1、目 录摘要 .11、研究锅炉汽包水位的意义 .22、锅炉运行控制现状 .33、自动控制系统简述 .33.1 反馈控制系统方框图描述 .43.2 计算机数字控制系统结构原理图 .43.3 常见的自控系统信号采集用热工仪表： .54、锅炉三冲量系统原理及原理图 .74.1 蒸发量 D 扰动作用下水位动态特性 .74.2 给水量 W 扰动作用下水位动态特性 .74.3 虚假水位现象 85、锅炉汽包水位控制系统配线图设计 .96、总结 .10参考文献： .11锅炉汽包水位控制系统设计摘要锅炉作为各种工业企业民用热源、动力设备，维持汽包水位稳定是保证其安全高效运行的重要参数。但在我们国家,除了一些大中型
2、锅炉采用了先进的控制技术外,绝大多数中小企业所用的锅炉还在采用仪表/继电器控制,甚至还是人工操作,已无法满足要求。本文介绍了应用西门子 S7-200PLC 实现蒸汽锅炉串级三冲量给水控制系统设计。关键字锅炉 串级三冲量 控制系统AbstractBoiler as civil heat source all kinds of industrial enterprises, power equipment, stable liquid level is to guarantee the safe and efficient operation of the important parameters
3、. But in our country, except for some large and medium-sized boiler adopts the advanced control technology, the vast majority of small and medium-sized enterprises used in boiler using instrument/relay control, or even manual operation, have been unable to meet the requirements. This paper introduce
4、s the application of Siemens S7-200 PLC to realize cascade three impulse steam boiler feed water control system design. The keywordboiler the cascade three impulse control system 一、研究锅炉汽包水位的意义普通燃煤型蒸汽锅炉，由炉排、炉膛、汽包三部分组成锅炉，是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的动力设备。它产生的高压蒸汽，即可以作为风机、压缩机、大型泵类驱动的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热
5、源。工业蒸汽锅炉汽包水位是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数。锅炉汽包水位控制的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并使水位在一定范围之内。水位过高、过低都会给锅炉及蒸汽用户的安全操作带来不利影响。满水发生后，首先水位过高会影响汽包内的汽水分离，蒸汽带水导致过热管壁结垢、损坏，并有溢出危险。高水位报警器动作并发出警报，过热蒸汽温度降低，给水流量不常地大于蒸汽流量。严重满水时，锅水可进入蒸汽管道和过热器，造成水击及过热器结垢。因而满水的主要危害是降低蒸汽品质，损害以致破坏过热器。下图为锅炉满水事故现场。水位过低，破坏汽水正常循环，以致烧坏受热面，易烧干锅而发生严重事故。例如下图为某工厂由于锅炉突然
