基于PLC的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)_空燃比控制的WinCC組態(tài)和PLC設(shè)計說明

1、50 / 58畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版

2、，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳?。作者簽名： 日 期：學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和

3、電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注意事項1.設(shè)計（論文）的容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻8）致9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設(shè)計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)

4、不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體與大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標準規(guī)。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它基于PLC的鍋爐燃燒控制系

5、統(tǒng)空燃比控制的WinCC組態(tài)和PLC設(shè)計摘 要在當今各種工業(yè)企業(yè)的動力設(shè)備中，鍋爐仍然是一重要的組成部分。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的飛速發(fā)展，對能源利用率的要求越來越高，作為將一次能源轉(zhuǎn)化為二次能源的重要設(shè)備之一的鍋爐，其控制和管理隨之要求越來越高。但在我們國家，除了一些大中型鍋爐采用了先進的控制技術(shù)外，絕大多數(shù)中小企業(yè)所用的鍋爐，如10T/h、20T/h鍋爐，大部分還在采用儀表/繼電器控制，甚至還是人工操作，已無法滿足要求。本文采用基于SIEMENS S7-300(PLC)的方式對鍋爐的燃燒過程進行控制，簡化了系統(tǒng)，提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，同時也大幅度地提高了燃燒能的熱效率。本文通過對鍋爐燃燒工藝

6、進行分析和研究，過幾種控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行比較，設(shè)計出鍋爐燃燒過程的最佳控制系統(tǒng)。設(shè)計中以組態(tài)軟件WinCC為開發(fā)工具，開發(fā)了系統(tǒng)的監(jiān)視與控制畫面，使系統(tǒng)具備了對現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)視功能、歷史數(shù)據(jù)的歸檔功能、異常信號的報警功能以與現(xiàn)場操作的指導(dǎo)功能。下位機采用Step7編程軟件，將復(fù)雜的自動化任務(wù)分解為獨立的功能塊，方便了主程序的調(diào)用，也方便了程序的修改。關(guān)鍵詞:鍋爐；交叉限幅； WinCC；step7；Control system of the boiler combustionbased by PLCWinCC configuration of air-fuel ratio contro

7、l and plc designAbstractIn today's industrial enterprises in a variety of power equipment, the boiler is still an important component.With the rapid development of modern industries on energy efficiency ，that have become increasingly demanding. Boiler equipment as one of the important equipment

8、that make the primary energy into secondary energy, and its subsequent control and management have become increasingly demanding.However, in our country, in addition to a number of large and medium-sized boilers to control the use of advanced technology, used by the vast majority of small and medium

9、-sized boilers, such as 10T / h, 20T / h boilers, most are still using instrument / relay control, even control by people.It has been unable to meet the requirements.In this paper, based on the SIEMENS S7-300 (PLC) use it to control the biler of combustion process not only simplifies the control sys

10、tem, improved equipment reliability and stability, but also significantly improved the thermal efficiency of combustion energy.Based on the boiler combustion process analysis and research, By comparing severl control systems advantages and disadvantages design the best boiler combustion control syst

11、em.In this design PC used by SIEMENS WinCC configuration software for the development of tools, designed to monitor and control system of the screen, allowing the system to have the process of on-site surveillance function of the dynamic data, historical data archiving features, abnormal signal of t

12、he alarm function, on-site guidance to the operation of functions and so on. under-bit machine used by Step7 programming software .It put complex task decomposed into independent functional blocks, Convenient for the main program calls andconvenient forModified.Keywords: boiler；Limiting cross；WINCC；

13、 step7； 目 錄摘要IAbstractII第一章引言11.1 背景簡介11.1.1 PLC技術(shù)21.1.2 西門子工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡介41.2 相關(guān)技術(shù)發(fā)展51.3 本論文研究容61.4 本章小結(jié)6第二章控制系統(tǒng)整體設(shè)計和信號檢測72.1 電廠發(fā)電工藝的概述72.2 鍋爐簡介72.3 燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù)92.3.1控制系統(tǒng)的控制目的102.3.2爐膛負壓控制任務(wù)與有關(guān)的安全保護系統(tǒng)112.4整體設(shè)計122.5系統(tǒng)流量信號的檢測132.5.1 孔板132.5.2 差壓變送器142.5.3 系統(tǒng)流量檢測裝置的選型與檢測方式152.7系統(tǒng)壓力信號的檢測162.7.1電阻應(yīng)變片的工作原理162.

14、7.2 擴散硅壓力傳感器的選用162.8 本章小結(jié)16第三章空燃比控制方案的確定183.1 概述183.2空燃比控制系統(tǒng)的設(shè)計183.2.1單交叉限幅控制系統(tǒng)203.2.2 空燃比控制的校正223.3 系統(tǒng)設(shè)計中偏置的作用223.4本章小結(jié)23第四章系統(tǒng)上位機組態(tài)和監(jiān)控244.1 WinCC組態(tài)軟件的概述244.1.1 WinCC的控制模塊244.1.2 WinCC項目設(shè)計274.2監(jiān)控界面的設(shè)置294.3報警組態(tài)以與趨勢顯示314.4 本章小結(jié)33第五章 PLC控制系統(tǒng)的硬件配置和軟件編程345.1工控機345.2 PLC345.3 Step7簡介355.4系統(tǒng)軟件編程395.5 本章小結(jié)4

15、0第六章總結(jié)和展望42參考文獻43致44附錄45第一章 引 言1.1 背景簡介自上世紀40年代以來，工業(yè)控制系統(tǒng)開始了逐步發(fā)展成熟的步伐。當時采用只具備簡單測控功能的現(xiàn)場基地式儀表，即第一代過程控制系統(tǒng)(氣動控制系統(tǒng)或PCS)。氣動控制系統(tǒng)一直沿用到20世紀60年代才結(jié)束其主導(dǎo)地位，而目前在類似防爆等特殊場合下仍發(fā)揮著不可替代的作用。開始應(yīng)用4-20mA模擬信號標準的第二代控制系統(tǒng)(模擬控制系統(tǒng)或ACS)標志著控制系統(tǒng)的又一次飛躍。但是由于不同的傳感器和執(zhí)行器信號的定義有所不同，大量儀表的信號標準難以規(guī)，這樣限制了控制系統(tǒng)的規(guī)模和性能，降低了系統(tǒng)集成度。隨著數(shù)字計算機在測量、模擬和邏輯控制領(lǐng)域

