蒸汽锅炉控制系统技术方案

DL-1000燃煤蒸汽锅炉控制系统技术方案

设计依据和原则

1．依据客户北京昌科供暖中心有关45t/h、35t/h、20t/h燃煤蒸汽锅炉控制系统的要求，并按照自控装置系统必须科学、合理、成熟、安全可靠、稳定、可扩展以及性价比高的原则进行设计。

2．符合以下规范与标准：

《蒸汽锅炉安全技术监察规程》1996；

《锅炉房设计规范》GB50041-92；

《工业锅炉监测与控制装置的配置标准》DB31/T72-1999；

《工业锅炉热工试验规范》GB10180-88；

《电气装置安装工程施工及验收规范》GB50303-2002；

《低压电器基本标准》GB1497-93；

《工业自动化仪表工程施工及验收规范》GBJ50093-2003。

1.0系统概述

本系统为DL-1000分散型集中控制系统，是集控制技术，通讯技术于一体，是当今控制系统的主流机型。可完成调节控制，联锁保护，顺序控制，数据采集等任务。人机接口采用触摸屏及上位机进行实时监控。运用多媒体技术，具有3D动画、全中文显示、声光提示等丰富多彩的人机互动界面，能直观地显示锅炉和燃烧的实际情况及燃烧负荷状态，各运行数据实时动感地显示在彩色触摸屏上，使锅炉的运行状态一目了然，操作更直观、更简便。该系统具有良好的互联性和开放性，留有充分的升级和后备功能，满足IEC61158和EN50170标准的要求。并且具有在恶劣工作环境下安全可靠运行和全视角直观显示锅炉系统工作状态的优点。

1.1 硬件

1.1.1 概述

本方案所配置的系统硬件均是有现场运行实绩的，先进可靠的和使用以微处理器为基础的分散型硬件。

1.1.2 处理器模件（PLC CPU226）

PLC为可编程逻辑控制器，是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，由于它拥有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便等众多优点，特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性，使它的应用越来越广泛。

其主要负责数字量的数据处理和运行（控制），数据高速公路通讯管理和过程输入/输出扫描。具有很高的总体工作效率和可靠性。PLC使用I/O处理系统采集的过程信息来完成模拟控制和数字控制。

CPU226的主要特性如下：

?指令运算和数据采集周期均为0.37μs；

?可连接7个扩展模块；

?24路输入/16路输出，可扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点；

?6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器；

?2个RS-485通讯口，具有PPI和MPI通讯协议可支持远程数据传输；

?非挥发性程序存储空间4096 byte，断电数据保存时间可长达190小时。

1.1.3 模拟量模件（EM23X）

EM23X模件为模拟量输入/输出模块，可适用于复杂的控制场合，可直接与传感器和执行器相连，并且具有极高的灵活性，当实际应用发生变化时，PLC可以相应地进行扩展，并可非常容易的调整程序。

其主要特性如下：

?可连接多种传感器，如：热电阻、热电偶等；

?有多种的信号输入，如：0~10V、0~5V、0~20mA等，共模抑制为40dB；

?A/D转换为12位的分辨率，模数转换时间<250μs；

?模拟量输入分辨率为5μs，响应为1.5ms~95%；

?输出信号为±10V、0~20mA，最大精度为±0.5%。

1.1.4 人机接口模件

人机界面（触摸屏）是在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁，它能够明确的指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也能很轻松的操作整个机器设备。它还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数，降低生产的成本。同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值。

其主要完成面向过程的全部监视、控制和记录功能。包括锅炉、水泵、一次仪表等运行参数及运行状态的监控及联锁保护等功能。

其主要特性如下：

?32位RISC处理器；

?256色全中文的显示方式使其表达更加丰富多彩，效果胜人一筹；

?多种通讯接口，如：RS-485、RS-232；

电源接入为DC24V。

1.1.5 其他模件

系统内的其他模件均采用独立或导轨安装方式。

A）机柜采用前后开门、顶部密封、底部走线、自然通风的结构。

B）箱内其他器件均为工业级器件，其性能均能在锅炉现场的温度及湿度条件下正常运行。C）系统对输入、输出信号的屏蔽无特殊要求、建议对模拟量小信号采用屏蔽电缆。对高电平模拟量信号和开关信号，系统不以屏蔽电缆接入作为强求条件。

