基于PLC的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計-畢業(yè)論文

1、目 錄摘要1第1章 概 述51.1 項目背景及課題的研究意義51.2 供暖鍋爐控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀61.3鍋爐控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢7第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計102.1鍋爐控制研究簡介102.2 總體設(shè)計思路10第3章 硬件設(shè)計133.1 用戶系統(tǒng)框圖133.2 鍋爐系統(tǒng)的理論分析143.2.1變頻調(diào)速基本原理143.2.2變頻調(diào)速在供暖鍋爐中的應(yīng)用143.2.3變頻調(diào)速節(jié)能分析153.3燃燒過程控制203.4鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計213.5控制系統(tǒng)構(gòu)成介紹22第4章 軟件設(shè)計264.1 S7-300系列PLC簡介274.2 PLC編程語言簡介294.2.1 PLC編程語言的國際標(biāo)準(zhǔn)294.2.2復(fù)合數(shù)據(jù)類

2、型與參數(shù)類型304.2.3系統(tǒng)存儲器304.2.4 S7-300 CPU中的寄存器314.3 STEP7 的原理324.3.1 STEP7概述324.3.2 硬件組態(tài)與參數(shù)設(shè)置334.3.3 符號表374.3.4 邏輯塊384.3程序設(shè)計394.4通信系統(tǒng)424.5人機(jī)界面444.5.1監(jiān)控軟件WinCC介紹444.5.2監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計464.5.3鍋爐監(jiān)控界面設(shè)計50第5章 結(jié) 論545.1 成果的創(chuàng)造性和先進(jìn)性545.2作用意義（經(jīng)濟(jì)效益和社會意義）545.3 推廣應(yīng)用范圍和前景545.4 需要進(jìn)一步改進(jìn)之處55參考文獻(xiàn)56致謝76附錄77附錄1 程序清單77附錄2 I/O點(diǎn)數(shù)分配表97附錄

3、3 物理參數(shù)比較表98摘 要隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及人們生活水平的不斷提高，對城市生活供暖的用戶數(shù)量和供暖質(zhì)量提出了原來越高的要求。結(jié)合現(xiàn)狀，本論文供暖鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計了一套基于PLC和變頻調(diào)速技術(shù)的供暖鍋爐控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以一臺工業(yè)控制機(jī)作為上位機(jī)，以西門子S7-300可編程控制機(jī)為下位機(jī)，系統(tǒng)通過變頻器控制電機(jī)的啟動，運(yùn)行和調(diào)速。上位機(jī)監(jiān)控采用WinCC設(shè)計，主要完成系統(tǒng)操作界面設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)啟停控制，參數(shù)設(shè)定，報警聯(lián)動，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。下位機(jī)控制程序采用西門子公司的STEP7編程軟件設(shè)計，主要完成模擬量信號的處理，溫度和壓力信號的PID控制等功能，并

4、接受上位機(jī)的控制指令以完成風(fēng)機(jī)啟?？刂疲瑓?shù)設(shè)定，循環(huán)泵的控制和其余電動機(jī)的控制。本文設(shè)計的變頻控制系統(tǒng)實現(xiàn)了鍋爐燃燒過程的自動控制，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。采用鍋爐的計算機(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)自動化水平，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。關(guān)鍵字：鍋爐控制 變頻調(diào)速 組態(tài)軟件 PLC第1章 概 述1.1 項目背景及課題的研究意義工業(yè)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)和集中供熱過程中重要的動力設(shè)備。水暖鍋爐在我國已有近百年的歷史，在過去很長一段時間，我國水暖鍋爐控制一直都是人工手動控制。隨著我國人民生活水平的穩(wěn)步提高和城市化建設(shè)的步伐加快，建筑業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的重要性日益凸顯。而對新型采

5、暖設(shè)備的需求量也呈全面迅猛增長的態(tài)勢。雖然近年來，電熱采暖、地?zé)岵膳娜贿M(jìn)入尋常百姓家，但以水暖鍋爐進(jìn)行采暖仍是我國最為普遍使用的冬季采暖方式。工業(yè)鍋爐能耗巨大，每年的耗煤量超過上億噸，占我國原煤產(chǎn)量的三分之一，提高其生產(chǎn)效率不僅具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還有重要的環(huán)保意義。但是我國目前運(yùn)行的大多數(shù)鍋爐系統(tǒng)控制水平不高，效率普遍低于國家標(biāo)準(zhǔn)，操作工人水平參差不齊，經(jīng)常是憑感覺和經(jīng)驗去操作，長期使鍋爐處在能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。據(jù)有關(guān)資料顯示，世界85%的人口正陸續(xù)進(jìn)入工業(yè)化階段，全球性的人口、資源、環(huán)境矛盾尖銳，使我國的現(xiàn)代化面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，即使國際市場能夠彌補(bǔ)中國資源的不足，生態(tài)和環(huán)境破壞

6、的沉重代價也難以承受。工業(yè)鍋爐生產(chǎn)效率會受到諸多因素的影響。爐體本身的生產(chǎn)狀況是影響鍋爐產(chǎn)熱效率的重要因素，但是國內(nèi)很多供熱單位的鍋爐爐齡較長、生產(chǎn)狀況遠(yuǎn)低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，要徹底的更新?lián)Q代，需要很大的投資，這是大多數(shù)的供熱單位不能承受的，也不符合我國現(xiàn)在的基本國情。然而鍋爐設(shè)備是一個復(fù)雜的控制對象，作為一個長期運(yùn)行的設(shè)備，其控制系統(tǒng)的優(yōu)劣也是影響鍋爐生產(chǎn)效率的重要因素。應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)對鍋爐生產(chǎn)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行自動化控制，能夠有效地提高鍋爐運(yùn)行可靠性和生產(chǎn)效率。實際表明，應(yīng)用于2030噸/時中壓鍋爐的DMC一50系列微機(jī)控制系統(tǒng)，經(jīng)實測節(jié)煤率達(dá)5%以上。工業(yè)鍋爐的耗煤產(chǎn)汽既是一個能源轉(zhuǎn)換過程，又是

7、一個生產(chǎn)過程，對于由多個鍋爐控制站組成的鍋爐群系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)控管理，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計、分析，將統(tǒng)計分析的各種數(shù)據(jù)及時發(fā)布給相關(guān)的部門，如廠領(lǐng)導(dǎo)、調(diào)度室、工段室、技術(shù)室等有著重要的意義。利用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建一個由現(xiàn)場控制層、顯示操作層和信息管理層組成的集成自動化系統(tǒng)可以使企業(yè)生產(chǎn)和管理有機(jī)地結(jié)合起來。通過現(xiàn)代信息化技術(shù)改造，提高整個供熱單位的管理水平，管控結(jié)合，獎優(yōu)罰劣，充分調(diào)動工作人員的責(zé)任心和積極性，通過加強(qiáng)管理提高生產(chǎn)水平，使整個鍋爐系統(tǒng)的生產(chǎn)過程處在可達(dá)最佳優(yōu)化狀態(tài)，可以有效地提高生產(chǎn)效率。1.2 供暖鍋爐控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀鍋爐的自動化控制從上世紀(jì)

