蒸汽锅炉自动控制方案.doc

蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 1 页 共 38 页 目目 录录 1 概 述.2 1.1 简介 .2 1.2 项目背景 .4 1.3 节能分析 .5 1.3.1 节煤分析.5 1.3.2 节电分析.6 2 系统方案.8 2.1 设计原则 .8 2.2 配置原则 .10 2.3 系统结构 .12 2.4 系统优点 .13 2.5 功能简介 .14 自动调节功能.14 手动功能.15 检测功能.16 连锁与报警功能.17 软件监控.18 3 控制方法简述.22 3.1 概述 .22 3.2 各控制回路的介绍 .24 4 系统工程条件.34 4.1 引用的规范和标准 .34 4.2 工作环境条件 .34 4.3 电源系统 .35 4.4 系统接地 .35 4.5 系统可靠性指标 .36 5 近二年主要工程业绩.37 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 2 页 共 38 页 1 1 概概 述述 1.11.1 简简 介介 锅炉是全厂重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负 荷的需要。我国现有大、中型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的 2/5，另有更多的小型采暖锅炉，普通存在高能耗、低效率、大浪费和环境污 染严重供暖现状。 锅炉计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、 硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，利用计算机与变频 自控技术对锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制，锅炉设备是一个 复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风 和引风量。主要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气氧量和 炉膛负压等。因此锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象。 锅炉控制的控制方式大体分手动仪表控制和微机自动控制两种方式，锅炉采 用微机自动控制和原有的仪表控制方式相比具有以下明显优势： 1.1.直观而集中的显示锅炉所有运行参数。能快速计算出锅炉在正常运 行和启停过程中的有用数据，并在显示器（屏）上同时显示锅炉运行水位、 压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、消耗量等数十个运行参量的瞬时值、 累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面相应位置上显示出参数 值。给操作人员以直观形象，减少观察的疲劳和失误； 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 3 页 共 38 页 2.2.可按需要随时打印或定时打印各种参数和数据，能对运行状况进行 准确地记录，便于事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象； 3.3.可在运行中随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的 控制参数，达到最佳运行工况； 4.4.减少了显示仪表，控制软件代替了许多复杂的仪表单元， （例如加 法器、微分器、滤波器、限幅报警器等） ，从而减少了投资也减少了故障率； 5.5.提高锅炉热效率。从已在运行的锅炉来看，采用计算机控制后热效 率可比以前提高5-10%，据用户统计，一台30T的锅炉，全年平均负荷70%，以 平均热效率提高5%，计全年节煤800吨，按每吨煤380元计算每年节约304000 元左右； 6.6.锅炉系统中包含鼓风机，引风机，给水泵，等大功率电动机，由于 锅炉本身特性和选型的因素，这些设备大部分时间非满负荷运行，原有方式 采用阀门和挡板控制流量，浪费比较严重。通过对风机水泵进行变频控制可 以平均节电达到30%-40%； 7.7.锅炉是一个多输入多数出、非线性动态对象，诸多调解量和被调量 间存在着耦合通道。例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。 故而理想控制应该采用多变量解偶控制方案。而建立解偶模型和算法只有通 过计算机实现比较方便； 8.8.