燃煤热水锅炉监控系统.doc

燃煤热水锅炉监控系统摘 要：本文介绍了基于IPC-PLC燃煤供暖热水锅炉监控系统的硬件配置及其功能的软件实现。分析了燃烧控制系统、压力控制系统及流量控制系统的特点，采用了相应的控制算法。实践证明，该系统达到了锅炉燃烧工况良好、节能降耗的工艺要求，且运行稳定可靠。关键词： 锅炉 SIMATIC PLC 燃烧控制Monitoring and Control System of Coal Firing and Hot Water Boiler Abstract: This article introduces the hardware configuration and the software achievement of coal firing and hot water boiler monitoring and control system based on IPC-PLC. In view of the features of the combustion control system, pressure control system and flux control system, corresponding algorithms are adopted. The results of operation prove that this system has realized the technical request of the better combustion and economizing energy reducing wastage and worked steadily.Key words: Boiler SIMATIC PLC Combustion control51引 言锅炉是工业生产及采暖供热中一次能源转换为二次能源的重要设备，为了保证锅炉本身运行的安全性和经济性，一般都要安装必要的检测和控制仪表。目前随着计算机技术的迅猛发展，锅炉计算机控制已经得到了广泛的应用。PLC控制系统是目前过程控制系统中的主流产品，它的出现使得锅炉的过程控制更具有了先进、可靠、简单易行的特点。下面以沈铁分局丹东房建经营管理公司两台20T/h燃煤热水锅炉计算机监控制系统为例，介绍其硬件配置及功能的软件实现。2 控制方案在采供暖热水锅炉中，控制的重点为出水温度、回水温度、出水压力、回水压力、给煤量、鼓风量、炉膛负压、排烟残氧量。为达到锅炉燃烧工况良好，保证设备运行安全，满足用户的供热要求，要对补水泵流量、循环泵流量、鼓风机转速、引风机转速、炉排电机转速等进行综合调节。因此，我们设计采用变频调速计算机监控系统，保证了锅炉在良好燃烧工况、安全可靠和节能降耗条件下运行。2.1锅炉引风机、鼓风机、炉排电机和循环水泵采用变频器控制引风机、鼓风机、循环泵和炉排电机采用变频器进行控制，易于实现补水流量、循环泵流量、鼓风机转速、引风机转速、炉排电机转速的综合调节，而且由于引风机、鼓风机、循环泵都配备较大容量的电机，在启动、运行过程中势必造成冲击和电能损耗，影响锅炉燃烧工况和水循环系统的节能运行。采用变频技术后，将弥补设计的不足，达到经济运行的效果。同时对电机减小冲击电流和机械磨损，延长电机的机械寿命。采用变频控制与风档、阀门类控制方式相比又减小了管道压力损失，同样也达到节能效果，使维护工作量大大减小，锅炉运行效益明显提高。2.2监控系统采用基于IPCPLC二级监控结构根据两台20T/h锅炉的控制工艺要求，即要求达到安全运行、系统可靠、技术先进和节能降耗及操作管理简便、直观、维护方便等目的，同时降低监控系统成本，选用基于IPC-PLC二级监控结构方案。选用一台工业控制计算机作为上位机（兼工程师站和操作员站），主要负责监视（显示流程画面、数据和报警等）、数据设定（设定值和调节参数等）、管理（实时和历史曲线、定时和及时打印数据报表等），同时可进行优化计算（如根据环境温度实时调整锅炉出水温度）。选用高可靠性的西门子S7-300系列中的315-DP作为下位控制站，完成主要控制功能。这种结构即使上位计算机出现临时死机，也不会影响下位机的正常工作。再辅于DY2000系列智能型操作器作为现场手动操作级，可确保该系统运行可靠，灵活，操作维护方便。