计算机控制论文之自然循环锅炉

1、目 录第1 章 自然循环锅热炉对象分析21.1自然循环炉对象描述21.1.1 自然循环炉对像工艺描述21.1.2 工艺过程简介31.1.3 仪表及操作设备说明41.1.4 被控参数特性分析5第2 章 自然循环炉控制方案设计62.1 总体方案设计原则62.1.1 调节阀选型原则62.1.2控制器正反作用选择原则72.1.3控制器规律选择原则72.2控制方案72.2.1 燃料量、空气量比值控制72.2.2汽包液位控制82.13除氧器控制92.1.4 过热蒸汽汽温控制92.1.5蒸汽压力控制92.1.6烟气含氧量控制102.2.6 炉膛负压前馈-反馈控制1122自然循环炉安全节能控制方案122.2.

2、1 炉膛安全监控122.2.2维持经济燃烧132.2.3控制系统主要抗干扰措施13第3 章 硬件设计1531 PLC简介与选型1532 PlC的特点1633控制系统与下位机的设计163.3.1系统工作状态列表173.3.2系统硬件配置173.3.3、系统软件设计183.3.4 开车顺序控制193.3.5 正常停车顺序控制22总结23参考文献23第1 章 自然循环锅热炉对象分析1.1自然循环炉对象描述1.1.1自然循环炉对像工艺描述被控对象为工业领域广泛应用的自然循环锅炉。 经处理的软化水进入除氧器V1101上部的除氧头，进行热力除氧，除氧蒸汽由除氧头底部通入。除氧的目的是防止锅炉给水中溶解有氧

3、气和二氧化碳，对锅炉造成腐蚀。热力除氧是用蒸汽将给水加热到饱和温度，将水中溶解的氧气和二氧化碳放出。在除氧器V1101下水箱底部也通入除氧蒸汽，进一步去除软化水中的氧气和二氧化碳。 除氧后的软化水经由上水泵P1101泵出，分两路，其中一路进入减温器E1101与过热蒸汽换热后，与另外一路混合，进入省煤器E1102。进入减温器E1101的锅炉上水走管程，一方面对最终产品（过热蒸汽）的温度起到微调（减温）的作用，另一方面也能对锅炉上水起到一定的预热作用。省煤器E1102由多段盘管组成，燃料燃烧产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的锅炉上水换热，回收烟气中的余热并使锅炉上水进一步预热。 被烟气加热成

4、饱和水的锅炉上水全部进入汽包V1102，再经过对流管束和下降管进入锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热在水冷壁里变成汽水混合物，然后返回汽包V1102进行汽水分离。锅炉上汽包为卧式圆筒形承压容器，内部装有给水分布槽、汽水分离器等，汽水分离是上汽包的重要作用之一。分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛F1101进行汽相升温，成为过热蒸汽。出炉膛的过热蒸汽进入减温器E1101壳程，进行温度的微调并为锅炉上水预热，最后以工艺所要求的过热蒸汽压力、过热蒸汽温度输送给下一生产单元。 燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器；空气经由变频鼓风机K1101送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使锅炉水汽化。

5、燃烧产生的烟气带有大量余热，对省煤器E1102中的锅炉上水进行预热。 112 工艺过程简介 软化水流量为F1106，温度为常温20，经由调节阀V1106进入除氧器V1101顶部。除氧蒸汽分两路，一路进入热力除氧头，管线上设有调节阀PV1101；另外一路进入除氧器下水箱，管线上设有开关阀XV1106。除氧器压力为P1106，除氧器液位为L1101。软化水在除氧器底部经由上水泵P1101泵出。 锅炉上水流量为F1101，锅炉上水管线上设有上水泵出口阀XV1101，上水管线调节阀V1101，以及旁路阀HV1101。锅炉上水被分为两路。一路进入减温器E1101预热，预热后与另外一路混合进入省煤器E11

