锅炉毕业设计.docx

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锅炉毕业设计

摘要

在当今各种工业企业的动力设备中，锅炉仍然是一重要的组成部分。

随着现代化工业的飞速发展，对能源利用率的要求越来越高，作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理随之要求越来越高。

但在我们国家，除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术外，绝大多数中小企业所用的锅炉，如10T/h、20T/h锅炉，大部分还在采用仪表/继电器控制，甚至还是人工操作，已无法满足要求。

据此，本文针对一台10T/h工业锅炉，提出了一套PLC的控制系统方案。

本文以一台10T/h锅炉的PLC控制系统为背景，理论与实践相结合，详细阐述了集PLC技术，变频器技术，通信技术于一体的先进控制技术在该锅炉控制系统中的应用。

在该系统中，应用了Siemens公司的S7-300系列PLC，根据锅炉的控制特点，分析系统的控制要求，实现给煤自动调节，送风自动调节，引风自动调节，水泵给水的自动调节，根据系统控制要求分析系统所需的PLC配置，以及备控量的I/O点数及I/O口分配，查阅S7-300使用手册在理论上分析确定PLC的组成及使用事项，并用其编程软件Step7设计锅炉控制的梯形图、STL语句及PLC通信网络，实现锅炉的水位三冲量控制、燃烧过程自动控制、蒸汽压力自动控制等功能；基于锅炉运行安全的考虑，该系统中锅炉由PLC控制，PLC、上位机组成一个MPI网，运用Siemens公司的MPI全局通讯技术及WinCC的软件设计，实现锅炉的上位机的冗余控制，

关键词:

锅炉变频器PLCPIDWinCCStep7MPI全局通讯

Abstract

Nowadaystheboilersarestillanimportantcomponentamongvariouspowerequipmentsinindustrialenterprises.Alongwiththefastdevelopmentofmodemindustry，highefficientenergyutilizationispursuedmoreandmore.AndtheboilerareakindofPrimaryequipmentsforconvertingrawenergyintosecondaryenergy，sotheircontrolandsupervisionisveryimportantforpromotingenergyutilizationefficiency.Butinourcountry，onlysomebigandmedium-sizedboilershaveadopted.Advancedcontroltechnique.Mostboilersbeingusedbymediumandsmallenterprises，suchas10T/hand20T/hboilers，arecontrolledbymete/relays，orevenmanually.Thatcannotmeetdemand.Inthispaper，acontrolsystemschemeofPLC+IPCisProposed，whichisaimingata10T/hindustrialboilers.

AnadvancedboilercontroltechniquecomposedofPLC，inverter，andcommunicationaredetaillydescribedwithrespecttheoryandapplicationinthispaper，whichisbasedontwoPLCcontrolsystemsof10T/hboilersincertainplant.TheS7-300seriesPLCofsiemenscompanyisadoptedintheboilercontrolsystems.TheStep7programmingsoftwareisusedtodesigntheladderchart，theSTLlanguageandthePLCcorrespondencenetwork.Automaticcontrolfortheboilershasbeenrealized，suchasthreeimpulsecontrolforthewaterlevel，burningProcesscontrol，vaporpressurecontrol.Moreover，anamicableman-machineinterface，automaticstorageofimportantboilerrundata，andautomaticprintofreportsinneedisrealizedbyusingtheconfigurationssoftwareWinCCofSiemenscompany.EachboilerinthesystemiscontrolledbyonePLCrespectively.PLCandIPCshapedintoaMPInet.ByusingtheMPIoverallsituationtelecommunicationtechniqueandtheWinCCsoftwareofSiemenscompanyredundancycontrolsofthetwoIPCaredesignedforthesafety.Theautomaticcontrolofpublicfacilitiessuchasdeoxidizationequipmentisalsorealizedinthesystem.

Keywords:

boiler，inverter，PLC，PID

第一章绪论

1.1工业锅炉控制现状

目前在我们国内，锅炉仍然是各种工业企业的动力设备中重要的组成部分。

但是，除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术，如DCS,FCS，一般的小型锅炉的控制仍较落后，仍在使用仪表、继电器作为主要的控制手段（如DDZ-II或III型系列仪表），需要过多的人为参与，不仅工作人员的工作条件差，劳动强度大，而且锅炉的热效率很低，资源浪费严重。

