1、引言
蒸汽锅炉的过程控制系统包括汽包水位控制系统和燃烧过程控制系统，两系统在锅炉运行过程中互相耦合，控制起来非常困难。在此，我们暂不考虑系统间的耦合，只是对蒸汽锅炉的给水系统进行变频改造。
某有2台20T燃煤蒸汽锅炉，如图1所示。这2台锅炉通过1个给水母管分别给各自汽包供水，用汽量小的季节，2台锅炉只运行1台，当用汽量较大时，则必须2台锅炉运行。由于给水泵额定功率为37kw，一般情况下，1台锅炉运行时，只开1台给水泵裕量仍较大，而2台锅炉运行且用汽量较大时，只开1台给水泵无法满足需要，而开2台给水泵后，相对单台锅炉运行时，裕量更大。由于2台锅炉分别由2套DCS系统控制各自的电动阀门调节各自汽包的给水量，运行中，阀门开度较小造成给水母管压力较大，不仅浪费了大量的电能，较高的水压还对管道、水泵叶轮和阀门造成损害。
图1 给水原理图
2、变频改造方案
基于系统运行现状，本着既能节能降耗，又能控制简便、安全且投资较少的原则，我们设计了1套1台变频器拖动3台电机的方案。具体如图2所示
图2 控制原理图
在本方案中，充分利用了锅炉层有的DCS控制系统，增加了变频器、可编程序控制器（PLC）和控制信号转换装置。
（1） 硬件控制系统
a） 西门子MM430变频器
MM430变频器是西门子公司新研制生产的一种适用于各种变速驱动场合的高性能变频器（调试简单、配置灵活），它具有新的IGBT技术和高质量控制系统，完善的保护功能和较强的过载能力以及较宽的工作环境温度，安装接线方便，两路可编程的隔离数字输入、输出接口以及模拟输入、输出接口等优点，使其配置灵活多样，控制简单方便，易于操作维护。
b） 西门子S7-200型PLC
西门子S7-200型PLC可靠性高、抗干扰能力强，可直接安装于工业现场而稳定可靠的工作。适应性强，应用灵活。
（2） 当1台锅炉运行时
由于只开1台给水泵，就足够锅炉汽包所需用水量，故此时，系统只对运行锅炉的汽包水位进行恒液位控制即可。
将切换开关置于相应位置，通过锅炉原有DCS控制系统中的手动操作器将控制该锅炉汽包进水量的电动阀完全打开后，再通过控制信号转换装置切断该控制信号，使原有控制回路断开，电动阀保持全开状态，将该锅炉汽包液位信号切入PLC，让PLC将该锅炉汽包液位信号进行PID运算处理后，再由控制信号转换装置，将PLC输出的4～20mA模拟信号传递给变频器，从而控制变频器的输出转速。
在本控制过程中，关键的是过程参数PID（P:比例系数I:积分系数、D:微分系数）的整定。由于工业锅炉运行过程中，用汽量的多小和蒸汽压力的大小，决定了给水流量的大小和给水压力的大小。为了保证系统的相对稳定运行，不出现大的波动，对生产造成，在调试过程中，应多次反复调整PID参数，直至出现佳控制过程。
（3） 当两台锅炉同进运行时
由于2台锅炉分别由两套DCS系统控制，在运行过程，蒸汽并网后压力相同，但由于燃烧过程中存在不确定性，两台锅炉汽包各自的液位就必然存在差异。单台锅炉运行中所用的恒液位控制方案在此就不再适合。通过给水原理图（图1）我们不难发现，要对2台锅炉汽包的液位分别控制，理想的方案是将1个给水母管向2台锅炉给水的现状彻底改变，将给水系统分开，使每个锅炉都有自己独立的给水系统，再在此基础上加装变频控制，由1台变频器单独控制1台锅炉的给水。但此方案不仅改动较大，投资较高，且要停产改造，显然是行不通的。为了能在不改变原有系统现状的前提下，更好的利用变频装置，节能降耗，减小系统运行，维护费用，提高原有系统的自动化程度，我们针对该企业2台锅炉的运行特点，设计了一套专用于2台（或2台以上）锅炉运行时的控制方案，即:蒸汽压力和母管给水压力的恒压差控制方案。
当2台锅炉运行时，由于外供蒸汽并管，故蒸汽压力相同，又由于2锅炉由同一母管给水，故给水压力也相同。但由于蒸汽用量的变化不定和锅炉燃烧情况的不同，蒸汽压力是时刻变化的。这样，为了能保证给锅炉汽包供上水，就必须要求给水的压力始终高于蒸汽压力，由图2我们看到，由PLC采集蒸汽压力和母管给水压力，通过处理、比较后，得到二者的差值，再将此差值通过PID运算处理，输出4～20mA的模拟信号给控制信号转换装置。再由该装置将信号传输给变频器，从而控制变频器的运行速度。这样可以保证给水母管压力始终高于锅炉蒸汽压力（压力差的大小可以通过PLC在一定范围内任意调节），但锅炉各自汽包的液位却无法再通过调节变频器的转速去控制。在此，我们充分利用了原有给水控制装置，即汽包各自的进水电动阀门。仍由锅炉原有DCS控制系统采集各自汽包的液位，蒸汽压力，给水压力和给水流量等信号，去相应的调整进水电动阀的开度，从而控制各汽泡液位和进水流量。
