發(fā)電廠燃煤鍋爐燃燒PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、 . 發(fā)電廠燃煤鍋爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要在熱電廠中，以單位機(jī)組為控制對(duì)象有：鍋爐汽包水位控制、燃燒過程控制以與過熱蒸汽溫度，過熱蒸汽溫度控制又包括過熱蒸汽溫度控制和再熱蒸汽溫度控制。其中，熱電廠鍋爐的燃燒控制對(duì)整個(gè)發(fā)電過程的安全性與經(jīng)濟(jì)性起著重要的作用，所以對(duì)它高效率的控制是現(xiàn)在熱電廠的一個(gè)重要任務(wù)。本文以一臺(tái)工業(yè)控制機(jī)作為上位機(jī)，以西門子S7-300可編程控制機(jī)為下位機(jī)，系統(tǒng)通過變頻器控制電機(jī)的啟動(dòng)，運(yùn)行和調(diào)速。上位機(jī)監(jiān)控采用WinCC設(shè)計(jì)，主要完成系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟?？刂?，參數(shù)設(shè)定，報(bào)警聯(lián)動(dòng)，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。下位機(jī)控制程序采用西門子公司的STEP7編程軟件設(shè)計(jì)，主要完成模擬

2、量信號(hào)的處理，溫度和壓力信號(hào)的PID控制等功能，并接受上位機(jī)的控制指令以完成風(fēng)機(jī)啟?？刂?，參數(shù)設(shè)定，循環(huán)泵的控制和其余電動(dòng)機(jī)的控制。關(guān)鍵詞:熱電廠；鍋爐燃燒；單片機(jī)；控制Coal-fired power boilers burning singlechip control system designAbstractThermal power plant boiler combustion control plays an important role in security and economy of the entire power generation process, the cont

3、rol of its high efficiency thermal power plant is an important task. In this paper, the analysis and study of the entire combustion system, the boiler combustion control system, main steam pressure control system and the furnace pressure and control system control program, then its control law and p

4、arameter selection and tuning. Instrument selection, using advanced digital instrument, and using the Cygnal microcontroller design an intelligent combustion control system, given the hardware and software flow chart. The controller to the new C8051F020 MCU as the core, the use of fuzzy PID algorith

5、m for computing and control, not only can be analog, digital signal sampling and processing, but also to complete the state detection and control, alarm and fault handling functions. The control system has a fast, high precision, high reliability and a simple hardware structure. Finally, you can rea

6、ch the boiler safe, economical and efficient operation.Keywords: heat and power plant; boiler combustion; microcontroller; control44 / 46目錄摘要1Abstract1目錄1第一章緒論21.1研究目的和研究意義21.2國外研究現(xiàn)狀3第二章熱電廠的生產(chǎn)工藝與單元機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)52.1熱電廠的生產(chǎn)工藝52.2熱電廠單元機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)62.2.1汽包水位控制62.2.2爐膛負(fù)壓控制82.2.3蒸汽壓力控制92.2.4經(jīng)濟(jì)燃燒控制10第3章硬件設(shè)計(jì)113.1 用

7、戶系統(tǒng)框圖113.2 鍋爐系統(tǒng)控制的對(duì)象123.3燃燒過程控制183.4鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)183.5控制系統(tǒng)構(gòu)成20第4章軟件設(shè)計(jì)234.1 S7-300系列PLC簡(jiǎn)介244.2 PLC編程語言簡(jiǎn)介264.2.1 PLC編程語言的國際標(biāo)準(zhǔn)264.2.2復(fù)合數(shù)據(jù)類型與參數(shù)類型274.2.3系統(tǒng)存儲(chǔ)器284.2.4 S7-300 CPU中的寄存器294.3 STEP7 的原理304.3.1 STEP7概述304.3.2 硬件組態(tài)與參數(shù)設(shè)置314.3.3 符號(hào)表344.3.4 邏輯塊354.3程序設(shè)計(jì)374.4通信系統(tǒng)39第五章結(jié)束語41參考文獻(xiàn)：42第一章 緒論1.1研究目的和研究意義熱力電廠的一系

8、列系統(tǒng)和生產(chǎn)流程和生產(chǎn)工藝，這些大致可以分為水處理系統(tǒng)、鍋爐燃燒系統(tǒng)、汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、這樣大的四個(gè)系統(tǒng)，其中鍋爐是發(fā)電過程中必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，它所產(chǎn)生的高壓蒸汽既可以驅(qū)動(dòng)透瓶，又可以作為精餾、干燥、反應(yīng)、加熱等過程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷增大，作為動(dòng)力和熱源的鍋爐，也向著大容量、高參數(shù)、高效率的方向發(fā)展。鍋爐的控制主要分為兩大部分:燃燒控制系統(tǒng)和汽包水位控制系統(tǒng)。汽包水位一般采用三沖量控制，能達(dá)到較好的控制效果，而鍋爐的燃燒過程，是一個(gè)多參數(shù)、多回路、非線性、大滯后、強(qiáng)禍合的控制系統(tǒng)，較難控制。因此，自二十世紀(jì)九十年代以來，隨著超大型可編程控制器的出現(xiàn)和模糊控制，國外就

9、將自適應(yīng)控制等智能控制算法技術(shù)應(yīng)用于鍋爐的控制。使鍋爐控制水平大大提高，實(shí)現(xiàn)了鍋爐優(yōu)化控制。國研究鍋爐自動(dòng)控制雖然現(xiàn)在也比較成熟，但主要是儀表顯示、報(bào)表打印等功能，控制水平有限，可靠性不夠高。和國外鍋爐自動(dòng)控制比較仍存在一定的差距。1.大多數(shù)現(xiàn)有的鍋爐控制系統(tǒng)可控制的主要還是開關(guān)量設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、爐排和水泵的開關(guān)或者閥門控制。不能對(duì)它們精確連續(xù)調(diào)節(jié)，使控制手段單一，控制精度低。2.鍋爐控制系統(tǒng)的的控制方案不夠合理，鍋爐控制器一旦出現(xiàn)故障，只能采取系統(tǒng)斷電處理，進(jìn)行人工操作。若鍋爐系統(tǒng)中的傳感器、變送器等設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，溫度、壓力等參數(shù)就無法達(dá)到設(shè)定值。因此，本文根據(jù)熱電廠鍋爐控制流程，以C805

10、1F020單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一種火電廠鍋爐燃燒煤空比的控制系統(tǒng)。目的是提高電廠燃煤鍋爐的控制水平。節(jié)約能源，降低環(huán)境污染。系統(tǒng)采用模糊PID算法進(jìn)行運(yùn)算和控制,不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬、數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣和處理,而且還可以完成狀態(tài)檢測(cè)和控制、報(bào)警以與故障處理等功能。該控制系統(tǒng)具有速度快、精度高、可靠性高和硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。最后可達(dá)到鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)行。1.2國外研究現(xiàn)狀鍋爐的自動(dòng)化控制從上世紀(jì)三、四十年代就開始了，當(dāng)時(shí)大都為單參數(shù)儀表控制，進(jìn)入上世紀(jì)五十年代后，美國、前聯(lián)等國家都開始進(jìn)行對(duì)鍋爐的操作和控制的進(jìn)一步研究。但由于當(dāng)時(shí)科技發(fā)展的局限性，對(duì)鍋爐的控制主要停留在使用汽動(dòng)儀表(包括汽動(dòng)單

