變頻技術(shù)的工程應(yīng)用

1、word-文檔系列學(xué)習(xí)交流學(xué)校名稱電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告變頻技術(shù)的工程應(yīng)用姓 名學(xué) 號(hào)年 級(jí)專 業(yè)系（院）指導(dǎo)教師2010年12月31日變頻技術(shù)在鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用一、引言：變頻技術(shù)作為一種電子技術(shù)，它的應(yīng)用使設(shè)備工作效率明顯提高，操作更加 方便、節(jié)約能源、帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，所以被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。變頻技術(shù)在鍋爐風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)上使用變頻器能帶來的經(jīng)濟(jì)效益與回報(bào)，最后總結(jié)了鍋爐風(fēng)機(jī)使用變頻器的優(yōu)越性。變頻技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展解決了鍋爐運(yùn)行 中控制的難題，不僅節(jié)約能源，降低運(yùn)行成本，同時(shí)使鍋爐對(duì)大氣的污染大大 減輕，司爐工強(qiáng)度大大改善，也為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制提供了良好的幫助。變頻器是在變頻技術(shù)上產(chǎn)

2、生的，它能夠應(yīng)用在大部分的電機(jī)拖動(dòng)場合，由 于它能提供精確的速度控制，因此可以方便地控制機(jī)械傳動(dòng)的升、降和變速運(yùn) 行。變頻器經(jīng)常被用于系統(tǒng)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、高負(fù)荷、長時(shí)間運(yùn)行的工況中。 由于采用了通訊方式，可以通過PC機(jī)來方便地進(jìn)行組態(tài)和系統(tǒng)維護(hù)，包括上 傳、下載、復(fù)制、監(jiān)控、參數(shù)讀寫等。簡單來講變頻器三繞組輸入變壓器、整流 電路、合成母線、逆變電路、合成濾波電路、控制柜等組成。多年來 ，國家經(jīng)貿(mào) 委一直會(huì)同國家相關(guān)部門致力于變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)及推廣應(yīng)用，并把推廣應(yīng) 用變頻調(diào)速技術(shù)作為風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能技改專項(xiàng)的重點(diǎn)投資方向。本設(shè)計(jì)是供暖鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套基于 PLC和變頻調(diào)速技術(shù)的

3、供暖鍋爐控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、壓力變送器、溫度變 送器和泵房組、工控機(jī)以及電氣控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)通過變頻器控制電動(dòng)機(jī)的啟 動(dòng)、運(yùn)行和調(diào)速。由于供暖鍋爐系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正 比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，采用交流變頻調(diào)速控制風(fēng)機(jī)、水泵流量代替?zhèn)?統(tǒng)閥門、擋板控制流量，可以大大節(jié)省該類負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的耗電量，達(dá)到節(jié)能的目的，如果普遍采用交流變頻調(diào)速，平均節(jié)電率在 30%左右。用變頻器啟動(dòng) 風(fēng)機(jī)、水泵等電動(dòng)機(jī)，由于變頻器內(nèi)部具有矢量轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)， 保證了電機(jī)良好 的啟動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，有效地限制了電機(jī)的啟動(dòng)電流，明顯降低電機(jī)啟 動(dòng)噪聲。同時(shí)，電機(jī)的軟

4、啟動(dòng)避免了頻繁的工頻啟動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)、 水泵等大電機(jī)的沖 擊，有效地保護(hù)設(shè)備，延長設(shè)備使用壽命。采用鍋爐的計(jì)算機(jī)控制和變頻控制不僅可大大節(jié)約能源， 促進(jìn)環(huán)保而且可以 提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。設(shè)計(jì)任務(wù)(1)設(shè)計(jì)指標(biāo)內(nèi)容及要求按照電動(dòng)機(jī)的額定功率，最大使用電機(jī)容量，本設(shè)計(jì)選用三菱FR-F540(L)-SFR-F540L-S 系列變頻器節(jié)能型、一般負(fù)載適用 FR F500 (L)1、功率范圍：75900KW (3 相 380V, FR- F540 (L)系列)2 采用最佳勵(lì)磁控制方式，實(shí)現(xiàn)更高節(jié)能運(yùn)行。3 內(nèi)置PID,變頻器/工頻切換和可以實(shí)現(xiàn)多泵循環(huán)運(yùn)行功能。4 柔性PWM實(shí)現(xiàn)

