（机械制造及其自动化专业论文）燃气锅炉的运行控制及远程监控系统.pdf

摘要 现今，一般的燃气锅炉设计效率均能达到9 0 左右，但在实际运行中，由 于空气和燃气的混合比例没有达到最佳值，往往造成燃气不完全燃烧或空气过 量，使锅炉热效率降低，造成能源浪费与环境污染。因此，有必要研究锅炉燃烧 系统在多大的空燃比下运行能够处在最优状态。 在实际运行当中，由于外界的温度变化以及各种工况的变化，系统需要的总 热量往往会变化。如果燃气锅炉的供热量总是不变，势必会出现供热量过多或过 少的情况，造成能量的浪费。 为了使锅炉高效运行，本文着重讨论了过量空气系数对锅炉燃烧系统的影响 以及实现锅炉供热量根据需求变化的方法。我们采用变频调速技术，通过改变系 统进气量，实现燃气锅炉的供热量的变化。本文依据模糊控制理论，设计了一种 参数自整定的多级模糊控制器来进行控制，这种算法采用变步长的办法，能够适 应不同工况下的锅炉系统，并且能够很快的达到控制要求。 另外，由于网络技术和通讯技术的发展，使我们能够对锅炉进行远程监控， 提高锅炉的安全性，并且降低操作人员工作量，提高管理水平。本课题利用组态 软件建立起一套远程监控系统。 关键词燃气锅炉；燃烧优化；模糊算法；远程监控 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ed e s i g n a b l ee f f i c i e n c yo f t h eg e n e r i cg a sb o i l e ri su pt o9 0 o rs o i nf a 吒w h e nt h eg a sb o i l e ri sc i r c u l a t i n g ，t h ea i ra n dt h eg a sc a n tm i xc o m m e n d a b l y , i ti st h er e a s o nt h a tl e a d st ot h eg a st ob u mi n a d e q u a t eo rt os u p e r f l u o u sg a s ，a n di t m a k e st h et h e r m a le f f i c i e n c yo ft h eg a sb o i l e rd e p r e s s e d ，t h ee n e r g yw a s t e da n dt h e c i r c u m s t a n c ep o l l u t e d t h e r e f o r e , i ti sn e c e s s a r yf o rn st os t u d yh o wm u c ht h ea i r g a s c o m p a r i s o nd o e st h eb o i l e rw o r ki nt h eb e s ta p p e a r a n c eu n d e r i np r a c t i c e ，b e c a u s eo ft h ee x t e r n a lw o r l do ft e m p e r a t u r ev a r i e t ya n dv a r i o u s v a r i e t yo fw o r kc o n d i t i o n ，t h et o t a lc a l o r i e st h a ts y s t e mn e e du s u a l l yw i l lc h a n g e i f t h eg a sb o i l e ra l w a y sp r o v i d e st h ec a l o r i e sc o n s t a n t l y , c e r t a i n l yw i l la p p e a rt op r o v i d e t h ec a l o r i e se x c e s s i v eo ro v e rl i t t l e ，r e s u l ti ne n e r g yw a s t e f o rm a k i n gt h eb o i l e rw o r ke f f i c i e n t l y , t h i st e x te m p h a s i z e st od i s c u s st h e i n f l u e n c eo f t h es u p e r f l u o u sa i rc o e f f i c i e n tt ot h eb u r n i n gs y s t e mo f t h eb o i l e ra n dt h e m e t h o dt h a tp r o v i d e st h ec a l o r i e st o c h a n g ea c c o r d i n gt ot h en e e d w ea d o p t f e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n i q u e ，c a r r yo u tt h eg a sb o i l e rt op r o