D）系统能在电子噪音、射频干扰及振动很大的现场环境中连续运行，且不降低系统的性能。

E）系统采用各种抗噪音技术、包括光电隔离、高共模抑制比、合理的接地和屏蔽。

F）系统能在环境温度-5~35℃，相对湿度5~85%（不结露）的环境中连续运行。

1.2软件

1.2.1 概述

本系统的软件为EasyBuilder500全中文组态软件。支持PLC和触摸屏之间的数据采集及处理。

1.2.2所有的算法和系统整定参数都储存在各处理器模块的非易性存储器内，执行时不需重新装载。

1.2.3模拟量控制的执行周期<250ms，处理器将在指定的250ms周期内完成所有与模拟量控制有关的运算，开关量控制的执行周期<100ms。对需要快速处理的逻辑回路或顺序控制回路，处理器将在50ms周期内完成相应的任务。

1.2.4顺序控制的所有控制、监视、报警和故障判断等功能均由处理器单元（PLC）提供。

1.2.5所有顺序控制逻辑的组态都是在系统内完成，而不需采用外部硬接线、专用开关或其他替代物作为组态逻辑的输入。

1.2.6查找故障的系统自诊断功能能诊断至模件的通道级故障。报警功能使运行人员方便地辨别和解决各种问题。系统自诊断结果均有明确定义。

1.3人机界面（触摸屏）

1.3.1 概述

人机界面按一台锅炉一套控制台设计。它的任务是在标准画面和用户组态画面上，汇集和显示有关的运行信息，供运行人员据此对锅炉的运行工况进行监视和控制。所有操作员站组态完全相同，虽然操作员站的使用各有分工，但任何显示和控制功能均能在人机界面上完成。任何画面均能在不大于1秒的时间内完全显示出来，所有显示数据在1秒钟内更新一次。

1.3.2 其基本功能如下：

?监视系统内每一个模拟量和数字量；

?显示并确认报警，方式采用声光报警，使操作员可以及时判断故障类型；

?建立趋势画面和获得趋势信息；

?自动和手动控制方式选择；

?调整过程设定值和偏置；

?数据存储及事故追忆；

1.4 数据通讯

1.4.1 数据通讯系统使用的用户数据协议。

1.4.2 系统某一输入变化到显示该输入变化的平均响应时间不超过1秒，以及从操作键入到相应输出变化的平均响应时间不超过1秒。

1.4.3 系统采用标准RS-485通讯接口、PPI总线通过通讯模块与现场各操作站连接进行实时数据交换。

1.4.4 系统提供PROFIBUS总线链路的高速数据通路，通讯速度可达12Mbps。系统可以与上位机连接实现远程监控，从而让锅炉控制技术真正实现网络化。

1.5 主要技术指标汇总

1.5.1 工作环境指标

电源电压：220VAC，允许范围：210~232VAC

电源频率：50Hz，允许范围：47~53 Hz

温度：5～35℃

湿度：5%～85% 无冷凝水

1.5.2 系统性能指标

1.5.

2.1 系统精度

模拟量输入信号：±0.1%

模拟量输出信号：±0.2%

1.5.

