1 引言

　　目前國內大多數鍋爐汽包水位都采用串級三沖量調節系統控制。鍋爐燃料是煉鐵過程中產生的尾氣，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，串級三沖量調節系統不能保證汽包水位在規定的范圍內，只能采用手動方式，通過電動執行機構，調節管道閥門的開度來改變給水流量，以維持汽包水位在規定的范圍內。這種方式不僅調節不便，而且浪費大量電能。產業蒸汽鍋爐的過程控制系統包括汽包水位控制系統和燃燒過程控制系統，兩系統在鍋爐運行過程中互相耦合，需要較高的控制水平才能達到有效運行。

　　結合國內某中型電廠的2臺30T燃煤蒸汽鍋爐，這2臺鍋爐通過1個給水母管分別給各自汽包供水，用汽量小的季節，2臺鍋爐只運行1臺，當用汽量較大時，則必須2臺鍋爐同時運行。由于給水泵額定功率為37kw，一般情況下，1臺鍋爐運行時，只開1臺給水泵余量仍較大，而2臺鍋爐同時運行且用汽量較大時，只開1臺給水泵無法滿足需要，而開2臺給水泵后，相對單臺鍋爐運行時，余量更大。由于2臺鍋爐分別由2套DCS系統控制各自的電動閥門調節各自汽包的給水量，運行中，閥門開度較小造成給水母管壓力較大，不僅浪費了大量的電能，較高的水壓還可能對管道、水泵葉輪和閥門造成損害。如圖1所示。

圖1 給水原理圖

2 系統分析及設計

　　變頻技術以其在節能與恒壓方面的優越性能可以解決水壓控制系統存在的以上題目。考慮選用單片機或PLC與變頻器結合為核心構成的系統都能達到較好的控制效果。但在軟件設計上，PLC比單片機的編程更簡潔、直觀；從硬件接口考慮，單片機電路稍微復雜一些；從經濟方面考慮，由于PLC工藝的日漸成熟，要根據現場情況調整系統參數，PLC的軟件中時間參數的調整更簡單，這樣更有利于售后服務職員把握。基于系統運行現狀，本著既能節能降耗，又能控制簡便、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調節器與WSP300壓力變送器，控制效果非常好，軟件設計簡單，硬件接口簡易可行、可靠性高，整個系統的性價比非常高。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，同時增加了變頻器、可編程序控制器（PLC）和控制信號轉換裝置。

　　2.1硬件控制系統

　　（1） 羅克韋爾PLC-5型PLC

　　我們選擇的PLC-5/40E CPU，內存容量大，數據處理能力強，網絡功能強大，帶有以太網網口，不需要額外以太網通訊模塊。

　　PLC-5/40E CPU使用鑰匙開關改變處理器操縱模式：

　　RUN（運行）運行模式下，用戶不能創建或刪除程序文件，創建或刪除數據文件，或編程軟件改變操縱模式。

　　PROG（編程）編程模式時，用軟件編程不能改變操縱模式

　　REM（遠程）編程軟件，遠程編程、遠程測試、遠程運行模式之間改變。

　　RSLogix 5編程軟件具有可靠通訊能力、強大編程功能和卓越診斷能力和監控能力，以及運行控制功能：

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

　　利用RSLogix 5梯形邏輯編程軟件，可以優化系統性能，節省項目開發時間，進步生產率。上位機監控軟件RSView32是羅克韋爾自動化公司推出組態軟件平臺，它使用方便，可以構造靈活界面和強大功能，用RSView32組態軟件能開發出較強組合畫面：

　　快速靈活畫面切換
　　靈活有效報警方式
　　強大功能和簡單直觀操縱方式
　　靈活實用設置功能
　　實用治理功能

　　因此，利用上位機監控軟件RSView32，坐中心控制室，就可以監控現一切機械化設備，對現場生產情況一目了然。

　　（2） 西門子MM430變頻器

　　MM430變頻器是西門子公司最新研制生產的一種適用于各種變速驅動應用場合的高性能變頻器（調試簡單、配置靈活），它具有最新的IGBT技術和高質量控制系統，完善的保護功能和較強的過載能力以及較寬的工作環境溫度，安裝接線方便，兩路可編程的隔離數字輸進、輸出接口以及模擬輸進、輸出接口等優點，使其配置靈活多樣，控制簡單方便。

2.2運行分析

　　（1） 當1臺鍋爐運行時

　　由于只開1臺給水泵，就足夠鍋爐汽包所需用水量，故此時，系統只對運行鍋爐的汽包水位進行恒液位控制即可。將切換開關置于相應位置，通過鍋爐原有DCS控制系統中的手動操縱器將控制該鍋爐汽包進水量的電動閥完全打開后，再通過控制信號轉換裝置切斷該控制信號，使原有控制回路斷開，電動閥保持全開狀態，同時，將該鍋爐汽包液位信號切進PLC，讓PLC將該鍋爐汽包液位信號進行PID運算處理后，再由控制信號轉換裝置，將PLC輸出的4～20mA模擬信號傳遞給變頻器，從而控制變頻器的輸出轉速。

