畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于plc的供暖鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc

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1、河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 題 目： 基于plc的供暖鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 完成時(shí)間： 摘 要 隨著生活水平地不斷提高，人們對(duì)城市生活供暖質(zhì)量要求越來(lái)越高。目前，冬季采用鍋爐取暖在我國(guó)北方仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，但鍋爐房中控制系統(tǒng)的各配置落后的問(wèn)題相對(duì)比較嚴(yán)重，其控制操作仍然主要依靠管理員的手工操作，對(duì)于風(fēng)機(jī)和水泵電機(jī)的控制，過(guò)程很復(fù)雜并且對(duì)電和燃料的消耗量十分巨大，同時(shí)鍋爐水溫度也無(wú)法通過(guò)手動(dòng)控制改變并及時(shí)對(duì)改變作出適當(dāng)?shù)幕貞?yīng)。 本文設(shè)計(jì)的水溫供暖鍋爐控制系統(tǒng)主要采用PLC和變頻調(diào)速技術(shù)。該控制系統(tǒng)由變

2、頻器、S7200系列PLC、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、水泵等構(gòu)成。對(duì)于系統(tǒng)中所涉及到的各個(gè)電機(jī)，其啟動(dòng)調(diào)速和停止，并不是通過(guò)直接控制的手段，而是利用變頻器變頻調(diào)速的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。以及PID調(diào)節(jié)控制，以MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)組態(tài)界面和控制界面，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。 為了有效地降低能源消耗，提高生產(chǎn)管理水平，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有鍋爐水溫、燃燒過(guò)程自動(dòng)控制的功能。實(shí)現(xiàn)了安全可靠地系統(tǒng)安裝維護(hù)；由MCGS制作的上位機(jī)，畫面直觀，操作方面，監(jiān)控方便。關(guān)鍵詞：供暖鍋爐；變頻調(diào)速；PLC河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) ABSTRACT 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 目錄 ABSTRACT With living sta

3、ndards improving, the demanding of people with the city heating quality is becoming stricter. Currently, the use of boiler heating in winter in northern China is still dominant, but the lag issue of the boiler room configuration is relatively serious in the control system. The control operation is s

4、till mainly rely on the administrators manual。The control of the fan and pump motor, which process is very complex and on electricity and fuel consumption is huge。Meanwhile boiler water temperature can not be changed by manually controlled and timely responded appropriately. This design of water hea

5、ting boiler control system in this paper mainly adopts PLC and frequency control technology. The control system consists of a programmable controller, inverter, fan and pump motors, sensors, and configuration MCGS. In order to achieve real-time monitoring ，the starting, running and speed of motor ar

6、e controlled by inverter , as well as PID regulator controlling and MCGS configuration software design configuration interface and control interface are used in the paper.Industrial boiler control system designed in this paper has achieved the boiler water temperature, and the automatic control of t

7、he combustion process, which has reduced the energy consumption and improved the production management level.Keywords: Boiler control; Variable-frequency regulating speed technology; PLC河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 目錄 目 錄摘 要IABSTRACTI緒 論11 課題背景及研究目的和意義12 供暖鍋爐控制國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀23 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容3第1章 鍋爐及其工作過(guò)程31.1 鍋爐的基本構(gòu)造41.2 鍋爐的工作

8、原理及過(guò)程61.2.1 燃料的燃燒過(guò)程61.2.2 水的汽化過(guò)程61.2.3 煙氣向水的傳熱過(guò)程7第2章 供暖鍋爐控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)82.1供暖鍋爐控制系統(tǒng)的基本要求82.2.1控制系統(tǒng)的組成82.1.3控制的主要流程82.2系統(tǒng)功能分析102.3供暖鍋爐的控制策略和方法102.3.1 PID控制方式簡(jiǎn)介112.3.2供暖鍋爐的控制策略12第3章 變頻調(diào)速在供暖鍋爐控制中的應(yīng)用153.1變頻調(diào)速基本原理153.2 變頻器輸入輸出接口163.3 變頻調(diào)速節(jié)能分析17第4章 供暖鍋爐控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)194.1系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)194.2系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)194.3 S7-200 PLC硬件介紹214

9、.4系統(tǒng)主要元器件214.4.1 可編程控制器214.4.2 EM235 模擬量輸入/輸出模塊234.4.3 傳感器的選型23第5章 供暖鍋爐控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)265.1 PLC程序設(shè)計(jì)的基本原則和方法265.2 編程軟件STEP7-Micro/WIN概述265.2.1 STEP7-Micro/WIN 簡(jiǎn)單介紹265.2.2 計(jì)算機(jī)與PLC的通信275.3 PID指令向?qū)?85.4 程序設(shè)計(jì)295.4.1系統(tǒng)主程序295.4.1子程序35結(jié)束語(yǔ)42參考文獻(xiàn)43致 謝44 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 緒論 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 緒論 緒 論1 課題背景及研究目的和意義 隨著如今

10、人們生活質(zhì)量越來(lái)越高，暖氣供暖是人們?cè)诙舅夭豢缮俚脑O(shè)施。伴隨著城市化程度的不斷發(fā)展、步伐的不斷加快，集中供熱成為其必然趨勢(shì)，這樣不僅能節(jié)省能源，而且方便管理。然而，由于城市程度的加深。供暖面積和要求同樣也越來(lái)越大、越來(lái)越來(lái)越嚴(yán)重。對(duì)于燃燒系統(tǒng)的控制和管理的手段和方法也提出了更高的要求，國(guó)家新的節(jié)能減排政策也推進(jìn)我們把眼光放在發(fā)展改革上，原有的方法已經(jīng)不能滿足要求，并逐漸被淘汰。雖然鍋爐作為一個(gè)能源消耗大的設(shè)備，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)整體能源消費(fèi)占了很大的比例，并存在空氣污染嚴(yán)重的問(wèn)題，但是它在人們的生產(chǎn)和生活中仍然具有非常重要的意義。目前，我國(guó)主要以煤炭作為鍋爐燃燒的主要燃料，但是如燃油供暖鍋爐也得到

11、快速的發(fā)展。對(duì)于燃煤鍋爐主要燃燒的主要是低品質(zhì)煤，鍋爐房管理水平是不高的， 采用間歇性運(yùn)行模式，技術(shù)落后，自動(dòng)化控制程度低，能源浪費(fèi)和環(huán)境污染嚴(yán)重的問(wèn)題突出。 另外，對(duì)于主要利用按鈕和繼電器來(lái)控制的鍋爐行業(yè)，包括用PLC來(lái)控制的，無(wú)法滿足現(xiàn)有控制系統(tǒng)的智能化要求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)水位實(shí)時(shí)控制，鍋爐工作運(yùn)行參數(shù)、開始時(shí) 間和校準(zhǔn)時(shí)間也無(wú)法進(jìn)行靈活的設(shè)定和改正，更不能動(dòng)態(tài)地反映鍋爐當(dāng)前的操作狀 態(tài)， 無(wú)法對(duì)燃燒器運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確地累積記錄，也無(wú)法統(tǒng)計(jì)鍋爐風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間、以前發(fā)生的故障，影響鍋爐最終的管理和維護(hù)。此外，如果想實(shí)現(xiàn)鍋爐實(shí)時(shí)在線控制和多用戶聯(lián)網(wǎng)控制，則需建設(shè)更多的控制臺(tái)，從而增加了成本投入，控制結(jié)

