第三章 锅炉综合控制系统设计
水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要参数。对于汽包水位的调节，调节参数可以选用给水阀的开度。
(2) 维持蒸汽压力在预定值，蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽锅炉的重要工艺参数。控制蒸汽压力，是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。
(3) 维持锅炉燃烧的经济性，必须使空气和燃料维持适当的比例，使锅炉燃烧过程工作在最佳工况下，使锅炉热效率最高，达到节能降耗的目的。
(4) 维持炉膛负压在一定范围内，炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。要使蒸汽压力、炉膛负压和燃烧经济性指标保持在允许范围内。
3.1.3 锅炉控制方案
为了实现上述调节任务，将锅炉设备控制划为若干控制系统。主要控制系统如下[16]：
a、 锅炉汽包水位控制系统，被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在工艺允许的范围内。
b、 锅炉燃烧控制系统，有三个被控量，蒸汽压力、烟气成分和炉膛负压。其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证经济燃烧，提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持锅炉负压在一定的范围内。操纵变量也有三个，即燃料量、送风量、和引风量。
(1) 锅炉汽包液位控制
汽包液位是锅炉运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量，维持汽包液位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件[17]。
a.如果液位过低，则由于汽包内水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又很快，因而汽包内的水量变化速度很快，如果不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸。b.液位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液的现象，会使管壁结垢导致破坏，影响运行的安全和经济性。
在汽包液位控制中有单冲量、双冲量和三冲量控制方案，由于单冲量控制系统
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第三章 锅炉综合控制系统设计
不能克服假水位带来的控制问题，双冲量控制系统还有不能做到静态补偿以及不能对给水系统干扰及时克服两个的弱点。因此在实际应用中汽包液位控制系统都采用三冲量控制系统。即蒸汽流量、给水流量、汽包液位三个冲量作为输入量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包液位[18]。
DGMD(S) PS RLC(S)GHD(S) WFC(S) HGHW(S) ∑ GP2(S) － PCPW－ GMW(S) GMH(S) 图3.3 三冲量控制系统方框图
(2) 锅炉燃烧控制系统
锅炉燃烧控制系统的基本任务是保证锅炉经济、安全运行的同时使燃料燃烧所产生的热量适应水温负荷的需求。在燃烧控制系统的三个子系统中，通常通过调节燃料量维持蒸汽压力的恒定，调节送风量以保证燃烧的经济性，调节引风量维持炉膛负压的稳定。本系统由蒸汽压力控制天然气的阀门开度，燃料量对锅炉系统负荷变化较大，本系统在汽包压力控制回路中引入蒸汽流量作为前馈信号。为保证燃料充分燃烧，送风量应该与燃料量作协调变化。汽包压力调节器的输出信号作为前馈信号被引至送风副调节器。送风调节采用串级控制方式，其主调节信号为送风压力，副调节器信号是燃料量，调节器的输出通过控制变频器达到调节电机转速的目的。锅炉引风控制的控制目标是保证炉膛压力稳定，为了使引风机能快速跟随送风量的变化，将送风调节器的输出信号引入引风调节器，作为前馈信号[19]。
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第三章 锅炉综合控制系统设计
汽包液位 液位变送器 蒸汽流量 差压变送器 送风压力 差压变送器 炉膛负压 压力变送器 主调节器 调节器 副调节器 调节器 变频器 变频器 变频器
图3.4 锅炉燃烧控制系统框图
3.2 选型
3.2.1 I/O点分布
(1) 锅炉给水：
本系统有两台给水泵，其中一台正常使用，另一台备用。
表3.1 给水I/O点分布 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
控制内容 给水流量 汽包液位 给水泵运行 给水泵运行故障 给水泵启动 给水泵停止 汽包高水位上限Ⅱ 汽包高水位上限Ⅰ 汽包低水位下限Ⅱ 汽包低水位下限Ⅰ 给水流量调节
数量 1 1 2 2 2 2 1 1 1 1 1
I/O类型 AI AI DO DI DI DI HMI HMI HMI HMI AO
备注 涡街流量计 液位变送器
泵 热继电器 按钮 按钮 设定值 设定值 设定值 设定值 电动调节阀
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第三章 锅炉综合控制系统设计
(2) 燃烧控制：
本锅炉由燃烧控制系统进行燃气的压力、流量检测、安全保护、点火控制、负荷调节等。
表3.2 燃烧I/O点分布 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
控制内容 燃烧机控制 燃烧机故障 燃气压力低 燃气压力高 燃气泄露 燃烧机运行 负荷增大 负荷减小 燃气压力 燃气流量
数量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
I/O类型 DO DI DI DI DI DI DO DO AI AI
备注 程控器 程控器 压力开关 压力开关 检漏仪 程控程 伺服电机 伺服电机 压力变送器 流量计
(3) 送风和引风：
引风机和送风机均为交流电机，并且引风机和送风机要求速度可以调节，所以要加入变频控制。
表3.3 送风引风I/O点分布 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
控制内容 送风压力 送风机启动 送风机停止 送风机运行 送风机运行故障 送风调节 引风机启动 引风机停止 引风机运行 引风机运行故障 引风调节
数量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
I/O类型 AI DI DI DO DI AO DI DI DO DI AO
备注 压力变送器 按钮 按钮 电机 热继电器 变频器 按钮 按钮 电机 热继电器 变频器
(4) 炉膛：
表3.4 炉膛I/O点分布 序号 1 2
控制内容 炉膛温度 炉膛负压
数量 1 1
I/O类型 AI AI
备注 热电偶 差压变送器
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第三章 锅炉综合控制系统设计
(5) 蒸汽：
表3.5 蒸汽I/O点分布 序号 1 2 3 4
控制内容 蒸汽温度 蒸汽压力 蒸汽流量 压力保护
数量 1 1 1 1
I/O类型 AI AI AI DI
备注 热电偶 压力变送器 涡街流量计 压力控制器
3.2.2 PLC选型
根据以上的I/O点分布，总结出，系统有18个数字量输入（DI），7个数字量输出（DO），10个模拟量输入（AI），3个模拟量输出（AO）。
根据各种I/O点的数量以及类型，选择西门子公司的S7-200。具体模块选择如下：
(1) 中央处理器CPU 224 订货号：6ES7 214-1AD23-0XB0
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。
(2) 1个数字量输入模块EM221 订货号：6ES7 221-1BF22-0XA0 本系统有18个数字量输入，由于CPU224自带14输入/10输出的数字量，因此还需要其他的数字量输入模块，EM221 CN 具有8路的数字量DC输入，所以选择EM221 来进行扩展，从而满足要求。
(3) 1个模拟量输入模块EM231 订货号：6ES7 231-7PD22-0XA0 本系统有2个温度需要用热电偶来测量，所以选择EM 231热电偶模块，EM 231热电偶模块提供一个方便的、隔离的接口，用于七种热电偶类型：J，K，E，N，S，T，和R型。EM 231热电偶模块具有4路的模拟量输入，因此用一个输入模块EM231 即可满足要求。
(4) 1个模拟量输入模块EM231 订货号：6ES7 231-0HF22-0XA0 本系统有10个模拟量输入模块，其中有2个热电偶输入，用EM 231热电偶模
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