锅炉自动控制系统设计毕业论文.doc

1、锅炉自动控制系统设计毕业论文目录第1章 绪论11.1选题背景及意义11.2锅炉控制技术的研究现状及发展21.2.1国外研究现状21.2.2 控制技术的发展趋势2第2章 锅炉的基本构造及其工作原理42.1 概述42.2 锅炉的基本构造42.3 锅炉的工作原理及工作过程52.3.1 燃料的燃烧过程62.3.2 烟气向水的传热过程62.3.3 水的汽化过程6第3章 锅炉控制系统及其选择的控制方式83.1 蒸汽温度控制系统83.2 蒸汽压力控制系统83.3 汽包液位控制系统93.4 炉膛负压控制系统103.5 串级控制系统的参数整定113.6 串级控制系统的控制算法12第4章 锅炉自动控制系统的硬件设

2、计144.1总体设计思路144.2系统结构144.3 控制器选型及配置154.4 I/O地址分配表164.5 系统主电路的设计184.6系统控制电路的设计194.7 补水泵控制系统224.8 给水泵控制系统244.9通信网络配置254.10变频器的选型254.11传感器的选型274.12 其它器件的选型29第5章 锅炉自动控制系统的软件设计315.1 PLC控制流程图315.2组态软件设计特点375.3 锅炉监控系统的软件结构385.4界面设计395.3 PLC控制程序39第1章 绪论1.1选题背景及意义由于我国总的能源特征是“富煤、少油、有气，拥有丰富的煤炭资源，到2000年已探明的煤炭储量

3、达1145亿吨。煤炭因其储量大和价格相对稳定，在本世纪50年，在我国的一次能源构成中仍将占主导地位。由此可见，在未来相当长的一段时期，燃煤工业锅炉仍将是我国工业锅炉的主导产品。这与目前国外的情况相差很大。如：日本燃煤工业锅炉仅占总数的1，美国和西欧国家约占13(石油危机后燃煤工业锅炉略有增加)，俄罗斯燃煤工业锅炉较多，约占40。工业锅炉是我国主要的热能动力设备，使用面广，需求量大，在工业生产和军民生活中扮演重要角色。据不完全统计，我国现有中、小锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的三分之一以上，堪称大耗能动力设备。随着国民经济的不断发展和人民生活的不断改善，锅炉台数还在不断增加。作为能源转

4、换的重要设备，其工作情况的好坏直接关系到能源的利用率高低。目前我国中、小型锅炉以燃煤链条锅炉为主，燃料主要是煤炭，而且锅炉房管理水平不高，一直沿用间断运行方式，锅炉技术含量低，锅炉的自动化控制技术落后，处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态，尤其是燃煤排放的C02气体所引起的温室效应，早己引起国际关注。为了将我国建设成资源节约型、环境友好型社会，工业锅炉的节能降耗、减少污染物生成和排放具有重大意义。近几年随着加入世贸组织以及中国经济的飞速发展，如何提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，改善环境是每个部门乃至每个公民关心的大事。为此对工业锅炉推广应用各种新技术、新工艺、新管理是实现节能降耗、减

5、少污染的重要途径。其中实现锅炉的自动化控制不仅可大大节约能源，促进环保，而且可以提高生产自动化水平。具体来讲，实现锅炉自动化控制的意义在于：(1)提高锅炉运行的安全性；(2)提高锅炉运行的经济性；(3)改善劳动条件；(4)减少运行人员，提高劳动生产率。今后，随着工业锅炉市场技术竞争的日趋激烈，锅炉自动控制系统的好坏己成为决定锅炉性能的重要砝码。研究与开发功能完备、性能可靠的锅炉自动控制系统，是适应锅炉生产发展需要，具有广阔的发展前景与研究价值。1.2锅炉控制技术的研究现状及发展 1.2.1国外研究现状 工业锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数，控制参数和扰动参数，它们之间相互作用，相

