西门子6ES512-1SK01-0AB0型号介绍

一、锅炉自动控制系统简介：

　　锅炉计算机自动控制系统是近年来应用广泛并逐渐成为市场主流的一项新技术，它是集计算机软硬件技术、自动控制技术、锅炉节能环保技术等几项技术紧密结合的产物。我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3以上，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重、简单粗放运行的生产状态。**锅炉运行热效率、进行自动化和节能环保改造于锅炉自动控制系统是一件具有深远意义的工作。

　　锅炉计算机自动控制系统一般由一次仪表、现场远程变送单元、计算机控制中心、二次显示单元及智能电气执行机构等几部分组成。远程变送单元将锅炉的温度、压力、**、氧量、液位等现场量转换成标准电压或电流信号送入控制中心或现场过程控制单元，并由控制中心发出控制指令经电气执行机构进行自动控制。控制中心对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常可靠地运行。除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行锅炉自动控制系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力、炉膛负压等重要参数设置常规仪表及报警装置，以保证这些参数有双重甚至三重显示及报警装置，避免锅炉重大事故的发生。

　　锅炉控制系统一般包含有水位、燃烧和炉膛负压等控制分系统。

　　汽包水位控制系统实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡。系统将汽包水位维持在汽水分离界面大的汽包中位线附近，以**锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，在实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双冲量或水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。

　　下图为汽包水位控制系统原理示意图

燃烧控制系统实质上是能量平衡系统。它以蒸汽压力作为能量平衡指标，量出而入不断根据用汽量与压力的变化成比例地调整燃料量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用，其中保持合适的“空燃比”是一个重要因素。“空燃比”是指燃烧中空气量与燃烧量的比值系数。

　 下图为燃烧控制系统原理示意图：

炉膛负压控制系统是使进出炉膛的空气量维持平衡的控制系统。它一般以炉膛压力作为空气量平衡与否的控制指标，通过调整排向大气的引风量达到空气量进出的平衡。为**控制系统品质，一般以送风量作为前馈量构成前馈－反馈控制系统。

　　下图为锅炉计算机自动控制系统的原理示意框图：

二、锅炉自动控制系统应用：

　　计算机自动控制系统在锅炉上的应用范围包括：

　　※燃料处理系统　　　 ※灰烬处理/粉尘排放系统
　　※吹灰器系统 　　　　※模拟和顺序控制系统
　　※数据采集系统 　　　※烟气脱硫系统
　　※空气质量控制系統　 ※风机系统优化
　　※水/废水处理系統　　※燃烧器管理和燃烧控制

　　我公司针对锅炉的工艺及控制特点以及工业计算机控制系统的发展趋势开发了工业触摸屏式锅炉自动控制系统。该系统由工业触摸屏人机界面、可编程控制器、变频器、变送器、传感器、数字显示仪表、声光报警装置、操作台及控制柜等组成。该系统具有显示界面清晰直观、操作简便（只需触摸控制，无需使用键盘和鼠标，界面全汉化）、可靠性高（人机界面和可编程控制器的工作可靠性远高于按钮、指示灯、显示仪表和接触器等设备；变频器可大大延长电机使用寿命并提供全面安全的电气保护）、抗干扰性能强、减少工人劳动强度、维护简便等优点。

　　触摸屏可通过与PLC通讯显示并控制锅炉各种运行参数和根据现场的实际需要编制的多种系统彩色监示画面。人机界面可根据锅炉现场的实际情况和用户的要求设定位状态指示灯、多状态指示灯、位状态设定、多状态设定、位状态切换开关、多状态切换开关、各种功能键、移动图形、动画、数值输入、数值显示、文本输入、文本显示、参数棒状图、仿真仪表、直接窗口、间接窗口、报警信息登录、报警显示、系统趋势图、系统信息、PLC控制、与PLC数据传输、操作事件登录、事件显示等功能。人机界面可在外部计算机上进行程序编制和系统功能测试后再下载到触摸屏界面上从而实现真正意义上的离线开发方式。

