基于施耐德PLC的供熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目 錄 第一章 緒論.1 1.1 供熱鍋爐控制系統(tǒng)現(xiàn)狀.1 1.2 燃煤鍋爐自動(dòng)控制的發(fā)展歷史.2 1.3 課題意義.3 第二章 鍋爐供熱系統(tǒng)組成分析.4 2.1 鍋爐供熱系統(tǒng)組成及其分類(lèi).4 2.1.1 鍋爐分類(lèi).4 2.1.2 鍋爐結(jié)構(gòu).5 2.4 熱網(wǎng)系統(tǒng)組成.6 2.5 熱用戶組成.6 第三章 供熱鍋爐控制系統(tǒng)分析與總體方案設(shè)計(jì).8 3.1 供熱鍋爐控制系統(tǒng)分析.8 3.1.1 供熱鍋爐控制系統(tǒng)功能.8 3.1.2 供熱鍋爐控制的特點(diǎn)分析.8 3.2 供熱鍋爐系統(tǒng)控制原理分析.9 3.2.1 溫度調(diào)節(jié).9 3.2.2 燃燒效率分析.10 3.2.3 壓力調(diào)節(jié).11 3.3 總體設(shè)計(jì)方案

2、.11 第四章 可編程序控制器及變頻器應(yīng)用技術(shù)分析.13 4.1 PLC 的主要功能和特點(diǎn).13 4.2 PLC 的硬件組成.14 4.3 變頻器技術(shù)分析.15 4.4 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)分析.17 第五章 控制系統(tǒng)硬件原理圖設(shè)計(jì)與器件選擇.19 5.1 PLC 模塊選擇.19 5.2 溫度傳感器的選擇.24 第六章 控制系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì).28 6.1 編程軟件介紹.28 6.1.1 硬件平臺(tái).28 6.1.2 編程語(yǔ)言.28 6.1.3 程序的元素.28 6.1.4 功能塊庫(kù).28 6.2 控制程序設(shè)計(jì).30 第七章 總結(jié)與展望.35 參考文獻(xiàn).36 致 謝.37 第一章 緒論 1.1

3、 供熱鍋爐控制系統(tǒng)現(xiàn)狀 鍋爐是化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的重要的動(dòng)力設(shè)備。它所產(chǎn)生 的高壓蒸汽，既可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、大型泵類(lèi)的驅(qū)動(dòng)透平的動(dòng)力源，又可作為蒸 餾、化學(xué)反應(yīng)、干燥和蒸發(fā)等過(guò)程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)設(shè)備的 不斷創(chuàng)新，作為全廠動(dòng)力和熱源的鍋爐，辦向著大容量、高參數(shù)、高效率發(fā)展。為了確 保安全，穩(wěn)定生產(chǎn)，鍋爐設(shè)備的控制系統(tǒng)就顯得愈加重要 1 。 燃煤鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)和集中供熱過(guò)程中重要的動(dòng)力設(shè)備。鍋爐能耗巨大，每年的耗 煤量超過(guò) 3 億噸，占我國(guó)原煤產(chǎn)量的三分之一，提高其生產(chǎn)效率不僅具有客觀的經(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

4、統(tǒng)控制水平不高，效率普 遍偏低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，操作工人水平參差不齊，經(jīng)常是憑感覺(jué)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)境破壞的沉重代價(jià)也難以承受 2。 隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，自動(dòng)化控制水平越來(lái)越高，用戶對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)的工作效率 要求也越來(lái)越高，為了提高鍋爐的工作效率，較少對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，所以利用計(jì)算機(jī) 與組態(tài)軟件技術(shù)對(duì)鍋爐生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制有著重要的意義。其優(yōu)越性主要在于：首 先，通過(guò)對(duì)鍋爐燃燒過(guò)程進(jìn)行有效控

5、制，使燃燒在合理的空燃比條件下進(jìn)行，可以提高 燃燒效率。由于工業(yè)鍋爐耗煤量大，燃燒熱效率每提高都會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益 3 4。其次，鍋爐控制過(guò)程的自動(dòng)化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面使運(yùn)行參數(shù)在 上的集中監(jiān)測(cè)，操作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時(shí)修改運(yùn)行參數(shù)，這樣能有 效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)性、安全性。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng) 用的普及、可靠性的提高及價(jià)格的下降，工業(yè)鍋爐的微機(jī)控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。 鍋爐作為重要的動(dòng)力設(shè)備，其控制的基本要求是供給合格的蒸汽，使鍋爐蒸發(fā)量適應(yīng)負(fù) 荷的需要。為此，生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)主要參數(shù)必須嚴(yán)格控制。鍋爐設(shè)備是一個(gè)多輸入、多 輸出的復(fù)雜控

6、制對(duì)象，這些輸入變量與輸出變量之間是相互關(guān)聯(lián)的。如果蒸汽負(fù)荷發(fā)生 變化，必將引起汽包水位、蒸汽壓力和蒸汽溫度等的變化；燃料量的變化不僅影響蒸汽 壓力，同時(shí)還會(huì)影響汽包水位、蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓；給水量的變化不僅影響汽包水位， 而且對(duì)蒸汽壓力、蒸汽溫度等亦有影響；所以鍋爐設(shè)備是多輸入，多輸出且相互關(guān)聯(lián)的 控制對(duì)象 56。 1.2 燃煤鍋爐自動(dòng)控制的發(fā)展歷史 燃煤鍋爐是一個(gè)比較復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備，有幾十個(gè)測(cè)量參數(shù)、控制參數(shù)和擾動(dòng)參數(shù)， 它們之間相互作用，相互影響，存在明顯的或不明顯的復(fù)雜因果關(guān)系，而且測(cè)控參數(shù)也 經(jīng)常變化，存在一定的非線性特性，這一切都給鍋爐的控制增加了難度。鍋爐控制技術(shù) 的發(fā)展經(jīng).歷了

7、幾個(gè)歷史階段 789。 1.手動(dòng)階段 在六十年代以前，由于自動(dòng)化技術(shù)與電子技術(shù)發(fā)展不成熟，人們的自動(dòng)化觀念還比 較淡薄，這段時(shí)期的鍋爐一般采用手動(dòng)的控制方式，即操作工人通過(guò)經(jīng)驗(yàn)決定送風(fēng)、給 水、引風(fēng)、給煤的多少，通過(guò)手動(dòng)操作器等方式來(lái)達(dá)到控制鍋爐的目的。這樣就要求司 爐人員必須有豐富的經(jīng)驗(yàn)，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，事故率高，更談不上保證鍋爐的高 效率運(yùn)行。 2.自動(dòng)化單元組合儀表控制階段 隨著自動(dòng)化技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外己經(jīng)開(kāi)發(fā)并廣泛應(yīng)用了全自動(dòng)工業(yè)鍋爐控 制技術(shù)。60 年代前期，我國(guó)工業(yè)鍋爐的控制技術(shù)開(kāi)始發(fā)展， 60 年代后期我國(guó)引進(jìn)了國(guó) 外的全自動(dòng)燃油工業(yè)鍋爐的控制技術(shù)， 70 年代后期

8、己經(jīng)研制了一些工業(yè)鍋爐的自動(dòng)化儀 表，正式將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)鍋爐控制領(lǐng)域，因而熱效率有所提高，事故率也有所 下降。但是，由于采用單元組合儀表靠硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能，可靠性低，精度不高，而 且只能完成一些簡(jiǎn)單的控制算法，不能實(shí)現(xiàn)一些較先進(jìn)的算法和控制技術(shù)，控制效果仍 然不理想?；?PLC 的鍋爐供熱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.采用微機(jī)測(cè)控階段 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高集成度、高可靠性、價(jià)格低廉的微型計(jì)算機(jī)、單板機(jī)、單 片機(jī)、工業(yè)專(zhuān)用控制計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及在我國(guó)的廣泛應(yīng)用，為鍋爐控制領(lǐng)域開(kāi)辟了一片 廣闊的天地。運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出高效率、高可靠性、全自動(dòng)的微機(jī)工業(yè)測(cè)控系統(tǒng) 日益得到重視。 80 年代后期

