燃气蒸汽锅炉DCS控制系统设计.docx

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燃气蒸汽锅炉DCS控制系统设计

河南xxx工业有限责任公司

锅炉房3台10T蒸汽锅炉自控系统

控

制

方

案

xxxx电气系统有限公司

一：

概述

xxxx电气有限公司是暖通、供暖节能、锅炉、热能设备等领域自动化控制的高科技股份制公司，是国内最大的锅炉电脑控制器厂家。

xx公司于1995年在全国率先推出锅炉电脑控制器，至今已发展到全系列燃煤、燃油（气）和电热锅炉的电脑控制、PLC控制、小型和大型DCS控制和供暖节能控制，控制锅炉的吨位达到150t/h，并且始终保持技术领先地位。

目前xx公司产品已遍布全国，部分出口国外，近1000家国内锅炉厂和11家外资锅炉厂配套使用，已成为我国锅炉控制的主流产品和著名品牌，是中国锅炉行业“工业锅炉控制标准”起草单位。

公司资质：

中国锅炉行业“工业锅炉控制标准”起草单位

省级高新技术企业

国家级高新区企业

计算机软件企业

中国锅炉行业协会团体会员

二、控制对象和设备

10T燃油气两用饱和蒸汽锅炉3台，每台包括：

●程控器外置式燃烧器1台；风机功率12KW，

●给水泵2台，功率15kw（一主一备）；

●循环泵

●节能泵

由上述设备组成锅炉补水及蒸汽负荷输出系统。

三、关于标准

1、目前尚无锅炉控制器的国家标准或行业标准，我公司执行的是xxxx公司企业标准Q/3201RTG01-2000，是目前国内唯一具有企业标准的锅炉电脑控制厂家。

2、我国工业锅炉控制装置的行业标准正在制定中，我公司为该标准的第一起草单位。

3、本控制方案依照国家有关标准和规程及xxxx公司企业标准编制，全面满足招标方要求。

四：

系统设计原则

我方在进行本控制系统设计时，将严格遵循以下系统设计原则：

安全性原则：

由于锅炉属于压力容器，而且工作环境比较恶劣，因此，控制系统首先要保证的就是锅炉系统运行的安全性，这是首要设计原则。

为了达到安全的目的，在一次仪表和二次仪表的选型上，要严格遵循行业规范，从根源上保证系统的安全。

可靠性原则：

可靠性原则是针对控制系统的安全而言的，同样是为了保证锅炉的安全运行，在控制系统设计时，要注意控制的层次和相应层次的操作等级、权限。

目前，国际上普遍认同的可靠控制系统分为三个等级：

计算机上位监控子系统、实时控制子系统和就地强电手动操作子系统，本项目也将严格按这种方式来设计整体控制系统。

科学性原则：

科学性原则是指控制系统中选用的一次、二次仪表、PLC等产品都属于目前国内和国际上的主流产品，同时，控制系统的结构是合理的，具有行业针对性的。

先进性原则：

先进性原则是指在系统科学设计和元器件经济合理的前提下，要尽量保证控制系统符合国际上自动化控制系统的发展方向，保证本控制系统在5-10年内仍属于比较先进的锅炉控制系统。

五、控制方案

根据燃气锅炉的运行特点，锅炉控制系统控制采用小型分布式控制系统，本系统由一个工程师站，两个操作员站作为集中监控平台；S7-300作为锅炉及辅机控制系统，一次仪表信号分别送入PLC，由PLC经智能逻辑运算后驱动燃烧、循环泵等相关设备；上位系统一方面接收下位机上传的现场信号进行数据显示及报表和记录生成，另一方面，根据数据分析结果对下位机进行管理，实时监控锅炉系统运行以保证整个锅炉控制系统绝对安全可靠。

