基于PLC的火电厂锅炉控制系统设计毕业设计说明书.docx

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基于PLC的火电厂锅炉控制系统设计毕业设计说明书

内蒙古科技大学

本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题目：

基于PLC的火电厂锅炉控制

系统设计

独创声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:

二〇一〇年九月二十日

毕业设计（论文）使用授权声明

本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名:

二〇一〇年九月二十日

基于PLC的火电厂锅炉控制系统设计

摘要

火电厂锅炉是工业生产过程的必要动力设备，锅炉系统安全、稳定、高效运行是火电厂的重要任务。

锅炉存在热效率低，燃煤质量不稳定，排烟温度高等问题，利用PLC对锅炉进行过程控制是火电厂锅炉控制领域的重要研究内容。

本设计通过对炉膛温度、炉膛压力、汽包液位及过热器温度的分析，以PLC为控制器、采用PID算法、运用STEP7—Micro/WIN进行梯形图编程，分别设计了炉膛温度串级控制方案、流量比值控制方案，炉压前馈—反馈控制方案，汽包水位三冲量控制方案和过热器串级控制方案，实现了对各个控制系统的自动控制。

最后利用人机交互界面，实现了密码登陆，画面动态显示，数据报表的预览、打印、保存、刷新和调入查询，曲线的更新，画面报警等功能，可达到锅炉控制系统安全、稳定、高效运行。

关键词：

锅炉；PLC；组态王

TheBoilerControlSystemofThermalPowerPlantBasedonPLC

Abstract

Theboilerofthermalpowerplantisthenecessarypowerequipmentduringtheindustrialproduction,boilersystemsecurity,stabilityandefficientoperationofpowerplantsisanimportanttask.Butboilerthermalefficiencyislow;thecoalqualityisnotstable,exhausttemperatureishigher,sotheboilerprocesscontrolisanimportantresearchfieldofthermalpowerplantboilercontrolusingPLC.

Throughtheanalysisofthefurnacetemperature,furnacepressure,drumlevelandsuperheatertemperature,thedesigntakesPLCascontroller,andusesPIDalgorithm,completesprogrammingthroughSTEP7-Micro/WINladderdiagram.thetemperaturecascadecontrolscheme,thepressurefeedforward—feedbackcontrolschemeandtheratiocontrolschemeofthefurnacearedesigned,threeimpulsescontrolschemeofthedrumlevelandcascadecontrolschemeofsuperheateraredesignedtoo,finallyeachcontrolsystemcanberunautomatically.TheinteractiveinterfaceisdesignedusingtheKingviewsoftware,finallyusingapasswordtolandisachieved,screencanshowceaselessly,datareportpreview,print,save,refreshandtransferredtothequeryiscompleted,thecurveandalarmscreenetccanbeupdatedtimely.Finallyboilercontrolsystemcanachievesecurity,stabilityandefficientoperation.

Keywords:

Boiler；PLC；Kingview

第一章绪论

1.1火电厂锅炉的发展现状

我国是目前世界锅炉生产和使用最多的国家，随着经济的发展，采用清洁燃料和洁净燃烧技术的高效、低污染、节能工业锅炉必将成为锅炉发展的大趋势。

15年来，我国锅炉的年产量一直稳定在7~10万蒸吨之间，可是行业规模却从当初的551家企业发展到969家，并且增加的企业大多数规模很小，但这些企业在锅炉行业中占到3/4以上，不得不说这是一种畸形发展。

由于锅炉制造厂家太多，导致产品雷同率太大，没有形成规模生产。

在千余家锅炉企业中具有自行设计能力的厂家仅百家左右，许多小型企业存在很多问题、步履维艰，从而转产或倒闭。

受各种因素的影响，十年来锅炉产品出现了一些新的变化，小容量锅炉的数量减少了1/2，大容量锅炉增加了1倍多，且燃煤锅炉占的比例开始下降。

在满足工艺要求的前提下，为了提高工业锅炉热效率，降低能源消耗，把工人从繁重的劳动中解放出来，促进文明生产，锅炉实现自动控制是一个急待解决的问题。

据相关资料统计一台10T／h的工业锅炉，效率如果能提高1％，每年大约就可以省煤200吨，经济效益是非常明显的。

又如对燃煤锅炉设备进行改进，实行自动控制，即在不需人工干预的情况下，随时调整给水量、送风量及引风量、燃料量维持水位、蒸汽温度、蒸汽压力及炉膛负压的恒定，就有希望将锅炉的热效率提高5％以上。