9、至今，國(guó)內(nèi)己經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了各種各樣的鍋爐微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)， 明顯地改善了鍋爐的運(yùn)行狀況，但還不夠完善，并對(duì)環(huán)境和抗干擾要求較高。 4.分散控制階段 分散控制系統(tǒng) (DCS)亦稱(chēng)集成控制系統(tǒng)，其本質(zhì)是采用分散控制和集中管理的設(shè)計(jì)思 想，分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)，采用層次化的體系結(jié)構(gòu)，從下到上依次分為直接控 制層、操作監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層和決策管理層。 DCS 是以多臺(tái) DDC 計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，集 分散型控制系統(tǒng)。目前分散控制系統(tǒng)大多采用可編程控制器(PLC)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工控 機(jī)與 PLC 的組合，不但系統(tǒng)體積小、可靠性高，而且造價(jià)較低，得到了廣大用戶的青睞。 1.3 課題意義 從 1978 年改革以來(lái)，

10、我國(guó)年均經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率達(dá)9%以上，目前已經(jīng)是世界第六大經(jīng)濟(jì) 體和第三大貿(mào)易國(guó)，中國(guó)興起成為了當(dāng)今世界的熱門(mén)話題。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展， 帶動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求不斷增加，世界上發(fā)達(dá)國(guó)家為了解決能源緊張 而帶給各行業(yè)的沖擊，都努力在開(kāi)發(fā)能源的同時(shí)，致力于節(jié)能新方法的研究。根據(jù)不完 全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)共有各類(lèi)鍋爐近 40 萬(wàn)臺(tái)，每年的耗煤量達(dá) 3 億多噸，占我國(guó)原煤產(chǎn)量的 三分之一 2。由于煤質(zhì)變化大，設(shè)備陳舊，不僅工人勞動(dòng)條件差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而 且 鍋爐熱效率低。因此，在滿足工藝要求的前提下，為了提高鍋爐的熱效率，降低能源消 耗，把工人從繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)，促進(jìn)文明生產(chǎn)，鍋爐實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制是

11、一個(gè)急待解 決的問(wèn)題。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)一臺(tái) 10T/h 的鍋爐，若能提高效率 1%，每年就能節(jié)省煤 200 噸左右，約合人民幣 50000 多元經(jīng)濟(jì)效益是很明顯的 3。又如對(duì)燃煤鍋爐進(jìn)行改進(jìn)， 實(shí)行自動(dòng)控制，在不需要人工干預(yù)的情況下，隨時(shí)調(diào)整給水量、燃料量、送風(fēng)量及引風(fēng) 量，維持水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度及負(fù)壓的恒定，就有可能將鍋爐的熱效率提高5% 以上。另外，使鍋爐達(dá)到經(jīng)濟(jì)燃燒狀態(tài)，還可以減少煙氣中的含塵量，減少空氣污染。 本課題根據(jù)該校園的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)的集成自動(dòng)化系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)的鍋爐控制運(yùn)行和管理有 機(jī)的良好結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鍋爐系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。該系統(tǒng)代表了我國(guó)中小型鍋爐現(xiàn)場(chǎng)集成 自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方

12、向和較高的管理水平，它不僅是一項(xiàng)科研任務(wù)，而且是把理論與實(shí) 踐結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)出的一個(gè)真正的產(chǎn)品，對(duì)于提高國(guó)民經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)國(guó)家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā) 展都有著重要的作用和意義。 我國(guó)北方供熱所用的原料主要是煤炭，隨著煤炭資源越來(lái) 越少和許多城市的空氣質(zhì)量的不斷惡化，而其他能源還沒(méi)有得到很好的發(fā)展。主要能源 供應(yīng)還是以煤炭為主，而煤炭資源大量開(kāi)采煤炭所帶來(lái)的地殼改變，使許多地方都有土 地塌陷而帶來(lái)了許多危險(xiǎn)！而且現(xiàn)在國(guó)家也提 倡低碳生活。所以本設(shè)計(jì)很好的響應(yīng)了國(guó) 家的政策具有一定的實(shí)際意義。 （1）節(jié)省資金，減少污染。燃煤供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以一定程度降低燃煤消 耗。 （2）性能穩(wěn)定可靠，安全智能。燃 煤

13、供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以實(shí)現(xiàn)高度的智能 化和可靠性，提高安全。 （3）提高生產(chǎn)效率，推動(dòng)燃 煤的發(fā)展。燃 煤供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得當(dāng)使用了高熱效率 的鍋爐、低污染燃燒機(jī)、安全可靠的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提高效率。 第二章 鍋爐供熱系統(tǒng)組成分析 本章主要介紹的內(nèi)容為供熱鍋爐的結(jié)構(gòu)及分類(lèi)， 供熱鍋爐、用戶端和熱網(wǎng) 各自在 整個(gè)系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用及它們是如何協(xié)調(diào) 工作。 2.1 鍋爐供熱系統(tǒng)組成及其分類(lèi) 鍋爐供熱系統(tǒng)組要由三部分組成：即熱源、熱網(wǎng)和熱用戶。熱源又稱(chēng)熱力的生產(chǎn)， 主要是指生產(chǎn)和制備一定參數(shù)（溫度、 壓力）熱媒的鍋爐房。熱網(wǎng)是輸送熱媒的室外供 熱管路系統(tǒng)，是熱源與熱 用戶連接的紐帶，起著輸送和分配熱源的作

14、用。熱用戶是指直 接使用或消耗熱能的室內(nèi)采暖 設(shè)備。 2.1.1 鍋爐分類(lèi) 1.按燃燒方式可分為 4 種 (1)層層燃燃爐爐:原煤經(jīng)破碎成粒徑為 2540 毫米的碎塊后，用爐前煤斗的煤閘板或 給煤 機(jī)平鋪在鏈條爐排上作層狀燃燒。層燃爐優(yōu)點(diǎn)是附屬設(shè)備少,制造、安裝簡(jiǎn)便 ,易于運(yùn)行 操作。適用于中小容量鍋爐。這種鍋爐的缺點(diǎn)為煤的燃燒不完全，爐渣和飛灰中可燃物 含量多，鍋爐效率一般為 7585。通常要燒較好的煤。 (2)室室燃燃爐爐：又稱(chēng)煤粉爐。原煤經(jīng)篩選、破碎和研磨成大部分粒徑小于0.1 毫米的 煤粉后,經(jīng)燃燒器噴入爐膛作懸浮狀燃燒。煤粉噴入爐膛后能很快著火，煙氣能達(dá)到 1500左右的高溫。但煤粉