2.2 实时性

数据采集

模拟量输入采集周期：0.1s～0.5s

普通开关量采集周期：0.1s

控制和系统保护

模拟量输入：10次/s

普通开关量：1000次/s

模拟控制回路执行周期：40μs

开关量控制回路执行周期：≯100ms

人机接口响应时间

触摸屏响应时间：≤1s

触摸屏数据刷新时间：250ms

系统抗干扰性

隔离电压：1000VAC（峰峰值）

I/O通道共模电压：1000VAC

共模抑制比：≥120dB

差模电压：≥60V

差模抑制比：≥60dB

可靠性指标

系统可利用率≥99.9%

系统平均无故障时间间隔（MTBF）≥15000小时

锅炉运行画面

2.0 数据采集系统（DAS）功能说明

数据采集系统（DAS）主要负责采集和处理有关的测量信号及状态信号，同时以多种形

式提供给操作和管理人员，以便操作人员及时了解有关的运行信息，实现安全经济运行。一旦发生任何异常情况，及时报警并提供有关分析数据。

由于系统采用的组态软件均为中文，支持汉字显示、汉字数据库，所以具有强大的图形功能和广泛的开放性，同时易于掌握。

2.1 DAS包括下列功能：

?显示操作：包括流程图显示、操作显示、曲线显示、报警显示、实时数据显示等。

?报表记录：包括报警故障记录、操作事件记录等。

2.2 显示和操作

2.2.1 每个人机界面均能显示数字、汉字和图象信息，操作人员可通过触摸方式（触摸屏）

对锅炉运行全过程的操作和监视。

2.2.2 每幅画面都能以文字或图形的形式显示过程变量的实时数据和运行设备的状态，数

据刷新速度为每秒更新一次。文字、图形、颜色可随过程状态的变化而变化。

2.2.3 系统内的所有过程点均可显示，包括模拟量输入和输出、数字量输入和输出、中间

变量、计算值等均由其他系统通过数据通讯传来的各类信号。

对显示的每一个过程点，可显示其数值、工程单位、高低限值、故障报警等内容。

每个数据点可有下列报警功能：

1．对于模拟量：

?上上限报警

?上限报警

?下限报警

?下下限报警

2．对于开关量：

?开关量正跳变报警

?开关量负跳变报警

以上的报警功能均在组态是予以选择。

2.2.4 对运行工况的画面可选择弹出画面、滚动画面等多种显示方式，以便操作人员能全

面监视，快速识别和正确进行操作。

2.2.5 根据用户提供的运行工况要求，提供用户画面。画面的数量最多可达255幅。运行

人员可通过触摸（操作员站）对画面中的任何被控装置进行手动控制。

2.2.6 在画面组织结构上采用多层次结构，显示的层次数根据工艺过程和运行要求来确

定，运行人员可以采用翻页或关联的方法，切换到其他画面，以获得操作所必需的细节和对特定的工况进行分析。多层次显示包括概貌显示、功能显示和细节显示。

2.3 标准画面显示

标准画面包括报警显示、报警参数设定画面显示、报警记录显示等。

2.3.1 报警显示

系统能通过接点状态的变化，或者参照预先存储的参考值，对模拟量输入、计算点、变化速率、其他变换值进行比较，分辨出状态的异常、正常或状态的变化。若确认某一点越过预先设置的限值，人机界面应显示报警画面，并发出声光信号（外接蜂鸣器及闪光报警器）

2.3.2 在设备停运及检修时，设有模拟量和数字量信号的“报警闭锁”功能，以减少不必要的报警。操作人员可启动或解除这项功能。“报警闭锁”功能不影响对该变量的扫描采集。

2.3.3 报警参数设定

在人机界面（触摸屏）上，通过击键可对锅炉的一些参数设定值，如蒸汽压力上限值、排烟温度上限值等。操作人员可采用触摸方式或用键盘输入各个数值。

2.3.4 报警及报警、事件记录显示

在人机界面（触摸屏）上，通过击键即能调用报警记录，显示包括：报警状态、报警发生、确认、离开的时间等描述报警的内容。事件记录是记录操作人员在系统中进行的所有操作项目及每次操作的精确时间。通过对操作人员行为的准确记录，可便于分析运行人员的操作意图，分析事故的原因。记录以表格的形式显示，包括：事件发生的日期、时间、内容等信息。记录最多可保存1000条报警，并可通过滚动条进行前后的翻阅。