v i d et h ev a r i a t i o n a l c a l o r i e s ，b yc h a n g i n gt h ev o l u m eo f t h ea i ro f t h es y s t e m t h i st e x td e s i g n sap r a c t i c a l a d a p t i v ef u z z yc o n t r o lm e t h o d ，t h ec a l c u l a t ew a yf r o mt h eo r i e n t a t i o nt oc a r r yo nt h e c o n t r o la c c o r d i n gt ot h em i s t yc o n t r o lt h e o r i e s b ya d o p t i n gv a r i a t i o n a ls t e p ，t h i sk i n d o f c a l c u l a t i n gw a y ，c a na d a p tu n d e rd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o no f b o i l e rs y s t e m ，a n dc a l l v e r yq u i c k l ya t t a i nt h ec o n t r o lr e q u e s t m o r e o v e r , b e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r k t e c h n i q u e a n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e , w ec a l lc a r r yo nt h el o n gr a n g es u p e r v i s i o nt ot h eb o i l e r , a n dl o w e rt oo p e r a t ep e r s o n n e l sw o r k l o a d ，a n de n h a n c et h es a f e t yo ft h eb o i l e ra n d m a n a g e m e n tl e v e l t h i st o p i cm a k e su s eo f t h es o f t w a r en a m e dk i n g v i e wt or i s eas e t o f l o n gr a n g es u p e r v i s i o ns y s t e r n 。 k e y w o r d st h eg a sb o i l e r ；t h eo p t i m i z a t i o no ft h ec o m b u s t i o n ；f u z z ya l g o r i t h m ；t h e l o n gr a n g es u p e r v i s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特剐加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲避新躲越吼婴苎璺 f 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1课题背景 当今，环境与发展已成为人类社会面临的两大课题，而这些问题的解决无一 不与能源密切相关。能源是人类赖以生存的基础和国民经济发展的动力。煤、石 油以及天然气等矿物燃料是常规能源的重要组成部分。新中国成立后的5 5 年间， 我国的能源工业发展很快，极大地促进国民经济的迅猛发展。但是，我国的能源 消耗主要以煤炭为主，在9 0 年代煤炭消耗的比重占能源消耗的7 5 。煤燃烧产 物中的二氧化硫和烟尘排入大气，造成大气污染。我国的锅炉目前以煤为主要燃 料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一，工业污染十分严重，而且锅炉形式比较 陈旧，生产效率和自动化程度低，这又进一步加重了环境污染的程度，制约了社 会经济的进一步发展。因此，调整能源消费结构，逐步提高使用液体燃料和气体 燃料的比例是加强环境保护、实施可持续发展战略的措施之一 1 1 。 近几年随着科学技术的进步，能源消耗结构趋向多样化，新能源和替代能源 的大规模使用指日可待。其中油、气燃料作为优质、高效、环保型清洁能源有着 广阔的应用前景。燃油、燃气锅炉的燃烧效率高、体积小、无尘、噪音低，并且 适合于自动控制，调节性能灵活，运输简单方便，具有广大的应用发展前景，成 为中小型锅炉必然的升级换代产品【2 】。当前，在些发达国家中，石油和天然气 在能源消费中约占6 0 ，成为第一能源。据统计，这些国家的供暖锅炉中，燃油 燃气锅炉己经占据相当大的份额。近几年来，我国城市燃气结构发生很大变化， 陕北天然气已经进入京津，渤海天然气已经上岸，尤其西气东输工程的实施，更 为燃气锅炉的应用起到了推动作用。