此方案由于存在阀门的调节，上不能大限度的节能降耗，但实际中，由于减小了给水母管与蒸汽压力之间的压力差，使电动阀门的开度由原来的平均10%左右开大到75%左右，系统回水阀门关闭，仍大大节约了能源。且本方案充分考虑了系统运行的安全性，一旦变频器故障，系统可立即自动由变频运行状态切换至原有工频运行状态，完全恢复改造前的运行状态，保证锅炉正常运行。变频故障解除后，仍可方便的手动切换为变频状态，使变频器方便的投入运行，且不锅炉的运行。
3、PLC
PLC是本系统的核心控制器件，它不仅辨识、处理各种运行状态，进行系统间的逻辑运算和联锁保护，还对输入的多个模拟信号进行处理、运算后，输出标准的模拟信号控制变频器的运行速度。主程序结构较复杂，其中，对液位信号进行PID运算的子程序，原理图和程序框图如图3、图4所示。
图3 PID原理图
图4 程序流程框图
4、注意事项
（1）由于变频器产生高次谐波，会对通讯产生干扰，由于PLC采集模拟信号，要进行A/D和D/A转换处理，在此过程中，容易受到变频器高次谐波的影响而失真。必须将变频器零地分接且加装液波装置，对PLC用隔离变压器供电，好将PLC安装于距离变频器较远的位置上。
（2）本系统所需液位、压力等模拟信号均采至锅炉原有控制系统，为了不影响原控制系统的安全性与完整性，应将原有模拟信号通过隔离分路端子分路后采用。
（3）锅炉给水是锅炉运行过程中至关重要的环节之一，其运行的稳定性与可靠性直接关系到整个锅炉系统乃至整个生产运行的稳定与安全。一旦变频器出现故障而停车后，系统可自动切换至原有工频控制系统而不影响生产，这一联锁措施至关重要。
5、结束语
（1）变频调速是电气传动系统工程，而变频器只是其中的一部分，变频器容量、类型的选择，电气保护回路和控制回路的设计关系到变频调速系统应用的可靠性、安全性和性。
（2）变频调速系统是基于微、电力电子、机、自动控制和电机等技术上而来的，有其先进性，但也有其不足和缺点，如电磁干扰，高次谐波的寄生电容，以及低速运行时的电机温升等。
（3）变频调速技术以其节能、环保、方便、工作效率高等优点，在企业中得到广泛应用。若将其再与计算机技术有机的结合起来，实现资源共享，统一管理，则会节能降耗，提高产品质量和生产稳定性
典型配置
SIMATIC S7 PLC 是全集成自动化(TIA)的核心。在高效的操作处理、灵活的通讯扩展以及强大的控制能力的帮助下，此系统提供了控制、网络通讯、IT 服务等功能。SIMATICS7 PLC 才能成为全球市场占有率高的PLC产品。中控室采用冗余服务器软件进行监控，完成设备监控、回路调节、生产信息管理、报警、报表、权限控制等功能。所有的组态及维护工作只需在服务器端进行即可。如选用Web服务器选件，客户机端只需有浏览器软件即可完成监控功能。
全系列PLC —高度可靠，功能强大
· SIMATIC S7 PLC可以在不同的环境条件下安装和运行，例如热带干燥气候、低温气候、热带潮湿气候等等。作为全集成自动化的一部分，它们拥有很长的产品寿命。
· SIMATIC S7 PLC 满足以下标准：DIN、EN、IEC、UL认证、CSA 认证、Class FM1Sec.2；A、B、C、D 组，温度组别T4(<135°C) 以及美国、英国、法国、德国和挪威的海军分级认证。
· 为了使您的生产过程能够正常运行，可以采用软件冗余( 热备)，或者采用硬件冗余( 热备)。冗余的I/O 和PROFIBUS构成了高可用性功能。
· 先进的PROFIBUS-DP 总线可实现的分布式控制，PROFIBUS-PA总线可连接智能仪表，只需一根总线即可完成设备供电及信息采集工作。
WinCC —过程可视化和IT 平台
WinCC 是享有盛誉的、在全球及中国有极高市场占有率的SCADA 监控软件，它提供用于SCADA监控的基本系统和相应的选件。在水泥行业中，我们推荐使用WinCC 开发版用于工程师站组态画面和开发其他功能，使用WinCC运行版用于操作员站的监控。在操作员站较多的情况下，采用冗余服务器/客户机结构；为了降低成本和更好地为领导层提供决策依据，将一台WinCC 客户机作为Web服务器，使本局域网内其他计算机可以方便的浏览生产数据和设备数据，这种应用甚至可以延伸到Internet
