基于PLC的热电厂锅炉水位控制

1、 工业企业供电课程报告基于 plc 的热电厂锅炉水位自动控制系统一、研究背景、现状和意义电厂热工过成采用自动化技术已有较长的历史, 1766年波尔佐诺夫发明 的锅炉给水调节装置、 1764年瓦特发明的蒸汽机离心摆调速装置,是热能动 力设备最早的自动控制装置, 也是整个自动化领域的早期成果。 随着时代科学 技术的发展, 火力发电机组已由过去的中低压、 中小容量发展到现在的高参数、 大容量的单元机组, 其生产过程的操作由运行人员手动控制到陆续采用各种自 动控制装置, 实现生产过程的自动控制, 使火力发电厂的自动控制水平日益提 高和发展 【 1】 。热工自动化控制技术是理论与技术相结合的一门学科,

2、它的发展可分为理 论与技术两个方面。从理论上大致分为以下三个发展阶段:(1 20世纪 50年代以前,一般以简单控制系统为主,机组容量小,自 动化水平低。 理论基础是经典控制理论, 它是用传递函数对被控对象进行数学 描述,以根轨迹和频率法作为分析和综合系统的基本方法。(2 20世纪 60年代,生产设备走向大型化,生产系统日趋复杂,机组 的运行与操作要求更为严格。 原来的简单控制已不能满足生产要求, 理论上以 状态空间分析方法为基础, 出现了现代控制理论。 现代控制理论以线性系统为 前提进行研究,这是控制理论质的飞跃。但实际生产过程应用中,效果并不是 十分理想。(3由于被控对象机理复杂,难以建立精

3、确的数学模型,第三代控制理 论的出现以满足生产要求。以专家系统、神经网络控制和模糊控制为主,同时 还有以专家系统、神经网络进行生产过程设备故障分析和性能分析。从技术装备发展上来分,有以下三个阶段:(1 20世纪 30 40年代,火力发电机组容量较小,热工生产过程主要是 凭生产实践经验来控制, 局限于一般的控制元件及机电式控制仪器, 采用比较 笨重的机电式仪表实现机、炉、电各自独立的分散的局部自动控制。机、炉、 电各控制系统之间没有或是很少有联系。 工业企业供电课程报告(2 20世纪 5060年代,出现了电动单元组合仪表和巡回检测装置,因 而实现了机、炉作为一个单元整体来进行集中控制,仪表盘装在

4、一起监视,从 而使机、炉启停运行更为协调,对提高设备效率和强化生产过程有所促进,适 应了工业生产设备日益大型化与连续化发展的需要。(3 20世纪 50年代末,计算机开始进入过程控制领域。最初它用于生 产过程的安全监视和操作指导,后来用于实现监督控制 【 2】 。早期的热工自动控制系统是非常简单的, 因为发电机组的单机容量都很小, 对控制系统的要求也不高,只要求对给水、汽温、汽压、汽机的转速作简单的 控制,整个机、炉、电也是分别控制的。随着技术的不断发展,发电机组已由 过去的中温、中压、中小容量发展到大容量、高参数的单元机组。对 300MW 以 上的大型发电机组,必须把机、炉、电看成一个整体,从

5、整体的观念来设计自 动控制系统,使机组安全经济运行。 图 1单元机组负荷控制图 工业企业供电课程报告如图 1所示为大型单元发电机组的负荷控制系统一般结构图。 从图可见, 控 制系统强调了机炉之间协调, 以求达到最佳运行状态, 在保证安全的前提下, 提 高机组运行的经济性。这是与以前小型发电机组所不同的。锅炉是热电厂设备中最重要的动力设备之一,它的功能是把燃料中的储能, 通过燃烧转化成热能, 以蒸汽或是热水的形式输向各种设备。 目前, 大多数锅炉 控制通过各种分立器件的应用为基础, 利用各种检测器件对被控参数实时进行检 测并反馈给控制器件, 再根据自动控制理论的有关算法完成相应的运算并驱动调 节

