基于PLC的火電廠鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

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1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）內(nèi)蒙古科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）題 目：基于PLC的火電廠鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：0967112311專 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí)：測(cè)控09-3班指導(dǎo)教師： 基于PLC的火電廠鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要火電廠鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的必要?jiǎng)恿υO(shè)備，鍋爐系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行是火電廠的重要任務(wù)。鍋爐存在熱效率低，燃煤質(zhì)量不穩(wěn)定，排煙溫度高等問(wèn)題，利用PLC對(duì)鍋爐進(jìn)行過(guò)程控制是火電廠鍋爐控制領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)爐膛溫度、爐膛壓力、汽包液位及過(guò)熱器溫度的分析，以PLC為控制器、采用PID算法、運(yùn)用STEP7Micro/WIN進(jìn)行

2、梯形圖編程，分別設(shè)計(jì)了爐膛溫度串級(jí)控制方案、流量比值控制方案，爐壓前饋反饋控制方案，汽包水位三沖量控制方案和過(guò)熱器串級(jí)控制方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制。最后利用人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了密碼登陸，畫(huà)面動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)據(jù)報(bào)表的預(yù)覽、打印、保存、刷新和調(diào)入查詢，曲線的更新，畫(huà)面報(bào)警等功能，可達(dá)到鍋爐控制系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。關(guān)鍵詞：鍋爐；PLC；組態(tài)王The Boiler Control System of Thermal Power Plant Based on PLCAbstractThe boiler of thermal power plant is the necessary powe

3、r equipment during the industrial production, boiler system security, stability and efficient operation of power plants is an important task. But boiler thermal efficiency is low; the coal quality is not stable, exhaust temperature is higher, so the boiler process control is an important research fi

4、eld of thermal power plant boiler control using PLC.Through the analysis of the furnace temperature, furnace pressure, drum level and superheater temperature, the design takes PLC as controller, and uses PID algorithm, completes programming through STEP7 - Micro/WIN ladder diagram. the temperature c

5、ascade control scheme, the pressure feedforwardfeedback control scheme and the ratio control scheme of the furnace are designed , three impulses control scheme of the drum level and cascade control scheme of superheater are designed too, finally each control system can be run automatically . The int

6、eractive interface is designed using the King view software, finally using a password to land is achieved, screen can show ceaselessly, data report preview, print, save, refresh and transferred to the query is completed ,the curve and alarm screen etc can be updated timely. Finally boiler control sy

7、stem can achieve security, stability and efficient operation.Keywords : Boiler ；PLC；Kingview目 錄摘 要IIAbstractIII第一章 緒 論11.1火電廠鍋爐的發(fā)展現(xiàn)狀11.2研究目的及意義1第二章 火電廠鍋爐生產(chǎn)工藝32.1鍋爐的組成和分類32.2鍋爐的工藝流程簡(jiǎn)介4第三章 火電廠鍋爐控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)73.1 控制方案的選擇73.2 基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)73.3鍋爐控制過(guò)程83.3.1爐膛溫度控制系統(tǒng)93.3.2汽包液位控制系統(tǒng)93.3.3過(guò)熱器溫度控制系統(tǒng)113.3.4爐膛負(fù)壓

8、控制系統(tǒng)124.1傳感器選型144.2執(zhí)行器選型174.3調(diào)節(jié)器選型18第五章 控制系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)205.1西門(mén)子S7-200可編程控制器概述205.2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案215.3下位機(jī)PLC的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程225.3.1 I/0分配225.3.2 硬件配置及連接圖235.4 STEP7概述及S7-200程序流程設(shè)計(jì)245.5程序編寫(xiě)及分析31第六章 控制系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)336.1 組態(tài)王軟件概述336.2鍋爐控制系統(tǒng)組態(tài)過(guò)程336.2.1 定義外部設(shè)備和變量336.2.2創(chuàng)建組態(tài)畫(huà)面346.2.3 動(dòng)畫(huà)連接356.3 組態(tài)畫(huà)面顯示366.3.1 初始值設(shè)定366.3.2 實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線顯示

9、376.3.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表和實(shí)時(shí)報(bào)表查詢386.3.4歷史數(shù)據(jù)報(bào)表查詢406.3.5報(bào)警畫(huà)面406.3.6用戶登陸畫(huà)面41總 結(jié)43參考文獻(xiàn)44附錄A：組態(tài)王命令語(yǔ)言46附錄B：PLC控制程序50附錄C：鍋爐控制系統(tǒng)流程圖63致 謝6465第一章 緒 論1.1火電廠鍋爐的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)是目前世界鍋爐生產(chǎn)和使用最多的國(guó)家，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，采用清潔燃料和潔凈燃燒技術(shù)的高效、低污染、節(jié)能工業(yè)鍋爐必將成為鍋爐發(fā)展的大趨勢(shì)。15年來(lái)，我國(guó)鍋爐的年產(chǎn)量一直穩(wěn)定在710萬(wàn)蒸噸之間，可是行業(yè)規(guī)模卻從當(dāng)初的551家企業(yè)發(fā)展到969家，并且增加的企業(yè)大多數(shù)規(guī)模很小，但這些企業(yè)在鍋爐行業(yè)中占到3/4以上，不得不說(shuō)這

10、是一種畸形發(fā)展。由于鍋爐制造廠家太多，導(dǎo)致產(chǎn)品雷同率太大，沒(méi)有形成規(guī)模生產(chǎn)。在千余家鍋爐企業(yè)中具有自行設(shè)計(jì)能力的廠家僅百家左右，許多小型企業(yè)存在很多問(wèn)題、步履維艱，從而轉(zhuǎn)產(chǎn)或倒閉。受各種因素的影響，十年來(lái)鍋爐產(chǎn)品出現(xiàn)了一些新的變化，小容量鍋爐的數(shù)量減少了1/2，大容量鍋爐增加了1倍多，且燃煤鍋爐占的比例開(kāi)始下降。在滿足工藝要求的前提下，為了提高工業(yè)鍋爐熱效率，降低能源消耗，把工人從繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)，促進(jìn)文明生產(chǎn)，鍋爐實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制是一個(gè)急待解決的問(wèn)題。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)一臺(tái)10Th的工業(yè)鍋爐，效率如果能提高1，每年大約就可以省煤200噸，經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。又如對(duì)燃煤鍋爐設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)行自動(dòng)

11、控制，即在不需人工干預(yù)的情況下，隨時(shí)調(diào)整給水量、送風(fēng)量及引風(fēng)量、燃料量維持水位、蒸汽溫度、蒸汽壓力及爐膛負(fù)壓的恒定，就有希望將鍋爐的熱效率提高5以上。另外，倘若鍋爐達(dá)到經(jīng)濟(jì)燃燒狀態(tài)，還能夠減少煙氣中的含塵量，減少污染。1.2研究目的及意義工業(yè)鍋爐是重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)鍋爐實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制具有非常重要的意義。目前我國(guó)在用燃煤鍋爐的煤炭消耗約占煤炭消耗總量的四分之一。且在用鍋爐大多為使用年限較長(zhǎng)的老舊鍋爐，污染重，效率低，節(jié)能潛力巨大。問(wèn)題主要表現(xiàn)在以幾個(gè)方面1、熱效率低，能源得不到有效利用。2、鍋爐老舊，自控水平低，影響燃燒效率。3、煤質(zhì)不穩(wěn)定，影響鍋爐出力

12、。4、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，結(jié)水垢嚴(yán)重，影響效率。5、缺乏熟練的操作人員。6、污染物排放控制不好，污染嚴(yán)重。7、節(jié)能監(jiān)管不到位。在我國(guó)除了少數(shù)鍋爐采用了先進(jìn)的控制技術(shù)，大本分鍋爐還停留在使用儀表和繼電器進(jìn)行控制，因此鍋爐控制系統(tǒng)的改造具有良好的市場(chǎng)發(fā)展空間和投資前景，值得廣泛關(guān)注。它不僅能通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，還能節(jié)煤節(jié)電并使排放更環(huán)保，總之鍋爐的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制是鍋爐發(fā)展的大趨勢(shì)，也是利國(guó)利民的發(fā)展方向。 鍋爐控制系統(tǒng)作為一種重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)要求的提高，現(xiàn)在的工廠越來(lái)越多地使用自動(dòng)化程度更高的鍋爐控制系統(tǒng)，而PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、體積小、可靠性高、維護(hù)方便、

