1、华北科技学院毕业设计（论文） 第 1 页 共 61 页 第一章 绪论 锅炉是供热设备中最普遍的动力设备之一，它的功能是把燃料中的贮能，通过燃烧转化成热能，以蒸汽或热水的形式输向各种设备。目前，大多数锅炉都是人工控制的，或简单的仪表单回路调节系统，燃料浪费很大。锅炉作为一个设备总体，有许多被控制量与控制量，许多参数之间明显地存在着复杂的关系。对于锅炉这个复杂的系统，由于其内部能量转换机理过于复杂，采用常规的方式进行控制，难以达到理想的控制效果，因此，必须采用智能控制方式控制，才能获得最佳控制效果。 可编程逻辑控制器 (PLC)既能代替传统的继电器接触器控制系统，又具有扩展各种输入 输出模块，如
2、A/D模块、热电偶热电阻模块，构成多功能控制系统。现代 PLC 集成度高、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定。在传统工业的现代化改造中发挥着越来越重要的作用。 目前供暖锅炉大都采用人工监控，一方面浪费人力 ； 另一方面在出现事故隐患时，操作人员难以及时发现，很容易造成运行中设备的事故。 在各种工业企业的动力设备中，锅炉是重要的组成部分 ,所以锅炉的性能至关重要。要设计一套完整的、性能良好的工业燃烧锅炉，首先就必须了解一般燃烧锅炉的基本构造和燃烧过程。 1.1 锅炉的基本构造 锅炉是一种产生蒸汽或热水的热交换设备。它通过燃料的燃烧释放大量热能，并通过热传递把能量传递给水，把水变成蒸汽或热水
3、，蒸汽或热水直接供给工业和生活中所需要的热能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能有效的转化为蒸汽的热能。图 1.1为简单锅炉的大体组成部分。 锅炉的主要设备包括气锅、炉子、炉膛、锅筒、水冷壁、过热器、省煤器、燃烧设备、引风设备、送风设备、给水设备、空气预热器、水处理设备、燃料供给设备以及除灰除尘设备等。 气锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而管簇内发生自然的循环流动，并 逐渐气化，产生的饱和蒸汽积聚在上锅筒里面。 炉子：是使燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。 炉膛：保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积达到规定的数值。 基于 S7-200PLC 的锅炉控 制系统的设计
4、第 2 页 共 61 页 锅筒：使自然循环锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。（须指出，直流锅炉内无锅筒。） 水冷壁：主要是辐射受热面，保护炉壁的作用。 过热器：是将气锅所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。过热器一般都装在炉膛出口。 省煤器：是利用余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。采用省煤器后，降低了排烟温度，提高了锅炉效率，节省了燃料。同时，由于提高了进入气包的给水 温度，减少了因温差而引起的汽包壁的热适应力，从而延长了汽包的使用寿命。 燃烧设备：将燃料和燃烧所需的空气送入炉膛并使燃料着火稳定，充分燃烧。 引风设备：包括引风机、烟道和烟囱等几部分。用它将锅炉中的烟气连续排出
5、。 送风设备：包括有鼓风机和分道组成。用它来供应燃料所需的空气。 给水设备：由给水泵和给水管组成。 空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气，是一个换热器。省煤器出口烟温度高，装上空气预热器后，可以进一步降低排烟温度，也可改善燃料着火和燃烧条件，降低不完全燃烧所造成的损失，提高锅炉机组的效率。 水处理设备：其作用是为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀。 燃料供给设备：由燃油给油泵、燃油开关等设备组成，保证锅炉所需燃料供应。 除灰除尘设备：是收集锅炉灰渣并运往储灰场地的设备。 此外，除了保证锅炉的正常工作和安全，蒸汽锅炉还必须装设安全阀、
6、水位表、高低 水位报警器、压力表、主气阀、排污阀和止污阀等，还有用来消除受热面上积灰的吹灰器，以提高锅炉运行的经济性，本设计由于篇幅其间，则就不必考虑这些问题了。 华北科技学院毕业设计（论文） 第 3 页 共 61 页 图 1.1 锅炉控制系统硬件组成图 1.2 锅炉的工作原理及过程 锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。它通过煤、油或燃气等燃料的燃烧释放出化学能，并通过传热过程将能量传递给水，使水转变为蒸汽，蒸汽直接供给工业生产中所需的热能，或通过蒸汽动力机 能转变为机械能，或通过汽轮发电机转变为电能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效地转变为蒸汽的热能。因此，近代锅炉亦称为蒸汽发生器。 锅
