锅炉控制系统
-
-
liubingrui
2010-07-03
一、改造背景
锅炉是全厂重要的动力[wiki]设备[/wiki]，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。为此，锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风量。主要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气氧量和炉膛负压等。因此锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象。
二、关于锅炉计算机控制系统
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、[wiki]环境[/wiki]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。
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，以免锅炉发生重大事故
三、改造要求
1、拆除锅炉主控制室的原有两台低配置的工控机和附属板卡，采用新的工控机及PLC和相关[wiki]软件[/wiki]，组成PLC＋IPC架构的监控系统，实现对两台35吨锅炉运行状态、各项参数的监视和汽包水位的自动控制。
2、新系统和原有控制盘上仪表系统通过信号隔离分配器相互独立，控制优先级别从高依次为：现场手动→主控制室控制盘仪表系统→微机系统自动。
3、本次改造在控制方面暂止要求实现汽包水位自动控制，但要求在PLC预留锅炉自动燃烧控制的全套程序，以利于在条件成熟时实现自动燃烧控制。
4、系统模式为：PLC＋IPC 即可编程控制器＋工业计算机的监控模式。这样达到底层控制；上层监测的最佳监控方式。
四、系统结构
五、系统配置
1、工业计算机软件部分
◆微软WINDOWS 2000操作系统
◆昆仑通态MCGS 5.5开发版
◆昆仑通态MCGS 5.5运行版
◆西门子S7-300编程软件SETUP7 v5.2+sp1
2、工业计算机部分
采用国内最稳定的研华原装工业电脑，配置如下：
◆P4 1.8G CPU；256M DDR内存；32M显卡；40G硬盘；1.44M软驱；52XCDROM；4个USB2.0接口；双10/100M网卡；
◆17英寸三星CRT显示器、联想天工工业键盘、鼠标套装。
3、可编程控制器PLC
采用德国西门子的S7-300系列可编程控制器 内置PID模块，32K存储器，I/O能扩展到2048点
六、控制方案设计
※PLC控制设计※
■锅炉汽包水位控制系统
汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以其值过高过低都可能造成重大事故。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，由于锅炉汽包水位对蒸气流量和给水流量变化的响应呈积极特性。但是在负荷(蒸气流量)急剧增加时，表现却为"逆响应特性"，即所谓的"虚假水位"，造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的[wiki]沸点[/wiki]温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。 汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双重量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。
控制目标值：（汽包水位均匀量为：±220，水位控制在中间值，偏差≤±10
1、在操作界面上利用鼠标键盘实现对水泵启停的控制。
2、在仪表盘上使用原有的DDZ-III操作器对水泵进行手动/自动调节控制。
系统给水自动调节分为三种模式：
单水位控制模式：只通过检测汽包水位来控制给水量
双冲量水位控制模式：监测汽包水位、蒸汽流量，将蒸汽流量作为前馈信号，与汽包水位组成前馈—反馈控制方式。
三冲量水位控制模式：监测汽包水位、蒸汽流量、给水流量，将汽包水位作为主控编练个，给水流量作为辅助被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号组成前馈—串级反馈控制方式，如下图所示。
三冲量水位控制实现方式：
1） 在异常情况下，如液位偏离正常值较大时，采用规则控制，可以快速恢复水位，保证锅炉的安全稳定运行。
2） 当水位控制和主蒸汽温度控制发生矛盾时，可根据矛盾的主要方面进行两者的协调控制。
3） 它包含给水流量控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路，实质上是蒸汽流量前馈与水位－流量串级系统组成的复合控制系统。当蒸汽流量变化时，锅炉汽包水位控制系统中的给水流量控制回路可迅速改变进水量以完成粗调，然后再由汽包水位调节器完成水位的细调。
■锅炉燃烧过程控制系统
锅炉燃烧过程有三个任务：给煤控制，给风控制，炉膛负压控制。保持煤气与空气比例使空气过剩系数在1.08左右、燃烧过程的经济性、维持炉膛负压，所以锅炉燃烧过程的自动调节是一个复杂的问题。对于35t锅炉来说燃烧放散高炉煤气，要求是最大限度地利用放散的高炉煤气，故可按锅炉的最大出力运行，对蒸汽压力不做严格要求；燃烧的经济性也不做较高的要求。这样锅炉燃烧过程的自动调节简化为炉膛负压为主参数的定煤气流量调节。