16、被廣泛使用，從而產(chǎn)生了集中控制系統(tǒng)，即第三代過程控制系統(tǒng)(CCS)。采用單片機、PLC或微機作為控制器傳輸數(shù)字信號，克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號精度低的缺陷，提高了系統(tǒng)抗干擾能力易于根據(jù)全局情況進行控制計算和判斷。在控制方式、控制實際的選擇上可以同意調(diào)度和安排。但集中式計算機控制系統(tǒng)存在可靠性問題，一旦作為控制中心的計算機發(fā)生故障，將導(dǎo)致生產(chǎn)全面癱瘓。為了改善CCS的缺陷，第四代過程控制系統(tǒng)(DCS)應(yīng)運而生。它采用集中管理，分散控制的方法，有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。因此DCS系統(tǒng)在電力、石油、化工等重要領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。但是，出于壟斷經(jīng)營的目的各

17、大系統(tǒng)集成廠商采用各自封閉的控制通信模式，不同場設(shè)設(shè)備能以實現(xiàn)通信與信息連接。因此，DCS成為一種封閉轉(zhuǎn)用的、不具有大圍可操作性分布式控制系統(tǒng)。電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展又給自動化工業(yè)控制系統(tǒng)帶來了深刻的變革。逐步形成了現(xiàn)在的以網(wǎng)絡(luò)集成自動化為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。它具有開放、數(shù)字化、容易進行數(shù)據(jù)交換的特點。它利用現(xiàn)場總線連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)形成數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特色的自動控制系統(tǒng)。這樣，現(xiàn)場總線成為當今3C(Computer、Control、Communication)發(fā)展的結(jié)合點，也是過程控制技術(shù)、自動化儀表技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的交匯點，而且是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展在

18、控制領(lǐng)域的集中體現(xiàn)，是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)延伸到現(xiàn)場的必然結(jié)果。因此，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與時一個開放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種分布式控制系統(tǒng)，它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上作為控制節(jié)點的職能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進一步構(gòu)成自動化控制系統(tǒng)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動化控制系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文主要是研究上位機組態(tài)監(jiān)控技術(shù)與PLC技術(shù)。通過PROFIBUS現(xiàn)場總線連接還可以達到TIA全集成自動化的標準，下面將簡要介紹一下相關(guān)技術(shù)背景。1.1.1 PLC技術(shù)PLC英文全名為Programmable logic Controller，即可編程控制器可以執(zhí)行包括邏輯運算、順序控

19、制、時序計數(shù)以與算術(shù)運算等程序。他用一串指令形式存放在存儲器中，然后根據(jù)存儲的控制容，經(jīng)過模擬、數(shù)字等輸入輸出部件，對生產(chǎn)設(shè)備與生產(chǎn)過程進行控制。一套典型的PLC通常包括CPU模塊、電源模塊和一些I/O模塊，這些模塊被插在一塊背板上。如果配置增加可能會包括一個操作員界面、監(jiān)控計算機、通信模塊、軟件以與一些可選的特殊功能模塊?？删幊炭刂破鞑粌H容易安裝，占用空間小，能源消耗小，帶有診斷指示器可以幫助故障診斷，而且可以被重復(fù)使用到其他的項目中去?，F(xiàn)在，盡管PLC的功能，如運行數(shù)度、接口種類、數(shù)據(jù)處理能力己經(jīng)獲得了很大的提高，但PLC一直保持了最初設(shè)計的原則，那就是簡單之上的原則。1968年，通用汽車

20、公司確立了第一個可編程邏輯控制器的標準，目的在于替代既復(fù)雜又昂貴的繼電器控制系統(tǒng)。該設(shè)計規(guī)格需要固態(tài)系統(tǒng)和電腦技術(shù)，并要求能夠在工業(yè)環(huán)境中生存，也能夠方便地編程，并且可以重復(fù)使用。到1969年，第一個PLC誕生。當時稱為可編程控制器，英文稱為Programmable controner，縮寫為PC。由于第一代PLC是為了取代繼電器，因此，采用采用了梯形圖語言作為編程方式，形成了工廠的編程標準。這些早期的控制器滿足了最初的要求，并且打開了新的控制技術(shù)發(fā)展得大門。在很短時間，PLC就迅速擴展到食品、飲料、金屬加工、制造等多個行業(yè)。PLC通常根據(jù)CPU所帶的FO點數(shù)的規(guī)模分為微行PLC、小型PLC、

21、大型PLC、PC插卡式PLC以與PC兼容的PLC。PLC的技術(shù)不斷發(fā)展取得了很大的成就，PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用的原來越廣泛。過去，PLC使用與離散過程控制，如開關(guān)、順序運動執(zhí)行等場所，但隨著PLC的功能越來越強大，PLC也開始進入過程自動化領(lǐng)域。PLC硬件上一系列進展，包括:采用新的先見的微處理器和電子技術(shù)達到快速的掃描時間；小型的、低成本的PLC，可以代替四到十個繼電器，現(xiàn)在獲得更大的發(fā)展動力；高密度的I/O系統(tǒng)，以低成本提供了節(jié)省空間的接口；基于微處理器的智能I/O接口擴展了分布式控制能力，典型的接口如PID，網(wǎng)絡(luò)，CAN總線，現(xiàn)場總線，ASC通信，定位，主機通信模塊，語言模塊(如BASIC，

