采用PLC的锅炉燃烧控制系统.docx

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采用PLC的锅炉燃烧控制系统

采用PLC的锅炉燃烧控制系统

2007-11-17   来源：

中国自动化   浏览：

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1、引言

燃烧控制系统是电厂锅炉主控系统，主要包括燃料控制系统、风量控制系统、炉膛压力控制系统。

目前大部分电厂锅炉燃烧控制系统仍然采用PID控制。

燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成串级控制系统，其中燃烧率控制由燃料量控制、送风量控制、引风量控制构成，各个子控制系统分别不同测量、控制手段来保证经济燃烧和安全燃烧。

如图1所示。

图1燃烧控制系统结构图

2、控制方案

锅炉燃烧自动控制系统基本任务是使燃料燃烧所提供热量适应外界对锅炉输出蒸汽负荷要求，同时还要保证锅炉安全经济运行。

一台锅炉燃料量、送风量和引风量三者控制任务是不可分开，可以用三个控制器控制这三个控制变量，但彼此之间应互相协调，才能可靠工作。

对给定出水温度情况，则需要调节鼓风量与给煤量比例，使锅炉运行最佳燃烧状态。

同时应使炉膛内存一定负压，以维持锅炉热效率、避免炉膛过热向外喷火，保证了人员安全和环境卫生。

2.1控制系统总体框架设计

燃烧过程自动控制系统方案，与锅炉设备类型、运行方式及控制要求有关，对不同情况与要求，控制系统设计方案不一样。

将单元机组燃烧过程被控对象看作是一个多变量系统，设计控制系统时，充分考虑工程实际问题，既保证符合运行人员操作习惯，又要最大限度实施燃烧优化控制。

控制系统总体框架如图2所示。

图2单元机组燃烧过程控制原理图

P为机组负荷热量信号为D+dPbdt。

控制系统包括：

滑压运行主汽压力设定值计算模块（由热力系统实验获数据，再拟合成可用DCS折线功能块实现曲线）、负荷—送风量模糊计算模块、主蒸汽压力控制系统和送、引风控制系统等。

主蒸汽压力控制系统采用常规串级PID控制结构。

2.2燃料量控制系统

当外界对锅炉蒸汽负荷要求变化时，必须相应改变锅炉燃烧燃料量。

燃料量控制是锅炉控制中最基本也是最主要一个系统。

给煤量多少既影响主汽压力，也影响送、引风量控制，还影响到汽包中蒸汽蒸发量及汽温等参数，燃料量控制对锅炉运行有重大影响。

燃料控制可用图3简单表示。

图3燃料量控制策略

其中：

NB为锅炉负荷要求；B为燃料量；F（x）为执行机构。

设置燃料量控制子系统目之一就是利用它来消除燃料侧内部自发扰动，改善系统调节品质。

另外，大型机组容量大，各部分之间联系密切，相互影响不可忽略。

特别是燃料品种变化、投入燃料供给装置台数不同等因素都会给控制系统带来影响。

燃料量控制子系统设置也为解决这些问题提供了手段。

2.3送风量控制系统

实现经济燃烧，当燃料量改变时，必须相应改变送风量，使送风量与燃料量相适应。

燃料量与送风量关系见图4。

图4燃料量与送风量关系

燃烧过程经济与否可以剩余空气系数是否合适来衡量，过剩空气系数通常用烟气含氧量来间接表示。

实现经济燃烧最基本方法是使风量与燃料量成一定比例。

送风量控制子系统任务就是使锅炉送风量与燃料量相协调，可以达到锅炉最高热效率，保证机组经济性，但锅炉热效率不能直接测量，故通常一些间接方法来达到目。

如图5所示，以实测燃料量B作为送风量调节器给定值，使送风量V和燃料量B成一定比例。

图5燃料量空气调节系统

稳态时，系统可保证燃料量和送风量间满足

选择

使送风量略大于B完全燃烧所需要理论空气量。

这个系统优点是实现简单，可以消除来自负荷侧和燃料侧各种扰动。

2.4引风量控制系统

保持炉膛压力要求范围内，引风量必须与送风量相适应。

炉膛压力高低也关系着锅炉安全和经济运行。

炉膛压力过低会使大量冷风漏入炉膛，将会增大引风机负荷和排烟损失，炉膛压力太低会引起内爆；反之炉膛压力高且高出大气压力时候，会使火焰和烟气冒出，影响环境卫生，可能影响设备和人生安全。