6、互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都为锅炉的控制增加了难度。过去，我国工业锅炉(特别是燃煤锅炉)产品设计和制造往往是重锅炉本体而轻燃烧和控制设备，很多锅炉所配置的运行监测仪表不全，尤其缺少显示锅炉经济运行参数的仪表。因此，运行人员在调整锅炉时，往往由于缺少数据，不能对锅炉的运行状况随时做出准确判断并实行相应的运行调整，使锅炉处于最佳工况运行。控制水平很低，很多锅炉仍为位式或开环控制，没有实现连续闭环控 制，不能根据外界变化调节锅炉运行状态，无法使锅炉运行较快地适应工况的变动和处于持续稳定状态，锅炉运行效率的保证和提高受到了限制。80年

7、代中后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制以来，锅炉的计算机控制得到了很大的发展。至90年代，锅炉的自动化控制已成为一个热门领域，利用单片机、可编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，己逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，并向新建炉体配套的方向发展，许多新的控制方法，诸如最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等自动控制的最新成果也在锅炉自动控制中得到了尝试和应用。但由于控制技术单一，或控制算法的建模往往不能反映真实的锅炉状况，导致在工程实践中并不怎么成功，不能产生很好的经济效益，挫伤了用户在工业锅炉上用计算机进行控制的积极性。因此提高锅炉控制技术水平成

8、为提高锅炉效率的重要手段之一。 如今在国外，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上大都采用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率较高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。 目前，锅炉控制的难点主要集中在汽包水位控制和燃烧过程控制，而锅炉各种控制策略的研究工作也主要围绕这两个方面展开。虽然国外控制科学与工程领域的学者对工业锅炉的控制策略作出了深入的研究，取得了一些成果，但仍存在一些问题。1.2.2 控制技术的发展趋势 现代过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，对生态环境的影响也日益突出，这些都对控制提出了越来越高的要求。不

9、仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此，仅用常规仪表己不能满足现代化企业的控制要求。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点，已在过程控制中得到十分广泛的应用。锅炉作为一种典型的生产过程，其自动控制水平已随着过程计算机系统的发展而发展。 从目前的趋势看，在大型企业中，过程控制计算机正成为一种把控制和管理融为一体的综合自动化系统。它是在自动化技术，信息技术和各种工业生产技术的基础上，通过计算机和网络系统将整个单位全部生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统有机的集成起来，形成一个能适应生产环境不确定性和市场

10、需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成为当前控制领域的一个重要研究方向。现在，欧美大中型企业的过程控制领域中，PLC锅炉自动控制系统占有统治地位。PLC锅炉自动控制系统被广泛应用于冶金、电力、钢铁、化工等连续过程控制的工业领域，系统从几百个点到上万个点的规模不等。而国的许多企业也开始纷纷采用PLC系统进行控制，摆脱了过去依靠人力在仪表盘前监控、操作的落后手段，应用PLC锅炉自动控制系统对提高国工业自动化水平有着非常积极的意义。在控制技术方面，近年来，为了获得更好的控制性能，把基于数学模型的控制技术和基于经验知识的控制技术相结合的集成控制技术受到了重视，获得了广泛的研究

11、。 因此，锅炉的自动控制当前正朝着多学科结合的计算机技术的应用，管理控制一体化的趋势发展。第2章 锅炉的基本构造及其工作原理2.1 概述随着生产的发展，锅炉日益广泛的应用于工业生产的各个领域，成为发展国民经济的重要热工设备之一。在现代化的建设中，能源的需非常大的，然而我国的能源利用率极低，所以提高锅炉的热效率，具有极为重要的实际意义。2.2 锅炉的基本构造 锅炉是一种产生蒸汽或热水的热交换设备。它通过燃料的燃烧释放大量热能，并通过热传递把能量传递给水，把水变成蒸汽或热水，蒸汽或热水直接供给工业和生活中所需要的热能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能有效的转化为蒸汽的热能。 锅炉的主要设备包括

12、汽锅、炉子、炉膛、锅筒、水冷壁、过热器、省煤器、燃烧热备、引风设备、送风设备、给水设备、空气预热器、水处理设备、燃烧供给设备以及除灰除尘设备等。 汽锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管受管外烟气加热，因而管簇发生自然地循环流动，并逐渐气化，产生的饱和蒸汽积聚在上锅筒里面。 炉子：是使燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。 炉膛：保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积达到规定的数值。 锅筒：使自然循环锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。（需指出，直流锅炉无锅筒。） 水冷壁：主要是辐射受热面，保护炉壁的作用。 过热器：是将气锅所产生的饱和真气急需加热为过热蒸汽的换热器。过热器一般都装在炉膛出口。 省煤器

