过程控制-供热锅炉测控系统设计.doc

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1、目录第一章 锅炉供暖现状.4第二章 控制方式选择.4 第三章 硬件设计8第四章 工艺生产过程简介.12第五章 可编程序控制器的选择.18第六章 系统构成.21第七章 参数检测22第八章 控制系统流程图24参考文献26仪表盘正面布置图设计.27仪表供电系统设计28仪表盘背面电气接线图29设备选型表.30第一章供暖锅炉现状现有的供暖锅炉由蒸汽锅炉改造而成的常压热水锅炉，常压锅炉使用安全，对原材料的要求比蒸汽锅炉低，无需控制蒸汽压力，控制精度要求相对要低。目前国内外对蒸汽锅炉控制的研究己经比较成熟，锅炉控制数学模型基本定型，而供暖锅炉控制相对简单，对其研究不够重视。本文以火力发电厂蒸汽锅炉的控制模型

2、为参考，提出供暖锅炉的控制模型。供暖锅炉控制系统属于过程控制系统，其控制的目标是控制锅炉燃烧过程中的出水温度、回水温度、出水压力、回水压力、炉膛负压等参数，使锅炉燃烧工况良好，保证设备运行安全，满足用户的供热要求。在供暖期间，系统根据室外温度的变化分时段控制锅炉的出水温度和系统回水温度。在室外温度较低的时段内，出水温度的设定值较低，在室外温度较高的时段内，出水温度的设定值较高，进而调节出水供热量。在某一时段内，则通过调节热水循环流量对出水供热量进行微调。锅炉出水温度的调节主要靠燃烧控制系统来实现，而系统回水温度的调节主要靠热水循环流量来调节，出水压力和回水压力的大小由循环泵和补水泵的状态来决定

3、。调节温度和压力等参数时，采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式。偏差控制方式应用于系统的开关量输出，PID控制方式应用于系统的模拟量输出。第二章 控制方式选择2.1 偏差控制方式偏差控制是指当热工参数实际采集值与用户设定值之间存在偏差时，系统通过调节某些量来减小偏差，直至实际采集值等于用户设定值为止。但这只是一种理想设计，在实际应用中，由于系统误差的存在，实际采集值不可能等于用户设定值。因此，引入“回差”的概念，即给用户设定值一个可以接受的范围，在此范围内都可认为达到系统设定值。例如锅炉的出水温度设定值为T0，温控回差为h，则当出水温度T满足式3-1时即可。 (3一1)2.2 PID控制方

4、式. PID控制器基本概念PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时、控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合采用PID控制技术。1比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。2积分（I）控制在积分控制中,控制器的输出与输入误

5、差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的运算取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，采用比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3微分（D）控制在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节

6、过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大的惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。偏差控制只能输出开关量信号，对于连

7、续调节的设备，则需要过程控制系统中最常用的控制规律PID控制方式PID控制，即按偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的结果。PID调节器既能消除静差，改善系统的静态特性，又能加快过渡过程，提高系统的稳定性，改善系统的动态特性，是一种比较完善的调节规律，主要应用于温度控制和压力控制等过程控制系统中，以克服时间响应滞后，得到较好的控制指标。 , PID控制器的基本形式 PID控制分两种基本形式，即模拟PID控制器和数字PID控制器如图3-1所示，理想控制规律为其

8、中，KP为比例增益，与比例带成倒数关系，即,TI为积分时间常数，TD为微分时间常数，u(t)为控制量，e(t)为偏差。 比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除静态误差，KP过大，可能会引起系统的不稳定:积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除静态误差，因而，只要有足够的时间积分作用将能完全消除误差，但调节动作缓慢;微分控制加快系统的动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态特性。在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期足够短时，用求和代替积分，使模拟PID离散化变为差分方程，如式3-3所示 以上是PID

