基于PLC的锅炉燃烧控制系统——空燃比控制的WinCC组态和PLC设计.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）51毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它基于PLC的锅炉燃烧控制系统空燃比控制的WinCC组态和PLC设计摘 要在当今各种工业企业的动力设备中，锅炉仍然是一重要的组成部分。随着现代化工业的飞速发展，对能源利用率的要求越来越高，作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理随之要求越来越高。但在我们国家，除了一些大中型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，如10T/h、20T/h锅炉，大部分还在采用仪表/继电器控制，甚至还是人工操作，已无法满足要求。本文采用基于SIEMENS S7-300(PLC)的方式对锅炉的燃烧过程进行控制，简化了系统，提高了设备的可靠性和稳定性，同时也大幅度地提高了燃烧能的热效率。本文通过对锅炉燃烧工艺进行分析和研究，过几种控制系统的优缺点进行比较，设计出锅炉燃烧过程的最佳控制系统。设计中以组态软件WinCC为开发工具，开发了系统的监视与控制画面，使系统具备了对现场过程数据的动态监视功能、历史数据的归档功能、异常信号的报警功能以及现场操作的指导功能。下位机采用Step7编程软件，将复杂的自动化任务分解为独立的功能块，方便了主程序的调用，也方便了程序的修改。关键词:锅炉；交叉限幅； WinCC；step7； Control system of the boiler combustion based by PLCWinCC configuration of air-fuel ratio control and plc designAbstractIn todays industrial enterprises in a variety of power equipment, the boiler is still an important component. With the rapid development of modern industries on energy efficiency ，that have become increasingly demanding. Boiler equipment as one of the important equipment that make the primary energy into secondary energy, and its subsequent control and management have become increasingly demanding. However, in our country, in addition to a number of large and medium-sized boilers to control the use of advanced technology, used by the vast majority of small and medium-sized boilers, such as 10T / h, 20T / h boilers, most are still using instrument / relay control, even control by people.It has been unable to meet the requirements.In this paper, based on the SIEMENS S7-300 (PLC) use it to control the biler of combustion process not only simplifies the control system, improved equipment reliability and stability, but also significantly improved the thermal efficiency of combustion energy. Based on the boiler combustion process analysis and research, By comparing severl control systems advantages and disadvantages design the best boiler combustion control