22、PASCALC)等；包括輸入輸出模塊和端子的結(jié)構(gòu)設(shè)計改進，使端子更加集成；特殊接口允許默寫器件可以直接接到控制器上，如熱電偶、熱電阻、應(yīng)力測量、快速響應(yīng)脈沖等；外部設(shè)備改進了操作員界面技術(shù)，系統(tǒng)文檔功能成為了PLC的標準功能；硬件改進，使得PLC的產(chǎn)品系列豐富和發(fā)展，使PLC從最小的只有10個UO點的微型PLC到可以達到8000點的大型PLC。這些產(chǎn)品系列，用普通系統(tǒng)和編程外部設(shè)備，可以組成局域網(wǎng)，并與辦公網(wǎng)絡(luò)相連。整個PLC的產(chǎn)品系列概念對于用戶來說，是一個非常介于成本地控制系統(tǒng)概念。PLC軟件上與硬件發(fā)展相似，PLC的軟件業(yè)取得了巨大的進展，大大強化了PLC的功能:PLC引入了面向?qū)ο蟮木?/p>

23、程工具，并且根據(jù)國際電器工程委員會的IEC61131-3的標準形成了多種語言；小型PLC也提供強大的編程指令，并且因此延伸了應(yīng)用領(lǐng)域；高級語言，如BASIC，C在某些控制器模塊中己經(jīng)可以實現(xiàn)，在與外部通信和處理數(shù)據(jù)時提供了更大的編程靈活性；梯形圖邏輯中可以實現(xiàn)高級的工能塊指令，可以使用戶用簡單的編程方法實現(xiàn)復(fù)雜的軟件功能；診斷和錯誤檢測功能也從簡單的系統(tǒng)控制器的故障診斷擴大到對所控制的機器和設(shè)備的診斷；浮點算數(shù)可以進行控制應(yīng)用在計量、平衡和統(tǒng)計等所設(shè)計的復(fù)雜計算；數(shù)據(jù)處理指令的到簡化和改進，可以進行設(shè)計大量數(shù)據(jù)存儲、跟蹤和存取的復(fù)雜控制，數(shù)據(jù)采集與處理功能。PLC己經(jīng)比原來復(fù)雜了很多，但是對操

24、作員來說，今天的高功能的PLC與30年前的PLC一樣那么容易操作，甚至更為簡單。PLC的特點：(1)可靠性高，抗干擾能力強。(2)適應(yīng)能力強，應(yīng)用靈活。(3)編程方便，易于使用。(4)控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試方便。(5)維修方便、維修工作量小。(6)功能完善。1.1.2 西門子工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡介本研究針對的是WINCC組態(tài)軟件與SIMATIC PLC都是西門子公司的產(chǎn)品。系統(tǒng)應(yīng)用的是西門子公司的控制系統(tǒng)解決方案。所以下面介紹一下西門的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。西門子工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)根據(jù)總線分為4種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：1). AS-i總線：其接口符合開放的國際標準EN5O295，用于現(xiàn)場小數(shù)據(jù)量傳送(開關(guān)量)。擁有

25、規(guī)的主一主通信協(xié)議以與設(shè)備的連接方式，保證不同廠商此規(guī)設(shè)備的產(chǎn)品兼容性。2).EIB總線：全稱為European Installation Bus，是專門針對智能建筑領(lǐng)域的現(xiàn)場總線標準。具有分布、開放、靈活、互操作的特點?？偩€上智能化元件可通過編程改變的功能，即能獨立進行開關(guān)、控制、監(jiān)視等工作，也能根據(jù)要求進行多元件組合。與傳統(tǒng)方式相比有更強的功能和更高的靈活性。協(xié)議開放可令不同廠商開發(fā)兼容產(chǎn)品。3). PROFIBUS現(xiàn)場總線：對應(yīng)國際標準IEC6ll58 Type中標準，定義了串行總線的技術(shù)特征。相關(guān)的技術(shù)特點前面已經(jīng)有所說明。PROFIBUS總線適用于工廠自動化、過程自動化以與交通、發(fā)電

26、輸配電等領(lǐng)域。4). 工業(yè)以太網(wǎng)PROFInet:基于IEEE802.3(Ethenet)是國際標準IEC61158的重要組成部分。1.2 相關(guān)技術(shù)發(fā)展如同上文提到的SIEMENS工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集合了越來越多的技術(shù)，隨著電子、通信行業(yè)以與控制理論的研究發(fā)展，這樣的工業(yè)控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出向巨系統(tǒng)更具復(fù)雜程度的方向發(fā)展。但是另一方面，系統(tǒng)用戶的操作控制將會簡化呈現(xiàn)出脫離控制實際，進行對象化控制的方向發(fā)展。這樣的系統(tǒng)自動化程度更高，操作更加簡化。而就具體的技術(shù)而言，現(xiàn)場總線正朝著扁平化，一體化的方向發(fā)展，通過一個總線實現(xiàn)各種功能。采用一線制將現(xiàn)場設(shè)備、車間與設(shè)備以與工廠與設(shè)備統(tǒng)一連接。這樣的技術(shù)具有廣

27、闊的市場前景，不但降低了設(shè)計周期便于維護管理，而且更方便進行改造和系統(tǒng)升級，但是目前實施起來還有很多難度。隨著通信、電子業(yè)的進一步的發(fā)展將更好的進行實際應(yīng)用。目前，PLC控制系統(tǒng)包含有更加豐富的容，上層的上位機監(jiān)控界面，與工業(yè)以太網(wǎng)或因特網(wǎng)的連接，在工控機實現(xiàn)軟件對系統(tǒng)的仿真模擬等。眾多的廠商提供了解決方案，SIEMENS在上位機系統(tǒng)上提供了SIMATIC組態(tài)軟件和WinCC復(fù)雜控制仿真軟件。組態(tài)軟件WinCC是一個集成的人機界面(HMI)系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，它結(jié)合西門子公司在過程自動化領(lǐng)域中的先進技術(shù)和Microsoft PC軟件技術(shù)的強大功能的產(chǎn)物。應(yīng)用上位機組態(tài)監(jiān)控軟件為用戶提供了直觀的