13、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在鍋爐控制系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文主要介紹火電廠中基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)控制器采用西門(mén)子公司的S7-200，上位機(jī)采用研華工業(yè)計(jì)算機(jī)，在組態(tài)王畫(huà)面上對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控、保證各個(gè)變量在控制要求內(nèi)，使生產(chǎn)安全、高效運(yùn)行。自上世紀(jì)80年代至90年代中期開(kāi)始，PLC得到了飛速發(fā)展，在這時(shí)期，PLC在模擬量處理、數(shù)字運(yùn)算、人機(jī)接口和網(wǎng)絡(luò)等方面的能力得到了大大提高。PLC漸漸進(jìn)入到過(guò)程控制領(lǐng)域，在一定程度上取代了DCS系統(tǒng)在過(guò)控領(lǐng)域的統(tǒng)治地位。由于PLC具有通用性強(qiáng)、適應(yīng)面廣、可靠性高、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。PLC在自動(dòng)控制尤其是順序控制中的地位，在可預(yù)

14、見(jiàn)的將來(lái)，必將是無(wú)法取代的。第二章 火電廠鍋爐生產(chǎn)工藝火電廠包括三大系統(tǒng)，分別是燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)?；痣姀S發(fā)電實(shí)質(zhì)就是能量的轉(zhuǎn)換，燃料的化學(xué)能蒸汽熱能機(jī)械能電能，由鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)三大主機(jī)控制。2.1鍋爐的組成和分類鍋爐是一種熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備，主要由鍋爐本體和輔助設(shè)備組成，鍋爐的本體包括汽鍋、爐子和安全附件。汽鍋是鍋爐的汽水系統(tǒng)，高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)受熱面，將熱量傳遞給汽包內(nèi)的溫度較低的水，水被加熱沸騰、汽化蒸發(fā)。汽水系統(tǒng)由預(yù)熱設(shè)備（省煤器）、汽化設(shè)備（由汽包、水冷壁、聯(lián)箱、下降管和連接管組成）和過(guò)熱設(shè)備（過(guò)熱器和再熱器）組成。省煤器作用：吸收煙氣熱量、節(jié)約燃料，預(yù)熱給水、減少給水在水冷壁上

15、的吸熱量，提高給水溫度、減小與汽包壁的溫差。下降管作用：將汽包內(nèi)的水通過(guò)聯(lián)箱供給水冷壁。過(guò)熱器作用：將飽和蒸汽變成能夠滿足工藝要求的過(guò)熱蒸汽。爐子是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成汽包內(nèi)水分蒸發(fā)的熱能。包括燃燒設(shè)備（爐膛、點(diǎn)火裝置和燃燒器組成）、空氣預(yù)熱器和煙道。燃燒設(shè)備將煤粉和空氣按一定比例混合，保證煤粉穩(wěn)定、迅速著火與充分燃燒。（1）燃燒設(shè)備燃燒器作用：將一次風(fēng)（攜帶煤粉）和二次風(fēng)（助燃）送進(jìn)爐膛，組織具有一定結(jié)構(gòu)的氣流使煤粉穩(wěn)定、迅速著火，使空氣和煤粉合理混合，保證煤粉的完全燃燒。分為旋流燃燒器和直流燃燒器。點(diǎn)火裝置：在鍋爐啟動(dòng)后點(diǎn)燃煤粉氣流，當(dāng)燃燒劣質(zhì)煤粉或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，使系統(tǒng)穩(wěn)定

16、燃燒或作為燃燒的輔助設(shè)備。爐膛：煤粉燃燒的燃燒室。（2）風(fēng)煙系統(tǒng)通風(fēng)的任務(wù)：提供鍋爐燃燒需要的空氣并把燃燒產(chǎn)生的煙氣排出，保證正常燃燒。通風(fēng)方式：包括自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)。自然通風(fēng)指利用煙道中的熱煙氣與外界的冷空氣的密度差形成的通風(fēng)力進(jìn)行通風(fēng)。機(jī)械通風(fēng)是利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生壓力，使煙氣和空氣在風(fēng)煙系統(tǒng)中流動(dòng)。目前主要有三種通風(fēng)方式即負(fù)壓通風(fēng)、平衡通風(fēng)和正壓通風(fēng)。由于自然通風(fēng)只能克服較小流動(dòng)阻力，而電廠鍋爐的流動(dòng)阻力很大，所以電廠鍋爐常采用機(jī)械通風(fēng)。（3）空氣預(yù)熱器空氣預(yù)熱器有回旋式和管式兩種結(jié)構(gòu)?；匦筋A(yù)熱器是煙氣將熱量傳遞給金屬，金屬再將熱量傳遞給空氣，管式預(yù)熱器是熱量直接由煙氣連續(xù)不斷地傳遞給空氣，

17、煙氣和空氣各有各的通道?？諝忸A(yù)熱器的作用：降低煙氣溫度、節(jié)省燃料，改善燃燒條件、降低燃燒損失，節(jié)約金屬、降低造價(jià)。安全附件包括溫度計(jì)、水位計(jì)、調(diào)節(jié)閥和壓力表等。輔助設(shè)備包括給水泵、磨煤機(jī)、給煤機(jī)、送風(fēng)機(jī)、除塵器和碎渣機(jī)等。鍋爐的分類方法很多一般按功能、燃燒方式、出口介質(zhì)壓力和容量大小進(jìn)行分類。按照功能分為：開(kāi)水鍋爐、蒸汽鍋爐、熱水鍋爐、熱風(fēng)鍋爐和導(dǎo)熱油鍋爐。按燃燒方式分為：沸騰爐、層燃爐和室式爐。室燃爐所用的燃料可是固體燃料、液體燃料和氣體燃料。層燃爐和沸騰爐的燃料只能是固體燃料。按出口蒸汽壓力分為：低壓、高壓、超高壓、亞臨界壓力、超臨界壓力和超超臨界壓力。按容量大小可分為：小型鍋爐、中型鍋爐

18、和大型鍋爐。蒸汽鍋爐一般分為：燃煤蒸汽鍋爐、燃油蒸汽鍋爐、燃?xì)庹羝仩t及點(diǎn)蒸汽鍋爐1。從資源、功能和高效考慮，我們選擇室式燃煤蒸汽鍋爐作為火電廠熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備。2.2鍋爐的工藝流程簡(jiǎn)介鍋爐的工作過(guò)程包括燃料燃燒過(guò)程、爐與汽包的傳熱過(guò)程、水的加熱蒸發(fā)過(guò)程。燃燒過(guò)程必須具備以下條件：1）高溫環(huán)境2）煤粉和空氣良好混合3）煙氣和灰渣的排放傳熱過(guò)程一般有三種形式：輻射、輻射和對(duì)流、對(duì)流，主要以輻射為主。水的加熱和蒸發(fā)過(guò)程包括給水、水循環(huán)和汽水分離三個(gè)步驟。汽水系統(tǒng)工作過(guò)程：給水經(jīng)軟化、除氧后進(jìn)入省煤器，不斷吸熱，溫度升高成為飽和水，經(jīng)過(guò)水冷壁吸收爐子輻射出的熱量變成飽和蒸汽，飽和蒸汽經(jīng)汽包進(jìn)入到過(guò)熱器，