9、控制的理论控制方程，但在实际应用中，要根据控制系统的特点，做适当的改进。 , PID控制器的改进 计算机控制是一种比较准确的控制方式，只要系统偏差存在且.大于传感器的精度范围，一计算机就不断进行控制量增量的计算，并输出相应的控制信号给执行机构，改变执行机构的状态，这样容易产生某些动作过于频繁而引起振荡。为避免控制动作过于频繁以消除振荡，在实际工程应用中，通常在PID控制系统中增加一个死区环节，如图3-2所示，相应的算式为其中为人为设定的一个死区，是一个可调参数，其具体数值可根据实际控制对象由试验确定。太小，使调节过于频繁，达不到稳定控制量的目的; 太大，则系统将产生较大的滞后。在锅炉的燃烧控制

10、系统中，为避免风机和炉排转速频繁地改变，可适当地为出水温度设定一个死区，如1。 在锅炉控制系统中，当启动/停止电机或大幅度改变温度、压力等设定值时，由于短时间内产生很大的偏差，往往会产生严重的积分饱和现象，以致造成很大的超调和长时间的振荡。为克服这个缺点，可采用积分分离的方法，即偏差e(k)较大时，取消积分作用;当偏差e(k)较小时才将积分作用投入。亦即当积分分离阀值刀应根据具体对象及控制要求确定。例如出水温度的控制，可以选定卢为5或10等，依据控制精度要求而定。 综上所述，锅炉控制系统中燃烧控制和水泵控制所采用的PID控制方式，作出死区设定和积分分离两项改进措施，以达到稳定控制温度和压力等信

11、号的目的。 3,经验凑试法整定PID参数PID控制器参数整定主要整定比例系数KP、积分时间界和微分时间几等参数。增大比例系数K。一般会加快系统的响应，:在有静差的情况下有利于消除静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变差。 增大积分时间常数TI，相当于减小积分系数，积分作用减弱，有利于减小超调，减小振荡，但系统静差的消除将随之变慢。 增大微分时间常数TD有利于加快系统响应，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。 在凑试时，可参考3个参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。 (1)首先整定比例部分。即将比例系数KP由小变大，并观

12、察相应的系统响应，直到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有消除静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线己属满意，那么只须用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。 (2)如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节，整定时首先置积分时间T,为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数P略为减小(如缩小为原值的0.8倍)，然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据控制效果反复改变比例系数大，与积分时间T,，以期得到满意的控制过程和整定参数。- (3)若使用比例积分调节器(PI控制锥)消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加

13、入微分环节，构成完整的PID控制器。在整定时，可先置微分时间To为零。在第二步整定的基础上，增大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。第三章硬件设计随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、高质量的产品。为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。可编程序控制器（Programmable Logic Controller）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用控制装置。本章主要介绍西门子

14、S7-300系列PLC以及其它硬件的组成与选型。3.1 PLC的基本概念可编程序控制器简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其它领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。3.1.1模块式PLC的基本结构这里我们主要介绍的是西门子S7-300，S7-300属于模块式PLC。西门子的PLC以其极高的性价比，在国内占有很大的市场份额，在我国的各行各业得到了广泛的应用。S7-300模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块

15、和编程设备组成，各种模块安装的机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其它PLC或其它设备通信。图3.1是PLC控制系统的示意图。CPU模块：CPU模块主要由微处理器和存储器组成，S7-300将CPU模块简称为CPU。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出，模块中的存储器用来存储程序和数据。PLC控制系统示意图信号模块：输入（Input）模块和输出（Output）模块一般简称为I/O模块，开关量输入/输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入/输出模块简称为AI模块和AO模块，在S7

16、-300中统称为信号模块。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的输入、输出电路。功能模块：为了增强PLC的功能，扩大应用领域，减轻C

17、PU的负担，PLC厂家开发了各种各样的功能模块。主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。接口模块：CPU模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。接口模块用来实现中央机架和扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。通信处理器：通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或者用于点对点通信。电源模块：PLC一般使用AC 220V电源或DC 24V电源，电源模块用于将输入电压转换为DC 24V和背板总线上的DC 5

18、V电压，供其他模块使用。编程设备：S7-300使用安装了编程软件STEP7的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，可以实现远程编程。编程软件还具有对网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。3.1.2 PLC的特点编程方法简单易学：梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

19、功能强，性能价格比高：一台小型的PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强：PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。可靠性高，抗干扰能力强：PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，接线可减少到继