15、和周?chē)鷼怏w間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)很微弱，煤粉在較大的爐膛內(nèi)停留 約 23 秒才能基本上燒完，故煤粉爐的爐膛容積常比同蒸發(fā)量的層燃爐爐膛約大一倍。 這種鍋爐的優(yōu)點(diǎn)為能燃燒各種煤且燃燒較完全，所以鍋爐容量可做得很大，適用于大、 中型及特大型鍋爐。鍋爐效率一般可達(dá)9092。其缺點(diǎn)為附屬機(jī)械多，自動(dòng)化水平要 求高，鍋爐給水須經(jīng)過(guò)處理，基建投資大。 (3)旋旋風(fēng)風(fēng)爐爐：將粒徑小于 10 毫米的碎煤?；虼置悍巯仍谇爸檬叫L(fēng)筒內(nèi)作旋風(fēng)狀燃 燒，所產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠龠M(jìn)入主爐膛（冷卻室）內(nèi)進(jìn)行輻射換熱。旋風(fēng)爐的優(yōu)點(diǎn)為爐膛 容積熱強(qiáng)度高，爐子的尺寸小；過(guò)剩空氣系數(shù)?。▋H為1.051.10） ，可以降低排煙熱的 損失；燃用粗煤

16、粉可簡(jiǎn)化制粉設(shè)備；排渣率高 ,飛灰濃度低 ,提高煙氣速度加強(qiáng)對(duì)流受熱 面的傳熱。其缺點(diǎn)是適用煤種受灰 的熔點(diǎn)和渣的粘滯性的限制；鍋爐負(fù)荷變動(dòng)范圍較小； 不能快速啟停；由于爐內(nèi)溫度可達(dá)2000左右，有害氣體 NO 排放量大,對(duì)大氣污染較 嚴(yán)重。 (4)沸沸騰騰燃燃燒燒爐爐： 即沸騰燃燒鍋爐 。 2.按除渣方式可分為 2 種 (1)固固態(tài)態(tài)除除渣渣爐爐 :爐膛中熔渣經(jīng)爐底冷灰斗或凝渣箱凝固后排出。適用于燃用灰熔點(diǎn)較 高的煤。 (2)液液態(tài)態(tài)除除渣渣爐爐： 爐底有保溫熔液 池。熔渣經(jīng)排渣口流出（或經(jīng)冷水凝固后排出） ， 或用蒸汽吹拉成爐渣 排出（可作保溫材料）。 3.按結(jié)構(gòu)安裝方式可分為 2 種 (

17、1)懸懸吊吊式式鍋鍋爐爐 :鍋爐爐膛和轉(zhuǎn)向煙室均用吊桿懸吊于架設(shè)在鋼筋混凝土立柱上的大板 框架梁上。懸吊式鍋爐優(yōu)點(diǎn)是爐體可自由膨脹 ,易于防震,節(jié)省鋼材,爐底下面的空間較大 便于布置送風(fēng)機(jī)及除灰設(shè)備。但安裝技術(shù)要求高。 (2)支支承承式式鍋鍋爐爐： 鍋爐整體支撐于框形骨架上。特點(diǎn)是便于安裝、占地少，但耗用鋼 材多。 因?yàn)槲覈?guó)大部分所用的供熱鍋爐都為小功率鍋爐，并且根據(jù)鍋爐的安全性、經(jīng)濟(jì)效益、 操作性能、整體的復(fù)雜性綜合比較。所以本設(shè)計(jì)所選用的為層燃爐。 2.1.2 鍋爐結(jié)構(gòu) 鍋爐主要由鍋爐本體和一些輔助設(shè)備組成： 鍋爐本體：鍋爐中的爐膛、鍋筒、燃燒器、水冷壁、過(guò)熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、 構(gòu)架

18、和爐墻等主要部件構(gòu)成生產(chǎn)蒸汽的核心部分，稱(chēng)為鍋爐本體。鍋爐本體中兩個(gè)最主 要的部件是爐膛和鍋筒 。 爐膛：又稱(chēng)燃燒室，是供燃料燃燒的空間。將固體燃料放在爐排上進(jìn)行火床燃燒的 爐膛稱(chēng)為層燃爐，又稱(chēng)火床爐；將液體、氣體或磨成粉狀的固體燃料噴入火室燃燒的爐 膛稱(chēng)為室燃爐，又稱(chēng)火室爐；空氣將煤粒托起使其呈沸騰狀態(tài)燃燒、適于燃燒劣質(zhì)燃料 的爐膛稱(chēng)為沸騰爐，又稱(chēng)流化床爐；利用空氣流使煤粒高速旋轉(zhuǎn)并強(qiáng)烈火燒的圓筒形爐 膛稱(chēng)為旋風(fēng)爐。爐膛的橫截面一般為正方形或矩形。燃料在爐膛內(nèi)燃燒形成火焰和高溫 煙氣，所以爐膛四周的爐墻由耐高溫材料和保溫材料構(gòu)成。在爐墻的內(nèi)表面上常敷設(shè)水 冷壁管，它既保護(hù)爐墻不致燒壞，又吸收

19、火焰和高溫?zé)煔獾拇罅枯椛錈?。爐膛的結(jié)構(gòu)、 形狀、容積和高度都要保證燃料充分燃燒，并使?fàn)t膛出口的煙氣溫度降低到熔渣開(kāi)始凝 結(jié)的溫度以下。 當(dāng)爐內(nèi)的溫度超過(guò)灰熔點(diǎn)時(shí)，灰便呈熔融狀態(tài)。熔融的灰渣顆粒在觸及 爐內(nèi)水冷壁管或其他構(gòu)件時(shí)會(huì)粘在上面。粘結(jié)的灰粒逐漸增多,遂形成渣塊 ,稱(chēng)為結(jié)渣。 結(jié)渣會(huì)降低鍋爐受熱面的傳熱效果。嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞煙氣流動(dòng)的通道，影響鍋爐的安全和 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 鍋筒：它是自然循環(huán)和多次強(qiáng)制循環(huán)鍋爐中接受省煤器來(lái)的給水、聯(lián)接循環(huán)回路， 并向過(guò)熱器輸送飽和蒸汽的圓筒形容器。鍋筒筒體由優(yōu)質(zhì)厚鋼板制成，是鍋爐中最重的 部件之一。 鍋筒的主要功能是儲(chǔ)水，進(jìn)行汽水分離，在運(yùn)行中排除鍋水中的鹽水和泥

20、渣， 以避免含有高濃度鹽分和雜質(zhì)的鍋水隨蒸汽進(jìn)入過(guò)熱器和汽輪機(jī)中。這些鹽分和雜質(zhì)如 在過(guò)熱器管和汽輪機(jī)通道上發(fā)生結(jié)垢、積鹽和腐蝕，會(huì)影響設(shè)備的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。鍋爐 出口的蒸汽一般都有一定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。鍋筒內(nèi)部裝置包括汽水分離和蒸汽清洗裝置、給 水分配管、排污和加藥設(shè)備等。其中汽水分離裝置的作用是將從水冷壁來(lái)的飽和蒸汽與 水分離開(kāi)來(lái)，并盡量減少蒸汽中攜帶的細(xì)小水滴。中、低壓鍋爐常用擋板和縫隙擋板作 為粗分離元件。中壓以上的鍋爐除廣泛采用多種型式的旋風(fēng)分離器進(jìn)行粗分離外，還用 百葉窗、鋼絲網(wǎng)或均汽板等進(jìn)行進(jìn)一步分離。 燃燒器：具有特殊設(shè)計(jì)的多級(jí)多嘴送風(fēng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，能在短時(shí)間內(nèi)使煤粉產(chǎn)生高溫渦 流，具有燃