19、變成具有一定工藝參數(shù)的過(guò)熱蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)做功，如圖1.1所示。過(guò)熱蒸汽除氧器補(bǔ)給水生水低壓加熱器高壓加熱器排氣凝結(jié)水凝結(jié)水泵汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)過(guò)熱器鍋爐省煤器鍋爐給水給水泵水處理設(shè)備循環(huán)水泵冷卻水凝汽器(軟化)圖1.1汽包系統(tǒng)流程圖爐子的工作過(guò)程：原煤經(jīng)磨煤機(jī)后變成煤粉，外界冷的空氣由送風(fēng)機(jī)送入空氣管道，經(jīng)空氣預(yù)熱器后成為熱空氣，在制粉過(guò)程中需要一部分熱空氣對(duì)煤進(jìn)行干燥處理，其余熱空氣直接與煤粉成一定比例進(jìn)入爐膛參與燃燒。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)省煤器、空氣預(yù)熱器和再熱器后經(jīng)除塵器出去飛灰后，經(jīng)引風(fēng)機(jī)排放到大氣中。而燃燒產(chǎn)生的灰粒沉落到爐膛底部冷灰斗中，經(jīng)冷卻凝固后排出，如圖1.2所示。送風(fēng)機(jī)磨煤機(jī)熱

20、空氣空氣預(yù)熱器煤斗煤輸煤皮帶排粉風(fēng)機(jī)煤粉鍋爐爐渣沖灰水除塵器引風(fēng)機(jī)灰渣泵細(xì)灰熱空氣冷空氣煙氣經(jīng)煙囪排向大氣至灰場(chǎng)自輸煤系統(tǒng)圖1.2燃燒系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)鍋爐控制系統(tǒng)必須考慮鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性。（1）鍋爐的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)1受熱面的蒸發(fā)率：每平方米受熱面一小時(shí)生產(chǎn)的蒸汽量，單位Kg/m2h。鍋爐的效率：用于產(chǎn)生加熱水和蒸汽所用的熱量Q1與每小時(shí)送入爐膛燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量Qr之比，用符號(hào)%表示。 （2.1）2 鍋爐的凈效率：除了鍋爐機(jī)組運(yùn)行消耗的能量之后的鍋爐效率 （2.2）3 汽煤比：一噸煤燃燒所能產(chǎn)生的蒸汽量，由于不同鍋爐對(duì)蒸汽的質(zhì)量要求不一樣，所以不同鍋爐的汽煤比不具有可比性。（2）鍋爐的安全性指

21、標(biāo)鍋爐連續(xù)運(yùn)行的小時(shí)數(shù)：鍋爐兩次被迫停止運(yùn)行的時(shí)間間隔。鍋爐可用率：統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)，鍋爐運(yùn)行的總小時(shí)數(shù)和鍋爐的總備用小時(shí)數(shù)之和與統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)總小時(shí)數(shù)之比2。第三章 火電廠鍋爐控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)3.1 控制方案的選擇火電廠鍋爐的控制系統(tǒng)有三種方案（1）基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)（2）基于Labview的控制系統(tǒng) （3）基于PLC和組態(tài)王的控制系統(tǒng)單片機(jī)偏電子，適用于無(wú)線控制領(lǐng)域和中小型控制領(lǐng)域，以其重量輕、功能強(qiáng)、功耗小和安全性高等特點(diǎn)，在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用，但是由于其可靠性和自身保護(hù)性較PLC差，而且抗干擾能力及穩(wěn)定性都不及PLC,所以單片機(jī)一般只適合應(yīng)用在控制要求不高的場(chǎng)合。虛擬儀器與單片機(jī)相比

22、，不僅省掉了單片機(jī)通信電路和轉(zhuǎn)換電路，控制精度較高、開(kāi)發(fā)周期短，而且采用Labview編程簡(jiǎn)單、調(diào)試方便，采用虛擬儀器控制方法效率高、性能好，但是由于其編程語(yǔ)言是圖形化的，所以修改起來(lái)十分麻煩。與單片機(jī)和虛擬儀器相比，PLC不僅可靠性和自動(dòng)化程度高，抗干擾能力強(qiáng)，而且程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，除了能夠完成簡(jiǎn)單的邏輯控制，還可以通過(guò)功能模塊和功能指令完成復(fù)雜的模擬量控制，對(duì)操作人員的要求較低，應(yīng)用在控制要求較高的大中型設(shè)備中。綜合考慮火電廠鍋爐控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用基于PLC的火電廠鍋爐控制方案。3.2 基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)的上位機(jī)是一臺(tái)工控計(jì)算機(jī)，下位機(jī)是西門(mén)子S7-2

23、00可編程控制器，上位機(jī)通過(guò)傳感器獲得鍋爐各個(gè)參數(shù)的當(dāng)前值，通過(guò)組態(tài)王監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐當(dāng)前情況的監(jiān)控、報(bào)警等功能，下位機(jī)PLC通過(guò)控制變頻器或者閥門(mén)開(kāi)度完成對(duì)控制變量煤粉流量、給水流量、給風(fēng)量、引風(fēng)量的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過(guò)程、爐膛壓力、汽包水位和過(guò)熱器溫度的控制。系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)原理圖如圖3.1所示。圖3.1鍋爐控制系統(tǒng)原理圖3.3鍋爐控制過(guò)程鍋爐控制過(guò)程主要包括爐膛溫度控制、汽包水位控制、爐膛壓力控制、過(guò)熱器溫度控制。鍋爐控制系統(tǒng)控制流程圖如圖3.2所示。圖3.2鍋爐控制系統(tǒng)流程圖汽包水位控制系統(tǒng)：維持汽包物料平衡，使給水量與蒸發(fā)量相適應(yīng)，使汽包水位在控制要求范圍內(nèi)。燃燒控制系統(tǒng)：包括爐膛

24、溫度控制系統(tǒng)和爐壓控制系統(tǒng)，空氣流量和煤粉流量按一定比例混合燃燒，保證爐膛溫度和蒸汽負(fù)荷要求，同時(shí)使引風(fēng)量和送風(fēng)量相適應(yīng)，維持爐壓在控制要求范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)燃燒經(jīng)濟(jì)性和安全性。過(guò)熱器溫度控制系統(tǒng)：使過(guò)熱器出口蒸汽溫度在允許范圍內(nèi)，滿足生產(chǎn)工藝的要求3。3.3.1爐膛溫度控制系統(tǒng)由于爐溫控制過(guò)程具有大慣性、多擾動(dòng)和非線性的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用爐溫和煤粉串級(jí)控制的方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。為了更好地控制燃燒過(guò)程參數(shù)，提高燃燒效率，必須設(shè)計(jì)合理有效的控制系統(tǒng)對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行精確的控制，燃燒過(guò)程采用空氣和煤粉的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。爐溫控制系統(tǒng)框圖如圖3.3所示。圖3.3爐溫控制系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)以爐膛溫度控制和煤

25、粉流量控制構(gòu)成串級(jí)回路，其中的溫度控制為主環(huán)，煤粉流量控制為副環(huán)，爐膛實(shí)際測(cè)得的溫度作為反饋信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行較得出偏差，溫度調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差信號(hào)對(duì)煤粉流量進(jìn)行控制，這樣外環(huán)溫控回路根據(jù)爐溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，內(nèi)環(huán)可以快速相應(yīng)溫度變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的精確控制。3.3.2汽包液位控制系統(tǒng)汽包液位是鍋爐正常運(yùn)行的重要控制參數(shù)之一，也是生產(chǎn)過(guò)程的重要工藝指標(biāo)，汽包水位過(guò)高會(huì)導(dǎo)致汽包上部空間減小，影響其中的汽、水分離，蒸汽會(huì)出現(xiàn)帶液現(xiàn)象，這種情況不僅降低了蒸汽質(zhì)量和產(chǎn)量，還會(huì)導(dǎo)致蒸汽結(jié)垢或者損壞汽輪機(jī)葉片。而汽包液位過(guò)低輕則影響汽、水平衡，重則會(huì)出現(xiàn)干鍋現(xiàn)象，有可能導(dǎo)致鍋爐爆炸。由于蒸汽負(fù)荷和給水壓力變化大、不穩(wěn)定，

