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I基于组态软件的供暖锅炉监控系统设计摘要工业锅炉是采暖供热系统的核心设备，它的主要任务是安全可靠、经济有效地把燃料的化学能转化为热能，进而将热能传递给水，生产出满足需要的蒸汽或热水。本文主要介绍的是通过组态软件（MCGS）做成的一套锅炉监控系统。大家都知道我们可以把锅炉分为三个相对独立的环节去控制：燃烧系统的控制，汽包液位的控制，过热蒸汽温度的控制。本文也采用了这样的分环节控制的方法。首先，用炉膛内的压力与饱和蒸汽的压力组成串级控制系统去控制燃料的供给量，继而控制了燃烧系统。当然为了安全起见我们还必须用一个压力传感器去测量炉膛内的压力。其次，用饱和蒸汽的温度和汽包的水位组成串级控制去控制给水量，继而控制汽包的水位。最后，用过了减温器的蒸汽的温度与过热后的蒸汽的温度组成串级控制去控制减温水的供给量，继而控制过热蒸汽的温度。该系统具有数据采集，实时控制，在线查询等功能，同时能够通过一些简单的传统控制（PID控制）对其进行相对稳定的控制。本文针对过路系统三个环节中的每个环节的单独控制（燃烧系统控制，汽包液位控制，过热蒸汽温度控制），得到了比较稳定的锅炉系统，同事又对其进行了较为良好的监控。关键词：组态软件；锅炉；串级控制；安全II目录摘要...............................................................I第1章引言........................................................11.1锅炉研究的背景和意义............................................11.2锅炉研究的现状和存在的问题......................................1第3章锅炉工艺流程..................................................43.1锅炉工艺流程简介................................................43.2锅炉控制中的控制参数............................................53.2.1锅炉中的主要控制参数........................................53.2.2锅炉参数之间的内在关系......................................53.3锅炉设备的控制系统..............................................63.3.1锅炉汽包水位控制............................................63.3.2锅炉燃烧系统的控制..........................................63.3.3过热蒸汽系统的控制..........................................73.4相关对象的动态特性..............................................83.4.1汽包水位的动态特性..........................................83.4.2压力的动态特性.............................................10第4章锅炉监控系统设计.............................................134.1设计方案.......................................................134.1.1汽包水位控制系统设计.......................................13III4.1.2燃烧控制系统的设计.........................................144.1.3过热蒸汽温度控制...........................................15第7章结束语......................................................16致谢...............................................................201第1章引言1.1锅炉研究的背景和意义工业锅炉是采暖供热系统的核心设备，它的主要任务是安全可靠、经济有效地把燃料的化学能转化为热能，进而将热能传递给水，生产出满足需要的蒸汽或热水。我国目前在役运行的工业锅炉共约有52万台，多为燃煤链条炉，它们的特点是应用广，容量小(绝大多数都是10t/h以下的分散锅炉)，设备陈旧，耗煤(或油、气)量大(年耗煤量占全国总耗煤量的三分之一)，效率低(平均约为60%)，自动化程度不高。另外由燃料燃烧产生的烟尘、SOX,NOX等对环境造成了严重污染。随着对生产自动化要求渐高的趋势，改变工业锅炉运行中传统的手动、半自动操作方式已势在必行尤其是近年来我国北方各大城市承受着持续低温天气和煤炭价格大幅度上涨的压力，还要面对供热标准。工业供暖锅炉的安全运行显的越来越是重要，那么这就要我们用一些方法来监控锅炉的运行。并且在出现异常的情况下能够马上显示出来，这样以便于我们进行整修。所以为了供暖锅炉能够安全有效的运行，我们必须对它进行监控，这就是我们经常说的供暖锅炉监控控制系统[1]。1.2锅炉研究的现状和存在的问题随着信息技术的发展，远程教育中的重要组成部分——远程实验系统获得了越来越多的关注。作为控制类学科的典型实验对象——锅炉控制系统也成了远程实验研究的焦点。现在，绝大多数高校都是购买现成的工控机和成套的实验控制对象以及相应的控制软件(多为组态软件)，成本很高，而且产品功能也不十分完善，灵活性差，实验结果不理想。例如：学生们做PID锅炉水位定值调节实验时，2只能设定P、I、D的参数值，然后看下实验的运行结果就行了，这样学生们就不容易深刻理解实验背后较深的控制理论知识，不利于专业素养的培养，也不能适应现代高校控制类相关专业的教学需要和实验教学的发展趋势。因此，开发一种功能完善、灵活性好，且能够进行自主设计型实验的远程实验监控软件就很有必要。