基于plc的鍋爐控制系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 工業現場。 PLC 專為工業現場應用而設計， 本科生畢業設計（論文） 9 采用了典型的計算機結構，它主要是由 CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入 /輸出接口電路等組成。 傳統風機的電動機是全速運行，即不論生產工藝的需求量大小，該風機都提供給固定數值的風量，而生產工藝要求對爐膛壓力、風速、風量及溫度等指標進行控制和調節時，采用的方法是利用調節風門的大小來調節風量，這就使得能量在風門節流中消耗很大。風量愈小，能量浪費愈大。并且，由于風機長期在額定轉速的狀態下運行 ，電動機組軸承容易損壞，維修量和維修費用較大。在本設計中采用變頻調速實現風量調節。 使用變頻調速風機的優點 : 實現風機的平滑輪起動、停止 ,降低起動電流 ,減少機械沖擊給設備帶來的影響 ,提高設備運行的可靠性 、穩定性 、安全性 ，對局部電網減少了沖擊 ,保證電力供應的安全性 ；根據工藝要求的風量 ，通過檢測元件 、調節器和變頻器 ,閉環控制風機頻率 ， 實現無級調速 ， 極大地滿足工藝 ，提高產品質量； 不再使用風門、旁通等調節設備 ， 使風機工作在最佳工作點上 ，使風機效率達到理想狀態； 變速運行下的風機不僅降低 了噪音 ， ,同時減少了機械磨損 ， 延長了電機和風機的使用壽命 ， 降低 了維修成本和時間； 特別值得一提的是節能效果顯著。 系統功能 鍋爐是發電過程中必不可少的重要動力設備，它所產生的高壓蒸汽既可以驅動透瓶，又可以作為精餾、干燥、反應、加熱等過程的熱源。隨著工業生產規模的不斷增大，作為動力和熱源的鍋爐，也向著大容量、高參數、高效率的方向發展。鍋爐燃燒控制系統又包含了很多小的子系統。鍋爐控制系統可以分為汽包水位控制系統和燃燒控制系統。其中燃燒控制系統在電廠鍋爐中是最主要的控制系統。燃燒控制系統又包括 :蒸汽壓力控制系統、 爐膛負壓控制系統和經濟燃燒控制系統。維持汽包水位、蒸汽壓力和爐膛負壓在規定的范圍內，各個子控制系統分別通過不同的測量、控制手段來保證經濟燃燒和安全燃燒。 其中燃燒控制是保證經濟燃燒和安全燃燒的一大關鍵問題，在鍋爐燃燒系統中，希望燃料與空氣成一定的比例，然而燃料的使用量取決于蒸汽量（負荷）的需要，通常用蒸汽的壓力來反映。當蒸汽要求的量增加時，即使蒸汽的提取量增加時，蒸汽的壓力降低，燃料要增加，為了保證燃料的完全燃燒，應先加大空氣量，后加大燃料量。反之在降低時，應先降低燃料量后減少空氣量，以保證空氣的完全燃燒。 燃燒控制系統需要具有的功能： ；爐膛壓力為某一定值； 本科生畢業設計（論文） 10 通過爐膛上的負壓變送器將爐膛壓力標準電信號送入引風變頻器 PID 控制器的反饋通道 ,經處理后與設定爐膛負壓力比較 ,經過 PID 控制器產生運算信號 ,此信號控制引風變頻器調節電機轉速 ,使爐內負壓穩定在設定值 ,從而達到自動跟蹤鼓風保持爐膛負壓恒定目的。引風電機速度隨著爐膛負壓值的變化而變化。即保證鍋爐燃燒部分的自動運行。 由于 傳統 鍋爐為非節能型燃燒方式，控制風量靠人工操作風道擋板，蒸汽壓力單靠人工控制燃燒不好。因此電機全速運轉產生的風 量不能全部使用，采用擋板截流造成約 30%的電能損耗。使用變頻器可根據生產需求任意調整電機速度 ， 使輸出風量可以調節，提高生產工效并且節能降耗。 ； 對拋煤機倒轉鏈條爐來說，燃燒自動控制包括控制主蒸汽壓力和最佳的燃燒工況。通常根據主蒸汽壓力的變化控制給煤量并控制爐排轉速來控制煤在爐膛中的燃燒時間，當給煤量變化時，要相應地改變一次風和二次風，使不完全燃燒損失和排煙損失之和為最小，即鍋爐燃燒效率為最高。 氧化鎬可用來測量煙氣中含氧量。可由含氧量來判斷燃燒工況是否處于最佳狀態。另一種方 法為根據該爐實際燃燒的情況，找出煤量和風量在不同負荷下的關系曲線，把它存在計算機中，按這一經驗曲線進行燃燒自動控制，當煤種或運行工況有較大變化時，可重新設置這一曲線。另外可按智能控制和專家控制的方法自動尋找最佳的燃燒工況。 、床層溫度和床高； 通過調節返料風機的轉速來控制返料回灰量的大小。 調節裝有中溫過熱器的回料錐形閥，則用于調節鍋爐料床溫度，同時通過調節灰渣的排放量，來控制鍋爐料床的高度，滿足運行的安全，經濟性要求。 