我国有十分丰富的天然气资源，天然气硬计 储量为3 8 万亿m 3 。截止1 9 9 6 年底，已探明天然气储量2 4 万亿m 3 ，资源探 明程度6 3 1 。在今后的2 0 年至3 0 年内，预计每年探明储量1 0 0 0 亿r l l 3 ， 我国天然气预计储量占全球天然气预计储量的1 0 左右。其次我国有3 0 万亿 1 0 至3 5 万亿m 3 的煤层气资源，分布在中部和东部地区。中国国家发展计划委 员会能源研究所预测，2 1 世纪的头2 0 年中国天然气和液化气的用量将大幅度 增长。我国目前力争在2 0 0 5 年以前把国产天然气的产量提高到3 0 0 亿m 3 以 北京工业大学工学硕士学位论文 上，2 0 1 0 年产量达到6 0 0 亿m 3 。煤层气的开发利用已列入中国2 l 世纪议程 中的优选项目，国家给予政策支持，扩大开放，吸引国际资金和先进技术投入到 煤层气领域，在2 0 1 0 年中国煤层气产量将达到1 0 0 亿1 1 3 3 年c 1 】a 燃气是一种优质、高效、环保型清洁能源。随着我国经济建设不断繁荣和发 展，对燃气的消费需求的日益增长，将促进中小型燃气锅炉的发展。工业和民用 锅炉使用燃气，不仅可以孵决锅炉燃煤和环境之间的突出矛盾，而且在经济上也 是可行的，有着十分广阔的市场前景【3 o 但是，目前我国燃气锅炉存在很多问题，主要有以下几点1 4 】：燃烧效率 低；自动化程度低；热效率低；价格高。 目前，世界各国都存在能源短缺的问题，我国能源问题更为突出，因此，如 何使锅炉高效、安全运行，提高自动化程度，是锅炉改造的重点。 1 2 锅炉控制系统发展概述 自动控制系统是锅炉的必不可少的组成部分。从某种意义上讲，自动控制系 统的优劣决定了一台锅炉的安全性、经济性及锅炉的寿命。 锅炉的自动控制系统包括热工参数的检测与显示、锅炉的运行控制、程序点 火及保护与连锁。热工参数的检测是对锅炉本体及辅机所有的热工参数进行检 测，并对重要参数进行显示、打印与存储。它是锅炉控制中运行参数的来源，同 时供司炉人员对锅炉运行工况进行监视。锅炉控制是对锅炉输出参数( 热水温度) 的控制、锅炉水位的控制等，它使锅炉运行在某一最佳工况或设定工况。程序点 火是使锅炉严格按照一定的循序进行点火，防止炉膛内存有一定的可燃物而引起 的爆炸。保护与连锁是使锅炉在发生故障时，以一定的程序停炉，如点火失败、 中途熄火、燃气泄漏、主要热工参数超限的情况下进行紧急停炉，以确保人身与 财产安全1 5 】。锅炉自动化控制系统是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能 等几项技术紧密结合的产物，具有提高锅炉输出参数的稳定性、保障操作人员及 设备的安全、改善锅炉房的生产条件、减轻司炉人员的劳动强度、节约能源等优 点。 锅炉控制系统的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由手动 到自动的过程。6 0 年代，锅炉的控制还只是实行人工操作，锅炉的燃烧完全是 2 第1 章绪论 凭司炉工人的经验，几乎谈不到自动控制。到了7 0 8 0 年代，逐步出现了由常规 检测仪表和调节仪表构成的模拟控制系统，它具有可靠性高，成本低，易于操作 和维护等优点，在大、中、小工业企业中得到了广泛应用，解决了不少自动化方 面的问题。到了9 0 年代，出现了以计算机作为自动化工具的过程控制技术，计 算机控制系统运算速度快，控制精度高，并且具有分时操作功能，一台计算机可 代替多台常规装置，计算机具有较强的记忆功能和逻辑判断功能，在环境或过程 参数发生变化时，能及时做出判断，选择最优控制决策。 进入2 l 世纪已经到来，人类进入了一个以知识经济为特征的信息时代，检 测技术、计算机技术和通讯技术一起构成现代信息的三大基础【6 1 。2 1 世纪第一个 1 0 年的热点必将是传感、执行与检测。锅炉自动化控制系统作为传感、执行与 检测技术的一个应用方面也必将跨入数字化、网络化和智能化时代。而且，对于 大规模锅炉群控，检测技术、计算机技术和通讯技术的结合在一起，形成锅炉控 制系统的集成化管理、网络化控制，这将是锅炉控制系统发展的又一个里程碑。 而在锅炉控制理论方面，也有许多优秀的控制理论相继出现。最为典型的 是p i d 控制，即比例、积分和微分控制。后来，模糊控制理论得到长足发展，目 前已经很好地应用在锅炉控制系统上【7 1 。 对于大型锅炉，我们可以选择计算机控制，因为它具有强大的数学运算能 力，可以选择优秀的控制理论，使锅炉的运行更加安全可靠，控制效果更好【8 。 但对于中小型锅炉来说，一般采用p l c 或单片机控制，由于它们的运算能力的 限制，不可能采用运算量较大的控制算法，所以，总的来讲，中小型锅炉的控制 水平不高，有待于进一步开发研究 9 1 。 1 3 本课题的研究意义和内容 本课题针对目前中小型燃气锅炉普遍存在的燃烧效率低和自动化程度低的 特点，从燃烧机理和实际运行情况出发，对锅炉燃烧进行分析，采用较为先进的 控制理论，开发出安全可靠而且性能优越的控制系统，推进了中小型锅炉的发展。 目前，在大中城市里，由于场地的限制，有些地方不适合建设大规模的供热 站，因此供暖锅炉小型化成为一种趋势。