基于plc的锅炉控制系统设计.doc

本科生毕业设计（论文）摘 要摘要也称内容提要，概括研究题目的主要内容、特点，文字要精练。中文摘要一般不少于400字，外文摘要的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锅炉是工业生产中的重要动力设备之一，它的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。随着工业的不断发展、规模不断扩大，生产过程不断的改革和强化，作为生产动力源的锅炉，也随着这些发展的需要而发展与改革，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的改革。同时，为了保证安全、稳定生产和节能，对锅炉的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的煤清洁燃烧技术之一，得到了较快的发展。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的污染，将对我国国民经济的发展和生态环境的保护均起到积极的作用可编程序控制器(programmable logic contoroller) 简称plc ,是以微处理器为核心,用于工业控制的计算机,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。目前城市供暖的锅炉在启停和运行的过程中都需要精确的实时控制，大多数锅炉系统的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,无法处理系统的模拟量,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的控制系统实现了循环流化床汽锅炉的自动控制，并实现了整个系统的优化控制。abstractfudan 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11.1 锅炉燃烧自动控制系统设计的意义及内容11.2 我国循环流化床锅炉的发展现状21.3 关于锅炉自动控制系统的发展趋势21.4 系统的经济可行性3第2章 系统设计的方案论证42.1 循环流化床锅炉的结构与原理42.1.1循环流化床的原理42.1 .2循环流化床锅炉的基本技术特点52.1 .3循环流化床锅炉的优点62.2系统整体方案的确定82.2 系统功能92.3 燃烧自动控制系统组成10第3章 plc型号及扩展单元的选型133.1 plc选型133.2 cpu选型、i/o分配及模块扩展14第4章 输出设备的选择184.1 现场仪表的选型184.1.1温度检测仪表的选型184.1.1 压力检测仪表的选型204.1.2 含氧量检测仪表的选型214.2 输出设备的选择234.2.1调节阀的选型234.2.2变频器的选型23第5章 软件编程285.1控制算法285.2流程图305.3梯形图32iii第1章 绪 论1.1 锅炉燃烧自动控制系统设计的意义及内容第1章 tc锅炉是国民经济中重要的供热设备。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也不一样，因此所需的锅炉容量，蒸汽参数，结构，性能方面也不相同。锅炉是供热之源，锅炉机器设备的任务在于安全，可靠，有效地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。通常，我们把用于动力，发电方面的锅炉称之为动力锅炉，把用于工业及采暖方面的锅炉成为供热锅炉，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，所生产的热水均不需要锅高温的压力和温度，容量也无需很大。随着生产的发展，锅炉设备日益广泛的用于工业的各个部门，成为发展国民经济的重要热工设备之一。从量大，面广这一角度来说，除电力以外的各行业中，主要运行的始终是小型低压锅炉。在我国社会主义现代化的建设中能源的增长大大落后于生产的增长。在国民经济日趋进步的今天，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，以提高能源的有效利用，有效的弥补能源供应方面的缺口，这是一迫切的任务。显然，面对量大，面广的供热锅炉，如何挖掘潜力，提高它的热效率，有着极为重要的实际意义。此外，是锅炉能因地制宜的有效地燃用地方燃料，并为满足环境保护的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，安全可靠的供热等课题，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的锅炉运行设备。通过加热炉热效率控制系统的调节，使燃料流量与空气流量调节回路参照各自对应的实测流量，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的关系，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的发展现状循环流化床锅炉是近十几年发展起来的一项高效、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，在当今日益严峻的能源紧缺和环境保护要求下，在国内外得到了迅速的发展，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。全国煤产量的25是含硫量超过2的高硫煤。优质煤集中在华北、西北，劣质煤多分布在中南、西南地区。目前积存下来的煤矸石达14亿吨，并以每年6千到7千万吨的数量增加。与此同时，因煤燃烧每年有87的so2和67nox排入大气，造成严重的环境污染。因此发展高效、低污染的清洁燃烧技术是当今社会持续发展的必然要求。1.3 关于锅炉自动控制系统的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，我国的电站控制水平是非常低的，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的保护逻辑为主。由于生产技术、管理水平，特别是材料、电子元件和工艺上的落后，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的设计，使得我国当时的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的要求。 