system.In this design PC used by SIEMENS WinCC configuration software for the development of tools, designed to monitor and control system of the screen, allowing the system to have the process of on-site surveillance function of the dynamic data, historical data archiving features, abnormal signal of the alarm function, on-site guidance to the operation of functions and so on. under-bit machine used by Step7 programming software .It put complex task decomposed into independent functional blocks, Convenient for the main program calls and convenient for Modified.Keywords: boiler；Limiting cross； WINCC； step7； 目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 背景简介11.1.1 PLC技术21.1.2 西门子工业控制网络技术简介41.2 相关技术发展51.3 本论文研究内容61.4 本章小结6第二章 控制系统整体设计和信号检测72.1 电厂发电工艺的概述72.2 锅炉简介72.3 燃烧控制系统的任务92.3.1控制系统的控制目的102.3.2炉膛负压控制任务与有关的安全保护系统112.4整体设计122.5系统流量信号的检测132.5.1 孔板132.5.2 差压变送器142.5.3 系统流量检测装置的选型及检测方式152.7系统压力信号的检测162.7.1电阻应变片的工作原理162.7.2 扩散硅压力传感器的选用162.8 本章小结16第三章 空燃比控制方案的确定183.1 概述183.2空燃比控制系统的设计183.2.1单交叉限幅控制系统203.2.2 空燃比控制的校正223.3 系统设计中偏置的作用223.4本章小结23第四章 系统上位机组态和监控244.1 WinCC组态软件的概述244.1.1 WinCC的控制模块244.1.2 WinCC项目设计274.2监控界面的设置294.3报警组态以及趋势显示314.4 本章小结33第五章 PLC控制系统的硬件配置和软件编程345.1工控机345.2 PLC345.3 Step7简介355.4系统软件编程395.5 本章小结40第六章 总结和展望42参考文献43致 谢44附录45 第一章 引 言1.1 背景简介自上世纪40年代以来，工业控制系统开始了逐步发展成熟的步伐。当时采用只具备简单测控功能的现场基地式仪表，即第一代过程控制系统(气动控制系统或PCS)。气动控制系统一直沿用到20世纪60年代才结束其主导地位，而目前在类似防爆等特殊场合下仍发挥着不可替代的作用。开始应用4-20mA模拟信号标准的第二代控制系统(模拟控制系统或ACS)标志着控制系统的又一次飞跃。但是由于不同的传感器和执行器信号的定义有所不同，大量仪表的信号标准难以规范，这样限制了控制系统的规模和性能，降低了系统集成度。随着数字计算机在测量、模拟和逻辑控制领域被广泛使用，从而产生了集中控制系统，即第三代过程控制系统(CCS)。采用单片机、PLC或微机作为控制器传输数字信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统抗干扰能力易于根据全局情况进行控制计算和判断。在控制方式、控制实际的选择上可以同意调度和安排。但集中式计算机控制系统存在可靠性问题，一旦作为控制中心的计算机发生故障，将导致生产全面瘫痪。为了改善CCS的缺陷，第四代过程控制系统(DCS)应运而生。它采用集中管理，分散控制的方法，有力地克服了集中式数字控制系统对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。因此DCS系统在电力、石油、化工等重要领域得到普遍应用。但是，出于垄断经营的目的各大系统集成厂商采用各自封闭的控制通信模式，不同场设设备能以实现通信与信息连接。因此，DCS成为一种封闭转用的、不具有大范围可操作性分布式控制系统。电子信息技术的飞速发展又给自动化工业控制系统带来了深刻的变革。