【正文】 ...................................................................................... 56 外文翻譯譯文 .......................................................................................................... 68 致謝 ................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。水暖鍋爐在我國(guó)已有近百年的歷史，在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，我國(guó)水暖鍋爐控制一直都是人工手動(dòng)控制。而對(duì)新型采暖設(shè)備的需求量也呈全面迅猛增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。 工業(yè)鍋爐能耗巨大，每年的耗煤量超過(guò)上億噸，占我國(guó)原煤產(chǎn)量的三分之一，提高其生產(chǎn)效率不僅具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還有重要的環(huán)保意義。據(jù)有關(guān)資料顯示，世界 85%的人口正陸續(xù) 進(jìn)入工業(yè)化階段，全球性的人口、資源、環(huán)境矛盾尖銳，使我國(guó)的現(xiàn)代化面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，即使國(guó)際市場(chǎng)能夠彌補(bǔ)中國(guó)資源的不足，生態(tài)和環(huán)境破壞的沉重代價(jià)也難以承受。爐體本身的生產(chǎn)狀況是影響鍋爐產(chǎn)熱效率的重要因素，但是國(guó)內(nèi)很多供熱單位的鍋爐爐齡較長(zhǎng)、生產(chǎn)狀況遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，要徹底的更新?lián)Q代，需要很大的投資，這是大多數(shù)的供熱單位不能承受的，也不符合我國(guó)現(xiàn)在的基本國(guó)情。應(yīng)用計(jì)算機(jī)技 術(shù)對(duì)鍋爐生產(chǎn)過(guò)程的相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)化控制，能夠有效地提高鍋爐運(yùn)行可靠性和生產(chǎn)效率。工業(yè)鍋爐的耗煤產(chǎn)汽既是一個(gè)能源轉(zhuǎn)換過(guò)程，又是一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)于由多個(gè)鍋爐控制站組成的鍋爐群系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)控管理，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)、分析，將統(tǒng)計(jì)分析的各種數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)布給相關(guān)的部門，如廠領(lǐng)導(dǎo)、調(diào)度室、工段室、技術(shù)室等有著重要的意義。通過(guò)現(xiàn)代信息化技術(shù)改造，提高整個(gè)供熱單位的管理水平，管控結(jié)合，獎(jiǎng)優(yōu)罰劣，充分調(diào)動(dòng)工作人員的責(zé)任心和積極性，通過(guò)加強(qiáng)管理提高生產(chǎn)水平，使整個(gè)鍋爐系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程處在可達(dá)最佳優(yōu)化狀態(tài)，可以有效地提高生產(chǎn)效率。但由于當(dāng)時(shí)科技發(fā)展的局限性，對(duì)鍋爐的控制主要停留在使用汽動(dòng)儀表 (包括 汽動(dòng)單元組合儀表和汽動(dòng)基地式儀表 )的階段，而且大多數(shù)鍋爐只是檢測(cè)工藝參數(shù)，不進(jìn)行自動(dòng)控制。到了上世紀(jì)七十年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)理論的發(fā)展，使得鍋爐的計(jì)算機(jī)控制成為可能。許多發(fā)達(dá)國(guó)家都相繼開 發(fā)出了鍋爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)，由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的限制，中小企業(yè)鍋爐設(shè)備水平一直比較落后，大多數(shù)中小型鍋爐水平基本上停留在手動(dòng)和簡(jiǎn)單儀表操作的水平。至 90 年代，鍋爐的自動(dòng)化控制己成為一個(gè)熱門領(lǐng)域，利用單片機(jī)、可編程序控制器、工業(yè)計(jì) 算機(jī)以及引進(jìn)的國(guó)外控制設(shè)備開發(fā)的各種控制系統(tǒng)，己逐漸用于對(duì)原有鍋爐的技術(shù)改造中，并向與新建爐體配套的方向發(fā)展，許多新的控制方法，諸如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等自動(dòng)控制的最新成果也在鍋爐自動(dòng)控制中得到了嘗試和應(yīng)用 .但由于控制技術(shù)單一，或控制算法的建模往往不能反映真實(shí)的鍋爐燃燒狀況，導(dǎo)致在工程實(shí)踐中并不怎么成功，不能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益，挫傷了用戶在工業(yè)鍋爐上用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的積極性。 