8、三、四十年代就開始了，當(dāng)時大都為單參數(shù)儀表控制，進(jìn)入上世紀(jì)五十年代后，美國、前蘇聯(lián)等國家都開始進(jìn)行對鍋爐的操作和控制的進(jìn)一步研究。但由于當(dāng)時科技發(fā)展的局限性，對鍋爐的控制主要停留在使用汽動儀表(包括汽動單元組合儀表和汽動基地式儀表)的階段，而且大多數(shù)鍋爐只是檢測工藝參數(shù)，不進(jìn)行自動控制。到上世紀(jì)六十年代，在發(fā)達(dá)國家，鍋爐的控制主要以電動單元組合儀表(相當(dāng)于我國的DDZ-II, DDZ-III儀表)檢測與控制，還是以檢測報警為主，控制為輔助功能。到了上世紀(jì)七十年代，隨著計算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)理論的發(fā)展，使得鍋爐的計算機(jī)控制成為可能。尤其是近一、二十年來，隨著先進(jìn)控制理論和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，

9、加之計算機(jī)各種性能的不斷增強(qiáng)，價格的大幅度下降，使鍋爐應(yīng)用計算機(jī)控制很快得到了普及和應(yīng)用。許多發(fā)達(dá)國家都相繼開發(fā)出了鍋爐計算機(jī)控制系統(tǒng)。如 今在 國 外，鍋爐的控制己基本實現(xiàn)了計算機(jī)自動控制，在控制方法上都采用了現(xiàn)代控制理論中的最優(yōu)控制、多變量頻域、模糊控制等方法，因此，鍋爐的熱效率很高、鍋爐運(yùn)行平穩(wěn)，而且減少了對環(huán)境的污染。在國內(nèi)，由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的限制，中小企業(yè)鍋爐設(shè)備水平一直比較落后，大多數(shù)中小型鍋爐水平基本上停留在手動和簡單儀表操作的水平。80年代中后期，隨著先進(jìn)的控制技術(shù)引入我國的鍋爐控制，鍋爐的計算機(jī)控制得到了很大的發(fā)展。至90年代，鍋爐的自動化控制己成為一個熱門領(lǐng)域，利用單片機(jī)、

10、可編程序控制器、工業(yè)計算機(jī)以及引進(jìn)的國外控制設(shè)備開發(fā)的各種控制系統(tǒng)，己逐漸用于對原有鍋爐的技術(shù)改造中，并向與新建爐體配套的方向發(fā)展，許多新的控制方法，諸如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等自動控制的最新成果也在鍋爐自動控制中得到了嘗試和應(yīng)用.但由于控制技術(shù)單一，或控制算法的建模往往不能反映真實的鍋爐燃燒狀況，導(dǎo)致在工程實踐中并不怎么成功，不能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益，挫傷了用戶在工業(yè)鍋爐上用計算機(jī)進(jìn)行控制的積極性。進(jìn)入本世紀(jì)以來，為了進(jìn)一步改善鍋爐操作狀況，降低能耗，確保安全運(yùn)行，減少對大氣的污染，同時隨著人工智能理論的發(fā)展成熟，智能控制技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，對新一代鍋爐計算機(jī)優(yōu)化

11、控制系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用已勢在必行且條件成熟。國內(nèi)供熱鍋爐燃燒系統(tǒng)自動控制大多在燃油和燃?xì)忮仩t上實現(xiàn)的，對于燃煤鍋爐，在自動控制研究方面總是得不到滿意的效果，存在的主要問題是滯后問題。近幾年變頻技術(shù)在我國的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，在鍋爐控制方面也有應(yīng)用，主要有三種形式，全自動變頻定壓；鍋爐鼓、引風(fēng)機(jī)變頻控制；循環(huán)泵變頻控制，對系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié)。三種形式均有獨(dú)立應(yīng)用的范例，也有組合應(yīng)用，但主要是以人工控制為主，節(jié)能效果仍然取決于司爐人員的經(jīng)驗，水平和責(zé)任意識。SCADA是英文“Supervisory Control and Data Acquisition”的縮寫，即“監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集”。SCADA系統(tǒng)是

12、建立在計算機(jī)基礎(chǔ)之上的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，它的主要任務(wù)是采集和管理各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視和控制，并保存歷史數(shù)據(jù)和故障事件，提供報表輸出和計算、分析SCADA系統(tǒng)作為生產(chǎn)過程和事物管理自動化最為有效的計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)之一，它有兩層含義：一是分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也就是通常所說的下位機(jī)；另一個是數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)，即上位機(jī)HMI(HumanMachine Interface，人機(jī)界面)系統(tǒng)，下位機(jī)通常是指硬件層上的，即各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如RTU(Remote Terminal Unit，遠(yuǎn)程終端測控單元)、PLC(Programmable Logic Con

13、troller，可編程邏輯控制器)及各種智能控制設(shè)備等等。這些智能采集設(shè)備與生產(chǎn)過程和事務(wù)管理的設(shè)備或儀表相結(jié)合，實時感知設(shè)備中各種參數(shù)的狀態(tài)，并將這些狀態(tài)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過特定的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到HMI系統(tǒng)中；必要的時候，這些智能系統(tǒng)也可以向設(shè)備發(fā)送控制信號。上位機(jī)HMI系統(tǒng)在接受這些信息后，以適當(dāng)?shù)男问?如聲音、圖形、圖像等方式)顯示給用戶，以達(dá)到監(jiān)視的目的，同時數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，告知用戶設(shè)備各種參數(shù)的狀態(tài)(報警、正?；驁缶謴?fù))。這些處理后的數(shù)據(jù)可能會保存到數(shù)據(jù)庫中，也可能通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)讲煌谋O(jiān)控平臺上，還可能與別的系統(tǒng)(如MIS、GIS)結(jié)合形成功能更加強(qiáng)大的系統(tǒng)，HMI還可以

14、接受操作人員的指令，將相應(yīng)的控制信號發(fā)送到下位機(jī)中，以達(dá)到控制的目的。一個完善的SCADA系統(tǒng)的建立，依托于高精度、智能化的一次儀表獲取信息，準(zhǔn)確無誤的通訊手段傳輸數(shù)據(jù)和高效快捷的計算機(jī)處理能力。SCADA系統(tǒng)所涉及到的技術(shù)比較廣泛，有儀表技術(shù)、檢測技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。SCADA系統(tǒng)一般由企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度指揮中心、分廠測控站、管網(wǎng)測壓點(diǎn)等組成。它所具有的功能一般包括：數(shù)據(jù)采集控制功能，數(shù)據(jù)傳輸功能，數(shù)據(jù)顯示及分析功能，報警功能，歷史數(shù)據(jù)的存儲、檢索、查詢功能，報表顯示及打印功能，遙控功能，網(wǎng)絡(luò)功能等。1.3鍋爐控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對供暖系統(tǒng)的自動化提出了更高的要求。必

