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燃气燃烧器控制系统的设计论文

燃气燃烧器控制系统的设计

专业名称电气工程及其自动化

学生姓名

指导老师

摘要

燃烧器是水泥厂烧成系统的主要设备，它对节能降耗、提高熟料产质量、延长回转窑耐火砖和窑体的使用寿命、提高运转率、扩大资源利用、缩短窑筒体长度、降低有害气体NOX的排放有着举足轻重的作用。

随着水泥工业规模的快速扩大以及环保标准的不断提高，对燃烧器的要求也日益提高。

鉴于其对回转窑技术性能及运转率的影响较大，各国水泥装备设计、制造公司均把燃烧器作为重点设备进行开发和研制。

因此，研究基于计算机控制技术的气煤燃烧器控制系统具有重要的现实意义。

本文介绍了燃烧器的发展现状及系统结构，提出了一套基于三菱PLC的气煤燃烧装置控制系统的设计方案，根据气煤燃烧装置的控制要求，实现对控制系统的通信及监控。

系统性能稳定、可靠性高、控制效果较好，有一定的推广应用价值。

关键词：

气煤燃烧器；PLC；触摸屏

ABSTRACT

Theburneriscementfiringsystem'smainequipment.Forsavingenergy,improvingitsqualityandprolongrotarykilnclinkerproducerefractoryandtheservicelifeofkilnbody,improveavailability,expandingresourcesutilization,shortenthekilnbarrellength,reducingharmfulgasNOxemissionshasapivotalrole.Withtherapidexpansionofcementindustryscaleandenvironmentalstandardsriseceaselessly,theburnersrequirementalsoisincreasingdaybyday.Inviewofthetechnicalperformanceandamountsofrotarykilninfluenced,countriescementequipmentdesign,manufacturingcompaniesinturntheburneraskeyequipmentindevelopmentandresearch.Therefore,theresearchonthecomputercontroltechnologygasburnercontrolsystemhastheimportantpracticalsignificance.

Thispaperintroducesthedevelopmentsituationandsystemburnerstructure,putsforwardasetofstructurebasedonthegasburningdeviceMitsubishiPLCcontrolsystem,thedesignofthecontrolgasburningdeviceaccordingtotherequirementsofcontrolsystemandrealizethecommunicationandmonitoring.Thecontrolsystemhasstableperformance，highreliabilityandbettercontrol，anditalsopromotetheuseofacertainvalue.

