用PLC及觸摸屏實(shí)現(xiàn)群爐聯(lián)控供熱

中小型工業(yè)和民用鍋爐，強(qiáng)烈地受控于國(guó)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(lái)發(fā)展異常迅猛。環(huán)保法規(guī)的實(shí)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(gòu)趨同的情況下，其自控水平已成為衡量鍋爐運(yùn)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(lái)改變?nèi)紵鞯霓D(zhuǎn)火、啟停。實(shí)際外循環(huán)管網(wǎng)的水溫變化并不能實(shí)時(shí)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(gè)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(duì)鍋爐負(fù)荷的影響。

采用單臺(tái)PLC及觸摸屏，用主管網(wǎng)回水溫度作為負(fù)荷調(diào)節(jié)溫度，通過(guò)在北京總參某部四臺(tái)2.8MW燃?xì)忮仩t聯(lián)控兩個(gè)采暖期的實(shí)際運(yùn)行，以及信息產(chǎn)業(yè)部西安某所貳臺(tái)5.6MW燃?xì)忮仩t的試運(yùn)行，這種控制方式非常有效。

二、聯(lián)控基本原理及方案設(shè)計(jì)

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(gè)區(qū)域，便于司爐和管理。在燃油（氣）中小型鍋爐控制領(lǐng)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(dú)立的，即“單爐單柜”。在“單爐單柜”控制系統(tǒng)中，鍋爐的運(yùn)行工況僅由該臺(tái)鍋爐出口參數(shù)的設(shè)定值控制。由于熱水鍋爐采用的是內(nèi)外兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，用鍋爐的出水溫度作為參照來(lái)調(diào)節(jié)外管網(wǎng)負(fù)荷明顯滯后，即當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，外管網(wǎng)的溫度升高或降低某一溫度值時(shí)，內(nèi)循環(huán)需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)響應(yīng)這一變化，造成負(fù)荷的跟隨性差和能源浪費(fèi)。因此，可以用外循環(huán)的回水溫度來(lái)控制內(nèi)循環(huán)負(fù)荷；同時(shí)，還注意到，這類(lèi)系統(tǒng)的內(nèi)循環(huán)是并聯(lián)于內(nèi)循環(huán)母管上的，當(dāng)某臺(tái)或幾臺(tái)鍋爐不用時(shí)，未投入使用的鍋爐相當(dāng)于散熱器。為使各臺(tái)鍋爐投運(yùn)的頻度相近，減少設(shè)備運(yùn)行損耗和燃燒器啟停次數(shù)，對(duì)多臺(tái)鍋爐的聯(lián)控很有必要。
如何將獨(dú)立的鍋爐運(yùn)行模式協(xié)調(diào)起來(lái)，既方便操作運(yùn)行，又能很好地調(diào)整單臺(tái)鍋爐的出力，節(jié)省投資和運(yùn)行管理費(fèi)用，這就是鍋爐聯(lián)控的初步設(shè)想。

2、聯(lián)控功能描述

（1） 每次從冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)要求每臺(tái)鍋爐同時(shí)以最大負(fù)荷開(kāi)始運(yùn)行，使管網(wǎng)快速升溫；

（2） 當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行基本穩(wěn)定后，檢測(cè)回水溫度，若回水溫度達(dá)到設(shè)定回水溫度值，進(jìn)行邏輯判斷，停止先運(yùn)行的那一臺(tái)鍋爐；

（3） 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的穩(wěn)定后，若回水溫度繼續(xù)升高時(shí)，經(jīng)邏輯運(yùn)算再停一臺(tái)，依此，直至使回水溫度穩(wěn)定在某一設(shè)定范圍內(nèi)；

（4） 當(dāng)系統(tǒng)的回水溫度下降到設(shè)定的轉(zhuǎn)火溫度時(shí)，必須馬上增加運(yùn)行鍋爐臺(tái)數(shù)或增大已運(yùn)行鍋爐的負(fù)荷。若此時(shí)多臺(tái)鍋爐已運(yùn)行但還沒(méi)有使每臺(tái)鍋爐達(dá)到最大負(fù)荷，則先啟動(dòng)的那臺(tái)鍋爐應(yīng)先增大負(fù)荷，依此類(lèi)推；

（5） 每次增加一臺(tái)鍋爐運(yùn)行，都要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的平衡，待增加的鍋爐內(nèi)的爐水參與循環(huán)后，才進(jìn)行回水溫度的測(cè)控，根據(jù)回水溫度實(shí)時(shí)情況，決定是否還要增加鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷或臺(tái)數(shù)；

（6） 運(yùn)行原則要求當(dāng)只需要一臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)，盡量只用一臺(tái)，使單臺(tái)鍋爐的設(shè)備利用率達(dá)到或接近100%，減少鍋爐設(shè)備的運(yùn)行損耗；

（7） 每臺(tái)鍋爐的運(yùn)行燃燒狀態(tài)要根據(jù)該臺(tái)鍋爐的出水溫度的高、低，自動(dòng)調(diào)節(jié)該燃燒器的起停；

（8） 在系統(tǒng)的出水管道上裝設(shè)有液體流量開(kāi)關(guān)，只有檢測(cè)到循環(huán)水在流動(dòng)后，才允許該臺(tái)鍋爐系統(tǒng)中的燃燒器起動(dòng)，確保系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行；