6、02。两路锅炉上水管道上分别设有调节阀V1102和V1103。正常工况时，大部分锅炉上水直接流向省煤器，少部分锅炉上水流向减温器，其流量为F1102。 汽包V1102顶部设放空阀XV1104，汽包压力为P1103。汽包中部设水位检测点L1102。在汽包中通过汽水分离得到的饱和蒸汽温度为T1102，经过炉膛汽相升温得到的过热蒸汽温度为T1103。 过热蒸汽进入减温器E1101，进行温度的微调。最终过热蒸汽压力为P1104，温度为T1104，流量为F1105。过热蒸汽出口管道上设调节阀V1105。 燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器，燃料流量为F1103，燃料压力为P1101，燃料

7、流量管线设调节阀V1104，燃料泵出口阀XV1102。空气经由变频风机K1101送入燃烧器，变频器频率为S1101（被归一化到0100%之间），空气量为F1104。 省煤器烟气出口处的烟气流量为F1107，温度为T1105。烟气含氧量A1101设有在线分析检测仪表。烟道内设有挡板DO1101。 炉膛压力为P1102，炉膛中心火焰温度为T1101，为红外非接触式测量，仅提供大致温度的参考。 .113. 仪表及操作设备说明 （1）检测仪表 位号检测点说明单位位号检测点说明单位AI1101烟气含氧量%PT1101燃料压力MPaFT1101锅炉上水流量kg/hPT1102炉膛压力MPaFT1102去减

8、温器的锅炉上水流量kg/hPT1103汽包压力MPaFT1103燃料流量kg/hPT1104过热蒸汽压力MPaFT1104空气量m3/sPT1106除氧器压力MPaFT1105过热蒸汽流量kg/hTT1101炉膛中心火焰温度FT1106软化水流量kg/hTT1102汽水分离后的过热蒸汽温度FT1107烟气流量kg/hTT1103进入减温器的过热蒸汽温度LT1101除氧器液位%TT1104最终过热蒸汽温度LT1102汽包水位%TT1105烟气温度（2）执行机构 位号执行机构说明位号执行机构说明V1101锅炉上水管线调节阀V1106软化水管线调节阀V1102直接去省煤器的锅炉上水管线调节阀PV11

9、01除氧蒸汽管线调节阀V1103去减温器的锅炉上水管线调节阀S1101鼓风机变频器V1104燃料管线调节阀DO1101烟道挡板V1105过热蒸汽管线调节阀（3）开关阀 位号执行机构说明位号执行机构说明XV1101锅炉上水泵出口阀/截止阀XV1104汽包顶部放空阀XV1102燃油泵出口阀/截止阀XV1106通入除氧器下水箱的除氧蒸汽管线阀（4）手操阀 位号执行机构说明HV1101锅炉上水管线调节阀旁路阀1.1.4 被控参数特性分析自然循环炉对象中主要包括温度、流量和压力这 3 个参数，不同类型的参数具有不同的对象特性，需要采用不同的控制方法。（1）温度温度动态特性的特点：其一，惯性大，容量滞后大

10、，有些过程的时间常数达到十几分钟；其二，温度对象通常是多容的。由于温度滞后大，控制起来不灵敏，因此温度控制系统需要增加微分作用。在工业生产过程中，温度控制就是对传热过程的控制，包括对流传热、传导传热和辐射传热。温度控制的操纵变量通常是流量，如加热介质的流量、冷却介质的流量、燃料的流量等。温度控制的方法与被控对象的特点、控制精度要求等有关，其种类很多。（2）流量流量的测量容易受到噪声的干扰，流量本身可能是平稳的，平均流量没有什么变化，但是测量信号常常是频繁地变动。这是由于管道中的流动正常时都呈现湍流状态，流量虽然平稳，流体内部却在骚动。特别是流体通过截流装置时，此种骚动程度比较大，产生的噪声也较

11、大。噪声是一种频率很高、变化无常的流体流动，这是流量控制系统不能加微分的原因。由于噪声频率很高，虽然幅度变化不大，但若加上微分控制器其输出容易出现波动，反而使系统不稳定。流量过程时间常数很小，当手动调整阀门时，流量在几秒钟内就能变化完毕，响应比较灵敏。这是由于工业过程中调节阀（执行机构）往往直接作用于流量，而管道的容量有限，缓冲余地小，阀门一动作，流量立即变化，滞后时间小、响应快。对于流量而言，广义对象的时间常数主要取决于控制器、定位器、变送器和信号传输等部分，流量自身的时间常数相对较小。（3）压力压力对象的常见类型有两类。其一是具有一定容量的气罐，此种情况下，体积和容量较大，表征动态特性的时

