燃煤热水锅炉监控系统

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1、1燃煤热水锅炉监控系统摘 要：本文介绍了基 于 IPC-PLC 燃 煤 供 暖 热 水 锅 炉 监 控 系 统 的 硬 件 配 置 及 其 功 能 的 软 件 实 现 。分 析 了 燃 烧 控 制 系 统 、 压 力 控 制 系 统 及 流 量 控 制 系 统 的 特 点 ， 采 用 了 相 应 的 控 制 算 法 。 实 践 证 明 ，该 系 统 达 到 了 锅 炉 燃 烧 工 况 良 好 、 节 能 降 耗 的 工 艺 要 求 ， 且 运 行 稳 定 可 靠 。关键词： 锅炉 SIMATIC PLC 燃烧控制Monitoring and Control System of Coal Fir

2、ing and Hot Water BoilerAbstract: This article introduces the hardware configuration and the software achievement of coal firing and hot water boiler monitoring and control system based on IPC-PLC. In view of the features of the combustion control system, pressure control system and flux control sys

3、tem, corresponding algorithms are adopted. The results of operation prove that this system has realized the technical request of the better combustion and economizing energy reducing wastage and worked steadily.Key words: Boiler SIMATIC PLC Combustion control1 引 言锅炉是工业生产及采暖供热中一次能源转换为二次能源的重要设备，为了保证锅炉

4、本身运行的安全性和经济性，一般都要安装必要的检测和控制仪表。目前随着计算机技术的迅猛发展，锅炉计算机控制已经得到了广泛的应用。PLC 控制系统是目前过程控制系统中的主流产品，它的出现使得锅炉的过程控制更具有了先进、可靠、简单易行的特点。下面以沈铁分局丹东房建经营管理公司两台 20T/h 燃煤热水锅炉计算机监控制系统为例，介绍其硬件配置及功能的软件实现。2 控制方案在采供暖热水锅炉中，控制的重点为出水温度、回水温度、出水压力、回水压力、给煤量、鼓风量、炉膛负压、排烟残氧量。为达到锅炉燃烧工况良好，保证设备运行安全，满足用户的供热要求，要对补水泵流量、循环泵流量、鼓风机转速、引风机转速、炉排电机转

5、速等进行综合调节。因此，我们设计采用变频调速计算机监控系统，保证了锅炉在良好燃烧工况、安全可靠和节能降耗条件下运行。2.1 锅炉引风机、鼓风机、炉排电机和循环水泵采用变频器控制引风机、鼓风机、循环泵和炉排电机采用变频器进行控制，易于实现补水流量、循环泵流量、鼓风机转速、引风机转速、炉排电机转速的综合调节，而且由于引风机、鼓风机、循环泵都配备较大容量的电机，在启动、运行过程中势必造成冲击和电能损耗，影响锅炉燃烧工况和水循环系统的节能运行。采用变频技术后，将弥补设计的不足，达到经济运行的效果。同时对电机减小冲击电流和机械磨损，延长电机的机械寿命。采用变频控制与风档、阀门类控制方式相比又减小了管道压

6、力损失，同样也达到节能效果，使维护工作量大大减小，锅炉运行效益明显提高。2.2 监控系统采用基于 IPCPLC 二级监控结构根据两台 20T/h 锅炉的控制工艺要求，即要求达到安全运行、系统可靠、技术先进和节能降耗及操作管理简便、直观、维护方便等目的，同时降低监控系统成本，选用基于IPC-PLC 二级监控结构方案。选用一台工业控制计算机作为上位机（兼工程师站和操作员站） ，主要负责监视（显示流程画面、数据和报警等） 、数据设定（设定值和调节参数等） 、管理（实时和历史曲线、定时和及时打印数据报表等） ，同时可进行优化计算（如根据环境2温度实时调整锅炉出水温度） 。选用高可靠性的西门子 S7-3

