計算機控制論文之自然循環(huán)鍋爐

1、中原工學院課程設計目 錄第1 章 自然循環(huán)鍋熱爐對象分析21.1自然循環(huán)爐對象描述21.1.1 自然循環(huán)爐對像工藝描述21.1.2 工藝過程簡介31.1.3 儀表及操作設備說明41.1.4 被控參數(shù)特性分析5第2 章 自然循環(huán)爐控制方案設計62.1 總體方案設計原則62.1.1 調(diào)節(jié)閥選型原則62.1.2控制器正反作用選擇原則72.1.3控制器規(guī)律選擇原則72.2控制方案72.2.1 燃料量、空氣量比值控制72.2.2汽包液位控制82.13除氧器控制92.1.4 過熱蒸汽汽溫控制92.1.5蒸汽壓力控制92.1.6煙氣含氧量控制102.2.6 爐膛負壓前饋-反饋控制1122自然循環(huán)爐安全節(jié)能控

2、制方案122.2.1 爐膛安全監(jiān)控122.2.2維持經(jīng)濟燃燒132.2.3控制系統(tǒng)主要抗干擾措施13第3 章 硬件設計1531 PLC簡介與選型1532 PlC的特點1633控制系統(tǒng)與下位機的設計163.3.1系統(tǒng)工作狀態(tài)列表173.3.2系統(tǒng)硬件配置173.3.3、系統(tǒng)軟件設計183.3.4 開車順序控制193.3.5 正常停車順序控制22總結(jié)23參考文獻23第1 章 自然循環(huán)鍋熱爐對象分析1.1自然循環(huán)爐對象描述1.1.1自然循環(huán)爐對像工藝描述被控對象為工業(yè)領(lǐng)域廣泛應用的自然循環(huán)鍋爐。 經(jīng)處理的軟化水進入除氧器V1101上部的除氧頭，進行熱力除氧，除氧蒸汽由除氧頭底部通入。除氧的目的是防止

3、鍋爐給水中溶解有氧氣和二氧化碳，對鍋爐造成腐蝕。熱力除氧是用蒸汽將給水加熱到飽和溫度，將水中溶解的氧氣和二氧化碳放出。在除氧器V1101下水箱底部也通入除氧蒸汽，進一步去除軟化水中的氧氣和二氧化碳。 除氧后的軟化水經(jīng)由上水泵P1101泵出，分兩路，其中一路進入減溫器E1101與過熱蒸汽換熱后，與另外一路混合，進入省煤器E1102。進入減溫器E1101的鍋爐上水走管程，一方面對最終產(chǎn)品（過熱蒸汽）的溫度起到微調(diào)（減溫）的作用，另一方面也能對鍋爐上水起到一定的預熱作用。省煤器E1102由多段盤管組成，燃料燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣自上而下通過管間，與管內(nèi)的鍋爐上水換熱，回收煙氣中的余熱并使鍋爐上水進一步預

4、熱。 被煙氣加熱成飽和水的鍋爐上水全部進入汽包V1102，再經(jīng)過對流管束和下降管進入鍋爐水冷壁，吸收爐膛輻射熱在水冷壁里變成汽水混合物，然后返回汽包V1102進行汽水分離。鍋爐上汽包為臥式圓筒形承壓容器，內(nèi)部裝有給水分布槽、汽水分離器等，汽水分離是上汽包的重要作用之一。分離出的飽和蒸汽再次進入爐膛F1101進行汽相升溫，成為過熱蒸汽。出爐膛的過熱蒸汽進入減溫器E1101殼程，進行溫度的微調(diào)并為鍋爐上水預熱，最后以工藝所要求的過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度輸送給下一生產(chǎn)單元。 燃料經(jīng)由燃料泵P1102泵入爐膛F1101的燃燒器；空氣經(jīng)由變頻鼓風機K1101送入燃燒器。燃料與空氣在燃燒器混合燃燒，產(chǎn)生

5、熱量使鍋爐水汽化。燃燒產(chǎn)生的煙氣帶有大量余熱，對省煤器E1102中的鍋爐上水進行預熱。 112 工藝過程簡介 軟化水流量為F1106，溫度為常溫20，經(jīng)由調(diào)節(jié)閥V1106進入除氧器V1101頂部。除氧蒸汽分兩路，一路進入熱力除氧頭，管線上設有調(diào)節(jié)閥PV1101；另外一路進入除氧器下水箱，管線上設有開關(guān)閥XV1106。除氧器壓力為P1106，除氧器液位為L1101。軟化水在除氧器底部經(jīng)由上水泵P1101泵出。 鍋爐上水流量為F1101，鍋爐上水管線上設有上水泵出口閥XV1101，上水管線調(diào)節(jié)閥V1101，以及旁路閥HV1101。鍋爐上水被分為兩路。一路進入減溫器E1101預熱，預熱后與另外一路混

6、合進入省煤器E1102。兩路鍋爐上水管道上分別設有調(diào)節(jié)閥V1102和V1103。正常工況時，大部分鍋爐上水直接流向省煤器，少部分鍋爐上水流向減溫器，其流量為F1102。 汽包V1102頂部設放空閥XV1104，汽包壓力為P1103。汽包中部設水位檢測點L1102。在汽包中通過汽水分離得到的飽和蒸汽溫度為T1102，經(jīng)過爐膛汽相升溫得到的過熱蒸汽溫度為T1103。 過熱蒸汽進入減溫器E1101，進行溫度的微調(diào)。最終過熱蒸汽壓力為P1104，溫度為T1104，流量為F1105。過熱蒸汽出口管道上設調(diào)節(jié)閥V1105。 燃料經(jīng)由燃料泵P1102泵入爐膛F1101的燃燒器，燃料流量為F1103，燃料壓力

