PLC 在热介质锅炉控制系统中的应用

刘志强

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300456）

引言

某浮式生产储油轮配备一套热介质油加热系统，该系统主要由2 台热介质锅炉和相应的配套设施组成，单台热介质锅炉（以下简称锅炉），设计温度为-10/350 ℃，压力为1 000 kPaG，容量为8 140 kW。

热介质加热系统的主要作用是：锅炉把热介质油加到约220 ℃，再通过闭式循环泵，强制循环输送到各原油舱、工艺舱、污水污油舱、燃料油箱、原油分离和处理模块上的各种热交换器，予热器，加热器等，满足原油储藏温度恒定为45℃和油气生产的供热需求。

1 锅炉控制系统的基本原理

锅炉控制系统主要由锅炉安全保护链、燃烧程序控制器（以下简称控制器）安全链、控制器（LFE1/8851）、温度控制器（KFM）和检测、报警模块组成。

当按下起动按钮后控制器开始工作，在锅炉安全链路闭合的情况下，鼓风机开始运转，比例调节机构的伺服电机将风门开至最大，开始向炉膛内送风扫膛，清除空气管线、天然气管线及炉膛内的废气。扫气完成后，比例调节机构的伺服电机将风门关闭。

控制器继续运行，点火变压器通电使火花塞发火，同时点火天然气阀打开，点火天然气在炉膛内燃烧形成点火火焰。火焰探测器开始工作，确认点火火焰形成5 s 后，燃气或燃油电磁阀打开，天然气或经雾化的柴油进入炉膛与点火火焰相遇形成主火焰。然后点火变压器断电，点火电磁阀关闭，点火程序完成。

控制器继续运行，锅炉进入正常燃烧程序，由温度控制器根据热介质油的温度控制比例调节机构自动调节。当锅炉安全保护链断裂或锅炉运行参数异常时，锅炉控制系统会触发不同级别的系统关断并发出相应的报警。

2 原控制系统改造设计的必要性

锅炉原有电气控制系统为20 世纪80 年代，在浮式生产储油轮建造时，配套引进的继电器－接触器控制系统，限于当时的技术条件，控制系统所要求的各种关联、锁定关系、报警功能均由传统继电器、按钮和指示灯实现[1]。控制柜内各类继电器、接触器和控制盘上的指示灯、按钮有两百多个，接线繁杂。图纸缺失、控制线无线号，报警点少，出现故障时，维修人员查找排除故障困难。随着25 年的连续使用，元器件和内部线路出现老化、松动现象，运行继电器、接触器的线圈温度在90℃左右，触点温度高达110 ℃，密集的热源，使控制柜内温度升高，控制柜内温度的升高加剧了继电器－接触器控制系统的老化速度，造成锅炉故障连续不断，给浮式生产储油轮安全稳定生产造成了很大的威胁。

随着对PLC 和触摸屏技术的深一步了解、学习及其运用技术的日渐成熟，改造成本不断下降，同时鉴于炉膛和相应的配套设施状态良好。并经过对原锅炉控制系统进行评估、研究和分析，于2015 年6月对锅炉控制系统进行了全新的升级改造。

3 控制系统的改进设计

3.1 控制系统的硬件设计

通过对原锅炉控制系统进行分析、梳理，除去触摸屏可以代替的输入输出信号，得出新系统PLC 的I/O 类型及点数，如下页表1 所示。

表1 PLC I/O 类型及点数

根据PLC I/O 类型及点数，对控制系统进行硬件设计，PLC系统配置及网络拓扑结构，如下页图1 所示。

图1 PLC 系统配置及网络拓扑图

根据PLC 系统配置及网络拓扑结构和现场使用需求，确定PLC、触摸屏等材料明细表，见表2。

表2 PLC、触摸屏材料明细表

其中，S7-300 是西门子S 系列一种中小型PLC，因其不错的性价比，使之成为各类中小型控制系统的较好的选择[3]；KTP 1200 PN 触摸屏，配备可调光、12 英寸屏幕、1 个以太网接口（TCP/IP，PROFINET）和10 个触觉功能键，可以很好地满足现场需求。

3.2 触摸屏设计

新设计操作界面结构如图2 所示，主要分为主画面、参数设定和趋势、报警三部分。

图2 操作界面结构

主画面主要用于热介质炉操作、设备状态、运行监控；参数设定画面，用于热介质炉运行参数设定；趋势曲线，可监视热介质炉的加热温度动态趋势；报警记录，用于查询当前或历史报警信息；报警记录逆序排列，即最后出现的在最上面。

3.3 梯形图程序的设计与优化

在触摸屏强大功能的支持下，消化吸收原有锅炉控制系统基本原理和电路图的基础上，通过梯形图程序设计，在实现原有控制系统所有功能的前提下，新系统只保留6 个功能按钮、9 个断路器、9 个接触器和部分输出继电器，使继电控制系统得到了最大的简化。简化继电控制系统的同时，增加了12 个安全链监控和5 个报警监控，锅炉系统所有附属设备的选择、起动、停止、运行状态都融入到了触摸屏上。系统所涉及到的所有开关量输入、输出触点状态，都通过触摸屏画面进行直观地显示，很好的改善了人际界面，极大地方便了电气人员对系统的日常检查、维护。

4 结论

以S7-300 系列可编程序控制器为核心，原有锅炉控制逻辑为基础，结合触摸屏技术，完成锅炉控制系统的改造，使控制系统电气元器件和开关数量比原系统减少了4/5，接线变得更简单，可视化更强。从2015 年至今5 年多的运行时间，锅炉控制系统有记录的故障4 起，故障率下降到改造以前的2.7%，可靠性有了很大程度的提高。

故障记录统计、趋势曲线、关键参数实时监测等功能的增加，能使维护人员很快地确认锅炉故障原因，一定程度地减少了维护的工作量。PLC 与触摸屏结合，比继电控制系统安全、方便、可靠，和集散控制系统[4]相比结构简单、操控方便。PLC 在热介质锅炉控制系统改造中的成功应用，对类似控制系统的改造具有一定的借鉴意义。