西门子WinCC6.0和S7-300PLC在供热蒸汽锅炉控制中的应用

西门子WinCC6.0和S7-300PLC在供热蒸汽锅炉控制中的应用

作者：沈阳鹭岛公司 高维江 何娜 发布时间：2009-9-3 10:57:39

论文摘要：工业蒸汽锅炉控制是一个比较复杂的过程控制，其多输入多输出、多回路、非线性的相互关联的特性目前的控制理论还难以妥善解决。本文就工程实例浅谈西门子WinCC6.0和S7-300PLC在供热蒸汽锅炉控制中的应用。

论文关键词：蒸汽锅炉 热工仪表 自动控制系统

工程概要

项目名称：吉林省长春市龙家堡煤矿工业锅炉监控系统

控制对象：2台25T/H 蒸汽锅炉，2台6T/H 蒸汽锅炉

主要要用途：工业供暧

控制系统主要配置：

变频器：所有水泵风机全部配备西门子变频器

调节阀：4台锅炉给水及2台除氧罐给水给汽配备调节阀

变送器：各部位主要压力及液位的检测采用国产压力变送器

氧化锆：锅炉各配氧化锆一台，用于检测烟气含氧量

电接点水位计：锅炉汽包配电接点水位计

差压式液位计：锅炉汽包及除氧罐配备差压式液位变送器

操作站：操作台共8台，计算机操作站2台，打印机一台

PLC：西门子S7-300 314系列2套

通迅方式：上位机（软件WinCC 6.0）与PLC采用MPI总线通迅

第一章 锅炉控制工艺组态画面

西门子WinCC6.0和S7-300PLC在供热蒸汽锅炉控制中的应用

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第二章 上位机与下位机通迅

2.1、上位机下位机通迅采用MPI总线通迅，硬件配置为：CP5611 PCI卡一件，2台PLC-CPU，

2.2、台上位机、总线连接器4件。

2.3、MPI是西门子的一种多点接口，主要用于编程接口，也可应用在小范围、结点数较少的子网，如控制级和现场级，MPI可连接设备主要有：PG/PC（上位机等）、OP/TP（触摸面板等）、S7-300/S7-400、S7-200，传输速率可达到187.5 KB~12 MB，节点数最大32个，通迅最大距离50米，加中继器可达到1000米，通迅介质为屏蔽双绞线。

第三章 程序设计

一、手自动操作

3.1、电机控制流程示意图如下：

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3.2、手自动操作无扰动切换

无扰动切换流程示意图

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如图所示,手动操作时,通过滑动操作面板上的滑动块,可直接设定变频器的频率,设定范围为

0%~100%(对应0-50HZ)，这个值直接输入到PLC相应PID功能块的MAN变量，再直接通过PID传入到功能块的变量LMN（PID输出），此时PID的自动计算无效，当转为自动操作时，PID的输出值自动调节，也就是在原来值的基础上开始进行自动调节，实现无扰切换；

自动操作时，滑动块操作设定频率不起作用，滑动块会自动滑动到PID的输出值，同时把这个值赋给PID中的MAN变量，自动结束时，PID的输出值就为这个结束时的值，这时就可在这个值的基础上进行手动调节，实现无扰切换。

第四章 锅炉控制流程

4.1锅炉给水水位自动控制

锅炉水位波动的幅度影响锅炉的安全和蒸汽汽压和稳定性。而锅炉蒸汽流量，给水流量和燃煤量的变化都会扰动水位，而且这些扰动刚开始都会造成虚假水位。从锅炉给水流量改变到水位恢复正常要经过较长的时间，属于大滞后系统，这些客观条件要求锅炉水位控制系统要有良好的性能。目前采用的较普遍的串级三冲量控制系统，也就是通过2个PID，锅炉蒸汽流量，锅炉水位，锅炉给水流量三个变量实现给水的自动控制。三冲量的特点是综合控制，各有主次，控制原理如图：

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为了稳态误差小，采用水位负反馈与水位给定的偏差做主调节器输入信号的闭环系统。为了克服大滞后和虚假水位的影响能够响应快、超调量小、调整时间短，采用蒸汽流量前馈和给水流量反馈与主调节器输出比较的偏差做副调节器输入信号的副环系统；副调节器输出信号，通过对给水流量的调节而调节锅炉的水位。该串级三冲量给水流量自动调节（水位控制）系统如图所示，具有锅炉负荷阶跃扰动时，响应快、过度过程平稳、稳态误差小等特点。采用西门子S7-300系统，。利用上位机的图形组态功能，可以很方便地实现该串级调节系统的组态和参数整定。

在本工程中，只有蒸汽流量、汽包水位2个变量，不能实现三冲量控制，实际上采用二冲量控制，PI调节中，以水位作为反馈对象，以调节阀作为执行机构，调节锅炉汽包水位，其中以蒸汽流量运算后做为PID调节输出的下限，做为锅炉运行时正常供水量的基本值，如果水位出现偏差，PI会在这个值的基础上自动进行调节，输出到调节阀，调节给水流量大小，本系统中锅炉假水位主要有2种情况，加大负荷和减小负荷，当增加蒸汽供给时，汽包内压力下降，水位立即上升，出现假水位，当减少蒸汽供给时，汽包内压力增加，水位降低，但与前者相比不是太明显。在程序设计中水位达到上限时PI调节不能及时减小供水量，所以采用水位到上限时立即关闭输出，延时一定时间后打开输出允许PI调值输出。

