摘要
随着计算机网络和控制技术，现代变频技术的不断提高，采用先进的控制手段，很容易实现锅炉给水，上煤，炉排，风机等运转的控制，锅炉设备已经广泛应用于现代工业的各个领域。本文研究了将手动锅炉转换为全自动锅炉涉及的各个操作阶段。本文的初始阶段着重于将输入传递到锅炉所需的温度，以便不断保持锅炉中的特定温度。空气预热器和省煤器有助于此过程。本文主要关注锅炉厂各阶段的水位，压力和流量控制。因此，锅炉中的温度被持续监控并且根据发电厂的要求达到恒定温度。所以,需要对锅炉控制系统采用先进的控制技术,不仅能够提高效率,而且能够节能增效,提高安全性,具有很好的市场发展空间和投资收益前景。
本次设计还用到了组态软件,监控组态技术是适合我国工业结构转型所需的自动化技术之一,本文的主要方向是控制基于PLC工业锅炉。主要介绍锅炉的概念，系统组成和选择的控制方法。在设计中，主要有煤传输控制，水位控制，蒸汽温度控制和压力控制，实现锅炉的自动控制系统。并且采用组态软件设计监控画面。采用PID控制算法,已经达到优化技术指标,提高经济效益和社会效益,节约能源,保护环境卫生,而且还提高市场竞争能力的作用。
关键词：锅炉，PLC，组态软件，自动化，控制，系统
第一章 绪论
1.1研究背景及研究意义
多年来，在这个全球化的世界中，对高质量，高效率和自动化机器的要求不断增加。大容量发电机的投入以及电力系统的不断扩大，对其控制要求越来越高。发电厂需要频繁地进行连续检测和检查。在测量和人工工作涉及的各个阶段存在错误的可能性以及微控制器缺乏少量功能。同时，随着新建及改造工程的进行，生产过程自动控制技术越来越发达。锅炉作为三大输出能量之一，和我们的日常生活有着密切相关的关系。锅炉时一种将化学能转换为热能的装置，在锅炉中，化石燃料的化学能由燃烧转换成热，并且能量被通过传热过程转移到水以产生规定的参数，它被提供给蒸汽涡轮发电机组的蒸汽，热水或热能量。锅炉也各工业企业的供热系统的重要组成部分。
1.2国内外发展现状
锅炉发展史：
早在世纪末期，在英国工业革命的推动下，促使各行各业飞速发展，与此同时，面临着极大的动力需求，尤其是在工业领域开发出圆筒形式的锅炉并得到了广泛的应用，相应的社会生产力在一定程度上呈现出迅猛发展的势头，蒸汽在工业领域的应用比比皆是，为了将相应的生产规模有效扩大，需要对相应的锅炉，针对于其容量以及各方面性能提出更高的要求。
截至2006年年底,有543100台锅炉在中国使用，其中包括314700个工业锅炉，219,800家用锅炉，以及8600个电站锅炉。由此可见,工业及生活锅炉占极大的比例。
当前形势下的锅炉发展现状，无论是在工业方面，还是在日常生活方面都或多或少存在一定的问题，其具体的形式可以归结为：容量方面相对较小、热效率方面普遍偏低、污染方面相对较为恶劣以及自动化水平不高等。为了克服以上问题,我国锅炉行业加快了技术创新与产品结构调整,工业及生活锅炉的发展趋势逐步趋向于效率提升、结构简化、有效把控燃烧质量以及排放标准等中国的燃煤工业锅炉主要是层燃锅炉炉排，占总数的65％以上。这种类型的锅炉的需要在能量效率和环境性能方面得到进一步改善。对于层的锅炉中，原煤主要洗涤和筛分，并且燃烧设备也得到改善。比如,可采用分层给煤和炉前成型给煤耦合,宽煤种炉拱设计,飞灰高温分离与飞灰内循环流化再燃等技术提高层燃锅炉效率,减少污染。
国内发展趋势
中国是少数几个以煤炭为生产和生活领域主要燃料的国家之一。工业锅炉消耗的煤量超过1/3，以提供制造，供电或采暖通风和空调所需的蒸汽或热水。目前，在年间我国相应的蒸发量始终保持在
万吨左右。
年前
个月仅仅在工业方面相应的蒸发量就已经达到了
吨。