21、燒完全，熱利用率高，消煙除塵、高效節(jié)能，改善工作條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度 等優(yōu)點(diǎn)，是節(jié)能環(huán)保的理想產(chǎn)品 。 省煤器：就是鍋爐尾部煙道中將鍋爐給水加熱成汽包壓力下的飽和水的受熱面，由 于它吸收的是比較低溫的煙氣，降低了煙氣的排煙溫度，節(jié)省了能源，提高了效率，所 以稱(chēng)之為省煤器 .省煤器鋼管式省煤器不受壓力限制，可以用作沸騰式，一般由外徑為 3251 毫米的碳素鋼管制成。有時(shí)在管外加鰭片和肋片，以改善傳熱效果。鋼管式省煤 器由水平布置的并聯(lián)彎頭管子（習(xí)稱(chēng)蛇形管）組成 .省煤器。 水冷壁：水冷壁是鍋爐的主要受熱部分，它由數(shù)排鋼管組成，分布于鍋爐爐膛的四 周。它的內(nèi)部為流動(dòng)的水或蒸汽外界接受鍋爐爐膛的火焰的

22、熱量。 空氣預(yù)熱器：是 鍋爐尾部煙道中的煙氣通過(guò)內(nèi)部的散熱片將進(jìn)入鍋爐前的空氣預(yù)熱 到一定溫度的 受熱面。用于提高鍋爐的熱交換性能，降低能量消耗。 輔助設(shè)備：1、煤粉制備系統(tǒng)，把原煤磨成粉，以利煤的充分燃燒，包括給煤機(jī)、磨 煤機(jī)、排粉機(jī)、粗粉分離器和煤粉管道等； 2、送、引風(fēng)系統(tǒng)，向鍋爐供給燃燒需要的 空氣及將煤燃燒后的煙氣排出鍋爐，包括送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和煙風(fēng)道等； 2.4 熱網(wǎng)系統(tǒng)組成 熱網(wǎng)系統(tǒng)由供水、加熱及其他輔助設(shè)備組成。主要包括熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)、熱網(wǎng)蒸汽 加熱系統(tǒng)、換熱站系統(tǒng)、 熱網(wǎng)加熱器疏水系統(tǒng)。 熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)：循環(huán)水系統(tǒng)的功能是將冷卻水 (海水)送至高低壓凝氣器去冷卻汽 輪機(jī)低壓缸排

23、汽，以維持高低壓凝氣器的真空，使汽水循環(huán)得以繼續(xù)。另外，它還向開(kāi) 式水系統(tǒng)和沖灰系統(tǒng)提供用水。 熱網(wǎng)蒸汽加熱系統(tǒng)： 工作原理是把一個(gè)匝數(shù)較多的初級(jí)線圈和一個(gè)匝數(shù)較少的次級(jí) 線圈裝在同一個(gè)鐵芯上。輸入與輸出的電壓比等于線圈匝數(shù)之比，同時(shí)能量保持不變。 因此，次級(jí)線圈在低電壓的條件下產(chǎn)生大電流。 換熱站系統(tǒng)：熱力站按供熱形式分直供站和間供站，前者是供熱廠直接供用戶，溫 度高，控制難，浪費(fèi)熱能。間供站原理：供熱廠為一次線，小區(qū)為二次線，熱源（電廠） 熱網(wǎng)（一二次線管網(wǎng)）熱用戶（居民樓和單位）連接處為熱力站。 熱網(wǎng)加熱器疏水系統(tǒng)：將各加熱器疏水按不同壓力與相鄰加熱器等外部設(shè)備和系統(tǒng) 相連的系統(tǒng)。 2.

24、5 熱用戶組成 對(duì)于大多數(shù)的熱用戶使用的設(shè)備都是暖氣片。暖氣片的工作原理：暖氣分為水暖 和氣暖，通常我們所說(shuō)的暖氣片指的是水暖，就是利用壁掛爐或者鍋爐加熱循環(huán)水， 再通過(guò)管材鏈接到暖氣片，最終通過(guò)暖氣片將適宜的溫度輸出，形成室內(nèi)溫差，最后進(jìn) 行熱循環(huán)使整個(gè)室內(nèi)溫度均勻上升。而氣暖則是加熱空氣，冷空氣一進(jìn)來(lái)就被暖氣片加 熱成熱空氣，熱空氣上升與屋子的冷空氣形成對(duì)流， 冷空氣又循環(huán)到暖氣附近被加熱 成熱空氣，熱空氣在屋里循環(huán)，房間就暖和了。 本章小結(jié)：通過(guò)分析供熱系統(tǒng)，其主要分為三大部分，供熱鍋爐、熱網(wǎng)、熱用戶。 接下來(lái)將主要 分析供熱鍋爐工作過(guò)程中 的溫度和壓力的控制調(diào)節(jié) 。 第三章 供熱鍋爐控

25、制系統(tǒng)分析與總體方案設(shè)計(jì) 我國(guó)目前供熱系統(tǒng)組要以鍋爐供熱為主，所用燃料大部分為煤，供熱鍋爐燃燒系統(tǒng) 主要由進(jìn)煤量控制、進(jìn)風(fēng)量控制和引風(fēng)量控制三部分組成。燃燒系統(tǒng)是一個(gè)多參數(shù)、多 擾動(dòng)，各參數(shù)交叉影響的非線性系統(tǒng)。進(jìn)煤量、進(jìn)風(fēng)量和引風(fēng)量形成了非線性耦合，協(xié) 調(diào)好它們?nèi)齻€(gè)量才能使鍋爐在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行。 3.1 供熱鍋爐控制系統(tǒng)分析 3.1.1 供熱鍋爐控制系統(tǒng)功能 1.檢測(cè)功能： (1) 溫度 爐膛左、右溫度、爐堂左、右出口煙溫、對(duì)流管束入口左、右出口煙溫，排煙溫 度，除塵器出口煙溫，室外空氣溫度、鍋爐出水溫度，鍋爐進(jìn)水溫度。 (2) 壓力 爐膛左、右負(fù)壓、爐出口壓力、對(duì)流管束入口左、右出口

26、煙氣壓力，爐堂左、右 出口煙壓，一次風(fēng)壓力，引風(fēng)壓力、鍋爐進(jìn)水壓力、鍋爐出水壓力。 (3) 流量 鍋爐出水流量，鼓風(fēng)風(fēng)量，引風(fēng)左、右風(fēng)量，爐排轉(zhuǎn)速。 (4) 其他 煙氣氧含量。 2.控制功能： (1) PLC 用于完成系統(tǒng)藝參數(shù)的采集和控制功能，并將這些信息送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。 (2) 燃燒調(diào)節(jié)是以供水溫度為主調(diào)量，采用風(fēng) -煤配比控制，通過(guò)調(diào)節(jié)爐排轉(zhuǎn)速和鼓 風(fēng)機(jī)頻率使供水溫度盡快達(dá)到設(shè)定溫度。用煙氣含氧量修正風(fēng)-煤配比，以達(dá)到較佳燃 燒。采用時(shí)序設(shè)定方式，根據(jù)不同供熱時(shí)期自動(dòng)改變供水溫度設(shè)定值，同時(shí)通過(guò)測(cè)量室 外溫度自動(dòng)修正供水溫度設(shè)定值，以達(dá)到較佳的設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)供熱。 (3) 根據(jù)爐

27、膛負(fù)壓信號(hào)及鼓風(fēng)量信號(hào)構(gòu)成前饋 -反饋控制，調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)頻率，使?fàn)t膛 負(fù)壓保持在一定的范圍內(nèi)（ -200Pa-50Pa） 。 (4) 控制聯(lián)鎖功能： 1）供水溫度過(guò)高報(bào)警、超高聯(lián)鎖停爐 。 2）供水壓力過(guò)低報(bào)警、超低聯(lián)鎖停爐 。 3）回水壓力過(guò)低報(bào)警。 當(dāng)聯(lián)鎖停爐時(shí)， PLC 系統(tǒng)應(yīng)按先停爐排 鼓風(fēng)機(jī)引風(fēng)機(jī)的順序停爐。 3.1.2 供熱鍋爐控制的特點(diǎn)分析 1.從控制理論的角度分析供熱 鍋爐 它是一個(gè)多變量、非線性、分布參數(shù)的和帶時(shí)延的復(fù)雜對(duì)象，它有多個(gè)被控變量 （溫度、爐膛負(fù)壓等）和調(diào)節(jié)變量（煤量，鼓風(fēng)量和引風(fēng)量）相互之間存在交叉影響， 例如當(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