12、構(gòu)也就變得更加復(fù)雜。 PLC在20世紀(jì)階段正處在快速發(fā)展時(shí)期，在這時(shí)期，PLC對(duì)模擬量的處理能力得到一定的發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)地快速發(fā)展，PLC在網(wǎng)絡(luò)連接和人機(jī)交互能力方面取得巨大的發(fā)展，較之之前的現(xiàn)狀得到質(zhì)的提高。隨著過(guò)程控制的迅速發(fā)展，并在現(xiàn)在系統(tǒng)控制模式中得到廣泛應(yīng)用，DCS系統(tǒng)成為該系統(tǒng)中的統(tǒng)領(lǐng)著，成為一家獨(dú)大的盛狀，但是伴隨PLC也逐漸步入該系統(tǒng)，漸漸取代了DCS的霸主地位，在某些應(yīng)用中更受歡迎。PLC具有通用性強(qiáng)、受干擾影響強(qiáng)、較強(qiáng)適應(yīng)性等特點(diǎn)。鍋爐可以利用產(chǎn)生的蒸汽轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，所以可作為動(dòng)力設(shè)備，如今已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)中。無(wú)論是在工業(yè)生產(chǎn)或者是在采暖供熱中，鍋爐所扮演的角色

13、都是一次能源向二次轉(zhuǎn)化的重要設(shè)備,從能量轉(zhuǎn)化好壞的角度上來(lái)看，在一定意義上，鍋爐控制效果對(duì)人們的生活質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效 益的好壞有直接的影響。另外，PLC具有與多個(gè)輸入輸出口，能基本上滿足系統(tǒng)的需要。同時(shí)，鍋爐控制中涉及到很多參數(shù)，且它們之間并非相互獨(dú)立，想法存在復(fù)雜的的關(guān)聯(lián)性，所以對(duì)于鍋爐的研究是各國(guó)技術(shù)人員都將對(duì)當(dāng)成的一個(gè)重要課題。 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)，是一套采用可編程控制器和變頻啟動(dòng)調(diào)速技術(shù)制作而成的供暖鍋爐控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用風(fēng)機(jī)提供送風(fēng)和引風(fēng)量，以S7-200系列PLC作為控制器，用變頻器控制電機(jī)和電動(dòng)閥等，利用各種傳感器傳感器采集信息。系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行和調(diào)

14、速是通過(guò)PLC發(fā)出命令并由變頻器的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的根據(jù) 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速、 軸功率和轉(zhuǎn)速的之間關(guān)系可以推出，采用交流變頻調(diào)速代替?zhèn)鹘y(tǒng) 閥門、擋板控制風(fēng)機(jī)、水泵流量，符合國(guó)家節(jié)能政策，可以大大節(jié)省用電量，整體計(jì)算能夠平均節(jié)電30% 左右。由于采用了轉(zhuǎn)矩矢量控制技術(shù)，在系統(tǒng)控制中應(yīng)用變頻器有效起到了保證電機(jī)良好起動(dòng)的功能，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，同時(shí)限制了啟動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)等的沖擊，延長(zhǎng)了電機(jī)的壽命。另外，為了使鍋爐始終處于最佳工作狀態(tài)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能對(duì)鍋爐實(shí)現(xiàn)智能自由控制，提高了燃油的燃燒效果和鍋爐的運(yùn)行效率。同時(shí)，該供暖鍋爐將傳感器檢測(cè)到的整個(gè)系統(tǒng)中的各種參數(shù)（如流量、壓力、溫度等），傳送至由MCGS制作

15、監(jiān)視平面中，具有溫度和壓力等參數(shù)監(jiān)控等功能。利用這種系統(tǒng)，工人在控制室就可以非常直觀的并且非常詳細(xì)地了解鍋爐的運(yùn)行情況，逼近工作條件得到大大的改善，其管理水平和智能化、自動(dòng)化程度也得到很大的提高。2 供暖鍋爐控制國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從上世紀(jì)90年代起，鍋爐的自動(dòng)化控制研究越來(lái)越廣泛，各種基于PLC開發(fā)的控制系統(tǒng)，向與新型鍋爐控制的方向發(fā)展，同時(shí)逐漸用于對(duì)原有鍋爐的技術(shù)改造中，為之后鍋爐控制系統(tǒng)發(fā)展起到重要作用。鍋爐自動(dòng)控制中也應(yīng)用了一些新的控制方法。如模糊控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等。這些自動(dòng)控制的最新成果在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中得到了嘗試。但由這些新的控制策略方法在工程實(shí)踐中并不怎么成功，也無(wú)法提高系

16、統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，主要原因是這些控制技術(shù)過(guò)于單一，控制算法的建模僅僅是數(shù)學(xué)推論上建立的模型，對(duì)于鍋爐燃燒狀況有時(shí)并不能真實(shí)的反映，因此在一定程度上降低了用戶用計(jì) 算機(jī)實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐控制的積極性。隨著控制系統(tǒng)的不斷地發(fā)展，為了進(jìn)一步提高鍋爐鍋爐控制系統(tǒng)操作的準(zhǔn)確性，減少能源消耗，保障安全運(yùn)行，降低大氣污染，智能控制技術(shù)在現(xiàn)代鍋爐控制技術(shù)上的廣泛應(yīng)用已勢(shì)在必行，并且對(duì)現(xiàn)如今各種各樣的新型鍋爐采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中控制系統(tǒng)的條件已經(jīng)成熟。盡管對(duì)鍋爐控制的研究已取得了很大的進(jìn)展，但仍然存在一些問(wèn)題: 1、開關(guān)量在現(xiàn)有供暖鍋爐控制系統(tǒng)中仍然廣泛應(yīng)用，造成現(xiàn)有系統(tǒng)控制手段單一，控制的精度也不夠精確，如一些閥門的控制

17、。2、一些不合理的控制方案在現(xiàn)有的一些鍋爐控制系統(tǒng)普遍存在，甚至應(yīng)用比較普遍。這樣在鍋爐控制過(guò)程中如果一旦有故障情況發(fā)生，只能進(jìn)行人為手動(dòng)采取斷電的方法處理。如此操作不僅對(duì)設(shè)備（如電動(dòng)機(jī)）的損害較大，甚至存在安全隱患。對(duì)于溫度、壓力等參數(shù)，一旦傳感器、變送器等設(shè)備出現(xiàn)故障就無(wú)法達(dá)到設(shè)定值。 3、隨著微機(jī)控制逐漸成熟起來(lái)，鍋爐控制系統(tǒng)也得到快速發(fā)展。但鍋爐的自動(dòng)控制在報(bào)表打印、儀表顯示等功能上并未得到實(shí)現(xiàn)，若以單片機(jī)為鍋爐控制系統(tǒng)的核心，因其控制水平有限，性能不穩(wěn)定，并不適合于此系統(tǒng)的采用。3 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容 本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的被控對(duì)象是鍋爐，主被控參數(shù)為鍋爐水溫，控制器選擇西門子S7-200系

18、列PLC；采用PID算法控制系統(tǒng)被控參數(shù)，編程語(yǔ)言選擇采 用PLC梯形圖， 進(jìn)行鍋爐溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。PLC利用微處理器，結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)，其性能優(yōu)越，功能強(qiáng)大，同時(shí)具有豐富的輸入輸出接口，具有操作方便，可靠性高的一種工業(yè)控制裝置?，F(xiàn)如今工業(yè)自動(dòng)化有三大支柱：PLC、工業(yè)機(jī)器人、CAD/CAM。PLC在其中占有重要的位置，起著不可或缺的作用。 對(duì)于供暖鍋爐中的水溫并不能直接控制，這需要通過(guò)控制燃燒系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐水溫的調(diào)節(jié)，因此在本文中共建立三個(gè)控制子系統(tǒng)：由鍋爐水溫控制燃料供給量，根據(jù)煙氣含氧量調(diào)節(jié)送風(fēng)量，由爐膛負(fù)壓控制引風(fēng)量。通過(guò)對(duì)三個(gè)子系統(tǒng)的控制，從而間接實(shí)現(xiàn)鍋爐

