基于PLC的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

1、目 錄摘要1第1章 概 述51.1 項(xiàng)目背景及課題的研究意義51.2 供暖鍋爐控制的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀61.3鍋爐控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)7第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)102.1鍋爐控制研究簡(jiǎn)介102.2 總體設(shè)計(jì)思路10第3章 硬件設(shè)計(jì)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(jì)213.5控制系統(tǒng)構(gòu)成介紹22第4章 軟件設(shè)計(jì)264.1 S7-300系列PLC簡(jiǎn)介274.2 PLC編程語(yǔ)言簡(jiǎn)介294.2.1 PLC編程語(yǔ)言的國(guó)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(chǔ)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(hào)表374.3.4 邏輯塊384.3程序設(shè)計(jì)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(jì)464.5.3鍋爐監(jiān)控界面設(shè)計(jì)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(huì)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(huì)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(duì)城市生活供暖的用戶數(shù)量和供暖質(zhì)量提出了原來(lái)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(jì)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(tái)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(dòng)，運(yùn)行和調(diào)速。上位機(jī)監(jiān)控采用WinCC設(shè)計(jì)，主要完成系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟停控制，參數(shù)設(shè)定，報(bào)警聯(lián)動(dòng)，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(jì)，主要完成模擬量信號(hào)的處理，溫度和壓力信號(hào)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?，參數(shù)設(shè)定，循環(huán)泵的控制和其余電動(dòng)機(jī)的控制。本文設(shè)計(jì)的變頻控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鍋爐燃燒過程的自動(dòng)控制，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。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。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(xiàng)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(dòng)力設(shè)備。水暖鍋爐在我國(guó)已有近百年的歷史，在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間，我國(guó)水暖鍋爐控制一直都是人工手動(dòng)控制。隨著我國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性日益凸顯。而對(duì)新型采

5、暖設(shè)備的需求量也呈全面迅猛增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。雖然近年來(lái)，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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(yàn)去操作，長(zhǎng)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(guó)的現(xiàn)代化面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，即使國(guó)際市場(chǎng)能夠彌補(bǔ)中國(guó)資源的不足，生態(tài)和環(huán)境破壞

6、的沉重代價(jià)也難以承受。工業(yè)鍋爐生產(chǎn)效率會(huì)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(guó)內(nèi)很多供熱單位的鍋爐爐齡較長(zhǎng)、生產(chǎn)狀況遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)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(guó)現(xiàn)在的基本國(guó)情。然而鍋爐設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，作為一個(gè)長(zhǎng)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(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)鍋爐生產(chǎn)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)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(shí)際表明，應(yīng)用于2030噸/時(shí)中壓鍋爐的DMC一50系列微機(jī)控制系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)測(cè)節(jié)煤率達(dá)5%以上。工業(yè)鍋爐的耗煤產(chǎn)汽既是一個(gè)能源轉(zhuǎn)換過程，又是

7、一個(gè)生產(chǎn)過程，對(duì)于由多個(gè)鍋爐控制站組成的鍋爐群系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)控管理，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)、分析，將統(tǒng)計(jì)分析的各種數(shù)據(jù)及時(shí)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(gè)由現(xiàn)場(chǎng)控制層、顯示操作層和信息管理層組成的集成自動(dòng)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(lái)。通過現(xiàn)代信息化技術(shù)改造，提高整個(gè)供熱單位的管理水平，管控結(jié)合，獎(jiǎng)優(yōu)罰劣，充分調(diào)動(dòng)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(gè)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀鍋爐的自動(dòng)化控制從上世紀(jì)

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

9、加之計(jì)算機(jī)各種性能的不斷增強(qiáng)，價(jià)格的大幅度下降，使鍋爐應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制很快得到了普及和應(yīng)用。許多發(fā)達(dá)國(guó)家都相繼開發(fā)出了鍋爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。如 今在 國(guó) 外，鍋爐的控制己基本實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(duì)環(huán)境的污染。在國(guó)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(dòng)和簡(jiǎn)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(guó)的鍋爐控制，鍋爐的計(jì)算機(jī)控制得到了很大的發(fā)展。至90年代，鍋爐的自動(dòng)化控制己成為一個(gè)熱門領(lǐng)域，利用單片機(jī)、