11、元組合儀表和汽動(dòng)基地式儀表)的階段，而且大多數(shù)鍋爐只是檢測(cè)工藝參數(shù)，不進(jìn)行自動(dòng)控制。到上世紀(jì)六十年代，在發(fā)達(dá)國家，鍋爐的控制主要以電動(dòng)單元組合儀表(相當(dāng)于我國的DDZ-II, DDZ-III儀表)檢測(cè)與控制，還是以檢測(cè)報(bào)警為主，控制為輔助功能。到了上世紀(jì)七十年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)理論的發(fā)展，使得鍋爐的計(jì)算機(jī)控制成為可能。尤其是近一、二十年來，隨著先進(jìn)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，加之計(jì)算機(jī)各種性能的不斷增強(qiáng)，價(jià)格的大幅度下降，使鍋爐應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制很快得到了普與和應(yīng)用。許多發(fā)達(dá)國家都相繼開發(fā)出了鍋爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。如今在國外，鍋爐的控制己基本實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，在控制方法上都采用

12、了現(xiàn)代控制理論中的最優(yōu)控制、多變量頻域、模糊控制等方法，因此，鍋爐的熱效率很高、鍋爐運(yùn)行平穩(wěn)，而且減少了對(duì)環(huán)境的污染。在國，由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的限制，中小企業(yè)鍋爐設(shè)備水平一直比較落后，大多數(shù)中小型鍋爐水平基本上停留在手動(dòng)和簡(jiǎn)單儀表操作的水平。80年代中后期，隨著先進(jìn)的控制技術(shù)引入我國的鍋爐控制，鍋爐的計(jì)算機(jī)控制得到了很大的發(fā)展。至90年代，鍋爐的自動(dòng)化控制己成為一個(gè)熱門領(lǐng)域，利用單片機(jī)、可編程序控制器、工業(yè)計(jì)算機(jī)以與引進(jìn)的國外控制設(shè)備開發(fā)的各種控制系統(tǒng)，己逐漸用于對(duì)原有鍋爐的技術(shù)改造中，并向與新建爐體配套的方向發(fā)展，許多新的控制方法，諸如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等自

13、動(dòng)控制的最新成果也在鍋爐自動(dòng)控制中得到了嘗試和應(yīng)用.但由于控制技術(shù)單一，或控制算法的建模往往不能反映真實(shí)的鍋爐燃燒狀況，導(dǎo)致在工程實(shí)踐中并不怎么成功，不能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益，挫傷了用戶在工業(yè)鍋爐上用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的積極性。進(jìn)入本世紀(jì)以來，為了進(jìn)一步改善鍋爐操作狀況，降低能耗，確保安全運(yùn)行，減少對(duì)大氣的污染，同時(shí)隨著人工智能理論的發(fā)展成熟，智能控制技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，對(duì)新一代鍋爐計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用已勢(shì)在必行且條件成熟。國供熱鍋爐燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制大多在燃油和燃?xì)忮仩t上實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于燃煤鍋爐，在自動(dòng)控制研究方面總是得不到滿意的效果，存在的主要問題是滯后問題。近幾年變頻技術(shù)在我國的應(yīng)用領(lǐng)域越來

14、越廣，在鍋爐控制方面也有應(yīng)用，主要有三種形式，全自動(dòng)變頻定壓；鍋爐鼓、引風(fēng)機(jī)變頻控制；循環(huán)泵變頻控制，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié)。三種形式均有獨(dú)立應(yīng)用的例，也有組合應(yīng)用，但主要是以人工控制為主，節(jié)能效果仍然取決于司爐人員的經(jīng)驗(yàn)，水平和責(zé)任意識(shí)。近年來，建立在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)之上的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用，它的主要任務(wù)是采集和管理各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視和控制，并保存歷史數(shù)據(jù)和故障事件，提供報(bào)表輸出和計(jì)算、分析SCADA系統(tǒng)作為生產(chǎn)過程和事物管理自動(dòng)化最為有效的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)之一，它有兩層含義：一是分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也就是通常所說的下位機(jī)；另一個(gè)是數(shù)據(jù)處理和顯

15、示系統(tǒng)，即上位機(jī)HMI(HumanMachine Interface，人機(jī)界面)系統(tǒng)，下位機(jī)通常是指硬件層上的，即各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如RTU(RemoteTerminal Unit，遠(yuǎn)程終端測(cè)控單元)、PLC(ProgrammableLogic Controller，可編程邏輯控制器)與各種智能控制設(shè)備等等。這些智能采集設(shè)備與生產(chǎn)過程和事務(wù)管理的設(shè)備或儀表相結(jié)合，實(shí)時(shí)感知設(shè)備中各種參數(shù)的狀態(tài)，并將這些狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過特定的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到HMI系統(tǒng)中；必要的時(shí)候，這些智能系統(tǒng)也可以向設(shè)備發(fā)送控制信號(hào)。上位機(jī)HMI系統(tǒng)在接受這些信息后，以適當(dāng)?shù)男问?如聲音、圖形、圖像等方式)顯示給

16、用戶，以達(dá)到監(jiān)視的目的，同時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，告知用戶設(shè)備各種參數(shù)的狀態(tài)(報(bào)警、正?；驁?bào)警恢復(fù))。這些處理后的數(shù)據(jù)可能會(huì)保存到數(shù)據(jù)庫中，也可能通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)讲煌谋O(jiān)控平臺(tái)上，還可能與別的系統(tǒng)(如MIS、GIS)結(jié)合形成功能更加強(qiáng)大的系統(tǒng)，HMI還可以接受操作人員的指令，將相應(yīng)的控制信號(hào)發(fā)送到下位機(jī)中，以達(dá)到控制的目的。一個(gè)完善的SCADA系統(tǒng)的建立，依托于高精度、智能化的一次儀表獲取信息，準(zhǔn)確無誤的通訊手段傳輸數(shù)據(jù)和高效快捷的計(jì)算機(jī)處理能力。SCADA系統(tǒng)所涉與到的技術(shù)比較廣泛，有儀表技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。SCADA系統(tǒng)一般由企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度指揮中心、分廠測(cè)控站、管網(wǎng)測(cè)壓點(diǎn)等組成

17、。它所具有的功能一般包括：數(shù)據(jù)采集控制功能，數(shù)據(jù)傳輸功能，數(shù)據(jù)顯示與分析功能，報(bào)警功能，歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索、查詢功能，報(bào)表顯示與打印功能，遙控功能，網(wǎng)絡(luò)功能等。第二章熱電廠的生產(chǎn)工藝與單元機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)2.1熱電廠的生產(chǎn)工藝熱力發(fā)電廠是利用煤燃燒的化學(xué)能產(chǎn)出電能的工廠，即為燃料的化學(xué)能蒸汽的熱勢(shì)能機(jī)械能電能。在鍋爐中，燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝臒崮?，在汽輪機(jī)中，蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩喿有D(zhuǎn)的機(jī)械能，在發(fā)電機(jī)中機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。爐、機(jī)、電是火電廠中的主要設(shè)備，亦稱三大主機(jī)。輔助三大主機(jī)的設(shè)備稱為輔助設(shè)備簡(jiǎn)稱輔機(jī)。主機(jī)與輔機(jī)與其相連的管道、線路等稱為系統(tǒng)，如圖2.1。熱力發(fā)電廠的原料就是原煤。原煤