拓扑图如下：

上位机：

I／O数据处理、回路控制和顺序控制、完成面向过程的全部监测、调节和运算功能。

包括温度、压力的显示、各种复杂调节和先进控制算法，各种电机的起停等控制，相关设备运行状态的监控及连锁保护等。

PLC柜：

现场数据采集及简单处理、现场执行机构驱动。

操作员站及工程师站：

工控机采用台湾研华品牌，P4,512MB内存，250G硬盘，DVD光驱，显示器采用22寸DELL液晶显示器

OSM交换机（1台）：

MOXA；

S7-300系列PLC1套，10寸触摸屏1台

S7-200系列PLC3套，10寸触摸屏3台

操作台（1套）：

三工位含坐椅。

软件技术：

基于WINDOWSXP多用户操作系统的专业组态软件，可同时处理多项任务，具有远程监控功能。

主控单元的回路控制功能包括各类控制算法功能及功能模块包含用户所需各种功能模块。

锅炉控制系统由若干个子系统组成，这些系统协调运行；并具有前馈特征，使锅炉能灵敏、安全、快速与稳定的运行。

六、系统构成

多锅炉、多机组集散控制系统，严格按照工业控制标准和锅炉安全要求原则设计。

软硬件采用面向对象的模块化设计，安全可靠。

层次设计，共三层：

●　一层----现场传感器及执行器

温度、压力、液位等一次仪表采用著名品牌器件，保证锅炉各项工况参数实时精确检测。

●　二层----现场锅炉控制柜

锅炉现场控制柜直接控制各锅炉的运行。

对上接收上位机指令，对下采集数据，系统单元之间相互联系，又都具有相对的独立性．下位机（PLC控制柜+触摸屏）可以脱开上位机（工控机），进行独立操作运行，同时也可在联机状态下通过上位机进行操作监控。