Keywords：

Gasburner；PLC；Touchscreen

（一）燃烧器国内发展..…………………………………………………………………………...….1

（二）燃烧器国外发展……………………………………………………………………………………..…..2

（三）控制系统国内外发展……………………………………………………………………..……3

（四）本课题内容……………………………………………………………………………………..4

（一）燃气燃烧器－自然供风式结构原理……………………………………………………………..….5

（二）燃气燃烧器－引射式机构原理……………………………………………………….……………..5

（六）可以由DCS系统来控制的信号……………………………………………………….……….….....8

6.监视运行情况……………………………………………………………………………………...……10

7.运行程序………………….……………………………………………………………………..………10

第一章绪论

一、燃烧器的国内外发展

（一）燃烧器国内发展

燃烧器是使燃料和空气以一定方式喷出混合或混合喷出燃烧的装置统称。

燃烧器按类型和应用领域分工业燃烧器、燃烧机、民用燃烧器、特种燃烧器几种。

燃烧器服务的行业广泛，主要有锅炉、熔炉、冶炼炉、筑路机械及热处理等行业，只要跟热能有关的行业设备都会用到燃烧器。

中国热能燃烧器制造工业的历史并不久远，其发展也才五六年的时间。

燃烧器在未来开发设计中，主要根据我国环保标准而有科学地设计。

环保主要体现在排放、效率上，而且适配性要强，设计合理，才能达到所服务行业的合理匹配。

在燃烧器行业中，技术领先国家就属意大利和德国等欧洲国家了，意大利和德国燃烧器占市场主导地位。

目前，国内企业所采用的大部分是进口燃烧器，因为国内燃烧器行业才处于起步阶段，生产的燃烧器数量小，不具规模。

从目前来看，国内燃烧器无法取代进口燃烧器，而中国市场仍较依赖进口设备。

进口燃烧器设备及技术与国产拉开了一段距离，但其价格与国产设备相差不大，可以说进口设备的引进，给国内燃烧器企业有一定的压力。

进口设备占中国市场90%的份额，但国内燃烧器制造业在逐步成长，这也是国产企业必须过的一道坎，但未来市场必须向国产设备靠拢，慢慢本土化。

由于目前国内的燃烧器在很大程度长依赖进口，尤其是高端工业所需的燃烧器，而国内逐年增加，年增长率超过20%。

而且国产化率逐年上升。

燃烧器的种类繁多，用途十分广泛。

燃烧器按类型和应用领域分工业燃烧器、燃烧机、民用燃烧器、特种燃烧器几种。

广义上来说，民用灶具、打火机、喷灯、发动机中的喷燃装置等都属于民用燃烧器和特种燃烧器的范畴。

国内需求旺盛，目前国内市场的供给尚未满足需求，而且在未来的5年都不能改变这种局面。

燃烧器行业主要产品的价格主要影响因素有以下三方面。

第一是燃烧器的市场需求方面，随着世界经济的不景气，从全球的角度来看，必然会影响工业的发展，给燃烧器的市场需求带来障碍，需求量的减少导致价格降低，致使全球燃烧器产量降低，影响中国燃烧器的进口量；第二，原材料方面，燃烧器大多是用金属制成，尤其是用钢铁，随着钢铁市场在未来的整体的价格的上升，难免给燃烧器行业成本带来压力，价格上升在所难免；第三方面是国内的供需平衡问题，在国内市场，燃烧器行业供给仍然没有满足市场的需要，所以价格还有空间。

综上所述，在未来的几年内，燃烧器市场主要产品的价格有上涨趋势。

（二）燃烧器国外发展

国外全自动燃油燃气燃烧机尽管品牌、规格繁多，但其结构原理基本相同所用油泵、油嘴的安装联系尺寸、启动过程的时间顺序要求,进仪运行阶段的功率调节及火焰监视等，国际标准均有明确规定,因此燃烧过程控制及监测保护系统已实现标准化、全自动化，油泵、油嘴、程控器、火焰传感器、油阀、气阀及安全保护装置的专业生产厂家都是按有关标准和规定组织设计、生产。

国外生产厂家对元器件不强调国产化程度，而着眼于产品的可靠性与竞争优势。

外购件几乎都采用同一或少数几个世界名牌产品。

如美国SUNTEC公司油泵；HONEYWELL公司的安全电磁阀、程控器，各类气阀；STEINEN公司油嘴；瑞士LANDIS＆GYR公司的LOA、LAL、LFL程控器、ORA、ORB火焰传感器；德国DUNGS公司的各类气阀等。

