35th工业链条炉计算机控制系统的设计.doc

应用技术研究作者简介：刘 勇 男 工学硕士 电气工程系工程师1刘 勇 文章摘要文章摘要 由于能源的紧张和环保的要求，现在的企业更加重视了锅炉自动控制的实现。论文详细叙述了 35t/h 工业链条锅炉的计算机控制系统的硬件配置、软件实现，重点阐述了锅炉汽包水位自动控制的实现。该系统在内蒙古丰华热力公司 5 号锅炉运行良好。 关关 键键 词词 链条炉， 控制系统 ，水位控制锅炉是应用广泛的工业民用设备，我国目前运行的多数锅炉由于控制水平不高，其效率普遍低于国家标准，大多数锅炉仍处于能耗高、环境污染严重的生产状态，每年因为热效率低而多消耗的标准煤达到近 2000 万 t1。因此如何提高锅炉热效率问题，一直为专家学者所关注。内蒙古丰华热力公司的主要客户是蒙牛集团和内蒙古师范大学分校。蒙牛集团由于制奶工艺的特点，使用蒸汽时，对压力要求较高，而且在特定的时间断，蒸汽量用量大，所以对锅炉实现自动化控制必须采取良好的控制策略。一、系统简介一、系统简介该系统是以研华IPC610 为主控制器，测量信号经过研华PCL-813 模板完成A/D 转换后送入工控机，控制信号由中泰PC6323 完成D/A 转换送现场执行机构。控制算法利用组态王中的脚本语言实现。系统软件： 北京亚控的 KingView 6.5 无限点版。点版。1.11.1 系统规模系统规模 模拟量输入点：（1）给水泵变频器输入；（2）鼓风机变频器输入；（3）引风机变频器输入；（4）炉前温度；（5）炉膛温度；（6）炉后温度；（7）主蒸汽温度；（8）省煤器出口水温；（9）给水流量；（10）蒸汽流量；（11）炉膛负压；（12）主蒸汽压力；（13）汽包水位；（14）给煤机转速；（15）炉排转速；（16）汽包压力。模拟量输出点：（1）给水泵变频器输出；（2）鼓风机变频器输出；（3）引风机变频器输出；（4）给煤机转速输出；（5）炉排转速输出。1.21.2 系统硬件配置系统硬件配置 系统硬件配置如图1-1 所示，35t/h 工业链条炉要求检测的信号较多，图中为该系统的主要检测信号。控制器采用研华IPC-610，原装研华PIV 工控机 6006LV/6114P4/2.4G/256M DDR/40G/光驱/软驱。炉前温度热电阻研 华 I P C 610 工 控 机研 华 数 据 采 集 卡 PCL-813主汽压力炉膛负压 主汽流量主蒸汽温度给水流量省煤器温度炉膛温度炉后温度微压变送器压力变送器汽包水位差压变送器热电偶D/A 卡中泰 PC-6323引风变频鼓风变频给水变频器给煤机转速炉排转速打印机显示器汽包压力图 1 工业锅炉硬件系统配置图应用技术研究2A/D 卡采用研华 PCL-813 多功能数据采集卡，性能指标：、32 路单端 12 位模拟量输入通道；、超过 5000Vrms 绝缘；、12 位逐次逼近 A/D 转换器（AD574 或兼容芯片） ；、一个采样/保持芯片；、可编程增益控制；、双极性或单极性模拟输入范围；、软件可编程增益控制；、为稳定的输入操作提供 DC-DC 集成转换器；、4 层 PCB， 带内部地层。D/A 卡采用中泰 PC-6323 光电隔离型模出接口卡，性能指标：、D/A：8 bit 8CH；、电压输出：010V、±5V、05V、15V；、电流输出 010mA、420mA;、隔离电压500V；、电压输出方式负载能力： 5mA每路；、电流输出方式负载电阻范围：15V：0250 / 24V：0750；、本卡自带隔离电源（DC/DC） 。1.31.3 组态王软件组态王软件 工业链条锅炉计算机监控系统软件采用北京亚控公司的组态王 6.5 无限点版。 “组态王”软件系统由工程浏览器和画面运行系统 TouchVew 两部分组成。其中，工程浏览器内嵌画面开发系统。工程浏览器和 TouchVew 是各自独立的 Windows 应用程序，均可单独使用；两者又相互依存，在工程浏览器的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在 TouchVew 运行环境中才能运行。二、各控制系统的实现二、各控制系统的实现我们知道锅炉自动运行的主要任务是8：（1）保持汽包水位在规定的范围内；（2）控制蒸汽压力的稳定；（3）控制炉膛负压在规定的范围内：（4）维持经济燃烧。我们设计计算机控制系统必须按照以上原则设计。工业锅炉是一个复杂的调节对象，有许多个调节参数和被调节参数，还存在着错综复杂的扰动参数。这些参数的相互作用如图 2 所示。图 2 锅炉输入参数与输出参数之间的相互影响示意图由图中可以看出，锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联的对象，调节参数与被调节参数之间，存在着许多交叉的影响。