引风量控制子系统任务是保证一定炉膛负压力，且炉膛负压必须控制允许范围内，一般-20Pa左右。

控制炉膛负压手段是调节引风机引风量，其主要外部扰动是送风量。

作为调节对象，炉膛烟道惯性很小，内扰和外扰下，都近似一个比例环节。

一般采用单回路调节系统并加以前馈方法进行控制，如图6所示。

图6引风量控制子系统

图中

为炉膛负压给定值，S为实测炉膛负压，Q为引风量，V为送风量。

炉膛负压实际上决定于送风量和引风量平衡，故利用送风量作为前馈信号，以改善系统调节性能。

另外，调节对象相当于一个比例环节，被调量反应过于灵敏，防止小幅度偏差引起引风机挡板频繁动作，可设置调节器比例带自动修正环节，使小偏差时增大调节器比例带。

负压S测量信号，也需进行低通滤波，以抑制测量值剧烈波动。

3、系统硬件配置

锅炉燃烧过程中，用常规仪表进行控制，存滞后、间歇调节、烟气中氧含量超过给定值、低负荷和烟气温度过低等问题。

采用PLC对锅炉进行控制时，它运算速度快、精度高、准确可靠，可适应复杂、难于处理控制系统。

，可以解决以上由常规仪表控制难以解决问题。

所选择PLC系统要求具有较强兼容性，可用最小投资使系统建成及运转；其次，当设计自动化系统要有所改变时，不需要重新编程，对输入、输出系统不需要再重新接线，不须重新培训人员，就可使PLC系统升级；最后，系统性能较高。

硬件结构图如图7所示。

图7硬件结构图

系统要求，选取西门子PLCS7-200CPU226作为控制核心，同时还扩展了2个EM231模拟量输入模块和1个CP243-1以太网模块。

CPU226IO点数是2416，这样完全可以满足系统要求。

同时，选用了EM231模块，它是AD转换模块，具有4个模拟量输入，12位AD，其采样速度25μs，温度传感器、压力传感器、流量传感器以及含氧检测传感器输出信号调理和放大处理后，成为0～5V标准信号，EM231模块自动完成AD转换。

S7-200PPI接口物理特性为RS-485，可PPI、MPI和自由通讯口方式下工作。

为实现PLC与上位机通讯提供了多种选择。

为实现人机对话功能，如系统状态以及变量图形显示、参数修改等，还扩展了一块Eview500系列触摸显示屏，操作控制简单、方便，可用于设置系统参数，显示锅炉温度等。

还有一个以太网模块CP243-1，其作用是可以让S7-200直接连入以太网，以太网进行远距离交换数据，他S7-200进行数据传输，通信基于TCPIP，安装方便、简单。

4、系统软件设计

控制程序采用STEP7-MicroWin软件以梯形图方式编写，其软件框图如图8所示。

图8软件主框图

S7-200PLC给出了一条PID指令，这样省去了复杂PID算法编程过程，大大方便了用户使用。

使用PID指令有以下要点和经验：

（1）比例系数和积分时间常数确定。

应经验值和反复调试确定。

（2）调节量、给定量、输出量等参数标准归一化转换。

（3）按正确顺序填写PID回路参数表（LOOPTABLE），分配好各参数址。

5、结束语

单元机组燃烧过程控制系统某火电厂发电机组锅炉协调控制系统中投入使用。

实际运行情况表明：

引入负荷模糊前馈，使锅炉燃烧控制系统作为协调控制子系统，跟随机组负荷变化能力显著提高，风煤比能够静态和动态过程中保持一致；送、引风控制系统逻辑控制系统配合下运行平稳性和安全性提高，炉膛负压波动减小，满足了运行要求；机组负荷不变时，锅炉燃烧稳定，各被调参数动态偏差显著减少，实现了锅炉优化燃烧；采用非线性PID调节方式，解决了引风挡板晃动问题。

采用西门子PLC控制，简化了系统，提高了设备可靠性和稳定性，同时也大幅提高了燃烧能热效率。

操作面板修改系统参数可以满足不同工况要求，机组各种信息，如工作状态、故障情况等可以声光报警及文字形式表示出来，主要控制参数（温度值）实时变化情况以趋势图形式记录显示，方便了设备操作和维护，该系统通用性好、扩展性强，直观易操作。

基于PLC控制的锅炉燃烧系统设计

发表时间：

2009-8-8陈著明覃建波邱小华来源：

《PLC&FA》网络版

关键字：

PLC锅炉燃烧系统

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plc技术因为其控制比较方便，也具有很强的灵活性，其采用内部编程进行对电路的控制，非常适合对燃烧锅炉的控制系统进行控制。