7、為P1101，燃料流量管線設調(diào)節(jié)閥V1104，燃料泵出口閥XV1102?？諝饨?jīng)由變頻風機K1101送入燃燒器，變頻器頻率為S1101（被歸一化到0100%之間），空氣量為F1104。 省煤器煙氣出口處的煙氣流量為F1107，溫度為T1105。煙氣含氧量A1101設有在線分析檢測儀表。煙道內(nèi)設有擋板DO1101。 爐膛壓力為P1102，爐膛中心火焰溫度為T1101，為紅外非接觸式測量，僅提供大致溫度的參考。 .113. 儀表及操作設備說明 （1）檢測儀表 位號檢測點說明單位位號檢測點說明單位AI1101煙氣含氧量%PT1101燃料壓力MPaFT1101鍋爐上水流量kg/hPT1102爐膛壓力MP

8、aFT1102去減溫器的鍋爐上水流量kg/hPT1103汽包壓力MPaFT1103燃料流量kg/hPT1104過熱蒸汽壓力MPaFT1104空氣量m3/sPT1106除氧器壓力MPaFT1105過熱蒸汽流量kg/hTT1101爐膛中心火焰溫度FT1106軟化水流量kg/hTT1102汽水分離后的過熱蒸汽溫度FT1107煙氣流量kg/hTT1103進入減溫器的過熱蒸汽溫度LT1101除氧器液位%TT1104最終過熱蒸汽溫度LT1102汽包水位%TT1105煙氣溫度（2）執(zhí)行機構(gòu) 位號執(zhí)行機構(gòu)說明位號執(zhí)行機構(gòu)說明V1101鍋爐上水管線調(diào)節(jié)閥V1106軟化水管線調(diào)節(jié)閥V1102直接去省煤器的鍋爐上水

9、管線調(diào)節(jié)閥PV1101除氧蒸汽管線調(diào)節(jié)閥V1103去減溫器的鍋爐上水管線調(diào)節(jié)閥S1101鼓風機變頻器V1104燃料管線調(diào)節(jié)閥DO1101煙道擋板V1105過熱蒸汽管線調(diào)節(jié)閥（3）開關(guān)閥 位號執(zhí)行機構(gòu)說明位號執(zhí)行機構(gòu)說明XV1101鍋爐上水泵出口閥/截止閥XV1104汽包頂部放空閥XV1102燃油泵出口閥/截止閥XV1106通入除氧器下水箱的除氧蒸汽管線閥（4）手操閥 位號執(zhí)行機構(gòu)說明HV1101鍋爐上水管線調(diào)節(jié)閥旁路閥1.1.4 被控參數(shù)特性分析自然循環(huán)爐對象中主要包括溫度、流量和壓力這 3 個參數(shù)，不同類型的參數(shù)具有不同的對象特性，需要采用不同的控制方法。（1）溫度溫度動態(tài)特性的特點：其一，

10、慣性大，容量滯后大，有些過程的時間常數(shù)達到十幾分鐘；其二，溫度對象通常是多容的。由于溫度滯后大，控制起來不靈敏，因此溫度控制系統(tǒng)需要增加微分作用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度控制就是對傳熱過程的控制，包括對流傳熱、傳導傳熱和輻射傳熱。溫度控制的操縱變量通常是流量，如加熱介質(zhì)的流量、冷卻介質(zhì)的流量、燃料的流量等。溫度控制的方法與被控對象的特點、控制精度要求等有關(guān)，其種類很多。（2）流量流量的測量容易受到噪聲的干擾，流量本身可能是平穩(wěn)的，平均流量沒有什么變化，但是測量信號常常是頻繁地變動。這是由于管道中的流動正常時都呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，流量雖然平穩(wěn)，流體內(nèi)部卻在騷動。特別是流體通過截流裝置時，此種騷動程度比較

11、大，產(chǎn)生的噪聲也較大。噪聲是一種頻率很高、變化無常的流體流動，這是流量控制系統(tǒng)不能加微分的原因。由于噪聲頻率很高，雖然幅度變化不大，但若加上微分控制器其輸出容易出現(xiàn)波動，反而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。流量過程時間常數(shù)很小，當手動調(diào)整閥門時，流量在幾秒鐘內(nèi)就能變化完畢，響應比較靈敏。這是由于工業(yè)過程中調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行機構(gòu)）往往直接作用于流量，而管道的容量有限，緩沖余地小，閥門一動作，流量立即變化，滯后時間小、響應快。對于流量而言，廣義對象的時間常數(shù)主要取決于控制器、定位器、變送器和信號傳輸?shù)炔糠?，流量自身的時間常數(shù)相對較小。（3）壓力壓力對象的常見類型有兩類。其一是具有一定容量的氣罐，此種情況下，體積和容量較大