28、界面，使用戶對于現(xiàn)場有更佳理解，更有效的使用、控制整個系統(tǒng)。同時，軟件的應(yīng)用有效縮短了對于上位機監(jiān)控層面的復(fù)雜設(shè)計過程。PLC系統(tǒng)中提供的這些功能，使得使用者或第三方更容易將自身的要求或設(shè)計融入到整個系統(tǒng)中。但是，這些軟件上也應(yīng)該引進更多先進的軟件設(shè)計理念技術(shù)，使得未來系統(tǒng)的更加復(fù)雜但是應(yīng)用起來卻更加方便。PLC控制系統(tǒng)提供接口連入工業(yè)以太網(wǎng)、因特網(wǎng)形成了更為復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)，但卻更為開放和有效。以PLC系統(tǒng)為基礎(chǔ)的新一代工業(yè)控制系統(tǒng)將擁有底層設(shè)備，中層的PLC控制單元、現(xiàn)場總線、上位機監(jiān)控，上層工業(yè)以太網(wǎng)、部局域網(wǎng)或管理層網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)。微型化、網(wǎng)絡(luò)化、PC化和開放性是PLC未來發(fā)展的主要方

29、向。在基于PLC自動化的早期，PLC體積大而且價格昂貴。但在最近幾年，微型PLC(小于32 I/O)已經(jīng)出現(xiàn)，價格只有幾百歐元。隨著軟PLC(Soft PLC)控制組態(tài)軟件的進一步完善和發(fā)展，安裝有軟PLC組態(tài)軟件和PC-based的市場份額將逐步得到增長。同時，PLC作為過程控制領(lǐng)域已打主力，同樣以面向Ethenet技術(shù)的擴展為最大的發(fā)展趨勢之一?，F(xiàn)在越來越多的PLC供應(yīng)商開始提供Ethenet接口?？梢韵嘈?，PLC將繼續(xù)向開放式控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移，尤其是基于工業(yè)PC的控制系統(tǒng)。1.3 本論文研究容應(yīng)用SIMATIC WINCC與PLC相結(jié)合綜合控制現(xiàn)場設(shè)備、執(zhí)行器、控制儀表以與上位機，這樣組

30、成了高速、實時、可靠的TIA(Totally Integreted Automation)全集成自動化控制系統(tǒng)。以S7系列PLC為核心的TIA技術(shù)有助于企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)力最大化、獲得更高的產(chǎn)品質(zhì)量、降低項目成本。而且本系統(tǒng)安裝維護升級費用減少，也可以自由選擇不同廠商，不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)系統(tǒng)集成的最優(yōu)化。 上述的現(xiàn)代控制系統(tǒng)應(yīng)用圍廣，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比可以進一步提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)運營成本。所以根據(jù)市場需求研究更加先進的自動化控制系統(tǒng)有利于發(fā)揮工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制優(yōu)勢并有利于促進國民經(jīng)濟的進一步發(fā)展。本論文研究SIEMENS PLC S7-300的硬件模塊和接口以與編程軟件STEP 7；研究全集成自動

31、的概念以與應(yīng)用和WINCC組態(tài)；以鍋爐燃燒控制為例，研究最終的系統(tǒng)整合，搭建成具有一定開放系統(tǒng)特性的基本系統(tǒng)，包括PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、上位機管理和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計；通過學(xué)習(xí)各種資料，分析SIEMENS PLC與上位機WinCC的組態(tài)模式;分析鍋爐燃燒控制過程，實現(xiàn)SIMATIC WinCC上位機組態(tài)，完成PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計。1.4 本章小結(jié)本章闡述了論文的研究的課題的意義，簡單介紹了SIEMENS工業(yè)控制系統(tǒng)，WinCC上位機組態(tài)軟件和PLC技術(shù)，敘述了西門工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的背景知識。闡述說明了本文研究的容、方法和實現(xiàn)的目的。第二章 控制系統(tǒng)整體設(shè)計和信號檢測2.1 電廠發(fā)電工藝的概述火力發(fā)電的

32、三大主機是鍋爐、汽輪機、發(fā)電機。鍋爐用燃料燃燒放出的熱能將水加熱成一定壓力和溫度的蒸汽，然后蒸汽沿管道進入汽輪機膨脹做功，帶動發(fā)電機一起高速旋轉(zhuǎn)，從而發(fā)電。下圖所示是火力發(fā)電基本工藝流程：首先由黃河水來的水經(jīng)水處理車間處理后由給水泵經(jīng)省煤器送往鍋爐，加熱到一定溫度的過熱蒸汽后送往汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。在這個過程中實質(zhì)上是四個能量形態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，首先燃氣或煤粉的化學(xué)能經(jīng)過燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這個過程在蒸汽鍋爐或燃汽機的燃燒室完成；再是熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，這個過程在蒸汽機或燃汽輪機完成；最后通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)變成電能。鍋爐是電廠最重要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備之一。在現(xiàn)實生活中有許多發(fā)電形式，例如風力、水力、核能

33、以與潮汐能發(fā)電等。在眾多發(fā)電形式中火力發(fā)電仍是我國主要的發(fā)電形式約占70%80%。 圖2.1 電廠發(fā)電工藝框圖與設(shè)備 2.2 鍋爐簡介鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成。“鍋”就是鍋爐的汽水系統(tǒng)，有省煤器、汽包、下降管、水冷壁、過熱器與再熱器等設(shè)備組成。它的任務(wù)是使水吸熱蒸發(fā)，最后變成一定參數(shù)的過熱蒸汽。其過程是：給水由給水泵打入省煤器以后，逐漸吸熱，溫度升高的給水進入汽包，經(jīng)由下降管進入水冷壁中循環(huán)吸熱，并蒸發(fā)為飽和蒸汽；飽和蒸汽在汽包中經(jīng)分離、清洗后，引入過熱器，逐漸過熱到規(guī)定溫度，成為合格的過熱蒸汽，然后送往汽輪機；過熱蒸汽在汽輪機高壓缸中膨脹做功后，汽溫、汽壓均下降，在高壓缸出口由導(dǎo)管將

