蒸汽锅炉控制系统改造.docx
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蒸汽锅炉控制系统改造
燃气锅炉改造方案
一、项目工程概述
厂内的3台3台WNS10-1.6-Q型10t/h燃气锅炉，由于年久失修、设备老化，系统运行不稳定，现对此三台锅炉进行升级改造。
本系统采用先进的西门子S7-300系列PLC对锅炉进行综合自动化设计。
系统改造后，锅炉控制系统具有远程实时过程控制与上位机联网功能，且较改造前的控制系统更加安全、稳定、先进、智能。
针对此项目所需进行改造的基本内容如下：
1）将原来配电柜内的SIEMENSS7-200PLC更换为SIEMENSCPU315-2DP/PN，并增加相应的输入、输出模块和相应电器元件；对现有的压力、流量、温度传感器（含蒸汽流量计）进行更换；同时，对现场的所有线路（动力电缆和控制线路）进行更换。
锅炉房现有电源柜保持不变。
2）人机界面更换为SIEMENS12寸触摸屏，对集中监控系统的硬件和软件进行升级改造，操作站显示器更换为23寸，监控软件采用IFIX5.0。
3）在3台锅炉的炉头部分分别增加一个水位摄像头，在中控室增加一台水位显示器，在水位显示器上能够显示3台锅炉的实时水位，并能自由切换。
4）用STEP7V5.5以上的版本对PLC的程序进行编写，编写的程序严谨、合理，安全、可靠，能够满足工艺要求，编写后的人机界面能够显示现场所有传感器的实时数据和燃烧机的重要参数，操作站显示器除能够显示现场所有传感器的实时数据及燃烧机的重要参数外还具有网页发布的功能，能够监控和显示地下室中控室网络节点的所有数据。
5）保留原辅机控制柜，不增加传感器件，通过增加以太网模块以此来和上位机进行通讯。
我公司是基于西门子PLC（ProgrammableLogicControl可编程逻辑控制器）对工业自控进行系统设计的技术性公司，针对现在锅炉控制的集中监控化，我公司开发出一套非常实用于锅炉的智能化控制的控制系统。
在满足用户实用性的同时，还能最大限度地进行能源的节约。
通过我方控制系统在实际的大量应用，使用户减少了人力的投入，加强了管理力度、减少了能源消耗，也增加了锅炉运行的稳定性，得到了用户对我公司产品的肯定。
二、项目的设计标准
我们在工程的设计及施工中遵循以下的标准：
Ø《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》
Ø《工业锅炉节能监测方法》GB/T15317--94
Ø《电气装置安装工程施工及验收规范》GBJ/232-90、92
Ø《锅炉房安全管理规则》
Ø《工业锅炉热工试验规范》GB10180
Ø《电气装置安装工程电气照明装置施工及验收规范》GB50259-96
Ø《工业锅炉热工试验规范》GB10180-88
Ø《电气装置安装工程盘及二次回路结线施工及验收规范》GB50171-92
Ø《锅炉压力容器安全监察规程》
三、项目的设计原则
在工程项目的设计中，我们会将以下的一些原则引入设计中，将工程做的高于需方要求的标准：
Ø系统设计应遵循“技术先进成熟、实时快速、安全可靠、经济实用、便于扩展、容易升级”的基本原则。
Ø采用先进、成熟的全开放、全分布系统结构，系统配置和设备选型便于硬件和功能的扩充，并适应工控技术发展迅速的特点，充分利用工控领域的先进技术，使系统性能达到国内一流水平，确保软、硬件安全可靠、长期连续运行的目标。
Ø系统应具有可靠性高，抗干扰性能强，可利用率高，可维护性好的特点。
Ø系统应具有高度可靠，不会因局部故障而影响现场设备的正常运行，而且系统的MTBF、MTTR及各项性能指标均达到或超过行业标准。
四、项目通讯方式的设计