10、可編程序控制器、工業(yè)計(jì)算機(jī)以及引進(jìn)的國(guó)外控制設(shè)備開發(fā)的各種控制系統(tǒng)，己逐漸用于對(duì)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(dòng)控制的最新成果也在鍋爐自動(dòng)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(shí)的鍋爐燃燒狀況，導(dǎo)致在工程實(shí)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(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的積極性。進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，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(duì)大氣的污染，同時(shí)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(duì)新一代鍋爐計(jì)算機(jī)優(yōu)化

11、控制系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用已勢(shì)在必行且條件成熟。國(guó)內(nèi)供熱鍋爐燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制大多在燃油和燃?xì)忮仩t上實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于燃煤鍋爐，在自動(dòng)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(guó)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，在鍋爐控制方面也有應(yīng)用，主要有三種形式，全自動(dòng)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(duì)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(yàn)，水平和責(zé)任意識(shí)。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(jì)算機(jī)基礎(chǔ)之上的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，它的主要任務(wù)是采集和管理各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)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(bào)表輸出和計(jì)算、分析SCADA系統(tǒng)作為生產(chǎn)過程和事物管理自動(dòng)化最為有效的計(jì)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(gè)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(cè)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(shí)時(shí)感知設(shè)備中各種參數(shù)的狀態(tài)，并將這些狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，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(shí)候，這些智能系統(tǒng)也可以向設(shè)備發(fā)送控制信號(hào)。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(shí)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(bào)警、正?；驁?bào)警恢復(fù))。這些處理后的數(shù)據(jù)可能會(huì)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，也可能通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)讲煌谋O(jiān)控平臺(tái)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(hào)發(fā)送到下位機(jī)中，以達(dá)到控制的目的。一個(gè)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(wú)誤的通訊手段傳輸數(shù)據(jù)和高效快捷的計(jì)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(cè)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(cè)控站、管網(wǎng)測(cè)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(bào)警功能，歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索、查詢功能，報(bào)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(shì)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)供暖系統(tǒng)的自動(dòng)化提出了更高的要求。必

15、須對(duì)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(dòng)化檢測(cè)和控制方向發(fā)展。采用現(xiàn)代化技術(shù)和手段，對(duì)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(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)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(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和潛在的社會(huì)效益。這對(duì)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(cè)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(dòng)強(qiáng)度大，控制不及時(shí)等問題。而集中了PLC系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(dòng)化領(lǐng)域的重要系統(tǒng)之一，SCADA系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，且測(cè)控精度高，測(cè)控速度快，采用此種系統(tǒng)對(duì)整個(gè)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(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)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(shí)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(huì)面對(duì)的兩大課題。我國(guó)的鍋爐目前已煤為主要燃料，耗煤量接近全國(guó)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(dòng)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(guó)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(duì)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(lái)，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(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制國(guó)內(nèi)對(duì)鍋爐控制的研究起步較晚，始于八十年代初期。國(guó)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(duì)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(shí)，溫度、壓力等參數(shù)就無(wú)法達(dá)到設(shè)定值。3.我國(guó)自七十年代末開始，鍋爐的微機(jī)控制逐漸成熟起來(lái)，但主要是西安儀表顯示、報(bào)表打印等功能，并未實(shí)現(xiàn)鍋爐自動(dòng)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(jì)2.1鍋爐控制研究簡(jiǎn)介鍋爐是一種應(yīng)用廣泛的工業(yè)及民用設(shè)備，對(duì)國(guó)民生產(chǎn)及生活影響重大，無(wú)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(duì)我們的影響。目前我國(guó)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(dòng)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(guó)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(lái)越大，鍋爐供熱的需求持續(xù)增高，為了減少勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、凈化環(huán)境，就需要對(duì)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(shí)代的發(fā)展及工藝控制的要求，計(jì)算機(jī)在鍋爐控制中的作用越來(lái)越大，使用計(jì)算機(jī)加強(qiáng)對(duì)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(dòng)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(gè)典型的非線性時(shí)