由于锅炉分散，为了方便管理，提高系 统安全性，人们迫切要求对锅炉进行远程监控【1 0 】。因此，锅炉小型化并采用远程 北京工业大学工学硕士学位论文 监控技术成为目前城市供热站建设的新形式。本课题从这方面考虑，开发出锅炉 远程监控系统。 本课题有锅炉运行控制及锅炉远程监控两大块，其中燃烧控制是重点。经过 详细考虑与仔细论证，本课题的主要研究与工作内容主要包括以下几个方面，分 别是： ( 1 ) 根据锅炉运行的特点，提出锅炉运行控制基本方案。 ( 2 ) 选用实验所必需的软硬件设备；包括气体分析仪、氧传感器、p l c 、 a d 模块，变频器、实验用燃气锅炉、上位机编程软件等。 ( 3 ) 使用精密气体分析仪采集各种燃烧状况下排烟氧含量、一氧化碳含量、 温度三参数样本数据，根据采集来的样本数据，用排烟氧含量计算最佳排烟氧含 量区问【l i 】。 ( 4 ) 设计一套控制算法，使锅炉在调整锅炉供热量的过程中，能够快速准 确地达到控制要求1 2 l 。 ( 5 ) 建立远程监控系统，实现上位机对下位机的管理，保证系统安全可靠 运行。 1 4 本章小结 本章通过介绍国内外燃气锅炉及其控制系统的发展与特点，确定了本课题的 研究内容，并阐述了课题研究的现实意义。 4 第2 章锅炉系统的热平衡分析 第2 章锅炉系统的热平衡分析 2 1 热平衡分析 为了让锅炉在节能的状况下运行，需要知道锅炉系统所需要的总能量。因此， 分析总能量的变化量是非常有必要的。 对于锅炉系统，从热力学角度出发，可以把能量分为进入锅炉系统的能量和 带出锅炉系统的能量，根据能量守恒原理，进入锅炉系统的能量和带出锅炉系统 的能量应该相等，参看图2 1 ： 炉水吸热量 燃气 热量 散热、排烟、不 完全燃烧损失 热量 图2 - 1 锅炉系统的能量收支图 f i g 2 1 t h ee n e r g yr e c e i p ta n dc x p e n d i 慨d i a g r a mo f t h eb o i l e rs y s t e m 在整个过程中，进入锅炉系统的能量是燃气燃烧释放的总能量q ，从锅炉系 统流出的能量包括：炉水吸热量q 1 、循环水吸热量q z 、不完全燃烧损失9 、散 热损失q 一和排烟损失q s 。用公式表示它们之间的关系，即 2 。2 燃气放热量q q = q i + q 2 + q 3 + q 4 + q 5 ( 2 1 ) 进入锅炉的总能量包括燃气燃烧放热量、预热的空气和燃气带进的热量。在 不使用外界热源预热空气和燃气时，进入锅炉的总热量就等于燃气燃烧放热量， 5 ，。，：，：，：。! ! 窒三些奎兰三耋堡圭兰堡鎏蚤： ，! 等于进入锅炉的燃气体积矿和燃料的低位发热量q 。，。的乘积嘲，即： q = 矿q 。，。， ( 2 2 ) 式中 q _ 虫然气放热量( k j ) ； 矿燃气体积( m 3 ) ； q 嘣。低位发热量( k j m 3 ) 。 2 3 炉水吸热量q z 和循环水吸热量q ： 炉水吸热量q - 是在一定时间内前后温度变化所引起的能量变化，循环水吸 热量q ：是在一定时间内平均出口水温和入口水温存在差值所引起的能量变化， 用公式表示如下： q 1 = c m l x f 1 ( 2 3 ) q 2 = c m 2 r 2 ( 2 4 ) 式中 c 水的比热容( k j k g ) ； m 炉水质量( k g ) ；由于燃气燃烧过程中产生大量的水，大都存留在 炉体内，因此炉水质量是个变化的数值，对锅炉来讲是个不确定的 扰动因素，这对锅炉的运行稳定性有不利的影响： 1 2 炉内循环水的质量； a n 炉水温度的变化量( ) ： 厶f ：循环水在出口和入口的平均温度的差值，a t ：= 倒一。循环水的 回水温度是个变化的值，一般情况下变化不大，是可以找到短期变 化规律的扰动因素。 2 4 不完全燃烧损失q 3 不完全燃烧损失q ，是指排烟中没有完全燃烧或燃尽的可燃气体( 如c o 、 h 2 、c h 4 等) 所带走的热量占送入锅炉输入热的份额。在实际运行中，影响不完 6 第2 章锅炉系统的热平衡分析 全燃烧损失q 3 的因素主要是过量空气系数口。对于运行中的锅炉，可以借排烟 处烟气成分的分析，可按公式2 5 进行计算 3 】： 口：鱼! ：! ! ! 2 3 6 c o + 2 0 1 5 h z + 6 6 8 c h 4 ( 2 5 ) 1 q ，r d 2 + c o + c h 4 式中 c o 、h ：、c 日。干烟气中一氧化碳，氢气，甲烷的容积百分比； c ：干烟气中三原子气体容积百分比。 式2 5 计算比较复杂，可以用下式经验公式计算 3 1 ： q 3 = o 1 1 b p y 一0 0 6 x 3 0 2 c o + 2 5 8 h 2 + 8 5 5 c h 4 ) ( 2 6 ) 在实际运行中，中小型燃气锅炉在燃烧良好的情况下，不少锅炉运行中此项 损失往往可接近于零。但是，在燃烧不良的情况下，此项热损失也可能很高，甚 至达到1 0 。而且和燃煤、燃油锅炉不同，燃气锅炉即使在q ，值很大的情况下， 往往不会冒黑烟，所以直观上较难判断燃烧是否恶化。正因为如此，在运行中这 项热损失常常得不到重视。气体不完全燃烧热损失的大小主要取决于燃烧成分、 炉膛过剩空气系数、所用燃烧器、燃烧器与炉膛匹配是否适当以及运行操作是否 合理。