基于PLC的锅炉燃烧控制系统设计-05论文正文

1 绪论

1.1锅炉燃烧控制项目的背景

改革开放以来，我国经济社会快速发展，生产力水平不断提高，在生产中，锅炉起着十分重要的作用，尤其是在火力发电中发挥重要作用的工业锅炉，是提供能源动力的主要设备之一。锅炉产生的蒸汽可以作为蒸馏，干燥，反应，加热等各过程的热源，另外也可以作为动力源驱动动力设备。工业过程中对于锅炉燃烧控制系统的要求是非常高的，要求锅炉燃烧控制系统必须满足控制精度高，响应速度快[1]。

作为一个非常复杂的设备，锅炉同时具有了数十个包括了扰动、测量、控制在内的参数，参数之间有着复杂的关系，并且相互关联[2]。而锅炉燃烧过程中的效率问题、安全问题一直是大众关注的重要方面。

1.2锅炉燃烧控制的发展历史

对于锅炉燃烧的控制，已经经历了四个阶段[3~5]

(1）手动控制阶段

因为20世纪60年代以前，电力电子技术和自动化技术还没有得到完全发展，技术尚不成熟，因此，这个时期工业人员的自动化意识不强，锅炉燃烧的控制方式一般多采用纯手动的方法。这种控制方法，要求进行控制的操作工人依靠他们的经验决定送风量，引风量，给煤量的多少，然后利用手动的操作工具等操控锅炉，该方法控制的程度完全取决于操作工人的经验。因此，要求操作工人必须具有非常丰富的经验，这样无疑大大提高了操作工人的劳动强度，由十人的主观意识，所以事故率非常大，同时，也不能保证锅炉高效稳定的运行。

（2）仪器继电器控制阶段

随着科技的不断进步，自动化技术以及电力电子技术快速提高，国内外以继电器为基础的自动化仪表工业锅炉控制系统也得到发展，并且广泛应用于实际生产过程。在上个世纪60年代前期，我国锅炉的控制系统开始得到迅速发展;到了60年代的中后期，我国引进了国外全自动的燃油锅炉的控制系统；到了上个世纪的70年代末，我国逐渐自主研发了一些工业锅炉的自动化仪器，同时，在工业锅炉的控制系统方面也在逐步推广应用自动化技术。在仪表继电器控制阶段，锅炉的热效率得到了提高，并且大幅度的降低了锅炉的事故率。但是，

利用仪表继电器，需要依靠硬件实现控制功能，这样可靠性比较低，同时精度比较低仅仅能够完成比较简单的控制，不能实现先进控制技术和算法，控制的效果依然达不到要求。

（3）计算机控制阶段

电子技术的迅猛发展，成本低、可靠性强、集成度高的微机、工控机和PLC 系统等被广泛应用于工业的生产过程，同时，也为锅炉燃烧控制系统的发展提供了一个新的途径。自本世纪80年代末，中国已经陆续出现了各式各样、种类繁多的锅炉微机控制系统，该系统大大提高了工业锅炉运行效率。计算机控制时期，依靠计算机技术可开发自动化程度高的工业锅炉系统，该系统相比仪表继电器控制系统，性能得到了非常大的提高，但是受环境和外界干扰的影响较大，因此，还不是特别的完善。

（4）智能控制阶段

现代控制理论的发展及其在各个行业领域的广泛应用，同时，诸如IPC，PAC，智能变频器，现场显示设备，各种数据采集卡板等控制领域硬件的迅猛发展，使得锅炉控制系统发展到了智能控制时期。智能控制系统主要包括了自学习控制系统，模糊控制系统，基于人工神经网络控制系统，防人智能控制系统等控制系统，以及同传统的控制形式相结合的控制方案，譬如以神经网络参数自整定为基础的PID控制系统以及模糊PID控制系统等。在智能控制时期，传统控制系统和控制算法不能解决的问题，得到了有效解决，对工业生产的过程控制提出了一个新的方向，同时具有非常好的效果，但是，智能控制的算法比较复杂，并且要求速度非常高的主控制器。

目前，我国工业锅炉，特别是电力行业的锅炉，多数处于微机控制阶段，同时增加了改进的智能控制算法，根据控制系统中微机的作用不同，可以分为以下几个控制形式[6~9]：

（1）数据的采集，检测和指导通过微机进行操作，在这种形式下，控制器仅仅对系统进行了数据采集，尽管在内部仍然运行着一定的控制算法，但是输出并没有控制元件起作用，只是对操作人员的操作起着指导的作用。目前，这种控制系统在我国锅炉控制领域内已经非常少见，一般用在流量小于10t/h的非工业的小型锅炉上；

(2）微机不但进行数据的采集，同时担负着控制的作用。这种形式里，控制器一方面实现了数据的采集，同时输出直接可以作用在系统的电磁阀，继电器，变频器等控制元器件上，这种形式的控制实际上是一种闭环控制，即常规

意义上的自动化。此形式虽然实现了控制的自动化，但是缺乏监测，无法进行控制效果反馈。因此，在此状况下，会出现操作人员因不了解自动控制的效果，不能根据控制的效果进行适当的手动控制或者一些紧急停炉的操作，而造成事故或危害的发生。故这种形式的控制应用的范围也是有限的，当前也就部分中小型锅炉采用;

（3）微机同时起着监控、数据采集和控制二重作用，形式大多采用分布式控制系统，即分级控制系统。下位机和上位机两部分构成了系统的微机。

图1-1分级控制系统简要结构图

Figure 1-1 Hierarchical control system summary structure

在上图中，一般采用单片机，PAC, PLC等作为下位机，IPC(即工业计算机)作为上位机。由图中可以看到，下位机与上位机担负着不同的作用，数据的采集，控制程序的执行，输出控制等任务都是由下位机实现的；整个系统的记录，检测，报警灯等任务则是由上位机利用组态软件进行实现。利用这种形式能够实现网络化，可以同时对多台锅炉进行监控，因此，实现了真正意义上的管控一体化的目标，是我国工业生产过程中的广泛应用的控制形式。

1.3锅炉燃烧控制项目研究的意义

国家“十二五规划”明确提出了节能减排的目标，即到2015年，单位GDP 二氧化碳排放降低17%；单位GDP能耗下降16%；非化石能源占一次能源消费比重提高3.1个百分点，从8.3%到11.4%；主要污染物排放总量减少8到10%的目标。

据研究表明，我国工业锅炉每年耗用原煤约占年总产量的1/3 ，排放CO2达6 亿多吨，排放SO2 500 ~ 600 万吨，占全国排放总量的21 % 。这些都与我国节能减排的政策相悖，不仅消耗了大量的能源，而且容易造成环境污染。而由于客观条件的限制，在工业生产中大规模淘汰工业锅炉显然是不太现实的。锅炉的控制系统在锅炉的燃烧过程当中具有十分重要的意义。一个好的控制系