15、須對現(xiàn)有系統(tǒng)的控制和管理進(jìn)行改造和完善，從落后的人工抄表、手工記錄方式向自動化檢測和控制方向發(fā)展。采用現(xiàn)代化技術(shù)和手段，對系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)(如循環(huán)水水溫、管網(wǎng)水壓和水流量、水箱水位以及水泵的運(yùn)行狀態(tài)等)實施自動化監(jiān)測和控制管理，從而降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提高效率，保證設(shè)備安全，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和潛在的社會效益。這對提高供暖系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性、提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證安全生產(chǎn)、提高管理水平和減員增效具有重要意義。以往的供暖系統(tǒng)，由于熱源傳送距離較遠(yuǎn)，需監(jiān)測和控制的點(diǎn)較多，且這些點(diǎn)在空問上布置分散，從而造成了人工勞動強(qiáng)度大，控制不及時等問題。而集中了PLC系統(tǒng)的現(xiàn)場測控功能和DCS系統(tǒng)的信息共享和組網(wǎng)通信能力

16、兩大優(yōu)點(diǎn)的SCADA系統(tǒng)(Supervision ControlAnd Data Acquisition)，即分布式數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)是自動化領(lǐng)域的重要系統(tǒng)之一，SCADA系統(tǒng)可實現(xiàn)多點(diǎn)測量，且測控精度高，測控速度快，采用此種系統(tǒng)對整個供暖過程進(jìn)行監(jiān)控既可以保證生產(chǎn)過程運(yùn)行的安全可靠，節(jié)約能源，又可大大減輕人工的勞動強(qiáng)度。同時在軟件設(shè)計上可采用通用的工業(yè)控制組態(tài)軟件，根據(jù)系統(tǒng)的實際情況進(jìn)行靈活的優(yōu)化配置。 當(dāng)前，節(jié)能與環(huán)保已成為人類社會面對的兩大課題。我國的鍋爐目前已煤為主要燃料，耗煤量接近全國煤產(chǎn)量的三分之一，燃用的主要是中低質(zhì)煤，工業(yè)污染十分嚴(yán)重，而且鍋爐設(shè)備陳舊，生產(chǎn)效率和自動化程度低，

17、進(jìn)一步加重了環(huán)境污染的程度。在歐美和日本等發(fā)達(dá)國家，石油和天然氣已成為第一能源，占能源消費(fèi)的60%左右，燃油和燃?xì)忮仩t已逐步取代燃煤鍋爐，對風(fēng)機(jī)和水泵等電機(jī)的變頻控制已相當(dāng)成熟。自二十世紀(jì)九十年代以來，隨著超大型可編程控制器的出現(xiàn)和模糊控制，自適應(yīng)控制等智能控制算法的發(fā)展以及智能控制器的應(yīng)用，鍋爐控制水平大大提高，以實現(xiàn)優(yōu)化控制國內(nèi)對鍋爐控制的研究起步較晚，始于八十年代初期。國內(nèi)研究鍋爐控制比較成熟的企業(yè)有上海杜比公司，南京仁泰公司等，但仍存在一些問題：1.大多數(shù)現(xiàn)有的鍋爐控制系統(tǒng)可控制的主要還是開關(guān)量設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、爐排和水泵的開關(guān)或者閥門控制。不能對它們精確連續(xù)調(diào)節(jié)，使控制手段單一，控制精度

18、低。2.鍋爐控制系統(tǒng)的的控制方案不夠合理，鍋爐控制器一旦出現(xiàn)故障，只能采取系統(tǒng)斷電處理，進(jìn)行人工操作。若鍋爐系統(tǒng)中的傳感器、變送器等設(shè)備出現(xiàn)故障時，溫度、壓力等參數(shù)就無法達(dá)到設(shè)定值。3.我國自七十年代末開始，鍋爐的微機(jī)控制逐漸成熟起來，但主要是西安儀表顯示、報表打印等功能，并未實現(xiàn)鍋爐自動控制，下位機(jī)主要以單片機(jī)為主，控制水平有限，可靠性不夠高。 第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1鍋爐控制研究簡介鍋爐是一種應(yīng)用廣泛的工業(yè)及民用設(shè)備，對國民生產(chǎn)及生活影響重大，無論是工廠、礦山還是在人們的日常生活中我們都可以感受到鍋爐對我們的影響。目前我國鍋爐使用數(shù)目龐大，并且多數(shù)鍋爐控制水平不高，大多數(shù)鍋爐仍處于人工控

19、制狀態(tài)，不僅操作工人勞動強(qiáng)度大，環(huán)境污染嚴(yán)重，運(yùn)行工況不穩(wěn)定，而且熱效率低，燃料的消耗量大，年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的1/3，節(jié)能潛力大。隨著工業(yè)的發(fā)展，及居民生活區(qū)的集中，熱力供應(yīng)量的需求尤其是北方地區(qū)居民取暖需求越來越大，鍋爐供熱的需求持續(xù)增高，為了減少勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、凈化環(huán)境，就需要對鍋爐操作運(yùn)行過程更加嚴(yán)格要求。過去傳統(tǒng)的單一人工操作已跟不上時代的發(fā)展及工藝控制的要求，計算機(jī)在鍋爐控制中的作用越來越大，使用計算機(jī)加強(qiáng)對鍋爐的運(yùn)行控制，有助于降低維護(hù)成本、便于選擇控制方法。且可以提高系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)及控制水平，可維持穩(wěn)定的運(yùn)行工況，保證鍋爐經(jīng)濟(jì)燃燒。鍋爐是一個典型的非線性時

20、變多變量混合系統(tǒng)，過程機(jī)理錯綜復(fù)雜，不能建立精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。若采用傳統(tǒng)的控制方法，包括基于現(xiàn)代控制理論的控制方法，很難得到理想控制效果，為生產(chǎn)過程的自動化帶來了困難，從而考慮使用一些智能手段來實現(xiàn)控制目標(biāo)。對其控制算法進(jìn)行研究，具有比較重要的現(xiàn)實意義。實際中鍋爐是以生產(chǎn)具有一定壓力、溫度參數(shù)的蒸汽或熱水，滿足外部對負(fù)荷的需求為目的。為滿足外部負(fù)荷設(shè)備的要求，并保證鍋爐本體的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，要求自動控制設(shè)備具有完善的自動控制功能以及自動檢測、自動保護(hù)、程序控制等功能?？刂葡到y(tǒng)一般包括給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)和燃燒控制系統(tǒng)等兩個主要部分。無論是燃煤，燃油或燃?xì)忮仩t，它們的給水控制系統(tǒng)基本相同，主要區(qū)別在于燃

