锅炉plc控制Word下载.docx

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可以方便的改变液位、压力、温度等的上限、下限。

（3）提高锅炉的热效率。

由于工业锅炉耗煤量大，燃烧热效率每提高1％都会产生巨大的经济效益。

而采用plc控制后热效率可比以前提高5-10%。

（4）锅炉系统中包含鼓风机、引风机、给水泵等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。

通过对风机、水泵进行微机控制可以平均节电达到30%—40%。

（5）作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。

在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，可以设置多点声光报警和自动连锁停炉。

杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。

1.1锅炉整体控制方案选择

1.1.1六吨锅炉改装后的工作原理

由于锅炉控制对象的复杂性，锅炉控制环境的特殊性和运行周期的连续性，锅炉自动控制系统的控制装置选用可编程控制器（PLC）。

PLC是集自动控制技术、计算机技术、和通讯技术为一体的高科技产品。

现已成为工业及其它各个领域应用最广、发展最快的自动控制装置。

PLC控制技术已成为现代自动控制技术的重要支柱。

可编程控制器的主要特点：

a.可靠性高

b.环境适应性

c.使用方便、维护简单

d.扩展能力强

图1-1

在整个系统控制中，PLC将被检测的各个物理量（如汽包水位，蒸汽压力，给水流量等等），通过传感器、变送器转换成标准的模拟信号，送进EM232（模拟量输入模块），经过A/D转换后的数据结果送CPU224进行各种数据处理算法。

经过处理后的数据在各个PID控制回路进行PID运算，PID运算后产生的结果即控制输出数值，将该数值转换成标准控制信号，经EM232输出到电动阀门，变频器等控制机构，实施自动控制。

与此同时，在进行数据处理的时候，当被监测的物理量超过其限定的范围时，会通过CPU224自身的数字量输出口产生报警信息。

控制输入主要通过控制开关来完成整个PLC系统的启动，停止等功能。

1.1.2给水控制系统

（1）给水控制的意义

汽包水位是锅炉运行的重要参数，它直接影响锅炉运行的安全性和经济性：

汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成汽包出口蒸汽水分过多，使蒸汽中的含盐量增加，该蒸汽通过过热器时，一部分盐份沉积在管子内壁上，使传热阻力增加，管壁温度升高，造成钢材强度降低，加速钢材蠕变，甚至超温爆管；