即使现在的仪表不少已趋智能化，在锅炉上也实现了自动或半自动控制，但是，由于其不菲的价格、缺乏管理功能等种种原因，其应用受到很大限制。

另外，当今的大部分中小企业使用的锅炉容量普遍在20T/h以下，锅炉只有两三台，企业根据其经济的承受能力，一般都不可能选用价格昂贵的大型控制系统。

这也是我们小型锅炉的控制技术水平不高的重要因素之一【2】。

但是，随着能源问题的突出，企业现代化管理水平的提高，还有环保意识的增强，作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理的要求越来越高，现在的企业中的小型锅炉的控制技术不提高将难以适应生产的需要。

因此，这就需要在锅炉控制技术上进行变革，需要设计一种性价比合理的、使用和维护方便的新型工业锅炉控制系统。

1.2工业锅炉控制的任务和特点

1.2.1工业锅炉控制的任务

工业锅炉的功能是生产具有一定压力、温度参数的蒸汽或热水，满足外部对负荷的需求。

为满足此要求，并保证锅炉本体的安全经济运行，要求锅炉的控制系统具有完善的自动检测、自动程序控制、自动保护等功能。

而锅炉是一多变量、多回路、多耦合的复杂系统，扰动源比较多，要保证提供合格的蒸汽以满足负荷的要求，其工作过程中的各主要工艺参数必须严格控制，为此，锅炉的主要控制任务为【3】；

（1）保持锅筒水位在规定的范围及给水稳定；

（2）保持炉膛负压在规定的范围；

（3）稳定蒸汽温度、压力和蒸发量；

（4）保持燃烧的经济性和锅炉的安全运行。

完成上述的任务需要监控五个主要的被调节量和四个调节量，具体如图1-1：

图1-1锅炉主要参量

这些调节量和被调节量之间实际上互相关联、互相制约，很难单独确定某一量的大小。

在实际运行中，解决的办法是设置几个相对独立的调节系统来简化调节过程。

在中小型工业锅炉中，通常只要对两个相对独立的调节对象进行调节就能基本满足一般用户的要求，即给水过程控制和燃烧过程控制。

1.2.2工业锅炉给水自动控制

1给水控制的必要性

工业锅炉给水的基本任务是在各种负荷条件下，控制给水量，使进入锅炉的给水量与送出的蒸汽在数量上保持平衡。

对于锅筒锅炉，这种平衡的标志是锅筒水位维持在工艺要求的范围内。

对于工业锅炉，水位的高低对锅炉的安全运行和生产工艺要求影响很大。

水位过高，蒸汽带水量过多，降低蒸汽品质，会在蒸汽管道内发生水冲击，甚至会发生满水事故;水位过低，则会破坏水循环，以至烧坏某些受热面，严重时会造成爆炸事故，所以维持锅炉汽包水位的稳定是十分必要的【12】。

2给水控制的难点

锅炉运行时，要保持锅筒水位在规定的范围内，须不断地往锅筒内补水。

由于给水的温度比锅筒内的水温低，若给水量突然增加，会使汽包内水温下降，汽水混合物的汽化程度发生变化，水位有下降的趋势。

这样，在一段时间内由给水引起的水位增高的趋势和由汽化程度变化引起的水位下降的趋势基本相等，造成锅筒水位基本不变的状态，即水位的等效纯滞后现象。

所以，为减少这种影响，给水过程应该是连续的。

不过，工业上蒸汽负荷是有波的，有的波动还很大，所以为保持锅筒水位，给水量就应随负荷及时调整。

但是，在蒸汽负荷波动时，特别是在负荷变化较大的情况下，锅炉常常会出现“虚假水位”。

其现象是:

当负荷突然大幅增加时，水位迅速上升，然后水位又迅速下降;当负荷突然大幅下降时，水位迅速下降，然后水位又迅速上升。

出现“虚假水位”的原因是:

当负荷突然大幅增加时，锅筒内的蒸发量不能很快跟上，导致气压下降，锅筒内的水的温度就会从原来压力下的饱和温度降到新压力下的饱和温度，此时，释放出的大量热量使锅筒内的水蒸发，产生大量气泡，汽水混合物容积膨胀，水位升高。

待大量气泡逸出水面时，锅水内的气泡数量减少，汽水混合物容积减少，水位下降。

同理，在负荷迅速下降时，将经历一个相反的过程【5】。

“虚假水位”对锅筒水位控制很不利。

当蒸汽负荷突然增大时，本应增加给水量，但由于“虚假水位”现象的作用，锅筒水位迅速上升，给水量信号反而减小，扩大了给水量和蒸汽量之间的不平衡，必然导致水位控制的动态特性变差:

同理，当蒸汽负荷突然减小时，仍会由于“虚假水位”现象的作用，使水位控制的动态特性变差。

可见，水位控制不能简单地根据锅筒水位瞬时的高低来调节给水量的大小，必须考虑“虚假水位”的影响。

3三冲量给水自动调节

锅炉水位控制方案一般有单冲量给水自动调节系统、双冲量给水自动调节系统和三冲量给水自动调节系统三种，目前应用较广且比较成熟的是三冲量给水自动调节系统，其控制系统示意如图1-2。

