JIU JIANG UNIVERSITY
毕业论文(设计)
题目 PLC锅炉控制系统
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二零一零年二月
PLC锅炉控制系统
摘要
可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算数操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充的原则设计。
本论文将重点介绍锅炉基本控制理论和集中主要类型锅炉的热工控制系统的特点。在锅炉改造工程中，控制系统的改造往往是彻底的，要么用仪表调节系统取代手工控制，要么用先进的计算机控制系统取代模拟仪表调节系统和过时的计算机控制系统。当然，也不排除局部的技术改造。因此，掌握了锅炉基本控制理论和几种主要类型锅炉的热工控制系统的特点，就能给计算机控制技术的新成果，方便地进行锅炉控制系统的改造，是过路监控和运行技术达到新的水平，
【关键词】：PLC；锅炉；控制系统；热工。
目录
摘要 (2)
第一章锅炉燃烧控制系统总体设计 (4)
第二章锅炉控制的基本理论 (5)
2.1 锅炉燃烧基本控制系统 (5)
2.2 工业锅炉控制系统 (8)
第三章锅炉控制系统工艺流程 (10)
小结 (12)
致谢 (13)
参考文献 (15)
第一章锅炉燃烧控制系统总体设计
锅炉燃烧器以工业用油或是工业燃气为燃烧原料，可用于热水锅炉、燃气锅炉、热油锅炉和空气加热器等设备的加热。按锅炉加热器的燃料来分，锅炉燃烧器可分为燃气燃烧器、燃油燃烧器和混合燃烧器。现在锅炉燃烧器的自动化控制程度很低，多以人工燃煤为主，不仅燃烧效率低下，污染严重，而且有很大的安全隐患。随着PLC技术的不断发展以及智能控制元件价格的降低，使得高智能控制和高可靠性的全智能燃烧器的开发成为必然。传统的生产工艺以人工点火方式为主，不仅生产条件差，劳动强度大，安全系数低，而且不能实时监测现场燃烧状况，更不能及时判断、处理异常现象。针对这种情况，我们研究和设计了一套全自动多功能燃烧器PLC控制系统，大幅度提高了燃烧器的高效性和安全可靠性。
燃烧过程自动控制系统的方案，与锅炉设备的类型、运行方式及控制要求有关，对不同的情况与要求，控制系统的设计方案不一样。将单元机组燃烧过程被控对象看做是一个多变量系统，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的操作习惯，又最大限度的实施燃烧优化控制。
在锅炉的改造过程中，需要达到以下的几个目标：
1.彻底的对控制系统和控制方式进行改造，用仪表代替以往的手动调节。
2.用先进的数字调节仪表取代模拟调节仪表。
3.局部控制的技术更新。
第二章锅炉控制的基本理论
锅炉控制的主要目的是调节锅炉出口的蒸汽流量，压力和温度，使其达到所希望的数值。为此，需要对燃料，空气和水三者的量进行调节。锅炉是一个复杂的系统，对锅炉工况造成影响的因素之一是来自外部和内部的扰动，如燃料发热量的变化或热力系统工况的变化等。控制器或控制系统根据锅炉出口蒸汽参数实际值偏离其设定值得大小和方向，调节燃料量，空气量和水量，使锅炉出口参数与所希望的值相一致。
锅炉除了配有相应的仪表系统外，还主要有燃烧控制系统，过热器和再热器出口蒸汽温度的控制系统，给水控制系统，锅炉过蒸汽温度控制系统，基本锅炉控制系统等。不同类型的锅炉，因其工作原理上的差异（尽管基本原理是相同的），其控制系统也不尽相同。本文将简要介绍锅炉基本的控制理论和方法，同时对工业锅炉和流化床锅炉控制的特殊性进行描述。
2.1 锅炉燃烧基本控制系统
1. 给水控制系统
锅炉给水控制的目的是调节进入汽包给水的流量，以维持汽包水位在所要求的上下限之间，适应锅炉蒸发量的变化。