因此，国外全自动燃油燃气燃烧机已实现组装化生产。

国外全自动燃油燃烧机以机械雾化为主，机械雾化喷嘴生产厂家主要有美国JTEINFN和HAGO及丹麦DANFOSS公司，其安装联系尺寸相同。

世界著名的满烧机生产厂家多采用STEINEN公司油嘴，分实心型、半实心型、空心型三大系列．对于燃油燃烧机，充分燃烧的前提条件是良好的雾化质量和合理配风。

说明配风器和雾化器（喷油嘴）同等重要。

对于燃气燃烧机则上要是配风和混含方式的问题。

为了加强燃烧机出口气流的扰动。

促进油（燃气）—气均匀混合，造成一个烟气回流区和不破坏着火条件，进口燃烧机一般在燃烧头内装一个内旋流式稳焰器，它结构简单，效果很好。

有些燃烧机的配风为：

双段火力和比例调节式燃油燃烧机，根部风占总风量的10％左右，与滑动两级式燃气烬烧机的配风基本接近；对于一段火力油燃烧机的配风比一般在20％左右。

由于各类燃气的燃烧特性及火焰传播速度不同。

英国力威、意大利意高等燃气燃烧机都是按燃气成份及供气压力设计不同的燃烧头低热值燃气常采用预混式燃烧头，而高热值燃气、液化石油气则采用后混式燃烧头。

国外全自动燃烧机在安全保护方面有显著特色，主要措施有：

1.为了防止风道及燃烧头内积存污物等，在燃烧机点火前须进行预清扫，有的产

品为了避免停机时逆火，还具有后清扫功能。

2.为了防止在预清扫期间，电磁阀泄漏，大量油液落入燃烧室内，造成点火时爆

燃现象，不少产品装有安全电磁阀。

3.为了非正常熄火保护，装有火焰传感器或电离子棒（燃气）。

4.为了防止异物进人叶轮或燃烧头内，在燃烧机进风口或集风器前安装有钢网。

5.对于低标号（60号及以下）重油燃烧机有的产品采用温度控制器用以控制油座

内的加热温度。

对于高标号重油和渣油燃烧机，内置低油压保护。

如油压低于设定值时，喷嘴不会喷油，以避免燃油积存在燃烧室内，产生爆燃式炉膛结焦。

6.燃气燃烧机多采用燃气压力开关进行低气压保护，有的采用两个燃气压力开关分别进行燃气低气压和高气压保护。

7.燃气燃烧机的气阀防漏/测漏系统。

如气阀密封不严，燃气泄漏进人燃烧室内，在一定条件下会产生爆炸，造成重大事故。

按照prEN676的规定，燃烧机必须安装双重电磁阀，在功率高于1200kw的设备中一定要使用阀门自动检漏装置。

8.对于轻油燃烧机采用燃油预热、利雅路公司开发了一种新型的自动可调的电阻预热器，保证了轻油达到预先设置的最佳温度时才点火，保证了点火和整个燃烧过程中的理想雾化．从而燃烧头和燃烧室也免于未燃物的沉积。

近年来，燃烧机生产厂家为了提高产品的竞争力，在节能、燃料多样化、自控、点火能量等几个方面做了许多工作．其发展趋势主要有以下几个方面：

1.进一步提高节能效果。

特别是大型燃烧机要求实现低空燃比燃烧和可变火焰特性（包括火焰形状、大小、温度）的燃烧。

2.燃烧机不仅能烧各种热值的燃气．而目能燃轻油和重油使其能燃料多样化。

3.在空燃比的补偿自动调控技术应用方面有较大的进展；更安全并实现全面自诊断和具有联网与通讯功能的程控器．进一步得到推广应用。

4.抗积炭、抗结焦的高能点火装置进步得到推广应用。

现有点火装置电流小、电压高（20mA,8000～17000V1，属小能量点火装置。

两电极间距离一般为3～5mm，同时电极在高温下变形，会改变放电距离，且易结焦积炭．需经常调节和清洗。

高能点火装置的特点是电流大、电压低（变压器副线圈电流为35～500mA、电压220V）、能量高，点火电极发热端为耐高温的特殊材料制成的点火装置得以应用，此种装置点火电极间距离达12mm以上、点火电极不易结焦，点火故障少、特别适于重油燃烧机。

（三）控制系统国内外发展

1975年Honeywell公司推出的TDC2000集散控制系统是一个具有许多微处理器的分级控制系统,以分散的控制设备来适应分散的过程对象,并将它们通过数据高速公路与基于CRT的操作站相连接,互相协调,一起实施实时工业过程的控制和监测,实现了控制系统的功能分散,负荷分散从而危险性也分散。