5、更低噪音運(yùn)行。5. 內(nèi)置RS485通信口。6. 75KW以上隨機(jī)帶DC電抗器(2)設(shè)計(jì)的任務(wù)1、提出系統(tǒng)控制方案。本文針對(duì)供暖鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)一套基于變頻調(diào)速技術(shù)的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)。本文提出對(duì)鍋爐供暖系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)和水泵等通過變頻器 來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，節(jié)省了大量的電能。本系統(tǒng)中豐位機(jī)采用高可靠性的工業(yè)控 制計(jì)算機(jī)，對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度和監(jiān)控管理， 下位機(jī)采用西門子公司S7-300 可編程控制器，實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)和管網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，控制水平和硬件可靠 性大大提高。鍵技術(shù)，本系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)任務(wù)是鍋爐系統(tǒng)的變頻改造，因此本文詳述變頻調(diào)速技術(shù)在鍋爐控制中的應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)是關(guān)，并分析變頻調(diào)速應(yīng)用

6、在鍋爐供暖系統(tǒng)帶來的節(jié)能效果。2、本系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)任務(wù)是鍋爐系統(tǒng)的變頻改造，變頻調(diào)速技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，因此本文詳述變頻調(diào)速技術(shù)在鍋爐控制中的應(yīng)用， 并分析變頻調(diào)速應(yīng)用在鍋爐供 暖系統(tǒng)帶來的節(jié)能效果。3、闡述供暖鍋爐控制的控制原理，提出供暖鍋爐系統(tǒng)的控制模型。簡要介紹PID 控制算法，并運(yùn)用PID控制方式進(jìn)行系統(tǒng)的補(bǔ)水控制、循環(huán)流量控制、燃燒過程 控制以及爐膛負(fù)壓控制。4、鍋爐控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。本文討論了鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)日標(biāo)、 功能分析 和控制方案。并詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和通訊配置口。5、 下位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文首先根據(jù)系統(tǒng)控制要求確定PLC勺選型以及模 塊的選擇;討論P(yáng)LC與上位

7、機(jī)之間、PLC與變頻器之間的通訊配置，制定通信協(xié)議； 設(shè)計(jì)PLC空制程序，給出主程序、基礎(chǔ)功能塊和各子程序的設(shè)計(jì)流程圖和部分梯 形圖程序。&上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控管理，本 文選用三維力控PCAuto3.6設(shè)計(jì)，根據(jù)用戶提出的要求完成了操作界面及控制程 序、實(shí)現(xiàn)超溫超壓報(bào)警聯(lián)動(dòng)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。三、設(shè)計(jì)方案選擇及論證3.1變頻調(diào)速基本原理目前，隨著大規(guī)模集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展， 變頻調(diào)速技術(shù)己經(jīng)發(fā)展為 一項(xiàng)成熟的交流調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速器作為該技術(shù)的主要應(yīng)用產(chǎn)品經(jīng)過幾代技術(shù) 更新，已日趨完善，能夠適應(yīng)較為惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境， 且能提供較為完善的控

8、 制功能，能滿足各種生產(chǎn)設(shè)備異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的要求。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n = 60f 1 - s p其中n表示電機(jī)轉(zhuǎn)速；f為電動(dòng)機(jī)工作電源頻率；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率； p為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。3.2出于節(jié)能的迫切需要和對(duì)供暖質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻調(diào)速器 簡稱變頻器）易操作、免維護(hù)、控制精度高，并可以實(shí)現(xiàn)高功能化等特點(diǎn)，因 而采用變頻器驅(qū)動(dòng)的方案開始逐步取代風(fēng)門、擋板、閥門的控制方案。用變頻器 來對(duì)異步交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，是八十年代末迅速發(fā)展成熟的一項(xiàng)高新技術(shù)。它的優(yōu) 點(diǎn)是：調(diào)速的機(jī)械特性好，調(diào)速范圍廣，

9、調(diào)整特性曲線平滑，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、平 穩(wěn)的調(diào)速，尤其當(dāng)它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等大容量負(fù)載時(shí)，可獲得顯著的節(jié)能效果。3.3變頻調(diào)速應(yīng)用于鍋爐系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)和水泵等電機(jī)的自動(dòng)控制中，其節(jié)能效果明顯。本節(jié)將以風(fēng)機(jī)節(jié)能為例，詳細(xì)分析其節(jié)能效果。由流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與 流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：23Q 二 n, H 二 n , P 二 n即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正 比。圖2-1給出了風(fēng)機(jī)中風(fēng)門調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速二種控制方式下風(fēng)路的壓力-風(fēng)量 H -Q關(guān)系及功率-風(fēng)量P-Q關(guān)系。其中，曲線1是風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的H -Q