智能设备如变频器等设备通过PROFIBUS-DP接口与主控制器连接，实现高精度的信息传输；其它如软启动器、流量检测、限位开关、电磁阀、压力检测、温度检测、液位检测等其它信号通过PLC采集到。
锅炉控制系统采用硬件连锁的方式进行工艺线的联动控制。
采用TCP/IP工业以太网与上位进行通讯，通讯模块由设备单机控制系统自带。
辅机设备只进行监控，通过增加通讯模块，采用TCP/IP工业以太网与上位进行通讯。
五、锅炉控制系统的特点与控制功能
5.5.1锅炉控制的整体设计
现场有三台蒸汽锅炉，针对单台锅炉来说，锅炉控制的整体设计如下图示所示：
5.5.2锅炉控制系统设计特点
我们对蒸汽锅炉控制系统进行如下的设计：
1）增加PLC的数字量和模拟量的输入及输出通道，控制三台锅炉控制系统的故障、压力、温度、液位等信号，同时预留业主需要的故障信号的硬件输入/输出点（DI采集通道和继电器输出通道）。
2）通过对三台锅炉控制系统的改造，使锅炉能够的自动启、停锅炉和手动启、停锅炉，通过增加信号传输模块，使系统能向集中监控系统提供启、停炉的过程时间和启、停炉动作的冷却时间。
当锅炉启动后，能进行自动负荷调节。
3）对每台锅炉增加触摸屏，通过对触摸屏进行组态，能够在触摸屏上实现手/自动的负荷调节，同时可以向集中监控系统提供数据。
4）通过对现场设备进行检测，将所有测点数据上传至锅炉集中监控系统和地下室中控，同时能在触摸屏上显示。
5）将锅炉控制作为一个整体对象控制：
按工艺流程的自动化过程由PLC系统协调完成，达到能量平衡；保障锅炉及辅助设备安全、可靠、高效运行和启停。
6）通过增加控制的智能化及节能化，提高系统运行的技术经济效益。
锅炉及辅助设备在额定参数上运行，使锅炉及辅助设备处于最佳运行工况；实现高自动化投入率，提高可靠性，减少误操作，降低事故率。
7）增加系统的实时处理能力和故障指示，完善的操作指导和事故分析手段。
通过检测锅炉、辅助设备的运行工况的参数，当运行工况出现异常时，一方面进行符合锅炉安规要求的安全控制，一方面报警并提示运行人员及时处理,有助于锅炉辅助设备的日常管理和事故分析。
8）通过触摸屏功能的合理化设计，快速准确地采集参数的数据显示、设备状态、报警、性能指示，为操作人员提供操作依据。
9）通过PLC控制器的实时监控，对锅炉安全做到保护功能、模拟量控制功能、锅炉燃烧控制及安全运行程序功能、锅炉检测调节功能等。
10）通过联网型模块使系统做到集中监控功能，并预留与能源控制中心和安防监控中心联网接口。
11）通过程序的合理化、缜密化设计，使锅炉具备水位保护、压力保护、温度保护等多种安全联锁保护及报警功能。
12）在触摸屏上能够显示设备的故障报警、超限报警画面，在出现故障时，故障报警信息自动弹出，并具有故障自诊断功能。
5.5.3锅炉系统控制方式及功能
根据标书的具体要求，我方在蒸汽锅炉的控制系统中遵循以下的一些控制方法，以便能使系统更加安全、稳定的工作：
1）控制系统具有手动、自动两种控制方式。
手动时，通过人手动进行控制；自动时，通过PLC进行自动的控制。
2）通过增加程控器，使PLC能够实现锅炉系统启动/停止、锅炉发生故障、紧急停炉等顺序控制要求。
3）在设计时，增加优先控制理念，使设备的硬联锁、保护指令具有最高优先级；其次手动指令比自动指令优先。
使被控设备的“启动”、“停止”或“开”、“关”指令互相闭锁，且使被控设备向安全方向动作。
4）增加系统联锁保护功能，通过联锁、联跳和保持跳闸功能来保证被控对象的安全。
机组的硬联锁及保护跳闸功能，包括紧急跳闸均采取硬接线连接。
5）为了增加系统工作的可靠性，风机、变频器/水泵、程控器、开关电源、触摸屏、轴流风扇、PLC、接触器线圈、报警器、门控灯分别由独立电源控制。
通过在电控柜内增加温度传感器，使轴流风扇受电控柜内温度控制其启动、停止，以此来延长轴流风机的寿命和保证配电柜内温度的正常。