12、间常数较大，即惯性较大。其二是管道的压力，由于管道容积较小，所以时间常数较小，控制比较灵敏。流量对象和压力对象与温度对象相比，都是比较快的过程，时间常数不大，大致都呈现单容特性，在控制中一般不用微分作用。第2 章 自然循环炉控制方案设计2.1 总体方案设计原则系统控制方案设计在整个工程方案设计中占有十分重要的地位，一个控制系统的成功与否主要取决于是否有一个设计优良的控制方案。任何一种控制系统设计的目的都是为了满足生产过程中的工艺要求，从而提高产品质量和生产效率。因此，为实现此目的，设计加热炉装置的控制方案时，应遵循以下基本原则：（1）满足要求最大限度地满足被控对象的控制要求，这是设计该控制系统

13、的首要前提，也是设计中最重要的一条原则。进行设计前，需要深入了解被控对象，收集资料。（2）安全可靠保证控制系统长期运行的安全、可靠、稳定，是设计中的重要原则。为了达到这一目的，在系统方案设计、可靠性设计、设备选择、软件编程方面应进行总体规划和全面考虑。（3）经济实用在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单、经济、实用、维护方便。（4）适应发展考虑到生产发展和工艺的改进，设计的控制系统应具有适当的扩展功能。211 调节阀选型原则（1）阀门开闭形式选择原则对于一个具体的控制系统来说，究竟选择气开阀还是气闭阀，要由具体的生产工艺来决定。一般来说，要根据以下几条原则进行选择： 首先要从生产安全出发，即

14、当气源供气中断、控制器故障无输出或调节阀膜片破裂、漏气等而使调节阀无法正常工作，使得阀芯回复到无能源的初始状态时，应能确保生产工艺设备的安全，不致于发生事故。 从保证产品质量出发，当调节阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。 从降低原料、成品、动力损耗来考虑。 从介质的特点考虑。一般来说，根据上面介绍的几条原则，调节阀开、闭形式不难选择。不过，如遇到下面两种情况时，在调节阀开、闭形式的选择上需要加以注意。第一种情况是由于工艺要求不一，对于同一调节阀可以有两种不同的选择结果。如果出现这种情况，需要与工艺专业人员认真分析、仔细协商、分清主次、权衡利弊、慎重选择。第二种情况是某些生

15、产工艺对调节阀开、闭形式的选择没有严格要求，调节阀的开、闭形式可以任选。2.1.2控制器正反作用选择原则从控制原理可知，对于一个反馈控制系统，只有在负反馈的情况下，系统才是稳定的，当系统受到干扰时，其过渡将会是衰减的。反之，如果系统是正反馈，那么系统是不稳定的，一旦遇到干扰，过渡过程将会发散。系统不稳定当然是不希望发生的，因此，对于反馈控制系统来说，要使系统能够稳定地工作，必须要构成负反馈，即控制回路各个环节的符号之积为负值。在控制回路中，对象、调节阀、测量变送装置和偏差环节的符号是很容易确定的，这样就可以确定控制器的正反作用。需要注意的是，对于DCS 而言，偏差为设定值减去测量值，因为该环节

16、的输入为测量值，当测量值减少的时候，偏差增加；当测量值增加的时候，偏差减少，因此，该环节的符号一直为负。2.1.3控制器规律选择原则工业过程中常见的控制规律有开关控制、比例控制、比例-积分控制、比例-微分控制、比例-积分-微分控制等。过程工业中常见的参数有流量、液位、压力和温度，这些参数有些是重要的生产参数，有些是不太重要的参数，所以控制要求也是各有不同，控制规律的选择要根据具体情况而定。有一些基本原则可以在选择时加以考虑：（1）对于不太重要的参数，可以考虑采用比例控制，甚至采用开关控制；（2）对于不太重要的参数，但是惯性较大，又不希望动态偏差较大，可考虑采用比例-微分控制。但是对于系统噪声较

