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基于
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基于PLC的锅炉控制系统设计,基于,PLC,锅炉,控制系统,设计
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基于基于 PLC 的锅炉控制系统设计的锅炉控制系统设计摘摘 要要 在工业迅速发展的推动下，我国的经济水平得到了大幅的提升。锅炉作为最重要的动力机械设备起着不可替代的作用，因此锅炉有着巨大的发展前景，但是我国锅炉的燃烧效率较低，也就使得锅炉的供能不够高效。 本设计结合 PLC 控制技术对这一问题进行了重点的研究。采用现代计算机技术对锅炉进行优化控制，从而大大提高其燃烧效率，节约一次能源，减少所产生的环境污染，对社会经济和环境质量的提高有很大的意义。通过对锅炉各个部分控制要求的研究，结合参考文献和实际情况设计锅炉的自动控制系统。所研究设计的控制系统可以对锅炉进行集中监测、控制、管理。集中体现在对锅炉燃烧控制、水位汽包控制、过热蒸汽温度控制以及安全系统的控制设计。 本设计采用 S7-300 PLC 为核心控制器，同时结合变频器技术、传感器与检测技术以及以太网技术将所有设备构成一个整体，并与其他操作设备建立起良好的通信，对锅炉进行集散控制。通过 STEP 7 编程软件对 PLC 进行软件编程，构成对锅炉的自动控制系统。关键词：关键词：锅炉；PLC；控制；STEP 7Abstract With the rapid development of industry, the level of economy has been greatly improved in China. Boilers as the most important power machinery equipment play an irreplaceable role. Therefore, boilers have great prospects. However, in China it is not enough to supply energy because of the low combustion efficiency of boilers. This design focuses on the issue with the PLC control technology. To raise its combustion efficiency, save primary energy sources and reduce the environment pollution, this paper uses modern computer technology to optimize the control of boilers, which has great impact on the socio-economic and environment quality. Through the study on the each part of control requirements combined with the references and lots of documentation, it designs an automatic control system of boilers that can be implemented on boiler for centralized monitoring, control and management. It intensively reflects on the control of boiler burning, the control of water level and bubbles, the control of superheated steam temperature and the design of safety inspection system. The design uses S7-300 PLC as the core controller. At the same time, it applies distributed control of boilers, combined with the inverter technology, sensors and measurement technique and Ethernet technique to all the devices as a whole. And set up a good communication with other operating equipment. Through STEP 7 programming software for upper computer software programming . It constitutes a true time monitoring and control system of boilers.Key words: boilers; Programmable Logic Controller; control; STEP 7目目 录录摘 要.IIIAbstract .IV目 录 .V1 绪论.11.1 本课题的内容和意义.11.2 锅炉技术的现状及其未来的发展前景.11.2.1 