5.5.4锅炉安全保护功能
根据具体要求和系统设计的合理性理念，我们在锅炉的控制中进行了安全保护功能的设计，通过这些完善的安全保护功能，系统能够安全、稳定地运行，具体安全保护功能如下所示：
1）锅炉低水位保护功能，并能够实现声光报警。
2）锅炉极低水位保护功能，并能够实现声光报警、停炉功能。
3）锅炉高水位保护功能，并能够实现声光报警。
4）锅炉超高蒸汽压力保护功能，并能够实现声光报警。
5）锅炉极高蒸汽压力保护功能，并能够实现停炉及有声光报警功能。
6）锅炉排烟温度超高报警，并能够做出声光报警提示。
7）锅炉故障熄火程序保护功能，并能够实现停炉及声光报警，待故障解除方可重新启炉。
8）增设UPS电源，做到断电保护功能。
9）通过检测器件，实时检测天燃气压力，当压力过低进行声光报警提示。
10）通过对控制系统的设计，满足手动／自动无扰动切换和重要参数的双重指示、总电压指示和鼓风、水泵电机电流指示等。
11）通过PLC进行实时检测运行参数，做到安全运行联锁保护，遇到问题实时切换。
12）通过对相关参数进行检测，实时监测阀门密封性保护功能。
13）对燃烧器内部器件进行检测，对火焰装置进行检测。
14）对鼓风机进行实时保护，遇到故障或紧急情况实现声光报警，联锁。
15）对给水泵变频器进行通讯检测，遇到故障进行故障报警，联锁
16）对现场温度、压力和水位传感器进行检测，遇到某个传感器故障报警后，对相应的设备进行联锁
17）能够实现断电参数记忆、保护功能
18）实现给水泵与锅炉高液位硬联锁。
19）实现给水泵与除氧水箱低液位硬联锁。
20）将所有空开、接触器状态进入PLC并能够将其状态上传至中控室。
5.5.5锅炉系统触摸屏设计功能
根据具体要求及锅炉控制系统的控制情况，触摸屏的设计要能够实时对现场进行监控，并能够对现场设备进行操作。
在参数的采集上，能快速准确地采集参数数据、设备状态、参数设置、报警、性能指示，为操作人员提供操作依据。
1）触摸屏模拟图部分设计
在触摸屏画面的设计中，工艺流程模拟图分为系统总览图、燃烧系统图、汽水系统图、烟气系统图、给水系统图等，模拟图显示锅炉及其辅机运行状态、各种变量数值、设备状态，处于报警的变量以变色、闪烁、自动弹出相关画面等方式显示，下面是触摸屏内模拟图所设计的内容：
a）锅炉运行方面：
Ø对系统故障能智能识别和实时处理，确保锅炉和燃烧器的安全可靠运行。
Ø风机状况，包括风机的运行、停止、故障状态
Ø给水泵变频器的实际电压、电流、温度、频率、故障信息等参数
Ø限位开关状态
Ø检测蒸汽压力
Ø检测锅炉炉膛水位
Ø检测蒸汽温度值
Ø检测给水温度
Ø检测尾烟温度
Ø检测蒸汽瞬时流量、累积流量
Ø检测锅炉给水瞬时流量、累积流量
Ø检测天燃气瞬时流量、累积流量
b）燃烧器部分：
Ø检测风压开关
Ø检测点火变压器
Ø检测点火阀
Ø检测主气阀1
Ø检测主气阀2
Ø检测火焰状态
Ø检测具有参数设与修改功能及画面
Ø检测锅炉准备条件就绪（程控器端子5）
2）触摸屏直方图部分设计
模拟量显示，PID棒图，显示模拟量控制回路工作状态和棒图，每个回路可进行手动/自动切换及上、下限报警。
设有温度、压力、水位棒图，可形象观查其变化。
3）电控柜内主要器件、系统网络及总线状态监视。
4）触摸屏工艺参数设计：
通过参数表,控制器显示及设定主要工艺参数和控制参数。
5）PID回路参数设定
授权人员可以在线修改回路控制的PID参数或手/自动状态等。
6）触摸屏趋势分析设计：
显示主要工艺参数的实时趋势图，如流量、压力、温度和水位等；
7）事件报警和系统响应设计
显示故障信息、报警分级，有助于车间检修人员及时掌握设备运行情况，及时地找出设备故障点，提高设备利用率。
8）触摸屏故障帮助设计：
当出现各种故障时，触摸屏出现红色故障小画面，画面上显示有故障来源及故障处理方法。
