中小型工业锅炉控制系统的改造

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3.0 陈辉 2024-11-20 7 4 2MB 102 页 15积分
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目 录
第1章 绪论...................................................................................................................1
§1.1 课题背景 ............................................................................................................ 1
§1.2 工业锅炉自动控制系统简介 ............................................................................ 1
§1.3 工业锅炉计算机控制系统简介 ........................................................................ 3
§1.3.1 系统概述.................................................................................................3
§1.3.2 工业控制计算机在锅炉生产自动化方面的功能.................................4
§1.3.3 当前工业锅炉计算机自动控制发展趋向.............................................5
§1.4 论文的主要任务 ................................................................................................ 6
第2章 中小型工业锅炉控制系统...............................................................................7
§2.1 工业锅炉运行系统结构 .................................................................................... 7
§2.2 工业锅炉控制系统的基本原理 ........................................................................ 8
§2.3 课题所涉及工业锅炉控制系统介绍 ................................................................ 9
第3章 计算机锅炉控制系统的设计.........................................................................14
§3.1 工业锅炉除氧器控制方案的设计①................................................................ 14
§3.1.1 工业锅炉除氧器水位的对象特性.......................................................16
§3.1.2 工业锅炉除氧器入蒸汽流量的对象特性...........................................16
§3.1.3 工业锅炉除氧器控制方案...................................................................16
§3.2 工业锅炉汽包水位控制的方案设计 .............................................................. 17
§3.2.1 工业锅炉汽包水位控制的对象特性...................................................17
§3.2.2 工业锅炉给水的控制方式...................................................................21
§3.2.3 工业锅炉给水的控制方案的确定.......................................................30
§3.3 储汽罐控制方案的设计 .................................................................................. 30
§3.3.1 压力控制对象的特性...........................................................................30
§3.3.2 储气罐控制方案的确定.......................................................................32
§3.4 工业控制计算机的程序设计 .......................................................................... 33
§3.4.1 程序设计方案的确定...........................................................................33
§3.4.2 程序与数据库的联结方案...................................................................34
§3.4.3 控制系统程序结构...............................................................................35
第4章 基于 VB6.0 计算机锅炉控制系统的实现 .................................................... 39
2
§4.1 工业锅炉计算机控制系统的控制算法设计 .................................................. 39
§4.1.1 工业锅炉计算机控制系统的 PID 控制算法...................................... 39
§4.1.2 数字 PID 控制器参数产生的作用...................................................... 41
§4.1.3 采样周期的选择...................................................................................42
§4.1.4 计算机控制系统的滤波.......................................................................43
§4.2 锅炉微机控制系统的界面及程序 .................................................................. 44
