基于plc锅炉温控系统及检测毕业设计.pdf

摘要在当今各种工业企业的动力设备中，锅炉仍然是一重要的组成部分。随 着现代化工业的飞速发展，对能源利用率的要求越来越高，作为将一次能源 转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理随之要求越来越高C 但在我们国家，除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术外，绝大多数中 小企业所用的锅炉，如10T7h、20T7h锅炉，大部分还在采用仪表/继电器控 制，甚至还是人工操作，已无法满足要求。据此，本文针对一台10T7h工业 锅炉,提出了一套PLC的控制系统方案。本文以一台10T/h锅炉的PLC控制系统为背景，理论与实践相结合，详细阐述了集PLC技术，变频器技术，通信技术于一体的先进控制技术在 该锅炉控制系统中的应用。在该系统中，应用了 Siemens公司的S7-300系 列PLC,根据锅炉的控制特点，分析系统的控制要求，实现给煤自动调节，送风自动调节，引风自动调节，水泵给水的自动调节，根据系统控制要求分 析系统所需的PLC配置，以及备控量的I/O点数及I/O 口分配，查阅S7-300 使用手册在理论上分析确定PLC的组成及使用事项，并用其编程软件Step7 设计锅炉控制的梯形图、STL语句及PLC通信网络，实现锅炉的水位三冲 量控制、燃烧过程自动控制、蒸汽压力自动控制等功能；基于锅炉运行安全 的考虑，该系统中锅炉由PLC控制，PLC、上位机组成一个MPI网，运用 Siemens公司的MPI全局通讯技术及WinCC的软件设计，实现锅炉的上位 机的冗余控制，关键词:锅炉变频器PLC PID WinCC Step7 MPT全局通讯Abstrac tNowad ays the boil ers are stil l an important c omponent among various power equipments in ind ustrial enterprises.Al ong with the fast d evel opment of mod em ind ustry,high effic ient energy util ization is pursued more and more.And the boil er are a kind of Primary equipments for c onverting raw energy into sec ond ary energy,so their c ontrol and supervision is very important for promoting energy util ization effic ienc y.But in our c ountry,onl y some big and med ium-sized boil ers have ad opted.Ad vanc ed c ontrol tec hnique.Most boil ers being used by med ium and smal l enterprises,suc h as l OT/h and 20T/h boil ers,are c ontrol l ed by mete/rel ays,or even manual l y.That c an not meet d emand.In this paper,a c ontrol system sc heme of PLC+IPC is Proposed,whic h is aiming at a l OT/h ind ustrial boil ers.An ad vanc ed boil er c ontrol tec hnique c omposed of PLC,inverter,and c ommunic ation are d etail l y d esc ribed with respec t theory and appl ic ation in this paper,whic h is based on two PLC c ontrol systems of l OT/h boil ers in c ertain pl ant.The S7-300 series PLC of siemens c ompany is ad opted in the boil er c ontrol systems.The Step7 