八十年代初，作为国家十二项重大建设工程项目之一的300mw、600mw火电站项目开始启动，要求其控制系统由具有监控计算功能的计算机和能根据电网负荷调峰的协调控制系统组成，它的综合技术水平应相当于当时美国同类型电厂的实际装备水平。其技术性能指标和复杂程度大大超越了国内当时的水平。在当时的国务院重大办的领导下，在中央领导同志的直接关怀下，参加单位本着学习、引进、消化、吸收，最终实现国产化的原则开始了各方面工作。 随着我国从当时的美国燃烧工程（ce）公司引进亚临界控制循环锅炉制造技术，我们也从美国的几家公司引进了这种锅炉的自动控制设备，其中既包括控制策略（软件），也包括硬件。引进技术的第一套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的机组上。其中与锅炉紧密相关的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选用的是美国foxboro公司的spec-200组件式仪表，fsss选用的是美国ce公司的双列直插式cmos集成电路构成的逻辑组件，吹灰控选用了美国cv公司的以intel8085单板机为中心的控制系统，炉膛火焰和汽包水位tv都是美国diamond公司的产品。这些设备在当时还是比较先进的，系统应用软件的设计理念至今仍在指导我们的实践。 近二十年来，电子技术有了突飞猛进的发展，分散型控制系统（dcs）以它强大的技术优势和良好的性能价格比正在逐渐垄断大型过程控制系统的市场。dcs具有高可靠性、快速性、实时性和大容量的存储能力等特点，它的控制功能分散、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的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的工业生产的各个领域。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。从近年来建设的一些大型火电厂项目来看，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的趋势。 1.4 系统的经济可行性目前单plc的广泛应用及其产生的效益令人瞩目，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的控制器，该系统正是采用plc进行控制，另外，该系统在中所用到的变送器都是锅炉控制系统中常用的器件，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，本系统的性价比远远高出市面上其它的控制系统。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，降低看火工的劳动强度；利用plc实现了远程控制变频器的频率给定，避免远距离使用电位器易受干扰的缺点，同时数字显示变频器的输出频率。变频器实现电动机的软启动，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的频/工自动切换，大大在地提高了设备运行的可靠性，取得较好的效果第2章 系统设计的方案论证2.1 循环流化床锅炉的结构与原理2.1.1循环流化床的原理 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的过程，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的基础上发展起来的新炉型，它与鼓泡床锅炉的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的细小固体颗粒，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的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料的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的部分热量。由气流带出炉膛的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。燃烧系统的流程：原煤破碎，筛选后送煤斗，经计量式给煤机进入燃料室底，炉底来的一次风混合成，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的空气。石灰石粉经加料装置加入燃烧室主燃烧区，在料床温度为850950的较佳脱硫温度下与硫反应，生成比较稳定的硫化钙，除去煤中的硫，大大减少烟气中so2的排放量。燃烧室出口装有4组高温分离器，用于分离烟气与未燃尽的粗颗粒。分离出的颗粒经锥阀，根据控制床温，再热气温主参数的情况，调节直接返回锅炉的循环料量和经过加热器返回锅炉料量的比例。调节装有中温过热器的回料锥形阀，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。燃烧产生的灰渣，通过冷渣器冷却后排出。同时通过调节灰渣的排放量，来控制锅炉料床的高度，满足运行的安全，经济性要求。2.1 .2循环流化床锅炉的基本技术特点(1)低温的动力控制燃烧循环流化床燃烧是一种在炉内使高速运动的烟气与其所携带的湍流扰动极强的固体颗粒密切接触，并具有大量颗粒返混的流态化燃烧反应过程；同时，在炉外将绝大部分高温的固体颗粒捕集，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，燃料在炉膛内燃烧的时间延长了。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。这样的温度远低于普通煤粉炉中的温度水平，并低于一般煤的灰熔点，这就免去了灰熔化带来的种种烦恼。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，对灰特性的敏感性减低，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的脱硫工艺。