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用PLC及觸摸屏實現群爐聯控供熱
用PLC及觸摸屏實現群爐聯控供熱
中小型工業和民用鍋爐，強烈地受控于國家能源和環保政策。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，近年來發展異常迅猛。環保法規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、氣熱水鍋爐傳統的控制方式為：用鍋爐循環水出口溫度來改變燃燒器的轉火、啟停。實際外循環管網的水溫變化并不能實時反映內循環（鍋爐本體和熱交換器之間的循環）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境溫度和管網散熱損失對鍋爐負荷的影響。
采用單臺PLC及觸摸屏，用主管網回水溫度作為負荷調節溫度，通過在北京總參某部四臺2.8MW燃氣鍋爐聯控兩個采暖期的實際運行，以及信息產業部西安某所貳臺5.6MW燃氣鍋爐的試運行，這種控制方式非常有效。
二、聯控基本原理及方案設計
1、聯控思想的形成
隨著能源系統的分散化和多樣化，中小型鍋爐及鍋爐房配置日益增多。小區、企事業單位的集中供熱、工業生產等，大都將鍋爐集中在一個區域，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的控制方式。目前，集中在一起的鍋爐，其控制系統都是獨立的，即“單爐單柜"。在“單爐單柜"控制系統中，鍋爐的運行工況僅由該臺鍋爐出口參數的設定值控制。由于熱水鍋爐采用的是內外兩個循環系統，用鍋爐的出水溫度作為參照來調節外管網負荷明顯滯后，即當負載一定時，外管網的溫度升高或降低某一溫度值時，內循環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，可以用外循環的回水溫度來控制內循環負荷；同時，還注意到，這類系統的內循環是并聯于內循環母管上的，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，對多臺鍋爐的聯控很有必要。
如何將獨立的鍋爐運行模式協調起來，既方便操作運行，又能很好地調整單臺鍋爐的出力，節省投資和運行管理費用，這就是鍋爐聯控的初步設想。
2、聯控功能描述
（1） 每次從冷態啟動時要求每臺鍋爐同時以最大負荷開始運行，使管網快速升溫；
（2） 當系統運行基本穩定后，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） 經過一段時間的穩定后，若回水溫度繼續升高時，經邏輯運算再停一臺，依此，直至使回水溫度穩定在某一設定范圍內；
（4） 當系統的回水溫度下降到設定的轉火溫度時，必須馬上增加運行鍋爐臺數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，都要經過一段時間的平衡，待增加的鍋爐內的爐水參與循環后，才進行回水溫度的測控，根據回水溫度實時情況，決定是否還要增加鍋爐的運行負荷或臺數；
（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要根據該臺鍋爐的出水溫度的高、低，自動調節該燃燒器的起停；
（8） 在系統的出水管道上裝設有液體流量開關，只有檢測到循環水在流動后，才允許該臺鍋爐系統中的燃燒器起動，確保系統安全、可靠運行；
（9） 每臺鍋爐均單獨設置有爐水超壓、爐內缺水、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） 系統還可對外循環回路的溫度、環境溫度、衛生熱水系統溫度及管網壓力進行測控，在觸摸屏上分屏設置顯示相應狀態，采用主、輔菜單調用方式進行屏幕信息切換；
（12） 運行原則是，冬夏季節性使用、主用及增補、分時段運行等功能，由屏上功能開關實現選擇；
（13） 每臺鍋爐主要運行狀態及參數動態顯示在屏幕的功能狀態畫面上；
（14） 每臺鍋爐均設置能獨立手動運行的功能；
（15） 任何一臺鍋爐出現故障時，不影響其它鍋爐聯控運行。
3、控制系統選型
PLC和觸模屏是目前中小型工業及民用鍋爐較多使用的控制設備。本系統選用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、缺水等數字量信號，并驅動現場執行機構動作，這類信號進出PLC進行了強弱電的轉換。聯控設備主要配置見表1。
三、控制系統實施
1、節能算法
在供暖系統中，鍋爐、建筑物和供暖管道的熱損失是導致鍋爐系統熱效率降低的主要因素，鍋爐系統溫度越高，熱損失越大。為最大限度地降低鍋爐系統的熱損耗，采用室外溫度來控制循環水溫度的算法。隨著室外溫度變冷，管道散熱量增加，用戶的用熱需求加大，系統應根據負荷要求自動調定供水溫度。供暖曲線如圖1。
不同的環境溫度，對應著不同的采暖溫度。通過觸摸屏選定供暖曲線后，PLC將自動調整外循環的回水溫度。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或者不能直接驅動執行機構，必須經過中間繼電器轉換。
3、觸摸屏程序設計
觸摸屏是人機對話界面，本系統設計了八大功能模塊，即手控運行方式、聯控運行方式、動態測點顯示、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實時監測各測點的溫度、壓力和輸入量，經邏輯運算后，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，通過可修改時間的定時器TIM0和上升沿觸發指令DIFU（13）、功能指令等等，依回水溫度、采暖曲線來實現對四臺鍋爐的聯控。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
根據需要，系統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。也可配置網絡通訊模塊，通過互聯網實現遠程通訊和異地監控。
四、結論
（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，采用系統回水溫度控制，出水溫度僅作為該臺鍋爐的聯鎖保護，鍋爐負荷調節具有很好的跟隨性；
（2） 采用聯控方式運行，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，而且節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、給料等協調控制中，采用滑動比例調節執行器開大關小信號，有重要的參考價值。