programming software is used to d esign the l ad d er c hart,the STL l anguage and the PLC c orrespond enc e network.Automatic c ontrol for the boil ers has been real ized,suc h as three impul se c ontrol for the water l evel,burning Proc ess c ontrol,vapor pressure c ontrol.Moreover,an amic abl e man-mac hine interfac e,automatic storage of important boil er run d ata，and automatic print of reports in need is real ized by using the c onfigurations software WinCC of Siemens c ompany.Eac h boil er in the system is c ontrol l ed by one PLC respec tivel y.PLC and IPC shaped into a MPI net.By using the MPI overal l situation tel ec ommunic ation tec hnique and the WinCC software of Siemens c ompany red und anc y c ontrol s of the two IPC are d esigned for the safety.The automatic c ontrol of publ ic fac il ities suc h as d eoxid ization equipment is al so real ized in the system.Key word s:boil er,inverter,PLC,PID目录摘要.IABSTRACT.I I第一章绪论.11.1 工业锅炉控制现状.11.2 工业锅炉控制的任务和特点.11.2.1 工业锅炉控制的任务.11.2.2工业锅炉给水自动控制.21.2.3工业锅炉燃烧过程自动控制.41.3 PLC控制的优点.71.4本文主要内容.8第二章锅炉控制系统的总体设计.92.1系统控制要求.92.2锅炉本体构造.92.3系统设计思想.102.3.1电机控制模式.102.4各主要回路控制策略.122.4.1锅炉生产工艺流程图及汽水系统.122.4.2主程序框图如下：.142.4.3自动控制系统结构框图：.152.4.4给水调节回路.152.4.5汽包压力调节回路.162.4.6炉膛负压调节回路.172.4.7水位控制程序框图：.192.4.8燃烧控制回路程序框图：.20第三章系统硬件组成.213.1总体结构.213.2系统硬件组成.213.3主要器件选择.213.4系统供电.343.5系统接地.353.6 系统运行方式.363.7 PLC配置及I/O点分配：.363.7.1锅炉给水.373.7.2 锅筒.383.7.3 给煤.383.7.4鼓风和引风.403.7.5 炉膛.423.7.6出渣机：.423.7.7蒸汽管路和省煤器：.42第四章系统软件和设置.444.1 PLC软件设计.444.1.1 SteP7 简介.444.1.2 Step7 的 P1D 功能块.474.1.3 PLC程序总体结构.534.1.4功能模块编程.544.2系统通讯.594.3本章小结.60结束语.60致谢.61参考文献.62附录1原理图.64附录2外文.65附录3翻译.68第一章绪论1.1 工业锅炉控制现状目前在我们国内，锅炉仍然是各种工业企业的动力设备中重要的组成 部分。但是，除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术，如DCS,FCS,一般的小型锅炉的控制仍较落后，仍在使用仪表、继电器作为主要的控制 手段(如DDZ-II或HI型系列仪表)，需要过多的人为参与，不仅工作人员 的工作条件差，劳动强度大，而且锅炉的热效率很低，资源浪费严重。即 使现在的仪表不少已趋智能化，在锅炉上也实现了自动或半自动控制，但 是，由于其不菲的价格、缺乏管理功能等种种原因，其应用受到很大限制。