19、水溫的調(diào)節(jié)。在鍋爐整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，為了充分考慮節(jié)能，充分利用燃燒的熱量，減少熱損失，本文還充分應(yīng)用了省煤器和預(yù)熱器等。46第1章 鍋爐及其工作過(guò)程1.1 鍋爐的基本構(gòu)造 鍋爐是供熱設(shè)備中最普遍的動(dòng)力設(shè)備之一，它的功能是把燃料中的貯能，通過(guò)燃燒轉(zhuǎn)化成熱能，以蒸汽或熱水的形式輸向各種設(shè)備。本文采用的是燃煤鍋爐，圖1.1為鍋爐的大體組成部分。 圖1.1 鍋爐系統(tǒng)硬件組成圖 鍋爐的主要設(shè)備包括氣鍋、爐子、爐膛、鍋筒、水冷壁、過(guò)熱器、省煤器、燃燒設(shè)備、引風(fēng)設(shè)備、送風(fēng)設(shè)備、給水設(shè)備、空氣預(yù)熱器、水處理設(shè)備、燃料供給設(shè)備以及除灰除塵設(shè)備等。氣鍋：由上下鍋筒和三簇沸水管組成。水在管內(nèi)受管外煙氣加熱，因而管簇內(nèi)

20、發(fā)生自然的循環(huán)流動(dòng)，并逐漸氣化，產(chǎn)生的飽和蒸汽積聚在上鍋筒里面。爐子：是使燃燒從充分燃燒并釋放出熱量的設(shè)備。爐膛：保證燃料的充分燃燒，并使水流受熱面積達(dá)到規(guī)定的數(shù)值。鍋筒：使自然循環(huán)鍋爐各受熱面能適應(yīng)負(fù)荷變化的設(shè)備。（須指出，直流鍋爐內(nèi)無(wú)鍋筒。）水冷壁：主要是輻射受熱面，保護(hù)爐壁的作用。過(guò)熱器：是將氣鍋所產(chǎn)生的飽和蒸汽繼續(xù)加熱為過(guò)熱蒸汽的換熱器。過(guò)熱器一般都裝在爐膛出口。省煤器：是利用余熱加熱鍋爐給水，以降低排出煙氣溫度的換熱器。采用省煤器后，降低了排煙溫度，提高了鍋爐效率，節(jié)省了燃料。同時(shí)，由于提高了進(jìn)入氣包的給水溫度，減少了因溫差而引起的汽包壁的熱適應(yīng)力，從而延長(zhǎng)了汽包的使用壽命。燃燒設(shè)備

21、：將燃料和燃燒所需的空氣送入爐膛并使燃料著火穩(wěn)定，充分燃燒。引風(fēng)設(shè)備：包括引風(fēng)機(jī)、煙道和煙囪等幾部分。用它將鍋爐中的煙氣連續(xù)排出。送風(fēng)設(shè)備：包括有鼓風(fēng)機(jī)和分道組成。用它來(lái)供應(yīng)燃料所需的空氣。給水設(shè)備：由給水泵和給水管組成?？諝忸A(yù)熱器：是繼續(xù)利用離開省煤器后的煙氣余熱，加熱燃料燃燒所需要的空氣，是一個(gè)換熱器。省煤器出口煙溫度高，裝上空氣預(yù)熱器后，可以進(jìn)一步降低排煙溫度，也可改善燃料著火和燃燒條件，降低不完全燃燒所造成的損失，提高鍋爐機(jī)組的效率。水處理設(shè)備：其作用是為清除水中的雜質(zhì)和降低給水硬度，以防止在鍋爐受熱面上結(jié)水垢或腐蝕。燃料供給設(shè)備：由燃油給油泵、燃油開關(guān)等設(shè)備組成，保證鍋爐所需燃料供應(yīng)

22、。除灰除塵設(shè)備：是收集鍋爐灰渣并運(yùn)往儲(chǔ)灰場(chǎng)地的設(shè)備。此外，除了保證鍋爐的正常工作和安全，蒸汽鍋爐還必須裝設(shè)安全閥、水位表、高低水位報(bào)警器、壓力表、主氣閥、排污閥和止污閥等，還有用來(lái)消除受熱面上積灰的吹灰器，以提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，本設(shè)計(jì)由于篇幅其間，則就不必考慮這些問(wèn)題了。1.2 鍋爐的工作原理及過(guò)程 鍋爐是一種生產(chǎn)蒸汽的換熱設(shè)備。它通過(guò)煤、油或燃?xì)獾热剂系娜紵尫懦龌瘜W(xué)能，并通過(guò)傳熱過(guò)程將能量傳遞給水，使水轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝羝苯庸┙o工業(yè)生產(chǎn)中所需的熱能，或通過(guò)蒸汽動(dòng)力機(jī) 能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，或通過(guò)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。所以鍋爐的中心任務(wù)是把燃料中的化學(xué)能最有效地轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝臒崮?。因此，近代鍋爐亦稱

23、為蒸汽發(fā)生器。鍋爐的工作過(guò)程概括起來(lái)應(yīng)該包括三個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程：燃料的燃燒過(guò)程 、水的汽化過(guò)程、煙氣向水的傳熱過(guò)程。1.2.1 燃料的燃燒過(guò)程 首先將燃料（這里用煤）加到煤斗中，借助于重力下落在爐排面上，爐排接電動(dòng)機(jī)通過(guò)變速齒輪箱減速后由鏈輪來(lái)帶動(dòng)，將燃料煤帶入爐內(nèi)。燃料一面燃燒，一面向后移動(dòng)，燃料所需要的空氣是由風(fēng)機(jī)送入爐排腹中風(fēng)倉(cāng)后，向上穿過(guò)爐排到達(dá)燃料層，進(jìn)行燃料反應(yīng)形成高溫?zé)煔?。燃料燃燒剩下的灰渣，在爐排末端翻過(guò)除渣板后排入灰斗，（若是燃?xì)馐藉仩t就沒(méi)有這一部分了）這整個(gè)過(guò)程稱為燃燒過(guò)程。1.2.2 水的汽化過(guò)程 水的汽化過(guò)程就是蒸汽的產(chǎn)生過(guò)程，主要包括水循環(huán)和水分離過(guò)程。經(jīng)處理的水由泵

24、加壓，先流經(jīng)省煤器而得到預(yù)熱，然后進(jìn)入氣鍋。鍋爐工作時(shí)氣鍋的工作介質(zhì)是處于飽和狀態(tài)的汽水混合物。位于煙溫較低區(qū)段的對(duì)流灌束，因受熱較弱，汽水工質(zhì)的容量較大，而位于煙溫較高區(qū)段的對(duì)流管束，因受熱強(qiáng)烈，相應(yīng)的汽水工質(zhì)的容量較小，從而量大的工質(zhì)則向上流入下鍋筒，而容量小的工質(zhì)則向上流入上鍋筒，形成了鍋水的自然循環(huán)。蒸汽所產(chǎn)生的過(guò)程是借助于上鍋筒內(nèi)設(shè)的汽水分離裝置。以及在鍋筒本身空間的重力分離力作用，使汽水混合物得到分離。蒸汽在上鍋筒頂部引出后，進(jìn)入蒸汽過(guò)熱氣，而分離下來(lái)的水仍回到上鍋筒的下半部的水中。鍋爐中的水循環(huán)，也保證與高溫?zé)煔庀嘟佑|的金屬受熱面的以冷卻而不被燒壞，是鍋爐能長(zhǎng)期安全運(yùn)行的必要條件