锅炉技术的现状.11.2.2 锅炉的发展趋势.21.3 本课题的目的及要求.22 锅炉系统控制方案设计.32.1 锅炉运行过程简介.32.1.1 锅炉结构及其工艺介绍.32.1.2 锅炉的工作过程.42.2 锅炉水位控制方案设计.42.2.1 锅炉汽包水位控制要求.42.2.2 锅炉汽包水位控制方案设计.52.3 锅炉燃烧控制方案设计.52.3.1 锅炉燃烧控制要求.52.3.2 主蒸汽压力控制方案设计.62.3.3 送风控制方案设计.72.3.4 引风控制方案设计.82.4 锅炉过热蒸汽温度控制方案设计.82.4.1 过热蒸汽温度控制方案要求.82.4.2 过热蒸汽减温器的安装设计.82.5 小结.93 锅炉控制系统设计.103.1 锅炉控制系统硬件设计.103.1.1 硬件型号选定.103.1.2 锅炉控制系统硬件设计.123.2 锅炉系统软件设计.133.3 I/O 地址分配表.163.4 软件编程.184 锅炉控制系统仿真.244.1 汽包水位控制系统整定与仿真.244.2 锅炉燃烧控制系统整定与仿真.254.2.1 主蒸汽压力控制回路整定与仿真.254.2.2 送风控制系统整定与仿真.274.2.3 引风控制系统整定与仿真.285 结论与展望.305.1 结论.305.2 不足之处及未来展望.30致 谢.31参考文献.3211 绪论绪论锅炉作为社会工业生产的重要设备，对经济的推动有着巨大的影响，因此对锅炉的不断优化也是现代科技发展的一个重要方向。随着时代的推进、计算机技术的迅猛发展以及网络技术的迅速崛起，计算机自动控制技术已经被运用到社会生产的各个领域，因此也衍生了许多工业控制计算机。如今常用的工控机类别有：PC 总线工业电脑（IPC） 、可编程控制系统（PLC） 、分散型控制系统（DCS） 、现场总线系统（FCS）及数控系统（CNC）五种1。PLC 以成熟的技术支持、高度可靠性、强抗干扰能力、小体积、高效率低能耗等特点在工业控制系统设备的行业有着很大占有率。由此可以预见，利用 PLC 来控制工业生产有着巨大的前景。1.1 本课题本课题的内容和意义的内容和意义锅炉作为我国最重要的能源转换之一，对我们的生产、生活都有着很大程度的影响，直接体现在我国南方的火力发电厂和北方供热采暖系统中。早期的锅炉都采用继电器接触器控制，随着时代的发展和科技的进步，缺点和弊端不断体现出来，这种老式的控制方式已不能适应大规模的生产活动。PLC 技术已经被运用在新的控制领域中，因此使用 PLC 控制技术对锅炉控制系统的优化改造是本次设计的主要内容。 考虑到现存煤矿资源的储量以及社会发展的环保趋势，对锅炉控制控制方式的改革就有了一定的意义和价值。本课题的要求是通过使用 PLC 来自动控制锅炉的全程运作，通过计算机对锅炉控制程序进行设计，再依靠 PLC 实现全自动的控制系统。这样一来，既能提高操作者对锅炉的操控性，又能减少人力资源和运行成本。1.2 锅炉技术的现状及其未来的发展锅炉技术的现状及其未来的发展前景前景1.2.1 锅炉技术的现状锅炉技术的现状 传统的工业锅炉大多采用的是继电器接触器控制，给水、鼓风、引风等基本的控制部分均为现场手动控制，其控制系统一般由输入电路、控制电路、输出电路和生产现场这四分部分组成。在以往传统的锅炉生产环节中，老式控制系统运用很普遍，但是随着科技的进步，企业生产量得到扩大，这种控制调节方式在面对逐渐严格和多样化的生产工艺要求时，已经无法起到相应的精确控制，越来越显得落后。老式的手动控制方式不但在操作性方面不够便捷人性化，而且在锅炉运行时会持续高的能耗，转化效率极低，此外在监测的方法上，系统的监测控制不够完善，往往会使整个锅炉系统运行在安全隐患中。对于重要的控制量一旦超过规定范围，又无法及时调整，对周边操作人员的人身安全会构成很大威胁。我国的锅炉工业和国外相比发展的较晚。虽然我国工业经过了几十年的发展，生产水平有了很大的提高，但以往的锅炉都以煤矿为主要能源，在早期锅炉生产的影响下，很多企业无法采用天然气等新能源来替代煤矿作为主要能源。从全球来看，国内的控制技术落后于国外，国外的控制技术先进，其自动化控制程度相当完善，而国内的锅炉控2制单元大多采用常规的控制仪表，和世界的先进水平相差较大。1.2.2 锅炉的发展趋势锅炉的发展趋势锅炉的经济性、先进性、安全性、环保性决定了该设备的好坏及其控制系统的优劣。从经济性上来讲，要求锅炉的能耗小，维护成本低，自动化控制程度高。从锅炉的技术上讲，整个全自动控制系统要采用高效率、高质量的控制元件来保证，依靠微机技术智能化控制，优化每个调节量，提高节能效果。从安全性方面上讲，锅炉控制系统的各个部分能够单独控制，但又相互联系，遇到紧急故障时可以单独停止以保证现场的操作人员的安全。从环保性方面上讲，通过计算机的调节管理，减少锅炉及其他系统设备对环境的污染，尤其是对大气和水质的要求。1.3 本课题的目的及要求本课题的目的及要求PLC 自动化控制系统有着很高的优越性，对于不同的生产环境只需改变内部的程序，控制系统就能做相应的调整，作出针对性改变，无需改变外部设备的选用和排布，体现出此类控制系统的良好适用性，有较强的经济和现实价值。 本设计综合运用串级控制、比值控制以及前馈控制等控制方式，实现了燃料量控制调节主蒸汽压力，送风量控制调节烟气含量以及引风量控制炉膛负压的要求，并有效克服了彼此间的干扰。并根据课题要求设计出相应的硬件控制系统,采用相应编程软件在PLC中编写出能实现控制系统的梯形图程序。 342 锅炉系统控制方案设计锅炉系统控制方案设计 燃煤蒸汽锅炉的工作原理为生产出符合压力和温度要求的水蒸汽，以满足负载设备的生产要求，同时还要保证整个生产的经济性和安全性。