另外，当今的大部分中小企业使用的锅炉容量普遍在20T/h以下，锅 炉只有两三台，企业根据其经济的承受能力，一般都不可能选用价格昂贵 的大型控制系统。这也是我们小型锅炉的控制技术水平不高的重要因素之.(21 o但是，随着能源问题的突出，企业现代化管理水平的提高，还有环保 意识的增强，作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其 控制和管理的要求越来越高，现在的企业中的小型锅炉的控制技术不提高 将难以适应生产的需要。因此，这就需要在锅炉控制技术上进行变革，需 要设计一种性价比合理的、使用和维护方便的新型工业锅炉控制系统。1.2 工业锅炉控制的任务和特点1.2.1工业锅炉控制的任务工业锅炉的功能是生产具有一定压力、温度参数的蒸汽或热水，满足 外部对负荷的需求。为满足此要求，并保证锅炉本体的安全经济运行，要 求锅炉的控制系统具有完善的自动检测、自动程序控制、自动保护等功能。而锅炉是一多变量、多回路、多耦合的复杂系统，扰动源比较多，要保证 提供合格的蒸汽以满足负荷的要求，其工作过程中的各主要工艺参数必须 严格控制，为此，锅炉的主要控制任务为；(1)保持锅筒水位在规定的范围及给水稳定；(2)保持炉膛负压在规定的范围；(3)稳定蒸汽温度、压力和蒸发量；(4)保持燃烧的经济性和锅炉的安全运行。完成上述的任务需要监控五个主要的被调节量和四个调节量，具体如图1-1：负荷调节量 J 被调节量给水量-送风量-引风量-燃料量-锅炉水位-炉膛负压-蒸汽温度-蒸汽压力-过剩空气系数g i-i锅炉主要参量这些调节量和被调节量之间实际上互相关联、互相制约，很难单独确 定某一量的大小。在实际运行中，解决的办法是设置几个相对独立的调节 系统来简化调节过程。在中小型工业锅炉中，通常只要对两个相对独立的 调节对象进行调节就能基本满足一般用户的要求，即给水过程控制和燃烧 过程控制。122工业锅炉给水自动控制1给水控制的必要性工业锅炉给水的基本任务是在各种负荷条件下，控制给水量，使进入 锅炉的给水量与送出的蒸汽在数量上保持平衡。对于锅筒锅炉，这种平衡 的标志是锅筒水位维持在工艺要求的范围内。对于工业锅炉I水位的高低对锅炉的安全运行和生产工艺要求影响很 大。水位过高，蒸汽带水量过多，降低蒸汽品质，会在蒸汽管道内发生水 冲击，甚至会发生满水事故;水位过低，则会破坏水循环，以至烧坏某些受 热面，严重时会造成爆炸事故，所以维持锅炉汽包水位的稳定是十分必要 的，。2给水控制的难点锅炉运行时，要保持锅筒水位在规定的范围内，须不断地往锅筒内补水。由于给水的温度比锅筒内的水温低，若给水量突然增加，会使汽包内 水温下降，汽水混合物的汽化程度发生变化，水位有下降的趋势。这样，在一段时间内由给水引起的水位增高的趋势和由汽化程度变化引起的水 位下降的趋势基本相等，造成锅筒水位基本不变的状态，即水位的等效纯 滞后现象。所以，为减少这种影响，给水过程应该是连续的。不过，工业 上蒸汽负荷是有波的，有的波动还很大，所以为保持锅筒水位，给水量就 应随负荷及时调整。但是，在蒸汽负荷波动时，特别是在负荷变化较大的情况下，锅炉常 常会出现“虚假水位，其现象是:当负荷突然大幅增加时，水位迅速上升，然后水位又迅速下降;当负荷突然大幅下降时，水位迅速下降，然后水位又 迅速上升。出现“虚假水位”的原因是:当负荷突然大幅增加时，锅筒内的蒸发量不 能很快跟上，导致气压下降，锅筒内的水的温度就会从原来压力下的饱和 温度降到新压力下的饱和温度，此时，释放出的大量热量使锅筒内的水蒸 发，产生大量气泡，汽水混合物容积膨胀，水位升高。待大量气泡逸出水 面时，锅水内的气泡数量减少，汽水混合物容积减少，水位下降。同理，在负荷迅速下降时，将经历一个相反的过程。“虚假水位对锅筒水位控制很不利。当蒸汽负荷突然增大时，本应增 加给水量，但由于“虚假水位”现象的作用，锅筒水位迅速上升，给水量信 号反而减小，扩大了给水量和蒸汽量之间的不平衡，必然导致水位控制的 动态特性变差:同理，当蒸汽负荷突然减小时，仍会由于“虚假水位”现象的 作用，使水位控制的动态特性变差。可见，水位控制不能简单地根据锅筒 水位瞬时的高低来调节给水量的大小，必须考虑“虚假水位的影响。3三冲量给水自动调节锅炉水位控制方案一般有单冲量给水自动调节系统、双冲量给水自动 调节系统和三冲量给水自动调节系统三种，目前应用较广且比较成熟的是 三冲量给水自动调节系统，其控制系统示意如图1-2。在三冲量给水调节系统中，调节器接受锅筒水位、给水流量和蒸汽流 量三个信号，其中锅筒水位是主变量，给水流量是反馈信号，蒸汽流量是 前馈信号。当给水流量因给水压力变化、给水调节阀开度改变等原因而发 生扰动时，由于给水流量信号的反馈作用，可以迅速消除扰动，稳定给水 流量。