【正文】 主要燃料，耗煤量接近全國煤產(chǎn)量的三分之一，燃用的主要是中、低質(zhì)煤，工業(yè)污染十分嚴重，而且鍋爐設(shè)備陳舊，生產(chǎn)效率和自動化程度低，進一步加重了環(huán)境污染的程度。因此 ，采用鍋爐的計算機控制和變頻控制不僅可大大節(jié)約能源，促進環(huán)保而且可以提高生產(chǎn)自動化水平，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。鍋爐的計算機控制使鍋爐始終處于最佳工作狀態(tài)，提高了鍋爐的運行效率和燃煤的燃燒效果，不僅節(jié)約燃煤，也減少了煙塵和有害氣體的排放，具有較好的環(huán)保效果。用變頻器啟動風(fēng)機、水泵等電動機，由于變頻器內(nèi)部具有矢量轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，保證了電機良好的啟動性能，實現(xiàn)電機軟啟動，有效地限制了電機的啟動電流，明顯降低電機啟動噪聲。系統(tǒng)通過變頻器控制電動機的啟動、運行和調(diào)速。本設(shè)計是供暖鍋爐自動控制系統(tǒng)，設(shè)計了一套基于PLC和變頻調(diào)速技術(shù)的供暖鍋爐控制系統(tǒng)。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。據(jù)統(tǒng)計，我國目前擁有工業(yè)鍋爐50萬臺，每年消耗的燃煤占全國原煤產(chǎn)量的三分之一，約4億噸。鍋爐是消耗能源、產(chǎn)生大氣污染、事關(guān)生產(chǎn)與生活和安全的重要設(shè)備，它在國民經(jīng)濟整個能源消耗中占有相當大的比重。在供暖系統(tǒng)中，鍋爐房供暖所占比例很大，鍋爐供暖占84%，熱力供暖占12%，其他供暖占4%。鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計與研究畢業(yè)論文目錄摘要 IAbstract II目錄 III第一章緒論 1 項目背景及課題的研究意義 1 供暖鍋爐控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 本文所做工作 3第二章 變頻調(diào)速在供暖鍋爐控制中的應(yīng)用 4 4 4 5第三章 鍋爐控制系統(tǒng)原理 7 7 7 PID控制方式 8 10 11第四章 鍋爐控制系統(tǒng)總體設(shè)計 12 12 12 12 13 14第五章 鍋爐控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 16 16 17 20 PLC的選型 20 25 25 28 28第六章系統(tǒng)軟件的設(shè)計 29 S7300系列PLC簡介 29 S7300編程方式簡介 29 S7300 PLC的存儲區(qū) 30 31 PLC控制流程圖 32 PLC控制程序 36第七章 監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計 38 38 39 39 39 41 42 44結(jié)論 46參考文獻 47附錄1 48附錄2 49外文文獻翻譯 53致謝 8378第一章緒論 項目背景及課題的研究意義隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，我國北方地區(qū)冬季城市集中供暖成為城市現(xiàn)代化必然采取的步驟。而供暖面積的不斷擴大，使如何科學(xué)有效地控制和管理供暖系統(tǒng)，提高供暖的經(jīng)濟效益和社會效益，成為急需解決的重要課題。在今后相當長的時間內(nèi)，集中熱力供暖是發(fā)展趨勢，但無法取代鍋爐供暖的主流地位。目前我國供暖鍋爐以燃煤鏈條鍋爐為主，燃用的主要是中、低質(zhì)煤，而且鍋爐房管理水平不高，一直沿用間斷運行方式，鍋爐技術(shù)含量低，鍋爐的自動化控制技術(shù)落后，造成了嚴重的能源浪費和環(huán)境污染。鍋爐每年排放煙塵約620萬噸，約510萬噸，此外還有大量的N02等有害氣體，成為我國大氣煤煙型污染的主要來源之一，尤其是燃煤排放的CO，氣體所引起的溫室效應(yīng)，早己引起國際關(guān)注。其中泵房機組包括：1引風(fēng)機為90 kw，變頻啟動和調(diào)速；2鼓風(fēng)機37kw，變頻啟動和調(diào)速；4循環(huán)水電機為75 kw，變頻啟動和調(diào)速；其余電動機10臺，均為直接啟動，功率為5kw，工頻運行。該控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、壓力變送器、溫度變送器和泵房組、工控機以及電氣控制柜等構(gòu)成。由于供暖鍋爐系統(tǒng)中的風(fēng)機、水泵負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，采用交流變頻調(diào)速控制風(fēng)機、水泵流量代替?zhèn)鹘y(tǒng)閥門、擋板控制流量，可以大大節(jié)省該類負載的驅(qū)動電機的耗電量，.達到節(jié)能的目的，如果普遍采用交流變頻調(diào)速，平均節(jié)電率在30%左右。同時，電機的軟啟動避免了頻繁的工頻啟動對風(fēng)機、水泵等大電機的沖擊，有效地保護設(shè)備，延長設(shè)備使用壽命。同時，計算機控制系統(tǒng)通過各種傳感器檢測鍋爐溫度、壓力、流量等參數(shù)，傳送至微機和儀表盤，并實現(xiàn)溫度和壓力等參數(shù)的自動控制，工人在計算機控制室就可以全面了解鍋爐房各部分的運行情況，大大改善了工人的工作條件，提高了自動化程度和管理水平。 供暖鍋爐控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀當前，節(jié)能與環(huán)保已成為人類社會面臨的兩大課題。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，燃油和燃氣鍋爐的已逐步取代燃煤鍋爐，對風(fēng)機和水泵等電機的變頻控制已相當成熟自20世紀90年代以來，隨著超大型可編程控制器的出現(xiàn)和模糊控制、自適應(yīng)控制等智能控制算法的發(fā)展以及智能控制器的應(yīng)用，鍋爐控制水平大大提高，已實現(xiàn)優(yōu)化控制國內(nèi)對鍋爐控制的研究起步較晚，始于80年代初期。