18、用車運(yùn)送到發(fā)電廠的儲(chǔ)煤場(chǎng)，再用輸煤皮帶輸送到煤斗。再從煤斗落下由給煤機(jī)送入磨煤機(jī)磨成煤粉，并同時(shí)輸送熱空氣來干燥和輸送煤粉。最后送入鍋爐的爐膛中燃燒。燃料燃燒所需要的熱空氣由送風(fēng)機(jī)送入鍋爐的空氣預(yù)熱器中加熱，預(yù)熱后的熱空氣，經(jīng)過風(fēng)道一部分送入磨煤機(jī)作干燥以與送煤粉，另一部分直接引至燃燒器進(jìn)入爐膛。圖2.1鍋爐燃燒流程圖燃燒生成的高溫?zé)煔?，在引風(fēng)機(jī)的作用下先沿著鍋爐的倒“U”形煙道依次流過爐膛，水冷壁管，過熱器，省煤器，空氣預(yù)熱器，同時(shí)逐步將煙氣的熱能傳給過熱器，省煤器，空氣預(yù)熱器以與空氣，自身變成低溫?zé)煔?，?jīng)除塵器和脫硫裝置的凈化后在排入大氣。煤燃燒后生成的灰渣，其的灰子會(huì)因自重從氣流中分離出

19、來，沉降到爐膛底部的冷灰斗中形成固態(tài)渣，最后由排渣裝置排入灰渣溝，再由灰渣泵送到灰渣場(chǎng)。大量的細(xì)小的灰粒（飛灰）則隨煙氣帶走，經(jīng)除塵器分離后也送到灰渣溝。爐給水先進(jìn)入省煤器預(yù)熱到接近飽和溫度，后經(jīng)蒸發(fā)器受熱面加熱為飽和蒸汽，再經(jīng)過熱器被加熱為過熱蒸汽，此蒸汽又稱為主蒸汽。經(jīng)過以上流程，就完了燃料的輸送和燃燒、蒸汽的生成燃物（灰、渣、煙氣）的處理與排出。由鍋爐過熱器出來的主蒸汽經(jīng)過主蒸汽管道進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從汽輪機(jī)排出的乏汽排入凝汽器，在此被凝結(jié)冷卻成水，此凝結(jié)水稱為主凝結(jié)水。主凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵送入低壓加熱器，有汽輪機(jī)抽出部分蒸汽后再進(jìn)入除氧器，在其過繼續(xù)加

20、熱除去溶于水中的各種氣體（主要是氧氣）。經(jīng)化學(xué)車間處理后的補(bǔ)給水成為鍋爐的給水，再經(jīng)過給水泵升壓后送往高壓加熱器，然后送入鍋爐。循環(huán)水泵將冷卻水（又稱循環(huán)水）送往凝結(jié)器，這就形成循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。以上流程，完成了蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，電能，以與鍋爐給水供應(yīng)的過程。2.2熱電廠單元機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)在熱電廠中，以單位機(jī)組為控制對(duì)象，可以討論的控制系統(tǒng)有，鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)、燃燒過程控制系統(tǒng)以與過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)，過熱蒸汽溫度控制又包括過熱蒸汽溫度控制和再熱蒸汽溫度控制。鍋爐控制系統(tǒng)可以分為汽包水位控制系統(tǒng)和燃燒控制系統(tǒng)。燃燒控制系統(tǒng)包括:蒸汽壓力控制系統(tǒng)、爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)燃燒控制系統(tǒng)。

21、2.2.1汽包水位控制汽包水位是鍋爐安全運(yùn)行的主要參數(shù)之一。水位過高會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過熱器并在過熱器管結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重的將引起過熱器爆管;水位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而爆管。尤其是大型鍋爐，例如，30萬KW機(jī)組的鍋爐蒸發(fā)量為1024t/h，而汽包的容積較小，一旦控制不當(dāng)，則會(huì)在十幾秒使汽包的水全部汽化，造成嚴(yán)重的事故。故鍋爐汽包給水控制系統(tǒng)的任務(wù)就是保證汽包水位在容許的圍，并兼顧鍋爐的平穩(wěn)運(yùn)行。常用的水位控制系統(tǒng)有以下三種:單沖量給水控制系統(tǒng)，即以水位為唯一調(diào)節(jié)信號(hào)的單參數(shù)、單回路控制系統(tǒng);雙沖量給水控制系統(tǒng)，以蒸汽流量作為補(bǔ)充信號(hào)的雙參數(shù)控制系統(tǒng);三沖量給

22、水控制系統(tǒng)，以蒸汽流量和給水流量作為補(bǔ)充信號(hào)的三參數(shù)控制系統(tǒng)。單沖量水位控制系統(tǒng)只根據(jù)水位變化去改變給水調(diào)節(jié)閥的開度。對(duì)中小型鍋爐，由于汽包相對(duì)對(duì)于負(fù)荷而言容量較大，水位受到擾動(dòng)的反應(yīng)速度較慢，虛假水位現(xiàn)象不是很嚴(yán)重。因此一般采用單沖量控制方法就可滿足生產(chǎn)要求。雙沖量控制系統(tǒng)引入蒸汽量作為補(bǔ)充信號(hào)，是為了克服虛假水位對(duì)控制的不良影響。當(dāng)蒸汽負(fù)荷變化引起水位大幅度波動(dòng)時(shí)，蒸汽流量信號(hào)起著超前的作用，可使水位還沒出現(xiàn)變化時(shí)提前時(shí)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，減小水位波動(dòng)，從而改善控制品質(zhì)。但是，當(dāng)給水壓力波動(dòng)引起給水流量發(fā)生變化時(shí)，雙沖量控制方法只有當(dāng)水位發(fā)生變化后才能進(jìn)行控制，因此就不能迅速克服給水壓力變化對(duì)水位

23、的影響。所以針對(duì)本文中的實(shí)際鍋爐對(duì)象，給水控制系統(tǒng)采用三沖量控制方式。一般三沖量給水系統(tǒng)分為單級(jí)三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)和和串級(jí)給水控制系統(tǒng)。蒸汽過熱系統(tǒng)包括一級(jí)過熱器、減溫器、二級(jí)過熱器。控制任務(wù)是是過熱器出口溫度維持在允許的圍，并且保護(hù)過熱器使管壁的溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度過高或過低，對(duì)鍋爐運(yùn)行和蒸汽用戶設(shè)備都是不利的。過熱蒸汽溫度過高過熱器容易受損，汽輪機(jī)也因部過度的熱膨脹而嚴(yán)重影響安全運(yùn)行；過熱溫度過低，一方面使設(shè)備的效率降低，同時(shí)是汽輪機(jī)后幾級(jí)的設(shè)備濕度增加，引起葉片的損壞。所以必須把過熱器出口蒸汽的溫度控制在規(guī)定的圍。過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)常采用減溫水流量作為操縱變量，但由于

24、控制通道的時(shí)間常數(shù)與滯后都較大，組成單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足要求，因此常采用圖2.3所示的串級(jí)控制系統(tǒng)，以減溫水的出口溫度為副參數(shù)，可以提高對(duì)過熱蒸汽溫度的控制質(zhì)量。過熱蒸汽的溫度控制有是還采用雙沖量控制系統(tǒng)，如圖2.4所示，這種方案實(shí)質(zhì)上串級(jí)控制系統(tǒng)的變形，把減溫器出口溫度經(jīng)過微分器作為一個(gè)沖量，其作用與串級(jí)的副參數(shù)相似。圖2.3串級(jí)控制系統(tǒng)圖2.4 雙沖量控制系統(tǒng)2.2.2爐膛負(fù)壓控制鍋爐在正常運(yùn)行中，爐膛負(fù)壓應(yīng)保持在規(guī)定的圍。負(fù)壓過大，漏風(fēng)嚴(yán)重，總的風(fēng)量增加，煙氣熱量損失增大，同時(shí)引風(fēng)機(jī)的電耗增加，不利于經(jīng)濟(jì)燃燒;負(fù)壓偏正，爐膛要向外噴火，不利于安全生產(chǎn)，有害于環(huán)境衛(wèi)生。所以爐膛負(fù)壓必