20、變多變量混合系統(tǒng)，過程機(jī)理錯(cuò)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(dòng)化帶來(lái)了困難，從而考慮使用一些智能手段來(lái)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。對(duì)其控制算法進(jìn)行研究，具有比較重要的現(xiàn)實(shí)意義。實(shí)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(duì)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(dòng)控制設(shè)備具有完善的自動(dòng)控制功能以及自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)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(gè)主要部分。無(wú)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(dòng)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(dòng)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(jì)思路本文針對(duì)供暖鍋爐控制系統(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)。鍋爐供暖系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)和水泵通過變頻器來(lái)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(duì)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(shí)現(xiàn)控制?？刂葡到y(tǒng)以一臺(tái)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(jì)算機(jī)，通過監(jiān)控軟件完成人機(jī)界面及故障報(bào)警功能，下位機(jī)實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)和管網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)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(jì)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(dòng)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(duì)流煙道。對(duì)流煙道是由煙墻隔成的。對(duì)流煙道中布置有對(duì)流管束等受熱面。對(duì)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(duì)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(gè)較復(fù)雜的調(diào)節(jié)對(duì)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(duì)各設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，以便進(jìn)行顯示、報(bào)警、工況計(jì)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(xiàng)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(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關(guān)系。n=60f(1-s)/p其中表示n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為電極磁極對(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。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(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)極調(diào)速，具有異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速和串級(jí)調(diào)速無(wú)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(duì)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(lái)調(diào)節(jié)受控對(duì)象。這樣，不論生產(chǎn)需求的大小，風(fēng)機(jī)都會(huì)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(hào)

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(shí)損壞設(shè)備而影響生產(chǎn)。近年來(lái)，出于節(jié)能的迫切需求和對(duì)供暖質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻調(diào)速器（簡(jiǎn)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(lái)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，調(diào)速特性曲線平滑，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。3.2.3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(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。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(lái)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(dòng)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(dòng)機(jī)的輸出功率Pm為:KW （3.2）式中一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)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(shí)，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(shí)，風(fēng)機(jī)效率也有所下降，實(shí)際需要的軸功率要高于上面的計(jì)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(duì)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(shí)，輸送的總流量Q1，由點(diǎn)1決定，此時(shí)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(shí)際所需的壓力為H3，比H1下降，但如果此時(shí)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]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(gè)壓頭差值通常就是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而增加了管道阻力，使管道特性系數(shù)變?yōu)镽2來(lái)實(shí)現(xiàn)的，此時(shí)的損耗為: (3.5)如果此時(shí)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(lái)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(jí)（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(shí)，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(shí)，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(jí)三種高效調(diào)速方法中，由于后兩種調(diào)速方式要改變?cè)须姌O的定子繞組極對(duì)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(shí)間(調(diào)節(jié)與不調(diào)節(jié)流量的時(shí)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(dòng)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(lái)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(shí)際中，風(fēng)機(jī)和水泵卻存在明顯的不同之處。對(duì)于風(fēng)機(jī)，在絕大多數(shù)情況下，其運(yùn)行時(shí)的基本特性接近理論值;而對(duì)于水泵，由于實(shí)際工況的存在，在同樣流量變化時(shí)，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(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速比一般可達(dá)20:1，調(diào)速起動(dòng)能耗小、壽命長(zhǎng)、可靠性高、維修方便、占地面積小、無(wú)噪聲、性價(jià)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(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(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。2. 供熱系統(tǒng)的計(jì)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(shí)，a=1.031.06，偏差大時(shí)取較大值，偏差小時(shí)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(shí)，a=0

35、.95-0.98，偏差大時(shí)取較小值，偏差小時(shí)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(jì)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(jì)算供暖系統(tǒng)對(duì)建筑物供熱，既要保證在設(shè)計(jì)條件下(最不利情況)室溫符合要求，同時(shí)允許在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。因此不僅要有正確的設(shè)計(jì)，而且要對(duì)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(jì)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(jì)值，相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)值也不符合理論計(jì)算值。因此，在確定運(yùn)行參數(shù)時(shí)，要考慮散熱器的相對(duì)面積及系統(tǒng)的相對(duì)流量值。如采用質(zhì)調(diào)節(jié)運(yùn)行方式，供回水溫度計(jì)算公式為: (3.9) (3.1

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

37、程自動(dòng)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(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(cè)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(duì)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(shí)好美兩盒鼓風(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(cè)