10、曲線，曲線2是風(fēng)機(jī)在某一較低速度下的H -Q曲線，曲線3是風(fēng)門開度最大時(shí)的 H -Q曲線，曲線4是風(fēng)機(jī)在某一較小開度下的H -Q曲線可以看出當(dāng)實(shí)阮工況 風(fēng)量由Q1下降到Q2時(shí)，如果在風(fēng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，則工 況點(diǎn)沿曲線1由A點(diǎn)移到B點(diǎn);如果在風(fēng)門開度最大的條件下用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速，則工況點(diǎn)沿曲線3由A點(diǎn)移到C點(diǎn)。顯然，B點(diǎn)與C點(diǎn)的風(fēng)量相同，但C點(diǎn)的壓力要比B點(diǎn)壓力小得多。因此，風(fēng)機(jī)在變頻調(diào)速運(yùn)行方式下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可 大大降低，節(jié)能效果明顯。功率P圖2-1變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)中的節(jié)能分析曲線5為變頻控制方式下的P-Q曲線，曲線6為風(fēng)門調(diào)節(jié)方式下的P-Q曲 線?？梢钥闯觯谙嗤娘L(fēng)

11、量下，變頻控制方式比風(fēng)門調(diào)節(jié)方式能耗更小，二者 之差可由下述經(jīng)驗(yàn)公式表示： P = 0.4 +0.6Q/Qe - (Q. Qe 3 Pe其中Q為風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)際風(fēng)量；Qe為風(fēng)門開度為最大，且電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的風(fēng)量；P.為風(fēng)門開度為最大，且電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的功率。假設(shè)有一臺(tái)IOth的熱水鍋爐：引風(fēng)機(jī):55 KW，鼓風(fēng)機(jī):22 KW，共7KW則由變頻調(diào)節(jié)與風(fēng)門調(diào)節(jié)相比較可知：80%風(fēng)量時(shí)每小時(shí)節(jié)能P = 0.4 0.6Q. Qe - Q Qe 3 Pe =28.366 KW60%風(fēng)量時(shí)每小時(shí)節(jié)能P = 0.4 +0.6Q,/Qe - (Q. Qe 3 Pe =41.888 KW如果按全年運(yùn)行

12、7000小時(shí)計(jì)算，其中80%風(fēng)量運(yùn)行5000小時(shí):60%風(fēng)量運(yùn)行 2000小時(shí)，則全年節(jié)能5000 28.3662000 41.888 = 225456KW h由此可見，其節(jié)能效果非常顯著。目前，變頻調(diào)速技術(shù)己逐漸為許多企業(yè)所認(rèn)識(shí)和接受，隨著這項(xiàng)技術(shù)的不 斷發(fā)展和完善，它必將得到更加廣泛的應(yīng)用，也必將為認(rèn)識(shí)和接受它的企業(yè)帶來 可觀的經(jīng)濟(jì)效益。四、總體電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)屬于熱水鍋爐供暖系統(tǒng)，主要通過熱水循環(huán)給用戶供暖，一般分為燃 燒控制系統(tǒng)、循環(huán)泵控制系統(tǒng)和補(bǔ)水泵控制系統(tǒng)。 本系統(tǒng)采用集中控制，分為三 層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖下圖所示：管理層：系統(tǒng)采用兩臺(tái)工控機(jī)作為上位機(jī)， 其中一臺(tái)作為主控機(jī)，另一臺(tái)為 輔

13、控機(jī)，構(gòu)成雙機(jī)冗余系統(tǒng)。通過MP多點(diǎn)接口與下位機(jī)PLC進(jìn)行通訊，對(duì)現(xiàn)場鍋 爐的運(yùn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的遠(yuǎn)程控制。操作人員也隨時(shí)可 以通過計(jì)算機(jī)，了解現(xiàn)場每臺(tái)鍋爐的運(yùn)行狀況，并對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵等電機(jī)進(jìn)行啟停 控制和參數(shù)設(shè)定。另一方面，關(guān)于鍋爐運(yùn)行及網(wǎng)管系統(tǒng)的各種歷史數(shù)據(jù)， 則存儲(chǔ) 在計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫中。在需要的時(shí)候，可以在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示，或由打印機(jī) 打印出來?，F(xiàn)場控制層：該層以西門子S7-300系列可編程控制器為核心，一方面通過 MP侈點(diǎn)接口與上位機(jī)通訊，接收上位機(jī)管理層的控制命令。另一方面運(yùn)用RS-485 總線與各變頻器進(jìn)行通信，分別對(duì)鼓、引風(fēng)機(jī)、爐排電機(jī)、循環(huán)泵和補(bǔ)水泵等進(jìn) 行