在此期间世界各国相继推出了自己的第一代DCS。

第二代产品在原来产品的基础上,进一步提高了可靠性,新开发的多功能过程控制站、增强型操作站、光纤通信等更完善了DCS。

其基本结构由六部分组成,即局域网络、多功能现场控制站、增强型操作站、主计算机、网络连接器和系统管理站等。

第二代产品的特点是采用模块化、标准化设计,数据通信向标准化迁移,板级模块化,单元结构化,使之具有更强适应性和可扩充性。

控制功能更加完善,它能实现过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制功能。

第三代产品开发了高一层次的信息管理系统。

其共同特点是:

实现了开放式的系统通信,向上能与MAP和Ethernet接口,或者通过网间连接器与其它网络联系,构成复合管理系统;向下支持现场总线,它使得过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制器之间实现可靠的实时数据通信。

过程控制组态采用CAD方法,使其更直观方便,实现自整定功能。

当今DCS向综合化、开放化发展。

90年代工厂自动化要求各种设备（计算机、DCS、单回路调节器、PLC等）之间的通信能力加强,以便构成大系统。

开放性的结构将方便地与指挥生成管理的上位计算机进行数据交换,实现计算机集成生产系统。

同时在大型DCS进一步完善和提高的同时,发展小型集散控制系统。

随着电子技术的发展,结合现代控制理论,应用人工智能技术,以微处理器为基础的智能设备相继出现,如智能变送器、可编程调节器、智能PID自整定控制、智能人机接口,以至于智能DCS。

总的发展趋势可体现在如下几个方面:

各制造厂商都在“开放性”上下功夫,力求使自己的DCS与其他厂商的产品很容易地联网;大力发展和完善DCS的通信功能,并将生产过程控制系统与工厂管理系统联结在一起,形成管控一体的产品;高度重视系统的可靠性,在软件的设计中采用容错技术；在控制功能中,不断引进各种先进控制理论,以提高系统的控制性能,如自整定、自适应、最优、模糊控制等;在系统规模和结构上,形成由小到大的产品,以适应不同规模的需求。

（四）本课题内容

首先详细的了解和收集国内各种标准燃料和非标准燃料的相关资料，并对其按燃料的燃烧特性进行分类划分，重点了解非标准燃料和非标准燃料的使用情况。

在此基础上，对国外各种工业燃烧器进行技术分析，熟悉掌握各种工业燃烧器的优缺点，针对性的确定国内燃料适合的燃烧器结构形式。

要了解燃烧器的控制要求，掌握其监测信号、控制信号、控制状态信号、检测信号、报警信号以及PLC系统控制的信号，经过PLC系统上的转换开关切换后，可以由DCS系统来控制。

在深入燃气燃烧器控制系统和功能要求的基础上展开了以下工作：

1.针对燃气燃烧器系统总体方案分析，研究提出有工控机、可编程控制器为核心开发具有两级集散控制结构的燃气燃烧器监控系统。

2.根据总体方案和控制要求，分析设计以PLC为控制器的硬件系统，引入顺序控制法进行燃气燃烧器的PLC梯形图编制

3.对PLC与上位机的通信方法进行研究，实现PLC与PC的通信。

4.对控制系统及相关单元进行实验调试。

第二章燃烧器工作原理及控制方案

一．燃烧器的工作原理

燃气燃烧器分类：

按燃烧方式分可分为扩散式（一次空气0）、大气式（一次空气0.4—0.7）和无焰式（一次空气1.05-1.1）；按空气供给方式分为自然供风式（空气靠炉膛负压吸入）、引射式（空气靠高速射流吸入）、鼓风式（空气靠机械鼓风供给）。

