基于PLC的火电厂锅炉控制系统设计毕业设计说明书

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）内蒙古科技大学 本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于PLC的火电厂锅炉控制系统设计学生姓名： 学 号：0967112311专 业：测控技术与仪器班 级：测控09-3班指导教师： 基于PLC的火电厂锅炉控制系统设计摘 要火电厂锅炉是工业生产过程的必要动力设备，锅炉系统安全、稳定、高效运行是火电厂的重要任务。锅炉存在热效率低，燃煤质量不稳定，排烟温度高等问题，利用PLC对锅炉进行过程控制是火电厂锅炉控制领域的重要研究内容。本设计通过对炉膛温度、炉膛压力、汽包液位及过热器温度的分析，以PLC为控制器、采用PID算法、运用STEP7Micro/WIN进行梯形图编程，分别设计了炉膛温度串级控制方案、流量比值控制方案，炉压前馈反馈控制方案，汽包水位三冲量控制方案和过热器串级控制方案，实现了对各个控制系统的自动控制。最后利用人机交互界面，实现了密码登陆，画面动态显示，数据报表的预览、打印、保存、刷新和调入查询，曲线的更新，画面报警等功能，可达到锅炉控制系统安全、稳定、高效运行。关键词：锅炉；PLC；组态王The Boiler Control System of Thermal Power Plant Based on PLCAbstractThe boiler of thermal power plant is the necessary power equipment during the industrial production, boiler system security, stability and efficient operation of power plants is an important task. But boiler thermal efficiency is low; the coal quality is not stable, exhaust temperature is higher, so the boiler process control is an important research field of thermal power plant boiler control using PLC.Through the analysis of the furnace temperature, furnace pressure, drum level and superheater temperature, the design takes PLC as controller, and uses PID algorithm, completes programming through STEP7 - Micro/WIN ladder diagram. the temperature cascade control scheme, the pressure feedforwardfeedback control scheme and the ratio control scheme of the furnace are designed , three impulses control scheme of the drum level and cascade control scheme of superheater are designed too, finally each control system can be run automatically . The interactive interface is designed using the King view software, finally using a password to land is achieved, screen can show ceaselessly, data report preview, print, save, refresh and transferred to the query is completed ,the curve and alarm screen etc can be updated timely. Finally boiler control system can achieve security, stability and efficient operation.Keywords : Boiler ；PLC；Kingview目 录摘 要IIAbstractIII第一章 绪 论11.1火电厂锅炉的发展现状11.2研究目的及意义1第二章 火电厂锅炉生产工艺32.1锅炉的组成和分类32.2锅炉的工艺流程简介4第三章 火电厂锅炉控制系统的总体方案设计73.1 控制方案的选择73.2 基于PLC的锅炉控制系统方案设计73.3锅炉控制过程83.3.1炉膛温度控制系统93.3.2汽包液位控制系统93.3.3过热器温度控制系统113.3.4炉膛负压控制系统124.1传感器选型144.2执行器选型174.3调节器选型18第五章 控制系统下位机设计205.1西门子S7-200可编程控制器概述205.2 系统的整体设计方案215.3下位机PLC的硬件设计过程225.3.1 I/0分配225.3.2 硬件配置及连接图235.4 