基于plc的锅炉控制系统设计(编辑修改稿)

基于plc的锅炉控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

工业现场。 PLC 专为工业现场应用而设计， 本科生毕业设计（论文） 9 采用了典型的计算机结构，它主要是由 CPU、电源、存储器和专门设计的输入 /输出接口电路等组成。 传统风机的电动机是全速运行，即不论生产工艺的需求量大小，该风机都提供给固定数值的风量，而生产工艺要求对炉膛压力、风速、风量及温度等指标进行控制和调节时，采用的方法是利用调节风门的大小来调节风量，这就使得能量在风门节流中消耗很大。 风量愈小，能量浪费愈大。 并且，由于风机长期在额定转速的状态下运行 ，电动机组轴承容易损坏，维修量和维修费用较大。 在本设计中采用变频调速实现风量调节。 使用变频调速风机的优点 : 实现风机的平滑轮起动、停止 ,降低起动电流 ,减少机械冲击给设备带来的影响 ,提高设备运行的可靠性 、稳定性 、安全性 ，对局部电网减少了冲击 ,保证电力供应的安全性 ；根据工艺要求的风量 ，通过检测元件 、调节器和变频器 ,闭环控制风机频率 ， 实现无级调速 ， 极大地满足工艺 ，提高产品质量； 不再使用风门、旁通等调节设备 ， 使风机工作在最佳工作点上 ，使风机效率达到理想状态； 变速运行下的风机不仅降低 了噪音 ， ,同时减少了机械磨损 ， 延长了电机和风机的使用寿命 ， 降低 了维修成本和时间； 特别值得一提的是节能效果显著。 系统功能 锅炉是发电过程中必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可以驱动透瓶，又可以作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。 随着工业生产规模的不断增大，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。 锅炉燃烧控制系统又包含了很多小的子系统。 锅炉控制系统可以分为汽包水位控制系统和燃烧控制系统。 其中燃烧控制系统在电厂锅炉中是最主要的控制系统。 燃烧控制系统又包括 :蒸汽压力控制系统、 炉膛负压控制系统和经济燃烧控制系统。 维持汽包水位、蒸汽压力和炉膛负压在规定的范围内，各个子控制系统分别通过不同的测量、控制手段来保证经济燃烧和安全燃烧。 其中燃烧控制是保证经济燃烧和安全燃烧的一大关键问题，在锅炉燃烧系统中，希望燃料与空气成一定的比例，然而燃料的使用量取决于蒸汽量（负荷）的需要，通常用蒸汽的压力来反映。 当蒸汽要求的量增加时，即使蒸汽的提取量增加时，蒸汽的压力降低，燃料要增加，为了保证燃料的完全燃烧，应先加大空气量，后加大燃料量。 反之在降低时，应先降低燃料量后减少空气量，以保证空气的完全燃烧。 燃烧控制系统需要具有的功能： ；炉膛压力为某一定值； 本科生毕业设计（论文） 10 通过炉膛上的负压变送器将炉膛压力标准电信号送入引风变频器 PID 控制器的反馈通道 ,经处理后与设定炉膛负压力比较 ,经过 PID 控制器产生运算信号 ,此信号控制引风变频器调节电机转速 ,使炉内负压稳定在设定值 ,从而达到自动跟踪鼓风保持炉膛负压恒定目的。 引风电机速度随着炉膛负压值的变化而变化。 即保证锅炉燃烧部分的自动运行。 由于 传统 锅炉为非节能型燃烧方式，控制风量靠人工操作风道挡板，蒸汽压力单靠人工控制燃烧不好。 因此电机全速运转产生的风 量不能全部使用，采用挡板截流造成约 30%的电能损耗。 使用变频器可根据生产需求任意调整电机速度 ， 使输出风量可以调节，提高生产工效并且节能降耗。 ； 对抛煤机倒转链条炉来说，燃烧自动控制包括控制主蒸汽压力和最佳的燃烧工况。 通常根据主蒸汽压力的变化控制给煤量并控制炉排转速来控制煤在炉膛中的燃烧时间，当给煤量变化时，要相应地改变一次风和二次风，使不完全燃烧损失和排烟损失之和为最小，即锅炉燃烧效率为最高。 氧化镐可用来测量烟气中含氧量。 可由含氧量来判断燃烧工况是否处于最佳状态。 另一种方 法为根据该炉实际燃烧的情况，找出煤量和风量在不同负荷下的关系曲线，把它存在计算机中，按这一经验曲线进行燃烧自动控制，当煤种或运行工况有较大变化时，可重新设置这一曲线。 另外可按智能控制和专家控制的方法自动寻找最佳的燃烧工况。 、床层温度和床高； 通过调节返料风机的转速来控制返料回灰量的大小。 调节装有中温过热器的回料锥形阀，则用于调节锅炉料床温度，同时通过调节灰渣的排放量，来控制锅炉料床的高度，满足运行的安全，经济性要求。 