求一种基于PLC的锅炉炉膛吹灰控制系统设计方案

引言

在工业生产控制领域，PLC已经成为不可或缺的设备之一。S7-1200 PLC作为西门子公司推出的一款面向离散和自动化系统的控制器，可以满足不同的生产现场需求，在自动化生产领域的应用越来越普遍[1]。运用PLC技术，结合触摸屏应用[2]和工业现场网络等技术[3]，可以完成对离散系统的自动化控制，也可以实现对独立的自动化系统的控制。锅炉吹灰器是发电厂锅炉必不可少的辅机设备，在锅炉正常运行过程中可以保证锅炉受热面的清洁，提高锅炉热效率。在分析借鉴PLC对其他火电设备控制的基础上[4-6]，本文采用西门子PLC完成锅炉炉膛吹灰器的自动控制系统设计，结合触摸屏画面进行实时操作与监控，提高了生产的安全性和效率。

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炉膛吹灰系统

吹灰系统是火力发电厂众多设备中必不可少的一部分，包括炉膛吹灰、空预器吹灰、省煤器吹灰和水冷壁吹灰，通过对吹灰器的进、退控制，完成吹灰工作，主要作用是清除掉炉膛水冷壁、过热器、再热器、省煤器管道及空气预热器等设备受热面的结焦、积灰，保证受热面清洁，提高锅炉热效率。本文以炉膛吹灰系统为对象对控制系统进行设计。

1.1  炉膛吹灰系统结构

如图1所示，发电厂锅炉炉膛两侧各布置一台吹灰器，左侧吹灰器为L1，右侧吹灰器为R1，每台吹灰器设置两个限位开关，限位开关SQ1为左侧吹灰器L1的后退到位，限位开关SQ2为左侧吹灰器L1的前进到位，限位开关SQ3为右侧吹灰器R1的前进到位，限位开关SQ4为右侧吹灰器R1的后退到位。同时设有自动投入按钮SB1、吹灰急停按钮SB2、左侧吹灰器L1启动按钮SB3、左侧吹灰器L1停止按钮SB4、右侧吹灰器R1启动按钮SB5、右侧吹灰器R1停止按钮SB6等6个按钮。

吹灰系统正常运行时两个吹灰器同时进退，吹灰器的管道和过热蒸汽管道相套接，过热蒸汽管道在内，吹灰器管道在外。过热蒸汽管道的外径约等于吹灰器管道的内径。当吹灰器离开原位时，机械提升阀自动打开，蒸汽进入吹灰器管道，继而吹入炉膛开始吹灰。两个吹灰器在炉膛两侧对称分布且同时进退，保证了炉膛两侧同步吹灰，以防出现炉膛偏烧和炉膛两侧存在温差。

1.2  炉膛吹灰系统功能

1.2.1  自动模式

按下按钮SB1，投入系统自动模式。

（1）吹灰器启动：按下按钮SB1以后，吹灰器L1和吹灰器R1同时启动。

（2）吹灰器前进：吹灰器L1和吹灰器R1收到启动指令以后，相应的接触器闭合，吹灰器电机正转，两个吹灰器同时向锅炉炉膛内前进。

（3）吹灰器前进到位：吹灰器L1前进到限位开关SQ2处停止，吹灰器R1前进到限位开关SQ3处停止。

（4）吹灰器后退：吹灰器前进到位以后，原地等待10 s，然后吹灰器电机反转接触器动作，电机反转，吹灰器开始后退。后退过程中，后退10 s则停留原地吹灰60 s，再后退10 s，停留原地吹灰60 s，如此循环，直到到达后限位开关SQ1和SQ4。

（5）吹灰器后退到位：吹灰器L1和R1分别后退到SQ1和SQ4后停止，吹灰结束。

1.2.2  手动模式（单体模式）

手动模式下，按下按钮SB3，左侧吹灰器L1匀速向前移动，前进到限位开关SQ2，左侧吹灰器L1停止前进，自动后退到限位开关SQ1处停止。按下按钮SB1启动后，无论左侧吹灰器L1处于何处，再按下停止按钮SB4以后，左侧吹灰器L1将自动后退至后限位SQ1处；按下按钮SB5，右侧吹灰器R1匀速向前移动，前进到限位开关SQ3，右侧吹灰器R1停止前进，自动后退到限位开关SQ4处停止。按下启动按钮SB5以后，无论右侧吹灰器R1处于何处，按下停止按钮SB6，右侧吹灰器R1将自动后退至后限位SQ4处。