STEP7概述及S7-200程序流程设计245.5程序编写及分析31第六章 控制系统上位机设计336.1 组态王软件概述336.2锅炉控制系统组态过程336.2.1 定义外部设备和变量336.2.2创建组态画面346.2.3 动画连接356.3 组态画面显示366.3.1 初始值设定366.3.2 实时曲线和历史曲线显示376.3.3 实时数据报表和实时报表查询386.3.4历史数据报表查询406.3.5报警画面406.3.6用户登陆画面41总 结43参考文献44附录A：组态王命令语言46附录B：PLC控制程序50附录C：锅炉控制系统流程图63致 谢6465第一章 绪 论1.1火电厂锅炉的发展现状我国是目前世界锅炉生产和使用最多的国家，随着经济的发展，采用清洁燃料和洁净燃烧技术的高效、低污染、节能工业锅炉必将成为锅炉发展的大趋势。15年来，我国锅炉的年产量一直稳定在710万蒸吨之间，可是行业规模却从当初的551家企业发展到969家，并且增加的企业大多数规模很小，但这些企业在锅炉行业中占到3/4以上，不得不说这是一种畸形发展。由于锅炉制造厂家太多，导致产品雷同率太大，没有形成规模生产。在千余家锅炉企业中具有自行设计能力的厂家仅百家左右，许多小型企业存在很多问题、步履维艰，从而转产或倒闭。受各种因素的影响，十年来锅炉产品出现了一些新的变化，小容量锅炉的数量减少了1/2，大容量锅炉增加了1倍多，且燃煤锅炉占的比例开始下降。在满足工艺要求的前提下，为了提高工业锅炉热效率，降低能源消耗，把工人从繁重的劳动中解放出来，促进文明生产，锅炉实现自动控制是一个急待解决的问题。据相关资料统计一台10Th的工业锅炉，效率如果能提高1，每年大约就可以省煤200吨，经济效益是非常明显的。又如对燃煤锅炉设备进行改进，实行自动控制，即在不需人工干预的情况下，随时调整给水量、送风量及引风量、燃料量维持水位、蒸汽温度、蒸汽压力及炉膛负压的恒定，就有希望将锅炉的热效率提高5以上。另外，倘若锅炉达到经济燃烧状态，还能够减少烟气中的含尘量，减少污染。1.2研究目的及意义工业锅炉是重要的热能动力设备，锅炉自动控制系统是一个复杂的系统，对锅炉实现计算机自动控制具有非常重要的意义。目前我国在用燃煤锅炉的煤炭消耗约占煤炭消耗总量的四分之一。且在用锅炉大多为使用年限较长的老旧锅炉，污染重，效率低，节能潜力巨大。问题主要表现在以几个方面1、热效率低，能源得不到有效利用。2、锅炉老旧，自控水平低，影响燃烧效率。3、煤质不稳定，影响锅炉出力。4、水质不达标，结水垢严重，影响效率。5、缺乏熟练的操作人员。6、污染物排放控制不好，污染严重。7、节能监管不到位。在我国除了少数锅炉采用了先进的控制技术，大本分锅炉还停留在使用仪表和继电器进行控制，因此锅炉控制系统的改造具有良好的市场发展空间和投资前景，值得广泛关注。它不仅能通过自动控制技术实现安全生产，还能节煤节电并使排放更环保，总之锅炉的计算机自动化控制是锅炉发展的大趋势，也是利国利民的发展方向。 锅炉控制系统作为一种重要的热能动力设备，随着科学技术的发展和生产要求的提高，现在的工厂越来越多地使用自动化程度更高的锅炉控制系统，而PLC具有通用性强、使用方便、体积小、可靠性高、维护方便、编程简单等优点，在锅炉控制系统中应用越来越广泛。本文主要介绍火电厂中基于PLC的锅炉控制系统，整个控制系统控制器采用西门子公司的S7-200，上位机采用研华工业计算机，在组态王画面上对生产过程进行监控、保证各个变量在控制要求内，使生产安全、高效运行。自上世纪80年代至90年代中期开始，PLC得到了飞速发展，在这时期，PLC在模拟量处理、数字运算、人机接口和网络等方面的能力得到了大大提高。PLC渐渐进入到过程控制领域，在一定程度上取代了DCS系统在过控领域的统治地位。由于PLC具有通用性强、适应面广、可靠性高、使用方便、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在自动控制尤其是顺序控制中的地位，在可预见的将来，必将是无法取代的。第二章 火电厂锅炉生产工艺火电厂包括三大系统，分别是燃烧系统、汽水系统和电气系统。火电厂发电实质就是能量的转换，燃料的化学能蒸汽热能机械能电能，由锅炉、汽轮机和发电机三大主机控制。2.1锅炉的组成和分类锅炉是一种热能转换设备，主要由锅炉本体和辅助设备组成，锅炉的本体包括汽锅、炉子和安全附件。汽锅是锅炉的汽水系统，高温烟气经过受热面，将热量传递给汽包内的温度较低的水，水被加热沸腾、汽化蒸发。汽水系统由预热设备（省煤器）、汽化设备（由汽包、水冷壁、联箱、下降管和连接管组成）和过热设备（过热器和再热器）组成。省煤器作用：吸收烟气热量、节约燃料，预热给水、减少给水在水冷壁上的吸热量，提高给水温度、减小与汽包壁的温差。下降管作用：将汽包内的水通过联箱供给水冷壁。过热器作用：将饱和蒸汽变成能够满足工艺要求的过热蒸汽。炉子是锅炉的燃烧系统，将燃料的化学能转换成汽包内水分蒸发的热能。包括燃烧设备（炉膛、点火装置和燃烧器组成）、空气预热器和烟道。燃烧设备将煤粉和空气按一定比例混合，保证煤粉稳定、迅速着火与充分燃烧。（1）燃烧设备燃烧器作用：将一次风（携带煤粉）和二次风（助燃）送进炉膛，组织具有一定结构的气流使煤粉稳定、迅速着火，使空气和煤粉合理混合，保证煤粉的完全燃烧。分为旋流燃烧器和直流燃烧器。点火装置：在锅炉启动后点燃煤粉气流，当燃烧劣质煤粉或低负荷运行时，使系统稳定燃烧或作为燃烧的辅助设备。炉膛：煤粉燃烧的燃烧室。