蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)

1、基于西門子S7-300的40t蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)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)量提出了越來越高的要求。目前，我國地區(qū)冬季生活供暖仍然以鍋爐供暖為主，鍋爐房自動控制系統(tǒng)配置相對落后，風(fēng)機(jī)和水泵等電機(jī)的控制主要依賴值班人員的手工操作，控制過程繁瑣，耗電耗煤，而且手動控制無法對鍋爐供水溫度和管網(wǎng)壓力變化及時做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。本文設(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)由可編程控制器、變頻器、風(fēng)機(jī)和水泵電機(jī)、傳感器、以及控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)主要包括四個控制回路：鍋爐汽包水位控制回路、水溫控制回路、控制

2、回路和爐膛負(fù)壓控制回路。系統(tǒng)通過變頻器控制電動機(jī)的啟動、運(yùn)行和調(diào)速。系統(tǒng)以西門子S7-300可編程控制器為下位機(jī)。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的處理，溫度和壓力信號的PID控制等功能，并接收上位機(jī)的控制指令以完成風(fēng)機(jī)啟/?？刂啤?shù)設(shè)定、循環(huán)泵控制和補(bǔ)水泵控制。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控制，有效地降低了能耗，提高了生產(chǎn)管理水平。系統(tǒng)安裝維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。關(guān)鍵詞：鍋爐控制，變頻調(diào)速技術(shù)，PLC，PIDFor Siemens S7-300 40 Tons Steam Boiler Control SystemAbstract

3、With the rapid development of social economy and the increasingly improved living standard of people, the scale of city construction is unprecedentedly expanded, arousing urgent requirement for high-quality living heating system to meet the sustainingly increased need. In the majority of our country

4、, however, most current living heating systems for winter use are relatively still out-of-date boiler heating system, in which, the core part, namely, the control of operating fans in stokehold and water pumps is still manual and therefore hard to realize real-time adjustment according to changing p

5、ressure in the pipes and temperature of water supplied. Consequently, this fussy manual control inevitably leads to unnecessary huge waste of coal and electrical power.In this paper, a heating boiler control system based on PLC and variable frequency speed-regulating technology is designed. The cont

6、rol system is made up of PLC, transducers, electromotor units of pumps and fans, sensors and control tanks, etc. In the program control system is consisted by four loops that is the water level control loop, the water temperature control loop, the boilers belt control loop and the hearth pressure co

7、ntrol loop. It can control electromotor starting, running and timing by means of transducers. The hardware system adopts a Siemens S7-300 PLC as the lower control system (LCS). The control software of LCS designed with STEP7(Siemens PLC software toolbox) is mainly used to deal with functions such as

8、 processing analog signals , PID control of water level、temperature and pressure, and accepting control instructions from the upper supervisory system(USS) to realize starting/stopping of electromotors, setting of analog parameters and control of water pumps.The frequency control system proposed not

9、 only can realize automatic control of boiler burning process efficiently, having greatly reduced energy consumption, and in the meantime effectively improved the level of boiler control management, but also has many advantages such as stable and reliable running, flexible operation, etc. The whole

10、design is feasible and reliable and reach the expected objective. Key words：boiler control, variable frequency speed-regulating technology, PLC,PID目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1 引言11.2 蒸汽鍋爐設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)1 蒸汽鍋爐本體1 輔助設(shè)備21.3 蒸汽鍋爐的工作過程3 燃料燃燒與通風(fēng)系統(tǒng)3 汽-水系統(tǒng)31.4 控制要求3 控制汽包水位4 控制蒸汽溫度4 控制爐膛壓力4 控制燃燒系統(tǒng)5 控制鼓風(fēng)引風(fēng)量52 PLC硬件設(shè)計(jì)62.