34、蒸汽引入鍋爐再熱器中第二次過熱為高溫再熱蒸汽，然后再送往汽輪機中、高壓缸中繼續(xù)做功?！盃t”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膛、煙道、噴燃器與空氣預(yù)熱器等組成。其工作過程是：送風機將空氣送入空氣預(yù)熱器中吸收煙氣中的熱量并送進熱風道，然后分成兩股：一股送給制粉系統(tǒng)作為一次風攜帶煤粉送入噴燃器，另一股作為二次風直接送往噴燃器。煤粉與一、二次風經(jīng)噴燃器噴入爐膛進行燃燒放熱，并將熱量以輻射方式傳給爐膛四周的水冷壁等輻射受熱面；燃燒過程中產(chǎn)生的高溫煙氣沿煙道流經(jīng)過熱器、再熱器、省煤器與空氣預(yù)熱器等設(shè)備，熱量主要以對流方式傳給它們。在傳熱過程中，煙氣溫度不斷降低，經(jīng)除塵后，最后由引風機送入煙囪，排入大氣。從燃燒方式

35、看，國現(xiàn)有的300、600MW級鍋爐主要有三種技術(shù)形式：第一種是四角切圓燃燒方式，第二種是對沖燃燒方式，第三種是W型燃燒方式。四角切圓式燃燒鍋爐多數(shù)采用擺動式燃燒器調(diào)節(jié)再熱汽溫，也可采用煙氣擋板和其他調(diào)溫方式。而對沖燃燒鍋爐采用旋流式燃燒器，多數(shù)采用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫。從循環(huán)方式看，主要有四種形式：自然循環(huán)、控制循環(huán)、復(fù)合循環(huán)或低倍率循環(huán)方式。四角燃燒鍋爐的循環(huán)方式趨于多樣化，上述四種形式都占相當數(shù)量。而對沖燃燒鍋爐，多數(shù)采用自然循環(huán)方式。從受熱面系統(tǒng)來看，對于采用擺動式燃燒器調(diào)溫的鍋爐，除了水平煙道和尾部煙道的貼墻管過熱器外，煙道中的主受熱面系統(tǒng)布置大致形成了兩種形式：一種是過熱器和再熱器

36、都采用輻射+對流式的系統(tǒng)，再熱器采用對流式系統(tǒng)；另一種是過熱器采用輻射+對流式的系統(tǒng)，再熱器采用對流式系統(tǒng)。從鍋爐形式看，有U型布置、塔形布置形式、W型火焰布置形式。2.3 燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)計鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)的目的是控制燃燒過程，使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)外界對鍋爐輸出的蒸汽負荷的需求，同時保證鍋爐的安全經(jīng)濟運行。鍋爐燃燒過程自動控制主要包括以下控制容： 1.維持主蒸汽壓力的恒定。機組在不同的負荷控制方式下，燃燒系統(tǒng)的任務(wù)是不一樣的，但總體來說，都是要滿足主控系統(tǒng)輸出的爐主控指令。在汽輪機跟隨方式下，燃燒系統(tǒng)主要是保證機組實發(fā)功率等于負荷要求值；在鍋爐跟隨方式下，主要是保證主蒸汽的壓力

37、等于給定值；在協(xié)調(diào)方式下，兩個參數(shù)都要兼顧。2.控制風燃比。為了實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒,必須相應(yīng)地調(diào)節(jié)送風量，使送風量(單位時間送入爐膛的空氣重量)與燃料量相適應(yīng)。燃燒過程的經(jīng)濟與否可以從過?？諝庀禂?shù)是否合適來衡量，過?？諝庀禂?shù)通?？捎脽煔庵械暮趿縼黹g接表示，也可通過使風量與燃料量成一定比例的方法實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒。控制送風量也是為了實現(xiàn)安全運行，若風量相對于燃料量太少的話，亦可能導(dǎo)致熄火事故。3.維持爐膛壓力穩(wěn)定。爐膛壓力是否在允許的圍變化，關(guān)系到鍋爐的安全經(jīng)濟運行。在正常工作時，爐膛壓力要為微負壓，通常為-20Pa，為了保持爐膛壓力在要求的圍，引風量(單位時間從爐膛引出的煙氣重量)必須與送風量相適應(yīng)。爐

38、膛壓力的高低也關(guān)系著鍋爐的安全、經(jīng)濟運行。爐膛壓力過低，會使大量的冷風進入爐膛，將會增大引風機的負荷和排煙損失，可能使燃燒惡化，燃燒損失增大，甚至?xí)紵环€(wěn)定或滅火，爐膛壓力太低甚至?xí)鸨?；反之，爐膛壓力高且高出大氣壓力時，爐膛火焰和高溫煙氣就會向外面泄露，使煙氣冒出，不僅會影響環(huán)境衛(wèi)生，甚至可能影響設(shè)備和人身安全。 鍋爐燃燒過程的上述三項控制任務(wù)是不可分開的，它的三個被控參數(shù)，即主蒸汽壓力或機組負荷、尾部煙氣含氧量、爐膛壓力，與燃料量、送風量、引風量三個調(diào)節(jié)量之間的關(guān)聯(lián)，所以燃燒控制系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)應(yīng)協(xié)調(diào)動作，共同完成其控制任務(wù)。燃燒控制系統(tǒng)除了以上三個主要部分（燃料、送風、引風控制）外，