25、。而汽水混合物的分離設(shè)備則是保證蒸汽品質(zhì)和蒸汽過(guò)熱可靠工作的必要的設(shè)備。1.2.3 煙氣向水的傳熱過(guò)程 由于燃料的燃燒放熱，爐內(nèi)溫度很高在爐膛的四周墻面上，都布置一排水管，俗稱水冷壁。高溫?zé)煔馀c水冷壁進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射換熱，將熱量傳給管內(nèi)工質(zhì)水。繼而煙氣受引風(fēng)機(jī)和煙囪的引力而向爐膛上方流動(dòng)。煙氣從爐膛出口經(jīng)過(guò)防渣管后，就沖刷蒸汽過(guò)熱器一組垂直放置的蛇型彎管受熱面，使氣鍋中產(chǎn)生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而得到的過(guò)熱。煙氣流經(jīng)過(guò)過(guò)熱氣后掠過(guò)脹接在上、下鍋筒間的對(duì)流管束，在管束間設(shè)置了折煙墻使煙氣呈“S”型曲折地橫向沖刷，再次以對(duì)流換熱的方式將熱量傳遞給管束的工質(zhì)。沿途逐漸降低溫度的煙氣最后進(jìn)入尾部煙道

26、，與省煤器和空氣預(yù)熱器內(nèi)的工質(zhì)進(jìn)行熱交換后，以經(jīng)濟(jì)的較低的煙溫排出鍋爐。省煤器實(shí)際上同給水預(yù)熱器和空氣預(yù)熱器一樣，都設(shè)置在鍋爐尾部（低溫）煙道，以降低排煙溫度提高鍋爐效率，從而節(jié)省了燃料。以上就是一般鍋爐供水的過(guò)程，一個(gè)鍋爐進(jìn)行工作，其主要任務(wù)是：(1)要是鍋爐出口蒸汽壓力穩(wěn)定。(2)保證燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。(3)保持鍋爐負(fù)壓恒定。通常我們是爐膛負(fù)壓保持在微負(fù)壓（-1080Pa）。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 供暖鍋爐褲子系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 第2章 供暖鍋爐控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1供暖鍋爐控制系統(tǒng)的基本要求2.2.1控制系統(tǒng)的組成 根據(jù)供暖鍋爐燃燒過(guò)程自動(dòng)控制的要求，系統(tǒng)可分為兩個(gè)子系統(tǒng)：水溫自動(dòng)調(diào)

27、節(jié)系統(tǒng)和燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)（煙氣含氧量調(diào)節(jié)和爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)）。供暖鍋爐系統(tǒng)自動(dòng)控制完成兩個(gè)主要任務(wù)，一個(gè)是保證鍋爐水溫可以自由控制，且能達(dá)到一定的精度；另一個(gè)是保證燃燒系統(tǒng)能都自由控制。然而水溫的控制是通過(guò)控制燃燒系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以燃燒系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。燃燒控制系統(tǒng)的主要任務(wù)有兩個(gè)：其一保證爐膛燃燒產(chǎn)生的熱量滿足系統(tǒng)的需要，能夠產(chǎn)生足夠的熱水；其二要保證運(yùn)行過(guò)程中燃燒的安全性和燃燒的經(jīng)濟(jì)性。因此，燃燒控制首先要通過(guò)調(diào)節(jié)燃料量來(lái)保持爐膛內(nèi)的燃燒負(fù)荷，其次是調(diào)節(jié)送風(fēng)量使之隨時(shí)與燃料保持恰當(dāng)?shù)谋壤?，以保證燃料的完全燃燒，減少爐膛煙氣含氧量。再次是調(diào)節(jié)引風(fēng)使之隨時(shí)與送風(fēng)相適應(yīng) 以保證一定范圍的爐膛

28、負(fù)壓。綜上所述，鍋爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)可以概括為三個(gè)子系統(tǒng)：1）溫度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)：調(diào)節(jié)燃料調(diào)節(jié)閥，保證出水溫度為一恒值；2）燃燒充分性子系統(tǒng)：改善爐膛煙氣含氧量，提高燃燒效率；3）爐膛負(fù)壓子系統(tǒng)：保證爐膛負(fù)壓在一定范圍中。燃燒控制系統(tǒng)還受到一些擾動(dòng)量的影響，主要包括：送風(fēng)量、燃料擾動(dòng)等。因此當(dāng)評(píng)價(jià)一個(gè)燃燒控制系統(tǒng)其燃燒性能的優(yōu)劣時(shí)，一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)就是被控量能否當(dāng)擾動(dòng)偏 離給定值時(shí)迅速恢復(fù)到給定值 。2.1.3控制的主要流程 供暖鍋爐控制系統(tǒng)在按下啟動(dòng)按鈕后系統(tǒng)將自動(dòng)采集個(gè)監(jiān)控信號(hào)，如水位，水位、爐膛負(fù)壓、含氧量等。根據(jù)所采集到的信號(hào)判斷是否符合與其設(shè)定值，若不能達(dá)到要求則采取相應(yīng)控制手段，通過(guò)PID

29、控制相應(yīng)電動(dòng)閥，調(diào)節(jié)燃料或者水的流量，或控制變頻器，進(jìn)而控制鼓風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。供暖鍋爐控制系統(tǒng)的主要流程如圖2.1所示：溫度、壓力水位等信號(hào)采集啟動(dòng)按鈕檢查是否有故障開始信號(hào)顯示水溫、水位、爐膛壓力、煙氣含氧量檢測(cè)檢查是否達(dá)到設(shè)定值對(duì)風(fēng)機(jī)、電動(dòng)閥PID控制結(jié)束報(bào)警是是否否圖2.1 供暖鍋爐控制流程圖2.2系統(tǒng)功能分析 本文針對(duì)供暖鍋爐設(shè)計(jì)一套基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)。根據(jù)要求，并結(jié)合鍋爐控制的發(fā)展趨勢(shì)，本系統(tǒng)具備如下功能：(1)過(guò)溫超過(guò)報(bào)警當(dāng)系統(tǒng)中的溫度、壓力等信號(hào)超過(guò)上下限時(shí)，相應(yīng)的報(bào)警裝置，報(bào)警燈就會(huì)做出反應(yīng)，產(chǎn)生報(bào)警信息，匯集在報(bào)表統(tǒng)計(jì)中。（2）控制系統(tǒng)正常工作時(shí)的功能 在供暖期間，

30、鍋爐最終輸出的水溫是系統(tǒng)根據(jù)采集到的室外溫度的變化而自動(dòng)自動(dòng)設(shè)定的。當(dāng)室外溫度較低時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)高鍋爐水箱水溫的設(shè)定值；當(dāng)室外溫度較高的時(shí)段內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降低鍋爐水箱水溫的設(shè)定值；當(dāng)室外溫度偏高時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行，進(jìn)而調(diào)節(jié)鍋爐水溫。 （3）監(jiān)控設(shè)計(jì) 根據(jù)用戶需求，人機(jī)界面具有故障報(bào)警功能，能控制監(jiān)視鍋爐的液位和溫度， 溫度控制精度0.5， 鍋爐溫度從0-90可平滑調(diào)節(jié)。溫度由鍵盤在窗口給定，可供隨時(shí)查詢和打印相應(yīng)的各種參數(shù)報(bào)表由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成，當(dāng)然系統(tǒng)產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)生成的且形成相應(yīng)報(bào)表，除此之外，還應(yīng)能顯示系統(tǒng)整個(gè)控制過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)，對(duì)運(yùn)行產(chǎn)生的歷史趨勢(shì)圖能自動(dòng)保存等。

31、2.3供暖鍋爐的控制策略和方法2.3.1 PID控制方式簡(jiǎn)介 現(xiàn)如今，在工程實(shí)際中，比例、積分、微分控制方式是最為廣泛控制方式，此控制簡(jiǎn)稱PID控制。PID控制器被提出已有近60多年歷史，它因系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、可靠性高、性能穩(wěn)定、應(yīng)用方便而成為如今工業(yè)控制廣泛應(yīng)用。當(dāng)我們對(duì)一個(gè)被控對(duì)象不完全了解或?qū)π枰獪y(cè)量監(jiān)控的被控對(duì)象的參數(shù)無(wú)法獲得時(shí)，PID控制技術(shù)是最優(yōu)的選擇方法。PID控制，實(shí)際上也有比例微分和比例積分控制之分。PID控制器的控制原理是利用比例、積分、微分的算法，結(jié)合系統(tǒng)輸入與反饋之間的誤差計(jì)算出所需控制量從而實(shí)現(xiàn)的。（1）比例控制：即成比例的反映系統(tǒng)輸入與輸出之間的誤差信號(hào)，屬于幾種控制方