　　在本控制過程中，關鍵的題目是過程參數PID （P:比例系數I:積分系數、D:微分系數）的整定。由于產業鍋爐運行過程中，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。為了保證系統的相對穩定運行，不出現大的波動，對生產造成影響，在調試過程中，應多次反復調整PID參數，直至出現最佳控制過程。

　　（2） 當兩臺鍋爐同進運行時

　　由于2臺鍋爐分別由兩套DCS系統控制，在運行過程，固然蒸汽并網后壓力相同，但由于燃燒過程中存在不確定性，兩臺鍋爐汽包各自的液位就必然存在差異。因此，單臺鍋爐運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）我們不難發現，要對2臺鍋爐汽包的液位分別控制，最理想的方案是將1個給水母管向2臺鍋爐給水的現狀徹底改變，將給水系統分開，使每個鍋爐都有自己獨立的給水系統，再在此基礎上加裝變頻控制，由1臺變頻器單獨控制1臺鍋爐的給水。但此方案不僅改動較大，投資較高，且要停產改造，顯然是行不通的。為了能在不改變原有系統現狀的條件下，更好的利用變頻裝置，節能降耗，減小系統運行，維護用度，進步原有系統的自動化程度，我們針對該企業2臺鍋爐的運行特點，設計了一套專用于2臺（或2臺以上）鍋爐同時運行時的控制方案，即:蒸汽壓力和母管給水壓力的恒壓差控制方案。

　　當2臺鍋爐同時運行時，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運算處理，輸出4～20mA的模擬信號給控制信號轉換裝置。再由該裝置將信號傳輸給變頻器，從而控制變頻器的運行速度。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在一定范圍內任意調節），但鍋爐各自汽包的液位卻無法再通過調節變頻器的轉速往控制。在此，我們充分利用了原有給水控制裝置，即汽包各自的進水電動閥門。仍由鍋爐原有DCS控制系統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，往相應的調整進水電動閥的開度，從而控制各汽泡液位和進水流量。

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

3 PLC控制系統介紹

　　羅克韋爾PLC-5是本系統的核心控制器件，它不僅辨識、處理各種運行狀態，進行系統間的邏輯運算和聯鎖保護，還對輸進的多個模擬信號進行處理、運算后，輸出標準的模擬信號控制變頻器的運行速度。主程序結構較復雜，其中，對液位信號進行PID運算的子程序，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

　　4.1隔離

　　周密完善地考慮器件或設備的布置及布線，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，減少系統的故障率。在實際安裝布線時，應按其對干擾的靈敏度或按其本身功率的大小分門別類的進行處理，布置的順序是：低電平模擬信號，一般數字信號，交流控制裝置，直活動力裝置，交活動力裝置等。按照這樣的順序布置使其相互隔開，保持一定間隔，在安裝場合受到限制、設備要求體積小的情況下，還需要增加以下措施。

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

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

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

　　（4）低電平的開關信號（一些狀態干結點信號），數據通訊線路（RS232、EIA485等），對低頻的脈沖信號的抗干擾能力比上種信號要強，但建議最好采用屏蔽雙絞線（至少用雙絞線）連接。此類信號也要單獨走線，不可和動力線和大負載信號線在一起平行走線。

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

　　 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，特別是以外部信號控制變頻器時，要求信號線盡可能短（一般為20m以內），且信號線采用雙芯屏蔽，并與主電路的輸進和輸出線及控制線（AC220V）完全分離，決不能放于同一配管或線槽內，四周電子敏感設備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。

　　4.3聯鎖

　　鍋爐給水是鍋爐運行過程中至關重要的環節之一，其運行的穩定性與可靠性直接關系到整個鍋爐系統乃至整個企業生產運行的穩定與安全。因此，一旦變頻器出現故障而停車后，系統可自動切換至原有工頻控制系統而不影響生產，這一聯鎖措施至關重要。

5 結束語

　　經過實際的調試和運行實踐證實，采用羅克韋爾自動化公司產品和技術實現的該系統在國內某中型電廠鍋爐給水控制系統的實際運行中，取得良好的效果，并獲得用戶的一致好評。

　　（1）該系統節能效果明顯，自投進運行以來冬夏兩季日均節電約35％。

　　（2）該系統大大降低了操縱工人的操縱難度，減少了運行故障率，減少了檢驗次數。

　　（3）能公道地應用設備，進步整個系統的運行效率，進步設備運行壽命。