CN111503616A - 基于plc和组态软件的沸腾锅炉监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统，采用PLC作为硬件平台，运用梯形图实现PID控制，选择一种组态软件来完成人机界面的设计，实现基于PLC和组态软件配置的沸腾锅炉监控系统设计，试运行表明，该系统能满足设计要求，可以达到对沸腾锅炉生产过程关键参数自动监测和控制的目的；基于PLC和组态软件在可视化界面中监控沸腾锅炉的各关键参数，在PC中可以方便修改沸腾锅炉控制系统各参数，并按照沸腾锅炉控制要求完成相关监测监控，试运行表明，该系统能满足设计要求，可以达到对沸腾锅炉生产过程关键参数自动监测和控制的目的；参数能稳定运行，沸腾锅炉能耗降低，控制效果较好，能满足煤矸石发电生产需求。

Description

基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统

技术领域

本发明属于可编程序控制器领域，具体涉及一种基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统。

背景技术

沸腾锅炉是煤矸石电厂最常见的热力设备之一,它的功能是把煤矸石中的炭化学能，通过燃烧转化成热能，以蒸汽的形式输出到汽轮机中，煤矸石属于废弃物再利用，因而沸腾锅炉一种节能型锅炉，目前，中国大多数沸腾锅炉都是手动控制或者简单的DDZ仪表单回路调节系统，能耗较高，控制效果不理想。

图1为现有沸腾锅炉基本结构，沸腾锅炉基本结构由四部分组成：沸腾锅炉本体，辅助设备，安全装置和控制系统。沸腾锅炉本体由炉膛、沸腾管、水冷壁管、构架和炉墙等主要部件组成，是生产蒸汽的核心部分，辅助设备主要由上汽包、省煤器、过热器(有的沸腾锅炉没有)等部件组成。

由于沸腾锅炉整体系统复杂，有许多控制量和被控制量，许多参数之间关系复杂，扰动因素又很多，常规的控制方式不能达到理想的效果，采用PLC作为硬件平台，运用梯形图实现PID控制，选择一种组态软件来完成人机界面的设计，实现基于PLC和组态软件配置的沸腾锅炉监控系统，这样的控制方式能够获得比较理想的控制效果。

某煤矸石电厂5号沸腾锅炉主要参数为额定蒸发量35T/h，主蒸汽压力3.82MPa，主蒸汽温度450℃，给水温度100℃。改造前该煤矸石电厂5号沸腾锅炉采用简单的DDZ仪表单回路调节手动控制系统，5号沸腾锅炉经常出现炉堂温度控制不好，造成沸腾锅炉熄火或结焦，炉膛压力经常出现正压，蒸汽温度控制不能稳定在450℃，蒸汽压力控制也不能稳定在3.82MPa，上汽包水位控制不稳定忽高忽低，引风机、鼓风机、上水泵、进煤机转速控制不好，造成沸腾锅炉工作可靠性比较低，影响煤矸石发电生产。

发明内容

发明目的：本发明提供一种参数自动监测和控制的基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统。

技术方案：一种基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统，该监控系统包括上位机、下位机、若干检测装置和若干驱动控制器；

所述上位机配置有组态软件人机界面设计，实现对沸腾锅炉主要设备及各关键参数的管理；

所述下位机运用梯形图实现PID控制，控制沸腾锅炉的各参数，将各参数信号传送至上位机，由上位机读取各参数值；

所述检测装置将检测到的沸腾锅炉的各参数信号送入下位机进行处理；

所述驱动控制器将检测到的信号频率反馈至下位机，由下位机的PID控制做出正确的测量和比较后，纠正系统；

具体操作步骤如下：

步骤1，初始化下位机；

步骤2，由检测装置采集信号，计算出当前沸腾锅炉关键的实际参数值，反馈至下位机；

步骤3，在上位机中读取步骤2中获取的实际参数值；

步骤4，根据比较实际参数值和期望值，执行梯形图实现PID控制算法程序；由下位机传达指令至驱动控制器，控制关键参数值。

具体地，所述上位机可异地实时共享完整的沸腾锅炉控制系统监控信息，可显示沸腾锅炉各关键参数信息，查询各种报表数据任务。

更具体地，所述上位机具体实现包括实时数据采集、数据分析和处理、实时控制、定义配置、统计存储、屏幕显示、查询打印和与下位机通信。

更具体地，所述上位机显示沸腾锅炉各关键参数信息为图形化或者图形方式或者文本模式。

具体地，所述下位机由电源模块、CPU模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块构成。

具体地，所述模拟量输入模块将该控制系统中由检测装置检测到的温度信号、压力信号等均以4～20mA模拟量电流信号输入模拟量输入模块，由模拟量输入模块转换为数字量，然后将其送入到下位机CPU进行处理，下位机CPU输出的数字量经过模拟量输出模块转换为4～20mA模拟量电流信号驱动控制器。

具体地，所述若干检测装置包括用于检测炉膛压力的炉膛压力传感器，用于检测炉膛温度的炉膛温度传感器，用于检测上汽包水位的上汽包水位传感器，用于检测蒸汽温度的上水温度传感器，用于检测蒸汽压力的蒸汽压力传感器，用于检测蒸汽温度的蒸汽温度传感器。