在三冲量给水调节系统中，调节器接受锅筒水位、给水流量和蒸汽流量三个信号，其中锅筒水位是主变量，给水流量是反馈信号，蒸汽流量是前馈信号。

当给水流量因给水压力变化、给水调节阀开度改变等原因而发生扰动时，由于给水流量信号的反馈作用，可以迅速消除扰动，稳定给水流量。

蒸汽流量不经PID调节而以前馈方式加入，能克服因“虚假水位”而引起的调节器误动作，有效地改善水位控制，使得水位控制精度提高，动态响应性能变好【4】。

三冲量给水调节系统的控制方案适用于燃煤链条式、燃油、燃气以及负荷变动大的锅炉。

图1-2三冲量给水调节示意图

图1-3三冲量串级控制图

1.2.3工业锅炉燃烧过程自动控制

1控制任务

锅炉的基本组成是“锅”和“炉”两大部分。

燃料在“炉”中燃烧放热，高温烟气携带的热量为“锅”的受热面吸收，以产生一定压力和温度的蒸汽。

作为锅炉的燃烧设备—“炉”，其任务是针对不同燃料的燃烧特性，为其完全燃烧创造良好的条件，以求燃料将其热量最大限度地释放出来。

锅炉的燃烧控制直接关系着是否对环境造成污染、是否节能及能否给企业带来效益。

所以，锅炉的燃烧控制自动化多年来倍受重视。

锅炉燃烧过程自动控制的主要任务是:

（1）保持蒸汽压力稳定

锅炉运行中蒸汽负荷随时发生变化，并反映到蒸汽压力波动，这样就必须随时改变燃料量以适应负荷的需要，并保持汽压稳定。

（2）保证经济燃烧

为了得到最经济的燃烧工况，就要保持燃料量和送风量之间有合适的比例，当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它与燃煤量相配合。

（3）保持炉膛压力一定

中小型工业锅炉目前一般采用炉膛负压运行方式，且负压维持在100Pa以内。

炉膛负压过小，炉灰和火苗从火孔和炉门等处外溢，会引起炉膛喷火等事故:

负压过大，会引起漏风量增大，影响锅炉热效率，不利于经济燃烧，同时使引风机电耗量增大。

因此，必须严格保证炉膛负压稳定在某一水平，这对燃烧工况、锅炉房工作条件、炉子的维护和安全运行都是有利的，这也是保证锅炉经济燃烧和安全性的重要指标。

虽然燃烧控制系统是一个多参数变量的调节系统，但通常都把它简化成互相联系、密切配合但又相对独立的3个单变量系统来实现，即:

以燃料量维持锅炉压力恒定的蒸汽压力控制系统，以送风量维持锅炉经济燃烧的送风调节系统，以引风量维持炉膛负压稳定的炉膛负压调节系统。

2蒸汽压力控制

蒸汽压力是反映蒸汽供需关系平衡与否的重要指标，也是表征蒸汽的重要参数。

汽压偏高，会加速金属材料的蠕变;汽压偏低，说明供需关系不平衡，设备消耗的蒸汽量大于现有的产汽量，难以维持长期稳定的运行。

因此，维持压力稳定是安全生产和维持运行的需要。

对于燃煤链条炉，蒸汽压力的控制主要通过给煤量的调节来实现，也即调节炉排的转速。

给煤量大，供给的热量多，锅水吸热多，产生的蒸汽压力增大，相反则蒸汽压力减小。

当然，给煤量必须与鼓风量配合，一定给煤量对应最佳鼓风量，鼓风量小，燃烧不完全，鼓风量大带走过多热量。

而且，根据工艺要求，当负荷增加时，应先增加鼓风量，再增加给煤量:

负荷减小时，先减少给煤量，后减少鼓风量。

蒸汽压力的控制过程是个大惯性大滞后过程，当前这个过程的控制大多仍采用PID控制。

这是因为PID控制具有结构简单、实现容易和鲁棒性强的特点，而且PID控制器不需要精确的数学模型，其控制参数的物理意义清楚，控制器容易在线调整。

不过，为实现更好的控制效果，现在己有不少新的算法的应用，如非线性PID控制算法、模糊算法等等。

3经济燃烧

锅炉的经济燃烧涉及很多变量，如空气过剩系数、烟气含氧量、风煤比，各变量之间相互影响又相对独立，要使锅炉实现经济燃烧，必须综合考虑各种相关因素，并进行合理控制。

国内外己有不少机构对锅炉控制进行了研究，并有相关的先进控制与优化软件问世，但由于种种原因，在中小型控制系统中的应用还极少。

国内的相关控制大多仍基于传统的控制策略，如PID控制、比值控制、串级控制、前馈控制等，在此基础上加进一些优化技术，如PID控制器参数自整定、自适应控制、模糊控制等，最终的目的都是为了实现锅炉燃烧的在线优化，以实现经济燃烧。