微机控制系统经扩展后可构成分级控制系统，可与工厂内其他节点 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 4 页 共 38 页 构成工业以太网。这是企业现代化管理不可缺少的； 9.9.作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运 行，减轻操作人员的劳动强度。在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十 分周到的安全机制，可以设置多点声光报警，和自动连锁停炉。杜绝由于人 为疏忽造成的重大事故。 综合以上所述种种优点可以预见采用计算机控制锅炉系统是行业的大势 所趋。利用计算机来提高锅炉自动化水平，对节能、环保安全等诸方面意义 重大，符合国家节能环保的发展要求。 1 12 2 项目背景项目背景 锅炉房现有：2台20T/H蒸汽锅炉和1台15T/H蒸汽锅炉，手动操作仪表 盘3套，变频驱动柜3套，其它附属控制箱若干。进行改造后需拆除锅炉主控 制室的原有操作盘及仪表盘和附属相关设备，增加三套PLC控制系统（盘）和 一套计算机控制盘，结合原有变频驱动柜组成PLC的监控系统，实现对2台 35T/H和1台15T/H锅炉运行状态、各项参数的监视和锅炉参数的自动控制。 工程范围大概包含以下几部分： 1) 锅炉房自动化控制系统整体设计； 2) 锅炉仪表操作盘及仪表传感器制作与安装； 3) 3台锅炉控制与仪表电缆电线及桥架敷设； 4) 锅炉控制软件的编制与调试； 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 5 页 共 38 页 1.31.3 节能分析节能分析 对用户来说，稳定高效节能的系统才是受欢迎的，才能有发展前力。节 能效果高低是关系用户的切身利益，也是我们一致追求的目标。我们大致计 算一些供暖相关数据供贵方参考。 1.3.11.3.1 节煤分析节煤分析 我们2006年在对辽阳供暖公司40T锅炉运行（东丰锅炉厂）检测，其结 果如下： 节约前： 省煤器后过剩氧O2=10% ； 鼓风机入口处温度Trk=20； 空气预热器后温度Tpy=200； 根据英国排烟热损失计算公式如下： q2=（3.5521%/（21%O2）+0.44）(TpyTrk)/100 带入上式如下： q2=（3.5521%/（21%O2）+0.44）(TpyTrk)/100 =（3.551.91+0.44）1.8 =（6.78+0.44）1.8 =12.996% =13% 上了自动控制系统之后： 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 6 页 共 38 页 O2=4% 其他温度都不变 Q2=（3.5521/（21-4）+0.44）1.8 =（3.551.235+0.44）1.8 =4.831.8 =8.69% 前后排烟热损失差为： q2=q2q2=13%-8.69%=4.31% 3台锅炉计算数据为： 3台锅炉（总吨位55T/H）一小时计算耗煤量公式： 55T150Kg/h=8.25T/h 注：锅炉每吨位小时耗煤150公斤 1小时节煤为：8.25T/h 4.31%=0.3555T/h 取暖一天按8小时，天数按350天算，每吨煤价按350元，锅炉房每年可节 煤费用为： =350元/T0.3555/h8小时/天350天 =348，390元 1.3.21.3.2 节电分析节电分析 由于鼓、引风电机及采用变频控制技术使整个控制系统的线性度、可靠 性得到了大大提高，除此以外系统具备以下优势： 1、节能效益明显 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 7 页 共 38 页 2、降低了运行成本 3、减少大电机启动对电网的冲击，同时延长电机使用寿命 4、提高了自动化程度 5、节省控制柜、减少了维护难度。 节电费用计算公式： F1=（P1+P2）T1T2KF 其中： P1：引风机功率（20T：110KW，15T：90KW） P2：鼓风机功率（20T：30KW，15T：22KW） T1：鼓、引风机每天运行时间（按8小时取） T2：年运行天数（按350天取） K：鼓、引风机频率调节系数（N1/N=0.350.65 按0.35取） F：单位电价（0.48元/kwh） 因此运行40T/H锅炉每年可节电费用为： F1=（1102+90+302+22）83500.350.48 =184，396元 由于锅炉已上变频，此数据仅在原来工频的基础上计算出来的，由以上节 煤分析来看，用最保守方法估算，锅炉房运行一年就可收回投资近34万元， 所以从提高效率、节能能源、减轻劳动强度等长远角度是值得投资的。 