实现锅炉自动控制的重点在于保持汽包水位在设定范围、维持蒸汽压力处于规定范围、保证锅炉的燃烧效率及确保炉膛负压在给定范围。2.1 锅炉运行过程简介锅炉运行过程简介2.1.1 锅炉结构及其工艺介绍锅炉结构及其工艺介绍锅炉是一种生产蒸汽或热水的换热设备。它由本体、附属设备及附件仪表组成。本体主要有“锅”和“炉”两部分组成。在常见的锅炉设备中，链条炉排锅炉的结构紧凑、系统成熟、性能稳定等特点，使得它被运用的尤为广泛。“锅”和“炉”两部分组成了锅炉，锅为汽水系统，炉为燃烧系统。汽水系统的作用是有效吸收燃料放出的热量，将水加热成为水蒸汽。液体被给水电机送到省煤器和汽包，接着进入下降管、水冷壁，水在水冷壁中加热后成为汽水混合物又回到汽包并经过汽、水分离，分离出的水继续进入下降管循环，饱和蒸汽则离开汽包进入过热器系统2。饱和蒸汽经过热器升温后，通过主蒸汽管道送入汽轮机进行最终的生产运作。燃 烧 器炉膛汽包过热器省煤器空气预热器炉墙水冷壁饱和蒸汽出口管道烟汽出口图 2.1 “锅”的结构示意图燃烧系统主要任务是使燃料在炉内良好燃烧，放出热量。它由炉膛、烟道、燃烧器、5空气预热器等组成。此外，锅炉本体还包括用来构成封闭炉膛和烟道的炉墙，以及用来支撑设备的构架。磨煤机送风机 空气预热器炉膛烟气管道烟囱引风机除尘器给煤机排 渣 管 道煤斗燃烧器图 2.2 “炉”的结构示意图2.1.2 锅炉的工作过程锅炉的工作过程煤矿传送带把燃煤送至煤斗,通过磨机磨煤后由空气管进入的热空气进行粗细分离，分离出不符合要求的粗煤被返回至煤磨机，合格的细煤粉存到煤粉仓库，按炉膛燃烧的需求量送至炉膛，粗细分离产生的粉尘与一部分热空气被排粉机通过输送管道送至炉膛，经过燃烧器后参与炉膛的燃烧。煤粉在炉膛内迅速燃烧后放出大量热，使炉膛的温度达到上千摄氏度或更高的温度。炉膛四周内壁布置着许多水冷壁，炉膛上方布置着过热器等受热面。过热器的作用是吸收炉膛内的热量，降低火焰温度，保护炉墙不被烧坏。此外为了防止熔化的煤灰黏在烟道等受热面上，烟气向上流动到达炉膛上面的出烟口时，烟气温度必须低于煤灰的熔点。最后，燃烧产生的废气经除尘器、引风机等过滤大量飞灰后通过烟囱排入大气。 2.2 锅炉水位控制方案设计锅炉水位控制方案设计 2.2.1 锅炉汽包水位控制要求锅炉汽包水位控制要求汽包水位在锅炉的运行过程中起着十分重要的作用，决定着锅炉的工作质量。汽包水位作为锅炉安全运行的前提条件，如果太低则会破坏锅炉的水循环，引发水冷壁管破裂和锅体干烧等现象，如果汽包受此影响损坏，还会引发爆炸；水位过高会使得汽水混合物无法正常分离，产生“带水”蒸汽，引起过热管壁结垢，而且这种不合格的水蒸汽不满足生产的要求，会使相关负载设备的传动叶片损坏。整个给水系统控制最易出现也是最难解决的问题是锅炉的“虚假水位” ，具体体现为：负荷突然大幅度增加时，水位迅速上升，但随后又迅速地下降；负荷突然大幅度下降时，水位迅速下降，随后又迅速上升。6因此水位控制的主要目的在于有效的调节汽包处于规定范围，并且解决锅炉的虚假水位问题。2.2.2 锅炉汽包水位控制方案设计锅炉汽包水位控制方案设计 对于汽包水位的控制一般有单冲量、双冲量和三冲量三种控制方案。 三级冲量控制系统与单冲量、双冲量控制系统有明显的优越性，虽然双冲量控制系统可以克服单冲量控制系统无法克服的“虚假水位”问题，但是它还是无法做到对调节阀的静态补偿和无法及时克服给水系统的干扰。 因此工业锅炉汽包水位控制一般都采用三冲量控制的方式，即为在双冲量水位调节控制系统的基础上加入给水流量信号构成的三冲量控制系统：汽包水位为主冲量信号、给水流量为反馈信号、蒸汽流量为前馈信号。蒸汽流量前馈主调节器汽包水位 给定值给水电机副调节器汽包给水流量变送器汽包水位变送器+- 图 2.3 三冲量汽包水位控制方案图2.3 锅炉燃烧控制方案设计锅炉燃烧控制方案设计2.3.1 锅炉燃烧控制要求锅炉燃烧控制要求工业锅炉是一个多输入输出、非线性的复杂控制对象，当某个参数变化时，其他的参数都会做出相应的改变，各个参数之间相互关系错综复杂，并且相互影响。锅炉燃烧过程中的主要控制任务是给煤控制、给风控制和炉膛负压控制。实现燃料量控制调节蒸汽压力，送风量控制调节烟气含量以及引风量控制炉膛负压，并有效克服了彼此间的干扰，保证锅炉经济安全运行的同时又能使产生的蒸汽可以满足设备负荷的需求。 7给煤量送风量引风量蒸汽压力蒸汽流量炉膛负压图 2.4 锅炉输入输出变量的关系示意图2.3.2 主蒸汽压力控制方案设计主蒸汽压力控制方案设计锅炉主蒸汽压力是整个燃烧控制系统的重要调节参数之一，引起蒸汽压力变化的因素有许多，给煤量、蒸汽流量是其中主要的两个原因。引起蒸汽压力改变的干扰有两种：给煤量 M 的变化的干扰和蒸汽流量 D 变化的干扰。如图2.5所示，当给煤量 M 突然改变时，煤粉由加入到燃烧发出热量有一定延迟，液体吸热变为气体有需要一段时间，故在煤粉加入后的一段时间内，主蒸汽压力 Pm 不会马上上升，而是经过一段时间才会开始上升。如图2.6所示，主蒸汽压力 Pm 在蒸汽流量 D 增加后下降，此时如果给煤量 M 不再增加，不再提供热量，主蒸汽压力 Pm 就会一直下降，直至增加给煤量 M 来产生热量，并与蒸汽流量 D 相互平衡后才能恢复锅炉的主蒸汽压力。PmPmttttMD 图 2.5 给煤量阶跃变化时，主 图 2.6 给煤量阶跃变化时，主 蒸汽压力的反应曲线 蒸汽压力的反应曲线 如图 2.7 所示，主蒸汽压力的控制系统是一个串级控制系统。