11、1 PLC的發(fā)展歷程62.2 PLC特點(diǎn)62.3 S7-300簡介82.4 系統(tǒng)組成83 軟件設(shè)計(jì)103.1 S7-300編程軟件簡介103.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)11 控制算法的選擇113.2.2 STEP7中的PID功能塊12 主程序設(shè)計(jì)12 子程序設(shè)計(jì)13結(jié) 論19致 謝20參考文獻(xiàn)21附錄A （S7-300-PLC MODULE SPECIFICATION）22附錄B（S7-300模板規(guī)范手冊）30附錄C（蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)原程序）361 緒論1.1 引言 供暖鍋爐控制系統(tǒng)屬于過程控制系統(tǒng)，其控制的目標(biāo)是控制鍋爐燃燒過程中的水位、爐膛負(fù)壓等參數(shù)，使鍋爐燃燒工況良好，保證設(shè)備運(yùn)行安全，滿足用

12、戶的供熱要求。目前，大多數(shù)供暖用鍋爐的設(shè)計(jì)，管理和使用還處于七八十年代水平，爐溫不高,燃燒不充分，控制與使用自動化程度不高。這樣不僅在管理上和運(yùn)轉(zhuǎn)上浪費(fèi)大量人力物力，而且還為安全生產(chǎn)帶來隱患。如今，交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)日趨完善和成熟，采用變頻調(diào)速器可以改變電源的頻率，進(jìn)而調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對水位的控制；調(diào)節(jié)鼓引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)，達(dá)到鍋爐負(fù)壓自動調(diào)節(jié)控制的目的；同時可使電機(jī)實(shí)際功率隨鍋爐負(fù)荷的變化(即風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化)而變化，達(dá)到低負(fù)荷、低消耗運(yùn)行的目的。本系統(tǒng)正是順應(yīng)了這種趨勢針對供暖蒸汽鍋爐而設(shè)計(jì)的。1.2 蒸汽鍋爐設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)1.2.1 爐爐蒸汽鍋爐本體1、爐膛 其橫截面一般為正

13、方形或矩形。燃料在爐膛內(nèi)燃燒形成火焰和高溫?zé)煔猓誀t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，又吸收火焰和高溫?zé)煔獾拇罅枯椛錈帷?、爐筒 接受省煤器來的給水、聯(lián)接循環(huán)回路，并向過熱器輸送飽和蒸汽的圓筒形容器。爐筒整體由優(yōu)質(zhì)厚鋼板制成，是鍋爐中最重的部件之一。爐筒的主要功能是作為省煤器、汽化受熱面和蒸汽過熱器的聯(lián)接樞紐；內(nèi)部布置鍋內(nèi)設(shè)備，進(jìn)行汽水分離過程；作為聯(lián)接多排并列管子的結(jié)合體以構(gòu)成管束受熱面；作為自然循環(huán)回路的組成部分；貯存鍋水，形成一定的蓄熱能力。圖1.1 鍋爐控控制系統(tǒng)硬件組成圖1.2.2 輔助設(shè)備1.3 蒸汽鍋爐的工作過程1.3

14、.1 燃料燃燒與通風(fēng)系統(tǒng)1.3.2 在煤場上經(jīng)篩選的鍋爐用煤由提升設(shè)備和帶式輸煤機(jī)送入儲煤斗，靠自重下滑經(jīng)爐前小煤斗送達(dá)爐排，借自前向后運(yùn)動的爐排將它帶進(jìn)爐內(nèi)燃燒。燃燒所需的空氣，由送風(fēng)機(jī)先送往空氣預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱，再經(jīng)風(fēng)室從爐排的通風(fēng)孔隙進(jìn)入煤層參與燃燒反應(yīng)。煤隨著爐排邊運(yùn)動邊燃燒，燃盡的灰渣在后端翻落于灰渣斗，最后由除灰設(shè)備排除。燃燒生成的高溫?zé)煔?，離開爐膛后以較高的流速沖刷蒸汽過熱器和對流管束，然后進(jìn)入尾部煙道，流經(jīng)省煤器和空氣預(yù)熱器，此時煙氣因?qū)α鞣艧嵋汛罅拷禍亍煔庵袛y帶的飛灰，大部分由除塵器除去，比較潔凈的煙氣最后由引風(fēng)機(jī)送入煙囪排于大氣。汽-水系統(tǒng)1.4 控制要求1.4.1 控制汽

15、包水位1.4.2 自由水面控制蒸汽溫度1.4.3 控制爐膛壓力1.4.4 控制燃燒系統(tǒng)燃燒系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)是使燃料量與空氣量相適應(yīng)，維持燃料量與空氣量有一定的比值，以保證燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性。如果能夠恰當(dāng)?shù)乇３秩紵颗c空氣量的正確比例，就能達(dá)到最小的熱量損失和最大的燃燒效率。反之，如果比值不當(dāng)，空氣不足，結(jié)果導(dǎo)致燃料的不完全燃燒，當(dāng)大部分燃料燃燒不完全時，熱量損失在煙氣之中，使燃燒效率降低。所以對燃燒的控制是十分必要的。1.4.5 控制鼓風(fēng)引風(fēng)量為了保證鍋爐爐膛內(nèi)的燃料連續(xù)不斷的燃燒，必須向爐膛內(nèi)供應(yīng)足夠量的空氣，同時將燃燒產(chǎn)生的煙氣通過受熱面，煙道及除塵器等設(shè)備，最后由煙囪排入大氣。2 PLC硬件