（2）风烟系统通风的任务：提供锅炉燃烧需要的空气并把燃烧产生的烟气排出，保证正常燃烧。通风方式：包括自然通风和机械通风。自然通风指利用烟道中的热烟气与外界的冷空气的密度差形成的通风力进行通风。机械通风是利用风机产生压力，使烟气和空气在风烟系统中流动。目前主要有三种通风方式即负压通风、平衡通风和正压通风。由于自然通风只能克服较小流动阻力，而电厂锅炉的流动阻力很大，所以电厂锅炉常采用机械通风。（3）空气预热器空气预热器有回旋式和管式两种结构。回旋式预热器是烟气将热量传递给金属，金属再将热量传递给空气，管式预热器是热量直接由烟气连续不断地传递给空气，烟气和空气各有各的通道。空气预热器的作用：降低烟气温度、节省燃料，改善燃烧条件、降低燃烧损失，节约金属、降低造价。安全附件包括温度计、水位计、调节阀和压力表等。辅助设备包括给水泵、磨煤机、给煤机、送风机、除尘器和碎渣机等。锅炉的分类方法很多一般按功能、燃烧方式、出口介质压力和容量大小进行分类。按照功能分为：开水锅炉、蒸汽锅炉、热水锅炉、热风锅炉和导热油锅炉。按燃烧方式分为：沸腾炉、层燃炉和室式炉。室燃炉所用的燃料可是固体燃料、液体燃料和气体燃料。层燃炉和沸腾炉的燃料只能是固体燃料。按出口蒸汽压力分为：低压、高压、超高压、亚临界压力、超临界压力和超超临界压力。按容量大小可分为：小型锅炉、中型锅炉和大型锅炉。蒸汽锅炉一般分为：燃煤蒸汽锅炉、燃油蒸汽锅炉、燃气蒸汽锅炉及点蒸汽锅炉1。从资源、功能和高效考虑，我们选择室式燃煤蒸汽锅炉作为火电厂热能转换设备。2.2锅炉的工艺流程简介锅炉的工作过程包括燃料燃烧过程、炉与汽包的传热过程、水的加热蒸发过程。燃烧过程必须具备以下条件：1）高温环境2）煤粉和空气良好混合3）烟气和灰渣的排放传热过程一般有三种形式：辐射、辐射和对流、对流，主要以辐射为主。水的加热和蒸发过程包括给水、水循环和汽水分离三个步骤。汽水系统工作过程：给水经软化、除氧后进入省煤器，不断吸热，温度升高成为饱和水，经过水冷壁吸收炉子辐射出的热量变成饱和蒸汽，饱和蒸汽经汽包进入到过热器，变成具有一定工艺参数的过热蒸汽，推动汽轮机做功，如图1.1所示。过热蒸汽除氧器补给水生水低压加热器高压加热器排气凝结水凝结水泵汽轮机发电机过热器锅炉省煤器锅炉给水给水泵水处理设备循环水泵冷却水凝汽器(软化)图1.1汽包系统流程图炉子的工作过程：原煤经磨煤机后变成煤粉，外界冷的空气由送风机送入空气管道，经空气预热器后成为热空气，在制粉过程中需要一部分热空气对煤进行干燥处理，其余热空气直接与煤粉成一定比例进入炉膛参与燃烧。燃烧产生的高温烟气经省煤器、空气预热器和再热器后经除尘器出去飞灰后，经引风机排放到大气中。而燃烧产生的灰粒沉落到炉膛底部冷灰斗中，经冷却凝固后排出，如图1.2所示。送风机磨煤机热空气空气预热器煤斗煤输煤皮带排粉风机煤粉锅炉炉渣冲灰水除尘器引风机灰渣泵细灰热空气冷空气烟气经烟囱排向大气至灰场自输煤系统图1.2燃烧系统流程图设计锅炉控制系统必须考虑锅炉的经济性和安全性。（1）锅炉的经济性指标1受热面的蒸发率：每平方米受热面一小时生产的蒸汽量，单位Kg/m2h。锅炉的效率：用于产生加热水和蒸汽所用的热量Q1与每小时送入炉膛燃料燃烧所产生的热量Qr之比，用符号%表示。 （2.1）2 锅炉的净效率：除了锅炉机组运行消耗的能量之后的锅炉效率 （2.2）3 汽煤比：一吨煤燃烧所能产生的蒸汽量，由于不同锅炉对蒸汽的质量要求不一样，所以不同锅炉的汽煤比不具有可比性。（2）锅炉的安全性指标锅炉连续运行的小时数：锅炉两次被迫停止运行的时间间隔。锅炉可用率：统计期间内，锅炉运行的总小时数和锅炉的总备用小时数之和与统计期间内总小时数之比2。第三章 火电厂锅炉控制系统的总体方案设计3.1 控制方案的选择火电厂锅炉的控制系统有三种方案（1）基于单片机的控制系统（2）基于Labview的控制系统 （3）基于PLC和组态王的控制系统单片机偏电子，适用于无线控制领域和中小型控制领域，以其重量轻、功能强、功耗小和安全性高等特点，在工业控制中得到广泛应用，但是由于其可靠性和自身保护性较PLC差，而且抗干扰能力及稳定性都不及PLC,所以单片机一般只适合应用在控制要求不高的场合。虚拟仪器与单片机相比，不仅省掉了单片机通信电路和转换电路，控制精度较高、开发周期短，而且采用Labview编程简单、调试方便，采用虚拟仪器控制方法效率高、性能好，但是由于其编程语言是图形化的，所以修改起来十分麻烦。与单片机和虚拟仪器相比，PLC不仅可靠性和自动化程度高，抗干扰能力强，而且程序设计简单、维护方便，除了能够完成简单的逻辑控制，还可以通过功能模块和功能指令完成复杂的模拟量控制，对操作人员的要求较低，应用在控制要求较高的大中型设备中。综合考虑火电厂锅炉控制系统的特点，本设计采用基于PLC的火电厂锅炉控制方案。3.2 基于PLC的锅炉控制系统方案设计本控制系统的上位机是一台工控计算机，下位机是西门子S7-200可编程控制器，上位机通过传感器获得锅炉各个参数的当前值，通过组态王监控软件实现对锅炉当前情况的监控、报警等功能，下位机PLC通过控制变频器或者阀门开度完成对控制变量煤粉流量、给水流量、给风量、引风量的控制，进而实现对燃烧过程、炉膛压力、汽包水位和过热器温度的控制。系统的方案设计原理图如图3.1所示。图3.1锅炉控制系统原理图3.3锅炉控制过程锅炉控制过程主要包括炉膛温度控制、汽包水位控制、炉膛压力控制、过热器温度控制。锅炉控制系统控制流程图如图3.2所示。