不能對它們精確連續(xù)調(diào)節(jié)，使控制手段單，控制精度低。若鍋爐系統(tǒng)中的傳感器、變送器等設(shè)備出現(xiàn)故障時，溫度、壓力等參數(shù)就無法達到設(shè)定值。 本文所做工作針對目前供暖鍋爐控制的現(xiàn)狀，本文主要做了以下工作: 提出系統(tǒng)控制方案。本文提出對鍋爐供暖系統(tǒng)中的風(fēng)機和水泵等通過變頻器來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，節(jié)省了大量的電能。鍵技術(shù)，本系統(tǒng)的主要設(shè)計任務(wù)是鍋爐系統(tǒng)的變頻改造，因此本文詳述變頻調(diào)速技術(shù)在鍋爐控制中的應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)是關(guān)，并分析變頻調(diào)速應(yīng)用在鍋爐供暖系統(tǒng)帶來的節(jié)能效果。 闡述供暖鍋爐控制的控制原理，提出供暖鍋爐系統(tǒng)的控制模型。 鍋爐控制系統(tǒng)的總體設(shè)計。并詳細介紹了整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和通訊配置口。本文首先根據(jù)系統(tǒng)控制要求確定PLC的選型以及模塊的選擇。設(shè)計PLC控制程序，給出主程序、基礎(chǔ)功能塊和各子程序的設(shè)計流程圖和部分梯形圖程序。上位機監(jiān)控系統(tǒng)完成對整個系統(tǒng)的監(jiān)控管理，根據(jù)用戶提出的要求完成了操作界面及控制程序、實現(xiàn)超溫超壓報警聯(lián)動、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。變頻調(diào)速器作為該技術(shù)的主要應(yīng)用產(chǎn)品經(jīng)過幾代技術(shù)更新，己日趨完善，能夠適應(yīng)較為惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，且能提供較為完善的控制功能，能滿足各種生產(chǎn)設(shè)備異步電動機調(diào)速的要求。為電動機工作電源頻率。為電機磁極對數(shù)。變頻器就是基于上述原理采用交一直一交電源變換技術(shù)，集電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。變頻調(diào)速在供熱鍋爐系統(tǒng)中主要應(yīng)用在風(fēng)機調(diào)速和水泵調(diào)速。而最常用的控制手段則是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來調(diào)整受控對象。在生產(chǎn)過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設(shè)備損耗。在供暖鍋爐系統(tǒng)中帶有循環(huán)泵、補水泵等水泵類設(shè)備，根據(jù)不同的生產(chǎn)需求往往采用調(diào)整閥、回流閥、截止閥等節(jié)流設(shè)備進行流量、壓力、水位等信號的控制。目前，風(fēng)機、泵類設(shè)備多數(shù)采用異步電動機直接驅(qū)動的方式運行，存在啟動電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點。近年來，出于節(jié)能的迫切需要和對供暖質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻調(diào)速器〔簡稱變頻器)易操作、免維護、控制精度高，并可以實現(xiàn)高功能化等特點，因而采用變頻器驅(qū)動的方案開始逐步取代風(fēng)門、擋板、閥門的控制方案。它的優(yōu)點是:調(diào)速的機械特性好，調(diào)速范圍廣，調(diào)整特性曲線平滑，可以實現(xiàn)連續(xù)、平穩(wěn)的調(diào)速，尤其當它應(yīng)用于風(fēng)機、水泵等大容量負載時，可獲得顯著的節(jié)能效果。本節(jié)將以風(fēng)機節(jié)能為例，詳細分析其節(jié)能效果。由流體力學(xué)的基本定律可知:風(fēng)機、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速與流量，壓力以及軸功率具有如下關(guān)系: 即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。其中，曲線1是風(fēng)機在額定轉(zhuǎn)速下的曲線，曲線2是風(fēng)機在某一較低速度下的曲線，曲線3是風(fēng)門開度最大時的曲線，曲線4是風(fēng)機在某一較小開度下的曲線可以看出當實阮工況風(fēng)量由下降到時，如果在風(fēng)機以額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的條件調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，則工況點沿曲線1由點移到點。顯然，點與點的風(fēng)量相同，但點的壓力要比點壓力小得多。 壓力 4 功率 3 2 1 6 5 0 風(fēng)量 0 風(fēng)量圖21變頻調(diào)速在風(fēng)機中的節(jié)能分析曲線5為變頻控制方式下的曲線，曲線6為風(fēng)門調(diào)節(jié)方式下的曲線。假設(shè)有一臺lO的熱水鍋爐:引風(fēng)機:55，鼓風(fēng)機:22，共7 則由變頻調(diào)節(jié)與風(fēng)門調(diào)節(jié)相比較可知:80%風(fēng)量時每小時節(jié)能=60%風(fēng)量時每小時節(jié)能=如果按全年運行7000小時計算，其中80%風(fēng)量運行5000小時:60%風(fēng)量運行2000小時，則全年節(jié)能由此可見，其節(jié)能效果非常顯著。第三章 鍋爐控制系統(tǒng)原理現(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。