发电厂燃煤锅炉燃烧PLC控制系统设计说明

发电厂燃煤锅炉燃烧控制系统设计

摘要

在热电厂中，以单位机组为控制对象有：锅炉汽包水位控制、燃烧过程控制以及过热蒸汽温度，过热蒸汽温度控制又包括过热蒸汽温度控制和再热蒸汽温度控制。其中，热电厂锅炉的燃烧控制对整个发电过程的安全性与经济性起着重要的作用，所以对它高效率的控制是现在热电厂的一个重要任务。

本文以一台工业控制机作为上位机，以西门子S7-300可编程控制机为下位机，系统通过变频器控制电机的启动，运行和调速。上位机监控采用WinCC设计，主要完成系统操作界面设计，实现系统启停控制，参数设定，报警联动，历史数据查询等功能。下位机控制程序采用西门子公司的STEP7编程软件设计，主要完成模拟量信号的处理，温度和压力信号的PID控制等功能，并接受上位机的控制指令以完成风机启停控制，参数设定，循环泵的控制和其余电动机的控制。

关键词:热电厂；锅炉燃烧；单片机；控制

Coal-fired power boilers burning single

chip control system design

Abstract

Thermal power plant boiler combustion control plays an important role in security and economy of the entire power generation process, the control of its high efficiency thermal power plant is an important task. In this paper, the analysis and study of the entire combustion system,

the boiler combustion control system, main steam pressure control system and the furnace pressure and control system control program, then its control law and parameter selection and tuning. Instrument selection, using advanced digital instrument, and using the Cygnal microcontroller design an intelligent combustion control system, given the hardware and software flow chart. The controller to the new C8051F020 MCU as the core, the use of fuzzy PID algorithm for computing and control, not only can be analog, digital signal sampling and processing, but also to complete the state detection and control, alarm and fault handling functions. The control system has a fast, high precision, high reliability and a simple hardware structure. Finally, you can reach the boiler safe, economical and efficient operation.

Keywords: heat and power plant; boiler combustion; microcontroller; control

摘要 (1)

Abstract (1)

目录 (1)

第一章绪论 (2)

1.1研究目的和研究意义 (2)

1.2国外研究现状 (3)

第二章热电厂的生产工艺及单元机组的自动控制系统 (5)

2.1热电厂的生产工艺 (5)

2.2热电厂单元机组的自动控制系统 (6)

2.2.1汽包水位控制 (6)

2.2.2炉膛负压控制 (8)

2.2.3蒸汽压力控制 (9)

2.2.4经济燃烧控制 (10)

第3章硬件设计 (11)

3.1 用户系统框图 (11)

3.2 锅炉系统控制的对象 (12)

3.3燃烧过程控制 (18)

3.4锅炉控制系统设计 (18)

3.5控制系统构成 (20)

第4章软件设计 (23)

4.1 S7-300系列PLC简介 (24)

4.2 PLC编程语言简介 (26)

4.2.1 PLC编程语言的国际标准 (26)

4.2.2复合数据类型与参数类型 (27)

4.2.3系统存储器 (28)

4.2.4 S7-300 CPU中的寄存器 (29)

4.3 STEP7 的原理 (30)

4.3.1 STEP7概述 (30)

4.3.2 硬件组态与参数设置 (31)

4.3.3 符号表 (34)

4.3.4 逻辑块 (35)

4.3程序设计 (37)

4.4通信系统 (39)

第五章结束语 (41)

参考文献： (42)

第一章绪论

1.1研究目的和研究意义

热力电厂的一系列系统和生产流程和生产工艺，这些大致可以分为水处理系统、锅炉燃烧系统、汽轮机发电系统、供配电系统、这样大的四个系统，其中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。锅炉的控制主要分为两大部分:燃烧控制系统和汽包水位控制系统。汽包水位一般采用三冲量控制，能达到较好的控制效果，而锅炉的燃烧过程，是一个多参数、多回路、非线性、大滞后、强祸合的控制系统，较难控制。因此，自二十世纪九十年代以来，随着超大型可编程控制器的出现和模糊控制，国外就将自适应控制等智能控制算法技术应用于锅炉的控制。使锅炉控制水平大大提高，实现了锅炉优化控制。国研究锅炉自动控制虽然现在也比较成熟，但主要是仪表显示、报表打印等功能，控制水平有限，可靠性不够高。和国外锅炉自动控制比较仍存在一定的差距。

1.大多数现有的锅炉控制系统可控制的主要还是开关量设备，如风机、炉排和水泵的开关或者阀门控制。不能对它们精确连续调节，使控制手段单一，控制精度低。

2.锅炉控制系统的的控制方案不够合理，锅炉控制器一旦出现故障，只能采取系统断电处理，进行人工操作。若锅炉系统中的传感器、变送器等设备出现故障时，温度、压力等参数就无法达到设定值。