21、料燃燒控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同。工業(yè)鍋爐自動控制的任務(wù)主要是維護(hù)鍋爐的水位、溫度、壓力、爐膛負(fù)壓、煙汽含氧量等物理參數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)，并能自動適應(yīng)負(fù)荷的變化，從而使鍋爐在良好的狀況下運(yùn)行。2.2 總體設(shè)計思路本文針對供暖鍋爐控制系統(tǒng)，設(shè)計一套基于變頻調(diào)速技術(shù)的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)。鍋爐供暖系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)和水泵通過變頻器來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過工控機(jī)和可編程控制器對鍋爐系統(tǒng)中的鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、爐排電機(jī)、循環(huán)水泵實現(xiàn)控制。控制系統(tǒng)以一臺工業(yè)控制機(jī)作為上位機(jī)，以西門子S7-300可編程控制器為下位機(jī)、上位機(jī)采用高可靠性的工業(yè)控制計算機(jī)，通過監(jiān)控軟件完成人機(jī)界面及故障報警功能，下位機(jī)實現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)和管網(wǎng)系統(tǒng)的自動控制

22、，控制水平和硬件可靠性大大提高。第3章 硬件設(shè)計3.1 用戶系統(tǒng)框圖系統(tǒng)運(yùn)行的示意圖如圖3-1所示.圖3-1 系統(tǒng)運(yùn)行示意圖由圖3-1可以看出，由輸煤裝置送入煤斗的原煤，直接落在緩緩向前移動的爐排進(jìn)入燃燒室。在燃燒室中燃燒的空氣由爐排下的風(fēng)機(jī)供給。燃料燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖暂椛浞艧岬姆绞较蛉紵宜闹艿乃浔趥鬟f熱量，然后經(jīng)防渣管進(jìn)入對流煙道。對流煙道是由煙墻隔成的。對流煙道中布置有對流管束等受熱面。對流管束是與上、下鍋筒連在一起的一簇管束，管內(nèi)的水吸收煙道中的熱量而升溫。一部分在上鍋筒中被加熱的高溫水進(jìn)入供水管道。煙氣在煙道中沖刷對流管束以及下鍋筒放出熱量后，進(jìn)入尾部煙道，然后經(jīng)引風(fēng)機(jī)和煙囪排

23、入大氣。排入大氣的煙氣溫度越低，說明煙氣的熱量被吸收的越充分，燃料的熱能被利用的程度越高，鍋爐的熱效率就越高。鍋爐是個較復(fù)雜的調(diào)節(jié)對象，為保證提供合格溫度的熱水供取暖需要，生產(chǎn)過程各主要工藝參數(shù)必須加以嚴(yán)格控制。鍋爐控制系統(tǒng)的基本控制任務(wù)和控制要求包括：燃燒控制（爐膛溫度控制、爐膛負(fù)壓控制、引風(fēng)控制、送風(fēng)控制）；給水控制（供水運(yùn)行參數(shù)和水壓力、供水溫度、供水流量等）；以及對各設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測，以便進(jìn)行顯示、報警、工況計算以及指標(biāo)打印等。3.2 鍋爐系統(tǒng)的理論分析3.2.1變頻調(diào)速基本原理目前，隨著大規(guī)模集成電路和微電機(jī)子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為一項成熟的交流調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速器作為該

24、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)比較惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，且能提供較為完整的控制功能，能滿足各種生產(chǎn)設(shè)備、異步電動機(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關(guān)系。n=60f(1-s)/p其中表示n電機(jī)轉(zhuǎn)速；f為電動機(jī)工作電源頻率；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電極磁極對數(shù)。通過改變電動機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器就是基于上述原理才用交-直-交電源變換技術(shù)，集電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。3.2.2變頻調(diào)速在供暖鍋爐中的應(yīng)用由于變頻調(diào)速可以實現(xiàn)電機(jī)無極調(diào)速，具有異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速和串級調(diào)速無可比擬的優(yōu)越性，在鍋爐系統(tǒng)中

25、得到廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速在供熱鍋爐系統(tǒng)中主要應(yīng)用在風(fēng)機(jī)調(diào)速和水泵調(diào)速。通常在鍋爐燃燒系統(tǒng)中，根據(jù)生產(chǎn)需要對風(fēng)速、風(fēng)量、溫度等指標(biāo)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)以適應(yīng)用戶要求和運(yùn)行工況。而最常使用的控制手段則是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來調(diào)節(jié)受控對象。這樣，不論生產(chǎn)需求的大小，風(fēng)機(jī)都會全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以及風(fēng)門、擋板的節(jié)流損失消耗掉。在生產(chǎn)過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗。從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用居高不下。在供暖鍋爐系統(tǒng)中帶有循環(huán)泵、補(bǔ)水泵等水泵類設(shè)備，根據(jù)不同的生產(chǎn)需求往往采用調(diào)整閥、回流閥、截止閥等節(jié)流設(shè)備進(jìn)行流量、壓力、水位等信號

26、的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費(fèi)，管道、閥門等密封性能的破壞，還加速了泵腔、閥體的磨損和汽濁，嚴(yán)重時損壞設(shè)備而影響生產(chǎn)。近年來，出于節(jié)能的迫切需求和對供暖質(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，并可以實現(xiàn)高功能化等特點(diǎn)，因而采用變頻器驅(qū)動的方案開始逐步取代風(fēng)門、擋板、閥門的控制方案。用變頻器來對異步交流電動機(jī)調(diào)速，是八十年代末迅速發(fā)展成熟的一項高新技術(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)速的機(jī)械特性好，調(diào)速范圍廣，調(diào)速特性曲線平滑，可以實現(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，可獲得顯著的節(jié)能效果。3.2.3變頻調(diào)速節(jié)能分析變頻調(diào)速應(yīng)用于鍋爐系統(tǒng)的風(fēng)

27、機(jī)和水泵等電機(jī)的自動控制中，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。1.風(fēng)機(jī)、水泵運(yùn)行特性及常用方法的節(jié)能分析（由于風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行特性相同，此處以風(fēng)機(jī)為例來討論它的特性）（1）流量和壓力用H = F(Q)表示風(fēng)機(jī)全壓(包括靜風(fēng)壓和動風(fēng)壓)與風(fēng)量的關(guān)系風(fēng)機(jī)的軸功率P為: KW （3.1）式中 Q-風(fēng)量, m3/h;H-全壓， kPa;-風(fēng)機(jī)效率。電動機(jī)的輸出功率Pm為:KW （3.2）式中一傳動機(jī)構(gòu)的傳動效率。（2）流量和功率在流體力學(xué)中，轉(zhuǎn)速流量功率存在者下列關(guān)系: （3.3）由(3 .3)式可知，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。如果風(fēng)量

28、下降20%，可以采用調(diào)速的方法使轉(zhuǎn)速下降20%,則風(fēng)機(jī)的軸功率要下降到原值的51.2%;當(dāng)風(fēng)機(jī)量減少至50%時，風(fēng)機(jī)的軸功率下降至原值的12.5%。當(dāng)然，風(fēng)機(jī)速度大幅度下降時，風(fēng)機(jī)效率也有所下降，實際需要的軸功率要高于上面的計算值。即便這樣，節(jié)電量也是相當(dāng)可觀的，因此，風(fēng)機(jī)、水泵采用調(diào)速控制流量是非常有意義的。（3）風(fēng)機(jī)、水泵的軸功率對于流量變化較大的風(fēng)機(jī)、水泵，采取調(diào)速的方法改變流量，是節(jié)電的有效方法。降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可大大降低風(fēng)機(jī)的軸功率，圖3-2為風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能原理圖。圖3-2 風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能原理圖上圖繪出了風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的典型輸出特性H (n1)H (n2)，圖中曲線R1，R2分別表示由