一台运行锅炉，此项热损失究竟有多大，要靠烟气分析的结果确定。 2 5 散热损失o 一 散热损失q “是指锅炉围护结构和锅炉机组范围内的气、水管道以及烟风道 等，受外部大气对流冷却和向外热辐射所损失的热量。它主要与大气温度、散热 面积、保温设施、运行负荷有关。一般根据经验数据和近似计算的办法确定。 2 6 排烟损失q s 在燃气锅炉中最重要的损失就是排烟损失，他取决于排烟温度和排烟量。对 于一定的燃料，排烟量决定于过量空气系数口的大小，而过量空气系数口又是和 燃烧状况直接有关的。 排烟热损失吼可用锅炉机组的排烟和冷空气的焓差计算3 1 ： 7 q ，：鱼l o o ：丝剑。1 0 0 ( 2 7 ) 。 q ，q ， 式中 1 w 在排烟过量空气系数及排烟温度下，相应11 1 1 3 燃气的排烟的焓， k j m 3 ： a 。排烟的过量空气系数； j 品在送入锅炉的空气温度下，1m 3 燃气所需要的理论空气的焓。 ，和可由烟气和空气的焓温表查得。 从式2 7 可知，排烟热损失随排烟温度的升高和排烟过剩空气系数的增大而 增加在一般锅炉中，这项损失是所有热损失中最大的一项。 下列经验公式可以比较方便地估算排烟热损失【3 】： 吼= 【( 3 缸，+ 0 4 5 ) - t - 3 钇，k 】- 志 ( 2 - 8 ) 式中 o 排烟温度； k 冷空气温度； 口。崮 烟的过量空气系数。 在不同的排烟过剩空气系数口。和不同的排烟温度。下，假定冷空气温度为 3 0 c ，按上式计算排烟热损失得到下表结果。 表2 - 1 过量空气系数和排烟温度对排烟损失的影响 t a b l e 2 1 t h ei n f l u e n c eo f t h es u p e r f l u o u sa i rc o e f f i c i e n t a n dt h et e m p e r a t u r eo f t h es m o k et ot h ep o w e rl o s so f t h es m o k e 排烟处过量空气系数口 排烟温度( ) 排烟损失q 2 ( ) 1 1 51 5 05 5 4 1 1 51 8 06 。8 8 1 3 01 5 06 1 7 l - 3 01 8 07 6 7 从上述结果可以看出：当排烟温度在1 5 0 。c 时，过剩空气系数每增加0 1 5 ， 排烟热损失将增加o 6 左右；排烟温度越高，增加得也越多；当排烟过剩空气系数 第2 章锅炉系统的热平衡分析 e ! 篁! ! 置j j詈! 置! ! 鼍苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 詈篁皇詈詈皇苎! 烹鼍! ! ! 暑! ! ! ! 为1 3 时，排为温度每增加1 0 。c ，排烟损失将增加o 3 左右。对于燃气锅炉， 降低过剩空气系数可以降低排烟温度，能够较多地减少排烟热损失。 2 7 本章小结 根据式( 2 1 ) 、( 2 3 ) 和( 2 - 4 ) ，我们可以推导出下面的公式： t c 。, j = 盟絮孑丝 ( 2 _ ，) 从式2 - 9 可以得出这样结论：如果希望出水温度等于设定值，就需要保证公 式的右边等于恒定值。在实际运行中，炉水吸热量q - 、不完全燃烧损失q 3 、散 热损失q 。、排烟损失9 和循环水回水温度t 埘不是固定不变的，因此要根据实 际需要，不断调整进气量，调整总能量q ，从而保证出水温度等于设定值。 过量空气系数a 的大小，直接影响不完全燃烧损失q 3 、散热损失q 一和排烟 损失q s 。过量空气系数口对于燃烧效果来讲，是个非常重要的参数。因此，果 要提高锅炉效率，必须有最优的过量空气系数口 1 4 1 。 通过以上的分析知道，本课题的任务主要是解决根据需要调整进气量和确定 最优的过量空气系数这两个问题。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章锅炉控制系统软硬件设计 3 1 控制系统的选择 现在国内的锅炉电气系统大都采用的是以下三种方式：单片机、工控机、可 编程控制器( p l c ) 。下面将这三种控制系统的性能作一个对比。 3 。1 1 单片机控制系统 所谓单片机系统就是采用目前市场上的单片机c p u 及其它外围芯片，根据 不同系统设计电路板，最终设计成一台简易的计算机系统，并在此基础上设计程 序以实现所要求的控制功能。这种形式在8 0 年代国内很流行，但由于受到本身 可靠性及其它方面的限制，目前除了仪表上仍然采用外，在工业现场的应用已 逐步被p l c 所代替。 单片机的可靠性由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不齐，很大 一部分还是国外筛选出来的次等品，加上其它外围元件( 如电阻、电容等) 的参 数离散性也很大，批量小的产品不可能经过筛选配对等技术处理，因此这样的产 品很难做到很好的一致性和高可靠性，因为任何元件的参数偏离设计要求都会引 起系统的不稳定。另外，单片机的所有器件均不是工业级的，抗干扰性特别是抗 电源干扰能力很弱，而国内的电源一般都很差，加上压片机的变频调速对电源的 干扰很大，因此，更可能引起单片机系统的不稳定。 