3系统主要检测、控制和报警功能3.1变量检测要满足供暖的需要，首先必须保证锅炉的出口水温和出口流量的稳定；其次要保证炉膛负压维持在一定的范围内，以保证生产的安全性和燃烧的经济性。因此，需要检测的变量有：炉膛温度、省煤器进口烟气温度、排烟温度、省煤器进口水温、出口水温、出口流量、补水流量、炉膛负压、供水压力、引风负压、鼓风压力、水箱液位、大气温度等。3.2主要控制系统锅炉控制系统可分为：循环泵流量控制系统、炉膛负压及稳压补水控制系统和燃烧控制系统。1、循环泵流量控制系统：由于我国的采暖供热系统大都采用“小系统，大流量”设计，造成循环水流量过大，导致管网热损失大而用户供热不足的现象。采用阀门调节,精度低，调节复杂，容易导致系统热平衡的破坏。采用变频技术调节循环泵的流量，可在系统压力稳定条件下调节水量保证采暖系统的运行安全。依据全国节能网推荐使用的“低出水温度，小出/回水温差”的连续供热制度和推荐使用的运行调节公式，可根据室外温度的变化调节锅炉的出水温度(由燃烧控制回路实现)；根据出回水温差调节循环泵转速，达到调节循环水流量和扬程的目的；并且间接调节回水温度，满足锅炉供热负荷的需求；采用限定循环泵转速范围进行调节，可控制采暖系统的运行压力，确保设备安全与节能运行。2、燃烧控制系统：从燃烧对象特性来看，它们都是具有自衡能力的对象。另一个明显的特点是燃烧对象具有大的纯滞后和时间常数，特别是出口温度，其纯滞后和过程时间常数相比比较大，甚至接近1，这一点也是燃煤锅炉和燃油燃气锅炉的最大差别。究其原因，工业燃煤锅炉目前以层燃方式居多。燃煤从给煤机传给抛煤机，抛煤机再将煤抛撒在炉排上后，它不象燃油燃气锅炉那样立即燃烧生热而是分区分段进行的。因此，燃煤锅炉的燃烧过程具有较大的热惯性，且受煤质、煤种、炉排配风是否合理及炉膛漏风等因素影响。使燃煤锅炉较燃油燃气锅炉燃烧过程的自动调节更困难一些，许多在燃油燃气锅炉上运用十分成功的控制方案照搬到燃煤锅炉上往往是失败的。在测试分析燃烧对象特征的基础上结合国内外有关锅炉控制方案和本锅炉的实际，采用了出口温度的“等等看”控制算法。（1）出口温度的“等等看”控制算法 “等等看”控制算法就是仿人工操作而设计的一种非连续的自动控制方式，其主要思想是：偏差e的校正是不连续的，只有偏差大到必须改变控制量时，才使控制量发生相应的变化；在施加控制之后，等一段时间看看控制效果，以决定是否进一步施加控制。当被控对象纯滞后和过程时间常数相比较大时，“等等看”控制算法可以很好地解决常规的PID控制引起的超调和振荡。（2）这种控制算法的优点 1）供暖用燃煤热水锅炉、对控制品质没有过高要求，主要要求生产过程平稳，出口温度有1C左右的偏差是允许的。而且，主要的干扰如入口温度的变化是缓慢进行的，所以“等等看”控制算法是适用的。 2）“等等看”控制算法避免了煤量的频繁调节。对燃煤链条锅炉，煤量频繁调节，鼓风和引风量都必须相应变化，而鼓风通道的滞后和时间常数也比较大，会导致整个系统一直处于调整状态，不利于工况稳定；另外，频繁调节煤量会使整个炉排上层煤层厚度不均，使炉排配风困难。 所以“等等看”控制算法简单，对燃煤热水锅炉这类具有大滞后对象是比较合适的。3、系统稳压补水控制系统：在锅炉的运行中，维持系统稳压是供热系统正常的基本前提。在大的供热系统中，采用补水泵变频调速稳压，供暖系统采用封闭的系统，减少了水的消耗。根据供热系统压力变化，采用补水泵变频稳压，可平滑地调节补水泵的转速，及时调节补水量，实现系统水体积的稳定。4、炉膛负压控制系统：PLC把采集到的炉膛压力测量值与炉膛压力的设定值相比较，通过PID运算调节，进而调节引风机电机转速，保证锅炉在微负压状态下运行。同时引入鼓风量前馈信号以克服鼓风量变化对负压控制的影响。3.3报警连锁为保证锅炉的安全运行，设置了相关的报警连锁保护功能，具体有：炉膛温度高报警，超高连锁停炉；出水温度高报警，超高连锁停炉；回水压力过低报警，超低连锁停炉；供水压力过高报警，泄压保护；其它关键变量均具有报警功能。4系统硬件配置4.1控制设备PLC系统CPU选用S7-315-DP，它具有48KB RAM，扫描速率为3us/1KB，最大可扩展1024 DI/DO，128 AI/AO，24VDC负载电源和MPI接口。开关量模块分别选用SM321（数字输入模板16点输入，24VDC）和SM322（数字输出模板16点输出，24VDC）。