28、任一個(gè)調(diào)節(jié)量時(shí)，也 會(huì)影響到其它幾個(gè)被調(diào)量。因此，理想的鍋爐控制系統(tǒng)應(yīng)該是多回路的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這樣， 當(dāng)鍋爐收到某一擾動(dòng)后，同時(shí)協(xié)調(diào)的動(dòng)作，改變其調(diào)節(jié)量，使所有的被調(diào)量都具有一定 的調(diào)節(jié)精度。但這種調(diào)節(jié)十分復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)這樣的控制比較困難，目前根據(jù)鍋爐的運(yùn)行 經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際解決鍋爐自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)的方法是將鍋爐當(dāng)作幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以 適當(dāng)簡(jiǎn)化自動(dòng)調(diào)節(jié)問(wèn)題。這必然要求鍋爐控制采用多回路的調(diào)節(jié)系統(tǒng) 2、從控制任務(wù) 角度分析供熱鍋爐 供熱鍋爐最終保證用戶供暖需求，隨著室外溫度的變化使鍋爐回水溫度按供暖曲線 變化，由于回水溫度控制回路滯后時(shí)間比較長(zhǎng)，其起作用的效果時(shí)間較長(zhǎng)， （主要取決 于水循環(huán)速度和小

29、區(qū)供熱面積），其滯后時(shí)間與 PID 時(shí)間常數(shù)相比很大，這樣大的滯后 必然會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)的大的超調(diào)，采用常規(guī)PID 控制，系統(tǒng)很難穩(wěn)定， 甚至無(wú)法投入自動(dòng) 運(yùn)行。 分析現(xiàn)有許多鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)和熱水鍋爐的運(yùn)行情況，確實(shí)存在以下控制難點(diǎn)： (1)熱水鍋爐從進(jìn)煤量的變化到其燃燒產(chǎn)生熱量，并使鍋爐出口水溫度發(fā)生變化需要 較長(zhǎng)的時(shí)間，即鍋爐出口水溫度純滯后時(shí)間長(zhǎng)、容量滯后大，用簡(jiǎn)單的PID 控制很難 獲得理想的效果。 (2)煤質(zhì)的變化，造成風(fēng) -煤比的改變，采用一般的定值控制系統(tǒng)無(wú)法使系統(tǒng)始終運(yùn)行 在最佳或次最佳的燃燒狀態(tài)。 (3)燃燒過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，影響燃燒工況的因素較多，對(duì)象變化較大，很難準(zhǔn)確地建立 單一

30、的控制模型。 根據(jù)上述情況我們制定了一下控制方案。 3.2 供熱鍋爐系統(tǒng)控制原理分析 3.2.1 溫度調(diào)節(jié) 燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)如圖 3.1 所示: 圖 3.1 燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)框圖 Fig3.1 Diagram of combustion system adjustment 鍋爐燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主要任務(wù)是保證水溫的穩(wěn)定，同時(shí)保證鍋爐的安全運(yùn)行。除此 之外，關(guān)鍵在于如何保證經(jīng)濟(jì)燃燒，這也是熱水鍋爐節(jié)能降耗的關(guān)鍵所在，眾所周知， 經(jīng)濟(jì)燃燒問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上就是進(jìn)煤量和進(jìn)風(fēng)量的配比問(wèn)題，如果能保證適當(dāng)?shù)娘L(fēng)-煤比， 就可以實(shí)現(xiàn)最高的燃燒效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)燃燒。如果空氣量不足造成不完全燃燒，產(chǎn)生 CO，這種情況除污染環(huán)境外還

31、造成嚴(yán)重的熱能損失；反之，當(dāng)空氣量過(guò)多時(shí)，將帶走大 量的熱量，造成過(guò)剩的空氣損失。由于現(xiàn)階段的檢測(cè)手段和檢測(cè)設(shè)備尚不能方便地測(cè)得 準(zhǔn)確的進(jìn)煤量和進(jìn)風(fēng)量，給整個(gè)風(fēng) -煤比的自動(dòng)控制造成一定的難度，但進(jìn)煤量與爐排 轉(zhuǎn)速、煤層厚度存在 一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，而進(jìn)風(fēng)量同樣與鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速存在同樣的關(guān) 系。使風(fēng)-煤比在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中始終保持在最佳或次最佳，還存在另一個(gè)難題，由于煤 質(zhì)的變化同樣會(huì)造成風(fēng) -煤比比值的漂移，那么一個(gè)定值控制系統(tǒng)是無(wú)法適應(yīng)煤質(zhì)變化這 一干擾的，所以在這里我們加入了自尋優(yōu)控制方案，初次投運(yùn)時(shí)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和摸索初 步設(shè)定調(diào)風(fēng)-煤比的給定值，系統(tǒng)投入自動(dòng)并穩(wěn)定后，定時(shí)啟動(dòng)自尋優(yōu)功能，根

32、據(jù)爐膛溫 度的變化和煙氣含氧量的變化自動(dòng)微調(diào)風(fēng) -煤比至最佳或次最佳，達(dá)到經(jīng)濟(jì)燃燒。 3.2.2 燃燒效率分析 圖 3.2 過(guò)量空氣系數(shù)與燃燒效率關(guān)系 Fig3.2 Excess air ratio and combustion efficiency between 在鍋爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于鍋爐燃燒技術(shù)條件的限制，不可能做到空氣與燃料理想的 混合。為使燃料盡可能的燃盡（完全燃燒），實(shí)際供給的空氣量要比計(jì)算出的理論空氣 量多。實(shí)際空氣量與理論空氣量之差稱(chēng)為過(guò)量空氣（V） ，而實(shí)際空氣量與理論空氣量 的比值稱(chēng)為過(guò)量空氣系數(shù)（ ） ，即： 由圖示可知：效率 0 KK VVV 0 Kk VV 是一個(gè)單峰

33、值函數(shù)，在進(jìn)煤量一定的情況下，必然存在一個(gè)進(jìn)風(fēng)量使燃燒效率最高， 也對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳風(fēng) -煤比 K。 3.2.3 壓力調(diào)節(jié) 爐膛壓力調(diào)節(jié)如圖 3.2 所示： 圖 3.3 壓力調(diào)節(jié)框圖 Fig3.3 Pressure Regulator Block Diagram 由于爐膛負(fù)壓的變化反映比較靈敏，可作為一個(gè)單獨(dú)的回路進(jìn)行調(diào)節(jié)，引風(fēng)量隨著 鼓風(fēng)量的變化作相應(yīng)的調(diào)整，使?fàn)t膛負(fù)壓始終保持在一定壓力上，維持整個(gè)燃燒系統(tǒng)的 穩(wěn)定性。 熱水鍋爐是用來(lái)冬季供熱的，鍋爐出口水溫度應(yīng)隨著室外溫度的不同作相應(yīng)的調(diào)整， 但人為的改動(dòng)鍋爐出口水溫度的給定值，不僅缺乏實(shí)時(shí)性，而且會(huì)給系統(tǒng)帶入較大的干 擾，也不利于節(jié)能將耗，根