16、設(shè)計(jì)2.1 2.2 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，存在著大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。個人計(jì)算機(jī)（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable L

17、ogic Controller（PLC），現(xiàn)在，仍常常將PLC簡稱PC。PLC的定義有許多種。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、

18、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。PLC特點(diǎn)PLC能如此迅速發(fā)展的原因，除了工業(yè)自動化的客觀需要外，還有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它較好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問題。其主要特點(diǎn)如下：1、編程方法簡單易學(xué)梯形圖是可編程序控制器使用最多的編程語言，其電路符號和表達(dá)方式與繼電器電路原理圖相似。梯形圖語言形象直觀，易學(xué)易懂，熟悉繼電

19、器電路圖的電氣技術(shù)人員只要花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。梯形圖語言實(shí)際上是一種面向用戶的高級語言，可編程序控制器在執(zhí)行梯形圖程序時，應(yīng)先用解釋程序?qū)⑺胺g”成匯編語言后再去執(zhí)行。2、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)可編程序控制器產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂破鞯陌惭b接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線?？删幊绦蚩刂破饔休^強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器。硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。3、系統(tǒng)的

20、設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少可編程序控制器用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少?？删幊绦蚩刂破鞯奶菪螆D程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)法。這種編程方法很有規(guī)律，容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計(jì)時間比繼電器系統(tǒng)電路圖的設(shè)計(jì)時間要少很多?？删幊绦蚩刂破鞯挠脩舫绦蚩梢栽趯?shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，輸入信號用小開關(guān)來模擬，通過可編程序控制器上的發(fā)光二級管可觀察輸出信號的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間比繼電器系統(tǒng)要少得多。4、維修工作量小，維修方便可編程序控制器的故障率

21、低，且有完善的自診斷和顯示功能?？删幊绦蚩刂破骰蛲獠康妮斎胙b置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù)可編程序控制器上的發(fā)光二級管或編程器提供的信息迅速地查明產(chǎn)生故障的原因，用更換模塊的方法迅速地排除故障。5、體積小，能耗低對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使用可編程序控制器后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器，小型可編程序控制器的體積僅相當(dāng)于幾個繼電器的大小，因此可將開關(guān)柜的體積縮小到原來的1/21/10?？删幊绦蚩刂破鞯呐渚€比繼電器系統(tǒng)的配線少得多，故可以省下大量的配線和附件，減少大量的安裝接線工時，加上開關(guān)柜體積的縮小，可以節(jié)省大量的費(fèi)用。2.3 S7-300簡介S7-300系列PLC是基于模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的

22、，采用DIN標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，配置靈活、安裝簡單、擴(kuò)展方便，各種模塊可以進(jìn)行廣泛的組合和擴(kuò)展，主要模塊有中央處理單元（CPU）模塊、信號（SM）模塊、通信處理器（CP）模塊、功能（FM）模塊。輔助模塊有電源（PS）模塊、接口（IM）模塊等，它通過MPI網(wǎng)的接口直接與編程器PG、操作員面板OP和其它S7 PLC相連。其主要功能如下：1、高速的指令處理。0.10.6s的指令處理時間在中等到較低的性能要求范圍內(nèi)開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。（1）浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算：用此功能可以有效地實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算。（2）方便用戶的參數(shù)賦值：一個帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的軟件工具可以給所有模塊進(jìn)行參數(shù)賦值。2、診斷功能。CPU的智能化的診

23、斷系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常，記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件（例如超時、模塊更換等）。3、口令保護(hù)。多級口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改。S7-300的操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時，就不能改變操作方式。這樣就防止非法刪除或改寫用戶程序。2.4 系統(tǒng)組成模塊只能裝在一個機(jī)架上，最大擴(kuò)展128點(diǎn)數(shù)字量和32路模擬量。表2.1 模塊地址示意圖序號名稱型號槽號地址號1電源PS 307 10A1-2CPUCPU 3132-3數(shù)字量輸入模塊SM321 DI16xAC120/230V40.01.74數(shù)字量輸出模塊SM322 DO16xAC120V/23