蒸汽流量不经PID调节而以前馈方式加入，能克服因“虚假水位”而引起的调节器误动作，有效地改善水位控制，使得水位控制精度提高，动 态响应性能变好。三冲量给水调节系统的控制方案适用于燃煤链条式、燃油、燃气以及 负荷变动大的锅炉。蒸汽省煤器-+/给水T H 给呆量 图1-2三冲量给水调节示意图图1-3三冲量串级控制图1.2.3工业锅炉燃烧过程自动控制1控制任务锅炉的基本组成是“锅和炉两大部分。燃料在“炉”中燃烧放热，高 温烟气携带的热量为“锅”的受热面吸收，以产生一定压力和温度的蒸汽。作为锅炉的燃烧设备一“炉”，其任务是针对不同燃料的燃烧特性，为其完 全燃烧创造良好的条件，以求燃料将其热量最大限度地释放出来。锅炉的燃烧控制直接关系着是否对环境造成污染、是否节能及能否给 企业带来效益。所以，锅炉的燃烧控制自动化多年来倍受重视。锅炉燃烧过程自动控制的主要任务是：(1)保持蒸汽压力稳定锅炉运行中蒸汽负荷随时发生变化，并反映到蒸汽压力波动，这样就 必须随时改变燃料量以适应负荷的需要，并保持汽压稳定。(2)保证经济燃烧为了得到最经济的燃烧工况，就要保持燃料量和送风量之间有合适的 比例，当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它与燃煤量相配合。(3)保持炉膛压力一定中小型工业锅炉目前一般采用炉膛负压运行方式，且负压维持在 l OOPa以内。炉膛负压过小，炉灰和火苗从火孔和炉门等处外溢，会引起 炉膛喷火等事故:负压过大，会引起漏风量增大，影响锅炉热效率，不利于 经济燃烧，同时使引风机电耗量增大。因此，必须严格保证炉膛负压稳定 在某一水平，这对燃烧工况、锅炉房工作条件、炉子的维护和安全运行都 是有利的，这也是保证锅炉经济燃烧和安全性的重要指标。虽然燃烧控制系统是一个多参数变量的调节系统，但通常都把它简化 成互相联系、密切配合但又相对独立的3个单变量系统来实现，即:以燃料 量维持锅炉压力恒定的蒸汽压力控制系统，以送风量维持锅炉经济燃烧的 送风调节系统，以引风量维持炉膛负压稳定的炉膛负压调节系统。2蒸汽压力控制蒸汽压力是反映蒸汽供需关系平衡与否的重要指标，也是表征蒸汽的 重要参数。汽压偏高，会加速金属材料的蠕变;汽压偏低，说明供需关系不 平衡，设备消耗的蒸汽量大于现有的产汽量，难以维持长期稳定的运行。因此，维持压力稳定是安全生产和维持运行的需要。对于燃煤链条炉，蒸汽压力的控制主要通过给煤量的调节来实现，也 即调节炉排的转速。给煤量大，供给的热量多，锅水吸热多，产生的蒸汽 压力增大，相反则蒸汽压力减小。当然，给煤量必须与鼓风量配合，一定 给煤量对应最佳鼓风量，鼓风量小，燃烧不完全，鼓风量大带走过多热量。而且，根据工艺要求，当负荷增加时，应先增加鼓风量，再增加给煤量:负荷减小时，先减少给煤量，后减少鼓风量。蒸汽压力的控制过程是个大惯性大滞后过程，当前这个过程的控制大 多仍采用PID控制。这是因为PID控制具有结构简单、实现容易和鲁棒性 强的特点，而且PID控制器不需要精确的数学模型，其控制参数的物理意 义清楚，控制器容易在线调整。不过，为实现更好的控制效果，现在己有 不少新的算法的应用，如非线性PID控制算法、模糊算法等等。3经济燃烧锅炉的经济燃烧涉及很多变量，如空气过剩系数、烟气含氧量、风煤 比，各变量之间相互影响又相对独立，要使锅炉实现经济燃烧，必须综合 考虑各种相关因素，并进行合理控制。国内外己有不少机构对锅炉控制进 行了研究，并有相关的先进控制与优化软件问世，但由于种种原因，在中 小型控制系统中的应用还极少。国内的相关控制大多仍基于传统的控制策 略，如PID控制、比值控制、串级控制、前馈控制等，在此基础上加进一 些优化技术，如PID控制器参数自整定、自适应控制、模糊控制等，最终 的目的都是为了实现锅炉燃烧的在线优化，以实现经济燃烧。还有一点需要说明，在现在的锅炉中为使燃料完全燃烧，大都增设了 二次风，以加强烟气和空气的扰动、混合和延长烟气流程，减少化学未完 全燃烧损失，同时使烟气中的煤粒在炉膛内停留较长时间，使其得到充分 燃烧。根据运行经验，合理使用二次风能使锅炉的热效率提高3-5%左右。4炉膛负压控制影响炉膛负压的因素主是鼓风量和引风量，一般炉膛负压主要通过控 制引风量的大小来控制。在这里，炉膛负压作为被控对象，引风量作为控 制对象，当然这是在鼓风量一定的前提下说的。当鼓风量发生变化的时候，引风量也要跟着变化，通常是把鼓风量作为引风控制的前馈量，在鼓风量 增加时立即增加引风量，当鼓风量减少时，经过一段时间再减少引风量。