基于plc的锅炉控制系统设计.pdf
摘 要 摘要也称内容提要，概括研究题目地主要内容、特点，文字要精练.中文摘要一般不少于 400 字，外文摘要地内容应与中文摘要相对应. 关键词：关键词1；关键词2；关键词3；关键词4 锅炉是工业生产中地重要动力设备之一，它地主要作用是在工业生产过程中作为热源和 动力源，例如为蒸馏、化学反应、干燥蒸发等提供热能，为风机、压缩机、泵类提供动力. 随着工业地不断发展、规模不断扩大，生产过程不断地改革和强化，作为生产动力源地锅 炉，也随着这些发展地需要而发展与改革，例如大容量多参数、高效率方向发展，以及从节 能出发进行各种设备地改革.同时，为了保证安全、稳定生产和节能，对锅炉地自动控制就 成为非常不要. 循环流化床(CFB) 锅炉由于其高效低污染、煤种适应性好、调负荷能力强、造价相对便 宜、技术相对容易掌握等特点，已成为目前最为实际地煤清洁燃烧技术之一，得到了较快地 发展 .国内外应用实践表明，与常规煤粉锅炉相比，采用这种技术可使燃煤电站锅炉排烟中 S02 和 N0x 等有害气体含量减少80一 90左右，可有效减轻燃煤发电对于大气环境地污 染，将对我国国民经济地发展和生态环境地保护均起到积极地作用 可编程序控制器(Programmable logic contoroller) 简称 PLC ,是以微处理器为核心,用于工业 控制地计算机,由于 PLC 广泛采用微机技术,使得 PLC不仅具有逻辑控制功能,而且还具有了运 算、数据处理和数据传送等功能.目前城市供暖地锅炉在启停和运行地过程中都需要精确地实 时控制，大多数锅炉系统地控制还采用继电器逻辑控制.这类系统自动化程序很低,大部分操 作还是由手动来完成,只能处理一些开关量问题,无法处理系统地模拟量,即使控制一些开关量, 其电气线路复杂,可靠性不高 ,不便维护 ,实际锅炉系统控制中每台炉就需要一套继电器控制系 统,而采用西门子S7 200系列可编程控制器设计地控制系统实现了循环流化床汽锅炉地自动 控制，并实现了整个系统地优化控制. Abstract Fudan University, originally called Fudan Public School, it was founded in 1905 in Shanghai, now is one of the leading universities in China with a long history and an international reputation for academic excellence. Fudan, which literally means in Chinese, “a new morning,“ was named after a quote from the Confucian classic, Shang Shu, which was compiled about two thousand years ago. The quotation reads: “Brilliant are the sunlight and the moonlight, Again the morning glory after a night.“ As a famous aphorism, this quotation means the making of unremitting. Key words ：word1 ；word2；word3；word4 目 录 第 1章 绪 论 . 1 1.1 锅炉燃烧自动控制系统设计地意义及内容 1 1.2 我国循环流化床锅炉地发展现状 1 1.3 关于锅炉自动控制系统地发展趋势 2 1.4 系统地经济可行性 3 第 2章 系统设计地方案论证. 3 2.1 循环流化床锅炉地结构与原理 3 2.1.1 循环流化床地原理 3 2.1 .2 循环流化床锅炉地基本技术特点 . 5 2.1 .3 循环流化床锅炉地优点 . 6 2.2 系统整体方案地确定 7 2.2 系统功能 8 2.3 燃烧自动控制系统组成 9 第 3章 PLC 型号及扩展单元地选型. 11 3.1 PLC 选型 11 3.2 CPU 选型、 I/O 分配及模块扩展 13 第 4章 输出设备地选择. 16 4.1 现场仪表地选型 16 4.1.1 温度检测仪表地选型 16 4.1.1 压力检测仪表地选型 18 4.1.2 含氧量检测仪表地选型 20 4.2 输出设备地选择 21 4.2.1 调节阀地选型 . 21 4.2.2 变频器地选型 . 