24、0V/0,5A54.05.75模擬量輸入模塊SM331 AI8x16Bit62883036模擬量輸出模塊SM332 AO4x16Bit73043117數(shù)字量輸入模塊SM321 DI16xAC120/230V816.017.73、接口模塊（IM365）：接口模塊用于S7-300系列PLC的中央機(jī)架到擴(kuò)展機(jī)架的連接。IM365用于連接中央與一個擴(kuò)展機(jī)架，由兩個模塊組成，一塊插入中央機(jī)架，通過1m長的連接電纜，將另一塊插入擴(kuò)展機(jī)架，在擴(kuò)展機(jī)架上最多可安裝8塊模塊。4、信號模塊(SM)：使不同的過程信號電平和S7-300的內(nèi)部信號電平相匹配，主要數(shù)字量輸入模塊SM321、數(shù)字量輸出模塊SM322、模擬

25、量輸入模塊SM331、模擬量輸出模塊SM332等。每個信號模塊都配有自編碼的螺緊型前連接器，外部過程信號可方便地連在信號模塊的前連接器上。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、420mA電流、010V電壓等18種不同的信號，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M的低成本解決方案。有三種形式的傳輸接1a：RS 232C(V.24) ；20mA(TTY) ；RS422/485(X.27)。固化有3964(R)協(xié)議和ASCII協(xié)議兩個標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。3 軟件設(shè)計(jì)3.1 S7-300編程軟件簡介S7-300的編程語言是STEP7，STEP7繼

26、承了STEP5 語言結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，用文件塊的形式管理用戶程序及程序運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)。如果這些文件塊是子程序，可以通過調(diào)用語句，將他們組成結(jié)構(gòu)化用戶程序。這樣，PLC的程序組織明確，結(jié)構(gòu)清晰，易于修改。STEP7支持的編程語言非常豐富，有LAD(梯形圖)、STL(語句表)、SCL(標(biāo)準(zhǔn)控制語言)、FBD(功能塊圖)、GRAPH(順序控制)、HiGraph(狀態(tài)圖)、CFC(連續(xù)功能圖)等，用戶可以選擇一種編程，如果需要，也可以混合幾種語言編程。這些編程語言都是面向用戶的，它使控制程序的編程大大簡化，對用戶來說，開發(fā)、輸入、調(diào)試和修改程序極為方便。本系統(tǒng)中主要采用LAD(梯形圖)語言編程。L

27、AD(梯形圖)語言最接近于繼電器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語言，與計(jì)算機(jī)語言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。通常,用戶程序由組織塊(OB)、功能塊(FB，F(xiàn)C)、數(shù)據(jù)塊(DB)構(gòu)成。其中OB是系統(tǒng)操作程序與用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運(yùn)行。OB塊根據(jù)操作系統(tǒng)調(diào)用的條件(如時間中斷、報(bào)警中斷等)分成幾種類型，這些類型有不同的優(yōu)先級，高優(yōu)先級的OB可以中斷低優(yōu)先級的OB。每個S7 CPU包含一套可編程OB塊(隨CPU而不同)

28、，不同的OB塊執(zhí)行特定的功能。OBI是主程序循環(huán)塊，在任何情況下，它都是需要的。根據(jù)過程控制的復(fù)雜程度，可將所有程序放入OBI中進(jìn)行線性編程，或?qū)⒊绦蛴貌煌倪壿媺K加以結(jié)構(gòu)化，通過OBI調(diào)用這些邏輯塊。除了OBI，操作系統(tǒng)可以調(diào)用其它的OB塊以響應(yīng)確定事件。其他可用的OB塊隨所用的CPU性能和控制過程的要求而定。功能塊(FB，F(xiàn)C)實(shí)際上是用戶子程序，分為帶“記憶”功能塊FB和不帶“記憶”功能塊FC。前者有一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與該功能塊的參數(shù)表完全相同的數(shù)據(jù)塊(DB)附屬于該功能塊，并隨功能塊的調(diào)用而打開，隨功能塊的結(jié)束而關(guān)閉。該附屬數(shù)據(jù)塊叫做背景數(shù)據(jù)塊(Instance Data Block)，存放