13、：是利用余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。采用省煤器后，降低了排烟温度，提高了锅炉效率，节省了燃料。同时，由于提高了进入气饱的给水温度，减少了因温差而引起的汽包壁的热适应力，从而延长了汽包的使用寿命。 燃烧设备：将燃料和燃烧所需的空气送入炉膛并使燃料着火稳定，充分燃烧. 引风设备：包括引风机、烟道和烟囱等几部分。用它将锅炉中的烟气连续排出。 送风设备：包括有鼓风机和分道组成。用它来供应燃料所需的空气。 给水设备：由水泵和给水管组成。 空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气，是一个换热器。省煤器出口烟温度高，装上空气预热器后，可以进一步降低排烟温度，也

14、可以改善燃料着火和燃烧条件，降低不完全燃烧所造成的损失，提高锅炉机组的效率。 水处理设备：其作用是为清除水中的杂质和降低给水温度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀。 燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料供应。除灰尘设备：是手机锅炉灰渣并运往储灰场地的设备。此外，除了保证锅炉的正常工作和安全，蒸汽锅炉还必须装设安全阀、水位表、高低水位报警器、压力表、主气阀、排污阀和止污阀等,还有用来消除受热面上积灰的吹灰器，以提高锅炉运行的经济性。图2.1为锅炉控制系统硬件组成图汽包煤斗锅炉引风机鼓风机锅炉给水阀给水调节阀省煤器蒸汽出口空气预热器除尘器汽水分界面炉排烟囱图2.1锅

15、炉控制系统硬件组成图2.3 锅炉的工作原理及工作过程锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。它通过没有或燃气等燃料的燃烧释放化学能，并通过传热过程将能量传递给水，使水转变为蒸汽，蒸汽直接供给工业生产中所需的热能，或通过蒸汽动力机转变为电能，或通过汽轮电机转变为电能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效地转变为蒸汽的热能。因此，近代锅炉亦成为蒸汽发生器。 锅炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程，烟气向水的传热过程，水的汽化过程。2.3.1 燃料的燃烧过程 燃料煤加到煤斗中并落在炉排上，电机通过减速机、链条带动炉排转动，将燃料煤带入炉。燃料煤一边燃烧一边向后移动，燃烧所需要的

16、空气由鼓风机送入炉排中间的风箱后，向上通过炉排到达燃料燃烧层。风量和燃料量成比例(风煤比)，以便进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料煤燃烧剩下的灰渣，在炉排末端通过除渣板后排入灰斗,这一整个过程称为燃烧过程。 2.3.2 烟气向水的传热过程 由于燃料的燃烧放热，炉膛温度很高。在炉膛四周墙面上都布置着一排水管，称为水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热，将热量传递给管的水。继而烟气受引风机、烟囱的引力向炉膛上方流动。烟气经出烟窗(炉膛出口)并通过防渣管后就冲刷蒸汽过热器(蒸汽过热器是一组垂直放置的蛇形管受热面，使汽锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而过热)。烟气流经过热器后又经过接在上

17、、下炉筒间的对流管束，使烟气冲刷管束，再次以对流换热方式将热量传递给管束的水。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热器的水进行热交换后，较低温度的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。省煤器实际上就是给水预热器，它和空气预热器一样，都设置在锅炉尾部烟道中，以降低排烟温度，提高锅炉效率，从而节省燃料。 2.3.3 水的汽化过程 水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。经过 除氧等处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作 时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物。位于烟温较低区段的对 流管束，因受热较弱，汽水的容

18、重较大；而位于烟气高温区的水冷壁和对流管束， 因受热强烈，相应水的容重较小，因而容重大的往下流入下锅筒，而容重小的则 向上流入上锅筒，形成了水的自然循环。 蒸汽产生的过程是借助上炉筒装设的汽水分离设备，以及在锅筒本身空间 中的重力分离作用，使汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒项部引出后进入蒸汽 过热器，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部分的水中。以上就是一般锅炉工作的过程，一个锅炉进行工作，其主要任务是：（1) 要使锅炉出口蒸汽压力稳定；（2）保证燃烧过程的经济性；（3） 保持锅炉负压稳定，通常我们是炉膛负压保持在微负压（-1080Pa）。第3章 锅炉控制系统及其选择的控制方式3.1 蒸汽温度控制