25、須進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，將其穩(wěn)定在規(guī)定的圍。有文獻(xiàn)采用PID控制系統(tǒng)，如圖2.5所示。圖2.5 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)圖2.2.3蒸汽壓力控制蒸汽壓力是衡量蒸汽供求關(guān)系是否平衡的重要指標(biāo)，是蒸汽的重要參數(shù)。蒸汽壓力過或過高，對(duì)于金屬導(dǎo)管和負(fù)荷設(shè)備都是不利的。壓力太高，會(huì)加速金屬的蠕變，壓力太低，就不能提供給設(shè)備符合質(zhì)量要求的蒸汽。在鍋爐運(yùn)行過程中，蒸汽壓力降低，說明負(fù)荷設(shè)備的蒸汽消耗量大于鍋爐的蒸發(fā)量;蒸汽壓力升高，表明負(fù)荷設(shè)備的蒸汽消耗量小于鍋爐的蒸發(fā)量。因此，控制蒸汽壓力，是安全生產(chǎn)的需要，是維持負(fù)荷設(shè)備正常工作的需要，也是保證燃燒經(jīng)濟(jì)性的需要。鍋爐蒸汽壓力的變化是由于熱平衡失調(diào)引起的.而影響熱平衡的因

26、素主要是燃燒熱和蒸汽熱，燃燒熱的波動(dòng)引起的熱平衡失調(diào)稱為“擾”，而蒸汽熱波動(dòng)引起的熱平衡失調(diào)為了克服外擾對(duì)蒸汽壓力的影響，在各個(gè)基本的單爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)中，輸入到鍋爐的燃燒熱必須跟隨蒸汽熱的變化而變化.以盡量保持熱量平衡同時(shí)根據(jù)蒸汽壓力與給定值的偏差適當(dāng)增減燃料量以增加或減少蒸汽壓力。鍋爐壓力控制系統(tǒng)原理如圖2.6所示。采用帶前饋的串級(jí)PID控制模式。主環(huán)壓力控制根據(jù)蒸汽壓力與設(shè)定值的偏差來調(diào)節(jié)燃料量以保證壓力的穩(wěn)定。副環(huán)燃料控制器根據(jù)主環(huán)輸出與前饋信號(hào)(即外擾)的合成指令去控制進(jìn)入鍋爐的燃料量，克服燃料量波動(dòng)，從而使壓力保持在穩(wěn)定圍之。圖 2.6鍋爐壓力控制系統(tǒng)原理圖2.2.4經(jīng)濟(jì)燃燒控制

27、要使鍋爐燃燒過程出現(xiàn)最佳工況，提高鍋爐的效率和經(jīng)濟(jì)性，必須使空氣和燃料維持適當(dāng)?shù)谋壤?。否則，勢(shì)必增加熱量損失，降低經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，并造成對(duì)周圍環(huán)境的污染。1.傳統(tǒng)的采用氧量計(jì)的燃燒控制系統(tǒng)鍋爐設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的被控對(duì)象，目前在國動(dòng)力行業(yè)廣泛應(yīng)用的燃煤鍋爐中，普遍存在熱效率低、浪費(fèi)嚴(yán)重的問題。雖然存在多種原因，但空氣與煤粉的比例(風(fēng)煤比)是否合適，則是影響燃燒效率的關(guān)鍵因素。目前燃燒控制大多采用傳統(tǒng)PID控制，其優(yōu)點(diǎn)是特性直觀，控制迅速，但其缺點(diǎn)亦很明顯:將風(fēng)煤比簡(jiǎn)單地看成負(fù)荷(汽壓)的單一函數(shù)并近似為比值關(guān)系。然而在不同的負(fù)荷下。合適的過剩空氣率有很大變化，因此單純的比值控制特性并不能保證鍋爐在任

28、何工況下達(dá)到最佳的燃燒狀態(tài);同時(shí).對(duì)于不同的煤種與煤粉特性、爐排轉(zhuǎn)速、煤層厚度不均勻等原因引起的燃料方面的擾動(dòng)，其最佳過剩空氣率亦有較大變化，使得單純的PID控制很難實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)燃燒。燃料燃燒必須在足夠的氧氣環(huán)境下才能充分進(jìn)行，故煙氣中應(yīng)含有一定的過剩空氣。目前，國廣泛采用的是固定風(fēng)煤比加變氧量校正方案.該方案首先通過風(fēng)煤比曲線粗調(diào)給風(fēng)量，然后用煙氣中含氧量加以校正.由于不同負(fù)荷下的過?？諝庀禂?shù)有所不同，所以采用變氧量校正方案可有效地解決這個(gè)問題，但這種方案同時(shí)也存在著一些問題.(1)為了得到圖2.7的曲線，需要司爐工經(jīng)過相當(dāng)長時(shí)間的觀察。在不同負(fù)荷下，根據(jù)燃燒狀況最佳時(shí)的煙氣含氧量數(shù)據(jù)進(jìn)行一記錄

29、得到的，而且曲線的形狀不能適應(yīng)煤種的變化。(2)鍋爐生產(chǎn)過程中，煙道漏風(fēng)增加、煤質(zhì)變化、鍋爐結(jié)垢等原因都會(huì)對(duì)最佳含氧量模型的參數(shù)產(chǎn)生影響。(3)目前普遍使用的氧化錯(cuò)氧量計(jì)的價(jià)格昂貴，使用壽命短，含氧量測(cè)量的可靠性不高，很難使燃燒工作在最佳狀態(tài)。(4)氧量信號(hào)的滯后時(shí)間較長，當(dāng)負(fù)荷突變時(shí)，燃料量突變，而氧量反應(yīng)不與時(shí)，仍保持原來的送風(fēng)量，造成燃燒不充分。(5)由于燃燒不充分，煙氣中會(huì)有大量的CO，所以單靠含氧量不能判定是否工作在最佳工作點(diǎn)。圖2.7 最佳過?？諝庀禂?shù)與負(fù)荷的關(guān)系圖鑒于以上這些采用氧量計(jì)的燃燒過程的弊端，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用以單片機(jī)為核心的爐膛溫度為被控量的燃燒控制系統(tǒng)。第3章

30、硬件設(shè)計(jì)3.1 用戶系統(tǒng)框圖系統(tǒng)運(yùn)行的示意圖如圖3-1所示.圖3-1 系統(tǒng)運(yùn)行示意圖由圖3-1可以看出，由輸煤裝置送入煤斗的原煤，直接落在緩緩向前移動(dòng)的爐排進(jìn)入燃燒室。在燃燒室中燃燒的空氣由爐排下的風(fēng)機(jī)供給。燃料燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖暂椛浞艧岬姆绞较蛉紵宜闹艿乃浔趥鬟f熱量，然后經(jīng)防渣管進(jìn)入對(duì)流煙道。對(duì)流煙道是由煙墻隔成的。對(duì)流煙道中布置有對(duì)流管束等受熱面。對(duì)流管束是與上、下鍋筒連在一起的一簇管束，管的水吸收煙道中的熱量而升溫。一部分在上鍋筒中被加熱的高溫水進(jìn)入供水管道。煙氣在煙道中沖刷對(duì)流管束以與下鍋筒放出熱量后，進(jìn)入尾部煙道，然后經(jīng)引風(fēng)機(jī)和煙囪排入大氣。排入大氣的煙氣溫度越低，說明煙氣的