29、在背景數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)在FB塊結(jié)束時繼續(xù)保持，即被“記憶”。功能塊FC沒有背景數(shù)據(jù)塊，當(dāng)FC完成操作后數(shù)據(jù)不能保持。數(shù)據(jù)塊(DB)是用戶定義的用于存儲數(shù)據(jù)的存儲區(qū)，也可以被打開或關(guān)閉。DB可以是屬于某個FB的背景數(shù)據(jù)塊，也可以是通用的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊，用于FB或FC。S7 CPU還提供標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)功能塊(SFB，SFC)，它們是預(yù)先編好的，經(jīng)過測試集成在S7 CPU中的功能數(shù)據(jù)庫。用戶可以直接調(diào)用它們，高效地編寫自己的程序。由于它們是操作系統(tǒng)的一部分，不須將其作為用戶程序下載到PLC。與FB塊相似，SFB需要一個背景數(shù)據(jù)塊，并將此DB塊作為程序的一部分安裝到CPU中。不同的CPU提供不同的SFB、SFC功

30、能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊(SDB)是為存放PLC參數(shù)所建立的系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲區(qū)。用STEP7組態(tài)軟件可以將PLC組態(tài)數(shù)據(jù)和其它操作參數(shù)存放于SDB中。3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)是將變頻調(diào)速技術(shù)、可變程控制技術(shù)相結(jié)合，完成蒸汽鍋爐對給水、給煤、送風(fēng)、引風(fēng)等參數(shù)的自動控制，使鍋爐汽包水位，爐膛負(fù)壓，給水量等在系統(tǒng)控制下，實(shí)現(xiàn)燃燒工況控制，保持鍋爐的最佳運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)蒸汽鍋爐系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行和達(dá)到節(jié)能降耗的目的。各回路的控制均采用傳統(tǒng)PID控制算法，鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、給水泵、爐排電機(jī)全部采用變頻調(diào)速，在鍋爐安全運(yùn)行、節(jié)能、環(huán)保、減輕操作人員的勞動強(qiáng)度等方面，取得了良好的效果。3.2.1 控制算

31、法的選擇PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、代碼少，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，使得PID在工程中應(yīng)用達(dá)90%以上。當(dāng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)后，數(shù)字PID控制器更顯示出參數(shù)調(diào)整靈活、算法變化多樣化、簡單方便的優(yōu)點(diǎn)。同時在其他智能控制算法發(fā)展的同時，PID算法同樣也在發(fā)展，出現(xiàn)了模糊PID、帶死區(qū)的PID等改進(jìn)算法。使用PID算法在應(yīng)用范圍內(nèi)控制精度較高，由于PID控制存在積分的作用，可使微小的誤差得以累計(jì)，從而最終消除靜差。PID算法也存在一些缺點(diǎn)，改進(jìn)PID調(diào)節(jié)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或算法，可得到更好的調(diào)節(jié)效果?？紤]到工程實(shí)用性，本試驗(yàn)室各模擬量控制環(huán)路采用PID控制算法，由PLC中的PID特殊功能模塊

32、實(shí)現(xiàn)。3.2.2 STEP7中的PID功能塊在SIMATIC STEP7中有FB41、FB42及FB43共3個PID功能塊。其中FB41是模擬PID控制塊，F(xiàn)B42是數(shù)字PID控制塊，F(xiàn)B43是脈沖發(fā)生塊。因溫度、壓力、水位都是模擬量，故選用FB41。對于標(biāo)準(zhǔn)的PID控制模塊FB41，通過設(shè)置其中的參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)一個PID算法。其中的用戶參數(shù)如設(shè)定值、過程變量、操縱變量、比例增益、積分時間、微分時間、采樣時間、量化處理、功能選擇等儲存在數(shù)據(jù)塊中。給定值為SV(n)，實(shí)際為PV(n)，偏差為e(n)。比較后進(jìn)入死區(qū)檢查，再進(jìn)行P、I、D參數(shù)實(shí)時整定，F(xiàn)B41其原理如下圖：圖3.1 STEP7中的

