基于组态软件的供暖锅炉监控系统设计

1、基于组态软件的供暖锅炉监控系统设计 摘 要 工业锅炉是采暖供热系统的核心设备，它的主要任务是安全可靠、经济有效 地把燃料的化学能转化为热能，进而将热能传递给水，生产出满足需要的蒸汽或热水。 本文主要介绍的是通过组态软件（MCGS）做成的一套锅炉监控系统。大家都知道我们可以把锅炉分为三个相对独立的环节去控制：燃烧系统的控制，汽包液位的控制，过热蒸汽温度的控制。本文也采用了这样的分环节控制的方法。首先，用炉膛内的压力与饱和蒸汽的压力组成串级控制系统去控制燃料的供给量，继而控制了燃烧系统。当然为了安全起见我们还必须用一个压力传感器去测量炉膛内的压力。其次，用饱和蒸汽的温度和汽包的水位组成串级控制去控

2、制给水量，继而控制汽包的水位。最后，用过了减温器的蒸汽的温度与过热后的蒸汽的温度组成串级控制去控制减温水的供给量，继而控制过热蒸汽的温度。该系统具有数据采集实时控制，在线查询等功能，同时能够通过一些简单的传统控制（PID 控制）对其进行相对稳定的控制。本文针对过路系统三个环节中的每个环节的单独控制（燃烧系统控制，汽包液位控制，过热蒸汽温度控制），得到了比较稳定的锅炉系统，同时又对其进行了较为良好的监控。关键词：组态软件；锅炉；串级控制；安全目录第1章 引 言 . 11.1 锅炉研究的背景和意义 .1 1.2 锅炉研究的现状和存在的问题. 第 2 章 MCGS 组态软件介绍.4 2.1 MCGS

3、 简介 . 4 2.2 MCGS 的功能和特点 . 5 2.3 MCGS 的构成 . 7 2.4 MCGS 的工作方式 . 7 2.5 MCGS 的操作方式 . 9 2.6 组建工程的一般过程.11 第 3 章 锅炉工艺流程 . 3.1 锅炉工艺流程简介 .14 3.2 锅炉控制中的控制参数 .15 3.2.1 锅炉中的主要控制参数 .15 3.2.2 锅炉参数之间的内在关系 . 15 3.3 锅炉设备的控制系统 .16 3.3.1 锅炉汽包水位控制 . 163.3.2 锅炉燃烧系统的控制 .16 3.3.3 过热蒸汽系统的控制 . 17 3.4 相关对象的动态特性 .18 3.4.1 汽包水

4、位的动态特性 . 18 3.4.2 压力的动态特性 . 20 第 4 章 锅炉监控系统设计 .23 4.1 设计方案 . 23 4.1.1 汽包水位控制系统设计 .23 4.1.2 燃烧控制系统的设计 . 24 4.1.3 过热蒸汽温度控制 .25 4.2 工程的组态 .26 4.2.1 基于 MCGS 组态软件的人机界面图 .26 4.2.2 组态过程 .28 4.3 脚本程序说明 .31 4.4 系统简介 .32 4.4.1 监控系统的功能 .32 4.4.2 实施方式 .34 第5章 MCGS 环境下系统的模拟运行结果. 36第 6 章 仪表选型、清单及概算 .40 6.1 仪表选型 .

5、40 6.1.1 执行器 .406.1.2 温度测量仪表的选型 . 40 6.1.3 压力测量仪表的选型 .41 6.1.4 液位测量仪表的选型 .41 6.2 仪表清单 .43 6.3 工程概算 . 43 第7章 结束语 . 44参考文献 . 45 致 谢 . 47第1章 引 言1.1 锅炉研究的背景和意义 工业锅炉是采暖供热系统的核心设备，它的主要任务是安全可靠、经济有效 地把燃料的化学能转化为热能，进而将热能传递给水，生产出满足需要的蒸汽或 热水。 我国目前在役运行的工业锅炉共约有 52 万台，多为燃煤链条炉，它们的 特点是应用广，容量小(绝大多数都是 10 t/h 以下的分散锅炉)，设