§4.2.1 启动登录界面.......................................................................................45
§4.2.2 锅炉控制系统主界面...........................................................................47
§4.2.3 实时数据曲线界面...............................................................................54
§4.2.4 历史数据界面.......................................................................................56
§4.2.5 历史曲线界面.......................................................................................57
§4.2.6 报警记录界面.......................................................................................57
§4.2.7 参数设定界面.......................................................................................58
§4.2.8 手动操纵界面.......................................................................................58
§4.2.9 各回路控制界面...................................................................................59
§4.2.10 密码修改界面.....................................................................................59
§4.2.11 注销退出界面.....................................................................................60
§4.2.12 软件信息界面.....................................................................................60
§4.2.13 软件调试界面.....................................................................................61
第5章 计算机锅炉控制系统的运行.........................................................................63
§5.1 计算机锅炉控制系统的调试 .......................................................................... 63
§5.1.1 参数整定...............................................................................................65
§5.1.2 参数整定的方法...................................................................................65
§5.2 锅炉微机控制系统的运行过程 ...................................................................... 68
第6章 总结与展望.....................................................................................................71
附 录.............................................................................................................................73
参考文献.........................................................................................................................97
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................99
致 谢...........................................................................................................................100
中小型工业锅炉控制系统的改造
1
第 1 章 绪论
§1.1 课题背景
目前在上海市全市燃煤燃油工业企业中，以 20 吨以下的锅炉使用为主。根
据上海市能源研究所监测中心统计，上海市以老式仪表控制的 20 吨以下燃煤燃
油锅炉还有 650 台左右,而全国其数量更为可观。许多锅炉炉龄较长，为数不少
已超过 10 年，特别在国有中小型企业，很多老式指针式仪表，由于损坏，仪表
更新，所用仪表的类型各式各样，有的已经不能配套，整个仪表屏上的仪表大
大小小，从外观看，不规范，不统一，控制精度更不言而喻。
如今，自动控制系统技术发展迅猛，新颖的监控系统和组态技术已经广泛引
进和开发，并投入各个行业的自动控制之中。新型大容量锅炉也都采用较为新颖
的控制方式。而在役的中小型锅炉中，仍然较多使用老式的仪表控制方式。许多
企业希望能够找到技术新颖，性价比合理的新型控制系统替代老式仪表控制方式。
由此，上海市科学技术委员会，提出了本课题，希望能够找到方法有效、技术可
行、投资较少、改造方便的工业锅炉控制系统的改造途径。
本文所涉及的课题，就是针对工业企业中使用的中小型锅炉自动控制系统的
改造。由于，工业锅炉控制系统比较庞大，为了使改造对企业的正常生产影响干
扰降到最低，就目前现状而言，控制系统的对象，即工业锅炉本体及其检测设备
的更新，难度较大，成本较高。所以，这里实施的技术改造的范围，主要是检测
传感器输入输出的信号转换和控制器的改造。这样的技术改造，操作相对简单、
对正常工业生产影响相对较小、技术改造后的见效较为明显。简而言之，把控制
室内的老式仪表更替为现代化的电子计算机。由于从模拟控制转向数字控制，使
得控制系统的控制精度得到提高，使得调整时间减少，实现控制方式的飞跃和技
术的更新换代。
§1.2 工业锅炉自动控制系统简介
热能是自然界中蕴藏最丰富和宝贵的能量之一，也是推动社会经济发展的物
质基础，生产力发展的前提。节约能源，提高热能的利用率，已成为各国关注的
第1章 绪论
2
焦点，而且锅炉是把一次能源(煤炭、石油、天然气)转换成二次能源(蒸汽)的重要
设备。如何充分发挥锅炉的热效率也成为当今世界工业发达国家的重要研究课题。
作为锅炉控制系统，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作
人员的劳动强度。[1-5]