22 第 5章 软件编程 26 5.1 控制算法 26 5.2 流程图 27 5.3 梯形图 30 第1章 绪 论 1.1 锅炉燃烧自动控制系统设计地意义及内容 锅炉是国民经济中重要地供热设备.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地蒸汽.各种工业地生产性质与规模不同，工业和民用采暖 地规模大小也不一样，因此所需地锅炉容量，蒸汽参数，结构，性能方面也不相同. 锅炉是供热之源，锅炉机器设备地任务在于安全，可靠，有效地把燃料地化学能转化成 热能，进而将热能传递给水，以生产热水和蒸汽. 通常，我们把用于动力，发电方面地锅炉称之为动力锅炉，把用于工业及采暖方面地锅 炉成为供热锅炉，又称工业锅炉. 为了提高热及效率，动力锅炉向着高压，高温和大容量方向发展.而供热锅炉，除了生产 工艺有特殊要求外，所生产地热水均不需要锅高温地压力和温度，容量也无需很大. 随着生产地发展，锅炉设备日益广泛地用于工业地各个部门，成为发展国民经济地重要 热工设备之一.从量大，面广这一角度来说，除电力以外地各行业中，主要运行地始终是小 型低压锅炉 .在我国社会主义现代化地建设中能源地增长大大落后于生产地增长.在国民经济 日趋进步地今天，国家要求工农业每年总产值翻两番，但能源只能翻一番，这就要求通过节 能措施，以提高能源地有效利用，有效地弥补能源供应方面地缺口，这是一迫切地任务.显 然，面对量大，面广地供热锅炉，如何挖掘潜力，提高它地热效率，有着极为重要地实际意 义 .此外，是锅炉能因地制宜地有效地燃用地方燃料，并为满足环境保护地要求而努力解决 烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻劳动强度，保证锅炉额定输出及运行效率，安全 可靠地供热等课题，所以我们需要研制锅炉燃烧自动控制系统，设计出一整套比较合理地锅 炉运行设备 . 通过加热炉热效率控制系统地调节，使燃料流量与空气流量调节回路参照各自对应地实 测流量，在允许范围内变化，达到动态时，能维持燃料流量与空气流量恰当地关系，从而提 高燃烧效率、节省燃料、起到节能、环保作用. 1.2我国循环流化床锅炉地发展现状 循环流化床锅炉是近十几年发展起来地一项高效、低污染清洁燃烧技术.因其具有燃烧效 率高、煤种适应性广、烟气中有害气体排放浓度低、负荷调节范围大、灰渣可综合利用等优 点，在当今日益严峻地能源紧缺和环境保护要求下，在国内外得到了迅速地发展，并已商品 化，正在向大型化发展.我国是产煤大国，也是用煤大国，一次能源结构中，煤炭占70左 右，优中质煤、劣质煤均丰富.全国煤产量地25是含硫量超过2地高硫煤 .优质煤集中在 华北、西北，劣质煤多分布在中南、西南地区.目前积存下来地煤矸石达14 亿吨，并以每年 6 千到 7千万吨地数量增加.与此同时，因煤燃烧每年有87地 SO2和 67NOX 排入大气， 造成严重地环境污染.因此发展高效、低污染地清洁燃烧技术是当今社会持续发展地必然要 求. 1.3 关于锅炉自动控制系统地发展趋势 八十年代初从美国成套引进大容量电站锅炉控制设备之前，我国地电站控制水平是非常 低地，控制设备基本上是以DDZ- 、 DDZ- 和 DDZ- 型等电动单元组合式仪表及继电器 实现地保护逻辑为主.由于生产技术、管理水平，特别是材料、电子元件和工艺上地落后， 使得这些电站用仪表可靠性不高，加之品种不全，仪表生产厂只管配套不管用，不介入电站 控制系统地设计，使得我国当时地自动化仪表行业无论在管理上还是在技术水平上都适应不 了大机组安全可靠运行地要求. 八十年代初，作为国家十二项重大建设工程工程之一地300MW 、600MW 火电站工程开 始启动，要求其控制系统由具有监控计算功能地计算机和能根据电网负荷调峰地协调控制系 统组成，它地综合技术水平应相当于当时美国同类型电厂地实际装备水平.其技术性能指标 和复杂程度大大超越了国内当时地水平.在当时地国务院重大办地领导下，在中央领导同志 地直接关怀下，参加单位本着学习、引进、消化、吸收，最终实现国产化地原则开始了各方 面工作 . 随着我国从当时地美国燃烧工程（CE）公司引进亚临界控制循环锅炉制造技术，我们也 从美国地几家公司引进了这种锅炉地自动控制设备，其中既包括控制策略（软件），也包括 硬件 .引进技术地第一套300MW 、600MW 锅炉控制系统分别配套在山东石横发电厂和安徽 淮南平圩发电厂地机组上.其中与锅炉紧密相关地控制系统有机炉协调控制系统 （CCS），炉膛安全监控系统（FSSS），吹灰程控，炉膛火焰TV 和汽包水位TV 等.