31、熱量被吸收的越充分，燃料的熱能被利用的程度越高，鍋爐的熱效率就越高。鍋爐是個(gè)較復(fù)雜的調(diào)節(jié)對(duì)象，為保證提供合格溫度的熱水供取暖需要，生產(chǎn)過程各主要工藝參數(shù)必須加以嚴(yán)格控制。鍋爐控制系統(tǒng)的基本控制任務(wù)和控制要求包括：燃燒控制（爐膛溫度控制、爐膛負(fù)壓控制、引風(fēng)控制、送風(fēng)控制）；給水控制（供水運(yùn)行參數(shù)和水壓力、供水溫度、供水流量等）；以與對(duì)各設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，以便進(jìn)行顯示、報(bào)警、工況計(jì)算以與指標(biāo)打印等。3.2 鍋爐系統(tǒng)控制的對(duì)象通常在鍋爐燃燒系統(tǒng)中，根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)風(fēng)速、風(fēng)量、溫度等指標(biāo)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)以適應(yīng)用戶要求和運(yùn)行工況。而最常使用的控制手段則是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來調(diào)節(jié)受控對(duì)象。這樣，不論生產(chǎn)

32、需求的大小，風(fēng)機(jī)都會(huì)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以與風(fēng)門、擋板的節(jié)流損失消耗掉。在生產(chǎn)過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗。從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用居高不下。在供暖鍋爐系統(tǒng)中帶有循環(huán)泵、補(bǔ)水泵等水泵類設(shè)備，根據(jù)不同的生產(chǎn)需求往往采用調(diào)整閥、回流閥、截止閥等節(jié)流設(shè)備進(jìn)行流量、壓力、水位等信號(hào)的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費(fèi)，管道、閥門等密封性能的破壞，還加速了泵腔、閥體的磨損和汽濁，嚴(yán)重時(shí)損壞設(shè)備而影響生產(chǎn)。近年來，出于節(jié)能的迫切需求和對(duì)供暖質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻調(diào)速器（簡(jiǎn)稱變頻器）易操作、免維護(hù)、控制精度高，并可以實(shí)

33、現(xiàn)高功能化等特點(diǎn)，因而采用變頻器驅(qū)動(dòng)的方案開始逐步取代風(fēng)門、擋板、閥門的控制方案。用變頻器來對(duì)異步交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，是八十年代末迅速發(fā)展成熟的一項(xiàng)高新技術(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)速的機(jī)械特性好，調(diào)速圍廣，調(diào)速特性曲線平滑，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、平穩(wěn)的調(diào)速，尤其當(dāng)它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等大容量負(fù)載時(shí)，可獲得顯著的節(jié)能效果。變頻調(diào)速應(yīng)用于鍋爐系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)和水泵等電機(jī)的自動(dòng)控制中，其節(jié)能效果明顯。1.風(fēng)機(jī)、水泵運(yùn)行特性與常用方法的節(jié)能分析（由于風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行特性一樣，此處以風(fēng)機(jī)為例來討論它的特性）（1）流量和壓力用H = F(Q)表示風(fēng)機(jī)全壓(包括靜風(fēng)壓和動(dòng)風(fēng)壓)與風(fēng)量的關(guān)系風(fēng)機(jī)的軸功率P為: KW （3.1）式中 Q-

34、風(fēng)量, m3/h;H-全壓， kPa;-風(fēng)機(jī)效率。電動(dòng)機(jī)的輸出功率Pm為:KW （3.2）式中一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率。（2）流量和功率在流體力學(xué)中，轉(zhuǎn)速流量功率存在者下列關(guān)系: （3.3）由(3 .3)式可知，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。如果風(fēng)量下降20%，可以采用調(diào)速的方法使轉(zhuǎn)速下降20%,則風(fēng)機(jī)的軸功率要下降到原值的51.2%;當(dāng)風(fēng)機(jī)量減少至50%時(shí)，風(fēng)機(jī)的軸功率下降至原值的12.5%。當(dāng)然，風(fēng)機(jī)速度大幅度下降時(shí)，風(fēng)機(jī)效率也有所下降，實(shí)際需要的軸功率要高于上面的計(jì)算值。即便這樣，節(jié)電量也是相當(dāng)可觀的，因此，風(fēng)機(jī)、水泵采用調(diào)速控制流量是非常有意義的。（3

35、）風(fēng)機(jī)、水泵的軸功率對(duì)于流量變化較大的風(fēng)機(jī)、水泵，采取調(diào)速的方法改變流量，是節(jié)電的有效方法。降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可大大降低風(fēng)機(jī)的軸功率，圖3-2為風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能原理圖。圖3-2 風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能原理圖上圖繪出了風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的典型輸出特性H (n1)H (n2)，圖中曲線R1，R2分別表示由管路所決定的特性曲線。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n1,，管路阻力為R1時(shí)，輸送的總流量Q1，由點(diǎn)1決定，此時(shí)風(fēng)機(jī)的輸出的壓力為H1，所需的軸功率: （3.4）若所需流量為Q2，在管路阻力不變的情況下，實(shí)際所需的壓力為H3，比H1下降，但如果此時(shí)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有改變，那么風(fēng)機(jī)的輸出壓力不但不能從H1降到H3，反而要增加到H2，而這個(gè)

36、壓頭差值通常就是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門來實(shí)現(xiàn)，從而增加了管道阻力，使管道特性系數(shù)變?yōu)镽2來實(shí)現(xiàn)的，此時(shí)的損耗為: (3.5)如果此時(shí)不采用調(diào)節(jié)風(fēng)門的辦法而是將風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)低為n2，使風(fēng)機(jī)的輸出特性變?yōu)镠 (n2)，那么隨著風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量的減少，在輸送同樣的風(fēng)量Q2的情況下，原來消耗在風(fēng)門上的功率NS就可以完全可以避免了，這樣既滿足了生產(chǎn)的需要，又達(dá)到了節(jié)能的目的。從下表的幾種選擇可以看出，變頻調(diào)節(jié)風(fēng)量節(jié)能最顯著，擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量耗能最嚴(yán)重。表3.1 調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板、變頻調(diào)速的耗能分析表風(fēng)量（%）軸功率kw(標(biāo)牌)出口擋板（kw）入口擋板（kw）變頻、串級(jí)（kw）電機(jī)輸入總損失電機(jī)輸入總損失電機(jī)輸入總損失100

37、11.070.071.060.061.080.08900.7291.0350.3060.840.1110.790.061800.5120.9950.4830.7250.2130.550.038700.3430.960.6070.680.3370.380.037600.2160.8950.6790.640.4240.250.034500.1250.840.7150.60.4750.150.025300.0270.710.6830.520.4730.050.023流量的調(diào)速方法很多，常用的有變極調(diào)速、二次電阻控制調(diào)速、變頻調(diào)速(V VVF)等，這些控制方法各具特點(diǎn)。當(dāng)流量調(diào)節(jié)在90%以上時(shí)，各種調(diào)