17、大的参数，例如流量，则不能选用比例-微分控制；（3）对于比较重要的、控制精度要求比较高的参数，可采用比例-积分控制；（4）对于比较重要的、控制精度要求比较高、希望动态偏差小、被控对象的时间滞后较大的参数，应该采用比例-积分-微分控制或者是先进控制算法。2.2控制方案2.2.1 燃料量、空气量比值控制燃烧系统控制的主要目的是为了保证燃料能够充分燃烧，释放全部能量，使得加热炉的燃烧状况正常、平稳。同时，为了防止过剩空气带走能量，空气剩余量也不能太大。因此，本参赛队设计了燃料量、空气量比值控制系统。同时，为了降低燃料流量和空气流量的扰动，对燃料流量和空气量设计闭环控制，使流量实测值跟随给定值。本方案

18、中，燃料量和空气量既为被控变量，又是操纵变量。比值控制系统涉及到主、副物料的选择问题。在燃烧系统中，空气供应不成问题，而燃料可能供应不足，为了保证燃料的充分燃烧，这里要求空气量随着燃料量的变化而变化。同时，为了防止燃料因供应不足而失控时，流量比值仍能始终保持，因此选择燃料为主物料，而空气为副物料。该比值控制系统的方块图如图1 所示。图1 燃料量/空气量比值控制系统方块图222汽包液位控制汽包液位调节的任务是使锅炉进水量和锅炉蒸发量相平衡，并维持汽密水位在工艺规定的安全范畴内。该调节系统采用三冲量调节，即根据给水流量、汽包液位和蒸汽流量调节给水阀，汽包水位信号经汽包压力补偿后作为主调的输入，蒸汽

19、流量信号经温度、压力修正后与给水流量信号一起作为副调的反馈输入。启动时只有汽包水位的单冲量控制。单冲量控制和三冲量控制能相互无扰动切换。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸汽带水过多，使过热蒸汽温度降低；水位过低，负荷增大时水的汽化速度加快，汽包内水量迅速减少，如不及时调整，会使汽包内的水全部汽化，危及锅炉安全。当负荷非常不稳定时，给水流量的扰动，使汽包水位有较大延迟，蒸汽流量变化，会出现虚假水位，使得三冲量难以运行，因此先以单冲量投入运行，使工况稳定后再投入三冲量，也要求单冲量和三冲量两种控制方式能方便地进行无扰切换。见图2。该控制回路可以消除“假液位”。因为当由于蒸汽负荷突然增加，

20、而出现“假液位”时，PID的设定点不变，则主给水的阀门开度就基本功不变；经过短时间汽包内压力恢复平衡，“假液位”消除，此时液位由于蒸发理增加面开始下降，则值开始增加，给水阀门就开大，增加给水量，保持汽包水位平衡。213除氧器控制除氧器控制系统包括除氧器压力和液位两个控制子系统。在35T锅炉计算机控制系统中，除氧器压力控制系统和除氧器液位控制系统都设计为单回路PI控制方式。在满足锅炉生产的实际要求的前提下，单回路PI控制方式具有结构简单、容易整定和实现等优点。 对于除氧器压力系统而言，当除氧器压力发生变化时，压力控制系统调节除氧器的进汽阀，改变除氧器的进汽量，从而将除氧器的压力控制在目标值上；同

21、样，对于除氧器液位系统，当除氧器液位发生变化时，液位控制系统调节除氧器的进水阀，改变除氧器的进水量，从而将除氧器的液位控制在目标值上。2.14 过热蒸汽汽温控制过热蒸汽温度是非常重要的参数，过高会烧坏过热器水管，对负荷设备的安全运行带来不利因素，过低会直接影响负荷设备的使用。因此它的控制要求比较严格，一般工艺上都是用喷水减温的方法来控制过热蒸汽温度。根据过热蒸汽温度和减温器后蒸汽温度调节减温水调节阀，使过热蒸汽温度维持在工艺安全范围，见图3。当入口蒸汽及减温水一侧扰动时，首先反应为减温器后汽温的变化，这个回路就可以及时调整，使扰动对过热蒸汽温度的影响大大减少，提高了调节品质。2.1.5蒸汽压力