26、導(dǎo)致給水流量發(fā)生較大變化，從而影響汽包水位。蒸汽用量突然加大時(shí)，蒸汽壓力會(huì)瞬間下降，水沸騰加劇，汽包水的表面和底部汽泡量會(huì)迅速增加，由于汽包的體積比水的體積大很多倍，會(huì)出現(xiàn)汽包水位升高的假象?？墒沁@種假象仍會(huì)被簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)當(dāng)成真正的水位去處理，錯(cuò)誤地減小給水流量。反之，當(dāng)蒸汽用量突然減少時(shí)，會(huì)出現(xiàn)水位下降的假象，而液位控制器分辨不清真、假現(xiàn)象，錯(cuò)位地進(jìn)行開(kāi)大給水閥門(mén)，影響鍋爐正常的運(yùn)行。如果我們能夠把主干擾蒸汽流量和給水流量這兩種干擾因素同時(shí)引入到控制系統(tǒng)，那么鍋爐汽包液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)就能夠克服這種假水位的現(xiàn)象，由于有三個(gè)信號(hào)作用于控制系統(tǒng)，所以稱為三沖量控制系統(tǒng)4。該系統(tǒng)的控制框圖如圖3.4所

27、示。圖3.4汽包水位控制系統(tǒng)框圖從原理框圖可知，汽包液位是主沖量，給水流量和蒸汽流量是兩個(gè)輔助沖量，實(shí)際上就是一個(gè)前饋加反饋的三沖量串級(jí)控制系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)虛假水位時(shí)，蒸汽用量增加時(shí)，主調(diào)節(jié)器（正作用、選用氣閉閥）的輸出信號(hào)減小，而蒸汽流量信號(hào)不經(jīng)過(guò)主調(diào)節(jié)器，直接傳遞給副調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器的輸出減小，給水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度增大，從而消除虛假水位。當(dāng)蒸汽流量不變給水流量發(fā)生較大的波動(dòng)時(shí)，給水流量作為反饋值通過(guò)副調(diào)節(jié)器控制給水調(diào)節(jié)閥，直至恢復(fù)到需要的數(shù)值為止5。主調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定值和反饋信號(hào)的偏差產(chǎn)生動(dòng)作，而副回路抗干擾能力很強(qiáng)，可以及時(shí)克服來(lái)自水流量方面的干擾，從而提高液位控制精度，通常情況下蒸汽信號(hào)和水流量

28、信號(hào)作用相反，當(dāng)出現(xiàn)假水位情況，蒸汽信號(hào)會(huì)起到補(bǔ)償作用，從而保證液位穩(wěn)定在允許的變化范圍內(nèi)。本系統(tǒng)中控制器要使液位穩(wěn)定在設(shè)定值上，當(dāng)出現(xiàn)干擾時(shí)不允許有余差，故采用比例積分控制規(guī)律。因此不論是蒸汽還是給水信號(hào)變化時(shí)，都會(huì)破壞調(diào)節(jié)器的平衡，引起調(diào)節(jié)器的作用，減小干擾，提高液位的控制精度，為鍋爐系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了可靠地保障6。3.3.3過(guò)熱器溫度控制系統(tǒng)鍋爐過(guò)熱器出口的蒸汽溫度是火電廠熱工控制中主要控制參數(shù)之一，直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，一般來(lái)說(shuō)對(duì)過(guò)熱器出口蒸汽影響的因素主要有蒸汽流量的變化、爐膛燃燒情況、鍋爐給水溫度以及流經(jīng)過(guò)熱器表面的煙氣溫度等等。對(duì)過(guò)熱器的要求有質(zhì)與量?jī)蓚€(gè)方面：質(zhì)包

29、括壓力和溫度參數(shù)及潔凈度，量指流量。過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高，會(huì)燒壞過(guò)熱器水管，影響負(fù)荷設(shè)備如汽輪的正常工作和安全，氣溫過(guò)低會(huì)影響負(fù)荷設(shè)備的使用，例如蒸汽溫度每降低5，熱機(jī)效率就會(huì)下降1%，因此無(wú)論是從安全還是技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上看，必須保證過(guò)熱器溫度在規(guī)定的范圍之內(nèi)，危機(jī)控制系統(tǒng)一般將氣溫控制在偏離額定值的5%之內(nèi)7。過(guò)熱器出口蒸汽溫度控制主要有兩種方法1：通過(guò)改變煙道溫度控制過(guò)熱器出口蒸汽溫度2：通過(guò)改變減溫水流量控制過(guò)熱器出口蒸汽溫度。由于第一種方法經(jīng)濟(jì)性不如后者，我們采用第二種方法?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖3.5所示。圖3.5過(guò)熱器出口蒸汽溫度控制系統(tǒng)框圖過(guò)熱器出口蒸汽溫度為主被控參數(shù)，減溫器出口的水流量為

30、副被控參數(shù)，溫度檢測(cè)變送器測(cè)得的過(guò)熱器出口蒸汽溫度與設(shè)定值的偏差作為主調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，主調(diào)節(jié)器的輸出再與流量變送器的偏差作為副調(diào)節(jié)器的輸入，然后控制減溫水的閥門(mén)開(kāi)度，通過(guò)改變減溫水流量來(lái)現(xiàn)對(duì)熱器出口蒸汽溫度的控制。從控制角度來(lái)講減溫設(shè)備安裝在過(guò)熱器后面比較合理，但是從設(shè)備安全角度減溫器應(yīng)該安裝在過(guò)熱器的前面，從上述矛盾出發(fā)，我們將減溫器安裝在過(guò)熱器上部，更為合理有效地對(duì)過(guò)熱器出口蒸汽溫度進(jìn)行控制。3.3.4爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)為了確保燃燒過(guò)程的順利、安全、經(jīng)濟(jì)、高效地進(jìn)行，必須對(duì)爐膛壓力進(jìn)行合理的控制，因?yàn)槿绻麪t膛壓力過(guò)高，不僅會(huì)產(chǎn)生向外噴火的現(xiàn)象，還會(huì)損壞鍋爐設(shè)備，可是如果爐膛壓力過(guò)低，就會(huì)吸

31、入冷空氣，影響爐膛的溫度，造成燃料的浪費(fèi)，因此爐膛壓力需要維持在一定范圍內(nèi)。對(duì)爐壓的控制采用前饋-反饋控制如圖3.6所示。其中鼓風(fēng)量作為前饋信號(hào)，使引風(fēng)量隨鼓風(fēng)量變化，保持爐壓在工藝允許的范圍內(nèi)8。圖3.6爐壓前饋控制系統(tǒng)框圖前饋控制是減少被控變量動(dòng)態(tài)偏差的最有效方法之一，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，單獨(dú)使用前饋是很難滿足要求的，由于前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制，無(wú)法校驗(yàn)補(bǔ)償結(jié)果，一般前饋控制用來(lái)補(bǔ)償主要干擾的影響。前饋反饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：1對(duì)被調(diào)參數(shù)影響顯著的主要干擾由前饋進(jìn)行補(bǔ)償，而其余次要干擾可依靠反饋來(lái)克服，從而保證被調(diào)參數(shù)最終等于給定值。2由于反饋回路的存在，降低了對(duì)前饋控制模型的要求，為工程上實(shí)

