【導(dǎo)讀】必須使熱水鍋爐自動(dòng)運(yùn)行，從而需要設(shè)計(jì)一套適合要求的自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制、自動(dòng)報(bào)警、停機(jī)計(jì)時(shí)、自動(dòng)恢復(fù)等功能。整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)和PLC. 和執(zhí)行設(shè)備三大部分構(gòu)成。PLC實(shí)現(xiàn)的宏觀調(diào)控，而變頻器則執(zhí)行微觀。調(diào)控，兩者緊密結(jié)合，共同完成系統(tǒng)的變頻控制任務(wù)。方式中自動(dòng)化程度不高、能耗嚴(yán)重、可靠性低等缺點(diǎn)。測(cè)量溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，風(fēng)機(jī)，煤機(jī)同時(shí)停止，此時(shí)水溫。水泵在水溫超過(guò)另一設(shè)定點(diǎn)時(shí)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。燃煤熱水鍋爐控制系統(tǒng)中直流風(fēng)機(jī)、煤機(jī)及水泵的自動(dòng)控制，采用變頻，

　　

【正文】 變頻器內(nèi)部工作過(guò)程中發(fā)熱量高，在 、中型容量變頻 均為開(kāi)放式構(gòu)造并有風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻，而小容量變頻則多為封閉式結(jié)構(gòu)。如果工作環(huán)境蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 23 不好甚而惡劣，如粉塵，油霧多的環(huán)境均應(yīng)取有效的封閉措施。 2） U/F（電壓 /頻率）模式的利用 U/ F 模式表示電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的方式?？刂?U/F 模式可使 電機(jī)產(chǎn)生與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相適應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，高效利用電動(dòng)機(jī)。 3）電網(wǎng)與變頻器之間的切換使用問(wèn)題 如果將正在工頻電網(wǎng)運(yùn)行的電機(jī)切換到變頻器驅(qū)動(dòng)，必須有一個(gè)中間過(guò)程，電機(jī)完全停止后再由變頻 器驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)。但是對(duì) 于一些場(chǎng)合的設(shè)備，即使從電 網(wǎng)切 換出來(lái) ，也難 于很 快完全 停止， 這就應(yīng) 選用 具有這 樣功能的機(jī)種當(dāng) 電機(jī) 從電網(wǎng) 切換下 來(lái)以 后，使 電機(jī)首 先與變 頻器 達(dá)到同 步運(yùn)行狀態(tài)，然 后就 由變頻 器驅(qū)動(dòng) 了。 具有這 種功能 的機(jī)種 一般 在內(nèi)部 附加有具備上述功能的選用件。 變頻器在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的作用就是提高控制精度，達(dá)到節(jié)約能源的目的：又 根 據(jù)它 所拖動(dòng) 的電機(jī) 的功 率和其 他的一 些性能 指標(biāo) 。在本 設(shè)計(jì)中選用富士 公司生產(chǎn)的 FR540 型號(hào)的產(chǎn)品， 200V 級(jí) ( ~ 160kVA) 400V 級(jí) ( ~ 510kVA) 變頻調(diào)速 變頻調(diào)速是將電網(wǎng)交流電經(jīng)過(guò)變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的交流電 ，然后供給 電動(dòng) 機(jī)，使 其可在 變速 的情況 下運(yùn)行 。改變 電動(dòng) 機(jī)定子 頻率可以平滑地 調(diào)節(jié) 同步轉(zhuǎn) 速，相 應(yīng)地 也就改 變轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)速， 而轉(zhuǎn) 差率可 保持不變或很小 。