22、控制蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。压力过高，会加速会属的蠕变；压力太低，不能提供负荷符合要求的蒸汽。在锅炉运行过程中，蒸汽压力降低，表明负荷的蒸汽消耗量大于锅炉的蒸发量；蒸汽压力升高，说明负荷的蒸汽消耗量小于锅炉的蒸发量。因此，控制蒸汽压力，是安全生产的需要，是维持负荷F常工作的需要，也是保证燃烧经济性的需型。锅炉蒸汽压力的变化是由于热平衡失调引起的而影响热平衡的因素主要是燃烧热和蒸汽热，燃烧热的波动引起的热平衡失调称为“内扰”，而蒸汽热波动引起的热平衡失调为“外扰”，为了克服内外扰对蒸汽压力的影响，在各个基本的单炉蒸汽压力控制系统中，输入到锅炉的燃烧热必

23、须跟随蒸汽热的变化而变化以尽量保持热量平衡同时根据蒸汽压力与给定值的偏差适当增减燃料量以增加或减少蒸汽压力。2.1.6烟气含氧量控制烟气含氧量是指燃料燃烧之后排出的烟气中氧气的含量，它主要与燃料的燃烧状况有关。影响烟气含氧量的因素主要有燃料量、燃料成分、空气量等，简单而言，烟气含氧量的影响因素就是燃烧工况（燃料量和空气量的比值）。具体分析如下：（1）燃料一定，空气量增加在实际燃烧过程中，一定量的燃料充分燃烧所需要的空气量是一定的，所以当空气量增加时，空气过剩，即燃料充分燃烧之后还会剩余一定量的空气。由此可得烟气含氧量将增大，并且多余的空气会吸收一定的能量，然后经过烟囱排放到空气中，造成能量的浪

24、费。（2）空气量一定，燃料量增加燃料增加，则实际燃烧所需要的空气量也增加，但是空气量不变，则燃料量过剩，即燃料不能充分燃烧，将产生大量的有害气体。由此可得空气量一定而燃料量增加时，烟气含氧量将减少，并且由于燃料的不完全燃烧，在造成燃料能量浪费的同时还将大量的有毒气体排放到空气中，造成环境污染。（3）空气量一定，燃料中可燃成分增加在空气量不变的情况下，燃料中可燃烧成分增加的后果与（2）所描述的情况相同。（4）空气量一定，燃料中可燃成分减少在空气量一定的情况下，燃料中可燃烧成分减少的后果与（1）所描述的情况相同。经过对烟气含氧量影响因素的分析，可以得出以下结论：对烟气含氧量进行控制的最终目的，是为

25、了减少能量的浪费，即提高加热炉的效率。节所述燃烧过程的燃料量与空气量比值控制系统存在一个不足，即：不能保证两者是最优比，这是由于流量测量的误差以及燃料质量（成分等）的变化所造成的。为此，要有一个燃料量与空气适宜配比的指标作为送风量的校正信号，本方案采用烟气氧含量作为送风量的校正信号。图4 所示为加热炉燃烧过程中烟气含氧量的闭环控制方案。图4 烟气含氧量闭环控制系统方块图由图4可见，烟气含氧量闭环控制系统是将原有的定比值控制改为变比值控制，可以克服燃料成分变化等带来的扰动。当燃料成分变化时，由于空气量暂时保持不变，所以同量的燃料燃烧之后产生的烟气中的含氧量将发生变化，烟气含氧量控制器感受到偏差，

26、开始工作，烟气含氧量的输出为空气量控制器的设定值，因为空气量的设定值发生变化，空气量控制器将感受到偏差，开始工作，调节空气量，使烟气含氧量达到最优。在该控制系统中，空气量单回路控制系统是一个随动控制系统，该环节的符号可以看为“正”；当空气量增加的时候，烟气含氧量也会增加，所以被控对象的符号为“正”；烟气含氧量测量变送装置的符号为“正”；偏差环节的符号为“负”；为了保证控制系统稳定，可以得出，烟气含氧量控制器为正作用。为了保证加热炉效率最优，就要保证烟气含氧量在一定的范围内波动，即允许有余差存在。所以，一般不采用积分作用。同时，由于烟气含氧量经常波动，测量的值有可能不准确，为避免其对高频噪声的放