我们选用组态软件（MCGS）作为锅炉控制系统远程实验监控软件的开发工具。锅炉微计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软、硬件自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作[2]。作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、微机、手自动切换操作、执行机构及阀、滑差电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机，手自动切换操作部分，手动时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机以及阀等，自动时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，3以免锅炉发生重大事故[3]。随着计算机控制系统的发展和成熟，国外发达国家的工业锅炉已经应用了成熟的DCS或FCS产品，如霍尼威尔9000、西门子Teleperm-D、SMARSytem302等系统,并取得了良好的效果。我国工业锅炉平均单机容量只有2.4t/h，远低于国外水平（日本为5t/h，美国为14t/h)，容量还不足以大到使用国外成套昂贵设备的程度。近十年来，国内中小型工业锅炉计算机控制系统多采用两级方式，即监管级和控制级，监管级进行监视和管理，控制级完成数据采集和控制功能[4]。4第3章锅炉工艺流程3.1锅炉工艺流程简介锅炉是化工，炼油，发电等工业生产工程中必不可少的动力设备。常见的锅炉设备的主要工艺流程如图3.1所示。燃料和空气按照一定的比例送入燃烧室燃烧，生产的热量送给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定气温的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经负荷设备控制供给负荷设备用，与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气[5]。3.1锅炉设备主要工艺流程图图3.1锅炉设备主要工艺流程图53.2锅炉控制中的控制参数3.2.1锅炉中的主要控制参数锅炉是全厂的重要动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉发汽量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制[5]。锅炉设备是一个复杂的被控对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水，减温水，送风和引风等。主要的输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度，炉膛负压，过剩空气等。锅炉对象简图如图3.2所示：3.2.2锅炉参数之间的内在关系锅炉的这些输入变量和输出变量之间相互关联。如果蒸汽负荷发生变化，必6将会引起汽包水位，蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位，过热蒸汽温度，过热空气和炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力，过热蒸汽温度也有影响；减温水的变化会导致过热蒸汽温度，蒸汽压力，汽包水位等的变化。所以锅炉设备是一个多输入多输出且相互关联的被控对象[6]。3.3锅炉设备的控制系统由于锅炉设备是一个多输入，多输出的且相互关联的被控对象，目前工程处理上做了一些假设后，将锅炉设备控制划为若干控制系统，主要的控制系统可分为锅炉汽包水位控制，锅炉燃烧系统控制，过热蒸汽温度的控制。3.3.1锅炉汽包水位控制被控变量是汽包水位，操纵变量是给水量。它主要考虑的是汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。维持汽包水位在给定范围内室保证锅炉安全运行的重要条件之一，是锅炉运行的重要指标。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而且负荷却很大，水的汽化速度又快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸；水位过高会影响汽包汽水分离，产生蒸汽带液现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，该蒸汽作为汽轮机动力的话，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全与经济性。汽包水位过高过低的后果极为严重，所以必须严格加以控制。3.3.2锅炉燃烧系统的控制7锅炉燃烧控制系统的控制的目的是使燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要(常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证经济燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；要让引风量和送风量相适应，以保持炉膛负压在一定范围内。为了达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃料量，送风量和引风量。锅炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料所产生的热量能够适应锅炉的需要，同时还要保证锅炉安全经济的运行。燃烧控制的具体内容及控制系统设计因燃料种类，制粉系统，燃烧设备以及锅炉的运行方式不同而有所区别，但是大体上看来都要完成以下几个方面的任务:（1）主蒸汽压力的变化反映了锅炉生产的蒸汽量和汽机消耗的蒸汽量相适应的程度。为此必须设置蒸汽压力控制系统。当负荷变化时，通过控制燃料量使蒸汽压力稳定。（2）当燃料量改变时，必须相应地控制送风量，以保证燃烧过程的经济性。（3）炉膛压力的高低关系着锅炉的安全经济运行。燃烧控制系统必须要让引风量（烟气量）与送风量相配合以保证炉膛压力为一定值。3.3.3