锅炉控制技术方案

燃焦炉煤气蒸汽锅炉控制系统燃焦炉煤气蒸汽锅炉控制系统 锅炉型号：锅炉型号：WNS-20/1.25-QWNS-20/1.25-Q（Y Y） 锅炉自动控制系统技术方案锅炉自动控制系统技术方案 武汉天元锅炉自控设备有限责任公司武汉天元锅炉自控设备有限责任公司 武汉天元锅炉自控设备有限公司控制技术方案 2 目目 录录 第一章 系统设计概述.3 1.1 前言.3 1.2 设计总体目标.3 1.2.1 功能设计.3 1.2.2 系统设计.4 第二章 控制系统技术说明.4 2.1 系统概述.5 2.2 系统构架描述 .5 2.3 硬件部分组成 .5 2.4 控制系统实现的功能.7 第三章 DCS 系统配置说明.8 3.1 各种输入信号.9 3.2 燃气锅炉主要测控点.10 3.3 核心控制元件清单及说明 .10 第四章 主要系统设计功能及实现.10 4.1 数据采集监视功能(DAS).9 4.2 模拟量控制(MCS).10 4.2.2 炉膛负压控制.10 4.3 顺序控制系统(SCS).10 第五章 系统安装使用一般要求.13 5.1 接地要求.13 5.2 电源性能.14 5.3 环境要求.14 第六章 技术支持及服务.15 6.1 文档.15 6.2 培训.15 6.3 服务.15 武汉天元锅炉自控设备有限公司控制技术方案 3 第一章第一章 系统设计概述系统设计概述 1.11.1 前言前言 武汉天元锅炉自控设备有限公司制造的锅炉控制系统特点：在于采用先进的 PLC、数字调节仪表与进口全自动燃烧程序控制器为一体，综合了 PLC（可编程）技术、 数字调节仪表技术、计算机与通信技术，设计成先进锅炉全自动控制系统，并且可以挂接 工业控制计算机构成 DCS 系统。该系统在 Siemens S7 PLC 基础上专门针对燃油气锅炉运 行特征开发的控制系统，硬件上它沿袭了西门子 S7 系列工业控制产品的卓越品质，软件 上它吸纳了锅炉热控理论的控制算法与锅炉生产厂家系统设计、运行调试人员的热工控制 经验，使锅炉全负荷自动投入率达到 100%全自动控制。 整个控制系统由上位计算机操作站上位计算机操作站、Siemens S7-200 控制器、专用燃烧程序 LANDIS&GRY 控制器、触摸屏（POD）及数字调节仪表、通讯网络、现场一次仪表、执行器 等组成，功能包括：DAS、CSC、MCS 和其他辅助控制。 所有系统检测点及相关组态画面在触摸屏（POD）和数字调节仪表实现显示、报警、 数据管理、中断操作等。由于硬件配置经典，结合 Siemens 产品本身具有的开放性、全球 供应等特点，所以该系统是一个维护保障性能好、适时性高、稳定性优越、抗干扰能力强、 人机界面友好的燃油气工业锅炉控制系统。 1.21.2 设计总体目标设计总体目标 满足远程及集控要求； 一流的锅炉自动化运行水平，宽负荷自动调节能力； 监控画面美观，简单适用，易于学习掌握，便于操作； 数据处理速度快，实时性高； 提高运行人员工作效率，满足锅炉全能值班要求； 满足用户将来系统扩展到 DCS 的功能要求； 按上述目标要求在系统设计及应用时提出如下设计思想： 1.2.11.2.1 功能设计功能设计 整套控制系统建成后的自动化程度、处理事故能力（报警、分析、指导、处理等）等， 以最大的提高效益，降低能耗为设计思想。具体如下： 1) 作为一个整体对象控制：按工艺流程的自动化过程由系统协调完成，达到能量平 武汉天元锅炉自控设备有限公司控制技术方案 4 衡；保障锅炉及辅机安全、可靠、高效运行和启、停。 2) 提高系统运行的技术经济效益：锅炉及辅机在额定参数的上限运行，使锅炉及辅 机处于最佳运行工况；实现自动化投入，提高可靠性，减少误操作，降低事故率。 