从燃烧反应动力学角度看，循环流化床锅炉内的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，并有大量固体颗粒的强烈混合，这种情况下的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的主导因素。循环流化床锅炉内燃料的燃尽度很高，通常，性能良好的循环流化床锅炉燃烧效率可达9599以上。(2)高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程从图2.2中可看出，循环流化床锅炉内的固体物料（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的外循环。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的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的循环运行的动态过程中逐步完成的。 图2.2固体物料流态化循环过(3)高强度的热量、质量和动量传递过程在循环流化床锅炉中，大量的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，并可改变炉内物料的分布规律，以适应不同的燃烧工况。在这种组织方式下，炉内的热量、质量和动量传递过程是十分强烈的，这就使整个炉膛高度的温度分布均匀。2.1 .3循环流化床锅炉的优点 (1)燃料适应性广这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中按重量计，燃料仅占床料的13，其余是不可燃的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣等。因此，加到床中的新鲜煤颗粒被相当于一个“大蓄热池”的灼热灰渣颗粒所包围。由于床内混合剧烈，这些灼热的灰渣颗粒实际上起到了无穷的“理想拱”的作用，把煤料加热到着火温度而开始燃烧。在这个加热过程中，所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，因而对床层温度影响很小，而煤颗粒的燃烧，又释放出热量，从而能使床层保持一定的温度水平，这也是流化床一般着火没有困难，并且煤种适应性很广的原因所在。(2)燃烧效率高循环流化床锅炉的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，其次是飞灰的再循环燃烧。(3)高效脱硫由于飞灰的循环燃烧过程，床料中未发生脱硫反应而被吹出燃烧室的石灰石、石灰能送回至床内再利用；另外，已发生脱硫反应部分，生成了硫酸钙的大粒子，在循环燃烧过程中发生碰撞破裂，使新的氧化钙粒子表面又暴露于硫化反应的气氛中。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，钙的消耗量大一倍。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的特点。运行经验表明，循环流化床锅炉的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，此时空气中的氮一般不会生成nox ；二是分段燃烧，抑制燃料中的氮转化为nox ，并使部分已生成的nox得到还原。(5)燃烧强度高，炉膛截面积小炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的另一主要优点。其截面热负荷约为3.54.5mw/m2，接近或高于煤粉炉。同样热负荷下鼓泡流化床锅炉需要的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，循环流化床锅炉的负荷调节比可达（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，同时炉内优良的燃尽条件使得锅炉的灰渣含炭量低（含炭量小于1），属于低温烧透，易于实现灰渣的综合利用，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的提取。(8)床内不布置埋管受热面循环流化床锅炉的床内不布置埋管受热面，因而不存在鼓泡流化床锅炉的埋管受热面易磨损的问题。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的给煤粒度一般小于13mm，因此与煤粉锅炉相比，燃料的制备破碎系统大为简化。(10)给煤点少循环流化床锅炉的炉膛截面积小，同时良好的混合和燃烧区域的扩展使所需的给煤点数大大减少。既有利于燃烧，也简化了给煤系统。2.2系统整体方案的确定锅炉燃烧控制系统是一个复杂的控制过程，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，提高工业环境下的可靠性方向发展。它的特点如下：种类多型号全、低功耗、提供c51程序开发环境等。近年来，单片机的使用寿命在延长，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的设计，但外围电路设计复杂，不易实现；采用单片机的最大弊端是难以保证其可靠性，给整个系统的正常运行带来隐患。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的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，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的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，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的a/d转换及d/a转换。plc厂家都生产配套的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；系统的设计、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的种类繁多，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，采用了典型的计算机结构，它主要是由cpu、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。