34、據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合歷年的經(jīng)驗(yàn)，可以制定鍋爐出口水溫度隨 室外溫度的變化曲線，使 PLC 系統(tǒng)根據(jù)室外溫度的變化自動(dòng)調(diào)整鍋爐出口水溫度的給定 值，既做到了實(shí)時(shí)調(diào)整，又避免人為修改給定值給系統(tǒng)帶來(lái)的較大擾動(dòng)，同時(shí)節(jié)約能源。 3.3 總體設(shè)計(jì)方案 圖 3.3 為鍋爐供熱系統(tǒng)總體方案 圖 3.4 鍋爐供熱系統(tǒng)總體方案 Fig3.4 The overall program the boiler heating system 整個(gè)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、 PLC、溫度傳感器、壓力傳感器、溫度變送器、壓力變送 器、變頻器和電機(jī)組成。 其中 PLC 控制鍋爐,控制量包括：鍋爐進(jìn)出水溫度、爐膛壓力、鼓風(fēng)量、引風(fēng)量、爐

35、排轉(zhuǎn)速等；監(jiān)測(cè)量包括：爐膛溫度、煙氣含氧量、對(duì)束管入口煙壓、對(duì)束管入口煙溫度、 爐膛出口煙壓以及各風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況等。 溫度和壓力傳感器用于采集系統(tǒng)工作過(guò)程中各個(gè)部件的溫度和壓力形成實(shí)時(shí)的監(jiān)控。 溫度和壓力變送器將傳感器采集到得溫度和壓力轉(zhuǎn)換成PLC 模擬輸入模塊可以采集的 420mA 電流，經(jīng)過(guò) PID 運(yùn)算得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)給到模擬輸出模塊 。變頻器通過(guò)接受來(lái)自 于 PLC 模擬輸出模塊的量調(diào)節(jié)頻率。 系統(tǒng)控制模式包括自動(dòng)以及就地手操兩種相結(jié)合的方式，來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)可靠地運(yùn) 行。自動(dòng)模式通過(guò)順序執(zhí)行 PLC 的程序，實(shí)施對(duì)整套設(shè)備的控制；就地手操時(shí)，相應(yīng)的 設(shè)備從整個(gè)系統(tǒng)中解列出來(lái)，由操作人員在就

36、地設(shè)備上進(jìn)行操作。自動(dòng)、手動(dòng)和就地之 間都是平滑無(wú)擾動(dòng)的相互切換 。 圖 3.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主電路 Fig3.5 Main circuit system design QA0、QA1、QA2 分別為鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、爐排的啟動(dòng)接觸器。當(dāng)QA0 得電時(shí)鼓 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，QA1 得電時(shí)引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)， QA2 得電時(shí)爐排啟動(dòng)，三臺(tái)變頻器的頻率變化由 PLC 得模擬量輸出控制。 第四章 可編程序控制器及變頻器應(yīng)用技術(shù)分析 本控制系統(tǒng)采用 PLC（可編程序控制器）作為底層控制單元即現(xiàn)場(chǎng)控制站，它接收 由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如傳感器、變送器）送來(lái)的信號(hào)，按照一定的控制策略計(jì)算出所需的控制 量，并送回現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器，同時(shí)完成

37、順序控制、邏輯控制等功能。 4.1 PLC 的主要功能和特點(diǎn) PLC 的性能在不斷完善、功能在不斷地增強(qiáng)，主要功能有：開(kāi)關(guān)量邏輯控制、模擬 量控制、閉環(huán)過(guò)程控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、順序（步進(jìn)）控制、數(shù)據(jù)處理、通信和 聯(lián)網(wǎng)等。 由于 PLC 是為了克服繼電器邏輯控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)和局限性而研制出來(lái)的取代繼電器 邏輯控制裝置的一種新型工業(yè)控制裝置，與繼電器邏輯控制系統(tǒng)相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、通用性強(qiáng)、靈活性好、接線簡(jiǎn)單 繼電器邏輯控制系統(tǒng)是針對(duì)各種控制要求專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，只要控制系統(tǒng)改變，其接線 就要跟著改變，另外，繼電器觸點(diǎn)數(shù)目有限，因而連線多且復(fù)雜，體積大。而PLC 是 專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)

38、計(jì)的，具有面向工業(yè)控制的鮮明特點(diǎn)。通過(guò)選配相應(yīng)的控制 模塊，便可適用于各種不同的工業(yè)控制系統(tǒng)。同時(shí)，由于PLC 采用的存儲(chǔ)邏輯是以程 序方式存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，當(dāng)生產(chǎn)工藝改變或生產(chǎn)設(shè)備更新時(shí)，不必改變PLC 的硬 件，只需改變程序和控制邏輯即可，因此稱(chēng)為 “軟接線”，加之 PLC 中每只繼電器的觸 點(diǎn)數(shù)理論上無(wú)限制，因此，其靈活性和擴(kuò)展性都很好。另外，PLC 的接線十分方便， 只需將輸入信號(hào)的設(shè)備（如按鈕、開(kāi)關(guān)等）與PLC 的輸入端子相連，將接受控制的執(zhí) 行元件（如接觸器、電磁閥等）與輸出端子相連即可。 2、功能強(qiáng)、擴(kuò)展能力強(qiáng) 現(xiàn)代 PLC 具有強(qiáng)大的功能系統(tǒng)，利用程序可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的控制功能

39、，如定時(shí)、計(jì) 數(shù)、順序、步進(jìn)等控制。它還可以既對(duì)開(kāi)關(guān)量又對(duì)模擬量進(jìn)行控制。 目前，PLC 產(chǎn)品已系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，能方便靈活地?cái)U(kuò)展成大小不同、功能 不同的控制系統(tǒng)。組成系統(tǒng)后，即使控制程序發(fā)生變化，只要修改軟件即可，增強(qiáng)了控 制系統(tǒng)的柔性。 3、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 為了確保 PLC 在惡劣的工業(yè)環(huán)境中能可靠地工作，在設(shè)計(jì)上強(qiáng)化了PLC 的抗干擾 能力。在硬件方面，采用了電磁屏蔽、濾波、光隔離等一系列抗干擾措施。在軟件上， PLC 采用了故障檢測(cè)、信息保護(hù)和恢復(fù)、設(shè)置警戒時(shí)鐘，加強(qiáng)對(duì)程序的檢查和校驗(yàn)、對(duì) 程序和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行后備保護(hù)等，進(jìn)一步提高了可靠性和抗干擾能力。除此之外， PLC

40、還具有抗振蕩、抗噪聲、抗射頻等能力，因而可靠性極高。 4、定時(shí)準(zhǔn)確，定時(shí)范圍寬 PLC 內(nèi)部提供了許多定時(shí)器和計(jì)數(shù)器元件，通過(guò)不同的賦值，可以實(shí)現(xiàn)任意范圍內(nèi) 的時(shí)間定時(shí)，且定時(shí)準(zhǔn)確。 5、編程和接線可同步進(jìn)行 PLC 控制系統(tǒng)由于采用軟件編程取代繼電器硬連接實(shí)現(xiàn)控制功能，即使是一個(gè)非常 復(fù)雜的控制，也很容易通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，且能事先進(jìn)行模擬調(diào)試，極大地減輕了繁重的 現(xiàn)場(chǎng)安裝接線工作。另外，由于 PLC 控制系統(tǒng)的硬件可按控制系統(tǒng)的性能、輸入 /輸出 點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量的大小等來(lái)選配，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、編程和現(xiàn)場(chǎng)接線可同時(shí)進(jìn)行，因而極 大地縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了工作效率。 6、網(wǎng)絡(luò)通信 PLC 提供標(biāo)準(zhǔn)通