32、現(xiàn)比較簡(jiǎn)單的通用模型創(chuàng)造了條件。3 負(fù)荷或工況變化時(shí)，模型特性也要發(fā)生變化，可由反饋控制加以補(bǔ)償，因此具有一定的自適應(yīng)能力。 第四章 硬件選型4.1傳感器選型1溫度測(cè)量元件對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行可靠、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)檢測(cè)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)自動(dòng)控制的必要條件，因此選擇合適的檢測(cè)元件顯得十分重要，也是完成檢測(cè)工作的重要前提。檢測(cè)儀表主要有傳感器和變送器兩部分組成，傳感器將溫度、壓力、流量、物位、成分的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)傳送給變送器，變送器將電信號(hào)再轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)并輸出。溫度是生產(chǎn)過(guò)程中較為常見(jiàn)的參數(shù)之一，保持溫度在一定范圍內(nèi)也是進(jìn)行安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)的重要任務(wù)之一，溫度檢測(cè)元件按照與被測(cè)介質(zhì)的接

33、觸方式可以分為接觸式和非接觸式。接觸式檢測(cè)儀表形式包括膨脹式、壓力式、熱電阻和熱電偶，非接觸式主要是輻射式。接觸式檢測(cè)儀表具有簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)溫精度高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是測(cè)溫存在延時(shí)。而非接觸式檢測(cè)儀表具有較高的測(cè)溫上限、熱慣性小、適用于溫度快速變化的檢測(cè)，但是測(cè)量易受距離、煙塵等外界因素的影響，所以存在較大的測(cè)量誤差。常用的溫度檢測(cè)儀表如表4.1。表4.1常用溫度檢測(cè)儀表分類及特點(diǎn)類型形式測(cè)溫范圍 準(zhǔn)確度特點(diǎn)接觸式壓力式-206000.55速度慢、精度低、適于遠(yuǎn)距離傳送膨脹式-2006500.15結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適合就地測(cè)量熱電偶-2001800210速度快、精度高，中高溫測(cè)量，遠(yuǎn)距離傳送熱電阻-2008

34、500.015速度快、精度高，適于低中溫度測(cè)量，遠(yuǎn)距離傳送非接觸式輻射式1003000120響應(yīng)速度快，測(cè)量精度一首環(huán)境影響本系統(tǒng)中的爐膛溫度變化范圍一般為9001100，過(guò)熱器允許的溫度變化范圍一般為350540，從檢測(cè)儀表的測(cè)量精度和測(cè)溫范圍角度考慮，我們選擇熱電偶（測(cè)溫范圍為-2001800）進(jìn)行溫度檢測(cè)，由于K型（鎳鉻一鎳硅）熱電偶具有測(cè)溫范圍寬（-2001300）、熱電動(dòng)勢(shì)大、線性好和價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，所以我們選擇K型熱電偶作為鍋爐的溫度檢測(cè)儀表。用熱電偶測(cè)溫一定要注意補(bǔ)償導(dǎo)線的類型及與熱電偶配套的連線和極性，而且要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。2煤粉和空氣流量測(cè)量元件工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，為了有效地控制

35、生產(chǎn)過(guò)程，我們需要對(duì)一些流動(dòng)介質(zhì)的流量進(jìn)行檢測(cè)。流量檢測(cè)一般有體積流量檢測(cè)和質(zhì)量流量檢測(cè)兩種方法，體積流量檢測(cè)包括容積法和速度法，容積法是用單位時(shí)間內(nèi)排出流動(dòng)介質(zhì)的固定容積數(shù)來(lái)計(jì)算流量。適用于高粘度流體的測(cè)量及測(cè)量精度要求高的場(chǎng)合。基于這種檢測(cè)方法的儀表有旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)、橢圓齒輪流量計(jì)。而速度法是先計(jì)算管道內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)的平均速度再乘以管道的橫截面積來(lái)計(jì)算流量的體積?；谶@種檢測(cè)方法的儀表有差壓式流量計(jì)、轉(zhuǎn)子式流量計(jì)和超聲波式流量計(jì)等。質(zhì)量流量檢測(cè)一般分為直接法和間接法，直接法是用儀表直接測(cè)得流量的質(zhì)量，間接法指測(cè)出流動(dòng)介質(zhì)的密度再乘以其體積最后得出質(zhì)量。由于差壓式流量計(jì)運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且還

36、可與差壓式變送器配合使用，適用于多種流動(dòng)介質(zhì)的測(cè)量，所以設(shè)計(jì)中我們使用差壓式流量計(jì)測(cè)量煤粉流量和空氣流量。差壓式流量計(jì)由節(jié)流裝置、引壓導(dǎo)管和差壓變送器組成，如圖4.1所示。圖4.1差壓式流量計(jì)組成框圖差壓式流量計(jì)的檢測(cè)原理是：當(dāng)流動(dòng)介質(zhì)經(jīng)過(guò)節(jié)流裝置，在節(jié)流裝置前后會(huì)產(chǎn)生壓力差，通過(guò)壓力差可得被測(cè)介質(zhì)的流量。應(yīng)用較為廣泛的節(jié)流裝置有噴嘴擋板、孔板及文丘里管。由于三者的結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致他們的性價(jià)比不同，孔板的壓力損失和成本都很大，但是精度很高，所以選擇孔板做節(jié)流裝置。使用孔板時(shí)一定要注意孔板的安裝方向一定要正確，即流動(dòng)介質(zhì)從圓柱形一側(cè)流進(jìn)，從圓錐形一側(cè)流出，如果方向不正確，測(cè)量值會(huì)小于實(shí)際值。為了使

37、變送器輸出的電信號(hào)與流量成正比例關(guān)系，必須加一個(gè)開(kāi)方器9。3液位測(cè)量元件生產(chǎn)過(guò)程中為了實(shí)現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)，物位檢測(cè)十分重要，通過(guò)物位檢測(cè)可以了解它是否在工業(yè)要求允許范圍內(nèi)，另外物位檢測(cè)對(duì)連續(xù)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)核算也顯得十分的必要。本設(shè)計(jì)對(duì)于鍋爐汽包液位的檢測(cè)主要介紹以下3種汽包水位測(cè)量?jī)x表。（1）雙色水位計(jì)：是鍋爐附屬設(shè)備，鍋爐中汽呈現(xiàn)為紅色，水呈現(xiàn)為綠色，當(dāng)水位和蒸汽流量變化時(shí)，紅色和綠色所占的比例相應(yīng)變化，這種水位計(jì)觀測(cè)起來(lái)明顯直觀，但是在實(shí)際應(yīng)用中，受外界環(huán)境的影響，使用一段時(shí)間后汽水分界會(huì)變得不明顯，另外由于它本身是安裝在汽包上的，汽包的溫度很高，一般維修不方便。（2）差壓水位計(jì)：將變動(dòng)水位與

38、恒定水位的差壓值轉(zhuǎn)換成水位值，再通過(guò)差壓變送器轉(zhuǎn)換成連續(xù)的電信號(hào)。但是在實(shí)際應(yīng)用中存在一些缺點(diǎn)：水位和差壓的關(guān)系會(huì)受汽包壓力的變化的影響，存在較大的誤差，采用平衡容器測(cè)量方法可以使汽包壓力得到補(bǔ)償，但準(zhǔn)確度仍受到較大的限制。差壓式流量計(jì)一般適用于運(yùn)行穩(wěn)定的液位控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中液位出現(xiàn)較大變化時(shí)，誤差會(huì)很大。(3)電極式水位計(jì)：利用飽和蒸汽與蒸汽凝結(jié)水電導(dǎo)率的不同，把汽包水位的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由二次儀表遠(yuǎn)距離顯示水位。它克服了汽包的壓力的變化對(duì)測(cè)量的影響，一般用于鍋爐的啟停和參數(shù)變化過(guò)程中。這種儀表具有延遲小、誤差小的優(yōu)點(diǎn)，所以不需要對(duì)誤差進(jìn)行調(diào)整，檢修和校驗(yàn)比較方便。但是它的測(cè)量是斷續(xù)的，