6、备陈旧，耗煤 (或油、气)量大(年耗煤量占全国总耗煤量的三分之一)，效率低(平均约为 60%)， 自动化程度不高。另外由燃料燃烧产生的烟尘、SOX,NOX 等对环境造成了严重污染。 随着对生产自动化要求渐高的趋势，改变工业锅炉运行中传统的手动、半自动操 作方式已势在必行尤其是近年来我国北方各大城市承受着持续低温天气和煤炭价 格大幅度上涨的压力，还要面对供热标准。 工业供暖锅炉的安全运行显的越来越是重要，那么这就要我们用一些方法来 监控锅炉的运行。并且在出现异常的情况下能够马上显示出来，这样以便于我们 进行整修。所以为了供暖锅炉能够安全有效的运行，我们必须对它进行监控，这 就是我们经常说的供暖锅

7、炉监控控制系统1。1.2 锅炉研究的现状和存在的问题随着信息技术的发展，远程教育中的重要组成部分远程实验系统获得了 越来越多的关注。作为控制类学科的典型实验对象锅炉控制系统也成了远程 实验研究的焦点。现在，绝大多数高校都是购买现成的工控机和成套的实验控制 对象以及相应的控制软件(多为组态软件)，成本很高，而且产品功能也不十分完 善，灵活性差，实验结果不理想。例如：学生们做 PID 锅炉水位定值调节实验时，只能设定 P、I、D 的参数值，然后看下实验的运行结果就行了，这样学生们就不 容易深刻理解实验背后较深的控制理论知识，不利于专业素养的培养，也不能适 应现代高校控制类相关专业的教学需要和实验教

8、学的发展趋势。因此，开发一种 功能完善 、灵活性好，且能够进行自主设计型实验的远程实验监控软件就很有必 要。我们选用组态软件（MCGS）作为锅炉控制系统远程实验监控软件的开发工具。 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、 环境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2 。 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

9、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以及阀等，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

10、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3。随着计算机控制系统的发展和成熟，国外发达国家的工业锅炉已经应用了成 熟的 DCS 或 FCS 产品，如霍尼威尔 9000、西门子 Teleperm-D、SMAR Sytem302 等 系统,并取得了良好的效果。我国工业锅炉平均单机容量只有 2.4t/h，远低于国外 水平（日本为 5t/h，美国为 14t/h)，容量还不足以大到使用国外成套昂贵设备的 程度。近十年来，国内中小型工业锅炉计算机控制系统多采用两级方式，即监管 级和控制级，监管级进行监视和管理，控制级完成数据采集和控制功能4。第 2 章 MCGS 组态软件介绍2.1MCG

11、S 简介计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间， 用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断、 双机设备等先进技术，使系统更加安全可靠，在这方面，MCGS 工控组态软件将为 您提供强有力的软件支持。 MCGS 全中文工业自动化控制组态软件（以下简称 MCGS 工控组态软件或 MCGS） 为用户建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案。MCGS 工控组态软件是一 套 32 位工控组态软件，可稳定运行于 Windows95/98/NT 操作系统，集动画显示、 流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机设备、工程报表、 数据与曲线等诸

12、多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备，广 泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、材 料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验 室等多种工程领域。 MCGSWW 服务器版本，集工业现场的集散控制和各类历史、实时数据及相关曲 线的 WWW 发布于一体，可以解决整个企业的 Internet/Intranet 方案，也可以非 常方便的与您已有的企业网络相衔接，让您从具体的技术环节和繁杂的数据堆中 脱身，随时随地掌握工业现场与企业运营状态，了解所需的各项信息，大幅度提 高工作效率，实现成功决策。MCGS 组态软件帮助系统能够帮助

13、您掌握 MCGS 工控组态软件的基本操作与用 法，并协助您圆满完成工作。2.2 MCGS 的功能和特点MCGS 即"监视与控制通用系统"，英文全称为 Monitor and Control Generated System。MCGS 是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具 有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。它的特点可以归结 成以下几点： （1） 概念简单，易于理解和使用。 普通工程人员经过短时间的培训就能正 确掌握、快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。用 户可避开发复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问 题，按