14、啟?？刂坪碗姍C(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定，一旦電機(jī)啟動(dòng)完畢，即使PL（與上位機(jī)通訊故障， 系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與變送層：這一層是集散控制系統(tǒng)的最底層，主要完成現(xiàn)場數(shù) 據(jù)的采集、預(yù)處理和變送等工作。這些數(shù)據(jù)主要包括鍋爐的出水溫度、出水壓力、 鍋筒壓力、爐膛溫度、爐膛壓力以及總出水溫度、總出水壓力、總回水壓力等。 變送器將采集的溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)并傳送給可編程控制 器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。五、各功能模塊電路設(shè)計(jì)1、硬件系統(tǒng)：5.1.1系統(tǒng)主電路模塊根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)風(fēng)機(jī)和循環(huán)泵采用變頻啟動(dòng)和調(diào)速。變頻器輸入 電源前面接入一個(gè)自動(dòng)空氣開關(guān)， 來實(shí)現(xiàn)電機(jī)、變頻器的過流過載保護(hù)接通，雖 然變

15、頻器本身就有欠壓、過壓，過流、過載等保護(hù)功能，但是對(duì)于有工頻運(yùn)行的 水泵電動(dòng)機(jī)，還需要在工頻電源下面接入相應(yīng)的熱繼電器， 來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的過流過 載保護(hù)。21FR-F5dOL-QE-CH13a«4VAFErF5dQL-75E-CH圖5-1控制系統(tǒng)的主回路本系統(tǒng)采用4臺(tái)變頻器連接4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，其中1號(hào)變頻器控制引風(fēng)電機(jī)，功 率為90KV，變頻工作方式，電機(jī)通過一個(gè)接觸器和變頻器輸出電源相聯(lián)，2號(hào)變 頻器控制鼓風(fēng)機(jī)，功率為 37KW變頻工作方式，電機(jī)通過一個(gè)接觸器與變頻輸 出電源連接。3號(hào)變頻器控制一臺(tái)循環(huán)泵，4號(hào)變頻器控制一臺(tái)循環(huán)泵，功率都 為75KV，一臺(tái)作為備用，均采用變頻工作方式。補(bǔ)水

16、泵，爐排電機(jī)等采用工頻 運(yùn)行方式，功率為5KW變頻器主電路電源輸入端子（R, S, T）經(jīng)過隔離開關(guān)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(dòng)機(jī)上，如圖 5-1所示。按下 啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開始工作，使接觸器線圈 KM1 KM2 KM3帶電并保持，從而使接 觸器KM1 KM2 KM3動(dòng)作，1#變頻器、3#變頻器接通電源，電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行。5.1.2系統(tǒng)控制電路模塊在控制電路的設(shè)計(jì)中，首先要考慮弱電和強(qiáng)電之間的隔離的問題。 在整個(gè)控 制系統(tǒng)中，所有控制電機(jī)、接觸器的動(dòng)作，都是按照PLC的程序邏輯來完成的。為了保護(hù)PLC設(shè)備，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而

17、是通過中間 繼電器去控制電機(jī)動(dòng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的強(qiáng)電和弱電之間的隔離，保護(hù)系統(tǒng)，延長系統(tǒng)的使用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)、欠壓、過壓保護(hù)，電機(jī)的故 障指示，變頻器的故障指示以及報(bào)警輸出，模擬量的輸入、輸出模塊。控制電路中還必須考慮系統(tǒng)電機(jī)的當(dāng)前工作狀態(tài)指示燈的設(shè)計(jì)，為了節(jié)省 PLC的輸出端口，在電路中可以采用PLC輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開觸點(diǎn) 的斷開和閉合來控制相應(yīng)電機(jī)指示燈的亮和熄滅，指示當(dāng)前系統(tǒng)電機(jī)的工作狀 態(tài)。其控制電路圖如圖5-2所示。引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制電路如圖 2-1所示。手動(dòng)控制時(shí)，首先扳動(dòng)轉(zhuǎn)換