主蒸汽压力调节器作为主调节器，给煤调节器为副调节器，主蒸汽压力调节器的输出与给煤量的给定预设值作为输出送至给煤量调节器，控制变频器调速，从而改变给给煤量。8主蒸汽压力 调节器给煤量调节器给煤量变频器给煤机炉膛给煤量变送器主蒸汽变送器-给煤量预设值主蒸汽压力 预设值主蒸汽 压力图 2.7 主蒸汽压力控制方案图 2.3.3 送风控制方案设计送风控制方案设计 送风调节的目标是维持系统风煤比处于规定范围以保证煤粉燃烧的经济性。但因为烟氧量主要由送风量决定，因为在控制时不能及时调节烟氧量，所以采用由烟气含氧量为主回路，送风量为副回路构成的串级控制，并结合比值控制调节送风量和给煤量，优化送风控制系统，保证烟氧量处于稳定值。烟氧量（烟气含氧量） ，即过剩空气系数 。实际生产中通常以烟气含氧量或过剩空气系数表示供给空气量的大小。燃烧过程中，如果 过小，煤粉无法完全燃烧，产生大量的一氧化碳，造成环境污染；反之，当 过大时，高温燃烧产生烟气会带走过多热量，产生大量 N0x，同样引起环境污染。给煤量稳定时，燃烧效率 与风煤比的关系如图 2.8所示： 燃烧效率%/NOx、CO含量风煤比 燃烧效率NOx含量CO含量最高燃烧效率 图 2.8 燃烧效率与风煤比关系示意图 对于送风量，烟气含氧量是衡量其是否合适的重要标准，以送风量为调节量，烟气含氧量为被调节量构成一个串级比值控制系统，其控制系统结构方案如图 2.9 所示。9烟氧量调节器送风量调节器送风量调节阀炉膛送风量变送器给煤量变送器烟氧量变送器给煤量烟氧量送风量烟氧量预设值图 2.9 送风控制系统结构方案图 图 2.9 所示的控制系统中，经过主蒸汽压力温度补偿的给煤量能良好的反应出外界负荷的变化，给煤量经过变送器转换后的信号在外界负荷变化时能够及时改变送风回路的负荷，以确保整个燃烧过程都有合适的风煤比。 主调节器为烟氧量调节器，主调节器接受烟氧量与烟氧量定值信号；副调节器为送风量调节器，它接受给煤信号，并结合送风量反馈信号及烟氧量调节器的输出作为输入信号，再将此信号送到副调节器，粗调回路的风煤比。主回路用来进行烟氧量校正调节，起细调作用。通过主副回路不断调节风煤比，以确保炉膛的最优燃烧率。 2.3.4 引风控制方案设计引风控制方案设计引风量控制系统的主要任务在于调节控制引风调节阀，确保引风量始终稳定在规定范围，由此维持炉膛负压的稳定。一旦炉膛内燃烧情况发生变化，炉膛负压就会立即发生波动，因此要使锅炉能正常运行就必须控制炉膛负压。炉膛顶部的烟气压力即为炉膛负压。锅炉运行时，炉膛负压若过低，不仅热量损失增加，使锅炉灭火等不利情况；炉膛负压若过高，则炉膛内的高温烟气甚至火焰就会外泄，产生巨大的安全隐患，又会导致煤耗量的增加，加大锅炉的运行成本，增加企业负担。如图 2.10 所示，炉膛负压控制系统选择单回路控制系统。由于送风调节系统和引风调节系统的关联作用明显且联系复杂，因此转变送风系统的送风量为前馈信号后，将其与引风量信号一起送入引风控制装置，形成一个快速补偿系统。10引风控制装置 挡板调节阀炉膛炉膛负压变送器+引风量调节器-送风量调节器炉膛负压 预设值炉膛负压图 2.10 引风控制系统结构方案图2.4 锅炉过热蒸汽温度控制方案设计锅炉过热蒸汽温度控制方案设计2.4.1 过热蒸汽温度控制方案要求过热蒸汽温度控制方案要求 锅炉过热蒸汽温度控制系统的任务是维持过热器出口蒸汽温度在规定范围内，并保证过热器管壁温度始终处在安全值。 过热蒸汽温度控制一般采用减温水流量调节法来实现。减温器等相关设备结构简单，操作起来简便快捷，因此通过减温水来调节过热器出口蒸汽温度的办法应用较为广泛。在安装减温器时应尽可能靠近蒸汽的出口，确保过热器工作的安全。 2.4.2 过热蒸汽减温器的安装设计过热蒸汽减温器的安装设计为了保护过热器、提高蒸汽温度调节的灵敏性，过热蒸汽温度控制系统都采用前后两个喷水减温器。第一个减温器安装在前屏过热器后面，调节幅度和惰性都较大。因为末级的过热器热惯性小，第二个减温器安装在末级过热器前方，以便迅速调节出口蒸汽温度。汽温控制一般采用两个调节器串联互相配合的工作模式，彼此协调，当一级减温器出现扰动时，它立即进行调节，随后二级减温器对扰动再次调节。相较于单一控制系统来说，优势明显。2.5 小结小结锅炉的控制系统主要在于汽包水位的控制和燃烧过程的控制，以及过热蒸汽的控制。其中汽包的水位采用三冲量串级控制，提高了水位系统的稳定性；在燃烧控制中，关于给煤量、送风量、引风量的控制分别给出可行的控制方案，以确保对应主蒸汽压力、烟氧量、炉膛负压都处于给定范围。最后对过热蒸汽的调节则保证了锅炉运行的稳定安全。113 锅炉控制系统设计锅炉控制系统设计本次课题的控制系统中，参与运作的主要设备器件有电动机、变频器、调节变送器、调节阀、直流电源、PLC。其中电动机和变频器实现对各个控制环节的调节；变送器和调节阀对重要控制参数进行调节调整；直流电源为整个系统中的直流元器件供能；PLC 作为核心控制器最终实现锅炉的控制系统。3.1 锅炉控制系统硬件设计锅炉控制系统硬件设计3.1.1 硬件型号选定硬件型号选定 1. 电动机在锅炉汽包水位控制系统和燃烧控制系统中，电动机是主要的动力设备。选择了合适的电动机才能保证供水准确、给煤适当，让锅炉运作更为稳定安全。以常见工业锅炉的蒸发量为 35t/h，汽包压力 0.5MP，管道直径为 50mm 为例，电机的正常工作功率大约为：12 KwssmkgP951000036002.53.14500000/103500022（3.1） 由估算结果可以选定110Kw 的三相异步电动机即可满足上产要求。由于主回路中必须接入变频器来对电机进行调速控制，因此选定采用鼠笼式异步电动机，无需采用绕线式异步电机。