基于S7-200PLC的鍋爐控制系統(tǒng)的設計

1、華北科技學院畢業(yè)設計（論文）第一章 緒論鍋爐是供熱設備中最普遍的動力設備之一，它的功能是把燃料中的貯能，通過燃燒轉化成熱能，以蒸汽或熱水的形式輸向各種設備。目前，大多數(shù)鍋爐都是人工控制的，或簡單的儀表單回路調節(jié)系統(tǒng)，燃料浪費很大。鍋爐作為一個設備總體，有許多被控制量與控制量，許多參數(shù)之間明顯地存在著復雜的關系。對于鍋爐這個復雜的系統(tǒng)，由于其內部能量轉換機理過于復雜，采用常規(guī)的方式進行控制，難以達到理想的控制效果，因此，必須采用智能控制方式控制，才能獲得最佳控制效果?？删幊踢壿嬁刂破?PLC)既能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)，又具有擴展各種輸入輸出模塊，如A/D模塊、熱電偶熱電阻模塊，構成多功

2、能控制系統(tǒng)。現(xiàn)代PLC集成度高、功能強、抗干擾能力強、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定。在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮著越來越重要的作用。目前供暖鍋爐大都采用人工監(jiān)控，一方面浪費人力；另一方面在出現(xiàn)事故隱患時，操作人員難以及時發(fā)現(xiàn)，很容易造成運行中設備的事故。在各種工業(yè)企業(yè)的動力設備中，鍋爐是重要的組成部分,所以鍋爐的性能至關重要。要設計一套完整的、性能良好的工業(yè)燃燒鍋爐，首先就必須了解一般燃燒鍋爐的基本構造和燃燒過程。1.1 鍋爐的基本構造鍋爐是一種產(chǎn)生蒸汽或熱水的熱交換設備。它通過燃料的燃燒釋放大量熱能，并通過熱傳遞把能量傳遞給水，把水變成蒸汽或熱水，蒸汽或熱水直接供給工業(yè)和生活中所需要的熱能。所以鍋爐的

3、中心任務是把燃料中的化學能有效的轉化為蒸汽的熱能。圖1.1為簡單鍋爐的大體組成部分。 鍋爐的主要設備包括氣鍋、爐子、爐膛、鍋筒、水冷壁、過熱器、省煤器、燃燒設備、引風設備、送風設備、給水設備、空氣預熱器、水處理設備、燃料供給設備以及除灰除塵設備等。氣鍋：由上下鍋筒和三簇沸水管組成。水在管內受管外煙氣加熱，因而管簇內發(fā)生自然的循環(huán)流動，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備。爐膛：保證燃料的充分燃燒，并使水流受熱面積達到規(guī)定的數(shù)值。鍋筒：使自然循環(huán)鍋爐各受熱面能適應負荷變化的設備。（須指出，直流鍋爐內無鍋筒。）水冷壁：主要是輻射受熱面，保護爐壁的作

4、用。過熱器：是將氣鍋所產(chǎn)生的飽和蒸汽繼續(xù)加熱為過熱蒸汽的換熱器。過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，由于提高了進入氣包的給水溫度，減少了因溫差而引起的汽包壁的熱適應力，從而延長了汽包的使用壽命。燃燒設備：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。引風設備：包括引風機、煙道和煙囪等幾部分。用它將鍋爐中的煙氣連續(xù)排出。送風設備：包括有鼓風機和分道組成。用它來供應燃料所需的空氣。給水設備：由給水泵和給水管組成。空氣預熱器：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

5、要的空氣，是一個換熱器。省煤器出口煙溫度高，裝上空氣預熱器后，可以進一步降低排煙溫度，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，提高鍋爐機組的效率。水處理設備：其作用是為清除水中的雜質和降低給水硬度，以防止在鍋爐受熱面上結水垢或腐蝕。燃料供給設備：由燃油給油泵、燃油開關等設備組成，保證鍋爐所需燃料供應。除灰除塵設備：是收集鍋爐灰渣并運往儲灰場地的設備。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安全閥、水位表、高低水位報警器、壓力表、主氣閥、排污閥和止污閥等，還有用來消除受熱面上積灰的吹灰器，以提高鍋爐運行的經(jīng)濟性，本設計由于篇幅其間，則就不必考慮這些問題了。汽包汽水分

6、界面除塵器鍋爐引風機鼓風機煙囪給水開關鍋爐給水泵省煤器燃油開關排汽閥鍋爐給油泵排水開關補水箱 圖1.1 鍋爐控制系統(tǒng)硬件組成圖1.2 鍋爐的工作原理及過程鍋爐是一種生產(chǎn)蒸汽的換熱設備。它通過煤、油或燃氣等燃料的燃燒釋放出化學能，并通過傳熱過程將能量傳遞給水，使水轉變?yōu)檎羝?，蒸汽直接供給工業(yè)生產(chǎn)中所需的熱能，或通過蒸汽動力機 能轉變?yōu)闄C械能，或通過汽輪發(fā)電機轉變?yōu)殡娔?。所以鍋爐的中心任務是把燃料中的化學能最有效地轉變?yōu)檎羝臒崮堋Ｒ虼耍仩t亦稱為蒸汽發(fā)生器。鍋爐的工作過程概括起來應該包括三個同時進行的過程：燃料的燃燒過程 、水的汽化過程、煙氣向水的傳熱過程。1.2.1 燃料的燃燒過程首先將燃