14、照系统的规定，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的 上位机监控系统。（2） 利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面。 以图像、图符、数据、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行 中的状态、品质及异常报警等有关信息。变化大小、改变颜色、明暗 闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果。图元、图符 对象定义相应的状态属性，即可实现动画效果。同时，MCGS 为用户提 供了丰富的动画构件， 模拟工程控制与实时监测作业中常用的物理器 件的动作和功能。每个动画构件都对应一个特定的动画功能。如：实 时曲线构件、历史曲线构件、报警显示构件、自由表格构件等。 （3） 引入“运行策

15、略”的概念。复杂的工程作业， 运行流程都是多分支的。 用传统的编程方法实现，既繁琐又容易出错。MCGS 开辟了“策略窗 口”，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的“策略构件”，图形化的方法构造多分支的应用程序，实现自由、精确地控制运行 流程，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或 关闭，与实时数据库进行数据交换。同时，也可以由用户创建新的 策略构件，扩展系统的功能。 （4） MCGS 系统由五大功能部件组成，主要的功能部件以构件的形式来构造。 不同的构件有着不同的功能，且各自独立。三种基本类型的构件 （设备构件、动画构件、策略构件）完成了 MCGS 系统三大部分（设 备驱动、动

16、画显示和流程控制）的所有工作。用户也可以根据需要， 定制特定类型构件， MCGS 系统的功能得到扩充。 使 这种充分利用 “面 向对象”的技术，大大提高了系统的可维护性和可扩充性。 （5） 支持 OLE Automation 技术。 MCGS 允许用户在 Visual Basic 中操作 MCGS 中的对象， 提供了一套开放的可扩充接口， 用户可根据自己的需 要用 VB 编制特定的功能构件来扩充系统的功能。（6） MCGS 中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。 组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报 警信息的存储也是一个数据库。利用数据库来保存数据和处

17、理数据， 提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其它应用软件系统能直 接处理数据库中的存盘数据。 （7） 设立“对象元件库”，解决了组态结果的积累和重新利用问题。 所谓 对象元件库，实际上是分类存储各种组态对象的图库。组态时，可把 制作完好的对象（包括图形对象，窗口对象，策略对象，以至位图文件等等） 以元件的形式存入图库中， 也可把元件库中的各种对象取出， 直接为当前的工程所用。随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和 丰富，组态工作将会变得越来越简单方便。 （8） 提供对网络的支持。 考虑到工控系统今后的发展趋势， MCGS 充分运用 现今发展的 DCCW(Distributed Compu

18、ter Cooperator Work)技术，即分布式计算机协同工作方式， 来使分散在不同现场之间的采集系统和 工作站之间协同工作。通过 MCGS， 不同的工作站之间可以实时交换数据，实现对工控系统的分布式控制和管理。2.3 MCGS 的构成MCGS 组态软件（以下简称 MCGS）由“MCGS 组态环境”和“MCGS 运行环境” 两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。 MCGS 组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序 McgsSet.exe 支持，其存放于 MCGS 目录的 Program 子目录中。用户在 MCGS 组态环境中完成动 画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打

19、印报表等全部组态工作后，生成 扩展名为.mcg 的工程文件，又称为组态结果数据库，其与 MCGS 运行环境一起， 构成了用户应用系统，统称为“工程” MCGS 运行环境是用户应用系统的运行环境， 由可执行程McgsRun.exe 支持， 其存放于 MCGS 目录的 Program 子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。2.4 MCGS 的工作方式（1）MCGS 与设备的通信 MCGS 通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由 VB 程序设计语言编写的 DLL（动态连接库）文件，设备 驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的

20、特征数据 采集进来或发送出去。MCGS 负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据 传送到工程中各个部分，完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程， 达到互不干扰的目的。 （2）MCGS 如何产生动画 MCGS 为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画 属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效 果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状 态的特征参数。然而，我们在组态环境中生成的画面都是静止的，如何在工程运 行中产生动画效果呢？方法是：图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设 定栏，在该栏中设定一个与

