工业锅炉自动化系统改造研究
徐照杨
【摘要】锅炉控制系统改造具有很好的市场发展空间和投资收益前景，值得广泛地推广。它不仅能够通过自动化控制技术实现安全生产的目的，还能够节煤节电并能使排放更环保。
【关键词】控制系统；自动化控制；环保
1. 引言
锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有锅炉每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。
2. 锅炉控制系统的一般结构与工作原理
（1）锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由一次仪表、现场机、上位机、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。控制系统包括手动和自动操作部分，手动控制时由操作人员手动控制，用操作器控制变频器、滑差电机及阀等，自动控制时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。
（2）微机控制系统由工控机、显示器、打印机、手操器、报警装置等组成，能完成对给水、给煤、鼓风、引风等进行自动控制，使锅炉的汽包水位、蒸汽压力保持在规定的数值上，以保证锅炉的安全运行，平稳操作，达到降低煤耗、提高供送汽质量的目的，同时对运行参数如压力、温度等有流程动态模拟图画面并配有数字说明，还可对汽包水位、压力、炉温等进行越限报警，发出声光信号，还可定时打印出十几种运行参数的数据。以形成生产日志和班、日产耗统计报表，有定时打印、随机打印、自定义时间段打印等几种方式。
3. 锅炉控制系统中各控制回路的介绍
锅炉控制系统，一般有蒸汽压力、汽包液位、炉膛负压、除氧器水位、除氧器压力等控制系统。锅炉的燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，不断根据用汽量与压力的变化调整燃料量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用。
3.1锅炉给水控制回路。
（1）给水自动调节的任务是使给水流量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在允许的范围内。给水自动调节的另一个任务是保持给水稳定。在整个控制回路中要全面考虑这两方面的任务。在控制回路中被调参数是汽包水位，调节机构是给水调解阀，调节量是给水流量。对汽包水位调节系统产生扰动的因素有蒸发量、炉膛热负荷（燃料量），给水量。
（2）由于给水调节对象没有自平衡能力，又存在滞后。因此在一般锅炉控制系统中汽包液位回路采用闭环三冲量调节系统。所谓三冲量调节系统就是把给水流量，汽包水位，蒸汽流量三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。
（3）锅炉给水系统中还有一个比较重要的控制回路是给水压力回路，因为汽包内压力较高，要给锅炉补水必须提供更高的压力，给水压力回路的作用是提高水压，使水能够正常注入汽包。但在蒸汽流量未达到满负荷时，对给水流量的要求也不高。在老式的锅炉系统中一般采用给水泵一直以工频方式运转，用回流阀降低水压防止爆管，现在一般采用通过变频器恒压供水的方式控制水压，具体实现方式是：系统下达指令由变频器自动启动第一台泵运行，系统检测给水管的水压，当变频器频率上升到工频时，如水压未达到设定的压力值，系统自动将第一台电机切换至工频直供电，并由变频器拖动第二台水泵运行，如变频器运行到工频状态时供水母管压力仍未达到设定压力值系统自动将第二台水泵切换至工频直供电，再由变频器拖动第三台运行，依次类推，直至压力达到设定值。若锅炉需要的给水量减少，变频控制系统可自动降低变频器的运行频率，如变频器的频率到零仍不能满足要求，则变频器自动切换至前一台水泵进行变频运行，依次类推。变频恒压供水控制系统的实质是：始终利用一台变频器自动调整水泵的转速，切换时间以管网的实际压力和设定压力的差值决定，同时保证管网的压力动态恒定。值得注意的是为了防止变频器报警停机或其他故障造成水泵不转会引起锅炉缺水，所以应该加反馈装置确保变频器正常工作。
（4）除此之外锅炉的供水系统中还包括除氧器压力控制和除氧器水位控制，除氧器压力控制主要是为了保证除氧器口有足够的蒸汽压力用于将软化水除氧，这是一个单闭环控制回路，输入参数是除氧器压力输出参数控制除氧器进汽阀。除氧器水位控制主要是为了保证除氧器内有足够的水提供给锅炉，这是一个单闭环控制回路输入参数，是除氧器水位输出参数控制除氧器进水阀。
3.2锅炉燃烧调节系统。
3.2.1燃烧过程自动调节系统的选择虽然与燃烧的种类和供给系统、燃烧方式以及锅炉与负荷的联结方式都有关系，但是燃烧过程自动调节的任务都是一样的。归纳起来，燃烧过程自动调节系统有三大任务：