38、速方法的效率差不多，也可不采用調(diào)速裝置。若流量調(diào)節(jié)在60%以下時(shí)，變頻和變極調(diào)速效率較高，其它方法不太適宜。在變頻、變極、串級(jí)三種高效調(diào)速方法中，由于后兩種調(diào)速方式要改變?cè)须姌O的定子繞組極對(duì)數(shù)和原有基礎(chǔ)位置等，不如變頻調(diào)速方法容易采用，因此變頻調(diào)速的方法目前應(yīng)用較廣。調(diào)速可以節(jié)能，但節(jié)能的多少，需視調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行工況、運(yùn)行時(shí)間(調(diào)節(jié)與不調(diào)節(jié)流量的時(shí)間比)、流量調(diào)節(jié)圍的大小而定。在運(yùn)行中，由于流量減少，電動(dòng)機(jī)和調(diào)速裝置的效率也有所下降，但電能的節(jié)約量卻在增加。風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速節(jié)能效果大小，主要以節(jié)能率(即節(jié)能功率與額定功率之比)來反映。需要注意的是，上述離心機(jī)械設(shè)備的工作特性，雖然都遵守比例定律

39、，但在工程實(shí)際中，風(fēng)機(jī)和水泵卻存在明顯的不同之處。對(duì)于風(fēng)機(jī)，在絕大多數(shù)情況下，其運(yùn)行時(shí)的基本特性接近理論值;而對(duì)于水泵，由于實(shí)際工況的存在，在同樣流量變化時(shí)，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的節(jié)能效果要低于調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的節(jié)能效果。調(diào)頻變壓調(diào)速器是一種現(xiàn)代高技術(shù)節(jié)能裝置，即所謂VVVF，常稱變頻調(diào)速器。將其應(yīng)用到暖通空調(diào)制冷行業(yè)，能達(dá)到明顯的節(jié)能效果，被稱為80年代暖通制冷空調(diào)的兩大突破之一。變頻調(diào)速比其它調(diào)速方法具有高效性，它能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，調(diào)速比一般可達(dá)20:1，調(diào)速起動(dòng)能耗小、壽命長、可靠性高、維修方便、占地面積小、無噪聲、性價(jià)比高、一機(jī)多控、節(jié)能效率高、收回投資快等特點(diǎn)。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已逐漸為許多企業(yè)所

40、認(rèn)識(shí)和接受，隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，它必將得到更加廣泛的應(yīng)用，也必將為認(rèn)識(shí)和接受它的企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。2. 供熱系統(tǒng)的計(jì)算依據(jù)(1)初調(diào)節(jié)依據(jù)根據(jù)流體力學(xué)和工程熱力學(xué)基本理論，供暖系統(tǒng)的熱量、流量和作用壓力的關(guān)系為:mH20 (3.6) w (3.7)式中:-用戶系統(tǒng)的作用壓頭，mH20;V-用戶的熱水流量，m3/h;S-用戶的阻力特性系數(shù)，h2/m5Q-用戶的供熱量，w-循環(huán)水的密度，kg/m3CP-水的比熱，J/kg . -供回水溫差，。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到熱力穩(wěn)定后，記錄下各用戶供回水溫差和壓力差與熱源總供回水溫差，然后順序調(diào)節(jié)，應(yīng)使熱用戶調(diào)節(jié)后的供回水壓力差為： mH2O (3.8)

41、式中:-調(diào)節(jié)前熱用戶記錄的供回水壓力差,mH2O-調(diào)節(jié)前熱用戶記錄的總供回水溫差，-調(diào)節(jié)前熱源記錄的總供回水溫差，a-修正系數(shù)。當(dāng)用戶的供回水溫差大于熱源總供回水溫差時(shí)，a=1.031.06，偏差大時(shí)取較大值，偏差小時(shí)取較小值。當(dāng)用戶的供回水溫差小于熱源總供回水溫差時(shí)，a=0.95-0.98，偏差大時(shí)取較小值，偏差小時(shí)取較大值。初調(diào)后，待系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，再進(jìn)行讀數(shù)記錄、計(jì)算和調(diào)節(jié)，這樣反復(fù)進(jìn)行，直到滿足要求為止。(2)運(yùn)行調(diào)節(jié)參數(shù)的計(jì)算供暖系統(tǒng)對(duì)建筑物供熱，既要保證在設(shè)計(jì)條件下(最不利情況)室溫符合要求，同時(shí)允許在一定的圍波動(dòng)。因此不僅要有正確的設(shè)計(jì)，而且要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行正確的運(yùn)行調(diào)節(jié)。但是

42、目前大部分供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷值大于需要值，選用的散熱器面積隨之增大，造成系統(tǒng)的供回水溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)值，相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)值也不符合理論計(jì)算值。因此，在確定運(yùn)行參數(shù)時(shí)，要考慮散熱器的相對(duì)面積與系統(tǒng)的相對(duì)流量值。如采用質(zhì)調(diào)節(jié)運(yùn)行方式，供回水溫度計(jì)算公式為: (3.9) (3.10)式中:- 室溫度，；-散熱器的設(shè)計(jì)平均計(jì)算溫差，；-用戶的設(shè)計(jì)供水溫差，；-相對(duì)熱量，；-相對(duì)況量，-散熱器相對(duì)面積，;B-散熱器傳熱系數(shù)指數(shù)。（3）累計(jì)熱量計(jì)算根據(jù)熱力學(xué)基本原理，在某一時(shí)間，鍋爐的總供熱量為: （3.11）式中:t-累計(jì)時(shí)間，S;tg，th-鍋爐總供回水溫度，。其它符號(hào)同前。比熱CP和密度是溫度的函數(shù)，

43、所以只要知道各時(shí)刻的流量和供回水溫差，即可求出某時(shí)間的熱量。3.3燃燒過程控制鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個(gè)多變量輸入、多變量輸出、大慣性、大滯后且相互影響的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。當(dāng)鍋爐的負(fù)荷變化時(shí)，所有的被調(diào)量都會(huì)發(fā)生變化，而當(dāng)改變?nèi)我庹{(diào)節(jié)量時(shí)，也會(huì)影響到其他被調(diào)量。鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制的基本任務(wù)是是燃料燃燒所提供熱量適應(yīng)符合的需要，同時(shí)還要保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù)主要有三點(diǎn)：（1）穩(wěn)定鍋爐的出水溫度，始終保持在設(shè)定值附近。出水溫度的設(shè)定值與室外溫度以與消耗熱量（負(fù)荷）的變化相關(guān)，以出水溫度為信號(hào)，改變?nèi)济毫亢惋L(fēng)煤比，達(dá)到出水溫度與設(shè)定值一致。同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的回水溫度和爐膛溫度，若回水溫度過低則適