32、法中最簡(jiǎn)單的控制方式。如果系統(tǒng)僅有比例控制時(shí)，系統(tǒng)輸出的誤差是穩(wěn)定的，即穩(wěn)態(tài)誤差。 （2）積分控制：主要是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，該控制方法是成正比的反映輸出與輸入誤差信號(hào)的積分關(guān)系。所以稱一個(gè)控制系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差，表明該系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)存在一個(gè)靜態(tài)的誤差，這就是常說(shuō)的有差系統(tǒng)。消除穩(wěn)態(tài)誤差的有效方法是引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)就是對(duì)誤差的時(shí)間求積分，根據(jù)所求結(jié)果可知，積分項(xiàng)的強(qiáng)弱受時(shí)間的影響，時(shí)間常數(shù)越大，積分項(xiàng)越小，誤差就會(huì)越小，到等于零，由此可知系統(tǒng)會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。因此，PI控制器，可以保證進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后的系統(tǒng)不會(huì)再存在誤差。（3）微分控制：是對(duì)控制器的誤差信號(hào)發(fā)生的一種預(yù)示作用，它能提前預(yù)示

33、誤差產(chǎn)生的趨勢(shì)，并能差生相應(yīng)的抑制作用。即具有超前調(diào)節(jié)的作用。但是對(duì)于滯后較大的對(duì)象有很好的效果，更不能克服純滯后。該環(huán)節(jié)對(duì)于溫度的調(diào)節(jié)正好適合。由于有較大慣性滯后組件，在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)可能會(huì)失穩(wěn)。其原因是，因調(diào)解動(dòng)作總是落后于誤差的變化，僅靠比例積分控制無(wú)法及時(shí)減小誤差。對(duì)于要求精度比較高的系統(tǒng)中，無(wú)法達(dá)到控制要求，甚至可能產(chǎn)生危險(xiǎn)事故，滿足不了安全性要求。解決的方法就是抑制作用的 “超前”，“微分”能產(chǎn)生超前的控制作用，即抑制超調(diào)作用，在偏差剛剛產(chǎn)生，但是還沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響之前，微分調(diào)節(jié)可將偏差提前消除。由此可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。2.3.2供暖鍋爐的控制策略1、鍋爐

34、水溫控制 影響鍋爐的水溫的主要因素是燃燒系統(tǒng)，而燃燒系統(tǒng)并不能直接控制，因此該系統(tǒng)實(shí)際上是將燃料作為控制量，采用PID控制方法的控制系統(tǒng)，其原理圖如圖2.2所示：循環(huán)水泵出口水溫比值器燃料變送器送風(fēng)量變送器燃料電動(dòng)閥PID調(diào)節(jié)控制水溫矯正調(diào)節(jié)循環(huán)水泵出口水溫 圖2.2 PID水溫控制流程圖為保證鍋爐燃燒效率，需要保持爐膛中燃燒量和空氣的適當(dāng)比值。采用空氣量跟隨燃料量變化的控制系統(tǒng)，即以燃料量作為設(shè)定值，與空氣流量組成比值控制系統(tǒng)，上圖是一水溫調(diào)節(jié)器作為燃料和空氣流量的設(shè)定值，該系統(tǒng)可以保持水溫恒定值，通過(guò)比值器，可以使燃料和空氣的比值恒定，保證燃燒的充分性。2、爐膛負(fù)壓控制為保證鍋爐的安全運(yùn)行

35、，爐膛內(nèi)負(fù)壓必須維持在一定的安全范圍內(nèi)。當(dāng)爐膛負(fù)壓過(guò)小，甚至為正時(shí)，會(huì)造成爐膛內(nèi)煙氣外冒，影像設(shè)備和工作人員的安全。當(dāng)鍋爐負(fù)壓過(guò)大時(shí)，大量冷空氣進(jìn)入爐膛，則會(huì)增加熱量損失降低爐膛的熱效率。影響爐膛負(fù)壓的主要因素為引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，以及燃燒過(guò)程。針對(duì)爐膛負(fù)壓控制采用PID控制，以爐膛負(fù)壓為反饋信號(hào)，根據(jù)與設(shè)定值之間差距，控制引風(fēng)機(jī)的頻率。原理圖如圖2.3所示：PID調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)變頻器爐 膛 負(fù) 壓爐膛負(fù)壓爐 膛 圖2.3 爐膛負(fù)壓PID控制流程3、煙氣含氧量控制當(dāng)鍋爐水溫變化不大時(shí)，通過(guò)對(duì)引風(fēng)量的調(diào)節(jié)可以來(lái)實(shí)現(xiàn)爐膛負(fù)壓的保證，但是一旦水溫負(fù)荷變化較大，就會(huì)導(dǎo)致燃料流量和送風(fēng)量都有較大的變化，而

36、引風(fēng)量只有在上述因素發(fā)生變化時(shí)才會(huì)控制引風(fēng)機(jī)改變風(fēng)量，調(diào)整負(fù)壓，這顯然會(huì)引起爐膛負(fù)壓較大的波動(dòng)。為改善質(zhì)量，特引入比值器，是引風(fēng)量和送風(fēng)量保持在一定比值。原理圖如圖2.4所示：O20%O20%引風(fēng)量量變送器比值器送風(fēng)量變送器爐 膛鼓風(fēng)機(jī)PI D控 制氧量矯正調(diào)節(jié)器煙氣含氧量變送器圖2.4 煙氣含氧量PID控制流程河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 變頻調(diào)速在供暖鍋爐控制中的應(yīng)用 第3章 變頻調(diào)速在供暖鍋爐控制中的應(yīng)用3.1變頻調(diào)速基本原理 變頻器是一種電能控制裝置。它能將電源的工頻頻率轉(zhuǎn)變成為另一頻率，這種轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)歸功于一些相關(guān)半導(dǎo)體器件的通斷作用。目前，該裝置性能良好、穩(wěn)定，能夠適應(yīng)惡劣的工

37、業(yè)環(huán)境，且控制功能較為完善，對(duì)各種異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速都能滿足要求。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源的頻率之間存在正比例關(guān)系，改變對(duì)電機(jī)供電的頻率，就能調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理。降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能量，其經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式： （公式3.1） 式中， ； （公式3.2） 由公式可見(jiàn)電源頻率f、極對(duì)數(shù)P、轉(zhuǎn)速差S的改變都可以影響電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，且它們之間的關(guān)系可控。變頻器就是利用電源頻率f與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，結(jié)合數(shù)字電路、微電子等技術(shù)，采用調(diào)節(jié)供電電源頻率的技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的電氣產(chǎn)品。如圖3.1所示，常見(jiàn)的調(diào)頻調(diào)壓的電路有交-直-交變頻器 ，交-交變頻器兩種。上面是交-直-

38、交變頻器，下面是交-交變頻器。圖3.1 變頻器種類(1)交-直-交變頻器的特點(diǎn)是先將交流整流為直流，再將直流逆變?yōu)榻涣?，采用的是先整流后逆變的組合。在轉(zhuǎn)變的過(guò)程中存在濾波環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)存在整流逆變電路之間，一般是采用電抗器或無(wú)源電容等器件實(shí)現(xiàn)，濾波的對(duì)象是整流后的電壓或電流進(jìn)行。(2)交-交變頻器采用晶閘管自然換流方式，將經(jīng)過(guò)調(diào)壓和調(diào)頻的電網(wǎng)交流電傳給變頻電路，轉(zhuǎn)變并輸出電壓和頻率皆可調(diào)的交流電。交-交變頻器目前已經(jīng)很少采用，主要是因?yàn)槠鋼Q流電流的減少，雖然導(dǎo)致波形比較標(biāo)準(zhǔn)，雜波減少，但是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)的范圍小，且實(shí)現(xiàn)該功能電路復(fù)雜，所以并不被各工程師看重。3.2 變頻器輸入輸出接口 本系統(tǒng)選