27、大而影响系统的平稳工作，所以不加微分作用。因此，烟气含氧量控制器采用比例（P）控制即可。2.2.6 炉膛负压前馈-反馈控制为了使加热炉能正常的工作，需要不断供给燃烧所用的空气，同时又要不断把燃烧后产生的烟气排出炉外，因此加热炉都有一套供风、排烟系统。加热炉负压是由于烟道气与外界较冷空气密度差造成的，因此炉膛负压主要受鼓风机进风量以及烟道挡板开度的影响。（1）风量对炉膛负压的影响当进入炉膛的燃料量以及挡板开度一定时，如果进入炉膛的空气量过大，可能使炉膛的负压变成正压，造成火苗外蹿，形成二次燃烧，给现场操作人员造成危害；如果进入炉膛的空气量过少，则造成燃料的不完全燃烧，形成大量的浓烟，造成燃料的浪

28、费。（2）挡板开度对炉膛负压的影响当进入炉膛的燃料量和空气量一定的时候，如果挡板开启过大，则烟囱出去的烟气量就越大，抽力就越大，造成炉膛压力过负，可能使炉膛灭火。要保证炉膛负压在一定范围内，必须对炉膛负压进行控制，被控变量即为炉膛负压。经过炉膛负压影响因素的分析可以得出，在空气量已经进行闭环控制的条件下，对炉膛负压影响最大的因素是烟气的排放量，而它又受到烟道挡板开度的影响，因此选择烟气排放量作为操纵变量，形成单回路控制系统。但是，当加热炉负荷变化较大时，单回路控制系统较难控制。因为负荷变化后，燃料量及送风量均将变化，但引风量只有在炉膛负压产生偏差时，才能由炉膛负压控制器去控制，这样引风量的变化

29、落后于送风量，从而造成炉膛负压的较大波动。因此，用空气量作为前馈信号，组成炉膛负压前馈-反馈控制系统，方块图如图5 所示。图5炉膛负压前馈-反馈控制系统方块图在炉膛负压控制系统中，控制器输出增加时，挡板开度增加，所以挡板开度的符号为“正”；当挡板开度增加的时候，炉膛负压将减小，所以炉膛负压被控对象的符号为“负”；测量变送装置的符号为“正”；偏差环节的符号为“负”；该系统必须构成负反馈，可以得出，炉膛负压反馈控制器为反作用控制器。压力响应是比较快的过程，时间常数不大，大致呈现单容特性，在控制中一般不采用微分作用。由于要求炉膛负压没有余差，所以炉膛负压反馈控制器采用比例积分（PI）控制器。由于只要

30、求在稳定工况下实现对干扰量的补偿，并且扰动通道与控制通道的动态响应相近，所以前馈控制器采用静态前馈控制，即采用比例（P）控制器作为前馈控制器，比例参数为Kf 。参数整定：（1）将前馈通道断开，按照PID 参数整定方法，整定炉膛负压反馈控制器的P、I 参数；（2）将前馈通道闭合，断开反馈回路，使系统处于单纯前馈状态下，施加干扰，Kf 值由小到大逐步增大，直到被控变量回到给定值，此时对应的Kf 值为最佳整定值。（3）将前馈通道以及反馈通道均闭合，施加干扰，观察响应效果，如果不满足要求，修改炉膛负压反馈控制器的参数，使效果达到最佳。22自然循环炉安全节能控制方案2.2.1 炉膛安全监控执行点火程序，

31、并对供风系统、引风系统、炉膛压力、汽包水位等进行监视，对出现的危险情况进行报警、执行相应的联锁程序，记录事故前后的相关数据。锅炉起停和正常运行时，一旦检测到危及系统安全的条件时，立即进行动作，切断主燃料，指出首次跳闸原因，并给出声光报警信号，进行有关的联锁和顺控动作，以保证锅炉的安全。当出现以下情况时，燃烧系统停止。a.燃烧用供风故障；b.引风机故障或烟气通道阻塞；c.炉膛压力过高或过低；d.汽包水位低于下限；e.过热器出口温度高于上限；f.按下紧急按钮222维持经济燃烧要使锅炉燃烧过程工作在最佳工况，提高锅炉的效率和经济性，关键问题是空气和燃料维持适当比例。要使得燃烧过程中不出现燃料燃烧不充