21、图形状态相联系的数据变量，连接到实时数据库中， 以此建立相应的对应关系，MCGS 称之为动画连接。当工业现场中测控对象的状态 （如：储油罐的液面高度等）发生变化时，通过设备驱动程序将变化的数据采集 到实时数据库的变量中，该变量是与动画属性相关的变量，数值的变化，使图形 的状态产生相应的变化（如大小变化） 。现场的数据是连续被采集进来的，这样就 会产生逼真的动画效果（如储油罐的液面的升高和降低） 。用户也可编写程序来控 制动画界面，以达到满意的效果。 （3）MCGS 如何对工程运行实施有效控制 MCGS 开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。MCGS 提供了丰富 的功能构件，供用户选用

22、，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”，使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据 ） 库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有 的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作。2.5 MCGS 的操作方式（1）系统工作台面 它是 MCGS 组态操作的总工作台。鼠标双击 Windows95/98/NT 工作台面上的 “MCGS 组态环境”图标，或执行“开始”菜单中的“MCGS 组态环境”菜单项，弹 出的窗口即为 MCGS 的工作台窗口，设有： 标题栏：显示“MCGS 组态环境-工作台”标题、工程文件名称和所在目录。 菜单条

23、：设置 MCGS 的菜单系统。参见“MCGS 组态软件用户指南”附录所MCGS 菜单及快捷键列表。 工具条：设有对象编辑和组态用的工具按钮。 工作台面：进行组态操作和属性设置。上部设有五个窗口标签，分别对应主 控窗口、用户窗口、设备窗口、运行策略和实时数据库五大窗口。鼠标单击标签 按钮，即可将相应的窗口激活，进行组态操作；工作台右侧还设有创建对象和对 象组态用的功能按钮。 （2）组态工作窗口 它是创建和配置图形对象、数据对象和各种构件的工作环境，又称为对象的编 辑窗口。主要包括组成工程框架的五大窗口，即：主控窗口，用户窗口，设备窗 口，运行策略窗口，实时数据库窗口。分别完成工程命名和属性设置、

24、动画设计、 设备连接、编写控制流程、定义数据变量等项组态操作。（3）属性设置窗口它是是设置对象各种特征参数的工作环境，又称属性设置对话框。对象不同， 属性窗口的内容各异，但结构形式大体相同。主要由下列几部分组成： 窗口标题：位于窗口顶部，显示“××属性设置”字样的标题。 窗口标签：不同属性的窗口分页排列，窗口标签作为分页的标记，各类窗口 分页排列，鼠标单击窗口标签， 即可将相应的窗口页激活，进行属性设置。 输 入 框：设置属性的输入框，左侧标有属性注释文字，框内输入属性内容。 为了便于用户操作，许多输入框的右侧带有“？”“”“” 等标志符号的选 、 、 项按钮，鼠标单击此按

25、钮，弹出一系列表框，鼠标双击所需要的项目，即可将其 设置于输入框内。 选 项 钮：带有“”标记的属性设定器件。同一设置栏内有多个选项钮时， 只能选择其一。 复 选 框：带有“”标记的属性设定器件。同一设置栏内有多个选项框时， 可以设置多个。 功能按钮：一般设有“检查C” “确认Y” “取消N”“帮助H”四种 、 、 、 按钮： “检查C”按钮用于检查当前属性设置内容是否正确； “确认Y”按钮用于属性设置完毕，返回组态窗口； “取消N”按钮用于取消当前的设置，返回组态窗口； “帮助H”按钮用于查阅在线帮助文件。 （4）图形工具箱 系统图形工具箱：进入用户窗口，鼠标点击工具条中的“工具箱”按钮，打

26、 开图形工具箱，其中设有各种图元、图符、组合图形及动画构件的位图图符。利 用这些最基本的图形元素，可以制作出任何复杂的图形。参见“MCGS 组态软件用 户指南” 。 设备构件工具箱：进入设备窗口，鼠标点击工具条中的“工具箱”按钮，打 开设备构件工具箱窗口，其中设有与工控系统经常选用的测控设备相匹配的各种 设备构件。选用所需的构件，放置到设备窗口中，经过属性设置和通道连接后， 该构件即可实现对外部设备的驱动和控制。 策略构件工具箱：进入运行策略组态窗口，鼠标点击工具条中的“工具箱” 按钮，打开策略构件工具箱，工具箱内包括所有策略功能构件。选用所需的构件， 生成用户策略模块，实现对系统运行流程的有