参数设置画面

3.0 锅炉燃烧控制系统

3.1 燃烧控制

为了提高锅炉的运行效率，在控制系统设计上就必须同时考虑保证连续运行和提高锅炉效率两方面的问题。因此，控制系统应包括负荷控制和燃烧控制两个相互联系的子系统。

3.2 燃料控制器

锅炉的燃料供给通过调节控制箱的炉排调速仪表来实现，操作员通过观察触摸屏上的蒸汽流量大小来控制炉排电机的运转速度。由于电机机械强度的限制，所以炉排电机不能长时间全速运转。

3.3 鼓风量控制器

鼓风量的控制是开环控制，由风煤比系统根据煤质和负荷的情况，通过静态模型修正计算出一个最佳风煤比传送给鼓风量控制器，由鼓风量控制器根据锅炉的负荷确定鼓风量，进而控制鼓风机的转速。

3.4 炉膛压力控制

锅炉的安全运行要求保持一定的炉膛负压。由于炉内压力变化是一个快速环节，因此炉膛负压控制器采用PID控制器，控制引风电机的转速，将炉膛负压控制在给定值附近。

3.5 锅炉给水控制

因锅炉采用母管供水，故本系统中锅炉给水采用电动调节阀控制。锅炉水位信号通过水位差压变送器传给PLC和给水流量信号、蒸汽流量信号一起进行三冲量PID运算，PLC 将PID运算结果以4~20mA形式输出，控制电动调节阀门的开度，将锅炉水位控制在一定的范围内。

水位控制流程图：

3.6

节能燃烧控制系统

由于地理位置的差异，日照时间与日照强度的差异，从而影响到室外温度变化的差异，据相关资料统计，在城市供热管网系统中，燃料部分（锅炉房）占总能耗的70%~90%，因此如何节约煤炭是锅炉房控制系统的关键。我们引用了国外节能优化概念的同时，结合国内北方地区的供热特点，针对室外温度和蒸汽压力以及蒸汽流量的一一对应函数，既燃气消耗量取局于蒸汽压力、蒸汽流量，而蒸汽压力、蒸汽流量又受制于室外温度和热网负荷等因素。由此可见控制好蒸汽压力、蒸汽流量和室外温度三者关系就可换取最低的燃煤消耗量。

因此依据我们提出了独特的“节能型PID 燃烧控制方式”。也可称作“优选分段式燃烧控制”。

其工作原理如下：

（一）将蒸汽压力作为比例（P ）输入，蒸汽流量为积分（I ）输入，室外温度作为微分（D ）输入，输出信号至锅炉燃烧器，形成一个PID

（比例积分微分）调节燃烧控制回路，其传递函数为：

)1

1()(s T s

T K S W D I P ++

-= 式中 P K ——比例放大系数，f

i f

f i i P C R C R C R K +=

I T ——积分时间常数，f f i i I C R C R T += D T ——微分时间常数，f

f i i f i f i C R C R C C R R TD +=

输入输出特性曲线： 由于微分调节具有快速强烈的调节作用，因此它比比例积分调节器的动作更迅速，能在短时间内消除被控量与给定量之间的偏差。比例积分微分调节器利用微分作用加快系统动作速度、减少超调、克服振荡，利用积分作用消除静差。根据不同被控对象的特性及控制要求，确定这三者的比例，将它们有机结合便能得到快速、稳定、准确的控制效果。从