（一）燃气燃烧器－自然供风式结构原理：

图2-1自然

属于层流扩散燃烧，燃烧依靠分子的扩散作用使周围空气进入燃烧区，燃烧速度取

决于空气的扩散速度。

由于焰面上各点的燃气与空气按化学计量比进行燃烧反应，因此

火焰比较稳定。

特点：

燃气燃烧器－自然供风式

1．燃烧稳定，热负荷调节范围大，不会回火，脱火极限高，燃烧工作稳定。

2.过剩空气量大，燃烧速度低，对燃烧炭氢化合物含量较高的燃气，在高温下由

于焰面内缺氧，由于各种炭氢化合物热稳定性较差，会析出炭粒，造成化学不完全燃烧；

3.层流扩散燃烧，火焰长，需要较大的燃烧空间。

（二）燃气燃烧器－引射式机构原理：

燃气在一定压力下以一定的速度从喷嘴流出，依靠燃气动能产生的引射作用从一次

空气口吸入一次空气，在引射器内燃气与一次空气混合，然后经头部的火孔流出而进行

燃烧。

引射式特点：

1.比自然引风扩散式燃烧器火焰短，火力强，燃烧温度高。

2.空气依靠燃气吸入，不需要鼓风设备；

3.可以燃烧不同性质的燃气，燃烧比较完全，燃烧效率比较高，烟气中一氧化碳

含量比较少。

（4）可以满足较多的工艺要求，使用范围广。

（5）结构较大，单台负荷功率小,噪音大。

（三）燃气燃烧器－鼓风式结构原理：

燃烧方式：

扩散式燃烧空气与燃气的混合在燃烧器出口和炉堂里进行。

鼓风式特点：

1.排除了回火的可能性，具有很高的调节范围；

2.空气和燃气的预热温度可足够高，它仅受管道耐高温特性和燃气热分解的限制；

3.可以使火焰高温区离开炉衬表面，增加提高烧嘴砖及紧贴炉堂的燃烧器金属件

寿命；

4.燃烧器的尺寸可显著的减小，并使燃烧器达到很高的热负荷；

5.可以简捷的进行燃气的置换，工作稳定；

6.必须使用风机，因此需要增加投资和消耗电能；

7.空气和燃气的比例需要进行调节。

二．燃烧器的控制要求

（一）监测信号

1.窑尾温度的监测信号由DCS系统监测；

2.煤气温度的监测信号由PLC系统监测并由数字显示；

3.煤气压力的监测信号由PLC系统监测并由数字显示；

（二）控制信号

1.煤气电动调节阀开度的控制信号由PLC系统去调节煤气电动调节阀开度的大小；

2.一次风风机变频器的控制信号由PLC系统去调节一次风风机变频频率的大小；

3.煤粉计量秤煤粉用量的控制信号由DCS系统控制；

4.二个煤气气动快速切断阀的控制信号由PLC系统控制；

（三）控制状态信号

1.煤气电动调节阀开度大小的状态信号由PLC系统监视煤气电动调节阀开度的大小；

2.一次风风机变频器频率大小的状态信号由PLC系统监视一次风风机变频频率的大小；

3.煤粉计量秤煤粉用量大小的状态信号由DCS系统监视；

4.二个煤气气动快速切断阀反馈的状态信号由PLC系统监视；

（四）检测信号

1．点火火焰状态的检测信号由点火器检测，并有指示灯指示；

2.火焰状态的检测信号由检火器检测，并有指示灯指示，同时输出一个开关量控制信号给PLC系统；

（五）报警信号

1.不能正常点火时报警（点火器上有指示灯指示）；

2.窑内熄火时报警（检火器上有指示灯指示，同时输出一个开关量控制信号给PLC系统；

（六）以下一些由PLC系统控制的信号，经过PLC系统上的转换开关切换后，可以由DCS系统来控制：

1.煤气温度的监测信号（输入模拟量），同时输入给DCS系统和PLC系统；

2.煤气压力的监测信号（输入模拟量），同时输入给DCS系统和PLC系统；

3.煤气电动调节阀开度的控制信号（输出模拟量）；

4.煤气电动调节阀开度大小的状态信号（输入模拟量），同时输入给DCS系统和PLC系统；

5.一次风风机变频器的控制信号（输出模拟量）；

6.一次风风机变频器频率大小的状态信号（输入模拟量），同时输入给DCS系统和PLC系统；

7.二个煤气气动快速切断阀的控制信号（输出二个开关量）；

