锅炉的自动控制系统

锅炉自动控制系统摘要锅炉是国民经济中主要的供热设备之一。电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等工业和民用采暖都需要锅炉供给大量的蒸汽。各种工业的生产性质与规模不同，工业和民用采暖的规模大小不尽相同。锅炉是供热之源，锅炉及其设备的任务在于安全，可靠，有效把燃料的化学能转化成热能，进而将热能传递给水，以生产热水和蒸汽。为了生产工艺有特殊要求外，所生产的热水不需要过高温的压力和温度，容量也无需很大。随着现代工业技术的飞速发展，对能源利用率的要求越来越高。锅炉作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一，其控制和管理的水平也日趋提高。但在我国，大部分锅炉还采用仪表和继电器控制，甚至人工操作，已无法满足生产需求。因此，对锅炉控制系统采用先进的控制技术，不仅能够保证安全生产，而且能够节能增效，具有很好的市场发展空间和投资收益前景。本论文的主要方向就是采用过程控制对工业锅炉进行控制。关键字：锅炉；过程控制；控制算法；DCS；现场总线；工业以太网；监控软件一、锅炉的基本构造及其工作原理锅炉的主要设备包括汽锅、炉子、炉膛、锅筒、水冷壁、过热器、省煤器、燃烧热备、引风设备、送风设备、给水设备、空气预热器、水处理设备、燃烧供给设备以及除灰除尘设备等。锅炉的原理及过程锅炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程，烟气向水的传热过程，水的汽化过程。一个锅炉进行工作，其主要任务是：（1)要使锅炉出口蒸汽压力稳定；（2）保证燃烧过程的经济性；（3）保持锅炉负压稳定，通常我们是炉膛负压保持在微负压（-10～80Pa）。为了完成上述三项任务，我们对三个变量进行控制：燃烧煤斗锅炉引风机鼓风机锅炉给水阀给水调节阀省煤器蒸汽出口空气预热器除尘器汽水分界面炉排烟囱量，送风量，引风量。从而使锅炉能正常运行。系统组成总体结构AW：应用操作站处理机：执行与显示、生产控制、用户应用程序、诊断和组态等有关的应用的功能WP：操作站处理机和预它连接的外部设备一起，在用户和所有系统功能之间提供一个界面，即作为系统站和操作员之间的借口。他从用于处理机和其他系统站接受图形和文本信息并产生视频信号，在监视器上作显示。CP：控制处理机：是一可选的容错站，和与它相连的现场组件（FBM）一起，可按组态好的控制方案对过程进行控制。它可以实现连续控制、梯形逻辑控制、和顺序控制等功能。完成数据采集、检测、报警和传送信息的功能。FBM：现场总线插件二、硬件设计控制器：1.应用操作站处理机AW：AW70具有应用处理机与操作站处理机的双重功能。AW70执行与现实、生产控制、用户应用程序、诊断和组态等有关的应用功能。AW70具有开发和执行需要扩展的数据处理和文件服务能力的应用功能。AW70处理本身或来自其它站的任务所需的大容量存储文件申请。2.控制处理机CP：控制处理机是一个可选的容错站，和与它相连的现场总线组建（FBM）一起，可按组态好的控制方案对过程进行控制。它可实现常规的连续控制、梯形逻辑控制、顺序控制以及批量处理等功能，也可实现数据采集、检测、报警和传送信息的功能。本系统选用的控制处理机是FCP270。3.现场总线组件FBM：I/ASeries现场总线组件（FBM），可连接到运行I/ASeries综合控制软件的控制处理机或个人计算机上。FBM既可以与控制处理机或个人计算机一起就地安装，也可远程安装。本系统选用3个FBM204（4通道AI+4通道AO）控制模拟量，选用FBM219（24通道DI+8通道DO）控制数字量。4.蒸汽温度控制系统：因为锅炉的运行环境不可能使理想的状态，蒸汽的温度总是会受到某些干扰的影响，所以必须对蒸汽的温度加以控制，以在一定范围内得到温度相对恒定的蒸汽。影响蒸汽温度的主要因素是给煤量以及给风量。