39、用的變頻器為ABB公司的Acs60l系統(tǒng)，針對(duì)本系統(tǒng)的應(yīng)用情況，可將變頻器端子上的信號(hào)分為：1.輸入信號(hào)：(1)控制變頻器運(yùn)行的啟停信號(hào)DI1。(2)變頻器的壓力反饋信號(hào)A12口接壓力傳感器的反饋信號(hào)。(3)R.S.T為電源輸入。2. 輸出信號(hào)：(1)RO1：用于指示變頻器內(nèi)部發(fā)生的故障，輸出的為數(shù)字量；(2)RO2：指示變頻器正在運(yùn)行，輸出的為數(shù)字量；(3)RO3：指示變頻器停止運(yùn)行，輸出的同樣為數(shù)字量；(4)U、V、W為三相異步電動(dòng)機(jī)電源的接線端子。3.通訊：通過(guò)CH0、CH1口，變頻器能在電壓、電流、頻率、壓力等參數(shù)上完成圖3.2 變頻器接線示意圖3.3 變頻調(diào)速節(jié)能分析 對(duì)于一般系統(tǒng)來(lái)

40、講，對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵類的風(fēng)量、水量等的控制方法，大多采用檔板或閥門來(lái)調(diào)節(jié)的，實(shí)質(zhì)上此方法就是通過(guò)人為增加阻力的方法，如此會(huì)造成電能的大量浪費(fèi)，并不經(jīng)濟(jì)。變頻調(diào)速對(duì)于風(fēng)機(jī)或者電機(jī)的節(jié)能可以首先從從流體力學(xué)分析：對(duì)于風(fēng)機(jī)來(lái)講，其轉(zhuǎn)速影響電機(jī)功率，功率會(huì)隨轉(zhuǎn)速的降低而下降。例當(dāng)風(fēng)量下降到70，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之下降到70，其功率將會(huì)變?yōu)轭~定的40，所以采用該技術(shù)節(jié)電效果很好。由此可知，通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)的采用來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)電是現(xiàn)如今的主要趨勢(shì)和途徑，其效果十分有效。因?yàn)檫@種方法具有實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果好，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)幅度大、轉(zhuǎn) 差 損 耗不會(huì)被附加等特點(diǎn) ，所以很容易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和協(xié)調(diào)控制。對(duì)于現(xiàn)有的這種電機(jī)，可

41、以通過(guò)對(duì)進(jìn)行技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)變頻控制，改造并不難實(shí)現(xiàn)，其過(guò)程簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。 圖3.3分別是風(fēng)機(jī)在變頻調(diào)速和風(fēng)門調(diào)節(jié)兩種控制方式下風(fēng)路的功率-風(fēng)量（P Q）關(guān)系和壓力-風(fēng)量（H - Q）關(guān)系。其中，曲線1所表示的是在額定轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)的壓力風(fēng)量曲線，曲線2是在轉(zhuǎn)速較低時(shí)壓力與風(fēng)量的關(guān)系，當(dāng)風(fēng)門開度最大時(shí)壓力與風(fēng)量的關(guān)系如曲線3所示，開度較小時(shí)，曲線4表示兩者之間的變化趨勢(shì)。由圖3.3可以看出，在風(fēng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風(fēng)門開度時(shí)，若實(shí)際風(fēng)量由Q1 下降到Q2，則工況點(diǎn)將沿 曲線1由 A點(diǎn)移到B點(diǎn)；若用變頻器在開度最大時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， 則兩者之間的變化將沿曲線3的軌跡由A點(diǎn)降到到 C點(diǎn)。從圖上可以明顯的看出

42、，風(fēng)量在B點(diǎn)與C點(diǎn)相 同，但對(duì)于壓力來(lái)說(shuō)C點(diǎn)的要比B點(diǎn)小得多。因此，在變頻調(diào)速的方式下，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速可得到明顯降低，當(dāng)然其所達(dá)到的節(jié)能效果也很明顯。風(fēng)門調(diào)節(jié)方式的PQ曲線如曲線6所示，變頻控制的PQ曲線則為曲線5。在相同風(fēng)量下，變頻控制方式能耗更小。 圖3.3 變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)中的節(jié)能分析河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 供暖鍋爐控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 第4章 供暖鍋爐控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì) 根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)風(fēng)機(jī)和電機(jī)采用變頻起動(dòng)和調(diào)速。雖然變頻器本身就有過(guò)載保護(hù)功能，但是為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全，杜絕事故的發(fā)生，當(dāng)用變頻器控制水泵或者電動(dòng)機(jī)時(shí)，還應(yīng)在主電路變頻器的下面接

43、入熱繼電器，來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的過(guò)載保護(hù)功能。圖4.1 系統(tǒng)主接線圖4.2系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì) 在控制電路的設(shè)計(jì)中，為了保護(hù)PLC設(shè)備，當(dāng)PLC輸出口涉及到與強(qiáng)電相連時(shí)，首先要應(yīng)該做好的是強(qiáng)弱電之間的隔離 。為了實(shí)現(xiàn)隔離，PLC輸出端口是通過(guò)中間繼電器去控制電機(jī)動(dòng)作，而不是直接和交流接觸器連接。這樣就可以保證系統(tǒng)工作的可靠性，PLC的使用壽命也同樣得到延長(zhǎng)。在整個(gè)供暖鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，所有接 觸器的動(dòng)作、電機(jī)的啟動(dòng)，都是按照PLC的程序指令控制來(lái)完成的。系統(tǒng)同時(shí)具有各種監(jiān)視參數(shù)顯示、故障指示以及報(bào)警輸出，模擬量的輸入、輸出等功能。其中故障顯示包括溫度過(guò)高，爐膛負(fù)壓過(guò)高，水箱水位過(guò)高報(bào)警，當(dāng)相應(yīng)參數(shù)達(dá)

44、到上限時(shí)會(huì)有燈光報(bào)警?？刂齐娐分械闹甘緹羰怯脕?lái)指示系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，對(duì)于指示燈的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)考慮如何減少PLC的輸出端口，達(dá)到節(jié)省的目的。在相應(yīng)電路中采用PLC輸出端子的中間繼電器，通過(guò)相應(yīng)中間繼電器觸點(diǎn)的斷開和閉合來(lái)控制指示燈的滅和亮，指示當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 圖4.2為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中QF為控制電路總電源斷路器開關(guān)，F(xiàn)U1為所有控制電路做短路一級(jí)保護(hù)，F(xiàn)U2為面板指示燈做短路故障保護(hù)。為了避免其PLC輸出繼電器觸點(diǎn)受到燒傷燒糊，本設(shè)計(jì)采用中間電器進(jìn)行隔離，KA1-KA7均為PLC輸出中間繼電器隔離觸點(diǎn)，PLC相應(yīng)輸出則為對(duì)應(yīng)的中間繼電器線圈通電吸合。圖4.2 系統(tǒng)控制電路圖4.3

45、 S7-200 PLC硬件介紹 對(duì)于PLC及擴(kuò)展模塊CPU選用交流220V電源供電，每個(gè)模塊需要接地的必須進(jìn)行接地保護(hù)。輸入采用CPU自帶的傳感器電源進(jìn)行輸入并采用漏型輸入接法，輸出根據(jù)中間繼電器線圈額定電壓選擇交流220V輸出。模擬量輸入一般采用兩線制由相應(yīng)的變送器送出4-20mA的電流信號(hào)輸入到相應(yīng)的模擬量輸入模塊，再由模擬量模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成6400-32000的數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)程序控制。由于變頻器本身自帶有24V直流電源供電，所以變頻器頻率反饋屬于四線制輸入。模擬量輸出統(tǒng)一使用0-10V信號(hào)進(jìn)行模擬量輸出控制嗎，由I/O口分配表4.1可知，該系統(tǒng)需要6個(gè)模擬量輸入，4個(gè)模擬量輸出通道