41、信接口，可以方便地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。 4.2 PLC 的硬件組成 雖然 PLC 的生產(chǎn)廠家有很多， PLC 也種類(lèi)繁多，但其結(jié)構(gòu)組成基本相同，主要由中 央處理單元（ Central Processing Unit，CPU） 、存儲(chǔ)器、輸入 /輸出單元、電源等部分構(gòu) 成。 其中，中央處理單元是 PLC 的核心部分，它包括微處理器和控制接口電路。微處理 器是 PLC 的運(yùn)算和控制中心，由它實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、數(shù)字運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分 的工作。存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器，用于存放PLC 生產(chǎn)廠家編寫(xiě) 的系統(tǒng)程序和用戶編寫(xiě)的監(jiān)控程序等。輸入輸出單元是PLC 的 CPU 與現(xiàn)場(chǎng)輸入、輸出 裝

42、置或其他外部設(shè)備之間的連接接口部件。電源單元把外部供應(yīng)的電源變換成系統(tǒng)內(nèi)部 各單元所需的電源。 1.CPU 模塊 CPU 模塊主要由微處理器 (CPU 芯片)和存儲(chǔ)器組成。在 PLC 控制 CPU 模塊相當(dāng)于 人的大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序系統(tǒng)的輸出;存儲(chǔ)器用來(lái)儲(chǔ)存 程序和數(shù)據(jù)。 Premium 將 CPU 模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為 CPU 2.信號(hào)模塊 輸入(Input)模塊和輸出(Output)模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為 I/O 模塊，開(kāi)關(guān)量輸出模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為 Dl 模 塊和 DO 模塊，模擬量輸入、輸出模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為Al 模模塊，他們統(tǒng)稱(chēng)為信號(hào)模塊。信號(hào) 模塊是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和 C

43、PU 模塊的橋梁。輸入模塊用來(lái)接 收和采集輸入信號(hào)，開(kāi)關(guān)量輸入模塊用來(lái)接收從按鈕、關(guān)、數(shù)字撥碼開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、 接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、壓力繼電器等傳來(lái)信號(hào) ;模擬量輸入模塊用來(lái)接收電位器、測(cè)速 發(fā)電動(dòng)機(jī)和各種變送器提供變化的模擬量電流電壓信號(hào)。開(kāi)光量輸出模塊用來(lái)控制接觸 器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示報(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來(lái)控 制電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)閥、變頻器等 CPU 模塊內(nèi)部的工作電壓一般是 DCSV，而 PLC 的輸入/ 輸出信號(hào)電壓高，例如 DC24V 或 AC2:IOV。從外部引入的尖刻電壓和干擾噪聲可能損 壞模塊中的元器件，或使 PD 二不能正常工作。在信號(hào)模塊中，用光禍合

44、器、閘管、小 型繼電器等器件來(lái)隔離 PLC 的內(nèi)部電路和外部的輸入、輸出電路模塊除了傳遞信號(hào)外， 還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。 3.功能模塊 為了增強(qiáng) PLC 的功能，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，減輕 CPU 的負(fù)擔(dān)，PLC 廠開(kāi)發(fā)各種各樣 的功能模塊。它們主要用于完成某些對(duì)實(shí)時(shí)性和存儲(chǔ)器量要的控制任務(wù)。 4.接口模塊 CPU 模塊所在的機(jī)架成為中央機(jī)架，如果一個(gè)機(jī)架不能容納全部模塊，增設(shè)一個(gè)或 者多個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。接口模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架之間基于PLC 的鍋爐供熱控 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有的幾口模塊還可以為擴(kuò)展模塊供電。 5.通信處理器 通信處理器用于 PLC 之間、PLC 與遠(yuǎn)程 FO 之間、PLC 與計(jì)

45、算機(jī)和其他智能設(shè)備 之間的通信，可以將 PLC 接入 MPI、PROFIBUS-DP、AS-i 和工業(yè)以太網(wǎng)，或者用于實(shí) 現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信等。 6.電源模塊 PLC 一般使用 AC220V 電源或 DC24V 電源，電源模塊用于將輸入電壓轉(zhuǎn)為 DC24V 電壓和背板總線上的 DCSV 電壓，供其他模塊使用。 7.編程設(shè)備 Premium 系列使用安裝了編程軟件 Unity_Pro4.0 的個(gè)人計(jì)算機(jī)作為編程設(shè)備，在計(jì) 算機(jī)屏幕上直接生成和編輯各種文本程序或圖形程序，可以實(shí)現(xiàn)不同編程語(yǔ)言之間的相 互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到 PLC，也可以將 PLC 中的程序雙 雙傳到計(jì)算機(jī)。程序可 以存盤(pán)或者打印，

46、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程傳送。編程軟件還具有網(wǎng)絡(luò)和硬件組態(tài)、 參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控和故障診斷等功能。 4.3 變頻器技術(shù)分析 1.變頻器通常分為 4 部分 (1)整流單元：整流單元將工作頻率固定的 交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 (2)高容量電容：高容量電容存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后的電能。 (3)逆變器：逆變器由大功率開(kāi)關(guān)晶體管陣列組成電子開(kāi)關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻 率、寬度、幅度的方波。 4)控制器：控制器按設(shè)定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似 正弦波的交流電，驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。 2.變頻器控制方式 壓通用變頻輸出電壓為 380650V，輸出功率為 0.75400kW，工作頻率為 0400Hz，它的主電

47、路都采用交 直交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。 (1) U/f=C 的正弦脈寬調(diào)制 (SPWM)控制方式 其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng) 的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)， 由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外， 其機(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且 系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高， 低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研 究出矢量控制變頻調(diào)速。 (

48、2)電壓空間矢量 (SVPWM)控制方式 它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為 目的，一次生成三相調(diào)制波形，以?xún)?nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后 又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除 低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制 電路環(huán)節(jié)較多，且沒(méi)有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本改善。 矢量控制(VC)方式 矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、 通過(guò)三相二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)

49、 定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1(Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的 勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流 )，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求 得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是 將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制 轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解 耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難 以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用 矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效

50、果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。 (3) 直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)方式 1985 年，德國(guó)魯爾大學(xué)的 DePenbrock 教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該 技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車(chē)牽引 的大功率交流傳動(dòng)上。 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型， 控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量 旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化 交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 (4) 矩陣式交交控制方式

51、 VVVF 變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交 直交變頻中的一種。其 共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲(chǔ)能電容，再生能量又不 能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此，矩陣式交交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣 式交交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn) 功率因數(shù)為 l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未 成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是 把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 4.4 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)分析 鍋爐供熱控制系統(tǒng)輸入、輸出點(diǎn)比較多，工藝也比較復(fù)雜，控制要求

52、高，綜合考慮 以上因素，以及 PLC 的性能價(jià)格比 等其它因素，本設(shè)計(jì)選擇施奈德公司的Premium 系 列的 PLC（可編程序控制器） CPU 型號(hào)為 TSXPM。根據(jù)供熱鍋爐系統(tǒng)的控制要求要采 集的量： 表 4.1 模擬量輸入 Table4.1 Analog Input 序號(hào)對(duì)應(yīng)通道設(shè)備對(duì)應(yīng)通道地址 1爐膛左溫度%CH0.5.0 2爐膛右溫度%CH0.5.1 3對(duì)流管束入口左出口溫度%CH0.5.2 4對(duì)流管束入口右出口溫度%CH0.5.3 5爐膛左出口煙溫度%CH0.5.4 6爐膛右出口煙溫度%CH0.5.5 7排煙溫度%CH0.5.6 8除塵器出口溫度%CH0.5.7 9除塵器出口煙壓

