锅炉监控系统开发及热平衡控制研究

论文摘要

取暖锅炉是重要的民用设备。目前,我国北方地区取暖锅炉的使用非常广泛,但是其中大部分自动控制水平很低,且存在燃烧不彻底、排烟热损大等问题,导致锅炉热效率低下和能量的浪费,同时也造成了对环境的污染。锅炉系统是一个典型的非线性时变多变量耦合系统,系统存在惯性滞后,难以建立精确的数学模型,用常规的控制手段如PID控制难以得到理想的控制效果。而目前智能控制理论及智能控制方法的发展为锅炉控制提供了更多解决方案,以实现锅炉有效控制。其中,模糊控制技术作为一种较成熟的方法已越来越多地被应用于锅炉控制系统中。同时,随着自动化技术和计算机技术的发展,出现了以PLC为代表、以程序控制取代人工控制的智能控制器。本文在模糊智能控制技术理论研究的基础上,以丹东稳压给水设备厂供暖锅炉为对象,对供暖锅炉控制的关键技术进行了研究。通过对供暖锅炉实际运行工况的分析,对这种非线性大时滞系统的控制,提出了一种控制方案,主要包括三个控制回路：给粉量控制回路、燃烧最优控制回路和炉膛负压控制回路。根据不同的控制回路的特点,采用模糊PID复合控制方法控制给煤量,采用模糊自寻优方法控制最优风煤比,采用前馈-反馈方法控制炉膛负压。并通过对锅炉热平衡的分析,找出影响锅炉运行的主要因素,在线计算锅炉热效率,为锅炉有效控制提供了理论基础。该项目的现场控制系统采用的是德国SIEMENS公司的S7-300系列PLC做主站,分布式I/O ET200M做从站,构成的PROFIBUS-DP二级总线控制系统。运用与之相配套的STEP7编程软件进行编程和组态。上位机选用性能稳定、抗干扰性能好的工控机。同样采用了德国SIEMENS公司的工控组态软件WINCC对上位机的人机界面进行设计和组态,实现各种现场数据的实时监控、显示和记录。人机界面包括导航画面、锅炉运行画面、记录查询画面、报警画面、报表打印画面、参数设定画面、实时曲线显示画面等操作显示画面。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 课题背景介绍
• 1.2 锅炉控制系统介绍
• 1.3 论文的主要研究工作
• 2 锅炉控制系统及热平衡分析
• 2.1 锅炉的构造
• 2.2 锅炉控制系统
• 2.2.1 锅炉燃烧控制系统
• 2.2.1.1 给粉控制系统
• 2.2.1.2 送风控制系统
• 2.2.1.3 炉膛负压控制系统
• 2.2.2 给水调节系统
• 2.3 热平衡分析
• 2.3.1 总体分析
• 2.3.2 各项损失计算
• 3 控制策略及控制方法
• 3.1 模糊控制理论
• 3.1.1 模糊控制理论发展
• 3.1.2 模糊控制简介
• 3.2 自寻优控制
• 3.2.1 模糊自寻优控制原理
• 3.2.2 模糊自寻优控制器设计
• 3.3 模糊PID控制
• 3.3.1 模糊PID控制原理
• 3.3.2 模糊PID控制器设计
• 4 锅炉控制系统硬件设计
• 4.1 自动控制系统技术背景
• 4.2 控制系统网络选型
• 4.3 主要硬件设备选型
• 5 锅炉控制系统软件设计
• 5.1 STEP7程序开发
• 5.1.1 STEP7软件简介
• 5.1.2 STEP7程序组态
• 5.1.3 STEP7软件模块
• 5.1.4 基于STEP7的模糊自寻优程序设计
• 5.2 上位监控软件WINCC开发
• 5.2.1 概述
• 5.2.2 WINCC简介
• 5.2.3 WINCC组态设计
• 5.2.3.1 创建项目
• 5.2.3.2 通讯设置
• 5.2.3.3 建立标签
• 5.2.3.4 编译工艺流程画面
• 5.2.3.5 数据查询
• 5.2.3.6 报警
• 5.2.3.7 参数设置
• 5.2.3.8 设置用户权限
• 5.2.3.9 设置运行环境
• 5.2.4 基于WINCC的给煤量模糊控制程序设计
• 5.2.4.1 模糊控制算法项目函数设计
• 5.2.4.2 在WINCC中调用模糊控制算法
• 6 系统仿真
• 6.1 模糊自寻优控制器设计的实现
• 6.2 模糊自寻优控制系统仿真
• 7 结论
• 8 参考文献
• 9 攻读学位期间发表的论文
• 10 致谢