无论是在生产方面还是生活方面，工业锅炉都占据着重中之重的地位。当前形势下，在我国的工业领域当中，尤其是在化工以及相应的轻纺行业对热能的需求极为强烈，中国燃煤工业锅炉的平均热效率约为60%-70%，比其他国外发达国家低10%-15%.每年约有620万吨烟尘，500万吨SO2，10亿吨二氧化碳和大量氮氧化物被耗尽。燃煤工业锅炉是第二大煤炭污染物，而发电站使用的燃煤锅炉是最主要的。因此，燃煤工业锅炉的节能减排具有非常重要的社会和环境意义。
为了确保火力发电行业进行切实有效的转型，从而致使相应的煤耗逐步下降，积极响应我国所提出的节能减排号召，在此过程当中，我国开始着手考虑超临界燃煤发电技术的研发与创新，并将其列入重点科研规划当中，在未来的一段时期内，着重开发超临界形式的锅炉，其具体的参数可以归结为
年，我国工业锅炉的发展前景一片大好。虽然在前几年当中，其发展速率在一定程度上有所下降，但是基于相关下游市场的需求，急需一系列各方面性能相对完善的工业锅炉，在燃烧高效方面、相对节能环保方面等形式的工业锅炉依然拥有相对较为良好的市场前景。
以后的工业锅炉市场发展在一定程度上受限于国民经济发展速率以及相应的投资规模程度，除此之外，还受限于我国政府颁布的一系列节能政策以及相应的环保需求。在一些相对较大的城市当中容量相对较小的燃煤锅炉将逐步退出历史舞台，一系列新形式的节能环保锅炉将得到切实有效的长足性发展，譬如燃气、循环流化床锅炉等。
国外发展趋势
从20世纪50年代起,超临界锅炉就是西方发达国家主要研究的方向。早在年，西方巨头美国就开发出了的超临界实验装置。介质到年为止，正式进入运营的企业高达家。其整体功率将近左右,在此过程中达到以上的机组已经实现了台,机组到当前为止已实现
台正式运营,相应的蒸汽参数基本集中于，538摄氏度/ 538摄氏度。自1986年以来，美国电力研究院一直在开发超中超临界燃煤火电机组，其中等负荷为32MPa，593摄氏度/593摄氏度/ 593摄氏度。
世纪年代的时候,日本正式投入运行的超临界机组其相应的蒸汽温度在一定程度上实现了由的提升,相应的蒸汽压力始终维持在左右,其具体的容量形式集中于,东芝、日立、三菱等工业制造企业,均将相应的发展规划归结为以下几个阶段：首先，需要完成的相应参数为,,其次,进一步将参数有效提升逐步实现,;最后,逐步达到,。
欧洲超临界机组相应的参数主要集中于为,,呈现出中等容量形式,即。德国电站共具备台容量大约为，参数为的机组在上世纪末就开始运行了，丹麦电站具体容量大约是，相应的参数为，580℃/ 580℃/ 580℃再热燃煤超临界机组也在上世纪末正式投入运行。其内部冷却水温大约是左右，当相应的排气温度实现，其效率可以达左右，相应的工厂用电率大约是，单位的净效率。高达47％，欧蒙开发了相对较为先进的燃煤火电机组，其具体参数为，相应的净效率在一定程度上可达以上。
自从前苏联于年成功开发出超临界机组，直到年为止，总共完成台进行相应的投产，有6800万千瓦的总功率，单机300MW，500MW，800MW和1200MW的电力，2315MPa的和蒸汽参数。，摄氏540度/ 540摄氏度。
1.3研究目的及研究内容
1.3.1研究目的
为了能够保证整个系统安全,稳定,快速和经济高效运行,也就是说，整个系统在正常情况下自动地控制，并且不正常的情况，采用自动控制的总体指导思想，并且通过了关键的参数，如水位，蒸汽压力，炉膛负压和自动控制方法之类的。
(1)提高锅炉运行的安全性;
(2)提高锅炉运行的经济性;
(3)改善劳动条件;
(4)减少劳动力,提高劳动生产率。
1.3.2主要研究内容
随着人民生活水平的不断提高,我国工业建设规模的不断扩大,资源和环境的矛盾同趋明显,人们对节能和环保提出了更高的要求。然而，目前在中国运营的多台锅炉有问题，如自动化程度低，控制的，不满意的控制技术，安全性能低的水平，环境污染严重。结合当前情况,本文设计了一套基于PLC 和变频技术的工业锅炉过程控制系统,实现基于PLC锅炉过程控制的智能化,信息化.
