PLC在火电厂吹灰系统中的应用

本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题 目：PLC在火电厂吹灰系

统中的应用

学生姓名： 学 号：0967

专 业：电气工程及其自动化 班 级：电气班 指导教师： 授

PLC在火电厂吹灰系统中的应用

摘 要

锅炉运行过程中各部分受热面都会有积灰，积灰不仅影响传热效果，严重时还会形成结焦影响锅炉寿命，甚至损坏受热面。因此在火电厂生产过程中使用吹灰控制系统定期对锅炉的炉膛及烟道进行吹扫，以提高锅炉运行的稳定性和经济性。

本文针对锅炉受热面积灰、结渣污染危害严重的普遍现象，将可编程序控制器应用于吹灰控制系统。对吹灰系统的结构和功能进行了分析，根据吹灰器布置的位置和数目，本次设计采取自动+手动+就地手动的操作方式，吹灰器的运行方式采取按烟气方向依次运行的工作方式，这样可以减小吹灰器吹灰时对锅炉的负荷影响。针对吹灰系统及工业自动化的需求，引入西门子公司的S7-200系列可编程控制器进行编程和调试。本设计主要内容包括以下部分：1、介绍吹灰系统的发展过程及应用现状。2、分析火电厂吹灰系统的工艺流程。3、吹灰系统中设备的选型及设计。4、利用编程软件进行程序设计与功能实现。

关键词：吹灰系统，可编程控制器，梯形图，应用

I

Application of soot blowing system in thermal power

plant based on PLC

Abstract

There is much dirt at many heated—surface in the running course of boiler. It is not only influencing heat transmission effect. So the boiler soot blowing control system is adapted to the produce course of Electric Power Station. In order to improve the stability and economy of boiler operation.

In this paper, according to the serious and universal pollution problem caused by fouling and slagging of the boiler heating surface, the programmable controller is applied to blowing control system. Operation mode: automatic mode, manual mode or local mode will be selected, according to the location and number of soot blowers arranged. According to the flue gas direction, soot blowers will run in turn, which can reduce soot blowing impact on the boiler load.

With the demand according to the soot blowing system and industrial automation, we have selected the S7-200 PLC series to do programming and debugging. This thesis mainly includes the following parts: 1,the development process of the soot blowing system is introduced in this paper and application status. 2,Analyze the process of soot blowing system in thermal power plants .3,Equipment selection and design in soot blowing system. 4,the use of programming software for program design and function implementation.

Key words: soot blowing system, Programmable Logic Controller, Ladder Diagram, Application

II

目录

摘 要.............................................................. I Abstract........................................................... II 第一章 绪论......................................................... 1

1.1 课题提出的背景 .............................................. 1 1.2 选题的目的与意义 ............................................ 1

1.2.1 火电厂燃煤锅炉积灰、结渣机理概述....................... 2 1.2.2 火电厂燃煤锅炉积灰、结渣的危害及解决办法............... 3 1.2.3选择合理吹灰系统的必要性 ............................... 5 1.3 吹灰系统程控装置的发展 ...................................... 5 第二章 可编程控制器................................................. 7

2.1 可编程控制器的概述 .......................................... 7 2.2 可编程控制器的组成及各组成部分的作用 ........................ 9 2.3 可编程控制器的工作原理 ..................................... 11

2.3.1可编程控制器的内部结构 ................................ 11 2.3.2可编程控制器的工作方式 ................................ 11 2.4 可编程控制器的编程语言 ..................................... 15 2.5 可编程控制器（PLC）的发展趋势 .............................. 18 第三章PLC在吹灰系统中应用的分析................................... 20

3.1 火力发电厂吹灰系统介绍 ..................................... 20

3.1.1 吹灰系统的组成........................................ 20 3.2.2 吹灰器的结构及工作原理................................ 21 3.2 火力发电厂吹灰系统的特点 ................................... 25

3.2.1 吹灰器对锅炉工作的影响................................ 25 3.3 设计应实现的功能 ........................................... 26 3.4 吹灰系统的连锁保护功能 .................................... 27 第四章 吹灰系统的硬件设计......................................... 29

4.1 吹灰系统的总体设计 ......................................... 29

4.1.1吹灰系统的硬件配置和吹灰流程 .......................... 29

III

4.1.2 吹灰系统设备整体布置.................................. 31 4.2 设备的选型 ................................................. 31

4.2.1 主要设备的选型........................................ 31 4.2.2 辅助设备的选型........................................ 32 4.3 输入输出点的确定及PLC的选型 ............................... 33 4.3.1 输入输出点的确定 ......................................... 33

4.3.2 PLC选型 .............................................. 36 4.4 吹灰系统电气接线图 ......................................... 40

4.4.1 主电路图.............................................. 40 4.4.2 控制电路图............................................ 41 4.4.3 PLC硬件接线图 ........................................ 42

第五章 控制系统的软件设计.......................................... 45

5.1吹灰系统 PLC 编程原则及步骤................................. 45

5.1.1 吹灰程控 PLC 编程原则................................. 45 5.2 流程图 ..................................................... 45 5.3 功能的实现 ................................................. 47 第六章 结 论................................................... 51 参 考 文 献........................................................ 52 附录：梯形图....................................................... 53 致 谢........................................................... 80

IV

第一章 绪论

1.1 课题提出的背景

随着社会的发展，社会的用电量持续增加和电网建设不断加强。火力发电厂是我国电能生产的最主要力量，提供了我国总电能的80%，其能否安全稳定运行至关重要。在火电厂各种设备控制系统中的自动化水平也要求非常高。然而火力发电也占用我国大量的煤炭资源，尤其是锅炉，消耗了发电厂绝大部分的能源。我国煤炭资源丰富，其中动力煤占总储量70％以上，主要集中在北方内蒙古、陕西、陕西、新疆、宁夏、河南等地，占全国煤储量的91.74％。锅炉设备是火电厂的主要动力源设备之一，它在火电厂中发挥着重要的作用，处于重要的地位。但锅炉在运行过程中，其各部分受热面都会积灰，积灰不仅会影响受热面管壁的传热效果，严重时还会形成结焦，影响受热面的寿命，甚至损坏受热面。此外，由于积灰原因，锅炉平均运行热效率为60-70%，运行效率与鉴定效率相差10-20%，这就使燃料的消耗白白增加了15-25%。

对于煤粉锅炉而言，有一小部分灰分在高温的炉烟的作用下，形成熔融状态的灰渣黏附在水冷壁和前屏过热器上，这部分就是结焦。还有一部分烧结性的灰分沉积在对流受热面上，称为烧结性积灰[1]。这些结焦和吹灰必须需要经过吹灰系统的清理才能保证锅炉的正常运行。当今社会，倡导节能减排，因此，如何降低锅炉的能源消耗，是一个重要环节。吹灰设备的引入，使电厂锅炉的吹灰得到了有效的提高。目前市场上有各种不同的吹灰技术，如蒸汽吹灰技术，声波吹灰技术，钢珠除灰技术以及燃气脉冲吹灰技术等，但蒸汽吹灰器由于其介质廉价易得而占据了大部分份额。其它形式虽然各有优劣，但是使用不是十分广泛。

1.2 选题的目的与意义

我国是一个煤炭资源非常丰富的国家，煤炭储量巨大，但品质却参差不齐。根据国家的能源政策，目前国内的火电厂大多燃用的是煤，而且大多为低品位劣质煤。我们知道煤的品质越低，其中所含的杂质就越多。而煤燃烧时，煤中的无机矿物质及金属有机物就形成了残渣，及煤灰与灰渣，灰渣与未燃尽的焦炭粒子随着烟气在炉膛和受热面间流动，附着在受热面上就形成了积灰结渣。故当电厂的煤质越差时锅炉的积灰结渣情况就越严重。