单片机的可扩展性 由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的， 所以要增加一个功能就要重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计。这样对 于增加功能的开发成本和周期都会增加。 单片机的可维护性一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件，最简 单的方法是更换整个系统，这样维修成本增加了。 操作现在国内单片机系统的操作均采用自主设计的键盘，设定数据用拨码 开关，显示用l e d ，整个面板显得繁锁，而且为了减少操作键，设计时往往一 键多用，操作人员很难脱开说明书操作。特别是故障显示只能显示故障代码，一 旦发生故障，操作人员必须翻阅说明书方能发现故障所在，最终按说明书指示排 除故障，这样排除故障的时间相对较长。总之，这样的人机对话不够友善。 特点不可靠，价格便宜。 l o ，。，。，! ! ，。一，! ! ! 丝三耋墼堡型垂垒堡! ! i 塑：一：一! 一，j 。 3 1 2 工控机控制系统 所谓工控机系统就是采用目前市场上的所谓工业控制计算机系统，在此基础 上设计程序以达到所设计的功能。 工控枫的可靠性相对单片机系统，抗干扰性特别是抗电源干扰能力虽然有 一定提高，但国内的电源都很差，因此也可能引起系统的不稳定。 工控机的可扩展性要增加个功能就要重新设计对应的程序，而工控机的 编程相对比较复杂，这样对于开发周期会增加。 工控机的可维护性一旦工控机系统出现故障，很难诊断出故障元件，这样 维修周期增加，而且非专业人员不能维修，如果故障由于程序设计不合理引起， 由于缺乏合适的调试工具，要找出故障原因也很困难。 操作工控机的操作和通用计算机无任何差别，这就对操作人员的素质有很 高的要求，一般工人看到计算机会产生畏惧心理，虽然操作的界面较为友善，但 对于不熟悉计算机系统的入来说，仍然不够简便易学。 特点价格居中，可靠性改善不多。 3 1 3 可编程控制器( p l c ) 控制系统 所谓p l c 系统就是采用目前市场上各大工业控制厂家生产的可编程控制器， 根据要求选用不同的模块，在此基础上设计程序以达到所设计的功能。这种形式 目前在工业现场应用最为广泛1 1 5 。 p l c 的可靠性进口p l c 采用的c p u 都是生产厂家专门设计的工业级专用 处理器，其余各元件也是直接向生产厂家购买的，经过严格挑选的工业级元件， 另外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的，抗干扰性特别 是抗电源干扰能力有很大提高，即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工 作。 p l c 的可扩展性要增加个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序， 而p l c 的编程相对比较简单，这样对于开发周期会缩短。 p l c 的可维护性p l c 本身有很强的自诊断功能，一旦系统出现故障，根 据自诊断很容易诊断出故障元件，即使非专业人员也能维修，如果故障由于程序 设计不合理引起，由于它提供完善的调试工具，要找出故障也较为简单。 北京工业大学工学硕士学位论文 操作p l c 的操作采用触摸式操作终端，人机界面，全屏显示，上面设计了 很详尽的操作指南，即使第一次使用，也能根据提示顺利操作，这就降低了对操 作人员的要求，一般工人也能很快掌握。另外，一旦系统发生故障，画面自动切 换到故障提示画面，提示故障原因和排除方法。甚至可以显示故障在机器上的位 置，维修人员可以根据提示很快排除故障。 特点价格与前二种控制器相比略贵，可靠性好，操作简单。 3 1 4 分析 由于燃气锅炉的工作环境比较恶劣，因此对于抗干扰性比较弱的单片机系统 来说，不适合使用。因此，主要对工控机和p l c 系统进行分析”。 现在的计算机和可编程控制器内均用微处理机，所以，总体来说功能强、组 态灵活、可靠性高、使用范围广。分析如下： ( 1 ) 从功能方面看，各有优劣。从运算功能和数据采集、存储与处理方面 看，计算机较p l c 强。由于计算机运算和逻辑处理快，所以在数据处理、显示、 打印、汉字和图形等方面功能强。在要求快速处理、计算公式复杂、汉字显示和 图形等功能要求高的场合选用计算机控制较为合适；p l c 逻辑功能强，所以国内 可编程控制系统一般以开关量控制为主，模拟量控制为辅，适合以控制开关量为 主，模拟量为辅的系统。 ( 2 ) 从可靠性方面看，p l c 比计算机好得多。计算机结构复杂，板块集成 密度高，接口复杂，转换多，对环境要求高。结构复杂出故障的概率就高；而 p l c 从一开始就明确为工业控制使用，所以从主机板到各种接口均为适合工业现 场环境而制造，所以可靠性很高。 ( 3 ) 从对使用人的要求方面看，计算机对使用人要求高，而p l c 对使用人 要求低。计算机硬软件复杂。一般要求专门技术人员才能掌握，而p l c 则一般 电工、仪表工掌握基本使用即可。 ( 4 ) p l c 也可与计算机一起组成上下位机的集散型系统。 ( 5 ) 目前p l c 的价格与计算机价格相当。 