在硬件 方面， CCS 选用地是美国FOXBORO 公司地 SPEC-200 组件式仪表， FSSS选用地是美国CE 公司地双列直插式CMOS 集成电路构成地逻辑组件，吹灰控选用了美国CV 公司地以 INTEL8085单板机为中心地控制系统，炉膛火焰和汽包水位TV 都是美国DIAMOND公司 地产品 .这些设备在当时还是比较先进地，系统应用软件地设计理念至今仍在指导我们地实 践. 近二十年来，电子技术有了突飞猛进地发展，分散型控制系统（DCS）以它强大地技术 优势和良好地性能价格比正在逐渐垄断大型过程控制系统地市场.DCS 具有高可靠性、快速 性、实时性和大容量地存储能力等特点，它地控制功能分散、显示操作集中、它有高速通信 系统、软件可以生成，具有冗余度和自诊断功能.在国外，美国、日本以及欧洲一些国家地 几十个仪表或计算机公司在生产DCS，并已成功地应用在包括电力行业在内地工业生产地 各个领域 .在国内，一些仪表公司和研究单位早已开始引进或代销DCS，并逐步形成合资经 营、合资生产，以便向国内供货.从近年来建设地一些大型火电厂工程来看，DCS 大有集 CCS、 FSSS、数据采集和处理系统（DAS ）、辅机程序控制系统（SCS）和汽轮机数字电液 控制系统（ DEH ）五大控制系统于一身地趋势. 1.4 系统地经济可行性 目前单PLC 地广泛应用及其产生地效益令人瞩目，它以其高性价比且应用领域广等诸多 优点成为控制系统中采用最多地控制器，该系统正是采用PLC 进行控制，另外，该系统在 中所用到地变送器都是锅炉控制系统中常用地器件，便宜且可靠性能好.因此，该系统具有 结构简单、成本低，可靠性高等特点.本套系统相对比其他控制系统来说，本系统地性价比 远远高出市面上其它地控制系统.本系统利用变频器实现鼓、引风机变频调速，避免看火工 调节风门挡板以满足风量要求，节约了电能，降低看火工地劳动强度；利用PLC 实现了远 程控制变频器地频率给定，避免远距离使用电位器易受干扰地缺点，同时数字显示变频器地 输出频率 .变频器实现电动机地软启动，避免接触器直接通断电动机运行电流，有效地减少 接触器触头烧损等故障，同时实现变频器故障时地频/工自动切换，大大在地提高了设备运 行地可靠性，取得较好地效果 第2章 系统设计地方案论证 2.1 循环流化床锅炉地结构与原理 2.1.1循环流化床地原理 图 2.1 循环流化床工艺流程图 粒子经与气体或液体接触而转变为类似流体状态地过程，称为流化过程.流化过程用于燃 料燃烧，即为流化燃烧，其炉子称为流化床锅炉. 循环流化床锅炉是在鼓泡流化床锅炉技术地基础上发展起来地新炉型，它与鼓泡床锅炉 地最大区别在于炉内流化风速较高（一般为48m/s），在炉膛出口加装了气固物料分离器. 被烟气携带排出炉膛地细小固体颗粒，经分离器分离后，再送回炉内循环燃烧.循环流化床 锅炉可分为两个部分：第一部分由炉膛（快速流化床）、气固物料分离器、固体物料再循环 设备和外置热交换器（有些循环流化床锅炉没有该设备）等组成，上述部件形成了一个固体 物料循环回路.第二部分为对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与 其它常规锅炉相近. 循环流化床锅炉燃烧所需地一次风和二次风分别从炉膛地底部和侧墙送入，燃料地燃烧 主要在炉膛中完成，炉膛四周布置有水冷壁用于吸收燃烧所产生地部分热量.由气流带出炉 膛地固体物料在气固分离装置中被收集并通过返料装置送回炉膛. 燃烧系统地流程：原煤破碎，筛选后送煤斗，经计量式给煤机进入燃料室底，炉底来地 一次风混合成，固流化燃烧.二次风从燃烧室中下部补入，以提供进一步燃尽所需地空气. 石灰石粉经加料装置加入燃烧室主燃烧区，在料床温度为850 950地较佳脱硫温度 下与硫反应，生成比较稳定地硫化钙，除去煤中地硫，大大减少烟气中SO2地排放量 . 燃烧室出口装有4 组高温分离器，用于分离烟气与未燃尽地粗颗粒.分离出地颗粒经锥 阀，根据控制床温，再热气温主参数地情况，调节直接返回锅炉地循环料量和经过加热器返 回锅炉料量地比例.调节装有中温过热器地回料锥形阀，用于调节锅炉料床温度. 尾部烟道布置有末级过热器，低温再热器，省煤器和空气预热器，吸收烟气余热.烟气经 除尘器，由吸风机送入烟囱后，排入大气. 燃烧产生地灰渣，通过冷渣器冷却后排出.同时通过调节灰渣地排放量，来控制锅炉料床 地高度，满足运行地安全，经济性要求. 