传统风机的电动机是全速运行，即不论生产工艺的需求量大小，该风机都提供给固定数值的风量，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，采用的方法是利用调节风门的大小来调节风量，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的状态下运行，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。使用变频调速风机的优点:实现风机的平滑轮起动、停止 ,降低起动电流 ,减少机械冲击给设备带来的影响 ,提高设备运行的可靠性 、稳定性 、安全性 ，对局部电网减少了冲击 ,保证电力供应的安全性 ；根据工艺要求的风量 ，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；变速运行下的风机不仅降低了噪音，,同时减少了机械磨损 ，延长了电机和风机的使用寿命，降低了维修成本和时间；特别值得一提的是节能效果显著。2.2 系统功能锅炉是发电过程中必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可以驱动透瓶，又可以作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断增大，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。锅炉燃烧控制系统又包含了很多小的子系统。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的控制系统。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的范围内，各个子控制系统分别通过不同的测量、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的一大关键问题，在锅炉燃烧系统中，希望燃料与空气成一定的比例，然而燃料的使用量取决于蒸汽量（负荷）的需要，通常用蒸汽的压力来反映。当蒸汽要求的量增加时，即使蒸汽的提取量增加时，蒸汽的压力降低，燃料要增加，为了保证燃料的完全燃烧，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，以保证空气的完全燃烧。燃烧控制系统需要具有的功能：1.维持过热器出口气压恒定；炉膛压力为某一定值；通过炉膛上的负压变送器将炉膛压力标准电信号送入引风变频器pid控制器的反馈通道,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的。引风电机速度随着炉膛负压值的变化而变化。即保证锅炉燃烧部分的自动运行。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的风量不能全部使用，采用挡板截流造成约30%的电能损耗。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的燃烧工况。通常根据主蒸汽压力的变化控制给煤量并控制炉排转速来控制煤在炉膛中的燃烧时间，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的情况，找出煤量和风量在不同负荷下的关系曲线，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的方法自动寻找最佳的燃烧工况。3.控制返料回灰量、床层温度和床高；通过调节返料风机的转速来控制返料回灰量的大小。调节装有中温过热器的回料锥形阀，则用于调节锅炉料床温度，同时通过调节灰渣的排放量，来控制锅炉料床的高度，满足运行的安全，经济性要求。2.3 燃烧自动控制系统组成根据系统的功能，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，通过控制电磁阀的开度、和电动机的转速，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的热工参数：1. 床温床温是指燃烧密相区内流化物料的温度。它是一个关系到锅炉安全稳定运行的关键参数。床温的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的返料量，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的参数。通常将所测得的风室与燃烧室上界面之间的压力差值作为料层差压的监测数值，在运行都是通过监视料层差压值来得到床高大小的。床高越大，测得的差压值亦越高。在锅炉运行中，床高会直接影响锅炉的流化质量，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的方法来调节。用户在使用过程中，应根据所燃用煤种设定一个料层差压的上限和下限作为排放底料开始和终止的基准点。 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，根据前面提到的循环流化床锅炉燃烧及传热的特性，返料量对循环流化床锅炉的燃烧起着举足轻重的作用，因为在炉膛里，返料灰实质上是一种热载体，它将燃烧室里的热量带到炉膛上部，使炉膛内的温度场分布均匀，并通过多种传热方式与水冷壁进行换热，因此有较高的传热系数，(其传热效率约为煤粉炉的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，返料量的多少与锅炉分离装置的分离效率有着直接的关系，也就是说，分离器的分离效率越高，分离出的烟气中的灰量就越大，从而锅炉对负荷的调节富裕量就越大，操作运行相对就容易一些。 4. 风量的调整 在锅炉运行过程中，许多用户往往只靠风门开度的大小来调节风量，但对于循环流化床锅炉来说，其对风量的控制就要求比较准确。对风量的调整原则是在一次风量满足流化的前提下，相应地调整二次风。因为一次风量的大小直接关系到流化质量的好坏，循环流化床锅炉在运行前都要进行冷态试验，并作出在不同料层厚度(料层差压)下的临界流化风量曲线，在运行时以此作为风量调整的下限，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。