29、管路所決定的特性曲線。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n1,，管路阻力為R1時，輸送的總流量Q1，由點(diǎn)1決定，此時風(fēng)機(jī)的輸出的壓力為H1，所需的軸功率: （3.4）若所需流量為Q2，在管路阻力不變的情況下，實際所需的壓力為H3，比H1下降，但如果此時的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速沒有改變，那么風(fēng)機(jī)的輸出壓力不但不能從H1降到H3，反而要增加到H2，而這個壓頭差值通常就是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門來實現(xiàn)，從而增加了管道阻力，使管道特性系數(shù)變?yōu)镽2來實現(xiàn)的，此時的損耗為: (3.5)如果此時不采用調(diào)節(jié)風(fēng)門的辦法而是將風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)低為n2，使風(fēng)機(jī)的輸出特性變?yōu)镠 (n2)，那么隨著風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量的減少，在輸送同樣的風(fēng)量Q2的情況下，原來消耗在風(fēng)門上的功

30、率NS就可以完全可以避免了，這樣既滿足了生產(chǎn)的需要，又達(dá)到了節(jié)能的目的。從下表的幾種選擇可以看出，變頻調(diào)節(jié)風(fēng)量節(jié)能最顯著，擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量耗能最嚴(yán)重。表3.1 調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板、變頻調(diào)速的耗能分析表風(fēng)量（%）軸功率kw(標(biāo)牌)出口擋板（kw）入口擋板（kw）變頻、串級（kw）電機(jī)輸入總損失電機(jī)輸入總損失電機(jī)輸入總損失10011.070.071.060.061.080.08900.7291.0350.3060.840.1110.790.061800.5120.9950.4830.7250.2130.550.038700.3430.960.6070.680.3370.380.037600.2160.895

31、0.6790.640.4240.250.034500.1250.840.7150.60.4750.150.025300.0270.710.6830.520.4730.050.023流量的調(diào)速方法很多，常用的有變極調(diào)速、二次電阻控制調(diào)速、變頻調(diào)速(V VVF)等，這些控制方法各具特點(diǎn)。當(dāng)流量調(diào)節(jié)在90%以上時，各種調(diào)速方法的效率差不多，也可不采用調(diào)速裝置。若流量調(diào)節(jié)在60%以下時，變頻和變極調(diào)速效率較高，其它方法不太適宜。在變頻、變極、串級三種高效調(diào)速方法中，由于后兩種調(diào)速方式要改變原有電極的定子繞組極對數(shù)和原有基礎(chǔ)位置等，不如變頻調(diào)速方法容易采用，因此變頻調(diào)速的方法目前應(yīng)用較廣。調(diào)速可以節(jié)能，

32、但節(jié)能的多少，需視調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行工況、運(yùn)行時間(調(diào)節(jié)與不調(diào)節(jié)流量的時間比)、流量調(diào)節(jié)范圍的大小而定。在運(yùn)行中，由于流量減少，電動機(jī)和調(diào)速裝置的效率也有所下降，但電能的節(jié)約量卻在增加。風(fēng)機(jī) 、 水泵調(diào)速節(jié)能效果大小，主要以節(jié)能率(即節(jié)能功率與額定功率之比)來反映。需要注意的是，上述離心機(jī)械設(shè)備的工作特性，雖然都遵守比例定律，但在工程實際中，風(fēng)機(jī)和水泵卻存在明顯的不同之處。對于風(fēng)機(jī)，在絕大多數(shù)情況下，其運(yùn)行時的基本特性接近理論值;而對于水泵，由于實際工況的存在，在同樣流量變化時，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的節(jié)能效果要低于調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的節(jié)能效果。調(diào)頻變壓調(diào)速器是一種現(xiàn)代高技術(shù)節(jié)能裝置，即所謂VVVF，常稱變頻調(diào)速

33、器。將其應(yīng)用到暖通空調(diào)制冷行業(yè)，能達(dá)到明顯的節(jié)能效果，被稱為80年代暖通制冷空調(diào)的兩大突破之一。變頻調(diào)速比其它調(diào)速方法具有高效性，它能實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速比一般可達(dá)20:1，調(diào)速起動能耗小、壽命長、可靠性高、維修方便、占地面積小、無噪聲、性價比高、一機(jī)多控、節(jié)能效率高、收回投資快等特點(diǎn)。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已逐漸為許多企業(yè)所認(rèn)識和接受，隨著這項技術(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)識和接受它的企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。2. 供熱系統(tǒng)的計算依據(jù)(1)初調(diào)節(jié)依據(jù)根據(jù)流體力學(xué)和工程熱力學(xué)基本理論，供暖系統(tǒng)的熱量、流量和作用壓力的關(guān)系為: mH20 (3.6) w (3.7)式中:-用戶

34、系統(tǒng)的作用壓頭，mH20;V-用戶的熱水流量，m3/h;S-用戶的阻力特性系數(shù)，h2/m5Q-用戶的供熱量，w-循環(huán)水的密度，kg/m3CP-水的比熱，J/kg . -供回水溫差，。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到熱力穩(wěn)定后，記錄下各用戶供回水溫差和壓力差及熱源總供回水溫差，然后順序調(diào)節(jié)，應(yīng)使熱用戶調(diào)節(jié)后的供回水壓力差為： mH2O (3.8)式中:-調(diào)節(jié)前熱用戶記錄的供回水壓力差,mH2O-調(diào)節(jié)前熱用戶記錄的總供回水溫差，-調(diào)節(jié)前熱源記錄的總供回水溫差，a-修正系數(shù)。當(dāng)用戶的供回水溫差大于熱源總供回水溫差時，a=1.031.06，偏差大時取較大值，偏差小時取較小值。當(dāng)用戶的供回水溫差小于熱源總供回水溫差時，a=0

35、.95-0.98，偏差大時取較小值，偏差小時取較大值。初調(diào)后，待系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，再進(jìn)行讀數(shù)記錄、計算和調(diào)節(jié)，這樣反復(fù)進(jìn)行，直到滿足要求為止。(2)運(yùn)行調(diào)節(jié)參數(shù)的計算供暖系統(tǒng)對建筑物供熱，既要保證在設(shè)計條件下(最不利情況)室溫符合要求，同時允許在一定的范圍內(nèi)波動。因此不僅要有正確的設(shè)計，而且要對系統(tǒng)進(jìn)行正確的運(yùn)行調(diào)節(jié)。但是目前大部分供暖系統(tǒng)的設(shè)計熱負(fù)荷值大于需要值，選用的散熱器面積隨之增大，造成系統(tǒng)的供回水溫度達(dá)不到設(shè)計值，相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)值也不符合理論計算值。因此，在確定運(yùn)行參數(shù)時，要考慮散熱器的相對面積及系統(tǒng)的相對流量值。如采用質(zhì)調(diào)節(jié)運(yùn)行方式，供回水溫度計算公式為: (3.9) (3.1