水位调节对象没有自平衡能力，存在滞后性，在外扰情况下可出现虚假水位现象。常用的水位控制系统有以下3种：单冲量给水控制系统，即以水位位唯一调节信号的单参数，单回路控制系统；双冲量给水控制系统，以蒸汽流量作为补充信号的双参数控制系统；三冲量给水控制系统，以蒸汽流量和给水流量作为补充信号的三参数控制系统。
单冲量水位控制系统只根据水位变化去改变给水调节阀的开度。对中小型锅炉，由于汽包相对于负荷而言容量较大，水位受到扰动的反应速度较慢，虚假水位现象步很严重。因此一般采用单冲量控制方法就可以满足生产上的要求，控制算法常采用PI算法实现无差水位调节。当蒸汽量大幅度增加时，为了克服虚假水位对控制的不良影响，可以引入蒸汽流量作为前馈信号。当蒸汽负荷变化引起
水位大幅度波动时，蒸汽流量信号起着超前的作用，可使水位还没有出现变化时提前使调节阀动作，减少水位波动，从而改善控制品质。这样，系统就成为双冲量控制。当给水压力波动时，给水流量将发生变化，双冲量控制方法只有当水位发生变化后才能进行控制，因此就不能迅速克服给水压力变化对水位的影响。为此，可再引入给水流量信号，组成三冲量控制回路，如图2-1所示。
图2-1 三冲量给水控制系统原理图
2. 燃烧控制系统
燃烧控制系统的功能是控制炉膛的燃料和空气输入量，或控制燃烧率，以适应锅炉负荷的变化。对锅炉运行和控制系统来说，锅炉出口蒸汽压力的变化经常作为燃料能量的输入和蒸汽能量的输出之间的不平衡的标志。引起蒸汽压力变化的因素很多，其中主要的扰动量是燃料量的改变（内扰）和蒸汽流量的改变（外扰）。燃烧控制系统的基本要求是：迅速适应外界负荷需求的变化，及时消除锅炉燃料的自发扰动，维持调节过程中各被调量在允许的范围内，保证锅炉运行的安全性和经济性。
燃烧控制系统一般包括燃料控制，送风控制，引风控制3个子系统。燃料控制系统中，蒸汽压力的实际值相对于其设定值的偏差被输入到蒸汽压力控制器，经控制运算后输出调整锅炉燃烧率的指令信号；燃烧控制器根据锅炉燃烧率的指令
信号的变化调整乳炉燃烧量。同时，锅炉燃烧率的指令信号也加入到送风控制子系统中，进行送风量调整。为保证燃烧过程的经济性，即保证燃烧过程合适的燃料与风量的比列，常采用具有烟气氧量校正调节的送风控制系统组成有燃料量前馈调节的串级控制系统，在保证送风量与燃料量基本成比列的粗调基础上，进一步通过氧量校正对送风量进行调节，保证烟气中氧量等于设定值，实现燃烧经济性的细调，引风控制子系统的任务是通过调整锅炉引风量，保证炉膛负压在规定的范围内。送风量是引起负压变化的主要原因，可将送风量作为前馈信号引入引风调节器，提高引风系统的稳定性，减少炉膛负压的动态偏差。
3.锅炉过热蒸汽温度控制系统
锅炉过热蒸汽温度控制系统的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并保护过热器，使过热器管壁温度不超过允许的工作温度。影响过热蒸汽温度的因素主要是减温水扰动，烟气热量扰动和蒸汽流量的变化。减温水量扰动时，过热器是一个有纯滞后的多容对象。包括烟气流速和温度扰动的烟气侧热量扰动同时发生在全部过热器中，传递滞后很小。其动态特性比减温水扰动的特性好得多。过热蒸汽温度控制一般采用俩种方法，一是烟气侧热量调节方法，二是减温水流馈调节方法。在与过热器通道并联的旁路烟道中安装可调挡板，通过挡板开度控制经过过热器的烟气量，即可调节烟气热量。另外，通过移动炉膛中燃烧火焰的中心，改变辐射受热面和对流受热面的吸热量分配比例，也可以改变进入过热器的烟气温度，实现烟气侧热量调节。这俩种方法各有利弊。用改变减温水量来调节过热器出口蒸汽温度，从动态特性上看虽不理想，但设备简单，因此应用较多。减温器有表面式和喷水式俩种。从控制角度考虑，在保证过热器材料安全的前提下，应将减温器尽量安装在靠近蒸汽出口处。