图3.2锅炉控制系统流程图汽包水位控制系统：维持汽包物料平衡，使给水量与蒸发量相适应，使汽包水位在控制要求范围内。燃烧控制系统：包括炉膛温度控制系统和炉压控制系统，空气流量和煤粉流量按一定比例混合燃烧，保证炉膛温度和蒸汽负荷要求，同时使引风量和送风量相适应，维持炉压在控制要求范围内，保证系统燃烧经济性和安全性。过热器温度控制系统：使过热器出口蒸汽温度在允许范围内，满足生产工艺的要求3。3.3.1炉膛温度控制系统由于炉温控制过程具有大惯性、多扰动和非线性的特点，本设计采用炉温和煤粉串级控制的方案，实现对炉温的控制。为了更好地控制燃烧过程参数，提高燃烧效率，必须设计合理有效的控制系统对燃烧过程进行精确的控制，燃烧过程采用空气和煤粉的双闭环比值控制系统。炉温控制系统框图如图3.3所示。图3.3炉温控制系统框图该系统以炉膛温度控制和煤粉流量控制构成串级回路，其中的温度控制为主环，煤粉流量控制为副环，炉膛实际测得的温度作为反馈信号与设定值进行较得出偏差，温度调节器根据偏差信号对煤粉流量进行控制，这样外环温控回路根据炉温进行调节，内环可以快速相应温度变化，实现对炉温的精确控制。3.3.2汽包液位控制系统汽包液位是锅炉正常运行的重要控制参数之一，也是生产过程的重要工艺指标，汽包水位过高会导致汽包上部空间减小，影响其中的汽、水分离，蒸汽会出现带液现象，这种情况不仅降低了蒸汽质量和产量，还会导致蒸汽结垢或者损坏汽轮机叶片。而汽包液位过低轻则影响汽、水平衡，重则会出现干锅现象，有可能导致锅炉爆炸。由于蒸汽负荷和给水压力变化大、不稳定，导致给水流量发生较大变化，从而影响汽包水位。蒸汽用量突然加大时，蒸汽压力会瞬间下降，水沸腾加剧，汽包水的表面和底部汽泡量会迅速增加，由于汽包的体积比水的体积大很多倍，会出现汽包水位升高的假象。可是这种假象仍会被简单的控制系统当成真正的水位去处理，错误地减小给水流量。反之，当蒸汽用量突然减少时，会出现水位下降的假象，而液位控制器分辨不清真、假现象，错位地进行开大给水阀门，影响锅炉正常的运行。如果我们能够把主干扰蒸汽流量和给水流量这两种干扰因素同时引入到控制系统，那么锅炉汽包液位调节系统就能够克服这种假水位的现象，由于有三个信号作用于控制系统，所以称为三冲量控制系统4。该系统的控制框图如图3.4所示。图3.4汽包水位控制系统框图从原理框图可知，汽包液位是主冲量，给水流量和蒸汽流量是两个辅助冲量，实际上就是一个前馈加反馈的三冲量串级控制系统。当出现虚假水位时，蒸汽用量增加时，主调节器（正作用、选用气闭阀）的输出信号减小，而蒸汽流量信号不经过主调节器，直接传递给副调节器，副调节器的输出减小，给水调节阀的开度增大，从而消除虚假水位。当蒸汽流量不变给水流量发生较大的波动时，给水流量作为反馈值通过副调节器控制给水调节阀，直至恢复到需要的数值为止5。主调节器根据设定值和反馈信号的偏差产生动作，而副回路抗干扰能力很强，可以及时克服来自水流量方面的干扰，从而提高液位控制精度，通常情况下蒸汽信号和水流量信号作用相反，当出现假水位情况，蒸汽信号会起到补偿作用，从而保证液位稳定在允许的变化范围内。本系统中控制器要使液位稳定在设定值上，当出现干扰时不允许有余差，故采用比例积分控制规律。因此不论是蒸汽还是给水信号变化时，都会破坏调节器的平衡，引起调节器的作用，减小干扰，提高液位的控制精度，为锅炉系统的安全运行提供了可靠地保障6。3.3.3过热器温度控制系统锅炉过热器出口的蒸汽温度是火电厂热工控制中主要控制参数之一，直接关系到系统运行的安全性和经济性，一般来说对过热器出口蒸汽影响的因素主要有蒸汽流量的变化、炉膛燃烧情况、锅炉给水温度以及流经过热器表面的烟气温度等等。对过热器的要求有质与量两个方面：质包括压力和温度参数及洁净度，量指流量。过热蒸汽温度过高，会烧坏过热器水管，影响负荷设备如汽轮的正常工作和安全，气温过低会影响负荷设备的使用，例如蒸汽温度每降低5，热机效率就会下降1%，因此无论是从安全还是技术经济指标上看，必须保证过热器温度在规定的范围之内，危机控制系统一般将气温控制在偏离额定值的5%之内7。过热器出口蒸汽温度控制主要有两种方法1：通过改变烟道温度控制过热器出口蒸汽温度2：通过改变减温水流量控制过热器出口蒸汽温度。由于第一种方法经济性不如后者，我们采用第二种方法。控制系统框图如图3.5所示。图3.5过热器出口蒸汽温度控制系统框图过热器出口蒸汽温度为主被控参数，减温器出口的水流量为副被控参数，温度检测变送器测得的过热器出口蒸汽温度与设定值的偏差作为主调节器的输入信号，主调节器的输出再与流量变送器的偏差作为副调节器的输入，然后控制减温水的阀门开度，通过改变减温水流量来现对热器出口蒸汽温度的控制。从控制角度来讲减温设备安装在过热器后面比较合理，但是从设备安全角度减温器应该安装在过热器的前面，从上述矛盾出发，我们将减温器安装在过热器上部，更为合理有效地对过热器出口蒸汽温度进行控制。3.3.4炉膛负压控制系统为了确保燃烧过程的顺利、安全、经济、高效地进行，必须对炉膛压力进行合理的控制，因为如果炉膛压力过高，不仅会产生向外喷火的现象，还会损坏锅炉设备，可是如果炉膛压力过低，就会吸入冷空气，影响炉膛的温度，造成燃料的浪费，因此炉膛压力需要维持在一定范围内。对炉压的控制采用前馈-反馈控制如图3.6所示。其中鼓风量作为前馈信号，使引风量随鼓风量变化，保持炉压在工艺允许的范围内8。图3.6炉压前馈控制系统框图前馈控制是减少被控变量动态偏差的最有效方法之一，但在实际生产过程中，单独使用前馈是很难满足要求的，由于前馈控制是一种开环控制，无法校验补偿结果，一般前馈控制用来补偿主要干扰的影响。