锅炉plc控制

1概述锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。它所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。但是，除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术，如DCS、FCS，一般的小型锅炉的控制仍较落后，仍在使用DDZ-n型电动单元组合仪表。燃烧控制手动调节，锅炉的燃烧控制就是依靠人工调节给煤，人工调节风门对锅炉的鼓、引风风量进行控制，实现锅炉燃烧状态控制的目的。传统的锅炉风机控制系统中，锅炉鼓风、引风控制采用接触器控制，故障率较高，影响了锅炉的正常稳定运行，制约了生产；风量调节控制靠改变风门挡板的开度来实现的(电机恒速运行)，能源浪费大；锅炉给水采用手动控制执行器控制，在用汽量波动大时，安全性不够高等。手动控制给煤量、鼓风量、引风量，不能实现最优风煤比和炉膛负压，司炉工在运行时凭经验对燃烧系统进行调节，不能保证最经济的运行并且劳动强度大；锅炉的燃烧控制系统和水位调节系统是通过对调风板和阀门对风量和给水量，进行控制来实现燃烧控制和水位控制，存在严重的节流损失；水位控制采用单冲量水位调节，水位控制不稳定，存在严重的安全隐患。即使现在的仪表不少已趋智能化在锅炉上也实现了自动或半自动控制。但是，由于其不菲的价格、缺乏管理功能等种种原因，其应用受到很大限制。而现在大多数中小锅炉往往是通过人工调节的方式来完成这个燃烧状态控制调节工作，通过人的感觉器官的识别并经过大脑的分析处理做出动作的决定，借助压力、温度显示仪表来实现锅炉燃烧状态控制。近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。随着我国经济建设的飞速发展，能源需求趋于紧张。企业是电能消耗大户，风机、泵类负载占比重大，作为耗能的主要负载，长期以来，由于负载变化大而动力源电机的转速不变，浪费能源。锅炉plc控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，工业锅炉采用微机控制和原有的仪表控制方式相比具有以下明显优势：（1）直观而集中的显示锅炉各运行参数。能显示液位、压力、温度的状态。（2）在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数。可以方便的改变液位、压力、温度等的上限、下限。（3）提高锅炉的热效率。由于工业锅炉耗煤量大，燃烧热效率每提高1％都会产生巨大的经济效益。而采用plc控制后热效率可比以前提高5-10%。（4）锅炉系统中包含鼓风机、引风机、给水泵等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。通过对风机、水泵进行微机控制可以平均节电达到30%—40%。（5）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。在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，可以设置多点声光报警和自动连锁停炉。杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。1.1锅炉整体控制方案选择1.1.1六吨锅炉改装后的工作原理由于锅炉控制对象的复杂性，锅炉控制环境的特殊性和运行周期的连续性，锅炉自动控制系统的控制装置选用可编程控制器（PLC）。PLC是集自动控制技术、计算机技术、和通讯技术为一体的高科技产品。现已成为工业及其它各个领域应用最广、发展最快的自动控制装置。PLC控制技术已成为现代自动控制技术的重要支柱。可编程控制器的主要特点：a.可靠性高b.环境适应性c.使用方便、维护简单d.扩展能力强图1-1在整个系统控制中，PLC将被检测的各个物理量(如汽包水位，蒸汽压力，给水流量等等)，通过传感器、变送器转换成标准的模拟信号，送进EM232（模拟量输入模块），经过A/D转换后的数据结果送CPU224进行各种数据处理算法。