另外，影响蒸汽温度的因素还有给水量、蒸汽流量以及引风量等，又考虑到了控PCAWCPFBM204FBM219以太网节点总线现场总线FBM204FBM204制系统相应的快速性，我们又将给水量和蒸汽流量作为蒸汽温度控制的前馈量构成前馈控制系统。即采用前馈比值串级控制系统对蒸汽温度进行控制，其控制系统的结构框图见图3.2所示。蒸汽温度控制系统检测仪表：1.温度传感器、2.固体流量计SpeedFlow、3.电动调节阀、4.风压传感器、5.引风机、6.鼓风机、7.变频器。（一）、蒸汽压力控制系统：如果锅炉内压力过低，将会降低蒸汽质量；反之，如果锅炉内压力过高，有可能导致爆炸等安全事故的发生。所以必须保证锅炉的压力处于一个适中的范围，即必须对锅炉压力加以控制。（二）、汽包液位控制系统：如果汽包液位过高，可能会影响蒸汽质量，甚至会导致水满溢出等安全事故；反之，如果汽包液位过低，锅炉很可能会被烧坏，甚至导致爆炸等安全事故。能够影响汽包液位的主要有两大变量，那就是给水量和蒸汽流量，在其他条件不变的情况下，蒸汽流量越大，液位越低，而给水量越大则液位越高，反之则越低。其中蒸汽流量是由工业的需要所决定的，给水的主要作用就是用以维持汽包液位的，所以我们选择给水量作为操纵量对汽包液位进行控制，又因为考虑到系统相应的平稳性和快速性，除采用串级控制外，还将蒸汽流量引入前馈通道，对系统进行前馈-反馈串级控制。（三）、炉膛负压控制系统：炉膛负压是反映燃烧工况稳定与否的重要参数，是运行中要控制和监视的重要参数之一。炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生相应变化。在原锅炉控制系统中，如果烟囱挡板开度过大，则会使炉膛负压增加，造成空气大量进入炉内，热效率降低，同时也增加了引风机的功耗。而且负压过大容易使炉管氧化爆皮而减少炉管寿命。负压过小或者正压则是由于烟囱挡板开度过小或锅炉超负荷运转，使炉膛产生正压，锅炉闷烧，甚至向外喷火，影响炉膛压力的主要变量有给煤量、给风量以及抽风量等，而其中给煤量和给风量是由蒸汽温度、压力以及蒸汽量等因素决定的，所以要想保持炉膛压力在一定蒸汽温度控制器给煤控制器给煤调节器给煤执行器给煤量给煤量检测，变送器比值控制器蒸汽温度给风控制器给风调节器给风执行器给风量给风量检测，变送器蒸汽温度检测，变送器范围内保持不变就只有改变抽风量，亦即通过调节抽风量以达到控制炉膛压力的目的。另外，又因为考虑到系统相应的快速性，同时，又因为给风量和给风量成一定的比例关系。（四）、报警系统：因为系统的运行并不是100%的，所以难免某些控制变量会超出可控或安全的范围，当出现情况时，随时都有可能危及到现场操作人员以及工作设备等的安全，所以必须对这类情况给出相应的报警提示，即必须安装相应的报警系统，用以提示操作人员做出相应的必要操作，在某些可能出现安全事故的情况下还有用于提示人员疏散等紧急措施。四个报警系统，即温度报警系统、压力报警系统、液位报警系统和负压控制系统，分别对蒸汽温度、蒸汽压力、汽包液位和炉膛负压进行超限报警提示。在锅炉的控制系统中，系统分别对真气温度、蒸汽压力、汽包液位和炉膛负压设置了上下限值。报警系统就是当相应的实测值低于（或高于）其相应的下限（或上限）值给出相应的下（上）限报警，这些功能均由软件完成，与此同时，控制系统还会做出相应的反应，使相应的变量值进入相应的极限范围，然后撤销相应的报警提示。三、软件设计：锅炉自动控制系统过程生产工况复杂多变，过程控制软件需要根据生产实际的技术要求进行设计。过程控制软件采用FoxView开发。它是I/AS用户和生产过程交互的界面软件，提供用户可组态的操作环境，用于嵌入式实时和历史趋势的显示和执行，用于直接访问动态过程的显示数据，可访问最近使用的四个显示画面，使用报警管理器实现过程报警的有关服务和显示，使用FoxSelect显示在控制数据库中的组合模块和模块的概貌，访问其他的应用程序。参考文献:《过程控制系统及工程》作者：孙洪程化学工业出版社《自动控制原理》作者：张彬北京邮电大学出版社《锅炉自动控制系统》论文作者：lzmmyr百度文库《自动控制理论基础》作者：左为恒机械工业出版社