前馈反馈控制系统的优点：1对被调参数影响显著的主要干扰由前馈进行补偿，而其余次要干扰可依靠反馈来克服，从而保证被调参数最终等于给定值。2由于反馈回路的存在，降低了对前馈控制模型的要求，为工程上实现比较简单的通用模型创造了条件。3 负荷或工况变化时，模型特性也要发生变化，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定的自适应能力。 第四章 硬件选型4.1传感器选型1温度测量元件对生产过程中的关键参数进行可靠、准确、实时检测，是实现系统自动自动控制的必要条件，因此选择合适的检测元件显得十分重要，也是完成检测工作的重要前提。检测仪表主要有传感器和变送器两部分组成，传感器将温度、压力、流量、物位、成分的变化转换成相应的电信号传送给变送器，变送器将电信号再转换为标准信号并输出。温度是生产过程中较为常见的参数之一，保持温度在一定范围内也是进行安全、稳定、高效生产的重要任务之一，温度检测元件按照与被测介质的接触方式可以分为接触式和非接触式。接触式检测仪表形式包括膨胀式、压力式、热电阻和热电偶，非接触式主要是辐射式。接触式检测仪表具有简单、可靠、测温精度高等优点，缺点是测温存在延时。而非接触式检测仪表具有较高的测温上限、热惯性小、适用于温度快速变化的检测，但是测量易受距离、烟尘等外界因素的影响，所以存在较大的测量误差。常用的温度检测仪表如表4.1。表4.1常用温度检测仪表分类及特点类型形式测温范围 准确度特点接触式压力式-206000.55速度慢、精度低、适于远距离传送膨胀式-2006500.15结构简单、适合就地测量热电偶-2001800210速度快、精度高，中高温测量，远距离传送热电阻-2008500.015速度快、精度高，适于低中温度测量，远距离传送非接触式辐射式1003000120响应速度快，测量精度一首环境影响本系统中的炉膛温度变化范围一般为9001100，过热器允许的温度变化范围一般为350540，从检测仪表的测量精度和测温范围角度考虑，我们选择热电偶（测温范围为-2001800）进行温度检测，由于K型（镍铬一镍硅）热电偶具有测温范围宽（-2001300）、热电动势大、线性好和价格低的优点，所以我们选择K型热电偶作为锅炉的温度检测仪表。用热电偶测温一定要注意补偿导线的类型及与热电偶配套的连线和极性，而且要进行冷端温度补偿。2煤粉和空气流量测量元件工业生产过程中，为了有效地控制生产过程，我们需要对一些流动介质的流量进行检测。流量检测一般有体积流量检测和质量流量检测两种方法，体积流量检测包括容积法和速度法，容积法是用单位时间内排出流动介质的固定容积数来计算流量。适用于高粘度流体的测量及测量精度要求高的场合。基于这种检测方法的仪表有旋转活塞式流量计、椭圆齿轮流量计。而速度法是先计算管道内流动介质的平均速度再乘以管道的横截面积来计算流量的体积。基于这种检测方法的仪表有差压式流量计、转子式流量计和超声波式流量计等。质量流量检测一般分为直接法和间接法，直接法是用仪表直接测得流量的质量，间接法指测出流动介质的密度再乘以其体积最后得出质量。由于差压式流量计运行可靠、结构简单而且还可与差压式变送器配合使用，适用于多种流动介质的测量，所以设计中我们使用差压式流量计测量煤粉流量和空气流量。差压式流量计由节流装置、引压导管和差压变送器组成，如图4.1所示。图4.1差压式流量计组成框图差压式流量计的检测原理是：当流动介质经过节流装置，在节流装置前后会产生压力差，通过压力差可得被测介质的流量。应用较为广泛的节流装置有喷嘴挡板、孔板及文丘里管。由于三者的结构不同，导致他们的性价比不同，孔板的压力损失和成本都很大，但是精度很高，所以选择孔板做节流装置。使用孔板时一定要注意孔板的安装方向一定要正确，即流动介质从圆柱形一侧流进，从圆锥形一侧流出，如果方向不正确，测量值会小于实际值。为了使变送器输出的电信号与流量成正比例关系，必须加一个开方器9。3液位测量元件生产过程中为了实现安全、高效生产，物位检测十分重要，通过物位检测可以了解它是否在工业要求允许范围内，另外物位检测对连续生产和经济核算也显得十分的必要。本设计对于锅炉汽包液位的检测主要介绍以下3种汽包水位测量仪表。（1）双色水位计：是锅炉附属设备，锅炉中汽呈现为红色，水呈现为绿色，当水位和蒸汽流量变化时，红色和绿色所占的比例相应变化，这种水位计观测起来明显直观，但是在实际应用中，受外界环境的影响，使用一段时间后汽水分界会变得不明显，另外由于它本身是安装在汽包上的，汽包的温度很高，一般维修不方便。（2）差压水位计：将变动水位与恒定水位的差压值转换成水位值，再通过差压变送器转换成连续的电信号。但是在实际应用中存在一些缺点：水位和差压的关系会受汽包压力的变化的影响，存在较大的误差，采用平衡容器测量方法可以使汽包压力得到补偿，但准确度仍受到较大的限制。差压式流量计一般适用于运行稳定的液位控制系统运行过程中液位出现较大变化时，误差会很大。(3)电极式水位计：利用饱和蒸汽与蒸汽凝结水电导率的不同，把汽包水位的变化转换为电信号，由二次仪表远距离显示水位。它克服了汽包的压力的变化对测量的影响，一般用于锅炉的启停和参数变化过程中。这种仪表具有延迟小、误差小的优点，所以不需要对误差进行调整，检修和校验比较方便。但是它的测量是断续的，因此就要求选择合适的水位容器以减小误差。综上，双色水位计可在锅炉启动和停止时对汽包水位进行监控，校对其他的液位测量仪表。