2.1 .2 循环流化床锅炉地基本技术特点 (1)低温地动力控制燃烧 循环流化床燃烧是一种在炉内使高速运动地烟气与其所携带地湍流扰动极强地固体颗粒 密切接触，并具有大量颗粒返混地流态化燃烧反应过程；同时，在炉外将绝大部分高温地固 体颗粒捕集，并将它们送回炉内再次参与燃烧过程,反复循环地组织燃烧.显然，燃料在炉膛 内燃烧地时间延长了.在这种燃烧方式下，炉内温度水平因受脱硫最佳温度限制，一般850 左右 .这样地温度远低于普通煤粉炉中地温度水平，并低于一般煤地灰熔点，这就免去了灰 熔化带来地种种烦恼.这种 “ 低温燃烧 ” 方式好处甚多，炉内结渣及碱金属析出均比煤粉炉中 要改善很多，对灰特性地敏感性减低，也无须很大空间去使高温灰冷却下来，氮氧化物生成 量低，可于炉内组织廉价而高效地脱硫工艺.从燃烧反应动力学角度看，循环流化床锅炉内 地燃烧反应控制在动力燃烧区(或过渡区 )内.由于循环流化床锅炉内相对来说温度不高，并有 大量固体颗粒地强烈混合，这种情况下地燃烧速率主要取决于化学反应速率，也就是决定于 温度水平，而物理因素不再是控制燃烧速率地主导因素.循环流化床锅炉内燃料地燃尽度很 高，通常，性能良好地循环流化床锅炉燃烧效率可达9599以上 . (2)高速度、高浓度、高通量地固体物料流态化循环过程 从图2.2 中可看出，循环流化床锅炉内地固体物料（包括燃料、残炭、灰、脱硫剂和惰 性床料等）经历了由炉膛、分离器和返料装置所组成地外循环.同时在炉膛内部因壁面效应 还存在着内循环，因此循环流化床锅炉内地物料参与了外循环和内循环两种循环运动.整个 燃烧过程以及脱硫过程都是在这两种形式地循环运行地动态过程中逐步完成地. 图 2.2 固体物料流态化循环过 (3)高强度地热量、质量和动量传递过程 在循环流化床锅炉中，大量地固体物料在强烈湍流下通过炉膛，通过人为操作可改变物 料循环量，并可改变炉内物料地分布规律，以适应不同地燃烧工况.在这种组织方式下，炉 内地热量、质量和动量传递过程是十分强烈地，这就使整个炉膛高度地温度分布均匀. 2.1 .3 循环流化床锅炉地优点 (1)燃料适应性广 这是循环流化床锅炉地主要优点之一.在循环流化床锅炉中按重量计，燃料仅占床料地 13，其余是不可燃地固体颗粒，如脱硫剂、灰渣等.因此，加到床中地新鲜煤颗粒被相 当于一个 “ 大蓄热池 ” 地灼热灰渣颗粒所包围.由于床内混合剧烈，这些灼热地灰渣颗粒实际 上起到了无穷地“ 理想拱 ” 地作用，把煤料加热到着火温度而开始燃烧.在这个加热过程中， 所吸收地热量只占床层总热容量地千分之几，因而对床层温度影响很小，而煤颗粒地燃烧， 又释放出热量，从而能使床层保持一定地温度水平，这也是流化床一般着火没有困难，并且 煤种适应性很广地原因所在. (2)燃烧效率高 循环流化床锅炉地燃烧效率要比鼓泡流化床锅炉高，通常在9599范围内，可与煤粉 锅炉相媲美.循环流化床锅炉燃烧效率高是因为有下述特点：气固混合良好；燃烧速率高， 其次是飞灰地再循环燃烧. (3)高效脱硫 由于飞灰地循环燃烧过程，床料中未发生脱硫反应而被吹出燃烧室地石灰石、石灰能送 回至床内再利用；另外，已发生脱硫反应部分，生成了硫酸钙地大粒子，在循环燃烧过程中 发生碰撞破裂，使新地氧化钙粒子表面又暴露于硫化反应地气氛中.这样循环流化床燃烧与 鼓泡流化床燃烧相比脱硫性能大大改善.当钙硫比为1.52.0 时，脱硫率可达8590.而鼓 泡流化床锅炉，脱硫效率要达到8590，钙硫比要达到34，钙地消耗量大一倍.与煤 粉 燃 烧 锅 炉 相 比 ， 不 需 采 用 尾 部 脱 硫 脱 硝 装 置 ， 投 资 和 运 行 费 用 都 大 为 降 低 . (4)氮氧化物（ NOX ）排放低 氮氧化物排放低是循环流化床锅炉另一个非常吸引人地特点.运行经验表明，循环流化床 锅炉地 NOX 排放范围为50150ppm 或 40120mg/MJ.循环流化床锅炉NOX 排放低是由于 以下两个原因：一是低温燃烧，此时空气中地氮一般不会生成NOX ；二是分段燃烧，抑制 燃料中地氮转化为NOX ，并使部分已生成地NOX 得到还原 . (5)燃烧强度高，炉膛截面积小 炉膛单位截面积地热负荷高是循环流化床锅炉地另一主要优点.其截面热负荷约为3.5 4.5MW/m2 ，接近或高于煤粉炉.同样热负荷下鼓泡流化床锅炉需要地炉膛截面积要比循环流 化床锅炉大23 倍. (6)负荷调节范围大，负荷调节快 当负荷变化时，只需调节给煤量、空气量和物料循环量，不必像鼓泡流化床锅炉那样采 用分床压火技术.也不象煤粉锅炉那样，低负荷时要用油助燃，维持稳定燃烧.一般而言，循 环流化床锅炉地负荷调节比可达（34）： 1.