【正文】 ................................................................................................ 53 成果的創(chuàng)造性和先進性 ..................................................................................... 53 作用意義（經(jīng)濟效益和社會意義） ..................................................................... 53 推廣應用范圍和前景 ......................................................................................... 53 需要進一步改進之處 ......................................................................................... 54 參考文獻 ...................................................................................................................... 55 外文資料翻譯 .............................................................................................................. 56 外文翻譯原文 .......................................................................................................... 56 外文翻譯譯文 .......................................................................................................... 68 致謝 .............................................................................................................................. 75 附錄 .............................................................................................................................. 76 附錄 1 程序清單 ................................................................................................... 76 附錄 2 I/O 點數(shù)分配表 .......................................................................................... 96 附錄 3 物理參數(shù)比較表 ........................................................................................... 97 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 4 第 1章 概 述 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備。雖然近年來，電熱采暖、地熱采暖悄然進入尋常百姓家，但以水暖鍋爐進行采暖仍是我國最為普遍使用的冬季采暖方式。 工業(yè)鍋爐生產(chǎn)效率會受到諸多因素的影響。實際表明，應用于 20~30 噸 /時中壓鍋爐的 DMC 一 50系列微機控制系統(tǒng)，經(jīng)實測節(jié)煤率達 5%以上。 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 5 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三、四十年代就開始了，當時大都為單參數(shù)儀表控制，進入上世紀五十年代后，美國、前蘇聯(lián)等國家都開始進行對鍋爐的操作和控制的進一步研究。尤其是近一、二十年來，隨著先進控制理論和計算機技術的飛速發(fā)展，加之計算機各種性能的不斷增強，價格的大幅度下降，使鍋爐應用計算機控制很快得到了普及和應用。 80 年代中后期，隨著先進的控制技術引入我國的鍋爐控制，鍋爐的計算機控制得到了很大的發(fā)展。近幾年變頻技術在我國的應用領域越來越廣，在鍋爐控制方面也有應用， 主要有三種形式，①全自動變頻定壓；②鍋爐鼓、引風機變頻控制；③ 循環(huán)泵變頻控制，對系統(tǒng)進行質(zhì)調(diào)節(jié)。這些智能采集設備與生產(chǎn)過程和事務管理的設備或儀表相結合，實時感知設備中各種參數(shù)的狀態(tài)，并將這些狀態(tài)信號轉換成數(shù)字信號，通過特定的數(shù)字通信網(wǎng)絡傳遞到 HMI系統(tǒng)中；必要的時候，這些智能系統(tǒng)也可以向設備發(fā)送控 制信號。SCADA系統(tǒng)所涉及到的技術比較廣泛，有儀表技術、檢測技術、通訊技術、網(wǎng)絡技術等。必須對現(xiàn)有系統(tǒng)的控制和管理進行改造和完善，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。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) 通信能力兩大優(yōu)點的 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)是自動化領域的重要系統(tǒng)之一， SCADA系統(tǒng)可實現(xiàn)多點測量，且測控精度高，測控速度快，采用此種系統(tǒng)對整個供暖過程進行監(jiān)控既可以保證生產(chǎn)過程運行的安全可靠，節(jié)約能源，又可大大減輕人工的勞動強度。在歐美和日本等發(fā)達國家，石油和天然氣已成為第一能源，占能源消費的 60%左右，燃油和燃氣鍋爐已逐步取代燃煤鍋爐，對風機和水泵等電機的變頻控制已相當成熟。 ，鍋爐控制器一旦出現(xiàn)故障，只能采取系統(tǒng)斷電處理，進行人工操作。鍋爐燃蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 8 燒控制系統(tǒng)采用 PLC 和變頻器，實現(xiàn)鍋爐燃燒節(jié)能的優(yōu)化控制。本文提出對鍋爐供暖系統(tǒng)中的風機和水泵等通過變頻器來調(diào)節(jié)點擊的轉速，節(jié)省了大量的電能。本文討論了鍋爐控制系統(tǒng)的設計目標、功能分析和控制方案。 上位機監(jiān)控組態(tài)軟件設計。隨著工業(yè)的發(fā)展，及居民生活區(qū)的集中，熱力供應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行過程更加嚴格要求。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?？