1.2.21.2.2 系统设计系统设计 体现控制系统的高可靠性、先进性、易维护、易组态等为设计思想。具体如下： 1）可靠性设计 主要控制单元采用西门子 S7-200 控制器，专为工业现场设计，具有防尘、抗震、 抗强电磁干扰等防护性能。 所有元器件、模件进行高温老化考核。 所有部件标准化、通用化、模块化。 控制系统按分层、分散、自治的原则。 按照永无故障停机设计，现场控制单元 S7-200 执行控制程序，盘台备有必要的手 动操作器和数字调节仪表显示，完全能保证系统运行； 2）扩展性设计 采用工业以太网 TCP/IP 网络结构，通讯速率极高。 第二章第二章 控制系统技术说明控制系统技术说明 2.12.1 概述概述 本控制系统是按照燃（油）气锅炉热工控制要求设计出的D，上位计算机操作站上位计算机操作站负责 对所有工艺状况的集中监视和控制，并分析和记录所有工艺参数的状况和趋势；另外，上 层主控制单元Siemens S7控制单元与数字调节仪表控制锅炉运行；双层的使用达到使生产 工艺设备稳定、可靠运行的目的。 工厂管理级的大型DCS系统可直接与现场计算机操作站之间用RJ45 标准以太网口连 接，TCP/IP协议，以建立客户端/服务器访问机制，达到数据共享和相互操作的目的。 为现场采集信号和系统控制输出通过信号线缆在控制单元I/O模块与一次仪表或执行 器（电动调节阀）之间连接，关键参数操作台同时设置显示仪表。一次仪表、线缆、电 动调节阀、执行器等元部件，均为定型产品，其性能由所选品牌保证，在本方案中不作重 点描述，在后面相关章节中，仅提供一般参数和使用品牌。 武汉天元锅炉自控设备有限公司控制技术方案 5 2.22.2 系统架构描述系统架构描述 1. 系统架构系统架构 调节仪表 武汉天元锅炉自控设备有限公司控制技术方案 6 2.32.3 硬件部分组成硬件部分组成 1) 控制系统的整体构成为，第一部分包括第一部分包括：PLC +（POD 触摸屏）+燃烧程序控制器 + 智能调节仪表部分 组成主控单元。 2) 控制系统的整体构成为，第二部分包括第二部分包括：动力启动控制柜 + 电流与电压检测 + 动力启动运行控制部分。 3) 控制系统的整体构成为，第三部分包括：工控机+ 打印机 4) 采用 SIEMENS S7 可编程控制技术，取代部分常规控制系统中大量使用的二次仪表， 极大地提高控制系统集成度与可靠性，直接控制动力装置启动/停止。 5) 现场采用 HITCH 全中文触屏（POD）为锅炉现场操作界面，便于锅炉操作人员对设 备更容易掌握和使用。 6) 触摸屏内设置操作键，设定锅炉运行所需要的控制温度、压力值、水位值与的数 值。 7) SIEMENS S7 控制系统采用单元模块化拼装结构，便于用户扩展其他控制功能，降 低再投资设备的费用。 8) 锅炉燃烧调节采用 Honeywell 智能多回路 UDC 仪表进行自动跟踪取样，根据锅炉 压力值的变化实现全比例大小火燃烧，保证锅炉的负荷平稳，将相关处理信号数 据与 PLC 进行交换。 9) 锅炉燃烧器安全程序，采用德国 LANDIS&GRY 专用程序控制器，具体选型根据燃烧 器的情况进行配置。 10) 锅炉的燃烧器的自动点火与燃烧、燃油阀组系统、鼓风与燃料匹配系统，采用德 国 LANDIS&GRY 专用程序控制器控制，并由 PLC 进行监控和管理。 11) 系统配置 1 台工业级控制计算机(作操作站)，完成人机交互任务。工业控制计算 机标准配置为台湾研华 P4 工控机。三星 19液晶显示器。 12)内装组态 FameviewFameview RCRC 512512 组态软件，标准 WINDOWS2000 操作系统，通过 RS485 进行 PROFIBUS 现场总线传输。 