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 8 页 共 38 页 2 系统方案系统方案 2.12.1 设计原则设计原则 锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、 PLC、上位机、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分组成，一次仪表 将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。 控制系统包括手动和自动操作部分，手动控制时由操作人员手动控制，用操 作器控制变频器、滑差电机及阀等，自动控制时对微机发出控制信号经执行 部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅 炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设 计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置， 以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。 微机控制系统由工控机、显示器、打印机、PLC、手操器、报警装置等组 成，能完成对给水、给煤、鼓风、引风等进行自动控制，使锅炉的汽包水位、 蒸汽压力保持在规定的数值上，以保证锅炉的安全运行，平稳操作，达到降 低煤耗、提高供送汽质量的目的，同时对运行参数如压力、温度等有流程动 态模拟图画面并配有数字说明，还可对汽包水位、压力、炉温等进行越限报 警，发出声光信号，还可定时打印出十几种运行参数的数据。以形成生产日 志和班、日产耗统计报表，有定时打印、随机打印、自定义时间段打印等几 种方式。 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 9 页 共 38 页 锅炉控制系统的硬件配置，目前有几种，功能较好首推可编程序控制器 PLC，适合于多台大型锅炉控制，由于PLC具有输入输出光电隔离、停电保护、 自诊断等功能，所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工业现场中，故障率 低。PLC编程简单，易于通信和联网，多台PLC进行链接及与计算机进行链接， 实现一台计算机和若干台PLC构成分布式控制网络，另外使用PLC加上位机的 控制系统具有很好的扩容性，如需要增加控制点或控制回路只需添加少量输 入输出模块即可，为以后的控制系统升级改造和其他功能的添加打下良好基 础，也为以后一机多炉控制系统等其他工厂级自动化网络打下良好基础。虽 然，从短期的角度看价格稍高，如果从长远观点看，其寿命长，故障率低， 易于维修，值得选用。 在本方案中我们充分考虑到下面的几个问题 1、方案的先进性：设计方案符合目前控制系统的发展潮流，采用国际 先进的硬件、软件技术。 2、可靠性：硬件系统选用德国西门子（SIEMENS）公司的S7-200控制器， 该公司的产品是世界一流的。软件选用国内亚控公司的组态控制软件，该公 司产品是国内功能最强大的、最专业的、最成熟的混合组态控制软件。 3、实用性：采用合理的配置、低的价格，满足基地需要。 4、操作维护方便：操作站人机界面充分考虑了操作员的方便和习惯。 5、可扩展性：用户可方便地增加新的锅炉、换热站以及管理计算机。 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 10 页 共 38 页 6、通讯网络：采用目前流行的工业现场总线。可使热源厂、换热站组成 区域网，同时具备联网的条件。 本技术方案参考了以往锅炉控制系统及锅炉相关技术参数。根据我单位 多年的工程实践和贵方改造工程的实际运行情况，通过与SIEMENS(德国西门 子)公司高性能控制器与我单位先进的控制策略相结合完全能够满足锅炉的控 制要求，尤其是核心控制部分。 2.22.2 配置原则配置原则 本方案由计算机控制系统、可编程控制器、后备手操台、变频控制柜 （已有）及仪表传感器等组成。 （1） 计算机控制系统 由一台工程师站和一台操作员站组成，计算机采用台湾研华高性能工业 专用控制计算机EVOC-5000，其配置为P4-2.0CPU以上、256M内存、40G硬盘、 21彩色显示器、40速DVD-ROM、3.5软驱、100/1000M自适应以太网卡、 Windows XP中文版一套、操作员键盘（触摸防水防尘键盘）和组态王的工程 师站、操作员站软件。 （2） 可编程控制器 采用西门子公司的 S7-200 中小型控制系统，该控制器具有分散控制，组 成灵活等特点，具备较高的可靠性、免维护性。 （3） 后备手操盘 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 11 页 共 38 页 每台锅炉设置一台手操台(含控制器)，元器件采用品质优良的进口件， 保证设备使用寿命，配线方法采用标准配法，符合国家安全标准，手操台上 设置必要的显示仪表、指示灯、手操器和按钮。 （4） 变频控制柜 鼓风、引风、炉排、除渣、上煤采用11控制方式，并具备自动变频调 速和手动软启动功能，柜体采用国家标准GGD柜生产。操作面板上设置必要的 本地操作显示仪表、指示灯和按钮。原有变频设备不更换，控制线路按现行 设计方案进行一些必要更改。 （5） 仪表传感器 锅炉主蒸汽压力、锅炉水位、炉膛温度、排烟温度、省煤器出口温度、 炉膛负压等现场信号，采用各类传感器经信号变送器转换成420MA电流信号 （避免干扰）再经可编程序控制器处理进入计算机，作为监控、控制、显示 等依据。关键测点的仪表采用进口产品，其他测点采用合资或国内产品。 水电煤检测仪表 这些仪表来自中外合资企业生产的，具有安装维护方便，计量准确等特 点。 压力温度检测仪表 压力变送器、差压变送器、微差压变送器和温度变送器选用进口1151系 列智能化变送器及合资公司优质产品。 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 12 页 共 38 页 显示及盘装仪表 采用合资公司的万能仪表，调试和维护相当简便。 2.32.3 系统网络结构系统网络结构 整个系统按三级网络设计，系统主机设置在主厂房锅炉控制室内。根据 本工程规模需要系统最好配备一个现场控制站（I/O 站）和一个操作员站及 一个工程师站，本工程不单独配置工程师站，其功能由操作员站兼任，现场 控制站和操作员站通讯采用 PPI 多点接口网络；对前期工程的 3 台锅炉的监 控通过 PROFIBUS 总线采用远程 I/O 站的形式，这样既可以保证设备就地监控， 又可以避免信号衰减、干扰，还可以减少线缆购买及敷设的费用。远程监控 系统采用标准以太网通过铺设光缆的方式进行数据传输，在调度室上设置一 台远程监控站和现场同步数据传输和更新；在技术部、副总经理、总经理办 公室分别设置一台远程浏览站，可以通过 IE 浏览器监视系统的运行情况。系 统结构图如下： 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 13 页 共 38 页 图图 2-12-1 系统结构图系统结构图 2.42.4 系统优点系统优点 （1）依据主蒸汽压力自动计算控制负荷、自动补偿，根据运行燃烧工况， 自行调整鼓、引风机以及炉排机的转速，从而实现精确供热控制，使锅炉始 终在最佳工况状态下运行，避免大马拉小车的能源浪费。 （2）自动化程度的提高可以减少工人数量，节约人工费开资，利用自动 控制系统实现自寻优控制，节煤，节电，节水，综合经济效益显著，运行费 用节约 30-50%（详细参考节能分析） 。 （3）按照设定参数运行，自动启停炉，自动临测与报警，防止锅炉跑冒 滴滴等现象，减少劳动强度。 技术办公室 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 14 页 共 38 页 （4）设备各项保护功能齐全，并自动提供报警信息以及故障解决方案， 提高了设备的运行安全。 （5）自动生成各种运行报表（班报、日报、月报） ，累计设备运行时间， 随时可通过计算机查看和控制锅炉运行状态，并对各种参数进行曲线分析， 便于运营成本的分析和控制。 （6）由于燃烧效率的提高而减少有害物排放量，减轻环境污染。 （7）变频调速的应用使主要鼓、引风机、炉排机和循环水泵可变频调速 控制，使得锅炉的燃煤量可连续调节，同时大电动机的零带速软启动，大大 减轻设备对电网的影响，也降低了设备故障率，使整个设备安全系数有了大 幅度提高，增加了设备使用寿命。 2.52.5 功能简介功能简介 1 1、自动调节功能、自动调节功能 （1）主蒸汽压力控制 锅炉燃烧系统自动调节的基本任务，是使燃料燃烧所产生的热量，适应 蒸汽负荷的需要。燃烧调节是以主蒸汽压力为主调量，采用风-煤配比控制， 通过调节炉排转速和鼓风机频率使蒸汽压力尽快达到设定要求，同时还要保 持经济燃烧和锅炉的安全运行。目前，中小型煤粉炉控制系统效果不佳主要 体现在送风和给煤控制上。送风控制系统应与给煤控制相协调，控制在一定 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 15 页 共 38 页 的风煤比，采用烟气含氧量修正风-煤配比，维持燃烧处在最佳燃烧状态，采 用时序设定方式，根据不同要求时间自动改变蒸汽压力设定值，以达到较佳 的燃烧工况，实现经济运行。 （2）炉膛负压控制 炉膛负压反映了送风量与引风量之间的平衡关系，目标就是要保证锅炉 在运行过程中，始终保持在微负压的稳定状态，以保证其安全有效运行，负 压调节根据炉膛负压信号及鼓风量信号构成前馈-反馈控制，调节引风机电机 频率，使炉膛负压保持在一定的范围内（-20Pa） 。 （3）汽包液位控制 锅炉给水自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量,并使汽包液位保 持在工艺允许的范围内。液位控制采用三冲量控制方法，即以给水流量、主 蒸汽流量作为补充信号的三参数控制系统。其中三冲量调节系统还可分为三 冲量单级调节和三冲量串级调节，水流量调节由室外温度变化和供回水温差， 通过变频器调整循环水泵转速，从而达到控制供水流量的控制方法。 （4）过热蒸汽出口温度控制 过热蒸汽的温度是锅炉生产过程的重要参数，一般由锅炉和生产的工艺 确定。从安全生产和经济技术指标上看，必须控制过热蒸汽温度在允许范围 之内。在 35T 锅炉计算机控制系统中，通常调节手段是改变减温水流量，在 结构上，采用一个的单回路控制系统，通过锅炉的进水系统中锅炉的减温水 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 16 页 共 38 页 阀控制给水量，进而控制蒸汽温度。 2 2、 手动功能手动功能 （1）参数显示功能：仪表盘上装有后备显示仪表可对系统重要工艺参数 进行显示。 （2）手动控制功能：在控制系统中手动控制不可忽视，在初期调试和正 常运行后，一旦自动系统的部分模块出现任何问题都可及时切换到手动操作 和控制，而且手操器有数字光柱显示，可方便地知道电动执行器或电动调节 阀的位置，从而保证了整个系统的正常运行。仪表盘上装有后备手操器，可 对系统进行远程手操。当手操器上的手/自动开关拨于自动位置时，为计算机 控制。手动与自动切换为双向无扰切换。为确保锅炉在系统或远程控制系统 出现故障时仍能使锅炉系统维持安全运行，我们在系统设计时使用了后备操 作器，使我们的系统提供了能实现系统与仪表控制系统或手动操作系统、远 程与就地的平稳和无扰切换功能，在系统故障排除后可平稳、无扰地切换为 微机自动控制。 3 3、 检测功能检测功能 （1）温度： 锅炉省煤器入口温度 锅炉省煤器出口温度 锅炉出口蒸汽温度 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 17 页 共 38 页 空气予热器前温度 锅炉炉膛温度 炉膛出口烟温 （2）压力： 锅炉主蒸汽压力 系统补水压力 锅炉炉膛负压 鼓风机出口风压 引风机前负压 炉膛出口压力 （3）其它： 鼓风机转速 引风机转速 炉排机转速 系统用水量 设备耗电量 锅炉耗煤量 设备启停状态指示 4 4、连锁与报警功能、连锁与报警功能 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 18 页 共 38 页 （1）连锁参数 锅炉出口蒸汽压力上下限报警连锁停炉 锅炉省煤器出口温度上限报警连锁停炉 炉膛温度上限报警连锁停炉 鼓风、引风变频及炉排上电与远传信号的连锁关系是： 启动：引风鼓风炉排 停止：炉排鼓风引风 并留有与超温、超压的连锁接口 （2）报警参数 锅炉出口蒸汽压力上下限报警 锅炉省煤器出口温度上下限报警 炉膛温度上限报警 系统供水压力上下限报警 锅炉水位高低限报警 炉膛负压上下限报警 变频故障报警指示 5 5、 软件监控软件监控 具有主要工艺参数的监控、报警、历史曲线的显示、报表打印、信息 上传、控制参数修正等功能。其结构如图 2-2 所示。 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 19 页 共 38 页 操作人员通过流程画面上的提示信息和窗口信息，利用鼠标器逐层选择 即可方便地进行诸如手动/自动切换，遥控操作，流程画面之间的切换，报表 的打印等操作。除非想利用一些特殊功能键来实现快速操作，否则，所有的 操作不必借助键盘。保证了操作的单一性，方便性和可靠性，便于用户掌握。 操作站的组态软件（CONFIG）包括连续控制图、顺序控制图、梯形逻辑图、 设定点程序、处方和上/下装软件，使用这些组态软件可对控制器进行组态； 使用绘图软件（DRAW）可在屏幕上绘制工艺流程、工艺参数、报警状态；使 用显示软件（VIEW）在屏幕上显示以绘制好的工艺流程、工艺参数、报警状 态；用数据采集软件（COLLECT）来搜集所采集的数据；用历史趋势软件 （HISTORY）来显示工艺参数的历史趋势；用特殊的EXCEL软件来打印报表； 系统总貌 参数设置实时数据历史曲线报警信息 报表打印运行记录数据查询消耗统计 用户管理1#炉工艺3#炉工艺2#炉工艺 图图2-22-2 软件结构图软件结构图 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 20 页 共 38 页 它还可以设定多种安全级别，即根据每个人的工作职务决定其操作的操作权 限，保证了控制系统的安全运行，防止了无权人员的误操作。 