燃烧自动控制 系统组成 根据系统的功能，系统拟采用 PLC 作控制器， 热电偶 温度传感器 、 差压传感器 、采集数据信息， 经过 温度变送、压力变送器将信号转换为标准信号后，传送给 PLC 处理机。 PLC 输出信号给执行器件，通过控制电磁阀的开度、和电动机的转速，对整个燃烧过程进行控制。 循环流化床锅炉燃烧控制系统包括：床温控制、给煤量控制、床高控制、返料量控制、蒸汽温度及压力控制、通风量控制。 循环流化床锅炉 需要检测的热工参数： 1. 床温 床温 是指燃烧密相区内流化物料的温度。 它是一个关系到锅炉安全稳定运行的 本科生毕业设计（论文） 11 关键参数。 床温 的测定一般采用不锈钢套管热电偶作一次元件，布置在距布风板 200500mm 左右燃烧室密相层中，插入炉墙深度 1525mm，数量不得少于 2 只。 在运行过程中要加强对料层温度监视，一般将料层温度控制在 850℃ 950℃ 之间，温度过高，容易使流化床体结焦造成停炉事故；温度太低易发生低温结焦及灭火。 必须严格控制料层温度最高不能超过 970℃ ，最低不应低于 800℃。 在锅炉运行中，当料层温度发生变化时，可通过调节给煤量、一次风量及送回燃烧室的返料量，调整料层温度在控制范围之内。 2. 料层差压 料层差压是一个反映燃烧室 床高 的参数。 通常将所测得的风室与燃烧室上界面之间的压力差值作为料层差压的 监测数值，在运行都是通过监视料层差压值来得到 床高 大小的。 床高 越大，测得的差压值亦越高。 在锅炉运行中， 床高 会直接影响锅炉的流化质量，如 床高 过大，有可能引起流化不好造成炉膛结焦或灭火。 一般来说，料层差压应控制在 70009000Pa 之间。 床高 (即料层差压 )可以通过炉底放渣管排放底料的方法来调节。 用户在使用过程中，应根据所燃用煤种设定一个料层差压的上限和下限作为排放底料开始和终止的基准点。 3. 返料量 控制返料量是循环流化床锅炉运行操作时不同于常规锅炉之处，根据前面提到的循环流化床锅炉燃烧及传热的特性，返 料量对循环流化床锅炉的燃烧起着举足轻重的作用，因为在炉膛里，返料灰实质上是一种热载体，它将燃烧室里的热量带到炉膛上部，使炉膛内的温度场分布均匀，并通过多种传热方式与水冷壁进行换热，因此有较高的传热系数， (其传热效率约为煤粉炉的 46 倍 )通过调整返料量可以控制料层温度和炉膛差压并进一步调节锅炉负荷。 另一方面，返料量的多少与锅炉分离装置的分离效率有着直接的关系，也就是说，分离器的分离效率越高，分离出的烟气中的灰量就越大，从而锅炉对负荷的调节富裕量就越大，操作运行相对就容易一些。 4. 风量的调整 在锅炉 运行过程中，许多用户往往只靠风门开度的大小来调节风量，但对于循环流化床锅炉来说，其对风量的控制就要求比较准确。 对风量的调整原则是在一次风量满足流化的前提下，相应地调整二次风。 因为一次风量的大小直接关系到流化质量的好坏，循环流化床锅炉在运行前都要进行冷态试验，并作出在不同料层厚度 (料层差压 )下的临界流化风量曲线，在运行时以此作为风量调整的下限，如果风量低于此值，料层就可能流化不好，时间稍长就会发生结焦。 对二次风量的调整主要是依据烟气中的含氧量多少，通常以过热器后的氧量为准，一般控制在 35%左右，如含氧量过高 ，说明风量过大，会增加锅炉的排烟热损失；如过小 本科生毕业设计（论文） 12 又会引起燃烧不完全，增加化学不完全燃烧损失和机械不完全燃烧损失。 在运行中还要结合所燃用煤质及当时负荷的情况，严格监控料层差压、温度、炉膛差压和返料温度，通过不断调整给煤量、风量及返料量，使锅炉达到最佳的运行效果，最大限度的发挥循环流化床锅炉优点。 炉膛负压是反映燃烧工况稳定与否的重要参数，是运行中要控制和监视的重要参数之一。 炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生相应变化。 当锅炉的燃烧系统发生故障或异常时，最先将在炉膛负压上反映出来，而后才是火检 、火焰等的变化，其次才是蒸汽参数的变化。 因此，监视和控制炉膛负压对于保证炉内燃烧工况的稳定、分析炉内燃烧工况、烟道运行工况、分析某些事故的原因均有极其重要的意义。 所谓炉膛负压：即指炉膛顶部的烟气压力。 炉膛负压太小，炉膛向外喷火和外泄漏高炉煤气，危及设备与运行人员的安全。 负压太大，炉膛漏风量增加，排烟损失增加，引风机电耗增加。 故应保持炉膛负压在正常范围内。 