对二次风量的调整主要是依据烟气中的含氧量多少，通常以过热器后的氧量为准，一般控制在3-5%左右，如含氧量过高，说明风量过大，会增加锅炉的排烟热损失；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的情况，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，使锅炉达到最佳的运行效果，最大限度的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。当锅炉的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、火焰等的变化，其次才是蒸汽参数的变化。因此，监视和控制炉膛负压对于保证炉内燃烧工况的稳定、分析炉内燃烧工况、烟道运行工况、分析某些事故的原因均有极其重要的意义。所谓炉膛负压：即指炉膛顶部的烟气压力。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。故应保持炉膛负压在正常范围内。 当已知检测信号的情况下，锅炉的控制任务是:在用户蒸汽机需要的情况下，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，以取得最大的热效率。 图 2.3 硬件原理图第3章 plc型号及扩展单元的选型3.1 plc选型plc的种类繁多，按i/o点数容量分类有小型机、中型机和大型机。典型的小型机有siemens公司的s7-200系列、omron公司的cpm2a系列、mitsubishi公司的fx系列和ab公司的slc500系列等整体式plc产品。典型的中型机有siemens公司的s7-300系列、omron公司的c200h系列、ab公司的slc500系列等模块式plc产品。典型的大型plc有siemens公司的s7-400系列、omron公司的cvm1和cs1系列、ab公司的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的基本部件，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的一个基本单元（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，配有许多专用的特殊功能模块，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不同的配置。整体式结构的plc体积小，成本低，安装方便。模块式结构的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。各模块的功能是独立的，外型尺寸是统一的，可根据需要灵活配置。整体式plc每一个i/o点的平均价格比模块式的便宜，在小型控制系统中一般采用整体式结构。但是模块式plc的硬件组态方便灵活，i/o点数的多少、输入点数与输出死谙熟的比例、i/o模块使用等方面的选择余地都比整体式plc大的多，维修时更换模块、判断故障范围也方便，因此比较复杂的、要求比较高的系统一般采用模块式plc。根据本次设计的要求，plc的选型需要满足以下条件：1. 具有模拟量的采集、处理过程及开关量的输入/输出功能；2. 具有简单回路控制算法。一般的plc厂商都提供具有模拟量采集、处理过程和开关量输入/输出功能的不同型号和规格的产品，所以选择的范围很广泛。s7系列plc包括s7-200、s7-300和s7-400系列plc。s7-300与s7-400系列plc有多种性能级别的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的一种小型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 具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令、丰富的cpu 类型和电压等级，使其可以近乎完美地满足小规模的控制要求，解决用户的工业自动化问题,具有很强的适应性。s7-200plc的电源电压有（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。它的输出类型有晶体管（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周期更快的脉冲信号，实现高速计数。2路最大可达20khz的高频脉冲输出，可用以驱动步进电机和伺服电机以实现准确定位任务。可以用模块上的电位器来改变它对应的特殊寄存器中的数值，可以实时更改程序运行中的一些参数。3.2 cpu选型、i/o分配及模块扩展燃烧控制系统需要检测的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增加了通信口的数量，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的结构图图3.1是cpu224的输入输出单元的接线图。14个数字输入量是i0.0-i1.5，每个外部输入的开关信号均由各输入端子接出，m端接地，l+端子作为输入的公共端提供24v传感器电源，可以作为传感器的电源输出，也可以作为输入端的检测电源使用。10个数字输出量为q0.0-q1.1，每个负载的一端与输出点相连，另一端经电源与公共端相连，输出端的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，有很强的模拟力量和高速计数的处理能力。满足数字量的输出，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的输入通道，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。对于未用的输入通道应短接（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的输出通道，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路输出地址），em232具有两路模拟量输出，可以满足要求。