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在燃煤锅炉运行中，受热面的积灰和结渣是不可避免的，严重积灰和结渣对于锅炉的正常运行非常不利。灰污的热阻很大，附着在受热面上将降低受热面的吸热能力，使得传热效率降低。炉膛及后续受热面传热效率降低将导致各个受热面的吸热量减少，炉膛出口以及最终的锅炉排烟温度升高，锅炉整体效率下降。一般而言，与清洁状态时相比，受到污染后锅炉效率将降低 1%~2.5%，排烟温度升高十几度。积灰和结渣不仅使得受热面的吸热能力降低，而且会引起受热面表面温度过高，导致受热面金属超温和高温腐蚀，甚至管排爆漏。此外，较大的渣块坠落还会引发锅炉安全问题。

燃煤锅炉必须配备一套永久装设的吹灰设备作为锅炉安全经济运行的一个重要手段。吹灰器虽然是锅炉的附属设备，但其作用却不能忽视。合理地使用吹灰器不但可以减少锅炉受热面的污染，而且能降低能源消耗，提高锅炉的利用率。

一般在大容量锅炉中要安装上百台吹灰器，如果这些吹灰器需要运行人员手动操作的话，全部吹一次灰需要很长时间，耗费太多的精力、工作效率低而且又不经济。因此整个吹灰系统需要一个高技术含量的控制系统来完成，这使得吹灰过程既简单快捷，又能提高效率。鉴于PLC的各种优点及随着计算机技术的发展，对基于PLC控制的吹灰器控制也成为一种流行趋势。 1.2.1 火电厂燃煤锅炉积灰、结渣机理概述

我国电厂锅炉主要以燃煤作为燃料，虽然我国煤炭资源丰富，然而在动力用煤中，燃用灰熔点低的煤及高灰分、低热值的劣质煤较多，无疑这将加剧受热面污染和结焦过程。炉内的结焦积灰特性决定了结焦积灰是一种自加剧的恶性循环，如不能对炉内的结焦积灰进行及时有效的清理，将直接危及到机组的安全、经济、稳定运行。

在实际的工程应用中，各种换热器都存在着各种各样受污染的情况，主要是与不清洁流体相接触，表面上逐渐积聚起来的固态混合物，电站锅炉受热面的污染问题尤其突出。在锅炉受热面上，污染的发生主要是因为受热面与高温烟气的接触，烟气中的固体颗粒物沉积在壁面上，从而在炉膛部位引起结渣，在后面的对流受热器引发积灰。结渣主要是由烟气中夹带的熔化或部分熔化的颗粒碰撞在受热面上被冷却凝固而形成。结渣的形态主要是以粘稠或溶解的沉淀物形式出现，多发生在辐射受热面上，如炉膛等处。玷污也叫沾灰或积灰，是指温度低于

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灰熔点的灰粒在受热面上沉积。玷污分为高温灰沉积和低温灰沉积。前者的形成温度处于灰粒的变形温度下的某一范围内，这类沉积多发生在屏式过热器、对流过热器等对流受热面上；后者则主要出现在温度可能低于酸露点的管壁表面上，如低温省煤器和空气预热器，它是由酸液与飞灰凝聚而成。结渣通常与烟气所携带的融化或粘性灰粒的物理迁移有关；高温粘性积灰的积灰程度与煤种有很大关系；低温积灰与冷却表面上发生的酸或水蒸气凝结有关。它们三者都会给锅炉运行引起一些经济和安全问题。

1.2.2 火电厂燃煤锅炉积灰、结渣的危害及解决办法

我国电厂锅炉主要是以燃煤作为燃料，发电厂燃煤锅炉由于燃煤品质、成分的波动性比较大，因此其灰分的成分也比较复杂。水冷壁、卫燃带和屏式过热器以及炉膛底部的冷灰斗距离火焰中心最近，烟气温度都较高，所以这些部位最容易发生结渣。熔融状态的灰粒在接触到这些受热面的管壁之前还未来的及凝固，或者由于烟气温度仍高于软化温度，灰粒仍处于熔融状态，一旦这种状态的灰粒冲刷到管壁上时，由于管壁的温度低于灰粒的温度，熔融状的灰粒便在这些管壁上凝结，形成结渣。

水冷壁上积灰或结渣，使炉膛受热面吸热量减少。而且，由于炉膛出口烟温的升高，引起过热汽温与再热汽温的升高，过热器及再热器管壁温度也升高；水冷壁严重结渣，影响锅炉工作安全；此外，当水冷壁管屏各管或各管屏的吸热严重不均时，还会导致水冷壁超温爆管。

对流受热面积灰，不但会降低传热效果，使过热汽温、再热汽温降低，并使排烟温度升高、排烟热损失增大。如果产生局部积灰，会使过热器、再热器的热偏差增大，影响过、再热器的安全。积灰还会增加管束的通风阻力，使引风机电耗增加，严重时还会限制锅炉的出力。

锅炉受热面的结渣与严重玷污会改变锅炉的对流辐射特性，使运行偏离设计状况，对锅炉正常运行影响很大。玷污和结渣会降低炉内受热面的传热能力，一般玷污数小时后水冷壁的传热能力会降低50%-60%，使炉膛出口烟温升高。炉膛出口烟温升高，会造成其后布置的对流过热器超温、结焦，加剧对流受热面的积灰和腐蚀。积灰和结渣不仅使得受热面的吸热能力降低，在表面附着之后，会引起受热面的表面温度过高，由此导致受热面金属超温以及高温腐蚀，加快管子寿

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命的耗损甚至导致管排爆漏。同时受热面结渣积灰，会减少烟气流通面积，严重时形成“烟气走廊”，一方面加速了受热面的磨损，另一方面增加了通风阻力和风机电耗。传热的恶化使排烟温度升高，锅炉热效率降低，还可能引起无法满负荷运行，一般而言，与清洁状况相比，受到污染后锅炉效率将降低1%-2.5%，排烟温度升高十几度。积灰和结渣不仅影响电厂的经济运行，还威胁着电厂的安全运行。此外，较大的渣块坠落同样也会引发安全问题，严重时会形成恶性循环，发生锅炉恶性事故，降低锅炉可用率[2]。

结渣是一个自动加剧的过程，如果得不到及时清理，它可以不断的积累、生长。一旦结上第一层渣之后，将增加烟气和蒸汽的传热热阻，使受热面对流传热恶化，造成的结果就是导致炉膛内烟气温度进一步升高，从而造成渣层表面温度也升高，同时渣层表面粗糙度大，熔融状的灰粒就更容易于粘附上去，形成恶性循环，使渣越结越厚。

为了抑制和减轻玷污和结渣的影响，电站常常采用一定的措施如燃用一定的煤种、停炉时清洗受热面、运行时打渣等等。然而最有效、通用的是采用各种形式的吹灰器在锅炉运行时吹扫受热面使其保持一定的清洁程度。实践证明，采用足够数量的吹灰器经常吹扫，可以使受热面保持一定的清洁度，保障锅炉正常运行，提高机组可用率和锅炉效率，降低辅机电耗，具有显著经济效益。

吹灰最主要的作用是对排烟温度(即锅炉效率)的影响，吹灰可以清除附着在受热面上的灰渣，减少烟气侧到蒸汽侧的换热热阻，改善锅炉的换热能力，从而降低排烟温度，提高机组热效率。此外，吹灰还会给锅炉运行带来其他方面的好处。吹灰可以清除掉受热面上的灰渣，可以破坏受热面管子上的灰渣搭桥，保证烟气流通通道畅通，减少烟气流通阻力，降低引风机电耗，并可以防止受热面堵塞事故发生。

锅炉吹灰系统是对目前国内外大容量燃煤工业锅炉及电站锅炉积灰进行吹扫的主导产品，随着电力工业的发展，锅炉容量的增大，劣质煤的利用，导致锅炉受热面严重积灰，直接影响了锅炉的经济运行及安全运行，从而使锅炉吹灰系统的有效使用显得越来越重要，成为保证锅炉经济运行及安全运行不可缺少的重要辅助设备。电站锅炉全部是燃煤锅炉，由于煤质原因及锅炉吹灰系统不能正常投入运行，导致各厂的锅炉受热面都有不同程度的积灰和结焦情况，热阻增大，