7、炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程 、水的汽化过程、烟气向水的传热过程。 1.2.1 燃料的燃烧过程 首先将燃料（这里用煤）加到煤斗中，借助于重力下落在炉排面上，炉排接电动机通过变速齿轮箱减速后由链轮来带动，将燃料煤带入炉内。燃料一面燃烧，一面向后移动，燃料所需要的空气是由风机送入炉排腹中风仓后，向上穿过炉排到达燃料层，进行燃料反应形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗，（若是燃气式锅炉就没有这一部分了）这整个过程称为燃烧过程。 1.2.2 水的汽化过 程 水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和水分离过程。经处理的水由泵加压，先流
8、经省煤器而得到预热，然后进入气锅。锅炉工作时气锅的工作介质是处于汽包 汽水分界面 除 尘 器 锅炉引风机 鼓风机 烟囱 给水开关 锅炉给水泵 省煤器 燃油开关 排汽阀 锅炉给油泵 排水开关 补水箱 基于 S7-200PLC 的锅炉控 制系统的设计 第 4 页 共 61 页 饱和状态的汽水混合物。位于烟温较低区段的对流灌束，因受热较弱，汽水工质的容量较大，而位于烟温较高区段的对流管束，因受热强烈，相应的汽水工质的容量较小，从而量大的工质则向上流入下锅筒，而容量小的工质则向上流入上锅筒，形成了锅水的自然循环。 蒸汽所产生的过程是借助于上锅筒内设的汽水分离装置。以及在锅筒本身空间的重力分离力作用，使
9、汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒顶 部引出后，进入蒸汽过热气，而分离下来的水仍回到上锅筒 的 下半部的水中。锅炉中的水循环，也保证与高温烟气相接触的金属受热面的以冷却而不被烧坏，是锅炉能长期安全运行的必要条件。而汽水混合物的分离设备则是保证蒸汽品质和蒸汽过热可靠工作的必要的设备。 1.2.3 烟气向水的传热过程 由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高在炉膛的四周墙面上，都布置 一 排水管，俗称水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热，将热量传给管内工质水。继而烟气受引风机和烟囱的引力而向炉膛上方流动。烟气从炉膛出口 经 过防渣管后，就冲刷蒸汽过热器 一组垂直放置的蛇型 弯 管受热面，使气锅中产生的
10、饱和蒸汽在其中受烟气加热而得到的过热。烟气流经过过热气后掠过胀接在上、下锅筒间的对流管束，在管束间设置了折烟墙使烟气呈“ S”型曲折地横向冲刷，再次以对流换热的方式将热量传递给管束的工质。沿途逐渐降低温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热器内的工质进行热交换后，以经济的较低的烟温排出锅炉。省煤器实际上同给水预热器和空气预热器一样，都设置在锅炉尾部（低温）烟道，以降低排烟温度提高锅炉效率，从而节省了燃料。 以上就是一般锅炉供水的过程，一个锅炉进行工作，其主要任 务是： (1)要是锅炉出口蒸汽压力稳定。 (2)保证燃烧过程的经济性。 (3)保持锅炉负压恒定。通常我们是炉膛负压保持在微负压（
11、 -10 80Pa）。 为了完成上述三项任务，我们对三个量进行控制：燃料量，送风量，引风量。从而使锅炉能正常运行。 1.3 难点分析 由于调节量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，虽然锅炉汽包水位对蒸汽流量和给水华北科技学院毕业设计（论文） 第 5 页 共 61 页 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，表现却类似逆响应特性，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。汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进
12、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，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，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，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双冲量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。 基于 S7-200PLC 的锅炉控 制系统的设计 第 6 页 共 61 页 第二章 总体设计方案 锅炉系统是一个复杂的多变量耦合系统。根据主控变量可将锅炉系统分为蒸汽温度控制系统、蒸汽压力控制系统、汽包液位控制系统以及炉膛负压控制系统。下面分别对这几个子系
13、统的设计进行详细的介绍。 2.1 蒸汽温度控制系统 因为锅炉的运行环境不可能是理想的状态，蒸汽的温度总是会受到某些干扰的影响，所以必学对蒸汽的温度加以控制，以在一定范围内得到温度相对恒定的蒸汽。影响蒸汽温度的主要因素是给 油 量以及空 气与给油量 比，所以我们采用了串级比值控制系统分别控制给 油 量以及给风量。另外，影响蒸汽温度的因素还有给水量、蒸发量以及引风量等，又考虑到了控制系统相应的快速性，我们又将给水量和蒸发量作为蒸汽温度控制的前馈量 来 构成前馈控制系统。即采用前馈比值串级控制系统对蒸汽温度进行控制，其控制系统的结构框图见图 2.1 所示。 图 2.1 蒸汽温度控制系统结构框图 2.