18、開關(guān) SA1,使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕SB2接觸器KM1吸合并自保，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng),運(yùn)行指示燈HL1亮。當(dāng)接觸器KM1吸合時(shí)，中間繼電器 KA1接通，變頻器STF 接通，變頻器啟動(dòng)。當(dāng)變頻器故障輸出時(shí)，開始報(bào)警HA1鈴響，報(bào)警指示燈亮。按下復(fù)位按鈕SB3中間繼電器KA2接通，常閉觸頭KA2打開，解除報(bào)警，變頻 器停止運(yùn)行。使電動(dòng)機(jī)停止時(shí)，按下按鈕 SB2接觸器線圈失電，主觸頭 KM1打 開，電動(dòng)機(jī)停止。自動(dòng)控制時(shí)，扳動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1,通過PLC編程控制，來完成電動(dòng)機(jī)的自動(dòng) 控制。5.1.3系統(tǒng)主要元器件的選擇(一) PLC系統(tǒng)配置根據(jù)系統(tǒng)控制要求，統(tǒng)計(jì)出本系統(tǒng)對(duì)主PLC的I/O總能力要求為：開

19、關(guān)量輸 入64點(diǎn)，開關(guān)量輸出32點(diǎn)，模擬量輸入8通道。綜合考慮系統(tǒng)對(duì)PLC運(yùn)算能力 的要求等因素，選用西門子的 S7-300系列PLC CPU模塊選用CPU315-2DP具 體配置如下圖所示：配置圖廣泛組合以用于擴(kuò)展。系統(tǒng)組成：(1) 電源負(fù)載模塊(PS307):用于將SIMATICS7-300連接到120/230VAC電源, 輸出24VD，它與CPU模塊和其他信號(hào)模塊之間通過電纜連接，而不是通過背板 總線誰接。(2) 中央處理單元(CPU315-2DP)集成128KRAM用MM(存儲(chǔ)卡最大可擴(kuò)展到8MB對(duì)二進(jìn)制何浮點(diǎn)運(yùn)算具有較高的處理性能；可用于大規(guī)模的I/O配置；集成有PROFIBUS-D

20、P接口； CPU模塊除完成執(zhí)行用戶程序的主要任務(wù)外，還為 S7-300背板總線提供5V直流電源，并通過MPI多點(diǎn)接口與其他中央處理器或編 程裝置通信。(3) 接口模塊(IM360):用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架(CR)和擴(kuò)展機(jī)架(ER) 如果用戶的自控系統(tǒng)任務(wù)需要多于 8個(gè)信號(hào)模塊或通信處理器時(shí)，可通過IM360 擴(kuò)展1個(gè)機(jī)架，最長1米，每個(gè)機(jī)架上可以插入8個(gè)模塊，電源也是由此擴(kuò)展提 供。(4) 信號(hào)模塊(SM):使不同的過程信號(hào)電平和 57-300的內(nèi)部信號(hào)電平相匹配，主要數(shù)字量輸入模塊SM321數(shù)字量輸出模塊SM322模擬量輸入模塊SM331 模擬量輸出模塊SM332等。每個(gè)信號(hào)模塊都配有自

21、編碼的螺緊型前連接器，外部過程信號(hào)可方便地連在信號(hào)模塊的前連接器上。特別指出的是模擬量輸入模塊獨(dú) 具特色，它可以接入熱電偶、熱電阻、4-20mA電流、0-10V電壓等18種不同的信號(hào)，輸入量程范圍很寬。(5) 通訊處理器(CP340):西門子公司實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)串口通信的低成本解決方案 口： RS232C(V24) 20mA(TTY) RS422/485(X.27)。固化有 3964(R)協(xié)議和 ACSII 協(xié)議兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。(二) 通信網(wǎng)絡(luò)配置在系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置中，圖中上位機(jī)采用兩臺(tái)研華工控機(jī) IPC610,構(gòu)成雙機(jī) 冗余系統(tǒng)，每臺(tái)工控機(jī)配置一塊西門子 CP5611MPI多點(diǎn)接口通訊卡，通過 M

22、PI 接口與下位機(jī)S7-300進(jìn)行通訊。下位機(jī)采用S7-300系列PLC CPU315- 2DR內(nèi)部集成有MPI接口，用于 與上位機(jī)全局通訊、PLC在線編程。配置CP340R一 422/485通訊模塊，通過RS 一 485總線傳輸接口與4臺(tái)三菱變頻器進(jìn)行通訊。本系統(tǒng)中S7-300通過CP340與 1-4#變頻器之間的通信，設(shè)置 CP340參數(shù)， 通信協(xié)議設(shè)置為ASCll協(xié)議，選擇自由信息報(bào)文格式，波特率 9.6bps。然后按 照變頻器通信協(xié)議在PLC程序中組建發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，設(shè)定變頻器頻率，讀取變頻 器頻率、電流、電壓、功率等參數(shù)。(三) 變頻器的選型變頻器是把電壓，頻率固定的交流電變換成電壓，