39、因此就要求選擇合適的水位容器以減小誤差。綜上，雙色水位計(jì)可在鍋爐啟動(dòng)和停止時(shí)對(duì)汽包水位進(jìn)行監(jiān)控，校對(duì)其他的液位測(cè)量?jī)x表。差壓式水位計(jì)適用于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)參數(shù)的顯示，電極式水位計(jì)一般應(yīng)用在鍋爐變參數(shù)運(yùn)行過(guò)程中，精度很高。因此，在汽包水位控制系統(tǒng)中3種儀表同時(shí)被采用。4給水流量和蒸汽流量測(cè)量元件流量傳感器在本設(shè)計(jì)中用于給水流量和蒸汽流量的測(cè)量，這兩個(gè)信號(hào)直接影響控制質(zhì)量，因此選擇合理的流量傳感器十分有必要的。如果我們要控制的是35t/h鍋爐的汽包水位，即每小時(shí)有35t的給水變成水蒸氣。根據(jù)要求我們選擇LUGB-99型渦街流量計(jì)，它是一種新型振動(dòng)式流量計(jì)，具有壓損小、準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定、測(cè)量范圍廣等

40、優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于管道中蒸汽、汽體和液體介質(zhì)流量的測(cè)量。該流量計(jì)的技術(shù)參數(shù)如下：（1）測(cè)量介質(zhì)：液體、蒸汽、汽體（2）感應(yīng)元件不與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，具有可靠性高和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)（3）傳感器結(jié)構(gòu)牢固而且簡(jiǎn)單，維擴(kuò)量小、壓損?。?）范圍度寬可達(dá)10：1至15：1（5）測(cè)量范圍：一般正常工況下，雷諾數(shù)為20，000至7，000，000；信號(hào)輸出不受液體粘度、溫度、壓力及組份影響（6）精度等級(jí)：如果是液體，精度可達(dá)指示值1.0%；若是蒸汽，則精度可達(dá)指示值1.5%根據(jù)儀表量程的選擇原則，儀表的量程應(yīng)該是被測(cè)參數(shù)的4/3至3/2倍，流量計(jì)能檢測(cè)的最大流量為：46.552 m3/h，因此選擇LUGB-99型

41、渦街流量計(jì)，可檢測(cè)流量的范圍：350 m3/h，可滿足對(duì)汽包給水流量的檢測(cè)。LUGB-99型流量計(jì)不僅可以檢測(cè)液體流量還可以檢測(cè)蒸汽流量，所以在本設(shè)計(jì)中我們也選擇它對(duì)蒸汽流量進(jìn)行檢測(cè)。正常工況下蒸汽壓力一般為0.5MP，蒸汽的密度一般是2700Kg/ m3，根據(jù)儀表量程的選擇原則，被選用儀表的量程應(yīng)為被測(cè)量參數(shù)的4/3至3/2倍，LUGB-99型渦街流量計(jì)可檢測(cè)流量范圍為880 m3/h，可以滿足本設(shè)計(jì)對(duì)蒸汽流量的檢測(cè)。5壓力測(cè)量元件壓力檢測(cè)的方法有液柱式壓力檢測(cè)、彈性式壓力檢測(cè)、電氣式壓力檢測(cè)和活塞式壓力檢測(cè)，由于電氣式壓力檢測(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，測(cè)量范圍大、便于信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸，所以本設(shè)計(jì)選擇電氣式

42、壓力檢測(cè)。電氣式壓力檢測(cè)儀表是將敏感元件檢測(cè)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常見(jiàn)的電氣式壓力檢測(cè)儀表有壓電式壓力檢測(cè)儀表和電阻式壓力檢測(cè)儀表。前者性能穩(wěn)定、精度高，但是靈敏度較差，后者靈敏度較前者好，而且動(dòng)態(tài)性能好，所以我們選擇電阻式壓力檢測(cè)儀表來(lái)檢測(cè)爐膛壓力10。4.2執(zhí)行器選型1執(zhí)行器的選型執(zhí)行器的作用是接收控制器輸出的信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，控制閥門(mén)的開(kāi)度。執(zhí)行器由調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇時(shí)應(yīng)該考慮工藝要求、控制精度和經(jīng)濟(jì)性。由于氣動(dòng)執(zhí)行器同其他兩類執(zhí)行器相比，不僅價(jià)格低、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，而且具有很

43、高的安全性能，本設(shè)計(jì)采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有活塞式和薄膜式兩類，由于薄膜式與活塞式相比，不僅價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且維護(hù)方便、運(yùn)行可靠，所以選擇薄膜式。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩作用下，阻力系數(shù)發(fā)生改變，從而改變被控介質(zhì)流量，達(dá)到調(diào)節(jié)工藝變量的目標(biāo)。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有多種，包括角形調(diào)節(jié)閥、隔膜調(diào)節(jié)閥、直通調(diào)節(jié)閥（分單座和雙座兩種）、蝶閥、三通調(diào)節(jié)閥、球閥等等，由于角形調(diào)節(jié)閥閥體呈三角形，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，阻力也小，適用于高粘度、有固體顆?；驊腋∥锏膱?chǎng)合，所以本設(shè)計(jì)中的煤氣閥和空氣閥均采用角形閥。煙道百葉窗擋板一般應(yīng)用在低差壓、大口徑、有懸浮物、大流量的場(chǎng)合，本設(shè)計(jì)采用煙道百葉窗作為控制爐膛壓力的煙氣調(diào)

44、節(jié)閥。由于直通雙座調(diào)節(jié)閥允許差壓大，所以可以選作為給水流量的調(diào)節(jié)閥。2氣開(kāi)、氣閉形式的選擇由于執(zhí)行器的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有正裝、反裝兩種形式，執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正和反兩種作用方式，通過(guò)四種組合方式可以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器氣開(kāi)和氣關(guān)調(diào)節(jié)。當(dāng)氣壓P0.02MPa時(shí)調(diào)節(jié)閥閥門(mén)關(guān)閉，閥門(mén)開(kāi)度隨氣壓信號(hào)減小而增加，氣壓為零時(shí)閥門(mén)全開(kāi)，這類稱為氣關(guān)式執(zhí)行器。相反，氣開(kāi)式執(zhí)行器在沒(méi)有壓力信號(hào)時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉，閥門(mén)開(kāi)度隨氣壓信號(hào)的增大而增大。氣開(kāi)、氣關(guān)形式的選擇必須保證生產(chǎn)過(guò)程的安全性，當(dāng)壓力信號(hào)中斷時(shí)，閥門(mén)的位置應(yīng)保證操作人員及設(shè)備的安全。對(duì)于爐膛而言，當(dāng)信號(hào)中斷時(shí)，應(yīng)該保證煤粉和空氣閥門(mén)全部關(guān)閉，使鍋爐不會(huì)因高溫而發(fā)生事故，所以煤粉和空

45、氣選擇氣開(kāi)式執(zhí)行器。對(duì)于汽包水位的控制，應(yīng)保證信號(hào)中斷時(shí)，仍然有給水進(jìn)入汽包，避免汽包水位過(guò)低引起爆炸，所以給水執(zhí)行器應(yīng)該選擇氣閉式。4.3調(diào)節(jié)器選型1調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇調(diào)節(jié)器將測(cè)量變送器采集的測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較得出偏差進(jìn)行比例、微分和積分運(yùn)算，輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，控制執(zhí)行器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫、汽包水位、爐壓和過(guò)熱器出口蒸汽溫度的控制。PID運(yùn)算規(guī)律可用下面公式表示： （4.1）Kp：比例增益；TI：積分時(shí)間；TD：微分時(shí)間；當(dāng)TI，TD0時(shí)，控制器輸出為比例調(diào)節(jié)： （4.2）在控制過(guò)程中常用比例度表示作用的強(qiáng)弱，100%，越小，比例作用越強(qiáng)。具有及時(shí)迅速，存在余差等特點(diǎn)。增大Kp可減小余差，但