12、，表征動態(tài)特性的時間常數(shù)較大，即慣性較大。其二是管道的壓力，由于管道容積較小，所以時間常數(shù)較小，控制比較靈敏。流量對象和壓力對象與溫度對象相比，都是比較快的過程，時間常數(shù)不大，大致都呈現(xiàn)單容特性，在控制中一般不用微分作用。第2 章 自然循環(huán)爐控制方案設計2.1 總體方案設計原則系統(tǒng)控制方案設計在整個工程方案設計中占有十分重要的地位，一個控制系統(tǒng)的成功與否主要取決于是否有一個設計優(yōu)良的控制方案。任何一種控制系統(tǒng)設計的目的都是為了滿足生產(chǎn)過程中的工藝要求，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此，為實現(xiàn)此目的，設計加熱爐裝置的控制方案時，應遵循以下基本原則：（1）滿足要求最大限度地滿足被控對象的控制要求，

13、這是設計該控制系統(tǒng)的首要前提，也是設計中最重要的一條原則。進行設計前，需要深入了解被控對象，收集資料。（2）安全可靠保證控制系統(tǒng)長期運行的安全、可靠、穩(wěn)定，是設計中的重要原則。為了達到這一目的，在系統(tǒng)方案設計、可靠性設計、設備選擇、軟件編程方面應進行總體規(guī)劃和全面考慮。（3）經(jīng)濟實用在滿足控制要求的前提下，力求控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、實用、維護方便。（4）適應發(fā)展考慮到生產(chǎn)發(fā)展和工藝的改進，設計的控制系統(tǒng)應具有適當?shù)臄U展功能。211 調(diào)節(jié)閥選型原則（1）閥門開閉形式選擇原則對于一個具體的控制系統(tǒng)來說，究竟選擇氣開閥還是氣閉閥，要由具體的生產(chǎn)工藝來決定。一般來說，要根據(jù)以下幾條原則進行選擇： 首先要

14、從生產(chǎn)安全出發(fā)，即當氣源供氣中斷、控制器故障無輸出或調(diào)節(jié)閥膜片破裂、漏氣等而使調(diào)節(jié)閥無法正常工作，使得閥芯回復到無能源的初始狀態(tài)時，應能確保生產(chǎn)工藝設備的安全，不致于發(fā)生事故。 從保證產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)，當調(diào)節(jié)閥處于無能源狀態(tài)而回復到初始位置時，不應降低產(chǎn)品的質(zhì)量。 從降低原料、成品、動力損耗來考慮。 從介質(zhì)的特點考慮。一般來說，根據(jù)上面介紹的幾條原則，調(diào)節(jié)閥開、閉形式不難選擇。不過，如遇到下面兩種情況時，在調(diào)節(jié)閥開、閉形式的選擇上需要加以注意。第一種情況是由于工藝要求不一，對于同一調(diào)節(jié)閥可以有兩種不同的選擇結(jié)果。如果出現(xiàn)這種情況，需要與工藝專業(yè)人員認真分析、仔細協(xié)商、分清主次、權(quán)衡利弊、慎重選擇。

15、第二種情況是某些生產(chǎn)工藝對調(diào)節(jié)閥開、閉形式的選擇沒有嚴格要求，調(diào)節(jié)閥的開、閉形式可以任選。2.1.2控制器正反作用選擇原則從控制原理可知，對于一個反饋控制系統(tǒng)，只有在負反饋的情況下，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的，當系統(tǒng)受到干擾時，其過渡將會是衰減的。反之，如果系統(tǒng)是正反饋，那么系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，一旦遇到干擾，過渡過程將會發(fā)散。系統(tǒng)不穩(wěn)定當然是不希望發(fā)生的，因此，對于反饋控制系統(tǒng)來說，要使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作，必須要構(gòu)成負反饋，即控制回路各個環(huán)節(jié)的符號之積為負值。在控制回路中，對象、調(diào)節(jié)閥、測量變送裝置和偏差環(huán)節(jié)的符號是很容易確定的，這樣就可以確定控制器的正反作用。需要注意的是，對于DCS 而言，偏差為設定值減去

16、測量值，因為該環(huán)節(jié)的輸入為測量值，當測量值減少的時候，偏差增加；當測量值增加的時候，偏差減少，因此，該環(huán)節(jié)的符號一直為負。2.1.3控制器規(guī)律選擇原則工業(yè)過程中常見的控制規(guī)律有開關(guān)控制、比例控制、比例-積分控制、比例-微分控制、比例-積分-微分控制等。過程工業(yè)中常見的參數(shù)有流量、液位、壓力和溫度，這些參數(shù)有些是重要的生產(chǎn)參數(shù)，有些是不太重要的參數(shù)，所以控制要求也是各有不同，控制規(guī)律的選擇要根據(jù)具體情況而定。有一些基本原則可以在選擇時加以考慮：（1）對于不太重要的參數(shù)，可以考慮采用比例控制，甚至采用開關(guān)控制；（2）對于不太重要的參數(shù)，但是慣性較大，又不希望動態(tài)偏差較大，可考慮采用比例-微分控制。

17、但是對于系統(tǒng)噪聲較大的參數(shù)，例如流量，則不能選用比例-微分控制；（3）對于比較重要的、控制精度要求比較高的參數(shù)，可采用比例-積分控制；（4）對于比較重要的、控制精度要求比較高、希望動態(tài)偏差小、被控對象的時間滯后較大的參數(shù)，應該采用比例-積分-微分控制或者是先進控制算法。2.2控制方案2.2.1 燃料量、空氣量比值控制燃燒系統(tǒng)控制的主要目的是為了保證燃料能夠充分燃燒，釋放全部能量，使得加熱爐的燃燒狀況正常、平穩(wěn)。同時，為了防止過剩空氣帶走能量，空氣剩余量也不能太大。因此，本參賽隊設計了燃料量、空氣量比值控制系統(tǒng)。同時，為了降低燃料流量和空氣流量的擾動，對燃料流量和空氣量設計閉環(huán)控制，使流量實測值