逐步形成了现在的以网络集成自动化为基础的企业信息系统。它具有开放、数字化、容易进行数据交换的特点。它利用现场总线连接智能现场设备和自动化系统形成数字式、双向传输、多分支结构网络特色的自动控制系统。这样，现场总线成为当今3C(Computer、Control、Communication)发展的结合点，也是过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术发展的交汇点，而且是信息技术、网络技术的发展在控制领域的集中体现，是信息技术、网络技术延伸到现场的必然结果。因此，现场总线控制系统及时一个开放的通信网络，又是一种分布式控制系统，它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上作为控制节点的职能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化控制系统。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化控制系统得到越来越广泛的应用。本文主要是研究上位机组态监控技术与PLC技术。通过PROFIBUS现场总线连接还可以达到TIA全集成自动化的标准，下面将简要介绍一下相关技术背景。1.1.1 PLC技术PLC英文全名为Programmable logic Controller，即可编程控制器可以执行包括逻辑运算、顺序控制、时序计数以及算术运算等程序。他用一串指令形式存放在存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产过程进行控制。一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些I/O模块，这些模块被插在一块背板上。如果配置增加可能会包括一个操作员界面、监控计算机、通信模块、软件以及一些可选的特殊功能模块。可编程控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其他的项目中去。现在，尽管PLC的功能，如运行数度、接口种类、数据处理能力己经获得了很大的提高，但PLC一直保持了最初设计的原则，那就是简单之上的原则。1968年，通用汽车公司确立了第一个可编程逻辑控制器的标准，目的在于替代既复杂又昂贵的继电器控制系统。该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在工业环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。到1969年，第一个PLC诞生。当时称为可编程控制器，英文称为Programmable controner，缩写为PC。由于第一代PLC是为了取代继电器，因此，采用采用了梯形图语言作为编程方式，形成了工厂的编程标准。这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术发展得大门。在很短时间内，PLC就迅速扩展到食品、饮料、金属加工、制造等多个行业。PLC通常根据CPU所带的FO点数的规模分为微行PLC、小型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。PLC的技术不断发展取得了很大的成就，PLC控制系统应用的原来越广泛。过去，PLC使用与离散过程控制，如开关、顺序运动执行等场所，但随着PLC的功能越来越强大，PLC也开始进入过程自动化领域。PLC硬件上一系列进展，包括:采用新的先见的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间；小型的、低成本的PLC，可以代替四到十个继电器，现在获得更大的发展动力；高密度的I/O系统，以低成本提供了节省空间的接口；基于微处理器的智能I/O接口扩展了分布式控制能力，典型的接口如PID，网络，CAN总线，现场总线，ASC通信，定位，主机通信模块，语言模块(如BASIC，PASCALC)等；包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成；特殊接口允许默写器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等；外部设备改进了操作员界面技术，系统文档功能成为了PLC的标准功能；硬件改进，使得PLC的产品系列丰富和发展，使PLC从最小的只有10个UO点的微型PLC到可以达到8000点的大型PLC。这些产品系列，用普通系统和编程外部设备，可以组成局域网，并与办公网络相连。