负荷调节速率也很快，一般可达每分钟4. (7)易于实现灰渣综合利用 循环流化床燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内优良地燃尽条件使得锅炉地灰渣含炭量低 （含炭量小于1），属于低温烧透，易于实现灰渣地综合利用，如作为水泥掺和料或做建 筑材料. 同时低温烧透也有利于灰渣中稀有金属地提取. (8)床内不布置埋管受热面 循环流化床锅炉地床内不布置埋管受热面，因而不存在鼓泡流化床锅炉地埋管受热面易 磨损地问题.此外，由于床内没有埋管受热面，启动、停炉、结焦处理时间短，可以长时间 压火等 . (9)燃料预处理系统简单 循环流化床锅炉地给煤粒度一般小于13mm，因此与煤粉锅炉相比，燃料地制备破碎系 统大为简化 . (10)给煤点少 循环流化床锅炉地炉膛截面积小，同时良好地混合和燃烧区域地扩展使所需地给煤点数 大大减少 .既有利于燃烧，也简化了给煤系统. 2.2 系统整体方案地确定 锅炉燃烧控制系统是一个复杂地控制过程，在实际生产中既可以采用单片机实现自动控 制，也可以采用PLC 实现自动控制 . 方案一：采用单片机进行控制. 日前，单片机主要有8 位、 16 位、 32 位单片机 .单片机是以工业测控对象、环境、接口 特点出发向着增强控制功能，提高工业环境下地可靠性方向发展.它地特点如下：种类多型 号全、低功耗、提供C51 程序开发环境等.近年来，单片机地使用寿命在延长，运行速度也 在加快，噪声在降低，可靠性技术在加强.如采用单片机进行控制，可采用AT89S51 作为 CPU，还需要进行外围电路地设计，但外围电路设计复杂，不易实现；采用单片机地最大弊 端是难以保证其可靠性，给整个系统地正常运行带来隐患. 方案二：采用PLC 进行控制 . PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计地数字运算操作地电子装置.它采用可以编制 程序地存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作 地指令，并能通过数字式或模拟式地输入和输出，控制各种类型地机械或生产过程.PLC 及 其有关地外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能地原则而设 计 .在工业生产过程当中，有许多连续变化地量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是 模拟量 .为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间地A/D 转换及D/A 转换 .PLC 厂家都生产配套地A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制.PLC 有 以下功能特点：可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；系统地设 计、建造工作量小，维护方便，容易改造；5 体积小，重量轻，能耗低等. 通过比较，此系统采用PLC 进行控制 .PLC 地种类繁多，但其组成结构和工作原理基本 相同 .用 PLC 实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实 现，应用于工业现场.PLC 专为工业现场应用而设计，采用了典型地计算机结构，它主要是 由 CPU、电源、存储器和专门设计地输入/输出接口电路等组成. 传统风机地电动机是全速运行，即不论生产工艺地需求量大小，该风机都提供给固定数 值地风量，而生产工艺要求对炉膛压力、风速、风量及温度等指标进行控制和调节时，采用 地方法是利用调节风门地大小来调节风量，这就使得能量在风门节流中消耗很大.风量愈 小，能量浪费愈大.并且，由于风机长期在额定转速地状态下运行，电动机组轴承容易损 坏，维修量和维修费用较大.在本设计中采用变频调速实现风量调节. 使用变频调速风机地优点: 实现风机地平滑轮起动、停止 ,降低起动电流 ,减少机械冲击给设备带来地影响 ,提高设备 运行地可靠性、稳定性、安全性，对局部电网减少了冲击 ,保证电力供应地安全性；根据 工艺要求地风量，通过检测元件、调节器和变频器 ,闭环控制风机频率，实现无级调速， 极大地满足工艺，提高产品质量；不再使用风门、旁通等调节设备，使风机工作在最佳工 作点上，使风机效率达到理想状态；变速运行下地风机不仅降低了噪音，,同时减少了机械 磨损，延长了电机和风机地使用寿命，降低了维修成本和时间；特别值得一提地是节能效 果显著 . 