46、。所以選用兩個(gè)EM235模塊，和兩個(gè)EM232模塊。4.4系統(tǒng)主要元器件4.4.1 可編程控制器1、可編程控制器的組成:PLC包括CPU模塊、輸入/輸出模塊、電源模塊、外圍設(shè)備等。1）CPU作為PLC的“大腦”，CPU是其實(shí)現(xiàn)控制功能的核心。它主要包括運(yùn)算器和控制器。其中前者主要功能是進(jìn)行邏輯運(yùn)算等操作，對(duì)系統(tǒng)接收到的信息進(jìn)行處理。后者是講處理的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一分配，傳送到相應(yīng)控制器件，實(shí)現(xiàn)集中控制和指揮。PLC 能夠有條不紊地完成工作，主要?dú)w功于CPU的協(xié)調(diào)控制，由此才能保證PLC實(shí)現(xiàn)更多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。2） I/O模塊 PLC與外部設(shè)備的聯(lián)系，是通過(guò)輸入輸出模塊完成的。內(nèi)部或者外部的信號(hào)在PL

47、C中傳送的過(guò)程并不是直接進(jìn)行，而是首先存儲(chǔ)在中間的寄存器或者鎖存器，在每個(gè)掃描個(gè)掃描周期過(guò)程中，PLC將這些寄存中的信息讀入，同樣在掃描周期到來(lái)時(shí)，處理好的信息在傳送到這些鎖存器中。由于PLC所處理的信號(hào)主要是數(shù)字信號(hào)，所以外部的電信號(hào)在進(jìn)入PLC之前，首先要將其改變成數(shù)字信號(hào)，信號(hào)由PLC傳出的過(guò)程正好相反。I/ O分為開關(guān)量輸入輸出模塊，模擬量輸入輸出模塊，還有智能模塊。智能模塊包括：熱電偶、熱電阻擴(kuò)展模塊，通信模塊、位控模塊（如EM253）等。3）編程器編程器用來(lái)供用戶輸入程序的軟件，通過(guò)這個(gè)軟件還可以對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和編輯。S7-200 PLC采用的編程器是STEP7-Micro/WIN

48、軟件，它不但可以連機(jī)編程，還可以脫機(jī)編程，功能強(qiáng)大、方便使用。4）電源PLC配有電源模塊，用于為各模塊工作時(shí)提供電源。同時(shí)，還可以提供24V或者220V的電源。因此，輸入電源有交直流之分，交流電源特點(diǎn)為220VAC或110VAC。2、 PLC系統(tǒng)配置根據(jù)系統(tǒng)控制要求，結(jié)合本系統(tǒng)的具體功能需要，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)I/O要求為:2個(gè)輸入開關(guān)量，6個(gè)輸出開關(guān)量，模擬量輸入通道為6個(gè)，模擬量輸出為4通道。整體上考慮系統(tǒng)對(duì)PLC運(yùn)算能力的要求，本系統(tǒng)選用西門子的S7-200系列PLC，CPU模塊選用CPU226。I/O分配表如表4.1所示。表4.1 I/O分配表名稱地址作用名稱地址作用開始按鈕I0.0總

49、啟動(dòng)運(yùn)行指示 QO.0系統(tǒng)運(yùn)行指示停止按鈕I0.1總停止供水泵QO.1供水泵外部端子啟動(dòng)水箱水溫AIW0水箱水溫信號(hào)采集負(fù)壓報(bào)警QO.2爐膛負(fù)壓過(guò)高指示水箱水位AIW2水箱水位信號(hào)采集水位報(bào)警QO.3水位過(guò)高報(bào)警指示爐膛負(fù)壓AIW4爐膛負(fù)壓信號(hào)采集蒸汽閥Q0.4調(diào)節(jié)水箱壓力煙含氧量AIW6 含氧量采集水溫報(bào)警Q0.5水溫過(guò)高指示室外溫度AIW8 室外溫度采集點(diǎn)火Q0.6點(diǎn)火裝置水箱壓力AIW10水箱壓力信號(hào)采集溫度設(shè)定指示Q0.7溫度輸入設(shè)定儲(chǔ)水箱水位信號(hào)AIW12儲(chǔ)水箱水位信號(hào)采集燃料量AQW0燃料電動(dòng)閥鼓風(fēng)機(jī)AQW2鼓風(fēng)機(jī)變頻器引風(fēng)機(jī)AQW4引風(fēng)機(jī)變頻器給水閥AQW6調(diào)節(jié)鍋爐水箱水位4.4

50、.2 EM235 模擬量輸入/輸出模塊 在鍋爐水溫控制系統(tǒng)中，相應(yīng)信號(hào)采集器（傳感器）將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(hào)，系統(tǒng)中的模擬量的輸入/輸出模塊把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再送入PLC 中進(jìn)行處理。本文中我們選擇兩個(gè)西門子的EM235模擬量輸入/輸出模塊，它具有4路模 擬量輸入通道/1路模擬量輸出通道 。PLC通過(guò)該模塊可以接收到外部傳感器等傳給的模擬量信號(hào)，80mV范圍。使用前，用戶必須通過(guò)DIP開關(guān)檢查是否斷線，選擇使用哪一類型的熱電偶，確定測(cè)量單位，檢查開路故障方向和冷端補(bǔ)償方式：SW1SW3的作用是熱電偶類型的選擇，SW4此處沒(méi)有用到，從哪個(gè)方向檢測(cè)斷線可以通過(guò)設(shè)定SW5

51、實(shí)現(xiàn)，而是否對(duì)斷線進(jìn)行檢測(cè)是由SW6控制的，SW7是在SW6允許的情況下選擇測(cè)量的方向，是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償?shù)呐袛嗍峭ㄟ^(guò)SW8進(jìn)行的。所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型。4.4.3 傳感器的選型1、壓力傳感器的選型 本系統(tǒng)中采用的是普通型壓力傳感器型號(hào)為CYB-20S。CYB-20S系列傳感器輸出的信號(hào)為420mA、05V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，它的敏感元件為CYB10S壓力傳感器，結(jié)合相應(yīng)的線路設(shè)計(jì)從而形成的一種整體結(jié)構(gòu)，其作為一中配套裝置在生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。CYB-20S形狀為圓柱形，采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，體積小，可從外部直接調(diào)整靈敏度和零點(diǎn)，十分方便。2、液位傳感器的選型 本設(shè)計(jì)中的液位傳感器采

52、用的是光電傳感器OPG-01，由一個(gè)光接收器和紅外LED組成。LED用于發(fā)出光線，接收器用于接受發(fā)出的光線。當(dāng)沒(méi)有液體存在時(shí)，LED發(fā)出的光經(jīng)過(guò)傳感器頂端的棱鏡反射，傳播到接受器，此時(shí)不會(huì)觸動(dòng)電動(dòng)開關(guān)。當(dāng)被測(cè)容器中被注入液體時(shí)，液體逐漸上升侵入棱鏡時(shí)，發(fā)射的光一部分會(huì)被折射到液體中，從而使接受器的接收到的光線就會(huì)變少甚至無(wú)光。感應(yīng)這個(gè)變化，經(jīng)過(guò)放大器放大信號(hào)后，接受器就會(huì)打開單元中的電動(dòng)開關(guān)，從而導(dǎo)致外部報(bào)警或控制電路工作。3、水溫傳感器 該系統(tǒng)選用的水溫傳感器是選擇Pt100鉑熱電阻傳感器，它能將溫度轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，簡(jiǎn)稱為：PT100鉑電阻。P100鉑熱電阻是利用其阻值受溫度影響的特點(diǎn)制作而