36、0)式中:- 室內(nèi)溫度，；-散熱器的設(shè)計平均計算溫差，；-用戶的設(shè)計供水溫差，；-相對熱量，；-相對況量，-散熱器相對面積，;B-散熱器傳熱系數(shù)指數(shù)。（3）累計熱量計算根據(jù)熱力學(xué)基本原理，在某一時間內(nèi)，鍋爐的總供熱量為: （3.11）式中:t- 累計時間，S;tg，th-鍋爐總供回水溫度，。其它符號同前。比熱CP和密度是溫度的函數(shù)，所以只要知道各時刻的流量和供回水溫差，即可求出某時間內(nèi)的熱量。3.3燃燒過程控制供暖鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個多變量輸入、多變量輸出、大慣性、大滯后且相互影響的一個復(fù)雜系統(tǒng)。當(dāng)鍋爐的負(fù)荷變化時，所有的被調(diào)量都會發(fā)生變化，而當(dāng)改變?nèi)我庹{(diào)節(jié)量時，也會影響到其他被調(diào)量。鍋爐燃燒過

37、程自動控制的基本任務(wù)是是燃料燃燒所提供熱量適應(yīng)符合的需要，同時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，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。同時測量系統(tǒng)的回水溫度和爐膛溫度，若回水溫度過低則適當(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。對于給定出水溫度的情況下，需要調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量和給煤量的比例，時好美兩盒鼓風(fēng)量成比例關(guān)系，同時根據(jù)出水溫度的變化對鼓風(fēng)量進(jìn)行前饋控制，然后通過測

38、定煙氣含氧量，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)量和引風(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)量和鼓風(fēng)量的不相適應(yīng)。如果爐膛負(fù)壓太小，爐膛容易向外噴火，危及設(shè)備與工作人員的安全。負(fù)壓過大，爐膛的漏風(fēng)量過大，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，對引風(fēng)量進(jìn)行前饋控制。根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定爐膛負(fù)壓，并測定爐膛負(fù)壓，運(yùn)行PID算法控制爐膛負(fù)壓保持在一定的范圍內(nèi)，從而調(diào)節(jié)引風(fēng)量，確定引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。3.4鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計鍋爐的工況如下:(1)完全手動控制方式，水位控制、給煤量的多少(即爐排轉(zhuǎn)速)、鼓風(fēng)量的多少(即鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速)和引風(fēng)量的多少都是

39、操作工憑借經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣的控制方式造成操作工勞動強(qiáng)度大且增加了系統(tǒng)的不可靠性。(2)控制設(shè)備落后，通過擋風(fēng)板對鼓風(fēng)量和引風(fēng)量進(jìn)行控制，大量的能源浪費(fèi)在擋風(fēng)板上，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。同時電機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)，只能通過啟停改變輸入，難以進(jìn)行有效控制，而且電機(jī)損耗嚴(yán)重。(3)控制效果差，鍋爐長期工作在大鼓風(fēng)大引風(fēng)狀態(tài)下，熱量損失嚴(yán)重、鍋爐熱效率低。通過調(diào)查，我們可以看出該營區(qū)鍋爐的整套控制系統(tǒng)是很落后的，這直接帶來了控制效果差、鍋爐熱效率低、能耗大環(huán)境污染比較嚴(yán)重等諸多問題。故需要設(shè)計新的控制系統(tǒng)以達(dá)到降低能耗，改善環(huán)境污染，減小操作人員的勞動強(qiáng)度和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。根據(jù)鍋爐供暖系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，控制系統(tǒng)的

40、基本控制任務(wù)和控制要求包括:燃燒控制(爐膛溫度控制、爐膛負(fù)壓控制、引風(fēng)控制、送煤控制):給水控制(供水壓力、供水溫度、供水流量等);以及對各設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測，以便進(jìn)行顯示、報警、工況計算以及制表打印等。鍋爐是高壓運(yùn)行設(shè)備，保證安全性極其重要。在用戶供暖需要的情況下，S7-300 PLC控制給水閥、輸煤量、鼓風(fēng)量與引風(fēng)量，使保持鍋爐的出水溫度穩(wěn)定，爐膛負(fù)壓穩(wěn)定，煙氣穩(wěn)定，使燃料能量最充分地燃燒，以取得最大的熱效率。最優(yōu)燃燒控制則關(guān)系到鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。利用S7-300 PLC對鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行控制的整體結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示：圖3-3 鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在鍋爐房供暖系統(tǒng)中，主要是對系統(tǒng)的總供回水溫度、循環(huán)

41、水量、室內(nèi)外溫度、瞬時熱量和累計熱量等重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。這些參數(shù)可以反映供暖系統(tǒng)溫度、流量隨室外溫度變化的規(guī)律，它的準(zhǔn)確程度直接影響到方案的準(zhǔn)確性。圖3-4為鍋爐房供暖系統(tǒng)監(jiān)測示意圖。圖3-4鍋爐供暖檢測示意圖鍋爐計算機(jī)自動化控制系統(tǒng)，就是利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)工業(yè)鍋爐生產(chǎn)過程自動化的系統(tǒng)。它的組成應(yīng)包括兩個部分，即控制器部分和鍋爐生產(chǎn)設(shè)備部分。其中控制器部分為系統(tǒng)的控制核心，它通過智能儀表對鍋爐的現(xiàn)場工況出回水溫度、爐膛溫度等)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣檢測，并通過總線將信號傳送至可編程序處理器(PLC)上，PLC按照事先編好的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算，最后輸出控制信號控制鍋爐生產(chǎn)過程，同時還可實現(xiàn)向上

42、位機(jī)傳送數(shù)據(jù)信息，上位機(jī)也可通過接入總線實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制;鍋爐生產(chǎn)過程由鍋爐本體和爐排電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)及其變頻器等輔機(jī)組成，輔機(jī)的運(yùn)行就由PLC控制，從而實現(xiàn)對鍋爐生產(chǎn)過程的設(shè)計。鍋爐上位機(jī)變頻自動控制系統(tǒng)中，上位機(jī)及上位機(jī)上運(yùn)行的組態(tài)軟件實現(xiàn)人機(jī)交換功能，操作人員可以通過組態(tài)軟件監(jiān)視鍋爐的運(yùn)行過程，同時也可以通過上位機(jī)，通過組態(tài)軟件對鍋爐的運(yùn)行進(jìn)行干預(yù)控制。鍋爐生產(chǎn)過程部分是鍋爐生產(chǎn)運(yùn)行場所，它由鍋爐本體及其輔機(jī)組成。鍋爐輔機(jī)包括鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、水泵、上煤機(jī)和除渣機(jī)等設(shè)備。本設(shè)計中所用模糊自整定PID控制算法，通過對西門子公司的S7-300PLC處理器編程來實現(xiàn)，采集誤差信號和