燃燒自動控制 系統組成 根據系統的功能，系統擬采用 PLC 作控制器， 熱電偶 溫度傳感器 、 差壓傳感器 、采集數據信息， 經過 溫度變送、壓力變送器將信號轉換為標準信號后，傳送給 PLC 處理機。 PLC 輸出信號給執行器件，通過控制電磁閥的開度、和電動機的轉速，對整個燃燒過程進行控制。 循環流化床鍋爐燃燒控制系統包括：床溫控制、給煤量控制、床高控制、返料量控制、蒸汽溫度及壓力控制、通風量控制。 循環流化床鍋爐 需要檢測的熱工參數： 1. 床溫 床溫 是指燃燒密相區內流化物料的溫度。它是一個關系到鍋爐安全穩定運行的 本科生畢業設計（論文） 11 關鍵參數。 床溫 的測定一般采用不銹鋼套管熱電偶作一次元件，布置在距布風板 200500mm 左右燃燒室密相層中，插入爐墻深度 1525mm，數量不得少于 2 只。在運行過程中要加強對料層溫度監視，一般將料層溫度控制在 850℃ 950℃ 之間，溫度過高，容易使流化床體結焦造成停爐事故；溫度太低易發生低溫結焦及滅火。必須嚴格控制料層溫度最高不能超過 970℃ ，最低不應低于 800℃ 。在鍋爐運行中，當料層溫度發生變化時，可通過調節給煤量、一次風量及送回燃燒室的返料量，調整料層溫度在控制范圍之內。 2. 料層差壓 料層差壓是一個反映燃燒室 床高 的參數。通常將所測得的風室與燃燒室上界面之間的壓力差值作為料層差壓的 監測數值，在運行都是通過監視料層差壓值來得到 床高 大小的。 床高 越大，測得的差壓值亦越高。在鍋爐運行中， 床高 會直接影響鍋爐的流化質量，如 床高 過大，有可能引起流化不好造成爐膛結焦或滅火。一般來說，料層差壓應控制在 70009000Pa 之間。 床高 (即料層差壓 )可以通過爐底放渣管排放底料的方法來調節。用戶在使用過程中，應根據所燃用煤種設定一個料層差壓的上限和下限作為排放底料開始和終止的基準點。 3. 返料量 控制返料量是循環流化床鍋爐運行操作時不同于常規鍋爐之處，根據前面提到的循環流化床鍋爐燃燒及傳熱的特性，返 料量對循環流化床鍋爐的燃燒起著舉足輕重的作用，因為在爐膛里，返料灰實質上是一種熱載體，它將燃燒室里的熱量帶到爐膛上部，使爐膛內的溫度場分布均勻，并通過多種傳熱方式與水冷壁進行換熱，因此有較高的傳熱系數， (其傳熱效率約為煤粉爐的 46 倍 )通過調整返料量可以控制料層溫度和爐膛差壓并進一步調節鍋爐負荷。 另一方面，返料量的多少與鍋爐分離裝置的分離效率有著直接的關系，也就是說，分離器的分離效率越高，分離出的煙氣中的灰量就越大，從而鍋爐對負荷的調節富裕量就越大，操作運行相對就容易一些。 4. 風量的調整 在鍋爐 運行過程中，許多用戶往往只靠風門開度的大小來調節風量，但對于循環流化床鍋爐來說，其對風量的控制就要求比較準確。對風量的調整原則是在一次風量滿足流化的前提下，相應地調整二次風。因為一次風量的大小直接關系到流化質量的好壞，循環流化床鍋爐在運行前都要進行冷態試驗，并作出在不同料層厚度 (料層差壓 )下的臨界流化風量曲線，在運行時以此作為風量調整的下限，如果風量低于此值，料層就可能流化不好，時間稍長就會發生結焦。對二次風量的調整主要是依據煙氣中的含氧量多少，通常以過熱器后的氧量為準，一般控制在 35%左右，如含氧量過高 ，說明風量過大，會增加鍋爐的排煙熱損失；如過小 本科生畢業設計（論文） 12 又會引起燃燒不完全，增加化學不完全燃燒損失和機械不完全燃燒損失。在運行中還要結合所燃用煤質及當時負荷的情況，嚴格監控料層差壓、溫度、爐膛差壓和返料溫度，通過不斷調整給煤量、風量及返料量，使鍋爐達到最佳的運行效果，最大限度的發揮循環流化床鍋爐優點。 爐膛負壓是反映燃燒工況穩定與否的重要參數，是運行中要控制和監視的重要參數之一。爐內燃燒工況一旦發生變化，爐膛負壓隨即發生相應變化。當鍋爐的燃燒系統發生故障或異常時，最先將在爐膛負壓上反映出來，而后才是火檢 、火焰等的變化，其次才是蒸汽參數的變化。因此，監視和控制爐膛負壓對于保證爐內燃燒工況的穩定、分析爐內燃燒工況、煙道運行工況、分析某些事故的原因均有極其重要的意義。所謂爐膛負壓：即指爐膛頂部的煙氣壓力。 爐膛負壓太小，爐膛向外噴火和外泄漏高爐煤氣，危及設備與運行人員的安全。負壓太大，爐膛漏風量增加，排煙損失增加，引風機電耗增加。 故應保持爐膛負壓在正常范圍內。 當已知檢測信號的情況下，鍋爐的控制任務是 :在用戶蒸汽機需要的情況下，PLC 控制輸煤量、鼓風量與引風量， 達到 蒸汽壓力穩定，爐膛負壓穩定，煙氣穩定，使燃料能量最充分地燃燒，以取得最大的熱效率 。 