不合格的蒸汽进入汽机膨胀作功后，压力逐渐降低，盐份在蒸汽中的溶解度减小，析出的盐份沉积在汽机的流通部分，使蒸汽的流通截面减小，导致汽机出力和效率的降低；

另外蒸汽中的水分过多也会使过热蒸汽温度急剧下降，造成汽轮机末级带水，严重时可造成汽轮机水冲击。

汽包水位过低，会造成下降管带汽，影响锅炉水循环的正常工作，可能导致水冷壁管过热而爆管。

因此，准确可靠的测量汽包水位、配置合理可靠的水位保护装置在任何时候都是火电厂仪控专业的最重要课题之一。

（2）给水控制系统工作原理

图1-2

上图所示为一单冲量水位控制系统。

这里的单冲量指的是汽包水位。

这种控制系统结构简单，是典型的单回路定值控制系统，在汽包内水的停留时间较长，负荷又比较稳定的场合，这样的控制系统再配上一些联锁报警装置，也可以保证安全操作。

然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系统就不能使用。

为了克服上述这些矛盾，可以不仅依据水位，同时也参考蒸汽流量和给水流量的变化，来控制给水调节阀，能收到很好的效果，则就构成了双冲量或三冲量控制系统。

三冲量控制方案：

从反馈控制的思想出发，很自然地会以水位信号H作为被调量，给水流量作为调节量，构成单回路系统（通常称为水位单冲量控制系统）。

诚然，这是一个基本的控制方案。

对于小容量锅炉来说，它的蓄水量较大，水面以下的汽包体积不占很大比重。

因此给水容器延迟和假水位现象不明显，可以采用单冲量控制系统。

对于大型超高压（接近临界压力）锅炉也可采用这种控制对象，因为在超高压下汽和水的密度相差不大，假水位现象并不显著。

但是，对于大量的大中型锅炉来说，这种系统不能满足要求。

因为汽机耗汽量改变所产生的假水位将引起给水调节机构的误动作，致使汽包水位激烈的上下波动，严重地影响设备的寿命和安全。

所以对大中型锅炉不能采用单冲量控制系统，必须寻求其它解决办法。

如果从物质平衡的观点出发，只要保证给水量永远等于蒸发量，就可以保证汽包水位大致不变。

因此可以采用如下图所示的比值控制系统，其中流量调节阀是PI调节器，并用汽机的耗汽量D作为调节系统的设定值，水给水量W跟踪蒸汽量D。

图1-3

采用比值控制系统方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作，给水量W的大小只决定于耗气量D，假水位现象不会引起给水调节机构的误动作。

然而应该看到，这个比值控制系统对于汽包水位来说只是开环控制。

如果耗气量和给和给水量的测量不准或者由于锅炉排污及管道泄露等，蒸汽量和给水量之间并非总是确定的比值，此比值系统就不能达到汽水平衡，保持水位。

这是因为汽包水位H对于（D-W）来说是一个积分关系，微小的D和W之差可以在长时间的积累中形成很大的水位偏差。

所以不能单独使用比值控制系统。

如果把上述两种方案结合起来，就构成里所谓的汽包水位三冲量可控制系统。

所谓三冲量，指的是引入了三个测量信号：

汽包水位、给水流量和蒸汽流量。

这个系统对上述两种方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。

例如，当耗气量D突然阶跃增大时，一方面由于假水位现象水位会暂时升高，它使调节器错误的指挥调节机构减小给水量：

另一方面，D的增大又通过此比值控制作用指挥机构增加给水量。

实际给水量是增大还是减小，取决于系统参数的整定。

当假水位现象消失后，水位和蒸汽信号都能正确地指挥调节机构动作。

图1-4三冲量给水控制系统

由于单冲量控制系统不能克服假水位带来的控制问题，双冲量控制系统还有不能做到静态补偿以及不能对给水系统干扰及时克服两个的弱点。

因此在实际应用中汽包水位控制系统都采用三冲量控制系统。

即蒸汽流量、给水流量、汽包水位三个冲量作为输入变量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包水位。

图1-5

如图所示的水位三冲量控制系统中，负载扰动、锅炉水位和给水流量经过A\D转换后送给PLC，PLC通过设定程序对这三参数进行相关处理。

首先，PLC对水位进行采样，判断其大小，如果水位低于设定值，PLC将输出一个正信号给水泵变频器，驱动水泵给锅炉供水；

相反如果水位偏高则停止供水，以次维持锅炉水位稳定。

由于蒸汽流量的变化会引起锅炉的虚假水位，仅对水位一个参数判定供水，锅炉的水位会有较大的波动，所以，通过对负载的采样，用蒸汽的流量信号做一个前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀立即向正确的方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，从而抵消了由于虚假水位引起的反向作用，因此减少了水位和给水流量的波动幅度。

给水流量信号作为调节阀动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，做出响应的调整。

对于水压干扰等给水侧的扰动，给水流量信号也起着前馈的作用，能使扰动迅速做出反应。

同时，在对水位进行调节的同时，由于对水泵等的控制不是一个线性关系，存在误差，所以将给水流量引回做一个闭环反馈，当给水流量低于PLC要求的值时，PLC将进一步加大给变频器的输出量提高水泵的转速，减小给水流量误差。

由此可以看出在前馈-串级三冲量控制下，调节器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和失控。

但是，考虑到六吨锅炉的实际造价等问题，水位三冲量控制要比但冲量控制添加许多传感器（流量）和调节阀等，而这些器件造价较高。

虽然单冲量水位控制一个基本的控制方案。

1.1.3燃烧控制系统的工作原理

（1）燃煤控制系统概述

锅炉生产燃烧系统自动控制的基本任务，是使燃料燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，同时还要保证经济燃烧和锅炉的安全运行。