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降低了锅炉的热效率，直接影响了锅炉的出力，有时由于锅炉受热面积灰不均匀，引起局部过热，造成锅炉爆管事故，有的厂由于锅炉受热面积灰严重，必须非计划地停炉清灰，降低了发电机组的可用系数。

1.2.3选择合理吹灰系统的必要性

在传统的老设备控制系统中，要完成一项控制任务是由导线将电气元件连

接起来，通过中间环节(继电器控制线路)来实现的，这样的系统我们称之为“继电器控制系统”。

传统的火电厂锅炉吹灰程控装置多采用继电器--接触器控制，不仅技术落后、有触点、寿命短、可靠性差、体积大、程序不可变，而且对于结构复杂、吹灰器数量多的大中型锅炉来说，需用的继电器——接触器数量庞大，接点繁乱，要想用其硬接线实现较复杂的程控非常困难。

随着电气设备日新月异的发展，尤其是电子计算机的迅速发展，工业生产自动化控制系统中所有设备发生了深刻的变化，PLC(可编程序控制器)就是这种变革中的产物。它是取代传统继电器控制系统的新型工业控制系统，并且有着不可比拟的优点。它具有可靠性高、适用性广、编程简单、安装和维护方便等特点。它是基于温度和压力传感器和可编程逻辑控制器（PLC）为基础，控制各吹灰器及阀门。与传统的强电控制组相比，它拥有编程简单，控制功能强大，方便的过程联锁，可在线修改等功能。PLC将不仅能够完成复杂的继电器控制逻辑，还可以实现模拟量控制和智能控制，远程通信和PC监控，能够对全厂实现计算机控制和管理。

因此，电厂锅炉吹灰装置采用微机PLC程控，技术先进，功能齐全，使用安全可靠，显示出这种新型工业控制器的明显优越性和应用价值。此外，用PLC来控制火电厂的吹灰系统对提高生产效率和经济效益有非常重要的意义。

1.3 吹灰系统程控装置的发展

从20世纪80年代以来，吹灰程控装置先后经历了继电器逻辑，步进器逻辑，单板机、单片机逻辑，到了21世纪，电子技术快速发展，可编程逻辑控制器（PLC）逐渐走上工业控制的舞台。

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过去对吹灰器的控制通常是用继电器来实现的，大型锅炉使用多个吹灰器， 要求顺序操作，采用继电器控制锅炉吹灰器，故障率高，可靠性差，维修困难，以至于吹灰器的使用效果并不理想。可编程控制器(PLC)按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术和新电子器件，逐步形成了具有面向工业特色的系列产品。由于该系统中控制对象是电机，故采用 PLC非常合适，且采用PLC可靠性高，控制灵活，易于实现。

现在的 PLC 发展非常迅速，其处理速度越来越快，指令越来越丰富，其特殊模块的种类也越来越多。不仅可以处理开关量，还可以处理模拟量，可以进行高速计数、PID 调节、语音输出、温度控制、位置控制、远程 IO 控制、模拟定时控制、7 段译码输出等等。最近，随着模糊控制的发展，现在许多 PLC 厂家又推出了模糊控制模块，使得许多功能都可在 PLC 中实现， PLC 在自动化领域中越来越具有举足轻重的地位。

近些年来，随着PLC结构和功能的不断改进、应用范围迅速扩大，PLC厂家不断推出功能更强的新产品向大规模方向发展，同时也增强了配制的灵活性。随着该技术的迅速发展，不断增强过程控制功能，增强通信联网能力，为了满足工业自动化各种控制的需要，新的功能模块不断的推出。PLC的编程语言与编程工具向标准化和高级化发展，软硬件实现标准化。

在PLC的发展初始阶段由于其价格高于继电器控制装置，使它的应用受到了限制。随着结构和功能不断的改进、应用范围迅速扩大，因为微处理器芯片及有关元件价格大大降低，使得PLC成本下降；产品功能大幅度提高，它能解决许多复杂的计算机和通信问题，PLC的应用范围日益扩大。

而本文所设计的将PLC应用于锅炉吹灰顺序控制系统正是PLC应用的良好体现。在火电厂程序控制中有一定的地位，虽然有一定成效但仍在不断改进。

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第二章 可编程控制器

2.1 可编程控制器的概述

PLC= Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置[3]。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。

可编程控制器是由现代化生产的需要而产生的，可编程序控制器的分类也必然要符合现代化生产的需求。一般来说可以从三个角度对可编程序控制器进行分类。其一是从可编程序控制器的控制规模大小去分类，其二是从可编程序控制器的性能高低去分类，其三是从可编程序控制器的结构特点去分类。

早期的可编程序控制器((Programmable Logic Controller， PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC[3]。PLC自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序 控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。

从1968年到现在，PLC经历了四次换代：第一代PLC大多用一位机开发，用磁芯存储器存储，只有逻辑控制功能。在第二代PLC产品中换成了8位微处理器及半导体存储器，PLC产品开始系列化。第三代PLC产品随着高性能微处理器及位片式CPU在PLC中大量使用，PLC的处理速度大大提高，从而促使它向多功

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能及联网通信方向发展。第四代PLC产品不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC（Reduced instruction set computer）精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个处理器，进行多通道处理。同时生产了大量内含微处理器的智能模板，使得第四代PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器。同一时期，由PLC组成的PLC网络也得到飞速发展。PLC与PLC网络成为工厂企业中首选的工业控制装置，由PLC组成的多级分布式PLC网络成为CIMS（computer-integrated manufacturing system）系统不可或缺的基本组成部分。人们高度评价PLC及其网络的重要性，认为它是现代工业自动化的三大支柱之一。

在发达工业国家，PLC己经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元。随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点：

1.可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。

2.具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人

机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。

3.采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

4.编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

5.安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点，使得PLC在我国的水工

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业自动化中得到广泛的应用PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等。

目前小型PLC的技术源流主要分为日系和欧系，前者以三菱和欧姆龙为代表，后者则以西门子为首。而日系小型PLC进入中国的时间比较早，伴随我国轻工业的发展，以日系设计为主的原型机械不断引进，三菱、欧姆龙的产品也不断源源不断从 进口而来。在之后的发展进程中，自动化巨头西门子在中国市场开始它的“侵略”，其代表性的小型PLC产品，S7-200逐渐现露头角，获得了很多大型OEM的青睐。到今天为止，从金额上看，西门子在小型PLC市场占据第一位，份额略超过30%。三菱仅随其后，约为四分之一。欧姆龙在11%强，台达则略过8%。

2.2 可编程控制器的组成及各组成部分的作用

PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。

1. CPU

CPU是PLC的核心，其作用类似于人的大脑。每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执

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行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

2. 存储器

可编程控制器中存储器的作用主要用于存放系统程序、用户程序和数据。常用的存储器形式有CMOS RAM、EPROM和EEPROM。根据存放内容的不同又可分为以下三种：系统程序存储器，用于存放系统软件；用户程序存储器，用于存放应用软件；数据存储器，用于存放工作数据。EPROM 和 EEPROM 是只读存储器，只读存储器主要用来固化系统应用程序和管理程序。而随机存储器（RAM）是一种可进行读操作和写操作的存储器，用于存储用户程序，以产生一个用户数据区，用户程序存放在随机存储器（RAM）中允许进行修改。随机存储器（RAM）是一种半导体存储器，具有密度高、功耗低、价格便宜等优点，它可以用锂电池做为备用电源，如果存储器失电时，也可以有效地保存信息。

3. 输入/输出部分

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

4．电源单元

可编程逻辑控制器（PLC）的电源包括系统电源和备用电池，一般来说 PLC 的工作电压普遍低于外部电源的电压等级，而电源单元恰好起到了一个变压器的作用，它可以把外部的高压电源转换成适合 PLC 需要的内部工作电压。同时 PLC 内部还有一个稳压电源，保证向 CPU 单元和 I/O 单元供电时的电压稳定。

5．外设接口和 I/O 扩展接口

外设接口是连接主机与外部设备所配接的专用插座。通过专用的电缆线可配接各种外围设备如：计算机、编程器和打印机等。其中编程器是 PLC 最重要的

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外设，用户程序可以通过编程器输入到 PLC 的存储器中，你也可以用它来检查和修改程序，并监测 PLC 的工作状态等。