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。鍋爐供暖系統(tǒng)中的風機和水泵通過變頻器 來調(diào)節(jié)電機的轉速，通過工控機和可編程控制器對鍋爐 系統(tǒng)中的鼓風機、引風機、爐排電機、循環(huán)水泵實現(xiàn)控制。同時使用 S7200進行系統(tǒng)設計會增加設計難度，因此本設計選 用 S7300 PLC 為核心的 CPU 來進行系統(tǒng)的設計。在燃燒室中燃燒的空氣由爐排下的風機供給。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。 鍋爐是個較復雜的調(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)必須加以嚴格控制。變頻調(diào)速技術的基本原理是根據(jù)電機轉速與工作電源輸入頻率成正比關系。 變頻調(diào)速在供暖鍋爐中的應用 由于變頻調(diào)速可以實現(xiàn)電機無極調(diào)速，具有異步電機調(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)中得到廣泛的應用。這 樣，不論生產(chǎn)需求的大小，風機都會全速運轉，而運行工況的變化則使得 能量以及風門、擋板的節(jié)流損失 消耗掉。這樣，不僅造成大量的能源浪費，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，嚴重時損壞設備而影響生產(chǎn)。 變頻調(diào)速節(jié)能分析 變頻調(diào)速應用于 鍋爐系統(tǒng)的風機和水泵等電機的自動控制中，其節(jié)能效果明顯。 F? 風機效率。 339。當風機量減少至 50%時，風機的軸功率下降至原值的 %。降低風機的轉速，可大大降低風機的軸功率，圖 32為風機調(diào)速節(jié)能原理圖。 表 調(diào)節(jié)風門擋板、變頻調(diào)速的耗能分析表 風量（ %） 軸功率 kw(標牌 ) 出口擋板（ kw） 入口擋板（ kw） 變頻、串級（ kw） 電機輸入 總損失 電機輸入 總損失 電 機 輸入 總損失 100 1 90 80 70 60 50 30 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。調(diào)速可以節(jié)能，但節(jié)能的多少，需視調(diào)速系統(tǒng)的運行工況、運行時間 (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。對于風機，在絕大多數(shù)情況下，其運行時的基本特性接近理論值 。變頻調(diào)速比其它調(diào)速方蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 17 法具有高效性，它能實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速比一般可達 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、一機多控、節(jié)能效率高、收回投資快等特點。 S用戶的阻力特性系數(shù)， h2/m5 Q用戶的供熱量， w ? 循環(huán)水的密度， kg/m3 CP水的比熱， J/kg . ℃ t? 供回水溫差，℃。初調(diào)后，待系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，再進行讀數(shù)記錄、計算和調(diào)節(jié)，這樣反復進行，直到滿足要求為止。因此，在確定運行參數(shù)時，要考慮散熱器的相對面積及系統(tǒng)的相對流量值。39。 39。 39。 （ 3）累計熱量計算 根據(jù)熱力學基本原理，在某一時間內(nèi)，鍋爐的總供熱量為 : 21 ()P g hQ C V t t dt?? ? ? ? ?? ? （ ） 式中 : t 累計時間， S。 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雜系統(tǒng)。出水溫度的設定值與室外溫度以及消耗 熱量（負荷）的變化相關，以出水溫度為信號，改變?nèi)济毫亢惋L煤比，達 到出水溫度與設定值一致。 （ 3）調(diào)節(jié)鼓風量和引風量，保持爐膛壓力在一定的負壓范圍內(nèi)。本系統(tǒng)中根據(jù)鼓風量的變化，對引風量進行前饋控制。 (2)控制設備落后，通過擋風板對鼓風量和引風量進行控制，大量的能源浪費在擋風板上，能源浪費嚴重。故需要設計新的控制系統(tǒng)以達到降低能耗，改善環(huán)境污染，減小操作人員的勞動強度和提高經(jīng)濟效益的目的。在用戶供暖需要的情況下， S7300 PLC 控制給水 閥、輸煤量、鼓風量與引風量，使保持鍋爐的出水溫度穩(wěn)定，爐膛負壓穩(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。圖 34為鍋爐房供暖系統(tǒng)監(jiān)測示意圖。鍋爐生產(chǎn)過程由鍋爐本體和爐排電機、鼓風機、引風機及其變頻器等輔機組成，輔機的運行就由 PLC 控制，從而實現(xiàn)對鍋爐生產(chǎn)過程的設計。 本設計中所用模糊自整定 PID 控制算法，通過對西門子公司的 S7300PLC處理器編程來實現(xiàn)，采集誤差信號和誤差變化量信號，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)校正量與基準量相加，獲得 PID 參數(shù)的即時值，最后進行 PID 運算計算得到控制對象執(zhí)行器。在整個系統(tǒng)運行時，上位機完成蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 22 參數(shù)設定和狀態(tài)監(jiān)控， PLC 負責實時控制程序的運行。感器壽命極長。其它附件包括 1 個操作臺， 1 個配電柜、 2個控制柜等。操作臺采用儀表控制系統(tǒng)，必要時進行兩種運行方式的相互切換，以便在不同鍋爐控制需要間切換。事故保護 :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。啟?？刂?:鍋爐采用煤粉燃燒。重新啟動的過程則是開啟引風機，慢慢開大鼓風機，隨爐溫升高慢慢加大爐排進行速度。 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 25 第 4章 軟件設計 S7300/400屬于模塊式 PLC，主要由機架、 CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設備等組成。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， FC或 SFC)。循環(huán)時間 (CycleTime)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。計數(shù)器的技術范圍為 1999，定時器的定時范圍為 10ms9990ms。從 IB256 開始，給每一個模擬量模塊分配 8 個字。 LED SF（系統(tǒng)出錯 /故障顯示，紅色）： CPU 硬件故障或軟件錯誤時亮。 （停止）位置：不執(zhí)行用戶程序，可以讀出和修改用戶程序。放開開關，使它回到 STOP 位置，然后又回到 MRE