　　可编程控制器—PLC具有可靠性高、处理数据速度快、抗干扰性能强、内含多种运算及处理模式、可任意增加AI/AO和DI/DO处理模块、通讯功能全面丰富等优点。PLC分为主机、数字输入/输出单元和模拟输入/输出单元三部分。它接收：传感变送单元输出的反馈信号；系统各电机过载信号；触摸屏通讯输出的控制指令等，同时输出控制鼓风机、引风机、给水泵、循环泵、除渣电机、二次风机等变频运行或手操工频运行指令；控制各电动阀门和电动调节阀指令；控制电动执行机构指令；锅炉各种故障声光报警信号及控制指令等。可编程控制器存储系统所有运行程序，如控制室触摸屏人机界面掉电或出现故障PLC依然可正常无扰运行，真正实现锅炉运行的双重保险

1、引言

    燃烧控制系统是电厂锅炉的主控系统，主要包括燃料控制系统、风量控制系统、炉膛压力控制系统。目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然采用PID控制。燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成串级控制系统，其中燃烧率控制由燃料量控制、送风量控制、引风量控制构成，各个子控制系统分别通过不同的测量、控制手段来保证经济燃烧和安全燃烧。

2、控制方案

     锅炉燃烧自动控制系统的基本任务是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要求，同时还要保证锅炉安全经济运行。一台锅炉的燃料量、送风量和引风量三者的控制任务是不可分开的，可以用三个控制器控制这三个控制变量，但彼此之间应互相协调，才能可靠工作。对给定出水温度的情况，则需要调节鼓风量与给煤量的比例，使锅炉运行在佳燃烧状态。同时应使炉膛内存在一定的负压，以维持锅炉热效率、避免炉膛过热向外喷火，保证了人员的安全和环境卫生。

2.1 控制系统总体框架设计

    燃烧过程自动控制系统的方案，与锅炉设备的类型、运行方式及控制要求有关，对不同的情况与要求，控制系统的设计方案不一样。将单元机组燃烧过程被控对象看作是一个多变量系统，设计控制系统时，充分考虑工程实际问题，既保证符合运行人员的操作习惯，又要大限度的实施燃烧优化控制。

    P为机组负荷热量信号为D+dPbdt。控制系统包括：滑压运行主汽压力设定值计算模块（由热力系统实验获得数据，再拟合成可用DCS折线功能块实现的曲线）、负荷—送风量模糊计算模块、主蒸汽压力控制系统和送、引风控制系统等。主蒸汽压力控制系统采用常规串级PID控制结构。

2.2 燃料量控制系统

    当外界对锅炉蒸汽负荷的要求变化时，必须相应的改变锅炉燃烧的燃料量。燃料量控制是锅炉控制中基本也是主要的一个系统。因为给煤量的多少既影响主汽压力，也影响送、引风量的控制，还影响到汽包中蒸汽蒸发量及汽温等参数，所以燃料量控制对锅炉运行有重大影响。燃料控制可用图3简单表示。

图3 燃料量控制策略

其中：NB为锅炉负荷要求；B为燃料量；F(x)为执行机构。

    设置燃料量控制子系统的目的之一就是利用它来消除燃料侧内部的自发扰动，改善系统的调节品质。另外，由于大型机组容量大，各部分之间联系密切，相互影响不可忽略。特别是燃料品种的变化、投入的燃料供给装置的台数不同等因素都会给控制系统带来影响。燃料量控制子系统的设置也为解决这些问题提供了手段。

2.3 送风量控制系统

    为了实现经济燃烧，当燃料量改变时，必须相应的改变送风量，使送风量与燃料量相适应。燃料量与送风量的关系见图4。

图4 燃料量与送风量关系

    燃烧过程的经济与否可以通过剩余空气系数是否合适来衡量，过剩空气系数通常用烟气的含氧量来间接表示。实现经济燃烧基本的方法是使风量与燃料量成一定的比例。

    送风量控制子系统的任务就是使锅炉的送风量与燃料量相协调，可以达到锅炉的高热效率，保证机组的经济性，但由于锅炉的热效率不能直接测量，故通常通过一些间接的方法来达到目的。如图5所示，以实测的燃料量B作为送风量调节器的给定值，使送风量V和燃料量B成一定的比例。

