基于PLC的锅炉燃烧控制系统设计-05论文正文

1 绪论

1.1锅炉燃烧控制项目的背景

改革开放以来，我国经济社会快速发展，生产力水平不断提高，在生产中，锅炉起着十分重要的作用，尤其是在火力发电中发挥重要作用的工业锅炉，是提供能源动力的主要设备之一。锅炉产生的蒸汽可以作为蒸馏，干燥，反应，加热等各过程的热源，另外也可以作为动力源驱动动力设备。工业过程中对于锅炉燃烧控制系统的要求是非常高的，要求锅炉燃烧控制系统必须满足控制精度高，响应速度快[1]。

作为一个非常复杂的设备，锅炉同时具有了数十个包括了扰动、测量、控制在内的参数，参数之间有着复杂的关系，并且相互关联[2]。而锅炉燃烧过程中的效率问题、安全问题一直是大众关注的重要方面。

1.2锅炉燃烧控制的发展历史

对于锅炉燃烧的控制，已经经历了四个阶段[3~5]

(1）手动控制阶段

因为20世纪60年代以前，电力电子技术和自动化技术还没有得到完全发展，技术尚不成熟，因此，这个时期工业人员的自动化意识不强，锅炉燃烧的控制方式一般多采用纯手动的方法。这种控制方法，要求进行控制的操作工人依靠他们的经验决定送风量，引风量，给煤量的多少，然后利用手动的操作工具等操控锅炉，该方法控制的程度完全取决于操作工人的经验。因此，要求操作工人必须具有非常丰富的经验，这样无疑大大提高了操作工人的劳动强度，由十人的主观意识，所以事故率非常大，同时，也不能保证锅炉高效稳定的运行。

（2）仪器继电器控制阶段

随着科技的不断进步，自动化技术以及电力电子技术快速提高，国内外以继电器为基础的自动化仪表工业锅炉控制系统也得到发展，并且广泛应用于实际生产过程。在上个世纪60年代前期，我国锅炉的控制系统开始得到迅速发展;到了60年代的中后期，我国引进了国外全自动的燃油锅炉的控制系统；到了上个世纪的70年代末，我国逐渐自主研发了一些工业锅炉的自动化仪器，同时，在工业锅炉的控制系统方面也在逐步推广应用自动化技术。在仪表继电器控制阶段，锅炉的热效率得到了提高，并且大幅度的降低了锅炉的事故率。但是，

利用仪表继电器，需要依靠硬件实现控制功能，这样可靠性比较低，同时精度比较低仅仅能够完成比较简单的控制，不能实现先进控制技术和算法，控制的效果依然达不到要求。

（3）计算机控制阶段

电子技术的迅猛发展，成本低、可靠性强、集成度高的微机、工控机和PLC 系统等被广泛应用于工业的生产过程，同时，也为锅炉燃烧控制系统的发展提供了一个新的途径。自本世纪80年代末，中国已经陆续出现了各式各样、种类繁多的锅炉微机控制系统，该系统大大提高了工业锅炉运行效率。计算机控制时期，依靠计算机技术可开发自动化程度高的工业锅炉系统，该系统相比仪表继电器控制系统，性能得到了非常大的提高，但是受环境和外界干扰的影响较大，因此，还不是特别的完善。

（4）智能控制阶段

现代控制理论的发展及其在各个行业领域的广泛应用，同时，诸如IPC，PAC，智能变频器，现场显示设备，各种数据采集卡板等控制领域硬件的迅猛发展，使得锅炉控制系统发展到了智能控制时期。智能控制系统主要包括了自学习控制系统，模糊控制系统，基于人工神经网络控制系统，防人智能控制系统等控制系统，以及同传统的控制形式相结合的控制方案，譬如以神经网络参数自整定为基础的PID控制系统以及模糊PID控制系统等。在智能控制时期，传统控制系统和控制算法不能解决的问题，得到了有效解决，对工业生产的过程控制提出了一个新的方向，同时具有非常好的效果，但是，智能控制的算法比较复杂，并且要求速度非常高的主控制器。

