锅炉炉膛氧量控制系统的设计(附件)
现在工业生产对能源的需求日益增加，但是因为能源的使用方法不够先进，不仅浪费能源而且污染环境。为使工业锅炉达到节能和环保的要求，必须把锅炉的一些指标控制在适当范围。论文首先分析了锅炉炉膛氧量对锅炉燃烧的影响，之后深入分析了如何控制炉膛氧量；然后介绍了常见的控制方案，并进行了比较，分析解决了工程应用中遇到的实际问题。最后，论文还详细给出了锅炉炉膛氧量控制系统的工程实现。针对工业锅炉氧量控制系统，设计了一个带氧量校正的复合控制系统，保证锅炉内的燃煤充分燃烧。最终实现节约能源、提高效率的目的。这个系统是基于DCS设计的。
关键词 锅炉，炉膛氧量，控制系统，DCS
目 录
1 绪论 1
1.1 选题的背景及其意义 1
1.2 锅炉炉膛氧量控制系统研究现状 1
1.3 本文主要的研究工作 1
2 DCS系统的介绍 2
2.1 DCS系统概要 2
2.2 分散控制系统结构 3
2.3 DCS系统的特点和发展前景 5
2.4 日本横河CENTUM VP系统的介绍 6
2.5 CENTUM VP网络结构 8
2.6 横河CENTUM VP系统优点 11
3 锅炉炉膛氧量控制系统 12
3.1 锅炉系统的介绍 12
3.2 锅炉炉膛烟气含氧量的动态特性分析 13
3.3 锅炉炉膛氧量的控制方式 13
4 控制原理与方案设计 15
4.1 PID控制原理 15
4.2 PID控制运算 15
4.3 相关过程控制知识 17
5 工程实现 21
5.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
FCS组态 22
5.2 HIS组态 28
6 虚拟测试 36
6.1 虚拟测试的介绍 36
6.2 工程实际测试结果 37
结 论 40
致 谢 41
参 考 文 献 42
1 绪论
近年来，随着我国经济的蓬勃发展和社会智能化水平的提高，我国各行各业对先进技术水平的要求越来越高。在当代工业生产过程中，随着生产规模的不断扩大、生产过程的强化，对产品质量的要求越来越高，先进技术的重要性不言而喻。自动控制技术作为先进技术的重要组成部分，其在工业生产中的重要作用越发明显。如今，在石化、电力、水利、制药等行业，自控技术的运用愈加成熟。随着我国先进科技水平的不断提高，生产过程的自动控制已经成为降低成本投入，提高工作效率的重要手段，其在我国国民经济中占有非常重要的地位。
1.1 课题的背景及其意义
火力发电厂的自动化主要是火电机组的自动控制，其主要的任务是使锅炉、汽轮机等设备能够实现自动调节，以保证火电机组从启动到结束都能够在安全、稳定的条件下正常运行[1]。
锅炉机组运行必需和外界添加的压力适应起来。当外界负荷变动时，必须对锅炉机组进行一系列调整操作，使锅炉机组燃料量、空气量、给水量等作相应改变，使锅炉机组蒸发量与外界负荷相适应。
当前，在工程的内容上作了相应的评估之后，一些有关锅炉的控制方面的问题可以被分成几个控制系统，包含如下：
（1）锅炉汽包水位的控制。
（2）锅炉燃烧系统的控制。
（3）过热蒸汽系统的控制。
我选择这个选题的主要内容就是针对锅炉燃烧系统的控制，通过设计一个系统，使燃料能够充分燃烧，从而让发电厂的锅炉达到节能、环保和经济的要求。
1.2 锅炉炉膛氧量控制系统研究现状
近年来，随之DCS运用越来越灵活，加上工作人员素质也越来越高，我国火力发电厂的自动化水平有了大幅度的提高。如今，我国的经济水平也不断提高，过去一些较为落后的设备或被淘汰或被整修、改造，如今使用的仪表设备都较为先进。因此，过去无法实现的全程控制，而今在各大火力发电厂普遍应用。
1.3 本文主要的研究工作
根据大型火电机组实际情况，锅炉炉膛烟气氧量控制的要求就是指系统的启动、停止、从低负荷状态切换到高负荷状态，从自动状态切换到手动状态，系统能够实现自动调节。如果中途出现紧急故障，系统能够立即报警并请求人工手动控制。根据这些要求，我们应该做好以下几个方面：
1、由于系统在低负荷与高负荷时动态特性有所差别，我们应给出针对其差别的控制方案，同时我们应给出其总体的SAMA图；
2、本课题要求应用DCS系统，而我们选择的是横河CENTUM VP系统的软件，我们需要完成CENTUM VP系统的软件的组态；
3、实现该控制完成的流程图设计、联锁逻辑设计,组态和画面设计以及参数设置等；
4、利用CENTUM VP系统的软件完成虚拟测试，给出该控制系统的适时趋势图、调节历史图等。
2 DCS系统的介绍
2.1 DCS系统概要