为了形象地监视、分析和操作整个锅炉控制过程，共生成了锅炉燃烧控制 系统、主蒸汽压力调节系统、炉排控制系统、炉膛负压控制系统、自动补水 系统、上煤及除渣系统设备运行状态、排烟污染情况监测等动态流程画面。 另外，为了方便开车调试、事故分析、控制方案修改，还设置了总貌画面、 报警显示画面、棒图显示画面、调整参数画面、报表打印画面、实时趋势、 历史趋势画面和系统自检画面。 1 1） 流程画面：流程画面：以流程图的形式，通过图形符号的颜色变化、闪烁等方式， 动态显示锅炉的运行状态，操作人员可通过此画面直观了解锅炉的各工艺参 数。 2 2） 工艺参数画面：工艺参数画面：将PLC采集来的各工艺参数与其对应的名称、位号以 表格形式实时的显示出来。而且通过检测到的参数及其他输入参数，可显示 对锅炉正平衡热效率所进行的实时计算、累积、对比结果等，用以考核运行 人员的工作情况。 3 3）调节画面：）调节画面：将系统各控制回路的运行状态和有关参数以调节棒图的形 式显示出来。操作人员利用键盘或鼠标方便地对各控制回路的控制参数 （SV、P、I、D等）进行在线修正。也可对控制回路进行自动/手动切换，实 现遥控操作。 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 21 页 共 38 页 4 4） 报警画面：报警画面：用于记录何时何处有何报警，以便有关人员查询。同时实 现安全联锁控制，报警及事故处理自动控制，并具有自诊断、自恢复功能。 5 5） 历史趋势画面：历史趋势画面：用于记录系统主要工艺参数，一班、一天、一个月或 一个供暖期的数据，以曲线的形式显示出来，包括温度连续图、流量连续图 等，以便管理人员检查，分析锅炉及整个供暖期的运行状态，为今后生产管 理提供真实的数据。 注：注：在任何画面中，如系统发生报警都将在该画面中提示报警信息，提醒 操作人员进行报警查询和做出相应处理。 系统的各个模拟采样参数均以数字形式实时的显示出来，并以液位的上下 动作，变频调速转动速率变化，管道介质的流动等形象地显示出来。开关量 的采样参数以电机的转动，或图形符号的颜色变化，闪烁等方式动态显示。 对于需控制的参数，均设制了开窗口功能，利用鼠标器可以方便地打开、关 闭子窗口。在子窗口中，可以利用鼠标器或键盘方便地调整控制参数（PID调 节具有自整定功能），手动/自动切换，以及遥控操作。为了方便用户的操作， 还设置了一些特殊功能键，实现了一些电器的点动操作和画面的快速切换。 操作站还配置了一台打印机，其一专门负责随时打印报警，操作记录，便 于事故分析。其二负责定时或随时打印历史趋势、运行日志等报表。运行日 志报表可以利用EXCEL报表软件生成各种自由格式报表。 6 6）网络远传功能）网络远传功能 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 22 页 共 38 页 随着Internet科技日益渗透到生产、生活的各个领域，自动化软件的e 趋势已发展成为整合IT与自动化的关键。并且不同工作职责的使用者使用各 自的授权口令完成各自的操作，这包括现场的操作者可以完成设备的起停， 中控室的工程师可以完成工艺参数的整定，办公室的决策者可以实时掌握生 产成本、设备利用率及产量等数据。Internet功能逼真再现功能画面，可使 在任何时间任何地点均可实时掌控每一个运行细节、现场的流程画面、过程 数据、趋势曲线、生产报表(支持报表打印和数据下载)、操作记录和报警等 均轻松浏览。当然您必须要有授权口令才能完成这些。用户还可以自己编辑 发布的网站首页信息和图标，成为真正企业信息化的厂区。 总之，以Web技术为核心的Internet使管控一体化系统更接近用户，更接 近应用，更有利于网络的进一步扩展。是当今信息系统发展趋势的主流。 3 3 控制方法简述控制方法简述 3.13.1 概述概述 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 23 页 共 38 页 常见的工业锅炉系统如图1所示。首先除氧水通过给水泵进入给水调节阀， 通过给水调节阀进入省煤器，冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟 气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，蒸汽通过主蒸 汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被 由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。