该控制系统由可编程控制器、锅炉本体,温度变送器、变频器通信、高位水箱,供水槽模拟量检测抽水电机,流量传感器,压力变送器、电气控制柜等组成,采用变频调速技术实现电动机的启动、运行控制。上位机监控软件利用组态软件设计,完成系统启动/停止、锅炉参数设定、报警、实时数据和历史数据查询等功能。下位机采用和利时LK210CPU实现硬件的冗余配置,编程软件设计,完成系统压力、温度信号的 PID 控制、模拟量信号的采集、数据处理等功能,同时接收上位机传输的指令,完成参数设置、风机启/停控制、循环泵控制及其他电机的控制。上位机和下位机通过TCP进行数据通信。
该设计在自动控制和节能方面对系统进行了分析。它结合了PLC和变频技术，体现了”节能”的概念，实现了锅炉的自动控制系统，提高了锅炉自动控制的性能。控制系统不仅稳定可靠，而且还提高了生产自动化水平。本次课题设计科学、功能完善、操作便捷,具有较好的经济和社会效益。
1.3.3设计总体目标
建立与高性价比和低系统维护成本的自动控制系统。通过完善的软件和硬件的结合，能够保证生产过程的安全性，稳定性，快速性，可靠性和经济运行。
（1）按照”集中管理,分散控制”的原则设计;
（2）图形化操作，完美的监控画面，容易适应，容易学习和掌握，操作方便;
（3）系统数据处理速度较快,实时性较高;
（4）能够满足系统功能冗余要求,提高了系统的可靠性;
（5）宽负荷自动调节能力;
通过计算机系统控制各个模块，这不仅有利于锅炉及其辅助设备的启停调试，同时也消除了由计算机系统的故障停机现象。
第二章 锅炉的基本构造及其工作原理
2.1概述
锅炉是密闭容器，其中加热水或其他流体。加热或蒸发的流体流出锅炉，可用于各种过程或热应用，包括中央供暖，基于锅炉的发电，烹饪和卫生。锅炉是一种将燃料中的化学能，电能，高温烟气的热能转换成蒸汽中的能量。工业生产和人们的生活提供所需的热能就是锅炉产生的热水或蒸汽。电蒸汽锅炉使用电阻或浸入式加热元件。船上使用的锅炉是船用锅炉。这些锅炉采用水平设计，烟管通过锅炉，蒸汽在锅炉上部蒸发。它作为一个完整的单元交付，绝缘和预装配所有阀门和仪表，燃烧器和控制面板。控制系统旨在实现无人驾驶的发动机室。该系统是全自动的，可与电子控制器和电动/气动执行器配合使用。
2.2锅炉的基本构造
2.3锅炉的工作原理及工作过程
2.3.1锅炉燃料的燃烧过程
锅炉燃烧调节可以具体归结为:
- 关于燃料量的调整：其功效在于确保锅炉内部燃烧所产出的蒸汽在一定程度上与外界负荷呈现出相对平衡的状态。
- 关于送风量的调整：一旦相应的燃料量存在一定的变化，在此过程当中，融入到熔炉内部的空气也会发生一定的变换，从而切实保证相应的燃料能够实现彻底性燃烧，相应的排气热损失逐步呈现出最小的限度。故可以分析出空气供给量调整的功效在于有效把控燃烧的经济效应。
- 引风量调节：风量调节的目的是适应的空气体积的空气供给量，并将相应的炉压维持在需求的区间之内。炉内压力大小在一定程度上关乎到具体运行的安全性以及相对经济性，倘若相应的负压力相对较大，大量的冷空气将泄漏到炉中和炉的温度会降低，并且引风机负载和废热损失将增加。相反，如果炉内压力低于大气压力时，烟雾就会发出，不仅会对环境方面造成严重影响，情节严重的话，还会危急相关人员的生命健康以及设备的稳态运行。