44、當(dāng)加大給煤量，反之則適當(dāng)減少給煤量；若爐膛溫度過高則適當(dāng)減少給煤量，反之則適當(dāng)加大給煤量。（2）保證鍋爐燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于給定出水溫度的情況下，需要調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量和給煤量的比例，時(shí)好美兩盒鼓風(fēng)量成比例關(guān)系，同時(shí)根據(jù)出水溫度的變化對(duì)鼓風(fēng)量進(jìn)行前饋控制，然后通過測(cè)定煙氣含氧量，運(yùn)用偏差控制調(diào)節(jié)風(fēng)煤比，使燃煤充分燃燒。（3）調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量和引風(fēng)量，保持爐膛壓力在一定的負(fù)壓圍。爐膛負(fù)壓的變化，反映了引風(fēng)量和鼓風(fēng)量的不相適應(yīng)。如果爐膛負(fù)壓太小，爐膛容易向外噴火，危與設(shè)備與工作人員的安全。負(fù)壓過大，爐膛的漏風(fēng)量過大，增加引風(fēng)機(jī)的電耗和煙氣帶走的熱量損失。本系統(tǒng)中根據(jù)鼓風(fēng)量的變化，對(duì)引風(fēng)量進(jìn)行前饋控制。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)

45、設(shè)定爐膛負(fù)壓，并測(cè)定爐膛負(fù)壓，運(yùn)行PID算法控制爐膛負(fù)壓保持在一定的圍，從而調(diào)節(jié)引風(fēng)量，確定引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。3.4鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)鍋爐的工況如下:(1)完全手動(dòng)控制方式，水位控制、給煤量的多少(即爐排轉(zhuǎn)速)、鼓風(fēng)量的多少(即鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速)和引風(fēng)量的多少都是操作工憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣的控制方式造成操作工勞動(dòng)強(qiáng)度大且增加了系統(tǒng)的不可靠性。(2)控制設(shè)備落后，通過擋風(fēng)板對(duì)鼓風(fēng)量和引風(fēng)量進(jìn)行控制，大量的能源浪費(fèi)在擋風(fēng)板上，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)，只能通過啟停改變輸入，難以進(jìn)行有效控制，而且電機(jī)損耗嚴(yán)重。(3)控制效果差，鍋爐長期工作在大鼓風(fēng)大引風(fēng)狀態(tài)下，熱量損失嚴(yán)重、鍋爐熱效率低。通過調(diào)查，我

46、們可以看出該營區(qū)鍋爐的整套控制系統(tǒng)是很落后的，這直接帶來了控制效果差、鍋爐熱效率低、能耗大環(huán)境污染比較嚴(yán)重等諸多問題。故需要設(shè)計(jì)新的控制系統(tǒng)以達(dá)到降低能耗，改善環(huán)境污染，減小操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。根據(jù)鍋爐供暖系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，控制系統(tǒng)的基本控制任務(wù)和控制要求包括:燃燒控制(爐膛溫度控制、爐膛負(fù)壓控制、引風(fēng)控制、送煤控制):給水控制(供水壓力、供水溫度、供水流量等);以與對(duì)各設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，以便進(jìn)行顯示、報(bào)警、工況計(jì)算以與制表打印等。鍋爐是高壓運(yùn)行設(shè)備，保證安全性極其重要。在用戶供暖需要的情況下，S7-300 PLC控制給水閥、輸煤量、鼓風(fēng)量與引風(fēng)量，使保持鍋爐的出水溫度穩(wěn)定，

47、爐膛負(fù)壓穩(wěn)定，煙氣穩(wěn)定，使燃料能量最充分地燃燒，以取得最大的熱效率。最優(yōu)燃燒控制則關(guān)系到鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。利用S7-300 PLC對(duì)鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行控制的整體結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示：圖3-3 鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在鍋爐房供暖系統(tǒng)中，主要是對(duì)系統(tǒng)的總供回水溫度、循環(huán)水量、室外溫度、瞬時(shí)熱量和累計(jì)熱量等重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。這些參數(shù)可以反映供暖系統(tǒng)溫度、流量隨室外溫度變化的規(guī)律，它的準(zhǔn)確程度直接影響到方案的準(zhǔn)確性。圖3-4為鍋爐房供暖系統(tǒng)監(jiān)測(cè)示意圖。圖3-4鍋爐供暖檢測(cè)示意圖鍋爐計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，就是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐生產(chǎn)過程自動(dòng)化的系統(tǒng)。它的組成應(yīng)包括兩個(gè)部分，即控制器部分和鍋爐生產(chǎn)設(shè)備部分。

48、其中控制器部分為系統(tǒng)的控制核心，它通過智能儀表對(duì)鍋爐的現(xiàn)場(chǎng)工況出回水溫度、爐膛溫度等)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣檢測(cè)，并通過總線將信號(hào)傳送至可編程序處理器(PLC)上，PLC按照事先編好的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算，最后輸出控制信號(hào)控制鍋爐生產(chǎn)過程，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)信息，上位機(jī)也可通過接入總線實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制;鍋爐生產(chǎn)過程由鍋爐本體和爐排電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)與其變頻器等輔機(jī)組成，輔機(jī)的運(yùn)行就由PLC控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐生產(chǎn)過程的設(shè)計(jì)。鍋爐上位機(jī)變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)中，上位機(jī)與上位機(jī)上運(yùn)行的組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換功能，操作人員可以通過組態(tài)軟件監(jiān)視鍋爐的運(yùn)行過程，同時(shí)也可以通過上位機(jī)，通過組態(tài)軟件

49、對(duì)鍋爐的運(yùn)行進(jìn)行干預(yù)控制。鍋爐生產(chǎn)過程部分是鍋爐生產(chǎn)運(yùn)行場(chǎng)所，它由鍋爐本體與其輔機(jī)組成。鍋爐輔機(jī)包括鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、水泵、上煤機(jī)和除渣機(jī)等設(shè)備。本設(shè)計(jì)中所用模糊自整定PID控制算法，通過對(duì)西門子公司的S7-300PLC處理器編程來實(shí)現(xiàn)，采集誤差信號(hào)和誤差變化量信號(hào)，將其模糊化到語言變量的論域，采用離線計(jì)算的方法將模糊規(guī)則制成模糊查詢表，通過在線方式查詢模糊控制量輸出，最后將PID參數(shù)校正量與基準(zhǔn)量相加，獲得PID參數(shù)的即時(shí)值，最后進(jìn)行PID運(yùn)算計(jì)算得到控制對(duì)象執(zhí)行器。3.5控制系統(tǒng)構(gòu)成本設(shè)計(jì)綜合考慮鍋爐的控制特性和現(xiàn)場(chǎng)條件，確定采用PLC加上位機(jī)監(jiān)控工作方式同操作臺(tái)手動(dòng)操作切換方式，其中PLC

50、加上位機(jī)工作方式可用于自動(dòng)狀態(tài)，操作臺(tái)工作方式用于人工調(diào)試或緊急情況下使用。兩種方式間可自由切換，且處于操作臺(tái)工作方式時(shí)，PLC與上位機(jī)仍采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，但輸出不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作用。本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)PLC加上位機(jī)的控制方式。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)完成參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)監(jiān)控，PLC負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)控制程序的運(yùn)行。系統(tǒng)由4個(gè)子系統(tǒng)組成:水位控制子系統(tǒng)、出回水壓力控制子系統(tǒng)、最優(yōu)風(fēng)煤比控制子系統(tǒng)和負(fù)壓控制子系統(tǒng)。根據(jù)工程實(shí)際情況本系統(tǒng)對(duì)鍋爐進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)所采用主要部件如下:安裝有WinCC組態(tài)軟件與STEP 7軟件的計(jì)算機(jī)一臺(tái)，PLC控制器1套、壓力信號(hào)傳感變送器2個(gè)、液位信號(hào)傳感變送器2個(gè)、溫度信號(hào)傳感變送器2個(gè)、