1引言

   工业燃油锅炉燃烧要求保持稳定的油压，以便于喷嘴物化喷油燃烧。

为了达到此要求用两台供油泵给锅炉供油，当工作油泵运行时，油压不足或工作泵跳闸，备用泵均能自动起动，使锅炉能够正常燃烧。

为了便于手动操作，两台供油泵均能手动控制，并能灵活切换。

两台供油泵均有信号指示灯，使工作人员明确电动机的运行状态，提醒工作人员注意安全。

   plc技术因为其控制比较方便，也具有很强的灵活性，其采用内部编程进行对电路的控制，如果需要改进，只需要对其内部的程序重新写入就可以实现新的控制要求。

2原理设计

   用两台供油泵对锅炉进行供油，每台供油泵用一台电动机带动，电动机m1带动1号供油泵，m2带动2号供油泵。

如果想对供油泵进行控制，只需要控制电动机m1和m2就可实现对供油泵的控制。

用接触器km1的主触头控制电动机m1的工作，用接触器km2的主触头控制电动机m2的工作。

所以最终转化为控制接触器km1和km2的通断就可实现对供油泵的控制。

   在电动机的主回路中串入热继电器fr，实现过载保护。

并且在主回路中串入熔断器fu，实现短路保护。

为了在检修时保护工作人员的安全，在主回路中串入三极隔离开关qs，工作人员检修时，断开隔离开关就可以保证工作人员的安全。

为了保证锅炉的正常工作，不允许同时使两个供油泵断电，所以每台电动机分别串联热继电器、熔断器和三极隔离开关。

图1 主电路图

   根据以上分析，用fr1作为电动机m1的过载保护热继电器，fr2作为电动机m2的过载保护热继电器。

qs1和qs2分别作为电动机m1和m2的三极隔离开关。

可以画出主电路图如图1所示。

3控制电路设计

   选用欧姆龙plc进行控制。

控制电路的硬件连接图如图2所示，主令与信号定义如附表所示。

   sb1为1号油泵的起动按钮；sb2为1号油泵的停止按钮；sb3为2号油泵的起动按钮；sb4为2号油泵的停止按钮；sb5为1号油泵的紧急事故停车按钮；sb6为2号油泵的紧急事故停车按钮；kw为油压检测元件，油压足够时，kw为断开状态，当油压不足时，kw闭合。

fr1为1号油泵的故障检测开关，无故障时，fr1处于闭合状态，当发生故障时，fr1断开。

fr2为2号油泵的故障检测开关，其工作状态同fr1。

   km1和km2分别为控制1号油泵和2号油泵的接触器；hg1、hr1为1号供油泵的信号指示灯，当hr1亮，hg1不亮时，1号供油泵工作；当hr1不亮，hg1亮时，1号供油泵断电不工作。

同理，hg2、hr2为2号供油泵的信号指示灯。

   plc的y3输出口控制1号油泵的事故音响回路；y7输出口控制2号油泵的事故音响回路。

   fu3、fu4、fu5为控制回路的保护装置。

为了防止1号油泵和2号油泵因为控制线路跳闸而同时停止工作，所以km1和km2采用两个电源供电，具体接线如图2所示。

图2 控制电路硬件连接图

4plc梯形图设计

   根据经验设计法，plc梯形图如图3所示。

图3 plc梯形图

   sa2选择工作油泵，当sa2拨到引脚①侧时，①和②接通，③和④断开，x2接通，x3断开，选择1号油泵为工作泵。

再用sa1选择工作方式是自动方式还是手动方式。

当选择自动工作方式时，x0接通，x1断开。

由于x13外接的是常闭触点，所以正常工作时，x13是闭合的，x5和x10为闭合状态，所以线圈y0通电，1号油泵开始工作，与此同时，y0的常开触点闭合，常闭触点断开，所以线圈y1通电，线圈y2断电，从而使hr1亮，hg1熄灭。

指示1号油泵正在运行。

当1号油泵跳闸时，fr1断开，内部常闭触点x13闭合，常开触点x13断开，线圈y3和y4通电，y3发出1号油泵事故信号，y4起动备用油泵；与此同时线圈y0失电。

1号油泵正常运行时，如果检测到油压不足，kw闭合，内部触点x12闭合，线圈y4回路接通，由此起动备用油泵m2。

   当sa2拨到中间位置时，x2和x3均断电，其内部常开触点均断开，所以输出线圈y0、y1、y3、y4、y5、y7均断电，两台油泵都停止工作。

只有两个绿色信号指示灯亮。

当sa2拨到引脚②侧时，①和②断开，③和④接通，选择2号油泵为工作泵。

其工作原理类似选择1号油泵为工作油泵。

   当sa1拨到引脚②侧时，①和②断开，③和④接通，x0断电，x1通电，内部常开触点x0断开，常开触点x1闭合，内部定时器t0通电，经过1秒钟后，t0的常开触点闭合，油泵处于手动状态，当按下sb1时，内部常开触点x4闭合，y0线圈通电，y0的常开触点接通，形成自保持就能起动1号油泵；同时y1通电，使1号油泵的红色指示灯亮。

按下sb2就能停止1号油泵。

同理，按下sb3起动2号油泵；按下sb4停止2号油泵。

其检测到油压不足或工作泵跳闸起动备用泵的工作原理同自动控制时相同。

   当1号油泵发生紧急事故时，按下sb5，x10断电，其常开触点断开，y0线圈失电，1号油泵停止工作。

5结束语

   用plc来实现燃烧锅炉的控制系统，其可靠性高、抗干扰能力强、通用性强、使用方便等优点，在燃烧锅炉控制系统中，达到了智能控制的目的，满足了可靠性和安全性的要求，同时减少了系统的空间，降低了系统成本。