2.3 可编程控制器的工作原理

2.3.1可编程控制器的内部结构

一台PLC就是一台工业控制用的微型计算机。图是PLC的结构框图。PLC是由微型处理器和存储器组成的控制装置，还有输入/输出接口电路，它将PLC的内部电路与外部输入输出设备隔离开来。PLC存储器中的程序是根据生产工艺要求并用梯形图（LD）或指令集（IS）或功能块语言（FBL）编写的程序，由编程器输入的。

编程器按钮输入接口存储器输出接口微处理器指示灯行程开关电磁阀光电开关电源电源

图2.1 PLC内部结构框图

PLC的控制原理是：外部输入信号驱动输入继电器，由输入继电器却东内部程序，内部程序使输出继电器动作，最后由输出继电器去驱动外部负载。动作过程与继电器控制系统相似。 2.3.2可编程控制器的工作方式

PLC虽然以微处理器为核心，具有微机的好多特点，但它的工作方式却与微机有很大的区别。PLC是采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作的。用户程序被按顺序存储在PLC 中，中央处理单元（CPU）从第一条指令开始执行，当

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遇到结束符后再返回到第一条，如此不断重复执行上述操作。可编程逻辑控制器(PLC)的扫描过程分为内部处理、通信操作，输入程序、执行程序、输出程序五个阶段。完成上述五个阶段称为一个扫描周期。当 PLC 处于停止状态时，只进行内部处理和通信操作。概括而言，PLC的工作方式就是一个不断循环的顺序扫描工作方式。当PLC处于停止状态时，只进行内部处理和通信操作。只有在PLC处于运行状态时，才执行图中的扫描工作。

内部处理通信操作输入程序执行程序输出程序

图 2.2 PLC扫描过程图

如果我们暂不考虑远程I/O特殊模块和其他通信服务，这样扫描过程就只剩“输入采样”、“程序执行”、“输出刷新”三阶段了。下面对这三阶段进行分析。

1. 输入采样阶段

当PLC开始周期工作时，控制器首先以扫描方式顺序读入所有的输入端的信号状态（1或0），并逐一存入输入状态寄存器。输入状态寄存器的位数与输入端子的数目相对应，因而输入状态寄存器又可称为输入映象寄存器。值得指出的是，PLC对输入元件的要求特别简单。例如某一按钮具有一动合—动断触头，对于PLC只须接入一动合（或一动断）触头。控制器根据该触头的状态即可判断按钮是否动作，而这一触头的状态可在程序中重复使用。这就可大大减少输入信号线的根数，同时也可简化元件的结构，对于提高可靠性、降低成本很有好处。

输入采样结束后转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，这些变化只能在下一工作用期的输入采样阶段才被读入。

2. 程序执行阶段

PLC的用户程序决定了输入信号与输出信号之间的具体关系。组成程序的每条指令都有顺序号，在PLC中称为步序号。指令按步序号依次存入存储单元。程序执行期间，在无跳转指令时，地址计数器顺序寻址，依次指向每个存储单元，

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控制器顺序执行这些指令。执行指令时先读入输入状态寄存器的状态，若程序中规定要读入某输出状态，也在此时从输出状态寄存器的某对应位读入，然后进行逻辑运算，运算结果存入输出状态寄存器。这就是说输出状态寄存器的内容，会伴随程序的执行而变化（由输出指令的执行结果所决定）。输出状态寄存器的位数与输出元件数目相对应，所以它又称为元件映象寄存器。

3. 输出刷新阶段

在所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器中的状态（即输出继电器的状态）在输出刷新阶段转存到输出锁存器锁存，驱动输出线圈，形成PLC的实际输出。

在一个周期执行完后，地址计数器恢复到初始值，重复执行由以上三个阶段构成的工作周期。

虽然可以把PLC看成一个用微处理机实现的许多电子式继电器、定时器和计数器的组合体；不过需要注意的是PLC与继电器开关电路在动作顺序上的差别。对于继电器开关电路，全部继电器的动作可以看成是并行执行的，或者说是同时执行的，而PLC的电器动作是按程序或者说是串行，按周期重复执行的。这使得PLC的输出对于输入存在滞后，因此在进行PLC程序设计时，应充分注意它的周期工作方式。

PLC的全过程可用图2.4所示的运行框图来表示。整个运行分为三部分： 第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。

第二部分是扫描过程。PLC上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成于其他外设通信的处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。

第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错，如检查异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。

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电源ON内部处理输入处理（输入传送、远程I/O）通信服务（外设、CPU、总线服务）更新时钟、特殊寄存器STOPRUNCPU运行方式执行程序输出处理执行自诊断YPLC正常N存放自诊断错误结果N致命错误YCPU强制为STOP

图2.3 PLC运行框图

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总结PLC的工作原理，可得出如下PLC的输入、输出处理规则：

(1) 输入状态寄存器的内容，由上一个输入采样期间输入端子的状态决定。 (2) 输出状态寄存器的状态，由程序执行期间输出指令（OUT）的执行结果所决定，它是随程序执行而改变的。

(3) 输出锁存电路的状态，由程序执行期间输出状态寄存器的最后状态来确定。

(4) 输出端子板上各输出端的状态，由输出锁存电路来确定。 (5) 程序如何执行。取决于输入输出状态寄存器的状态。

PLC工作方式的特点：集中采样、集中输出、周期性循环扫描，“串行”工作方式

1．扫描周期：PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。

PLC 运行正常时，扫描周期的长短与CPU 的运算速度有关，与I/O 点的情况有关，与用户应用程序的长短及编程情况等均有关。通常用PLC 执行1K 指令所需时间来说明其扫描速度( 一般1~10ms/K) 。

2． 输出滞后：指从PLC的外部输入信号发生变化至它所控制的外部输出信号发生变化的时间间隔。一般为几十—100ms.

引起输出滞后的因素：输入模块的滤波时间、输出模块的滞后时间、扫描方式引起的滞后。

3. 由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存器中的内容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。

4. 由于PLC是串行工作，所以PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关。 这与继电器控制系统“并行”工作有质的区别。避免了触点的临界竞争，减少繁琐的联锁电路。

2.4 可编程控制器的编程语言

所谓程序编制，就是用户根据控制对象的要求，利用PLC厂家提供的程序编制语言，将一个控制要求描述出来的过程。PLC提供了完整的编程语言，以适应

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PLC在工业环境中的使用。PLC最常用的编程语言是梯形图语言和指令语句表语言，且两者常常联合使用。

根据PLC应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言有以下几种:

1. 梯形图(Ladder Diagram)程序设计语言

梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。

梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉。因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛的应用。

梯形图程序设计语言的特点是:使用方便，修改灵活，与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于撑握和学习；与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是:梯形图中的能流(Power Flow)不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互转换和程序检查。

2. 布尔助记符(Boolean Mnemonic)程序设计语言

布尔助记符程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言。布尔助记符程序设计语言与计算机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功能。

布尔助记符程序设计语言具有下列特点:采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于撑握的特点；编程器是PLC的最重要外围设备，当然有些编程器也可用于对其他芯片编程。编程器一方面能够进行编程，另一方面还能对PLC的工作状态进行监控，如今的编程器通常都兼具在线编程和离线编程两种方式。 在编程器的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编程设计； 与梯形图有一一对应关系，其特点与梯形图语言基本类同。

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3． 功能表图(Sepuential Function Chart)程序设计语言

功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程序设计语言。它是近年来发展起来的一种程序设计语言。采用功能表图的描述，控制系统被分为若干个子系统，从功能入手，使系统的操作具有明确的含义，便于设计人员和操作人员设计思想的沟通，便于程序的分工设计和检查调试。功能表图程序设计语言的特点是:以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通；对大型的程序，可分工设计，采用较为灵活的程序结构，可节省程序设计、调试时间；常用于系统规模校大、程序关系较复杂的场合；只有在活动步的命令和操作被执行，对活动步后的转换进行扫描，因此整个程序的扫描时间较其他程序编制的程序扫描时间要短得多。