目前，我国工业锅炉，特别是电力行业的锅炉，多数处于微机控制阶段，同时增加了改进的智能控制算法，根据控制系统中微机的作用不同，可以分为以下几个控制形式[6~9]：

（1）数据的采集，检测和指导通过微机进行操作，在这种形式下，控制器仅仅对系统进行了数据采集，尽管在内部仍然运行着一定的控制算法，但是输出并没有控制元件起作用，只是对操作人员的操作起着指导的作用。目前，这种控制系统在我国锅炉控制领域内已经非常少见，一般用在流量小于10t/h的非工业的小型锅炉上；

(2）微机不但进行数据的采集，同时担负着控制的作用。这种形式里，控制器一方面实现了数据的采集，同时输出直接可以作用在系统的电磁阀，继电器，变频器等控制元器件上，这种形式的控制实际上是一种闭环控制，即常规

意义上的自动化。此形式虽然实现了控制的自动化，但是缺乏监测，无法进行控制效果反馈。因此，在此状况下，会出现操作人员因不了解自动控制的效果，不能根据控制的效果进行适当的手动控制或者一些紧急停炉的操作，而造成事故或危害的发生。故这种形式的控制应用的范围也是有限的，当前也就部分中小型锅炉采用;

（3）微机同时起着监控、数据采集和控制二重作用，形式大多采用分布式控制系统，即分级控制系统。下位机和上位机两部分构成了系统的微机。

图1-1分级控制系统简要结构图

Figure 1-1 Hierarchical control system summary structure

在上图中，一般采用单片机，PAC, PLC等作为下位机，IPC(即工业计算机)作为上位机。由图中可以看到，下位机与上位机担负着不同的作用，数据的采集，控制程序的执行，输出控制等任务都是由下位机实现的；整个系统的记录，检测，报警灯等任务则是由上位机利用组态软件进行实现。利用这种形式能够实现网络化，可以同时对多台锅炉进行监控，因此，实现了真正意义上的管控一体化的目标，是我国工业生产过程中的广泛应用的控制形式。

1.3锅炉燃烧控制项目研究的意义

国家“十二五规划”明确提出了节能减排的目标，即到2015年，单位GDP 二氧化碳排放降低17%；单位GDP能耗下降16%；非化石能源占一次能源消费比重提高3.1个百分点，从8.3%到11.4%；主要污染物排放总量减少8到10%的目标。

据研究表明，我国工业锅炉每年耗用原煤约占年总产量的1/3 ，排放CO2达6 亿多吨，排放SO2 500 ~ 600 万吨，占全国排放总量的21 % 。这些都与我国节能减排的政策相悖，不仅消耗了大量的能源，而且容易造成环境污染。而由于客观条件的限制，在工业生产中大规模淘汰工业锅炉显然是不太现实的。锅炉的控制系统在锅炉的燃烧过程当中具有十分重要的意义。一个好的控制系

统，能够在保障安全的同时，尽可能地提高燃烧效率，节约能源。

1.4 本文要研究的内容

本文首先研究锅炉燃烧控制系统的整体方案，之后分蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统、烟气含氧量的闭环控制系统、炉膛负压控制系统、防止回火的连锁控制系统、防止脱火的选择控制系统以及燃料量限速控制系统进行讨论。然后对MCGS和三菱PLC进行介绍，并用之实现锅炉燃烧系统的控制。

2 方案讨论

锅炉燃烧过程的控制任务有很多，主要有以下几个：

1、使锅炉出口蒸汽压力稳定；

2、保证燃料燃烧良好，促进燃烧过程的经济运行；

3、保持炉膛负压不变；

4、维持燃烧嘴的背压，保障系统安全。

2.1蒸汽压力控制

保持锅炉出口蒸汽压力稳定，是锅炉燃烧系统最基本的任务之一。当负荷变化时，可以通过调节燃料量使之稳定。蒸汽压力对象有两个主要干扰量：燃料量和蒸汽负荷。当两者的变动都较小时，可以采用利用蒸汽压力来调节燃料量的单回路控制系统。而当燃料量波动较大时，可以采用利用蒸汽压力来调节燃料流量的串级控制系统。蒸汽负荷变化的时候，燃料流量也会随之变动，因此燃料流量为主流量，如图2-1