煤经过煤斗落在炉排上，在 炉排的缓慢转动下煤进入炉膛被前面的火点燃，在燃烧过程中发出热量加热 汽包中的水，同时产生热烟气。在引风机的抽吸作用下经过省煤气和空气预 热器，把预热传导给进入锅炉的水和空气。通过这种方式使锅炉的热能得到 节约。降温后的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。 锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、 PLC、上位机、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分组成，一次仪表 图1：工业锅炉结构示意 图 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 24 页 共 38 页 将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。 控制系统包括手动和自动操作部分，手动控制时由操作人员手动控制，用操 作器控制变频器、滑差电机及调节阀等，自动控制时对微机发出控制信号经 执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保 证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系 统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装 置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事 故。 微机控制系统由工控机、显示器、打印机、PLC、手操器、报警装置等组 成，能完成对给水、给煤、鼓风、引风等进行自动控制，使锅炉的汽包水位、 蒸汽压力保持在规定的数值上，以保证锅炉的安全运行，平稳操作，达到降 低煤耗、提高送汽质量的目的，同时对运行参数如压力、温度等有流程动态 模拟图画面并配有数字说明，还可对汽包水位、压力、炉温等进行越限报警， 发出声光信号，还可定时打印出十几种运行参数的数据。以形成生产日志和 班、日消耗统计报表，有定时打印、随机打印、自定义时间段打印等几种方 式。 锅炉控制系统的硬件配置，目前有几种，功能较好首推可编程序控制器 PLC，适合于多台大型锅炉控制，由于PLC具有输入输出光电隔离、停电保护、 自诊断等功能，所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工业现场中，故障率 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 25 页 共 38 页 低。PLC编程简单，易于通信和联网，多台PLC进行链接及与计算机进行链接， 实现一台计算机和若干台PLC构成分布式控制网络，另外使用PLC加上位机的 控制系统具有很好的扩容性，如需要增加控制点或控制回路只需添加少量输 入输出模块即可，为以后的控制系统升级改造和其他功能的添加打下良好基 础，也为以后一机多炉控制系统等其他工厂级自动化网络打下良好基础。虽 然，从短期的角度看价格稍高，如果从长远观点看，其寿命长，故障率低， 易于维修，值得选用。 3.23.2 锅炉控制系统中各控制回路的介绍锅炉控制系统中各控制回路的介绍 锅炉控制系统，一般有汽包液位、燃烧控制、主蒸汽压力、炉膛负压、 送风等控制系统。锅炉的燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作 为能量平衡指标，不断根据用汽量与压力的变化调整燃料量与送风量，同时 保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用。 3.2.13.2.1 汽包液位控制汽包液位控制 汽包液位控制本质任务是使给水流量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水 位在允许的范围内。给水自动调节的另一个任务是保持给水稳定。在整个控 制回路中要全面考虑这两方面的任务。在控制回路中被调参数是汽包水位 （H），调节机构是给水调解阀，调节量是给水流量（W）。 对汽包水位调节系统产生扰动的因素有蒸发量D、炉膛热负荷（燃料量 M），给水量（W）。 