基于DCS的锅炉自动控制系统

[摘 要]介绍了以组态软件为上位机监控系统和以 PLC 为核心的下位机的锅炉集散控制系统的实现方案，简述了 DCS 锅炉控制系统的硬件配置及其功能的软件实现，燃烧控制系统、汽包水位控制系统及流量控制系统的主要特点和控制流程。 实践证明，该系统达到了锅炉燃烧节能降耗的工艺要求，且运行稳定可靠。

[关键词] DCS 、锅炉、 PLC 、控制系统

中图分类号：TL503文献标识码： A

The Automatic control system of boiler based on DCS

WangYan -Wei

(Hebei iron and Steel Group ,Tangshan Wei' er automation company, Hebei 063000)

[Abstract] This paper introduces the realization scheme of boiler distributed control system of upper computer monitoring system with configuration software and PLC as the core of the lower machine, describes the control system of DCS boiler, the hardware configuration and the software realization of combustion, main characteristics and control flow control system, drum water level control system and a flow control system. The practice proved that, this system achieved the requirement of process energy consumption of boiler combustion, stable and reliable operation.

[Key words] DCS，Boiler，PLC，Control system

前言：锅炉控制系统设计要求达到环保、节能、安全性高的目的。 目前，随着网络化的日趋完善，锅炉控制系统亦采用网络化的设计成为必然。 充分利用 PC 机丰富的软硬件资源实现友好的人机界面，又通过工业以太网结构与 PLC 机进行通信，对锅炉现场进行数据采集和及时处理， 达到了锅炉燃烧工况良好、节能降耗的工艺要求，系统由 PLC 和 DCS完成其控制功能，实现了全面 EIC 一体化的系统。 该控制方案经济、 简单、节能、环保，降低了能耗。

1 DCS 系统组成

计算机集散控制系统（ DCS ）由上位系统和下位系统组成。 上位系统采用工业控制计算机，用组态软件 WinCC 完成现场数据的实时显示、存储、报警处理、打印及控制参数设定。 下位系统由 PLC构成，与现场设备相连。上位系统和下位系统之间的通讯采用 Ethernet 方式，完全满足对数据实时监控的要求。自动控制系统采用 S7－400 系列 PLC 硬件组成基础自动化系统，采用 WINCC V6．2监控软件，编程软件采用 STEP 7 V5．5 ，Windows 2007 作为系统平台界面，组成计算机操作系统，实现人机通讯。

2 锅炉系统控制方案

2．1 运行控制任务

（ 1 ）自动检测。用检测元件和显示仪表，对锅炉的热工参数（压力、温度、流量等）进行连续测量和显示，并为自动调节和安全保护提供检测信号。

（ 2 ）自动调节。对锅炉运行参数进行自动调整，以适应外界负荷和工质参数的要求，并使锅炉保持在较经济的工况下运行。

（ 3 ）程序控制。使锅炉的启、停及运行等一系列操作实现自动化。如系统启动按照引风机、鼓风机、炉排的启动顺序进行。

（ 4 ）保护连锁。系统必须具有超压、水位过高、水位过低声光报警以及超压停炉和水位过低停炉热工联锁保护等功能。电气联锁保护是为防止设备在启、停过程中由于操作错误而造成事故。

2．2 控制参数

根据锅炉实际使用需要，确定 10个调节量，分别是：主汽减压、除氧水位、除氧压力、分汽缸出口稳压、主汽温度、炉膛负压、汽包水位、鼓风转速、炉排转速等。其中汽包水位、主汽温度是锅炉系统控制的重点，燃烧自动则是锅炉系统控制的难点。

2．3 控制系统功能

锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联的复杂的控制系统，调节参数与被调节参数之间，存在着许多交叉的影响，因此，采用将系统控制分散成多个闭环控制：燃烧控制，送风控制，汽包液位控制，炉膛负压控制等。

2．3．1 燃烧系统的控制

燃烧系统的控制目标是在安全燃烧（避免熄火事故的发生）的前提下，基本维持主蒸汽压力的稳定，同时保证最经济的燃烧效率。 而锅炉运行供汽是为了满足汽轮机的运行负荷要求，同时满足鼓风机站提供低压蒸汽的需要。汽轮机和外供汽的负荷变化，会影响锅炉蒸汽压力的变化。只要满足蒸汽压力的稳定，必然满足蒸汽量的要求。因此，锅炉燃烧自动控制的目的就是通过自动燃烧达到稳定蒸汽母管的压力，来满足汽轮机及外供汽对蒸汽的要求。

为使锅炉达到经济的燃烧，在燃料或负荷调节的同时，应改变送风和引风量。当锅炉增减负荷量较大时，可以采用停开某一层或者数层高炉煤气燃烧器煤气管道上的电动调节阀和热风管道上的电动调节阀进行自动调节。