2.2. 4 4 控制系统实现的功能控制系统实现的功能 1)能直接的在工控机、触摸屏（POD）上观察到锅炉的压力、温度及其他等各种 I/O 与模拟量的变化，并从工控机上观察到燃烧状态。 2)当锅炉蒸汽压力、水位、温度发生异常时，输出锁住控制系统，产生声光警报， 并提示锅炉操作人员按要求进行排除故障。 武汉天元锅炉自控设备有限公司控制技术方案 7 3)控制参数在工控机或触摸屏上进行自由设定。 4)具有重要数据的历史记录功能，帮助操作人员分析锅炉运行状态。 5)对故障进行窗口显示与在线帮助功能。 6)具有全中文信息提示与在线帮助，普通操作人员就能独立操作系统设备。 第三章第三章 DCSDCS 系统配置说明系统配置说明 3.13.1、各种输入信号、各种输入信号 模拟量信号包括：温度、压力、流量、液位等。开关量信号为各种周期型开关量。输 入信号的详细分析及布置见表 1、表 2。 表表 1 1 输入模拟信号分析输入模拟信号分析 序号 测点性质测点名称测量/变送设备 变送器 输出规格 应用系统 1 锅炉汽包压力（MPa）压力变送器 420mA 压力监控单元 2 炉膛负压（Pa）微压变送器 420mA 炉膛负压单元 减温器压力压力变送器 420mA 压力监控单元 3 锅炉汽包水位（mm）差压变送器 420mA 汽包水位单元 4 省煤器前压力（MPa）压力变送器 420mA 压力监控单元 5 压 力 省煤器后压力（MPa）压力变送器 420mA 压力监控单元 7 给水流量 (t/h)孔板/流量计 420mA 8 流 量 蒸汽流量 (V/h)孔板/流量计 420mA 9 鼓风机鼓风机 420mA 流量监控单元 10 炉膛烟温（）带护套铠装热电偶 K电偶 K 1111 省煤器进口烟温（） 铠装热电阻 Pt100 12 省煤器出口烟温（） 铠装 Pt100 热电阻 Pt100 13 温 度 给水温度Pt100 热电阻 Pt100 温度监测单元 表表 2 2 输入开关信号分析输入开关信号分析 序号 测点 性质 测点名称测量/变送设备 变送器 输出规格 应用系统 武汉天元锅炉自控设备有限公司控制技术方案 8 1 压力超压控制信号压力控制器压力监控单元 2 低水位信号液位电极水位监控单元 3 高水位信号液位电极水位监控单元 2.3.22.3.2 系统系统 I/OI/O 统计表统计表 每台锅炉输入输出点数为： 序号序号信号类型信号类型信号标准信号标准数量数量 1 模拟量输入（AI） 4-20mA4 2 模拟量输入（AI） 热电阻 4 3 模拟量输入（AI） K 热电偶 1 4 模拟量输出（AO） 4-20mA3 5 开关量输入（DI） 24V DC12 6 开关量输出（DO） 24VDC/2A8 2.3.32.3.3 DCSDCS 系统配置系统配置见详细供货清单见详细供货清单 武汉天元锅炉自控设备有限公司控制技术方案 9 第四章：主要系统设计功能及实现第四章：主要系统设计功能及实现 硬件是系统长时间无故障运行的基础，运行品质则由系统软件平台和软件编程人员工 程能力、经验等保证。 系统为满足容易操作、界面友好、安全运行等要求进行设计，系统核心功能可分为模 拟量控制、数据采集与监视、顺序控制几个要素，因此特列本章作重点论述。 4.14.1 数据采集监视功能（数据采集监视功能（DASDAS） DAS 功能为：快速准确地采集参数数据、设备状态、参数报警、性能指示，为操作人 员提供操作依据。 3.1.1 模拟图-工业流程模拟图分为系统总览图、燃烧系统图、汽水系统图、烟 气系统图等，模拟图显示锅炉运行状态、各种变量数值、设备状态，处于报警的变量以 变色、闪烁等方式显示。 