西玛特机电设备有限公司生产的 YJTG 系列变频调速三相异步电动机满足这次设计要求，适合型号为 YJTG315L2-8，详细参数如下表3-1所示：表 3-1 YJTG315L2-8 铭牌参数参数对应内容参数对应内容品牌：型号：额定功率：额定转速：西玛牌YJTG315L2-8110kw600（rpm）产品类型：极数：额定电压：产品认证：三相异步电动机8极380(V)ISO9001 2. 变频器变频器是实现变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能4。采用变频器调节来取代风门、挡板、阀门的直接控制方案，实现给煤、给水、送风以及引风等被调参数的调节。变频器的调节范围广，且调整特性曲线光滑稳定，能实现连续的平稳调节，精度、可靠性、效率都更高，操作简单，绿色环保。从电机的选型可以知道电动机工作在 50Hz 的三相交流电时的功率约为 100KW，处于基频以下的交流异步电机工作时为恒转矩输出，此时电机的转速会小于额定转速，故电机的输出功率也会小于其额定功率，同时由于电机的转矩保持不变，因此工作电流和在 50Hz 三相交流电下的工作电流基本相同。根据以上的分析和市场调查，可选择选择 ABB 公司的 ACS510 系列的变频器。该变频器可以输入 380V-480V 50/60Hz 三相交流电，输出 380-480V 三相交流电并通过控制信号控制其输出频率，其全功率范围是 1.1-160KW，能够满足锅炉电机的功率要求。 3. 变送器变送器（Transmitter）就是把传感器输出的信号转化成能被控制设备接收的数字信号的一种信号转化元件，它可以把传感器的非电量输入变成电流或电压信号，同时将这些电信号放大后传送给控制和监测设备。大多实时监测信号都由变送器发出，但是不同的模拟量信号需要相应的传感器结合对应的变送器来产生。变送器多种多样，常见的工控变送器有压力变送器，流量变送器，电流变送器，电压变送器等。在自动化控制方面，变送器的作用是举足轻重的。变送器把非电量信号转化成电信号的同时，还能将其放大，这就是变送器优于传感器的地方。13根据控制要求，采用 115 系列电容式变送器和 YYB94 型氧量变送器。它可将生产过程中的液体、气体、蒸汽、气体含氧量等介质的压力、差压、液位、流量、含量等参数的变化转换为中间变量，即差动电容变化 C，并把它们转换成 4-20mA 的直流电流输出信号送至各个有关单元进行显示或者调节控制。 4. 调节阀调节阀是整个控制回路的一个重要的组成部分，调节阀的使用是否合理与系统能否稳定安全运行及其控制正确无误息息相关。根据传动能源的不同，调节阀可以分为气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀三类。其中液动和气动调节阀应用最为广泛，具有结构简单，动作迅速，性能可靠稳定，适用于防火防爆场合等特点。在此次设计中所使用到的给水量调节阀、送风量调节阀、引风量调节阀，电动调节阀与气动调节阀就能实现整个回路的控制调节作用。根据本次设计的要求，选用 VB3200 系列电动阀。它能够有效调节给煤量与空气的流量，在其对数流量特性控制下，当阀体小开度时，调节阀的放大系数小，控制比较稳定；当大开度时，其放大系数增大，控制效果更明显更灵敏。 5. 开关电源 锅炉控制系统中，除了需要接入三相交流电以外，一些控制器件的电源为 DC24V。例如 PLC 等控制部件就需要在 DC24V 下才能正常工作，为此控制回路中要接入一个开关电源来为其提供稳定的 24V 直流电。本次控制系统设计选用施耐德开关电源 ABL2REM24045H，其采用脉冲宽度调制（PWM）方式，由于没有没有工频变压器，工作温度低、体积更小、重量更轻；功率晶体管工作在开关状态下，使得晶体管的能耗很小，转化效率高，其转化效率比线性电源高处一倍以上，内部自带短路、过载、过压等基本保护措施。具体产品规格如下：表 3-2 Scheider ABL2REM24045H 详细参数参数相关内容参数相关品牌：型号：调制方式：晶体管连接方式：类型：Schneider/施耐德ABL2REM24045H脉冲宽度调制(PWM)式半桥式AC/DC电源输入电压：输出电流：输出电压：输出功率：工作效率：220V4.5A24V100W100% 6. PLC本次设计采用的是西门子公司的 S7-300 PLC 为核心控制器。S7-300 属于模块式PLC，主要由机架、CPU 模块、信号（I/O）模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程计算机组成，通过 CPU 模块或通信模块借口，PLC 被连接到通信网络，可以与计算机、其他 PLC 或其他设备进行通信与控制3。西门子 S7-300 以极高的性价比在国际国内市场占有很大的份额，在我国的各工控行14业得到了广泛的应用，其自身的功能指令灵活多变，基本适用于所有控制场合，而且具有强大的扩展空间，可以解决一系列工业领域的控制难题。3.1.2 锅炉控制系统锅炉控制系统硬件设计硬件设计 从电源接头引入 380V 电源为锅炉控制系统供电，为了保证设备的安全和不被瞬时过大的电流损坏，必须接入过流保护装置确保电流过大时能够及时断电。当电气设备在自身出现故障时会使回路电流过大，此时熔断器动作，及时切断回路，保证供电回路和电动机的安全。 由于控制系统内的直流元件需要直流电压才能运行，因此还需要一个整流装置将接出的 220V 交流电压进行整流稳压，输出直流电源给直流元器件，保证器件的稳定运行。