7、料（這里用煤）加到煤斗中，借助于重力下落在爐排面上，爐排接電動機通過變速齒輪箱減速后由鏈輪來帶動，將燃料煤帶入爐內。燃料一面燃燒，一面向后移動，燃料所需要的空氣是由風機送入爐排腹中風倉后，向上穿過爐排到達燃料層，進行燃料反應形成高溫煙氣。燃料燃燒剩下的灰渣，在爐排末端翻過除渣板后排入灰斗，（若是燃氣式鍋爐就沒有這一部分了）這整個過程稱為燃燒過程。1.2.2 水的汽化過程水的汽化過程就是蒸汽的產(chǎn)生過程，主要包括水循環(huán)和水分離過程。經(jīng)處理的水由泵加壓，先流經(jīng)省煤器而得到預熱，然后進入氣鍋。鍋爐工作時氣鍋的工作介質是處于飽和狀態(tài)的汽水混合物。位于煙溫較低區(qū)段的對流灌束，因受熱較弱，汽水工質的容量較大

8、，而位于煙溫較高區(qū)段的對流管束，因受熱強烈，相應的汽水工質的容量較小，從而量大的工質則向上流入下鍋筒，而容量小的工質則向上流入上鍋筒，形成了鍋水的自然循環(huán)。蒸汽所產(chǎn)生的過程是借助于上鍋筒內設的汽水分離裝置。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，進入蒸汽過熱氣，而分離下來的水仍回到上鍋筒的下半部的水中。鍋爐中的水循環(huán)，也保證與高溫煙氣相接觸的金屬受熱面的以冷卻而不被燒壞，是鍋爐能長期安全運行的必要條件。而汽水混合物的分離設備則是保證蒸汽品質和蒸汽過熱可靠工作的必要的設備。1.2.3 煙氣向水的傳熱過程由于燃料的燃燒放熱，爐內溫度很高在爐膛的四周墻面上，

9、都布置一排水管，俗稱水冷壁。高溫煙氣與水冷壁進行強烈的輻射換熱，將熱量傳給管內工質水。繼而煙氣受引風機和煙囪的引力而向爐膛上方流動。煙氣從爐膛出口經(jīng)過防渣管后，就沖刷蒸汽過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熱。煙氣流經(jīng)過過熱氣后掠過脹接在上、下鍋筒間的對流管束，在管束間設置了折煙墻使煙氣呈“S”型曲折地橫向沖刷，再次以對流換熱的方式將熱量傳遞給管束的工質。沿途逐漸降低溫度的煙氣最后進入尾部煙道，與省煤器和空氣預熱器內的工質進行熱交換后，以經(jīng)濟的較低的煙溫排出鍋爐。省煤器實際上同給水預熱器和空氣預熱器一樣，都設置在鍋爐尾部（低溫）煙道，以降低排煙溫

10、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程，一個鍋爐進行工作，其主要任務是：(1)要是鍋爐出口蒸汽壓力穩(wěn)定。(2)保證燃燒過程的經(jīng)濟性。(3)保持鍋爐負壓恒定。通常我們是爐膛負壓保持在微負壓（-1080Pa）。為了完成上述三項任務，我們對三個量進行控制：燃料量，送風量，引風量。從而使鍋爐能正常運行。1.3 難點分析由于調節(jié)量是汽包水位，而調節(jié)量則是給水流量，通過對給水流量的調節(jié)，使汽包內部的物料達到動態(tài)平衡，變化在允許范圍之內，雖然鍋爐汽包水位對蒸汽流量和給水流量變化的響應呈積極特性，但是在負荷(蒸汽流量)急劇增加時，表現(xiàn)卻類似逆響應特性，即所謂的虛假水位。造成這一原因是由于負

11、荷增加時，導致汽包壓力下降，使汽包內水的沸點溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系統(tǒng)，實質上是維持鍋爐進出水量平衡的系統(tǒng)。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標，通過調整進水量的多少來達到進出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。由于鍋爐水位系統(tǒng)是一個設有自平衡能力的被控對象，運行中存在虛假水位現(xiàn)象，實際應用中可根據(jù)情況采用水位單沖量、水位蒸汽量雙沖量和水位、蒸汽量、給水量三沖量的控制系統(tǒng)。第二章 總體設計方案鍋爐系統(tǒng)是一個復雜的多變量耦合系統(tǒng)。根據(jù)主控變量可將鍋爐系統(tǒng)分為蒸汽溫度控制系統(tǒng)、蒸汽壓力控制系統(tǒng)、汽

12、包液位控制系統(tǒng)以及爐膛負壓控制系統(tǒng)。下面分別對這幾個子系統(tǒng)的設計進行詳細的介紹。2.1 蒸汽溫度控制系統(tǒng)因為鍋爐的運行環(huán)境不可能是理想的狀態(tài)，蒸汽的溫度總是會受到某些干擾的影響，所以必學對蒸汽的溫度加以控制，以在一定范圍內得到溫度相對恒定的蒸汽。影響蒸汽溫度的主要因素是給油量以及空氣與給油量比，所以我們采用了串級比值控制系統(tǒng)分別控制給油量以及給風量。另外，影響蒸汽溫度的因素還有給水量、蒸發(fā)量以及引風量等，又考慮到了控制系統(tǒng)相應的快速性，我們又將給水量和蒸發(fā)量作為蒸汽溫度控制的前饋量來構成前饋控制系統(tǒng)。即采用前饋比值串級控制系統(tǒng)對蒸汽溫度進行控制，其控制系統(tǒng)的結構框圖見圖2.1所示。蒸汽溫度控制