具体控制任务可概括为三个方面。

a.稳定蒸汽母管的压力

维持蒸汽母管蒸汽压力不变，这是燃烧过程自动控制的第一项任务。

如果蒸汽压力变了就表示锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量不相适应，因此，必须改变燃料的供应量，以改变锅炉的燃烧发热量，从而改变锅炉的蒸发量，恢复蒸汽母管压力为额定值。

这项控制任务就称为汽压控制或热负荷控制。

此外，保持汽压在一定范围内，也是保证锅炉和各个负荷设备正常工作的必要条件。

稳定蒸汽母管的压力，对于单独运行的锅炉相对来说要简单些，对于并列运行的锅炉，在一母管上同时有几台锅炉，因而保持母管蒸汽压力不变，还必须解决好几台并列运行锅炉之间的负荷分配问题。

b.维持锅炉燃烧的最佳状态和经济性

维护锅炉燃烧过程的最佳状态和经济性是锅炉燃烧过程自动控制的第二项任务。

燃烧的经济性指标难于直接测量，常用锅炉烟气中的含氧量，或者燃料量与送风量的比值来表示。

如果能够恰当地保持燃料量与空气量的正确比值，就能达到最小的热量损失和最大的燃烧效率。

反之，如果比值不当，空气不足，结果导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升;

如果空气过多，就会使大量的热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。

一般说来，对燃煤锅炉，在烟气保持的10%氧或40%的过剩空气是最合适的，这样热损失最小。

c.维持炉膛负压在一定范围

炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。

通常要求炉膛负压保持在50-100Pa的范围内。

这时燃烧工况，锅炉房工作条件，炉子的维护及安全运行都最有利。

如果炉膛负压太小，炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生，又可能危及设备与操作人员的安全。

负压太大，炉膛漏风量增大，增加引风机的电耗和烟气带走的热量损。

因此，需要维持炉膛压力在一定的范围之内。

这三项控制任务是相互关联的，它们可以通过控制燃料量、送风量和引风量来完成，对于燃烧过程自动控制系统的要求是：

在负荷稳定时，应使燃料量、送风量和引风量各自保持不变，及时地补偿系统的内部扰动，这些内部扰动包括燃料的质量变化，以及电网频率变化引起的燃料量、送风量和引风量的变化等。

在负荷变化的外扰作用时，则应使燃料量、送风量和引风量成比例的改变，既要适应负荷的要求，又要使三个被控量：

蒸汽母管压力、炉膛负压和燃烧经济性指标保持在允许范围内。

综上分析，使燃料量与空气量之间保持一定的比值关系，是确保经济燃烧的根本问题。

这就需要正确地测量燃料量和空气量。

由于本设计针对六吨中小型锅炉，考虑到实际应用中造价等问题，此设计将不对燃烧状况进行检测，风煤比通过经验进行设置。

图1-6

通过对蒸汽压力的检测，判断对炉排变频器和鼓风变频器的输出（对炉排变频器和鼓风变频器输出大小关系便是风煤比，此值通过经验和对现场运行是进行调整），当蒸汽压力变小时，PLC将提高对炉排和给煤变频器的输出值，加大给煤和鼓风量，增加锅炉的输出功率；

相反当蒸汽压力增大时，PLC将减小对变频器的输出值。

当只对蒸汽压力进行检测控制时，由于对对象的检测时蒸汽压力已经有了变化，所以蒸汽压力会有比较大的扰动。

而通过将蒸汽流量信号引入，作为前馈信号，当蒸汽流量加大时，提前对炉排和鼓风变频器提高输出值，锅炉动作时间将比只对蒸汽压力进行控制时大大缩短，蒸汽压力的波动将有很大的改观。

由于在实际的调节过程中阻力等其他原因，给煤量和鼓风量可能与PLC的输出值有较大的差别，本设计还对炉排进给速度和鼓风量信号引回作为反馈信号，形成一个闭环控制回路，直接测量其输出值并做出相应的调整，减小控制过程的误差。

（2）燃料量控制系统

从汽压对象动态特性可知，它们都近似单容对象，是一个易控对象，但是考虑到大型单元机组容量大，各部分之间联系密切，相互影响很大，尤其是燃料品种的多变，投入燃料供给装置的台数不同等因素对系统的影响，因此一般需要单独设计一个燃料量控制系统。