6、机构完成相应的动作, 从而达到自动控制的目的。 但这种控制方式受分立器件 的性能影响大, 系统各部分之间影响较大, 自动化水平不高, 控制效果并非十分 理想,而且容易出现故障,不利于系统的长期安全、高效运行。锅炉作为一个设 备总体, 有许多被控制量与控制量, 许多参数之间明显存在复杂的关系。 对于锅 炉这个复杂的系统, 由于其内部能量转换机理过于复杂, 采用常规的方式进行控 制, 难以达到理想的控制效果, 因此必须采用智能控制方式控制, 才能获得最佳 控制效果 【 3】 。可编程逻辑控制器(PLC 是 70年代发展起来的中大规模的控制器,是集 CUP 、 RAM 、 ROM 、 I/O接口与中

7、断系统于一体的器件,既能代替传统的继电器接 触器控制系统,又具有扩展各种输入输出模块,如A /D模块,热电偶热电阻模 块,构成多功能控制系统,现代 PLC 集成度高,功能强、抗干扰能力强、组态灵 活、 工作稳定等特点。 在传统工业的现代化改造中发挥着越来越重要的作用。 已 被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各种行业。随着计算机在操 作系统、应用软件、通信能力上的飞速发展,大大增强了 PLC 通信能力,丰富了 PLC 编程软件和编程技巧,增强了 PLC 过程控制能力。因此无论是单片还是多机 控制、生产流水线控制及过程控制都可以采用 PLC 技术。PLC 控制锅炉技术是近年来开发的一项

8、新技术,它是 PLC 软、硬件、自动控 制、 锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。 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。人工控制与利用 PLC 控制的供水系统对比如图 2所示。热电厂锅炉部分, 是热电厂中极为重要的功能性环节, 不仅其工作的安全性、 工业企业供电课程报告可靠性直接影响到其相关设备的安全性及能源利用率。 提高其工作效能, 还具有 十分重大的节能意义。 图 2人工控制供水系统与利用 PLC 控制对比图 工业企业供电课程报告二、设计方案1. 热力发电厂中锅炉系统结构及功能热力发电厂主要有锅炉、 汽轮机、 发电机等部分组成。 其工作原

9、理简图如图 3所示。其中锅炉是重要的动力设备,其任务是供给合格稳定的蒸汽,以满足负 荷的需要。 汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数, 如果水位过高, 会破坏汽 水分离装置的正常工作, 严重时会导致蒸汽带水增多, 增加在管壁上结垢和影响 蒸汽的质量。如果水位过低,则会破坏水循环,引起水冷壁管的破裂,严重时会 造成干锅, 损坏汽包。 所以锅炉汽包水位过高过低都可能造成重大事故因此对对 汽包水位必须进行严格控制。在锅炉汽包水位控制系统中被控量是汽包水位, 而调节量则是给水流量, 通 过对给水量的调节, 使汽包内部的物料达到动态平衡状态, 从而使汽包水位的变 化在允许范围之内, 保证锅炉的安全运行,

10、 生产出合格稳定的高质量蒸汽, 以满 足负荷的需要。 图 3热力发电厂发电原理简图2. 硬件设备的选择西门子 S7-200系列 PLC 价格低廉,并且具有良好的扩展性、丰富的功能模 块以及强大的指令系统。所以本系统选用西门子 S7-200系列 PLC 作为控制器来 进行控制,利用 PLC 、压力传感器、电动阀门执行器配套进行控制。 3. 工作基本原理热电厂锅炉汽包水位控制系统工作原理为:利用压力传感来检测锅炉的汽包发电机 工业企业供电课程报告水位, 将送来的 420MA 或是 05V 的标准信号经过信号调整模块 (AD 转换模块 送到现场控制单元 (PLC , 经过智能运算后形成控制信号, 控

11、制信号经过信号调 整模块(DA 转换模块 ,信号放大器等装置将控制信号返回现场,驱动执行单元 (电磁阀 。对锅炉水位进行控制,同时把各控制单元通过以太网相连,将需要 监控的信号送入上位机,实现人机交互和远程监控 【 4】 。系统的结构图如图 4所示:本系统主要是用西门子 PLC S7-200作为控制器来进行控制,主要是对燃煤 的锅炉汽包水位进行保护控制,根据水位的变化对进水口阀门进行操作,利用 PLC 中所带有的 PID 调节器对汽包水位进行调节,再利用起远程传输的功能, 将监测水位的压力信号转成标准信号传到监控主机上。 一般把锅炉水位分为高、 ,低、。高 /低为报警值,高 /低为停炉值 【