39、還有一次風壓控制，磨煤機風量、風溫控制，二次風控制（輔助風、燃料風和燃盡風三項）等。因此，燃燒控制系統(tǒng)是一個較大的綜合控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)綜合控制，才能保證鍋爐正確響應(yīng)機組負荷的要求和自身的安全經(jīng)濟運行。燃燒過程是否穩(wěn)定直接關(guān)系到鍋爐運行的可靠性。例如，燃燒過程不穩(wěn)將引起蒸汽參數(shù)發(fā)生波動；爐膛溫度過低將影響燃料的著火和正常燃燒，容易造成爐膛滅火；爐膛溫度過高或火焰中心偏斜將可能引起水冷壁、凝渣管或燒損設(shè)備，并可能增大過熱器的熱偏差，造成局部管壁超溫等。對于大容量高參數(shù)鍋爐，燃燒條件適當（燃料完全燃燒、爐膛溫度場和熱負荷分布均勻）則更是達到安全可靠運行的必要條件。2.3.1控制系統(tǒng)的控制目的下面通

40、過對空氣過剩系數(shù)U與節(jié)能關(guān)系的分析來說明風燃比控制系統(tǒng)所要達到的目的，對于具體的控制方案將在第三章給出。圖2.2空氣過剩系數(shù)和節(jié)能圖上圖所示為燃料在鍋爐燃燒過程中空氣過剩系數(shù)和節(jié)能與防止污染的關(guān)系，圖中曲線1代表燃料不完全燃燒的熱損失，曲線2表示煙囪排出廢氣的熱損失，曲線3代表總能量損失。由圖可見，在上述兩種情況之間存在著一個熱損失少和污染小、熱效率高的低氧燃燒區(qū)，這種情況使排煙量減少，火焰溫度升高，并使得高溫區(qū)熱效率提高，這就是最佳燃燒區(qū)。一般以煤粉為燃料的燃燒系統(tǒng)最佳燃燒區(qū)的空氣過剩系數(shù)在1.02-1.10之間，理想的燃燒過程應(yīng)該是無論負荷穩(wěn)定還是極具變化的情況都能在最佳燃燒區(qū)進行。隨著空

41、氣過剩系數(shù)U從1.10開始增加時，燃燒所需之外多余的空氣被加熱后從煙囪排出，因此熱損失隨U的增加而增大，熱效率1.02開始減小時，由于燃燒所需空氣不足，燃料燃燒不充分，一方面要冒黑煙污染環(huán)境，另一方面是熱損失增大，從而熱效率也逐漸降低。由此可見，在上述的兩種情況之間存在著一個熱氣燃燒區(qū)，稱為最佳燃燒區(qū)。2.3.2爐膛負壓控制任務(wù)與有關(guān)的安全保護系統(tǒng)爐膛壓力控制系統(tǒng)是屬于鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，它是提高爐溫均勻性，穩(wěn)定的供風與燃料供給系統(tǒng)是燒嘴穩(wěn)定燃燒的必要保證，爐膛壓力是實現(xiàn)加熱爐自動控制的重要參數(shù)之一。爐壓過高時,火煙就會大量冒出，不僅使大量有效熱量散失，同時，引起的冒火還會導(dǎo)致勞動環(huán)

42、境的惡化，既影響環(huán)境衛(wèi)生，又可能危與設(shè)備與操作人員的安全。爐壓過低時,會吸入大量的冷風,增加引風機的電耗和煙氣帶走的熱量損失。圖2.3 爐膛負壓控制系統(tǒng)與連鎖保護 它通過調(diào)節(jié)兩臺引風機，使引風量和送風量相適應(yīng)，以保持爐膛壓力在允許圍之，保證鍋爐的經(jīng)濟與安全運行。當燃料為煤氣或焦爐氣時，要考慮燃氣壓力過高時會發(fā)生“脫火”，壓力過低時又會發(fā)生“回火”，兩者均可造成事故。系統(tǒng)中，P1C為正常工況時使用的調(diào)節(jié)器，P3C為壓力過高時使用的取代調(diào)節(jié)器。P1C、P3C都是反作用調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥為氣開閥。系統(tǒng)在正常運行時PC下限節(jié)點是斷開的，電磁閥失電低值選擇器LS選擇P1C信號控制調(diào)節(jié)閥。當蒸汽壓力上升時，調(diào)

43、節(jié)閥P1C減?。ǚ醋饔茫{(diào)節(jié)閥關(guān)小燃氣流量減小，蒸汽壓力下降；反之亦然。由于工藝原因，當燃氣壓力降到某一下限值、達到有可能“回火”時，PC下限節(jié)點接通，電磁閥得電于是切斷了低值選擇器LS至調(diào)節(jié)閥的通路，并使調(diào)節(jié)閥的膜頭與大氣相通調(diào)節(jié)閥關(guān)閉實現(xiàn)硬保護。當蒸汽壓力下降到某一下限值。導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的閥后壓力增大有可能產(chǎn)生“脫火”時，此時P2C調(diào)節(jié)器的輸出大幅度下降（反作用），并低于P1C調(diào)節(jié)器的輸出值。此時通過低值選擇器，選擇了P2C的輸出信號，調(diào)節(jié)閥的開度由P2C控制，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的閥后壓力下降，從而避免“脫火”事故的方式。當工況恢復(fù)正常后，P1C調(diào)節(jié)器的輸出又高于P2C調(diào)節(jié)器的輸出，P2C自動切除，

44、P1C又自動投入運行。2.4整體設(shè)計設(shè)計鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)的目的是控制燃燒過程，使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)外界對鍋爐輸出的蒸汽負荷的需求，同時保證鍋爐的安全經(jīng)濟運行。過程控制的容包括:采用正確的控制策略、配置合理的控制系統(tǒng)、選用合適的控制設(shè)備與恰當?shù)耐ㄓ嵕W(wǎng)絡(luò)等。通過對整個熱工控制系統(tǒng)的分析，根據(jù)鍋爐的燃燒特點，本系統(tǒng)采用了交叉限幅的方式進行控制，并依此對整個熱工控制系統(tǒng)進行了總體設(shè)計。結(jié)構(gòu)框圖如圖2-l。圖2.4系統(tǒng)整體框圖 系統(tǒng)設(shè)計主要由上位工控機的監(jiān)控部分、PLC系統(tǒng)，信號檢測部分與執(zhí)行機構(gòu)幾部分組成，其中工控機和PLC采用PROFIBUS-DP工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進行通訊。上位工控機在線實時記錄、