13、器給油控制器給油調節(jié)器給油執(zhí)行器給油量給油量檢測、變送器蒸汽溫度給風控制器給風調節(jié)器給風執(zhí)行器給風量給風量檢測變送器蒸汽溫度檢測、變送器蒸汽溫度設定值-比值控制器-給水量蒸發(fā)量圖2.1 蒸汽溫度控制系統(tǒng)結構框圖2.2 蒸汽壓力控制系統(tǒng)如果過來內壓力過低，將會降低蒸汽質量；反之，如果鍋爐內壓力過高，有可能導致爆炸等安全事故的發(fā)生。所以必須保證鍋爐的壓力處于一個適中的范圍內，即必須對鍋爐壓力加以控制。上述蒸汽溫度控制系統(tǒng)在控制蒸汽溫度的同時就直接影響了蒸汽壓力，在次不詳加介紹。壓力控制系統(tǒng)分為安全壓力控制系統(tǒng)和超壓控制系統(tǒng)。安全壓力控制系統(tǒng)是鍋爐壓力在安全壓力范圍之內的控制系統(tǒng)，其主要完成的功能是

14、在安全的基礎上對壓力進行調節(jié)，使壓力維持在一定的范圍內，以得到需要的蒸汽壓力，保證蒸汽質量；超壓控制系統(tǒng)是鍋爐壓力超壓時所采用的壓力控制系統(tǒng)，其主要完成的功能是當壓力超出某以壓力上限的設定值時，迅速打開安全閥，使壓力迅速降低，直到降到安全范圍內后又迅速關閉安全閥。其中安全壓力控制系統(tǒng)采用串級控制，而超壓控制系統(tǒng)采用單回路控制，所以蒸汽壓力控制系統(tǒng)是一個綜合的控制系統(tǒng)，從某種意義上講，可以將其歸入分程控制系統(tǒng)一類，其結構框圖見圖2.2所示。蒸汽壓力控制器蒸汽流量控制器蒸汽流量調節(jié)器蒸汽流量執(zhí)行器蒸汽流量蒸汽壓力蒸汽流量檢測、變送器蒸汽壓力檢測、變送器安全閥-蒸汽壓力設定值圖2.2 蒸汽壓力控制系

15、統(tǒng)結構框圖2.3 汽包液位控制系統(tǒng)如果汽包液位過高，可能會影響蒸汽質量，甚至會導致水滿溢出等安全事故；反之，如果汽包液位過低，鍋爐很有可能會被燒壞，甚至導致爆炸等安全事故。能夠影響汽包液位的主要有兩大變量，那就是給水量和蒸發(fā)量，在其他條件不變的情況下，蒸發(fā)量越大，液位越低，而給水量越大則液位越高，反之則反。其中蒸發(fā)量是由工業(yè)的需要所決定的，而給水的主要作用就是用以維持汽包液位的，所以我們選擇給水量作為操縱量對汽包液位進行控制，又因為考慮到系統(tǒng)相應的平穩(wěn)性和快速性，除采用串級控制外，還將蒸發(fā)量引入前饋通道，對系統(tǒng)進行前饋串級控制，其控制系統(tǒng)的結構框圖見圖2.3所示。汽包液位控制器給水控制器給水調

16、節(jié)器給水執(zhí)行器給水量汽包液位給水量檢測、變送器汽包液位檢測、變送器-汽包液位設定值蒸發(fā)量圖2.3 汽包液位控制系統(tǒng)結構框圖2.4 爐膛負壓控制系統(tǒng)如果爐膛負壓太大，甚至為正，則爐膛內煙氣過多，甚至煙氣向外冒，影響設備和操作人員的安全；反之，爐膛負壓過小，會使冷空氣漏進爐膛內，從而是熱量損失增加，降低燃燒效率。所以必須對爐膛的壓力進行控制。影響爐膛壓力的主要變量有給煤量、給風量以及抽風量等，而其中給煤量和給風量是由蒸汽溫度、壓力以及蒸發(fā)量等因素決定的，所以要想保持爐膛壓力在一定范圍內保持不變就只有改變抽風量，亦即通過調節(jié)抽風量以達到控制爐膛壓力的目的。另外，又因為考慮到系統(tǒng)相應的快速性，同時，又

17、因為給風量和給煤量成一定的比例關系，為了提高控制品質以及簡化控制系統(tǒng)的結構，我們將且盡將給煤量引入前饋通道參與了爐膛壓力的控制。爐膛負壓控制系統(tǒng)采用了前饋串級控制，其結構框圖見圖2.4所示。爐膛負壓控制器引風控制器引風調節(jié)器引風執(zhí)行器引風量爐膛負壓引風量檢測變送器爐膛負壓檢測變送器-爐膛負壓設定值給油量圖2.4 爐膛負壓控制系統(tǒng)結構框圖2.5 報警系統(tǒng)因為系統(tǒng)的運行并不是100%的，所以難免某些控制變量會超出可控或安全的范圍，當出現(xiàn)這類情況時，隨時都有可能危及到現(xiàn)場操作人員以及工作設備等的安全，所以必須對這類情況給出相應的報警提示，即必須安裝相應的報警系統(tǒng)，用以提示操作人員做出相應的必要操作，

18、在某些可能出現(xiàn)安全事故的情況下還有用于提示人員疏散等緊急措施。在本次設計中，我們設計了四個報警系統(tǒng)，即溫度報警系統(tǒng)、壓力報警系統(tǒng)、液位報警系統(tǒng)和負壓控制系統(tǒng)，分別對蒸汽溫度、蒸汽壓力、汽包液位和爐膛負壓進行超限報警提示。在鍋爐的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)分別對蒸汽溫度、蒸汽壓力、汽包液位和爐膛負壓設置了上下限值。報警系統(tǒng)就是當相應的實測值低于（或高于）其相應的下限（或上限）值時給出相應的下（上）限報警，這些功能均由軟件完成，與此同時，控制系統(tǒng)還會做出相應的反應，使相應的變量值進入相應的極限范圍，然后撤銷相應的報警提示。2.6 總體設計系統(tǒng)結構本系統(tǒng)屬于燃油鍋爐系統(tǒng)，一般分為燃燒控制系統(tǒng)、給水泵控制系統(tǒng)、