综合以上几点考虑，我们选择用计算机与可编程控制器相结合，由调度室计 算机监控系统即上位机和现场工作站系统即下位机组成。上位机和下位机采取分 第3 章锅炉控制系统硬件设计 工协作监控的方式，调度室监控系统只用于数据收集、生成报表和修改参数等， 并不参与锅炉控制，其锅炉运行自动调节决策功能完全“下放”给现场工作站的 自控系统，这种方法，其灵活性好，局部故障不容易影响全局的正常运行，当通 讯系统出现故障后，不会造成重大影响。这样，既利用了计算机在数据处理、显 示、报表和打印上的强大功能，又利用p l c 高稳定性，使整个系统更加稳定和 便于管理。 3 2 控制系统的功能 目前，对于上位机和下位机的职能有两种不同的思路：一种方式是采用中央 集中式监控方法；另一种是采用中央与现场分工协作监控方式。前一种方法控制 权集中在上位机，现场工作站只有测试仪表与执行机构，它的功能只是参数采集 和上传，本身没有自动调控的决策功能。这种方法，其灵活性差，局部故障容易 影响全局的正常运行，当通讯系统出现故障后，会造成重大影响。第二种方法即 上位机和下位机分工协作监控方法，其锅炉运行自动调节决策功能完全“下放” 给现场工作站的自控系统，中央控制室即调度室只负责对各个工作站运行参数进 行监视以及在必要的情况下修改设定参数。这种方法比较灵活，故障影响面小， 我们选择第二种远程监控方式。 3 2 1 上位机控制系统的组成 上位机控制系统由一台微型计算机组成，其上的实时监控系统软件主要是实 现控制系统的参数设置、工况显示、数据统计和历史记录查询等功能( 见图3 - 1 ) ， 它实时接收各下位机采集的温度和其它运行数据，记录各台锅炉的运行情况，全 面监测锅炉控制系统的整体运行情况。 数据通讯与处理功能完成监控计算机与p l c 之间数据和命令的双向传送， 并将接收到的数据进行相应处理。 显示功能将实时数据在屏幕上以图形或表格的形式循环显示( 或指定监视 显示) ，并采用不同的颜色或位置，表示运行状况的变化。 查询和打印功能管理员可以察看历史数据或报表，并随机打印相应文件。 系统设定功能可随时用来修改系统的各项参数。 故障报警功能1 7 】不论系统工作在何种状态下，一旦有故障发生，系统确认 后，就会出现一个报警视窗，给出报警的类型、地点、时间，并发出声音报警。 ， 一，。! 些圣三些奎兰三兰璧圭兰堡篁圣，。，。 ：。 图3 - 1实时监控系统功能模块 f i g 3 _ 1 t h ef i m e t i o nm o d u l eo f t h er e a lt i m ec o n t r o la n dt h el o n g - r a n g es u p e r v i s i o ns y s t e m 3 2 2 下位机控制系统的组成 下位机控制系统是由p l c 及其外围部件组成的单台锅炉控制器，它以“一 机一台”的方式自动控制单台锅炉的运行1 8 】。下位机控制系统的主要功能是，通 过采集单台锅炉的炉水温度、液位等热工参数，根据设定的程序对风机、循环泵 和电磁阀等各种外围设备进行控制，保证单台锅炉稳定、安全和经济的运行，同 时定时向上位机发送锅炉的工况数据、接收并执行上位机发送的控制指令1 1 9 】。 3 3 锅炉控制系统的硬件构成 系统硬件可以分成三大类：上位机监控系统部分、下位机运行控制部分和执 行机构部分。主要的设各可以从系统结构示意图3 2 找到： 3 3 1 上位机监控系统硬件构成 上位计算机监控系统由一台微型计算机构成，具体配置为：c p u 为赛扬8 5 0 ， 内存为2 1 6 兆，通讯口为r s 2 3 2 c ，带r s 2 3 2 c 与r s 4 8 5 转换功能的通讯电缆。 1 4 第3 章锅炉控制系统硬件设计 水位 信号 检测 风压 信号 检测 燃气 压力 检测 着火 信号 检测 开关量输入单元 现场操作员界面 出水i 回水l 炉水 室外 温度l 温度j 温度l 温度 检测l 检测l 检测i 检测 p l c 控制单元 耵孵 和变i 水泵i 进气l 设备 频器i阀 上位计算机监控系统 模拟量输出单元 变频器 频率设 图3 - 2 整个系统结构示意图 f i g 3 - 2t h es k e t c ho f t h ew h o l es y s t e ms t r u c t u r e 3 3 2 下位机运行控制系统硬件构成 ( 1 ) p l c 控制单元p l c 控制单元是整个下位机控制系统的核心原件，其 性能影响整个控制系统，综合性能、价格和数据运算能力及通讯能力等各方面的 要求，我们选甩西门子s 7 2 0 0 系列的c p u 2 2 6 。这一款p l c 结构紧凑，扩展性 好，价格适中，数据运算能力及通讯能力高，并具有强大的指令集，完全适合小 规模控制要求。其技术指标有： 程序存储器4 0 9 6 字 数据存储器2 5 6 0 字 掉电保持时间1 9 0 小时 i o 点2 4 入t 6 出 扩展最多7 个扩展模块 通讯口2 个r s 一4 8 5 接口 ( 2 ) a d 和d a 模块由于一套下位视系统有4 路模拟量输入和1 路模拟 量输出，因此我们选用p l c 扩展模块e m 2 3 5 ，它由2 4 v 电源供电，具有4 路模 拟量输入和1 路模拟量输出，其性能指标有： 电流输入范围0 2 0 m a 北京i 业大学工学硕士学位论文 对应数据字格式0 - 3 2 0 0 0 电压输出范围o 一1 0 v 重复性满量程的o 0 7 5 精确度满量程的0 0 1 ( 3 ) 现场人机界面现场工作站的人机界面选择西门子的t d 2 0 0 。