27、效控制。 对象元件库：对象元件库是存放组态完好并具有通用价值动画图形的图形库 便于对组态成果的重复利用。进入用户窗口的组态窗口，执行“工具”菜单中的 “对象元件库管理”菜单命令，或者打开系统图形工具箱，选择“插入元件”图 标，可打开对象元件库管理窗口，进行存放图形的操作。2.6 组建工程的一般过程（1）工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程， 弄清系统的控制流程和测控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工 程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量 是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。 （2）工程立项搭建框架

28、：MCGS 称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定 存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作， 即在 MCGS 组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗 口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。 （3）设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度 和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建 菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实 际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。 （4）制作

29、动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过 程。前一部分类似于“画画” ，用户通过 MCGS 组态软件中提供的基本图形元素及 动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的 动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的 驱动源。 （5）编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功 能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块） ，由这些模块实现各种人机交互操 作。MCGS 还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件） ，使 用简单的编程语言，编写工程控制程序。 （6）完善菜单按钮功能：包括对菜单命令

30、、监控器件、操作按钮的功能组态； 实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工 程安全机制等。 （7）编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。 （8）连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确 定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。 （9）工程完工综合测试：最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的 组态工作，实施工程交接。第 3 章 锅炉工艺流程3.1 锅炉工艺流程简介锅炉是化工，炼油，发电等工业生产工程中必不可少的动力设备。常见的锅 炉设备的主要工艺流程如图 3.1 所示

31、。燃料和空气按照一定的比例送入燃烧室燃 烧，生产的热量送给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定 气温的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经负荷设备控制 供给负荷设备用，与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变为过热蒸 汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱， 排入大气 3.1 锅炉设备主要工艺流程图3.1 锅炉设备主要工艺流程图3.2 锅炉控制中的控制参数3.2.1 锅炉中的主要控制参数 锅炉是全厂的重要动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉发汽量适应 负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制5。锅炉设备是

32、一 个复杂的被控对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水，减温水，送风和引风等。 主要的输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度，炉膛负压，过剩空气等。 锅炉对象简图如图 3.2 所示：3.2.2 锅炉参数之间的内在关系 锅炉的这些输入变量和输出变量之间相互关联。如果蒸汽负荷发生变化，必将会引起汽包水位，蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。燃料量的变化不仅影响 蒸汽压力，同时还会影响汽包水位，过热蒸汽温度，过热空气和炉膛负压；给水 量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力，过热蒸汽温度也有影响；减温水 的变化会导致过热蒸汽温度，蒸汽压力，汽包水位等的变化。所以锅炉设备是一 个多输入多输出且相互关联的被

33、控对象6。3.3 锅炉设备的控制系统由于锅炉设备是一个多输入，多输出的且相互关联的被控对象，目前工程处 理上做了一些假设后，将锅炉设备控制划为若干控制系统，主要的控制系统可分 为锅炉汽包水位控制，锅炉燃烧系统控制，过热蒸汽温度的控制。 3.3.1 锅炉汽包水位控制 被控变量是汽包水位，操纵变量是给水量。它主要考虑的是汽包内部的物料 平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。维持汽 包水位在给定范围内室保证锅炉安全运行的重要条件之一，是锅炉运行的重要指标。 如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而且负荷却很大，水的汽化速度 又快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致

34、锅炉烧坏和爆炸；水位 过高会影响汽包汽水分离，产生蒸汽带液现象，会使过热器管壁结垢导致破坏， 同时过热蒸汽温度急剧下降，该蒸汽作为汽轮机动力的话，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全与经济性。汽包水位过高过低的后果极为严重，所以必须严格加以控制。 3.3.2 锅炉燃烧系统的控制锅炉燃烧控制系统的控制的目的是使燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要 (常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证经济 燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；要让引风量和送风量相 适应，以保持炉膛负压在一定范围内。为了达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃料量，送风量和引风量。 锅