整个PLC的产品系列概念对于用户来说，是一个非常介于成本地控制系统概念。PLC软件上与硬件发展相似，PLC的软件业取得了巨大的进展，大大强化了PLC的功能:PLC引入了面向对象的编程工具，并且根据国际电器工程委员会的IEC61131-3的标准形成了多种语言；小型PLC也提供强大的编程指令，并且因此延伸了应用领域；高级语言，如BASIC，C在某些控制器模块中己经可以实现，在与外部通信和处理数据时提供了更大的编程灵活性；梯形图逻辑中可以实现高级的工能块指令，可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能；诊断和错误检测功能也从简单的系统控制器的故障诊断扩大到对所控制的机器和设备的诊断；浮点算数可以进行控制应用在计量、平衡和统计等所设计的复杂计算；数据处理指令的到简化和改进，可以进行设计大量数据存储、跟踪和存取的复杂控制，数据采集与处理功能。PLC己经比原来复杂了很多，但是对操作员来说，今天的高功能的PLC与30年前的PLC一样那么容易操作，甚至更为简单。PLC的特点：(1)可靠性高，抗干扰能力强。(2)适应能力强，应用灵活。(3)编程方便，易于使用。(4)控制系统设计、安装、调试方便。(5)维修方便、维修工作量小。(6)功能完善。1.1.2 西门子工业控制网络技术简介本研究针对的是WINCC组态软件及SIMATIC PLC都是西门子公司的产品。系统应用的是西门子公司的控制系统解决方案。所以下面介绍一下西门的工业控制网络技术。西门子工业控制网络根据总线分为4种网络结构：1). AS-i总线：其接口符合开放的国际标准EN5O295，用于现场小数据量传送(开关量)。拥有规范的主一主通信协议以及设备的连接方式，保证不同厂商此规范设备的产品兼容性。2). EIB总线：全称为European Installation Bus，是专门针对智能建筑领域的现场总线标准。具有分布、开放、灵活、互操作的特点。总线上智能化元件可通过编程改变的功能，即能独立进行开关、控制、监视等工作，也能根据要求进行多元件组合。与传统方式相比有更强的功能和更高的灵活性。协议开放可令不同厂商开发兼容产品。3). PROFIBUS现场总线：对应国际标准IEC6ll58 Type中标准，定义了串行总线的技术特征。相关的技术特点前面已经有所说明。PROFIBUS总线适用于工厂自动化、过程自动化以及交通、发电输配电等领域。4). 工业以太网PROFInet:基于IEEE802.3(Ethenet)是国际标准IEC61158的重要组成部分。1.2 相关技术发展如同上文提到的SIEMENS工业控制网络系统集合了越来越多的技术，随着电子、通信行业以及控制理论的研究发展，这样的工业控制系统呈现出向巨系统更具复杂程度的方向发展。但是另一方面，系统用户的操作控制将会简化呈现出脱离控制实际，进行对象化控制的方向发展。这样的系统自动化程度更高，操作更加简化。而就具体的技术而言，现场总线正朝着扁平化，一体化的方向发展，通过一个总线实现各种功能。采用一线制将现场设备、车间及设备以及工厂及设备统一连接。这样的技术具有广阔的市场前景，不但降低了设计周期便于维护管理，而且更方便进行改造和系统升级，但是目前实施起来还有很多难度。随着通信、电子业的进一步的发展将更好的进行实际应用。目前，PLC控制系统包含有更加丰富的内容，上层的上位机监控界面，与工业以太网或因特网的连接，在工控机实现软件对系统的仿真模拟等。众多的厂商提供了解决方案，SIEMENS在上位机系统上提供了SIMATIC组态软件和WinCC复杂控制仿真软件。组态软件WinCC是一个集成的人机界面(HMI)系统和监控管理系统，它结合西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft PC软件技术的强大功能的产物。应用上位机组态监控软件为用户提供了直观的界面，使用户对于现场有更佳理解，更有效的使用、控制整个系统。同时，软件的应用有效缩短了对于上位机监控层面的复杂设计过程。PLC系统中提供的这些功能，使得使用者或第三方更容易将自身的要求或设计融入到整个系统中。但是，这些软件上也应该引进更多先进的软件设计理念技术，使得未来系统的更加复杂但是应用起来却更加方便。PLC控制系统提供接口连入工业以太网、因特网形成了更为复杂的工业控制系统，但却更为开放和有效。以PLC系统为基础的新一代工业控制系统将拥有底层设备，中层的PLC控制单元、现场总线、上位机监控，上层工业以太网、内部局域网或管理层网络、因特网。微型化、网络化、PC化和开放性是PLC未来发展的主要方向。在基于PLC自动化的早期，PLC体积大而且价格昂贵。但在最近几年，微型PLC(小于32 I/O)已经出现，价格只有几百欧元。