功能表图来源于佩特利(Petri)网，由于它具有图形表达方式，能比较简单清楚地描述并发系统和复杂系统的所有现象，并能对系统中存在的象死锁、不安全等反常现象进行分析和建模，在模型的基础上可以直接编程，因此得到了广泛的应用。近几年推出的可编程控制器和小型集散控制系统中也已提供了采用功能表图描述语言进行编程的软件。

4． 功能模块图(Function Block)程序设计语言

功能模块图程序设计语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。它有若干个输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其它端子。端子通常指由铜材等冲制而成的连接器接触件。端子是连接电气线路的常用元件，主要在器件与组件、组件与机柜、系统与子系统之间起电连接和信号传递的作用，并且尽量保持系统与系统之间不发生信号失真和能量损失的变化。端子分为不同的类型，在同一种类型中，也可能因功能参数的不同而使功能或应用范围有所差别，例如，输入端的数量、输入信号的类型等的不同使它的使用范围不同。由于采用软连接的方式进行功能模块之间及功能模块与外部端子的连接，因此控制方案的更改、信号连接的替换等操作可以很方便实现。功能模块图程序设计语言的特点是:以功能模块为单位，从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变得容易；功能模块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较好的易操作性；对控制规模较大、控

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制关系较复录的系统，由于控制功能的关系可以较清楚地表达出来，因此，编程和组态时间可以缩短，调试时间也能减少；

(5) 结构化语句(Structured Text)描述程序设计语言

结构化语句描述程序设计语言是用结构化的描述语句来描述程序的一种程序设计语言。它是一种类似于高级语言的程序设计语言。在大中型的可编程控制器中，程序控制器是计算机上的部件之一，负责将操作控制信号变成指令放到存储器里，并且在机器运行时能够读出指令形成控制信号分给各部分执行系统中，常采用结构化语句描述程序设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。它也被用于集散控制系统的编程和组态。

结构化语句描述程序设计语言采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的运算关系，完成所需的功能或操作。大多数制造厂商采用的语句描述程序设计语言与BASIC语言、PASCAL语言或C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。

结构化程序设计语言具有下列特点:采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算；需要有一定的计算机高级程序设计语言的知识和编程技巧，对编程人员的技能要求较高，普通电气人员难以完成。直观性和易操作性等较差；常被用于采用功能模块等其他语言较难实现的一些控制功能的实施。

部分PLC的制造厂商为用户提供了简单的结构化程序设计语言，它与助记符程序设计语言相似，对程序的步数有一定的限制。同时，提供了与PLC间的接口或通信连接程序的编制方式，为用户的应用程序提供了扩展余地。

2.5 可编程控制器（PLC）的发展趋势

自1969年针对工业自动控制的特点和需要而开发的第一台PLC问世以来，迄今已近30多年了 ，它的发展虽然包含了前期控制技术的继承和演变，但又比同于顺序控制器和通用的微机控制装置。它不仅充分利用微机处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础地形象编程语言和模块化地软件结构，使用程序地编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。

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PLC现已成为工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、以易与计算机接口、能对模拟量进行控制，具备高速计数与位控等性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电—接触控制系统，在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用。PLC应用深度和广度已经成为一个国家工业先进的重要标志之一。

长期以来，PLC始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与DCS和工业PC形成了三足鼎立之势。同时，PLC也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。

随着工业自动化和过程控制的要求越来越高，PLC技术发展呈现新的动向： 1、产品规模向高速度、大容量两个方向发展

为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。PLC的扫描速度已成为很重要的性能指标。

2、PLC在闭环过程控制中应用日益广泛 3、PLC大力开发智能模块，不断加强通讯功能。

4、新器件和模块不断推出 高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。

5、编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化 有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统

6、发展容错技术 采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。 7、追求软硬件的标准化。

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第三章PLC在吹灰系统中应用的分析

3.1 火力发电厂吹灰系统介绍

3.1.1 吹灰系统的组成

我国动力用煤质量普遍偏差，含灰量与含硫量都较高，所以锅炉在运行中，其受热面不可避免的会发生积灰和结渣，它直接影响着锅炉的安全与经济运行。吹灰器可以有效地清除锅炉受热面的积灰和结渣，使受热面保持清洁。锅炉吹灰系统一般由蒸汽减压站、管道系统、吹灰器本体和程序控制设备组成。

吹灰器的种类很多，按结构特征的不同，有简单喷嘴式、固定回转式、伸缩式（又分短伸缩和长伸缩型）以及摆动式等。

各种吹灰器的吹灰工作机理基本是相似的，都是利用吹灰介质在吹灰器喷嘴出口处所形成的高速射流，冲刷受热面上的积灰和焦渣。当气流（或气、水流）的冲击力大于灰粒与灰粒之间，或灰粒（焦渣）与受热面之间的粘着力时，灰粒（或焦渣）便脱落，其中小颗粒被烟带走，大块渣、灰则沉落至灰斗或烟道。

常用的吹灰装置主要有蒸汽吹灰器、声波吹灰器和燃气冲击波吹灰器三种形式。目前电站锅炉安装的吹灰设备主要是蒸汽吹灰器和声波吹灰器。蒸汽吹灰器为传统吹灰器，目前使用数量最多，由于结构和介质的特点，加上高温环境的影响，吹灰枪管易发生卡涩、失灵、漏汽等现象，设备故障率相对较高，要求维护水平较高；声波吹灰器，由于能量不足（目前最大声能在140分贝左右），与灰粒的固有频率差别很大，与积灰特性不适应，吹灰效果很差，基本上不能除掉已有的积灰，只能在其吹灰时阻止积灰的产生，造成锅炉受热面积灰严重，排烟温度升高，从而大大降低了锅炉热效率。

此外燃气脉冲激波吹灰器技术还有许多不足之处：首先在锅炉上的应用范围很窄，由于爆燃后极易卷吸高温烟气和燃气泄漏等方面的考虑目前还只能应用于温度相对较低的尾部烟道下部（如空预器等）。其次存在一定的安全隐患，由于工作介质为可燃气体，一旦设计结构不合理，生产质量有问题，都易引起可燃气体的泄漏，从而造成炉膛或环境发生安全事故。第三系统较为复杂，对控制系统的要求很高。第四没有稳定气源，需定期更换。

蒸汽吹灰器是火力发电厂锅炉和其它行业锅炉，必须配套清除锅炉受热面积灰，以提高锅炉热效率的节能设备。蒸汽吹灰器是煤粉锅炉采用的常规吹灰方法，

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它是利用水蒸汽的自由射流冲击力，消除受热面积灰的吹灰方法，它使用蒸汽压力P=0.8-1.5MPa，温度t ≤320℃的蒸汽吹除受热面积灰。蒸汽吹灰器作为一种传统的吹灰方式，高温高压蒸汽直接吹扫受热面，对清除受热面的积灰和挂渣都有较好的作用，对结渣性强、灰熔点低的灰效果也很好。其主要优缺点如下：

优点：(1) 可以布置在锅炉各个部位，能对炉膛、水平烟边、尾部竖井的受热面直接进行吹灰。

(2) 对结渣、灰熔点低和较粘的灰效果也很好。 (3) 蒸汽直接从锅炉引接，按设定程序运行吹灰。 (4) 短吹灰器运行可靠，长吹灰器也较为可靠。

缺点：（1）吹灰耗费蒸汽，降低了烟气露点，增加了锅炉补给水。 （2）吹灰只能清除所吹到的受热面，吹灰有死角。

（3）长伸缩式吹灰器伸缩部分易变形卡涩，蒸汽吹伤受热面引起爆管，且维护量大，结构尺寸大，占用较大的空间位置。

尽管蒸汽吹灰器存在着许多缺点和问题，但是目前尚没有更好的蒸汽吹灰器替代产品，还没有一种集吹灰、节能、效果好、自身能耗小、使用安全、运行可靠、使用寿命长、故障率低、锅炉全范围适用于一身的蒸汽吹灰器新产品、新技术，市场在期待着、呼唤着革命性的蒸汽吹灰器新产品、新技术的出现。