35、炉燃烧控制系统的基本任务是使燃料所产生的热量能够适应锅炉的需要， 同时还要保证锅炉安全经济的运行。燃烧控制的具体内容及控制系统设计因燃料 种类，制粉系统，燃烧设备以及锅炉的运行方式不同而有所区别，但是大体上看 来都要完成以下几个方面的任务: （1） 主蒸汽压力的变化反映了锅炉生产的蒸汽量和汽机消耗的蒸汽量相适应的 程度。为此必须设置蒸汽压力控制系统。当负荷变化时，通过控制燃料量 使蒸汽压力稳定。 （2） 当燃料量改变时，必须相应地控制送风量，以保证燃烧过程的经济性（3） 炉膛压力的高低关系着锅炉的安全经济运行。燃烧控制系统必须要让引风 量（烟气量）与送风量相配合以保证炉膛压力为一定值。 3.3

36、.3 过热蒸汽系统的控制 维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。 被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温水的喷水量。现代锅炉的过热器在高温高压条件下工作。过热器出口温度是全厂工质温度 的最高点，也是金属壁温的最高点，在过热器正常运行时已接近材料允许的最高 温度。如果过热蒸汽温度过高，容易烧坏过热器，也会引起汽轮机内部零件过热，影响安全运行；温度过低则会降低全厂的热效率，所以电厂锅炉一般要求过热蒸 汽温度偏差保持在 ± 5 C 以内。过热蒸汽温度自动控制系统是锅炉控制中的难点。目前，很多实际系统并没 有达到控制指标的要求。其主要原因有下述的两个方面：

37、（1） 扰动因素多变化大。各种扰动因素对过热蒸汽温度的静态影响的关系我们 要弄清楚。（2） 控制通道滞后大。控制过热蒸汽温度的手段是调节减温水量。控制通道的 动态特性与减温器的安装位置有关。假若能将减温器安装在过热器的出口， 显然控制通道的滞后小的多。但是这样的工艺流程安排对过热器的安全是 不利的。为了保证过热器不超温，工艺上总是将减温器安装在过热器的入 口，这将带来控制对象较大的滞后7。3.4 相关对象的动态特性3.4.1 汽包水位的动态特性（1）蒸汽负荷对水位的影响即干扰通道的动态特性 在燃料不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时必然导致汽包压力下降，汽 包内的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加

38、，将整个水位抬高，形成虚假的水位上 升现象即所谓的假水位现象。 在蒸汽量的扰动下，水位变化的阶跃响应曲线如图 3.3 所示。当蒸汽流量突 然增加时，由于假水位现象，在开始阶段水位不仅不会下降反而会上升，而后下 降（反之，当蒸汽流量突然减小时，则水位先下降后上升） 。蒸汽突然增加时，实 际的水位变化 H，是不考虑水面下气泡容积变化时的水位变化 H1，与只考虑水面图 3.3 水位变化的阶跃响应曲线 下气泡容积变化所引起水位变化 H2 的叠加，即H = H1 + H2(3.1)假水位变化的大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关，例如一般 100-300t/h 的中 高压锅炉，当负荷突然变化 10%时，假

39、水位可达 30-40mm。对于这种假水位现象， 在设-*计方案时必须注意8。 （2） 给水量对水位的影响，即控制通道的动态特性 在给水流量作用下，水位的阶跃响应如图 3.4 所示。把汽包和给水看作单容 自衡对象，水位响应曲线如图 3.4 中的 H1 线。但是由于给水温度比汽包内饱和水 的温度低，所以给水量变化后，使汽包中的气泡减少，导致水位下降。因此使劲 的响应曲线是图 3.4 中的 H 线，即当突然加大给水量后，汽包水位不是立即增加， 而是要呈现出一段起始惯性段。图 3.4 给水流量作用下水位的阶跃响应曲线 3.4.2 压力的动态特性 （1）气压的动态特性 气压对象由一系列装置组成，它包括给

40、煤机，炉膛，汽水系统，过热器，汽轮 机进气阀和汽轮机。在燃料量和风量同时变化时对发气量基本上是一个纯滞后环 节。汽包的压力对象，反映过热器的过热蒸汽压力对象都是一个积分环节。其它 的都可以看做是一个比例环节。但是需要指出的是气压的动态特性是与汽轮机调 速运行系统的运行情况有关的。当然主蒸汽压力的变化反映了锅炉生产的蒸汽量 和汽轮机消耗的蒸汽量相适应的程度，为此我们要设置蒸汽压力控制系统，这也 是有气压的动态特性决定的。这里所指的气压是燃料量扰动下的气压和负荷扰动 下的气压9。 （2）炉膛压力对象特性 为了保证炉膛安全，一般要求炉膛压力略小于大气压力，所以炉膛压力一般 称之为炉膛负压。炉膛负压放