模拟量输入模板选用SM331，8通道隔离输入，10-14位精度。模拟输出模板选用SM332，四通道隔离输出，12位精度、4-20mA输出信号。上述模块在采用STEP7软件编程时，由软件进行硬件配置，所以更换模块非常方便。上述DO模块为直流24V共COM模块，在与强电电路连接通过中间继电器转换。4.2测量设备在该系统中，液位测量选用静压式液位变送器（UC22T），压力测量选用远程压力变送器（8308），流量选用电磁流量计（IFM4080K），炉膛温度选用双支“K”热电偶（WRN2-231）,出水温度选用双支铂电阻（WZP2-231）,其它温度测量选用铂电阻（WZP-231）。上述仪表均输出4-20mADC或0-10V标准信号。模拟量输入模板具有多种信号范围：0-10V、4-20mA、1-5V及热电阻等。在使用时，信号类别通过STEP7软件来指定。由于4-20mA信号抗干扰能力强，传输距离远，所以通过软件指定4-20mADC信号。又因该模板为有源，所采集的信号无源，所以上述仪表输出的4-20mADC标准信号，可方便与PLC模拟输入模块相连接。各电机、泵的起动信号取自交流接触器的触点，报警信号取自热继电器的触点，起停信号由PLC通过中间继电器送往控制回路，手动/自动操作通过电器柜上的转换开关切换。系统构成如图1所示：图1系统构成框图引风、鼓风、炉排、循环泵、补水泵变频配电柜1#操作柜2#操作柜公用操作柜MPI上位机1#PLC2#PLC公用PLC5软件编程5.1下位机PLC控制程序 SIMATIC S7-300系列可编程控制器采用STEP7标准软件编程。它的最大优点在于符号化编程和组织分层结构，使得编制的程序可读性非常好，现场调试非常容易。STEP7标准软件包包括符号编辑器、SIMATIC管理器、NETPRO通讯组态、硬件组态、和三种编程语言（LAD、FBD和STL），此外，还具有硬件诊断能力。整个过程监控程序分层及调用结构如图2所示。FC10图2 1#炉过程监控程序结构OB1FC1FC2FC3FC4FC6FC5FC14FC13FC12FC11FC41DB10DB11DB20DB21DB22DB23DB24DB25OB1：为系统组织块，用于循环程序处理；FC1为上位数据交换功能块；FC2为量程换算功能块；FC3为报警处理功能块，用于各种报警信号的处理及与上位数据块（共享）DB10的数据交换且可通过上位机确认；FC4为链排控制功能块，用于实现链排机和燃烧控制；FC5为断续控制功能块；FC6为连续控制功能块，六次调用STEP7中标准PID功能块FB41和可通过上位机设定参数的背景数据块DB20、DB21、DB22、DB23、DB24、DB25用于实现1#、2#炉膛负压、出水压力及鼓风压力控制；FC11、FC12分别为1#炉自动启炉、停炉控制功能块；FC13、FC14分别为2#炉自动启炉、停炉控制功能块；FC10为主程序功能块，通过调用子程序功能块FC11、FC12、FC13、FC14实现1#、2#炉的自动启炉、停炉控制功能；OB35为循环中断子程序，中断优先级为12，其中断时间可在5ms60000ms之间设定，本过程设定为500ms；OB80、OB82分别为时间错误、诊断错误子程序；共享数据块DB10为上位数据块，用于上、下位机的数据交换；共享数据块DB11为上位设定数据块，用于各种参数的设定和调整。5.2 上位机组态程序上位机采用组态王6.02组态软件开发监控程序，主要实现以下功能： （1）工艺流程图及运行参数的显示：开发锅炉燃烧工况流程图，实时显示现场各类电机、泵等设备的运行状态及各种监控数据，并能对液位、压力、流量、温度、转速等数据进行设定和控制。主画面模拟现场工作状况，能够直观、精确了解现场工作状况。(2)数据查询功能：在主机画面上，通过实时数据曲线对采集到的各种数据进行实时观测，便于了解具体的工作情况；通过历史数据曲线对采集到的数据存放到数据库中，便于了解长时间工作的历史趋势。查询时可保证精确、方便、快捷。(3)报警功能：对各超出设定值范围的参数及设备故障进行报警，当某一实时数据超过设定值或某一设备出现故障时，进行声光报警，并做相应的处理，报警后将所需参数存入数据库中，供日后查询。(4)报表功能：对需要上报或对比以及长期需要保存的数据生成报表进行定时或实时打印存档