6、缺水，因处置不当，大量蒸气从排烟管道的焊接口外泄，导致锅炉“飞起”惹祸，现场一片狼藉，可见汽包水位过低所造成的危害。因此，维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉运行的重要条件，也是锅炉运行的重要指标之一。二、锅炉运行控制现状除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术，如 DCS，一般的小型锅炉的控制仍较落后，仍在使用DDZ-n 型电动单元组合仪表。燃烧控制手动调节，锅炉的燃烧控制就是依靠人工调节给煤，人工调节风门对锅炉的鼓、引风风量进行控制，实现锅炉燃烧状态控制的目的。传统的锅炉风机控制系统中，锅炉鼓风、引风控制采用接触器控制，故障率较高，影响了锅炉的正常稳定运行，制约了生产；风量调节控制靠改变风门挡
7、板的开度来实现的(电机恒速运行)，能源浪费大；锅炉给水采用手动控制执行器控制，在用汽量波动大时，安全性不够高等。手动控制给煤量、鼓风量、引风量，不能实现最优风煤比和炉膛负压，现在大多数中小锅炉往往是通过人工调节的方式来完成这个燃烧状态控制调节工作，通过人的感觉器官的识别并经过大脑的分析处理做出动作的决定，借助压力、温度显示仪表来实现锅炉燃烧及水位状态控制。司炉工在运行时凭经验对燃烧系统进行调节，不能保证最经济的运行并且劳动强度大。锅炉的燃烧控制系统和水位调节系统是通过对调风板和阀门对风量和给水量，进行控制来实现燃烧控制和水位控制，存在严重的节流损失；水位控制采用单冲量水位调节，水位控制不稳定，
8、存在严重的安全隐患。即使现在的仪表不少已趋智能化在锅炉上也实现了自动或半自动控制。但是，由于其不菲的价格、缺乏管理功能等种种原因，其应用受到很大限制。三、自动控制系统简述 随着自动控制技术的发展，变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。我国经济建设的飞速发展，能源需求趋于紧张。企业是电能消耗大户，风机、泵类负载占比重大，作为耗能的主要负载，长期以来，由于负载变化大而动力源电机的转速不变，浪费能源。 锅炉 plc 控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密
9、结合的产物，工业锅炉采用微机控制和原有的仪表控制方式相比具有以下明显优势：（1）在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数。可以方便的改变液位、压力、温度等的上限、下限。 （2）提高锅炉的热效率。由于工业锅炉耗煤量大，燃烧热效率每提高 1都会产生巨大的经济效益。而采用 plc 控制后热效率可比以前提高 5-10%。 （3）锅炉系统中包含鼓风机、引风机、给水泵等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。通过对风机、水泵进行微机控制可以平均节电达到 30%40%。 （4）作为锅炉控制装
10、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。在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，可以设置多点声光报警和自动连锁停炉。杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。3.1 反馈控制系统方框图描述Gc Gv GpGsX给 定 量X（ t） 偏 差e 控 制 量U=4-20mA 执 行 器 被 控 对 象传 感 变 送 器能 量P（ t） 被 控 制 量 Y（ t）yf反 馈 量 能 源 /物 料干 扰 量 F控 制 器反馈控制系统方框图描述（阶跃响应性能指标）上图为基本反馈控制方框图，主要有四个部分（控制器、执行器、被控制对象、传感变送器）和七个参量（给定量、干扰
11、量、反馈量、偏差、控制量、能量、被控制量）组成。其主体含义是“检测偏差以纠正偏差”。为常规控制系统的基本原理框图。3.2 计算机数字控制系统结构原理图控制算法设定 x( t )参数 ci反馈量 yf d= 0 - 4 0 9 5被控制量被控制对象udp( t )人机界面 H M I数据存储器多路 D / A转换器y( t )x,cixd4 - 2 0 m A计 算 机 数 字 控 制 系 统 结 构 原 理 图数 字 化 测 控 装 置 现 场 设 备0 - 4 0 9 5网络接口y(t)能源现场总线 / 网络采样程序多路 A / D转换器控制量 u( t )反馈量 yf ( t )检测量 y
