基于PLC的锅炉启停控制的程序的设计说明

摘要
本文通过对循环流化床的启动过程分析，为实现用可编程控制器（PLC）完成对此过程的自动控制，以安全启动和减轻人工负担为双目标，利用梯形图编写了PLC的控制程序。

以240t/h锅炉为例，选取合适的模拟量输入模块，以达到基于对锅炉点火温度及炉膛温度实时监测下的安全启动过程。

常规控制系统采用继电器控制，元器件较多，控制线路复杂，抗干扰能力差，增加了故障点，维护和维修不方便。

而利用PLC程序对锅炉启动进行控制，不仅有效简化控制线路，提高系统的抗干扰能力。

方便现场的维护和维修，又可以简化操作，并且可以充分保证点火成功率。

关键词：循环流化床锅炉，可编程控制器，控制程序
ABSTRACT
By the start of the circulating fluidized bed process analysis, to achieve the use of programmable logic controller (PLC) automatic control of the completion of this process in a safe start-up and reduce the manual burden for the two-goal,the use of the preparation of the PLC ladder diagram control procedures. To 240t / h boiler as an example, select the appropriate analog input module, in order to achieve based on the boiler furnace ignition temperature and the temperature under the real-time monitoring of the safety of the startup process. Conventional control system to control the use of relays, components are more complex control circuit, poor anti-interference ability, an increase of the point of failure, maintenance and repair is not convenient. Procedures
for the use of PLC control of the boiler to start, not only simplifies the control circuit to improve the system of anti-interference ability. To facilitate maintenance and repair of the scene, but also can simplify the operation, and can fully guarantee the success rate of ignition.
KEY WORDS：CFB,programmable logic controller, control procedures
目录
摘要 (1)
ABSTRACT (1)
目录前言 (3)
前言 (5)
第一章绪论 (6)
1.2 国外发展现状 (6)
1.3 论文的主要工作 (7)
第二章PLC的特性分析 (8)
2.1 PLC应用背景 (8)
2.2 PLC控制系统设计简述[6] (10)
2.2.1 分析控制对象及确定控制容 (10)
2.2.2 PLC机型选择 (11)
2.2.3硬件设计 (11)
2.2.4软件设计 (11)
2.2.5系统统调 (12)
2.3 PLC控制系统的可靠性分析 (13)
2.3.1影响现场输入给PLC信号出错的原因分析 (13)
2.3.2影响执行机构出错的原因分析 (13)
第三章锅炉启动过程分析 (15)
3.1 锅炉启动前的准备 (16)
3.1.1．锅炉本体的准备工作 (16)
3.1.2．汽包部装置安装施工质量检查 (17)
3.1.3．锅炉上水过程分析 (18)
3.2锅炉的点火启动流程 (18)
3.3启动流程图 (21)
第四章锅炉停炉过程分析 (23)
4.1 锅炉停运流程 (23)
4.1.1停炉操作流程 (23)
4.2 停炉流程图 (25)
第五章锅炉启停控制系统硬件设计 (26)
5.1 设备选型 (26)
5.1.1 PLC本体 (27)
5.1.2 模拟量输入模块 (30)
5.1.3 电压、电流信号智能变送器 (33)
5.2 控制系统组建 (34)
5.2.1 锅炉启动过程接线布置 (34)
5.2.2锅炉停炉过程接线布置 (36)
第六章程序设计 (39)
6.1 锅炉启动过程的程序设计 (39)
6.1.1梯形图语言编程设计 (39)
6.1.2命令语言编程 (43)
6.2锅炉停炉过程的程序表达 (45)
6.2.1梯形图语言编程 (45)
6.2.2命令语言编程 (48)
第七章结论 (50)
参考文献 (51)
致 (51)
前言
随着中国电力建设规模的不断扩大，电力结构也在不断调整。

从1956 年 4 月国产的第一台6MW 火电机组投产发电以来，国产发电设备不断加入电力工业行列，发电设备品种不断增加，发电机组容量不断扩大。

现在300MW 及以上机组已经成为运行中的主力机组，单机容量为600MW 和800MW 的发电机组已经相继并网发电。

大容量机组结构更加复杂，控制要求更高，所以机组的安全、经济运行显得尤为重要。

启动和停炉过程是一个不稳定的变化过程。

锅炉的工况变化很复杂，存在着各种矛盾，如：各部分的工作压力和温度随时在变化，启动时间的长短与启动费用的问题，启动时冷炉的燃烧稳定性，受热面部的工质流动可靠性，热量回收等，归纳起来，即是启动过程中的安全性和经济性两大问题。