20、电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。S7-300有极强的故障诊断能力。PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被公认为最可靠的工业控制设备之一。系统的设计、安装、调试工作量少：PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种设计方法很有规律，容易掌握。可以在实验室模拟调试PLC的用户程序，用小开关来模拟输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时

21、间比继电器系统少的多。维修工作量小，维修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。体积小，能耗低：对于复杂的控制系统，使用PLC后，由于减少了大量的中间继电器和时间继电器，开关柜的体积比继电器控制系统小的多。3.2 PLC的工作原理3.2.1 PLC的循环处理过程CPU中的程序分为操作系统和用户程序。操作系统用来处理PLC的起动、刷新输入/输出过程映像区、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区和通信等任务。用户程序由用户生成，用来

22、实现用户要求的自动化任务。STEP7将用户程序和程序所需的数据放置在块中，功能块FB和功能FC相当于用户编写的子程序，系统功能SFC和系统功能块SFB是操作系统提供给用户使用的标准子程序，这些块统称为逻辑块。PLC采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也称为扫描工作方式。OB1是用于循环处理的组织块，相当于用户程序中的主程序，它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。PLC得电或由STOP模式切换到RUN模式时，CPU执行启动操作，清除没有保持功能的位存储器、定时器和计数器，清除中断堆栈和块堆栈的内容，复位保存的硬件中断等。此外还要执行一次用户编写的“系统启动组织块”OB100，完成

23、用户指定的初始化操作。以后进入周期性的循环运行。图3.3是扫描过程。结合图简要介绍下扫描过程：操作系统启动循环时间监控。CPU将输出过程映像区的数据写到输出模块。CPU读输入模块的输入状态，并存入输入过程映像区。CPU处理用户程序，执行用户程序中的指令。在循环结束时，操作系统执行所有挂起的任务，例如下载和删除 块，接收和发送全局数据等。CPU返回第一阶段，重新启动循环时间监控。在启动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1中可以调用其他逻辑块（FB、SFB、FC、SFC）。循环程序处理过程可以被某些事件中断。如果有中断事件出现，当前正在执行的块被暂停执行，并调用分配给该事件的组织块。该组织块被执

24、行完后，被暂停执行的块将从被中断的地方开始继续执行。 扫描过程在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入过程映像区和输出过程映像区。PLC梯形图中的其他编程元件也有对应的映像存储区。在循环程序处理过程中，CPU并不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU内部的过程映像区。在写输出模块阶段，CPU将输出过程映像区的状态传送到输出模块。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出过程映像位为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中的线圈“断电”

25、，对应的输出过程映像位为0状态，在写输出模块阶段之后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。在读输入模块阶段，PLC把所有外部输入电路的接通/断开状态读入输入过程映像区。外部输入电路接通时，对应的输入过程映像位为1状态，梯形图中对应的输入位的常开触点接通，常闭触点断开。外部输入触点电路断开时，对应的输入过程映像位为0状态，梯形图中对应的输入位的常开触点断开，常闭触点通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了改变，输入过程映像位的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个循环扫描周期的读输入模块阶段被读入。3.2.2用户程序的执行过

26、程PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺序排列。在没有跳转指令和块调用指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入过程映像区或别的存储区中将有关编程元件的0、1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的存储区中，因此，各编程元件的存储区（输入过程映像区除外）的内容随着程序的执行而变化。循环时间是指操作系统执行一次如图3.3所示的循环操作所需的时间，包括执行OB1中的程序段和中断该循环的系统操作的时间，也称扫描循环时间或扫描周期。循环时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。第

27、四章 工艺生产过程简介原油稳定的目的是为了降低原油蒸发的损耗，即采用一定的工艺方法将原油中的组分脱离出来，以减少运输和储运过程中的损失。具体来说，原油中还含有分子量更小的烷烃，如含有一至四个碳原子的正构烷烃，在常温下，它们是气体，其挥发性比汽油更强，极易从原油中挥发出来。而且挥发时还会带走大量的戊烷、己烷等组分，造成原油大量损失。另外，在原油输送过程中，要反复加热、加压，这都为原油中轻烃的挥发提供了良好条件。为了减少原油在运输、储存过程的挥发损耗，常常在原油脱水之后，再采取一定的方法，脱出原油中一至四个碳原子的正构烷烃等轻组分。这种脱出原油中轻组分的过程就叫原油稳定。它不仅与原有稳定装置的工艺

