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羅克韋爾PLC在鍋爐給水控制系統(tǒng)中應(yīng)用

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關(guān)鍵詞:PLC 給水控制 變頻器

    1 引言

      目前國內(nèi)大多數(shù)鍋爐汽包水位都采用串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。鍋爐燃料是煉鐵過程中產(chǎn)生的尾氣,其可燃成分主要是CO。受高爐爐況的影響,尾氣壓力及CO含量時(shí)常變化,鍋爐的燃燒狀況也隨之變化,汽包水位及蒸汽壓力變化較大,串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能保證汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi),只能采用手動(dòng)方式,通過電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),調(diào)節(jié)管道閥門的開度來改變給水流量,以維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)。這種方式不僅調(diào)節(jié)不便,而且浪費(fèi)大量電能。產(chǎn)業(yè)蒸汽鍋爐的過程控制系統(tǒng)包括汽包水位控制系統(tǒng)和燃燒過程控制系統(tǒng),兩系統(tǒng)在鍋爐運(yùn)行過程中互相耦合,需要較高的控制水平才能達(dá)到有效運(yùn)行。

      結(jié)合國內(nèi)某中型電廠的2臺(tái)30T燃煤蒸汽鍋爐,這2臺(tái)鍋爐通過1個(gè)給水母管分別給各自汽包供水,用汽量小的季節(jié),2臺(tái)鍋爐只運(yùn)行1臺(tái),當(dāng)用汽量較大時(shí),則必須2臺(tái)鍋爐同時(shí)運(yùn)行。由于給水泵額定功率為37kw,一般情況下,1臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí),只開1臺(tái)給水泵余量仍較大,而2臺(tái)鍋爐同時(shí)運(yùn)行且用汽量較大時(shí),只開1臺(tái)給水泵無法滿足需要,而開2臺(tái)給水泵后,相對(duì)單臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí),余量更大。由于2臺(tái)鍋爐分別由2套DCS系統(tǒng)控制各自的電動(dòng)閥門調(diào)節(jié)各自汽包的給水量,運(yùn)行中,閥門開度較小造成給水母管壓力較大,不僅浪費(fèi)了大量的電能,較高的水壓還可能對(duì)管道、水泵葉輪和閥門造成損害。如圖1所示。

    圖1 給水原理圖

    2 系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)

      變頻技術(shù)以其在節(jié)能與恒壓方面的優(yōu)越性能可以解決水壓控制系統(tǒng)存在的以上題目。考慮選用單片機(jī)或PLC與變頻器結(jié)合為核心構(gòu)成的系統(tǒng)都能達(dá)到較好的控制效果。但在軟件設(shè)計(jì)上,PLC比單片機(jī)的編程更簡(jiǎn)潔、直觀;從硬件接口考慮,單片機(jī)電路稍微復(fù)雜一些;從經(jīng)濟(jì)方面考慮,由于PLC工藝的日漸成熟,要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整系統(tǒng)參數(shù),PLC的軟件中時(shí)間參數(shù)的調(diào)整更簡(jiǎn)單,這樣更有利于售后服務(wù)職員把握。基于系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀,本著既能節(jié)能降耗,又能控制簡(jiǎn)便、安全且投資較少的原則,選用了西門子MM430變頻器和羅克韋爾PLC-5型PLC作為控制核心,再加上PSW7調(diào)節(jié)器與WSP300壓力變送器,控制效果非常好,軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,硬件接口簡(jiǎn)易可行、可靠性高,整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比非常高。具體如圖2所示。

    圖2 控制原理圖

      在本方案中,充分利用了鍋爐層有的DCS控制系統(tǒng),同時(shí)增加了變頻器、可編程序控制器(PLC)和控制信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。

      2.1硬件控制系統(tǒng)

      (1) 羅克韋爾PLC-5型PLC

      我們選擇的PLC-5/40E CPU,內(nèi)存容量大,數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng),網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大,帶有以太網(wǎng)網(wǎng)口,不需要額外以太網(wǎng)通訊模塊。

      PLC-5/40E CPU使用鑰匙開關(guān)改變處理器操縱模式:

      RUN(運(yùn)行)運(yùn)行模式下,用戶不能創(chuàng)建或刪除程序文件,創(chuàng)建或刪除數(shù)據(jù)文件,或編程軟件改變操縱模式。