炉膛负压Pf的大小受引风量、鼓风量与煤气量（压力）三者的影响。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的安全。负压太大，炉膛漏风量增加，排烟损失增加，引风机电耗增加。根据多年的人工手动调节摸索，35t锅炉的Pf=100Pa来进行设计。调节方法是初始状态先由人工调节空气与煤气比例，达到理想的燃烧状态，在引风机全开时达到炉膛负压100Pa，投入自动后，只调节煤气蝶阀，使压力波动下的高炉煤气流量趋于初始状态的煤气流量，来保持燃烧中高炉煤气与空气比例达到最佳状态。保因此，锅炉燃烧过程自动控制系统按照控制任务的不同可分为三个子控制系统，即蒸汽压力控制系统、烟气氧量控制系统和炉膛负压控制系统。如下图所示
■过热蒸汽温度控制系统
过热蒸汽的温度是锅炉生产过程的重要参数，一般由锅炉和汽轮机生产的工艺确定。从安全生产和经济技术指标上看，必须控制过热蒸汽温度在允许范围之内。在35T锅炉计算机控制系统中，过热蒸汽温度控制系统设计为如下图所示。调节手段是改变减温水流量。从结构上看，这是一个简单的单回路控制系统，但是实际系统存在以下问题：锅炉的进水系统中实际有三台调节阀，即锅炉总给水阀(V1)、减温水阀(V2)和汽包给水支阀(V3)，如图3所示。因为这3个阀都控制给水量，将会通过图中进水交点处压力P的变化而产生关联作用。
■除氧器控制系统
除氧器控制系统包括除氧器压力和液位两个控制子系统。在35T锅炉计算机控制系统中，除氧器压力控制系统和除氧器液位控制系统都设计为单回路PI控制方式。在满足锅炉生产的实际要求的前提下，单回路PI控制方式具有结构简单、容易整定和实现等优点。除氧器控制系统的控制方案示意图如图4所示。
对于除氧器压力系统而言，当除氧器压力发生变化时，压力控制系统调节除氧器的进汽阀，改变除氧器的进汽量，从而将除氧器的压力控制在目标值上；同样，对于除氧器液位系统，当除氧器液位发生变化时，液位控制系统调节除氧器的进水阀，改变除氧器的进水量，从而将除氧器的液位控制在目标值上。
※软件系统※
以上控制系统一般由PLC或其它硬件系统完成控制，而在上位计算机中要完成以下功能
■系统功能：
实时准确检测锅炉的运行参数：为全面掌握整个系统的运行工况，监控系统将实时监测并采集锅炉有关的工艺参数、电气参数、以及设备的运行状态等。系统具有丰富的图形库，通过组态可将锅炉的设备图形连同相关的运行参数显示在画面上；除此之外，还能将参数以列表或分组等形式显示出来。
综合分析及时发出控制指令：监控系统根据监测到的锅炉运行数据，按照设定好的控制策略，发出控制指令，调节锅炉系统设备的运行，从而保证锅炉高效、可靠运行。
诊断故障与报警管理：主控中心可以显示、管理、传送锅炉运行的各种报警信号，从而使锅炉的安全防爆、安全运行等级大大的提高。同时，对报警的档案管理可使业主对于锅炉运行的各种问题、弱点等了如指掌。为保证 锅炉系统安全、可靠地运行，监控系统将根据所监测的参数进行故障诊断，一旦发生故障，监控系统将及时在操作员屏幕上显示报警点。报警相关的显示功能使用户定义的显示画面与每个点联系起来，这样，当报警发生时，操作员可立即访问该报警点的详细信息和按照所推荐采取的应急措施进行处理。
历史记录运行参数：监控系统的实时数据库将维护锅炉运行参数的历史记录，另外监控系统还。设有专门的报警事件日志，用以记录报警／事件信息和操作员的变化等。历史记录的数据根据操作人员的要求，系统可以显示为瞬时值，也可以为某一段时间内的平均值。历史记录的数据可有多种显示方式，例如曲线、特定图形、报表等显示方式；此外历史记录的数据还可以由以网络为基础的多种应用软件所应用。
计算运行参数：锅炉运行的某些运行参数不能够直接测量，如年运行负荷量、蒸汽耗量、补水量、冷凝水返回量、设备的累积运行时间等。监控系统提供了丰富的标准处理算法，根据所测得的运行参数，将这些导出量计算出来。
■实施方式
MCGS组态软件集控制技术、人机界面技术、图形技术、数据库、通讯技术于一体。其包括动态显示、历史趋势记录、报警、控制策略组件等。并提供一个友好的用户界面，使用户在不用编代码的情况下，即可生成需要的应用软件。
建立数据库：监控组态的工作首先是建立实时数据库，其前提是在完成连续控制图、梯形逻辑图的设计后，将相关的回路点、信号点、寄存器点、报警点等点名存入实时数据库。
界面组态：其中最重要的是流程图画面设计，用ACTIVE图库提供的绘图工具和丰富的图形等元素，来形成特定的人机界面。每台锅炉设计有9个操作画面`，具体是：锅炉本体流程图、调节系统画面、参数显示画面、电气操作画面、报表显示画面、综合趋势图画面、回路整定画面、报警总貌画面、设定参数画面。
报警组态：按工艺要求定义各报警点，并设置报警点的高低限，越限时会在报警总貌画面显示并发出声光信号。
报表组态：按工艺要求制作的班报表及月报表，即利用DDE方式将实时数据库的资料输出到EXCEL中生成报表数据，并进行相关的链接及设定打印时间，班报表自动打印，而月报表是人工操作打印。
历史趋势组态：用软件定义、采集、显示汽包水位、汽包压力、蒸汽流量、炉膛负压等重要参数的历史趋势数据，必要时可打印。
登录及权限组态：
操作员层：只能对设定好的画面进行切换、操作和监视，无权更改参数及退出和最小化系统。
工程师层：客队系统进行组态，参数设置、退出系统。
管理员层: 最高权限，可进行一切操作。
运行中可在监控站上对控制器参数进行设定、修改，但为保证系统安全，进入设定参数、历史数据查询、月报表制作等内容时，须输入密码后才能进入各画面进行操作。
菜单组态：所有换面的切换按钮、打印功能按钮、系统登录退出按钮、帮助按钮、系统时钟、操作员权限显示等功能按钮。