43、誤差變化量信號，將其模糊化到語言變量的論域，采用離線計算的方法將模糊規(guī)則制成模糊查詢表，通過在線方式查詢模糊控制量輸出，最后將PID參數(shù)校正量與基準(zhǔn)量相加，獲得PID參數(shù)的即時值，最后進(jìn)行PID運(yùn)算計算得到控制對象執(zhí)行器。3.5控制系統(tǒng)構(gòu)成介紹本設(shè)計綜合考慮鍋爐的控制特性和現(xiàn)場條件，確定采用PLC加上位機(jī)監(jiān)控工作方式同操作臺手動操作切換方式，其中PLC加上位機(jī)工作方式可用于自動狀態(tài)，操作臺工作方式用于人工調(diào)試或緊急情況下使用。兩種方式間可自由切換，且處于操作臺工作方式時，PLC及上位機(jī)仍采集現(xiàn)場信號，但輸出不對現(xiàn)場作用。本設(shè)計主要設(shè)計PLC加上位機(jī)的控制方式。在整個系統(tǒng)運(yùn)行時，上位機(jī)完成參數(shù)設(shè)

44、定和狀態(tài)監(jiān)控，PLC負(fù)責(zé)實時控制程序的運(yùn)行。系統(tǒng)由4個子系統(tǒng)組成:水位控制子系統(tǒng)、出回水壓力控制子系統(tǒng)、最優(yōu)風(fēng)煤比控制子系統(tǒng)和負(fù)壓控制子系統(tǒng)。根據(jù)工程實際情況本系統(tǒng)對鍋爐進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)所采用主要部件如下:安裝有WinCC組態(tài)軟件及STEP 7軟件的計算機(jī)一臺，PLC控制器1套、壓力信號傳感變送器2個、液位信號傳感變送器2個、溫度信號傳感變送器2個、回水流量傳感變送器2個、給水流量傳感變送器2個、變頻器4臺和其它附件。器件類型選擇型號備注PLCS7-300可通過擴(kuò)展電纜進(jìn)行數(shù)字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴(kuò)展PLC CPUCPU315可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至35點(diǎn)模擬量I/

45、OPLC擴(kuò)展模塊SM321 SM322 SM331 SM332壓力信號傳感變送器PT100供電電壓 傳感器:10VDC(6-12VDC) 變送器:24VDC(936 V)液位信號傳感變送器PTP6024-20mA,0-5V,1-5V,0-10V溫度信號傳感變送器TG100-VNB測量精度高。感器壽命極長。回水流量傳感變送器RL-AVS24VDC，工作壓力：02.5MPA給水流量傳感變送器RL-AVS24VDC，工作壓力：02.5MPA變頻器VLT5000丹麥的丹佛斯系列帶有WinCC組態(tài)軟件及STEP 7軟件的計算機(jī)將系統(tǒng)所用各控制設(shè)備及檢測儀表組態(tài)到一起，可實現(xiàn)對現(xiàn)場信息的監(jiān)視操作，并可將運(yùn)

46、行程序通過MPI網(wǎng)傳輸?shù)絇LC中，以實現(xiàn)對鍋爐系統(tǒng)的控制。PLC:本系統(tǒng)以SIEMENS公司的S7-300系列PLC為主控制器，由現(xiàn)場智能傳感變送器對鍋爐的爐膛溫度、爐膛負(fù)壓給水壓力和回水壓力等現(xiàn)場信號進(jìn)行檢測并變送后通過I/O模塊送往PLC，其后PLC按照預(yù)訂程序處理并通過I/O模塊返回控制信號。變頻器:變頻器采用丹麥的丹佛斯系列變頻器的VLT5000，工作時變頻器根據(jù)PLC運(yùn)算得到的控制信號或操作臺轉(zhuǎn)速設(shè)定控制信號對給水泵、爐排、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。其它附件包括1個操作臺，1個配電柜、2個控制柜等。圖3-5 控制系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)可以工作于手動方式和自動方式下。系統(tǒng)工作在手動方式下時，

47、司爐工對系統(tǒng)進(jìn)行控制，司爐工根據(jù)操作臺上顯示儀表顯示的現(xiàn)場信號(爐膛溫度、給回水壓力和爐膛負(fù)壓)，根據(jù)需要，分別調(diào)節(jié)操作臺面板上的給水泵、爐排電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)調(diào)速旋鈕，調(diào)速旋鈕調(diào)節(jié)相應(yīng)變頻器的輸出大小，而變頻器的輸出大小直接控制給水泵、爐排轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)量和引風(fēng)量，從而實現(xiàn)控制鍋爐運(yùn)行過程。當(dāng)系統(tǒng)工作在自動方式下時，PLC作為核心控制器，根據(jù)查表控制算法對鍋爐運(yùn)行進(jìn)行控制(調(diào)節(jié)變頻器)，從而對鍋爐運(yùn)行進(jìn)行控制。操作臺采用儀表控制系統(tǒng)，必要時進(jìn)行兩種運(yùn)行方式的相互切換，以便在不同鍋爐控制需要間切換?？刂葡到y(tǒng)中，由鍋爐變頻控制系統(tǒng)通過控制變頻器對給水泵、爐排電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能調(diào)速。除了對

48、變頻器的調(diào)節(jié)外，整個鍋爐控制系統(tǒng)還包括，鍋爐啟?？刂撇糠帧⒈Ｗo(hù)系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)(包括熄火報警等)及各閥門控制以及積灰處理分系統(tǒng)。這些系統(tǒng)也全都通過手動或自動方式控制、鍋爐運(yùn)行過程的控制調(diào)節(jié)主要包括事故下的保護(hù)，啟停過程控制，正常的燃燒過程調(diào)節(jié)三部分。事故保護(hù):這主要是由于某種原因造成循環(huán)水停止或循環(huán)量過小，以及鍋爐內(nèi)水溫太高，出現(xiàn)汽化。此時最重要的是恢復(fù)水的循環(huán)，同時制止?fàn)t膛內(nèi)的燃燒。這就需要停止給煤，停止?fàn)t排運(yùn)行，停止鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)。PLC接收水溫超高的信號后，就應(yīng)立即進(jìn)入事故處理程序，按照上述順序停止鍋爐運(yùn)行，并響鈴報警，通知運(yùn)行管理人員，必要時還可通過手動補(bǔ)入冷水排除熱水，進(jìn)行鍋爐降溫。啟

49、?？刂?鍋爐采用煤粉燃燒。點(diǎn)火時在爐排上鋪煤，煤上放著引燃的澆了柴油的木柴，爐排速度調(diào)整到最低，鼓風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)也調(diào)至最低工作狀態(tài)，直至給水壓力達(dá)到額定壓力再將爐排及鼓風(fēng)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到正常。啟動點(diǎn)火的準(zhǔn)備工作為人工手動進(jìn)行，但爐排轉(zhuǎn)速和鼓風(fēng)和引風(fēng)的控制及封火暫停機(jī)和再次啟動的過程則由PLC控制自動進(jìn)行。封火過程為逐漸停止?fàn)t排運(yùn)動，停掉鼓風(fēng)機(jī)，然后停止引風(fēng)機(jī)。重新啟動的過程則是開啟引風(fēng)機(jī)，慢慢開大鼓風(fēng)機(jī)，隨爐溫升高慢慢加大爐排進(jìn)行速度?？刂葡到y(tǒng)的控制核心PLC根據(jù)現(xiàn)場傳感變送器反饋回來的現(xiàn)場信號(爐膛溫度、給回水壓力和爐膛負(fù)壓)，根據(jù)程序算法，輸出控制量調(diào)節(jié)變頻器的輸出大小，而變頻器的輸出大小直