12、i ( t )= 4 - 2 0 m A执行器传感 /变送器C P U电源 / 气源能量4 - 2 0 m Ayf d检测量 yi d= 0 - 4 0 9 50 - 4 0 9 5上图为用计算机数字控制系统结构原理图。分为数字化测控装置跟现场设备两部分。数字化测控装置即为控制器部分，为整个控制系统的大脑，负责采集，分析计算并实时对现场设备进行调控。而现场设备部分则是传感变送器、执行器、被控制对象组成的集信号采集、CPU 命令的执行于一体。上述二者共同组成了计算机数字控制系统，比传统手动、仪表控制系统更精确、高效、可靠。3.3 常见的自控系统信号采集用热工仪表：压力变送器：以输出为标准信号的压
13、力传感器，是一种接受压力变量按比例转换为标准输出信号的仪表。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如 420mADC 等），以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。流量变送器：接收来自传感器的流量信号并进行信号转换为电信号，最后通过它输出给控制室温度变送器：采用热电偶、热电阻作为测温元件，从测温元件输出信号送到变送器模块，经过稳压滤波、运算放大、等电路处理后，转换成与温度成线性关系的 420mA 电流信号输出差压变送器：测量变送器两端压力之差的变送器，输出标准信号（如 420mA05V）。有 2 个压力接口，分为正压端和负压端，一般
14、情况下， 差压变送器正压端的压力应大于负压段压力才能测量。热电偶/热电阻：温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。液位变送器：对压力变送器技术的延伸和发展，根据不同比重的液体在不同高度所产生压力成线性关系的原理，实现对水、油及糊状物的体积、液高、重量的准确测量和传送四、锅炉三冲量系统原理及原理图 控制系统结构的确定,主要依据是被控对象的动态特性。因此,首先对锅炉汽包水位产生扰动的主要因素,蒸发量 D、给水量 W 进行动态特性分析。4.1 蒸发量 D 扰动作用下水位动态特性 由于蒸发过程的连续性,在蒸汽向汽水分界
15、面移动的过程中,会有一部分蒸汽在某一段时间内处于水中,蒸发量阶跃增加时,汽包中压力减小,汽水循环管路中水的汽化强度增加,汽水混合物中的蒸汽的容积迅速增加。此时虽然蒸发量大于给水量,但水位不仅不下降,反而迅速上升,这种特殊现象称为虚假水位 。当汽水混合物中汽泡容积与蒸发量相适应达到稳定后,水位才反映出给水量与蒸发量之间的不平衡,开始下降。蒸发量阶跃扰动下水位反应曲线如图(a)所示。4.2 给水量 W 扰动作用下水位动态特性当给水量大于蒸发量时,汽包水位一开始并不立即增加,而呈现出一段起始惯性段,这是因为温度较低的更多的给水进入循环系统,它从原有饱和汽水中吸取一部分热量,汽包和汽水管路中由于热量的
16、损失 ,汽泡体积较小。进入省煤器的给水,首先必须填补由于汽水管路中汽泡较少所让出的空间。这时,虽然给水量增加,但水位基本不变。当水面下汽泡容积变化过程逐渐平衡时,汽包水位才由于贮水量的增加而逐渐上升。当水面下汽泡容积不再变化,完全稳定下来时,水位变化就随着贮水量的增加而直线上升。给水量阶跃扰动下的水位反应曲线如图(b)所示。阶跃扰动下水位反应曲线4.3 虚假水位现象虚假水位是锅炉运行过程中常见的问题，上述已经提及，但仍然有必要进行详细阐述一下。汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，即干扰通道的动态特性。当蒸汽流量 D 突然增加，在燃料量不变的情况下，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量 D 大于给水