例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。而当改变任一个调节量时，也会影响到其他几个被调量。因此，理想的锅炉自动调节系统应该是多回路的调节系统。这样，当锅炉受到某一扰动后，同时协调地动作，改变其调节量，使所有的被调量都具有一定的调节精度。但这种调节十分复杂，要实现这样的调节比较困难。根据目前锅炉的运行经验，实际解决锅炉自动调节任务的方法是将锅炉当作几个相对独立的调节对应用技术研究3象所组成，由此我们相应的设置为汽包水位控制系统、蒸汽压力控制系统、炉膛负压控制系统、燃煤经济燃烧控制系统。由于篇幅所限，本文只具体阐述汽包水位的控制。维持锅炉汽包水位在规定的范围内,是保证锅炉安全生产运行的必要条件,也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。水位过高,会影响汽包内汽水分离的效果,使汽包出口的饱和蒸汽带水增多(蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击,引起轴封破损、叶片断裂等事故),同时会使饱和蒸汽中含盐量增高(降低过热蒸汽品质,增加在过热器管壁上的结垢);水位过低,则可造成水的急速蒸发,汽水自然循环破坏,局部水冷管壁被烧坏,严重时会造成爆炸事故。由于锅炉汽包水位对蒸汽流量和给水流量变化的响应呈积极特性。但是在负荷(蒸汽流量)急剧增加时，表现却为“逆响应特性“，即所谓的“虚假水位“，造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。所以，做好锅炉汽包液位的自动控制非常重要。汽包水位调节系统的主要任务是使给水量与锅炉的蒸发量保持平衡，并维持汽包水位在工艺规定的范围内。由此分析出锅炉的受控变量为汽包水位，控制量是给水流量，经过查询大量的资料，我采用了三冲量控制方案即带有前馈补偿的串级控制。 （如图 3 所示）三、系统软件设计三、系统软件设计3.13.1 锅炉监控主画面的设计锅炉监控主画面的设计副调 节器前馈主蒸汽流量主调 节器给水 变频器汽包给水流量- 汽包液位SP图 3 汽包水位控制框图应用技术研究4根据工业链条锅炉的生产工艺流程，利用KingView6.5 提供的丰富的图库和编辑工具，绘出形象直观的蒸汽生产主画面，本着方便、实用、功能完善的思想，其主系统画面如图 4 所示。从主画面上可以显示系统的概况，如汽包水位、蒸汽压力、给水变频器、引凤变频器、鼓风变频器、炉排转速、给煤机转速等，操作员的操作级别，各需要控制的热工变量的理想设定值，汽包液位的实时变化棒图等。3.23.2 趋势曲线模块趋势曲线模块趋势曲线用来反映数据随时间的变化情况，能细致地描绘出生产过程值的每次变化，并以曲线方式显示一段时间内的生产状态和趋势。趋势曲线分为实时趋势曲线和历史趋势曲线。实时趋势曲线上的数据随时间的变化一目了然，能快速反应数据变量的新变化；历史趋势曲线则完成历史数据的查看工作。实时曲线模块是根据厂家的要求，对一些重要的热工变量（汽包水位、蒸汽压力、给水流量、蒸汽流量、炉膛负压等） ，显示实时曲线，并将一些有关系的变量在一个画面上采用不同颜色的趋势笔显示，使之更直观。历史趋势曲线是用一个曲线控件，将所有应该显示的热工变量分组，分为压力组、温度组、频率组、流量组、液位组等。3.33.3 报表程序模块报表程序模块该报表程序能实现实时报表的浏览，历史报表的查询，并具有打印功能，根据厂家要求每两分钟记录一个数据。3.43.4 报警模块报警模块报警窗口用以反映变量的不正常变化，自动对需要的变量进行监测，当发生异常时，要在报警窗口中显示出来。报警窗口分为实时报警窗口和历史报警窗口，实时报警窗口只显示当前的报警事件，要查阅历史报警事件只能通过历史报警窗口。本系统对汽包液位、蒸汽压力、炉排转速等重有要的影响。锅炉安全的热工变量均设置了报警的上、下限，当这些变量越限时，采用声音提示报警，并在报警窗口以红色字体显示变量名和报警状态。图 4 主监控画面应用技术研究5结论结论我们把工控机、组态软件和变频器运用于风华集团的 5 号锅炉控制系统，既具备了传统计算机控制系统的低成本和易操作性，又具有 DCS 系统的高度可靠性。加之先进的控制算法，实现了锅炉节能、高效率运行。参考文献参考文献1 李鸿儒，李勃，顾树生. 链条锅炉的节能控制系统研制. 控制工程,2003,10(5):407409.2 于海生等. 微型计算机控制技术.北京：清华大学出版社，1999,3：25.3 金以慧. 过程控制.北京: 清华大学出版社,1993: 234261.