对于变频器的接线，因此首先应该将变频器的电源端与 380V 交流电源相连，利用PLC 输出控制变频器，进而控制电机的启停与转速的快慢，实现对参数的调节。根据上述的分析，控制系统的硬件接线如图 3.1 所示：FU1220V24V 0V 12VMFRSB1SB2FR1DC 24VL1L2L3UVW西门子S7-300 PLCIQDI1DI2DI3DI4 ABBACS510L1L2L3NQS图 3.1 锅炉控制系统硬件接线图3.2 锅炉系统软件设计锅炉系统软件设计 由电气接线图确定本课题的锅炉控制系统中所需的输入输出量的点数，并根据所需的输入输出点数确定所需的扩展模块。 （1）在给水控制上，采用电动机控制给水，并准备故障备用电机一台。其 I/O 点需求配置如下表 3-3 所示：表 3-3 给水系统 I/O 点配置表序号控制内容类型数量对应值输入151 234567891011121314给水电机()启动给水电机()运行给水电机()停止给水电机()故障时急停给水调节阀开启出水调节阀开启汽包水位给水流量汽包高水位上限汽包高水位上限汽包低水位上限汽包低水位上限给水流量调节给水流量调节DIDODIDIDODOAIAIAIAIAIAIAOAO22221111111111按钮电动机按钮热继电器/熔断器按钮按钮水位变送器流量传感器设定值设定值设定值设定值给水调节阀给水调节阀 （2）燃烧控制系统方面，通过变频器的调速来控制给煤电机的启停及给煤量，炉排电机也由电机结合变频器控制调节，保证经济节能的运作。其 I/O 点需求配置如下表 3-4示：表 3-4 给水系统 I/O 点配置表序号控制内容类型数量对应值输入12345678910给煤电机启动给煤电机运行给煤电机停止给煤电机故障时急停炉排电机启动炉排电机运行炉排电机停止炉排电机故障时急停给煤量炉排运行速度调节DIDODIDIDIDODIDIAIAO1111111111按钮电动机按钮热继电器/熔断器按钮电动机按钮热继电器/熔断器流量传感器变频器 其中，炉膛中送风量和引风量由 2 台电机分别控制，来确保烟气含氧量和炉膛负压的正常稳定。其 I/O 点需求配置如下表 3-5 所示：表 3-5 送风量及引风量控制系统 I/O 点配置表序号控制内容类型数量对应值输入12345送风电机启动送风电机运行送风电机停止送风电机故障时急停送风电机启动DIDODIDIDI22221按钮电动机按钮热继电器/熔断器按钮1667891011121314151617送风电机运行送风电机停止送风电机故障时急停引风电机启动引风电机运行引风电机停止引风电机故障时急停送风压力送风量调节引风量调节炉膛负压炉膛温度DODIDIDIDODIDIAIAOAOAIAI111111111111电动机按钮热继电器/熔断器按钮电动机按钮热继电器/熔断器压力变送器变频器变频器负压传感器温度传感器 （3）锅炉安全系统方面，为了保证过热的正常工作，通常会限制过热蒸汽的温度，并由减温水来调节控制。其 I/O 点需求配置如下表 3-6 所示：表 3-6 过热蒸汽控制系统 I/O 点配置表序号控制内容类型数量对应值输入1234过热蒸汽流量过热蒸汽温度过热蒸汽温度减温水调节阀AIAIAIAO1111流量传感器温度传感器温度传感器电动调节阀根据上述各部分控制系统的 I/O 点需求配置可知，整个控制系统需要的数字量输入/输出（DI/DO）点为 21/9，模拟量输入/输出（AI/AO）点为 13/6。因此根据选用的 S7-300 PLC 以及确定的输入/输出点来选配 PLC 的各扩展模块：（1）中央处理器选用 CPU 314C-2 DP，订货号：6ES7 314-6CF02-OABO。此 CPU属于紧凑型，功能齐全，运用广泛。集成 DI 点 24 个，DO 点 16 个，AI 点 5 个，AO 点2 个；集成 Cout 计数和频率测量模块；集成 Position 定位模块。（2）模拟量输入模块选用 SM331 AI812Bit，订货号：6ES7 331-7KF02-OABO。此模块为 8 通道，12 位分辨率，可以接入电流、电压、电阻器及热电偶的模拟量信号。（3）模拟量输出模块选用 SM332 AO412Bit，订货号：6ES7 332-5HD01-OABO。此模块为 4 通道，12 位分辨率，可分别设置电流输出或者电压输出。电流输出为两线制；电压输出可以是两线制，亦可四线制。（4）PID 控制器模块选用 FM 355 S PID Control，订货号：6ES7 355-1VH10-OABO。在控制调节汽包水位、电机转速时，需要使用 PID 调节，因此加入 PID 控制器模块。17将以上模块通过背板总线连接，并按顺序排布在机架上。如下表3-7 所示：表 3-7 对应各模块排布表插槽模块订货号I 地址Q 地址12 X2 2.2 2.3 2.4 2.53456PS 307 5ACPU 314C-2 DPDPDI24/DO16AI5/AO2CountPositionAI812BitAO412BitFM 355 S PID Control6ES7 314-6CF02-OABO6ES7 331-7KF02-OABO6ES7 332-5HD01-OABO6ES7 355-1VH10-OABO1241267527617687837847992562713043191241257527557687837847992722793043193.3 I/O 地址分配表地址分配表 根据已经确定的所需输入/输出点，以及其对应的数量和类型，确定CPU、SM331、SM332 的 I/O 地址分配如下，为程序的编写打好基础。 