当已知检测信号的情况下，锅炉的控制任务是 :在用户蒸汽机需要的情况下，PLC 控制输煤量、鼓风量与引风量， 达到 蒸汽压力稳定，炉膛负压稳定，烟气稳定，使燃料能量最充分地燃烧，以取得最大的热效率。 图 硬件原理图 本科生毕业设计（论文） 13 第 3章 PLC 型号及扩展单元的选型 PLC 选型 PLC 的种类繁多，按 I/O 点数容量分类有小型机、中型机和大型机。 典型的小型机有 SIEMENS公司的 S7200系列、 OMRON公司的 CPM2A系列、 MITSUBISHI公司的 FX 系列和 AB 公司的 SLC500 系列等整体式 PLC 产品。 典型的中型机有SIEMENS 公司的 S7300 系列、 OMRON 公司的 C200H 系列、 AB 公司的 SLC500系列等模块式 PLC 产品。 典型的大型 PLC 有 SIEMENS 公司的 S7400 系列、OMRON 公司的 CVM1 和 CS1 系列、 Ab 公司的 SLC5/05 等系列产品。 按结构形式分可分为整体是结构和模块式结构两类。 整体式结构饿特点是将 PLC 的基本部件，如 CPU 板、输入板、输出板、电源板等紧凑地安装在一个标准机壳内，构成一个整体，组成 PLC 的一个基本单元（主机）或扩展单元。 基本单元上设有端口，通过扩展电缆与扩展单元相连，配有许多专用的特殊功能模块，如模拟量输入 /输出模块、热电偶 、热电阻模块、通信模块等，以构成 PLC 不同的配置。 整体式结构的 PLC 体积小，成本低，安装方便。 模块式结构的 PLC 是由一些模块单元构成，这些标准模块如 CPU 模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等，将这些模块插在框架上火基板上即可。 各模块的功能是独立的，外型尺寸是统一的，可根据需要灵活配置。 整体式 PLC 每一个 I/O 点的平均价格比模块式的便宜，在小型控制系统中一般采用整体式结构。 但是模块式 PLC 的硬件组态方便灵活， I/O 点数的多少、输入点数与输出死谙熟的比例、 I/O 模块使用等方面的选择余地都比整体式 PLC 大的多，维修时更换模块、判断故障范围也方便，因此比较复杂的、要求比较高的系统一般采用模块式 PLC。 根据本次设计的要求， PLC 的选型需要满足以下条件： 1. 具有模拟量的采集、处理过程及开关量的输入 /输出功能； 2. 具有简单回路控制算法。 一般的 PLC 厂商都提供具有模拟量采集、处理过程和开关量输入 /输出功能的不同型号和规格的产品，所以选择的范围很广泛。 S7 系列 PLC 包括 S7200、 S7300 和 S7400 系列 PLC。 S7300 与 S7400 系列 PLC 有多种性能级别的 CPU，适用于很多工业控制，但是由于 S7200 系列应用比较广泛，编程也比较简单，能被大多数人所接受，并且功能很完善，所以本系统采用 S7200 系列 PLC。 S7200 系列是德国西门子公司生产的一种小型 PLC，其许多功能达到大、中 本科生毕业设计（论文） 14 型 PLC 水平，而价格却和小型 PLC 一样。 S7200 具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令、丰富的 CPU 类型和电压等级，使其可以近乎完美地满足小规模的控制要求，解决用户的工业自动化问题 ,具有很强的适应性。 S7200PLC 的电源电压有（ ~） VDC 和（ 85~264） VAC 两种，主 机上还集成 24V 直流电压，可以直接用于连接传感器和执行机构。 它的输出类型有晶体管（ DC）、继电器（ DC/AC）两种输出方式。 它可以用普通输入端子捕捉比CPU 周期更快的脉冲信号，实现高速计数。 2 路最大可达 20kHz 的高频脉冲输出，可用以驱动步进电机和伺服电机以实现准确定位任务。 可以用模块上的电位器来改变它对应的特殊寄存器中的数值，可以实时更改程序运行中的一些参数。 CPU 选型、 I/O分配及模块扩展 燃烧控制系统需要检测的 参数 检测量 输入点 控制量 输出点 床温 2AI 鼓风电机转速频率 1AO 料层差 压 1AI 引风电机转速频率 1AO 炉膛压力 1AI 给煤电机转速频率 1AO 出口氧气含量 1AI 返料量电磁阀 1AO 根据 I/O 点数如果选用 CPU222 则输出点数不满足要求；如果选用 CPU226，CPU226 有 24 输入 /10 输出，比 CPU224 增加了通信口的数量，通信能力大大加强，但是由于 I/O 点数剩余较多，价格很高，浪费很大。 参照西门。