随着软PLC(Soft PLC)控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软PLC组态软件和PC-based的市场份额将逐步得到增长。同时，PLC作为过程控制领域已打主力，同样以面向Ethenet技术的扩展为最大的发展趋势之一。现在越来越多的PLC供应商开始提供Ethenet接口。可以相信，PLC将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业PC的控制系统。1.3 本论文研究内容应用SIMATIC WINCC与PLC相结合综合控制现场设备、执行器、控制仪表以及上位机，这样组成了高速、实时、可靠的TIA(Totally Integreted Automation)全集成自动化控制系统。以S7系列PLC为核心的TIA技术有助于企业实现生产力最大化、获得更高的产品质量、降低项目成本。而且本系统安装维护升级费用减少，也可以自由选择不同厂商，不同品牌的现场设备实现系统集成的最优化。 上述的现代控制系统应用范围广，与传统控制系统相比可以进一步提高生产效率，降低生产运营成本。所以根据市场需求研究更加先进的自动化控制系统有利于发挥工业网络控制优势并有利于促进国民经济的进一步发展。本论文研究SIEMENS PLC S7-300的硬件模块和接口以及编程软件STEP 7；研究全集成自动的概念以及应用和WINCC组态；以锅炉燃烧控制为例，研究最终的系统整合，搭建成具有一定开放系统特性的基本系统，包括PLC控制系统设计、上位机管理和监控系统设计；通过学习各种资料，分析SIEMENS PLC与上位机WinCC的组态模式;分析锅炉燃烧控制过程，实现SIMATIC WinCC上位机组态，完成PLC控制系统的设计。1.4 本章小结本章阐述了论文的研究的课题的意义，简单介绍了SIEMENS工业控制系统，WinCC上位机组态软件和PLC技术，叙述了西门工业控制网络技术的背景知识。阐述说明了本文研究的内容、方法和实现的目的。 第二章 控制系统整体设计和信号检测2.1 电厂发电工艺的概述火力发电的三大主机是锅炉、汽轮机、发电机。锅炉用燃料燃烧放出的热能将水加热成一定压力和温度的蒸汽，然后蒸汽沿管道进入汽轮机膨胀做功，带动发电机一起高速旋转，从而发电。下图所示是火力发电基本工艺流程：首先由黄河水来的水经水处理车间处理后由给水泵经省煤器送往锅炉，加热到一定温度的过热蒸汽后送往汽轮机带动发电机发电。在这个过程中实质上是四个能量形态的转换过程，首先燃气或煤粉的化学能经过燃烧转变为热能，这个过程在蒸汽锅炉或燃汽机的燃烧室内完成；再是热能转变为机械能，这个过程在蒸汽机或燃汽轮机完成；最后通过发电机将机械能转变成电能。锅炉是电厂最重要的能量转换设备之一。在现实生活中有许多发电形式，例如风力、水力、核能以及潮汐能发电等。在众多发电形式中火力发电仍是我国主要的发电形式约占70%80%。 图2.1 电厂发电工艺框图及设备 2.2 锅炉简介锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成。“锅”就是锅炉的汽水系统，有省煤器、汽包、下降管、水冷壁、过热器及再热器等设备组成。它的任务是使水吸热蒸发，最后变成一定参数的过热蒸汽。其过程是：给水由给水泵打入省煤器以后，逐渐吸热，温度升高的给水进入汽包，经由下降管进入水冷壁中循环吸热，并蒸发为饱和蒸汽；饱和蒸汽在汽包中经分离、清洗后，引入过热器，逐渐过热到规定温度，成为合格的过热蒸汽，然后送往汽轮机；过热蒸汽在汽轮机高压缸中膨胀做功后，汽温、汽压均下降，在高压缸出口由导管将蒸汽引入锅炉再热器中第二次过热为高温再热蒸汽，然后再送往汽轮机中、高压缸中继续做功。“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膛、烟道、喷燃器及空气预热器等组成。其工作过程是：送风机将空气送入空气预热器中吸收烟气中的热量并送进热风道，然后分成两股：一股送给制粉系统作为一次风携带煤粉送入喷燃器，另一股作为二次风直接送往喷燃器。煤粉与一、二次风经喷燃器喷入炉膛进行燃烧放热，并将热量以辐射方式传给炉膛四周的水冷壁等辐射受热面；燃烧过程中产生的高温烟气沿烟道流经过热器、再热器、省煤器及空气预热器等设备，热量主要以对流方式传给它们。在传热过程中，烟气温度不断降低，经除尘后，最后由引风机送入烟囱，排入大气。从燃烧方式看，国内现有的300、600MW级锅炉主要有三种技术形式：第一种是四角切圆燃烧方式，第二种是对冲燃烧方式，第三种是W型燃烧方式。四角切圆式燃烧锅炉多数采用摆动式燃烧器调节再热汽温，也可采用烟气挡板和其他调温方式。