53、成的， 也即它的工作原理。0下的PT100阻值為100，PT后的標(biāo)志“100”即表示它在0時(shí)的阻值，而在100時(shí)它的阻值則變?yōu)?38.5。4、TB2A-FC氧化鋯氧傳感器 儀器采用氧化鋯管作為氧傳感器，其規(guī)格為90mm、直徑7mm且一端封閉，主要檢 測(cè)燃燒系統(tǒng)中煙氣的含氧量。該傳感器包含很多鋯管，為傳感器的接觸裝置。在該裝置上有許多鉑電極，呈多孔狀。被測(cè)氣體通過(guò)接觸該傳感器的取樣裝置，在TBM氧變送器的控制下，在內(nèi)加熱器中將鋯管加熱至7350.2，形成氧濃差電池。氧化鋯材料例子比較活躍，一經(jīng)加熱會(huì)產(chǎn)生很多氧離子空穴，在檢測(cè)時(shí)，當(dāng)被測(cè)氣體的氧濃度在由鋯管構(gòu)成的接觸裝置兩側(cè)差距較大時(shí)，氧離子空穴會(huì)

54、將濃度較高一方氧離子的遷移到較低的一方，這樣在電極的兩邊產(chǎn)生一定電壓。濃度差的大小就是產(chǎn)生的相應(yīng)信號(hào)的大小，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器的放大后可以被PLC所采集。根據(jù)能斯特方程，該電壓與氧濃差關(guān)系如下： 式中：E 為鋯管電壓（mV）， T 為鋯管絕對(duì)溫度（K）， C 為鋯管本底電勢(shì)（mV） 上式可見(jiàn)，當(dāng)鋯管溫度T固定不變時(shí)，鋯管的一側(cè)通入大氣時(shí)，鋯管電壓E表示的是被測(cè)氣體的含氧濃度。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 供暖鍋爐控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 第5章 供暖鍋爐控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩大主要部分，本節(jié)詳細(xì)介紹供暖鍋爐的軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本原則、方法，并對(duì)STEP7-M

55、icro/WIN的使用進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，同時(shí)對(duì)程序設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的分析。5.1 PLC程序設(shè)計(jì)的基本原則和方法 軟件設(shè)計(jì)的人主要目標(biāo)是完成系統(tǒng)的工藝流程，符合系統(tǒng)的控制要求，滿足系統(tǒng)所具有的各項(xiàng)功能，且方便操作，適合所選的硬件。面對(duì)各種各樣的應(yīng)用系統(tǒng)，不管設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)工藝要求如何復(fù)雜或如何簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)人員都要遵一下基本設(shè)計(jì)原則:(1) 對(duì)CPU外圍設(shè)備的管理，由系統(tǒng)自身完成，設(shè)計(jì)人員不必再進(jìn)行處理；(2) 保證信號(hào)的輸入輸出操作的統(tǒng)一性，確定各個(gè)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)具有唯 一的狀態(tài)；(3) 由于CPU在每個(gè)周期內(nèi)，對(duì)于一些窗口服務(wù)都要固定的進(jìn)行，從而會(huì)占 用一定的機(jī)器時(shí)間，所以不能無(wú)限制的縮短CPU的

56、周期時(shí)間； CPU周期 掃描時(shí)間一定要大于定時(shí)器時(shí)間設(shè)定值；(4)用戶程序中如果多次對(duì)統(tǒng)一參數(shù)進(jìn)行賦值操作，則最后一冊(cè)操作有效； 在程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中，常用的方式有利用經(jīng)驗(yàn)、功能邏輯等方法。除此之 外好包括先畫出繼電器控電路，然后將其轉(zhuǎn)換成地形圖等手段。5.2 編程軟件STEP7-Micro/WIN 概述 基于Windows的STEP7-Micro/WIN 編程軟件是由西門子公司專為S7-200系列PLC設(shè)計(jì)開發(fā)，它供用戶開發(fā)編程使用,功能十分強(qiáng)大，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。5.2.1 STEP7-Micro/WIN 簡(jiǎn)單介紹 以STP7-Micro/WIN創(chuàng)建程序，為接通STEP7Mic

57、ro/WIN，可雙擊STEP7-MIcro/WIN的圖標(biāo)，如圖5-1所示，在項(xiàng)目窗口中，用戶可以進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)，編譯。左側(cè)瀏覽條列出了許多不同編程特性的窗口按鈕，用于訪問(wèn)程序的不同屬性，如符號(hào)表，指令表等。用戶在編程過(guò)程中所需的各指令在左側(cè)指令樹都可以找到，用戶可以根據(jù)需要在指令樹中調(diào)用。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的底部按標(biāo)簽顯示。圖 5.1 STEP7-Micro/WIN項(xiàng)目窗口本項(xiàng)目中我們利用 STEP7-Micro/WIN V4.0 SP5編程軟件，其界面如圖5-1所示。項(xiàng)目包括的基本組件：符號(hào)表、程序塊、通信、系統(tǒng)塊、符號(hào)表、狀態(tài)表等。 5.2.2 計(jì)算機(jī)與PLC的通信 為了實(shí)現(xiàn)

58、計(jì)算機(jī)和PLC的通信，需要在STEP7-Micro/WIN 中設(shè)置器其通信屬性：首先，雙擊左邊的“通信”圖標(biāo)，將出現(xiàn)“通信”對(duì)話框，也可從“查看”中選擇“組件”中的“通信”，同樣能打開上述對(duì)話框，如圖5.2。在與S7-200連接通信之前，首先要在對(duì)話框中設(shè)置遠(yuǎn)程地址，在本系統(tǒng)中選擇的是默認(rèn)的值“2”，此即為與S7-200通訊的地址。雙擊右側(cè)對(duì)話框中“雙擊刷新”藍(lán)色圖標(biāo)，編程軟件將會(huì)自動(dòng)搜索網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)連接上的PLC，并顯示搜索到的PLC的具體型號(hào)。此時(shí)表示已經(jīng)通信成功，選擇右下角的“確認(rèn)”即可。圖5.2 PLC通信窗口5.3 PID指令向?qū)?PID控制程序中的過(guò)程變量（PV）為0.001.00之

59、間的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)數(shù)，所以在編程之前首先應(yīng)該將相關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換符合形式的標(biāo)準(zhǔn)量。PID運(yùn)算結(jié)束之后，由于需要傳送給模擬量輸出模塊，因此要把回路輸出的值轉(zhuǎn)換為模擬量形式。本文設(shè)計(jì)的供暖鍋爐控制系統(tǒng)中需要用到四個(gè)PID控制程序，且都是用向?qū)傻?，具體步驟就不詳細(xì)介紹了。5.4 程序設(shè)計(jì)5.4.1系統(tǒng)主程序： 啟動(dòng)程序，其中I0.0為啟動(dòng)按鈕，I0.1為停止按鈕。M0.0是中間繼電器，控制啟停。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，M0.0閉合，運(yùn)行子程序0，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集。同時(shí)執(zhí)行點(diǎn)火裝置，點(diǎn)燃爐膛燃料，另外系統(tǒng)運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮，指示系統(tǒng)正常運(yùn)。該段程序是鍋爐水溫PID控制，根據(jù)水溫控制燃料電動(dòng)閥的開度。首先鍋爐水溫目標(biāo)值可有系統(tǒng)自動(dòng)給定，也可以手動(dòng)給定。當(dāng)M11.0打開時(shí)，水溫目標(biāo)值處于系統(tǒng)自動(dòng)給定狀態(tài)，當(dāng)室外溫度小于0度是，設(shè)定水溫為90度，當(dāng)室外溫度處在大于0度小于10度時(shí)，設(shè)定水溫為60度，當(dāng)室外溫度大于10度時(shí)系統(tǒng)停止運(yùn)行。當(dāng)M11.0