19、引風機控制系統(tǒng)和鼓風機控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用集中控制，分為四部分，系統(tǒng)結構框圖如圖2.5所示電氣控制回路（帶變頻）1#-2#給水泵傳感器與變送器鍋爐本體西門子S7-200系列可編程控制器電氣控制回路（帶變頻）電氣控制回路（帶變頻）電氣控制回路（帶變頻）3#-4#給油泵5#-6#引風機7#-8#鼓風機 圖2.5系統(tǒng)結構框圖第三章 系統(tǒng)硬件設計3.1 傳感器的選型傳感器是一種能將與待測量的能量形式，轉化成另一種可供處理查詢的能量形式的裝置。信號處理電路用于處理信息，而輸出器件是一種利用已處理過的信號的裝置、顯示或動作。3.1.1 溫度傳感器我們經(jīng)過充分考慮決定選用鎳鉻鎳硅熱電偶。這種熱電偶分度號為“

20、K”。它的正極是鎳鉻合金，負極為鎳硅。溫度測量范圍為-2001200。其特點是測溫范圍很寬，熱電動勢與溫度關系近似線性，熱電動勢大及價格地低。缺點是熱電動勢的穩(wěn)定性較B型或S型熱電偶差，且負極有明顯的導磁性。在使用熱電偶進行測溫時，只有將冷端的溫度恒定，熱端電動勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。由于熱電偶的分度表是以冷端溫度為零時作出的，因此，在使用時要正確地反映熱端溫度，必須使冷端溫度恒定為零。這樣我們就需要進行一些補償措施。1) 溫法。2) 補償導線法。3) 計算修正法。4) 電橋補償法。其中，電橋補償法的連接電路如圖3.1所示。圖3.1 電橋補償法連接電路3.1.2 壓力傳感器抗腐蝕的陶瓷壓力傳

21、感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋（閉橋），由于壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產(chǎn)生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標準的信號根據(jù)壓力量程的不同標定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應變式傳感器相兼容。通過激光標定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補償0 70，并可以和絕大多數(shù)介質直接接觸。 陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40 135 ，而且具有測量的高精度、

22、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度>2kV，輸出信號強，長期穩(wěn)定性好。3.1.3 液位傳感器靜壓投入式液位變送器（液位計）適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質的液位測量。精巧的結構，簡單的調校和靈活的安裝方式為用戶輕松地使用提供了方便。420mA、 010v、 010mA等標準信號輸出方式由用戶根據(jù)需要任選。利用流體靜力學原理測量液位，是壓力傳感器的一項重要應用。采用特種的中間帶有通氣導管的電纜及專門的密封技術，既保證了傳感器的水密性，又使得參考壓力腔與環(huán)境壓力相通，從而保證了測量的高精度和高穩(wěn)定性。是針對化工工業(yè)中強腐蝕性的酸性液體而特制，殼體采用聚四氟乙烯材料制成

23、，采用特種氟膠電纜及專門的密封技術進行電氣連接，既保證了傳感器的水密性、耐腐蝕性，又使得參考壓力腔與環(huán)境壓力相通，從而保證了測量的高精度和高穩(wěn)定性。用靜壓測量原理：當液位變送器投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓力公式為： = .g .H + Po （3.1）式中：P ：變送器迎液面所受壓力：被測液體密度g ：當?shù)刂亓铀俣萈o ：液面上大氣壓H ：變送器投入液體的深度同時，通過導氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓 Po 與傳感器的負壓腔相連，以抵消傳感器背面的 Po ，使傳感器測得壓力為： .g .H ，顯然 , 通過測取壓力 P ，可以得到液位深度3.

24、2 變頻器的選型由于變頻調速可以實現(xiàn)電機無級調速，具有異步電機調壓調速和串級調速無可比擬的優(yōu)越性，在鍋爐系統(tǒng)中得到廣泛的應用。變頻調速在鍋爐系統(tǒng)中主要應用在引風機調速、給水泵調速、給油泵調速和鼓風機調速。3.2.1 變頻調速基本原理目前，隨著大規(guī)模集成電路和微電子技術的發(fā)展，變頻調速技術已經(jīng)發(fā)展為一項成熟的交流調速技術。變頻調速器作為該技術的主要應用產(chǎn)品經(jīng)過幾代技術更新，己日趨完善，能夠適應較為惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，目能提供較為完善的控制功能，能滿足各種生產(chǎn)設備異步電動機調速的要求。變頻調速技術的基本原理是根據(jù)電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系水泵多配用交流異步電機拖動，當電機轉速降低時，既

25、可節(jié)約能量，經(jīng)濟效益十分顯著。由異步電動機的轉速公式: n=no (1-S) = 60f * (1-S)/p (3.2.1)式中，n異步電動機的同步轉速r/min; no異步電動機轉子的轉速r/min; p電動機的磁極對數(shù); f電源頻率，電動機定子電壓頻率; S轉速差; S = (no-n/no) * 100% (3.2.2)由公式可見改變電動機極對數(shù)P、改變轉速差S及改變電源頻率f都可以改變轉速。通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交直交電源變換技術，集電力電子、微電腦控制等技術于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。 實現(xiàn)調頻調壓的電路有兩種:交直交變頻器，交交變頻

26、器見圖3.2。上面是交直交變頻器，下面是交交變頻器。整流器濾波逆變器VVVF交流交流直流U1f1U2f2濾波逆變器VVVF交流交流U2f2U1f1圖3.2變頻器種類(1)交直交變頻器它是由三個環(huán)節(jié)組成:可控硅整流電路，其作用是將電壓、定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{的直流電;可控硅逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調的交流電;濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是利用無電源電容或電抗器對整流后的電壓或電流進行濾波。(2)交交變頻器它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網(wǎng)的交流電通過變頻電路同時調節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調的交流電輸出，交交變頻器由于直接交換，減少換流