另外，倘若锅炉达到经济燃烧状态，还能够减少烟气中的含尘量，减少污染。

1.2研究目的及意义

工业锅炉是重要的热能动力设备，锅炉自动控制系统是一个复杂的系统，对锅炉实现计算机自动控制具有非常重要的意义。

目前我国在用燃煤锅炉的煤炭消耗约占煤炭消耗总量的四分之一。

且在用锅炉大多为使用年限较长的老旧锅炉，污染重，效率低，节能潜力巨大。

问题主要表现在以几个方面

1、热效率低，能源得不到有效利用。

2、锅炉老旧，自控水平低，影响燃烧效率。

3、煤质不稳定，影响锅炉出力。

4、水质不达标，结水垢严重，影响效率。

5、缺乏熟练的操作人员。

6、污染物排放控制不好，污染严重。

7、节能监管不到位。

在我国除了少数锅炉采用了先进的控制技术，大本分锅炉还停留在使用仪表和继电器进行控制，因此锅炉控制系统的改造具有良好的市场发展空间和投资前景，值得广泛关注。

它不仅能通过自动控制技术实现安全生产，还能节煤节电并使排放更环保，总之锅炉的计算机自动化控制是锅炉发展的大趋势，也是利国利民的发展方向。

锅炉控制系统作为一种重要的热能动力设备，随着科学技术的发展和生产要求的提高，现在的工厂越来越多地使用自动化程度更高的锅炉控制系统，而PLC具有通用性强、使用方便、体积小、可靠性高、维护方便、编程简单等优点，在锅炉控制系统中应用越来越广泛。

本文主要介绍火电厂中基于PLC的锅炉控制系统，整个控制系统控制器采用西门子公司的S7-200，上位机采用研华工业计算机，在组态王画面上对生产过程进行监控、保证各个变量在控制要求内，使生产安全、高效运行。

自上世纪80年代至90年代中期开始，PLC得到了飞速发展，在这时期，PLC在模拟量处理、数字运算、人机接口和网络等方面的能力得到了大大提高。

PLC渐渐进入到过程控制领域，在一定程度上取代了DCS系统在过控领域的统治地位。

由于PLC具有通用性强、适应面广、可靠性高、使用方便、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在自动控制尤其是顺序控制中的地位，在可预见的将来，必将是无法取代的。