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 26 页 共 38 页 蒸发量D扰动作用下水位对象的动态特性 当给水流量不变，蒸发量忽然增加D时，如果只从物质不平衡角度来看， 则反映曲线如图2(a)中的H1(t)所示，但由于蒸发量增加时，汽包容积增加， 水位将上升，水位的反映曲线如图2(a)中的H2(t) 所示。H1(t)和H2(t)相结合，实际的水位阶跃反应曲线如图2(a)中的H(t)所 示。 炉膛负荷扰动（燃料量M扰动）时水位对象的动态特性 燃料量增加M时，蒸发量大于给水量，水位下降。但开始是由于有虚假 水位存在，水位线上升，然后再下降。如图2(b)中所示。 给水流量（W）扰动时的水位对象的动态特性 当蒸发量不变，而给水量阶跃扰动时。汽包水位如图2(c)所示。在开始 阶段。由于刚进入得水水温较低。使汽水混合物中的汽泡吞量减少。水位下 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 27 页 共 38 页 降，如图2(c)中的H1(t)所示。而H2(t)反映了物质不平衡引起的水位变化， H1(t)和H2(t)相加得到了总的给水量扰动的阶跃反应曲线H(t)。 图图3 3：汽包液位控制框图：汽包液位控制框图 由于给水调节对象没有自平衡能力，又存在滞后。因此在一般锅炉控制 系统中汽包液位回路采用闭环三冲量调节系统。所谓三冲量调节系统就是把 给水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三个变量通过运算后调节给水阀的调节系 统。具体调节过程方框图如图3所示。 先通过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得各自的信号乘以相应的比 例系数，通过比例系数可以调节蒸汽流量或给水流量对调节系统的影响力度。 通过差压变送器取得水位信号作为主调节信号H。如果水位设定值为G，那么 在平衡条件下应有D*Dk-W*Wk+H-G=0的关系式存在。其中Dk为蒸汽流量系数 Wk为给水流量系数。如果再设定时，保证在稳态下D*Dk=W*Wk那么就可以 得到H=G。此时调节器的输出就与符合对应，给水阀停在某一位置上。若有一 个或多个信号发生变化，平衡状态被破坏，PI调节模块的输出必将发生变化。 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 28 页 共 38 页 当水位升高了，则调节模块的输出信号就减小，使得给水调节阀关小。反之， 当水位降低时，调节模块的输出值增大，使给水阀开大。实践证明三冲量给 水单极自动调节系统能保持水位稳定，且给水调节阀动作平稳。 锅炉给水系统中还有一个比较重要的控制回路是给水压力回路，因为汽 包内压力较高，要给锅炉补水必须提供更高的压力，给水压力回路的作用是 提高水压，使水能够正常注入汽包。但在蒸汽流量未达到满负荷时，对给水 流量的要求也不高。在老式的锅炉系统中一般采用给水泵一直以工频方式运 转，用回流阀降低水压防止爆管，现在一般采用通过变频器恒压供水的方式 控制水压，具体实现方式是： 系统下达指令由变频器自动启动第一台泵运行，系统检测给水管的水压， 当变频器频率上升到工频时，如水压未达到设定的压力值，系统自动将第一 台电机切换至工频直供电，并由变频器拖动第二台水泵运行，如变频器运行 到工频状态时供水母管压力仍未达到设定压力值系统自动将第二台水泵切换 至工频直供电，再由变频器拖动第三台运行，依次类推，直至压力达到设定 值。若锅炉需要的给水量减少，变频控制系统可自动降低变频器的运行频率， 如变频器的频率到零仍不能满足要求，则变频器自动切换至前一台水泵进行 变频运行，依次类推。变频恒压供水控制系统的实质是：始终利用一台变频 器自动调整水泵的转速，切换时间以管网的实际压力和设定压力的差值决定， 同时保证管网的压力动态恒定。值得注意的是为了防止变频器报警停机或其 蒸汽锅炉自动控制方案 沈阳九星电子技术开发有限公司 第 29 页 共 38 页 他故障造成水泵不转会引起锅炉缺水，所以应该加反馈装置确保变频器正常 工作。 除此之外锅炉的供水系统中还包括除氧器压力控制和除氧器水位控制， 除氧器压力控制主要是为了保证除氧器口有足够的蒸汽压力用于将软化水除 氧，这是一个单闭环控制回路，输入参数是除氧器压力输出参数控制除氧器 进汽阀。除氧器水位控制主要是为了保证除氧器内有足够的水提供给锅炉， 这是一个单闭环控制回路输入参数，是除氧器水位输出参数控制除氧器进水 阀。 3.2.23.2.2 锅炉燃烧控制锅炉燃烧控制 燃烧过程自动调节系统的选择虽然与燃烧的种类和供给系统、燃烧方式 以及锅炉与负荷的联结方式都有关系，但是燃烧过程自动调节的任务都是一 样的。归纳起来，燃烧过程自动调节系统有三大任务： 维持汽压恒定。汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应，