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用PLC及觸摸屏實現(xiàn)群爐聯(lián)控供熱
用PLC及觸摸屏實現(xiàn)群爐聯(lián)控供熱
中小型工業(yè)和民用鍋爐，強烈地受控于國家能源和環(huán)保政策。多極化的用熱格局，尤其是分散式的中小鍋爐，改用一次能源中的清潔原料，即油、天然氣，近年來發(fā)展異常迅猛。環(huán)保法規(guī)的實施加速了清潔能源的使用，以油、氣為燃料的中小型鍋爐，在本體結(jié)構趨同的情況下，其自控水平已成為衡量鍋爐運行好壞的重要法碼。
中小型燃油、氣熱水鍋爐傳統(tǒng)的控制方式為：用鍋爐循環(huán)水出口溫度來改變?nèi)紵鞯霓D(zhuǎn)火、啟停。實際外循環(huán)管網(wǎng)的水溫變化并不能實時反映內(nèi)循環(huán)（鍋爐本體和熱交換器之間的循環(huán)）水溫度變化情況，而是有一個非常大的換熱延遲。這種間接控制還未考慮環(huán)境溫度和管網(wǎng)散熱損失對鍋爐負荷的影響。
采用單臺PLC及觸摸屏，用主管網(wǎng)回水溫度作為負荷調(diào)節(jié)溫度，通過在北京總參某部四臺2.8MW燃氣鍋爐聯(lián)控兩個采暖期的實際運行，以及信息產(chǎn)業(yè)部西安某所貳臺5.6MW燃氣鍋爐的試運行，這種控制方式非常有效。
二、聯(lián)控基本原理及方案設計
1、聯(lián)控思想的形成
隨著能源系統(tǒng)的分散化和多樣化，中小型鍋爐及鍋爐房配置日益增多。小區(qū)、企事業(yè)單位的集中供熱、工業(yè)生產(chǎn)等，大都將鍋爐集中在一個區(qū)域，便于司爐和管理。在燃油（氣）中小型鍋爐控制領域，熱水型鍋爐較多用傳統(tǒng)的控制方式。目前，集中在一起的鍋爐，其控制系統(tǒng)都是獨立的，即“單爐單柜"。在“單爐單柜"控制系統(tǒng)中，鍋爐的運行工況僅由該臺鍋爐出口參數(shù)的設定值控制。由于熱水鍋爐采用的是內(nèi)外兩個循環(huán)系統(tǒng)，用鍋爐的出水溫度作為參照來調(diào)節(jié)外管網(wǎng)負荷明顯滯后，即當負載一定時，外管網(wǎng)的溫度升高或降低某一溫度值時，內(nèi)循環(huán)需要較長的時間來響應這一變化，造成負荷的跟隨性差和能源浪費。因此，可以用外循環(huán)的回水溫度來控制內(nèi)循環(huán)負荷；同時，還注意到，這類系統(tǒng)的內(nèi)循環(huán)是并聯(lián)于內(nèi)循環(huán)母管上的，當某臺或幾臺鍋爐不用時，未投入使用的鍋爐相當于散熱器。為使各臺鍋爐投運的頻度相近，減少設備運行損耗和燃燒器啟停次數(shù)，對多臺鍋爐的聯(lián)控很有必要。
如何將獨立的鍋爐運行模式協(xié)調(diào)起來，既方便操作運行，又能很好地調(diào)整單臺鍋爐的出力，節(jié)省投資和運行管理費用，這就是鍋爐聯(lián)控的初步設想。
2、聯(lián)控功能描述
（1） 每次從冷態(tài)啟動時要求每臺鍋爐同時以最大負荷開始運行，使管網(wǎng)快速升溫；
（2） 當系統(tǒng)運行基本穩(wěn)定后，檢測回水溫度，若回水溫度達到設定回水溫度值，進行邏輯判斷，停止先運行的那一臺鍋爐；
（3） 經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定后，若回水溫度繼續(xù)升高時，經(jīng)邏輯運算再停一臺，依此，直至使回水溫度穩(wěn)定在某一設定范圍內(nèi)；
（4） 當系統(tǒng)的回水溫度下降到設定的轉(zhuǎn)火溫度時，必須馬上增加運行鍋爐臺數(shù)或增大已運行鍋爐的負荷。若此時多臺鍋爐已運行但還沒有使每臺鍋爐達到最大負荷，則先啟動的那臺鍋爐應先增大負荷，依此類推；
（5） 每次增加一臺鍋爐運行，都要經(jīng)過一段時間的平衡，待增加的鍋爐內(nèi)的爐水參與循環(huán)后，才進行回水溫度的測控，根據(jù)回水溫度實時情況，決定是否還要增加鍋爐的運行負荷或臺數(shù)；
（6） 運行原則要求當只需要一臺鍋爐運行時，盡量只用一臺，使單臺鍋爐的設備利用率達到或接近100%，減少鍋爐設備的運行損耗；
（7） 每臺鍋爐的運行燃燒狀態(tài)要根據(jù)該臺鍋爐的出水溫度的高、低，自動調(diào)節(jié)該燃燒器的起停；
（8） 在系統(tǒng)的出水管道上裝設有液體流量開關，只有檢測到循環(huán)水在流動后，才允許該臺鍋爐系統(tǒng)中的燃燒器起動，確保系統(tǒng)安全、可靠運行；
（9） 每臺鍋爐均單獨設置有爐水超壓、爐內(nèi)缺水、氣體泄漏、燃氣低氣壓、出水超溫等保護功能；
