【文章內(nèi)容簡介】 工業(yè)現(xiàn)場。 PLC 專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計(jì)， 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要是由 CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入 /輸出接口電路等組成。 傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)是全速運(yùn)行，即不論生產(chǎn)工藝的需求量大小，該風(fēng)機(jī)都提供給固定數(shù)值的風(fēng)量，而生產(chǎn)工藝要求對爐膛壓力、風(fēng)速、風(fēng)量及溫度等指標(biāo)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)時(shí)，采用的方法是利用調(diào)節(jié)風(fēng)門的大小來調(diào)節(jié)風(fēng)量，這就使得能量在風(fēng)門節(jié)流中消耗很大。風(fēng)量愈小，能量浪費(fèi)愈大。并且，由于風(fēng)機(jī)長期在額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運(yùn)行 ，電動(dòng)機(jī)組軸承容易損壞，維修量和維修費(fèi)用較大。在本設(shè)計(jì)中采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)。 使用變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn) : 實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的平滑輪起動(dòng)、停止 ,降低起動(dòng)電流 ,減少機(jī)械沖擊給設(shè)備帶來的影響 ,提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性 、穩(wěn)定性 、安全性 ，對局部電網(wǎng)減少了沖擊 ,保證電力供應(yīng)的安全性 ；根據(jù)工藝要求的風(fēng)量 ，通過檢測元件 、調(diào)節(jié)器和變頻器 ,閉環(huán)控制風(fēng)機(jī)頻率 ， 實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速 ， 極大地滿足工藝 ，提高產(chǎn)品質(zhì)量； 不再使用風(fēng)門、旁通等調(diào)節(jié)設(shè)備 ， 使風(fēng)機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)上 ，使風(fēng)機(jī)效率達(dá)到理想狀態(tài)； 變速運(yùn)行下的風(fēng)機(jī)不僅降低 了噪音 ， ,同時(shí)減少了機(jī)械磨損 ， 延長了電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命 ， 降低 了維修成本和時(shí)間； 特別值得一提的是節(jié)能效果顯著。 系統(tǒng)功能 鍋爐是發(fā)電過程中必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，它所產(chǎn)生的高壓蒸汽既可以驅(qū)動(dòng)透瓶，又可以作為精餾、干燥、反應(yīng)、加熱等過程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷增大，作為動(dòng)力和熱源的鍋爐，也向著大容量、高參數(shù)、高效率的方向發(fā)展。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)又包含了很多小的子系統(tǒng)。鍋爐控制系統(tǒng)可以分為汽包水位控制系統(tǒng)和燃燒控制系統(tǒng)。其中燃燒控制系統(tǒng)在電廠鍋爐中是最主要的控制系統(tǒng)。燃燒控制系統(tǒng)又包括 :蒸汽壓力控制系統(tǒng)、 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)燃燒控制系統(tǒng)。維持汽包水位、蒸汽壓力和爐膛負(fù)壓在規(guī)定的范圍內(nèi)，各個(gè)子控制系統(tǒng)分別通過不同的測量、控制手段來保證經(jīng)濟(jì)燃燒和安全燃燒。 其中燃燒控制是保證經(jīng)濟(jì)燃燒和安全燃燒的一大關(guān)鍵問題，在鍋爐燃燒系統(tǒng)中，希望燃料與空氣成一定的比例，然而燃料的使用量取決于蒸汽量（負(fù)荷）的需要，通常用蒸汽的壓力來反映。當(dāng)蒸汽要求的量增加時(shí)，即使蒸汽的提取量增加時(shí)，蒸汽的壓力降低，燃料要增加，為了保證燃料的完全燃燒，應(yīng)先加大空氣量，后加大燃料量。反之在降低時(shí)，應(yīng)先降低燃料量后減少空氣量，以保證空氣的完全燃燒。 燃燒控制系統(tǒng)需要具有的功能： ；爐膛壓力為某一定值； 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 通過爐膛上的負(fù)壓變送器將爐膛壓力標(biāo)準(zhǔn)電信號送入引風(fēng)變頻器 PID 控制器的反饋通道 ,經(jīng)處理后與設(shè)定爐膛負(fù)壓力比較 ,經(jīng)過 PID 控制器產(chǎn)生運(yùn)算信號 ,此信號控制引風(fēng)變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速 ,使?fàn)t內(nèi)負(fù)壓穩(wěn)定在設(shè)定值 ,從而達(dá)到自動(dòng)跟蹤鼓風(fēng)保持爐膛負(fù)壓恒定目的。