5连锁控制在锅炉控制中，为保证锅炉安全运行，在某一机构发生故障时，要有 即时报警和相关保护，并触发与之关联的设备实现自动连锁。锅炉运行要 求的连锁动作大体有以下儿项：(1).鼓风电机要求当引风电机停止、炉排电机停止、锅筒压力或蒸汽总管压力超出 上限时，鼓风电机自动停止。启动时，只有引风机运行起来后才开鼓风机。(2).引风电机要求当锅筒压力或蒸汽总管压力超出上限时，引风电机自动停止。(3).炉排电机要求当鼓风电机或引风电机发生故障时，炉排电机立即停止运行。在 正常启停时，当鼓风和引风开起来后再开炉排电机，停机时先停炉排电机。(4).给水泵要求锅筒水位超出上上限时，给水泵自动停止。给水泵的控制还要考 虑除氧水箱水位的下限，在其接近空时，也要停止给水泵。1.3 PLC控制的优点可编程逻辑控制器(Programmabl e Logic Control l er)简称PLC,采用的 是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算。随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控 制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通 信上，都有很大的提高。现在的PLC己不只是开关量控制，其功能远远 超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远 程通信等强大功能。美国电气制造商协会(NEMA)将其正式命名为可编程 控制器(Programmabl eControl l er),简称PC,但是为了和个人计算机(Personal Computer)的简称PC相区别，人们常常把可编程控制器仍简称为 PLC.事实上，PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以输入、输出及通讯等 模块，可以方便地用于工业控制领域的装置。它以其高可靠性、高稳定性、编程简单和易于使用，在现代工业企业中得到广泛应用，使得整个控制系 统在功能的可靠性、配置的灵活性等方面较之过去产生了质的飞跃。当然，与所有的器件一样，PLC本身也有其局限性，它无法向操作者 显示动态的设备状态参数，无法进行大批量数据的存贮与转化，尤其是当 系统工艺改变时，无法方便、快速地改变相关参数、配方。因此，在现今 的稍微复杂一些的控制系统中，PLC通常与工业控制计算机配合使用，实 现完整的控制功能。工业控制计算机，简称工控机，是针对工业用途而设计的计算机，与 普通的商业PC机相比，具有更高的可靠性、稳定性，同时结构上也更便 于扩展;另一方面，它与商业PC机一样，有着十分丰富的商品软件支持，可以开发出适合用户的直观、方便的图形操作界面。目前，工业控制中所采用的工业PC+PLC控制系统中，PLC主要负责 数据采集、控制运算和控制输出，可以接受开关接点等数字信号，还可以 直接接收标准的过程量，如4-20mA电流、1-5V电压、热电偶、热电阻等 模拟信号。基于HMT技术的工业PC机构成了 OS操作员站或ES工程师 站，主要的功能是数据归档、趋势记录、报警提醒以及参数设定，提供了 运行人员和控制系统的一种交互方式。随着网络通信功能的不断增强，PLC与PLC及计算机的互联，可以 形成大规模的控制系统，在其中挂接在线通用计算机，实现在线组态、编 程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就已经具备了集散控制系统 的形态，加上PLC价格和可靠性优势，使之可与传统的集散控制系统相 竞争。随着PLC成本的下降和性能的提高，普通PLC己能满足小型锅炉的 控制要求，且性价比较高。1.4 本文主要内容本文以一台10T/h蒸汽锅炉PLC控制系统为研究对象，主要做了以下 儿个方面的工作：(1)在深入了解链条燃煤锅炉的工艺过程，以及国内蒸汽锅炉控制现 状，尤其对一台10T/h锅炉控制系统研究，讨论了 PLC+工业PC在锅炉控 制中的应用的可行性；(2)论述了一台10T/h蒸汽锅炉PLC控制系统的总体结构设计；(3)介绍了子系统的设计与实现；(4)讨论了燃烧过程中优化控制策略；(5)详细介绍了控制系统硬件、软件设计方案。第二章锅炉控制系统的总体设计2.1系统控制要求本控制系统控制一台10T/h DHL10-1.25-AIII型锅炉，结合锅炉自带的 部分手动控制，实现如下功能：1.锅炉给煤系统：给煤自动调节；2.锅炉送风系统：送风自动调节；3.