17、量 W，设此时的水位变化为 H1。在实际工作中，由于蒸汽用量突然增加，瞬间必导致汽包压力下降。汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸，水中汽包迅速增加，水位变化表示为 H2，实际显示的水位变化 H 为 H1 与 H2 的叠加，即H=H1+H2。当蒸汽量加大时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始，水位不仅不下降反而迅速上升，然后再下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升)。这种现象称为“虚假水位”。在蒸汽流量扰动下，水位变化的阶跃响应曲线如图所示：出汽量大于给水量，实际水位在下降，由于虚假水位的存在，会导致执行器误动作，减小给水量，待虚假水位消失后，水位骤降，调节阀来不及反应，极易造成
18、锅炉干锅，损坏设备甚至爆炸。锅炉汽包水位控制系统原理图在图示锅炉汽包水位控制系统中，采用汽包水位、蒸汽流量、给水流量构成三冲量控制。原理要点如下：1. 汽包水位反馈控制回路作为外环。根据水位反馈量与其设定值的偏差，水位控制器输出控制量QWS1作为内环给水流量设定值的第一部分，通过调节阀（或变频泵）调节给水流量，自动纠正水位偏差，使水位稳定在设定值附近。2. 给水流量反馈控制回路作为内环。其作用是使给水流量能够及时跟随其设定值的变化，保证给水量满足汽包水位的需要。该回路能够克服汽包压力变化等因素对给水流量的影响。3. 蒸汽流量作为汽包水位的前馈控制量。在汽包水位合适的情况下给水流量应与蒸汽流量相
19、适应，为此把蒸汽流量作为内环给水流量设定值的第二部分 QWS2，使给水流量跟随蒸汽流量的变化，由此可及时有效地补偿蒸汽流量变化对水位的扰动或影响。4. 前馈控制能够改善虚假水位时的控制效果。当用汽量骤增时，汽包储水量减少，但同时汽包压力降低导致水密度降低，汽包水位趋于上涨，形成虚假水位现象。而此时水位控制器输出量会减小，不能及时补充水量。随着过多热量输出，汽包温度下降，水密度变化使水位回落，虚假水位过程结束，较大的水位偏差随之显现。引入蒸汽流量前馈可以改善这种情况，因为它在虚假水位过程中产生着增大给水流量的作用。五、锅炉汽包水位控制系统配线图设计上图为应用西门子 S7-200 CPU 做的配线
20、图、锅炉汽包水位控制系统模块、变频器、工频配线图在图示锅炉汽包水位控制系统配线图中，原理要点如下：1. PLC 采用 CPU224XPDC/DC/DC 并扩展一台 EM235 模拟量输入输出模块。其中，6 路模拟量输入，1 路模拟量输出；7 路数字量输入，6 路数字量输出。2. 给水泵按两泵一阀设计。主泵变频运行，通过电机调速来调节给水流量；副泵工频运行，通过调节阀来调节给水流量。两种运行方式通过旋钮 SR 配合继电器 SJ 进行切换，并由常开触点 SJ1 为 PLC .E04 提供状态识别信号。3. SR 拨在变频位置时，SJ 不动作，其常闭触点 SJ4 使变频器加减速触点 UpJ1/DnJ
21、1 的公共端连接到变频器控制板的 COM 端（DC24- ）。之后，由触点 UpJ1/DnJ1 操作变频器输出频率。4. SR 拨在工频位置时，SJ 动作，其常开触点 SJ4 输出 L31（AC220V）到调节阀电机驱动触点UpJ4/DnJ4 的公共端。之后，由触点 UpJ4/DnJ4 操作调节阀开度。调节阀中的 UpJ 常闭与 DnJ 常闭互锁，为了防止线 LDn 和线 LUp 同时导通造成短路，作为硬互锁。5. 阀位反馈模拟量信号接入 EM235 模块输入端，以便监视调节阀开度。此外。调节阀内部具有两组触点分别表示行程上止点或下止点，可作为调节阀驱动保护。6. 变频泵按钮 1QT 接 E0
22、0（DI），通过 PLC 输出 Q0.7 接通继电器 1MJ，触点 1MJ1 启动变频器正转。若变频器正常运转，其集电极输出 Y1（内部 PN 结导通），使外接继电器 1DJ 动作，1DJ1 输出DC24V，点亮变频运行指示灯亮，同时输入到 PLC E0.5 作为主泵运转状态反馈信号 1Rn。变频器故障时，内部继电器常闭触点 MA 断开、MB 闭合，故障指示灯 1ED 亮。7. 工频泵按钮 2QT 接 E01（DI），通过 PLC 输出 Q1.0 接通继电器 2MJ，触点 2MJ1 接通 10 线，2DJ4接通 L31，接触器 MC 上电。同时使 2DJ 动作，2DJ1 接通 10 线使工频运