23、頻率分別可調(diào)的交流電的變換器。變頻調(diào)速器與外界的聯(lián)系點(diǎn)基本上分三部分：一是主電路接線端，包括工頻電網(wǎng)的輸入端(R, S，T)，接電機(jī)的頻率，電壓連續(xù)可調(diào)的輸出端(U, V，W。 二是控制端子，包括外部信號(hào)控制變頻調(diào)速器工作的端子，變頻帶調(diào)速器工作狀態(tài)指示端子，變頻器與微機(jī)或其他變頻的通訊接口。 三是操作面板包括液晶顯示 屏和鍵盤。1、變頻器頻率范圍的設(shè)定(1)基本頻率與最高頻率電動(dòng)機(jī)的額定頻率稱為變頻器的基本頻率，當(dāng)頻率給定信號(hào)為最大值時(shí)，變頻器的給定頻率，稱為最咼頻率，在上升時(shí)間一定的情況下，最咼頻率決定了變頻器輸出頻率的變化速度。（2） 上限頻率與下限頻率上限頻率與下限頻率是調(diào)速控制系統(tǒng)所

24、要求變頻器的工作范圍，它們的大小 應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作情況設(shè)定。2、變頻器及其型號(hào)根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求，按照電動(dòng)機(jī)的額定功率，最大使用電機(jī)容量，本設(shè)計(jì)選 用三菱 FR-F540（L）-SFR-F540L-S系列變頻器節(jié)能型、一般負(fù)載適用FR F500（ L）1、功率范圍：75900KW （3 相 380V, FR- F540 （ L）系列）2 采用最佳勵(lì)磁控制方式，實(shí)現(xiàn)更高節(jié)能運(yùn)行。3內(nèi)置PID,變頻器/工頻切換和可以實(shí)現(xiàn)多泵循環(huán)運(yùn)行功能。4 柔性PWM實(shí)現(xiàn)更低噪音運(yùn)行。5.內(nèi)置RS485通信口。6. 75KW以上隨機(jī)帶DC電抗器技術(shù)規(guī)格：FR-F540L-S 系列型號(hào) FR-F540L-口 -CH40

25、0VS75KS90KS110KS132KS160KS185KS220KS250KS315KS400K適用電機(jī)容量（KW） （注 1）輕載變轉(zhuǎn)矩7590110132160185220250315400可變轉(zhuǎn)矩7590110110132160185220280375輸 出額疋電流（A）輕載變轉(zhuǎn)矩144 180 216260302360432477610750可變轉(zhuǎn)矩144 180 214216260302360432547722過載能力（注3）輕載變轉(zhuǎn)矩110% 60s秒（反時(shí)限特性）可變轉(zhuǎn)矩120% 60秒,150% 0.5秒（反時(shí)限特性）電壓（注4）三相，380V至480V電 源額定輸入交流電

26、壓/頻 率三相，380V至 480V 50Hz/60Hz交流電壓允許波動(dòng)范圍323 至 528V 50Hz/60Hz頻率允許波動(dòng)范圍± 5%電源容（KVA（注5）輕載變轉(zhuǎn)矩110 137 165198230274329363464571變轉(zhuǎn)矩110 137 165165198230274329417550保護(hù)結(jié)構(gòu)開放型（IP00）冷卻方式強(qiáng)制風(fēng)冷（注）:1.表示適用電機(jī)容量是以使用三菱標(biāo)準(zhǔn) 4極電機(jī)時(shí)的最大適用容量。2.額定輸出容量是指，輸出電壓為200V級(jí)時(shí)，220V時(shí)的容量；輸出電壓為400' 級(jí)時(shí)，440V時(shí)的容量。3. 過載能力是以過電流與變頻器的額定電流之比的百分?jǐn)?shù)

27、（）表示的。反復(fù)使用時(shí)，必須等待變頻器和電機(jī)降到 100%負(fù)荷時(shí)的溫度以下。4. 最大輸出電壓不能大于電源電壓，在電源電壓以下可以任意設(shè)定最大輸出電 壓。5. 電源容量隨著電源側(cè)的阻抗（包括輸入電抗器和電線）的值而變化。本設(shè)計(jì)所所選變頻器的型號(hào):基本型號(hào)最大使用電機(jī)容 量（KW）輸出額定電流（A）電壓等級(jí)（V）FR-F540L-90K-CH90180400FR-F540-37K-CH3770400FR-F540L-75K-CH75144400FR-F540L-75K-CH75144400（四）傳感器的選型1、壓力傳感器的選型本設(shè)計(jì)中采用CYB-20S普通型壓力傳感器。CYB-20S系列壓力變送