50、接控制給水泵、爐排轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)量和引風(fēng)量，這就是鍋爐系統(tǒng)的PLC自動運(yùn)行方式。為了保證特殊場合需要，我們在自動方式中加入另外一種工作方式，我們稱之為上位機(jī)控制方式。所謂的上位機(jī)控制方式是由操作人員直接在上位機(jī)上設(shè)定爐排、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這些控制命令通過PLC的輸出模塊輸出控制變頻器的轉(zhuǎn)速。第4章 軟件設(shè)計S7-300/400屬于模塊式PLC，主要由機(jī)架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備等組成。圖4.1 PLC控制系統(tǒng)示意圖PLC的主要生產(chǎn)廠家：德國的西門子(Seimens)公司，美國Rockewll公司所屬的AB公司，GEFanuc公司，法國的施耐德

51、(schneider)公司，日本的三菱和歐姆龍(OMRON)公司。PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。OB1是用于循環(huán)處理的組織塊(主程序)，它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序(組織塊)中斷。在起動完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用OB1，在OB1中可以調(diào)用其它邏輯塊(FB，SFB，F(xiàn)C或SFC)。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。在循環(huán)程序處理過程中，CPU 并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問CPU內(nèi)部的輸入/輸出過程映像區(qū)，批量輸入、批量輸出。圖4.2.掃描過程某一編程元件對應(yīng)的過程映像位為1狀態(tài)時，稱該編程元件為ON，過程映像位為0狀態(tài)時，稱該編程元件為OFF。循環(huán)時間(Cy

52、cleTime)是指操作系統(tǒng)執(zhí)行一次循環(huán)操作所需的時間，又稱為掃描循環(huán)時間(Scan CycleTime)或掃描周期。4.1 S7-300系列PLC簡介S7-300的CPU模塊（簡稱為CPU）都有一個編程用的RS-485接口，有的還帶有集成的現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP接口或PtP串行通訊接口，S7-300不需要附加任何硬件、軟件和編程，就可以建立一個MPI（多點(diǎn)接口）網(wǎng)絡(luò)，如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一個DP網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)。圖4.3 S7-300 PLC1.電源模塊 2.后備電池 3.24V DC連接器 4.模式開關(guān) 5.狀態(tài)和故障指示燈 6.存儲器卡（CPU313以上） 7.MP

53、I多點(diǎn)接口 8.前連接器 9.前蓋功能最強(qiáng)大CPU的RAM為512KB，最大8192個存儲器位，512個定時器和512個計數(shù)器，數(shù)字量最大65536，模擬量通道最大為4096。有350多條指令。計數(shù)器的技術(shù)范圍為1-999，定時器的定時范圍為10ms-9990ms。只需要擴(kuò)展一個機(jī)架，可以使用價格便宜的IM365接口模塊對。數(shù)字量模塊從0號機(jī)架的4號槽開始，每個槽位分配四個字節(jié)的地址，32個IO點(diǎn)。模擬量模塊一個通道占一個字地址。從IB256開始，給每一個模擬量模塊分配8個字。1.模塊診斷功能可以診斷出以下故障：失壓，熔斷器熔斷，看門狗故障，EPROM、RAM故障。模擬量模塊共模故障，組態(tài)/參

54、數(shù)錯誤、斷線、上下溢出。2.過程中斷數(shù)字量輸入上升沿、下降沿中斷；模擬量輸入超限；CPU暫停當(dāng)前程序，處理OB40。3.狀態(tài)與故障顯示LEDSF（系統(tǒng)出錯/故障顯示，紅色）：CPU硬件故障或軟件錯誤時亮。BATF（電池故障，紅色）：電池電壓低或沒有電池時亮；DC 5V（+5V電源指示，綠色）：5V電源正常時亮；FRCE（強(qiáng)制，黃色）：至少有一個IO被強(qiáng)制時亮；RUN（運(yùn)行方式，綠色）：CPU處于RUN狀態(tài)時亮；重新啟動時以2Hz的頻率閃亮；HOLD（單步、斷點(diǎn)）狀態(tài)時以 0.5Hz的頻率閃亮；STOP(停止方式，黃色)：CPU處于STOP，HOLD狀態(tài)或重新啟動時常亮；BUSF(總線錯誤，紅色

55、)。4.模式選擇開關(guān)A.RUN-P（運(yùn)行-編程）位置：運(yùn)行時還可以讀出和修改用戶程序,改變運(yùn)行方式。B.RUN（運(yùn)行）位置：CPU執(zhí)行，讀出用戶程序，但是不能修改用戶程序。C.STOP（停止）位置：不執(zhí)行用戶程序，可以讀出和修改用戶程序。D.MRES（清除存儲器）：不能保持。將鑰匙開關(guān)從STOP狀態(tài)扳到MRES置可復(fù)位存儲器，使CPU回到初始狀態(tài)。復(fù)位存儲器操作：通電后從STOP位置扳到MRES位置，“STOP”LED熄滅1s，亮1s，再熄滅1s后保持亮。放開開關(guān)，使它回到STOP位置，然后又回到MRES，“STOP”LED以2Hz的頻率至少閃動3s，表示正在執(zhí)行復(fù)位，最后“STOP”LED一

56、直亮。某些CPU模塊上有集成IO模塊。PLC使用的物理存儲器有：RAM,ROM，快閃存儲器（Flash EPROM）和EEPROM。 4.2 PLC編程語言簡介4.2.1 PLC編程語言的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC6ll31是PLC的國際標(biāo)準(zhǔn)，19921995年發(fā)布了IEC6ll31標(biāo)準(zhǔn)中的14部分，我國在1995年11月發(fā)布GB/T 15969-1/2/3/4(等同于IEC6ll31-1/2/3/4)。IEC 6ll31-3廣泛地應(yīng)用PLC、DCS和工控機(jī)、“軟件PLC”、數(shù)控系統(tǒng)、RTU等產(chǎn)品。它們定義了5種編程語言：1) 指令表IL(Instructionlist):西門子稱為語句表STL.2) 結(jié)構(gòu)文本ST(Structuredtext):西門子稱為結(jié)構(gòu)化控制語言(SCL)。3) 梯形圖LD(Ladderdiagarm):西門子簡稱為LAD。4) 功能塊圖FBD(runctionblockdiagram):標(biāo)準(zhǔn)中稱為功能方框圖語言.5) 順序功能圖SFC(Sequentialfunctionchart):對應(yīng)于西門子的S7Graph。