基于组态技术的蒸汽锅炉控制系统

王丽艳

（大连职业技术学院 辽宁 大连 116037）

蒸汽锅炉提供的蒸汽主要用于民用采暖和工厂工艺用热。目前使用较广的蒸汽锅炉分电蒸汽锅炉、燃油蒸汽锅炉、燃气蒸汽锅炉和燃油－燃气蒸汽锅炉4类[1]。传统的蒸汽锅炉控制系统是一种基于继电接触器和人工手动方式的半自动化系统，系统设计较为繁琐，不易维护，故障率高；操作时需要工作人员亲临现场，存在严重损害操作人员身体健康的风险。组态（Configuration）控制技术以其编程简单、运行安全可靠、故障率低、可维护性强等诸多优点，逐步在蒸汽锅炉控制系统中得到广泛采用。组态控制技术构成的计算机系统在硬件设计上除采用工业PC机外，系统大量采用各种成熟通用的I/O接口设备和现场设备，基本上不再需要单独进行具体电路设计，不仅节约了硬件开发时间，更提高了工业控制系统的可靠性和安全性[2]。

本控制系统硬件采用西门子S7-200作为核心控制部件，上位机软件采用北京亚控公司的“组态王”。软硬件采用模块化设计，结构与功能设计合理，操作简单，智能化程度高，采用高性能的电源，具有较强的抗干扰能力。可对锅炉的当前工作状态进行实时监控，并对故障进行自动识别及处理，使系统能够更安全、可靠地运行。

1 蒸汽锅炉控制系统的控制要求及构成

1.1 系统的控制要求

根据蒸汽锅炉的工作过程，要求蒸汽压力、锅炉水液位和燃烧器达到以下控制要求：

1）蒸汽压力控制

炉内压力要求控制在0.010 MPa≤P≤0.10 MPa。当蒸汽压力P＜0.01 MPa 时，燃烧器先启动小火，延时0～180s(可调) 。当延时时间到，启动大火 ；当蒸汽压力0. 01 MPa＜P＜0.1 MPa时，先关停大火，小火继续工作，维持压力；当P =0.1 MPa 时，关停小火；当蒸汽压力0..1 MPa＜P＜0.15 MPa 时，报警并停炉；当P≥0.15 MPa 时，关停补水泵、补油泵和燃烧器并报警，切断燃烧器电源。

2）锅炉水液位控制

当炉水液位到达上上限时，关停补水泵和燃烧器并报警；当炉水液位到达上限时，关停补水泵；当炉水液位到达下限时，启动补水泵；当炉水液位到达下下限时，关停补水泵和燃烧器并报警；当补水泵出现故障时，关停小火、大火和补油泵并报警。

3）燃烧器控制

燃烧器自动控制是由给煤量、送风量和炉膛负压部分组成。在正常情况下，主蒸汽压力偏离给定值时，系统将按着规定的控制算法调节炉排的转速，以满足静态控制精度的要求。在调节给煤量时, 为了保持合理的煤层厚度，还必须调整给煤闸板的高度；在调节送风的同时，为了使炉膛负压相对稳定，保证在任何情况下不出现正压或超越炉膛负压下限值，负压控制可将送风量作为前馈信号，以获得最佳燃烧效果，当蒸汽压力P≤0.01 MPa 时，燃烧器处于大、小火自动切换工作模式；当P＞0.1 MPa 时，燃烧器处于停机工作模式；当燃烧器出现故障时，关停小火、大火、补水泵和补油泵并报警。

1.2 控制系统的构成

蒸汽锅炉控制系统主要有锅炉本体和燃烧器两大部分组成:

1）锅炉本体：配有蒸汽压力变送器、炉水液位计、温度传感器、蒸汽压力高保护压力控制器和蒸汽压力超高保护压力控制器。蒸汽压力超高保护压力控制器的作用是在压力超高时切断燃烧器的电源。

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2）燃烧器：配有小火电磁阀、大火电磁阀、火焰监视探头( 电眼) 和程序控制器。

图1 蒸汽锅炉控制系统构成Fig. 1 steam boiler control system

蒸汽锅炉控制系统的结构如图1所示，温度、压力和液位等模拟信号经过变送器将非电信号转换成1～5 V的标准电信号，再经过A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号， 该数字信号为8位，其中7位数值位，1位停止位。8位数字信号经RS232/RS485转换接口传送到计算机进行数据处理、显示。开关量直接进入PLC模块，首先由PLC完成对开关量的控制，再经RS232/RS485转换接口将其传送到计算机进行处理，实现双重控制。

1.3 控制系统I/O配置

本控制系统I/O配置如表1所示。模拟量应实时显示在操作画面中，数值范围满足表1要求，若出现数值超限应在主画面中出现报警提示；数字量通过西门子PLC（S7-200）输入和输出，并能进行远程监视与控制。