28、器使用 CYB-10S壓力傳感器為敏感元件,和電子線路做成一體化結(jié)構(gòu)，輸出為 420mA 05V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),適合工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)配套。CYB-20S為圓柱型全不銹鋼結(jié)構(gòu)， 體積小，零點(diǎn)和靈敏度可從外部直接調(diào)整，使用方便。2、液位傳感器的選型本設(shè)計(jì)采用光電傳感器OPG-01該光電傳感器包含一個(gè)紅外 LED和光接收 器。從LED的光直接到達(dá)傳感器頂端的棱鏡，當(dāng)沒有液體存在時(shí)，LED中的光在棱鏡中被反射到接受器。當(dāng)上升的液體侵入棱鏡時(shí)，光被折射到液體中，只有少 許或無光到達(dá)接受器。感應(yīng)這個(gè)變化，接受器開動(dòng)了單元中的電動(dòng)開關(guān)， 外部報(bào) 警或控制電路從而工作。(五)其他主要元器件的選擇根據(jù)題目設(shè)計(jì)依據(jù)，主要

29、參數(shù)計(jì)算。額定電流的計(jì)算：90KW引風(fēng)機(jī)的額定電流：37KW鼓風(fēng)機(jī)的額定電流：90 103380 3cos=180 (A)37 103380 、3cos二 70 (A)75KW循環(huán)泵的額定電流:75 103380： /3 cos=144(A)5KW工頻電動(dòng)機(jī)的額定電流:5 103380 J3cos ：-10(A)2、軟件系統(tǒng)5.2.1 PLC 控制程設(shè)計(jì)PLC控制程序采用西門子編程軟件 STEP7V5.3設(shè)計(jì)，STEP7V5.3是專門用于 SIMATICS7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，支持梯形圖(LAD) 語言、語句表(sTL)語言和功能塊圖(FBD)語一言。PLC控

30、制程序由一個(gè)主程序和若干子程序構(gòu)成，編程、調(diào)試等全部在計(jì)算機(jī) 上完成，編譯后通過MPI接口下載到PLC整個(gè)編程的步驟如下圖所示：由圖中可看出，程序的設(shè)計(jì)步驟有兩種途徑，一種是先組態(tài)硬件再編寫程序 塊，另一種是先編寫程序塊再組態(tài)硬件。如果要生成一個(gè)多點(diǎn)輸入輸出的綜合系 統(tǒng)，應(yīng)先組態(tài)硬件，這樣STEP7自動(dòng)根據(jù)硬件的位置確定好I/O點(diǎn)地址，有利于 編程。本系統(tǒng)是一個(gè)輸入輸出點(diǎn)數(shù)多而煩雜的綜合系統(tǒng)，故先組態(tài)硬件。522 PLC控制流程圖在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求而進(jìn)行程序的編制，在程序編制 之前的工作是繪制流程圖，流程圖的編寫將決定所設(shè)計(jì)的程序的性能和完成設(shè)計(jì) 任務(wù)要求。下面是本控制系統(tǒng)

31、程序的基礎(chǔ)功能塊說明，通過調(diào)用這些基礎(chǔ)功能塊就構(gòu)成了系統(tǒng)控制程序。這些基礎(chǔ)功能塊有STEP7標(biāo)準(zhǔn)庫自帶的，包括CP340專用通信 功能塊FB2和FB3;連續(xù)PID控制功能塊FB41; ASCII轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制功能塊FC94 和16進(jìn)制轉(zhuǎn)換為ASCll碼功能塊FC95發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文處理功能塊 FB12下面具 體介紹這些基礎(chǔ)功能塊的設(shè)計(jì)流程主程序設(shè)計(jì)主程序通過循環(huán)組織塊（oBI）完成，下圖給出了 0B1中的主程序結(jié)構(gòu)組織塊0B1調(diào)用功能塊FC1、FC2 FC3 FC4 FC5 FC1完成鍋爐系統(tǒng)的控制， 確定鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和爐排電機(jī)的變頻器頻率；FC2完成鍋爐燃燒系統(tǒng)、循環(huán)泵系統(tǒng)、和補(bǔ)水泵系統(tǒng)中所有