46、容易產(chǎn)生震蕩。當(dāng)KI時(shí)，控制器輸出為比例積分調(diào)節(jié)： （4.3）積分調(diào)節(jié)能夠消除余差，但動(dòng)作緩慢，所以一般不單獨(dú)使用，PI調(diào)節(jié)控制速度得到提高。當(dāng)KD0時(shí)，控制器輸出為比例微分調(diào)節(jié)： （4.4）比例微分調(diào)節(jié)能夠改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，具有超前控制作用，但是存在余差，一般也不能單獨(dú)使用13。控制規(guī)律選擇的一般原則：（1）廣義控制通道時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)需要引入微分調(diào)節(jié)。允許有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，可選PD調(diào)節(jié)規(guī)律，不允許有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)應(yīng)選PID調(diào)節(jié)規(guī)律。如果負(fù)荷變化大，不宜采用PID調(diào)節(jié)。（2）控制通道時(shí)間較小，工藝允許有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，選用P調(diào)節(jié)。不允許有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)選用PI調(diào)節(jié)。綜合上述原則，爐膛溫度控制器采用PID調(diào)節(jié)，汽

47、包液位控制采用P調(diào)節(jié)，流量控制和爐膛壓力控制采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律。2正、反作用方式的判斷根據(jù)控制回路負(fù)反饋原則，各部分增益的乘積必須為“+”，爐膛溫度控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥采用氣開(kāi)式，所以Kv為“+”；煤粉和空氣閥門(mén)開(kāi)大，爐膛溫度升高，所以Ko為“+”；變送器Km為“+”，所以Kp為“+”，即調(diào)節(jié)器需采用反作用調(diào)節(jié)方式。同理，汽包水位控制系統(tǒng)中Kv為“-”，Ko為“+”， Km為“+”，所以Kp應(yīng)為“-”，汽包的給水流量調(diào)節(jié)器需采用正作用調(diào)節(jié)方式。爐壓調(diào)節(jié)器采用反作用調(diào)節(jié)方式，過(guò)熱器出口蒸汽溫度調(diào)節(jié)器采用反作用調(diào)節(jié)方式。第五章 控制系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)5.1西門(mén)子S7-200可編程控制器概述1S7-200簡(jiǎn)

48、介可編程控制器簡(jiǎn)稱PLC，它是基于微處理器的一種通用控制裝置，是當(dāng)代工業(yè)控制的主要支柱之一，從性能、價(jià)格和可靠性方面考慮，我們選擇西門(mén)子S7-200作為鍋爐控制系統(tǒng)的控制器。在控制過(guò)程中完成對(duì)被控參數(shù)（爐膛溫度、汽包液位、過(guò)熱器出口蒸汽溫度、爐膛壓力）的采集、處理和控制。S7-200系列PLC控制系統(tǒng)一般由機(jī)架、數(shù)字量輸入模塊（EM221）、CPU模塊、數(shù)字量輸出模塊(EM222)、模擬量輸出模塊（EM232）和模擬量輸入模塊（EM231）通信模塊和智能模塊組成。另外在EM235擴(kuò)展模塊中，D/A和A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)都是12位，模擬量的輸出和輸入有很多種量程，如020mA，010V，0100mV

49、，05V，等等，并且有010D/A和A/D轉(zhuǎn)換單元15，如圖5.1所示。圖5.1小型S7-200控制系統(tǒng)西門(mén)子S7-200控制器通過(guò)遠(yuǎn)程I/O的方式連接現(xiàn)場(chǎng)需要檢測(cè)和控制的各點(diǎn)，CPU自帶24路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出，集成2個(gè)RS485接口，可以支持PPI、MODBUS等通訊協(xié)議，遠(yuǎn)程I/O有通訊處理器和EM235模塊連接，實(shí)現(xiàn)信息的可靠、安全、穩(wěn)定傳輸。S7-200PLC具備以下特點(diǎn)：（1）控制功能。最大限度地滿足系統(tǒng)控制功能是選擇PLC首先應(yīng)該考慮的問(wèn)題，S7-200不僅具有定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和繼電器所能實(shí)現(xiàn)的功能，而且還具有位邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)、比較、位循環(huán)等指令，支持中斷和子程序可以完

50、成串口通訊。（2）輸入/輸出性質(zhì)及點(diǎn)數(shù)要求。我們選擇CPU224（14數(shù)字輸入，10繼電器輸出），CPU內(nèi)部電源可為CPU自身、擴(kuò)展模塊和其他設(shè)備提供直流電源。若要增加電路中的點(diǎn)數(shù)，可以用擴(kuò)展模塊，EM223（16路數(shù)字輸入，16繼電器輸出），EM223（8數(shù)字輸入，8繼電器輸出），EM231(4路模擬量輸入)，EM232（4路模擬量輸入，2路模擬量輸出），EM235(4路模擬量輸入，1路模擬量輸出)，擴(kuò)展模塊通過(guò)總線連接電纜得到5V的直流電源。（3）存儲(chǔ)容量。CPU224不僅具有2560字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，而且還有4096字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，可滿足設(shè)計(jì)要求16。2計(jì)算機(jī)和PLC之間的通信打開(kāi)在S

51、TEP7-Micro/WIN軟件后，雙擊指令樹(shù)里面的“通信”選項(xiàng)，將編輯的程序下載到PLC之前，需要對(duì)遠(yuǎn)程站的地址進(jìn)行設(shè)置，然后雙擊“通信”框中的“雙擊刷新”藍(lán)色圖標(biāo)，編程軟件將自動(dòng)搜索已經(jīng)連接到網(wǎng)絡(luò)上的S7-200，并用圖標(biāo)將S7-200顯示出來(lái)，如圖5.2所示。圖5.2 PLC通信窗口5.2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先是對(duì)其功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，即根據(jù)工藝要求和被控對(duì)象的功能，明確系統(tǒng)要怎樣運(yùn)行，然后對(duì)其功能進(jìn)行分析，最后確定PLC型號(hào)和其他的配置17。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般分為以下幾個(gè)步驟：1、了解被控對(duì)象，制定可行的方案。2、根據(jù)控制要求，確定輸入、輸出設(shè)備。3、選擇PL

52、C,主要包括機(jī)型、I/O模塊、容量和電源。4、分配PLC的I/O地址。6、進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)（包括軟件和硬件）。7、調(diào)試即對(duì)模擬調(diào)試過(guò)的程序進(jìn)行在線調(diào)試。5.3下位機(jī)PLC的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程5.3.1 I/0分配表5.1 I/0分配表輸入信號(hào)啟動(dòng)按鈕I0.0停止按鈕I0.1急停按鈕I0.2空燃比信號(hào)I0.3爐溫采樣控制信號(hào)I0.4爐壓采樣控制信號(hào)I0.5水位采樣控制信號(hào)I0.6過(guò)熱器溫度采樣控制信號(hào)I0.7手動(dòng)操作I1.0自動(dòng)操作I1.1輸出信號(hào)煤粉流量閥Q0.0空氣流量閥Q0.1給水泵啟動(dòng)Q0.2進(jìn)水閥1Q0.3進(jìn)水閥2Q0.4出水閥Q0.5減溫水閥Q0.6空氣預(yù)熱器Q0.7爐溫報(bào)警Q1.1爐壓

53、報(bào)警Q1.2過(guò)熱器溫度報(bào)警Q1.3汽包水位報(bào)警Q1.4引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)Q1.5點(diǎn)火器Q1.6手動(dòng)運(yùn)行Q1.7自動(dòng)運(yùn)行Q2.1空燃比輸出信號(hào)Q2.2空氣和煤粉混合攪拌信號(hào)Q2.35.3.2 硬件配置及連接圖本設(shè)計(jì)中我們采用西門(mén)子430系列變頻器,利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用，將工頻電源變換為一頻率的電能控制裝置，其基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和工作電源輸入頻率成正比例關(guān)系，通過(guò)改變變頻器的頻率達(dá)到實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐給水泵、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和爐排電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。MICROMASTER430變頻器不但設(shè)備性能可以滿足用戶需求，而且有更多的輸入、輸出端。采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)比較靈活，線路連接18,如圖5.3所示。圖5.3