锅炉引风系统：引风自动调节；4.锅炉燃烧控制系统：给煤、送风和引风系统一起实现锅炉最佳经济 燃烧；5.水箱水位实时监控：水位监视与报警；6.循环水泵、补水泵运行状态实时监控：循环水泵、补水泵状态监视 与报警；7.锅炉各种连锁保护：保证锅的安全运行。2.2 锅炉本体构造DHL10-1.25-AITT型角管式锅炉为单锅筒横向布置组装锅炉，锅炉的 燃烧方式采用轻型链条炉排，锅炉炉膛及水冷系统为膜式壁结构，整台锅 炉呈单层布置，配备鼓风机、引风机、水泵、出渣机、除尘器及部分电气 控制装置。烟气燃料系统：燃料从煤斗通过煤闸门，经刮平后随炉排缓慢进入炉 膛，着火燃烧后产生的烟气通过烟气出口窗，进入对流管束，在其中上下 向流动，然后通过锅炉的烟道，依次进入省煤器、除尘器等设备后，由引 风机将烟气从烟囱排向大气。灰渣系统：燃料经燃烧后生成的灰渣在炉排尾部落入渣坑，经出渣机 排出，炉排的漏煤和漏灰由链条炉排前部的落灰斗内掏出。送风系统：空气由鼓风机送入风道，通过链条炉排两侧的风道，进入 炉排下的风室，通过炉排进入炉膛。二次风装置：多孔分层错列射流式二次风装置保证燃料在炉膛内充分 燃烧。由上面的描述可知，此锅炉的燃料供给可通过炉排转速来调节，由于 这里没有过热器，产出的是该厂需要的是饱和蒸汽，所以有关的计量和显 示应按照饱和蒸汽的特性来设置。2.3 系统设计思想在以上分析的基础上，我们对系统作如下各控制部分设计。2.3.1 电机控制模式控制系统中根据驱动方式的不同具有2类电机，一类带有变频器驱动，如引风机、鼓风机、给水泵、炉排机;另一类通过直接控制接触器的通断来 驱动，如除渣机、进水泵。对于带变频器的电机，系统设置了“现场控制和”计算机控制”2种操 作方式。“现场控制”是指在中控室的操作台通过启停按钮及手操器对电机 进行操作的一种方式，“计算机控制”是指在中控室操作员站计算机上通过 键盘、鼠标、显示器等设备对电机进行操作的一种方式。电机的启停顺序 存在约束关系，如启炉的顺序为：引风机一一鼓风机一一炉排机，停炉的 顺序则相反:炉排机一一鼓风机一一引风机。变频器实现电机的软启动和调 速功能，在电机达到转速要求后，PLC会发出信号主动关闭变频器的动作，保护变频器的使用寿命，电机切换到公频状态下运转，对于带变频器的电 机控制如下图所示：图2-1变频器控制电机原理图对于不带变频器的电机，分为2种情况进行控制。对于除渣机，由于 工作任务简单，只设置现场操作箱，在现场对其直接进行启停操作。对于 软水箱进水泵，在现场设置1个操作箱，通过操作箱上的“现场控制及计 算机控制”转换开关对其操作方式进行转换。对于电机的控制如下图所示:对于给水泵和软水箱进水泵，由于其每两台水泵对应一套设备，如1 台给水泵供给一台锅炉L 2台软水箱进水泵供给一套软水箱。鉴于此情况,将给水泵和软水箱进水泵的控制方式设计为两台水泵互为备用的方式，当其中一台水泵出现故障问题时，另外一台备用水泵可以自动切换到工作状 态，使锅炉炉筒或软水箱的供水不会出现中断，保障了锅炉运行的安全。在切换过程中，PLC控制程序将会做PID调节参数的自动调整传输，使水 泵的工作状态转移不会出现扰动。此外，在PLC控制程序中还设计有水 泵的运行累积时间判断程序，使水泵启动时优先启动运行累积时间较短的 那台，这样可使两台水泵均保持良好的运行、备用状态。2.4 各主要回路控制策略2.4.1 锅炉生产工艺流程图及汽水系统工艺流程图如下:水一蒸汽过程风-烟气过程DDE物流煤灰渣过程热流图2-1锅炉工艺流程图工艺流程可分为给煤、水汽、风3大部分。分别说明如下：1给煤：燃煤由皮带输送到锅炉煤仓，落下平铺到炉排。炉排电机经 变速后带动炉排转动，炉排将煤送入炉膛参与燃烧。燃烧后的灰渣在炉膛 后部落入碾渣机，最后由刮板除渣机除走。调节炉排电机转速即可调节燃 料供给量以控制燃烧；2水汽：原水经软水加压泵加压，进机械过滤器过滤、钠离了交换器 交换，成为软水，进入软水箱暂时储存。再由除氧器泵加压打入除氧器除 氧，后经锅炉给水泵加压，经省煤器进入锅炉，锅炉产生的蒸汽由内部集 汽管收集，输送到分汽缸送出;调节软水泵转速可调节进入软水箱的水量。调节除氧器加压泵转速可调节进入除氧器水量。调节锅炉给水泵转速可调 节进入锅筒水量。进而可调节软水箱、除氧器、锅筒三者的水位；3风经送风机送到空气预热器被高温烟气加热，送入炉排下方，经分 风板分配进入炉膛参与助燃，燃烧后的高温烟气经省煤器、空气预热器、水膜除尘器，最后由引风机抽走，经烟囱排出。调节送风机转速可调节参 与燃烧的风量，调节引风机转速可调节炉膛的负压。