18、跟隨給定值。本方案中，燃料量和空氣量既為被控變量，又是操縱變量。比值控制系統(tǒng)涉及到主、副物料的選擇問題。在燃燒系統(tǒng)中，空氣供應不成問題，而燃料可能供應不足，為了保證燃料的充分燃燒，這里要求空氣量隨著燃料量的變化而變化。同時，為了防止燃料因供應不足而失控時，流量比值仍能始終保持，因此選擇燃料為主物料，而空氣為副物料。該比值控制系統(tǒng)的方塊圖如圖1 所示。圖1 燃料量/空氣量比值控制系統(tǒng)方塊圖222汽包液位控制汽包液位調(diào)節(jié)的任務是使鍋爐進水量和鍋爐蒸發(fā)量相平衡，并維持汽密水位在工藝規(guī)定的安全范疇內(nèi)。該調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用三沖量調(diào)節(jié)，即根據(jù)給水流量、汽包液位和蒸汽流量調(diào)節(jié)給水閥，汽包水位信號經(jīng)汽包壓力補償后作

19、為主調(diào)的輸入，蒸汽流量信號經(jīng)溫度、壓力修正后與給水流量信號一起作為副調(diào)的反饋輸入。啟動時只有汽包水位的單沖量控制。單沖量控制和三沖量控制能相互無擾動切換。汽包水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離，飽和水蒸汽帶水過多，使過熱蒸汽溫度降低；水位過低，負荷增大時水的汽化速度加快，汽包內(nèi)水量迅速減少，如不及時調(diào)整，會使汽包內(nèi)的水全部汽化，危及鍋爐安全。當負荷非常不穩(wěn)定時，給水流量的擾動，使汽包水位有較大延遲，蒸汽流量變化，會出現(xiàn)虛假水位，使得三沖量難以運行，因此先以單沖量投入運行，使工況穩(wěn)定后再投入三沖量，也要求單沖量和三沖量兩種控制方式能方便地進行無擾切換。見圖2。該控制回路可以消除“假液位”。因為當由于

20、蒸汽負荷突然增加，而出現(xiàn)“假液位”時，PID的設定點不變，則主給水的閥門開度就基本功不變；經(jīng)過短時間汽包內(nèi)壓力恢復平衡，“假液位”消除，此時液位由于蒸發(fā)理增加面開始下降，則值開始增加，給水閥門就開大，增加給水量，保持汽包水位平衡。213除氧器控制除氧器控制系統(tǒng)包括除氧器壓力和液位兩個控制子系統(tǒng)。在35T鍋爐計算機控制系統(tǒng)中，除氧器壓力控制系統(tǒng)和除氧器液位控制系統(tǒng)都設計為單回路PI控制方式。在滿足鍋爐生產(chǎn)的實際要求的前提下，單回路PI控制方式具有結(jié)構(gòu)簡單、容易整定和實現(xiàn)等優(yōu)點。 對于除氧器壓力系統(tǒng)而言，當除氧器壓力發(fā)生變化時，壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)除氧器的進汽閥，改變除氧器的進汽量，從而將除氧器的壓力

21、控制在目標值上；同樣，對于除氧器液位系統(tǒng)，當除氧器液位發(fā)生變化時，液位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)除氧器的進水閥，改變除氧器的進水量，從而將除氧器的液位控制在目標值上。2.14 過熱蒸汽汽溫控制過熱蒸汽溫度是非常重要的參數(shù)，過高會燒壞過熱器水管，對負荷設備的安全運行帶來不利因素，過低會直接影響負荷設備的使用。因此它的控制要求比較嚴格，一般工藝上都是用噴水減溫的方法來控制過熱蒸汽溫度。根據(jù)過熱蒸汽溫度和減溫器后蒸汽溫度調(diào)節(jié)減溫水調(diào)節(jié)閥，使過熱蒸汽溫度維持在工藝安全范圍，見圖3。當入口蒸汽及減溫水一側(cè)擾動時，首先反應為減溫器后汽溫的變化，這個回路就可以及時調(diào)整，使擾動對過熱蒸汽溫度的影響大大減少，提高了調(diào)節(jié)品質(zhì)。

22、2.1.5蒸汽壓力控制蒸汽壓力是衡量蒸汽供求關(guān)系是否平衡的重要指標，是蒸汽的重要工藝參數(shù)。壓力過高，會加速會屬的蠕變；壓力太低，不能提供負荷符合要求的蒸汽。在鍋爐運行過程中，蒸汽壓力降低，表明負荷的蒸汽消耗量大于鍋爐的蒸發(fā)量；蒸汽壓力升高，說明負荷的蒸汽消耗量小于鍋爐的蒸發(fā)量。因此，控制蒸汽壓力，是安全生產(chǎn)的需要，是維持負荷F常工作的需要，也是保證燃燒經(jīng)濟性的需型。鍋爐蒸汽壓力的變化是由于熱平衡失調(diào)引起的而影響熱平衡的因素主要是燃燒熱和蒸汽熱，燃燒熱的波動引起的熱平衡失調(diào)稱為“內(nèi)擾”，而蒸汽熱波動引起的熱平衡失調(diào)為“外擾”，為了克服內(nèi)外擾對蒸汽壓力的影響，在各個基本的單爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)中，輸