19、系统因为锅炉的运行环境不可能使理想的状态，蒸汽的温度总是会受到某些干扰的影响，所以必须对蒸汽的温度加以控制，以在一定围得到温度相对恒定的蒸汽。影响蒸汽温度的主要因素是给煤量以及给风量。另外，影响蒸汽温度的因素还有给水量、蒸汽流量以及引风量等，又考虑到了控制系统相应的快速性，我们又将给水量和蒸汽流量作为蒸汽温度控制的前馈量构成前馈控制系统。即采用前馈比值串级控制系统对蒸汽温度进行控制，其控制系统的结构框图见图3.1所示。蒸汽温度控制器给煤控制器给煤调节器给煤执行器给煤量给煤量检测，变送器比值控制器蒸汽温度给风控制器给风调节器给风执行器给风量给风量检测，变送器蒸汽温度检测，变送器图3.1 蒸汽温度

20、控制系统结构框图3.2 蒸汽压力控制系统 如果锅炉压力过低，将会降低蒸汽质量；反之，如果锅炉压力过高，有可能导致爆炸等安全事故的发生。所以必须保证锅炉的压力处于一个适中的围，即必须对锅炉压力加以控制。上述蒸汽温度控制系统在控制蒸汽温度的同时就直接影响了蒸汽压力。 压力控制系统分为安全压力控制系统和超压控制系统。安全压力控制系统是锅炉压力在安全压力围之的控制系统，其主要完成的功能是在安全的基础上对压力进行调节，使压力维持在一定的围，以得到需要的蒸汽压力，保证蒸汽质量；超压控制系统是锅炉压力超压时所采用的压力控制系统，其主要完成的功能是当压力超出某一压力上限的设定值时，迅速打开安全阀，使压力迅速降

21、低，直到降到安全围后又迅速关闭安全阀。其中安全压力控制系统采用串级控制，而超压控制系统采用单回路控制，所以蒸汽压力控制系统采用串级控制，而超压控制系统采用单回路控制，所以蒸汽压力控制系统是综合的控制系统，从某种意义上讲，可以将其归入分成控制系统一类，其结构框图见图3.2所示蒸汽压力控制器蒸汽压力设定值蒸汽流量控制器蒸汽流量调节器蒸汽流量执行器蒸汽流量蒸汽压力蒸汽流量检测，变送器蒸汽流量检测，变送器安全阀图3.2蒸汽压力控制系统3.3 汽包液位控制系统如果汽包液位过高，可能会影响蒸汽质量，甚至会导致水满溢出等安全事故；反之，如果汽包液位过低，锅炉很可能会被烧坏，甚至导致爆炸等安全事故。能够影响汽

22、包液位的主要有两大变量，那就是给水量和蒸汽流量，在其他条件不变的情况下，蒸汽流量越大，液位越低，而给水量越大则液位越高，反之则越低。其中蒸汽流量是由工业的需要所决定的，给水的主要作用就是用以维持汽包液位的，所以我们选择给水量作为操纵量对汽包液位进行控制，又因为考虑到系统相应的平稳性和快速性，除采用串级控制外，还将蒸汽流量引入前馈通道，对系统进行前馈-反馈串级控制，其控制系统的结构框图如图3.3所示。汽包液位控制器汽包液位设定值给水控制器给水调节器给水执行器给水量汽包液位给水量检测，变送器汽包液位检测，变送器蒸发流量图3.3汽包液位控制系统结构图3.4 炉膛负压控制系统炉膛负压是反映燃烧工况稳定

23、与否的重要参数，是运行中要控制和监视的重要参数之一。炉燃烧工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生相应变化。在原锅炉控制系统中，如果烟囱挡板开度过大，则会使炉膛负压增加，造成空气大量进入炉，热效率降低，同时也增加了引风机的功耗。而且负压过大容易使炉管氧化爆皮而减少炉管寿命。负压过小或者正压则是由于烟囱挡板开度过小或锅炉超负荷运转，使炉膛产生正压，锅炉闷烧，甚至向外喷火，容易发生不安全现象。 影响炉膛压力的主要变量有给煤量、给风量以及抽风量等，而其中给煤量和给风量是由蒸汽温度、压力以及蒸汽量等因素决定的，所以要想保持炉膛压力在一定围保持不变就只有改变抽风量，亦即通过调节抽风量以达到控制炉膛压力的目的。