图5 燃料量空气调节系统

在稳态时，系统可保证燃料量和送风量间满足

    选择使送风量略大于B完全燃烧所需要的理论空气量。这个系统的优点是实现简单，可以消除来自负荷侧和燃料侧的各种扰动。

2.4 引风量控制系统

    为了保持炉膛压力在要求的范围内，引风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和经济运行。炉膛压力过低会使大量的冷风漏入炉膛，将会增大引风机的负荷和排烟损失，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的时候，会使火焰和烟气冒出，不仅影响环境卫生，甚至可能影响设备和人生安全。引风量控制子系统的任务是保证一定的炉膛负压力，且炉膛负压必须控制在允许范围内，一般在-20Pa左右。

    控制炉膛负压的手段是调节引风机的引风量，其主要的外部扰动是送风量。作为调节对象，炉膛烟道的惯性很小，无论在内扰和外扰下，都近似一个比例环节。一般采用单回路调节系统并加以前馈的方法进行控制，如图6所示。

图6 引风量控制子系统

    图中为炉膛负压给定值，S为实测的炉膛负压，Q为引风量，V为送风量。由于炉膛负压实际上决定于送风量和引风量的平衡，故利用送风量作为前馈信号，以改善系统的调节性能。另外，由于调节对象相当于一个比例环节，被调量反应过于灵敏，为了防止小幅度偏差引起引风机挡板的频繁动作，可设置调节器的比例带自动修正环节，使得在小偏差时增大调节器的比例带。对于负压S的测量信号，也需进行低通滤波，以抑制测量值的剧烈波动。

3、系统硬件配置

    在锅炉燃烧过程中，用常规仪表进行控制，存在滞后、间歇调节、烟气中氧含量超过给定值、低负荷和烟气温度过低等问题。采用PLC对锅炉进行控制时，由于它的运算速度快、精度高、准确可靠，可适应复杂的、难于处理的控制系统。因而，可以解决以上由常规仪表控制难以解决的问题。所选择的PLC系统要求具有较强的兼容性，可用小的投资使系统建成及运转；其次，当设计的自动化系统要有所改变时，不需要重新编程，对输入、输出系统不需要再重新接线，不须重新培训人员，就可使PLC系统升级；后，系统性能较高。硬件结构图如图7所示。

图7 硬件结构图

    根据系统的要求，选取西门子PLCS7-200 CPU226 作为控制核心，同时还扩展了2个EM231模拟量输入模块和1个CP243-1以太网模块。CPU226的IO点数是2416，这样完全可以满足系统的要求。同时，选用了EM231模块，它是AD转换模块，具有4个模拟量输入，12位AD，其采样速度25μs，温度传感器、压力传感器、**传感器以及含氧检测传感器的输出信号经过调理和放大处理后，成为0～5V的标准信号，EM231模块自动完成AD转换。

    S7-200的PPI接口的物理特性为RS-485，可在PPI、MPI和自由通讯口方式下工作。为实现PLC与上位机的通讯提供了多种选择。

    为实现人机对话功能，如系统状态以及变量图形显示、参数修改等，还扩展了一块Eview500系列的触摸显示屏，操作控制简单、方便，可用于设置系统参数， 显示锅炉温度等。还有一个以太网模块CP243-1，其作用是可以让S7-200直接连入以太网，通过以太网进行远距离交换数据，与其他的S7-200进行数据传输，通信基于TCPIP，安装方便、简单。

4、系统软件设计

    控制程序采用STEP7-MicroWin软件以梯形图方式编写，其软件框图如图8所示。

图8 软件主框图

    S7-200PLC给出了一条PID指令，这样省去了复杂的PID算法编程过程，大大方便了用户的使用。使用PID指令有以下要点和经验：

（1）比例系数和积分时间常数的确定。应根据经验值和反复调试确定。
（2）调节量、给定量、输出量等参数的标准归一化转换。
（3）按正确顺序填写PID回路参数表（LOOP TABLE），分配好各参数地址。