电站锅炉在启停、变负荷运行过程中，汽包受到交变应力作用，产生疲劳损伤。

随着火电机组参与调峰次数增多，为了节省燃料多发电，电厂运行也提出了在安全的前提下加快启停速度的要求。

高的启停速度必然导致部件的热应力提高和应力波动频繁，使汽包疲劳寿命损耗加剧，给电力生产造成安全隐患。

因此，为了适应机组快速启停的要求，利用智能化和自动化的集控操作平台，借用PLC庞大的数据采集和处理输出数据能力对锅炉起停进行自动控制，对于提高火电机组的安全性、经济性，具有极为重要的意义。

第一章绪论
1.2 国外发展现状
全世界火力发电量约占总发电量的70%，中国的也占70%左右。

因此，电站锅炉无论从它的作用还是从能源消耗来看，对国民经济发展都有重大的影响，电站锅炉的设计注重可靠性、机动性和燃料适应性等要求[1]。

我国80 年代初从美国燃烧（CE）公司引进了亚临界压力300MW、600MW 级控制循环锅炉技术，并开发了亚临界压力配300MW 机组的自然循环锅炉。

现今300MW 和600MW 亚临界压力锅炉在电站中已起到主力机组的作用。

90 年代初进口了从瑞士Sulzer 公司和美国CE 公司联合设计的超临界压力配600MW 机组的直流锅炉，形成了从亚临界到超临界的锅炉技术发展趋势。

为提高锅炉运行的可靠性能以及尽可能降低成本，减少对设备的损害，这就要求燃煤电厂采用先进的优化控制和管理软件。

目前，国多数300MW 以上的燃煤机组均配置了DCS 包括一些管理软件功能（机组性能计算等），但仅限于给出计算结果，不具有偏差分析和指导运行功能。

国火电厂优化软件的开发和应用还处于初级阶段，大多数都处于开发研究和试验阶段，真正成熟的能应用于市场的很少。

火电厂实时优化控制软件国已有一些应用，但没有形成真正产品，实际优化效果还需进一步考察和验证。

已有的优化软件由于缺少相应的实时设备维护、分析及决策软件支持，所以实际应用中与国外同类软件相比仍有一定差距[2]。

近年来。

随着我国电力事业的不断发展，电力系统的自动化程度在不断提高。

然而，我国早期的中小机组火电厂的锅炉点火一般为人工操作方式，人工操作点火时一由于控制设备较多，操作比较复杂，给操作人员之间及各部门之间的相互协调带来了麻烦，容易造成误操作，不能充分保证锅炉点火的成功率。

而且控制系统采用常规继电器控制，元器件较多，控制线路复杂，抗干扰能力差，增加了故障点，维护和维修不方便。

目前，随着PLC控制技术的不断发展和改进，用PLC构成的各种控制系统，在各种技术领域得到广泛的应用。

可编程序控制器是微机技术和继电
器常规控制概念相结合的产物．它照顾到现场操作和维修人员的技能和习惯，以计算机软件技术构成了人们惯用的继电器模型，形成了一套独特的以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，因此它具有继电器电路的直观性，方便易懂，编程和调试都很方便。

另外．它的最大特点是实时性和可靠性非常强。

具有很强的抗干扰能力。

它不仅可以处理开关量，而且可以处理模拟量，并且其与上位机的通讯功能也日趋完善。

利用可编程序控制器构成锅炉点火控制系统，既可以简化控制线路，提高系统的抗干扰能力，方便现场的维护和维修，又可以简化操作，并且可以充分保证点火的成功率[3]。

1.3 论文的主要工作
本文通过对电站锅炉的起停分析，采用经过优化的起停参数，由可编程序控制器对锅炉的起停进行精确控制，以降低疲劳寿命损耗和缩短启动时间为双目标，以达到安全、高效、经济操作。

在PLC控制器的选择上选用信捷公司的XC系列可编程序控制器作为控制系统的主机。

该控制器体积小，可靠性强，抗干扰能力好，其结构为模块型结构，可根据控制系统的不同要求．进行相应的模块调整．操作简便．可扩展性好。

其编程方式为梯形图编程．简单明了．易于掌握。

该控制系统的主要控制对象有：油枪，风机，回油阀，给煤机，风量调节阀等。

由可编程序控制器的输出模块输出的信号，经中间继电器隔离后，送往相应的控制设备。

由各控制设备返回的行程信号及火焰检测信号，经中间继电器隔离后，进入可编程序控制器的输入模块。

其他的各种操作信号．直接接入输入模块。

系统中采用中间继电器对输入输出信号进行隔离，以提高系统抗干扰能力。

第二章PLC的特性分析
2.1 PLC应用背景
PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC[4]。