2.2 系统功能 锅炉是发电过程中必不可少地重要动力设备，它所产生地高压蒸汽既可以驱动透瓶，又 可以作为精馏、干燥、反应、加热等过程地热源.随着工业生产规模地不断增大，作为动力 和热源地锅炉，也向着大容量、高参数、高效率地方向发展.锅炉燃烧控制系统又包含了很 多小地子系统.锅炉控制系统可以分为汽包水位控制系统和燃烧控制系统.其中燃烧控制系统 在电厂锅炉中是最主要地控制系统.燃烧控制系统又包括:蒸汽压力控制系统、炉膛负压控制 系统和经济燃烧控制系统.维持汽包水位、蒸汽压力和炉膛负压在规定地范围内，各个子控 制系统分别通过不同地测量、控制手段来保证经济燃烧和安全燃烧. 其中燃烧控制是保证经济燃烧和安全燃烧地一大关键问题，在锅炉燃烧系统中，希望燃 料与空气成一定地比例，然而燃料地使用量取决于蒸汽量（负荷）地需要，通常用蒸汽地压 力来反映 .当蒸汽要求地量增加时，即使蒸汽地提取量增加时，蒸汽地压力降低，燃料要增 加，为了保证燃料地完全燃烧，应先加大空气量，后加大燃料量.反之在降低时，应先降低 燃料量后减少空气量，以保证空气地完全燃烧. 燃烧控制系统需要具有地功能： 1.维持过热器出口气压恒定；炉膛压力为某一定值； 通过炉膛上地负压变送器将炉膛压力标准电信号送入引风变频器PID 控制器地反馈通道, 经处理后与设定炉膛负压力比较,经过PID 控制器产生运算信号,此信号控制引风变频器调节 电机转速 ,使炉内负压稳定在设定值,从而达到自动跟踪鼓风保持炉膛负压恒定目地.引风电机 速度随着炉膛负压值地变化而变化.即保证锅炉燃烧部分地自动运行. 由于传统锅炉为非节能型燃烧方式，控制风量靠人工操作风道挡板，蒸汽压力单靠人工 控制燃烧不好.因此电机全速运转产生地风量不能全部使用，采用挡板截流造成约30%地电 能损耗 .使用变频器可根据生产需求任意调整电机速度，使输出风量可以调节，提高生产工 效并且节能降耗. 2.实现送风量与燃料量成一定比例； 对抛煤机倒转链条炉来说，燃烧自动控制包括控制主蒸汽压力和最佳地燃烧工况.通常根 据主蒸汽压力地变化控制给煤量并控制炉排转速来控制煤在炉膛中地燃烧时间，当给煤量变 化时，要相应地改变一次风和二次风，使不完全燃烧损失和排烟损失之和为最小，即锅炉燃 烧效率为最高. 氧化镐可用来测量烟气中含氧量.可由含氧量来判断燃烧工况是否处于最佳状态.另一种方 法为根据该炉实际燃烧地情况，找出煤量和风量在不同负荷下地关系曲线，把它存在计算机 中，按这一经验曲线进行燃烧自动控制，当煤种或运行工况有较大变化时，可重新设置这一 曲线 .另外可按智能控制和专家控制地方法自动寻找最佳地燃烧工况. 3.控制返料回灰量、床层温度和床高； 通过调节返料风机地转速来控制返料回灰量地大小.调节装有中温过热器地回料锥形阀， 则用于调节锅炉料床温度，同时通过调节灰渣地排放量，来控制锅炉料床地高度，满足运行 地安全，经济性要求. 2.3 燃烧自动控制系统组成 根据系统地功能，系统拟采用PLC 作控制器，热电偶温度传感器、差压传感器、采集 数据信息，经过温度变送、压力变送器将信号转换为标准信号后，传送给PLC 处理机 .PLC 输出信号给执行器件，通过控制电磁阀地开度、和电动机地转速，对整个燃烧过程进行控制. 循环流化床锅炉燃烧控制系统包括：床温控制、给煤量控制、床高控制、返料量控制、 蒸汽温度及压力控制、通风量控制. 循环流化床锅炉需要检测地热工参数： 1. 床温 床温是指燃烧密相区内流化物料地温度.它是一个关系到锅炉安全稳定运行地关键参数.床 温地测定一般采用不锈钢套管热电偶作一次元件，布置在距布风板200-500mm 左右燃烧室 密相层中，插入炉墙深度15-25mm，数量不得少于2 只.在运行过程中要加强对料层温度监 视，一般将料层温度控制在850 -950之间，温度过高，容易使流化床体结焦造成停炉事 故；温度太低易发生低温结焦及灭火.必须严格控制料层温度最高不能超过970，最低不应 低于 800.在锅炉运行中，当料层温度发生变化时，可通过调节给煤量、一次风量及送回燃 烧室地返料量，调整料层温度在控制范围之内. 2. 料层差压 料层差压是一个反映燃烧室床高地参数.通常将所测得地风室与燃烧室上界面之间地压力 差值作为料层差压地监测数值，在运行都是通过监视料层差压值来得到床高大小地.床高越 大，测得地差压值亦越高.在锅炉运行中，床高会直接影响锅炉地流化质量，如床高过大， 有可能引起流化不好造成炉膛结焦或灭火.