CPU 及两个扩展模块的 I/O 地址分配如下表所示：1. CPU 314C-2 DP（24DI/16DO、5AI/2AO） 表 3-8 CPU314C-2 DP 的 DI/DO 点分配表代号输入设备PLC 输入继电器代号输出设备PLC 输出继电器18SB1SB2SB3SB4SB5SB6SB7SB8SB9SB10SB11SB12SB13SB14FR1FR2FR3FR4FR5FR6FR7给水电机启动按钮给水电机停止按钮给水电机启动按钮给水电机停止按钮给煤电机启动按钮给煤电机停止按钮炉排电机启动按钮炉排电机停止按钮送风电机启动按钮送风电机停止按钮送风电机启动按钮送风电机停止按钮引风电机启动按钮引风电机停止按钮给水电机的热保护继电器给水电机的热保护继电器给煤电机的热保护继电器炉排电机的热保护继电器送风电机的热保护继电器送风电机的热保护继电器引风电机的热保护继电器I124.0I124.1I124.2I124.3I124.4I124.5I124.6I125.0I125.1I125.2I125.3I125.4I125.5I125.6I126.0I126.1I126.2I126.3I126.4I126.5I126.6KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7KM8KM9给水电机对应变频器端子给水电机对应变频器端子给煤电机对应变频器端子炉排电机对应变频器端子送风电机对应变频器端子送风电机对应变频器端子引风电机对应变频器端子给水调节阀对应变频器端子出水调节阀对应变频器端子Q124.0Q124.1Q124.2Q124.3Q124.4Q124.5Q124.6Q125.0Q125.1表 3-9 CPU314C-2 DP 的 AI/AO 点分配表模拟量输入参数模拟量输入地址模拟量输出调节模拟量输出地址给煤量炉膛温度送风压力炉膛负压蒸汽流量PIW752PIW754PIW756PIW758PIW760给水调节阀给水调节阀PQW752PQW754 2. SM331（8AI）表 3-10 模拟量输入模块 EM331 的 AI 点分配表模拟量输入参数模拟量输出地址给水给水流量汽包水位汽包高水位上限汽包高水位上限汽包低水位上限汽包低水位上限PIW256PIW258PIW260PIW262PIW264PIW26619过热蒸汽温度过热蒸汽温度PIW268PIW270 3. SM332（4A0）表 3-11 模拟量输出模块 EM332 的 AO 点分配表模拟量输出调节模拟量输入地址炉排运行速度变频器送风量变频器引风量变频器减温水调节阀PQW272PQW274PQW276PQW278 3.4 软件编程软件编程 本次设计采用的 PLC 为西门子 S7-300，并使用 STEP 7 编程软件编写梯形图程序，实现要求的控制要求。根据本次课题要求，通过所编程序实现燃料量控制调节蒸汽压力，送风量控制调节烟气含量以及引风量控制炉膛负压的设计，并有效克服彼此间的干扰。 程序结构如下图所示：202122232425264 锅炉控制系统仿真锅炉控制系统仿真 计算机仿真已经成为解决工程实际的必要手段，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等许多强大的功能集成在一个视窗环境中，为许多工程和科学领域的有效数值计算提供了一种全面的解决方案，代表了当今科学计算软件的先进水平11。为了体现本课题所设计控制系统的性能，利用 MATLAB 软件建立对应的传递曲线与仿真图。将控制方案的调节环节转化成对应的传递函数，在通过仿真软件建立出系统的图形，从线性的波动就能很好的体现出该控制方案的优缺点。4.1 汽包水位控制系统整定与仿真汽包水位控制系统整定与仿真 根据汽包水位控制方案图，给水流量控制结构框图如下：-KdKuGp (s)DH0图 4-1 锅炉给水控制系统框图 其中：Gp(s)为给水控制器传递函数；Ku为给水电机的传递函数；Kd为给水流量变送器的调节系数。给水流流量调节回路只需要在扰动进入时，可以在最短时间内消除该扰动，因此选用最简单的比例（P）调节器。 ABB 变频器在给定 380V 三相交流电下的输出频率为 50Hz，输出电流 520mA;电机正常转动时的输出频率为电源工频 50Hz，锅炉蒸发量为 35t/h，估算对应给水流量 D 大约为 35m3/h;因此对应的控制对象的频率上升时间为 0.5s，其增益为 35/20=1.75，并由此认定这个控制回路是一阶惯性环节，时间常数是 0.3。从硬件的选型可知，在系统正常运行时的相关参数为 Kd=(5-1)/(50-3)=0.085，D=35。传递函数表达式如下： (4.1)SSGp3 . 0175. 1)( 仿真结果如图 4-2 所示：2700.20.40.60.811.21.41.600.10.20.30.40.50.60.7Step Responset/s (sec)Amplitude图 4-2 锅炉给水控制回路仿真图 从仿真波形图可以看出响应时间很短，闭环回路的增益也符合要求，给水流量调节控制器在迅速调节给水量从而消除给水的滞后性。 4.2 锅炉燃烧控制系统整定与仿真锅炉燃烧控制系统整定与仿真4.2.1 主蒸汽压力控制回路整定与仿真主蒸汽压力控制回路整定与仿真根据主蒸汽压力控制方案图，对应副回路的给煤控制回路控制结构框图如下： -P2KBDz2 (s)MDO2 (s)图 4-3 主蒸汽压力控制副回路控制框图其中：Dz2(s)为给煤控制器传递函数；KB为给煤电机变频器的调节系数；DO2(s)为给煤电机的传递函数；P2为给煤量变送器的调节系数。