24、另外，又因为考虑到系统相应的快速性，同时，又因为给风量和给风量成一定的比例关系，为了提高控制品质以及简化控制系统的结构，我们将且尽将给煤量引入前馈参与了炉膛压力的控制。炉膛负压控制系统采用了前馈串级控制，其结构框图见图3.4所示。炉膛负压控制器炉膛负压设定值引凤控制器引凤调节器引凤执行器引凤量炉膛负压引凤量检测，变送器炉膛负压检测，变送器给煤量图3.4炉膛负压控制系统结构框图3.5 串级控制系统的参数整定串级控制系统从整体上来看是定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度。但副回路是随动系统，要求副参数能准确、快速地跟随主控制器输出地变化。主、副回路的原理不一样，对主、副参数的要求也不同，通过正

25、确的参数整定，可取得理想的控制效果。串级控制系统主、副控制器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。这里采用两步整定法。两步整定法就是让系统处于串级工作状态，第一步按单回路控制系统整定副控制器参数，第二步把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍按单回路对主控制器进行一次参数整定。一个设计合理的串级控制系统，其主、副回路中被控过程的时间常数应有适当的匹配关系，一般为。主回路的工作周期远大于副回路的工作周期，主、副回路间的动态关联较小。两步整定法的整定步骤如下：（1）在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主、副控制器均为比例作用的条件下，先将主控制器的比例度置于100%刻度上

26、，然后由大到小逐渐降低副控制器的比例度，直到得到副回路过渡过程衰减比为4：1的比例度，过渡过程的振荡周期为。（2）在副控制器的比例度的条件下，逐步降低主控制器的比例度，直到同样得到主回路过渡过程衰减比为4：1的比例度，过渡过程的振荡周期为。（3）按以求得的、和、的值，结合已选定的控制规律，按表2-1衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副控制器的整定参数值。（4）按照“先副回路，后主回路”的顺序，将计算出的参数值设置到控制器上，做一些扰动实验，观察过渡过程曲线，作适当的参数调整，直到控制品质最佳为止。表3.1 衰减曲线法整定参数计算表 整定参数 控制规律P（%）TiTdPPsPI1.2Ps0

27、.5TsPID0.8Ps0.3Ts0.1Ts3.6 串级控制系统的控制算法一、 模拟PID控制规律的离散化表3.2 模拟PID控制规律的离散化形式模拟形式离散化形式二、 数字P、PID控制器的差分方程PID控制： （1） （2） (3) (4)P控制 （5）三、 PID控制器的类型1、选用位置型控制 （6）2、 PID位置型控制示意图PID位置算法调节阀 被控对象r（t）c（t）图3.5 PID位置型控制示意图3、位置型PID算法的程序流程1)位置型的递推形式 （7）2)位置型PID算法的程序流程只需在增量型PID算法的程序流程基础上增加一次加运算u(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-

28、1)即可。计算e(n)计算计算计算+计算计算计算+u（n-1）e(n-1)到e(n-2)e(n)到e(n-1)u(n)到u(n-1)返回图3.6 位置型PID算法的程序流程图第4章 锅炉自动控制系统的硬件设计4.1总体设计思路锅炉自动控制系统中的风机和水泵通过变频器来调节电机的转速，通过工控机和可编程控制器对锅炉系统中的鼓风机、引风机、炉排电机、循环水泵实现控制。控制系统以两台工业控制机作为上位机，以PLC(可编程控制器)为下位机。上位机采用高可靠性的工业控制计算机，通过监控软件完成人机界面及故障报警功能，下位机采用西门子公司S7-200可编程控制器，实现锅炉燃烧系统和管网系统的自动控制，控制水平和硬件可靠性大大提高。4.2系统结构本系统采用集中控制，分为三层，系统结构框图如图4.1所示:主控机西门子S7-200系列可编程序控制器及扩展模块辅控机变频器电气控制回路传感器与变送器1#引风机变频器电气控制回路2#鼓风机传感器与变送器变频器电气控制回