●　三层----中心控制柜

完成系统的整体管理及监控，是系统的核心。

对外与工作人员交互信息，对内完成监控及管理任务。

按照“指令”和“数据”适时管理及控制锅炉运行。

PLC控制系统

七：

下位机控制功能：

7.1：

用户管理功能：

设有观查员、操作员、管理员三个操作级别，具有不同的操作权限；

示意图

7.2：

工作状态显示功能：

“状态”是当前控制器所处的工作状态，分别为“待命”、“报警”以及“运行”状态。

并实时显示主要参数的当前值。

开机后若无故障，系统处于待命状态，状态框显示为“待命”。

出现故障时系统进入报警状态，状态框显示为“报警”。

按“运行”键，系统进入运行状态，状态框显示当前的“运行”状态。

7.3：

历史故障记录功能：

控制器检测发现出故障时，除弹出显示报警画面外，故障发生的时间、故障恢复的时间和故障名称都被记录下来，可通过查阅故障记录，检查最近发生的故障记录。

示意图

7.4：

实时故障记录：

控制器检测到故障时，自动关闭燃烧器、给水泵等设备。

弹出报警画面，报警讯响器报警，报警输出继电器闭合。

按“消音”键可关闭讯响报警、报警输出继电器断开；按“复位”键，退出故障报警画面，若故障未解除，则仍保持报警状态。

若故障已解除，按“复位”键，退出故障报警画面同时系统恢复为“待命”状态。

示意图

7.5：

时间设置功能：

示意图

7.6：

参数设置功能;设定排烟报警温度值等设定值。

此画面还显示燃烧器累计运行时间。

示意图

7.7给水泵变频控制功能：

给水泵操作有“启动”、“停止”、“手动/自动”、三个按钮，同时根据用户的操作，画面动态显示给水泵的工作状态、手自动状态和主备状态。

按“变频手动/变频自动”按钮，给水泵原为手动状态就转变为自动状态，原为自动状态就转变为手动状态。

变频器在手动状态下，通过“手动给速”参数设置变频器速度。

在自动状态下，根据“汽包水位设定”及PID参数自动调节水泵转速。

示意图

7.8：

燃烧器手自动控制功能：

待命状态下，在确认无故障报警条件下可手动启动燃烧器。

在主画面上按燃烧器，输入工艺员用户名及密码，可进入“燃烧器操作”画面。

示意图

7.9液位控制：

液位控制由用差压变送器将模拟信号上传至PLC实现电动调节阀进行PID控制、上下限报警及连锁；高信号稳定可靠。

过压强；可满足各种恶劣工业环境。

7.10除氧器控制：

1）除氧水泵控制：

根据除氧器液位来控制泵的启停。

2）除氧器液位调节：

根据除氧器实际液位与设定除氧器液位的差值，通过PID计算自动调节液位调节阀开度，从而保持除氧器液位在设定的液位。

3）除氧器压力调节：

根据除氧器实际压力与设定除氧器压力的差值，通过PID计算自动调节压力调节阀开度，从而保持除氧器压力在设定的压力。

4）除氧器出水水温调节：

根据除氧器实际出水水温与设定除氧器出水水温的差值，通过PID计算自动调节加热蒸汽调节阀开度，从而保持除氧器出水水温在设定的温度。

5）软水箱液位调节：

根据软水箱实际液位联锁控制软水箱补水阀的开闭，是软水箱液位控制在要求范围之内，保证锅炉用水需要。

7.11　燃烧器控制（比例调节）

⏹控制系统进入上班时检测锅炉水位，当锅炉水位正常时，才能开启燃烧器;

⏹燃烧器启停由锅炉蒸汽压力控制，蒸汽压力下限、上限值由用户设定；

⏹当锅内蒸汽压力低于设定的蒸汽压力下限值时，控制器输出开启燃烧器电源，燃烧器启动点火程序、同时进入燃烧负荷比例调节状态（燃烧器比例调节仪），此时由蒸汽压力直接调节燃烧负荷量；

⏹当锅炉蒸汽压力大于设定的蒸汽压力上限值时，控制器输出停止燃烧信号，燃烧器进入燃烧负荷比例调节关闭状态，直至停止燃烧。

7.12本系统能直观显示和报警（声光）处理以下内容：

1）燃烧器熄火故障与保护

2）燃气压力高、低声光报警与保护

3）锅炉蒸汽压力超高故障与保护

4）锅炉水位极低故障与保护

5）锅内水位超高故障与保护

6）燃气的泄露故障与保护

7）排烟温度监测与保护

8）蒸汽压力监测与传感器故障保护

9）系统断电监测与保护

10）电机过载、过流监测与保护

7.13安全保护措施

⏹下列情况锅炉必须紧急停炉：

蒸汽压力超高故障、锅炉水位极低故障、燃烧机熄火故障、燃气压力异常（高低故障），系统出现这类故障，需人工复位才能再次运行；

⏹燃烧熄火故障保护：

燃烧器如果因各种原因不能正确点火或燃烧过程中出现熄火，电脑控制器“熄火故障”声光报警指示，联锁关闭燃烧器设备；

⏹锅炉水位极低保护：

系统运行过程中，当锅炉水位低于设定的极限低水位时，电脑控制器“水位极低故障”声光报警指示，联锁所有受控设备；

⏹蒸汽超压保护：

系统运行过程中，当锅炉蒸汽压力大于设定安全运行压力时，电脑控制器“蒸汽超压故障”声光报警指示，联锁所有受控设备；

⏹锅炉水位极高保护：

系统运行过程中，当锅炉水位高于设定的极限高水位时，电脑控制器“水位超高故障”声光报警指示，联锁给水设备；

⏹燃气压力低保护：

当供气压力低于燃烧器正常工作气压范围时，电脑控制器“燃气压力低故障”声光报警指示，联锁关闭燃烧器设备；

⏹燃气压力高保护：

当供气压力高于燃烧器正常工作气压范围时，电脑控制器“燃气压力高故障”声光报警指示，联锁关闭燃烧器设备；

⏹排烟温度超温保护：

系统运行过程中，当实际排烟温度超过设定的烟道超温温度时，电脑控制器“排烟超温故障”声光报警指示，联锁关闭燃烧器；

⏹断电故障保护：

系统运行过程中，出现供电断电系统自动切断输出设备，再次供电时，智能控制器自动处于下班状态，确保系统安全运行；

⏹电机负荷保护：

通过断路器和热过载继电器，保护电机设备在运行过程中的过流、过热保护。

群控系统

九：

主要电气元件及传感器说明：

9.1S7-300系列PLCSIMATICS7-300是一种通用型的PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。