而对冲燃烧锅炉采用旋流式燃烧器，多数采用烟气挡板调节再热汽温。从循环方式看，主要有四种形式：自然循环、控制循环、复合循环或低倍率循环方式。四角燃烧锅炉的循环方式趋于多样化，上述四种形式都占相当数量。而对冲燃烧锅炉，多数采用自然循环方式。从受热面系统来看，对于采用摆动式燃烧器调温的锅炉，除了水平烟道和尾部烟道的贴墙管过热器外，烟道中的主受热面系统布置大致形成了两种形式：一种是过热器和再热器都采用辐射+对流式的系统，再热器采用对流式系统；另一种是过热器采用辐射+对流式的系统，再热器采用对流式系统。从锅炉形式看，有U型布置、塔形布置形式、W型火焰布置形式。2.3 燃烧控制系统的任务设计锅炉燃烧自动控制系统的目的是控制燃烧过程，使燃料燃烧所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的需求，同时保证锅炉的安全经济运行。锅炉燃烧过程自动控制主要包括以下控制内容： 1.维持主蒸汽压力的恒定。机组在不同的负荷控制方式下，燃烧系统的任务是不一样的，但总体来说，都是要满足主控系统输出的炉主控指令。在汽轮机跟随方式下，燃烧系统主要是保证机组实发功率等于负荷要求值；在锅炉跟随方式下，主要是保证主蒸汽的压力等于给定值；在协调方式下，两个参数都要兼顾。2.控制风燃比。为了实现经济燃烧,必须相应地调节送风量，使送风量(单位时间内送入炉膛的空气重量)与燃料量相适应。燃烧过程的经济与否可以从过剩空气系数是否合适来衡量，过剩空气系数通常可用烟气中的含氧量来间接表示，也可通过使风量与燃料量成一定比例的方法实现经济燃烧。控制送风量也是为了实现安全运行，若风量相对于燃料量太少的话，亦可能导致熄火事故。3.维持炉膛压力稳定。炉膛压力是否在允许的范围内变化，关系到锅炉的安全经济运行。在正常工作时，炉膛压力要为微负压，通常为-20Pa，为了保持炉膛压力在要求的范围内，引风量(单位时间内从炉膛引出的烟气重量)必须与送风量相适应。炉膛压力的高低也关系着锅炉的安全、经济运行。炉膛压力过低，会使大量的冷风进入炉膛，将会增大引风机的负荷和排烟损失，可能使燃烧恶化，燃烧损失增大，甚至会燃烧不稳定或灭火，炉膛压力太低甚至会引起内爆；反之，炉膛压力高且高出大气压力时，炉膛内火焰和高温烟气就会向外面泄露，使烟气冒出，不仅会影响环境卫生，甚至可能影响设备和人身安全。 锅炉燃烧过程的上述三项控制任务是不可分开的，它的三个被控参数，即主蒸汽压力或机组负荷、尾部烟气含氧量、炉膛压力，与燃料量、送风量、引风量三个调节量之间的关联，所以燃烧控制系统的各个子系统应协调动作，共同完成其控制任务。燃烧控制系统除了以上三个主要部分（燃料、送风、引风控制）外，还有一次风压控制，磨煤机风量、风温控制，二次风控制（辅助风、燃料风和燃尽风三项）等。因此，燃烧控制系统是一个较大的综合控制系统，通过系统综合控制，才能保证锅炉正确响应机组负荷的要求和自身的安全经济运行。燃烧过程是否稳定直接关系到锅炉运行的可靠性。例如，燃烧过程不稳将引起蒸汽参数发生波动；炉膛温度过低将影响燃料的着火和正常燃烧，容易造成炉膛灭火；炉膛温度过高或火焰中心偏斜将可能引起水冷壁、凝渣管或烧损设备，并可能增大过热器的热偏差，造成局部管壁超温等。对于大容量高参数锅炉，燃烧条件适当（燃料完全燃烧、炉膛温度场和热负荷分布均匀）则更是达到安全可靠运行的必要条件。2.3.1控制系统的控制目的下面通过对空气过剩系数U与节能关系的分析来说明风燃比控制系统所要达到的目的，对于具体的控制方案将在第三章给出。图2.2空气过剩系数和节能图上图所示为燃料在锅炉燃烧过程中空气过剩系数和节能与防止污染的关系，图中曲线1代表燃料不完全燃烧的热损失，曲线2表示烟囱排出废气的热损失，曲线3代表总能量损失。由图可见，在上述两种情况之间存在着一个热损失少和污染小、热效率高的低氧燃烧区，这种情况使排烟量减少，火焰温度升高，并使得高温区热效率提高，这就是最佳燃烧区。一般以煤粉为燃料的燃烧系统最佳燃烧区的空气过剩系数在1.02-1.10之间，理想的燃烧过程应该是无论负荷稳定还是极具变化的情况都能在最佳燃烧区内进行。随着空气过剩系数U从1.10开始增加时，燃烧所需之外多余的空气被加热后从烟囱排出，因此热损失随U的增加而增大，热效率1.02开始减小时，由于燃烧所需空气不足，燃料燃烧不充分，一方面要冒黑烟污染环境，另一方面是热损失增大，从而热效率也逐渐降低。由此可见，在上述的两种情况之间存在着一个热气燃烧区，称为最佳燃烧区。2.3.2炉膛负压控制任务与有关的安全保护系统炉膛压力控制系统是属于锅炉燃烧控制系统的一个子系统，它是提高炉温均匀性，稳定的供风及燃料供给系统是烧嘴稳定燃烧的必要保证，炉膛压力是实现加热炉自动控制的重要参数之一。