      PROG(編程)編程模式時(shí),用軟件編程不能改變操縱模式

      REM(遠(yuǎn)程)編程軟件,遠(yuǎn)程編程、遠(yuǎn)程測(cè)試、遠(yuǎn)程運(yùn)行模式之間改變。

      RSLogix 5編程軟件具有可靠通訊能力、強(qiáng)大編程功能和卓越診斷能力和監(jiān)控能力,以及運(yùn)行控制功能:

      診斷和故障查找工具
      可靠通訊功能
      同一項(xiàng)目視圖
      靈活梯形圖邏輯
      符號(hào)編程
      可選梯形圖視圖
      輕易通訊組態(tài)

      利用RSLogix 5梯形邏輯編程軟件,可以優(yōu)化系統(tǒng)性能,節(jié)省項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間,進(jìn)步生產(chǎn)率。上位機(jī)監(jiān)控軟件RSView32是羅克韋爾自動(dòng)化公司推出組態(tài)軟件平臺(tái),它使用方便,可以構(gòu)造靈活界面和強(qiáng)大功能,用RSView32組態(tài)軟件能開發(fā)出較強(qiáng)組合畫面:

      快速靈活畫面切換
      靈活有效報(bào)警方式
      強(qiáng)大功能和簡(jiǎn)單直觀操縱方式
      靈活實(shí)用設(shè)置功能
      實(shí)用治理功能

      因此,利用上位機(jī)監(jiān)控軟件RSView32,坐中心控制室,就可以監(jiān)控現(xiàn)一切機(jī)械化設(shè)備,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況一目了然。

      (2) 西門子MM430變頻器

      MM430變頻器是西門子公司最新研制生產(chǎn)的一種適用于各種變速驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合的高性能變頻器(調(diào)試簡(jiǎn)單、配置靈活),它具有最新的IGBT技術(shù)和高質(zhì)量控制系統(tǒng),完善的保護(hù)功能和較強(qiáng)的過載能力以及較寬的工作環(huán)境溫度,安裝接線方便,兩路可編程的隔離數(shù)字輸進(jìn)、輸出接口以及模擬輸進(jìn)、輸出接口等優(yōu)點(diǎn),使其配置靈活多樣,控制簡(jiǎn)單方便。

    2.2運(yùn)行分析

      (1) 當(dāng)1臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)

      由于只開1臺(tái)給水泵,就足夠鍋爐汽包所需用水量,故此時(shí),系統(tǒng)只對(duì)運(yùn)行鍋爐的汽包水位進(jìn)行恒液位控制即可。將切換開關(guān)置于相應(yīng)位置,通過鍋爐原有DCS控制系統(tǒng)中的手動(dòng)操縱器將控制該鍋爐汽包進(jìn)水量的電動(dòng)閥完全打開后,再通過控制信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置切斷該控制信號(hào),使原有控制回路斷開,電動(dòng)閥保持全開狀態(tài),同時(shí),將該鍋爐汽包液位信號(hào)切進(jìn)PLC,讓PLC將該鍋爐汽包液位信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算處理后,再由控制信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置,將PLC輸出的4~20mA模擬信號(hào)傳遞給變頻器,從而控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)速。

      在本控制過程中,關(guān)鍵的題目是過程參數(shù)PID (P:比例系數(shù)I:積分系數(shù)、D:微分系數(shù))的整定。由于產(chǎn)業(yè)鍋爐運(yùn)行過程中,用汽量的多小和蒸汽壓力的大小,決定了給水流量的大小和給水壓力的大小。為了保證系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行,不出現(xiàn)大的波動(dòng),對(duì)生產(chǎn)造成影響,在調(diào)試過程中,應(yīng)多次反復(fù)調(diào)整PID參數(shù),直至出現(xiàn)最佳控制過程。

     ?。?) 當(dāng)兩臺(tái)鍋爐同進(jìn)運(yùn)行時(shí)