具体地，所述若干驱动控制器包括用于检测鼓风机频率的鼓风机变频器，用于检测引风机频率的引风机变频器，用于检测上水泵频率的上水泵变频器，用于检测进煤机频率的进煤机变频器。

具体地，所述上位机与下位机之间通过485串行通信接口连接。

具体地，所述上位机为PC，下位机为PLC。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：基于PLC和组态软件在可视化界面中监控沸腾锅炉的各关键参数，在PC中可以方便修改沸腾锅炉控制系统各参数，并按照沸腾锅炉控制要求完成相关监测监控，试运行表明，该系统能满足设计要求，可以达到对沸腾锅炉生产过程关键参数自动监测和控制的目的；参数能稳定运行，沸腾锅炉能耗降低，控制效果较好，能满足煤矸石发电生产需求。

附图说明

图1是沸腾锅炉的结构示意图；

图2是沸腾锅炉控制系统结构；

图3是沸腾锅炉参数控制流程图；

图4是PLC控制流程图；

图5是沸腾锅炉PC组态软件人机界面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

如图2-4所示，一种沸腾锅炉监控系统由上位机、下位机、若干检测装置和若干驱动控制器；其中，上位机为PC，下位机为PLC。

其中，若干检测装置为传感器检测装置，包括用于检测炉膛压力的炉膛压力传感器，用于检测炉膛温度的炉膛温度传感器，用于检测上汽包水位的上汽包水位传感器，用于检测蒸汽温度的上水温度传感器，用于检测蒸汽压力的蒸汽压力传感器，用于检测蒸汽温度的蒸汽温度传感器；

若干驱动控制器包括用于检测鼓风机频率的鼓风机变频器，用于检测引风机频率的引风机变频器，用于检测上水泵频率的上水泵变频器，用于检测进煤机频率的进煤机变频器。

图2中双箭头表示即可输入也可输出信号。

下位机由电源模块、CPU模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块构成，PC与PLC间通过485串行通信接口连接。

上位机配置有组态软件人机界面设计，实现对沸腾锅炉主要设备及各关键参数的管理；上位机可异地实时共享完整的沸腾锅炉控制系统监控信息，可显示沸腾锅炉各关键参数信息，查询各种报表数据任务；具体实现包括实时数据采集、数据分析和处理、实时控制、定义配置、统计存储、屏幕显示、查询打印和与下位机通信；其中，显示沸腾锅炉各关键参数信息为图形化或者图形方式或者文本模式。

所述下位机运用梯形图实现PID控制，控制沸腾锅炉的各参数，将各参数信号传送至上位机，由上位机读取各参数值；

所述传感器检测装置将检测到的沸腾锅炉的各参数信号送入下位机进行处理；

所述驱动控制器将检测到的信号频率反馈至下位机，由下位机的PID控制做出正确的测量和比较后，纠正系统；

具体操作步骤如下：

步骤1，初始化模拟量输入模块和CPU模块中的寄存器；

步骤2，由传感器检测装置采集沸腾锅炉关键参数模拟量A/D信号，计算出当前沸腾锅炉关键实际参数值，反馈至下位机；包括温度信号、压力信号等均以转换为4～20mA模拟量电流信号，输入模拟量输入模块，由模拟量输入模块转换为数字量，然后将其送入到下位机CPU进行处理；下位机CPU输出的数字量经过模拟量输出模块转换为4～20mA模拟量电流信号驱动控制器。

步骤3，在上位机中读取步骤2中获取的实际参数值；

步骤4，根据比较实际参数值和期望值，执行梯形图实现PID控制算法程序；由下位机传达指令至驱动控制器，控制关键参数值；

沸腾锅炉关键控制参数主要有炉膛压力、炉膛温度、上汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温度、上水温度、鼓风机转速、引风机转速、上水泵转速、进煤机转速等。

沸腾锅炉发电原理为，如图1所示，被破碎成微小颗粒的煤矸石由皮带运输机运至沸腾锅炉煤斗，由进煤机送到沸腾锅炉炉膛，燃烧后经排渣机排出。通过控制鼓风机和引风机电机转速及风门开度控制沸腾锅炉炉膛含氧量从而控制沸腾锅炉炉膛煤矸石燃烧，上水泵将经过水处理后的软水通过省煤器把沸腾锅炉给水温度提高至100℃左右送至上汽包中，然后由上汽包中的下降管将100℃左右的软水送至沸腾锅炉炉膛中的沸腾管及水冷壁管，通过吸收沸腾锅炉炉膛煤矸石燃烧释放的热量，产生蒸汽。

根据沸腾锅炉监控系统控制要求，上位计算机(PC)选用研华工控机IPC-610H，采用北京亚控科技有限公司的Kingview6.60SP2组态王软件作为沸腾锅炉监控系统软件平台。由于组态王软件具有通信、设备连接、设备配置、构造数据库、设计图形界面、动画连接等功能，可以对被监控的设备或系统中的实时数据进行显示、记录、存储、处理，能满足各种监控要求，PLC(可编程控制器)选用西门子S7-200PLC CPU224为控制器，该控制器自身带有14路数字量输入和10路数字量输出，再扩展6台EM235模拟量输入输出模块、1台EM223数字量输入输出模块。