锅炉控制，也呈现了多种控制方式。随着计算机控制技术的不断提高，锅炉
计算机控制系统也越来越多地为企业所接受和使用。
目前，锅炉自动控制系统的硬件配置可分如下几种。
1. 可编程序控制器 Programmable Logical Controller。由于 PLC 具有输入输出
光电隔离、停电保护、自诊断等功能，所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工
业现场中，故障率低。PLC 编程相对简单，易于通信和联网，多台 PLC 进行同位
连接及计算机进行上位连接，实现一台计算机和若干台 PLC 构成分布式控制网络。
但是，其价格较高，如果是控制单台，资源不能充分利用，多台锅炉控制能提高
性能价格比，如果从长远角度看，其寿命长，故障率低，易于维修，值得选用。
2. 十六位 STD 总线工业控制机为主机构成的系统，由于其性能价格比稍高，
所以国内用的较多，微机内部一般采用总线式模块结构，组态灵活，维修方便，
价格适中。
3. 智能仪表控制系统，以单、双回路可编程控制器为主，以 PC 机为上位机，
彼此间采用 RS-232 相连，它可以接受多路模拟量及开关量输入，实现复杂的运算、
控制、通信及故障诊断功能，出于危险分散的考虑，它虽有若干路模拟量及开关
量输入，但只有一、二路采用 4～20mA 直接信号输出，即原则上只控制一、二个
执行器，它与模拟仪表一样，可与常规仪表合作使用，它作为集散控制系统的一
部分，是现代自动控制、计算机及通信技术最新发展产物。该仪表编程采用模块
化方式，容易掌握，价格稍高，普及面小。
本课题试点企业中实际使用的锅炉为已长期使用的老系统，控制系统为传统
的仪表控制，且均为中小型锅炉。同时，试点企业，上海轮胎橡胶(集团)股份有限
公司大中华正泰轮胎公司的操作员水平有一定局限性。考虑到目前的 PLC 编程方
式以及 PLC 的维护对操作员有一定的要求。并且，PLC 的高昂价格，也使得企业
望而却步。但是，计算机控制采用总线式模块结构和组态软件，容易上手，组态
灵活，系统改造只要按需要增加和减少控制回路，易于维护，改动范围小，易于
集成到现有控制系统中，投入成本较小，性价比较高，所以，本课题采用计算机
控制进行锅炉控制系统改造。
同时，在选取计算机控制软件程序编制平台方面，在此也作了一下比较。当
今，市面上比较多的采用工业控制组态软件，进行工业计算机控制的软件程序编
中小型工业锅炉控制系统的改造
3
制，也有采用 Microsoft Visual Studio 等等软件编制平台进行程序编制的。相对而
言，前者的可观性较强、编制容易，而后者，需要先对程序编制平台进行了解和
学习，了解和掌握其编程风格、编程语法。但是，使用前者编制的程序不具备自
主知识开发产权。而在，知识经济日益蓬勃发展的今天，人们深刻意识到知识的
力量，无知识产权，对广泛地推广有一定的局限。所以，本课题采用 Microsoft Visual
Studio 软件编制平台进行程序编制。[6-10]
§1.3 工业锅炉计算机控制系统简介
§1.3.1 系统概述
计算机具有高速、稳定、逻辑判断能力强、精确、成本低、结构简单、使用
方便效益高等特点，是实现锅炉生产自动化和生产过程控制最优化的有效工具。
随着全球能源资源趋紧、能源价格攀升、环保意识提高、科学理论日臻完善、计
算机自动控制技术的迅猛发展、管理方法的不断改造，人们日益感受到计算机控
制给人类生活带来的成效。
工业锅炉计算机自动控制(简称，锅炉工控机控制)的基本原理是通过输入系统
对锅炉的工作状态进行检测，把从锅炉获取的实时数据按预先人为输入的处理过
程进行分析、处理、计算，得到精确的控制数据，然后通过输出系统控制执行机
构来控制锅炉，使得锅炉的运行严格受到控制。锅炉控制系统检测参数包括锅炉
入口水温、压力、出口水温、压力、鼓风机风压、炉膛负压、空气预热器入口负
压、除尘器出入口负压、引风机负压、炉膛温度、排烟温度。这些参数中有些需
要检测的频率不高，如空气预热器入口负压、除尘器出入口负压可以采用就地安
装的仪表，以便降低造价，其它需要随时观察的参数要远传到控制室操作台上显
示。
锅炉工控机控制一般由以下部分组成，锅炉本体、一次仪表、工业控制计算
机、手自动切换操作、执行机构及阀、滑差电机等部分。一次仪表将锅炉的温度、
压力、流量、含氧量、转速等物理量转换成电压、电流等信号送入工业控制计算
机。手自动切换操作部分，手动时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机
以及阀等部件；自动时，对工业控制计算机发出控制信号经执行机构进行自动操
作。工业控制计算机对整个锅炉的运行状态进行检测、报警、控制，以确保锅炉
安全、可靠地运行，此外在进行锅炉计算机控制系统设计时，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，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故。
第1章 绪论
4
§1.3.2 工业控制计算机在锅炉生产自动化方面的功能
工业锅炉计算机控制技术具有良好的实用前景，可以提高锅炉控制系统的运
行管理水平。目前国内相当部分中小企业的老式锅炉还是使用老式仪表控制，采
用微机控制，占总数的很小一部分，所以推广应用该技术就显得十分繁重。同时，
该技术也在不断地完善和提高，在进一步降低造价及锅炉本体设备的改造紧密配
合方面需要继续改进。
工业锅炉计算机控制根据用户的不同要求，可以有如下不同的控制方式。
1. 定时数据采集与处理
计算机可对工业锅炉生产过程中各个物理参数(温度、压力、液位、流量等)
周期性的或随机性的进行检测采集和显示，对于间接指标或参数可以进行计算处
理。
2. 顺序控制与数字控制
在大型锅炉生产过程中，计算机可以按一定的顺序控制燃料、给水、送风、
引风量等执行机构的开启、停止、导通、关断等动作，或对控制对象进行精密的
数值控制。
3. 直接数字控制
计算机的直接数字控制，就是用计算机代替常规的自动调节器或控制装置，
对锅炉生产过程直接进行反馈或前馈控制，采用分时形式，一台计算机可以代替
几台常规仪表，控制大量的生产环节。
4. 监督控制
对锅炉生产过程不直接控制，只是监督生产过程的进行，根据生产过程的状
态、环境、条件等因素，按照过程的数学模型(或控制算法)，计算出它的最优状况
或当时应采取的控制措施，把这种控制措施传输到第一线直接控制的计算机或常
规仪表进行。图 1-1 所示为监督控制方式。
5. 集散型控制
以计算机为核心，对锅炉及其周边设备实现地理和功能上的控制，又通过高
速数据通道把各分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，并实现高级复
杂的控制规律。
目前，全球的计算机控制技术正向着智能化方向飞速发展，即智能计算机控
制系统，也就是接近人的计算机控制技术。西方工业发达国家在此方面的研究已
经起步并获得了一定成果。随着科学技术的飞速发展，对自动化的要求也越来越
摘要：

1目录第1章绪论...................................................................................................................1§1.1课题背景............................................................................................................1§1.2工业锅炉自动控制系统简介..............................................

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