14、2 蒸汽压力控制系统 如果过来内压力过低，将会降低蒸汽质量；反之，如果锅炉内压力过高，有可能导致爆炸等安全事故的发生。所以必须保证锅炉的压力处于一个适中的范围内，即必须对锅炉压力加以控制。上述蒸汽温度控制系统在控制蒸汽温度的同时就直接影响了蒸汽压蒸汽温度 控制器 给油 控制器 给油 调节器 给油 执行器 给油量 给油量检测 、 变送器 蒸汽温度 给风 控制器 给风 调节器 给风 执行器 给风量 给风量检测 变送器 蒸汽温度检测 、 变送器 蒸汽温度 设定值 - - 比值控制器 - - 给水量 蒸发量 华北科技学院毕业设计（论文） 第 7 页 共 61 页 力，在次不详加介绍。 压力控制系统分为
15、安全压力控制系统和超压控制系统。安全压力控制系统是锅炉压力在安全压力范围之内的控制系统，其主要完成的功能是在安全的基 础上对压力进行调节，使压力维持在一定的范围内，以得到需要的蒸汽压力，保证蒸汽质量；超压控制系统是锅炉压力超压时所采用的压力控制系统，其主要完成的功能是当压力超出某以压力上限的设定值时，迅速打开安全阀，使压力迅速降低，直到降到安全范围内后又迅速关闭安全阀。其中安全压力控制系统采用串级控制，而超压控制系统采用单回路控制，所以蒸汽压力控制系统是一个综合的控制系统，从某种意义上讲，可以将其归入分程控制系统一类，其结构框图见图 2.2 所示。 图 2.2 蒸汽压力控制系统结构框图 2.3
16、 汽包液位控制系统 如果汽包液位过高，可能会影响蒸汽质量，甚至会导致水满溢出等安全事故；反之，如果汽包液位过低，锅炉很有可能会被烧坏，甚至导致爆炸等安全事故。 能够影响汽包液位的主要有两大变量，那就是给水量和蒸发量，在其他条件不变的情况下，蒸发量越大，液位越低，而给水量越大则液位越高，反之则反。其中蒸发量是由工业的需要所决定的，而给水的主要作用就是用以维持汽包液位的，所以我们选择给水量作为操纵量对汽包液位进行控制，又因为考虑到系统相应的平稳性和快速性，除采用串级控制外，还将蒸发量引入前馈通道，对系统进行前馈串级控制，其控制系统的结构框图见图 2.3 所示。 蒸汽压力 控制器 蒸汽流量 控制器
17、蒸汽流量 调节器 蒸汽流量 执行器 蒸汽流量 蒸汽压力 蒸汽流量检测 、 变送器 蒸汽压力检测 、 变送器 安全阀 - - 蒸汽压力 设定值 基于 S7-200PLC 的锅炉控 制系统的设计 第 8 页 共 61 页 图 2.3 汽包液位控制系统结构框图 2.4 炉膛负压控制系统 如果炉膛负压太大，甚至为正，则炉膛内烟气过多，甚至烟气向外冒，影响设备和操作人员的安全；反之，炉膛负压过小，会使冷空气漏进炉膛内，从而是热量损失增加，降低燃烧效率。所以必须对炉膛的压力进行控制。 影响炉膛压力的主要变量有给煤量、给风量以及抽风量等，而其中给煤量和给风量是由蒸汽温度、压力以及蒸发量等因素决定的，所以要想
18、保持炉膛压力在一定范围内保持不变就只有改变抽风量，亦即通过调节抽风量以达到控制炉膛压力的目的。另外，又因为考虑到系统相应的快速性，同时，又因为给风量和给煤量成一定的比例关系，为了提高控制品质以及简化控制系统的结构，我们将且尽将给煤量引入前馈通道参与了炉膛压力的控制。炉膛负压控制系统采用了前馈串级控制，其结构框图见图 2.4 所示。 图 2.4 炉膛负压控制系统结构框图 2.5 报警系统 因为系统的运行并不是 100%的，所以难免某些控制变量会超出可控或安全的范围，当出现这类情况时，随时都有可能危及到现场操作人员以及工作设备等的安全，所以必炉膛负压 控制器 引风 控制器 引风 调节器 引风 执行
