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1、目錄1緒論.12供暖鍋爐改造設(shè)計(jì)思路.12.1供暖鍋爐改造設(shè)計(jì)要求.12.2鍋爐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).22.3整體方案選擇.23變頻調(diào)速在供暖鍋爐控制中的應(yīng)用.33.1變頻調(diào)速基本原理.33.2變頻調(diào)速在供暖鍋爐系統(tǒng)中的應(yīng)用.44鍋爐控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).44.1系統(tǒng)功能分析.44.2總體設(shè)計(jì)思路.54.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu).55系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).65.1可編程控制器PLC的選型.65.2PLC配置.65.3I/O接線.85.4變頻器配置.85.5傳感器與變送器.95.5.1壓力變送器工作原理.105.5.2壓力變送器選型.105.5.3溫度傳感器選型.106系統(tǒng)構(gòu)成.116.1補(bǔ)水泵控制系統(tǒng).116.2循環(huán)泵控制系統(tǒng).

2、136.3燃燒控制系統(tǒng).157PID控制原理.158程序設(shè)計(jì).188.1主程序設(shè)計(jì).158.2子程序設(shè)計(jì).159結(jié)束語(yǔ).26致謝.25參考文獻(xiàn)1緒論鍋爐是供熱設(shè)備中最普遍的動(dòng)力設(shè)備之一，它的功能是把燃料中的貯能，通過(guò)燃燒轉(zhuǎn)化成熱能，以蒸汽或熱水的形式輸向各種設(shè)備。目前，大多數(shù)鍋爐都是人工控制的，或簡(jiǎn)單的儀表單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，燃料浪費(fèi)很大。鍋爐作為一個(gè)設(shè)備總體，有許多被控制量與控制量，許多參數(shù)之間明顯地存在著復(fù)雜的關(guān)系。對(duì)于鍋爐這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由于其內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換機(jī)理過(guò)于復(fù)雜，采用常規(guī)的方式進(jìn)行控制，難以達(dá)到理想的控制效果，因此，必須采用智能控制方式控制，才能獲得最佳控制效果?？删幊踢壿嬁刂破?PL

3、C)既能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng),又具有擴(kuò)展各種輸入輸出模塊,如A/D模塊、熱電偶熱電阻模塊,構(gòu)成多功能控制系統(tǒng)。現(xiàn)代PLC集成度高、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定。在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。供暖鍋爐，是連接用戶極為重要的功能性環(huán)節(jié)，不僅其工作的安全性、可靠性直接影響到等前級(jí)產(chǎn)熱設(shè)備的安全性及供熱質(zhì)量，提高其工作效能，還具有十分重大的節(jié)能意義。目前供暖鍋爐大都采用人工監(jiān)控，一方面浪費(fèi)人力；另一方面在出現(xiàn)事故隱患時(shí)，操作人員難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，很容易造成運(yùn)行中設(shè)備的事故。該設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)鍋爐的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)、報(bào)警、控制以保證鍋爐正常、可靠地運(yùn)行，除此以外為保證鍋爐運(yùn)行的

4、安全，在進(jìn)行微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)鍋爐水位、鍋爐壓力等重要參數(shù)應(yīng)設(shè)置常規(guī)儀表及報(bào)警裝置，這是必不可少的，以免鍋爐發(fā)生重大事故。系統(tǒng)由可編程邏輯控制器(PLC)、變頻器組成，能完成對(duì)給水、鼓風(fēng)等進(jìn)行自動(dòng)控制，使鍋爐的水位、蒸汽壓力保持在規(guī)定的數(shù)值上，以保證鍋爐的安全運(yùn)行，達(dá)到降低能耗、提高供氣質(zhì)量的目的，同時(shí)對(duì)運(yùn)行參數(shù)如壓力、溫度等進(jìn)行顯示，還可對(duì)水位、壓力、爐溫等參數(shù)越限時(shí)報(bào)警，發(fā)出聲光信號(hào)。由于PLC具有輸入輸出光電隔離、停電保護(hù)、自診斷等功能，所以抗干擾能力強(qiáng)，能置于環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，故障率低。PLC編程簡(jiǎn)單，易于通信和聯(lián)網(wǎng)，用于水暖鍋爐控制能提高性能價(jià)格比，如果從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，其壽命長(zhǎng)，故

