鍋爐燃燒的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計研究

鍋爐燃燒的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計研究

Summary：繼電器控制鍋爐利用工人手工實現(xiàn)操作，所以當鍋爐運轉的時候就需要工作人員全天候的鍋爐實時現(xiàn)場運轉狀況監(jiān)測，與此同時還需要設備操作人員熟練鍋爐的運行操作過程，操作人員還需熟練掌握設備各個運行環(huán)節(jié)之間的影響過程。本文設計的對象主要采用PLC控制系統(tǒng)進行鍋爐水位、溫度及燃燒的數(shù)據(jù)采集和控制，并實現(xiàn)安全保護及其報警，使用WINCC組態(tài)軟件對鍋爐進行遠程實時監(jiān)控，同時將數(shù)據(jù)存儲，形成表格和曲線圖。該系統(tǒng)實現(xiàn)了全天候實時自動控制，具有數(shù)據(jù)采集準確、界面簡潔、操作簡單，控制精準，安全可靠等優(yōu)點，并且有利于提高生產(chǎn)管理水平降低用戶的工作強度，節(jié)省系統(tǒng)維護和管理成本，提高企業(yè)核心競爭力。Keys：鍋爐；WINCC；PLC；遠程監(jiān)控主要利用PLC和WINCC完成對鍋爐生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控，利用計算機進行控制，結合管理系統(tǒng)，使用工業(yè)組態(tài)軟件完成控制界面的設計和控制，整個或稱完全由計算機進行集散式管理控制，工作人員在遠程控制室就可以掌握現(xiàn)場狀況進行相應操作，計算機內部設有專家系統(tǒng)程序，也可以根據(jù)經(jīng)驗設置，自動完成控制任務，不僅可以節(jié)省人力，還可以控制準確性和準確性。此外，由于系統(tǒng)的模塊化設計，所以更加適合移植到其他系統(tǒng)，只需要更改少量的硬件和軟件就可以工作，而且系統(tǒng)根據(jù)不同的鍋爐型號，設置了不同的指標，可以靈活調整控制參數(shù)，簡化硬件設置，減少開發(fā)周期，擴大了應用范圍，具有較強的推廣意義。1系統(tǒng)的總體設計整個監(jiān)控系統(tǒng)由計算機網(wǎng)絡進行系統(tǒng)構架的設計，在網(wǎng)絡中設計了三種連接節(jié)點，每種節(jié)點分別對應著控制現(xiàn)場中多使用的傳感器的連接I／0、使用人員或者監(jiān)管人員的控制站以及工程師站。1.1現(xiàn)場控制站現(xiàn)場I／0控制站是完成控制現(xiàn)場中傳感器的連接I／0，實現(xiàn)現(xiàn)場控制量數(shù)字化轉換的網(wǎng)絡節(jié)點主要功能有如下幾個：(1)將鍋爐控制中產(chǎn)生的模擬物理量，如流量，壓力，液位，溫度等數(shù)據(jù)進行數(shù)字化，然后存入存儲器并實時更新，存儲的數(shù)據(jù)應該與鍋爐采集參數(shù)相對應，最終形成的數(shù)字量傳輸?shù)骄W(wǎng)絡中。(2)各個站點將采集到的各個壓力以及液位等的數(shù)據(jù)進行技術傳送，做到實時監(jiān)控，同時將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡方式傳輸?shù)焦こ陶军c以及操作人員的操作站點處、其他的控制現(xiàn)場以及工程師站，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的全范圍內監(jiān)控，此時當前現(xiàn)場I／0站也可以接收來自操作員站和工程師站的命令，完成對現(xiàn)場的手動控制及當前站點的不同數(shù)據(jù)參數(shù)的設定。(3)在對鍋爐自動運行狀態(tài)的控制過程中，通過采用的新技術形成封閉式的環(huán)路控制以及計算機數(shù)據(jù)采集、實現(xiàn)順序方式控制的過程。