第二章火电厂锅炉生产工艺

火电厂包括三大系统，分别是燃烧系统、汽水系统和电气系统。

火电厂发电实质就是能量的转换，燃料的化学能→蒸汽热能→机械能→电能，由锅炉、汽轮机和发电机三大主机控制。

2.1锅炉的组成和分类

锅炉是一种热能转换设备，主要由锅炉本体和辅助设备组成，锅炉的本体包括汽锅、炉子和安全附件。

汽锅是锅炉的汽水系统，高温烟气经过受热面，将热量传递给汽包内的温度较低的水，水被加热沸腾、汽化蒸发。

汽水系统由预热设备（省煤器）、汽化设备（由汽包、水冷壁、联箱、下降管和连接管组成）和过热设备（过热器和再热器）组成。

省煤器作用：

吸收烟气热量、节约燃料，预热给水、减少给水在水冷壁上的吸热量，提高给水温度、减小与汽包壁的温差。

下降管作用：

将汽包内的水通过联箱供给水冷壁。

过热器作用：

将饱和蒸汽变成能够满足工艺要求的过热蒸汽。

炉子是锅炉的燃烧系统，将燃料的化学能转换成汽包内水分蒸发的热能。

包括燃烧设备（炉膛、点火装置和燃烧器组成）、空气预热器和烟道。

燃烧设备将煤粉和空气按一定比例混合，保证煤粉稳定、迅速着火与充分燃烧。

（1）燃烧设备

燃烧器作用：

将一次风（携带煤粉）和二次风（助燃）送进炉膛，组织具有一定结构的气流使煤粉稳定、迅速着火，使空气和煤粉合理混合，保证煤粉的完全燃烧。

分为旋流燃烧器和直流燃烧器。

点火装置：

在锅炉启动后点燃煤粉气流，当燃烧劣质煤粉或低负荷运行时，使系统稳定燃烧或作为燃烧的辅助设备。

炉膛：

煤粉燃烧的燃烧室。

（2）风烟系统

通风的任务：

提供锅炉燃烧需要的空气并把燃烧产生的烟气排出，保证正常燃烧。

通风方式：

包括自然通风和机械通风。

自然通风指利用烟道中的热烟气与外界的冷空气的密度差形成的通风力进行通风。

机械通风是利用风机产生压力，使烟气和空气在风烟系统中流动。

目前主要有三种通风方式即负压通风、平衡通风和正压通风。

由于自然通风只能克服较小流动阻力，而电厂锅炉的流动阻力很大，所以电厂锅炉常采用机械通风。

（3）空气预热器

空气预热器有回旋式和管式两种结构。

回旋式预热器是烟气将热量传递给金属，金属再将热量传递给空气，管式预热器是热量直接由烟气连续不断地传递给空气，烟气和空气各有各的通道。

空气预热器的作用：

降低烟气温度、节省燃料，改善燃烧条件、降低燃烧损失，节约金属、降低造价。

安全附件包括温度计、水位计、调节阀和压力表等。

辅助设备包括给水泵、磨煤机、给煤机、送风机、除尘器和碎渣机等。

锅炉的分类方法很多一般按功能、燃烧方式、出口介质压力和容量大小进行分类。

按照功能分为：

开水锅炉、蒸汽锅炉、热水锅炉、热风锅炉和导热油锅炉。

按燃烧方式分为：

沸腾炉、层燃炉和室式炉。

室燃炉所用的燃料可是固体燃料、液体燃料和气体燃料。

层燃炉和沸腾炉的燃料只能是固体燃料。

按出口蒸汽压力分为：

低压、高压、超高压、亚临界压力、超临界压力和超超临界压力。

按容量大小可分为：

小型锅炉、中型锅炉和大型锅炉。

蒸汽锅炉一般分为：

燃煤蒸汽锅炉、燃油蒸汽锅炉、燃气蒸汽锅炉及点蒸汽锅炉[1]。

从资源、功能和高效考虑，我们选择室式燃煤蒸汽锅炉作为火电厂热能转换设备。

2.2锅炉的工艺流程简介

锅炉的工作过程包括燃料燃烧过程、炉与汽包的传热过程、水的加热蒸发过程。

燃烧过程必须具备以下条件：

1）高温环境

2）煤粉和空气良好混合

3）烟气和灰渣的排放

传热过程一般有三种形式：

辐射、辐射和对流、对流，主要以辐射为主。

水的加热和蒸发过程包括给水、水循环和汽水分离三个步骤。

汽水系统工作过程：

给水经软化、除氧后进入省煤器，不断吸热，温度升高成为饱和水，经过水冷壁吸收炉子辐射出的热量变成饱和蒸汽，饱和蒸汽经汽包进入到过热器，变成具有一定工艺参数的过热蒸汽，推动汽轮机做功，如图1.1所示。

图1.1汽包系统流程图

炉子的工作过程：

原煤经磨煤机后变成煤粉，外界冷的空气由送风机送入空气管道，经空气预热器后成为热空气，在制粉过程中需要一部分热空气对煤进行干燥处理，其余热空气直接与煤粉成一定比例进入炉膛参与燃烧。