      由于2臺(tái)鍋爐分別由兩套DCS系統(tǒng)控制,在運(yùn)行過程,固然蒸汽并網(wǎng)后壓力相同,但由于燃燒過程中存在不確定性,兩臺(tái)鍋爐汽包各自的液位就必然存在差異。因此,單臺(tái)鍋爐運(yùn)行中所用的恒液位控制方案在此就不再適合。通過給水原理圖(圖1)我們不難發(fā)現(xiàn),要對(duì)2臺(tái)鍋爐汽包的液位分別控制,最理想的方案是將1個(gè)給水母管向2臺(tái)鍋爐給水的現(xiàn)狀徹底改變,將給水系統(tǒng)分開,使每個(gè)鍋爐都有自己獨(dú)立的給水系統(tǒng),再在此基礎(chǔ)上加裝變頻控制,由1臺(tái)變頻器單獨(dú)控制1臺(tái)鍋爐的給水。但此方案不僅改動(dòng)較大,投資較高,且要停產(chǎn)改造,顯然是行不通的。為了能在不改變?cè)邢到y(tǒng)現(xiàn)狀的條件下,更好的利用變頻裝置,節(jié)能降耗,減小系統(tǒng)運(yùn)行,維護(hù)用度,進(jìn)步原有系統(tǒng)的自動(dòng)化程度,我們針對(duì)該企業(yè)2臺(tái)鍋爐的運(yùn)行特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套專用于2臺(tái)(或2臺(tái)以上)鍋爐同時(shí)運(yùn)行時(shí)的控制方案,即:蒸汽壓力和母管給水壓力的恒壓差控制方案。

      當(dāng)2臺(tái)鍋爐同時(shí)運(yùn)行時(shí),由于外供蒸汽并管,故蒸汽壓力相同,又由于2鍋爐由同一母管給水,故給水壓力也相同。但由于蒸汽用量的變化不定和鍋爐燃燒情況的不同,蒸汽壓力是時(shí)刻變化的。這樣,為了能保證給鍋爐汽包供上水,就必須要求給水的壓力始終高于蒸汽壓力,由圖2我們看到,由PLC采集蒸汽壓力和母管給水壓力,通過處理、比較后,得到二者的差值,再將此差值通過PID運(yùn)算處理,輸出4~20mA的模擬信號(hào)給控制信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。再由該裝置將信號(hào)傳輸給變頻器,從而控制變頻器的運(yùn)行速度。這樣固然可以保證給水母管壓力始終高于鍋爐蒸汽壓力(壓力差的大小可以通過PLC在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)),但鍋爐各自汽包的液位卻無法再通過調(diào)節(jié)變頻器的轉(zhuǎn)速往控制。在此,我們充分利用了原有給水控制裝置,即汽包各自的進(jìn)水電動(dòng)閥門。仍由鍋爐原有DCS控制系統(tǒng)采集各自汽包的液位,蒸汽壓力,給水壓力和給水流量等信號(hào),往相應(yīng)的調(diào)整進(jìn)水電動(dòng)閥的開度,從而控制各汽泡液位和進(jìn)水流量。

      此方案由于存在閥門的調(diào)節(jié),所以理論上不能最大限度的節(jié)能降耗,但實(shí)際應(yīng)用中,由于減小了給水母管與蒸汽壓力之間的壓力差,使電動(dòng)閥門的開度由原來的均勻10%左右開大到75%左右,系統(tǒng)回水閥門封閉,仍大大節(jié)約了能源。且本方案充分考慮了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性,一旦變頻器故障,系統(tǒng)可立即自動(dòng)由變頻運(yùn)行狀態(tài)切換至原有工頻運(yùn)行狀態(tài),完全恢復(fù)改造前的運(yùn)行狀態(tài),保證鍋爐正常運(yùn)行。變頻故障解除后,仍可方便的手動(dòng)切換為變頻狀態(tài),使變頻器方便的投進(jìn)運(yùn)行,且不影響鍋爐的運(yùn)行。

    3 PLC控制系統(tǒng)介紹

      羅克韋爾PLC-5是本系統(tǒng)的核心控制器件,它不僅辨識(shí)、處理各種運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)行系統(tǒng)間的邏輯運(yùn)算和聯(lián)鎖保護(hù),還對(duì)輸進(jìn)的多個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行處理、運(yùn)算后,輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)控制變頻器的運(yùn)行速度。主程序結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,其中,對(duì)液位信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算的子程序,原理圖和程序框圖如圖3、圖4所示。

    圖3 PID原理圖

    圖4 程序流程框圖

    4 留意事項(xiàng)