差压式水位计适用于系统稳定运行时参数的显示，电极式水位计一般应用在锅炉变参数运行过程中，精度很高。因此，在汽包水位控制系统中3种仪表同时被采用。4给水流量和蒸汽流量测量元件流量传感器在本设计中用于给水流量和蒸汽流量的测量，这两个信号直接影响控制质量，因此选择合理的流量传感器十分有必要的。如果我们要控制的是35t/h锅炉的汽包水位，即每小时有35t的给水变成水蒸气。根据要求我们选择LUGB-99型涡街流量计，它是一种新型振动式流量计，具有压损小、准确度高、性能稳定、测量范围广等优点，主要应用于管道中蒸汽、汽体和液体介质流量的测量。该流量计的技术参数如下：（1）测量介质：液体、蒸汽、汽体（2）感应元件不与被测介质直接接触，具有可靠性高和性能稳定等特点（3）传感器结构牢固而且简单，维扩量小、压损小（4）范围度宽可达10：1至15：1（5）测量范围：一般正常工况下，雷诺数为20，000至7，000，000；信号输出不受液体粘度、温度、压力及组份影响（6）精度等级：如果是液体，精度可达指示值1.0%；若是蒸汽，则精度可达指示值1.5%根据仪表量程的选择原则，仪表的量程应该是被测参数的4/3至3/2倍，流量计能检测的最大流量为：46.552 m3/h，因此选择LUGB-99型涡街流量计，可检测流量的范围：350 m3/h，可满足对汽包给水流量的检测。LUGB-99型流量计不仅可以检测液体流量还可以检测蒸汽流量，所以在本设计中我们也选择它对蒸汽流量进行检测。正常工况下蒸汽压力一般为0.5MP，蒸汽的密度一般是2700Kg/ m3，根据仪表量程的选择原则，被选用仪表的量程应为被测量参数的4/3至3/2倍，LUGB-99型涡街流量计可检测流量范围为880 m3/h，可以满足本设计对蒸汽流量的检测。5压力测量元件压力检测的方法有液柱式压力检测、弹性式压力检测、电气式压力检测和活塞式压力检测，由于电气式压力检测动态响应好，测量范围大、便于信号远距离传输，所以本设计选择电气式压力检测。电气式压力检测仪表是将敏感元件检测的压力信号转换成电信号。常见的电气式压力检测仪表有压电式压力检测仪表和电阻式压力检测仪表。前者性能稳定、精度高，但是灵敏度较差，后者灵敏度较前者好，而且动态性能好，所以我们选择电阻式压力检测仪表来检测炉膛压力10。4.2执行器选型1执行器的选型执行器的作用是接收控制器输出的信号，并把它转换成相应的角位移或直线位移，控制阀门的开度。执行器由调节机构和执行机构组成。执行机构包括液动执行机构、电动执行机构和气动执行机构。进行执行机构选择时应该考虑工艺要求、控制精度和经济性。由于气动执行器同其他两类执行器相比，不仅价格低、维护方便、结构简单、可靠，而且具有很高的安全性能，本设计采用气动执行机构。气动执行机构有活塞式和薄膜式两类，由于薄膜式与活塞式相比，不仅价格低廉、结构简单，而且维护方便、运行可靠，所以选择薄膜式。调节机构在执行机构输出力矩作用下，阻力系数发生改变，从而改变被控介质流量，达到调节工艺变量的目标。调节机构有多种，包括角形调节阀、隔膜调节阀、直通调节阀（分单座和双座两种）、蝶阀、三通调节阀、球阀等等，由于角形调节阀阀体呈三角形，结构简单，阻力也小，适用于高粘度、有固体颗粒或悬浮物的场合，所以本设计中的煤气阀和空气阀均采用角形阀。烟道百叶窗挡板一般应用在低差压、大口径、有悬浮物、大流量的场合，本设计采用烟道百叶窗作为控制炉膛压力的烟气调节阀。由于直通双座调节阀允许差压大，所以可以选作为给水流量的调节阀。2气开、气闭形式的选择由于执行器的调节机构有正装、反装两种形式，执行机构有正和反两种作用方式，通过四种组合方式可以实现执行器气开和气关调节。当气压P0.02MPa时调节阀阀门关闭，阀门开度随气压信号减小而增加，气压为零时阀门全开，这类称为气关式执行器。相反，气开式执行器在没有压力信号时，阀门关闭，阀门开度随气压信号的增大而增大。气开、气关形式的选择必须保证生产过程的安全性，当压力信号中断时，阀门的位置应保证操作人员及设备的安全。对于炉膛而言，当信号中断时，应该保证煤粉和空气阀门全部关闭，使锅炉不会因高温而发生事故，所以煤粉和空气选择气开式执行器。对于汽包水位的控制，应保证信号中断时，仍然有给水进入汽包，避免汽包水位过低引起爆炸，所以给水执行器应该选择气闭式。4.3调节器选型1调节器控制规律的选择调节器将测量变送器采集的测量值与给定值进行比较得出偏差进行比例、微分和积分运算，输出标准信号，控制执行器动作，实现对炉温、汽包水位、炉压和过热器出口蒸汽温度的控制。PID运算规律可用下面公式表示： （4.1）Kp：比例增益；TI：积分时间；TD：微分时间；当TI，TD0时，控制器输出为比例调节： （4.2）在控制过程中常用比例度表示作用的强弱，100%，越小，比例作用越强。具有及时迅速，存在余差等特点。增大Kp可减小余差，但容易产生震荡。当KI时，控制器输出为比例积分调节： （4.3）积分调节能够消除余差，但动作缓慢，所以一般不单独使用，PI调节控制速度得到提高。当KD0时，控制器输出为比例微分调节： （4.4）比例微分调节能够改善系统的动态特性，具有超前控制作用，但是存在余差，一般也不能单独使用13。控制规律选择的一般原则：（1）广义控制通道时间较长时需要引入微分调节。允许有稳态误差时，可选PD调节规律，不允许有稳态误差时应选PID调节规律。如果负荷变化大，不宜采用PID调节。（2）控制通道时间较小，工艺允许有稳态误差时，选用P调节。不允许有稳态误差时选用PI调节。