45、監(jiān)控和顯示數(shù)據(jù)；PLC向上位機傳遞設(shè)備的實時狀態(tài)，接受并執(zhí)行上位機的實時控制命令，通過換向閥和執(zhí)行機構(gòu)對燃燒介質(zhì)(煤粉和空氣)的流量進行控制，從而達到最終控制溫度的目的。在整個熱工控制系統(tǒng)中溫度的控制是由控制燃燒介質(zhì)(煤粉和空氣)流量得以實現(xiàn)的。因此溫度、流量的測量對整個控制系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。本章主要就溫度、壓力和流量的檢測原理、傳感器的選型與檢測方式做詳細描述。2.5系統(tǒng)流量信號的檢測流量的檢測是先通過節(jié)流元件孔板產(chǎn)生差壓，然后再由差壓變送器將流體流過孔板時所產(chǎn)生的壓力差，按比例地變換成標準電流信號。以下重點介紹孔板測量流量。2.5.1孔板孔板的測量原理:在充滿流體的管道中固定放置一個

46、流通面積小于管道截面積的節(jié)流件，當流體流經(jīng)節(jié)流件時就會造成局部收縮。在收縮處，流速增加，靜壓力降低，在節(jié)流件前后產(chǎn)生靜壓差。實踐證明，對于一定形狀和尺寸的節(jié)流件，一定的測壓位置和前后直管段，在一定的流體參數(shù)情況下，節(jié)流件前后的差壓差與流量q之間有一定的函數(shù)關(guān)系。因此，可以通過測量節(jié)流件前后的壓差來測量流量。流體通過孔板的流動情況如圖所示，在-截面前，流體尚未受節(jié)流件的影響，管道流速分布同節(jié)流件前較長直管段形成的規(guī)則速度分布(稱為充分發(fā)展管流)，管道軸心處的靜壓與管壁處的靜壓相等，-截面后，流體開始受節(jié)流件的影響，靠近管壁的流體向中心加速，平均流速V1逐漸升高，直至-截面(孔板開孔后一定距離)，

47、流速收縮到最小，平均流速達到最大值V2，只是因為流體的慣性使得流束經(jīng)孔口后有射流現(xiàn)象；圖2.5孔板 自-截面后，流束開始膨脹，直至-截面，又恢復(fù)到-截面前的情況，此時平均流速由V1逐漸降低至V3，與平均流速相對應(yīng)的靜壓P亦經(jīng)歷由低到高再恢復(fù)到低值。在流體進入節(jié)流件前、后的管壁附近形成渦流，流體微團不僅有橫向脈動，而且還有逆向運動，是一種非常復(fù)雜的流動狀態(tài)，所以孔板的壓力損失較高，就是由這些渦流能量耗散造成的。2.5.2 差壓變送器差壓變送器是一種變送單元，能夠?qū)⒘黧w流過節(jié)流元件時所產(chǎn)生的壓力差，按比例地變換成標準電流信號。節(jié)流式差壓變送器具有兩個非常突出的優(yōu)點:l)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，成本低，

48、又具有一定的準確度，基本能滿足工程測量的需要。2)研究設(shè)計和使用歷史悠久，有豐富的、可靠的實驗數(shù)據(jù)，設(shè)計加工己經(jīng)標準化。只要按照標準設(shè)計加工的節(jié)流式流量計，不需要進行標定，也能在己知的不確定度圍進行流量測量。2.5.3系統(tǒng)流量檢測裝置的選型與檢測方式1、孔板的選型系統(tǒng)孔板測量采用法蘭取壓方式?？装宓男问礁鶕?jù)實際情況采用標準孔板?？装宓脑O(shè)計和選用，需要通過參考介質(zhì)特性(比如密度、常用壓力、管道通徑、使用溫度、差壓刻度等參數(shù))，委托專業(yè)廠家進行孔板計算和制作。采用孔板測量流量，精度和使用狀況都比較理想。2、流量測量點與檢測方框圖需要檢測的流量信號有二段空氣流量和二段高爐煤氣流量。流量傳感器選用的是

49、孔板與差壓式電容傳感器，流量的節(jié)流裝置必須參考以下技術(shù)參數(shù)進行計算表2.1 孔板的型號 FE101FE102FE103FE104測量介質(zhì)名稱一次風二次風一次風二次風最大流量25000NM3/H35000NM3/H25000NM3/H35000NM3/H平均流量20000NM3/H30000NM3/H20000NM3/H30000NM3/H最小流量0000被測介質(zhì)壓力10KPa40KPa10KPa40KPa被測介質(zhì)溫度常溫常溫常溫常溫相對濕度77%77%77%77%計算差壓2.5 KPa2.5 KPa2.5 KPa2.5 KPa20oC時管道徑DN710DN910DN810DN910管道壁厚5m

50、m5mm5mm5mm采用節(jié)流件形式孔板孔板孔板孔板取壓方式法蘭取壓法蘭取壓法蘭取壓法蘭取壓安裝節(jié)流件的管道位置水平管道水平管道水平管道水平管道容許壓力損失<最大壓差值的3%<最大壓差值的3%<最大壓差值的3%<最大壓差值的3%2.7系統(tǒng)壓力信號的檢測2.7.1電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是

51、將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路(通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU)顯示或執(zhí)行機構(gòu)。金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：=R*L/S (2-1)式中：金屬導(dǎo)體的電阻率S導(dǎo)體的截面積L導(dǎo)體的長度2.7.2擴散硅壓力傳感器的選用擴散硅壓力傳感器被測介質(zhì)的壓力直接作