54、變頻器接線圖Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，通過(guò)此協(xié)議，控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以通信。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485多種電氣接口和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus口是使用一RS-232兼容串行接口?？刂破髂茉O(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等），在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，在一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串

55、口參數(shù)。ASCII模式采用LRC校驗(yàn)，RTU模式采用16位CRC校驗(yàn)。控制器通信使用主從技術(shù)，即僅一設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢）。其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。典型的主設(shè)備：主機(jī)和可編程儀表。從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯(cuò)誤檢測(cè)域。如果在消息接收過(guò)程中發(fā)生一錯(cuò)誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯(cuò)誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。S7-200系列PLC核心是CPU224，還具有EM231、EM232、EM235三種規(guī)格的模擬量輸出輸入模塊。EM231模擬量輸入模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)

56、節(jié),EM232模擬量輸出模塊從CPU224接收數(shù)字量，并將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量控制變頻器，CPU224對(duì)被控變量進(jìn)行PID調(diào)節(jié)20。PLC接線圖如圖5.4所示。圖5.4 PLC接線圖5.4 STEP7概述及S7-200程序流程設(shè)計(jì)1編程軟件STEP7Micro/WIN介紹STEP7Micro/WIN軟件是西門(mén)子公司為S7-200PLC專門(mén)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，其功能強(qiáng)大，在脫機(jī)狀態(tài)下可以進(jìn)行程序的編寫(xiě)、修改、編譯和調(diào)試等功能，在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下可以通過(guò)PC機(jī)對(duì)PLC進(jìn)行下載用戶程序、上載和組態(tài)數(shù)據(jù)等操作。具有語(yǔ)法檢查功能，方便進(jìn)行梯形圖編寫(xiě)程序的修改，還具有文檔管理和加密等功能21，編程主界面如圖5.5所示。圖

57、5.5 STEP7Micro/WIN編輯界面界面分為標(biāo)題欄、工具條、菜單條、引導(dǎo)條、輸出窗口、狀態(tài)條指令樹(shù)、和用戶窗口。進(jìn)行梯形圖程序編寫(xiě)時(shí)，單擊線圈、觸點(diǎn)或指令盒按鈕選擇要輸入的指令，然后用光標(biāo)移到需要添加元件的位置后，單擊鼠標(biāo)即可，選擇指令元件后輸入操作數(shù)，按照要求完成編程工作。2S7-200程序流程設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)需能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，由于溫度控制對(duì)象是一個(gè)大延時(shí)環(huán)節(jié)，且溫度調(diào)節(jié)范圍比較寬，所以本設(shè)計(jì)對(duì)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間咱不予要求，針對(duì)上述情況，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，溫度控制系統(tǒng)是利用PLC為控制器，測(cè)溫電路中溫度反饋信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送到PLC進(jìn)行處理，經(jīng)一定算法后，PLC再輸出信號(hào)控制交流接觸器的通

58、斷，控制給煤量和空氣量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛溫度的控制。系統(tǒng)主流程圖如圖5.6所示。運(yùn)行開(kāi)始后，手自動(dòng)操作方式選擇，如果自動(dòng)方式運(yùn)行，則先進(jìn)入爐膛溫度控制子程序，再進(jìn)入汽包水位控制子程序、過(guò)熱器溫度控制子程序，最后進(jìn)入爐壓控制子程序。在溫度控制子程序中，首先對(duì)爐溫進(jìn)行初始設(shè)定，開(kāi)始溫度采集，判斷采集的溫度測(cè)量值是否在設(shè)定值范圍之內(nèi)，若果在則進(jìn)行PID控制和輸出空燃比信號(hào)，如果不在則報(bào)警22，圖5.7所示。圖5.6主流程圖設(shè)計(jì)圖5.7 爐溫控制子程序圖5.8 爐壓控制子程序爐膛壓力控制子程序運(yùn)行開(kāi)始后，選擇自動(dòng)運(yùn)行方式，啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)，判斷是否有故障，如果沒(méi)有則延時(shí)1分鐘啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，再啟動(dòng)爐排，如果有故障

59、則立刻停止。判斷爐壓是否設(shè)定，若已經(jīng)設(shè)定則進(jìn)入PID調(diào)解，沒(méi)有設(shè)定則對(duì)其進(jìn)行設(shè)定，如果采用手動(dòng)方式運(yùn)行，則直接啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和爐排，無(wú)故障后判斷運(yùn)行是否正常，正常則進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，不正常立刻停止運(yùn)行23。圖5.9 汽包水位控制子程序如上圖5.9 所示汽包水位控制子程序運(yùn)行開(kāi)始后，如果運(yùn)行正常，則對(duì)其進(jìn)行水位設(shè)定，手自動(dòng)方式選擇，如果不正常則立刻停止，自動(dòng)方式運(yùn)行開(kāi)始后，分別對(duì)汽包水位、給水流量和蒸汽流量進(jìn)行采樣和計(jì)算，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，判斷系統(tǒng)是否運(yùn)行正常，正常則一直進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，否則停止。如果手動(dòng)方式運(yùn)行，直接啟動(dòng)給水泵及調(diào)節(jié)閥，沒(méi)有故障則正常運(yùn)行進(jìn)行PID控制，否則停止。圖5.10 空

60、燃比控制子程序空燃比子程序接收到開(kāi)始信號(hào)后，首先進(jìn)行煤粉和空氣流量的采集，判斷比值是否為3，是則進(jìn)行混合，不是則重新配比，直到比值等于3，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，如圖5.10所示。通信控制流程設(shè)計(jì)過(guò)程中，S7-200CPU從通訊端口0接受字符串，使用RCV（接收）指令和接收完成中斷接收數(shù)據(jù)，以自定義協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和S7-200PLC之間的數(shù)據(jù)通信時(shí)，為了避免通信中的各方爭(zhēng)用通信線路，一般采用主從方式，計(jì)算機(jī)作為主機(jī)，向從站S7-200PLC端口0發(fā)送規(guī)定格式的報(bào)文，S7-200PLC收到指令后采用BBC校驗(yàn)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，與指令中的校驗(yàn)碼進(jìn)行比較，如果校驗(yàn)碼相等，則置位M0.0，將校驗(yàn)碼作為報(bào)文的

61、一部分發(fā)送到計(jì)算機(jī)，如果不相等，置位M0.1，返回帶有校驗(yàn)碼錯(cuò)誤的反饋信息，如圖5.11所示。圖5.11 S7-200通信程序設(shè)計(jì)5.5程序編寫(xiě)及分析1. 程序編寫(xiě)及分析本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求，編寫(xiě)了六個(gè)程序，一個(gè)為主程序，其余五個(gè)為子程序，分別為爐膛溫度控制子程序、汽包水位控制子程序、過(guò)熱器溫度控制子程序、爐壓控制子程序和空燃比控制子程序。主程序可以對(duì)其他五個(gè)子程序進(jìn)行管理，如果任務(wù)簡(jiǎn)單，一個(gè)主程序就可以完成任務(wù)，如果復(fù)雜必須將具體任務(wù)分放到子程序中完成，便于程序的編寫(xiě)、編譯和調(diào)試。每個(gè)子程序都有不同于其他子程序的序號(hào)，便于主程序的調(diào)用25。（控制程序見(jiàn)附錄B）2.調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試分為軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。軟件調(diào)試用PC機(jī)完成，將編寫(xiě)好的控制程序裝載到仿真軟件上，按照編寫(xiě)的程序進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，通過(guò)對(duì)每一個(gè)功能進(jìn)行檢測(cè)不斷完善控制程序，如圖5.12所示。圖5.12 軟件調(diào)試硬件調(diào)試一般在實(shí)驗(yàn)室中完成，設(shè)備的各個(gè)單元經(jīng)檢查符合要求后，軟件和硬件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，使軟件和硬件的配置達(dá)到最佳狀態(tài)。第六章 控制系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)6.1 組態(tài)王軟件概述組態(tài)王軟