但 對(duì)電動(dòng) 機(jī)來(lái)說(shuō) ，定 子頻率 改變后 ，其運(yùn) 行影 響，如 果電壓不變，頻率增加時(shí)，磁通減少 ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，嚴(yán) 重時(shí)會(huì)使電機(jī)堵轉(zhuǎn)；頻率減少 時(shí)， 磁通增 加，會(huì) 使磁 路飽和 ，勵(lì)磁 電流上 升， 導(dǎo)致鐵 芯損失急劇增加 而發(fā) 熱，是 不允許 的。 因此， 在實(shí)用 上，要 求調(diào) 頻的同 時(shí)，改變定子電壓，保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉(zhuǎn)矩不變。 實(shí) 現(xiàn) 調(diào) 頻 調(diào) 壓 的 電 路 有 兩 種 ： 交 直 交 變 頻 器 ， 交 交 變 頻 器 。 （ 1）交 —直 —交變頻器 它是由 三個(gè)環(huán) 節(jié)組 成：可 控硅整 流電 路，其 作用 是將電 壓， 頻率一定的交流 電路 變 成電 壓可調(diào) 的交 流電； 可控硅 逆變電 路， 其作用 是將整流電路輸 出的 直流電 變換為 頻率 可調(diào)的 交流電 ；濾波 環(huán)節(jié) ，它在 整流電路和逆變 電路 之間， 以般是 利用 無(wú)電源 電容或 電抗器 對(duì)對(duì) 整流后 的電壓或電流進(jìn)行濾波。 在交 —直 —交變頻器中，根據(jù)濾波 方式的不同，又有 電壓型變頻器和電流型變頻器。 近年來(lái) ，由于 電路 電子器 件和微 機(jī)控 制技術(shù) 的發(fā) 展，脈 沖寬 度調(diào)制蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 24 型（簡(jiǎn)稱 PWM）變頻器技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。 P WM 變頻器也有電壓型和電流 型兩 種，目 前以電 壓型 為主， 由不可 控整流 電路 ，濾波 電容及逆變電路組成。它不僅可改變逆 變器輸出電壓，而且 具有抑制諧波功能 ，是一種比較理想的方式。 （ 2）交 —交變頻器 它是由 兩組反 并聯(lián) 的整流 電路組 成， 直接將 電網(wǎng) 的交流 電通 過(guò)變頻電路同 時(shí)調(diào) 制電壓 和頻 率， 變成 電壓和 頻率 可調(diào) 的交流 電輸 出。 交 —交變頻器由 于直 接交換 ，減少 整流 電路， 減少損 耗，效 率高 ，波形 好，但調(diào)速范圍 小， 控制線 路復(fù)雜 ，功 率因數(shù) 低，目 前較少 采用 。變頻 技術(shù)對(duì)水泵電動(dòng) 機(jī)進(jìn) 行調(diào)速 ，以獲 得優(yōu) 良的運(yùn) 行特性 和明顯 的節(jié) 能效果 ，是目前常用的技術(shù)。 （ 3） 可控硅串級(jí)調(diào)速 它是把異步 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 子電勢(shì)經(jīng) 過(guò)整流 逆變 后回饋給 電網(wǎng)，回 收功率就是轉(zhuǎn)差 功率 ，當(dāng)改 變逆變 角時(shí) ，逆變 電勢(shì)， 轉(zhuǎn)差功 率， 轉(zhuǎn)差率 都將隨之改變 ，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 具體選型見(jiàn)表 二 、 斷路器的選型 各電機(jī) 電流計(jì)算： 15KW 風(fēng)機(jī) 的額定電流 AU PI 101533 ??? ????? ? 選用 DZ47100 型斷路器，脫扣器的額定電流 IN=45A I= 1A。 30KW 給煤機(jī)和水泵的額定電流 AU PI 103033 ??? ????? ? 選用 DZ47100 型斷路器，脫扣器的額定電流 IN=80A I= 3A。 斷 路 器 主要 是 在電 源 切 斷后 ,將線 路 與電 源 明顯 地 閣開(kāi) ,以保 障 檢 修人員的 安全 .熔斷 器式刀 開(kāi)關(guān) 和熔 斷器組 合而 成 ,故 兼有 兩者的 功能 ,即電源隔離和電路保護(hù)功能 ,可以分段一定的負(fù)載電流。 在設(shè)計(jì)中 , 根 據(jù) 設(shè) 計(jì) 的 電 壓 等 級(jí) 和 電 流 的 大 小 ,選擇了 斷路器 ,如表41 所示 。 三、熱繼電器的選型 在設(shè)計(jì)中 ，用熱 繼電器 對(duì)三相 異步電 動(dòng)機(jī)進(jìn) 行保護(hù) 。