基于S7-300-Wincc锅炉自动控制

郭欣

摘要：随着以工业PC为核心的自动控制集成系统技术的日趋完善和工程技术人员的使用组态软件水平的不断提高，用户对组态软件的要求已不像过去那样主要侧重于画面，而是要考虑一些实质性的应用功能。

关键词：WinCC；锅炉自动控制；S7—300PLC

中图分类号：TB486文献标识码： A

1. WinCC

1.1 WinCC的介绍及发展现状

STMATIC WinCC是西门子（SIEMENS）在自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能相结合的产物。它有各种有效功能用于自动化过程，是用于个人计算机上的，按价格和性能分级的人机界面和SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系统。可以容易的结合标准和用户程序生成人机界面，准确的满足实际要求。与其他监控系统相比，WinCC具有以下系统特性：

1.2 WinCC创建项目

1.2.1 启动Wincc

启动Wincc，单击“开始”＞SIMATIC＞Wincc＞Windows Control Center 6.0菜单项。

1.2.2 建立一个新项目

第一次运行Wincc时，出现一个对话框，选择建立一个新项目的类型包括以下有3种：

—单用户项目

—多用户项目

—客户机项目

1.3 SIMATIC WinCC的组成

SIMATIC WinCC主要包括计算机（Computer），标签管理（Tag Management），数据类型（Data Type）和编辑器（Editor）四大部分。

2 锅炉的介绍及控制现状

2.1锅炉的介绍

锅炉是使燃烧产生的热能把水加热或变成蒸汽的热力设备。锅炉的种类虽繁多，但都是由“锅”和“炉”以及保证“锅”和“炉”正常运行所必需的附件、仪表及附属设备三大部分组成。“锅”是指锅炉中盛放水和蒸气的密封受压部分，是锅炉的吸热部分，主要包括汽包、对流管、水冷壁、联箱、过热器、省煤器等。“炉”是指锅炉中燃料进行燃烧、放出热能的部分，是锅炉的放热部分，主要包括燃烧设备、炉墙、炉拱、钢架和烟道及排烟除尘设备等。

2.2 锅炉硬件简要分析

锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的锅筒、炉膛、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是锅筒和炉膛。

2.3 S7-300PLC的主要功能及发展趋势

S7-300是模块化小型PlC系统，能满足中等性能要求的应用。其模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。

3锅炉的自动控制原理

锅炉的给水、燃烧等热工过程变量的自动调节，实现锅炉的自动控制，对安全运行、节能具有重要的经济意义。依锅炉的结构，运行方式和所用的燃料不同，控制系统也有差异。一般小型锅炉只有水位调节系统，中型锅炉要有燃烧和炉膛压力调节系统，大型锅炉还要有氧量校正系统，而供应过热蒸汽的锅炉还需要增加过热蒸汽温度调节系统。

4.S7-300PLC的控制过程

4.1电机的控制流程

S7-300PLC可应用于自动控制系统控制系统是由下位机（现场控制工作站）与上位机（中央管理工作站）组成，下位机采用可编程序控制器（PLC）与触摸屏，上位机采用工业级计算机与打印机，系统配置必要的附件如通信设备接口、网卡、调制解调器等，实现蓄冷系统的参数化与全自动智能化运行。 下位机和触摸屏在现场可以进行系统控制、参数设置和数据显示。上位机进行远程管理和打印，它包含下位机和触摸屏的所有功能。整个系统以下位机的工业级可编程序控制器为核心，实现自动化控制。

4.2手自动操作无扰动切

换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。

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。

5.锅炉的控制流程

5.1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。

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。

5.2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。

5.3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。

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。

5.4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。

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。

5.5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，

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。

5.6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。

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。

为了减少大气污染和节约能源，燃气锅炉正在逐步取代燃煤锅炉供电、供热，如热电厂既供热又发电等等，特别在大型冶金企业生产过程中产生的各种煤气，如高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气等现在基本上都已回收利用。由于各个企业经济、技术等条件的不同，能源的利用程度等也是有差别的。