9）触摸屏密码认证设计
系统参数、运行参数及运行时间查询需输入密码，只有密码正确后，才能进入相应的功能模块。
10）Profibus-Dp网络诊断功能设计
能有效诊断Profibus-Dp网络内设备的故障状态。
11）触摸屏的其它功能
Ø手动／自动无扰动切换锅炉负荷运行方式，且对锅炉运行不造成影响，当压力超高时，声光报警；
Ø当蒸汽压力低于设定的下限时，锅炉自动启动。
当蒸汽压力高于上限值时，锅炉自动停止。
Ø燃烧器的负荷大小随压力的整定值自动变化为大火或小火。
5.5.6锅炉控制系统设计图纸
锅炉控制系统设计图纸见“十四设计图纸”。
六、锅炉控制系统关键技术的设计
5.6.1锅炉液位三冲量变频控制
锅炉液位的控制是锅炉控制的一个难点，锅炉水位的稳定是锅炉稳定运行的关键，水位不稳将会使锅炉频繁地停机，从而影响到供汽的稳定性，进而给用户造成费用上的增加和生产的不稳定。
锅炉液位控制反映给水量与供汽量的动态平衡，属于典型的串级加前馈控制方式。
给水流量作为副调回路，克服给水流量变化扰动；锅炉液位作为主调回路。
通过调节变频给水泵的频率，使锅炉液位处于合理的范围内。
针对锅炉液位的特点，我公司在系统的设计上采用变频补水的三冲量控制逻辑，三冲量内容为：
锅炉液位、蒸发量、给水量等三部分组成，通过合理的编程，使PLC控制给水泵的频率，使锅炉液位恒定在设定的水位范围。
在锅炉液位的设计中，给水流量作为内环随动控制，而气包液位作为外环校正控制，由蒸汽流量作前馈补偿及虚假水位补偿。
其调节原理如下图所示：
具体工作原理为：
当负荷增加时，蒸汽流量fD也增加，水位H下降，前馈补偿系数a0会抵消该部分的水位下降，同时由于气压的下降，出现了虚假水位的迅速上升，其负的微分前馈补偿环节使给水流量急剧减少，就能使水位的上升副度减少，给水流量fW扰动，通过内环PI调节使其稳定，外环的负反馈通过水位误差进一步修正PID调节的输入，并使水位H达到给定H0。
通过PID调节锅炉给水调节阀的开度，来控制给水量。
fD,fW——分别为蒸汽流量及给水流量的扰动;PI——PLC计算参数,GO1——给水流量的作用下,水位变化的传递函数;GF2——蒸汽流量扰动下水位变化的传递函数;αD,αW——分别为蒸汽流量及给水流量的分流系数;H0——水位给定信号。
锅炉液位三冲量设计的好处：
1）通过水泵变频调速实现连续稳定供水，使水位保持合适的范围之内，锅炉运行更平稳。
2）软启动、软停止，没有启动冲击电流，水泵寿命大大延长。
3）变频节能，节约锅炉运行成本。
4）手动/自动自由切换，调节更方便，运行更可靠。
5）全电脑控制，控制性能更优越，功能更完善。
5.6.2锅炉燃烧顺序控制设计
为了保证控制蒸汽锅炉按照安全规范启动设备、停止设备，系统引入顺序控制的方法。
在遇到异常情况发生时，能够及时报警，当达到连锁保护值时，启动相应的连锁保护停止设备运行，未在连锁保护范围内的异常情况时，操作人员视其情节严重，可作相应的处理，以保证锅炉安全生产。
根据燃烧器运行的程序，具体可以将其分为五个部分，这几个部分是一个串行的控制逻辑，具体内容如下所示：
1）准备程序
燃烧器运行前，首先必须进行炉膛吹扫。
炉膛吹扫时开启鼓风设备进行吹扫。
2）点火程序
系统吹扫完毕后，燃烧器进入点火程序，点火子程序为前吹扫——打火——点辅火——点主火——火焰控制。
3）连锁运行
当系统点火成功后，燃烧器进入火焰调节。
系统的控制目标是保证蒸汽压力满足负荷的要求；系统的控制对象是燃烧器的进风量和进气量。
系统采集蒸汽压力信号，同时设定期望值，通过PID算法，使得系统实时连续调节燃烧器的进风量和进气量。
4）停炉程序
当系统停炉时，关闭切断燃料供给，进行后吹扫，最后进行燃烧器复位。
5.6.3锅炉蒸汽压力和燃烧控制