41、映了引风量与送风量之间的平衡关系。当送风量或引风量单独改变时，炉膛负压惯性变化很小，故可以将炉膛负压对象近似看成是 一个时间常数很小的一阶惯性环节。 （3）关于经济燃烧 众所周知，对于燃烧过程应保持燃料量与空气量成比例。但是假若配置的是 燃料量与空气量固定的比值控制系统，却因为以下原因，并不能保证在整个生产 过程中始终保持经济燃烧。因为其一，在不同的负荷下，两流量的最优比值是不 相同的；其二，燃料成分（如含水分，灰分的量）有可能变化；其三，流量测量 的不准确。这些因素都不同程度的影响到燃料的不完全燃烧或空气的过量，造成 炉子热效率下降。为了改进这一情况，最好有一个指标来闭环修正两流量的比值。

42、目前常用的是烟气中的含氧量。 烟气中的各种成分，如 O2,CO2,CO 和未燃烧烃的含量，基本可以反映燃料燃烧 的情况，最简便的方法是用烟气中的氧量 A0 来表示。根据燃烧反应方程式，可以 计算出使燃料完全燃烧时所需要的氧量，从而可以得到所需的空气量，称为理想 空气 QT。但是实际上完全燃烧所需的空气量 QP，要超过理论计算的量，即要有一 定的过剩空气量。由于烟气的热损失占锅炉热损失的绝大部分，当过剩空气增多 时，一方面使炉膛温度降低；另一方面使烟气热损失增多。因此过剩空气量对不 同的燃料都有一个最优值，以满足经济燃烧的要求10。 过剩空气量常用过剩空气系数 来表示，即实际空气量 QP 与理论

43、空气量 QT 之 比为： = QP/QT (3.2)因此， 是衡量经济燃烧的一种指标。保证锅炉热效率最高的 值称为最佳 值，最佳 值与锅炉负荷有关，一般 在 1.2-1.4 之间。 很难直接测量，但是可用烟气氧含量百分数 A0 来衡量。在完全燃烧情况下，存在以下近似式 = 21/(21-A0)当 =1.2-1.4 时，相应 A0 为 3.5-6（O2%）.最佳的氧量值与负荷关系为 (3.3) A0 = 6-D/50式中，D 为负荷百分数。第 4 章 锅炉监控系统设计4.1 设计方案由于锅炉是一个复杂的控制对象，所以我们要想对其进行全面的监控是很难 做到的，在前面我们也都讲过锅炉可以分成为若干个

44、控制环节进行控制，所以我 们设计的时候也要这么考虑。在本文中我们是将锅炉控制分为三个环节，但是这 三个环节并不是孤立的，它们之间也是相互关联的。下面我们就将三个环节的设 计方案一一介绍。 4.1.1 汽包水位控制系统设计前面我们已经说过液位对于整个系统的重要性，这里我们就不做叙述了。汽 包水位的控制手段主要是控制给水量，基于这一原理我们可以用汽包的液位去控 制给水量，这样构成的是单回路控制系统。但是由于这样控制下，控制效果并不 理想，所以我们可以再引入饱和蒸汽温度这个量，蒸汽的温度越高说明炉膛内的 压力越大，这样产生的热量就越多，所以自然而然需要的水量就要增加，所以我 们可以用汽包液位与饱和蒸

45、汽温度组成串级控制系统这样可以满足汽包液位在一 定的稳定状态下。如图 4.1 所示：图 4.1 汽包水位控制简图 4.1.2 燃烧控制系统的设计 现代锅炉中可以分为燃油锅炉和燃煤锅炉。本文所采用的是燃油锅炉。对于 现代大型的燃油锅炉，多采用微正压燃烧。这样可以减少漏风，实现低氧燃烧， 从而防止锅炉受热面积的腐蚀和污染等。由于低氧燃烧时过剩空气系数很小，在 符合变动时更应该注意燃料量与空气量的配合恰当，否则会产生不完全燃烧，引 起炉膛爆炸，受热面污染，尾部再燃等事故。因此燃烧系统对于压力的稳定要求 很高，所以我们可以考虑用压力去控制燃烧，在本文中我们采用的是炉膛负压与 饱和蒸汽压力组成串级控制去