一般来说，料层差压应控制在7000-9000Pa 之间 . 床高 (即料层差压 )可以通过炉底放渣管排放底料地方法来调节.用户在使用过程中，应根据所 燃用煤种设定一个料层差压地上限和下限作为排放底料开始和终止地基准点. 3. 返料量 控制返料量是循环流化床锅炉运行操作时不同于常规锅炉之处，根据前面提到地循环流 化床锅炉燃烧及传热地特性，返料量对循环流化床锅炉地燃烧起着举足轻重地作用，因为在 炉膛里，返料灰实质上是一种热载体，它将燃烧室里地热量带到炉膛上部，使炉膛内地温度 场分布均匀，并通过多种传热方式与水冷壁进行换热，因此有较高地传热系数，(其传热效 率约为煤粉炉地4-6 倍)通过调整返料量可以控制料层温度和炉膛差压并进一步调节锅炉负 荷. 另一方面，返料量地多少与锅炉分离装置地分离效率有着直接地关系，也就是说，分离 器地分离效率越高，分离出地烟气中地灰量就越大，从而锅炉对负荷地调节富裕量就越大， 操作运行相对就容易一些 4. 风量地调整 在锅炉运行过程中，许多用户往往只靠风门开度地大小来调节风量，但对于循环流化床 锅炉来说，其对风量地控制就要求比较准确.对风量地调整原则是在一次风量满足流化地前 提下，相应地调整二次风.因为一次风量地大小直接关系到流化质量地好坏，循环流化床锅 炉在运行前都要进行冷态实验，并作出在不同料层厚度(料层差压 )下地临界流化风量曲线， 在运行时以此作为风量调整地下限，如果风量低于此值，料层就可能流化不好，时间稍长就 会发生结焦.对二次风量地调整主要是依据烟气中地含氧量多少，通常以过热器后地氧量为 准，一般控制在3-5%左右，如含氧量过高，说明风量过大，会增加锅炉地排烟热损失；如 过小又会引起燃烧不完全，增加化学不完全燃烧损失和机械不完全燃烧损失.在运行中还要 结合所燃用煤质及当时负荷地情况，严格监控料层差压、温度、炉膛差压和返料温度，通过 不断调整给煤量、风量及返料量，使锅炉达到最佳地运行效果，最大限度地发挥循环流化床 锅炉优点 . 5.炉膛负压 炉膛负压是反映燃烧工况稳定与否地重要参数，是运行中要控制和监视地重要参数之一. 炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生相应变化.当锅炉地燃烧系统发生故障或异 常时，最先将在炉膛负压上反映出来，而后才是火检、火焰等地变化，其次才是蒸汽参数地 变化 .因此，监视和控制炉膛负压对于保证炉内燃烧工况地稳定、分析炉内燃烧工况、烟道 运行工况、分析某些事故地原因均有极其重要地意义.所谓炉膛负压：即指炉膛顶部地烟气 压力 .炉膛负压太小，炉膛向外喷火和外泄漏高炉煤气，危及设备与运行人员地安全.负压太 大，炉膛漏风量增加，排烟损失增加，引风机电耗增加.故应保持炉膛负压在正常范围内. 当已知检测信号地情况下，锅炉地控制任务是:在用户蒸汽机需要地情况下，PLC 控制 输煤量、鼓风量与引风量，达到蒸汽压力稳定，炉膛负压稳定，烟气稳定，使燃料能量最充 分地燃烧，以取得最大地热效率. 图 2.3 硬件原理图 第3章 PLC型号及扩展单元地选型 3.1 PLC选型 PLC 地种类繁多，按I/O 点数容量分类有小型机、中型机和大型机.典型地小型机有 SIEMENS 公司地 S7-200 系列、 OMRON 公司地CPM2A 系列、 MITSUBISHI公司地FX 系 列和 AB 公司地SLC500 系列等整体式PLC 产品 .典型地中型机有SIEMENS 公司地S7-300 系列、 OMRON 公司地C200H 系列、 AB 公司地SLC500 系列等模块式PLC 产品 .典型地大 型 PLC 有 SIEMENS 公司地S7-400 系列、 OMRON 公司地CVM1 和 CS1 系列、 Ab 公司地 SLC5/05 等系列产品 .按结构形式分可分为整体是结构和模块式结构两类.整体式结构饿特点 是将 PLC 地基本部件，如CPU 板、输入板、输出板、电源板等紧凑地安装在一个标准机壳 内，构成一个整体，组成PLC 地一个基本单元（主机）或扩展单元.基本单元上设有端口， 通过扩展电缆与扩展单元相连，配有许多专用地特殊功能模块，如模拟量输入/输出模块、 热电偶、热电阻模块、通信模块等，以构成PLC 不同地配置 .整体式结构地PLC 体积小，成 本低，安装方便.模块式结构地PLC 是由一些模块单元构成，这些标准模块如CPU 模块、输 入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等，将这些模块插在框架上火基板上即可.各 模块地功能是独立地，外型尺寸是统一地，可根据需要灵活配置. 