模块化、无风扇结构、易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点，使得S7-300在以下工业领域中实施各种控制任务时，成为一种即经济双切合实际的解决方案：

S7-300具有以下显著特点：

◆循环周期短、处理速度高

◆指令集功能强大、可用于复杂功能

◆产品设计紧凑、可用于空间有限的场合

◆模块化结构、适合密集安装

◆有不同档次的CPU、各种各样的功能

◆模块和I/O模块可供选择

▪无需电池备份，免维护

9.2西门子触摸屏：

　高分辨率宽屏显示

1、800×480dpi宽屏显示设计和传统屏幕相比具有更大的可视面积，使单个画面中可以显示更多的信息，让操作员具有更舒适的视觉体验

2、高分辨率使得画面更清晰，画质更细腻

LED背光，节能降耗

1、 LED较之CCFL，背光板厚度降低一半左右，使精彩系列面板更轻巧。

同时，操作屏亮度更高，色彩更均匀，表现力更强，可视范围提高到140°

2、LED背光可以降低设备能耗，结合屏保功能最大程度地延长操作屏的使用寿命

强大且丰富的通讯能力

1、PPI通讯协议确保精彩系列面板与S7-200建立高速无缝的连接，和S7-200PLC组成完美的小型自动化解决方案

2、集成的RS422/485通讯口使精彩系列面板的通讯更加灵活，可以和市场主流的小型PLC建立稳定可靠的通讯连接。

（三菱FX系列；欧姆龙CP1系列）

3、当采用PPI通讯时，通信速率高达187.5kb/s 

高性能处理器、高速外部总线及64MDDR内存

1、高端的ARM处理器，主频达到400MHz，使数据处理更快，画面显示更流畅

2、高速的外部总线充分发挥处理器的强大性能

3、增强的64MDDR内存使得画面的切换速度更快 

9.3：

ABBACS51系列变频器：

ACS510系列变频器，作为一种高品质的电机变频调速控制设备，一款杰出的低压交流传动产品。

应用于工业领域，特别适合风机水泵传动，典型的应用包括恒压供水，冷却风机，地铁和隧道通风机等等。

 亮点：

完美匹配风机水泵应用，高级控制盘，用于降低谐波的专利技术；变感式电抗器，循环软起动，多点U/F曲线，超越模式，内置RFI滤波器作为标准配置，适用于第一和第二环境，CE认证。

主要性能：

完美匹配风机水泵：

·增强的PFC应用：

最多可控制7（1＋6）个泵；能切换更多的泵

·SPFC：

循环软起功能；可依次调节每个泵

·多点U/F曲线：

可自由定义5点U/F曲线；可灵活广泛的应用

·超越模式：

应用于隧道风机的火灾模式；   应用于紧急情况下

·PID调节器：

两个独立的内置PID控制器：

PID1和PID2，PID1可设置两套参数；通过PID2可控制一个独立的外部阀门。

更经济：

·直觉特性：

噪音最优化，当传动温度降低时增加开关频率，可控的冷却风机，仅在需要时启动；可随机分布开关频率，从而降低噪音，极大改善了电机噪音，降低传动噪音并提高功效

·磁通优化：

负载降低时自动降低电机磁通；极大地降低能耗和噪音

·连接性：

简单安装，可并排安装，容易连接电缆，通过多种I/O连接和即插式可选件方便地连接到现场总线系统上；减少安装时间，节约安装空间，可靠的电缆连接　　

更环保：

·EMC：

适用于第一及第二环境的RFI滤波器为标配；不需要额外的外部滤波器　　o电抗器：

变感电抗器：

根据不同的负载匹配电感量，因此抑制和减少谐波；降低总谐波　

9.4　交流接触器（施耐德）

特技术点：

LC1系列交流接触器主要用于交流50Hz或60Hz，额定工作电压至660V，在AC-3使用类别下额定工作电压为380V额定工作电流至95A的电路中，供远距离接通与分断电路之用，并可与热继电器直接插接组成电磁起动器，以保护可能发生操作过负荷的电路。

