PLC自动化技术在锅炉智能控制系统中的应用

张名财

摘 要：工业蒸汽锅炉水位、蒸汽压力以及炉膛负压的控制是锅炉安全运行，保持较高燃烧效率的前提保障。采用传统PID控制效果，并不能实时监控采集锅炉各项控制因子数据。本文即针对这一情况，尝试采用PLC自动化控制系统，应用Siemens公司的S7-300系列的PLC自动化控制程序，尝试实现对锅炉水位的三冲量控制、燃烧过程自动控制和蒸汽压力自动控制等功能。

关键词：PLC自动化控制系统;锅炉智能控制;功能模块实现

一、PLC自动化技术简介

PLC是可编程逻辑控制器的全称，它由用于数据运算的CPU和储存数据的内存、数据输入/输出接口、电源以及数字模拟转换等基本功能模块组成。可编程逻辑控制器的主要功用在于，可以较为方便的通过用户的自主编程，实现逻辑控制器的控制功能扩展。本文探讨的PLC自动化控制系统为Siemens公司的S7-300系列的PLC自动化控制程序。采用的编程软件为第五代Step7。

二、PLC程序整体结构

（一）结构化编程

PLC程序系统大致可以分为两类，一类为操作系统。操作系统用于组织和实现与控制任务无直接关系的CPU基础功能，如进行处理热启动、刷新输出/输出过程印象表、调用用户程序、检测处理错误、管理数据存储区域、完成与其他管理系统附件信息交互等功能。另一类为用户程序。用户程序是用户借助编程工具编写自动化控制任务程序，并将用户程序模块融合进CPU操作系统中，实现通过操作系统执行自动化任务的系统结构。图1及为PLC用户操作系统线性编程示意图。

该结构化编程中，各模块具体功能如下：

OBI：主循环系统。用于调用个子程序，实现各子程序的信息交互，并进行信息处理、报警处理、控制处理业务。

FC1/FC2：信息转换、修正系统。用于各子程序模拟信号的修正和转换，产生各子程序上下限标志。

DB2/DB3/DB4：数据存储系统。用于存储数据、设定参数、生产传感器补偿数据。

FB1：功能实现模块。用于调用FC1和DB2子程序，实现自动化控制功能。

（二）主循环程序

主循环程序是PLC控制系统的核心部分，也是实现智能控制功能的主要部分，它包括了数据采集、控制输出、报警、连锁输出等功能。

数据采集模块主要负责采集锅炉运作中的各项控制因子数据，并通过FC1子程序实现各项监测数据之间的信号转换和信息预处理，并将初步处理的原始数据预存进DB2数据块子程序。然后由FC2子程序实现DB2预存储数据信号的二次转换，将各项控制因子监测原始数据转换为工程量。并将具体转换结果写入DB4数据块子程序。并在DB3数据块子程序中设定信息二次转换数参数，工程量信息最大值和最小值，以及补偿数据偏移值等。

三、锅炉自动控制PLC程序功能模块的实现

（一）给水控制

本文建议可以采用控制给水调节阀的开度来实时控制给水流量。 通过预设汽包水位，有主程序调用数据采集模块获取汽包水位数据信息，然后调用FB41功能模块处理数据生成控制输出信号，由电动直通单做调节阀接受脉冲控制信号，执行调节阀开度的加大或减小操作。然后，再由数据收集模块收集汽包调节给水开关后的水位，进行新一轮的给水控制。这样形成动态的水位自动化控制循环系统。

（二）蒸汽压力控制和经济燃烧

本文建议通过调节炉排机运作速率，以及调节鼓风机风量，实现对蒸汽压力的控制，同时也能实现经济燃烧。具体蒸汽压力控制和经济燃烧功能实现如图2所示。

提前预设蒸汽压力数值，通过调用FB41功能实现模块，实现蒸汽压力数据收集和信息数据的两次转换，生产锅炉蒸汽压力工程量数值，对比工程量数值与预设值之间的差值。当差值较大时，通过PID控制器生产并输出控制信号，开始先抑制炉排机转速，增加鼓风量，经过一段时间后，当炉膛温度数据正常以后，再逐渐实现炉排机转速与鼓风机鼓风量的功率联动，使得炉膛实现充分燃烧。当经过一段时间的充分燃烧后，炉膛负压降低到于预设值趋平时，可以先降低鼓风机鼓风量，然后降低炉排机转速，同样经过一段时间，实现炉排机和鼓风机的功率联动。

（三）炉膛负压控制

炉膛负压控制则是在蒸汽压力控制的基础上，调用PID功能块在收集鼓风机前馈信号时，研判炉膛负压，控制引风，使得炉膛负压一直保持在一定范围内，不会出现较大的上下波动。

（四）PID回路调度与参数调整

本文探讨的PLC锅炉自动控制系统共有6个PID功能模块，涉及到的数据收集及数据存储、数据调用处理、控制数据输出等数据操作及参数设定较为复杂。这就需要在主循环程序中添加一个FCI数据调度模块，用于各个PID功能模块中的DB块的调度，避免各个功能模块的数据传输和处理过程中出现干扰。并通过FCI模块实现各功能模块DB数据块的数据读写顺序，提升CPU整体数据处理效率。同时，要依据PLC系统CPU运行速率，在CPU运算能力允许的情况下，配置PID参数动态整定模块，通过监测锅炉整体运作状态实时调整各PID功能模块的参数和各控制因子的预设值。

（五）顺序控制

对于蒸汽锅炉的自动化控制要按照一定的顺序有序进行。例如要度脱硫泵、引风机、一次风机、二次风机、炉排机的顺序一次通电启动，中间可以根据实际锅炉体量和能源供应现状，对部分结构设定合适的延时启动时间。而停炉操作也应该按照以上顺序逆向一次关停设备运转实现停炉。

结论

工业蒸汽燃煤锅炉是工业加工中较为常见的动力设备，它在国内各个工业生产领域应用广泛。工业锅炉的运行效果主要受其控制质量和运行环境的影响。本文即重点针对工业锅炉的控制质量，尝试采用PLC自动化控制系统，实现对工业锅炉各个设备的智能化控制。本文提出的各个PID功能模块的功能实现流程是依据PIC系统特性以及工业锅炉运作特点理论分析得出的结果，期望能对工业锅炉的智能化控制系统设计提供一些参考。

參考文献：

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