燃烧产生的高温烟气经省煤器、空气预热器和再热器后经除尘器出去飞灰后，经引风机排放到大气中。

而燃烧产生的灰粒沉落到炉膛底部冷灰斗中，经冷却凝固后排出，如图1.2所示。

图1.2燃烧系统流程图

设计锅炉控制系统必须考虑锅炉的经济性和安全性。

（1）锅炉的经济性指标

1．受热面的蒸发率：

每平方米受热面一小时生产的蒸汽量，单位Kg/m2·h。

锅炉的效率：

用于产生加热水和蒸汽所用的热量Q1与每小时送入炉膛燃料燃烧所产生的热量Qr之比，用符号%表示。

（2.1）

2．锅炉的净效率：

除了锅炉机组运行消耗的能量之后的锅炉效率

（2.2）

3．汽煤比：

一吨煤燃烧所能产生的蒸汽量，由于不同锅炉对蒸汽的质量要求不一样，所以不同锅炉的汽煤比不具有可比性。

（2）锅炉的安全性指标

锅炉连续运行的小时数：

锅炉两次被迫停止运行的时间间隔。

锅炉可用率：

统计期间内，锅炉运行的总小时数和锅炉的总备用小时数之和

与统计期间内总小时数之比[2]。

第三章火电厂锅炉控制系统的总体方案设计

3.1控制方案的选择

火电厂锅炉的控制系统有三种方案

（1）基于单片机的控制系统

（2）基于Labview的控制系统

（3）基于PLC和组态王的控制系统

单片机偏电子，适用于无线控制领域和中小型控制领域，以其重量轻、功能强、功耗小和安全性高等特点，在工业控制中得到广泛应用，但是由于其可靠性和自身保护性较PLC差，而且抗干扰能力及稳定性都不及PLC,所以单片机一般只适合应用在控制要求不高的场合。

虚拟仪器与单片机相比，不仅省掉了单片机通信电路和转换电路，控制精度较高、开发周期短，而且采用Labview编程简单、调试方便，采用虚拟仪器控制方法效率高、性能好，但是由于其编程语言是图形化的，所以修改起来十分麻烦。

与单片机和虚拟仪器相比，PLC不仅可靠性和自动化程度高，抗干扰能力强，而且程序设计简单、维护方便，除了能够完成简单的逻辑控制，还可以通过功能模块和功能指令完成复杂的模拟量控制，对操作人员的要求较低，应用在控制要求较高的大中型设备中。

综合考虑火电厂锅炉控制系统的特点，本设计采用基于PLC的火电厂锅炉控制方案。

3.2基于PLC的锅炉控制系统方案设计

本控制系统的上位机是一台工控计算机，下位机是西门子S7-200可编程控制器，上位机通过传感器获得锅炉各个参数的当前值，通过组态王监控软件实现对锅炉当前情况的监控、报警等功能，下位机PLC通过控制变频器或者阀门开度完成对控制变量煤粉流量、给水流量、给风量、引风量的控制，进而实现对燃烧过程、炉膛压力、汽包水位和过热器温度的控制。

系统的方案设计原理图如图3.1所示。

图3.1锅炉控制系统原理图

3.3锅炉控制过程

锅炉控制过程主要包括炉膛温度控制、汽包水位控制、炉膛压力控制、过热器温度控制。

锅炉控制系统控制流程图如图3.2所示。

图3.2锅炉控制系统流程图

汽包水位控制系统：

维持汽包物料平衡，使给水量与蒸发量相适应，使汽包水位在控制要求范围内。

燃烧控制系统：

包括炉膛温度控制系统和炉压控制系统，空气流量和煤粉流量按一定比例混合燃烧，保证炉膛温度和蒸汽负荷要求，同时使引风量和送风量相适应，维持炉压在控制要求范围内，保证系统燃烧经济性和安全性。