1.2.3  安全保护功能

（1）过载保护：在吹灰器L1、R1控制回路中各有一个热继电器，分别为FR1和FR2，如图2的炉膛吹灰系统硬件接线图所示，在吹灰器前进或后退过程中，若机械部分出现卡涩或电机电流不匹配，热继电器会立即动作从而断开控制回路，使吹灰器电机停止转动，防止吹灰器电机因过载而烧损。

（2）急停保护：当出现故障时，如吹灰器在吹灰过程中出现卡涩不动，应当按下急停按钮SB2，吹灰器L1和R1将自动后退到位。如果后退过程出现卡涩，则选用人工方式将其退出。

（3）短路保护：FU1～FU4（图2）为熔断器，在电路中起到短路保护作用。

1.3  硬件接线设计

工控机、触摸屏和PLC通过交换机组成局域网，PLC输入/输出变量接线以及吹灰电机控制线路如图2所示，QF1～QF3为断路器，KM1～KM4为交流接触器，FR1和FR2为热继电器，使用的是热继电器的常开触点。

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控制程序

根据炉膛吹灰系统功能和确定好的PLC控制系统的I/O变量，运用博途软件编写炉膛吹灰PLC控制程序。部分吹灰自动模式控制程序如图3所示。

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系统仿真

在西门子触摸屏仿真界面绘制炉膛吹灰控制系统仿真画面如图4所示。自动模式下的启动和停止命令、手动模式下的启动和停止命令均通过按钮实现；吹灰器L1和R1的正反转状态、限位开关SQ1～SQ4接通断开状态、吹灰器过载FR1和FR2会实时显示（颜色变红）；吹灰器L1和R1电机电流的大小也会通过数字显示出来，如果电机电流超过额定值，会变为红色，以提醒操作员。

在自动模式下，按下启动按钮，左侧吹灰器L1、右侧吹灰器R1同时正转向炉膛前进，仿真界面显示吹灰器“正转”，当前进到限位开关SQ2和SQ3时，画面显示“限位开关SQ2接通”“限位开关SQ3接通”，“正转”显示消失。同时10 s后，吹灰器后退，仿真界面显示吹灰器“反转”，“限位开关SQ2断开”“限位开关SQ3断开”；当后退到限位开关SQ1和SQ4时，画面显示“限位开关SQ1接通”“限位开关SQ4接通”，“反转”显示消失。当按下急停按钮SB2后，吹灰器自动退回到限位开关SQ1和SQ4处，仿真画面显示“限位开关SQ1接通”“限位开关SQ4接通”。同时，仿真画面会实时显示吹灰器电机电流值。

在手动模式下，按下左侧吹灰器L1启动按钮SB3，吹灰器L1自动前进到限位开关SQ2处，仿真界面显示吹灰器L1“正转”，当“限位开关SQ2接通”后，吹灰器L1自动后退到限位开关SQ1处，仿真界面显示吹灰器L1“反转”。当画面显示“限位开关SQ1接通”后，吹灰器L1“反转”显示消失。在左侧吹灰器L1运行过程中若按下停止按钮SB4，仿真界面显示吹灰器L1后退“反转”，后退到限位开关SQ1处，显示“限位开关SQ1接通”，吹灰器L1“反转”消失。在手动模式下，右侧吹灰器R1按相同的工作方式动作。

若在运行过程中热继电器FR1和FR2动作，仿真画面显示“吹灰器L1过载FR1”“吹灰器R1过载FR2”进行报警，左侧吹灰器L1、右侧吹灰器R1会立即停止运行。

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结语

在设计炉膛吹灰PLC控制系统时，应充分考虑现场环境恶劣、元器件使用寿命及后期功能改造等情况，因此在控制器、输入/输出模件选用时应考虑选型和预留部分备用通道。本次对炉膛吹灰器进行PLC控制系统设计，保证了炉膛受热面的清洁，为现场工作人员提供了更加便利、更加可靠的控制方法，同时也提高了炉膛热效率和生产现场的安全性。  

审核编辑：刘清