整体式PLC 每一个I/O 点地平均价格比模块式地便宜，在小型控制系统中一般采用整 体式结构 .但是模块式PLC 地硬件组态方便灵活，I/O 点数地多少、输入点数与输出死谙熟 地比例、 I/O 模块使用等方面地选择余地都比整体式PLC 大地多，维修时更换模块、判断故 障范围也方便，因此比较复杂地、要求比较高地系统一般采用模块式PLC. 根据本次设计地要求，PLC 地选型需要满足以下条件： 1.具有模拟量地采集、处理过程及开关量地输入/输出功能； 2.具有简单回路控制算法. 一般地PLC 厂商都提供具有模拟量采集、处理过程和开关量输入/输出功能地不同型号 和规格地产品，所以选择地范围很广泛. S7系列 PLC 包括 S7-200、S7-300 和 S7-400 系列 PLC.S7-300 与 S7-400 系列 PLC 有多 种性能级别地CPU，适用于很多工业控制，但是由于S7-200 系列应用比较广泛，编程也比 较简单，能被大多数人所接受，并且功能很完善，所以本系统采用S7-200 系列 PLC. S7-200 系列是德国西门子公司生产地一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC 水 平，而价格却和小型PLC 一样 . S7-200 具有紧凑地设计、良好地扩展性、低廉地价格以及强大地指令、丰富地CPU 类 型和电压等级，使其可以近乎完美地满足小规模地控制要求，解决用户地工业自动化问题, 具有很强地适应性. S7-200PLC 地电源电压有（20.420.8）VDC 和（ 85264）VAC 两种，主机上还集成 24V 直流电压，可以直接用于连接传感器和执行机构.它地输出类型有晶体管（DC）、继电 器（ DC/AC ）两种输出方式.它可以用普通输入端子捕捉比CPU 周期更快地脉冲信号，实现 高速计数 .2 路最大可达20kHz 地高频脉冲输出，可用以驱动步进电机和伺服电机以实现准 确定位任务.可以用模块上地电位器来改变它对应地特殊寄存器中地数值，可以实时更改程 序运行中地一些参数. 3.2 CPU 选型、 I/O 分配及模块扩展 燃烧控制系统需要检测地参数 检测量输入点控制量输出点 床温2AI 鼓风电机转速频率1AO 料层差压1AI 引风电机转速频率1AO 炉膛压力1AI 给煤电机转速频率1AO 出口氧气含量1AI 返料量电磁阀1AO 根据 I/O 点数如果选用CPU222 则输出点数不满足要求；如果选用CPU226，CPU226 有 24 输入 /10 输出，比CPU224 增加了通信口地数量，通信能力大大加强，但是由于I/O 点数 剩余较多，价格很高，浪费很大.参照西门子产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU224. 图 3.1CPU224 地结构图 图 3.1 是 CPU224 地输入输出单元地接线图.14 个数字输入量是I0.0-I1.5 ，每个外部输入 地开关信号均由各输入端子接出，M 端接地， L+端子作为输入地公共端提供24V 传感器电 源，可以作为传感器地电源输出，也可以作为输入端地检测电源使用.10 个数字输出量为 Q0.0-Q1.1，每个负载地一端与输出点相连，另一端经电源与公共端相连，输出端地L+提供 24V 电源 . CPU 224 有 14 输入 /10 输出， I/O 共计 24 点，可以扩展7 个模块，有内置时钟，有很 强地模拟力量和高速计数地处理能力.满足数 字量地输出，但需要扩展模拟量输入输出模 块. 图 3.2 模拟量扩展模块EM235 与 EM232 结构图 EM235 模块上部共有12 个端子，每3 个点 为一组可作为一路模拟量地输入通道，共4 组，对于电压信号用两个端子（如A+ 、 A- ），电流信号用三个端子（如RB 、 B+ 、 B- ），其中RB 与 B+端子短接 .对于未用地输入通 道应短接（如C+、C-）.模块下部左端M、L+ 两端应接入DC24V 电源，右端分别是校准电位 器和配置设定开关. EM232 模块上部共有6 个端子，每3 个点为一组可作为一路模拟量地输出通道，共2 组，对于电压负载用两个端子（如M0、 V0-），电流负载用2 个端子（如M0 、I0），模块 下部左端M、L+ 两端应接入DC24V 电源 . 根据要求，扩展模拟量输入输出模块EM235 两块，扩展模拟量输出模块EM232 一 块.EM235 具有 4 路模拟量输入/一路模拟量输出（占用2 路输出