國(guó)內(nèi)供熱鍋爐燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制大多在燃油和燃?xì)忮仩t上實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于燃煤鍋爐，在自動(dòng)控制研究方面總是得不到滿意的效果，存在的主要問(wèn)題是滯后問(wèn)題。三種形式均有獨(dú)立應(yīng)用的范例，也有組合應(yīng)用，但主要是以 6 人工控制為主，節(jié)能效果仍然取決于司爐人員的經(jīng)驗(yàn)，水平 和責(zé)任意識(shí)。 SCADA系統(tǒng)是建立在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)之上的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，它的主要任務(wù)是采集和管理各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視和 控制，并保存歷史數(shù)據(jù)和故障事件，提供報(bào)表輸出和計(jì)算、分析 SCADA系統(tǒng)作為生產(chǎn)過(guò)程和事物管理自動(dòng)化最為有效的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)之一，它有兩層含義：一是分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也就是通常所說(shuō)的下位機(jī)；另一個(gè)是數(shù)據(jù)處理和顯示系 統(tǒng)，即上位機(jī) HMI(HumanMachine Interface，人機(jī)界面 )系統(tǒng)，下位機(jī)通常是指硬件層上的，即各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如RTU(Remote Terminal Unit，遠(yuǎn)程終端測(cè)控單元 )、 PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器 )及各種智能控制設(shè)備等等。上位機(jī) HMI系統(tǒng)在接受這些信息后，以適當(dāng)?shù)男问?(如聲音、圖形、圖 像等方式 )顯示給用戶，以達(dá)到監(jiān)視的目的，同時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，告知用戶設(shè)備各種參數(shù)的狀態(tài) (報(bào)警、正?；驁?bào)警恢復(fù) )。一個(gè)完善的 SCADA系統(tǒng)的建立，依托于高精度、智能化的一次儀表獲取信息，準(zhǔn)確無(wú)誤的通訊手段傳輸數(shù)據(jù)和高 效快捷的計(jì)算機(jī)處理能力。 SCADA系統(tǒng)一般由企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度指揮中心、分廠測(cè)控站、管網(wǎng)測(cè)壓點(diǎn)等組成。 鍋爐控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)供暖系統(tǒng)的自動(dòng)化提出了更高的要求。采用現(xiàn)代化技術(shù)和手段，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù) (如循環(huán)水水溫、管網(wǎng)水壓和水流量、水箱水位以及水泵的運(yùn)行狀態(tài)等 )實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和控制管理，從而降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提高效率，保證設(shè)備安全，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和潛在的社會(huì)效益。以往的供暖系統(tǒng)，由于熱源傳送距離較遠(yuǎn)，需監(jiān)測(cè)和控制的點(diǎn)較多，且這些點(diǎn)在空問(wèn)上布置分散，從而造成了人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，控制不及時(shí)等問(wèn)題。同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)上可采用通用的工業(yè)控制組態(tài)軟件，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行靈活的優(yōu)化配置。我國(guó)的鍋爐目前已煤為主要燃料，耗煤量接近全國(guó) 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(yán)重，而且鍋爐設(shè)備陳舊，生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度低，進(jìn)一步加重了環(huán)境污染的程度。自二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，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，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制國(guó)內(nèi)對(duì)鍋爐控制的研究起步較晚，始于八十年代初期。不能對(duì)它們精確連續(xù)調(diào)節(jié)，使控制手段單一， 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(shí)，溫度、壓力等參數(shù)就無(wú)法達(dá)到設(shè)定值。 本文所做工作 針對(duì)目前供暖鍋爐控制的現(xiàn)狀，本文 的設(shè)計(jì)要求 ： 隨著 我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的迅速發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)已漸漸應(yīng)用到鍋爐系統(tǒng)，結(jié)束了以往鍋爐系統(tǒng)全部用人工或簡(jiǎn)單的電氣控制的落后局面，減輕過(guò)路監(jiān)控人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免人為疏忽而造成的事故的發(fā)生，提高鍋爐系統(tǒng)的效率。