      4.1隔離

      周密完善地考慮器件或設(shè)備的布置及布線,并盡量增大干擾源與受擾電路之間的間隔,將大大降低干擾的傳播,減少系統(tǒng)的故障率。在實(shí)際安裝布線時(shí),應(yīng)按其對(duì)干擾的靈敏度或按其本身功率的大小分門別類的進(jìn)行處理,布置的順序是:低電平模擬信號(hào),一般數(shù)字信號(hào),交流控制裝置,直活動(dòng)力裝置,交活動(dòng)力裝置等。按照這樣的順序布置使其相互隔開,保持一定間隔,在安裝場(chǎng)合受到限制、設(shè)備要求體積小的情況下,還需要增加以下措施。

     ?。?)使所有的信號(hào)線很好地盡緣,使其不可能漏電,這樣,防止由于接觸引進(jìn)的干擾;

     ?。?)將不同種類的信號(hào)線隔離展設(shè)(在不同一電纜槽中,或用隔板隔開),我們可以根據(jù)信號(hào)不同類型將其按抗噪聲干擾的能力分成幾等。

     ?。?)模擬量信號(hào)(模人、摸出,特別是低電平的模人信號(hào)如熱電偶信號(hào),熱電阻信號(hào)等)對(duì)高頻的脈沖信號(hào)的抗干擾能力是很差的。建議用屏蔽雙絞線連接,且這些信號(hào)線必須單獨(dú)占用電線管或電纜槽,不可與其它信號(hào)在同一電纜管(或槽)中走線。

     ?。?)低電平的開關(guān)信號(hào)(一些狀態(tài)干結(jié)點(diǎn)信號(hào)),數(shù)據(jù)通訊線路(RS232、EIA485等),對(duì)低頻的脈沖信號(hào)的抗干擾能力比上種信號(hào)要強(qiáng),但建議最好采用屏蔽雙絞線(至少用雙絞線)連接。此類信號(hào)也要單獨(dú)走線,不可和動(dòng)力線和大負(fù)載信號(hào)線在一起平行走線。

      (5)高電平(或大電流)的開關(guān)量的輸進(jìn)輸出、CATV、電話線,以及其它繼電器輸進(jìn)輸出信號(hào),這類信號(hào)的抗干擾能力又強(qiáng)于以上兩種,但這些信號(hào)會(huì)干擾別的信號(hào),因此建議用雙絞線連接,也單獨(dú)走電纜管或電纜槽。

       4.2屏蔽

      屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽,不讓其電磁干擾泄漏;輸出線最好用鋼管屏蔽,特別是以外部信號(hào)控制變頻器時(shí),要求信號(hào)線盡可能短(一般為20m以內(nèi)),且信號(hào)線采用雙芯屏蔽,并與主電路的輸進(jìn)和輸出線及控制線(AC220V)完全分離,決不能放于同一配管或線槽內(nèi),四周電子敏感設(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效,屏蔽罩必須可靠接地。

      4.3聯(lián)鎖

      鍋爐給水是鍋爐運(yùn)行過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一,其運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性直接關(guān)系到整個(gè)鍋爐系統(tǒng)乃至整個(gè)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定與安全。因此,一旦變頻器出現(xiàn)故障而停車后,系統(tǒng)可自動(dòng)切換至原有工頻控制系統(tǒng)而不影響生產(chǎn),這一聯(lián)鎖措施至關(guān)重要。

    5 結(jié)束語

      經(jīng)過實(shí)際的調(diào)試和運(yùn)行實(shí)踐證實(shí),采用羅克韋爾自動(dòng)化公司產(chǎn)品和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的該系統(tǒng)在國內(nèi)某中型電廠鍋爐給水控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中,取得良好的效果,并獲得用戶的一致好評(píng)。

     ?。?)該系統(tǒng)節(jié)能效果明顯,自投進(jìn)運(yùn)行以來冬夏兩季日均節(jié)電約35%。

     ?。?)該系統(tǒng)大大降低了操縱工人的操縱難度,減少了運(yùn)行故障率,減少了檢驗(yàn)次數(shù)。

      (3)能公道地應(yīng)用設(shè)備,進(jìn)步整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率,進(jìn)步設(shè)備運(yùn)行壽命。


    (審核編輯: 滄海一土)

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