12、5】 。图 4系统的控制机构图根据系统的需要,我们选取西门子 PLC S7-200 CUP 224作为控制核心,同 时还扩展了 2个 EM231模拟量输入模块、 1个 EM233数字量输入模块。 CPU224的 I/O点数是 14/10,所以要进行扩展一个 EM2233的数字量输入输出模块,它 的 I/O点数是 16/16,它的作用是提供附加的输入输出点,这样完全可以满足系 统的要求。同时选用了 EM231模块,它是 A/D转换模块,有 4个模拟量的输入, 12位 A/D。采样速度 25s ,压力传感器的输出信号经过调理板放大处理后,成 工业企业供电课程报告为 0-5V 的标准信号, EM23

13、1模块自动完成 A/D转换。 PLC 通过检测锅炉的汽包水位来给出控制信号,控制相应的燃烧机、电磁阀等输出设备 【 6】 【 7】 。控制框图如图 5所示。 图 5 PLC控制系统框图4. 控制系统基本原理由于锅炉汽包的水位需要在一个恒定值上正常工作,水位的传递函数如下:seTsK s Q s H s G +=1( ( (其中 为系统滞后时间, T 为时间常数, K 为放大倍数。通过实验建模可以得出传递函数中各个参数值为 K=4.2, T=12min, =1s。 (具体数值就现场情况分析水位的干扰主要来自蒸汽出口的流量大小和进出口水管流量的大小, 我们可 以通过进出口水管的阀门控制来实现对集中

14、供热锅炉的汽包水位自动控制。利用 PID (Proportional Integral Differential控制算法来进行水位控 制(PID 控制系统如图 6所示它是按照给定信号和反馈信号之间的偏差的比例 (P 、积分(I 和微分(D 进行控制, PID 控制器是应用最为广泛的一种自 动控制器。它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数的选定比较简单等 优点;而且在理论上可以证明,对于过程控制的典型对象 -“一阶惯性 +纯滞后” 与“二阶惯性 +纯滞后”的控制对象, PID 控制器是一种最优的控制。 PID 调节规 工业企业供电课程报告律是连续系统动态品质校正的一种有效方法, 他的参数整

15、定方式简便, 结构改变 灵活,可以方便的改变为 PI 、 PD 、 PID 等控制器 【 8】 。PID 控制器,其控制规律为:( (1 ( (0+=tDip dtt de T dt t e T t e K t uPID 控制器在本系统中的目标位将受控的变量保持在设定值。 PID 控制器的 输出选择模拟量输出, PLC 的输出端口的输出开关控制电信号,信号经过信号放 大器的放大,驱动电磁阀执行动作。从而对水位进行控制。 图六 PID 闭环控制典型回路示意图5. 设计方案热电厂锅炉是一个复杂的控制对象, 其控制回路非线性严重, 锅炉的汽包水 位也是一个关键的物理量。必须满足在一定的水位下锅炉才能

16、安全、正常工作, 如果水位高或是低都会损害锅炉,影响锅炉的寿命。本系统通过 S7-200对汽包 水位进行控制。 控制程序采用 STEP7-Micro/WIN软件进行编写。 程序运行方式如 下:系统开机测试初试化完毕, 首先检测锅炉汽包水位, 如果检测水位在低和 高则紧急报警并立刻停机,如果检测水位在低位置时,启动锅炉正常运行; 然后点燃燃烧机和开启真空泵, 给锅炉进行大火加热。 如果检测水位在高位置 则报警,同时开动放水阀门进行放水,在低于高位置时,锅炉加热正常运行; 以上步骤对锅炉的安全工作起到保护作用。 通过根据具体汽包与锅炉的配置, 根 据现场情况计算出汽包正常工作的最佳水位作为预设正常

17、水位。 在高位置液面 以下与低位置液面以上设有可以连续测量水位的传感器, 传感器通过测量不同 的水位值,输出连续变化的模拟信号,将模拟信号通过放大后符合 PLC 的模拟 量输入信号范围(S7-200自带模拟量 I/O规格如表 1 ,连接到 S7-200自带的模 工业企业供电课程报告拟量输入端口, 其软元件输入端口分配为 AIW0。 在程序中设置 PID 控制的给定 值范围、比例增量、积分时间、采样时间、微分时间等参数,其具体参数可在现 场中调试中设定,编辑好 PID 控制器后即可在主程序中调用 PID 控制器。 当水位达到高水位以下、低水位以上时开始利用 PID 控制器对汽包水 位进行调节,自