接触器还可组装积木式辅助触头组、空气延时头、机械联锁机构等附件，组成延时接触器、可逆接触器、星三角起动器。

中间继电器（施耐德）

技术特点：

型式系列有动作显示灯内藏型、高容量型、二级体内藏型等；

额定操作电压（AC100/110，AC110/120，AC200/220，AC220/240） （DC100/110）；

取得UL、CSA认定及电气用品取缔法标准品；

3极、4极电弧标准装备；耐电压AC2000V。

9.5E+H电导率检测仪：

微处理器控制，电导率和电阻测量变送器，liquisysM

CLM223/253变送器采用模块化设计，应用广泛。

基本型变送其提供简单的测量和报警功能，扩展功能软件和硬件模块化后可以应用于特殊的场合，如果需要，可使用扩展模块。

产品应用

超纯水

水处理

离子交换

污水

反渗透

冷却水脱盐

E+H电导率传感器：

双电极或固定电缆型测量传感器，带温度便送器，电极常数k=1/cm测量单元带有Pt100/Pt1000温度传感器，可以在与下列仪表配合测量电导率的同时自动进行温度补偿：

产品应用

低电导率介质的分离（牛奶和水）

高电导率介质的分离（碱液和水）

饮用水的处理

污水处理

产品性能及优势

根据不同的设计可以应用于不同的过程和安装位置

可接连接头和固定电缆

抗化学腐蚀，抗热性和机械稳定性高

安装于管路和流体腔

一体化设计

带连接头入口防水等级IP65/NEMA4X

带固定电缆入口防水等级IP68/NEMA6P

已取得检查认证，符合EN102043.1B

十：

配置清单及报价

10.1集中控制系统：

序号

设备名称

型号

单位

数量

生产厂家

1

操作员站　主机

P4/512MB/250GB/独立显卡256M

台

3

研华

2

操作员站　显示器

22，LCD

台

3

DELL

3

控制软件

STEP7V5.4

套

3

西门子

4

组态软件

300点运行版

套

2

WinCV6.2

开发板

套

1

WinCV6.2

5

操作台

三工位（含座椅）

台

1

仁泰

6

交换机

10/100M

台

1

MOXA

7

UPS电源

2KVA后备式

台

1

山特

8

打印机

A4喷墨打印机

台

1

HP

9

隔离变压器

1

正泰

10

辅材

1

仁泰

备注

所有软件均为正版

10.2配电柜：

序号

设备名称

型号

单位

数量

生产厂家

1

立式控制柜

1800*1000*450

台

1

仁泰

2

隔离开关

NH40-400/3

只

1

正泰

3

水泵控制柜电源

NM1-100S

只

3

正泰

4

PLC控制柜电源

NM1-100S

只

3

正泰

5

PLC控制柜电源

DZ47-60D20A3P

只

1

正泰

6

集中控制台电源

DZ47-60C20A2P

只

1

正泰

7

电流表

6L20-1000A

只

3

正泰

8

电压表

6L20-450V

只

1

正泰

9

互感器

BH-0.661000/5A

只

3

正泰

10

万能转换开关

LWZ

只

1

正泰

11

开关、按钮、指示灯

套

1

施耐德

12

铜排、电线电缆走线槽、接插件等辅材

套

1

仁泰

10.3锅炉控制柜（单台共3台）

序号

设备名称

型号

单位

数量

生产厂家

1

机柜

1800*800*600

台

1

仁泰

2

10寸彩色　触摸屏

SMART700

台

1

西门子

3

PLC

CPU226

台

1

西门子

4

模拟量输入/出模块

EM235

台

3

西门子

5

温度变送器

SWB

只

1

环工仪表

6

液位继电器

61F-GP-5N

只

1

仁泰

7

控制软件

WQ7

套

1

仁泰

8

以太网模块

CP243-1

只

1

西门子

9

给水调节阀电源

DZ47-60/20/3/D