23、行指示灯亮，并输入到 PLC E0.6 作为工频泵运转状态反馈信号 2Rn。8. 变频器的两个模拟量输出 AO1 与 AO2，分别代表频率值和电流值，它们接入 PLC224XP 的模拟量输入端，用于设备监视或保护。9. 除了上述第 3 条所论，也可以通过模拟量控制变频器输出频率，此时由 PLC EM235 /AO1 输出模拟量信号给变频器输入端 I。六、总结结合实际应用，采用 PLC 和变频器组成的蒸汽锅炉汽包水位串级三冲量控制系统能够使锅炉运行稳定，控制可靠，能够保证锅炉处于良好的运行状态，并且以 S 7-200 为核心的控制系统具有成本低廉、经济实用、操作简捷方便等特点；同时，该系统采用了
24、变频技术后，当设备启动时减少了对电网的冲击，提高了电机的机械特性，延长了电机设备的使用寿命，节能效果良好，对实现可持续发展的战略，更具有现实意义。参考文献：1吴明永.基于 PLC 的锅炉串级三冲量给水控制系统兰州理工大学.研究与开发.1004-8774（2008）2张子栋，王怀彬.锅炉自动调节M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，19943西门子公司.深入浅出西门子 S7-200PLC 可编程序控制器.20104西门子 S7-200 编程设计手册5李宗刚.节能技术M.北京：中国电力出版社，1991在图示锅炉汽包水位控制系统配线图中，原理要点如下：1. PLC 采用 CPU224XPDC/DC/DC
25、 并扩展一台 EM235 模拟量输入输出模块。其中， 6 路模拟量输入，1路模拟量输出；7 路数字量输入，6 路数字量输出。2. 给水泵按两泵一阀设计。主泵变频运行，通过电机调速来调节给水流量；副泵工频运行，通过调节阀来调节给水流量。两种运行方式通过旋钮 SR 配合继电器 SJ 进行切换，并由常开触点 SJ1为 PLC .E04 提供状态识别信号。3. SR 拨在变频位置时，SJ 不动作，其常闭触点 SJ4 使变频器加减速触点 UpJ1/DnJ1 的公共端连接到变频器控制板的 COM 端（DC24- ） 。之后，由触点 UpJ1/DnJ1 操作变频器输出频率。4. SR 拨在工频位置时， SJ
26、 动作， 其常开触点 SJ4 输出 L31 （AC220V） 到调节阀电机驱动触点 UpJ4/DnJ4的公共端。之后，由触点 UpJ4/DnJ4 操作调节阀开度。调节阀中的 UpJ 常闭与 DnJ 常闭互锁，为了防止线 LDn 和线 LUp 同时导通造成短路，作为硬互锁。5. 阀位反馈模拟量信号接入 EM235 模块输入端，以便监视调节阀开度。此外。调节阀内部具有两组触点分别表示行程上止点或下止点，可作为调节阀驱动保护。6. 变频泵按钮 1QT 接 E00（DI） ，通过 PLC 输出 Q0.7 接通继电器 1MJ，触点 1MJ1 启动变频器正转。若变频器正常运转， 其集电极输出 Y1 （内部
27、 PN 结导通） ， 使外接继电器 1DJ 动作， 1DJ1 输出 DC24V，点亮变频运行指示灯亮，同时输入到 PLC E0.5 作为主泵运转状态反馈信号 1Rn。变频器故障时，内部继电器常闭触点 MA 断开、MB 闭合，故障指示灯 1ED 亮。7. 工频泵按钮 2QT 接 E01（DI） ，通过 PLC 输出 Q1.0 接通继电器 2MJ，触点 2MJ1 接通 10 线，2DJ4接通 L31，接触器 MC 上电。同时使 2DJ 动作，2DJ1 接通 10 线使工频运行指示灯亮，并输入到 PLC E0.6 作为工频泵运转状态反馈信号 2Rn。8. 变频器的两个模拟量输出 AO1 与 AO2，分别代表频率值和电流值，它们接入 PLC224XP 的模拟量输入端，用于设备监视或保护。9. 除了上述第 3 条所论，也可以通过模拟量控制变频器输出频率，此时由 PLC EM235 /AO1 输出模拟量信号给变频器输入端 I。
