鍋爐供暖控制系統(tǒng)設(shè)計分析

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摘要：針對某大廈完成一整套燃氣熱水鍋爐的手自動控制系統(tǒng)，采用西門子軟件PLC控制，同時使用上位機監(jiān)控的數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)，最終通過驗收并投入生產(chǎn)使用。降低了人工的工作強度，在保證供暖系統(tǒng)高效運行的同時，提升了整個流程的安全性和經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：鍋爐供暖；PLC；WinCC

在我國部分偏遠地區(qū)普遍使用的鍋爐供暖技術(shù)中，相當(dāng)多的鍋爐仍舊采用傳統(tǒng)方式對整個供暖過程進行控制，整個過程能源浪費嚴重，設(shè)備的啟停、燃料的投放等都過度依賴操作員人工操作，無論是從工作效率還是工作安全角度，都不是很好的選擇［1］。針對上述問題，本項目針對大連某大廈自供暖項目對大廈內(nèi)部供暖要求設(shè)計了以西門子S7－300PLC為控制核心的燃氣供暖鍋爐控制系統(tǒng)，并配置計算機控制與管理系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)組態(tài)軟件對整個控制系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，構(gòu)建人機界面。該大廈位于大連金州區(qū)，地上8層和地下一層，采暖面積20000m2，設(shè)備間位于半地下一層。整個供暖系統(tǒng)全部由計算機實現(xiàn)自動控制，系統(tǒng)的操作除了工程師外，操作員也可以很容易操作整個系統(tǒng)的運行，這樣就節(jié)省了大量的人力資源，并且整個操作過程可以在操作室進行，保證了整個操作的安全性。

1燃氣鍋爐供暖系統(tǒng)簡介

1．1鍋爐供暖系統(tǒng)工藝簡介

整個燃氣鍋爐供暖系統(tǒng)的工作流程為：向燃燒器內(nèi)供應(yīng)天然氣與空氣的混合燃料，點燃后對鍋爐內(nèi)的水進行一次加熱，同時，鍋爐內(nèi)的進口與出口的水是通過水溫造成的重度差進行循環(huán)，將熱水傳輸給需要供暖的區(qū)域，對循環(huán)回來的冷水進行加熱［2］。整個系統(tǒng)主要由管道內(nèi)水循環(huán)和鍋爐燃燒兩部分構(gòu)成：1）管道內(nèi)水循環(huán)：自來水經(jīng)過過濾軟化處理以后，經(jīng)由分水器進入供暖管道內(nèi)部，送入鍋爐中，進行加熱后，經(jīng)由換熱泵管網(wǎng)送至用戶處用于取暖。經(jīng)由用戶出散熱后，經(jīng)過換熱站，再次經(jīng)由循環(huán)泵管網(wǎng)送至鍋爐內(nèi)加熱。2）鍋爐燃燒系統(tǒng)：由鼓風(fēng)機向燃燒爐內(nèi)輸送一定比例的天然氣和空氣，進行點燃后，對鍋爐內(nèi)的水進行加熱。

1．2控制系統(tǒng)設(shè)計

考慮到系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，本次設(shè)計一種由PLC和觸摸屏以及組態(tài)軟件WinCC共同控制的人機合作控制系統(tǒng)，同時實現(xiàn)對整個燃氣供暖過程的監(jiān)控、監(jiān)測、參數(shù)設(shè)定以及數(shù)據(jù)記錄［3］。保證安全運行的同時也保證整個控制過程更加高效。整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。鍋爐控制是一個多輸入多輸出的系統(tǒng)，PLC負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和控制，其中的被控變量一共有三個，燃氣量、鼓風(fēng)量和送水量。通過控制燃氣比例閥的開度控制天然氣的輸入量、通過控制鼓風(fēng)機的頻率來判斷空氣的輸入量；通過控制進水口的開關(guān)開度控制進水量［4］。PLC同時接受鍋爐上的水位、壓力和溫度傳感器，通過模擬量數(shù)據(jù)模塊讀入數(shù)據(jù)，通過這些來控制鍋爐的運行。整個監(jiān)控系統(tǒng)共有97個模擬量輸入輸出點；158數(shù)字量輸入輸出點。如表1所示。

2燃氣鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本次控制系統(tǒng)采用IPC－610H為工控主機，S7－300PLC和ET200M分站作為下位機的設(shè)備，中間用PROFINET總線相連接；PLC與三個ET200M分站之間采用PROFIBUS總線以樹形方式連接［5］。整個硬件設(shè)計圖如圖2所示。本次系統(tǒng)選用的CPU是西門子的315－2DP模塊；電源選用LRS－350模塊；數(shù)字量輸入輸出模塊選用16通道的SM321，模擬量輸入輸出模塊選用8路通道的SM322模塊，并根據(jù)經(jīng)驗把余量控制在10％～15％。

3監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個監(jiān)控系統(tǒng)軟件由上位機軟件WinCC和下位機軟件STEP－7兩部分組成。如圖3所示：其中下位機軟件設(shè)計采用西門子STEP－7編程軟件進行子程序的控制，包括通信子程序；控制子程序包括溫度控制子程序、壓力控制子程序、燃氣量控制子程序和采樣子程序等［6］；PLC主程序如圖4所示。上位機監(jiān)控軟件采用WinCC7．4，工控機使用研華公司的IPC－610H，通過以太網(wǎng)與PLC程序相連接，將整個控制系統(tǒng)的運行情況以動態(tài)形式顯示出來［7］。監(jiān)控畫面包括參數(shù)設(shè)定區(qū)域：操作員可以在監(jiān)控室對監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)整；報警區(qū)域：監(jiān)控畫面可以實時顯示整個控制系統(tǒng)的運行情況，當(dāng)整個系統(tǒng)操作過程中鍋爐壓力、天然氣濃度、送水溫度以及回水溫度不在設(shè)定范圍內(nèi)時，啟動報警程序，工作人員對整個運行系統(tǒng)進行參數(shù)調(diào)整或者急停等；數(shù)據(jù)報表：方便工作人員參考和查找歷史數(shù)據(jù)，對整個系統(tǒng)運行過程把握更準確［8］。監(jiān)控主頁面如圖5所示。

4結(jié)束語

本系統(tǒng)采用西門子S7－300和WinCC組態(tài)軟件相配合，投入使用以來，系統(tǒng)穩(wěn)定，不但減少了燃料的浪費，還節(jié)省了大量的人力，在保證設(shè)備高效運行的同時也保障了安全性。

參考文獻

［1］房廣海．燃氣鍋爐的發(fā)展與經(jīng)濟性比較［J］．煤炭技術(shù)，2009，28（4）：195

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［3］姜映紅．基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)的啤酒發(fā)酵過程PLC自動控制系統(tǒng)［D］．蘭州：蘭州理工大學(xué)，2006

［4］任天翔．基于PLC的燃氣鍋爐供暖控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)［D］．北京：華北電力大學(xué)，2016

［5］周忠臣．基于PLC的鍋爐自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］．北京：北京工業(yè)大學(xué)，2018

［6］于英利，韓義，蔡斌，等．電力行業(yè)鍋爐技術(shù)監(jiān)督現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．電力與能源，2017（6）：809－811

［7］王亞民．組態(tài)軟件設(shè)計與開發(fā)［M］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003

［8］王艷凱．燃氣鍋爐自動控制的設(shè)計與應(yīng)用［J］．沈陽：東北大學(xué)，2007

作者：汪依銳 單位：西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院