还有一点需要说明，在现在的锅炉中为使燃料完全燃烧，大都增设了二次风，以加强烟气和空气的扰动、混合和延长烟气流程，减少化学未完全燃烧损失，同时使烟气中的煤粒在炉膛内停留较长时间，使其得到充分燃烧。

根据运行经验，合理使用二次风能使锅炉的热效率提高3-5%左右。

4炉膛负压控制

影响炉膛负压的因素主是鼓风量和引风量，一般炉膛负压主要通过控制引风量的大小来控制。

在这里，炉膛负压作为被控对象，引风量作为控制对象，当然这是在鼓风量一定的前提下说的。

当鼓风量发生变化的时候，引风量也要跟着变化，通常是把鼓风量作为引风控制的前馈量，在鼓风量增加时立即增加引风量，当鼓风量减少时，经过一段时间再减少引风量。

5连锁控制

在锅炉控制中，为保证锅炉安全运行，在某一机构发生故障时，要有即时报警和相关保护，并触发与之关联的设备实现自动连锁。

锅炉运行要求的连锁动作大体有以下几项:

（1）.鼓风电机

要求当引风电机停止、炉排电机停止、锅筒压力或蒸汽总管压力超出上限时，鼓风电机自动停止。

启动时，只有引风机运行起来后才开鼓风机。

（2）.引风电机

要求当锅筒压力或蒸汽总管压力超出上限时，引风电机自动停止。

（3）.炉排电机

要求当鼓风电机或引风电机发生故障时，炉排电机立即停止运行。

在正常启停时，当鼓风和引风开起来后再开炉排电机，停机时先停炉排电机。

（4）.给水泵

要求锅筒水位超出上上限时，给水泵自动停止。

给水泵的控制还要考虑除氧水箱水位的下限，在其接近空时，也要停止给水泵。

1.3PLC控制的优点

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算。

随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。

现在的PLC己不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。

美国电气制造商协会（NEMA）将其正式命名为可编程控制器（ProgrammableController），简称PC，但是为了和个人计算机（PersonalComputer）的简称PC相区别，人们常常把可编程控制器仍简称为PLC.

事实上，PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以输入、输出及通讯等模块，可以方便地用于工业控制领域的装置。

它以其高可靠性、高稳定性、编程简单和易于使用，在现代工业企业中得到广泛应用，使得整个控制系统在功能的可靠性、配置的灵活性等方面较之过去产生了质的飞跃。

当然，与所有的器件一样，PLC本身也有其局限性，它无法向操作者显示动态的设备状态参数，无法进行大批量数据的存贮与转化，尤其是当系统工艺改变时，无法方便、快速地改变相关参数、配方。

因此，在现今的稍微复杂一些的控制系统中，PLC通常与工业控制计算机配合使用，实现完整的控制功能。

工业控制计算机，简称工控机，是针对工业用途而设计的计算机，与普通的商业PC机相比，具有更高的可靠性、稳定性，同时结构上也更便于扩展;另一方面，它与商业PC机一样，有着十分丰富的商品软件支持，可以开发出适合用户的直观、方便的图形操作界面。

目前，工业控制中所采用的工业PC+PLC控制系统中，PLC主要负责数据采集、控制运算和控制输出，可以接受开关接点等数字信号，还可以直接接收标准的过程量，如4-20mA电流、1-5V电压、热电偶、热电阻等模拟信号。

基于HMI技术的工业PC机构成了OS操作员站或ES工程师站，主要的功能是数据归档、趋势记录、报警提醒以及参数设定，提供了运行人员和控制系统的一种交互方式。

随着网络通信功能的不断增强，PLC与PLC及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在其中挂接在线通用计算机，实现在线组态、编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就已经具备了集散控制系统的形态，加上PLC价格和可靠性优势，使之可与传统的集散控制系统相竞争。