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由于是供暖锅炉，锅炉的启停较频繁，工人操作时为了在停止时也自动供水，程序设计了在停止时采用上下限的自动供水方式，设定水位低于锅炉运行时的水位，目的是当锅炉启动后，尽量减小由于炉内升温引起水位上涨，造成假水位。

4.2锅炉蒸汽压力控制（给煤量自动调节）

锅炉汽压的高低影响安全和用户对蒸汽参数的要求。影响汽压的因素多，如锅炉负荷、给煤量、给水流量、送风量、引风量等。从给煤量改变到引起汽压变化要经历很多过程和时间，也是大纯滞后系统。这些条件对汽压控制系统的性能要求高。采用系统如图所示。用两个调节器组成串级控制系统。以汽压负反馈构成主环，以蒸汽流量做前馈和以给煤量做反馈

构成副环的串级调节系统。用汽压反馈和给定的偏差做为主调输入信号，可保证汽压稳态误差小，特性好；用蒸汽流量前馈和给煤量反馈与主调输出的偏差信号输入副调，副调输出通过调节炉排转速调节给煤量，达到控制汽压的目的，可保证对负荷阶跃扰动的快速响应，减小超调量，使过渡过程平稳，缩短调整时间。

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4.3烟气含氧量控制（送风量自动调节）

锅炉的送风量必须与给煤量成比例地调节。送风量大小不仅影响汽压，还对锅炉运行的经济性（热效率）影响很大。送风量过大和过小都会降低热效率。与最高热效率时的风/煤比相对应，有一个最佳烟气含氧量（O2最佳）。所以，以烟气含氧量作为被调量，以（O2最佳）为给定值的送风调节系统是锅炉运行最经济的送风调节方案。而且它不受煤种变化的影响。采用烟气含氧量负反馈系统如图。

稳态时含氧量反馈与给定相等，偏差为0，即调节器没有输入信号，也就没有输出信号，操作器没动作。当锅炉负荷变化（给煤量也变化）时，含氧量反馈与给定产生了偏差信号输入调节器，调节器输出调整送风量，保证风煤燃烧后烟气中的最佳含氧量。为了减少风量调节的迟延和氧量的波动，以给煤量作前馈。

4.4炉膛出口负压控制（引风量自动调节）

引风量和送风量需要合理配合。配合合理的标志就是将炉膛出口负压控制在给定的范围内。负压过高和过低影响安全、经济运行。采用炉膛出口负压负反馈调节系统。如图：

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炉膛出口负压给定与反馈偏差信号输入调节器，调节器输出调节引风量，使炉膛出口烟气负压稳定在要求的范围内。

当发生阶跃扰动时，为了调节响应快，减小炉膛负压波动，采用送风量前馈。

4.5除氧器水位控制（进水流量自动调节）

除氧器水位过高影响除氧效果，缺水能造成锅炉缺水事故。但扰动因素少，对水位波动范围要求不高。采用单闭环控制系统，如图：

稳态时调节器无水位偏差信号输入，也无输出。进水调节阀不动。当锅炉给水流量变化（阶跃扰动）时，给定水位与反馈产生偏差信号输入调节器，调节器输出信号作用操作器，调节除氧器进水流量，使水位保持稳定在规定范围内。

4.6除氧器压力控制（进气流量自动调节）

除氧器压力低，除氧效果下降，压力高、不安全和浪费能源。

如图采用单闭环调节系统。当进水流量变化时，压力反馈与给定值的偏差信号输入调节器，调节器输出改变进汽调节阀开度，调节进入除氧器的蒸汽流量，保持除氧器压力稳定在规定范围内。

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第五章 锅炉自动控制技术心得

5.1

锅炉全自动运行是一个十分复杂的过程，所谓的全自动是指在现有测量及设备操作手段基础上的自动运行，但基本理论如上述所述的内容大体相同，但这些不是一层不变的，随着技术及检测手段的提高，控制方案可能也不同。

5.2

锅炉全自动运行的目的主是自动准确及时的根据检测到的数据合理地控制锅炉的连续运行。所以所说的自动不是开炉后就开始自动运转，是在手动操作后锅炉正常运转后再转入自动运行。

5.3

锅炉给水是锅护自动控制的的重点也是难点，必须进行自动控制，对于小型供暖锅炉来说，由于启停较频繁，在启炉及停炉时水位变化较明显，这时不能通过PID自动调节来控制，需通过上下限及延时来根据实际情况进行控制，启炉时，由于汽包温度迅速升高，汽包中水汽化较快，使汽包中的测量水位假性升高，减小供水量后，水位会渐渐下降，这时再采用PID调节进行控制，水位曲线就会形成一个上升后双下降到近于直线的曲线。为了避免启炉时水位上升过高，停炉时的自动给水水位低于汽包中线，这样启炉时水位上升较小，很快恢复到正常水位。

5.4

补水箱和冷凝池的自动补水也同样重要，本次工程使用的水位测量采用的是微压力液位测量变送器，但由于补水箱经常加水，水位波动较大，冷凝池中的蒸汽不断进入水中，水位波动更大，温度也较高，采用微压力变送器测量液位不理想，数据值波动也较大，最好采用磁致伸缩液位计、超声波液位计等、或直接采用液位开关进行水位控制。