通过对自动调节系统进行切实有效的配置确保上文提及的几点要求能够妥善实施，可以凭借三个调节器进行有目的性的有效操控，（相应的变量为燃料量，空气供给量及风量），以维持3倍调节的量（单位负载或蒸汽压力，空气过剩率或最佳烟道气的氧含量，炉负压力）。
图2.3.1燃烧对象与相应调节量之间的关系
具体的燃烧过程可以归结为三个有效调节系统，在一定程度上需要确保各个系统之间进行相互协调，从而实现三项具体形式的调整操作，但是每个调节器各自所需执行的任务还不够明确，通常情况下包括三种类型相互组合的方案，如图所示。呈现出具体的组合形式，最终输出的结果几乎呈现出一致的趋势，相应的区别仅仅在于先后顺序存在一定的差异。
2.3.2锅炉烟气向水的热传过程
燃烧过程当中往往会伴随着大量热能产出，从而致使炉内温度急剧上升。在炉子周围的墙壁上，有排水沟，通常称为水墙。高温烟气和水冷壁交换强热并将热量传递给管道中的工作流体。然后，烟气通过引风机和烟囱的重力向上流向炉子上方。在烟气出口窗（炉出口）经过防渣管后，垂直布置在蒸汽过热器组中的蛇形管的受热表面被冲洗，使得蒸汽锅中产生的饱和蒸汽被烟道加热。天然气过热。在通过加热装置之后，烟气流经过在上鼓和下鼓之间膨胀的对流管束，并且在管束之间布置折叠壁，使得烟道气在”S”中横向冲洗。在沿途过程当中可有效实现相应的温度有所下降，最后相应的烟道气得以转入到尾部烟道当中，在此过程中实现节能器以及空气预热器之间的有效热交换以后，锅炉最终呈现相对较低的成本进行相应的温度释放。省煤器实际上是给水预热器。与空气预热器一样，它被放置在锅炉的尾部（低温）烟道中，以降低废气温度并提高锅炉的效率，从而节省燃料。
2.3.3水的受热与汽化过程
首先是飞过管道烟道中的省煤器加热，然后进入流量管束，由于热量不足，蒸汽 – 水工作介质的密度很大：水冷壁和对流管束位于烟气的高温区域，锅炉中的工作介质处于蒸汽和水的混合状态。位于烟气温度下部的一对被强烈加热，工作介质的密度相对较小，使得致密的工作介质沿着人向下流到下鼓，并且密度小并且向上流动到鼓，形成一盆水。自然循环。另外，为了组织水循环以及分配和分配的需要，通常在炉壁外部放置未加热的下管，使得工作介质被引入水冷壁的下部集管中然后通过上部标题上的苏打水。卷取管将苏打混合物导向滚筒。通过上鼓和安装在鼓中的蒸汽 – 水分离设备的重力分离来分离蒸汽 – 水混合物;蒸汽从上部滚筒的顶部取出，然后进入蒸汽过热器，分离的水仍然会回落到上部滚筒。水域的下半部分。蒸汽锅炉中的水循环还确保与高温烟气相接触的金属加热表面可以冷却而不燃烧，这是锅炉长时间安全可靠运行的必要条件;蒸汽 – 水混合物的分离设备确保蒸汽质量和蒸汽。过热器可靠工作的必要设备。
第三章锅炉控制系统
图3.1锅炉整体设计
3.1关于蒸汽相关的温控系统
针对于过热蒸汽温度产生一定影响的因素可以归结为：
1，燃料和水进料比（煤与水的比例）
不只要改变燃料和进料水的比例保持不变。只要在一定程度上确保一定的煤水之比，相应的直流锅炉能够在任何情况下保证相应的过热蒸汽温度。
2，给水温度
通常情况下，供水温度在一定程度上不会产生相对较大的变动，但是随着高压热水器产生一定的故障的过程中，在供水温度方面会呈现出有所下降的趋势。针对于直流形式的锅炉来讲，若保持相应的燃料供给不发生一系列变动，相应的供水温度下降的同时，会造成加热反应时长逐步上升，过热现象的产出率有所下降，在此过程当中相应的负荷便呈现出相对下降的趋势。