32、分而导致一氧化碳和冒黑烟的现象，这就需要快速而精确地对燃烧进行自动调节，使空气和燃料呈现最佳的配比。工业锅炉作为一个调节对象，是一个多输入，多输出，多回路，非线性的相互关联的对象。所有这些特性是由锅炉本身的物理特性决定的。因此，理想的锅炉自动控制系统应该是多回路的调节系统。这样，当锅炉的运行状况发生变化或受到某一扰动后，系统会同时协调地动作，改变其调节量，使所有的被调量都具有一定的调节精度。但这种调节十分复杂，实现起来相当困难。事实上，工业锅炉的各个参数之间的耦合程度有大有小。例如汽包水位受给水量、蒸汽流量以及汽包压力的影响比较大，而与送风量及引风量的关系则不是那么紧密。因此，根据锅炉运行的实

33、际情况，将锅炉当作若干个相对独立的调节对象，相应地设置若干个相对独立的调节系统。这种实现锅炉自动控制的方法是合适的，也是可行的。它使锅炉自动控制系统适当简化，也符合锅炉的实际情况。2.2.3控制系统主要抗干扰措施1采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰在PLC控制系统中，电源占有及其重要的地位。电网干扰窜入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源(如CPU电源、IO电源等)、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在，对于给PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没有受到足够的重

34、视，虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而窜入共模干扰、差模干扰。所以。对于变送器和共用仪表信号供电电源应选择分布电容小、抑制带大(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的供电电源，以减少PLC系统的干扰。此外，为保证电网节点不中断，可采用在线式不问断供电电源(UPS)供电，提高供电的安全可靠性。而且UPS还具有较强的抗干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。2电缆的选择与铺设为了减少动力电缆辐射的电磁干扰，尤其是变频装置控制电缆，应选用屏蔽电缆。在工程中，采用带屏蔽层的电缆，可以大大降低动力线产生的电磁干扰。不同类型的信号分别由

35、不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层铺设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号；避免信号线与动力电缆靠近平行铺设，以减少电磁干扰。3硬件滤波及软件抗干扰措施信号在接入PLC自订，在信号线与地I日J并接电容，以减少共模干扰；在信号两极1sJ；0H装滤波器可减少差模干扰。由于电磁干扰的复杂性，要根本消除干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组念时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施有：数字滤波，设置软件陷阱等方法。4J下确选择接地点，完善接地系统接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电

36、磁干扰的重要措施之一。系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属于高速低电平控制装置，应采用直接接地。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHZ，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联接地方式。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地。PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，才能使PLC控制系统F常工作。第3 章 硬件设

37、计31 PLC简介与选型PLC软件既有制造厂家提供的系统程序，又有用户自行丌发的应用程序。系统程序为用户程序的丌发提供运行平台，同时，还为PLC程序的可靠运行及信号与信息转换进行必要的处理。用户程序由用户按具体的控制系统要求进行设计，这罩所说的PLC软件设计即是指用户自行开发的应用程序311模块式PLC的基本结构STEP 7 300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成(见图31)，各种模块安装在机架上。通过CPU模块或者通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其他PLC或其他设备通信。1CPU模块CPU

38、模块主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用水储存程序和数据。S7300将CPU模块简称为CPU。2信号模块输入(Input)模块和输出(Output)模块简称为IO模块，丌关量输入、输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入、输出模块简称为AI模块和AO模块，他们统称为信号模块。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，丌关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码丌关、限位丌关、接近丌关、光电丌关、压力继电器等传来

39、的数字信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电动机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动机调节阀、变频器等执行器。CPU模块内部的工作电压一般是DC 5V，而PLC的输入输出信号电压一般较高，例如DC 24V或AC 220V。从外部引入的尖刻电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的输入、输出电路。信号模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。3功能模块为

40、了增强PLC的功能，扩大其应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家为了开发各种各样的功能模块。它们主要用于完成某些对实时性和存储器量要求很高的控制任务。4接口模块CPU模块所在的机架成为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或者多个扩展机架。接口模块用束实现中央机架与扩展机架之间的通信，基于PLC的锅炉供热控制系统的设计有的几口模块还可以为扩展模块供电。5通信处理器通信处理器用于PLC之I日J、PLC与远程IO之问、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUSDP、ASi和工业以太网，或者用于实现点对点通信等。6电源模块PLC一般使用AC220V