各模块连接形式如图2.1模块1em235ai4/ao112位主机cpu224模块2em235ai4/ao112位模块4em232ao212位图 3.3 各模块连接方框图表3.1：各模块编址主机（i/o）模块1(i/o) em235模块2(i/o) em235模块3(i/o) em232i0.0 q0.0aiw0 aqw0aiw8 aqw4aqw8i0.1 q0.1aiw2aiw10aqw12i0.2 q0.2aiw4aiw12i0.3 q0.3aiw6aiw14i0.4 q0.4i0.5 q0.5i0.6 q0.6i0.7 q0.7i1.0 q1.0i1.1 q1.1i1.2i1.3i1.4i1.5表3.2 输入输出点地址编码名称代码地址编号输入信号停止按钮sb1i0.0给风机启动按钮sb2i0.1给风机停止按钮sb3i0.2给煤机启动按钮sb4i0.3给煤机停止按钮sb5i0.4引风机启动按钮sb6i0.5引风机停止按钮sb7i0.6炉床温度传感器sw1aiw0炉床温度传感器sw2aiw2料层差压传感器sd1aiw4炉膛微负压传感器sd2aiw6出口氧气含量syaiw8输出信号床温上限报警hl0q0.0床温下限报警hl1q0.1床高上限报警hl2q0.2床高下限报警hl3q0.3给风电机接触器km1q0.4引风电机接触器km1q0.5给煤机接触器km3q0.6排渣管电磁阀yv1q0.7给煤电机频率z1aqw0给风电机频率z2aqw4引风电机频率z3aqw8返料调节阀控制模拟电流c1aqw12第4章 输出设备的选择4.1 现场仪表的选型4.1.1温度检测仪表的选型方案一：采用热电阻温度传感器。热电阻虽然在工业中应用也比较广泛，但是由于他的测温范围使他的应用受到了一定的限制，热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。其优点也很多，也可以远传电信号，灵敏度高，稳定性强，互换性以及准确性都比较好，但是需要电源激励，不能够瞬时测量温度的变化。工业用热电阻一般采用pt100、pt10、cu50、cu100，铂热电阻的测温的范围一般为零下200-800摄氏度，铜热电阻为零下40到140摄氏度。热电阻和热电偶一样的区分类型，但是它却不需要补偿导线，而且比热点偶便宜。方案二：采用热电偶温度传感器。热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，他的主要特点就是测吻范围宽,性能比较稳定，同时结构简单,动态响应好,更能够远传4-20ma电信号,便于自动控制和集中控制。热电偶的测温原理是基于热电效应。将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，这种现象称为热电效应，又称为塞贝克效应。闭合回路中产生的热电势有两种电势组成：温差电势和接触电势。温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电势，不同的导体具有不同的电子密度，所以他们产生的电势也不相同；而接触电势顾名思义就是指两种不同的导体相接触时，因为他们的电子密度不同所以产生一定的电子扩散，当他们达到一定的平衡后所形成的电势。接触电势的大小取决于两种不同导体的材料性质以及他们接触点的温度。目前国际上应用的热电偶具有一个标准规范，国际上规定热电偶分为八个不同的分度，分别为b、r、s、k、n、e、j和t，其测量温度最低可测零下270摄氏度，最高可达1800摄氏度，其中b、r、s属于铂系列的热电偶，由于铂属于贵重金属，所以他们又被称为贵金属热电偶。而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。热电偶的结构有两种，普通型和铠装型。普通型热电偶一般由热电极，绝缘管，保护套管和接线盒等部分组成；而铠装型热电偶则是将热电偶丝，绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后，经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。但是热电偶的电信号却需要一种特殊的导线来进行传递，这种导线我们称为补偿导线。不同的热电偶需要不同的补偿导线，其主要作用就是与热电偶连接，使热电偶的参比端远离电源，从而使参比端温度稳定。补偿导线又分为补偿型和延长型两种，延长导线的化学成分与被补偿的热电偶相同，但是实际中，延长型的导线也并不是用和热电偶相同材质的金属，一般采用和热电偶具有相同电子密度的导线代替。补偿导线的与热电偶的连线一般都是很明了，热电偶的正极连接补偿导线的红色线，而负极则连接剩下的颜色。一般的补偿导线的材质大部分都采用铜镍合金。经过对以上两种传感器的比较，设计选用热电偶来对温度进行测量。由于循环流化床锅炉运行环境恶劣，测点温度高、振动、磨损严重，造成温度测量困难，普通金属热电偶使用时易蠕变，寿命短、易烧弯、磨透，所以选用潍坊才亿科技贸易有限公司生产的循环流化床专用耐磨热电偶。产品采用德国htc材料生产而成。保护管材料硬度大，仅次于金刚石。耐急冷急热性非常好，常温加热到900，水冷至常温需800次才破裂。当温度超过1000后，本身的机械强度和抗氧化能力呈增强趋势。因此，具有高硬度、高强度、高耐磨、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、耐急冷急热、导热好和抗高温蠕变等特性。在国内多家循环流化床锅炉上使用证明，最低可连续使用2年以上。表4.1：cfb锅炉热电偶技术特性：类 别代号分度号测量范围（）允差镍铬镍硅wrnk012002.5或0.75%t因为热电偶不能输出直流的标准信号，设计还需要为热电偶选择合适的温度变送器将，热电偶输出的信号经变送器转变成标准的直流信号后，输出到plc得模拟模块输入端子，实现对温度参数的自动控制。在检测温度时在炉膛内部使用两支热电偶，取其检测的平均温度作为炉膛温度。温度变送器与模拟量扩展模块连接图如图所示。 采用北京华德公司的hd01系列温度变送器。hd01系列温度变送器是一种将温度传感器(热电阻和热电隅信号)，经全隔离放大转换成标准直流信号， 从而实现对被测信号精确测量的仪器。该变送器输入/输出/电源三方全隔离，抗工业现场干扰，输入、输出选择范围宽，导轨安装便于检测与维护。广泛用于各种对温度进行测量的监控系统中，输出信号可接数显仪表、plc、变频器等设备，并对终端接收设备起保护作用。表：4.2温度变送器技术特性型号输入信号