51、回水流量傳感變送器2個(gè)、給水流量傳感變送器2個(gè)、變頻器4臺(tái)和其它附件。器件類型選擇型號(hào)備注PLCS7-300可通過擴(kuò)展電纜進(jìn)行數(shù)字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴(kuò)展PLC CPUCPU315可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至35點(diǎn)模擬量I/OPLC擴(kuò)展模塊SM321 SM322 SM331 SM332壓力信號(hào)傳感變送器PT100供電電壓傳感器:10VDC(6-12VDC) 變送器:24VDC(936 V)液位信號(hào)傳感變送器PTP6024-20mA,0-5V,1-5V,0-10V溫度信號(hào)傳感變送器TG100-VNB測(cè)量精度高。感器壽命極長。回水流量傳感變送器RL-AVS24VDC，工作壓力

52、：02.5MPA給水流量傳感變送器RL-AVS24VDC，工作壓力：02.5MPA變頻器VLT5000丹麥的丹佛斯系列帶有WinCC組態(tài)軟件與STEP 7軟件的計(jì)算機(jī)將系統(tǒng)所用各控制設(shè)備與檢測(cè)儀表組態(tài)到一起，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的監(jiān)視操作，并可將運(yùn)行程序通過MPI網(wǎng)傳輸?shù)絇LC中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐系統(tǒng)的控制。PLC:本系統(tǒng)以SIEMENS公司的S7-300系列PLC為主控制器，由現(xiàn)場(chǎng)智能傳感變送器對(duì)鍋爐的爐膛溫度、爐膛負(fù)壓給水壓力和回水壓力等現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并變送后通過I/O模塊送往PLC，其后PLC按照預(yù)訂程序處理并通過I/O模塊返回控制信號(hào)。變頻器:變頻器采用丹麥的丹佛斯系列變頻器的VLT5000

53、，工作時(shí)變頻器根據(jù)PLC運(yùn)算得到的控制信號(hào)或操作臺(tái)轉(zhuǎn)速設(shè)定控制信號(hào)對(duì)給水泵、爐排、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。其它附件包括1個(gè)操作臺(tái)，1個(gè)配電柜、2個(gè)控制柜等。圖3-5 控制系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)可以工作于手動(dòng)方式和自動(dòng)方式下。系統(tǒng)工作在手動(dòng)方式下時(shí)，司爐工對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，司爐工根據(jù)操作臺(tái)上顯示儀表顯示的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)(爐膛溫度、給回水壓力和爐膛負(fù)壓)，根據(jù)需要，分別調(diào)節(jié)操作臺(tái)面板上的給水泵、爐排電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)調(diào)速旋鈕，調(diào)速旋鈕調(diào)節(jié)相應(yīng)變頻器的輸出大小，而變頻器的輸出大小直接控制給水泵、爐排轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)量和引風(fēng)量，從而實(shí)現(xiàn)控制鍋爐運(yùn)行過程。當(dāng)系統(tǒng)工作在自動(dòng)方式下時(shí)，PLC作為核心控制器，根據(jù)查表控制算法

54、對(duì)鍋爐運(yùn)行進(jìn)行控制(調(diào)節(jié)變頻器)，從而對(duì)鍋爐運(yùn)行進(jìn)行控制。操作臺(tái)采用儀表控制系統(tǒng)，必要時(shí)進(jìn)行兩種運(yùn)行方式的相互切換，以便在不同鍋爐控制需要間切換。控制系統(tǒng)中，由鍋爐變頻控制系統(tǒng)通過控制變頻器對(duì)給水泵、爐排電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能調(diào)速。除了對(duì)變頻器的調(diào)節(jié)外，整個(gè)鍋爐控制系統(tǒng)還包括，鍋爐啟?？刂撇糠?、保護(hù)系統(tǒng)與檢測(cè)系統(tǒng)(包括熄火報(bào)警等)與各閥門控制以與積灰處理分系統(tǒng)。這些系統(tǒng)也全都通過手動(dòng)或自動(dòng)方式控制、鍋爐運(yùn)行過程的控制調(diào)節(jié)主要包括事故下的保護(hù)，啟停過程控制，正常的燃燒過程調(diào)節(jié)三部分。事故保護(hù):這主要是由于某種原因造成循環(huán)水停止或循環(huán)量過小，以與鍋爐水溫太高，出現(xiàn)汽化。此時(shí)最重要的是恢復(fù)水的

55、循環(huán)，同時(shí)制止?fàn)t膛的燃燒。這就需要停止給煤，停止?fàn)t排運(yùn)行，停止鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)。PLC接收水溫超高的信號(hào)后，就應(yīng)立即進(jìn)入事故處理程序，按照上述順序停止鍋爐運(yùn)行，并響鈴報(bào)警，通知運(yùn)行管理人員，必要時(shí)還可通過手動(dòng)補(bǔ)入冷水排除熱水，進(jìn)行鍋爐降溫。啟?？刂?鍋爐采用煤粉燃燒。點(diǎn)火時(shí)在爐排上鋪煤，煤上放著引燃的澆了柴油的木柴，爐排速度調(diào)整到最低，鼓風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)也調(diào)至最低工作狀態(tài)，直至給水壓力達(dá)到額定壓力再將爐排與鼓風(fēng)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到正常。啟動(dòng)點(diǎn)火的準(zhǔn)備工作為人工手動(dòng)進(jìn)行，但爐排轉(zhuǎn)速和鼓風(fēng)和引風(fēng)的控制與封火暫停機(jī)和再次啟動(dòng)的過程則由PLC控制自動(dòng)進(jìn)行。封火過程為逐漸停止?fàn)t排運(yùn)動(dòng)，停掉鼓風(fēng)機(jī)，然后停止引風(fēng)機(jī)。

56、重新啟動(dòng)的過程則是開啟引風(fēng)機(jī)，慢慢開大鼓風(fēng)機(jī)，隨爐溫升高慢慢加大爐排進(jìn)行速度。控制系統(tǒng)的控制核心PLC根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感變送器反饋回來的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)(爐膛溫度、給回水壓力和爐膛負(fù)壓)，根據(jù)程序算法，輸出控制量調(diào)節(jié)變頻器的輸出大小，而變頻器的輸出大小直接控制給水泵、爐排轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)量和引風(fēng)量，這就是鍋爐系統(tǒng)的PLC自動(dòng)運(yùn)行方式。為了保證特殊場(chǎng)合需要，我們?cè)谧詣?dòng)方式中加入另外一種工作方式，我們稱之為上位機(jī)控制方式。所謂的上位機(jī)控制方式是由操作人員直接在上位機(jī)上設(shè)定爐排、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這些控制命令通過PLC的輸出模塊輸出控制變頻器的轉(zhuǎn)速。第4章 軟件設(shè)計(jì)S7-300/400屬于模塊式PLC，主要由機(jī)架、

57、CPU模塊、信號(hào)模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備等組成。圖4.1 PLC控制系統(tǒng)示意圖PLC的主要生產(chǎn)廠家：德國的西門子(Seimens)公司，美國Rockewll公司所屬的AB公司，GEFanuc公司，法國的施耐德(schneider)公司，日本的三菱和歐姆龍(OMRON)公司。PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。OB1是用于循環(huán)處理的組織塊(主程序)，它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序(組織塊)中斷。在起動(dòng)完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用OB1，在OB1中可以調(diào)用其它邏輯塊(FB，SFB，F(xiàn)C或SFC)。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。在循環(huán)程序處理過程中，CPU 并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問CPU部的輸入/輸出過程