沸腾锅炉监控系统主要包括引风机控制程序段、鼓风机控制程序段、上水泵控制程序段、进煤机控制程序段、压力控制程序段、温度控制程序段、水位控制程序段、读模拟量A/D控制程序段、写模拟量D/A控制程序段构成，系统输入输出点包括炉膛压力、炉膛温度、上汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温度、上水温度、鼓风机频率、引风机频率、上水泵频率、进煤机频率、电源电压、鼓风机电流、引风机电流、上水泵电流、进煤机电流等，上述具体I/O分配见表1及表2。

表1系统I点分配表

表2系统O点分配表

如图3所示软件设计主要包括下位机PLC的梯形图设计和上位机配置的组态软件人机界面设计。

如图4所示，为了满足沸腾锅炉的控制要求，更好地达到沸腾锅炉炉膛温度、炉膛压力、蒸汽温度、蒸汽压力、上汽包水位、引风机转速、鼓风机转速、上水泵转速、进煤机转速等各参数的预期控制要求，设计了PLC的通用控制流程图，通过采集信号频率，执行梯形图实现PID控制算法程序；由下位机传达指令至驱动控制器，控制关键参数值。

图5所示为沸腾锅炉上位机组态软件人机界面，沸腾锅炉主要设备及各关键参数的管理，包括实时数据采集、数据分析和处理、实时控制、定义配置、统计存储、屏幕显示、查询打印、通信等，可以异地实时共享完整的沸腾锅炉控制系统监控信息，可以图形化或者以图形方式或者文本模式显示沸腾锅炉各关键参数信息，查询各种报表数据等任务，能满足沸腾锅炉各种监控要求，人机界面友好。

Claims (10)

1.一种基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统，其特征在于：该监控系统包括上位机、下位机、若干检测装置和若干驱动控制器；

所述上位机配置有组态软件人机界面设计，实现对沸腾锅炉主要设备及各关键参数的管理；

所述下位机运用梯形图实现PID控制，控制沸腾锅炉的各参数，将各参数信号传送至上位机，由上位机读取各参数值；

所述检测装置将检测到的沸腾锅炉的各参数信号送入下位机进行处理；

所述驱动控制器将检测到的信号频率反馈至下位机，由下位机的PID控制做出正确的测量和比较后，纠正系统；

具体操作步骤如下：

步骤1，初始化下位机；

步骤2，由检测装置采集信号，计算出当前沸腾锅炉关键的实际参数值，反馈至下位机；

步骤3，在上位机中读取步骤2中获取的实际参数值；

步骤4，根据比较实际参数值和期望值，执行梯形图实现PID控制算法程序；由下位机传达指令至驱动控制器，控制关键参数值。

2.根据权利要求1所述的基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统，其特征在于：所述上位机可异地实时共享完整的沸腾锅炉控制系统监控信息，可显示沸腾锅炉各关键参数信息，查询各种报表数据任务。

3.根据权利要求2所述的基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统，其特征在于：所述上位机具体实现包括实时数据采集、数据分析和处理、实时控制、定义配置、统计存储、屏幕显示、查询打印和与下位机通信。

4.根据权利要求2所述的基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统，其特征在于：所述上位机显示沸腾锅炉各关键参数信息为图形化或者图形方式或者文本模式。

5.根据权利要求1所述的基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统，其特征在于：所述下位机由电源模块、CPU模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块构成。

6.根据权利要求5所述的基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统，其特征在于：所述模拟量输入模块将该控制系统中由检测装置检测到的温度信号、压力信号等均转换为以4～20mA模拟量电流信号输入模拟量输入模块，由模拟量输入模块转换为数字量，然后将其送入到下位机CPU进行处理，下位机CPU输出的数字量经过模拟量输出模块转换为4～20mA模拟量电流信号驱动控制器。

7.根据权利要求1所述的基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统，其特征在于：所述若干检测装置包括用于检测炉膛压力的炉膛压力传感器，用于检测炉膛温度的炉膛温度传感器，用于检测上汽包水位的上汽包水位传感器，用于检测蒸汽温度的上水温度传感器，用于检测蒸汽压力的蒸汽压力传感器，用于检测蒸汽温度的蒸汽温度传感器。

8.根据权利要求1所述的基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统，其特征在于：所述若干驱动控制器包括用于检测鼓风机频率的鼓风机变频器，用于检测引风机频率的引风机变频器，用于检测上水泵频率的上水泵变频器，用于检测进煤机频率的进煤机变频器。

9.根据权利要求1所述的基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统，其特征在于：所述上位机与下位机之间通过485串行通信接口连接。

10.根据权利要求1所述的基于PLC和组态软件的沸腾锅炉监控系统，其特征在于：所述上位机为PC，下位机为PLC。

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