图2-1方案一

Figure 2-1 Option One

2.2燃烧过程的经济运行

要使燃烧过程经济运行，就是要使进入的空气中含氧量充分，能够是燃料充分燃烧。但是，如果进入的空气太多，多余的空气会大量的吸热，造成大量的热损失，也不利于燃料经济地燃烧。因此，可以根据燃料燃烧的方程式，来确定需氧量的大小，同时根据含氧量来确定送风量的流速。方案主要有以下两

种：

图2-2方案一

Figure 2-2 Option One

图2-3方案二

Figure 2-3 Option II

其中，方案一包括以蒸汽压力为主被控变量、以燃料量为副被控变量的串级控制系统，以及以燃料量为主动量、以送风量为从动量的比值控制系统。方案一能够确保燃料量与空气量的比值关系，当燃料量变化时，送风量能够跟踪燃料量的变化，但送入的空气量滞后于燃料量的变化。方案二包括以蒸汽压力

为主被控变量、以燃料量为副被控变量的串级控制系统，以及以蒸汽压力为主被控变量、以送风量为副被控变量的串级控制系统。此方案中，燃料量与送风量的比值关系是通过燃料控制器和送风调节器的正确动作间接保证的，该方案能够保证蒸汽压力恒定。本文选择第二种控制方案。

2.3燃烧过程中烟道含氧量的闭环控制

在整个生产过程中保证最经济地燃烧，必须是的燃料和空气流量保证最优比值。而烟气含氧量的闭环控制系统就可以保证锅炉最经济地燃烧。这是一个以烟道中氧含量为控制目标的燃烧流量与空气流量的变比值控制系统[10]。

然而，上述烟气含量的闭环控制系统虽然能够保证燃料和空气的比值关系，但是并不能保证燃料的完全燃烧控制，其原因如要有以下三点：

(1)燃料量和空气流量的最优比值是一个变量，它随着系统负荷的变化而变化；

(2)燃料的成分在不同的工况下有可能并不相同，这就影响了系统的判断；

(3)对两流量的测量可能因为多种原因而并不是很准确。

以上几个因素都会不同程度地影响到燃料的不完全燃烧或空气的过量，造成锅炉的热效应下降，这主要是因为燃料流量和空气流量之间是定比值造成的。因此，可以用烟气中的含氧量这个指标来闭环修正两流量的比值。

设烟气中的含氧量为A O。根据燃料燃烧的反应方程式，可以计算出完全燃烧时所需的氧气含量，进而得到所需的空气量，称为理论空气量，设为QT。而在实际生产过程中，由于燃料和空气不完全混合等原因，燃料完全燃烧所需的空气量大于理论空气量，设为QP。QP-QT为燃烧过程中的过剩空气量。适量的过剩空气量能够保证燃料量完全燃烧，但是当过剩空气量增多时，一方面会吸收热量，使炉膛的温度降低，另一方面也会使烟气损失增加。因此，过剩空气量对不同的燃料也有一个最优值，以满足最经济燃烧的要求。图示如下：

图2-4过剩空气量与能量损失的关系

Figure 2-4 Amounts of excess air and energy loss

由图2-4，总能量损失=不完全燃烧的损失+烟气热损失。当过剩空气量从最小开始增大时，燃料逐渐趋向完全燃烧，不完全燃烧的损失逐步减小，而与此同时，烟气的热损失由于过剩空气量的增大而逐渐增大。当不完全燃烧的损失的减小量大于燃气热损失的增加量时，总能量损失是减小的，在0%~20%的范围内，成为最高效率区。此时，总能量损失最小。但是，随着过剩空气量的增加，燃料已经完全燃烧，不完全燃烧的损失降为零，如果继续增加过剩空气量，就会造成烟气热损失的继续增加，从而使得总能量损失增加。