27、電路，減少損耗，效率高，波型好，但調速范圍小，控制線路復雜，功率因數(shù)低，目前較少采用.3.2.2 變頻器的選擇及輸入輸出接口本系統(tǒng)選用的變頻器為ABB公司的Acs601系統(tǒng)，針對本系統(tǒng)的應用情況，可將變頻器端子上的信號分為:1輸入信號:(1)控制變頻器運行的啟停信號DI1PLC的KA1。(2)變頻器的壓力反饋信號AI2口接遠傳壓力表的反饋信號。(3)R. S. T為電源輸入。2輸出信號:(1)R01:為數(shù)字量輸出口，變頻器內部出現(xiàn)故障時，進行指示。(2)R02為數(shù)字量輸出口，變頻器運行指示。(3)R03:為數(shù)字量輸出口，變頻器停止運行指示。(4)U, V, W為接三相異步電動機。3通訊:本變頻

28、器完成與上位機的頻率、電流、電壓、壓力、故障狀況，給定等參數(shù)進行通訊，通過CHO, CH1舊實現(xiàn)。整個變頻器端子示意圖如圖3.3變頻器內置PIDPLC接電機KA1+24VDI1TSRPEUPEAI2-AI2+WVM3 圖3.3 變頻器接線圖在此控制系統(tǒng)中，整個信息的反饋是靠壓力變送器，在PLC的配合下通過反饋回的壓力信號來調整當前調速泵的轉速。變頻器和PLC的聯(lián)系，是靠硬件電器來聯(lián)接的，具體參數(shù)的聯(lián)系都是與上位機的通訊來實現(xiàn)的，選用的s7-200PLC和Acs601變頻器均有內置的Rs485接口。變頻器和PLC的聯(lián)系如圖3.4所示。PID變頻器內置PLC設定值水泵電機壓力傳感器出口壓力變頻器

29、圖3.4 變頻器接線原理圖3.3可編程控制器PLC的選型由于供暖鍋爐自動控制系統(tǒng)控制設備相對較少，因此PLC選用德國Siemens公司的S7-200型。S7-200型PLC的結構緊湊，價格低廉，具有較高的性能階格比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。Siemens公司的PLC具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點。根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預留量，為以后新設備的介入或設備調整留有余地，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU226，其開關量輸出(DQ)為16點，輸出形式為AC220V繼電器輸出;開關量輸入為24點，輸入形式為+24V

30、直流輸入。由于實際的開關量輸出有32點，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是2個EM223型模塊，該模塊有16個開關量輸出點，輸出形式為AC220V繼電器輸出，開關量輸入為16點，輸入形式為+24V直流輸入。此外，為了方便的將溫度、液位、壓力信號、電機頻率信號和同相比較信號傳輸給PLC。經(jīng)比較計算后轉換為相應的控制信號，選擇了EM235模擬量擴展模塊。該模塊有4個模擬輸入(AIW)，1個模擬輸出(AQW)信號通道。為了減少CPU226的負載同時選擇EM232模擬量擴展模塊，該模塊有2個模擬輸出（AQW）信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成了A/D的轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長(16b

31、it)的數(shù)字信號;輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉換，一個字長(16bit)的數(shù)字信號能夠轉換成標準輸出信號。EM235模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過DIP開關進行設置。系統(tǒng)PLC的選型包括一個CPU226主模塊，2個EM223擴展模塊，1個EM235模擬量擴展模塊，2個EM232模擬量擴展模塊。如此PLC總共有56個數(shù)字信號輸入，48個數(shù)字信號輸出，以及4個模擬輸入信號，5個模擬輸出信號。輸入和輸出均有余量，可以滿足日后系統(tǒng)擴充的要求。 表1 S7-200的規(guī)格規(guī)格型號系列連接方法工作電壓輸入類型輸出類型程序容量I/O點主控單元S7-200端子型220V AC24V DC繼電器

32、26KB40點24I/16OCPU226數(shù)字量擴展單元S7-200端子型220V AC24V DC繼電器32點16I/16OEM223模擬量擴展單元S7-200端子型220V AC5點4I/1OEM235S7-200端子型220V AC2點2OEM2323.4控制系統(tǒng)的構成在控制電路的設計中，首先要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。在整個控制系統(tǒng)中，所有控制電機、閥門接觸器的動作，都是按照PLC的程序邏輯來完成的。為了保護PLC設備，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是通過中間繼電器去控制電機或者閥門的動作。在PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，其目的是為了實現(xiàn)系統(tǒng)中的強電和

33、弱電之間的隔離，保護系統(tǒng)，延長系統(tǒng)的使用壽命，增強系統(tǒng)工作的可靠性。變頻器主電路電源輸入端子(R,S,T)經(jīng)過空氣開關與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子(U,V,W)經(jīng)接觸器接至三相電動機上，當旋轉方向預設定不一致時，需要調換輸出端子(U,V,W)的任意兩相。特別是對于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的電動機，一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻/工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉換電流，致使轉換無法成功。3.4.1 給水泵控制系統(tǒng)在硬件系統(tǒng)設計中，采用2臺變頻器，其中1 #給水泵電機有變頻/工頻兩種工作狀態(tài)，每臺電機都通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)