3、过剩空气系数
所谓空气系数过剩在一定程度上会对锅炉排烟造成相应的损失。一方面会对相应的对流受热面造成一定的影响，另一方面辐射受热面的吸热比例也会造成一定的影响。一旦该项系数呈现出上升趋势时，会导致相应的排烟损失直线上升以及相应的效率会明显下降，除此之外锅炉水冷壁吸热现象会明显下降，从而致使过热器进口端部也呈现出相对下降的趋势。在此过程中虽然对流过热器的吸热量呈现出有所上升的趋势，但是只要煤水比在一定程度上保持相对恒定，竟然还会对过热器出口温度造成一定的影响，致使其呈现出明显降低的趋势。倘若过剩空气系数逐步下降所产生的现象与之相反。倘若需要确保过热汽温保持恒定状态，就需要针对于煤水比例进行切实有效的调节。
- 火焰中心高度
在此过程中火焰中心高度的改变所产生的影响与过剩空气系数改变在一定程度上呈现出相对较为类似的趋势。但是需要注意的是当相应的煤水比例相对不变的形势下，相应的过热蒸汽温度存在小幅下降的趋势。反之，过热蒸汽温度稍有增加。为了保持所述过热蒸汽温度，需要进行重新调整的煤与水的比例。
- 受热面结渣
下的煤与水的比率不断调整，当炉壁水渣排渣时相应的过热蒸汽温度会呈现出有所减低的趋势;一旦炉渣存在相对过热的现象或者锅炉内部的灰尘累积过剩，相应的过热蒸汽温度便会呈现出相对较为明显的降低。当前者现象产出时，煤与水的比例在一定程度上可以进行有效调节，反之相应煤与水的比例不能进行随意性的调节，同时确保水冷却壁的温度不超过极限必须被调整煤与水的比率。
针对于直流形式的锅炉来讲，当相应的水壁温度低于限制条件下，能够对相应过热蒸汽温度产生一定影响的4种因子可以有效凭借煤与水之间的比例调控实现相应扰动的降低。仅需进行切实有效的煤水比例调控即可实现相对较大的负载调控区间。其内部的过热蒸汽温度在一定程度上可以保持在相对恒定的数值范围之内。该优点是由鼓锅炉不匹配;然而，煤与水的比率的调整只能可靠地自动控制来完成。
图3.1蒸汽温度控制框图
3.2蒸汽压力控制系统
所谓的蒸汽压力控制系统具体需要有效把控气泡液体管道当中的压力，并将这一物理量设置为相应的被控量从而实现切实有效的反馈控制。在控制框图当中可以看出该系统的设计能够形成一定的闭环，其中具体的实现方式可以归结为相应的被控对象、压力控制器以及传感器。其中被控的压力数值可以凭借压力传感器进行切实有效的测量，在此过程中可以将其转化为能够进行有效分析的信号形式输出，其中比较装置的功效在于将相应的压力测定值与事先预设的数值进行比对，也就是所谓的做差运算，从而求解出相应的偏差信号。然后相应的压力信号，凭借压力控制器逐步抵达相应的调节机构当中，基于消除偏差的形式进行被测点压力的变更。从而实现能够满足于预定的期望数值。结构框图见图3.2所示
3.3汽泡液位控制系统
水位变化的干扰主要时蒸汽流和水流。但锅炉自动控制系统的测量反馈是外平衡容器的鼓水位。由于温度和压力的变化，内部和外部水的偏差更大。在水位自动控制系统的基础上难以实现高精度和强抗干扰能力。作为重要的运行参数，自动控制需要锅炉的气泡水位。目前锅炉的水位自动控制大多采用传统的三脉冲PID控制或采用自适应方法，模糊控制规则。在其他条件下，所述的蒸汽流量越大，越低液位，并且较高的供水，较高的液位。相反的是较低的。蒸汽流量是由该行业的需求而定。进料水的主要功能是保持蒸汽水平。因此，我们选择了供水的操作量来控制蒸汽级别，因为系统是稳定的。性和快速性，除了级联控制，还引入了蒸汽流入通道前馈。