23、入到鍋爐的燃燒熱必須跟隨蒸汽熱的變化而變化以盡量保持熱量平衡同時根據(jù)蒸汽壓力與給定值的偏差適當增減燃料量以增加或減少蒸汽壓力。2.1.6煙氣含氧量控制煙氣含氧量是指燃料燃燒之后排出的煙氣中氧氣的含量，它主要與燃料的燃燒狀況有關(guān)。影響煙氣含氧量的因素主要有燃料量、燃料成分、空氣量等，簡單而言，煙氣含氧量的影響因素就是燃燒工況（燃料量和空氣量的比值）。具體分析如下：（1）燃料一定，空氣量增加在實際燃燒過程中，一定量的燃料充分燃燒所需要的空氣量是一定的，所以當空氣量增加時，空氣過剩，即燃料充分燃燒之后還會剩余一定量的空氣。由此可得煙氣含氧量將增大，并且多余的空氣會吸收一定的能量，然后經(jīng)過煙囪排放到空

24、氣中，造成能量的浪費。（2）空氣量一定，燃料量增加燃料增加，則實際燃燒所需要的空氣量也增加，但是空氣量不變，則燃料量過剩，即燃料不能充分燃燒，將產(chǎn)生大量的有害氣體。由此可得空氣量一定而燃料量增加時，煙氣含氧量將減少，并且由于燃料的不完全燃燒，在造成燃料能量浪費的同時還將大量的有毒氣體排放到空氣中，造成環(huán)境污染。（3）空氣量一定，燃料中可燃成分增加在空氣量不變的情況下，燃料中可燃燒成分增加的后果與（2）所描述的情況相同。（4）空氣量一定，燃料中可燃成分減少在空氣量一定的情況下，燃料中可燃燒成分減少的后果與（1）所描述的情況相同。經(jīng)過對煙氣含氧量影響因素的分析，可以得出以下結(jié)論：對煙氣含氧量進行控

25、制的最終目的，是為了減少能量的浪費，即提高加熱爐的效率。節(jié)所述燃燒過程的燃料量與空氣量比值控制系統(tǒng)存在一個不足，即：不能保證兩者是最優(yōu)比，這是由于流量測量的誤差以及燃料質(zhì)量（成分等）的變化所造成的。為此，要有一個燃料量與空氣適宜配比的指標作為送風量的校正信號，本方案采用煙氣氧含量作為送風量的校正信號。圖4 所示為加熱爐燃燒過程中煙氣含氧量的閉環(huán)控制方案。圖4 煙氣含氧量閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖由圖4可見，煙氣含氧量閉環(huán)控制系統(tǒng)是將原有的定比值控制改為變比值控制，可以克服燃料成分變化等帶來的擾動。當燃料成分變化時，由于空氣量暫時保持不變，所以同量的燃料燃燒之后產(chǎn)生的煙氣中的含氧量將發(fā)生變化，煙氣含氧量

26、控制器感受到偏差，開始工作，煙氣含氧量的輸出為空氣量控制器的設定值，因為空氣量的設定值發(fā)生變化，空氣量控制器將感受到偏差，開始工作，調(diào)節(jié)空氣量，使煙氣含氧量達到最優(yōu)。在該控制系統(tǒng)中，空氣量單回路控制系統(tǒng)是一個隨動控制系統(tǒng)，該環(huán)節(jié)的符號可以看為“正”；當空氣量增加的時候，煙氣含氧量也會增加，所以被控對象的符號為“正”；煙氣含氧量測量變送裝置的符號為“正”；偏差環(huán)節(jié)的符號為“負”；為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定，可以得出，煙氣含氧量控制器為正作用。為了保證加熱爐效率最優(yōu)，就要保證煙氣含氧量在一定的范圍內(nèi)波動，即允許有余差存在。所以，一般不采用積分作用。同時，由于煙氣含氧量經(jīng)常波動，測量的值有可能不準確，為避

27、免其對高頻噪聲的放大而影響系統(tǒng)的平穩(wěn)工作，所以不加微分作用。因此，煙氣含氧量控制器采用比例（P）控制即可。2.2.6 爐膛負壓前饋-反饋控制為了使加熱爐能正常的工作，需要不斷供給燃燒所用的空氣，同時又要不斷把燃燒后產(chǎn)生的煙氣排出爐外，因此加熱爐都有一套供風、排煙系統(tǒng)。加熱爐負壓是由于煙道氣與外界較冷空氣密度差造成的，因此爐膛負壓主要受鼓風機進風量以及煙道擋板開度的影響。（1）風量對爐膛負壓的影響當進入爐膛的燃料量以及擋板開度一定時，如果進入爐膛的空氣量過大，可能使爐膛的負壓變成正壓，造成火苗外躥，形成二次燃燒，給現(xiàn)場操作人員造成危害；如果進入爐膛的空氣量過少，則造成燃料的不完全燃燒，形成大量的

28、濃煙，造成燃料的浪費。（2）擋板開度對爐膛負壓的影響當進入爐膛的燃料量和空氣量一定的時候，如果擋板開啟過大，則煙囪出去的煙氣量就越大，抽力就越大，造成爐膛壓力過負，可能使爐膛滅火。要保證爐膛負壓在一定范圍內(nèi)，必須對爐膛負壓進行控制，被控變量即為爐膛負壓。經(jīng)過爐膛負壓影響因素的分析可以得出，在空氣量已經(jīng)進行閉環(huán)控制的條件下，對爐膛負壓影響最大的因素是煙氣的排放量，而它又受到煙道擋板開度的影響，因此選擇煙氣排放量作為操縱變量，形成單回路控制系統(tǒng)。但是，當加熱爐負荷變化較大時，單回路控制系統(tǒng)較難控制。因為負荷變化后，燃料量及送風量均將變化，但引風量只有在爐膛負壓產(chǎn)生偏差時，才能由爐膛負壓控制器去控制