炉压过高时,火烟就会大量冒出，不仅使大量有效热量散失，同时，引起的冒火还会导致劳动环境的恶化，既影响环境卫生，又可能危及设备与操作人员的安全。炉压过低时,会吸入大量的冷风,增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。图2.3 炉膛负压控制系统及连锁保护 它通过调节两台引风机，使引风量和送风量相适应，以保持炉膛压力在允许范围之内，保证锅炉的经济与安全运行。当燃料为煤气或焦炉气时，要考虑燃气压力过高时会发生“脱火”，压力过低时又会发生“回火”，两者均可造成事故。系统中，P1C为正常工况时使用的调节器，P3C为压力过高时使用的取代调节器。P1C、P3C都是反作用调节器，调节阀为气开阀。系统在正常运行时PC下限节点是断开的，电磁阀失电低值选择器LS选择P1C信号控制调节阀。当蒸汽压力上升时，调节阀P1C减小（反作用），调节阀关小燃气流量减小，蒸汽压力下降；反之亦然。由于工艺原因，当燃气压力降到某一下限值、达到有可能“回火”时，PC下限节点接通，电磁阀得电于是切断了低值选择器LS至调节阀的通路，并使调节阀的膜头与大气相通调节阀关闭实现硬保护。当蒸汽压力下降到某一下限值。导致调节阀的阀后压力增大有可能产生“脱火”时，此时P2C调节器的输出大幅度下降（反作用），并低于P1C调节器的输出值。此时通过低值选择器，选择了P2C的输出信号，调节阀的开度由P2C控制，导致调节阀的阀后压力下降，从而避免“脱火”事故的方式。当工况恢复正常后，P1C调节器的输出又高于P2C调节器的输出，P2C自动切除，P1C又自动投入运行。2.4整体设计设计锅炉燃烧自动控制系统的目的是控制燃烧过程，使燃料燃烧所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的需求，同时保证锅炉的安全经济运行。过程控制的内容包括:采用正确的控制策略、配置合理的控制系统、选用合适的控制设备及恰当的通讯网络等。通过对整个热工控制系统的分析，根据锅炉的燃烧特点，本系统采用了交叉限幅的方式进行控制，并依此对整个热工控制系统进行了总体设计。结构框图如图2-l。图2.4系统整体框图 系统设计主要由上位工控机的监控部分、PLC系统，信号检测部分及执行机构几部分组成，其中工控机和PLC采用PROFIBUS-DP工业网络进行通讯。上位工控机在线实时记录、监控和显示数据；PLC向上位机传递设备的实时状态，接受并执行上位机的实时控制命令，通过换向阀和执行机构对燃烧介质(煤粉和空气)的流量进行控制，从而达到最终控制温度的目的。在整个热工控制系统中温度的控制是由控制燃烧介质(煤粉和空气)流量得以实现的。因此温度、流量的测量对整个控制系统起着举足轻重的作用。本章主要就温度、压力和流量的检测原理、传感器的选型及检测方式做详细描述。2.5系统流量信号的检测流量的检测是先通过节流元件孔板产生差压，然后再由差压变送器将流体流过孔板时所产生的压力差，按比例地变换成标准电流信号。以下重点介绍孔板测量流量。2.5.1 孔板孔板的测量原理:在充满流体的管道中固定放置一个流通面积小于管道截面积的节流件，当流体流经节流件时就会造成局部收缩。在收缩处，流速增加，静压力降低，在节流件前后产生静压差。实践证明，对于一定形状和尺寸的节流件，一定的测压位置和前后直管段，在一定的流体参数情况下，节流件前后的差压差与流量q之间有一定的函数关系。因此，可以通过测量节流件前后的压差来测量流量。流体通过孔板的流动情况如图所示，在-截面前，流体尚未受节流件的影响，管道内流速分布同节流件前较长直管段形成的规则速度分布(称为充分发展管流)，管道轴心处的静压与管壁处的静压相等，-截面后，流体开始受节流件的影响，靠近管壁的流体向中心加速，平均流速V1逐渐升高，直至-截面(孔板开孔后一定距离)，流速收缩到最小，平均流速达到最大值V2，只是因为流体的惯性使得流束经孔口后有射流现象；图2.5孔板 自-截面后，流束开始膨胀，直至-截面，又恢复到-截面前的情况，此时平均流速由V1逐渐降低至V3，与平均流速相对应的静压P亦经历由低到高再恢复到低值。在流体进入节流件前、后的管壁附近形成涡流，流体微团不仅有横向脉动，而且还有逆向运动，是一种非常复杂的流动状态，所以孔板的压力损失较高，就是由这些涡流能量耗散造成的。2.5.2 差压变送器差压变送器是一种变送单元，能够将流体流过节流元件时所产生的压力差，按比例地变换成标准电流信号。节流式差压变送器具有两个非常突出的优点:l)结构简单，工作可靠，成本低，又具有一定的准确度，基本能满足工程测量的需要。2)研究设计和使用历史悠久，有丰富的、可靠的实验数据，设计加工己经标准化。只要按照标准设计加工的节流式流量计，不需要进行标定，也能在己知的不确定度范围内进行流量测量。2.5.3 系