引風(fēng)電機(jī)速度隨著爐膛負(fù)壓值的變化而變化。即保證鍋爐燃燒部分的自動(dòng)運(yùn)行。 由于 傳統(tǒng) 鍋爐為非節(jié)能型燃燒方式，控制風(fēng)量靠人工操作風(fēng)道擋板，蒸汽壓力單靠人工控制燃燒不好。因此電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng) 量不能全部使用，采用擋板截流造成約 30%的電能損耗。使用變頻器可根據(jù)生產(chǎn)需求任意調(diào)整電機(jī)速度 ， 使輸出風(fēng)量可以調(diào)節(jié)，提高生產(chǎn)工效并且節(jié)能降耗。 ； 對拋煤機(jī)倒轉(zhuǎn)鏈條爐來說，燃燒自動(dòng)控制包括控制主蒸汽壓力和最佳的燃燒工況。通常根據(jù)主蒸汽壓力的變化控制給煤量并控制爐排轉(zhuǎn)速來控制煤在爐膛中的燃燒時(shí)間，當(dāng)給煤量變化時(shí)，要相應(yīng)地改變一次風(fēng)和二次風(fēng)，使不完全燃燒損失和排煙損失之和為最小，即鍋爐燃燒效率為最高。 氧化鎬可用來測量煙氣中含氧量。可由含氧量來判斷燃燒工況是否處于最佳狀態(tài)。另一種方 法為根據(jù)該爐實(shí)際燃燒的情況，找出煤量和風(fēng)量在不同負(fù)荷下的關(guān)系曲線，把它存在計(jì)算機(jī)中，按這一經(jīng)驗(yàn)曲線進(jìn)行燃燒自動(dòng)控制，當(dāng)煤種或運(yùn)行工況有較大變化時(shí)，可重新設(shè)置這一曲線。另外可按智能控制和專家控制的方法自動(dòng)尋找最佳的燃燒工況。 、床層溫度和床高； 通過調(diào)節(jié)返料風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制返料回灰量的大小。 調(diào)節(jié)裝有中溫過熱器的回料錐形閥，則用于調(diào)節(jié)鍋爐料床溫度，同時(shí)通過調(diào)節(jié)灰渣的排放量，來控制鍋爐料床的高度，滿足運(yùn)行的安全，經(jīng)濟(jì)性要求。 燃燒自動(dòng)控制 系統(tǒng)組成 根據(jù)系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)擬采用 PLC 作控制器， 熱電偶 溫度傳感器 、 差壓傳感器 、采集數(shù)據(jù)信息， 經(jīng)過 溫度變送、壓力變送器將信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號后，傳送給 PLC 處理機(jī)。 PLC 輸出信號給執(zhí)行器件，通過控制電磁閥的開度、和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，對整個(gè)燃燒過程進(jìn)行控制。 循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)包括：床溫控制、給煤量控制、床高控制、返料量控制、蒸汽溫度及壓力控制、通風(fēng)量控制。 循環(huán)流化床鍋爐 需要檢測的熱工參數(shù)： 1. 床溫 床溫 是指燃燒密相區(qū)內(nèi)流化物料的溫度。它是一個(gè)關(guān)系到鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 關(guān)鍵參數(shù)。 床溫 的測定一般采用不銹鋼套管熱電偶作一次元件，布置在距布風(fēng)板 200500mm 左右燃燒室密相層中，插入爐墻深度 1525mm，數(shù)量不得少于 2 只。在運(yùn)行過程中要加強(qiáng)對料層溫度監(jiān)視，一般將料層溫度控制在 850℃ 950℃ 之間，溫度過高，容易使流化床體結(jié)焦造成停爐事故；溫度太低易發(fā)生低溫結(jié)焦及滅火。必須嚴(yán)格控制料層溫度最高不能超過 970℃ ，最低不應(yīng)低于 800℃ 。在鍋爐運(yùn)行中，當(dāng)料層溫度發(fā)生變化時(shí)，可通過調(diào)節(jié)給煤量、一次風(fēng)量及送回燃燒室的返料量，調(diào)整料層溫度在控制范圍之內(nèi)。 2. 料層差壓 料層差壓是一個(gè)反映燃燒室 床高 的參數(shù)。通常將所測得的風(fēng)室與燃燒室上界面之間的壓力差值作為料層差壓的 監(jiān)測數(shù)值，在運(yùn)行都是通過監(jiān)視料層差壓值來得到 床高 大小的。 床高 越大，測得的差壓值亦越高。在鍋爐運(yùn)行中， 床高 會(huì)直接影響鍋爐的流化質(zhì)量，如 床高 過大，有可能引起流化不好造成爐膛結(jié)焦或滅火。一般來說，料層差壓應(yīng)控制在 70009000Pa 之間。 床高 (即料層差壓 )可以通過爐底放渣管排放底料的方法來調(diào)節(jié)。用戶在使用過程中，應(yīng)根據(jù)所燃用煤種設(shè)定一個(gè)料層差壓的上限和下限作為排放底料開始和終止的基準(zhǔn)點(diǎn)。 3. 