过剩空气量常用过剩空气吸收α来表示，它等于实际空气量QP和理论空气量QT的比值，即

α=QP QT

α是衡量经济燃烧的一种指标。而α很难直接测量，但是据研究表明，α与烟气中的氧含量A O之间存在一种函数关系，即

α=

21 21AO

将α与A O之间的函数关系用图例表示出来，就如下图:

图2-5过剩空气量与氧含量A O、CO及锅炉效率的关系

Figure 2-5 The relationship of the excess amount of air and oxygen

content of the A O, CO, and boiler efficiency

由图2-5可以看出，当过剩空气量增加时，CO含量下降，说明燃料趋向于充分燃烧，锅炉的效率提升。当过剩空气量在15%~20%时，锅炉效率达到最大值，此时烟气含氧量在2.7%~3.5%之间。因此，当α在1.15~1.20的范围内时，烟气含氧量A O的最优值为2.1%~3.5%，此时的锅炉最有效率。

因此，应该将烟气含氧量闭环控制系统原来的定比值改为变比值。其实现可以用氧化锆氧量仪表检测烟气中的含氧量，通过含氧量的变化来推知过剩空气量的变化，从而达到控制空气量与燃料量比值的目的。保持两量的最优比，保证锅炉燃烧最经济，热效率最高。给出的设计方案如下：

图2-6 烟气中含氧量的闭环控制方案

Figure 2-6 Flue gas oxygen content of the closed-loop control scheme

正常情况下，烟气中氧含量的闭环控制方案是蒸汽压力对燃料流量的串级控制系统和燃料流量对空气流量的比值控制系统的叠加。蒸汽压力控制器PC 是反作用的。当蒸汽压力下降时（如因负荷增加），压力控制器输出增加，从而提高了燃料流量控制器的设定值。但如果空气量不足，则会造成燃烧不完全。

为此，设有低限选择器FY1，它只允许两个信号中较小的通过，这样可保证燃料量只有在空气量足够的情况下才能加大。压力控制器的输出信号将先通过高限选择器FY2来加大空气流量，保证在增加燃料流量之前先把控制量加大，使燃烧完全。当蒸汽压力上升时，压力控制器输出减小，降低了燃料量控制器的设定值，在减燃料量的同时，通过比值控制系统，自动减少空气流量。其中比值由含氧量控制器输出。该系统不仅能够保证在稳定工况下空气和燃料的最佳比值，而且在动态过程中也能够尽量维持空气、燃料配比在最佳值附近，因此具有良好的经济和社会效益[11]。

2.4炉膛负压控制系统

炉膛内应该保持一定的负压，来防止炉膛内火焰或者烟气的外喷。炉膛负压控制系统，就是把炉膛内压力始终保持在微负压状态。系统的被控变量是炉膛压力。当负荷变化不大时，可以采用单回路控制系统。

当锅炉负荷变化较大时，蒸汽压力的变化也较大。这时就应该引入蒸汽压力的前馈信号，保持炉膛压力的稳定。

图2-7 锅炉负荷变化时的前馈-反馈控制系统

Figure 2-7 Boiler load changes feedforward - feedback control system 当送风量变化时，引风量只有在炉膛负压产生偏差时，才由引风调节器去调节。这样引风量的变化就落后于送风量，必然会造成炉膛负压的较大波动。因此应该引入送风量的前馈信号。图示如下：

图2-8 送风量变化的前馈-反馈控制系统

Figure 2-8 Air volume changes in feedforward - feedback control system

3 人机界面

3.1 MCGS组态软件简介

MCGS(Monitor and Control Generated System，通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，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、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，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。

MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。

MCGS组态软件由组态环境和运行环境两个系统组成，两部分互相独立，又紧密相关。如图3-1、3-2所示：

图3-1 MCGS整体结构

Figure 3-1 the integer configuration of MCGS

图3-2 组态的生成与运行

Figure 3-2 creating and function of configuration

3.2 MCGS的工程构成

MCGS组态软件工程有五大组成部分。

MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。

图3-3 MCGS工程的构成

Figure 3-3 the constitutes of MCGS project

3.2.1 主控窗口

主控窗口是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。

3.2.2 设备窗口

设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与

控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。

3.2.3 用户窗口

用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。

3.2.4 实时数据库

实时数据库是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。

3.2.5 运行策略

运行策略窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（if…then 脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。

3.3 组建MCGS工程

3.3.1 工程项目系统分析

分析锅炉燃烧控制的系统构成、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。

3.3.2 工程立项搭建框架

定义工程、封面窗口和启动窗口的名称，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，就在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。

3.3.3 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，第一步搭建菜单的框架，第二步对各级菜单命令进行功能组态。

3.3.4 制作动画显示画面

动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。首先通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内画出锅炉控制系统的画面。然后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。

3.3.5 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，构成各种策略块，由这些策略块实现各种人机交互操作。

3.3.6 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。

3.3.7 连接设备驱动程序

在设备窗口内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。

3.4 人机界面MCGS的设计

3.4.1 工程分析

通过上两章对锅炉燃烧控制的分析和设计，整体上对工程的结构、流程、需实现的功能及如何实现这些功能有了详细的了解，下面为具体的框架组成。

（一）工程框架

8个用户窗口：锅炉燃烧过程控制、PID参数、实时曲线、历史曲线、实验接线图、数据报表、报警显示。

4个主菜单：系统管理、通讯状态、清除设置、帮助。

1个子菜单：操作说明。

5个策略：启动策略、退出策略、数据显示、报警数据、历史数据。

数据对象：燃料流量调节阀、风量流量调节阀、温度、压力、流量上限、温度上限、压力上限、流量下限、温度下限、压力下限。

（二）图形制作

锅炉燃烧计算机控制系统窗口：

调节阀、流量传感器、温度传感器：由对象元件库引入；

温度、流量控制：通过输入框输入实现；显示通过标签构件实现；

PID设定和给定值，通过标签、输入框构件实现。

实时曲线窗口：实时曲线，通过实时曲线构件实现。

历史曲线窗口:历史曲线,通过历史曲线构件实现。

报警显示窗口：报警数据，通过报警显示构件实现。

流程控制：通过循环策略中的脚本程序策略块实现。

安全机制:过用户权限管理、工程安全管理、脚本程序实现。

3.4.2 工程建立

在MCGS组态平台上，单击“用户窗口”，在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，则产生新“窗口0”，选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，将“窗口名称”改为：锅炉燃烧控制；将“窗口标题”改为：锅炉燃烧控制；在“窗口位置”中选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”点击“保存”按钮，工程创建完毕。按上述操作建立“PID参数”、“实时曲线”、“历史曲线”、“数据报表”、“报警显示”等用户窗口。

3.4.3锅炉燃烧控制系统流程图和相关窗口画面

图3-4 锅炉燃烧控制系统流程

Figure 3-4 Boiler combustion control system processes 操作界面图3-5所示：

图3-5用户窗口操作界面Figure 3-5 User-window user interface

图3-6 PID参数窗口

Figure 3-6 PID parameters window

图3-7 通讯状态窗口

Figure 3-7 Communication status window

3.4.4 定义数据对象

实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。

定义数据对象的内容主要包括:指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。

数据对象进行分析：

温度T 数值型指标温度的变化

燃料流量 F 数值型燃料流量的变化

空气流量 F 数值型空气流量的变化

调节阀V 数值型控制流量的进入

通讯状态COMM 开关型与PLC通讯

温度测量值PV 数值型测量温度

温度设定值SV 数值型设定温度温度比例增益P2 数值型设定比例温度微分时间D22 数值型设定微分温度积分时间I22 数值型设定积分流量比例增益P1 数值型设定比例流量微分时间D11 数值型设定微分流量积分时间I11 数值型设定积分定义如图3-8所示：

图3-8实时数据库

Figure 3-8 Real time databank