过热器温度控制系统：

使过热器出口蒸汽温度在允许范围内，满足生产工艺的要求[3]。

3.3.1炉膛温度控制系统

由于炉温控制过程具有大惯性、多扰动和非线性的特点，本设计采用炉温和煤粉串级控制的方案，实现对炉温的控制。

为了更好地控制燃烧过程参数，提高燃烧效率，必须设计合理有效的控制系统对燃烧过程进行精确的控制，燃烧过程采用空气和煤粉的双闭环比值控制系统。

炉温控制系统框图如图3.3所示。

图3.3炉温控制系统框图

该系统以炉膛温度控制和煤粉流量控制构成串级回路，其中的温度控制为主环，煤粉流量控制为副环，炉膛实际测得的温度作为反馈信号与设定值进行较得出偏差，温度调节器根据偏差信号对煤粉流量进行控制，这样外环温控回路根据炉温进行调节，内环可以快速相应温度变化，实现对炉温的精确控制。

3.3.2汽包液位控制系统

汽包液位是锅炉正常运行的重要控制参数之一，也是生产过程的重要工艺指标，汽包水位过高会导致汽包上部空间减小，影响其中的汽、水分离，蒸汽会出现带液现象，这种情况不仅降低了蒸汽质量和产量，还会导致蒸汽结垢或者损坏汽轮机叶片。

而汽包液位过低轻则影响汽、水平衡，重则会出现干锅现象，有可能导致锅炉爆炸。

由于蒸汽负荷和给水压力变化大、不稳定，导致给水流量发生较大变化，从而影响汽包水位。

蒸汽用量突然加大时，蒸汽压力会瞬间下降，水沸腾加剧，汽包水的表面和底部汽泡量会迅速增加，由于汽包的体积比水的体积大很多倍，会出现汽包水位升高的假象。

可是这种假象仍会被简单的控制系统当成真正的水位去处理，错误地减小给水流量。

反之，当蒸汽用量突然减少时，会出现水位下降的假象，而液位控制器分辨不清真、假现象，错位地进行开大给水阀门，影响锅炉正常的运行。

如果我们能够把主干扰蒸汽流量和给水流量这两种干扰因素同时引入到控制系统，那么锅炉汽包液位调节系统就能够克服这种假水位的现象，由于有三个信号作用于控制系统，所以称为三冲量控制系统[4]。

该系统的控制框图如图3.4所示。

图3.4汽包水位控制系统框图

从原理框图可知，汽包液位是主冲量，给水流量和蒸汽流量是两个辅助冲量，实际上就是一个前馈加反馈的三冲量串级控制系统。

当出现虚假水位时，蒸汽用量增加时，主调节器（正作用、选用气闭阀）的输出信号减小，而蒸汽流量信号不经过主调节器，直接传递给副调节器，副调节器的输出减小，给水调节阀的开度增大，从而消除虚假水位。

当蒸汽流量不变给水流量发生较大的波动时，给水流量作为反馈值通过副调节器控制给水调节阀，直至恢复到需要的数值为止[5]。

主调节器根据设定值和反馈信号的偏差产生动作，而副回路抗干扰能力很强，可以及时克服来自水流量方面的干扰，从而提高液位控制精度，通常情况下蒸汽信号和水流量信号作用相反，当出现假水位情况，蒸汽信号会起到补偿作用，从而保证液位稳定在允许的变化范围内。

本系统中控制器要使液位稳定在设定值上，当出现干扰时不允许有余差，故采用比例积分控制规律。

因此不论是蒸汽还是给水信号变化时，都会破坏调节器的平衡，引起调节器的作用，减小干扰，提高液位的控制精度，为锅炉系统的安全运行提供了可靠地保障[6]。

3.3.3过热器温度控制系统

锅炉过热器出口的蒸汽温度是火电厂热工控制中主要控制参数之一，直接关系到系统运行的安全性和经济性，一般来说对过热器出口蒸汽影响的因素主要有蒸汽流量的变化、炉膛燃烧情况、锅炉给水温度以及流经过热器表面的烟气温度等等。

对过热器的要求有质与量两个方面：

质包括压力和温度参数及洁净度，量指流量。

过热蒸汽温度过高，会烧坏过热器水管，影响负荷设备如汽轮的正常工作和安全，气温过低会影响负荷设备的使用，例如蒸汽温度每降低5℃，热机效率就会下降1%，因此无论是从安全还是技术经济指标上看，必须保证过热器温度在规定的范围之内，危机控制系统一般将气温控制在偏离额定值的5%之内[7]。