（1）维持汽压恒定。汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应，必须相应地改变燃料量，以改变锅炉的蒸汽量。
（2）保证燃烧过程的经济性。当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它与燃料量相配合，保证燃烧过程有较高的经济性。
（3）调节引风量与送风量相配合，以保证炉膛压力不变。
3.2.2燃烧调节系统一般有三个被调参数，汽压、烟气含氧量和炉膛负压。一般有3个调节量，他们是燃料量，送风量和引风量。燃烧调节系统的调节对象对于燃料量，根据燃料种类的不同可能是炉排电机，也可能是燃料阀。对于送风量和引风量一般是挡板执行机构或变频器。系统各回路中都设置了手自动两种操作方式，为了实现无扰动切换，系统引入了各控制对象的反馈值，在手动操作时PLC输出会自动跟踪控制对象的反馈，当切换到自动状态时可以进行无扰动切换，使系统平稳的过渡到自动状态。
4. 锅炉控制系统组成结构
上面我们针对锅炉控制系统的各控制回路原理的做了简要分析，依据以上分析，我们知道构建一个可靠的、智能随动的智能控制系统是保证锅炉安全生产的基础。锅炉控制系统是典型的多变量、纯滞后、强耦合的控制系统，如果不能在控制策略和软件实现上很好地解决多变量解偶关系和滞后响应问题，那么，实施智能锅炉控制系统改造后同样也将无法实现预期的目标。
在控制系统设计上我们采用集中控制分散驱动的集散控制思想，把控制系统分为三层：（1）信息管理层：完成系统关键技术数据的设定、实时数据和运行状态的监视与控制、历史数据的查看、数据报表的记录与打印、报警与故障的提示处理等功能；主要由上位工控机、组态开发软件、应用程序、通讯模块等组成。
（2）控制层：主要完成各种控制动作命令、实时数据的采样与处理、连锁动作的关联表达、控制算法的实现、异常现象的自动处理等功能；主要由可编程逻辑控制器的开关量模块、模拟量模块、智能PID调节仪、变频器、可编程逻辑控制器应用程序等组成。
（3）设备层：主要接受来自的控制器控制命令，执行相应的动作或提供相应的检测数据。主要由断路器、交流接触器、压力变送器、温度变送器、流量变送器、电动开关阀、模拟信号隔离分配器等组成。
5. 结束语
综上所述，锅炉控制系统改造具有很好的市场发展空间和投资收益前景，值得广泛地推广。它不仅能够通过自动化控制技术实现安全生产的目的，还能够节煤节电并能使排放更环保，总之锅炉的计算机自动化控制是锅炉行业发展的大势所趋，也是一项利国利民的发展方向。
[文章编号]1619-2737（2014）03-12-591
【摘要】锅炉控制系统改造具有很好的市场发展空间和投资收益前景，值得广泛地推广。它不仅能够通过自动化控制技术实现安全生产的目的，还能够节煤节电并能使排放更环保。
【关键词】控制系统；自动化控制；环保
1. 引言
锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有锅炉每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。
2. 锅炉控制系统的一般结构与工作原理
（1）锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由一次仪表、现场机、上位机、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。控制系统包括手动和自动操作部分，手动控制时由操作人员手动控制，用操作器控制变频器、滑差电机及阀等，自动控制时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。
（2）微机控制系统由工控机、显示器、打印机、手操器、报警装置等组成，能完成对给水、给煤、鼓风、引风等进行自动控制，使锅炉的汽包水位、蒸汽压力保持在规定的数值上，以保证锅炉的安全运行，平稳操作，达到降低煤耗、提高供送汽质量的目的，同时对运行参数如压力、温度等有流程动态模拟图画面并配有数字说明，还可对汽包水位、压力、炉温等进行越限报警，发出声光信号，还可定时打印出十几种运行参数的数据。以形成生产日志和班、日产耗统计报表，有定时打印、随机打印、自定义时间段打印等几种方式。
3. 锅炉控制系统中各控制回路的介绍
锅炉控制系统，一般有蒸汽压力、汽包液位、炉膛负压、除氧器水位、除氧器压力等控制系统。锅炉的燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，不断根据用汽量与压力的变化调整燃料量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用。
3.1锅炉给水控制回路。
（1）给水自动调节的任务是使给水流量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在允许的范围内。给水自动调节的另一个任务是保持给水稳定。在整个控制回路中要全面考虑这两方面的任务。在控制回路中被调参数是汽包水位，调节机构是给水调解阀，调节量是给水流量。对汽包水位调节系统产生扰动的因素有蒸发量、炉膛热负荷（燃料量），给水量。