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(duì)引風(fēng)量進(jìn)行前饋控制。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定爐膛負(fù)壓，并測(cè)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(jì)鍋爐的工況如下:(1)完全手動(dòng)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(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣的控制方式造成操作工勞動(dòng)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(duì)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(shí)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(zhǎng)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(yíng)區(qū)鍋爐的整套控制系統(tǒng)是很落后的，這直接帶來(lái)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(jì)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(dòng)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(duì)各設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，以便進(jìn)行顯示、報(bào)警、工況計(jì)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(duì)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(duì)系統(tǒng)的總供回水溫度、循環(huán)

41、水量、室內(nèi)外溫度、瞬時(shí)熱量和累計(jì)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(cè)示意圖。圖3-4鍋爐供暖檢測(cè)示意圖鍋爐計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，就是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐生產(chǎn)過程自動(dòng)化的系統(tǒng)。它的組成應(yīng)包括兩個(gè)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(duì)鍋爐的現(xiàn)場(chǎng)工況出回水溫度、爐膛溫度等)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣檢測(cè)，并通過總線將信號(hào)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(hào)控制鍋爐生產(chǎn)過程，同時(shí)還可實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐生產(chǎn)過程的設(shè)計(jì)。鍋爐上位機(jī)變頻自動(dòng)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(shí)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(shí)也可以通過上位機(jī)，通過組態(tài)軟件對(duì)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(chǎng)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(jì)中所用模糊自整定PID控制算法，通過對(duì)西門子公司的S7-300PLC處理器編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，采集誤差信號(hào)和

43、誤差變化量信號(hào)，將其模糊化到語(yǔ)言變量的論域，采用離線計(jì)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(shí)值，最后進(jìn)行PID運(yùn)算計(jì)算得到控制對(duì)象執(zhí)行器。3.5控制系統(tǒng)構(gòu)成介紹本設(shè)計(jì)綜合考慮鍋爐的控制特性和現(xiàn)場(chǎng)條件，確定采用PLC加上位機(jī)監(jiān)控工作方式同操作臺(tái)手動(dòng)操作切換方式，其中PLC加上位機(jī)工作方式可用于自動(dòng)狀態(tài)，操作臺(tái)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(tái)工作方式時(shí)，PLC及上位機(jī)仍采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，但輸出不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作用。本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)PLC加上位機(jī)的控制方式。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，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(shí)時(shí)控制程序的運(yùn)行。系統(tǒng)由4個(gè)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(shí)際情況本系統(tǒng)對(duì)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(jì)算機(jī)一臺(tái)，PLC控制器1套、壓力信號(hào)傳感變送器2個(gè)、液位信號(hào)傳感變送器2個(gè)、溫度信號(hào)傳感變送器2個(gè)、回水流量傳感變送器2個(gè)、給水流量傳感變送器2個(gè)、變頻器4臺(tái)和其它附件。器件類型選擇型號(hào)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(gè)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(hào)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(hào)傳感變送器PTP6024-20mA,0-5V,1-5V,0-10V溫度信號(hào)傳感變送器TG100-VNB測(cè)量精度高。感器壽命極長(zhǎng)?；厮髁總鞲凶兯推鱎L-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(jì)算機(jī)將系統(tǒng)所用各控制設(shè)備及檢測(cè)儀表組態(tài)到一起，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)智能傳感變送器對(duì)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(chǎng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)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(hào)。變頻器:變頻器采用丹麥的丹佛斯系列變頻器的VLT5000，工作時(shí)變頻器根據(jù)PLC運(yùn)算得到的控制信號(hào)或操作臺(tái)轉(zhuǎn)速設(shè)定控制信號(hào)對(duì)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(gè)操作臺(tái)，1個(gè)配電柜、2個(gè)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(dòng)方式和自動(dòng)方式下。系統(tǒng)工作在手動(dòng)方式下時(shí)，

47、司爐工對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，司爐工根據(jù)操作臺(tái)上顯示儀表顯示的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)(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(tái)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(shí)現(xiàn)控制鍋爐運(yùn)行過程。當(dāng)系統(tǒng)工作在自動(dòng)方式下時(shí)，PLC作為核心控制器，根據(jù)查表控制算法對(duì)鍋爐運(yùn)行進(jìn)行控制(調(diào)節(jié)變頻器)，從而對(duì)鍋爐運(yùn)行進(jìn)行控制。操作臺(tái)采用儀表控制系統(tǒng)，必要時(shí)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(duì)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(duì)