一般锅炉吹灰器安装在锅炉炉膛、水平烟道和后竖井包墙上以及空气预热器系统中[4]。通过定时吹扫锅炉各受热面防止锅炉积灰。锅炉本体吹灰器用的汽源取自高温过热器进口连接管。锅炉启动时，空气预热器用的吹灰汽源取自辅助蒸汽。炉膛四面墙折焰角以下布置炉膛吹灰器；在屏式过热器、高温过热器、高温再热器、低温再热器及低温过热器布置可伸入锅炉宽度一半距离的长伸缩式吹灰器；在省煤器和低温再热器区域的半长伸缩式吹灰器。 3.2.2 吹灰器的结构及工作原理

1.炉膛吹灰器

（1）炉膛吹灰器的结构组成

炉膛吹灰器是短伸缩型吹灰器，它是一种短行程、可退回的吹灰器，用来吹扫炉膛水冷壁，它的螺纹管在行进中可以360°旋转，并有一个凸轮控制，对预先设置的部位进行吹扫。驱动系统分为吹灰器的喷吹、旋转、和伸缩提供动力，

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控制箱控制吹灰器喷吹的圈数和提供吹灰终了信号。螺纹管的法兰上安装了一个弧长合适的凸轮，控制启动臂，在喷嘴对准所需吹扫的部位时开启阀门。当阀门开启后，装在螺纹管的端部的喷嘴随即进行吹扫。鹅颈阀是吹灰器的主要支撑部件，与不锈钢内管（供气管）连在一起，输送吹灰介质（蒸汽）经过螺纹管到嘴，装在内管和螺纹管之间的填料在吹灰器旋转时起密封作用。

图 3.1 VO4型吹灰器结构图

（2）炉膛吹灰器的工作原理

电源接通，吹灰器启动，大齿轮顺时针转动，螺纹管伸出，凸轮部件前移。凸轮法兰上的导向槽在导向杆内移动，防止螺纹管和凸轮的转动。当螺纹管前进到前极限时，凸轮脱开导向杆和弹簧定位的棘爪，螺纹管、凸轮和喷嘴顺时针转动，吹灰过程开始。固定在法兰上的凸轮环面触及启动臂打开吹灰介质阀门，按照预定的圈数进行吹灰。吹灰完成预定的圈数后，控制系统使电机反转，大齿轮逆时针方向转动，螺纹管和凸轮也逆时针方向转动，当凸轮上的导向槽导入弹簧定位的棘爪后，作用于蒸汽阀阀杆上的顶力即消失，于是在复位弹簧力及残余蒸汽压力的作用下阀门立即关闭，蒸汽被切断。棘爪阻止了凸轮的继续转动，使螺

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纹管和凸轮沿着导向杆回到了起始位置。螺纹管回到起始位置后，凸轮上的导向槽脱开导向杆继续逆时针旋转，螺纹管前端的定位环防止螺纹管继续后退。 2.烟道长伸缩型吹灰器

（1）烟道长伸缩型吹灰器的结构组成

烟道长伸缩型吹灰器用于吹扫锅炉受热面，主要用来清除过热器、再热器及省煤器上的积灰和结渣。

长伸缩型吹灰器主要由电动机、跑车、吹灰器阀门、托架、内管、吹灰枪、喷头和螺旋相变机构等组成。

1）跑车。跑车驱动吹灰枪进出锅炉烟道，它包括电机、齿轮箱及吹灰枪和内管间的填料密封压盖。跑车内的主减速机构是一副涡轮蜗杆副，涡轮蜗杆副的输出轴驱动末级位移正齿轮使吹灰枪移动，同时驱动伞齿轮使吹灰枪旋转。末级正齿轮带动主传动轴，主传动轴两端的行走齿轮分别与梁两侧的齿条啮合。跑车填料室包括吹灰枪的安装法兰和密封内管的填料压盖，跑车完全密封，能有效的防止脏物及腐蚀性气体的侵害。

2） 吹灰器阀门。机械操纵的阀门位于吹灰器的最后端，它可用蒸汽或压缩空气作为介质，并用一个压力调节装置。阀门的开与关由跑车进退自动控制。跑车上的撞销操纵凸轮和启动臂机构自动启闭阀门。撞销位置可调节，以保证在吹灰枪处于吹灰位置时提供吹灰介质。吹灰器退到非吹灰位置时，阀门将自动关闭。

3）梁。梁为一箱盖型部件，两端有端板，后端板支承阀门和内管，前端板支承吹灰器后部，固定在钢架上。

4）托架和内管。托架在吹灰器的前端，大约支承着吹灰器重量一半。托架底部有拖轮，这些拖轮支承着吹灰枪管。内管是高度抛光的不锈钢管，用以将吹灰介质送到吹灰枪。

5）吹灰枪。吹灰枪的材质有多种，它取决于每台吹灰器的安装位置，对每一种枪管安装时必须“对号入座”。吹灰枪由跑车和托架支承，托架的两个拖轮应调节到旋转方向与枪管螺旋线一致。

6）喷头。吹灰枪有一个旋转的喷头，喷头上钻孔以焊装喷嘴，喷嘴是垂直还是前倾或后倾根据吹灰要求而定。喷嘴的大小和数量由不同位置吹灰介质流量与压力要求而定。喷嘴的焊装非常重要，喷头在制造厂内已经做好了平衡试验，确保两个方向喷射介质的径向推力相等，从而防止枪管抖动。

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图 3.2 长伸缩型吹灰器结构图

（2）烟道长伸缩型吹灰器的工作原理

电源接通，跑车带着内管托架沿工字梁向前移动，和跑车在一起，吹灰枪同时前进并旋转。当吹灰枪进入烟道一定距离后，吹灰器阀门自动开启，吹灰开始。跑车继续将吹灰枪旋转前进并吹灰，直到达到前段极限。当跑车触及前段行程开关时，电机反转，使跑车、托架引导吹灰枪管与前进时不同的吹灰轨迹后退，边后退旋转，边继续吹灰。当吹灰枪喷头退到距炉墙一定距离时，蒸汽阀门自动关闭，吹灰停止，跑车退至起始位置，触及后端行程开关、吹灰枪停止行走。吹灰器完成一次吹灰过程。

3.半伸缩式吹灰器

半伸缩式吹灰器主要用于清洁锅炉管束受热面。吹灰元件是一根吹灰管，其由喷嘴管和外管组成，停用时一半预先伸入炉内烟气通道，吹灰管装有多个文丘里喷嘴。吹灰器开始工作后，吹灰管到达前端位置后再退回到停用位置；同时喷嘴作螺旋运动。由于锥形吹扫射流的延伸，吹扫距离内的受热面得以清洁。在大梁上移动的齿轮行走箱带动吹灰管运动。吹灰器阀门通过固定的内管向吹灰管提供吹扫介质。

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半伸缩式吹灰器的结构和工作原理与长伸缩式吹灰器结构原理相同。 吹灰管道系统是锅炉系统的重要组成部分之一，吹灰管道系统的合理设计、布置、安装及正确的控制、运行，对于充分发挥吹灰器的作用，使锅炉安全、经济和长期可靠的运行具有重要意义。

3.2 火力发电厂吹灰系统的特点

3.2.1 吹灰器对锅炉工作的影响

锅炉吹灰会造成锅炉负压、汽温、汽压、负荷、水位的波动，而且是对不同的受热面吹灰对锅炉的影响也不相同，在吹灰过程中应对这些参数加强监视。

吹灰对于燃烧的稳定造成一定的影响，在吹灰过程中应加强燃烧的监视工作；在低负荷运行及燃烧不稳定时，不能进行吹灰工作；同时，吹灰使得受热面清洁，吸热量增加，因而使得排烟温度降低。

由于吹灰会造成炉膛负压波动较大，在吹灰过程中应维持较大负压以防止炉膛冒正压。

烟道吹灰的位置不同，对汽温的影响也不完全相同。具体如下： （1）屏式过热器区域：由于这一受热面从流程上看接近水冷壁出口，而且由于吹灰枪的吹灰区域较大，此处一部分水冷壁受热面也得到了吹灰，因此，这一区域吹灰对过热汽温、汽压及负荷的影响类似于炉膛吹灰。