过热器出口蒸汽温度控制主要有两种方法1：

通过改变烟道温度控制过热器出口蒸汽温度2：

通过改变减温水流量控制过热器出口蒸汽温度。

由于第一种方法经济性不如后者，我们采用第二种方法。

控制系统框图如图3.5所示。

图3.5过热器出口蒸汽温度控制系统框图

过热器出口蒸汽温度为主被控参数，减温器出口的水流量为副被控参数，温度检测变送器测得的过热器出口蒸汽温度与设定值的偏差作为主调节器的输入信号，主调节器的输出再与流量变送器的偏差作为副调节器的输入，然后控制减温水的阀门开度，通过改变减温水流量来现对热器出口蒸汽温度的控制。

从控制角度来讲减温设备安装在过热器后面比较合理，但是从设备安全角度减温器应该安装在过热器的前面，从上述矛盾出发，我们将减温器安装在过热器上部，更为合理有效地对过热器出口蒸汽温度进行控制。

3.3.4炉膛负压控制系统

为了确保燃烧过程的顺利、安全、经济、高效地进行，必须对炉膛压力进行合理的控制，因为如果炉膛压力过高，不仅会产生向外喷火的现象，还会损坏锅炉设备，可是如果炉膛压力过低，就会吸入冷空气，影响炉膛的温度，造成燃料的浪费，因此炉膛压力需要维持在一定范围内。

对炉压的控制采用前馈-反馈控制如图3.6所示。

其中鼓风量作为前馈信号，使引风量随鼓风量变化，保持炉压在工艺允许的范围内[8]。

图3.6炉压前馈控制系统框图

前馈控制是减少被控变量动态偏差的最有效方法之一，但在实际生产过程中，单独使用前馈是很难满足要求的，由于前馈控制是一种开环控制，无法校验补偿结果，一般前馈控制用来补偿主要干扰的影响。

前馈反馈控制系统的优点：

1．对被调参数影响显著的主要干扰由前馈进行补偿，而其余次要干扰可依靠反馈

来克服，从而保证被调参数最终等于给定值。

2．由于反馈回路的存在，降低了对前馈控制模型的要求，为工程上实现比较简单

的通用模型创造了条件。

3．负荷或工况变化时，模型特性也要发生变化，可由反馈控制加以补偿，因此具

有一定的自适应能力。

第四章硬件选型

4.1传感器选型

1．温度测量元件

对生产过程中的关键参数进行可靠、准确、实时检测，是实现系统自动自动控制的必要条件，因此选择合适的检测元件显得十分重要，也是完成检测工作的重要前提。

检测仪表主要有传感器和变送器两部分组成，传感器将温度、压力、流量、物位、成分的变化转换成相应的电信号传送给变送器，变送器将电信号再转换为标准信号并输出。

温度是生产过程中较为常见的参数之一，保持温度在一定范围内也是进行安全、稳定、高效生产的重要任务之一，温度检测元件按照与被测介质的接触方式可以分为接触式和非接触式。

接触式检测仪表形式包括膨胀式、压力式、热电阻和热电偶，非接触式主要是辐射式。

接触式检测仪表具有简单、可靠、测温精度高等优点，缺点是测温存在延时。

而非接触式检测仪表具有较高的测温上限、热惯性小、适用于温度快速变化的检测，但是测量易受距离、烟尘等外界因素的影响，所以存在较大的测量误差。

常用的温度检测仪表如表4.1。

表4.1常用温度检测仪表分类及特点

类型

形式

测温范围℃

准确度

特点

接

触

式

压力式

-20~600

0.5~5

速度慢、精度低、适于远距离传送

膨胀式

-200~650

0.1~5

结构简单、适合就地测量

热电偶

-200~1800

2~10

速度快、精度高，中高温测量，远距离传送

热电阻

-200~850

0.01~5

速度快、精度高，适于低中温度测量，远距离传送

非接触式

辐射式

100~3000

1~20

响应速度快，测量精