34、，變頻器輸入電源前面接入一個空氣開關，來實現(xiàn)電機、變頻器的接通，空氣開關的容量依據(jù)電機的額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當選擇。給水泵有兩臺，1#, 2#。其中1#和2#給水泵都配有變頻器。當1#給水泵采用變頻控制啟動后仍不能滿足要求時，讓1#給水泵工作于工頻同時啟動2#給水泵，2#給水泵采用變頻控制。給水泵系統(tǒng)電氣控制圖如圖3.6。1#變頻器QF1FR1KM1M32#變頻器QF3FR3KM3M3QF2KM21#給水泵2#給水泵 圖3.6 給水泵系統(tǒng)電氣控制圖3.4.2 給油泵控制系統(tǒng)在硬件系統(tǒng)設計中，采用2臺變頻器，其中1 #給油泵電機有變頻/工頻兩種工作狀態(tài)，每臺電機

35、都通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)，變頻器輸入電源前面接入一個空氣開關，來實現(xiàn)電機、變頻器的接通，空氣開關的容量依據(jù)電機的額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當選擇。給油泵有兩臺，1#, 2#。其中1#和2#給油泵都配有變頻器。當1#給油泵采用變頻控制啟動后仍不能滿足要求時，讓1#給油泵工作于工頻同時啟動2#給油泵，2#給油泵采用變頻控制。給油泵系統(tǒng)電氣控制圖如圖3.7。3#變頻器QF4FR4KM4M34#變頻器QF6FR6KM6M3QF5KM51#給油泵2#給油泵 圖3.7 給油泵系統(tǒng)電氣控制圖3.4.3 引風機控制系統(tǒng)在硬件系統(tǒng)設計中，采用2臺變頻器，其中1

36、#引風機電機有變頻/工頻兩種工作狀態(tài)，每臺電機都通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)，變頻器輸入電源前面接入一個空氣開關，來實現(xiàn)電機、變頻器的接通，空氣開關的容量依據(jù)電機的額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當選擇。引風機有兩臺，1#, 2#。其中1#和2#引風機都配有變頻器。當1#引風機采用變頻控制啟動后仍不能滿足要求時，讓1#引風機工作于工頻同時啟動2#引風機，2#引風機采用變頻控制。引風機系統(tǒng)電氣控制圖如圖3.8。5#變頻器QF7FR7KM7M36#變頻器QF9FR9KM9M3QF8KM81#引風機2#引風機圖3.8 引風機系統(tǒng)電氣控制圖3.4.4 引風機控制系

37、統(tǒng)在硬件系統(tǒng)設計中，采用2臺變頻器，其中1 #鼓風機電機有變頻/工頻兩種工作狀態(tài)，每臺電機都通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)，變頻器輸入電源前面接入一個空氣開關，來實現(xiàn)電機、變頻器的接通，空氣開關的容量依據(jù)電機的額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當選擇。鼓風機有兩臺，1#, 2#。其中1#和2#鼓風機都配有變頻器。當1#鼓風機采用變頻控制啟動后仍不能滿足要求時，讓1#鼓風機工作于工頻同時啟動2#鼓風機，2#鼓風機采用變頻控制。鼓風機系統(tǒng)電氣控制圖如圖3.9。7#變頻器QF10FR10KM10M38#變頻器QF12FR12KM12M3QF11KM111#鼓風機2#

38、鼓風機 圖3.9 引風機系統(tǒng)電氣控制圖3.5 CPU及擴展模塊端子的接線3.5.1 CPU226及擴展模塊的供電供電分為輸入部分供電和輸出部分供電，輸入部分為直流供電（24V），輸出部分為交流供電（220V）。輸入部分供電如圖3.10，輸出部分供電如圖3.11。 圖3.10 輸入部分供電 圖3.11 輸出部分供電3.5.2 CPU226的端子接線CPU226的端子接線圖如圖 3.12 CPU226輸入端接線和圖 3.13 CPU226輸出端接線。 圖 3.12 CPU226輸入端接線 圖 3.12 CPU226輸出端接線3.5.3 1#EM223的端子接線1#EM223的端子接線圖如圖 3.1

39、4 EM223輸入端接線和圖 3.15 EM223輸出端接線。圖 3.14 EM223輸入端接線圖 3.15 EM223輸出端接線3.5.4 2#EM223的端子接線2#EM223的端子接線圖如圖 3.16 EM223輸入端接線和圖 3.17 EM223輸出端接線。圖 3.16 EM223輸入端接線圖 3.17 EM223輸出端接線3.5.5 EM225的端子接線EM235的輸入端接入汽包壓力傳感器所輸出的電壓信號AIW0，汽包液位傳感器所輸出的電流信號AIW2，爐膛壓力傳感器所輸出的電壓信號AIW4,以及蒸汽溫度傳感器所輸出的電壓信號AIW6，如圖 3.18 EM235輸入端接線。圖 3.1

40、8 EM235輸入端接線EM235的輸出端接入排汽閥調節(jié)的輸入口AQW0，如圖 3.19 EM235輸出端接線。圖 3.19 EM235輸出端接線3.5.6 1#EM232的端子接線 因為EM232屬于2輸出模擬量擴展模塊，所以輸出端接入給水泵變頻器調節(jié)的輸入口和引風機變頻器調節(jié)的輸入口，如圖 3.20 EM232輸出端接線。輸入端接線如圖 3.21 EM232輸入端接線。圖 3.20 EM232輸出端接線圖 3.21 EM232輸入端接線3.5.7 2#EM232的端子接線因為EM232屬于2輸出模擬量擴展模塊，所以輸出端接入給油泵變頻器調節(jié)的輸入口和鼓風機變頻器調節(jié)的輸入口，如圖 3.22