28、设计有关，而且还与控制系统的工艺设计有关。4.1 加热炉-稳定塔的基本控制4.2.1 加热炉的出口温度控制加热炉进料一般分为几个支路。常规的控制方法是：在各支路上安装各自的流量变送器和控制阀，而用炉出口总管温度来调节炉用燃料量。这样的调节方法根本没有考虑支管温度均衡的控制，支管温度均衡的控制由操作工凭经验根据分支温差来调节分支流量差。这种人为操作显然无法实现稳定的均衡控制，往往是各支管流量较均衡，而分支温度有相当大的差异，某一炉管因局部过热而结焦的可能性很大。为了改善和克服这种情况，需要采用支路均衡控制方法。近年来出现的差动式平衡控制、解藕控制以及多变量预测控制等方法能够收取一定的效果。其中差

29、动式方法不仅效果不错，而且实现简单，操作简便，对于长期运行有一定的优势。另外，针对系统的非线性、强耦合特性，模糊控制等智能控制方法也能实现较好的控制。加热炉出口总管温度是加热炉环节最为重要的参数，出口温度的稳定对于后续工艺的生产稳定、操作平稳甚至提高收率至关重要。最简单的控制方法就是采用单回路的反馈控制。单回路反馈控制简单实用，有它的使用价值。但该方法没有考虑燃料量变化的影响，所以出口温度不容易稳定，在一定程度上也会造成燃料的浪费。在简单反馈控制方案的基础上，加入燃料量控制回路，就可以构成加热炉的串级控制系统。这种控制方案也比较简单，效果比简单控制的效果要好一些，但因为没有考虑原油进料量的波动

30、，所以出口温度仍不容易稳定，另外没有考虑空气量与燃料量之间的配比控制，燃烧也不能达到较为理想的状态，这也是出口总管温度不容易稳定的一个原因。串级控制系统也可以引入炉膛温度的控制回路来构成：出口温度控制器的输出作为炉膛温度的设定值，炉膛温度控制器的输出作为燃料量的给定值，燃料量控制器再去控制调节阀。这种串级控制利用炉膛温度的重要信息，有利于克服某些装置燃料压力的波动，但反过来对炉膛温度测量的准确性要求较高。在串级控制的基础上，再引入原油进料前馈，可以构成静态前馈控制或动态前馈控制。采用原油进料前馈控制后，在原油进料流量有变化时，控制系统能很快使燃料流量发生相应的变化，从而得到补偿，使进料流量波动

31、对出口温度的影响较小。国内大多数的炼油厂目前均采用以上几种方法进行出口总管温度控制，其中简单的串级控制应用较多，控制多采用经典的PID控制器。实际上，由于系统的大时延、非线性以及时变特性，PID控制很难取得理想的控制效果，采用先进控制如目前在工业过程中应用最广泛的预测控制成为改善控制品质的必要手段。4.2.2 加热炉燃烧控制加热炉燃烧控制的任务是提高加热炉的热效率，以达到节能增效的目的。由于加热炉是蒸馏装置中耗能最大的环节，能耗占整个装置的70%以上，因此加热炉热效率的提高对于整个蒸馏装置的节能具有决定性的意义。常规的控制系统中，加热炉出口温度、炉膛负压、烟气氧含量等变量是独立的、互不关联的，

32、而实际上各变量之间相互影响。一般可以采用前馈加反馈的控制方法。如：反馈调节对象选择加热炉的热效率或烟气氧含量，执行手段采用调节控制量；在燃烧控制的基础上可进一步实施燃烧优化，即采用高级优化策略通过烟气氧含量或热效率反馈寻求最佳的过剩空气系数。一般情况下，采用燃烧优化控制后能显着的提高加热炉的热效率。控制任务概述：1.保持加热炉的出口温度在规定的范围内2. 控制炉膛压力在规定的范围内3. 控制烟气含氧量在设定值附近波动其中：保持出口温度是为了保证产品的质量合格；后两个控制任务是为了保证加热炉的安全、平稳、高效运行，当加热炉运行平稳后，也有利于产品质量的保证。加热炉炉膛压力是实现加热炉自动控制的一

