【文章內(nèi)容簡介】 的風量； eP 為風門開度為最大，且電機運行在額定轉(zhuǎn)速時的功率。 假設有一臺 lO ht 的熱水鍋爐 : 引風機 :55KW ，鼓風機 :22KW ，共 7KW 則由變頻調(diào)節(jié)與風門調(diào)節(jié)相比較可知 : 80%風量時每小時節(jié)能 ? ?? ? eee PP ???? = 60%風量時每小時節(jié)能 ? ?? ? eee PP ???? = 如果按全年運行 7000小時計算，其中 80%風量 運行 5000小時 :60%風量運行 2021小時，則全年節(jié)能 hKW ????? 2 2 5 4 5 由此可見，其節(jié)能效果非常顯著。 目前，變頻調(diào)速技術己逐漸為許多企業(yè)所認識和接受，隨著這項技術的不斷發(fā)展和完善，它必將得到更加廣泛的應用，也必將為認識和接 7 受它的企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。 第三章 鍋爐控制系統(tǒng)原理 引言 現(xiàn)有的供暖鍋爐由蒸汽鍋爐改造而成的常壓熱水鍋爐，常壓鍋爐使用安全，對原材料的要求比蒸汽鍋爐低，無需控制蒸汽壓力，控制精度要求相對要低。目前國內(nèi)外對蒸汽鍋爐控制的研究己經(jīng)比較成熟，鍋爐控制數(shù)學模型基本定型，而供暖鍋爐控制相對簡單，對其研究不夠重視。本文以火力發(fā)電廠蒸汽鍋爐的控制模型為 參考，提出供暖鍋爐的控制模型。供暖鍋爐控制系統(tǒng)屬于過程控制系統(tǒng)，其控制的目標是控制鍋爐燃燒過程中的出水溫度、回水溫度、出水壓力、回水壓力、爐膛負壓等參數(shù)，使鍋爐燃燒工況良好，保證設備運行安全，滿足用戶的供熱要求。 在供暖期間，系統(tǒng)根據(jù)室外溫度的變化分時段控制 鍋爐的出水溫度和系統(tǒng)回水溫度。在室外溫度較低的時段內(nèi)，出水溫度的設定值較低，在室外溫度較高的時段內(nèi)，出水溫度的設定值較高，進而調(diào)節(jié)出水供熱量。在某一時段內(nèi)，則通過調(diào)節(jié)熱水循環(huán)流量對出水供熱量進行微調(diào)。 鍋爐出水溫度的調(diào)節(jié)主要靠燃燒控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，而系統(tǒng)回 水溫度的調(diào)節(jié)主要靠熱水循環(huán)流量來調(diào)節(jié)，出水壓力和回水壓力的大小由循環(huán)泵和補水泵的狀態(tài)來決定。調(diào)節(jié)溫度和壓力等參數(shù)時，采用偏差控制和PID控制相結合的控制方式。偏差控制方式應用于系統(tǒng)的開關量輸出， PID控制方式應用于系統(tǒng)的模擬量輸出。 偏差控制方式 偏差控制是指當熱工參數(shù)實際采集值與用戶設定值之間存在偏差時，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)某些量來減小偏差，直至實際采集值等于用戶設定值為止。但這只是一種理想設計，在實際應用中，由于系統(tǒng)誤差的存在，實際采集值不可能等于用戶設定值。因此，引入“回差”的概念，即給 8 PID 被控對象 用戶設定值 一個可以接受的范圍，在此范圍內(nèi)都可認為達到系統(tǒng)設定值。例如鍋爐的出水溫度設定值為 0T ，溫控回差為 h，則當出水溫度 T滿足式(31)時即可。 hTThT ???? 00 (31) PID 控制方式 偏差控制只能輸出開關量信號，對于連續(xù)調(diào)節(jié)的設備，則需要過程控制系統(tǒng)中最常用的控制規(guī)律 PID控制方式 。 PID控制 ，即按偏差的比例 (P)、積分 (1)、微分 (D)控制，是控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實際運行的經(jīng)驗和理論的分析都表明，運用這種控制規(guī)律對許多工業(yè)過程進行控制時，都能得到滿意的結果。 PID調(diào)節(jié)器既能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性，又能加快過渡過程，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，是一種比較完善的調(diào)節(jié)規(guī)律，主要應用于溫度控制和壓力控制等過程控制系統(tǒng)中，以克服時間響應滯后，得到較好的控制指標。 ??tr + ??te ??tu ??ty 圖 31 PID控制系統(tǒng) PID控制器的基本形式 PID控制分兩種基本形式，即模擬 PID控制 器和數(shù)字 PID控制器。模擬PID控制器如圖 31所示，理想控制規(guī)律為 ? ? ? ? ? ? ? ??????? ??? ? dt tdeTdtteTteKtu DtP 011 （ 32） 其中， PK 為比例增益，與比例帶 ? 成倒數(shù)關系，即 ?1?PK， 1T 為積分時間常數(shù)， DT 為微分時間常數(shù)， ??tu 為控制量， ??te 為偏差。 比例控制能迅速反應誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除靜態(tài)誤差， PK 過大，可能會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作屏就不斷地積累 ，輸出控制量以消除靜態(tài)誤差，因而，只要有足夠的時間積分作用將能完全消除誤差，但調(diào)節(jié)動作緩慢；微分控制加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，減少調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。 