锅炉蒸汽压力通过调节燃气调节阀门开度、配风等参数实现控制要求，所以在构建蒸汽压力-燃烧控制方案时，将压力检测值和设定值经过比较，其偏差作为控制器的输入信号，控制器进行P、I、D运算后，输出控制信号去调节燃气的开度。
为了温度的稳定，系统引入蒸汽流量作为前馈信号，更为及时操纵燃气调节阀和鼓风机。
压力低就会加大调节阀门开度，高则减少调节阀门开度。
稳定运行时，总风量调节采用以主汽压力PID输出值做比例控制，如有必要引入风温、风压补偿等。
燃烧控制算法带有人工指导功能，用户可以指设定从点火到满负荷的时间，因此，在不同的压力状态下，一旦用户输入了起动满负荷的时间要求，燃烧控制软件将根据实际的蒸汽压力进行负荷的控制，在差距较大的情况下，采用全开式燃烧，在接近满负荷状态，智能化软件根据动态的PID参数对燃烧风门进行调节，保证满负荷状态的平稳到达，减少超调，以到达最佳的控制效果，完全满足不同温度状态下从起动到满负荷的时间要求。
5.6.4锅炉燃烧器设备控制
锅炉在燃烧时遵循一定的顺序，这个顺序的控制是通过程控器进行控制的。
每一个步骤都有自己的运行条件，具体内容如下所示：
1）准备阶段。
a）检测所有的阀门，燃气时关闭所有调节阀门。
b）通过检测检查火焰检测信号，判断是否处于“未着火”状态，否则有火焰检测器故障报警。
c）检查风压开关的常开触点应处于断开状态，否则即是压力检测开关有故障。
d）对燃气的供气压力（高压、低压）进行判断。
如不符合要求则则停止燃烧启动程序并报警。
2）燃气时检漏阶段
通过DSLC气密封试验控制器分别对两种燃气的切断阀门进行密封性能检测，如未达到预定要求，则停止燃烧装置的运行并报警。
3）前吹扫阶段
a）检漏通过后即进入前吹扫阶段：
b）鼓风机送电。
延时10秒，检查风压有未建立（风压检测开关常开触点应闭合）。
有风压则进入下一步；无风压，报警停机。
c）风门蝶阀伺服执行器开至最大位置吹扫时间约40秒，关小风门至点火位置（全关）。
4）点火阶段
a）控制器使点火变压器得电，开始高压点火。
5秒钟后控制器打开主气阀（主燃油阀）和点火气阀（点火油阀）。
如在安全时间段（3秒）内，点火枪火焰稳定形成，则关闭点火变压器进入下一步骤，否则报警点火失败。
b）第一次点火报警后30秒自动进行第二次点火，如第二次点火失败即锁定报警。
5）正常工作阶段
a）点火成功后延时5秒钟，相应燃料的主阀打开，而后风门调节阀逐渐开大，相应燃料的调节阀同步开大至小火位置，保持燃烧10秒钟。
b）根据锅炉的负荷要求自动调整燃料调节阀和风门调节阀。
c）根据燃料调节阀的开度，通过不同燃料的热值折算，计算出空气调节阀的开度。
d）风门调节阀和燃料调节阀的动作次序为：
加负荷时，先加风后加燃料；减负荷时，先减燃料后减风。
6）停机
a）运行中遇到熄火，燃料压力异常，风压异常等故障时，所有燃料阀均应关闭，切断燃料供应并报警。
b）得到停炉指令，所有燃料阀均应关闭，切断燃料供应。
c）风机继续运行10秒左右，执行后吹扫程序吹尽炉膛余气，最后停机。
七、集中监控系统的特点和控制功能
5.7.1集中监控系统整体设计
集中监控系统需要和三台蒸汽锅炉进行TCP/IP方式的通讯，监控锅炉的运行参数，并且还要和辅机系统进行通讯，监控辅机的运行参数，系统的整体设计如下图示：
5.7.2集中监控系统设计特点及功能
针对标书的具体要求，我公司对集中监控系统的设计包括3台蒸汽锅炉的监控，并能对锅炉液位进行视频监控，及时进行现场查看。
通过对接收到的现场数据进行处理，生成曲线和报表，以方便对实时数据和历史数据进行分析。
现将集中监控系统的监控进行如下的设计：
1）监控软件采用IFIX5.1（开发版）。
2）PLC传送数据到集中监控系统。
3）监控通讯：
控制系统之间采用TCP/IP协议以太网方式连接。
传输介质为屏蔽双绞线。
通讯速率10/100Mb.