图2.1 PLC基本单元及扩展模块
1.输入端子，电源接入端子13. 输入动作指示灯输入标签
2.输入标签
3.扩展BD板安装位置1
4. 动作指示灯
4.通讯口2 PWR:电源指示灯
5.通讯口1 RUN:运行指示灯
6.通讯口盖板ERR:出错指示灯
7.输出标签15. 扩展模块连接电缆
8.输出端子、24V输出端子16. 输出端子
9.输入动作指示灯17. 动作指示灯
10.扩展模块接入口PWR:电源指示灯
11.安装孔2个18.扩展模块接入口
12.端子台安装/拆卸螺孔19.输入端子，电源输入端子
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计[5]。

可编程控制器由于抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性能价格比高，在工业控制领域得到越来越广泛应用。

2.2 PLC控制系统设计简述[6]
图2.2 PLC控制系统设计流程
2.2.1 分析控制对象及确定控制容
（1）深入了解和详细分析被控对象（生产设备或生产过程）的工作原理及工艺流程，画出工作流程图。

（2）列出该控制系统应具备的全部功能和控制围。

（3）拟定控制方案使之能最大限度地满足控制要求，并保证系统简
单、经济、安全、可靠。

2.2.2 PLC机型选择
机型选择的基本原则是在满足控制功能的前提下，保证系统可靠、安全、经济及使用维护方便。

一般需考虑以下几个方面的问题：（1）确定I/O点数。

统计并列出所有输入量和输出量，选择I/O点数适当的PLC，确保输入输出点的数量能够满足需要，并为今后生产发展和工艺改进适当留下余量（一般可考虑10%-15%的备用量）。

（2）确定用户程序存储器的存储容量。

用户程序所需存容量与控制容和I/O点数有关，也与用户的编程水平有关。

一般粗略的估计方法是：（输入+输出）X（10～12）=指令步数。

对于控制要求复杂、功能多，数据处理量较大的系统，为避免存储容量不够的问题，可适当多留些余量。

（3）相应速度。

PLC的扫描工作方式使其输出信号与相应的输入信号间存在一定的相应延迟时间，它最终将影响控制系统的运行速度，所选PLC的指令执行速度应满足被控对象对响应速度的要求。

（4）输入输出方式及负载能力。

根据控制系统中输入输出信号的种类、参数等级和负载要求，选择能够满足输入输出接口需要的机型。

2.2.3硬件设计
确定各种输入设备及被控对象与PLC的连接方式，设计外围辅助电路及操作控制盘，画出输入输出端子接线图，并实施具体安装和连接。

2.2.4软件设计
（1）根据输入输出变量的统计结果对PLC的I/O端进行分配和定义。

（2）根据PLC扫描工作方式的特点，按照被控系统的控制流程及各步动作的逻辑关系，合理划分程序模块，画出梯形图。

要充分利用PLC部各种继电器的无限多触点给编程带来的方便。

2.2.5系统统调
编制完成的用户程序要进行模拟调试（可在输入端接开关来模拟输入信号，输出端接指示灯来模拟被控对象的动作），经不断修改达到动作准确无误后方可接到系统中去进行总装统调，直到完全达到设计指标要求。

2.3 PLC控制系统的可靠性分析
在实际工业生产过程中，工业控制机和可编程控制器本身都具有很高的可靠性，但有时还是会有控制系统出现错误的情况。

这有可能是输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，或者PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错，造成无法挽回的经济损失。

2.3.1影响现场输入给PLC信号出错的原因分析
（1）造成传输信号线短路或断路（由于机械拉扯，线路自身老化，特别是鼠害），当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错；
（2）机械触点抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC却认为闭合了多次，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制结果；
（3）现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作[7]。

2.3.2影响执行机构出错的原因分析
（1）控制负载的接触不能可靠动作，虽然PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作；
（2）控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作；
（3）各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机构没能按PLC的控制要求动作，使系统无常工作，降低了系统可靠性。

要提高整个控制系统的可靠性，必须提高输入信号的可靠性和执行机构动作的准确性，否则PLC应能及时发现问题，用声光等报警办法提示
给操作人员，尽快排除故障，让系统安全、可靠、正确地工作。