圖 硬件原理圖 本科生畢業設計（論文） 13 第 3章 PLC 型號及擴展單元的選型 PLC 選型 PLC 的種類繁多，按 I/O 點數容量分類有小型機、中型機和大型機。典型的小型機有 SIEMENS公司的 S7200系列、 OMRON公司的 CPM2A系列、 MITSUBISHI公司的 FX 系列和 AB 公司的 SLC500 系列等整體式 PLC 產品。典型的中型機有SIEMENS 公司的 S7300 系列、 OMRON 公司的 C200H 系列、 AB 公司的 SLC500系列等模塊式 PLC 產品。典型的大型 PLC 有 SIEMENS 公司的 S7400 系列、OMRON 公司的 CVM1 和 CS1 系列、 Ab 公司的 SLC5/05 等系列產品。按結構形式分可分為整體是結構和模塊式結構兩類。整體式結構餓特點是將 PLC 的基本部件，如 CPU 板、輸入板、輸出板、電源板等緊湊地安裝在一個標準機殼內，構成一個整體，組成 PLC 的一個基本單元（主機）或擴展單元。基本單元上設有端口，通過擴展電纜與擴展單元相連，配有許多專用的特殊功能模塊，如模擬量輸入 /輸出模塊、熱電偶 、熱電阻模塊、通信模塊等，以構成 PLC 不同的配置。整體式結構的 PLC 體積小，成本低，安裝方便。模塊式結構的 PLC 是由一些模塊單元構成，這些標準模塊如 CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊和各種功能模塊等，將這些模塊插在框架上火基板上即可。各模塊的功能是獨立的，外型尺寸是統一的，可根據需要靈活配置。 整體式 PLC 每一個 I/O 點的平均價格比模塊式的便宜，在小型控制系統中一般采用整體式結構。但是模塊式 PLC 的硬件組態方便靈活， I/O 點數的多少、輸入點數與輸出死諳熟的比例、 I/O 模塊使用等方面的選擇余地都比整體式 PLC 大的多，維修時更換模塊、判斷故障范圍也方便，因此比較復雜的、要求比較高的系統一般采用模塊式 PLC。 根據本次設計的要求， PLC 的選型需要滿足以下條件： 1. 具有模擬量的采集、處理過程及開關量的輸入 /輸出功能； 2. 具有簡單回路控制算法。 一般的 PLC 廠商都提供具有模擬量采集、處理過程和開關量輸入 /輸出功能的不同型號和規格的產品，所以選擇的范圍很廣泛。 S7 系列 PLC 包括 S7200、 S7300 和 S7400 系列 PLC。 S7300 與 S7400 系列 PLC 有多種性能級別的 CPU，適用于很多工業控制，但是由于 S7200 系列應用比較廣泛，編程也比較簡單，能被大多數人所接受，并且功能很完善，所以本系統采用 S7200 系列 PLC。 S7200 系列是德國西門子公司生產的一種小型 PLC，其許多功能達到大、中 本科生畢業設計（論文） 14 型 PLC 水平，而價格卻和小型 PLC 一樣。 S7200 具有緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的指令、豐富的 CPU 類型和電壓等級，使其可以近乎完美地滿足小規模的控制要求，解決用戶的工業自動化問題 ,具有很強的適應性。 S7200PLC 的電源電壓有（ ~） VDC 和（ 85~264） VAC 兩種，主 機上還集成 24V 直流電壓，可以直接用于連接傳感器和執行機構。它的輸出類型有晶體管（ DC）、繼電器（ DC/AC）兩種輸出方式。它可以用普通輸入端子捕捉比CPU 周期更快的脈沖信號，實現高速計數。 2 路最大可達 20kHz 的高頻脈沖輸出，可用以驅動步進電機和伺服電機以實現準確定位任務。可以用模塊上的電位器來改變它對應的特殊寄存器中的數值，可以實時更改程序運行中的一些參數。 CPU 選型、 I/O分配及模塊擴展 燃燒控制系統需要檢測的 參數 檢測量 輸入點 控制量 輸出點 床溫 2AI 鼓風電機轉速頻率 1AO 料層差 壓 1AI 引風電機轉速頻率 1AO 爐膛壓力 1AI 給煤電機轉速頻率 1AO 出口氧氣含量 1AI 返料量電磁閥 1AO 根據 I/O 點數如果選用 CPU222 則輸出點數不滿足要求；如果選用 CPU226，CPU226 有 24 輸入 /10 輸出，比 CPU224 增加了通信口的數量，通信能力大大加強，但是由于 I/O 點數剩余較多，價格很高，浪費很大。參照西門