i U U t

U -U

而实现供暖效率和能源消耗量最佳状态。具体数据根据用户当地的实际情况而定。

3.7 锅炉（本体）控制系统安全保护功能

3.7.1 锅炉蒸汽压力高保护

系统运行过程中，当锅炉蒸汽压力超出设定的高限工作压力时，触摸屏上会有中文显示：“锅炉蒸汽压力高”及自动联锁停止鼓、引风机和炉排，并伴有声光报警指示。

3.7.2 锅炉极低水位保护

系统运行过程中，当锅炉水位低于设定的下下限水位时，触摸屏上会有中文显示：“锅炉极低水位”及自动联锁停止鼓、引风机和炉排，并伴有声光报警指示。

3.7.3 炉膛压力高保护

系统运行过程中，炉膛压力过高会引起向外喷火的现象。当炉膛压力超过设定的压力范围时，显示器上中文显示：“炉膛压力高”，并伴有声光报警指示。

3.7.4 炉膛温度高保护

系统运行过程中，当炉膛温度超过设定值时，显示器上会有中文显示：“炉膛温度高”，并伴有声光报警指示。

3.7.5 省煤器出口水温高保护

统运行过程中，当省煤器出口水温超过设定值时，显示器上会有中文显示：“省煤器出口水温高”，并伴有声光报警指示。

3.7.6 鼓、引风机负荷保护

通过断路器和变频器，起到电机设备在运行过程中的过载或故障保护。当电机设备在运行过程中发生过载时，显示器上会有中文显示:“鼓风机故障”或“引风机故障”并伴有声光报警指示。

3.7.7 强制手动部分

控制系统除了有安全可靠的自动化控制系统以及先进的互联网远程快速故障诊断修复系统，还设有一套应急备用系统，当自动控制系统故障暂时无法修复排除时，可以切换到人工手动操作控制锅炉。由于现场检测设备如：压力变送器、温度传感器、等发生故障，造成锅炉停止运行。此时可将显示器上的设备联锁按钮转换到解除状态，将故障设备与自控部分解除联锁，此时锅炉可重新启动。

消息记录画面

4.0工程服务

4.1 项目管理

合同签订后，卖方将会指定一项目经理，负责协调卖方在工程全过程的各项工作。如系统设计、工程进度、制造确认、编程和技术服务、图纸文件、工厂和现场测试、编制文件、启动、投运和现场系统可利用率测试等工作。

4.2 工程设计

4.2.1 在设备和系统制造前、卖方将设备布置图、子系统说明书、功能控制及逻辑控制图提供给买方审核批准，以保证所供系统和设备能符合合同文本的各项规定。

4.2.2 卖方还向买方（设计院）提交所有最终接口资料和图纸，以便买方能顺利开展其他设计工作。

4.2.3 卖方提交的系统结构图、控制逻辑图、控制接线图和其他详图，均随设计进程而更新，以便及时反映当前的设计进程。

4.2.4 卖方负责向海外制造商取得所需的资料。

4.2.5 卖方审查来自其他控制系统或其他供货商的资料，并提出具体意见和问题，以协调接口设计并实现DCS系统的完整性。

4.2.6 本系统完成现场投运后，卖方还提出反映在现场投运时作过的修改的系统竣工图。

4.3 现场服务

4.3.1 按照合同规定，在完成所有设备和系统的安装、启动调试及投运期间、卖方将派出

常住工程现场的专家，以提供现在服务。

4.3.2 卖方派出的专家，在设备和系统的安装、接线、调试和启动期间，负责监督和指导。

4.3.3 卖方派出的专家，还负责对买方的安装和运行人员进行现场培训，教会他们如何区分安装设备、如何启动、操作及维护设备和系统。

4.3.4 卖方还负责将本系统投入运行。

4.3.5 卖方提供由其供应的设备和系统进行安装检查、软件调试、维护和启动所必需的专用测试设备和工具。

4.3.6 卖方现场服务时间限于完成本技术规范中所规定的任务而定。即时间的长短以卖方能完成本技术规范所规定的任务来决定。

5.0系统配置

5.1 控制系统主要配置（共六套，不含已有能用的）

5.2 主要报警参数表(可现场修改)

5.3 调节控制要求

5.4 报价RMB：80万元

上海德利电器厂

日期：二○○六年八月十五日