4.基本锅炉控制系统
综上所述，主蒸汽压力控制，燃烧控制，炉膛负压控制和水位控制有机结合，就构成了典型的锅炉基本控制系统，如图2-2所示（图中未包括过热蒸汽温度控制部分）。在这个系统中，水位采用二冲量控制方法，气压控制采用串级控制方法，副回路为燃烧控制回路，炉膛负压为单闭环控制回路，其前馈量取自气压串级主同路的输出。蒸汽流量信号与串级主回路的输出合成后，既作为炉膛负压控制的前馈量，也作为燃烧控制的给定值，保持最佳的空/燃比。氧化镐传感器可
以与实时监测烟气含氧量的变化，并通过氧量控制回路不断修正空/燃比系数。随着自动化技术的发展，锅炉控制系统取得了很大进展，已开发出许多适应不同锅炉不同要求的控制系统，其中包括近年来在实践中获得成功的新控制方法。
图2-2 基本锅炉控制系统原理图
2.2 工业锅炉控制系统
对工业锅炉控制设备和系统进行改造，可提高锅炉的生产效率，节约能源，减轻工人的劳动强度。改善工作条件，减少环境污染，是锅炉制造和运行技术发展的主要方向之一。
工业锅炉大多采用测量蒸汽压力来控制送风量和给煤量的方法。由于这种方法滞后太大，给控制系统的运行带来许多困难。从时间上看，炉膛温度比蒸汽压力对燃烧量变化的响应超前得多。因此，可以把炉膛温度与蒸汽压力串级，组成热负荷控制系统。蒸汽压力与炉膛温度串级的热负荷控制系统如图2-3所示。
图2-3 蒸汽压力与炉膛温度串级系统的热负荷控制
要使炉膛温度在一定给煤量的情况下始终保持最高值，必须满足俩个条件：首先是符合要求，它根据用汽量大小和炉膛所要达到的目标温度来控制给煤量和送风量；其次是排烟CO含氧量校正，它和氧量校正一样，是监视燃烧状况的手段，
但这种方法可以排除由于烟道漏风等造成的氧量与燃烧状况不符合的扰动。
第三章锅炉控制系统工艺流程
根据设计要求将整个锅炉运行控制的全过程分成多个阶段：运行参数的初始化过程，在这个过程中调用系统启动的函数；燃烧室中燃烧器的控制过程；废液输送泵，酸碱液喷嘴，风机等执行机构的控制；通信工程；故障的处理过程；模拟量信号的采集过程。
下面对各个阶段进行简单的介绍。
（1）运行参数的初始化过程：在这个过程中，调用系统启动的函数，设置一些控制系统运行所必要的参数。
（2）燃烧室中燃烧器的控制过程：在这个过程中，根据过程（6）所采集的各种现场信号，通过计算机处理控制燃烧室中燃烧器的运行。
（3）废液输出泵等执行机构的控制过程：与过程（2）相似。
（4）通信工程：PLC与上位机监控系统进行通信，传送现场数据以及操作人员的指令。
（5）故障处理：智能地对现场一些故障进行初步处理。
（6）模拟量信号采集：完成对现场温度，压力等重要参数的采集过程。
PLC硬件选型
1.CPU型号的选择
S7-200不同的CPU模块的性能有较大的差别，在选择CPU模块时，应考虑数字量，模拟量模块的扩展能力，程序存储器与数据存储器的容量，通信接口的个数，本机I/O点的点数，当然还要考虑性能价格比，在满足要求的前提下尽量降低硬件成本。
2.I/O模块的选择
选择I/O模块之前，应确定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载由PLC驱动，是数字量还是模拟量，是直流量还是交流量，以及电压的等级；是否有特殊要求，例如快速响应等，并建立相应的表格。
选好PLC的型号后，根据I/O模块的型号和块数。选择I/O模块时，I/O 点数一般应留有一定的裕量，以备今后系统改进或扩充时使用。
数字量输入模块的输入电压一般为DC 24V和AC 220V。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关，光电开关和编码器等电子输入装置连接。交流输入方式适合于在有油雾，粉尘的恶劣环境下使用。