48、變頻器的調(diào)節(jié)外，整個(gè)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(cè)系統(tǒng)(包括熄火報(bào)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(dòng)或自動(dòng)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(shí)最重要的是恢復(fù)水的循環(huán)，同時(shí)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(hào)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(bào)警，通知運(yùn)行管理人員，必要時(shí)還可通過手動(dòng)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(shí)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(dòng)點(diǎn)火的準(zhǔn)備工作為人工手動(dòng)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(dòng)的過程則由PLC控制自動(dòng)進(jìn)行。封火過程為逐漸停止?fàn)t排運(yùn)動(dòng)，停掉鼓風(fēng)機(jī)，然后停止引風(fēng)機(jī)。重新啟動(dòng)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(chǎng)傳感變送器反饋回來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)(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(dòng)運(yùn)行方式。為了保證特殊場(chǎng)合需要，我們?cè)谧詣?dòng)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(jì)S7-300/400屬于模塊式PLC，主要由機(jī)架、CPU模塊、信號(hào)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(guó)的西門子(Seimens)公司，美國(guó)Rockewll公司所屬的AB公司，GEFanuc公司，法國(guó)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(dòng)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(duì)應(yīng)的過程映像位為1狀態(tài)時(shí)，稱該編程元件為ON，過程映像位為0狀態(tài)時(shí)，稱該編程元件為OFF。循環(huán)時(shí)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(shí)間，又稱為掃描循環(huán)時(shí)間(Scan CycleTime)或掃描周期。4.1 S7-300系列PLC簡(jiǎn)介S7-300的CPU模塊（簡(jiǎn)稱為CPU）都有一個(gè)編程用的RS-485接口，有的還帶有集成的現(xiàn)場(chǎng)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(gè)MPI（多點(diǎn)接口）網(wǎng)絡(luò)，如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一個(gè)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(chǔ)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(gè)存儲(chǔ)器位，512個(gè)定時(shí)器和512個(gè)計(jì)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(jì)數(shù)器的技術(shù)范圍為1-999，定時(shí)器的定時(shí)范圍為10ms-9990ms。只需要擴(kuò)展一個(gè)機(jī)架，可以使用價(jià)格便宜的IM365接口模塊對(duì)。數(shù)字量模塊從0號(hào)機(jī)架的4號(hào)槽開始，每個(gè)槽位分配四個(gè)字節(jié)的地址，32個(gè)IO點(diǎn)。模擬量模塊一個(gè)通道占一個(gè)字地址。從IB256開始，給每一個(gè)模擬量模塊分配8個(gè)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(cuò)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(cuò)/故障顯示，紅色）：CPU硬件故障或軟件錯(cuò)誤時(shí)亮。BATF（電池故障，紅色）：電池電壓低或沒有電池時(shí)亮；DC 5V（+5V電源指示，綠色）：5V電源正常時(shí)亮；FRCE（強(qiáng)制，黃色）：至少有一個(gè)IO被強(qiáng)制時(shí)亮；RUN（運(yùn)行方式，綠色）：CPU處于RUN狀態(tài)時(shí)亮；重新啟動(dòng)時(shí)以2Hz的頻率閃亮；HOLD（單步、斷點(diǎn)）狀態(tài)時(shí)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(dòng)時(shí)常亮；BUSF(總線錯(cuò)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(shí)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(chǔ)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(chǔ)器，使CPU回到初始狀態(tài)。復(fù)位存儲(chǔ)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(dòng)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(chǔ)器有：RAM,ROM，快閃存儲(chǔ)器（Flash EPROM）和EEPROM。 4.2 PLC編程語(yǔ)言簡(jiǎn)介4.2.1 PLC編程語(yǔ)言的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC6ll31是PLC的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，19921995年發(fā)布了IEC6ll31標(biāo)準(zhǔn)中的14部分，我國(guó)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(yǔ)言：1) 指令表IL(Instructionlist):西門子稱為語(yǔ)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(yǔ)言(SCL)。3) 梯形圖LD(Ladderdiagarm):西門子簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)AD。4) 功能塊圖FBD(runctionblockdiagram):標(biāo)準(zhǔn)中稱為功能方框圖語(yǔ)言.5) 順序功能圖SFC(Sequentialfunctionchart):對(duì)應(yīng)于西門子的S7Graph。