（9） 每臺(tái)鍋爐均單獨(dú)設(shè)置有爐水超壓、爐內(nèi)缺水、氣體泄漏、燃?xì)獾蜌鈮?、出水超溫等保護(hù)功能；

（10） 每臺(tái)燃燒器控制起動(dòng)回路，均設(shè)置有短路、超載、缺相等保護(hù)功能，保障燃燒器安全運(yùn)行；

（11） 系統(tǒng)還可對(duì)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(jìn)行測(cè)控，在觸摸屏上分屏設(shè)置顯示相應(yīng)狀態(tài)，采用主、輔菜單調(diào)用方式進(jìn)行屏幕信息切換；

（12） 運(yùn)行原則是，冬夏季節(jié)性使用、主用及增補(bǔ)、分時(shí)段運(yùn)行等功能，由屏上功能開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)選擇；

（13） 每臺(tái)鍋爐主要運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)動(dòng)態(tài)顯示在屏幕的功能狀態(tài)畫(huà)面上；

（14） 每臺(tái)鍋爐均設(shè)置能獨(dú)立手動(dòng)運(yùn)行的功能；

（15） 任何一臺(tái)鍋爐出現(xiàn)故障時(shí)，不影響其它鍋爐聯(lián)控運(yùn)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(shè)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(kuò)展，預(yù)置通信模塊可實(shí)現(xiàn)本機(jī)與上位機(jī)間的通信。選用富士公司的UG320-SC4C真彩觸摸屏作為人機(jī)對(duì)話界面，通過(guò)PLC的RS232串口與觸摸屏通訊。該觸摸屏對(duì)比度強(qiáng)，有各種標(biāo)準(zhǔn)接口，其動(dòng)畫(huà)制作簡(jiǎn)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(hào)，并驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，這類(lèi)信號(hào)進(jìn)出PLC進(jìn)行了強(qiáng)弱電的轉(zhuǎn)換。聯(lián)控設(shè)備主要配置見(jiàn)表1。

三、控制系統(tǒng)實(shí)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(dǎo)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(lái)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(hù)的用熱需求加大，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)負(fù)荷要求自動(dòng)調(diào)定供水溫度。供暖曲線如圖1。

不同的環(huán)境溫度，對(duì)應(yīng)著不同的采暖溫度。通過(guò)觸摸屏選定供暖曲線后，PLC將自動(dòng)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(shè)定溫暖天氣關(guān)閉點(diǎn)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(jī)構(gòu)控制原理設(shè)計(jì)

四臺(tái)鍋爐本體的測(cè)點(diǎn)，如：進(jìn)出口水溫、集汽罐溫度、排煙溫度、管道流動(dòng)開(kāi)關(guān)、爐水壓力變送器、水位探頭等一次儀表測(cè)控點(diǎn)，有的不能直接進(jìn)出PLC或者不能直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，必須經(jīng)過(guò)中間繼電器轉(zhuǎn)換。

3、觸摸屏程序設(shè)計(jì)

觸摸屏是人機(jī)對(duì)話界面，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了八大功能模塊，即手控運(yùn)行方式、聯(lián)控運(yùn)行方式、動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)顯示、事件歷史記錄、常見(jiàn)故障處理、操作說(shuō)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(shè)置漢化的菜單、按鈕、指示燈及功能開(kāi)關(guān)；畫(huà)面之間采用翻屏形式進(jìn)行選擇切換；運(yùn)行界面以動(dòng)畫(huà)形式顯示，圖文并茂（如圖2）；設(shè)有開(kāi)機(jī)密鑰和主要參數(shù)設(shè)置權(quán)限（如圖3），以及緊急求助畫(huà)面，方便了用戶(hù)操作、使用與維護(hù)。

4、PLC軟件設(shè)計(jì)

PLC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)的溫度、壓力和輸入量，經(jīng)邏輯運(yùn)算后，由輸出模塊控制每臺(tái)鍋爐及爐前泵的啟停、負(fù)荷比例開(kāi)大或關(guān)小以及報(bào)警等。程序設(shè)置思想是：先初始化PLC及觸摸屏，檢測(cè)每臺(tái)鍋爐的輸入信號(hào)是否正常，再設(shè)置鍋爐的運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)可修改時(shí)間的定時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)四臺(tái)鍋爐的聯(lián)控。OMRON公司的PLC可同時(shí)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(shè)定任意工作時(shí)間或若干個(gè)時(shí)段，每時(shí)段里可分別設(shè)置鍋爐的起動(dòng)和停止，實(shí)行無(wú)人操作。也可配置網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(lái)控制鍋爐負(fù)荷的方法，采用系統(tǒng)回水溫度控制，出水溫度僅作為該臺(tái)鍋爐的聯(lián)鎖保護(hù)，鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)具有很好的跟隨性；

（2） 采用聯(lián)控方式運(yùn)行，能自動(dòng)分配參與運(yùn)行的單臺(tái)鍋爐的負(fù)荷，鍋爐運(yùn)行的工況變化平穩(wěn)，而且節(jié)省投資和運(yùn)行管理費(fèi)用，減少設(shè)備運(yùn)行損耗；

（3） 在電站鍋爐的配風(fēng)、給料等協(xié)調(diào)控制中，采用滑動(dòng)比例調(diào)節(jié)執(zhí)行器開(kāi)大關(guān)小信號(hào)，有重要的參考價(jià)值。