集散控制系统，又称为分散型控制系统。它的英文名字是Distributed Control System，简称DCS。它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示等技术，形成了以微处理器为核心的系统。
集散控制系统的设计原则是分散控制、集中操作、综合管理和分而自治。系统安全可靠、通用机动，具有最优控制的能力和综合管理能力，为工业过程的计算机控制开创了新方式。图2-1为DCS体系结构图。
图2-1 DCS体系结构图
DCS系统的主要技术概述：
1、系统具有现场操作站，人机交互界面站，数据通讯系统，工程师站，人机接口单元等。系统拥有开放的体系构造，有很多层开放数据接口。
2、硬件系统具有高度的可靠性，可以在各种环境下工作。底层的汉化软件平台拥有非常强的数据处理功能，而且可以对复杂的系统进行组态，用户也可以自主的在平台上开发专用的高级控制算法。所以，它非常适合进行组态和使用，并且支持很多种现场总线。
3、分布式系统的可利用率很高，很少会发生系统故障，完全可以实现对工业生产现场的实时监控。
2.2 分散控制系统结构
分布式控制系统包括网络通信子系统、过程控制子系统和人机接口子系统三个部分。
2.2.1 网络通信子系统
垂直分层时，DCS控制系统分成四个不同的层次，自上而下，分别是：全厂优化和调度级，车间操作级，过程装置级和现场控制级。
2.2.2 过程控制子系统
过程控制子系统由现场设备与过程控制站组成，主要作用是采集现场过程数据和负责过程控制的系统[2]。
(1)现场设备
(1)人机接口站（HIS）
操作站更新控制数据的频率是1秒钟一次，还可以使用综合报警管理软件的功能。
加法运算块（ADD）的功能
运算算法：
CPV=GAIN(RV+((GN1RV1)+BS1)+BIAS （2-3）
图3-1 锅炉的主要工艺流程
锅炉的工艺流程分析如下：
在锅炉的运行的过程中，燃气和空气是按照一定的比例进入炉膛从而燃烧的。之后，燃烧过程中释放的热量通过蒸汽发生系统，也就是蒸发设备产生饱和蒸汽。在经过过热器将饱和蒸汽加热，从而使其成为满足一定质量（即温度和压力）指标的过热蒸汽输出，供给用户。在燃烧过程中，其中产生的高温烟气经过过热器，从而把饱和蒸汽加热，因此成为过热蒸汽。再经过省煤器把锅炉给的水预热一下，之后再通过空气的预热器来把锅炉送风预先加热一下。最后再通过引风机传送给烟囱，最后把烟气排入大气中。烟气的温度随着每经过一个环节，都会降低，从而能够让燃料燃烧热量得到充分的利用。
1 绪论 1
1.1 选题的背景及其意义 1
1.2 锅炉炉膛氧量控制系统研究现状 1
1.3 本文主要的研究工作 1
2 DCS系统的介绍 2
2.1 DCS系统概要 2
2.2 分散控制系统结构 3
2.3 DCS系统的特点和发展前景 5
2.4 日本横河CENTUM VP系统的介绍 6
2.5 CENTUM VP网络结构 8
2.6 横河CENTUM VP系统优点 11
3 锅炉炉膛氧量控制系统 12
3.1 锅炉系统的介绍 12
3.2 锅炉炉膛烟气含氧量的动态特性分析 13
3.3 锅炉炉膛氧量的控制方式 13
4 控制原理与方案设计 15
4.1 PID控制原理 15
4.2 PID控制运算 15
4.3 相关过程控制知识 17
5 工程实现 21
5.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
FCS组态 22
5.2 HIS组态 28
6 虚拟测试 36
6.1 虚拟测试的介绍 36
6.2 工程实际测试结果 37
结 论 40
致 谢 41
参 考 文 献 42
1 绪论
近年来，随着我国经济的蓬勃发展和社会智能化水平的提高，我国各行各业对先进技术水平的要求越来越高。在当代工业生产过程中，随着生产规模的不断扩大、生产过程的强化，对产品质量的要求越来越高，先进技术的重要性不言而喻。自动控制技术作为先进技术的重要组成部分，其在工业生产中的重要作用越发明显。如今，在石化、电力、水利、制药等行业，自控技术的运用愈加成熟。随着我国先进科技水平的不断提高，生产过程的自动控制已经成为降低成本投入，提高工作效率的重要手段，其在我国国民经济中占有非常重要的地位。
1.1 课题的背景及其意义
火力发电厂的自动化主要是火电机组的自动控制，其主要的任务是使锅炉、汽轮机等设备能够实现自动调节，以保证火电机组从启动到结束都能够在安全、稳定的条件下正常运行[1]。