综合上述原则，炉膛温度控制器采用PID调节，汽包液位控制采用P调节，流量控制和炉膛压力控制采用PI调节规律。2正、反作用方式的判断根据控制回路负反馈原则，各部分增益的乘积必须为“+”，炉膛温度控制系统中，调节阀采用气开式，所以Kv为“+”；煤粉和空气阀门开大，炉膛温度升高，所以Ko为“+”；变送器Km为“+”，所以Kp为“+”，即调节器需采用反作用调节方式。同理，汽包水位控制系统中Kv为“-”，Ko为“+”， Km为“+”，所以Kp应为“-”，汽包的给水流量调节器需采用正作用调节方式。炉压调节器采用反作用调节方式，过热器出口蒸汽温度调节器采用反作用调节方式。第五章 控制系统下位机设计5.1西门子S7-200可编程控制器概述1S7-200简介可编程控制器简称PLC，它是基于微处理器的一种通用控制装置，是当代工业控制的主要支柱之一，从性能、价格和可靠性方面考虑，我们选择西门子S7-200作为锅炉控制系统的控制器。在控制过程中完成对被控参数（炉膛温度、汽包液位、过热器出口蒸汽温度、炉膛压力）的采集、处理和控制。S7-200系列PLC控制系统一般由机架、数字量输入模块（EM221）、CPU模块、数字量输出模块(EM222)、模拟量输出模块（EM232）和模拟量输入模块（EM231）通信模块和智能模块组成。另外在EM235扩展模块中，D/A和A/D转换器位数都是12位，模拟量的输出和输入有很多种量程，如020mA，010V，0100mV，05V，等等，并且有010D/A和A/D转换单元15，如图5.1所示。图5.1小型S7-200控制系统西门子S7-200控制器通过远程I/O的方式连接现场需要检测和控制的各点，CPU自带24路数字量输入和16路数字量输出，集成2个RS485接口，可以支持PPI、MODBUS等通讯协议，远程I/O有通讯处理器和EM235模块连接，实现信息的可靠、安全、稳定传输。S7-200PLC具备以下特点：（1）控制功能。最大限度地满足系统控制功能是选择PLC首先应该考虑的问题，S7-200不仅具有定时器、计数器和继电器所能实现的功能，而且还具有位逻辑、定时、计数、比较、位循环等指令，支持中断和子程序可以完成串口通讯。（2）输入/输出性质及点数要求。我们选择CPU224（14数字输入，10继电器输出），CPU内部电源可为CPU自身、扩展模块和其他设备提供直流电源。若要增加电路中的点数，可以用扩展模块，EM223（16路数字输入，16继电器输出），EM223（8数字输入，8继电器输出），EM231(4路模拟量输入)，EM232（4路模拟量输入，2路模拟量输出），EM235(4路模拟量输入，1路模拟量输出)，扩展模块通过总线连接电缆得到5V的直流电源。（3）存储容量。CPU224不仅具有2560字节的数据存储区，而且还有4096字节的程序存储器，可满足设计要求16。2计算机和PLC之间的通信打开在STEP7-Micro/WIN软件后，双击指令树里面的“通信”选项，将编辑的程序下载到PLC之前，需要对远程站的地址进行设置，然后双击“通信”框中的“双击刷新”蓝色图标，编程软件将自动搜索已经连接到网络上的S7-200，并用图标将S7-200显示出来，如图5.2所示。图5.2 PLC通信窗口5.2 系统的整体设计方案对PLC系统进行设计时，首先是对其功能进行设计，即根据工艺要求和被控对象的功能，明确系统要怎样运行，然后对其功能进行分析，最后确定PLC型号和其他的配置17。PLC控制系统的设计一般分为以下几个步骤：1、了解被控对象，制定可行的方案。2、根据控制要求，确定输入、输出设备。3、选择PLC,主要包括机型、I/O模块、容量和电源。4、分配PLC的I/O地址。6、进行PLC程序设计（包括软件和硬件）。7、调试即对模拟调试过的程序进行在线调试。5.3下位机PLC的硬件设计过程5.3.1 I/0分配表5.1 I/0分配表输入信号启动按钮I0.0停止按钮I0.1急停按钮I0.2空燃比信号I0.3炉温采样控制信号I0.4炉压采样控制信号I0.5水位采样控制信号I0.6过热器温度采样控制信号I0.7手动操作I1.0自动操作I1.1输出信号煤粉流量阀Q0.0空气流量阀Q0.1给水泵启动Q0.2进水阀1Q0.3进水阀2Q0.4出水阀Q0.5减温水阀Q0.6空气预热器Q0.7炉温报警Q1.1炉压报警Q1.2过热器温度报警Q1.3汽包水位报警Q1.4引风机启动Q1.5点火器Q1.6手动运行Q1.7自动运行Q2.1空燃比输出信号Q2.2空气和煤粉混合搅拌信号Q2.35.3.2 硬件配置及连接图本设计中我们采用西门子430系列变频器,利用电力半导体器件的通断作用，将工频电源变换为一频率的电能控制装置，其基本原理是根据电机转速和工作电源输入频率成正比例关系，通过改变变频器的频率达到实现对锅炉给水泵、鼓风机、引风机和炉排电机的转速控制。MICROMASTER430变频器不但设备性能可以满足用户需求，而且有更多的输入、输出端。采用模块化结构，组态比较灵活，线路连接18,如图5.3所示。图5.3 变频器接线图Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，通过此协议，控制器之间、控制器经由网络（以太网）和其他设备之间可以通信。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485多种电气接口和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。