33、PID模塊原理圖3.2.3 主程序設(shè)計(jì)主程序通過循環(huán)組織塊(OBI)完成，圖3.2給出了OBI中的主程序結(jié)構(gòu)。組織塊OB1調(diào)用功能塊FC1，F(xiàn)C2，F(xiàn)C3，F(xiàn)C4。FC1完成給水泵的啟/?？刂?，并根據(jù)水位隨時調(diào)節(jié)變頻器頻率；FC2完成爐排電機(jī)啟/?？刂坪蛥?shù)設(shè)定，對水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)；FC3完成燃燒系統(tǒng)、鼓風(fēng)電機(jī)的啟/?？刂?，及相應(yīng)的頻率調(diào)節(jié)；FC4完成引風(fēng)電機(jī)的啟/停控制，及對爐膛負(fù)壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖3.2 主程序結(jié)構(gòu)3.2.4 子程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)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

34、工調(diào)試或緊急情況下使用。兩種方式間可自由切換。本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)PLC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)定和狀態(tài)監(jiān)控，PLC 負(fù)責(zé)實(shí)時控制程序的運(yùn)行。系統(tǒng)由4個子系統(tǒng)組成：鍋爐汽包水位控制子系統(tǒng)、水溫控制子系統(tǒng)、爐排控制子系統(tǒng)和爐膛負(fù)壓控制子系統(tǒng)。各個子系統(tǒng)運(yùn)行時，傳感變送器對爐膛溫度、爐膛負(fù)壓、蒸汽壓力、汽包液位、蒸汽流量和給水流量這些現(xiàn)場信號進(jìn)行傳感變送。現(xiàn)場信號通過傳感器變送后為標(biāo)準(zhǔn)模擬信號，標(biāo)準(zhǔn)模擬信號通過可編程控制器的模擬輸入輸出通道轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號，可編程控制器根據(jù)這些信號運(yùn)行預(yù)定程序并給出相應(yīng)的控制量，這些控制量通過可編程控制器的模擬量通道輸出對變頻器進(jìn)行調(diào)速，變頻器控制

35、給水水泵、爐排電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速大小，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動化運(yùn)行。各系統(tǒng)分兩種工作方式，即自動和手動控制方式。系統(tǒng)工作在手動方式下時，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（汽包液位、水溫、爐膛負(fù)壓等），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(shí)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，控制系統(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（汽包液位、爐膛溫度、蒸汽壓力和爐膛負(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

36、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。 1、FC1(給水泵控制)FC1給水泵控制程序主要實(shí)現(xiàn)給水泵系統(tǒng)中水泵電機(jī)的啟/?？刂?、變頻器頻率設(shè)定、水位PID控制等。鍋爐水位控制采用的是單沖量自動控制方式，單沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以水位作為唯一調(diào)節(jié)信號，即調(diào)節(jié)器只根據(jù)水位變化去改變給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。由鍋爐上鍋筒的傳感器測得的水位信號送到操作臺上的水位自動控制儀，通過水位自動控制儀發(fā)出420mA 電流信號，在本鍋爐控制設(shè)計(jì)中，汽包水位的正常運(yùn)行范圍為水位測量中心線的±50mm，為保證鍋爐安全運(yùn)行，需控制水位在這一范圍內(nèi)進(jìn)行小幅變化。給水泵控制程序的原理圖如圖3.3所示。該回

37、路的輸入/輸出信號地址分配如表3.1表3.1 輸入/輸出信號地址分配表序號輸入信號名稱地址序號輸出信號名稱地址1水泵變頻器啟動按鈕I0.0 1水泵變頻器線圈Q4.0 2水泵變頻器停止按鈕I0.1 2變頻器故障報(bào)警Q5.0 3手動按鈕I1.0 3水池水位上限報(bào)警指示燈Q4.4 4自動切換I1.1 4水池水位下限報(bào)警指示燈Q4.5 5水泵變頻器報(bào)警信號I16.0 5水位控制變頻器輸出信號PQW304 6試燈按鈕I1.3 6 7水位模擬量輸入信號PIW288 7 圖3.3 補(bǔ)水調(diào)節(jié)PID控制原理圖模擬量輸入程序見圖3.4圖3.4 水位控制系統(tǒng)模擬量控制梯形圖詳細(xì)程序見附錄2、FC2(爐排電機(jī)控制)爐