通過(guò)鍋爐引風(fēng)和鼓風(fēng)系統(tǒng)的閉環(huán)控制來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)煙氣氧含 量和爐膛負(fù)壓，使鍋爐系統(tǒng)的空燃比達(dá)到最優(yōu)，煙氣氧含量保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒過(guò)程的自動(dòng)控制。本文針對(duì)供暖鍋爐控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套基于變頻調(diào)速技術(shù)的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)中上位機(jī)采用高可靠性的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)同一調(diào)度和監(jiān)控管理，下位機(jī)采用西門子公司S7300 可編程控制器，實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)和管網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，控制水平和硬件可靠性大大提高。 簡(jiǎn)述供暖鍋爐的控制原理，提出供 暖鍋爐系統(tǒng)的控制模型 和 鍋爐控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。并詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和通訊配置。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；討論 PLC 與上位機(jī)之間、 PLC 與變頻器之間的通訊配置，制定通信協(xié)議；設(shè)計(jì) 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(jì)流程圖和部分梯形圖程 序。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控管理，本文選用 WinCC 來(lái)設(shè)計(jì)，根據(jù)用戶提出的要求完成了操作界面及控制程序，實(shí) 現(xiàn)超溫 超壓報(bào)警聯(lián)動(dòng)等。目前我國(guó)鍋爐使用數(shù)目龐大，并且多數(shù)鍋爐控制水平不高，大多數(shù)鍋爐仍處于人工控制狀態(tài)，不僅操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，環(huán)境污染嚴(yán)重，運(yùn)行工況不穩(wěn)定，而且熱效率 低，燃料的消耗量大，年耗煤量占我國(guó)原煤產(chǎn)量的 1/3，節(jié)能潛力大。過(guò)去傳統(tǒng)的單一人工操作已跟不上時(shí)代的發(fā)展及工藝控制的要求，計(jì)算機(jī)在鍋爐控制中的作用越來(lái)越大，使用計(jì)算機(jī)加強(qiáng)對(duì)鍋爐的運(yùn)行控制，有助于降低維護(hù)成本、便于選擇控制方法。鍋爐是一 個(gè)典型的非線性時(shí)變多變量混合系統(tǒng)，過(guò)程機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜，不能建立精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。對(duì)其控制算法進(jìn)行研究，具有比較重要的現(xiàn)實(shí)意義。為滿足外部負(fù)荷設(shè)備的要求，并保證鍋爐本體的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，要求自動(dòng)控制設(shè)備具有完善的自動(dòng)控制功能以及自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)保護(hù)、程序控制等功能。無(wú)論是燃煤，燃油或燃?xì)忮仩t，它們的給水控制系統(tǒng)基本相同，主要區(qū)別在于燃料燃燒控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同。 總體設(shè)計(jì)思路 本文針對(duì)供暖鍋爐控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套基于 變頻調(diào)速技術(shù)的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)以一 臺(tái)工業(yè)控制機(jī)作為上位機(jī)，以西門子 S7300 可編程控制器為下位機(jī)、上位機(jī)采用高可靠性的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，通過(guò)監(jiān)控軟件完成人機(jī)界面及故障報(bào)警功能， 下位機(jī)實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)和管網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，控制水平和硬件可靠性 10 大大提高。 