经过处理后的数据在各个PID控制回路进行PID运算，PID运算后产生的结果即控制输出数值，将该数值转换成标准控制信号，经EM232输出到电动阀门，变频器等控制机构，实施自动控制。与此同时，在进行数据处理的时候，当被监测的物理量超过其限定的范围时，会通过CPU224自身的数字量输出口产生报警信息。控制输入主要通过控制开关来完成整个PLC系统的启动，停止等功能。1.1.2给水控制系统（1）给水控制的意义汽包水位是锅炉运行的重要参数，它直接影响锅炉运行的安全性和经济性：汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成汽包出口蒸汽水分过多，使蒸汽中的含盐量增加，该蒸汽通过过热器时，一部分盐份沉积在管子内壁上，使传热阻力增加，管壁温度升高，造成钢材强度降低，加速钢材蠕变，甚至超温爆管；不合格的蒸汽进入汽机膨胀作功后，压力逐渐降低，盐份在蒸汽中的溶解度减小，析出的盐份沉积在汽机的流通部分，使蒸汽的流通截面减小，导致汽机出力和效率的降低；另外蒸汽中的水分过多也会使过热蒸汽温度急剧下plc给水量控制送风量控制给煤量控制引风量控制炉膛负压汽包水位蒸汽压力降，造成汽轮机末级带水，严重时可造成汽轮机水冲击。汽包水位过低，会造成下降管带汽，影响锅炉水循环的正常工作，可能导致水冷壁管过热而爆管。因此，准确可靠的测量汽包水位、配置合理可靠的水位保护装置在任何时候都是火电厂仪控专业的最重要课题之一。（2）给水控制系统工作原理图1-2上图所示为一单冲量水位控制系统。这里的单冲量指的是汽包水位。这种控制系统结构简单，是典型的单回路定值控制系统，在汽包内水的停留时间较长，负荷又比较稳定的场合，这样的控制系统再配上一些联锁报警装置，也可以保证安全操作。然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系统就不能使用。为了克服上述这些矛盾，可以不仅依据水位，同时也参考蒸汽流量和给水流量的变化，来控制给水调节阀，能收到很好的效果，则就构成了双冲量或三冲量控制系统。三冲量控制方案：从反馈控制的思想出发，很自然地会以水位信号H作为被调量，给水流量作为调节量，构成单回路系统（通常称为水位单冲量控制系统）。诚然，这是一个基本的控制方案。对于小容量锅炉来说，它的蓄水量较大，水面以下的汽包体积不占很大比重。因此给水容器延迟和假水位现象不明显，可以采LTLC汽包省煤器给水用单冲量控制系统。对于大型超高压（接近临界压力）锅炉也可采用这种控制对象，因为在超高压下汽和水的密度相差不大，假水位现象并不显著。但是，对于大量的大中型锅炉来说，这种系统不能满足要求。因为汽机耗汽量改变所产生的假水位将引起给水调节机构的误动作，致使汽包水位激烈的上下波动，严重地影响设备的寿命和安全。所以对大中型锅炉不能采用单冲量控制系统，必须寻求其它解决办法。如果从物质平衡的观点出发，只要保证给水量永远等于蒸发量，就可以保证汽包水位大致不变。因此可以采用如下图所示的比值控制系统，其中流量调节阀是PI调节器，并用汽机的耗汽量D作为调节系统的设定值，水给水量W跟踪蒸汽量D。图1-3采用比值控制系统方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作，给水量W的大小只决定于耗气量D，假水位现象不会引起给水调节机构的误动作。然而应该看到，这个比值控制系统对于汽包水位来说只是开环控制。如果耗气量和给和给水量的测量不准或者由于锅炉排污及管道泄露等，蒸汽量和给水量之间并非总是确定的比值，此比值系统就不能达到汽水平衡，保持水位。这是因为汽包水位H对于（D-W）来说是一个积分关系，微小的D和W之差可以在长时间的积累中形成很大的水位偏差。所以不能单独使用比值控制系统。如果把上述两种方案结合起来，就构成里所谓的汽包水位三冲量可控制系统。所谓三冲量，指的是引入了三个测量信号：汽包水位、给水流量和蒸汽流量。这个系统对上述两种方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。例如，当耗气量D突然阶跃增大时，一方面由于假水位现象水位会暂时升高，它使调节器错W给水量变送器变送器流量调节器调节机构蒸汽量D误的指挥调节机构减小给水量：另一方面，D的增大又通过此比值控制作用指挥机构增加给水量。