只

2

正泰

10

控制电源

DZ47-60/10/1/C

只

1

正泰

11

电源

DZ47-60/10/1/C

只

2

正泰

12

电源

DZ47-60/10/2/C

只

1

正泰

13

变压器

BK100

只

1

正泰

14

中间继电器

RXM2LB2P7

只

18

施耐德

15

接线端子

UK3N

片

100

瑞奇

16

开关、按钮、指示灯

套

1

施耐德

17

稳压电源

18

走线槽、电线、电缆等辅材

套

1

仁泰

10.4公共部分控制柜：

序号

设备名称

型号

单位

数量

生产厂家

1

立式控制柜

1800*1000*450

台

1

仁泰

2

10寸　触摸屏

SMART1000

台

1

德国西门子

3

可编程序控制器CPU

CPU315-2DP

台

1

德国西门子

4

电源模块

PS307

块

1

德国西门子

5

128K存储卡

6ES7953-8LG10-0AA0

块

1

德国西门子

6

数字量输入模块DI32

SM321

块

1

德国西门子

7

数字量输出模块DO16

SM322

块

1

德国西门子

8

模拟量输入模块8AI

SM331（光电隔离）

块

6

德国西门子

9

模拟量输出模块　4AO

SM332

块

3

德国西门子

10

以太网通讯模块

CP343-1

块

1

德国西门子

11

安装底板

480mm

块

2

德国西门子

12

联接头

套

1

德国西门子

13

20/40针联接器

/

只

11

德国西门子

14

直流电源

24V

只

1

德国西门子

15

总断路器

C20A2P/1P

只

2

正泰

16

中间继电器

RXM系列

只

20

施耐德

17

转换开关、指示灯

XB系列

批

1

施耐德

18

接线端子

UK3N

片

500

瑞奇

19

控制柜附材

套

1

仁泰

20

PLC控制柜控制软件

WQ7

套

1

仁泰

10.5水泵控制柜：

序号

名称

型号

单位

数量

品牌

1

总空开

NM1-100S

只

1

正泰

2

4台15KW给水泵变频控制

DZ47-60D50A

只

4

正泰

3

ACS510-15KW

只

4

ABB

4

5.5KW除氧泵控制

DZ47-60D16A

只

3

正泰

5

LC1E18M5N220V线圈

只

3

施耐德

6

LRE16N9-13A

只

3

施耐德

7

阀门电源

DZ47-60D16A

只

11

正泰

8

中间继电器

只

4

施耐德

9

开关按钮指示灯

套

1

施耐德

10

机箱

1800*1000*450

台

1

仁泰

11

接线端子

UK3/6/10N

片

120

瑞奇

12

辅材

套

1

仁泰

10.6公共部分传感器：

序号

测点

型号

规格

数量

品牌

1

除氧器用蒸汽流量

孔板

DN100

1

江阴宏达

2

差压变送器

3051外形

1

香港上润

3

软水箱进口流量

孔板

DN100

1

江阴宏达

4

差压变送器

3051外形

1

香港上润

5

自来水入口流量

孔板

DN80

1

江阴宏达

6

差压变送器

3051外形

1

香港上润

7

除氧器蒸汽温度

WZP-231

M27*2L/I=350/200

2

上海仪表

8

除氧器蒸汽压力

P21

0-1.6MPa

2

E+H

9

锅炉蒸汽高压分汽缸压力

P21

0-2.5MPa

1

E+H

10

换热器压力

P21

0-2.5MPa

4

E+H

11

换热器温度

WZP-231

M27*2L/I=250/100

4

上海仪表

12

除氧器压力

P30

0-40KPa

2