给水的稳定可靠。锅炉给水是锅炉运行过程中至关重要的环节，其稳定可靠运行是整个锅炉系统安全运行的保证。因此，一旦变频器出现故障停车后，系统要能够自动切换至原有工频控制系统下正常运行，以保证企业的正常生产。

三、改造方案

1. 安装2台MM430变频器用于控制40 kW鼓风电动机，安装2台MM440变频器用于控制1.1 kW给煤电动机。

2. 安装BYD系列差压变送器、威力巴流量计、一体化温变等信号采集及传输装置，用于测量密相区压差、密相区温度、炉膛压力、排烟温度、进出口水温、水压等相关参数。

3. 采用西门子PLC进行逻辑控制。

4.采用WinCCV6.0智能化运行软件便于进行人工控制。WinCC可以利用SIMATICPCS7通过过程控制系统及其他西门子控制系统中的人机界面组件，进行算术运算、模拟量处理和通讯联网等操作，来实现与计算机的连接。借助该软件可以进行人机对话，为操作人员提供相应的诊断提示，保证锅炉的正常高效运行。

四、锅炉改造系统运行原理及优点

1.锅炉改造系统运行原理。该系统主要由压力变送器、温度变送器、流量变送器、锅炉专用变频器和WinCCV6.0运行系统等部件组成。压力变送器经滤波后取得信号将锅炉的温度、压力、流量、风量、转速等数据转换成电压、电流信号送入计算机，计算机通过WinCCV6.0运行系统与设定值进行比较，判断出各相应值的大小，同时把该信号输出给风煤比计算单元，相应地算出在当时的风量下给煤电机的最大输出值，经过风煤比限位，输出到给煤电机变频器，从而控制给煤量，实现风煤联动的自动控制。

2.锅炉改造系统优点。该系统将变频调速技术、计算机和智能控制技术相结合，完成了工业锅炉给水、给煤、送风、引风等参数的自动控制，使锅炉温度、压力、风煤配比等在计算机系统控制下，能够实现燃烧工况的自寻优控制，使锅炉保持在最佳运行状态。此外，还可在运行中可直观、集中地显示锅炉各运行参数，随时修改各运行参数控制值及系统的控制参数，还可以设置多点声光报警、自动连锁停炉，有利于提高锅炉的热效率。

五、改造后的实际运行效果

从已运行的一个采暖期来看，锅炉系统改造后，节电率达到30%～40%，节约电费20多万元，节约用煤500 t，热效率同比提高10%。锅炉系统改造后，没有出现电动机烧毁情况，在保证锅炉安全、稳定、经济运行的同时，既减轻了操作人员的劳动强度，又提高了锅炉运行的安全性。

六、结论

采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术，《中华人民共和国节约能源法》第39条将其列为通用技术加以推广。采用计算机控制系统改造锅炉，能充分利用变频器调速范围宽、调速精度高、保护功能完善、运行稳定可靠、节能效果显著的优点，还能通过自动化控制技术实现安全生产，既节煤、节电，又安全、环保，具有良好的经济效益和社会效益。