4）画面监控：
满足集中控制的需要，实现监控计算机对锅炉系统控制和监控。
5）具有动态监控模拟画面及相关实时数据及参数设定、修改、显示功能。
6）对锅炉本体的监控。
a）3台锅炉的蒸汽压力、蒸汽温度、蒸汽流量、给水温度、给水流量、尾烟温度、天然气流量、锅炉水位，燃汽比，以及给水泵变频器的实际电压、电流、温度、频率、故障信息等参数；
b）3台锅炉燃烧机的状态：
风机启动/停止、风压开关、点火变压器、点火阀、主气阀1、主气阀2、火焰状态、锅炉启动的安全条件是否就绪等状态。
5.7.3监控中心其他监控功能
1）运行趋势：
具有重要参数的实时趋势和历史曲线显示画面及打印功能。
2）报警输出：
在各设备出现故障或超限等报警时，自动弹出具体故障报警画面信息（报警信息具体到部位），并自动发出声光报警，保存故障报警记录，对故障报警具有自诊断区分功能；
3）记录查询：
具有所有记录的查询功能（如设备的开启/停止时间、何时故障停机及故障原因、不同用户的登入退出等）；
4）用户管理：
具有对各级别用户权限管理功能，不同用户具有不同权限（浏览、操作、管理员等），提高系统安全性；
5）报表制作：
具有用水、天燃气和蒸汽等能源报表，制作日报表、月报表、年报表和自由报表表，报表打印输出和EXCEL输出。
6）资料提供：
投标方以光盘形式提供控制程序、网络程序、数据采集程序、操作终端程序等源程序，并提供相应符号表及触摸屏开发软件。
7）网页发布：
具有网页发布功能，能够与动力站房中控室实现以太网通讯。
8）第三方厂商的接口和界面划分:
从锅炉控制系统的整体性考虑，由投标方提供全部集中监控所需数据、数据说明及监控画面内容。
对于锅炉设备控制系统，必须能够接收管理中心通过网络发布的各种生产信息及其它要求集中设置的控制参数。
预留与能源控制中心和安防监控中心联网接口。
5.7.4锅炉辅机的监控
锅炉辅机设备通过增加以太网通讯模块，和上位机进行通讯，不需要增加另外的传感器器件。
1）除氧水箱水位
2）软化水箱水位
3）1#烟囱出口温度
4）2#烟囱出口温度
5）3#烟囱出口温度
6）1#烟囱出口压力
7）2#烟囱出口压力
8）3#烟囱出口压力
9）换热器入口压力
10）换热器出口压力
11）排污温度
12）循环泵频率
13）除氧水箱温度
14）回水温度
以上是需要监控的参数，通过这些参数的检测，可以全面掌握辅机的运行状况，并且在上位机上，能够进行报警限设定，曲线显示、报表打印、数据输出等信息的操作。
5.7.5上位机监控界面设计
针对蒸汽锅炉的要求进行了如下的设计：
1）整体系统图
2）单台锅炉的控制界面：
3）给水泵操作界面：
4）实时曲线界面：
5）历史曲线界面：
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