2.4.2主程序框图如下:主循环程序结束时间中断2时间中断12.4.3 自动控制系统结构框图:蒸汽压力 蒸汽流量 含氧量 鼓风量 炉膛负压2.4.4 给水调节回路由于汽包水位在蒸汽负荷发生变化时，会产生与调节作用相反的“虚 假水位”，即蒸汽负荷增大时，汽包内蒸汽压力减小，致使汽包内的水沸 腾，在外部看来水位非但没有下降反而增长;同样在蒸汽负荷减小时，汽包 水位会出现减少的假象。所以，锅炉给水调节是锅炉控制中的一个难点，采用普通的PID调节算法是很难取得较好的控制效果的，甚至会带来严重 的安全问题。为克服“虚假水位现象对给水控制系统造成的不利影响，在蒸汽参数 稳定、给水流量允许的情况下给水控制系统可自动或手动切换到三冲量调 节系统。负荷大于30%时一般采用三冲量串级调节系统来调节给水泵变频 器，以使汽包水位满足锅炉运行要求。在给水控制三冲量调节系统中汽包 水位信号作为主调的输入，蒸汽流量信号与给水流量信号一起作为副调的 反馈输入。为保证给水自动调节系统的有效工作，采用变速积分PID控制算法进 行调节，在水位偏差较大时，积分时间减小，在水位偏差较小时，积分时 间加大，以使系统很快达到设定水位值。此外，在异常情况下系统也可切 至手动操作，在给水流量或蒸汽流量检测出现问题时，也可切换为双冲量 控制。汽包水位 给水流量 蒸汽流量给水控制系统控制策略如下图所示:图2-2给水控制系统2.4.5 汽包压力调节回路维持汽包压力恒定是重要的控制要求。当负荷的蒸汽用量发生变化 时，汽包压力就会产生波动。此时为了维持汽包压力恒定，必须改变进入 锅炉的燃料量和助燃空气量。要从能量平衡的角度来构造汽包压力调节回 路，即由燃料加入量维持汽包压力恒定。在汽包压力控制系统中，通过调节入炉燃料量来控制汽包压力，以满 足锅炉的运行要求，所有入炉燃料量是影响的重要因素之一。汽包压力控 制系统得到的燃料量指令和风量指令，分别送往燃料量控制系统和送风控 制系统。汽包压力调节回路控制策略如图所示:主气压力图2-3主汽压力控制系统2.4.6 炉膛负压调节回路锅炉炉膛压力调节系统由炉膛负压测量值及引风机变频器控制信号 来构造控制方案。炉膛压力调节系统中，炉膛负压测量值经过惯性延滞处 理后与给定值一起送入控制系统进行计算，计算结果动作引风机变频器，从而调节炉膛负压满足锅炉运行要求。由于引风量发生变化时，需经过一 段时间炉膛负压才发生变化，故在上述控制方案中直接把引风机速度实测 反馈信号作为前馈信号送入调节输出中，以提高引风风量变化时调节系统 响应的快速性。引风机速度反馈炉膛压力调节系统控制策略如下图所示:炉膛负压图2-4炉膛负压控制回路2.4.7水位控制程序框图:2.4.8燃烧控制回路程序框图:前馈用程转换炉棒机转速控制鼓风机转速控制线性转换du一乂兽芯洪惠前徽学聚诙曹武势转换使能咄皿4书檀极限值判定转换手动输入值鼓风机变藤器控制信号炉择机变频器控制信号引风机变频器控制信号第三章系统硬件组成3.1 总体结构本系统采用可编程控制器(PLC)加工控机的上、下位机控制结构。其 中，PLC负责硬件开关量I/O的控制和模拟信号的采集与调节，并通过 MPI进行全局数据通讯。工控机用来进行参数修改与设定、手动/自动控 制、在线监视、数据存贮与查询等工作。工控机通过MPI与PLC相连，进行相互通信。3.2 系统硬件组成图3-1 系统硬件组成框图3.3 主要器件选择本控制系统主要器件包括工控机、PLC、变频器等。证功能的同时尽可能要求高可靠性和使用方便。它们的选择在保1.工控机上位机选用工控行业应用广泛的研华工控机，具体配置是：IPC 610 机型，2.4G/P4CPUDDR256M内存，80G硬盘。该机型内部底板上有8个 ISA总线插槽，4个PCI总线插槽和2个CPU主板插槽，可以方便地进行 系统扩展。另外，选配戴尔19寸彩显，外接打印机。工控机通过Siemens 的CP5611卡与PLC通讯。CP5611是一款PCI卡，可用于将编程器或计 算机连接到PROFIBUS或MPI接口，其数据传输率为9.2Kbit/s-12Mbit/so2.PLC选型下位机PLC选用Siemens的S7-300通用型PLC。SIMATIC S7-300通用型可编程控制器能适合自动化工程中的各种应 用场合，是一种模块化中小型PLC系统，多种的性能递增的CPU和丰富 的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选 择合适的模块。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加模块对 PLC进行扩展。