综上所述，PLC系统本身性能安全可靠，只要在动作机构和传输线缆方面没有失误，利用PLC控制器完全能够对锅炉起停工作正确执行。

第三章锅炉启动过程分析
本研究采用锅炉的冷态启动作为PLC控制启动方式，冷态启动就是锅炉经过检修或较长时间停运后在没有压力而其温度与环境温度相近的情况下的启动。

控制对象为240T/H循环流化床。

图3.1循环流化床锅炉系统
图3.2物料循环燃烧系统
3.1 锅炉启动前的准备
循环流化床铜炉在点火前必须作一次全面的外部检查，以确保设备、人身安全[8]。

3.1.1．锅炉本体的准备工作
(1)锅炉本体及主要设备通道照明良好；
(2)炉培表面平整，外观完整，无裂缝；
(3)看火孔、打焦门及人孔门完整无缺部分的孔门，更应特别注意关闭严密；确封质量，这对锅炉正常运行至关重要；能灵活操作，检查后完
全关闭，燃烧室微正压部分的孔门，更应特别注意关闭紧密；
(4)烟道、风道及除尘器无积灰和杂物；
(5)燃油系统及系统上的管道、阀门无漏油现象，油枪喷嘴雾化质量良好，热烟气发生器应完好无损，储油箱应有足够的油量，在点火前先试一下是否有堵塞现象；
(6)煤仓有足够的存煤，螺旋给煤机无堵塞现象，皮带或链条松紧合适，地脚螺栓牢固；
(7)灰仓有足够的存储量，物料循环系统外部保温良好，部畅通无异物；
(8)检查风帽安装要正确，风帽孔无堵塞；
(9)风室无杂物，诽渣管清洁畅通，开闭灵活；
(10)冷渣器运转正常，冷却循环水正常循环；
(11)引风机、送风机、二次风机均应空载转动，轴承润滑泊位正常(油位应在1／2—3／4以)，冷却水畅通，安全罩牢固，地脚螺栓不松动，电动机接地线，引风机挡板在关闭位置。

3.1.2．汽包部装置安装施工质量检查
（1）汽包部装置严格按图纸安装施工，确无漏焊现象；
（2）就地水位计、汽门、水门严密不漏，开关灵活，安装位置正确显标志，水位表应处于使用状态，水阀和汽阀应开启，放水阀关闭[9]；
(3)汽包和过热器上的安全阀应按规定的压力进行调整和校验；按较低压力进行调整的安全阀必须为过热器上的安全阀；省煤器安全阀的开启压力应调整为装置地点的工作压力的1．10倍。

检查杠杆式安全阀要有防止重锤自行移动的装置；弹簧式安全阀要有提升手把和防止随便拧动调整螺丝的装置；
(4)检查所有的放水阀、疏水阀、排污阀是否开关灵活，检查后应把它关闭；
(5)检查给水管路上的全部阀门是否灵活，检查后除省煤器前的主给水阀外均应开启，主给水阀应在向锅炉进水时开启；
(6)检查各压力表应干净清晰，刻度盘上应划红线指出其工作压力，并要有良好的照明，压力表应经检定合格；
(7)蒸汽系统、给水系统、排污系统的管道支撑吊架牢固可靠，保温完善。

各集箱手孔、汽包人孔均应密封严密。

各膨胀指示器安装正确，冷态时指针应在零位[10]。

以上工作均为锅炉点火前的检查工作，应在锅炉启动前由负责人员完成，不列入PLC控制程序之列。

程序由锅炉上水开始。

3.1.3．锅炉上水过程分析
在锅炉点火前的检查工作完毕之后，即可进行锅炉的上水工作，上水时应注意下述几个问题：
(1)上水前应开启汽包上的空气阀或抬起一个安全阀，或开放压力表下的三通阀，以便在上水时排除锅空气，上水温度不宜偏高，上水应缓慢进行，锅炉从无水至达到汽包水位表最低水位指示处，夏季不少于2h，冬季不少于4h[11]；
(2)上水过程中严密监视汽包上下壁温差，防止汽包壁因热应力引起疲劳损坏[12]；
(3)上水过程中应检查人孔盖、手孔盖、法兰接合面及排污阀等有无泄漏现象，及时修理；当汽包水位升至水位表最低水位指示时，应停止进水。

停止进水后炉水位应保持不变，如水位下降应及时查明原因，找出泄漏之处并设法排除，如水位上升，则表明给水阀漏水，应加以修理或更换阀门。

3.2锅炉的点火启动流程
流化床锅炉的点火是锅炉运行的一个重要环节。

其实质是在冷态试验合格的基础上，将床料加热升温，使之从冷态达到正常运行温度的状态，以保证燃料进入炉膛后能正常稳定地燃烧[13]。

锅炉点火可分为固定床点火和流态化点火两种。

而流态化点火又可分为床上点火和床下点火两种方式。

为了提高系统稳定性和方便PLC控制，
本研究采用流态化点火方式。

流态化点火，就是在床料沸腾状态下，用液体或气体燃料加热床料的一种方法。

根据点火方式，点火位置的不同，流态化点火又分为床上点火和床下点火。

床下点火是指通过设置在布风板下的一种称为烟气发生器或叫烟气燃烧器的装置，使液体或气体燃料在其部燃烧，烟气和一次风在发生器尾部混合，通过布风板风帽进入炉床加热床料。