當(dāng)三 相交流電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期帶 負(fù)荷欠 電壓下 運(yùn)行，長(zhǎng) 期過(guò)載 運(yùn)行以及 長(zhǎng)期單 相運(yùn)行 等不正常蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 25 情況時(shí)，會(huì) 導(dǎo)致電 動(dòng)機(jī)繞 組嚴(yán)重過(guò) 熱乃至 燒壞，為 了充分 發(fā)揮電 動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，保證電動(dòng)機(jī)的正常起動(dòng) 和運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)一 旦出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載時(shí)，能自動(dòng)切斷 電路。 設(shè)計(jì)中 用熱繼電 器對(duì)三 相異步電 動(dòng)機(jī)進(jìn) 行過(guò)載 保護(hù)。熱繼電器利用 金屬 片 發(fā)熱彎 曲來(lái)控制 觸頭， 進(jìn)行切斷 電路而 保護(hù)電 動(dòng)機(jī)，主要用于電動(dòng) 機(jī)的過(guò) 載，斷 相及電流 不平衡 運(yùn)行等故 障的保 護(hù)，也 經(jīng)常用作其他電氣設(shè) 備及家 用電器 發(fā)熱狀態(tài) 的控制 。我國(guó)目 前生產(chǎn) 的熱繼 電器主要有 JR0、 JR JR JR1 J R1 JR16 等系列，按 熱元件的數(shù)量分為兩相結(jié)構(gòu)和三相 結(jié)構(gòu)， 選擇熱 繼電器時(shí) ：根據(jù) 電動(dòng)機(jī)的 額定電 流確定 熱繼電器的型號(hào)及熱 元件的 額定電 流等級(jí)。 對(duì)于星 形接法的 電動(dòng)機(jī) 及電源 對(duì)稱性較好的場(chǎng)合， 可選用 兩相結(jié) 構(gòu)的熱繼 電器； 對(duì)于三角 形接法 的電動(dòng) 機(jī)或電源對(duì)稱性不夠好的場(chǎng)合，應(yīng)選用三相結(jié)構(gòu)或三相結(jié)構(gòu)帶斷相保護(hù)的 熱繼電器。熱繼電器熱 元件的 額定電 流原則上 按被控 電動(dòng)機(jī)的 額定電 流選取 ，即熱元件額定電流應(yīng)接近或略大于電動(dòng)機(jī)的額定電流。本設(shè)計(jì)中選擇 JR 系列熱繼電器， 型號(hào)選擇如表 41 所示。 四、 交流接觸器的選型 在本設(shè)計(jì)中 ,需要用到頻繁 通斷電器設(shè)備來(lái)實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)的控制 .在 我們所學(xué)的器件中 ,接觸器是一種用于頻繁地接通或斷開(kāi)交直流主電路、大容量控制 電 路 等 大電 流 電 路的 自 動(dòng) 切換 電 器 .接 觸 器按 其 主 觸點(diǎn) 控 制 的電 路 中 電流種類(lèi)分類(lèi) ,有直流接觸器和交流接觸器。在本設(shè)計(jì)中選用交流接觸器，通過(guò)它的通斷來(lái)控 制水泵的啟停 。電感式接 觸器是利用 電 磁吸力的作 用使主觸頭閉合或分?jǐn)?電動(dòng)機(jī)電路或 其他負(fù)載電 路的控制電 器，用它可以 實(shí)現(xiàn)頻繁地遠(yuǎn)距離操作 它具有比工作 電流大數(shù)倍 乃至十幾倍 的接通和分?jǐn)?能力，但不能分?jǐn)喽搪?電流，由于它 體積小，價(jià) 格便宜和維 護(hù)方便，因而 用途十分廣泛，接觸器最主要的用途是控制電 動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，反轉(zhuǎn)，制動(dòng)和調(diào)速等，因此它是電力拖 動(dòng)控制系統(tǒng)中 最重要也是 最常用的控 制電器。接觸 器的型號(hào)如 表 41 所示。 五 、 軟啟動(dòng)器 在一些要求較高的場(chǎng)合，可選用軟啟動(dòng)裝置，它采用電子啟動(dòng)方法。其主要特點(diǎn)是：具有軟啟動(dòng)和軟停車(chē)功能，啟動(dòng)電 流 、啟動(dòng)轉(zhuǎn)距可 調(diào)節(jié)，另外還具有電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)等功能。 它主要由三相交流調(diào)壓電路和控制電路構(gòu)成。其基本原理是利用晶岬管的移相控制原理，通過(guò)控制晶嘏管的導(dǎo)通角，改變其輸出電壓，達(dá)到通過(guò)調(diào)壓方式來(lái)控制啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)距的目的?？