操作現(xiàn)場的控制站點在整個的控制系統(tǒng)中形成獨立的個體，同事又和其他系統(tǒng)進行網(wǎng)絡連接，在其他部分失效的情況下，他可以對現(xiàn)場情況進行基本的監(jiān)控操作，提高系統(tǒng)的可靠性。1.2操作員站系統(tǒng)的操作員站其實就是數(shù)據(jù)和人進行交互的一個人機界面節(jié)點，主要功能在這個界面上完成監(jiān)控系統(tǒng)的設置、系統(tǒng)運行過程的設置以及系統(tǒng)控制過程的設置。系統(tǒng)操作員在操作站可以了解到的信息主要有：系統(tǒng)的整體運行狀況、系統(tǒng)各個傳感器測得的數(shù)據(jù)以及相關的值是否在規(guī)定范圍內、系統(tǒng)運行過程中是否出現(xiàn)緊急狀況等，這個界面實現(xiàn)調節(jié)和控制工藝過程，可以保證整個鍋爐的生產(chǎn)安全、可靠的進行。1.3工程師站這一部分主要是技術人員對系統(tǒng)組態(tài)軟件進行設計、更改和維護。專業(yè)人員將編制好的組態(tài)軟件生成的數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡就可以遠程下載到所需要修改的站點，完成用戶的需求。工程師站可以提供各個站點所需要的數(shù)據(jù)，根據(jù)客戶要求設計控制策略和邏輯，將數(shù)據(jù)進行存儲后，形成歷史曲線，可長期跟蹤整個系統(tǒng)的運行狀況，工程師站的主要功能還可以利用DCS實現(xiàn)在線的監(jiān)視各個網(wǎng)絡節(jié)點的運行狀態(tài)，通過配置模塊和軟件，系統(tǒng)工程師可對現(xiàn)場的參數(shù)進行調節(jié)和設定，使得DCS系統(tǒng)在最佳的狀態(tài)下進行工作。2系統(tǒng)下位機的硬件設計PLC控制著系統(tǒng)的工作流程。第一是利用三相電機磁力泵將固定水箱的水注入到鍋爐內膽；第二啟動煤氣閥和打開鼓風機，條件是水位傳感器的水位數(shù)據(jù)到達設定值；第三采用電子打火的方式啟動加熱裝置，對鍋爐進行加熱。當溫度發(fā)生變化時自動調節(jié)燃燒狀態(tài)，同時需要監(jiān)控爐內溫度、蒸汽壓力、煤氣罐壓力、煤氣和空氣的進氣量、注水的流量、控制蒸汽排放閥和煤氣排放閥，利用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測燃燒狀態(tài)。2.1鍋爐汽包水位的控制在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中，汽包水位主要根據(jù)給水流量的控制決定的。于是影響到汽包水位的因素可以歸類為四個方面：其一，供水過程的相關因素干擾。主要涉及供水壓力的變化方式以及控制閥的開合狀況等系列因素。其二，鍋爐蒸汽供應的變化。這一影響因素主要涉及到蒸汽管道的阻力變化以及鍋爐設備的負荷變化過程。其三，鍋爐燃料供應的變化。這一影響因素主要涉及到燃料供應量的變化以及燃料本身的性質、燃料供應的壓力變化以及燃料自身的含水量等。其四，鍋爐內部壓力的變化，這一影響因素主要根據(jù)汽包內部蒸汽以及蒸汽系統(tǒng)自身在高壓下的“自冷凝”和在減壓下的“自蒸發(fā)”影響水位。2.2溫度及其燃燒控制系統(tǒng)鍋爐控制系統(tǒng)自身的控制目標以及控制任務是實現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制。該系統(tǒng)的控制過程中主要將鍋爐內的溫度控制以及燃燒過程經(jīng)濟運行控制、鍋爐爐膛負壓穩(wěn)定作為主要控制對象，被控變量包括、水溫、燃料和空氣的比值、爐膛負壓。在對鍋爐的燃燒系統(tǒng)進行控制的過程中主要將溫度的控制以及安全穩(wěn)定運行，同時還有運行的經(jīng)濟效益作為系統(tǒng)控制的主要任務，從而節(jié)約成本，節(jié)省勞動力。從控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行角度進行分析，需要進一步添加負壓回火以及背壓過高的脫火防范措施。