（2）由于给水调节对象没有自平衡能力，又存在滞后。因此在一般锅炉控制系统中汽包液位回路采用闭环三冲量调节系统。所谓三冲量调节系统就是把给水流量，汽包水位，蒸汽流量三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。
（3）锅炉给水系统中还有一个比较重要的控制回路是给水压力回路，因为汽包内压力较高，要给锅炉补水必须提供更高的压力，给水压力回路的作用是提高水压，使水能够正常注入汽包。但在蒸汽流量未达到满负荷时，对给水流量的要求也不高。在老式的锅炉系统中一般采用给水泵一直以工频方式运转，用回流阀降低水压防止爆管，现在一般采用通过变频器恒压供水的方式控制水压，具体实现方式是：系统下达指令由变频器自动启动第一台泵运行，系统检测给水管的水压，当变频器频率上升到工频时，如水压未达到设定的压力值，系统自动将第一台电机切换至工频直供电，并由变频器拖动第二台水泵运行，如变频器运行到工频状态时供水母管压力仍未达到设定压力值系统自动将第二台水泵切换至工频直供电，再由变频器拖动第三台运行，依次类推，直至压力达到设定值。若锅炉需要的给水量减少，变频控制系统可自动降低变频器的运行频率，如变频器的频率到零仍不能满足要求，则变频器自动切换至前一台水泵进行变频运行，依次类推。变频恒压供水控制系统的实质是：始终利用一台变频器自动调整水泵的转速，切换时间以管网的实际压力和设定压力的差值决定，同时保证管网的压力动态恒定。值得注意的是为了防止变频器报警停机或其他故障造成水泵不转会引起锅炉缺水，所以应该加反馈装置确保变频器正常工作。
（4）除此之外锅炉的供水系统中还包括除氧器压力控制和除氧器水位控制，除氧器压力控制主要是为了保证除氧器口有足够的蒸汽压力用于将软化水除氧，这是一个单闭环控制回路，输入参数是除氧器压力输出参数控制除氧器进汽阀。除氧器水位控制主要是为了保证除氧器内有足够的水提供给锅炉，这是一个单闭环控制回路输入参数，是除氧器水位输出参数控制除氧器进水阀。
3.2锅炉燃烧调节系统。
3.2.1燃烧过程自动调节系统的选择虽然与燃烧的种类和供给系统、燃烧方式以及锅炉与负荷的联结方式都有关系，但是燃烧过程自动调节的任务都是一样的。归纳起来，燃烧过程自动调节系统有三大任务：
（1）维持汽压恒定。汽压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应，必须相应地改变燃料量，以改变锅炉的蒸汽量。
（2）保证燃烧过程的经济性。当燃料量改变时，必须相应地调节送风量，使它与燃料量相配合，保证燃烧过程有较高的经济性。
（3）调节引风量与送风量相配合，以保证炉膛压力不变。
3.2.2燃烧调节系统一般有三个被调参数，汽压、烟气含氧量和炉膛负压。一般有3个调节量，他们是燃料量，送风量和引风量。燃烧调节系统的调节对象对于燃料量，根据燃料种类的不同可能是炉排电机，也可能是燃料阀。对于送风量和引风量一般是挡板执行机构或变频器。系统各回路中都设置了手自动两种操作方式，为了实现无扰动切换，系统引入了各控制对象的反馈值，在手动操作时PLC输出会自动跟踪控制对象的反馈，当切换到自动状态时可以进行无扰动切换，使系统平稳的过渡到自动状态。
4. 锅炉控制系统组成结构
上面我们针对锅炉控制系统的各控制回路原理的做了简要分析，依据以上分析，我们知道构建一个可靠的、智能随动的智能控制系统是保证锅炉安全生产的基础。锅炉控制系统是典型的多变量、纯滞后、强耦合的控制系统，如果不能在控制策略和软件实现上很好地解决多变量解偶关系和滞后响应问题，那么，实施智能锅炉控制系统改造后同样也将无法实现预期的目标。
在控制系统设计上我们采用集中控制分散驱动的集散控制思想，把控制系统分为三层：（1）信息管理层：完成系统关键技术数据的设定、实时数据和运行状态的监视与控制、历史数据的查看、数据报表的记录与打印、报警与故障的提示处理等功能；主要由上位工控机、组态开发软件、应用程序、通讯模块等组成。
（2）控制层：主要完成各种控制动作命令、实时数据的采样与处理、连锁动作的关联表达、控制算法的实现、异常现象的自动处理等功能；主要由可编程逻辑控制器的开关量模块、模拟量模块、智能PID调节仪、变频器、可编程逻辑控制器应用程序等组成。
（3）设备层：主要接受来自的控制器控制命令，执行相应的动作或提供相应的检测数据。主要由断路器、交流接触器、压力变送器、温度变送器、流量变送器、电动开关阀、模拟信号隔离分配器等组成。
5. 结束语
综上所述，锅炉控制系统改造具有很好的市场发展空间和投资收益前景，值得广泛地推广。它不仅能够通过自动化控制技术实现安全生产的目的，还能够节煤节电并能使排放更环保，总之锅炉的计算机自动化控制是锅炉行业发展的大势所趋，也是一项利国利民的发展方向。
[文章编号]1619-2737（2014）03-12-591