标准的Modbus口是使用一RS-232兼容串行接口。控制器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的Modbus网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每个控制器的时候，在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验。控制器通信使用主从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。S7-200系列PLC核心是CPU224，还具有EM231、EM232、EM235三种规格的模拟量输出输入模块。EM231模拟量输入模块将模拟量转换成数字量送到PLC中进行PID调节,EM232模拟量输出模块从CPU224接收数字量，并将数字量转换成模拟量控制变频器，CPU224对被控变量进行PID调节20。PLC接线图如图5.4所示。图5.4 PLC接线图5.4 STEP7概述及S7-200程序流程设计1编程软件STEP7Micro/WIN介绍STEP7Micro/WIN软件是西门子公司为S7-200PLC专门设计开发的，其功能强大，在脱机状态下可以进行程序的编写、修改、编译和调试等功能，在联机状态下可以通过PC机对PLC进行下载用户程序、上载和组态数据等操作。具有语法检查功能，方便进行梯形图编写程序的修改，还具有文档管理和加密等功能21，编程主界面如图5.5所示。图5.5 STEP7Micro/WIN编辑界面界面分为标题栏、工具条、菜单条、引导条、输出窗口、状态条指令树、和用户窗口。进行梯形图程序编写时，单击线圈、触点或指令盒按钮选择要输入的指令，然后用光标移到需要添加元件的位置后，单击鼠标即可，选择指令元件后输入操作数，按照要求完成编程工作。2S7-200程序流程设计软件设计需能进行人机对话，由于温度控制对象是一个大延时环节，且温度调节范围比较宽，所以本设计对过渡过程时间咱不予要求，针对上述情况，从经济角度出发，温度控制系统是利用PLC为控制器，测温电路中温度反馈信号，经A/D转换后，送到PLC进行处理，经一定算法后，PLC再输出信号控制交流接触器的通断，控制给煤量和空气量，从而实现对炉膛温度的控制。系统主流程图如图5.6所示。运行开始后，手自动操作方式选择，如果自动方式运行，则先进入炉膛温度控制子程序，再进入汽包水位控制子程序、过热器温度控制子程序，最后进入炉压控制子程序。在温度控制子程序中，首先对炉温进行初始设定，开始温度采集，判断采集的温度测量值是否在设定值范围之内，若果在则进行PID控制和输出空燃比信号，如果不在则报警22，图5.7所示。图5.6主流程图设计图5.7 炉温控制子程序图5.8 炉压控制子程序炉膛压力控制子程序运行开始后，选择自动运行方式，启动引风机，判断是否有故障，如果没有则延时1分钟启动鼓风机，再启动炉排，如果有故障则立刻停止。判断炉压是否设定，若已经设定则进入PID调解，没有设定则对其进行设定，如果采用手动方式运行，则直接启动引风机、鼓风机和炉排，无故障后判断运行是否正常，正常则进行PID调节，不正常立刻停止运行23。图5.9 汽包水位控制子程序如上图5.9 所示汽包水位控制子程序运行开始后，如果运行正常，则对其进行水位设定，手自动方式选择，如果不正常则立刻停止，自动方式运行开始后，分别对汽包水位、给水流量和蒸汽流量进行采样和计算，进行PID调节，判断系统是否运行正常，正常则一直进行PID调节，否则停止。如果手动方式运行，直接启动给水泵及调节阀，没有故障则正常运行进行PID控制，否则停止。图5.10 空燃比控制子程序空燃比子程序接收到开始信号后，首先进行煤粉和空气流量的采集，判断比值是否为3，是则进行混合，不是则重新配比，直到比值等于3，进行PID调节，如图5.10所示。通信控制流程设计过程中，S7-200CPU从通讯端口0接受字符串，使用RCV（接收）指令和接收完成中断接收数据，以自定义协议来实现计算机和S7-200PLC之间的数据通信时，为了避免通信中的各方争用通信线路，一般采用主从方式，计算机作为主机，向从站S7-200PLC端口0发送规定格式的报文，S7-200PLC收到指令后采用BBC校验方式进行数据校验，与指令中的校验码进行比较，如果校验码相等，则置位M0.0，将校验码作为报文的一部分发送到计算机，如果不相等，置位M0.1，返回带有校验码错误的反馈信息，如图5.11所示。图5.11 S7-200通信程序设计5.5程序编写及分析1. 程序编写及分析本文根据设计要求，编写了六个程序，一个为主程序，其余五个为子程序，分别为炉膛温度控制子程序、汽包水位控制子程序、过热器温度控制子程序、炉压控制子程序和空燃比控制子程序。主程序可以对其他五个子程序进行管理，如果任务简单，一个主程序就可以完成任务，如果复杂必须将具体任务分放到子程序中完成，便于程序的编写、编译和调试。每个子程序都有不同于其他子程序的序号，便于主程序的调用25。（控制程序见附录B）2.调试系统调试分为软件调试和硬件调试。软件调试用PC机完成，将编写好的控制程序装载到仿真软件上，按照编写的程序进行开关操作，通过对每一个功能进行检测不断完善控制程序，如图5.12所示。图5.12 软件调试硬件调试一般在实验室中完成，设备的各个单元经检查符合要求后，软件和硬件进行联合调试，使软件和硬件的配置达到最佳状态。第六章 控制系统上位机设计6.1 组态王软件概述组态王软