如下图1-7用锅炉跟踪方式时燃料量串极控制系统的方框图。

为了改善“炉跟机”的控制效果，图中采用了带有动态补偿器的蒸汽流量前馈信号。

图1-7

图1-8是汽机跟踪方式和机炉协调方式下的燃料量串级系统方框图。

可以看到，无论哪种跟踪方式，其内回路都是燃料量控制回路，当存在燃料侧内部扰动时，则在基本上不影响主汽压和出力的情况下，由内回路迅速加以消除。

图1-8

（4）送风控制系统

为了使锅炉适应负荷的变化，必须同时改变送风量和燃料量。

恰能满足完全燃烧所需的空气量只取决于燃料的元素分析，称为理论空气量。

一般实际送风量都比理论空气量大一些，用过量空气系数α来衡量，有时又称作空燃比。

送风控制系统的最终任务是达到最高的锅炉热效率。

但热效率不能直接测量，因此通常采用间接的方法达到目的。

根据不同的测量方法可以构成不同的系统。

通常采用的有五种方案。

图1-9

图1-10

图1-9所示为燃料量-空气系统。

此系统实现简单，而且无论发生负荷变化还是燃料侧的扰动，都能满足空气量和燃料量之比要求。

但由于给煤量难以测量，往往需要采取其它措施才能实现。

图1-10所示为热量-空气系统，它的优点是当燃料侧发生扰动时，燃料量和送风量两个控制系统能很好地协调。

但热量信号不能反映负荷扰动的情况，因此当负荷发生变化时，风量的调节动作缓慢，使风量与燃料量配合过程中出现较大的动态偏差。

另一种方案是在热量-空气系统中取消汽包压力微分信号而构成的蒸汽-空气系统。

从汽压调节对象的动态特性可知，当负荷性变化时，蒸汽量会迅速跳变，使送风量能及时地跟踪负荷的变化，控制效果较好。

但是在内扰下，不能保证风量与燃料量之间的配比。

然而，系统结构简单是它的优点。

如果用给定指令，这就构成了给定负荷-空气系统。

采用这种方案时，燃料量指令必须同时送到燃料量控制系统。

因而在负荷发生变化时，这两个控制系统同时动作，使风量和燃料量配合过程中的动态偏差较小。

它的缺点与蒸汽-空气系统相似，即当燃料侧发生扰动时，不能保证要求的空燃比。

图1-11

图1-11是氧量-空燃比串级系统。

它首先在内环快速保证最佳空燃比，至于给煤量测量不准，则可由烟气中氧量作串级校正。

目前由于氧量测量中存在的问题，还只停留在开环监视的水平，很少用于闭环控制。

由于本设计为六吨燃煤蒸汽锅炉，属于中小型锅炉考虑其造价和推广用应，本设计采用燃料量-空气系统。

（5）负压控制系统

负压控制系统的任务在于调节烟道吸风机的引风量，维持炉膛负压一定。

锅炉烟道对象惯性很小，调节通道和扰动通道的特性都可以近似地任务是一个比例环节。

这是一类特殊的被控对象，简单的单回路控制系统并不能保证被控质量，因为被调量的反应太灵敏以至激烈跳动。

考虑到该系统的被调量（炉膛负压）反映了吸风量之间的平衡关系，明显的改进措施是辅以前馈控制，即在送风量改变的同时也改变吸风量。

这里只需作几点说明：

（1）由于负压测量值波动激烈，在引入调节器前必须经过处理，例如采取低通滤波器等措施加以平滑化。

（2）该炉共有四台引风机，因此炉膛负压调节器的信号将同时送到四个控制子回路，分别控制四台吸风机。

（3）系统中有一个增益补偿回路。

由于吸风机投入运行的台数要视锅炉负压而定，因而控制系统开环总增益随投入运行风机的台数不同而改变。

为此设置了这个补偿回路。

其原理与燃料量控制系统中的增益补偿原理相同。

综上所述，燃烧控制系统是由燃料量、送风量和负压三个相互匹配、密切联系的控制子系统组成。

其中燃料量控制回路使锅炉跟踪外界负荷，送风量控制回路维持锅炉最高的热效率，负压控制回路保持负压稳定，这三个控制子回路组成了不可分割的一个整体，统称为锅炉燃烧控制系统，共同保证锅炉运行的机动性、经济性和安全性。