因此，本文根据热电厂锅炉控制流程，以C8051F020单片机为核心设计了一种火电厂锅炉燃烧煤空比的控制系统。目的是提高电厂燃煤锅炉的控制水平。节约能源，降低环境污染。系统采用模糊PID算法进行运算和控制,不但可以实现对模拟、数字信号进行采样和处理,而且还可以完成状态检测和控制、报警以及故障处理等功能。该控制系统具有速度快、精度高、可靠性高和硬件结构简单的

特点。最后可达到锅炉安全、经济、高效的运行。

1.2国外研究现状

锅炉的自动化控制从上世纪三、四十年代就开始了，当时大都为单参数仪表控制，进入上世纪五十年代后，美国、前联等国家都开始进行对锅炉的操作和控制的进一步研究。但由于当时科技发展的局限性，对锅炉的控制主要停留在使用汽动仪表(包括汽动单元组合仪表和汽动基地式仪表)的阶段，而且大多数锅炉只是检测工艺参数，不进行自动控制。到上世纪六十年代，在发达国家，锅炉的控制主要以电动单元组合仪表(相当于我国的DDZ-II, DDZ-III仪表)检测与控制，还是以检测报警为主，控制为辅助功能。到了上世纪七十年代，随着计算机技术和自动控制技术理论的发展，使得锅炉的计算机控制成为可能。尤其是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不断增强，价格的大幅度下降，使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。许多发达国家都相继开发出了锅炉计算机控制系统。如今在国外，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。在国，由于经济技术条件的限制，中小企业锅炉设备水平一直比较落后，大多数中小型锅炉水平基本上停留在手动和简单仪表操作的水平。

80年代中后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制，锅炉的计算机控制得到了很大的发展。至90年代，锅炉的自动化控制己成为一个热门领域，利用单片机、可编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，己逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，并向与新建炉体配套的方向发展，许多新的控制方法，诸如最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等自动控制的最新成果也在锅炉自动控制中得到了尝试和应用.但由于控制技术单一，或控制算法的建模往往不能反映真实的锅炉燃烧状况，导致在工程实践中并不怎么成功，不能产生很好的经济效益，挫伤了用户在工业锅炉上用计算机进行控制的积极性。进入本世纪以来，为了进一步改善锅炉操作状况，降低能耗，确保安全运行，减少对大气的污染，同时随着人工智能理论的发展成熟，智能控制技术的大规模应用，对新一代锅炉计算机优化控制系统的开发和应用已势在必行且条件成熟。

国供热锅炉燃烧系统自动控制大多在燃油和燃气锅炉上实现的，对于燃煤锅炉，在自动控制研究方面总是得不到满意的效果，存在的主要问题是滞后问

题。近几年变频技术在我国的应用领域越来越广，在锅炉控制方面也有应用，主要有三种形式，①全自动变频定压；②锅炉鼓、引风机变频控制；③循环泵变频控制，对系统进行质调节。三种形式均有独立应用的例，也有组合应用，但主要是以人工控制为主，节能效果仍然取决于司炉人员的经验，水平和责任意识。

近年来，建立在计算机基础之上的自动化监控系统进入了实际应用，它的主要任务是采集和管理各个生产环节的实时生产数据，对生产过程进行监视和控制，并保存历史数据和故障事件，提供报表输出和计算、分析SCADA系统作为生产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一，它有两层含义：一是分布式的数据采集系统，即智能数据采集系统，也就是通常所说的下位机；另一个是数据处理和显示系统，即上位机HMI(HumanMachine Interface，人机界面)系统，下位机通常是指硬件层上的，即各种数据采集设备，如RTU(Remote Terminal Unit，远程终端测控单元)、PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)及各种智能控制设备等等。这些智能采集设备与生产过程和事务管理的设备或仪表相结合，实时感知设备中各种参数的状态，并将这些状态信号转换成数字信号，通过特定的数字通信网络传递到HMI系统中；必要的时候，这些智能系统也可以向设备发送控制信号。上位机HMI系统在接受这些信息后，以适当的形式(如声音、图形、图像等方式)显示给用户，以达到监视的目的，同时数据经过处理后，告知用户设备各种参数的状态(报警、正常或报警恢复)。这些处理后的数据可能会保存到数据库中，也可能通过网络系统传输到不同的监控平台上，还可能与别的系统(如MIS、GIS)结合形成功能更加强大的系统，HMI还可以接受操作人员的指令，将相应的控制信号发送到下位机中，以达到控制的目的。一个完善的SCADA系统的建立，依托于高精度、智能化的一次仪表获取信息，准确无误的通讯手段传输数据和高效快捷的计算机处理能力。SCADA系统所涉及到的技术比较广泛，有仪表技术、检测技术、通讯技术、网络技术等。SCADA系统一般由企业生产调度指挥中心、分厂测控站、管网测压点等组成。它所具有的功能一般包括：数据采集控制功能，数据传输功能，数据显示及分析功能，报警功能，历史数据的存储、检索、查询功能，报表显示及打印功能，遥控功能，网络功能等。