41、电源或DC24V电源，电源模块用于将输入电压转为DC24V电压和背板总线一k的DC5V电压，供其他模块使用。7编程设备S7-200使用安装了编程软件STEP 7的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之问的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序双传到计算机。程序可以存盘或者打印，通过网络，可以实现远程编程传送。编程软件还具有网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。32 PlC的特点1编程方法简单易学：梯形图是使用得最多的PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，提醒图语言形象直观，易学易懂

42、。2功能强，性能价格比高：一台小型PLC内有成百卜千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性价比。通过通信联网，PLC可以实现分散控制，集中管理。3硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强：PLC已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，使用能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。4可靠性高，抗干扰能力强：PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时I日J达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。5系统的设计、

43、安装、调试工作量下：PLC使用软件功能取代了继电器控制6维修工作量小，维修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速的排除故障。7体积小，功耗低：对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中的继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可以将开关柜的体积缩小到原来的12110。33控制系统与下位机的设计系统中大量的中问继电器、时问继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。完成了系统的安装和接线后，

44、在现场调试过程中，一般通过修改程序就呵以解决发现的问题，系统的调试时问比继电器系统少得多。3.3.1系统工作状态列表0 起始状态 S1.1 开上料泵P11011 开车 S1.2 开阀XV1101 和XV11022 稳态工况 S1.3 开进料调节阀V11013 正常停车 S1.4 增大进料调节阀V1101 开度4 终止状态 S2.1 全开挡板DO11015 紧急停车 S2.2 吹扫加热炉炉膛S1 上料 S2.3 关闭吹扫设备S2 准备点火 S2.4 将挡板关小到50%左右S3 点火 S2.5 开鼓风机K1101，使空气流量F1104 达到开车所要求的流量S4 调节参数 S2.6 开燃料泵P110

45、2S5 提升负荷 S2.7 开燃料流量调节阀V1104S6 关闭燃料流量调节阀V1104 S2.8 增大燃料调节阀V1104 开度S7 停燃料泵P1102 S4.1 调节挡板开度S8 停鼓风机K1101 S4.2 炉膛负压控制回路投运S9 打开挡板DO1101 S4.3 调节鼓风机频率S10 逐步关小燃料流量调节阀 S4.4 烟气含氧量控制回路投运S11 关闭进料调节阀V1101 及其前、后阀XV1101、XV1102 S4.5 空气流量控制回路投运S12 停上料泵P1101 S4.6 燃料流量控制回路投运S13 紧急处理 S4.7 提升燃料流量S14 全开挡板DO1101 S4.8 物料A

46、出口温度控制回路投运S15 吹扫加热炉炉膛 S5.1 增大进料调节阀V1101 开度S16 关闭吹扫设备 S5.2 增加进料调节阀V1101 开度3.3.2系统硬件配置在锅炉燃烧过程中，用常规仪表进行控制，存在滞后、间歇调节、烟气中氧含量超过给定值、低负荷和烟气温度过低等问题。采用PLC对锅炉进行控制时，由于它的运算速度快、精度高、准确可靠，可适应复杂的、难于处理的控制系统。因而，可以解决以上由常规仪表控制难以解决的问题。所选择的PLC系统要求具有较强的兼容性，可用最小的投资使系统建成及运转；其次，当设计的自动化系统要有所改变时，不需要重新编程，对输入、输出系统不需要再重新接线，不须重新培训人

47、员，就可使PLC系统升级；最后，系统性能较高。硬件结构图如图7所示。图7 硬件结构图根据系统的要求，选取西门子PLCS7-200 CPU226 作为控制核心，同时还扩展了2个EM231模拟量输入模块和1个CP243-1以太网模块。CPU226的IO点数是2416，这样完全可以满足系统的要求。同时，选用了EM231模块，它是AD转换模块，具有4个模拟量输入，12位AD，其采样速度25s，温度传感器、压力传感器、流量传感器以及含氧检测传感器的输出信号经过调理和放大处理后，成为05V的标准信号，EM231模块自动完成AD转换。S7-200的PPI接口的物理特性为RS-485，可在PPI、MPI和自由通讯口方式下工作。为实现PLC与上位机的通讯