19、器 引风量 炉膛负压 引风量检测 变送器 炉膛负压检测 变送器 - - 炉膛负压 设定值 给油量 汽包液位 控制器 给水 控制器 给水 调节器 给水 执行器 给水量 汽包液位 给水量检测 、 变送器 汽包液位检测 、 变送器 - - 汽包液位 设定值 蒸发量 华北科技学院毕业设计（论文） 第 9 页 共 61 页 须对这类情况给出相应的报警提示，即必须安装相应的报警系统，用以提示操作人员做出相应的必要操作，在某些可能出现安全事故的情况下还有用于提示人员疏散等紧急措施。 在本次设计中，我们设计了四个报警系统，即温度报警系统、压力报警系统、液位报警系统和负压控制系统，分别对蒸汽温度、蒸汽压力、汽包
20、液位和炉膛负压进行超限报警提示。在锅炉的控制系统中，系统分别对蒸汽温度、蒸汽压力、汽包液位和炉膛负压设置了上下限值。报警系统就是当相应的实测值低于（或高于）其相应的下限（或上限）值时给出相应的下（上）限报警，这些功能均由软件完成，与此同时，控制系统还会做出相应的反应，使相应的变量值进入相应的极限范围，然后撤销相应的报警提示。 2.6 总体设计系统结构 本系统属于燃油锅炉系统，一般分为 燃烧控制系统、给水泵控制系统、引风机控制系统和鼓风机控制系统。本系统采用集中控制，分为四部分，系统结构框图如图 2.5 所示 图 2.5 系统结构框图 电气控制回路（带变频） 1#-2#给水泵 传感器与变送器 锅
21、炉本体 西门子 S7-200 系列可编程控制器 电气控制回路（带变频） 电气控制回路（带变频） 电气控制回路（带变频） 3#-4#给油泵 5#-6#引风机 7#-8#鼓风机 基于 S7-200PLC 的锅炉控 制系统的设计 第 10 页 共 61 页 第三章 系统硬件设计 3.1 传感器的选型 传感器是一种能将与待测量的能量形式，转化成另一种可供处理查询的能量形式的装置。信号处理电路用于处理信息，而输出器件是一种利用已处理过的信号的装置、显示或动作。 3.1.1 温度传感器 我们经过充分考虑决定选用镍铬 镍硅热电偶。这种热电偶分度号为“ K”。它的正极是镍铬合金，负极为镍硅。温度测量范围为 -
22、200 1200。其特点是测温 范围很宽，热电动势与温度关系近似线性，热电动势大及价格地低。缺点是热电动势的稳定性较 B型或 S 型热电偶差，且负极有明显的导磁性。 在使用热电偶进行测温时，只有将冷端的温度恒定，热端电动势才是热端温度的单值函数。由于热电偶的分度表是以冷端温度为零时作出的，因此，在使用时要正确地反映热端温度，必须使冷端温度恒定为零。这样我们就需要进行一些补偿措施。 1) 温法。 2) 补偿导线法。 3) 计算修正法。 4) 电桥补偿法。 其中，电桥补偿法的连接电路如图 3.1 所示。 R 4R 3R 2R 1II 2I 1R c mU +-e图 3.1 电桥补偿法连接电路 3.1.2 压力传感器 抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高