7、00 系列中的 315-DP 作为下位控制站，完成主要控制功能。这种结构即使上位计算机出现临时死机，也不会影响下位机的正常工作。再辅于 DY2000 系列智能型操作器作为现场手动操作级，可确保该系统运行可靠，灵活，操作维护方便。3 系统主要检测、控制和报警功能3.1 变量检测要满足供暖的需要，首先必须保证锅炉的出口水温和出口流量的稳定；其次要保证炉膛负压维持在一定的范围内，以保证生产的安全性和燃烧的经济性。因此，需要检测的变量有：炉膛温度、省煤器进口烟气温度、排烟温度、省煤器进口水温、出口水温、出口流量、补水流量、炉膛负压、供水压力、引风负压、鼓风压力、水箱液位、大气温度等。3.2 主要控制系

8、统锅炉控制系统可分为：循环泵流量控制系统、炉膛负压及稳压补水控制系统和燃烧控制系统。1、循环泵流量控制系统：由于我国的采暖供热系统大都采用“小系统，大流量”设计，造成循环水流量过大，导致管网热损失大而用户供热不足的现象。采用阀门调节,精度低，调节复杂，容易导致系统热平衡的破坏。采用变频技术调节循环泵的流量，可在系统压力稳定条件下调节水量保证采暖系统的运行安全。依据全国节能网推荐使用的“低出水温度，小出/回水温差”的连续供热制度和推荐使用的运行调节公式，可根据室外温度的变化调节锅炉的出水温度(由燃烧控制回路实现)；根据出回水温差调节循环泵转速，达到调节循环水流量和扬程的目的；并且间接调节回水温度

9、，满足锅炉供热负荷的需求；采用限定循环泵转速范围进行调节，可控制采暖系统的运行压力，确保设备安全与节能运行。2、燃烧控制系统：从燃烧对象特性来看，它们都是具有自衡能力的对象。另一个明显的特点是燃烧对象具有大的纯滞后和时间常数，特别是出口温度，其纯滞后和过程时间常数相比比较大，甚至接近 1，这一点也是燃煤锅炉和燃油燃气锅炉的最大差别。究其原因，工业燃煤锅炉目前以层燃方式居多。燃煤从给煤机传给抛煤机，抛煤机再将煤抛撒在炉排上后，它不象燃油燃气锅炉那样立即燃烧生热而是分区分段进行的。因此，燃煤锅炉的燃烧过程具有较大的热惯性，且受煤质、煤种、炉排配风是否合理及炉膛漏风等因素影响。使燃煤锅炉较燃油燃气锅

10、炉燃烧过程的自动调节更困难一些，许多在燃油燃气锅炉上运用十分成功的控制方案照搬到燃煤锅炉上往往是失败的。在测试分析燃烧对象特征的基础上结合国内外有关锅炉控制方案和本锅炉的实际，采用了出口温度的“等等看”控制算法。（1）出口温度的“等等看” 控制算法 “等等看”控制算法就是仿人工操作而设计的一种非连续的自动控制方式，其主要思想是：偏差e的校正是不连续的，只有偏差大到必须改变控制量时，才使控制量发生相应的变化；在施加控制之后，等一段时间看看控制效果，以决定是否进一步施加控制。当被控对象纯滞后和过程时间常数相比较大时，“等等看”控制算法可以很好地解决常规的PID控制引起的超调和振荡。（2）这种控制算

11、法的优点 1）供暖用燃煤热水锅炉、对控制品质没有过高要求，主要要求生产过程平稳，出口温度有1C左右的偏差是允许的。而且，主要的干扰如入口温度的变化是缓慢进行的，所以“等等看”控制算法是适用的。 2）“等等看”控制算法避免了煤量的频繁调节。对燃煤链条锅炉，煤量频繁调节，鼓风和引风量都必须相应变化，而鼓风通道的滞后和时间常数也比较大，会导致整个系统一直处于调整状态，不利于工况稳定；另外，频繁调节煤量会使整个炉排上层煤层厚度不均，3使炉排配风困难。 所以“等等看”控制算法简单，对燃煤热水锅炉这类具有大滞后对象是比较合适的。3、系统稳压补水控制系统：在锅炉的运行中，维持系统稳压是供热系统正常的基本前提