3.1.2 成组显示-成组显示系统中的主要参数，为操作人员提供相关部分更加详细 的信息。 3.1.3 趋势分析-通过趋势分析画笔组态和数据动态链接，创建实时趋势和历史趋 势图，对相关量进行趋势分析，使操作人员及时了解系统运行变化趋势，并作出判断。 3.1.4 事件报警和系统响应-整个系统中随机发生的事件处理都归在报警处理中， 这些事件包括模拟量越限、计算机系统本身的故障报警、操作员的重要操作等，由程 序设置决定报警的形式。 3.2.5 报表-系统可以按照用户的管理要求，创建基于 EXCEL 文件格式的各类报表， 便于运行状况记录和生产管理分析。 3.1.6 记录和打印-可以随机或周期性打印报警记录、操作记录、报表以及系统分 析曲线、过去历史数据等。 3.1.7 历史数据记录和调用-系统可以将各个输入输出点的采集值按照秒级时间段 存入硬盘，以备在将来调用分析。 4.24.2 模拟量控制模拟量控制（MCSMCS） 模拟量控制主要应用的技术有：燃烧控制(主汽压力控制)、汽包水位三冲量控制、炉 膛负压控制。 武汉天元锅炉自控设备有限公司控制技术方案 10 锅炉是一个多变量输入、多变量输出工艺参数强耦合的复杂热工控制对象，系统控制 效果好坏，集中反映在控制系统对各个模拟量处理方式上（即平常所说的 MCS 系统） ，从 各个模拟量采集，到调节参数的控制输出，几乎运用了现代热工控制最为前沿的技术、最 复杂的手段,并揉合了众多来自现场的运行经验。 锅炉时间常数小、控制参数耦合严重、难以解耦实现经典 PID 调节的控制难点，我们 在采用自适应分负荷段控制、参数区间设定与 PID 调节相结合的控制方法，最大限度地发 挥计算机数据计算处理能力。 首先，按照在不同负荷条件下锅炉运行参数的调节范围和耦合关系，将锅炉工况分为 若干调节区间。在各个区间分别建立各个参数的数学模型。 4.2.14.2.1 汽压汽压燃烧调节燃烧调节 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，同时还要保持经济燃烧和锅炉的安全运行。 其控制原理框图如下： 蒸汽压力和燃烧控制原理框图 PID 调节器 实测蒸汽压力 蒸汽压力给定 蒸汽炉全自动燃烧控制原理图PID 风机挡板 燃料阀 风机 比例调节 4.2.24.2.2 汽包水位三冲量控制汽包水位三冲量控制 汽包水位的稳定影响到锅炉安全、高效、经济等各个方面，所以必须采取行之有 效的方法来控制汽包水位的稳定。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。 武汉天元锅炉自控设备有限公司控制技术方案 11 液位控制是有以下三种： 单冲量控制，即以水位为唯一调节信号的单参数、单回路控制系统； 双冲量控制，即以蒸汽流量作为补充信号的双参数控制系统； 三冲量控制，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。 三种控制算法复杂程度不同，控制效果也有较大差别，在控制参数设置都处于 最优情况下单冲量控制最差，三冲量控制最好。汽包水位三冲量控制又称给水控制， 它反映给水量与供汽量的动态平衡，属于典型的串级加前馈控制方式。给水流量作为 副调回路，克服给水流量变化扰动；汽包水位作为主调回路；蒸汽流量作为前馈量克 服虚假水位现象，使水位达到很高的控制精度。本系统应用串级前馈三冲量控制算法， 正常情况下控制稳态误差5mm。 三冲量串级控制系统控制原理框图如下：三冲量串级控制系统控制原理框图如下： PID 调节器 给水 机构 PID 调节器 液位给定 三冲 量串级控制系统控制原理框图 主蒸汽流量 汽包 水位 比例放大 测量 4.2.34.2.3 炉膛负压控制炉膛负压控制 为减少热损，提高燃烧经济性，同时加强操作安全性，必须将锅炉炉膛负压控制在一 个很稳定的区间内。