锅炉机组运行必需和外界添加的压力适应起来。当外界负荷变动时，必须对锅炉机组进行一系列调整操作，使锅炉机组燃料量、空气量、给水量等作相应改变，使锅炉机组蒸发量与外界负荷相适应。
当前，在工程的内容上作了相应的评估之后，一些有关锅炉的控制方面的问题可以被分成几个控制系统，包含如下：
（1）锅炉汽包水位的控制。
（2）锅炉燃烧系统的控制。
（3）过热蒸汽系统的控制。
我选择这个选题的主要内容就是针对锅炉燃烧系统的控制，通过设计一个系统，使燃料能够充分燃烧，从而让发电厂的锅炉达到节能、环保和经济的要求。
1.2 锅炉炉膛氧量控制系统研究现状
近年来，随之DCS运用越来越灵活，加上工作人员素质也越来越高，我国火力发电厂的自动化水平有了大幅度的提高。如今，我国的经济水平也不断提高，过去一些较为落后的设备或被淘汰或被整修、改造，如今使用的仪表设备都较为先进。因此，过去无法实现的全程控制，而今在各大火力发电厂普遍应用。
1.3 本文主要的研究工作
根据大型火电机组实际情况，锅炉炉膛烟气氧量控制的要求就是指系统的启动、停止、从低负荷状态切换到高负荷状态，从自动状态切换到手动状态，系统能够实现自动调节。如果中途出现紧急故障，系统能够立即报警并请求人工手动控制。根据这些要求，我们应该做好以下几个方面：
1、由于系统在低负荷与高负荷时动态特性有所差别，我们应给出针对其差别的控制方案，同时我们应给出其总体的SAMA图；
2、本课题要求应用DCS系统，而我们选择的是横河CENTUM VP系统的软件，我们需要完成CENTUM VP系统的软件的组态；
3、实现该控制完成的流程图设计、联锁逻辑设计,组态和画面设计以及参数设置等；
4、利用CENTUM VP系统的软件完成虚拟测试，给出该控制系统的适时趋势图、调节历史图等。
2 DCS系统的介绍
2.1 DCS系统概要
集散控制系统，又称为分散型控制系统。它的英文名字是Distributed Control System，简称DCS。它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示等技术，形成了以微处理器为核心的系统。
集散控制系统的设计原则是分散控制、集中操作、综合管理和分而自治。系统安全可靠、通用机动，具有最优控制的能力和综合管理能力，为工业过程的计算机控制开创了新方式。图2-1为DCS体系结构图。
图2-1 DCS体系结构图
DCS系统的主要技术概述：
1、系统具有现场操作站，人机交互界面站，数据通讯系统，工程师站，人机接口单元等。系统拥有开放的体系构造，有很多层开放数据接口。
2、硬件系统具有高度的可靠性，可以在各种环境下工作。底层的汉化软件平台拥有非常强的数据处理功能，而且可以对复杂的系统进行组态，用户也可以自主的在平台上开发专用的高级控制算法。所以，它非常适合进行组态和使用，并且支持很多种现场总线。
3、分布式系统的可利用率很高，很少会发生系统故障，完全可以实现对工业生产现场的实时监控。
2.2 分散控制系统结构
分布式控制系统包括网络通信子系统、过程控制子系统和人机接口子系统三个部分。
2.2.1 网络通信子系统
垂直分层时，DCS控制系统分成四个不同的层次，自上而下，分别是：全厂优化和调度级，车间操作级，过程装置级和现场控制级。
2.2.2 过程控制子系统
过程控制子系统由现场设备与过程控制站组成，主要作用是采集现场过程数据和负责过程控制的系统[2]。
(1)现场设备
(1)人机接口站（HIS）
操作站更新控制数据的频率是1秒钟一次，还可以使用综合报警管理软件的功能。
加法运算块（ADD）的功能
运算算法：
CPV=GAIN(RV+((GN1RV1)+BS1)+BIAS （2-3）
图3-1 锅炉的主要工艺流程
锅炉的工艺流程分析如下：
在锅炉的运行的过程中，燃气和空气是按照一定的比例进入炉膛从而燃烧的。之后，燃烧过程中释放的热量通过蒸汽发生系统，也就是蒸发设备产生饱和蒸汽。在经过过热器将饱和蒸汽加热，从而使其成为满足一定质量（即温度和压力）指标的过热蒸汽输出，供给用户。在燃烧过程中，其中产生的高温烟气经过过热器，从而把饱和蒸汽加热，因此成为过热蒸汽。再经过省煤器把锅炉给的水预热一下，之后再通过空气的预热器来把锅炉送风预先加热一下。最后再通过引风机传送给烟囱，最后把烟气排入大气中。烟气的温度随着每经过一个环节，都会降低，从而能够让燃料燃烧热量得到充分的利用。
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