41、 EM232輸出端接線。輸入端接線如圖3.23 EM232輸入端接線。圖 3.22 EM232輸出端接線圖 3.23 EM232輸入端接線第四章 程序設計 PLC軟件既有制造廠家提供的系統(tǒng)程序，又有用戶自行開發(fā)的應用程序。系統(tǒng)程序為用戶程序的開發(fā)提供運行平臺，同時。還為PLC程序的可靠運行及信號與信息轉換進行必要的處理。用戶程序由用戶按具體的控制系統(tǒng)要求進行設計，這里所說的PLC軟件設計即是用戶自行開發(fā)的應用程序。4.1 主程序設計 主程序主要由鍋爐的啟動、停止，模擬量輸入，給水泵控制，給油泵控制，引風機控制，鼓風機控制，蒸汽閥門控制，模擬量輸出，通信控制報警設置及自動停止控制等組成。主程序結

42、構框圖如圖4.1。鍋爐啟?？刂颇M量輸入給水泵控制給油泵控制引風機控制鼓風機控制蒸汽閥門控制模擬量輸出 主程序通信控制報警設置及自動停止 圖4.1 主程序結構4.2 子程序設計4.2.1 給水泵控制給水泵控制程序主要實現(xiàn)給水泵系統(tǒng)中水泵電機的啟/停控制、變頻器頻率設定、汽包液位PID控制等。系統(tǒng)根據(jù)汽包液位的設定值初步確定給水泵啟停，每臺給水泵都通過變頻啟動，切換到工頻運行，最后其中一臺給水泵進入變頻運行，其它泵工頻運行。然后通過汽包液位PID控制調節(jié)變頻器頻率，以穩(wěn)定汽包液位。給水泵控制程序的設計流程圖如圖4.2所示。否 開始1#給水泵是否過載啟動1#給水泵1#給水泵切換到工頻運行啟動1#變

43、頻器停止1#變頻器啟動2#給水泵啟動2#變頻器液位控制PID確定變頻器頻率是結束 圖4.2 給水泵控制流程圖4.2.2 給油泵控制給油泵控制程序主要實現(xiàn)給油泵系統(tǒng)中油泵電機的啟/?？刂啤⒆冾l器頻率設定、蒸汽溫度PID控制等。系統(tǒng)根據(jù)蒸汽溫度的設定值初步確定給油泵啟停，每臺油泵都通過變頻啟動，切換到工頻運行，最后其中一臺油泵進入變頻運行，其它油泵工頻運行。然后通過蒸汽溫度PID控制調節(jié)變頻器頻率，以穩(wěn)定蒸汽溫度。給油泵控制程序的設計流程圖如圖4.3所示。否 開始1#給油泵是否過載啟動1#給油泵1#給油泵切換到工頻運行啟動3#變頻器停止3#變頻器啟動2#給油泵啟動4#變頻器溫度控制PID確定變頻器

44、頻率是結束 圖4.3 給油泵控制流程圖4.2.3 引風機控制引風機控制程序主要實現(xiàn)引風機系統(tǒng)中引風電機的啟/?？刂?、變頻器頻率設定、爐膛負壓PID控制等。系統(tǒng)根據(jù)爐膛負壓的設定值初步確定引風機啟停，每臺引風機都通過變頻啟動，切換到工頻運行，最后其中一臺引風機進入變頻運行，其它引風機工頻運行。然后通過爐膛負壓PID控制調節(jié)變頻器頻率，以穩(wěn)定爐膛壓力。引風機控制程序的設計流程圖如圖4.4所示。否 開始1#引風機是否過載啟動1#引風機1#引風機切換到工頻運行啟動5#變頻器停止5#變頻器啟動2#引風機啟動6#變頻器爐膛負壓控制PID確定變頻器頻率是結束 圖 4.4引風機控制流程圖4.2.4 鼓風機控制

45、鼓風機控制程序主要實現(xiàn)鼓風機系統(tǒng)中鼓風電機的啟/?？刂?、變頻器頻率設定、蒸汽溫度PID控制等。系統(tǒng)根據(jù)蒸汽溫度的設定值初步確定鼓風機啟停，每臺鼓風機都通過變頻啟動，切換到工頻運行，最后其中一臺鼓風機進入變頻運行，其它鼓風機工頻運行。然后通過蒸汽溫度PID控制調節(jié)變頻器頻率，以穩(wěn)定蒸汽溫度。鼓風機控制程序的設計流程圖如圖4.5所示。否 開始1#鼓風機是否過載啟動1#鼓風機1#鼓風機切換到工頻運行啟動7#變頻器停止7#變頻器啟動2#鼓風機啟動8#變頻器溫度控制PID確定變頻器頻率是結束 圖 4.5 鼓風機控制流程圖4.2.5 蒸汽閥門控制模擬量控制的閥門一般是用4-20毫安電流信號控制閥門開度，對

46、應的閥門開度從0%-100%，對應PLC內存的數(shù)據(jù)大小從6400一32000。換句話說，我們輸出一個大小在6400與32000之間的整數(shù)，即可傳送到閥門一個開度在0到100之間的給定值。三通閥閥門設置 Network 1/ LD SM0.0 MOVW VW900, VW3600 /將數(shù)據(jù)傳如轉換數(shù)據(jù)區(qū)，VW900是0-100的整數(shù)。AENO*I +256, VW3600 /數(shù)據(jù)乘以256AENOMOVW VW3600, VW3602AENO+I +6400, VW3602 /數(shù)據(jù)+6400AENOMOVW VW3602, AQW0 /輸出給定值4.2.6 報警設置及自動停止 當鍋爐汽包液位高于

47、上限90%或低于下限65%、鍋爐汽包壓力大于12MPa、蒸汽溫度高于150度、鍋爐爐膛負壓大于上限時就發(fā)出電鈴報警，且當鍋爐汽包液位高于上限90%、鍋爐汽包壓力大于12MPa、蒸汽溫度高于150度、鍋爐爐膛負壓大于上限或鍋爐汽包液位低于下限65%、鍋爐汽包壓力大于12MPa、蒸汽溫度高于150度、鍋爐爐膛負壓大于上限時，鍋爐控制系統(tǒng)自動停止運行。4.3 PID 算法的實現(xiàn)在模擬量閉環(huán)過程控制領域內，擴展模擬量處理模塊，如EM231、 EM232、EM235，根據(jù)PLC提供的PID編程功能模塊，只需設定好PID參數(shù)，運行PID控制指令，就能求得輸出控制值，實現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制。(1)PID算法 在