在引风调节方案中，炉膛负压测量值经和设定值一起送入 PID 调节回 路中进行运算，运算结果控制引风变频器运行，满足锅炉运行要求。由于总风量发生变化 时，需要经过一段时间后才会在负压测量值上反映出来，所以在引风控制方案中，直接把 总风量作为前馈信号纳入到回路，使系统对总风量的变化快速反应。 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， 武汉天元锅炉自控设备有限公司控制技术方案 12 始终保持在微负压的稳定状态，以保证其安全有效运行。其控制原理框图如下： PID 调节器 炉膛 开度 引风门 负压给定 炉膛负压控制原理图 送风门开度变化量 测量 其控制原理框图如下：其控制原理框图如下： 4.34.3 顺序控制系统顺序控制系统(SCS)(SCS) 4.3.14.3.1 基本要求基本要求 1) 用于启动/停止锅炉机组系统中的子组项。一个子组项被定义为锅炉的某个设备组， 一台送风机等。 2) 设备的联锁、保护指令具有最高优先级；手动指令比自动指令优先。被控设备的 “启动” 、 “停止”或“开” 、 “关”指令将互相闭锁，且使被控设备向安全方向动作。 3) 通过联锁、联跳和保持跳闸功能来保证被控对象的安全。机组的联锁及保护跳闸功 能，包括紧急跳闸均采取硬接线连接。 4) 保护和闭锁功能设计成经常有效的。 各个动力设备顺序控制均通过开关状态输入输出点设定完成，操作盘台的主令开关操 作和计算机操作站鼠标点击软手操同样有效，但手操具有更高优先等级。 第五章第五章 系统安装使用一般要求系统安装使用一般要求 5.15.1 接地要求接地要求 当进入控制系统的信号、供电电源或系统设备本身出现问题时，有效的接地系统可以 迅速将过载电流导入大地。接地系统能够为控制提供屏蔽层，消除电子噪声干扰，并为整接地系统能够为控制提供屏蔽层，消除电子噪声干扰，并为整 个控制系统提供公共信号参考点。个控制系统提供公共信号参考点。当接地系统发生问题时，会造成人员的触电伤害及设备 武汉天元锅炉自控设备有限公司控制技术方案 13 的损坏，因此，良好的接地可对人员和设备提供安全保护。 我们必须意识到：正确接地是数字控制系统可成功操作的关键，不养成好的接地习惯 或在接地安装时走捷径，可能使整个系统出现严重的问题并造成不可估量的损失。 在一般情况下，DCS 控制系统需要两种接地：保护地和屏蔽地。保护地和屏蔽地。保护地 （CG，Cabinet Grounding）是为了防止设备外壳的静电荷积累、避免造成人身伤害而 采取的保护措施。 屏蔽地（屏蔽地（AGAG，AnalogAnalog GroundingGrounding）它可以把信号传输时所受到的干扰屏蔽掉， 以提高信号质量。系统中信号电缆的屏蔽层应做屏蔽接地。 为保证 DCS 控制系统正常运行，系统的接地设计与安装要求遵守以下限制条件： 不得接到高压设备所用的接地点。 非系统设备不得通过 DCS 系统接地。 共点接地 系统的接地铜板到大地的接地电阻4,当厂区电气专业接地网的接地电阻小于 4 时，可以直接接入；当厂区电器接地网的接地电阻大于 4 时，应该独立设置接地系统， 接地电阻小于 4。 5.25.2 电源性能电源性能 交流供电：220VAC_20%，4757HZ 直流输出：现场电源模块 24V 最大负载时压降不大于 1%，系统电源模块 5V 最大负载 时压降不大于 1%。 纹波系数：现场电源模块不大于 1%，系统电源模块不大于 1%。 5.35.3 环境要求环境要求 工作温度-045