在国内，S7-300以其模块化、无排风扇结构、易于实现分 布、易于用户掌握等特点，成为各种控制任务的方便又经济的解决方案，能满足从小规模到中等性能的控制要求。PLC工作构成框图:图3-2 PLC构成框图S7-300通用型PLC由以下几部分组成：(1)中央处理单元(CPU)各种CPU有各种不同的性能，例：有的CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROF工BUS-DP通讯接口等。(2)信号模块(SM)用于数字量和模拟量输入/输出。(3)通讯处理器(CP)用于连接网络和点对点连接。(4)功能模块(FM)用于高速计数，定位操作(开环或闭环控制)和闭环控制。S7-300通用 型PLC具有如下诸多功能：(5)丰富的指令集和功能库包含350多条指令，包括二进制逻辑、括号指令、结果赋值、存储、计数、装载、传输、比较、移位、循环、产生补码、块调用、跳转等，还 有定点运算和浮点运算功能，用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运 算。特别是集成了很多标准控制功能块，如PID,可以实现复杂的过程控 制。(6)高速的指令处理0.6-0.1 p的指令处理时间完全满足中等到较低的性能要求。(7)方便用户的参数赋值只用一个带标准用户接口的软件工具就可给所有模块进行参数赋值，节省了入门和培训的费用。(8)人机界面(HMI)方便的人机界面服务己经集成在S7-300操作系统内，因此人机对话 的编程要求大大减少。(9)诊断功能CPU的智能化的诊断系统能连续监控系统的功能是否正常、记录错误 和特殊系统事件(例如:超时、模块更换等等)。(10)口令保护多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允 许的复制和修改。(11)操作方式选择开关操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变 操作方式，可防止非法删除或改写用户程序。(12)功能强大的通讯技术SIMATIC S7-300 CPU支持执行机构和传感器与CPU之间的过程和现 场通讯，以及可编程控制器相互之间的数据通讯。此外，S7-300系列PLC还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比 高，性能优越，装卸方便等优点。综合前面的分析，本系统包括如下不同性质的I/O点：30个开关量输 入，7个开关量输出，13个模拟量输入，3个模拟量输出。根据I/O点数 的确定及应用场合的区别，还有配置的裕量要求，本系统配置了如下模块(单台锅炉)：(1)2个模拟量输入模块SM331(AI 8*12Bit)：可提供具有12位分辨 率的总数为16路的模数转换通道：(2)1个模拟量输入模块SM331(AI 8*RTD)：可提供总数为8路的热 电阻输入通道；(3)1个模拟量输出模块SM332(AO 4*12Bit)：可提供具有12位分辨 率的总数为4路的数模转换通道；(4)2个数字量输入模块SM321(DI 32*24VDC)：可提供总数为64路 的开关量输入通道；(5)2个数字量输出模块SM322(DO 16*Rel AC120V/230V)：可提供总 数为32路的开关量输出通道；图3-3系统PLC配置图对上述各模块具体介绍如下：(1)模拟量输入模块SM331(AI 8*12Bit)该模块的输入测量值范围很宽，可直接输入电压、电流、电阻、热电 偶等信号，用于不带附加放大器的模拟执行元件和传感器，具有12到14 位的转换精度，在本系统中用于各流量、压力和炉膛温度的检测，将各变 送器传过来的两线制或四线制电流信号转变为S7-300内部处理用的数字 信号(正常数值为-27647+27648),由于此模拟量输入模块占据的是0导 轨上的4槽和5槽，所以根据SIMATIC S7-300它的I/O地址分配，4槽占 用地址(0.00.7),5槽占用地址(4.04.7)。该模块的核心部件是A/D转换器，采用积分法转换，可选的积分时间 有：2.5ms,16.6ms,20ms 和 100ms,对应抑制工频 400Hz,60Hz,50Hz 和 10Hz,按照我国现有的50Hz供电频率，此处可选20ms或50Hz。在该模 块中，8个模拟量输入通道共用一个积分式A/D转换器，每两个输入通道 构成一个输入通道组，可以按通道组任意选择测量类型和测量范围，每个 通道组都可选择诊断及诊断中断。模块上需接24VDC的负载电压L+,有反接保护功能，有故障指示(红 灯)。模块与S7-30