8.二个煤气气动快速切断阀反馈的状态信号（输入二个开关量），同时输入给DCS系统和PLC系统；

9.火焰状态的检测信号（输入一个开关量），同时输入给DCS系统和PLC系统

三设计原则及步骤

（一）原则：

1．安全可靠

对工业控制计算机系统最基本的要求是安全性和可靠性高。

在计算机控制系统的整个设计过程中，务必将安全可靠性放在首位。

首先要选用高性能的工业控制计算机或其它的主机模式，保证其在恶劣的工业现场环境下，仍能正常运行。

其次设计可靠的控制方案，并且具有各种安全保护措施，比如异常报警、事故预测、故障诊断与处理、安全联锁、不间断电源等功能。

再次控制系统要设计完善的抗干扰措施，硬件抗干扰措施有屏蔽、隔离、滤波和接地等，软件抗干扰方法有数字滤波、软件陷阱和看门狗技术等，另外还要考虑电源的抗干扰问题。

2．操作、维护与维修方便

操作方便表现在系统便于学习掌握、操作简单，而且画面显示直观。

维护、维修方便体现在易于查找故障、排除故障。

3．实时性强

实时性是计算机控制系统的重要指标之一，要求系统对内部和外部事件能及时地响应，并在规定的时间内做出相应的处理。

4．通用性好

在设计开发计算机控制系统时，应尽量采用积木式的模块化结构，便于以后系统稍做改动就能适应新的要求。

5．经济性高

经济性主要体现在两个方面：

一方面是系统的性能价格比要尽可能高，另一方面还要从提高产品质量与产量、节能降耗、减少污染、改善劳动条件等经济、社会效益各方面进行综合评估。

（二）步骤

1.系统设计与设备选型

（1）分析所控制的设备或系统。

PLC最主要的目的是控制外部系统。

这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。

（2）判断一下所要控制的设备或系统的输入输出点数是否符合可编程控制器的点数要求。

（选型要求）

　（3）判断一下所要控制的设备或系统的复杂程度，分析内存容量是否够。

　　2.I/O赋值（分配输入输出）

（1）将所要控制的设备或系统的输入信号进行赋值，与PLC的输入编号相对应。

（列表）

（2）将所要控制的设备或系统的输出信号进行赋值，与PLC的输出编号相对应。

（列表）

　　3.设计控制原理图

（1）设计出较完整的控制草图。

（2）编写控制程序。

　　（3）在达到控制目的的前提下尽量简化程序。

　　4.程序写入PLC

　　将你的程序写入可编程控制器。

　　5.编辑调试修改你的程序

（1）程序查错（逻辑及语法检查）

（2）在局部插入END，分段调试程序。

　　（3）整体运行调试

　　6.监视运行情况

　　在监视方式下，监视一下控制程序的每个动作是否正确。

如不正确返回步骤5，如果正确则作第七步。

　　7.运行程序（千万别忘记备份程序）

（三）总体方案

系统主要由PLC、变频器、助燃风机、传感器、仪表和触摸屏构成。

其中PLC与变频器间通信采用RS485方式，PLC与触摸屏间通信采用RS232方式。

1.电气控制主电路图

设计系统的主电路图如下图2.2所示，助燃风机处于变频运行状态时，可自动调节风机的转速。

变频器

图2.2主电路图

2.控制系统方案的设计

设计的燃烧控制系统将包括PLC控制系统、自动点火系统、温度检测系统、压力检测系统、火焰监测系统和变频调速系统。

结构图如下：

图2.3燃烧控制系统结构图

（1）自动控制系统的方案

图2.4燃烧自动控制系统方案框图

（2）工作原理

煤气混合燃烧生成的热量加热原料。

原料的温度有温度传感器检测，经过变送器把它们变换成统一的标准信号（如4～20mA的直流电流信号、1～5V的直流电压信号等），然后再送入模拟量输入模块将模拟信号转换成数字信号，控制器的CPU对此信号进行处理后，与给定的输入信号进行比较，其差值作为控制器的输入信号。

控制器对此信号进行运算处理后，控制变频器的相应动作，从而控制电动机的转