锅炉炉膛氧量控制系统的设计
锅炉炉膛氧量控制系统的设计[20200108192828]
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。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字: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 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
现场设备通常都处于工业生产现场。目前现场设备的传递方式可以分为两种。第一种是传统的4毫安到20毫安范围的模拟量传输方式；第二种是通过现场总线进行传输的全数字量传输方式，基于现场总线的全数字传输是信息传递的未来发展方向。
(2)过程控制站
由现场装配的设备传递出来的信号会被过程控制站接收，比如说传感器和变送器传送的信号等。按照预先设置的控制策略进行运算，得到控制信号，再把控制信号送到现场控制设备中去。过程控制站可以一起进行模拟量连续控制和开关量顺序控制这两种功能，也可以只进行其中的任意一个控制功能。
(3)数据采集站
数据采集站把接收来的现场总线设备的信号进行一些必需的运算和处理之后，就送到DCS控制系统的监控级设备中去，然后现场生产人员通过现场设备来控制工业生产过程。
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。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字: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 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
现场设备通常都处于工业生产现场。目前现场设备的传递方式可以分为两种。第一种是传统的4毫安到20毫安范围的模拟量传输方式；第二种是通过现场总线进行传输的全数字量传输方式，基于现场总线的全数字传输是信息传递的未来发展方向。
(2)过程控制站
由现场装配的设备传递出来的信号会被过程控制站接收，比如说传感器和变送器传送的信号等。按照预先设置的控制策略进行运算，得到控制信号，再把控制信号送到现场控制设备中去。过程控制站可以一起进行模拟量连续控制和开关量顺序控制这两种功能，也可以只进行其中的任意一个控制功能。
(3)数据采集站
数据采集站把接收来的现场总线设备的信号进行一些必需的运算和处理之后，就送到DCS控制系统的监控级设备中去，然后现场生产人员通过现场设备来控制工业生产过程。
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