38、排電機(jī)自動操作方式時，PID控制反饋量由水溫傳感器返回420ma信號到變頻器，給定目標(biāo)值由PLC聯(lián)接的觸摸屏設(shè)定，由PLC通信傳送給變頻器。作業(yè)中可通過觸摸屏修改PLC給定目標(biāo)值。在本鍋爐控制設(shè)計(jì)中，水溫范圍在-50650,為保證鍋爐安全，水溫一般不能超過300,并將水溫控制在210左右。 該回路的輸入/輸出信號地址分配如表3.23、FC3(鼓風(fēng)機(jī)控制)FC3鼓風(fēng)機(jī)控制程序主要實(shí)現(xiàn)引鼓風(fēng)電機(jī)的啟/?？刂啤⒆冾l器頻率設(shè)定、PID控制等。鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)是改變鼓風(fēng)量來調(diào)節(jié)爐排的運(yùn)行速度，以維持燃料的經(jīng)濟(jì)燃表3.2 輸入/輸出信號地址分配表序號輸入信號名稱地址序號輸出信號名稱地址1爐排變頻器啟動

39、按鈕I0.2 1爐排變頻器線圈Q4.1 2爐排變頻器停止按鈕I0.3 2水溫上限報(bào)警指示燈Q4.6 3變頻器報(bào)警信號I16.1 3變頻器故障報(bào)警Q5.1 4試燈按鈕I1.3 4水溫控制變頻器頻率電流信號PQW306 5水溫模擬量輸入信號PIW290 5燒。本系統(tǒng)采用比例控制，即根據(jù)鼓風(fēng)量來控制爐排的轉(zhuǎn)速。 該回路的輸入/輸出信號地址分配如表3.3表3.3輸入/輸出信號地址分配表序號輸入信號名稱地址序號輸出信號名稱地址1鼓風(fēng)機(jī)變頻器啟動按鈕I0.4 1鼓風(fēng)機(jī)變頻器線圈Q4.2 2鼓風(fēng)機(jī)變頻器停止按鈕I0.5 2變頻器故障報(bào)警Q5.2 3變頻器報(bào)警信號I16.2 3控制變頻器頻率電流信號PQW30

40、8 4試燈按鈕I1.3 44、FC4(引風(fēng)機(jī)控制)FC4引風(fēng)機(jī)控制程序主要實(shí)現(xiàn)引風(fēng)電機(jī)的啟/?？刂?、變頻器頻率設(shè)定、PID控制等。爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)的任務(wù)是改變引風(fēng)量以維持爐膛壓力穩(wěn)定，一般維持爐膛負(fù)壓在-50100Pa的范圍內(nèi)。本系統(tǒng)的爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)采用單回路控制系統(tǒng)，控制回路則是根據(jù)爐膛負(fù)壓設(shè)定值和檢測的實(shí)際負(fù)壓差值進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以使?fàn)t膛負(fù)壓在供暖系統(tǒng)運(yùn)行過程中保持在設(shè)定值范圍內(nèi)。當(dāng)實(shí)際負(fù)壓產(chǎn)生變化時，裝置通過壓力檢測單元（傳感器）將測出的壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，送至PLC，經(jīng)過PID控制算法計(jì)算后由D/A單元輸出給變頻器。變頻器再通過輸出不同的電壓及頻率來控制引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從

41、而改變爐膛負(fù)壓，進(jìn)而達(dá)到使?fàn)t膛在微負(fù)壓狀態(tài)的目的。蒸汽鍋爐的爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)的框圖如圖3.5所示。圖3.5 爐膛負(fù)壓控制方塊圖該回路的輸入/輸出信號地址分配如表3.4 表3.4 輸入/輸出信號地址分配表序號輸入信號名稱地址序號輸出信號名稱地址1變頻器啟動按鈕I0.6 1變頻器線圈Q4.3 2引風(fēng)機(jī)變頻器停止按鈕I0.7 2變頻器故障報(bào)警Q5.3 3變頻器報(bào)警信號I16.3 3控制變頻器頻率電流信號PQW310 4試燈按鈕I1.3 4 5爐膛負(fù)壓模擬量PIW294 5結(jié) 論蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)集成了可編程控制技術(shù)和先進(jìn)控制算法。通過對鍋爐系統(tǒng)特性研究，制定了相應(yīng)的控制策略，并采用可靠高的PLC 控制平臺對蒸汽鍋爐進(jìn)行了比較有效的控制。1、本文所做工作(1) 本文完成了對鍋爐及管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、爐排電機(jī)和補(bǔ)水泵的