实际给水量是增大还是减小，取决于系统参数的整定。当假水位现象消失后，水位和蒸汽信号都能正确地指挥调节机构动作。图1-4三冲量给水控制系统由于单冲量控制系统不能克服假水位带来的控制问题，双冲量控制系统还有不能做到静态补偿以及不能对给水系统干扰及时克服两个的弱点。因此在实际应用中汽包水位控制系统都采用三冲量控制系统。即蒸汽流量、给水流量、汽包水位三个冲量作为输入变量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包水位。图1-5如图所示的水位三冲量控制系统中，负载扰动、锅炉水位和给水流量经过A\D转换后送给PLC，PLC通过设定程序对这三参数进行相关处理。首先，PLC对水位进行采样，判断其大小，如果水位低于设定值，PLC将输出一个正信号给水泵变频器，驱动水泵给锅炉供水；相反如果水位偏高则停止供水，以次维持锅炉水位稳定。由于蒸汽流量的变化会引起锅炉的虚假水位，仅对水位一个参数判给水流量PLC水泵变频器水泵电机A\D转换负载扰动流量变送器差压变送器锅炉水位变送器调节器调节机构变送器汽包变送器HDWH定供水，锅炉的水位会有较大的波动，所以，通过对负载的采样，用蒸汽的流量信号做一个前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀立即向正确的方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，从而抵消了由于虚假水位引起的反向作用，因此减少了水位和给水流量的波动幅度。给水流量信号作为调节阀动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，做出响应的调整。对于水压干扰等给水侧的扰动，给水流量信号也起着前馈的作用，能使扰动迅速做出反应。同时，在对水位进行调节的同时，由于对水泵等的控制不是一个线性关系，存在误差，所以将给水流量引回做一个闭环反馈，当给水流量低于PLC要求的值时，PLC将进一步加大给变频器的输出量提高水泵的转速，减小给水流量误差。由此可以看出在前馈-串级三冲量控制下，调节器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和失控。但是，考虑到六吨锅炉的实际造价等问题，水位三冲量控制要比但冲量控制添加许多传感器（流量）和调节阀等，而这些器件造价较高。虽然单冲量水位控制一个基本的控制方案。对于小容量锅炉来说，它的蓄水量较大，水面以下的汽包体积不占很大比重。因此给水容器延迟和假水位现象不明显，可以采用单冲量控制系统。1.1.3燃烧控制系统的工作原理（1）燃煤控制系统概述锅炉生产燃烧系统自动控制的基本任务，是使燃料燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，同时还要保证经济燃烧和锅炉的安全运行。具体控制任务可概括为三个方面。a.稳定蒸汽母管的压力维持蒸汽母管蒸汽压力不变，这是燃烧过程自动控制的第一项任务。如果蒸汽压力变了就表示锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量不相适应，因此，必须改变燃料的供应量，以改变锅炉的燃烧发热量，从而改变锅炉的蒸发量，恢复蒸汽母管压力为额定值。这项控制任务就称为汽压控制或热负荷控制。此外，保持汽压在一定范围内，也是保证锅炉和各个负荷设备正常工作的必要条件。稳定蒸汽母管的压力，对于单独运行的锅炉相对来说要简单些，对于并列运行的锅炉，在一母管上同时有几台锅炉，因而保持母管蒸汽压力不变，还必须解决好几台并列运行锅炉之间的负荷分配问题。b.维持锅炉燃烧的最佳状态和经济性维护锅炉燃烧过程的最佳状态和经济性是锅炉燃烧过程自动控制的第二项任务。燃烧的经济性指标难于直接测量，常用锅炉烟气中的含氧量，或者燃料量与送风量的比值来表示。如果能够恰当地保持燃料量与空气量的正确比值，就能达到最小的热量损失和最大的燃烧效率。反之，如果比值不当，空气不足，结果导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升;如果空气过多，就会使大量的热量损