32、電機(jī)的啟/停控制；FC3采集所有模擬量并轉(zhuǎn)換為IEEE758犯位浮點(diǎn)數(shù)；FC4完成循環(huán)泵系統(tǒng)中的電機(jī)啟/?？刂坪蛥?shù)設(shè)定；FC5 進(jìn)行PLC與變頻器的通信處理，完成所有變頻器的頻率設(shè)定，采集變頻器的頻率、 電壓、電流、功率等參數(shù)。523 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件要完成的任務(wù)是監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程。其監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示監(jiān)控系統(tǒng)完成的任務(wù)如下：數(shù)據(jù)監(jiān)視。監(jiān)視每臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)出水溫度、回水溫度、出水壓力、回水 壓力、爐膛溫度、出水流量等模擬量參數(shù)以及電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出電壓、流信號(hào)的變 化。數(shù)據(jù)以直接顯示、趨勢圖的形式顯示在圖形面上供用戶查看。循環(huán)泵系統(tǒng)監(jiān)控?？刂蒲h(huán)泵的啟動(dòng)/停止，設(shè)定變頻器的

33、頻率和管網(wǎng) 出水壓力，同時(shí)監(jiān)視循環(huán)泵系統(tǒng)的壓力、溫度、電壓、電流、功率等號(hào)。數(shù)據(jù)歸檔。所有模擬量信號(hào)均通過變量一記錄編輯器進(jìn)行短期歸檔，而對(duì)于一些重要參數(shù)（如出水溫度）和統(tǒng)計(jì)量（如耗煤量、出水供熱量等）則長期歸 檔。報(bào)警記錄。系統(tǒng)中采集到的模擬量信號(hào)都必須設(shè)定上下限， 當(dāng)系運(yùn)行過 程中模擬量發(fā)生超限報(bào)警時(shí)，報(bào)警記錄編輯器記錄報(bào)警時(shí)間，并提報(bào)警信息。對(duì) 于超溫超壓報(bào)警，必要時(shí)要停止風(fēng)機(jī)和水泵等電機(jī)。六、總體電路6.1循環(huán)流量控制循環(huán)流量控制同樣采用偏差控制和PID控制相結(jié)合的控制方式。偏差控制設(shè) 定出水壓力范圍，當(dāng)出水壓力實(shí)際值不在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，調(diào)節(jié)流量，直到出水壓力達(dá)到要求為止。PID控制在偏

34、差控制的基礎(chǔ)上對(duì)出水壓力進(jìn)行微調(diào)，其原理如 圖3-3所示。循環(huán)泵系統(tǒng)根據(jù)出水壓力的設(shè)定值與采集到的出水壓力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 通過PID算法將出水壓力值控制在設(shè)定值附近。其控制采用前述改進(jìn)PID控制算法 與參數(shù)整定方法。循環(huán)流量PID控制原理圖6.2燃燒過程控制鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制的基本任務(wù)是使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)負(fù)荷的需要，同時(shí)還要保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù)主要有三點(diǎn)：(1) 穩(wěn)定鍋爐的出水溫度，始終保持在設(shè)定值附近。出水溫度的設(shè)定值與室 外溫度以及消耗熱量(負(fù)荷)的變化相關(guān)，以出水溫度為信號(hào)，改變?nèi)济毫亢惋L(fēng)煤 比，達(dá)到出水溫度與設(shè)定值一致。同時(shí)測量系統(tǒng)的回水溫度和爐膛溫度，若回

35、水 溫度過低則適當(dāng)加大給煤量，反之則適當(dāng)減少給煤量；若爐膛溫度過高則適當(dāng)減 少給煤量，反之則適當(dāng)加大給煤量。(2) 保證鍋爐燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于給定出水溫度的情況下，需要調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量與給煤量的比例，使鍋爐運(yùn)行在最佳燃燒狀態(tài)。開始運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè) 定風(fēng)煤比，使耗煤量與鼓風(fēng)量成比例關(guān)系，同時(shí)根據(jù)出水溫度的變化對(duì)鼓風(fēng)量進(jìn) 行前饋控制，然后通過測量煙氣含氧量，運(yùn)用偏差控制調(diào)節(jié)風(fēng)煤比，使燃煤充分 燃燒。(3) 調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量與引風(fēng)量，保持爐膛壓力在一定的負(fù)壓范圍內(nèi)。爐膛負(fù)壓的 變化，反映了引風(fēng)量與鼓風(fēng)量的不相適應(yīng)。如果爐膛負(fù)壓太小，爐膛容易想外噴 火，危及設(shè)備與工作人員的安全。負(fù)壓過大，爐膛的漏風(fēng)量增大，增加引風(fēng)機(jī)的電耗和煙氣帶走的熱量損失。本系統(tǒng)中根據(jù)鼓風(fēng)量的變化，對(duì)引風(fēng)量進(jìn)行前饋控 制。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定