2.3安全保護及其報警2.3.1鍋爐燃燒室的安全聯(lián)鎖控制保護為了確保鍋爐內部的火焰不外噴以及爐內煙塵不外泄，需要采用一定的爐內負壓控制系統(tǒng)進行控制，當鍋爐內的壓力呈現(xiàn)過低以及過高，同時還有噴嘴堵塞的狀況時就會造成一定的安全事故，所以需要設置相關的安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)以及爐膛負壓控制系統(tǒng)。2.3.2主要保護及其報警鍋爐內蒸汽壓力過大以及溫度過高都會導致鍋爐爆炸產(chǎn)生一系列的安全事故，因此，系統(tǒng)設計中加入了爐內溫度過高幾蒸汽壓力過大的報警系統(tǒng)，同時為了節(jié)約能源，當爐溫出現(xiàn)溫度過高以及爐內蒸汽壓力過大的狀況時就需要及時做出預警措施，通過閥門的閉合減少爐內燃料的供應，同時進行爐內水量的補充和爐內蒸汽的快速排放，避免一系列危險的發(fā)生。此外，需要考慮的因素還有鍋爐內部水位的動態(tài)平衡，因此將鍋爐水位閾值報警加入到設計中。鍋爐內部安全運行的一個重要的指標就是水位的變化，如果水位過高，飽和蒸汽中的水含量將增加，蒸汽和水的分離將導致過熱器管壁結垢，并且管壁的傳熱效率將降低。相反，水位過低就容易形成氣包水量過少，假如負荷變化激烈，水的汽化速度非?？?，如果全部汽化就使水冷壁被損壞，更甚者會發(fā)生爆炸的危險，從而損壞鍋爐設備。因此需要加以控制，關閉燃料閥，停止燃燒加熱，使用外置抽水泵進行爐內水量的增加，只有當鍋爐內的水量達到一定的標準后才重新進行燃燒系統(tǒng)的運行，為了防止爐內水位過高需要專門設置鍋爐的溢水口位置，同時進行外置水泵進水量的調節(jié)。2.4硬件系統(tǒng)具體實施設計的系統(tǒng)硬件部分主要是下位機采用PLC進行數(shù)據(jù)的采集、控制和傳輸，通過水位傳感器的工作實現(xiàn)鍋爐內水位高低的測定；分別安裝兩個氣壓傳感器，其中一個用于檢測鍋爐煤氣罐的氣壓，另一個用于檢測鍋爐內的蒸汽壓力；兩個壓力傳感器，一個用于檢測進氣量，一個用于檢測進氣量；用于檢測流人流量的兩個電動閥，一個用于控制蒸汽排出速度，一個用于控制氣體排出速度，一個用于檢測鍋爐內的溫度；一個檢測燃燒狀況的火焰?zhèn)鞲衅?。整個鍋爐的工作過程需要通過三相異步磁力水泵實現(xiàn)水箱內的水順利流向鍋爐內部，當鍋爐內的水位傳感器檢測到鍋爐內的水位達到一定的標準后，打開煤氣閥，啟動鼓風機，爐膛內電子打火，啟動加熱裝置進行加熱，同時溫度傳感器隨時檢測爐內溫度值，由一個火焰?zhèn)鞲衅鳈z測燃燒狀態(tài)，調節(jié)燃燒狀況，控制溫度值，當水位過低時要啟動閥門開始注水，壓力和溫度過高時打開閥門排放蒸汽。系統(tǒng)的現(xiàn)場工作站采用了西門子公司的S7—300PLC，它可以進行實時的數(shù)據(jù)采集，加入各種模塊后可進行模擬量的輸入輸出、開關量的輸入輸出，主要用來采集鍋爐的現(xiàn)場參數(shù)值、數(shù)據(jù)的傳輸以及現(xiàn)場的控制，既有傳感器的數(shù)據(jù)輸入，同時還有傳感器的數(shù)據(jù)輸出，這樣才能實現(xiàn)信號的回路控制以及批量順序控制或邏輯控制。3結論基于PLC的鍋爐遠程監(jiān)控系統(tǒng)利用PLC和WINCC組態(tài)軟件實現(xiàn)遠距離智能實時監(jiān)控鍋爐的主要工作環(huán)節(jié)的運行參數(shù)及主要設備的狀態(tài)，技術人員不需要實時在現(xiàn)場操作，在控制室內通過組態(tài)軟件設計的簡潔圖形界面就可清晰準確的掌握各個鍋爐的狀態(tài)，還可以將歷史數(shù)據(jù)提取，讀取數(shù)據(jù)，繪制曲線，更加直觀的對系統(tǒng)的運行監(jiān)控，便于控制現(xiàn)場參數(shù)，從而準確高效的指揮生產(chǎn)。整個設計系統(tǒng)具有靈活的在線組態(tài)功能，良好的擴充性，具有多個報警保護設計，緊急情況時能實現(xiàn)自動保護，防止生產(chǎn)事故的產(chǎn)生，起到了良好的保護作用同時系統(tǒng)還可以進行遠程升級，實現(xiàn)實時更新的功能。系統(tǒng)根據(jù)鍋爐的型號和用途不同，以及各個鍋爐