9 在計算機控制系統(tǒng)中減少調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。 PID控制規(guī)律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當采樣周期足夠短時，用求和代替積分，使模擬 PID離散化變?yōu)椴罘址匠?，如式?33）所示。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????? ????? ?? T kekeTieTTkeKku DkiP 101 （ 33） 增量型的控制方程為 : ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?2121 1 ?????????? kekekeKkeKkekeKku DP （ 34） 其中 ?1?PK稱為比例增益； 11 TTKK P? 稱為積分系數(shù)； TTKK DPD ? 稱為微分系數(shù)。 以上是 PID控制的理論控制方程，但在實際應用中，要根據(jù)控制系統(tǒng)的特點，做適當?shù)母倪M。 PID控制器的改進 計算機控制是一種比較準確的控制方式，只要系統(tǒng)偏差存在且大于傳感器的精度范圍，計算機就不斷進行控制量增量的計算，并輸出相應的控制信號給執(zhí)行機構，改變執(zhí)行機構的狀態(tài)，這樣容易產(chǎn)生某些動作過于頻繁而引起振蕩。為避免 控制動作過于頻繁以消除振蕩，在實際工程應用中，通常在 PID控制系統(tǒng)中增加一個死區(qū)環(huán)節(jié)，相應的算式為 ? ? ? ?? ? ? ?? ,0,e k e kekpk ?? ??? 當當 （ 35） 其中 : ? 為人為設定的一個死區(qū)，是一個可調(diào)參數(shù)，其具體數(shù)值可根據(jù)實際控制對象由試驗確定。 ? 太小，使調(diào)節(jié)過于頻繁，達不 到穩(wěn)定控制量的目的； ?太大，則系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的滯后 。在鍋爐的燃燒控 制系統(tǒng)中，為避免 風機和爐排轉(zhuǎn)速頻繁地改變，可適當?shù)貫槌鏊疁囟仍O定一個死區(qū)，如， ?1℃。 在鍋爐控制系統(tǒng)中，當啟動 /停止電機或大 幅度改變溫度、壓力等設定值時，由于短時間內(nèi)產(chǎn)生很大的偏差，往往會產(chǎn)生嚴重的積分飽和現(xiàn)象，以致造成很大的超調(diào)和長時間的振蕩。為克服這個缺點，可采用積分分離的方法，即偏差 ??ke 較大時，取消積分作用 。當偏差 ??ke 較小時才將積分作用投入。亦即： 10 當 ? ? ??ke 時，采用 PD控制 : 當 ? ? ??ke 時，采用 PID控制。 積分分離閥值 ? 應根據(jù)具體對象及控制要求確定。例如出水溫度的控 制，可以選定 ? 為 5℃或 10℃等，依據(jù)控制精度要求而定。 綜上所述，鍋爐控制系統(tǒng)中燃燒控制和水泵控 制所采用的 PID控制方式，作出死區(qū)設定和積分分離兩項改進措施，以達到穩(wěn)定控制溫度和壓力等信號的目的。 經(jīng)驗湊試法整定 P舊參數(shù) PID控制器參數(shù)整定主要整定比例系數(shù) K,、積 分時間界和微分時間幾等參數(shù)。 增大比例系數(shù) PK 一般會加快系統(tǒng)的響應，在有靜差的情況下有利于消除靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變差。 增大積分時間常數(shù) T,相當于減小積分系數(shù)，積分作用減弱，有利于減小超調(diào)，減小振蕩，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之變慢。 增大微分時間常數(shù) DT 有利于加快系統(tǒng)響應，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應。 在湊試時， 可參考 3個參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行先比例，后積分，再微分的整定步驟。 (1)首先整定比例卻分。即將比例系數(shù) PK 由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直到反應快，超調(diào)小的響應曲線。如果系統(tǒng)沒有消除靜差或靜差己小到允許范圍內(nèi)，并且響應曲線已屬滿意，那么只須用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。 (2)如果在比例調(diào)節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足設計要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先置積分時間 T,為一較大值并將經(jīng)第夕步整定得到的比例系數(shù) K ，略為減小 (如縮小為原值的 )，然后減小積分時間，使在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)控制效果反復改變比例系數(shù) PK 與積分時間 T,，以期得到滿意的控制過程和整定參數(shù)。 (3)若使用比例積分調(diào)節(jié)器 (PI控制器 )消 除了靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構成完整的 PID控制器。在整 定時，可先置微分時間 DT 為零。在第二 步整定的基礎上，增大 DT ，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。 11 壓力調(diào)節(jié) PID 變頻器 管網(wǎng)系統(tǒng) 循環(huán)流量控制 鍋爐管網(wǎng)系統(tǒng)的一個任務是通過循環(huán)泵將出水缸內(nèi)的熱水輸送到用戶供熱管道，并回到回水缸 。循環(huán)流量控制 同樣采用偏差控制和 PID控制相結合的控制方式。偏差控制設定出水壓力范圍，當出水壓力實際值不在設定范圍內(nèi)時，調(diào)節(jié)流量，直到出水壓力達到要求為止。 PID控制在 偏差控制的基礎上對出水壓力進行微調(diào)，其原理如圖 33所示。循環(huán)泵系 統(tǒng)根據(jù)出水壓力的設定值與采集到 的出水 壓力的實時數(shù)據(jù)，通過 PID算法 將出水壓力值控制在設定值附近。其控制采用前述改進 PID控制算法與參 數(shù)整定方法。 設定值 出水壓力 圖 33循環(huán)流量 PID控制原理圖 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)。當鍋爐的負荷變化時，所有的被調(diào)量都會發(fā)生變化，而當改變?nèi)我徽{(diào)節(jié)量時，也會影響到其他被調(diào)量。 鍋爐燃燒過程自動控制的基本任務是使燃料燃燒所提 供的熱量適應負荷的需要，同時還要保證鍋爐安全經(jīng)濟運行。燃燒控制系統(tǒng)的任務主要有三點 : (1)穩(wěn)定鍋爐的出水溫度，始終保持在設定值附近。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。同時測量系統(tǒng)的回水溫度和爐膛溫度，若回水溫度過低則適當加大給煤量，反之則適當減少給煤量 。若爐膛溫度過高則適當減少給煤量，反之則適當加大給煤量。 (2)保證鍋爐燃燒過程的經(jīng)濟性。對于給定出水溫度的情況下，需要調(diào)節(jié)鼓風量與給煤量的比例，使鍋爐運行在最佳燃燒狀態(tài) 。開始運行時 ，可根據(jù)經(jīng)驗設定風煤比，使耗煤量與鼓風量成比例關系，同時根據(jù)出水溫度的變化對鼓風量進行前饋控制，然后通過測量煙氣含氧量，運用偏差控制調(diào)節(jié)風煤比，使燃煤充分燃燒。 12 (3)調(diào)節(jié)鼓風量與引風量，保持爐膛壓力在一定的負壓范圍內(nèi)。爐膛負壓的變化，反映了引風量與鼓風量的不相適應。如果爐膛負壓太小，爐膛容易想外噴火，危及設備與工作人員的安全。負壓過大，爐膛的漏風量增大，增加引風機的電耗和煙氣帶走的熱量損失。本系統(tǒng)中根據(jù)鼓風量的變化，對引風量進行前饋控制。根據(jù)經(jīng)驗設定爐膛負壓，并測量爐膛負壓，運行 PID算法控制 爐膛負壓保持在一定的范圍內(nèi)，從而調(diào)節(jié)引風量，確定引風機的轉(zhuǎn)速。 第四章 鍋爐控制系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)功能分析 本系統(tǒng)供暖鍋爐自動控制系統(tǒng)，主要由進口變頻器、可編程控制器、壓力變 送器、 溫度變 送器 和泵房 機組以 及電 氣控制 柜等 組成。 根據(jù)設 計要求，系統(tǒng)具有以下功能： (1)手動 /自動控制 電動機起?？刂埔缶哂凶詣雍褪謩觾煞N功能。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)泵和補水泵實現(xiàn)控制。工作泵出現(xiàn)故障后自動切換到備用泵。 (2)過溫超過報警 按要求，鍋爐控制系統(tǒng)必須包含超溫超壓報警功 能，當系統(tǒng)中的溫度、壓力等信號超過上下限時，必須提示報警信息，對某些重要參數(shù)，還設置了報警聯(lián)動功能，即超限時停爐或停泵處理。 (3)監(jiān)控設計 根據(jù)用戶需求，人機界面及故障報警功能，計算機還可以產(chǎn)生相應的各種參數(shù)報表，供隨時查詢和打印參數(shù)變化實時趨勢圖和歷史趨勢圖、報警記錄和數(shù)據(jù)記錄報表等。 (4)系統(tǒng)性能指標 ①出水溫度要求 80℃ ②回水溫度要求 40℃ ③出口壓力為 50Pa 13 系統(tǒng)方案設計 總 體 設 計思路 本文針對供暖鍋爐自動控制系統(tǒng)，設計一套基于變頻調(diào)速技術的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)。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(zhuǎn)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?？刂葡到y(tǒng)以兩臺工業(yè)控制機作為上位機，以西門子 S7300可編程控制器為下位機。上位機采用高可靠性的工業(yè)控制計算機，通過監(jiān)控軟件完成人機界面及故障報警功能，下位機采用西門子公司 S7300可編程控制器，實現(xiàn)鍋爐燃燒 系統(tǒng)和管網(wǎng)系統(tǒng)的自動控制 ，控制水平和硬件可靠性大大提高。 系統(tǒng)結構 本系統(tǒng)屬于熱水鍋