刂齐娐钒搭A(yù)定的不同啟動(dòng)方式，通過(guò)檢測(cè)主電路的反饋電流，控制其輸出電壓，可以實(shí)現(xiàn)不同的啟動(dòng)特性。最終軟啟動(dòng)器輸出全壓，電動(dòng)機(jī)全壓運(yùn)行。 由于軟蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 26 啟動(dòng)器為電子調(diào)壓并對(duì)電流實(shí)時(shí)檢測(cè)，因此還具有對(duì)電動(dòng)機(jī)和軟啟動(dòng)器本身的熱保護(hù)、 限制轉(zhuǎn)距和電流沖擊、三相電源不平衡、缺相、斷相等保護(hù)功能，并可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)并顯示如電流、電 壓、功率因數(shù)等參數(shù)。 異步電動(dòng)機(jī)在軟啟動(dòng)過(guò)程中， 軟啟動(dòng)器通過(guò)控制加到電動(dòng)機(jī)上的電壓來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流和轉(zhuǎn)距，啟動(dòng)轉(zhuǎn)距逐漸增加，轉(zhuǎn)速也逐漸增加。一般軟啟動(dòng)器可以通過(guò)改變參數(shù)設(shè)定得到不同的啟動(dòng)特性，以滿足不同的負(fù)載特性要求。 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中， 水泵有兩臺(tái)是工頻運(yùn)行的。為了降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流 、降低配電容量、減少投資；延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)及相關(guān)設(shè)備的使用壽命，使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性提高。決定采取軟啟動(dòng)器來(lái)啟動(dòng)兩臺(tái)工頻運(yùn)行的水泵，目前，生產(chǎn)軟啟動(dòng)器的廠家很多，當(dāng)然生產(chǎn)的產(chǎn)品性能也是不一樣的，如：西門(mén)子生產(chǎn)的 3 R W 系列的產(chǎn)品一 般比較適 用于啟動(dòng)不是太頻繁的場(chǎng)合，施耐德公司生產(chǎn)的 ATS48 系列的產(chǎn)品一般用于大功率的電機(jī)。在本設(shè)計(jì)中，結(jié)合具體情況選取西普公司生產(chǎn)的 STR 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器。與前面的兩種產(chǎn)品相比，可靠性較高，且具有各種保護(hù)功能，適用于動(dòng)作頻繁或是動(dòng)作不頻繁的場(chǎng)合。 圖 軟啟動(dòng)器 PLC 的 選 型 與 端子 接線圖 設(shè)計(jì) 在上面的 講 述中多次提到控制器， 其實(shí) 也就是可 編 程 邏輯控 制器（ PLC），整 個(gè)供 暖 系 統(tǒng) 的控制由 P LC 來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 隨著 科 學(xué)技術(shù) 的 進(jìn) 步，PLC 的 種類(lèi) 繁 多，出 現(xiàn)了 各 種各 樣 的型 號(hào) ， 如：三菱、西 門(mén)子 、 奧 姆 龍?zhí)m州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 27 等許 多公 司生 產(chǎn) 的 產(chǎn) 品。 其實(shí) 要 實(shí)現(xiàn) 此次 設(shè)計(jì) 的 燃煤 鍋爐 自動(dòng) 控 制系 統(tǒng)的功能要 求， 很多公 司生 產(chǎn) 的 產(chǎn) 品都能 夠滿 足 要求。 以前 在教 學(xué) 中 學(xué)習(xí)的是三菱 公司 的 產(chǎn) 品型 號(hào) ， 對(duì) 三 菱有了 一定的 認(rèn)識(shí) 和 了解 ，掌握 了它的性能和使用方法，比 如說(shuō)語(yǔ) 句表的 編寫(xiě) 、梯形 圖 的 編 制以及 P LC 輸 入 輸出原理的方法等。 為 此 對(duì) P LC 有了初步的 認(rèn)識(shí) 和了解 。 為 了 擴(kuò) 展知 識(shí) 面，借 這次畢業(yè)設(shè)計(jì) 的 時(shí)間 和機(jī) 會(huì)學(xué)習(xí) 了 好幾種型 號(hào) 的 P LC。