表1 控制系统I/O配置Tab.1 Control system conf i guration of I/O

2 蒸汽锅炉控制系统的基本功能

1）本系统可根据出口原油温度或采暖水出口温度与设定值相比较，实现自动、连续的调节炉内火焰的大小。

2）本系统可实时显示7个模拟量参数，它们分别是：原油入口温度、原油出口温度、采暖水入口温度、采暖水出口温度、炉内液位、炉内压力、烧火间内可燃气泄漏量。

3）本系统可实时显示的数字量包括：电源指示、燃烧器运行状态、燃烧器故障状态、检漏故障状态等。

4）本系统可实现超温后的自动停机及温度恢复后的自动启动。

6）本系统可实现手/自动的切换。在加热炉调试期间，打到手动状态进行前期的调试，当锅炉具备自动控制的条件后，可打到自控状态，以实现自动控制。

3 燃烧器运行主画面

燃烧器运行主画面可实时显示燃烧器的工作状态，通过对画面的操作，可以实现对燃烧器工作参数的监测和远程控制。图2所示为燃烧器停止运行状态画面图。

图2 燃烧器运行主画面Fig. 2 Burner running the main screen

1）油出口温度：实时指示油出口温度值，当温度值高于报警设定值时，将自动跳出“报警窗口”当温度值高于报警停机值时，燃烧器自动停机，并且温度值以红色显示，待温度值恢复正常后，燃烧器自动启动。

2）炉内压力：实时指示炉内压力值，当压力值高于报警设定值时，将自动跳出“报警窗口”；当压力值高于报警停机值时，燃烧器自动停机，并且压力值以红色显示，待压力值恢复正常后，燃烧器自动启动。

3）炉内液位：实时指示炉内液位值，当液位值低于报警设定值时，将自动跳出“报警窗口”；当液位值低于报警停机值时，燃烧器自动停机，并且液位值以红色显示。

4）燃气泄漏量：实时指示烧火间内可燃气泄漏值，当泄漏值高于报警设定值时，将自动跳出“报警窗口”；当泄露值高于报警停机值时，燃烧器自动停机，并且可燃气泄露值以红色显示。

5）运行状态指示：当燃烧器运行时，显示绿色“燃烧器运行”且火苗闪烁；当燃烧器停止时，显示红色“燃烧器停止”火苗停止闪烁。

4 控制系统软件流程图设计

本蒸汽锅炉控制系统主流程图如图3示。系统工作时，通过上位机的主画面给系统上电，并将点火标志位置1，然后进入点火子程序进行点火，若燃烧器工作正常，则成功点火；若燃烧器出现故障，则通过点火子程序判断故障点，排除故障后继续点火，直到成功。

图3 汽锅炉控制系统主流程图Fig. 3 Steam boiler control system for the main flow chart

5 趋势曲线

数据分析是一个完善的控制软件必不可少的功能。趋势曲线是实现数据分析[7]的方式之一，其特点是直观，便于比较。本系统设计了实时趋势曲线来分析现场的数据采集情况。

图4 系统实时趋势曲线Fig. 4 System real-time trend curve

趋势曲线的外形类似于坐标纸，X轴代表时间，Y轴代表变量值。主要用于观察变量的变化趋势。在趋势曲线中工程人员可以规定时间间距、数据的数值范围、网络分辨率、时间坐标数目、数值坐标数目以及绘制曲线的“笔”的颜色属性。软件运行时，实时趋势曲线可以自动卷动，以快速反映变量随时间的变化。

实时趋势用于实时显示数据的变化情况。在画面运行时趋势曲线对象由系统自动更新。数据将从趋势的右边进入，同时趋势将从右向左移动，本系统实时趋势曲线如图4所示。

6 结束语

系统测试和运行结果表明：该系统能够实时记录锅炉的运行情况，并通过网络将数据自动传输到本系统，且系统操控界面友好、使用方便，实现了蒸汽锅炉运行系统的实时监测和自动控制。

[1]孙宝山.PLC系统在蒸汽锅炉控制中的应用[J].炼油与化工,2009 ( 4 ): 39-40.

SUN Bao-shan. Application of PLC system in steam boiler control system[J]. Refining and Chemical Industry,2009(4):39-40.

[2]袁秀英.组态控制技术[M].北京:电子工业出版社，2003.

[3]方康玲.过程控制与集散系统[M].北京:电子工业出版社,2008.

[4]庞丽君.锅炉燃烧技术及设备[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社, 1991: 32-36.

[5]林清香.锅炉微机控制系统的设计[J].微计算机信息,2007,3(3):33-34.

LIN Qing-xiang. Design of microcomputer control system of boiler [J].Micro Computer Information, 2007, 3( 3 ): 33-34.

[6]王洪国.自动控制技术在工业锅炉上的应用[J].云南冶金,1999 ( 3 ): 50-54.

WANG Hong-guo. Application of automatic control technology in the industrial boiler, [J]. Yunnan Metallurgy,1999(3):50-54.

[7]陈源，周敬东，周明刚，等.基于MCU的直流纹波测试数据分析系统设计[J].现代电子技术，2012(17):180-182.

CHEN Yuan，ZHOU Jing-dong，ZHOU Ming-gang，et al.Design of DC ripple test data analysis system based on MCU[J].Modern Electronics Technique，2012(17):180-182.