返料量 控制返料量是循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行操作時(shí)不同于常規(guī)鍋爐之處，根據(jù)前面提到的循環(huán)流化床鍋爐燃燒及傳熱的特性，返 料量對循環(huán)流化床鍋爐的燃燒起著舉足輕重的作用，因?yàn)樵跔t膛里，返料灰實(shí)質(zhì)上是一種熱載體，它將燃燒室里的熱量帶到爐膛上部，使?fàn)t膛內(nèi)的溫度場分布均勻，并通過多種傳熱方式與水冷壁進(jìn)行換熱，因此有較高的傳熱系數(shù)， (其傳熱效率約為煤粉爐的 46 倍 )通過調(diào)整返料量可以控制料層溫度和爐膛差壓并進(jìn)一步調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷。 另一方面，返料量的多少與鍋爐分離裝置的分離效率有著直接的關(guān)系，也就是說，分離器的分離效率越高，分離出的煙氣中的灰量就越大，從而鍋爐對負(fù)荷的調(diào)節(jié)富裕量就越大，操作運(yùn)行相對就容易一些。 4. 風(fēng)量的調(diào)整 在鍋爐 運(yùn)行過程中，許多用戶往往只靠風(fēng)門開度的大小來調(diào)節(jié)風(fēng)量，但對于循環(huán)流化床鍋爐來說，其對風(fēng)量的控制就要求比較準(zhǔn)確。對風(fēng)量的調(diào)整原則是在一次風(fēng)量滿足流化的前提下，相應(yīng)地調(diào)整二次風(fēng)。因?yàn)橐淮物L(fēng)量的大小直接關(guān)系到流化質(zhì)量的好壞，循環(huán)流化床鍋爐在運(yùn)行前都要進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)，并作出在不同料層厚度 (料層差壓 )下的臨界流化風(fēng)量曲線，在運(yùn)行時(shí)以此作為風(fēng)量調(diào)整的下限，如果風(fēng)量低于此值，料層就可能流化不好，時(shí)間稍長就會(huì)發(fā)生結(jié)焦。對二次風(fēng)量的調(diào)整主要是依據(jù)煙氣中的含氧量多少，通常以過熱器后的氧量為準(zhǔn)，一般控制在 35%左右，如含氧量過高 ，說明風(fēng)量過大，會(huì)增加鍋爐的排煙熱損失；如過小 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 又會(huì)引起燃燒不完全，增加化學(xué)不完全燃燒損失和機(jī)械不完全燃燒損失。在運(yùn)行中還要結(jié)合所燃用煤質(zhì)及當(dāng)時(shí)負(fù)荷的情況，嚴(yán)格監(jiān)控料層差壓、溫度、爐膛差壓和返料溫度，通過不斷調(diào)整給煤量、風(fēng)量及返料量，使鍋爐達(dá)到最佳的運(yùn)行效果，最大限度的發(fā)揮循環(huán)流化床鍋爐優(yōu)點(diǎn)。 爐膛負(fù)壓是反映燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)，是運(yùn)行中要控制和監(jiān)視的重要參數(shù)之一。爐內(nèi)燃燒工況一旦發(fā)生變化，爐膛負(fù)壓隨即發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)鍋爐的燃燒系統(tǒng)發(fā)生故障或異常時(shí)，最先將在爐膛負(fù)壓上反映出來，而后才是火檢 、火焰等的變化，其次才是蒸汽參數(shù)的變化。因此，監(jiān)視和控制爐膛負(fù)壓對于保證爐內(nèi)燃燒工況的穩(wěn)定、分析爐內(nèi)燃燒工況、煙道運(yùn)行工況、分析某些事故的原因均有極其重要的意義。所謂爐膛負(fù)壓：即指爐膛頂部的煙氣壓力。 爐膛負(fù)壓太小，爐膛向外噴火和外泄漏高爐煤氣，危及設(shè)備與運(yùn)行人員的安全。負(fù)壓太大，爐膛漏風(fēng)量增加，排煙損失增加，引風(fēng)機(jī)電耗增加。 故應(yīng)保持爐膛負(fù)壓在正常范圍內(nèi)。 當(dāng)已知檢測信號的情況下，鍋爐的控制任務(wù)是 :在用戶蒸汽機(jī)需要的情況下，PLC 控制輸煤量、鼓風(fēng)量與引風(fēng)量， 達(dá)到 蒸汽壓力穩(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 。 圖 硬件原理圖 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 第 3章 PLC 型號及擴(kuò)展單元的選型 PLC 選型 PLC 的種類繁多，按 I/O 點(diǎn)數(shù)容量分類有小型機(jī)、中型機(jī)和大型機(jī)。典型的小型機(jī)有 SIEMENS公司的 S7200系列、 OMRON公司的 CPM2A系列、 MITSUBISHI公司的 FX 系列和 AB 公司的 SLC500 系列等整體式 PLC 產(chǎn)品。典型的中型機(jī)有SIEMENS 公司的 S7300 系列、 OMRON 公司的 C200H 系列、 AB 公司的 SLC500系列等模塊式 PLC 產(chǎn)品。典型的大型 PLC 有 SIEMENS 公司的 S7400 系列、OMRON 公司的 CVM1 和 CS1 系列、 Ab 公司的 SLC5/05 等系列產(chǎn)品。按結(jié)構(gòu)形式分可分為整體是結(jié)構(gòu)和模塊式結(jié)構(gòu)兩類。整體式結(jié)構(gòu)餓特點(diǎn)是將 PLC 的基本部件，如 CPU 板、輸入板、輸出板、電源板等緊湊地安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)殼內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)整體，組成 PLC 的一個(gè)基本單元（主機(jī)）或擴(kuò)展單元。