给煤量调节回路只需要在相关扰动进入时，可以在最短时间内消除该扰动，因此选用最简单的比例（P）调节器。主蒸汽压力由给煤量来控制调节，并保持主蒸汽压力的稳定，给煤控制回路作为副回路是一个比例环节，当锅炉系统稳定正常运行时，时间常数为 0.1，P2=0.05，KB=1。且副回路的输入即为主回路的输出。因此给煤控制回路的传递函数如下：28 (4.2)SSDO1 . 0175. 1)(2根据副回路的传递函数可知该回路时间滞后较小，可以将它等效为 D2(s)=1/P2=20。而主回路的控制框图如下：-P1Dz1(s)DO1 (s)D2(s)图 4-4 主蒸汽压力控制主回路控制框图当给煤量变化时，主蒸汽压力的曲线特性为存在一定的滞后，等效为时间滞后传递，一般取值为 50，主蒸汽压力控制主回路通道的传递函数为： (4.3)SOeSSD50110011)(由 PI 控制器的经验公式可知 =1，Tc1=80，Kc1=1/=1，得出该回路调节器的传递函数为： (4.4)SSSSDO801808011)(2 仿真结果如图 4-5 所示：012345600.20.40.60.811.21.41.6t/s值 值图 4-5 主蒸汽压力控制主回路仿真图29从仿真波形图中可以看出当前的控制系统（实线）当出现阶跃信号时，主蒸汽压力控制器在调解时超调量小，并能迅速调节蒸汽压力从而消除扰动，使被调量迅速达到稳定，比以往的控制调节手段（虚线）更快达到要求的压力值，满足了控制要求。4.2.2 送风控制系统整定与仿真送风控制系统整定与仿真根据送风量控制方案图，送风控制回路控制结构框图如下：-P3DF(s)DO3(s)D3(s)图 4-6 送风量控制主回路控制框图其中：DF(s)为烟氧量控制器传递函数；D3(s)为等效副控制回路的传递函数；DO3(s)为送风电机的传递函数；P3为送风量变送器的调节系数。烟氧量由送风量来控制调节，并保持烟氧量处于的稳定，送风量控制回路作为副回路是一个比例环节，当锅炉系统稳定正常运行时，比值系数为 0.5，反馈系数为 0.04。且副回路的输入即为主回路的输出。因此送风控制回路的传递函数 DO4(s)如下： (4.5)SSDO5 . 018)(4根据副回路的传递函数可知该回路时间滞后较小，可以将它等效为 D3(s)=1/0.04=25。当送风量变化时，烟氧量曲线特性为存在一定的滞后，主蒸汽压力控制主回路通道的传递函数为： (4.6)SOeSSD8038011)( 由 PI 控制器的经验公式可知 =3.4，Tc3=64，Kc3=1/=0.3，由此得出烟氧量调节器的传递函数为： (4.7)SSSSDF643 . 02 .1964113 . 0)(）（ 仿真结果如图 4-7 所示：30012345600.20.40.60.811.21.4t/s值 值图 4-7 送风量控制主回路控制仿真图从仿真波形图可以看出所设计的控制系统（实线）响应延迟很小，给出阶跃信号时，烟氧量控制器在迅速调节送风回路，进而改变送风量来消除扰动，使被调量迅速达到稳定，与以往控制方法（虚线）相比大大减少了滞后时间，确保能及时使烟氧量处于规定范围。4.2.3 引风控制系统整定与仿真引风控制系统整定与仿真根据引风控制方案图，炉膛负压控制回路控制结构框图如下：-P4DY(s)KNPY0PY图 4.8 炉膛负压控制主回路控制框图其中：DY(s)为引风量调节器传递函数；KN为调节阀传递系数；P4为送风量变送器的调节系数。炉膛负压由引风量来控制调节，并保持炉膛的负压值处于的稳定，当锅炉系统稳定正常运行时，变送器比值系数为 0.04。锅炉控制的调节阀为气关型，调节阀传递函数为KN=-15，且为负反馈，得到送风控制回路的传递函数 DY(s)如下：31 (4.8)SYeSSD2025110)( 由 PI 控制器的经验公式可知 =13.4，Tc3=20，Kc3=1/=0.075，由此得出烟氧量调节器的传递函数为： (4.9)SSSSDF20075. 05 . 12011075. 0)(）（ 仿真结果如图 4-9 所示：012345678910-12-10-8-6-4-202x 10-3t/s值 值图 4-9 炉膛负压控制主回路控制仿真图从仿真波形图可以看出所设计的控制系统（实线）反应迅速，出现阶跃信号时，炉膛负压控制器迅速调节引风回路，进而调节引风量来控制炉膛负压，保持其在规定范围，与以往控制方法（虚线）相比，响应延迟很小，能够确保负压的稳定和锅炉的安全。325 结论与展望结论与展望5.1 结论结论 工业锅炉是工业设备中的一个典型例子，输入输出量之间的关系复杂，各个参数之间也都是非线性相关，处理分析比较困难，因此对于传统控制方案相当有难度。在现代科技的发展局面下，借助计算机智能控制和工控自动化技术，使得锅炉的控制问题得到了最大的简化。整个锅炉系统的控制要求看似复杂，但只是将三个主要控制要求结合在一起：燃料量控制调节主蒸汽压力，送风量控制调节烟气含量以及引风量控制炉膛负压。将这三个控制系统分开独立考虑，就能清晰的了解锅炉内部各调节变量关联，这样一来就能快速的设计出控制方案，在锅炉控制方案的基础上，就能针对各控制系统设计出对应的硬件设计和控制程序图。在设计控制方案的同时综合运用串级控制、单回路控制、比值控制以及前馈控制等控制方式，解决以往锅炉控制系统中常见的难以解决的问题，使锅炉的运作更现代化和更环保化。 通过对可编程逻辑控制器程序的编写就能轻松实现对整个锅炉系统的控制，使得整个操控监测显得更加简单、稳定、安全。5.2 不足之处及未来展望不足之处及未来展望
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