1.1.4系统整体

图1-12

2锅炉的整体变频器改造设计

2.1变频器的应用及发展

交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一。

这是与电力电子器件制造技术、变流技术、控制技术、微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关。

也就是说，每当新一代的电力电子器件的出现时，体积更小、功率更大的新型通用变频器就会产生；

每当出现新的微机控制技术时，功能更全、适应面更广和操作更加方便的一代新型通用变频器就会出现在市场上。

从世界通用变频器应用市场的角度来说，大致可分为日本、美国、欧洲三大部分。

目前国内引进的通用变频器中，也是以上三地区的品牌居多，功率小到百瓦大至数千瓦。

一、通用变频器的发展过程

自20世纪80年代通用变频器问世以来，通用变频器更新换代了五次：

第一代是80年代初的模拟式通用变频器，第二代是80年代中期的数字式通用变频器，第三代是90年代的只能型通用变频器，第四代是90年代中期的多功能通用变频器，本世纪研制上市第五代集中式通用变频器。

通用变频器的发展情况可以从一下几个方面来说明。

通用变频器的应用范围不断扩大

通用变频器不仅在工业的各行业广泛应用，就连家庭也逐渐成为通用变频器的应用场所。

正是通用变频器应用范围的不断扩大，其产品正向三个方面发展变化：

其一，向无需调整便能得到最佳运行的多功能与高性能变频器方向发展；

其二，向通过简单控制就能运行的小型及操作方便的变频器方向发展；

其三，向大容量、高起动转矩及具有环境保护功能的变频器方向发展。

在工业生产装置中，不少泵出口的流量均随工况的改变而频繁波动。

在控制系统中执行器一般采用调节阀，但在工艺流程中，由于调节阀的压降（约0.02~2.5MPa左右）占工艺系统压降的比例较大，从而导致泵的能量在调节阀上的损失亦大，为此变频调速器替代控制系统中调节阀逐渐增加。

变频调速器是采用正弦波PWM脉宽调制电路，并能接受控制器的输出信号。

变频调速器具有大范围平滑五级变速特性，频率变化范围宽达2.45~400Hz，调速精度可达±

0.5%，变频调速器作为执行器，与工艺介质不接触，具有无腐蚀、无冲蚀的优点。

因为电机的消耗功率与转速的立方成正比，所以当电机转速降低、泵的出口流量减少时，相应消耗的功率便大幅度下降，从而达到显著节电效果。

目前，在生产装置中有的采用变频调速器与调节阀并用的控制方式，其原因有：

在变频调速控制效果不佳或出现意外时，可及时切换至调节阀控制，保证安全生产：

能够利用调节阀进行流量微调；

当管线要求压力一定时，可以通过调节阀来实现。

采用变频调速器和调节阀并存的方式时，一般情况下采用变频调速，异常情况下采用调节阀控制。

应用变频器的好处：

在工业生产和产品加工制造业中，电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%-5%，是一笔不小的生产费用开支。

随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧；

节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一而八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。

一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。

八十年代末，该技术引入我国并得到推广。

现己在电力、冶金、石油、化工、造纸、食品、纺织等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。

目前，变频调速技术己经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。

卓越的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。

尤其在风机设备中应用得较为广泛，如锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。

而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。

这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。

在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。

从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。

泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间，提水泵站、水池储罐给排系统、工业水（油）循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。

而且，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。

这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏:

还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。

风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。

不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。

近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器（简称变频器）易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点:

因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。

该调速节能原理可以从以下两个方面来说明:

①风机水泵的节电原理就是用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量，这是一个节电的有效途径。

风机的特性曲线如图2-1所示。

在用档风板控制额定风量Q1=10%0输出时，则轴功率N1与面积HAI阅1成