33、个重要的参数。炉膛压力过高时，炉膛向外喷火，不仅使大量有效热量散失，增加炉子的燃料消耗，而且也易烧坏炉子的钢结构，降低炉子的使用寿命，同时还会导致劳动环境的恶化，危及操作人员的安全；炉压过低时，会吸入大量的冷风，漏风热损失和排烟热损失加大，引风机电耗增加。因此，必须将炉压控制在规定的范围内，在加热炉最佳燃烧控制系统的基础上，炉膛压力控制是可以通过控制引风机变频器开度来实现，炉压的检测采用微差压变送器。烟气含氧量的大小能反映出加热炉的燃烧情况，含氧量不足时，燃料燃烧不充分，造成大量的化学能损失，并且烟气中含有大量的CO，对环境造成了危害；含氧量过大时，过剩空气过多，烟气要带走大量的热量，造成排烟

34、热损失，并且空气中的N2在高温下与O2 发生化学反映生成NOX，也对环境造成污染。因此控制烟气含氧量不仅可以提高加热炉的热效率，更有环保作用。炉膛压力控制方案：炉膛压力主要与进风量和引风量直接相关，同时也受到加热炉燃烧状况以及燃料油、燃料气比例的影响，不同的燃料下，燃烧后的产物会不同，对炉膛压力的影响也就不一样，但这些影响因素处于次要地位可以不加考虑，采用单变量控制加上送风量前馈调引风来进行控制，控制图如图1-1。为了避免引风机变频器动作过大，需要对控制量进行如下限制：(1)引风机负荷不可扩大，限制引风机变频器的开度(2)由于变频器有保护电路，如果一次动作过大，会导致断电保护，因此限制变频器开

35、度的每次变化量。炉膛压力控制系统框图烟气含氧量控制方案：烟气含氧量是标志燃烧状况的重要参数。炉膛温度、燃料量（主要是燃料油量和燃料气量），甚至燃烧油与燃料气的比例对烟气含氧量有直接的影响，该控制方案根据燃料量的变化对进风量做补偿，能够快速响应系统因负荷突然变化而引起的燃料变化，不会出现燃料因负荷突变而变化燃烧状况却因进风量反应过慢而恶化的现象。与引风机变频器类似，对于鼓风机的变频器的动作也有如下限制：(1)鼓风机的负荷不可过大，限制鼓风机变频器的开度。(2)限制变频器开度的每次变化量。4.3 加热炉的单回路控制方案4.3.1 扰动分析加热炉的最主要控制指标往往是工艺介质的出口温度。对于不少加热

36、炉来说，温度控制指标要求相当严格，例如允许波动范围为（12）。影响路出口温度的扰动因素有：工艺介质进料的流量、温度、组分，燃料方面有燃料油的压力、成分、燃料油的雾化情况，空气过量情况，喷嘴的阻力，烟囱抽力等。在这些扰动因素中有的是可控的，有的是不可控的。问了保证炉出口稳定，对扰动应采取必要的措施。4.3.2 单回路控制系统的分析图1-2为某一燃油加热炉控制系统示意图，其主要的控制系统是以炉出口温度为控制变量、燃料油流量为操纵变量组成的单回路控制系统。其他辅助控制系统有：(1)进入加热炉工艺介质的流量控制系统，如图FC控制系统。(2)燃料油总压控制，总压控制一般调回油量，如入P1C控制系统。(3

37、)采用燃料油时，还需加入雾化蒸汽，为此设有雾化蒸汽压力控制系统，如图P2C控制系统，以保证燃料油的良好雾化。加热炉控制系统示意图采用雾化蒸汽压力控制系统后，在燃料压力变化不大的情况下是可以满足雾化要求的，目前炼厂中大多数采用这种方案。假如燃料油压力变化较大时，单采用雾化蒸汽压力控制就不能保证燃料油得到良好的雾化，可以根据燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来调节雾化蒸汽，还可以采用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制。但只能保持近似的流量比，还应注意经常保持喷嘴、管道、节流件等通道的畅通，以免喷嘴堵塞及管道局部阻力发生变化，引起控制系统的误动作。此外，也可以采用二者流量的比值控制，则能克服上述缺点