方案 2 以西門子 S7300 為核心的鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)可以使自動(dòng)化程度大幅提高， 可監(jiān)控該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的所有變量，系統(tǒng)框圖如下所示： 圖 22 方案 2 系統(tǒng)框圖 S7200 CPU 224 EM231 模塊 EM223 模 塊 燃燒機(jī)風(fēng)機(jī) 循 環(huán) 泵 給煤 機(jī) 電 磁 閥 報(bào)警 人機(jī)界面 溫度傳感器 壓力傳感器 鍋爐水位傳感器 S7300 CPU 315 EM321 模塊 EM322 模 塊 EM331 模 塊 EM331 模 塊 EM332 模 塊 引 風(fēng) 機(jī) 循 環(huán) 泵 給 煤 機(jī) 電 磁 閥 報(bào)警 人機(jī)界面 溫度傳感器 壓力傳感器 鍋爐水位傳感器 流量傳感器 補(bǔ) 水 泵 除渣除塵 11 方案論證 與方案確定 方 案 1的系統(tǒng) 選取的 CPU 是西門子公司的 S7200系列，其功能和自動(dòng)化程度于 S7300系列相比較來(lái)說(shuō)有很大不足，達(dá)到相同的設(shè)計(jì)功能， S7200的系統(tǒng)比 S7300 系統(tǒng)要大很多，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。 控制系統(tǒng)以兩臺(tái)工業(yè)控制機(jī)作為上位機(jī)，以西門子 S7300 可編程控制器為下位機(jī)。 12 第 3章 硬件設(shè)計(jì) 用戶系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)運(yùn)行的示意圖如圖 31 所示 . 出 水 壓 力回 水 壓 力爐 膛 負(fù) 壓 圖 31 系統(tǒng)運(yùn)行示意 圖 由圖 31 可以看出，由輸煤裝置送入煤斗的原煤，直接落在緩緩向前移動(dòng)的爐排進(jìn)入燃燒室。燃料燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖暂椛浞艧岬姆绞较蛉紵宜闹艿乃浔趥鬟f熱量，然后經(jīng)防渣管進(jìn)入對(duì)流煙道。對(duì)流煙道中布置有對(duì)流管束等受熱面。一部分在上鍋筒中被加熱的高溫水進(jìn)入供水管道。排入大氣的煙氣溫度越低， 說(shuō)明煙氣的熱量被吸收的越充分，燃料的熱能被利用的程度越高，鍋爐的熱效率就越高。鍋爐控制系統(tǒng)的基本控制任務(wù)和控制要求包括：燃燒控制（爐膛溫度控制、爐膛負(fù)壓控制、引風(fēng)控制、送風(fēng)控制）；給水控制（供 水 運(yùn)行參數(shù)和水壓力、供水溫度、供水流量等）；以及對(duì)各設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，以便進(jìn)行顯示、報(bào)警、工況計(jì)算以及指標(biāo)打印等。變頻調(diào)速器作為該技術(shù)的主要應(yīng)用產(chǎn)品經(jīng)過(guò)幾代技術(shù)更新，已日趨完善，能夠適應(yīng)比較惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，且能提供較為完整的控制功能，能滿足各種生產(chǎn)設(shè)備 、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的要求。 n=60f(1s)/p 其中表示 n電機(jī)轉(zhuǎn)速； f為電動(dòng)機(jī)工作電源頻率； s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率； p為電極磁極對(duì)數(shù)。變頻器就是基于上述原理才用交 直 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(jī)調(diào)速和水泵調(diào)速。而最常使用的控制手段則是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來(lái)調(diào)節(jié)受控對(duì)象。在生產(chǎn)過(guò) 程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成 能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗。 在供暖鍋爐系統(tǒng)中帶有循環(huán)泵、補(bǔ)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(jìn)行流量、壓力、水位等信號(hào)的控制。 近年來(lái)，出于節(jié)能的迫切需求和對(duì)供暖質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻 14 調(diào)速器（簡(jiǎn)稱變頻器）易操作、免維護(hù)、控制精度高，并可以實(shí)現(xiàn)高 功能化等特點(diǎn)，因而采用變頻器驅(qū)動(dòng)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(diǎn)是：調(diào)速的機(jī)械特性好 ，調(diào)速范圍廣，調(diào)速特性曲線平滑，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、平穩(wěn)的調(diào)速，尤其 當(dāng)它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等大容量負(fù)載時(shí)，可獲得顯著的節(jié)能效果。本節(jié)將以風(fēng)機(jī)節(jié)能為例，詳細(xì)分析其節(jié)能效果。 H全壓， kPa。 電動(dòng)機(jī)的輸出功率 Pm為 : 3600M CFP Q HP ?????KW （ ） 式中 C? 一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率。39。39。如果風(fēng)量下降 20%，可以采用調(diào)速的方法使轉(zhuǎn)速下降 20%,則風(fēng)機(jī)的軸功率要下降到原值的 %。當(dāng)然，風(fēng)機(jī)速度大幅度下降時(shí)，風(fēng)機(jī)效率也有所下降，實(shí)際需要的軸功率要高于上面的計(jì)算值。 （ 3）風(fēng)機(jī)、水泵的軸功率 對(duì)于流量變化較大的風(fēng)機(jī)、水泵，采取調(diào)速的方法改變流量，是節(jié)電的有效方法。 圖 32 風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能原理圖 上圖繪出