46、控制燃烧系统。前面我们也介绍过主蒸汽（饱和蒸 汽）和炉膛压力对整个燃烧系统的重要性这里就不做叙述。但是用这两个量去控 制燃烧系统安全是没有问题，但是要做到经济燃烧却是很难。基于这一点我们还要控制送风量，在这里我们选用主蒸汽（饱和蒸汽）的压力去控制送风量。如图 4.2 所示是锅炉燃烧控制的简图。图 4.2 锅炉燃烧系统简图 4.1.3 过热蒸汽温度控制 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。需要指出的是，由于不同的工艺情况，过热蒸汽温度被控过程的控制难度具 有极大的差异，假若减温器采用混合器

47、，而且在减温器出口有允许安装测温元件， 对于这种情况我们就采用如图 4.3 的控制方案，这样能得到满意的控制效果。这 个方案是两个温度的串级控制，但是该方案设计的前提是减温器到过热器之间有预留孔，允许安装测温元件去测量温度11。图 4.3过热蒸汽温度控制简图4.2 工程的组态4.2.1 基于 MCGS 组态软件的人机界面图 前面我们已经一一介绍了锅炉控制系统的主要环节的控制设计方案，现在我 们就这些方案在 MCGS 中组态出来。结果如下面的图 4.4，图 4.5 所示。 （这里所获 得的图是在 MCGS 环境下的）图 4.4 锅炉监控系统的液位控制系统与燃烧控制系统 （MCGS 组态画面）图

48、4.5 锅炉监控系统的过热蒸汽温度控制系统 （MCGS 组态画面）4.2.2 组态过程我们打开 MCGS 组态软件， 在工作台上的用户窗口新建若干窗口分别对其命名， 如图 4.6 所示。各个窗口下的画面是对应一个监控系统所需的画面，在各个画面 下也有其相应的组态信息。当然我们用到的每个数据对象都要在实时数据库里面 定义，如图 4.7 所示。图 4.6 用户窗口图 4.7 实时数据库 这样数据与图都有了，但是从前面我们介绍的 MCGS 相关知识可知我们还必须要 0 一定的脚本程序才能使监控系统运行起来，现在我们就把在组态软件 MCGS 环 境下的脚本程序输入到相应的模块，如图 4.8，图 4.9

49、 所示。图 4.8 脚本程序输入框 图 4.8 所对应的是图 4.4 中的锅炉监控窗口的属性中的循环脚本中的程序。 图 4.9 是对应锅炉监控续窗口的属性中的脚本程序。需要指出的是这些脚本程序 都是 MCGS 内部提供的一些仅供试验用的。这样也可以测试设计的是否合理12。30图 4.9 脚本程序输入框4.3 脚本程序说明一般的控制都是通过把控制器输出的信号传递给执行器（一般都为控制阀） ， 执行器处理这些信号然后达到控制的目的。在这里需要强调的是由于条件限制， 本文的这个监控系统只能通过 MCGS 一些内部功能进行一些演示和测试。也就是说 本文没有涉及到通讯的功能。 本文脚本程序可以这样描述，

50、系统启动与关闭是通过点火和熄火来实现的。 至于 PID 参数的实现是通过在设备窗口建立了六个虚拟的 PID 控制软设备，如图314.10 所示。每个软设备对应一个控制器的 PID 的关联与设定。在关联中都指出了 PV 值对象，SV 值对象，OP 值对象，控制器的正反作用等。如图 4.11 所示。这就 不难看出脚本程序中的 OP1 到 OP6 就是各个控制器的输出信号。设定值自己能够在界面中的输入框输入，PID 等参数都能在相应的模块输入。图 4.10 虚拟设备窗口4.4 系统简介4.4.1 监控系统的功能32图 4.11 PID 控制参数框图 实时准确检测锅炉的运行参数：为全面掌握整个系统的运

51、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