18、动控制使其在预设的正常工作水位工作。正常运行的过程中, 程序还在不断的监测水位, 通过 PID 对水位进行控制。 表 1 S7-200 CUP 224自带模拟量 I/O规格 程序流程图如下:图 7 控制系统程序流程图 工业企业供电课程报告 表 2 PLC输入 /输出地址 工业企业供电课程报告 图 图 S7-200 PLC 的硬件外部连线如图 I0.0 I0.1 I1.0 I1.1 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q1.0 Q1.1 Q1.2 的 0 Q1.3 Q1.4 图 PLC 的硬件外部连线图 11 工业企业供电课程报告 三、结论 本论文热电厂锅炉水位控制 热电厂锅炉水位控制系统采用西门子的

19、 PLC 控制， 不仅简化了系统， 不仅简化了系统 提高了设备的可靠性和稳定性。 提高了设备的可靠性和稳定性 通过软件编程中的系统参数的修改可以满足不同 的工况要求。 由于本系统只是在计算机上进行了仿真运算，并没有在实际现场进行应用 由于本系统只是在计算机上进行了仿真运算 并没有在实际现场进行应用， 可能还存在着很多的不足之处需要完善。 可能还存在着很多的不足之处需要完善 其中具体的参数还需要通过现场的调试 才能确定。 本系统应用 PLC 对热电厂锅炉进行控制， 除了继电器的机械触电， 消除了继电器的机械触电 增加了控制的精确度，通过软件 通过软件编程实现控制逻辑，简化了保护控制系统的硬件 简

20、化了保护控制系统的硬件 组成，从而减少了故障率 从而减少了故障率，减少了维修人员的维护工作强度，提高设备运行的可 提高设备运行的可 靠性和安全性。与专门的控制器相比 PLC 在价格上又有很大的优势 与专门的控制器相比 在价格上又有很大的优势，同时能实 现设计的要求， 可见本系统的性价比也是其一大优点。 可见本系统的性价比也是其一大优点 PLC 拥有丰富的 I/O 接口， 一台 PLC 在完成本系统功能的同时 也可利用剩余的接口完成其他简单操作的 在完成本系统功能的同时，也可利用剩余的接口完成其他简单操作 控制，提高设备的利用率 提高设备的利用率。 本论文是工业企业供电课程学习后的课程总结报告，

21、 本论文是工业企业供电课程学习后的课程总结 在完成本论文的过程当 中作者既对课程中学习到的知识进行了复习与归纳，加深了对课程的理解 中作者既对课程中学习到的知识进行了复习与归纳 加深了对课程的理解，同时 又在完成论文的同时学到很多在课上不能得到的知识， 又在完成论文的同时学到很 比如对相关参考资料的检 索与查找，对论文与参考书中相关内容的解读等 这些都是在以后的学习、工作 对论文与参考书中相关内容的解读等。这些都是在以后的学习 当中所必须的能力，在完成本篇论文中得到了锻炼 在完成本篇论文中得到了锻炼。同时，由于本 由于本论文用到了在 现代电器控制课程中的西门子 S7-200 系列 PLC，对

22、PLC 的编程应用又有了更深 的理解，在完成本篇论文 在完成本篇论文的过程当中使作者受益匪浅。 12 工业企业供电课程报告 参考文献 1 刘禾.火电厂热工自动控制技术及应用 火电厂热工自动控制技术及应用M.中国电力出版社,2008.9 ,2008.9 2 毕贞福.火力发电厂热工自动控制实用技术 火力发电厂热工自动控制实用技术M.中国电力出版社 ，2007.10 ， 3 盛伟， 肖增弘， 牛卫东， ， 孙文杰. 电厂热力设备及运行 中国电力出版社 .2006.10 M. 中国电力出版社 4 倪步喜. 组态技术和 PLC 在水位控制中的应用” 张家口职业技术学院院报 .2007.2 “ J. 张家口职业技术学院院报 5 赵永生.“基于软 PLC 的分布式锅炉微机控制系统 的分布式锅炉微机控制系统”J.微计算机信息 微计算机信息.2003.19（7） 6 方俊山.“可编程控制器在电加热锅炉控制中的应用 可编程控制器在电加热锅炉控制中的应用”J.工业控制计算机 工业控制计算机.2002.15. 第 12 期. 7 汪晓光.可编程控制器原理及应