12、。在大的供热系统中，采用补水泵变频调速稳压，供暖系统采用封闭的系统，减少了水的消耗。根据供热系统压力变化，采用补水泵变频稳压，可平滑地调节补水泵的转速，及时调节补水量，实现系统水体积的稳定。4、炉膛负压控制系统：PLC 把采集到的炉膛压力测量值与炉膛压力的设定值相比较，通过 PID 运算调节，进而调节引风机电机转速，保证锅炉在微负压状态下运行。同时引入鼓风量前馈信号以克服鼓风量变化对负压控制的影响。3.3 报警连锁为保证锅炉的安全运行，设置了相关的报警连锁保护功能，具体有：炉膛温度高报警，超高连锁停炉；出水温度高报警，超高连锁停炉；回水压力过低报警，超低连锁停炉；供水压力过高报警，泄压保护；其

13、它关键变量均具有报警功能。4 系统硬件配置4.1 控 制 设 备PLC 系统 CPU 选用 S7-315-DP，它具有 48KB RAM，扫描速率为 3us/1KB，最大可扩展1024 DI/DO，128 AI/AO，24VDC 负载电源和 MPI 接口。开关量模块分别选用 SM321（数字输入模板 16 点输入，24VDC）和 SM322（数字输出模板 16 点输出，24VDC） 。模 拟 量 输 入 模板 选 用 SM331， 8 通 道 隔 离 输 入 ， 10-14 位 精 度 。 模 拟 输 出 模 板 选 用 SM332， 四 通 道 隔离 输 出 ， 12 位 精 度 、 4-2

14、0mA 输 出 信 号 。 上 述 模 块 在 采 用 STEP7 软 件 编 程 时 ， 由 软 件 进行 硬 件 配 置 ， 所 以 更 换 模 块 非 常 方 便 。上 述 DO 模 块 为 直 流 24V 共 COM 模 块 ， 在 与 强 电 电 路 连 接 通 过 中 间 继 电 器 转 换 。4.2 测 量 设 备 在 该 系 统 中 ， 液 位 测 量 选 用 静 压 式 液 位 变 送 器 （ UC22T） ， 压 力 测 量 选 用 远 程 压 力变 送 器 （ 8308） ， 流 量 选 用 电 磁 流 量 计 （ IFM4080K） ， 炉 膛 温 度 选 用 双 支

15、“K”热 电 偶（ WRN2-231） ,出 水 温 度 选 用 双 支 铂 电 阻 （ WZP2-231） ,其 它 温 度 测 量 选 用 铂 电 阻（ WZP-231） 。 上 述 仪 表 均 输 出 4-20mADC 或 0-10V 标 准 信 号 。模 拟 量 输 入 模 板 具 有 多 种 信 号 范 围 ： 0-10V、 4-20mA、 1-5V 及 热 电 阻 等 。 在 使 用 时 ，信 号 类 别 通 过 STEP7 软 件 来 指 定 。 由 于 4-20mA 信 号 抗 干 扰 能 力 强 ， 传 输 距 离 远 ， 所 以通 过 软 件 指 定 4-20mADC 信

16、号 。 又 因 该 模 板 为 有 源 ， 所 采 集 的 信 号 无 源 ， 所 以 上 述 仪 表输 出 的 4-20mADC 标 准 信 号 ， 可 方 便 与 PLC 模 拟 输 入 模 块 相 连 接 。各电机、泵的起动信号取自交流接触器的触点，报警信号取自热继电器的触点，起停信号由 PLC 通过中间继电器送往控制回路，手动/ 自动操作通过电器柜上的转换开关切换。系统构成如图 1 所示：图 1 系统构成框图引风、鼓风、炉排、循环泵、补水泵变频配电柜1#操作柜 2#操作柜 公用操作柜MPI上位机1#PLC 2#PLC 公用 PLC45 软件编程5.1 下 位 机 PLC 控 制 程 序 SIMATIC S7-300 系 列 可 编 程 控 制 器 采 用 STEP7 标 准 软 件 编 程 。 它 的 最 大 优 点 在 于符 号 化 编 程 和 组 织 分 层 结 构 ， 使 得 编 制 的 程 序 可 读 性 非 常 好 ， 现 场 调 试 非 常 容 易 。STEP7 标 准 软 件