在 本 設(shè)計(jì) 中用到的 PLC 型 號(hào)是 根據(jù)控制系 統(tǒng) 的 功能要求和 P LC 的 性能分析比 較 而 選 出的。下面 來(lái)分 析 一下系 統(tǒng) 中 PLC 的功能和特 點(diǎn) ： PLC 選型 PLC在儀表控制方面的功能已經(jīng)不斷強(qiáng)化。用于回路調(diào)節(jié)和組態(tài)畫(huà)面的功能不斷完善，而且 PLC 的抗干擾的能力也非常強(qiáng)，對(duì)電源的質(zhì)量要求比較低。所以基于 PLC 在工業(yè)控制系統(tǒng)中的良好應(yīng)用，我們將西門(mén)子的 S7200PLC 用于了工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理為：從控制現(xiàn)場(chǎng)傳感器送來(lái)的 4~20 mA或 1~5 V的標(biāo)準(zhǔn) 信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊（電流變送器、輸入端安全柵等）送到現(xiàn)場(chǎng) 控制單元 (P LC)，經(jīng)過(guò)智能運(yùn) 算后形成控制信號(hào)，控制信號(hào)再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)模塊返送到 現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行單元（電磁閥或變頻器 ）。各個(gè)控制單元通過(guò) PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線相連，將需要監(jiān)控的信號(hào)送入上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。 S7200PLC是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的的一種小 型 PLC，其許多功能達(dá)到大 、 中型 P LC的水平 ，而價(jià)格卻和小型 P LC的一樣，因此，它一 經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是 S7200，由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網(wǎng)絡(luò)。同時(shí) 它具有功能齊全的編程和工業(yè)控 制組態(tài)軟件，使得在 完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)更加簡(jiǎn)單，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù) 。 SIMATICS7200系列是西門(mén)子公司前幾年剛剛投入市場(chǎng)的小型可編程序控制器 ，可以單機(jī)運(yùn)行，也可以進(jìn) 行輸入、輸出和功能模塊的 擴(kuò)展。S7200的 CP U模塊包括一 個(gè)中央處理單元、電源以及數(shù)字 IO點(diǎn)，這些 都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。 CP U負(fù) 責(zé)執(zhí)行程序，輸入部分從現(xiàn) 場(chǎng)設(shè)備中采集信號(hào)，輸出部分則輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 CPU226 它有 24輸入、 16輸出， IO共計(jì) 40點(diǎn)，和 CPU224相比增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大增強(qiáng)。它可用于點(diǎn)數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。 在本系 統(tǒng) 中的 P LC 是 整 個(gè) 控 制過(guò) 程中的核心部件。 當(dāng) 然對(duì) P LC 要求也是比 較 高的，首先 來(lái)分 析一下。在前 面已 經(jīng)介紹 了系 統(tǒng) 的 內(nèi) 容與要 求 ，還 有方案的確定，要 實(shí)現(xiàn) 系 統(tǒng) 的功能要求。本 次 設(shè)計(jì) 的 熱水 鍋爐 P LC 和蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 28 IPC 自動(dòng) 控制系 統(tǒng)中對(duì) 于