继电器型输出模块的工作电压乏味广，触点的导通压降小，承受瞬时过电压和瞬时过电流的能力较强，但是动作速度缓慢，触点寿命（动作次数）有一定的限制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的输出模块。
场效应晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载，他们的可靠性高，反应速度快，不受动作次数的限制，但是过载能力稍差。选择时应考虑负载电压的种类和大小，系统对延迟时间的要求，负载状态变化是否频繁等，相对于电阻性负载，输出模块驱动电感性负载和白炽灯时的负载能力降低。
选择I/O模块时还需要考虑下面的问题：
1）输入模块的输入电路应与外部传感器或电子设备（例如变频器）的输出电路的类型配合，最好能使二者直接相连。例如有的PLC的输入模
块只能与NPN管集电极开路输出的传感器直接相连，如果选用NPN
管发射机输出的传感器，需要在二者之间增加转换电路。
2）选择模拟量模块时应考虑变送器，执行机构的量程是否能与PLC的模拟量输入/输出模块的量程匹配。模拟量模块的A/D,D/A转换器的位
数反映了模块的分辨率，12位模块的分辨率较高。模拟量模块的转
换时间反映了模块的工作速度。
3）使用旋转编码器时，应考虑PLC的高速计数器的功能和工作频率是否能满足要求。
小结
本次毕业设计，熟悉了PLC控制系统设计的基本流程，编制了简单的锅炉控制系统的程序，选用S7-200系列PLC进行设计。首先进行锅炉燃烧的总体设计，掌握锅炉控制的基本理论，再熟悉锅炉燃烧的基本控制系统及工艺流程，然后进行锅炉燃烧自控系统PLC选型和资源配置。
此次设计能及时完成，很大程度上取决于同学和老师的帮助：老师指导设计的思路和选题，帮助我们扩展设计方案。而在具体设计过程中，同学给我很大的支持，从程序的设计，图形的绘制到格式和具体排版都少不了他们的帮忙。在此，真诚感谢帮助过我的老师和同学，谢谢！
致谢
四年的大学生活转瞬即逝，首先我要感谢院领导及各位任课老师对我的照顾，三年的大学学习生活虽然短暂，但为我在电子行业的发展打下了坚实的基础，不管是专业课的学习还是专业基础课的学习让我对电子行业的发展充满了新鲜与好奇，而且这些也将成为我在电子行业深入发展的奠基石。
大学电子理论的学习及本次设计过程中，我深深体味到电子的发展速度是日新月异的，要想跟上时代，就得自我不断的努力，只靠在学校所学的理论知识是远远不够的，所以必须在以后的工作的中不断的学习，把自己所学的理论与实践结合起来。
在此，我要感谢李卫华老师对我的帮助，在我实习过程中我对毕业设计是束手无策，是李卫华老师鼓励我如何去做、告诉我毕业设计中应注意的地方，我返校后他又热心地给我提供信息告诉我如何去查找准确、合适的资料使我得到不少的提高，感谢他耐心的辅导。在这次设计中，通过查阅资料，我懂得了更多的电子理论知识，其中有好多是我在课本中学不到的，而且使我对电子的发展形势也有了更进一部的了解。通过这次设计使我学会了对综合能力的培养，我深深的认
识到每次成功都需要付出巨大的努力和汗水，这也培养了我积极进取，为实现目标坚持努力，永不轻易放弃的精神。我也渐渐开始领悟到，成功固然可喜，但即使失败，这种不断挑战自我的过程也是人生中精彩的历程。选好目标，努力奋斗，即便遇到挫折不要放弃，坚持下去，也许最后也没有成功，不过当我经历了努力过、坚持过的过程后，我一定可以体会到最精彩的人生。
参考文献
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