38、，但所用仪表多且重油流量测量困难。采用单回路控制系统往往很难满足工艺满足，因为加热炉需要将工艺介质从几十度升温到数百度，其热负荷很大。当燃料油的压力或热值有波动时，就会引起炉出口温度的显着变化。采用单回路控制时，当加热量改变后，由于传递滞后和测量滞后较大，控制作用不及时，而使炉口温度波动较大，满足不了工艺生产要求。因此单回路控制系统仅适用于对炉出口温度要求不十分严格；其外来扰动缓慢而较小，且不频繁；炉膛容量较小，即滞后不大。4. 3循环流量控制 锅炉管网系统的另一个任务是通过循环泵将出水缸内的热水输送到用户供热管道，并回到回水缸。 循环流量控制同样采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式。偏差

39、控制设定出水压力范围，当出水压力实际值不在设定范围内时，增加或减少循环泵运行台数，直到出水压力达到要求为止。PID控制在偏差控制的基础上对出水压力进行微调，其原理如图3-4所示21 。循环流量PID控制原理如图3-4所示。循环泵系统根据出水压力的设定值与采集到的出水压力的实时数据，通过PID算法将出水压力值控制在设定值附近。其控制采用前述改进PID控制算法与参数整定方法。4. 4燃烧过程控制 供暖锅炉燃烧系统是个多变量输入、多变量输出、大惯性、大滞后且相互影响的一个复杂系统。当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化，而当改变任一调节量时，也会影响到其他被调量。 锅炉燃烧过程自动控制的基本任

40、务是使燃料燃烧所提供的热量适应负荷的需要，同时还要保证锅炉安全经济运行。，燃烧控制系统的任务主要有三点: (1)稳定锅炉的出水温度，始终保持在设定值附近。出水温度的设定值与室外温度以及消耗热量(负荷)的变化相关，每天不同时段，根据用户的消耗量和室外温度计算出锅炉出水温度的设定值，以出水温度为信号，改变燃煤量和风煤比，达到出水温度与设定值一致。同时测量系统的回水温度和炉膛温度，若回水温度过低则适当加大给煤量，反之则适当减少给煤量;若炉膛温度过高则适当减少给煤量，反之则适当加大给煤量。我们初步预定度膛温度在在800摄氏度。 (2)保证锅炉燃烧过程的经济性。对于给定出水温度的情况下，需要调节鼓风量与

41、给煤量的比例，使锅炉运行在最佳燃烧状态。开始运行时，可根据经验设定风煤比，使耗煤量与鼓风量成比例关系，同时根据出水温度的变化对鼓风量进行前馈控制，然后通过测量烟气含氧量，运用偏差控制调节风煤比，使燃煤充分燃烧，是出水的预定温度为80摄氏度。(3)调节鼓风量与引风量，保持炉膛压力在一定的负压范围内。炉膛负压的变化，反映了引风量与鼓风量的不相适应。如果炉膛负压太小，炉膛容易想外喷火，危及设备与工作人员的安全。负压过大，炉膛的漏风量增大，增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。本系统中根据鼓风量的变化，对引风量进行前馈控制。根据经验设定炉膛负压，并测量炉膛负压，运行PID算法控制炉膛负压保持在一定的范

42、围内，从而调节引风量，确定引风机的转速。确保炉膛存在负压。4. 4. 1补水泵控制系统 补水泵系统共有四台补水泵电动机，系统采用两台变频器拖动，一台变频器负责拖动两台补水泵，即“一拖二”模式。系统的电气控制图如图4-2所示。其中1-2#补水泵用1#变频器拖动，3-4#补水泵用2#变频器拖动，构成两个独立拖动系统。.系统在运行过程中，只有1台变频器运行，若用2台以下泵可满足负荷，则启动1#(2#)变频器拖动1-2#泵(3-4#泵)即可;若需2台以上泵才能满足负荷，则先启动1#(2#)变频器拖动1-2#泵(3-4#泵)，然后切换到工频运行并停止该变频器，启动另1台变频器拖动另外2台泵。锅炉管网系统