（10） 每臺燃燒器控制起動回路，均設置有短路、超載、缺相等保護功能，保障燃燒器安全運行；
（11） 系統(tǒng)還可對外循環(huán)回路的溫度、環(huán)境溫度、衛(wèi)生熱水系統(tǒng)溫度及管網(wǎng)壓力進行測控，在觸摸屏上分屏設置顯示相應狀態(tài)，采用主、輔菜單調(diào)用方式進行屏幕信息切換；
（12） 運行原則是，冬夏季節(jié)性使用、主用及增補、分時段運行等功能，由屏上功能開關實現(xiàn)選擇；
（13） 每臺鍋爐主要運行狀態(tài)及參數(shù)動態(tài)顯示在屏幕的功能狀態(tài)畫面上；
（14） 每臺鍋爐均設置能獨立手動運行的功能；
（15） 任何一臺鍋爐出現(xiàn)故障時，不影響其它鍋爐聯(lián)控運行。
3、控制系統(tǒng)選型
PLC和觸模屏是目前中小型工業(yè)及民用鍋爐較多使用的控制設備。本系統(tǒng)選用OMRON公司CQM1H系列小型PLC控制器，它采用積木式拼裝，易于擴展，預置通信模塊可實現(xiàn)本機與上位機間的通信。選用富士公司的UG320-SC4C真彩觸摸屏作為人機對話界面，通過PLC的RS232串口與觸摸屏通訊。該觸摸屏對比度強，有各種標準接口，其動畫制作簡單，采樣形式多樣。為了采集故障、漏氣、低氣壓、缺水等數(shù)字量信號，并驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構動作，這類信號進出PLC進行了強弱電的轉(zhuǎn)換。聯(lián)控設備主要配置見表1。
三、控制系統(tǒng)實施
1、節(jié)能算法
在供暖系統(tǒng)中，鍋爐、建筑物和供暖管道的熱損失是導致鍋爐系統(tǒng)熱效率降低的主要因素，鍋爐系統(tǒng)溫度越高，熱損失越大。為最大限度地降低鍋爐系統(tǒng)的熱損耗，采用室外溫度來控制循環(huán)水溫度的算法。隨著室外溫度變冷，管道散熱量增加，用戶的用熱需求加大，系統(tǒng)應根據(jù)負荷要求自動調(diào)定供水溫度。供暖曲線如圖1。
不同的環(huán)境溫度，對應著不同的采暖溫度。通過觸摸屏選定供暖曲線后，PLC將自動調(diào)整外循環(huán)的回水溫度。例如：選用2.0曲線，室外溫度每降低1度，供水溫度要提高2.0度。如果設定溫暖天氣關閉點為22℃，而且室外溫度為-1℃，則供水溫度為68℃。
2、輸入輸出及外圍執(zhí)行機構控制原理設計
四臺鍋爐本體的測點，如：進出口水溫、集汽罐溫度、排煙溫度、管道流動開關、爐水壓力變送器、水位探頭等一次儀表測控點，有的不能直接進出PLC或者不能直接驅(qū)動執(zhí)行機構，必須經(jīng)過中間繼電器轉(zhuǎn)換。
3、觸摸屏程序設計
觸摸屏是人機對話界面，本系統(tǒng)設計了八大功能模塊，即手控運行方式、聯(lián)控運行方式、動態(tài)測點顯示、事件歷史記錄、常見故障處理、操作說明、口令修改、使用與幫助。采用FUJI高分辨率的彩色液晶觸摸屏，屏上設置漢化的菜單、按鈕、指示燈及功能開關；畫面之間采用翻屏形式進行選擇切換；運行界面以動畫形式顯示，圖文并茂（如圖2）；設有開機密鑰和主要參數(shù)設置權限（如圖3），以及緊急求助畫面，方便了用戶操作、使用與維護。
4、PLC軟件設計
PLC實時監(jiān)測各測點的溫度、壓力和輸入量，經(jīng)邏輯運算后，由輸出模塊控制每臺鍋爐及爐前泵的啟停、負荷比例開大或關小以及報警等。程序設置思想是：先初始化PLC及觸摸屏，檢測每臺鍋爐的輸入信號是否正常，再設置鍋爐的運行參數(shù)，通過可修改時間的定時器TIM0和上升沿觸發(fā)指令DIFU（13）、功能指令等等，依回水溫度、采暖曲線來實現(xiàn)對四臺鍋爐的聯(lián)控。OMRON公司的PLC可同時支持梯形圖和助記符編程。采用助記符編程的部分程序如圖4所示。
圖4 PLC輸入輸出原理圖
根據(jù)需要，系統(tǒng)可設定任意工作時間或若干個時段，每時段里可分別設置鍋爐的起動和停止，實行無人操作。也可配置網(wǎng)絡通訊模塊，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程通訊和異地監(jiān)控。
四、結(jié)論
（1） 改變了熱水鍋爐控制中以鍋爐出水溫度來控制鍋爐負荷的方法，采用系統(tǒng)回水溫度控制，出水溫度僅作為該臺鍋爐的聯(lián)鎖保護，鍋爐負荷調(diào)節(jié)具有很好的跟隨性；
（2） 采用聯(lián)控方式運行，能自動分配參與運行的單臺鍋爐的負荷，鍋爐運行的工況變化平穩(wěn)，而且節(jié)省投資和運行管理費用，減少設備運行損耗；
（3） 在電站鍋爐的配風、給料等協(xié)調(diào)控制中，采用滑動比例調(diào)節(jié)執(zhí)行器開大關小信號，有重要的參考價值。