29、，這樣引風量的變化落后于送風量，從而造成爐膛負壓的較大波動。因此，用空氣量作為前饋信號，組成爐膛負壓前饋-反饋控制系統(tǒng)，方塊圖如圖5 所示。圖5爐膛負壓前饋-反饋控制系統(tǒng)方塊圖在爐膛負壓控制系統(tǒng)中，控制器輸出增加時，擋板開度增加，所以擋板開度的符號為“正”；當擋板開度增加的時候，爐膛負壓將減小，所以爐膛負壓被控對象的符號為“負”；測量變送裝置的符號為“正”；偏差環(huán)節(jié)的符號為“負”；該系統(tǒng)必須構(gòu)成負反饋，可以得出，爐膛負壓反饋控制器為反作用控制器。壓力響應是比較快的過程，時間常數(shù)不大，大致呈現(xiàn)單容特性，在控制中一般不采用微分作用。由于要求爐膛負壓沒有余差，所以爐膛負壓反饋控制器采用比例積分（PI

30、）控制器。由于只要求在穩(wěn)定工況下實現(xiàn)對干擾量的補償，并且擾動通道與控制通道的動態(tài)響應相近，所以前饋控制器采用靜態(tài)前饋控制，即采用比例（P）控制器作為前饋控制器，比例參數(shù)為Kf 。參數(shù)整定：（1）將前饋通道斷開，按照PID 參數(shù)整定方法，整定爐膛負壓反饋控制器的P、I 參數(shù)；（2）將前饋通道閉合，斷開反饋回路，使系統(tǒng)處于單純前饋狀態(tài)下，施加干擾，Kf 值由小到大逐步增大，直到被控變量回到給定值，此時對應的Kf 值為最佳整定值。（3）將前饋通道以及反饋通道均閉合，施加干擾，觀察響應效果，如果不滿足要求，修改爐膛負壓反饋控制器的參數(shù)，使效果達到最佳。22自然循環(huán)爐安全節(jié)能控制方案2.2.1 爐膛安全

31、監(jiān)控執(zhí)行點火程序，并對供風系統(tǒng)、引風系統(tǒng)、爐膛壓力、汽包水位等進行監(jiān)視，對出現(xiàn)的危險情況進行報警、執(zhí)行相應的聯(lián)鎖程序，記錄事故前后的相關(guān)數(shù)據(jù)。鍋爐起停和正常運行時，一旦檢測到危及系統(tǒng)安全的條件時，立即進行動作，切斷主燃料，指出首次跳閘原因，并給出聲光報警信號，進行有關(guān)的聯(lián)鎖和順控動作，以保證鍋爐的安全。當出現(xiàn)以下情況時，燃燒系統(tǒng)停止。a.燃燒用供風故障；b.引風機故障或煙氣通道阻塞；c.爐膛壓力過高或過低；d.汽包水位低于下限；e.過熱器出口溫度高于上限；f.按下緊急按鈕222維持經(jīng)濟燃燒要使鍋爐燃燒過程工作在最佳工況，提高鍋爐的效率和經(jīng)濟性，關(guān)鍵問題是空氣和燃料維持適當比例。要使得燃燒過程中

32、不出現(xiàn)燃料燃燒不充分而導致一氧化碳和冒黑煙的現(xiàn)象，這就需要快速而精確地對燃燒進行自動調(diào)節(jié)，使空氣和燃料呈現(xiàn)最佳的配比。工業(yè)鍋爐作為一個調(diào)節(jié)對象，是一個多輸入，多輸出，多回路，非線性的相互關(guān)聯(lián)的對象。所有這些特性是由鍋爐本身的物理特性決定的。因此，理想的鍋爐自動控制系統(tǒng)應該是多回路的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這樣，當鍋爐的運行狀況發(fā)生變化或受到某一擾動后，系統(tǒng)會同時協(xié)調(diào)地動作，改變其調(diào)節(jié)量，使所有的被調(diào)量都具有一定的調(diào)節(jié)精度。但這種調(diào)節(jié)十分復雜，實現(xiàn)起來相當困難。事實上，工業(yè)鍋爐的各個參數(shù)之間的耦合程度有大有小。例如汽包水位受給水量、蒸汽流量以及汽包壓力的影響比較大，而與送風量及引風量的關(guān)系則不是那么緊密。因此

33、，根據(jù)鍋爐運行的實際情況，將鍋爐當作若干個相對獨立的調(diào)節(jié)對象，相應地設置若干個相對獨立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種實現(xiàn)鍋爐自動控制的方法是合適的，也是可行的。它使鍋爐自動控制系統(tǒng)適當簡化，也符合鍋爐的實際情況。2.2.3控制系統(tǒng)主要抗干擾措施1采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾在PLC控制系統(tǒng)中，電源占有及其重要的地位。電網(wǎng)干擾竄入PLC控制系統(tǒng)主要通過PLC系統(tǒng)的供電電源(如CPU電源、IO電源等)、變送器供電電源和與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入的?，F(xiàn)在，對于給PLC系統(tǒng)供電的電源，一般都采用隔離性能較好的電源，而對于變送器供電的電源和PLC系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表的供電電源，