随着PLC成本的下降和性能的提高，普通PLC己能满足小型锅炉的控制要求，且性价比较高。

1.4本文主要内容

本文以一台l0T/h蒸汽锅炉PLC控制系统为研究对象，主要做了以下几个方面的工作：

（1）在深入了解链条燃煤锅炉的工艺过程，以及国内蒸汽锅炉控制现状，尤其对一台l0T/h锅炉控制系统研究，讨论了PLC+工业PC在锅炉控制中的应用的可行性；

（2）论述了一台l0T/h蒸汽锅炉PLC控制系统的总体结构设计；

（3）介绍了子系统的设计与实现；

（4）讨论了燃烧过程中优化控制策略；

（5）详细介绍了控制系统硬件、软件设计方案。

第二章锅炉控制系统的总体设计

2.1系统控制要求

本控制系统控制一台l0T/hDHL10-1.25-AIII型锅炉，结合锅炉自带的部分手动控制，实现如下功能：

1.锅炉给煤系统：

给煤自动调节；

2.锅炉送风系统：

送风自动调节；

3.锅炉引风系统：

引风自动调节；

4.锅炉燃烧控制系统：

给煤、送风和引风系统一起实现锅炉最佳经济燃烧；

5.水箱水位实时监控：

水位监视与报警；

6.循环水泵、补水泵运行状态实时监控：

循环水泵、补水泵状态监视与报警；

7.锅炉各种连锁保护：

保证锅的安全运行。

2.2锅炉本体构造

DHL10-1.25-AIII型角管式锅炉为单锅筒横向布置组装锅炉，锅炉的燃烧方式采用轻型链条炉排，锅炉炉膛及水冷系统为膜式壁结构，整台锅炉呈单层布置，配备鼓风机、引风机、水泵、出渣机、除尘器及部分电气控制装置。

烟气燃料系统：

燃料从煤斗通过煤闸门，经刮平后随炉排缓慢进入炉膛，着火燃烧后产生的烟气通过烟气出口窗，进入对流管束，在其中上下向流动，然后通过锅炉的烟道，依次进入省煤器、除尘器等设备后，由引风机将烟气从烟囱排向大气。

灰渣系统：

燃料经燃烧后生成的灰渣在炉排尾部落入渣坑，经出渣机排出，炉排的漏煤和漏灰由链条炉排前部的落灰斗内掏出。

送风系统：

空气由鼓风机送入风道，通过链条炉排两侧的风道，进入炉排下的风室，通过炉排进入炉膛。

二次风装置：

多孔分层错列射流式二次风装置保证燃料在炉膛内充分燃烧。

由上面的描述可知，此锅炉的燃料供给可通过炉排转速来调节，由于这里没有过热器，产出的是该厂需要的是饱和蒸汽，所以有关的计量和显示应按照饱和蒸汽的特性来设置。

2.3系统设计思想

在以上分析的基础上，我们对系统作如下各控制部分设计。

2.3.1电机控制模式

控制系统中根据驱动方式的不同具有2类电机，一类带有变频器驱动，如引风机、鼓风机、给水泵、炉排机;另一类通过直接控制接触器的通断来驱动，如除渣机、进水泵。

对于带变频器的电机，系统设置了“现场控制”和“计算机控制”2种操作方式。

“现场控制”是指在中控室的操作台通过启停按钮及手操器对电机进行操作的一种方式，“计算机控制”是指在中控室操作员站计算机上通过键盘、鼠标、显示器等设备对电机进行操作的一种方式。

电机的启停顺序存在约束关系，如启炉的顺序为：

引风机——鼓风机——炉排机，停炉的顺序则相反:

炉排机——鼓风机——引风机。

变频器实现电机的软启动和调速功能，在电机达到转速要求后，PLC会发出信号主动关闭变频器的动作，保护变频器的使用寿命，电机切换到公频状态下运转，对于带变频器的电机控制如下图所示：

图2-1变频器控制电机原理图

对于不带变频器的电机，分为2种情况进行控制。

对于除渣机，由于工作任务简单，只设置现场操作箱，在现场对其直接进行启停操作。

对于软水箱进水泵，在现场设置1个操作箱，通过操作箱上的“现场控制”及“计算机控制”转换开关对其操作方式进行转换。

对于电机的控制如下图所示：

图2-2控制电机的电气原理图

对于给水泵和软水箱进水泵，由于其每两台水泵对应一套设备，如1台给水泵供给一台锅炉，2台软水箱进水泵供给一套软水箱。

鉴于此情况，将给水泵和软水箱进水泵的控制方式设计为两台水泵互为备用的方式，当其中一台水泵出现故障问题时，另外一台备用水泵可以自动切换到工作状态，使锅炉炉筒或软水箱的供水不会出现中断，保障了锅炉运行的安全。

在切换过程中，PLC控制程序将会做PID调节参数的自动调整传输，使水泵的工作状态转