43、中通过改变循环泵转速来调节热水流量，并通过改变补水泵转速来调节系统的回水压力，使回水缸内的水位保持在一定范围内。 补水调节采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式。偏差控制设定回水压力范围，当回水压力实际值不在设定范围内时，增加或减少补水泵运行台数，直到回水压力达到要求为止。PID控制在偏差控制的基础上对回水压力进行微调，其原理如图3-3所示f21。补水泵系统根据回水压力的设定值与掌韭l采集到的回水压力的实时数据，通过PID附近，从而确定补水泵的转速，以改变回水法将回水压力值控制在设定值.力。其控制采用前述改进PID控制算法与参数整定方法。确保总管内压力恒定。4. 4. 2循环泵控制系统 循环

44、泵系统有6台循环泵，本系统配置两台变频器，采用“一拖六”的拖动模式，即用一台变频器拖动6台循环泵，另外一台作为备用。每台循环泵均通过变频器启动，并根据负荷的变化切换到工频运行，变频器启动下一台循环泵，依次类推，最后其中一台循环泵变频运行，其他工作循环泵工频运行，剩下循环泵处于停止状态作为备用。系统的电气控制图如图所示。加热炉燃烧控制系统是加热炉PLC控制系统的执行层，其主要包括温度控制、空气流量控制、煤气流量控制、炉压控制，热风放散控制等几部分组成。系统要求其稳定准确快速的随动温度设定数模的设定值，以达到系统稳定运行，高效燃烧，节约能源，减少污染，实现炉温最佳控制，提高钢材质量的目的。根据这一

45、要求我们对以往的双交叉双向限幅控制进行了改进，采用自身反馈双向限幅,它使系统的响应速度更快。其中涉及温流串级控制，调节器增益补偿，扰动补偿，解耦补偿，空燃比动态寻优,生产过程的安全报警与事故处理等几个部分。第五章 可编程序控制器的选择一机型的选择机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下，保证可靠，维护使用方便以及最佳的功能价格比。具体应考虑以下几方面：1、结构合理；2、功能相当；3、机型统一；4、是否在线编程。二组态技术1、组态技术组态控制技术是一种计算机控制技术，利用组态控制技术构成的计算机测控系统与一般计算机测控系统在结构上没有本质上的区别，它们都由被控对象、传感器、I/O接口、计算机

46、和执行机构几部分组成。传感器的作用是对被控对象的各种参数进行检测。通过传感器，计算机能感知生产进行的情况；将参数在显示器上显示。并根据参数实际值与设定植的偏差，按照一定的控制算法发出控制命令，控制执行机构的动作，从而完成控制任务。2、集散式控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)一台DDC(直接数字控制)计算机常用来控制几个到十几个回路。如果将更多的参数集中到一台计算机进行监控，一旦计算机出现故障，系统的可靠性会大大降低。集散式控制系统也称为分布式控制系统，总体思想是分散控制，集中管理。集散式控制系统的分级管理规模可大可小，可以只有两级（直接控制级和监督控制级或称下位机和上位机），也可以

47、有多级。典型的三级结构为过程控制级、控制管理级、和生产管理级。输入/输出模块的选择PLC是一种工作控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环境是工业生产现场。它与工业生产之间的联系是通过I/O接口模块来实现的。通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控对象进行控制的信息。同时，由于控制器通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或生产过程中的信号电平各种各样，因此各种机构所需的信息电平也是不同的。而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平，所有I/O接口模块还需实现这种转换。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需要经过一定的距离，为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块，可以根据它们的特点进行选择使用。1、确定I/O点数根据控制系统的要求，确定所需要的I/O点数，再增加10-20的备用量，以便随时增加控制功能。对于同一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平的不一样，I/O点数就有所不同。2、开关量输入/输出标准的开关量输入/输出接口可用于