基本單元上設(shè)有端口，通過擴(kuò)展電纜與擴(kuò)展單元相連，配有許多專用的特殊功能模塊，如模擬量輸入 /輸出模塊、熱電偶 、熱電阻模塊、通信模塊等，以構(gòu)成 PLC 不同的配置。整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 體積小，成本低，安裝方便。模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC 是由一些模塊單元構(gòu)成，這些標(biāo)準(zhǔn)模塊如 CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊和各種功能模塊等，將這些模塊插在框架上火基板上即可。各模塊的功能是獨(dú)立的，外型尺寸是統(tǒng)一的，可根據(jù)需要靈活配置。 整體式 PLC 每一個(gè) I/O 點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，在小型控制系統(tǒng)中一般采用整體式結(jié)構(gòu)。但是模塊式 PLC 的硬件組態(tài)方便靈活， I/O 點(diǎn)數(shù)的多少、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出死諳熟的比例、 I/O 模塊使用等方面的選擇余地都比整體式 PLC 大的多，維修時(shí)更換模塊、判斷故障范圍也方便，因此比較復(fù)雜的、要求比較高的系統(tǒng)一般采用模塊式 PLC。 根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求， PLC 的選型需要滿足以下條件： 1. 具有模擬量的采集、處理過程及開關(guān)量的輸入 /輸出功能； 2. 具有簡單回路控制算法。 一般的 PLC 廠商都提供具有模擬量采集、處理過程和開關(guān)量輸入 /輸出功能的不同型號和規(guī)格的產(chǎn)品，所以選擇的范圍很廣泛。 S7 系列 PLC 包括 S7200、 S7300 和 S7400 系列 PLC。 S7300 與 S7400 系列 PLC 有多種性能級別的 CPU，適用于很多工業(yè)控制，但是由于 S7200 系列應(yīng)用比較廣泛，編程也比較簡單，能被大多數(shù)人所接受，并且功能很完善，所以本系統(tǒng)采用 S7200 系列 PLC。 S7200 系列是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型 PLC，其許多功能達(dá)到大、中 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 型 PLC 水平，而價(jià)格卻和小型 PLC 一樣。 S7200 具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格以及強(qiáng)大的指令、豐富的 CPU 類型和電壓等級，使其可以近乎完美地滿足小規(guī)模的控制要求，解決用戶的工業(yè)自動(dòng)化問題 ,具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。 S7200PLC 的電源電壓有（ ~） VDC 和（ 85~264） VAC 兩種，主 機(jī)上還集成 24V 直流電壓，可以直接用于連接傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它的輸出類型有晶體管（ DC）、繼電器（ DC/AC）兩種輸出方式。它可以用普通輸入端子捕捉比CPU 周期更快的脈沖信號，實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)。 2 路最大可達(dá) 20kHz 的高頻脈沖輸出，可用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位任務(wù)?？梢杂媚K上的電位器來改變它對應(yīng)的特殊寄存器中的數(shù)值，可以實(shí)時(shí)更改程序運(yùn)行中的一些參數(shù)。 CPU 選型、 I/O分配及模塊擴(kuò)展 燃燒控制系統(tǒng)需要檢測的 參數(shù) 檢測量 輸入點(diǎn) 控制量 輸出點(diǎn) 床溫 2AI 鼓風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率 1AO 料層差 壓 1AI 引風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率 1AO 爐膛壓力 1AI 給煤電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率 1AO 出口氧氣含量 1AI 返料量電磁閥 1AO 根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)如果選用 CPU222 則輸出點(diǎn)數(shù)不滿足要求；如果選用 CPU226，CPU226 有 24 輸入 /10 輸出，比 CPU224 增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大加強(qiáng)，但是由于 I/O 點(diǎn)數(shù)剩余較多，價(jià)格很高，浪費(fèi)很大。參照西門