（2）低过、低再区域：在这一区域的吹灰，使低过、低再受热面清洁，当这一区域受热面积灰较严重时，吹灰使低过出口、低再出口汽温升高，汽压、汽温、负荷都有所上升。

（3）高温再热器、高温过热器区域：这一区域靠近过、再热蒸汽的出口，因此对过、再热蒸汽的汽温影响最为灵敏。这一区域过、再热蒸汽的汽温由以下几个因素所决定：一是高温再热器、高温过热器的入口蒸汽温度；二是高温再热器、高温过热器受热面的金属温度；当其入口蒸汽温度不变时，其出口汽温取决于受热面的金属温度，当受热面的金属发生积灰时，由于灰的导热性远低于金属，因此造成金属温度要低于未积灰状态，蒸汽温度也是相应的低；当积灰被吹去，金属温度迅速升高，汽温也随之升高，高于吹灰之前；由于高温过热器管束布置在高温再热器之前，其吸热量增加快，汽温升高也快，再热汽温的变化要视其受

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热面吸热量是否增加而定，在一般情况下汽温也会增高；这一区域的吹灰，汽温反应较快，尤其是过热汽温的反应速度更快，要注意及时进行调节。

在这一区域的吹灰过程中，吹灰汽耗对压力的影响大，因此汽压会有一定的下降，负荷也会有所降低；在吹灰过程中可以视情况少量增加燃料量。但要注意在吹灰结束后汽压与负荷都会回升。

吹灰系统的特点是受控设备数量较多，但种类较少且分时运行，对单台设备的控制要求是简单的，而对系统整体运行的要求却是复杂的。

以可编程序控制器（简称PLC）为核心的吹灰器可编程序控制系统能适应不断发展的要求，它利用可编程序逻辑来执行系统要求，并按照一系列的数据指令把要求储存在PC用户储存器，它可以灵活地组成不同的吹灰程序以满足不同的运行要求。

系统的设计原则为操作简单、可靠性高、修改方便和有清晰的显示，设有多种运行程序、各种运行和联锁以及系统的各参数（如可同时运行的吹灰器台数和类型等）都可编成程序而作为装置工作软件的一部分。

3.3 设计应实现的功能

吹灰器设备及吹灰程控系统是保证锅炉正常运行及性能参数必不可少的手段。吹灰器的程控系统由PLC实现，系统可在控制台进行自动程序操作、远程手动操作，现场可实现就地手操，并具有报警装置。实现吹灰的控制系统应具有信号采集、单体操作及顺序控制等功能。信号采集主要包括设备运行状态、温度、压力测点等的监测；单体操作主要包括对电动阀门及吹灰器等设备进行单独操作功能；顺序控制是指对一个功能组或功能子组中的设备，按照特定的顺序自动执行另外,当系统发生突发事件时,应具有相应的保护措施,如在机组MFT(主燃料跳闸)情况下,应立即退出所有吹灰器。在每次启动吹灰前,应事先确定好每只吹灰器的运行时间间隔和每次运行的吹扫时间，运行时按照时间顺序依次启动吹灰器,达到预定时间后再将吹灰器退出炉外,停止吹灰。由于锅炉各部分受热面灰污增长的速度不同，所以各部分受热面吹灰器的吹灰时间间隔也不一样。一般空气预热器4小时吹灰一次,其它受热面6一8小时吹灰一次。通常根据具体锅炉的运行经验、燃烧煤种和运行状况设置和调整吹灰器的操作顺序和运行时间,也可由运行人员根据现场情况,手动操作吹灰运行。

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每次停炉时,应对吹灰效果和受热面磨损情况进行检查,及时调整吹灰压力。当煤的品种有变化时,更应该注意这一点。

本次设计中实现的功能如下：

1.程序启动功能：指程序自动控制主进汽门和疏水门的打开和关闭以及吹灰器的顺序执行。

2.跳步功能：用来使任意一台运行出现故障的吹灰器停止运行跳步到下一台。

3.顺序运行功能：吹灰器的运行方式按烟气流动方向依次运行。

4.程序中断和复归功能：用来中断程控自动吹灰程序，也可实现复归使程序复归。

5.状态显示功能：用来显示当前运行过程中的状态和故障类型。

6.多种方式操作功能：吹灰系统可以自动运行，也可通过操作面板上的按钮手动操作指定某台吹灰器运行。此外还可以在现场对指定某台吹灰器控制运行。

7.警报警示故障功能：用来警报故障。它包含的警报有：吹灰器退吹超时，吹灰器运行超时、吹灰器启动失败（程序下）、吹灰器过负载、产生MFT、蒸汽压力异常、疏水温度异常。

3.4 吹灰系统的连锁保护功能

为了保证吹灰的质量和可靠性，对吹灰器需要都设置了报警和保护逻辑。主要有以下几方面组成。

1.吹灰蒸汽压力异常

当吹灰蒸汽系统暖管结束后，蒸汽的压力信号与设定值有偏差，系统有灯光报警，任何在工作的吹灰器自动退出，不允许进一步操作。

2. 吹灰器运行超时

吹灰器前进吹灰超过运行时间时，程控将使之后退；若后退超时，则自动停止程序并报警，直到报警消除后，运行人员按下消除报警按钮，程序才继续运行。

3. 吹灰器过载

该报警信号由热继电器产生。伸缩型吹灰器在运行中容易卡涩、跑道中有异物，电机容易发生过载。万一发生过载故障报警时，必须按下程序中断按钮，并

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派人去现场手动摇出吹灰器。待故障消除后将改吹灰器所对应的热继电器复位，此时恢复程序使程序继续运行。

4.锅炉故障报警

在自动运行过程中，出现炉膛负压高、负压低于设定值、锅炉跳闸等故障时，运行的吹灰器自动退出，系统将停止吹灰，且进行声光报警。

5．吹灰疏水温度异常

吹灰疏水温度大于230℃小于350℃时发出温度异常报警。

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第四章 吹灰系统的硬件设计

4.1 吹灰系统的总体设计

4.1.1吹灰系统的硬件配置和吹灰流程

吹灰程控系统由上位机、程控柜、动力柜三部分组成,见图4.1。 上位机操作单元安装在集控室内，由运行人员操作运行吹灰器并可观察吹灰器的运行情况。程控柜连着三个动力柜和现场的一些设备，PLC及继电器，电源输入/输出端子排等设备装在其内。

本装置配备了三只动力柜，用以驱动8台吹灰器和2台电动阀门。图4.4为吹灰系统硬件配置系统。

<10％MCR>70%MCRMFT程控柜DCS机柜PLC蒸汽管路压力控制器，温度控制器信号380V/AC动力柜动力柜动力柜蒸汽管路阀门控制及动力回路炉膛吹灰器控制伸缩式吹灰器控及动力回路制及动力回路

图4.1 吹灰系统的硬件配置图

吹灰器通常通过开关柜和DCS控制表盘来操作。控制系统控制着吹灰程序的进行，包括吹扫介质的压力监视、温度锁定和吹扫时间，这样可以保护锅炉和吹灰器。正常运行的锅炉，一般按烟气流向吹灰。吹扫频率取决于时间和受热面上积灰的多少。锅炉首次启动后，必须定时目测吹扫范围内受热面的情况，如清

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洁效果不佳，就应提高吹扫频率和吹扫压力。若受热面管子表面显得光滑或出现亮点，则吹扫频率和吹扫压力必须降低。如果某一段时间因疏于吹灰而导致锅炉积聚了大量飞灰，再进行吹灰不但会导致吹灰困难，而且会使设备受损。吹灰时锅炉应保持足够高的燃烧率，一般要求吹灰时锅炉负荷不低于70%MCR，以便吹灰时不将火吹熄。