48、模擬量的控制中，經(jīng)常用到PID運算來執(zhí)行PID回路的功能，PID回路指令使這一任務的編程和實現(xiàn)變得非常容易。如果一個PID回路的輸出M(t)是時間的函數(shù)，則可以看作是比例項、積分項和微分項三部分之和。即:M (t) = KC * e+ + Mo + KC * (4.3.1)以上各量都是連續(xù)量，第一項為比例項，最后一項為微分項，中間兩項為積分項。其中P是給定值與被控制變量之差，即回路偏差。K為回路的增益。用數(shù)字計算機處理這樣的控制算式，連續(xù)的算式必須周期采樣進行離散化，同時各信號也要離散化，公式如下:MPn=Kc*(SPnPVn)+Kc*(SPnPVn)+MX+Kc* (SPn-PVn) (4.

49、3.2)公式中包含9個用來控制和監(jiān)視PID運算的參數(shù)，在PID指令使用時構成回路表，回路表的格式見表2。表2 PID回路表參數(shù)偏移地址數(shù)據(jù)格式I/O類型中斷描述過程變量(PVn)0雙子，實數(shù)I過程變量，0.0-1.0設定值(SPn)4雙子，實數(shù)I給定值，0.0-1.0輸出值(Mn)8雙子，實數(shù)I/O輸出值，0.0-1.0增益(Kc)12雙子，實數(shù)I比例常數(shù)，正、負采樣時間(Ts)16雙子，實數(shù)I單位為秒，正數(shù)積分時間(Ti)20雙子，實數(shù)I單位為分鐘，正數(shù)微分時間(Td)24雙子，實數(shù)I單位為分鐘，正數(shù)積分項前值(Mx)28雙子，實數(shù)I/O積分項前值，0.0-1.0過程變量前值PVn-132雙

50、子，實數(shù)I/O最近一次PID變量值(2)Pm指令使能輸入有效時，該指令利用回路表中的輸入信息和組態(tài)信息，進行PID運算。梯形圖的指令盒中有2個數(shù)據(jù)輸入端:TBL，回路表的起始地址，是由VB指定的字節(jié)型數(shù)據(jù);指令LOOP，回路號，是0-7的常數(shù)。 指令格式:PID TBL，LOOP(3)PID回路號 用戶程序中最多可有8條PID回路，不同的PID回路指令不能使用相同的回路號，否則會產(chǎn)生意外的后果。(4)數(shù)值轉換及標準化 用可編程序控制器控制PID回路時，要把實際測量輸入量、設定值和回路表中的其他輸入?yún)?shù)進行標準化處理，即用程序轉化為PLC能夠識別和處理的數(shù)據(jù)的標準，例如把從AIW采集來的16位整

51、數(shù)轉化為0.0-1.0之間的標準化實數(shù)。標準化實數(shù)又分為雙極性(圍繞0.5上下變化)和單極性(以0.0為起點在0.0和1.0之間的范圍內變化)兩種。程序執(zhí)行時把各個標準化實數(shù)量用離散化PID算式進行處理，產(chǎn)生一個標準化的實數(shù)運算結果，這一結果同樣也要用程序將其轉化為相應的16位整數(shù)，然后周期性將其傳送到指定的AQW，用以驅動模擬量的輸出負載，實現(xiàn)控制。轉換方法如下:應用實例中斷程序中的程序片斷。(5)選擇PID回路類型 在大部分模擬量的控制中，使用的回路控制類型并不是比例、積分和微分三者俱全。例如只需要比例回路或只需要比例積分回路，通過對常量參數(shù)的設置，可以關閉不需要的控制類型。關閉積分回路:

52、把積分時間n設置為無窮大，此時雖然由于有初值MX使積分項不為零，但積分作用可以忽略。關閉微分回路:把微分時間TD設置為0，微分作用即可關閉。關閉比例回路:把比例增益K設置為0，則可以只保留積分和微分項。4.4 PLC 的開關輸入點和輸出點PLC的輸入、輸出點數(shù)的確定根據(jù)控制系統(tǒng)設計要求和所需控制的現(xiàn)場設備數(shù)量加以確定。PLC輸入輸出端口地址的分配如下表3所示。表3 I/O分配輸 入信號啟動按鈕SB1I0.0停止按鈕SB2I0.11#給水泵過載輸入FR1-3I0.21#給油泵過載輸入FR4-6I0.31#引風機過載輸入FR7-9I0.41#鼓風機過載輸入FR10-12I0.5汽包壓力AIW0汽包液位AIW2爐膛壓力AIW4蒸汽溫度AIW6輸 出信號排水開關YV1Q0.0給水開關YV2Q0.1燃油開關YV3Q0.21#變頻器啟動/停止切換KA1Q0.32#變頻器啟動/停止切換KA2Q0.43#變頻器啟動/停止切換KA3Q0.54#變頻器啟動/停止切換KA4Q0.65#變頻器啟動/停止切換KA5Q0.76#變頻器啟動/停止切換KA6Q1.07#變頻器啟動/停止切換KA7Q1.18#變頻器啟動/停止切換KA8Q1.2排汽閥啟動/停止切換KM13Q1.31#給水泵變頻運行KM1Q2.01#給水泵工頻運行KM2Q2.12#給水泵變頻運行KM3Q2.21#給油泵變頻運行KM4Q2.3