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。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)。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(jié)合的控制方式。 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(shè)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(shè)定值為止。因此，引入“回差”的概念，即給用戶設(shè)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(shè)定值。 (31) PID控制方式偏差控制只能輸出開關(guān)量信號，對于連續(xù)調(diào)節(jié)的設(shè)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。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(jié)果。 PID被控對象 + 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。比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除靜態(tài)誤差，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(yīng)速度，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。 （33）增量型的控制方程為: （34）其中稱為比例增益；稱為積分系數(shù)；稱為微分系數(shù)。 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(yīng)的控制信號給執(zhí)行機構(gòu)，改變執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)，這樣容易產(chǎn)生某些動作過于頻繁而引起振蕩。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(shè)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。當偏差較小時才將積分作用投入。積分分離閥值應(yīng)根據(jù)具體對象及控制要求確定。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(shè)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。增大比例系數(shù)一般會加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于消除靜差。增大積分時間常數(shù),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。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。即將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。(2)如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。在此過程中，可根據(jù)控制效果反復(fù)改變比例系數(shù)與積分時間,，以期得到滿意的控制過程和整定參數(shù)。在整定時，可先置微分時間為零。鍋爐管網(wǎng)系統(tǒng)的一個任務(wù)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。偏差控制設(shè)定出水壓力范圍，當出水壓力實際值不在設(shè)定范圍內(nèi)時，調(diào)節(jié)流量，直到出水壓力達到要求為止。循環(huán)泵系統(tǒng)根據(jù)出水壓力的設(shè)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(shè)定值附近。壓力調(diào)節(jié)PID變頻器管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)定值 出水壓力圖33循環(huán)流量PID控制原理圖供暖鍋爐燃燒系統(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(fù)雜系統(tǒng)。鍋爐燃燒過程自動控制的基本任務(wù)是使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)負荷的需要，同時還要保證鍋爐安全經(jīng)濟運行。出水溫度的設(shè)定值與室外溫度以及消耗熱量(負荷)的變化相關(guān)，以出水溫度為信號，改變?nèi)济毫亢惋L(fēng)煤比，達到出水溫度與設(shè)定值一致。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。對于給定出水溫度的情況下，需要調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量與給煤量的比例，使鍋爐運行在最佳燃燒狀態(tài)。(3)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量與引風(fēng)量，保持爐膛壓力在一定的負壓范圍內(nèi)。如果爐膛負壓太小，爐膛容易想外噴火，危及設(shè)備與工作人員的安全。本系統(tǒng)中根據(jù)鼓風(fēng)量的變化，對引風(fēng)量進行前饋控制。第四章 鍋爐控制系統(tǒng)總體設(shè)計本系統(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。通過工控機和可編程控制器對鍋爐系統(tǒng)中的鼓風(fēng)機、引風(fēng)機、爐排電機、循環(huán)泵和補水泵實現(xiàn)控制。(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