该系统的前馈 – 反馈级联控制示于图3.3。
3.4炉膛负压控制系统
系统通过PID执行模块对引风机风门进行控制从而调节炉膛压力，保持炉膛负压力在设定范围之内，送风机的送风压力变化值作为前馈信号参与到PID的调节当中。基于通入煤气的大小凭借送风机完成相应的送风量自动调整，送风压的变化是依托于调节风门张口大小得以实现的，其中含氧量为PID调节的变量。燃料流量的增加与减少作为PID执行器前馈信号，参与调节送风机入口风门（及引风机入口风门），送风量（引风量）增加量或减少量通过PID运算给出。
影响炉膛压力的主要因素是电煤供应，气源和空气量。煤供应和空气供应是由因素如蒸汽温度，压力和蒸汽量来确定。因此，有必要保持在一定范围内的炉压。为了保持相同，只是改变排出空气的量，即，调整排气的空气的量，以实现控制所述炉的压力的目的。此外，由于该系统中，并且由于空气供给量和空气供给量之间的比例关系，在为了提高控制质量和简化控制系统的结构对应的快速性，我们将介绍进料量进料。参加炉内压力的控制。炉负压控制系统使用了前馈级联控制，其结构框图如图所示3.4。
3.5串级控制
所谓的级联控制系统是基于给定值实施切实有效控制的系统，其本身可以看作是一个整体，相应的主要参数有更高的控制精度。然而，二次电路是一个跟随器系统，该系统需要将次级参数可以准确而迅速地遵循所述主控制器的输出的变化。的初级和次级电路的原理是不同的，并且对于初级和次级参数的相关要求存在一定的差异。有效凭借参数的适当合理配置，能够实现相对较为理想的控制效果。
在此过程当中，其主要以及辅助控制器内部各项参数配备方式均涉及到了逐步逼近法，两步调谐方法和一步调整方法。这里是一个两步调谐方法。
两步调整方法是使在级联工作状态的系统中，第一步骤是根据单回路控制系统来调整所述子控制器的参数，和所述第二步骤是治疗子电路，其具有被设置为级联控制系统。在一个单一的环完成相应的主控器相关参数调节。
在进行串级控制系统切实有效控制的同时，需要确保其过程当中初级以及次级回路当中的时间常数在一定程度上具备相对恰当的匹配关系，通常情况下。其中主电路的占空比是比二次电路的工作周期大得多，并且初级和次级电路之间的动态相关性小。
两步整定法的整定步骤如下:
- 在该生产过程中是稳定的条件下，该系统是在级联操作状态，并且主副控制器是成比例的，在主控制器的比例P被首先放置在100％的比例上，然后逐渐增加由大变小。减少辅助控制器的比例P，直到与一个4所述次级回路过渡过程的相称PS：1衰减率获得的，并且所述过渡过程的振荡周期为T.。
- 在副控制器的比例度P.的条件下,逐步降低主控制器的比例系数
,最终实现其相应的过渡过程衰减比呈现出
的比例系数
,其相应的震荡周期用
来表示。
- 根据提斯和P2所获得的P的值。，T2S，与所选择的控制规则相结合，根据表2-1中衰减曲线的方法的参数的经验公式计算，并且设置初级和次级控制器的值被计算。
- 始终需要遵循“先副后主”的原则，逐步完成求解结果到相应控制器的配置过程，除此之外还展开了一系列的扰动试验，并对其结果曲线进行了切实有效分析，基于此进行了一定的参数完善，直到控制品质最佳为止。
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