2．3．2 锅炉送风自动控制

送风自动控制目的：使锅炉所投入的燃料在炉膛中燃烧时，自动投入合适的风量，以保证锅炉的经济燃烧。主要控制的参数为煤气压力及送风压力，进而达到最高的的锅炉热效率，烟气含氧量作为总风量的修正量。通过调节送风机的挡板开度来调节送风压力；当两台送风机同时运行时，应并列（或者固定其中之一，对另一个进行）调节入口风门，可在画面上选择并列还是固 1 调 2 。

2．3．3 汽包水位控制

本方案中采用效果较好的三冲量串级控制系统调节，即根据给水流量、汽包液位和蒸汽流量调节主给水阀，保证锅炉汽包水位的稳定，是前馈―反馈串级调节回路（见图 1 ）：锅炉给水系统中，由锅炉提供两个给水调节阀，其中DN150 调节阀是主调节阀，在正常负荷和高负荷运行时使用；旁通管设一个DN100 的调节阀，在低负荷时使用，同时也作为主调节阀的备用阀。在自动给水状态下，只允许其中之一自动调节给水，此时另一调节阀可画面手动给水；在程序投入之前，操作人员需要事先选定哪一个调节阀自动投入。如果此次未能设定，将按照上一次的设定执行。

2．3．4 炉膛负压调节

送风量与引风量之间的平衡关系，目标就是要保证锅炉在运行过程中，始终保持在微负压的稳定状态，以保证其安全有效运行。炉膛负压自动控制是通过调节引风机入口风门开度，保持炉膛负压在 －20~－10Pa 的微负压状态，保证锅炉安全燃烧。 当两台引风机同时运行时，应并列或者固定其中的一个对另一个进行调节，可在画面上选择并列还是固 1调 2 。同时炉膛负压设高、低报警。

2．3．5 锅炉过热蒸汽温度自动调节（减温水自动调节）

锅炉过热蒸汽温度调节采用自制冷凝水喷水减温装置，锅炉过热蒸汽温度自动调节是根据集器集箱和减温器出口蒸汽温度自动调节减温水调节阀开度，控制减温水量，以保证集汽集箱中蒸汽温度控制在430~450℃范围内。当集汽集箱出口蒸汽温度降低时，汽温自动调节系统自动减少减温水量，随着汽温升高，减温水量增加，保证集汽集箱出口蒸汽温度稳定，反之则减小减温水量，避免汽温产生较大波动。喷水减温系统中，由锅炉提供两个给水调节阀，其中 DN50 调节阀是主调节阀，在正常运行时使用；旁通管设一个DN50的调节阀，作为主调节阀的备用阀。在自动给水状态下，只允许其中之一自动调节给水，另一调节阀备用；在程序投入之前，操作人员需要事先选定哪一个调节阀自动投入。如果此次未能设定，将按照上一次的设定执行。在主给水调节阀后设 DN150 的调节阀，根据所需要的冷凝水量调节该调节阀的开度。采用串级调节，蒸汽出口温度经PID1调节输出后，作为PID2（减温器出口温度调节）的设定点，PID2对此设定点和减温器出口温度的偏差进行调节，输出带动执行机构，调节减温水调节阀。当测得集汽集箱出口蒸汽温度 高 时 ，PID1的输出增大，则减温水调节阀开大，增加减温水量；反之，则减小阀门开度，减少减温水量。

当有扰动时（主要扰动有烟气流量和温度的变化引起的扰动，减温器入口蒸汽流量和温度引起的扰动，减温水压力变化引起的扰动）首先反映在减温器出口的蒸汽温度变化，温度一高，则要求增加减温水量，调节就比较迅速，而对集汽集箱出口的蒸汽温度的影响就比较小，提高了调节品质（见图 2 ）。

2．3．6 监控功能

为全面掌握整个系统的运行工况，监控系统将实时监测并采集锅炉有关的工艺参数电气参数、以及设备的运行状态等。在画面上可显示锅炉各部分时的温度、压力、流量分布状况，采集的数据，历史趋势、报警闪烁画面，完成各阀门、设备的开启及操作，完成煤气、助燃空气的调节阀的操作及调节，各系统的自动调节与软手动调节、硬手动调节的无扰自动切换，各调节阀的操作及调节和保持各数据的动态显示。

结论：

采用 DCS 系统及相关控制流程以后，整个锅炉的运行状况在计算机屏幕上一目了然。 在实际应用中，采用 DCS控制技术的主要优点有：提高能源利用率，保证系统能够高效安全运行；出气温度稳定，提高舒适度；升温速度快。从控制性能看，调节比较及时，超调不大，上下波动小，运行稳定。从节能降耗看，生产线使用了工业过程优化自动控制技术以后，提高了系统可靠性，与同种类型锅炉相比，每年减少故障停机时间约百小时，锅炉功率为130t／h，每年可节约资金百余万人民币，给企业带来可观经济效益。

参考文献：

1 陈小飚 ．火电厂控制系统分散化的现状及趋势［ J ］．浙江电力，2006（ 4 ）

2 王常力，罗安主编 .集散型控制系统的选型与应用［ M ］．北京：清华大学出版社，1996