34、并沒有受到足夠的重視，雖然采取了一定的隔離措施，但普遍還不夠，主要是使用的隔離變壓器分布參數(shù)大，抑制干擾能力差，經(jīng)電源耦合而竄入共模干擾、差模干擾。所以。對于變送器和共用儀表信號供電電源應選擇分布電容小、抑制帶大(如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù))的供電電源，以減少PLC系統(tǒng)的干擾。此外，為保證電網(wǎng)節(jié)點不中斷，可采用在線式不問斷供電電源(UPS)供電，提高供電的安全可靠性。而且UPS還具有較強的抗干擾隔離性能，是一種PLC控制系統(tǒng)的理想電源。2電纜的選擇與鋪設為了減少動力電纜輻射的電磁干擾，尤其是變頻裝置控制電纜，應選用屏蔽電纜。在工程中，采用帶屏蔽層的電纜，可以大大降低動力線產(chǎn)生的電磁干擾。不

35、同類型的信號分別由不同電纜傳輸，信號電纜應按傳輸信號種類分層鋪設，嚴禁用同一電纜的不同導線同時傳送動力電源和信號；避免信號線與動力電纜靠近平行鋪設，以減少電磁干擾。3硬件濾波及軟件抗干擾措施信號在接入PLC自訂，在信號線與地I日J并接電容，以減少共模干擾；在信號兩極1sJ；0H裝濾波器可減少差模干擾。由于電磁干擾的復雜性，要根本消除干擾影響是不可能的，因此在PLC控制系統(tǒng)的軟件設計和組念時，還應在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。常用的一些措施有：數(shù)字濾波，設置軟件陷阱等方法。4J下確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是

36、PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLC控制系統(tǒng)而言，它屬于高速低電平控制裝置，應采用直接接地。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號交換頻率一般都低于1MHZ，所以PLC控制系統(tǒng)接地線采用一點接地和串聯(lián)接地方式。信號源接地時，屏蔽層應在信號側(cè)接地；不接地時，應在PLC側(cè)接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理，一定要避免多點接地。PLC控制系統(tǒng)中的干擾是一個十分復雜的問題，因此在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制干擾，對有些干擾情況還需做具體分析，才能使PLC控制系統(tǒng)F常工作

37、。第3 章 硬件設計31 PLC簡介與選型PLC軟件既有制造廠家提供的系統(tǒng)程序，又有用戶自行丌發(fā)的應用程序。系統(tǒng)程序為用戶程序的丌發(fā)提供運行平臺，同時，還為PLC程序的可靠運行及信號與信息轉(zhuǎn)換進行必要的處理。用戶程序由用戶按具體的控制系統(tǒng)要求進行設計，這罩所說的PLC軟件設計即是指用戶自行開發(fā)的應用程序311模塊式PLC的基本結(jié)構(gòu)STEP 7 300屬于模塊式PLC，主要由機架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設備組成(見圖31)，各種模塊安裝在機架上。通過CPU模塊或者通信模塊上的通信接口，PLC被連接到通信網(wǎng)絡上，可以與計算機、其他PLC或其他設備通信。

38、1CPU模塊CPU模塊主要由微處理器(CPU芯片)和存儲器組成。在PLC控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當于人的大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲器用水儲存程序和數(shù)據(jù)。S7300將CPU模塊簡稱為CPU。2信號模塊輸入(Input)模塊和輸出(Output)模塊簡稱為IO模塊，丌關(guān)量輸入、輸出模塊簡稱為DI模塊和DO模塊，模擬量輸入、輸出模塊簡稱為AI模塊和AO模塊，他們統(tǒng)稱為信號模塊。信號模塊是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場設備和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，丌關(guān)量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼丌關(guān)、限位丌關(guān)、接近丌關(guān)、光電丌關(guān)

39、、壓力繼電器等傳來的數(shù)字信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電動機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。開關(guān)量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等輸出設備，模擬量輸出模塊用來控制電動機調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器。CPU模塊內(nèi)部的工作電壓一般是DC 5V，而PLC的輸入輸出信號電壓一般較高，例如DC 24V或AC 220V。從外部引入的尖刻電壓和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使PLC不能正常工作。在信號模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離PLC的內(nèi)部電路和外部的輸入、輸出電路。信號模塊除了傳遞信號外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的

40、作用。3功能模塊為了增強PLC的功能，擴大其應用領(lǐng)域，減輕CPU的負擔，PLC廠家為了開發(fā)各種各樣的功能模塊。它們主要用于完成某些對實時性和存儲器量要求很高的控制任務。4接口模塊CPU模塊所在的機架成為中央機架，如果一個機架不能容納全部模塊，可以增設一個或者多個擴展機架。接口模塊用束實現(xiàn)中央機架與擴展機架之間的通信，基于PLC的鍋爐供熱控制系統(tǒng)的設計有的幾口模塊還可以為擴展模塊供電。5通信處理器通信處理器用于PLC之I日J、PLC與遠程IO之問、PLC與計算機和其他智能設備之間的通信，可以將PLC接入MPI、PROFIBUSDP、ASi和工業(yè)以太網(wǎng)，或者用于實現(xiàn)點對點通信等。6電源模塊PLC一