t d 2 0 0 操作简单，只需要用它提供的连接电缆直接连接到s 7 2 0 0 系列的p p i 接口上即 可，不需要独立的电源。t d 2 0 0 具有如下用途2 0 】： 显示信息，可以存储最多8 0 条信息，每条信息最多包含4 个变量。 在控制系统中起设定和修改参数的作用，例如：改变动作、报警等的设定 值。 可以提供8 个由用户自定义的功能键。 提供密码保护功能。 输入输出的设定。 ( 4 ) 空气压力和燃气压力传感器对于空气压力和燃气压力传感器，我们 选择北京北方大河仪器仪表有限公司生产的m a g n e t i c 差压表。m a g n e t i c 差压表是一种高质量的膜片式仪表，它的工程聚舍体和不锈钢的外壳以及抗震 设计，使它稳定性强，适用于气体和其他非腐蚀性的液体，它强有力的磁双偶磁 感应使本产品有着持久的性能和平稳的可操作性。m a g n e t i c 差压表的差压量 程为2 5 0 p a 1 2 5 0 0 p a 。具有在线和背后的接i s i ，这种仪表可以与开关一起使用， 在达到设定压力时给出开关信号：其技术参数有： 差压量程0 - 1 5 0 1 2 5 0 0p a ；0 - 1 5 - 1 2 5 0m m h 2 0 ；0 - - - 1 5 0i n c hh 2 0 精度“一2 量程0 , , - 1 5 0 , - 1 2 5 0 0p a 或0 1 5 - 1 2 5 0m m h 2 0 ，o 1 5 0 血c hh 2 0 传感元件膜片 表盘结构材质不锈钢( 3 0 4 s s ) 表盘直径英寸( 伽n ) 标准4 ”( 1 1 2 ) ，或表面安装( 或管道安装) 4 5 ”( 1 1 5 ) ， 或6 ”( 1 5 安装齐平安装即表面镶嵌式( 标准安装) ，或表面安装式，管道安装式最 大工作压力为2 4 b a r 1 6 第3 章锅炉控制系统硬件设计 最大工作温度6 0 。c 主体材质工程聚合物 密封膜片丁氰橡胶b u n a - n 表盘按要求可以选择硬玻璃，丙烯酸玻璃 连接1 4 ”n p t ( f 1 标准 端口连接在线或背部连接 过量程保护最大可以到最大工作压力表或开关的保护等级为i p 6 5 ( 5 ) 温度传感器和温度变送器温度传感器采用p t l 0 0 热电阻和温度变送 器组成，根据测量温度的范围，选择量程为5 0 c 1 5 0 。c 。其主要技术指标有： 输入信号p t l 0 0 供电电压1 7 v - 3 5 v 输出信号d c 4 2 0 m a 精度0 1 ( 6 ) 燃气泄漏报警控制器我们选用济南黄河鼎立实业有限公司生产的鼎 诺牌燃气泄漏报警控制器。该产品综合了目前国内各厂家所生产的报警器之特 长，克服了漏报、误报等不足，可避免因可燃气体泄漏引起的中毒、爆炸、火灾 等人身伤亡、财产损失事故的发生。该产品有b t - 2 f d n l 型，适用于天然气： b y - 2 f d n i 型，适用于液化石油气；b r - 2 f d n l 型，适用于人工煤制气。用户可 根据不同气种进行选择。该产品分报警器、安全阀两部分，如用户只监测环境用， 可只选择报警器。主要技术指标： 电源a c 2 2 0 v5 0 h z 功耗监控状态5 1 5 w 报警状态g w 报警音量 7 0 d b 响应时间 3 0 s 恢复时间! 4 0 s 使用温度一1 0 5 0 使用湿度 9 0 r h 报警浓度天然气( 甲烷) 0 1 l 液化石油气( 丙烷) o 1 0 5 1 7 北京工业大学工学顶士学位论文 人工煤气( c o ) 0 0 6 一0 2 5 ( 7 ) 水位检测传感器锅炉控制系统采用电极点水位检测保护方式，共有 5 个水位电极，分别是：高水位、超高水位、正常水位、低水位和超低水位。水 位划分为三个区：处于低水位和高水位之间的区域属于正常水位区；处于低水位 和超低水位之间的区域属于补水区；处于高水位和超高水位之间的区域属于放水 区。锅炉的水处于补水区时由补水箱自动补水，而处于放水区时自动放水。在水 位信号逻辑处理上，缺水保护信息优先级最高，水位一旦因某些原因降到了缺水 区间，并在规定的检测时间内仍不能恢复正常调节水位，则熄火停炉报警。 ( 8 ) 火焰检测器火焰监视器采用北京工业大学生产的紫外火焰监视器， 其原理是接受到光发出的紫外线时，判断已经着火。它自身带有2 秒延时器，火 焰熄火2 秒后，它才发出报警信号，这样可以避免火焰出现闪动而引起的误报警。 着火信号是开关量，着火时闭合，不着火时断开。 ( 9 ) k m 4 0 0 手持式燃烧效率测试仪k j v i 4 0 0 手持式燃烧效率测试仪能比 较准确地测量锅炉烟道含氧量、一氧化碳含量，实验时可用来校准氧传感器；找 出烟道氧含量与烟道一氧化碳含量的关系。其技术性能见表3 1 。其中烟气温度、 环境温度、压力、c o 、0 2 为测量数据，其余为计