烟气发生器的烟气温度可达700-800℃[14],原理图如图3.3，图3.4。

图3.3床下烟气发生器布置
图3.4床下烟气发生器结构
点火具体过程如下：
(1)先在膜式水冷壁组或的布风板上铺上400一500mm底料，粒度和床上点火一样不大于3mm为宜。

由于热量是从布风板下均匀送人料层中，整个加热启动过程均在流态化下进行，不会引起低温或高温结焦。

(2)点火用油宜用轻柴油。

油枪点燃后喷入热烟气发生器筒中，产生的高温火焰和送风机供给的冷风均匀混合成850℃左右的热烟气，通过风室、风帽进入床，加热床料。

(3)为避免烧坏风帽，一定要控制热烟气温度，不允许超过900℃，测量点火烟温的热电偶应插入风室于800一1000mm，以正确反映热烟气温度。

(4)应控制启动升温速度，主要从耐火材料的热膨胀要求和水循环的安全问题两方面考虑，特别是从冷态启动初期更应严格控制床温度，上升速度不大干10℃／min，根据锅炉容量不同，冷态启动时间为1—2h，锅炉容量越大，启动时间越长。

热态启动后较快，耗时约50min。

(5)油枪在首次使用前应先做雾化试验，根据使用的油质情况，选择大小合适的油喷嘴。

(6)调节油枪油压和喷油量，改变热烟气发生器风道的燃烧风和混合风的风量和风比，可控制热烟气温度和烟气量，为提高热烟气的热利用率，
减少油耗，点火的热烟气量使床料呈流化状态即可，不宜用较高的流化速度。

(7)床料温度从室温缓慢地加热到400℃，当继续升温时，由于煤中的挥发分大量释放，在450-600℃时，床温会迅速上升，这阶段的温度区间与烧用煤种有关，在达到700℃时，应做好降低喷油量的工作，在床料达到800℃时，应逐步减少喷油量，适当增加给煤量。

当床温升到1000℃时，即可关闭油枪，正常给煤运行。

(8)燃用无烟煤时，为减少油耗，缩短启动时间，启动燃料也应用烟煤。

流态化点火简单方便，易于掌握，床料加热速度快。

较大容量的流化床锅炉一般都采用这种点火方式。

3.3启动流程图
程序流程图是在编程之前首先将操控步骤以图形形式表现出来，这样能够直观的看出程序的流程，既方便于设计人员进行编程，又能对过程有一个清晰的认识。

第四章锅炉停炉过程分析
锅炉在运行过程中可能会遇到一些特殊情况或者定期检修需要进行停炉操作，停炉操作过程中应注意锅炉负荷的变化，避免锅炉负荷下降过快。

因为锅炉的停炉过程与锅炉启动过程所控制的设备不完全一样，而且PLC本身一次只能存储一条程序，同时考虑到系统的稳定性和便捷性，停炉过程拟采用另一台PLC进行控制。

4.1 锅炉停运流程
4.1.1停炉操作流程：
1.逐渐减少燃料和风的输入，将锅炉的负荷降至50%，通过调节锅炉主调节器的设定值来实现，应保持正常床温。

2.降负荷过程中，保证汽包上下壁温差不超过50℃。

在负荷降到50%和锅炉停止运行以前须吹灰，防止含硫分的积灰吸收空气中的水份而导致管子的腐蚀。

3.继续降低锅炉负荷，以每分钟不超过10%的速度降低燃烧料量。

4.根据负荷情况（负荷降至25%）开过热器出口集箱疏水门及旋风分离器对空排气门，停炉后视汽压上升情况关闭。

5.石灰石给料系统停运。

6.在床温低于800℃之前投入启动燃烧器，继续降低给煤量，停用电除尘。

7.根据床温情况逐渐减小给煤量直至停止全部给煤机。

8.当需要时，汽包水位调节器切为手动状态，始终维持正常的汽包水位。

9.继续流化床料，并且控制受压部件降温速率小于50℃/h。

10.在床温约450℃时，停止启动燃烧器。

11.当床温至少降至400℃时，停止一、二次风机运行。

12.回料器温度降至260℃以下停止J阀风机及引风机运行。