41、般使用AC220V電源或DC24V電源，電源模塊用于將輸入電壓轉(zhuǎn)為DC24V電壓和背板總線一k的DC5V電壓，供其他模塊使用。7編程設備S7-200使用安裝了編程軟件STEP 7的個人計算機作為編程設備，在計算機屏幕上直接生成和編輯各種文本程序或圖形程序，可以實現(xiàn)不同編程語言之問的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序雙傳到計算機。程序可以存盤或者打印，通過網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)遠程編程傳送。編程軟件還具有網(wǎng)絡和硬件組態(tài)、參數(shù)設置、監(jiān)控和故障診斷等功能。32 PlC的特點1編程方法簡單易學：梯形圖是使用得最多的PLC的編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，提醒圖語言

42、形象直觀，易學易懂。2功能強，性能價格比高：一臺小型PLC內(nèi)有成百卜千個可供用戶使用的編程元件，可以實現(xiàn)非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性價比。通過通信聯(lián)網(wǎng)，PLC可以實現(xiàn)分散控制，集中管理。3硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強：PLC已經(jīng)標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，使用能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。4可靠性高，抗干擾能力強：PLC使用了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，平均無故障時I日J達到數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，PLC已被廣大用戶公認為最可靠的工業(yè)控制設備之

43、一。5系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試工作量下：PLC使用軟件功能取代了繼電器控制6維修工作量小，維修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障診斷功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程軟件提供的信息，方便地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速的排除故障。7體積小，功耗低：對于復雜的控制系統(tǒng)，使用PLC后，可以減少大量的中的繼電器和時間繼電器，小型PLC的體積僅相當于幾個繼電器的大小，因此可以將開關(guān)柜的體積縮小到原來的12110。33控制系統(tǒng)與下位機的設計系統(tǒng)中大量的中問繼電器、時問繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設計、安裝、接線工作量大大減少。完成了系

44、統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場調(diào)試過程中，一般通過修改程序就呵以解決發(fā)現(xiàn)的問題，系統(tǒng)的調(diào)試時問比繼電器系統(tǒng)少得多。3.3.1系統(tǒng)工作狀態(tài)列表0 起始狀態(tài) S1.1 開上料泵P11011 開車 S1.2 開閥XV1101 和XV11022 穩(wěn)態(tài)工況 S1.3 開進料調(diào)節(jié)閥V11013 正常停車 S1.4 增大進料調(diào)節(jié)閥V1101 開度4 終止狀態(tài) S2.1 全開擋板DO11015 緊急停車 S2.2 吹掃加熱爐爐膛S1 上料 S2.3 關(guān)閉吹掃設備S2 準備點火 S2.4 將擋板關(guān)小到50%左右S3 點火 S2.5 開鼓風機K1101，使空氣流量F1104 達到開車所要求的流量S4 調(diào)節(jié)參數(shù) S2.6

45、 開燃料泵P1102S5 提升負荷 S2.7 開燃料流量調(diào)節(jié)閥V1104S6 關(guān)閉燃料流量調(diào)節(jié)閥V1104 S2.8 增大燃料調(diào)節(jié)閥V1104 開度S7 停燃料泵P1102 S4.1 調(diào)節(jié)擋板開度S8 停鼓風機K1101 S4.2 爐膛負壓控制回路投運S9 打開擋板DO1101 S4.3 調(diào)節(jié)鼓風機頻率S10 逐步關(guān)小燃料流量調(diào)節(jié)閥 S4.4 煙氣含氧量控制回路投運S11 關(guān)閉進料調(diào)節(jié)閥V1101 及其前、后閥XV1101、XV1102 S4.5 空氣流量控制回路投運S12 停上料泵P1101 S4.6 燃料流量控制回路投運S13 緊急處理 S4.7 提升燃料流量S14 全開擋板DO1101

46、S4.8 物料A 出口溫度控制回路投運S15 吹掃加熱爐爐膛 S5.1 增大進料調(diào)節(jié)閥V1101 開度S16 關(guān)閉吹掃設備 S5.2 增加進料調(diào)節(jié)閥V1101 開度3.3.2系統(tǒng)硬件配置在鍋爐燃燒過程中，用常規(guī)儀表進行控制，存在滯后、間歇調(diào)節(jié)、煙氣中氧含量超過給定值、低負荷和煙氣溫度過低等問題。采用PLC對鍋爐進行控制時，由于它的運算速度快、精度高、準確可靠，可適應復雜的、難于處理的控制系統(tǒng)。因而，可以解決以上由常規(guī)儀表控制難以解決的問題。所選擇的PLC系統(tǒng)要求具有較強的兼容性，可用最小的投資使系統(tǒng)建成及運轉(zhuǎn)；其次，當設計的自動化系統(tǒng)要有所改變時，不需要重新編程，對輸入、輸出系統(tǒng)不需要再重新接

47、線，不須重新培訓人員，就可使PLC系統(tǒng)升級；最后，系統(tǒng)性能較高。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。圖7 硬件結(jié)構(gòu)圖根據(jù)系統(tǒng)的要求，選取西門子PLCS7-200 CPU226 作為控制核心，同時還擴展了2個EM231模擬量輸入模塊和1個CP243-1以太網(wǎng)模塊。CPU226的IO點數(shù)是2416，這樣完全可以滿足系統(tǒng)的要求。同時，選用了EM231模塊，它是AD轉(zhuǎn)換模塊，具有4個模擬量輸入，12位AD，其采樣速度25s，溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及含氧檢測傳感器的輸出信號經(jīng)過調(diào)理和放大處理后，成為05V的標準信號，EM231模塊自動完成AD轉(zhuǎn)換。S7-200的PPI接口的物理特性為RS-485，可在PPI、MPI和自由通訊口方式下工作。為實現(xiàn)PLC與上位機的通