53、%CH0.6.0 10一次風(fēng)壓%CH0.6.1 11鍋爐進(jìn)水壓力%CH0.6.2 12鍋爐出水壓力%CH0.6.3 13鍋爐出水流量%CH0.6.4 14鍋爐進(jìn)水溫度%CH0.7.0 15鍋爐出水溫度%CH0.7.1 16爐膛左負(fù)壓%CH0.7.0 17爐膛右負(fù)壓%CH0.7.3 18對(duì)束管入口左煙壓%CH0.7.4 19對(duì)束管入口右煙壓%CH0.7.5 20爐堂左出口煙壓%CH0.7.6 21爐堂右出口煙壓%CH0.7.7 22引風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率%CH0.8.0 23鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率%CH0.8.2 24爐排運(yùn)行頻率%CH0.8.3 表 4.2 模擬量輸出 Table4.2 Analog Outp

54、ut 序號(hào)模擬量輸出對(duì)應(yīng)設(shè)備對(duì)應(yīng)地址 1鼓風(fēng)機(jī)頻率%CH0.9.0 2引風(fēng)機(jī)頻率%CH0.9.1 3爐排頻率%CH0.9.2 表 4.3 開(kāi)關(guān)量輸入、輸出 Table4.3 Digital input and output 序號(hào)開(kāi)關(guān)量輸入輸出對(duì)應(yīng)設(shè)備對(duì)應(yīng)地址 1鍋爐出水溫度過(guò)高%I0.3.0 2鍋爐出水溫度過(guò)低%I0.3.1 3鍋爐出水溫度超高%I0.3.2 4鍋爐出水溫度超低%I0.3.3 5鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行%I0.3.4 6引風(fēng)機(jī)運(yùn)行%I0.3.5 7爐排運(yùn)行%I0.3.6 8鼓風(fēng)機(jī)手/自動(dòng)切換%I0.3.7 9引風(fēng)機(jī)手/自動(dòng)切換%I0.3.8 10爐排手/自動(dòng)切換%I0.3.9 11鼓風(fēng)機(jī)停止

55、%Q0.4.0 12引風(fēng)機(jī)停止%Q0.4.1 13爐排停止%Q0.4.2 14報(bào)警%Q0.4.3 第五章 控制系統(tǒng)硬件原理圖設(shè)計(jì)與器件選擇 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要用到溫度傳感器和電壓傳感器對(duì)鍋爐的溫度和壓力進(jìn)行采集， 并且將采集的數(shù)據(jù)傳送的 PLC 的模擬輸入模塊。經(jīng)過(guò) PID 調(diào)節(jié)后，從模擬輸出模塊輸入數(shù) 據(jù)對(duì)鍋爐進(jìn)行控制。確保鍋爐的溫度和壓力始終處于一個(gè)穩(wěn)定安全的運(yùn)行狀態(tài)。 5.1 PLC 模塊選擇 由控制要求我們可知供熱鍋爐系統(tǒng)中有模擬量輸入、數(shù)字量輸出和輸入。所以我們選擇 了一下模塊。 表 5.1 PLC 各模塊選擇型號(hào)及數(shù)量 Table5.1 Select PLC Type and

56、quantity of each module 序號(hào)名稱(chēng)模塊型號(hào)及規(guī)格單位模塊數(shù)量 1電源模塊 TSXPSY2600M 塊1 2CPU 模塊 TSXPM 110/220VAC 26W 塊1 3開(kāi)關(guān)量輸入模塊 TSXDEY16D2 16 點(diǎn)，24VDC 塊1 4開(kāi)關(guān)量輸出模塊 TSXDSY16T2 16 點(diǎn)，24VDC 0.1A 塊1 5 模擬量輸入模塊 TSXAEY800 8 通道，10V, 20mA 塊4 6模擬量輸出模塊 TSXASY800 8 通道, 10V, 20mA, 塊1 圖 5.1 PLC 模塊安裝順序圖 fig5.1 PLC module installation sequen

57、ce diagram 由開(kāi)關(guān)量的輸入、輸出對(duì)應(yīng)的模塊畫(huà)出以下模塊外圍接線圖: 圖 5.2 開(kāi)關(guān)量輸入模塊原理接線圖 Fig5.2 Principles of digital input module wiring diagram 圖 5.3 開(kāi)關(guān)量輸出模塊原理接線圖 Fig5.3 Principles of digital output module wiring diagram 圖 5.4 模擬量輸入模塊 1 Fig.5.4 Analog Input Module 1 圖 5.5 模擬量輸入模塊 2 Fig5.5 Analog Input Module 2 圖 5.6 模擬量輸入模塊 3 F

58、ig5.6 Analog Input Module 3 圖 5.7 模擬量輸入模塊 4 Fig5.7 Analog Input Module 4 圖 5.8 模擬量輸出模塊 Fig5.8 Analog Output Modules 圖 5.9 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案控制電路 Fig5.9 Control circuit system design SA1、SA2、SA3 分別為鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、爐排的手/自動(dòng)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到 “1”時(shí)為手動(dòng)，三臺(tái)電機(jī)進(jìn)入手動(dòng)運(yùn)行模式，啟動(dòng)開(kāi)關(guān)分別為 SF2，SF4，SF6，當(dāng) SF2、SF4、SF6 閉合時(shí)接觸器 QA0、QA1、QA2 得電啟動(dòng)分別啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)、

59、引風(fēng)機(jī)、爐排。 SF1、SF2、SF3 為手動(dòng)停止開(kāi)關(guān)。當(dāng) SA1、SA2、SA3 打到“2”的位置時(shí)，三臺(tái)電機(jī)進(jìn)入自 動(dòng)運(yùn)行模式，由 PLC 控制 KF1、KF2、KF3 的通斷來(lái)控制接觸器 QA0、QA1、QA2。 本章小結(jié)：本章通過(guò)分析供熱鍋爐系統(tǒng)的功能得出供熱鍋爐主調(diào)節(jié)變量為溫度和壓 力。分析供熱鍋爐系統(tǒng)的溫度和壓力穩(wěn)定控制的問(wèn)題，根據(jù)溫度和壓力調(diào)節(jié)的靈敏性， 溫度采用多回路、多點(diǎn)反饋調(diào)節(jié)方式。壓力采用單回路調(diào)節(jié)方式，得出系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)， 使整個(gè)系統(tǒng)更好的實(shí)現(xiàn)溫度和壓力實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)。 5.2 溫度傳感器的選擇 應(yīng)為在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要監(jiān)控的溫度有水溫、煙溫及爐膛溫度。它們的溫度范圍都不一

60、 樣，所以本設(shè)中測(cè)量水溫、煙溫用的溫度傳感器為熱電阻溫度傳感器，測(cè)量爐膛溫度用的為 熱電偶溫度傳感器 1.熱電偶工作原理： 當(dāng)有兩種不同的 導(dǎo)體和半導(dǎo)體 A 和 B 組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié) 點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為 T，稱(chēng)為工作端或熱端，另一端溫度為T(mén)0，稱(chēng)為自由端 (也稱(chēng)參考端 )或冷端，則回路中就有 電流產(chǎn)生，即回路中存在的 電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電動(dòng)勢(shì)。 這種由于溫度不同而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為 塞貝克效應(yīng) 。與塞貝克有關(guān)的效應(yīng)有兩個(gè)： 其一，當(dāng)有電流流過(guò)兩個(gè)不同導(dǎo)體的連接處時(shí)此處便吸收或放出熱量(取決于電流的方 向)，稱(chēng)為珀?duì)柼?yīng)；其二，當(dāng)有電流流過(guò)存在溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體