热压机是胶合板生产的关键设备，直接决定胶合板生产的产量和产品质量。传统胶合板热压机的控制系统是以继电器为主控元件，很难满足热压工艺所需的压力和流量的控制，也直接影响热压机的可靠性和安全性。为此，笔者提出采用可编程控制器（PLC）替代现有控制线路，使之系统设计尽量简化，满足企业生产的需求。
1、PLC在热压机控制系统中的应用
国内胶合板生产一般都采用多层框架式热压机，为使压制的胶合板板面平整、厚度均匀，热压板需采用多只油缸提升，压板过程的闭合、加压、保压及装板机的升降，都是通过液压系统和油缸得以实现，使得控制油路的电磁阀增多；设备中的温度、压力、流量均采用中间继电器、接触器、时间继电器等控制，使控制线路更为复杂。由于胶合板的热压板采用蒸汽加热，难免有蒸汽泄漏，使车间内湿度增大，造成控制线路故障率高。
为提高生产效益，保证胶合板的质量，必须要求热压机控制系统的自动化程度高、可靠性强、安全性好。在热压机控制系统中采用PLC控制，可省去几乎全部的时间继电器、中间继电器，接触器之间的触点联锁也可由PLC内部实现。PLC采用了现代大规模集成电路，及技术严格的生产制造工艺，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，平均无故障时间高达30万h。PLC的使用，使得热压机控制系统的可靠性大为提高。
2、PLC控制系统的设计思路
要满足设备在生产中的可靠性。因原设备控制部分元件多，控制线复杂，排查故障非常困难，为此，可以考虑热压机油缸升降的控制部分采用PLC控制，在满足要求的情况下，尽量减少输入点和输出点，使得整体设备可靠性提高；考虑到设备检修、保养和对新的板种的试生产，需要在控制线路中加入手动、自动转换开关；在检修时，为防止升起的压板因误操作发生位移，加装了保护开关，当开关置于保护状态，发生误操作，因有电气互锁，也不至于使压板发生下移。基于以上设计思路，根据压机工作流程，确定了17个输入点和14个输出点，共31个点，采用欧姆龙C40P产品（该型产品有24个输入点，16个输出点）Ez3。图1示出胶合板热压机的PLC输人输出点分配情况。
图1 PLC 输入输出点分配
结合该系列压机特点，设计了控制线路，并编制了控制程序；输入和输出量编址见表1。
表1 胶合板热压机各输入输出编址
3、工作原理与控制过程
以快速贴面压机为例。该系列热压机共装有4个油缸，油缸顶置，液压油路需用6只电磁阀控制，因设计的热压机规格不同，油泵电机的功率从10～22kW不等，为减小电机起动电流，设计为Y／△起动。胶合板板坯采用小车载入，小车承载部分可单方向运动，小车退出时板坯自动滑落在压板上。小车驱动电机由变频器控制，可实现小车快进、慢出。
图2为快速贴面胶合板热压机工艺流程，图3为 PLC控制的部分梯形图。
图2 快速贴面热压机工艺流程
图3 PLC控制梯形图
控制油缸的电磁阀有6只，其中1只1DT为总进油阀；每2个油缸上部、下部油路各自并联，分2组，每组各有1只上部进油阀3DT、5DT和1只下部进油阀2DT、4DT，还有一只总回油阀6DT。
油缸下部进油，柱塞上移；其上部进油，柱塞下移。即当1DT、2DT、4DT工作时，压板上升，1DT、3DT、5DT工作，压板下降并加压；6DT工作时，油缸卸荷。液压油泵用三相交流异步电动机驱动，为降低起动电流需要降压，采用Y／△方式起动，转换时间为2～5s。油泵工作正常3s时，压板上升到位（设上限位开关）后，压板停止上升；此时装板小车载板坯快速进入，到达设定位置后，小车卸板坯并开始后退，碰到后退限位开关后停止后退。
在小车卸板后退的压板开始下降，当碰到下限位开关后，停止下降，开始保压并计时，随着油压的升高，动、定压板之间压力增大，当达到设定上限压力时，电接点压力表上限开关断开，停止加压。由各组电磁阀自动控制热压时所需压力，实现保压直到热压结束，开始卸荷，3s后压板上升。由人工完成卸板。
为了安全起见，在控制线路中加装转换开关，在压机上升控制电路中要加入保护装置，当压板上升到位时，手动合上此开关，检修设备时不会因误动作而使动压板下降伤人。在加压保压控制电路中，加入了超压保护开关，目的是防止油压达到压力上限后继续加压。若超压，此开关自动断开，电磁阀失电关闭，停止加压。当压力下降到许可值时，此开关重新闭合，系统控制恢复正常。