52、用于傳感器的膜片上(不銹鋼或瓷)，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對應(yīng)于這一壓力的標準測量信號。擴散硅數(shù)字壓力計是目前應(yīng)用比較廣泛的數(shù)字壓力測量儀表.它所采用的擴散硅壓力傳感器具有體積小、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、使用方便等優(yōu)點。2.8 本章小結(jié)本章簡要介紹了電力生產(chǎn)的工藝和鍋爐的概念和鍋爐燃燒的工藝，通過對鍋爐燃燒控制系統(tǒng)整體的分析和對它的各個子系統(tǒng)的分析，了解到空燃比控制系統(tǒng)相對于其它控制子系統(tǒng)來說更加重要，更能體現(xiàn)燃燒經(jīng)濟性和先進的控制手段，所以對于本設(shè)計主要分析的空燃比控制系統(tǒng)將在下一章做詳細的分析。燃燒系統(tǒng)的目的是將溫

53、度控制到工藝要求值，而溫度的控制是由控制煤粉和空氣的流量得以實現(xiàn)，因此溫度和流量的測量就尤為重要。測量元件的選型和精確度直接關(guān)系到燃燒的經(jīng)濟和質(zhì)量。本章主要就壓力信號的檢測和流量信號檢測的傳感器原理、選型與測量方式做了詳細論述。第三章 空燃比控制方案的確定3.1 概述燃燒過程的實質(zhì)是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝麩崮艿哪芰哭D(zhuǎn)換過程。燃燒過程控制的根本任務(wù)是與時響應(yīng)主控系統(tǒng)的輸出指令，使燃料所提供的熱量適應(yīng)鍋爐蒸汽負荷的需要，同時還要保證鍋爐燃燒的安全性和經(jīng)濟性。燃燒的經(jīng)濟性主要是保證有合適的空/燃比，而安全性是保證鍋爐處于過氧燃燒的狀況與維持爐膛負壓為設(shè)定值。燃燒更充分的具體任務(wù)與其控制策略因燃料種

54、類、制粉系統(tǒng)、燃燒設(shè)備以與鍋爐的運行方式不同而有所區(qū)別。鍋爐燃燒工況的好壞，不但直接影響鍋爐本身的運行工況和參數(shù)變化，而且對整個機組運行的安全與經(jīng)濟有著極大的影響。因此，無論是正常運行還是啟停過程，均應(yīng)合理組織燃燒，保證燃燒工況穩(wěn)定、良好。3.2空燃比控制系統(tǒng)的設(shè)計通過上面的分析我們明確了燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù)，這樣便可以根據(jù)需求設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖所示：圖3.1串級比值控制系統(tǒng) 鍋爐溫度主調(diào)節(jié)器TC的輸出直接作為燃料和空氣流量調(diào)節(jié)器FC的給定值。通過調(diào)整K，可以改變空氣量和燃料量之間的配比關(guān)系。其中空燃比K與剩余空氣系數(shù) U的關(guān)系為：K=×U (2-2)它們的定義分別為： U=

55、實際空氣量/理論空氣量，是量程修正系數(shù)：它的定義為A0乘以最大燃料量、最大空氣量的比值。A0為單位體積或質(zhì)量的燃料完全燃燒所需的理論空氣量。由上所述可以得出，當剩余空氣系數(shù)U=1.021.10之間時，燃料燃燒的熱效率最高。串級和比值綜合控制系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)的區(qū)別在于，串級和比值控制綜合系統(tǒng)中的串級部分形成了兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，為副環(huán)，它的輸出直接送往調(diào)節(jié)閥進而控制生產(chǎn)過程，由此可見，簡單系統(tǒng)只需添加少量的儀表，便可以是控制系統(tǒng)得到很大的改善。串級控制系統(tǒng)具有以下的特點：1).可以改善對象的控制特性，提高系統(tǒng)的工作效率。2).能迅速客服進入副環(huán)的干擾，抗干擾能力強，控制質(zhì)量高。3).具有一定

56、的自適應(yīng)能力。串級控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于以下過程：1) 應(yīng)用于容量滯后較大的過程；2) 適用于純時延較大的過程；3) 應(yīng)用于干擾激烈而且幅度大的過程；4) 應(yīng)用于參數(shù)相互關(guān)聯(lián)的過程；5) 應(yīng)用于非線性過程。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下：圖3.2 串級比值控制系統(tǒng)方框圖但是該控制系統(tǒng)還是不能滿足工藝的需求，鍋爐在燃料燃燒過程中，不僅要保證穩(wěn)態(tài)情況之下剩余空氣系數(shù)U一定，更重要的是在外部需求增加，鍋爐負荷增加時，保證剩余空氣系數(shù)系數(shù)U在合理的變化圍，但是事實上，由于空氣流動管特性與燃料流動管特性的差異，燃燒器特性的變化，測量存在的誤差等因素的存在，這套方案即使在穩(wěn)態(tài)的情況之下，空氣和燃料量的配比關(guān)系

57、也很難得到保證。而且即使在不考慮空氣、燃料流量回路對象特性的差異，而將溫度調(diào)節(jié)器的輸出信號同時直接送給兩個流量變送器，這將造成升負荷時，U值偏低，燃料燃燒不充分。降負荷時，U值偏高，增加排煙熱損失。這兩種情況都造成了鍋爐燃燒效率低下，同時有污染了環(huán)境。所以，對于上述問題，必須改善空氣和燃料之間的動態(tài)配比。為此，應(yīng)該對空氣，燃料流量采用相互交叉限制的措施，保證在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)情況之下，U的值始終維持在最佳燃燒區(qū)，熱效率得到有效提高。3.2.1單交叉限幅控制系統(tǒng)圖3.4 單交叉限幅控制系統(tǒng) 由圖可知，它是在串級和比值綜合系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上增加了高值選擇器和低值選擇器HS、LS正偏置+a1和負偏置-a2，用來實現(xiàn)燃料流量和空氣流量之間的相互制約，防止剩余空氣系數(shù)