本次设计的吹灰系统分为程控、手操和就地手操三种操作方式。

在操作台上按下启动按钮，运行指示灯亮，当切换到自动状态时，程序将自动打开主进汽电动门和疏水电动门进行暖管。疏水时间到后关闭疏水门。按照预先给定流程：炉膛吹灰器（#1，#2，#3，#4）——半伸缩式吹灰器（#5，#6）——长伸缩式吹灰器（#7，#8）吹灰器进行吹灰。待吹灰结束后，关闭主进汽电动门，打开疏水电动门。在吹灰进行中时，如果需要异常情况需要进行中断时，可按下“中断”按钮，待故障消除后，按下“复归”按钮，继续吹灰。若吹灰器的电动机过载时，应停止吹灰，并设法将其退出。当吹灰器不能退出时，应将去现场用专用手柄将吹灰器摇出。当转换开关切换到手动状态时可以通过操作台的按钮单独控制某台设备运行。

当工作人员需要去现场检查吹灰情况时，可以在炉旁控制吹灰器本体的按钮来进行单独对某一部位的吹灰。图4.2为吹灰器本体控制电路图。

STARTRVSSLSKM2KM1FRKM1KM2RLSKM1 图4.2 吹灰器本体控制电路图

后限位开关RLS初始为挤压状态，当按下启动按钮“START”时吹灰枪向前运行，后限位开关RLS复位，由KM1的辅助触点实现自锁。当吹灰枪运行到前限位时，前限位开关SLS断开，接触器KM2吸合吹灰抢开始后退，当后退至后限位时，后限位开关RLS断开吹灰器停止运行。如在吹灰过程中出现故障，可按下紧急返回按钮“RVS”使吹灰器紧急退回。

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4.1.2 吹灰系统设备整体布置

本次锅炉吹灰控制系统设计主要控制炉上8只吹灰器(2台长伸缩式吹灰器,2台半长伸缩式吹灰器,4台炉膛吹灰器)和吹灰蒸汽管路上的 2只阀门(1台电动疏水门，1台吹灰蒸汽电动总门)。

锅炉吹灰系统吹灰器分布在锅炉炉膛、水平烟道、后竖井包墙、和省煤器区域中。共设有四台布置在锅炉水冷壁的四面墙折焰角以下的V04型炉膛吹灰器，两台布置在锅炉两侧水平烟道及后竖井烟道两侧墙内的RL-SL型长伸缩式吹灰器，两台布置在后竖井烟道前墙的RK-SB型半伸缩式吹灰器。图4.2为火电厂吹灰系统吹灰器布置图。

手动截止阀电动截止阀M减压站左墙前墙右墙后墙图例：长伸缩式吹灰器疏水站半伸缩式吹灰器炉膛吹灰器图4.3 吹灰器整体布置图

M

4.2 设备的选型

4.2.1 主要设备的选型

本次设计选用上海克莱德贝尔格曼机械有限公司生产的V04型炉膛吹灰器、RL-SL型长伸缩式吹灰器和RK-SB型半伸缩式吹灰器。吹灰器的主要技术参数见表4.1。

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表4.1 吹灰器主要技术参数表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 项目 型号 行程（mm） 吹扫角度(°) 炉膛吹灰器 V04 255 360 长伸缩式吹灰器 半长伸缩式吹灰器 RL-SL 17000 360 2500 2.975 25 11.5 132 M2QA90L4A 1.5 F RK-SB 5600 360 1200～1500 0.72 17.5 9.14 110 M2QA90L6A-J1 1.1 F IP55 ≤350 2 有效吹扫半径（mm） 2500 行进速度（m/min） 旋转速度（r/min） 0.51 6 单台工作时间（min） 1.67 汽耗率（kg/min） 电动机型号 电动机功率（kW） 绝缘等级 防护等级 工作温度（℃） 台数 45.6 M2QA71M4B-J 0.25 F(温升105℃) IP55(放喷水防尘) IP55 ≤350 4 ≤350 2

4.2.2 辅助设备的选型

主进汽阀和疏水阀采用电动阀门；电动阀简单地说就是用电动执行器控制阀门,从而实现阀门的开和关。其可分为上下两部分，上半部分为电动执行器，下半部分为阀门。它的优点是对液体介质和大管径气体效果好，不受气候影响。不受空压气的压力影响。缺点是成本高、在潮湿环境影响性能。本次设计选用哈尔滨电力设备总厂生产的J961Y型高温、高压电动截止阀。该阀可安装在汽、水等介质的管道上，通过电动执行器工作，接通或截断管路中介质。该阀适用于介质

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温度≤570℃，压力不大于32MPa的情况。 4.3 输入输出点的确定及PLC的选型 4.3.1 输入输出点的确定

本次设计中实现各种运行功能的功能键全部由外部输入，必须作为输入点，设计中的一些保护输入信号给PLC作处理，必须作为输入点，对应的设备号必须作为输入点。设计中，控制对应电机的继电器线圈作为输出，指示功能以及运行状态指示等作为输出。因此输入输出点如表4.2所示：

表4.2 I/O地址分配表 输名 称 启动键 停止键 程控/手操键 跳步键 中断键 复归键 紧急返回 解除报警 主进汽门开键 主进汽门关键 疏水门开键 疏水门关键 数字键“1” 数字键“2” 数字键“3” 数字键“4” 数字键“5” 数字键“6” 入代码 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 SB11 SB12 SB13 SB14 SB15 SB16 SB17 SB18 SB19 SB20 信号 地址编号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.5 I1.6 I1.7 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 33

数字键“7” 数字键“8” 温度控制器 压力控制器 MFT连锁信号 吹灰器过载信号 #1吹灰器前限位开关 #2吹灰器前限位开关 #3吹灰器前限位开关 #4吹灰器前限位开关 #5吹灰器前限位开关 #6吹灰器前限位开关 #7吹灰器前限位开关 #8吹灰器前限位开关 #1吹灰器后限位开关 #2吹灰器后限位开关 #3吹灰器后限位开关 #4吹灰器后限位开关 #5吹灰器后限位开关 #6吹灰器后限位开关 #7吹灰器后限位开关 #8吹灰器后限位开关 主进汽门开到位限位开关 主进汽门关到位限位开关 疏水门开到位限位开关 疏水门关到位限位开关 输主进汽门开 主进汽门关 疏水门开

SB21 SB22 KA1 KA2 KA3 KA4 RLS1 RLS2 RLS3 RLS4 RLS5 RLS6 RLS7 RLS8 SLS1 SLS2 SLS3 SLS4 SLS5 SLS6 SLS7 SLS8 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 出KJ1 KJ2 KJ3 34

I2.4 I2.5 I3.0 I3.1 I3.2 I3.3 I3.4 I3.5 I3.6 I3.7 I4.0 I4.1 I4.2 I4.3 I4.4 I4.5 I4.6 I4.7 I5.0 I5.1 I5.2 I5.3 I5.4 I5.5 I5.6 I5.7 信号 Q0.0 Q0.1 Q0.2

疏水门关 #1吹灰器 #2吹灰器 #3吹灰器 #4吹灰器 #5吹灰器 #6吹灰器 #7吹灰器 #8吹灰器 运行指示灯 程控指示灯 手操指示灯 跳步指示灯 中断指示灯 复位指示灯 前进指示灯 后退指示灯 吹灰器过载指示灯 吹灰超时指示灯 蒸汽异常指示灯 温度异常指示灯 进汽门开到位指示灯 进汽门关到位指示灯 疏水门开到位指示灯 疏水门关到位指示灯 锅炉MFT报警指示灯 1号吹灰器运行指示灯 2号吹灰器运行指示灯 3号吹灰器运行指示灯 4号吹灰器运行指示灯

KJ4 KJ5 KJ7 KJ9 KJ11 KJ13 KJ15 KJ17 KJ19 HL1 HL2 HL3 HL4 HL5 HL6 HL7 HL8 HL9 HL10 HL11 HL12 HL13 HL14 HL15 HL16 HL17 HL18 HL19 HL20 HL21 35

Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5 Q2.6 Q2.7 Q3.0 Q3.1 Q3.2 Q3.3 Q3.4 Q3.5 Q3.6 Q3.7 Q4.0 Q4.1 Q4.2 Q4.3 Q4.4

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