5、障率低，易于維修，所以選用1。2供暖鍋爐改造設(shè)計(jì)思路2.1供暖鍋爐改造設(shè)計(jì)要求(1)PLC容量和性能要與任務(wù)相適應(yīng)，PLC運(yùn)行速度要滿足實(shí)時(shí)控制的要求(2)要確定PLC的型號(hào)、需要的傳感器和變頻器的型號(hào)、PLC硬件接線圖和梯形圖(3)要有PLC的I/O接口地址分配表(4)系統(tǒng)具有手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換、在線監(jiān)控及在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)熱保護(hù)2.2鍋爐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)鍋爐控制系統(tǒng)，一般由以下幾部分組成，即由鍋爐本體、補(bǔ)水箱、循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵等部分組成。補(bǔ)水箱內(nèi)的水由兩路提供。一路是來(lái)自用戶網(wǎng)通過(guò)熱交換形成的冷凝水。一路是來(lái)自自來(lái)水管的自來(lái)水。當(dāng)回水不足以維持供熱所需的水時(shí)。啟動(dòng)補(bǔ)水泵，用補(bǔ)水箱內(nèi)的水，加入到鍋

6、爐。圖1總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3整體方案選擇以往供暖鍋爐系統(tǒng)中帶有循環(huán)泵、補(bǔ)水泵等水泵類的設(shè)備，通常是根據(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。這樣，不僅造成大量的能源浪費(fèi)，管路、閥門等密封性能的破壞，還加速了閥體的磨損，嚴(yán)重時(shí)損壞設(shè)備而影響生產(chǎn)。目前，風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備多數(shù)采用異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)行，存在啟動(dòng)電流大、機(jī)械沖擊、電氣保護(hù)特性差等缺點(diǎn)。不僅影響設(shè)備使用壽命，而且當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)不能瞬間動(dòng)作保護(hù)設(shè)備，時(shí)常出現(xiàn)泵損壞同時(shí)電機(jī)也被燒毀的現(xiàn)象。對(duì)于如何供暖鍋爐的基本功能和它存在的缺陷等問(wèn)題提出兩種改造方案。第一種就是利用單片機(jī)進(jìn)行控制中

7、心的，但是由于單片機(jī)工作狀態(tài)的不穩(wěn)定性，抗干擾能力比較差。所以不在此處選用。第二種就是用可編程控制器PLC進(jìn)行改造，把原來(lái)的繼電接觸式電控系統(tǒng)改造為PLC控制。不僅可以消除掉它原來(lái)存在的所有缺陷，而且增加了故障檢修功用戶回水補(bǔ)水箱補(bǔ)水泵鼓風(fēng)機(jī)循環(huán)水泵鍋爐自來(lái)水能，可以在發(fā)生故障的部位進(jìn)行報(bào)警。第二個(gè)方案用可編程控制器PLC對(duì)原來(lái)的繼電接觸式電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，改造后可以減少?gòu)?qiáng)電元?dú)饧?shù)目，而且增加了一些故障自診斷功能。提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性，安全性。使電氣控制系統(tǒng)的工作更加靈活，更容易維修，更能適應(yīng)經(jīng)常變動(dòng)的工藝條件。因此我們選擇第二種方案。3變頻調(diào)速在供暖鍋爐控制中的應(yīng)用3.1變頻調(diào)速

8、基本原理目前，隨著大規(guī)模集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為一項(xiàng)成熟的交流調(diào)速技術(shù)。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，己日趨完善，能夠適應(yīng)較為惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，目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(dòng)機(jī)調(diào)速的要求。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系水泵多配用交流異步電機(jī)拖動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，既可節(jié)約能量，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：pSfSnn/)1(60)1(0(1)式中，n異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速r/min；0n異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速r/min；p電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；f電源頻率，電動(dòng)機(jī)定子電壓頻率；S轉(zhuǎn)

9、速差；%10000nnns(2)由公式可見(jiàn)改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)P、改變轉(zhuǎn)速差S及改變電源頻率f都可以改變轉(zhuǎn)速。通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-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。實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的電路有兩種：交-直-交變頻器，交-交變頻器見(jiàn)圖2。上面是交-直-交變頻器，下面是交-交變頻器。圖2變頻器種類整流器濾波逆變器濾波逆變器直流u1f1交流VVVF交流u2f2交流u1f1交流u2f2VVVF(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、定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流電；可控硅逆變電路

10、，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，一般是利用無(wú)電源電容或電抗器對(duì)整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波。(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)節(jié)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，減少換流電路，減少損耗，效率高，波型好，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2。3.2變頻調(diào)速在供暖鍋爐系統(tǒng)中的應(yīng)用由于變頻調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，具有異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速和串級(jí)調(diào)速無(wú)可比擬的優(yōu)越性，在鍋爐系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。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

11、調(diào)速。4鍋爐控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)功能分析本文針對(duì)鍋爐進(jìn)行變頻改造，設(shè)計(jì)一套基于變頻調(diào)速技術(shù)的鍋爐系統(tǒng)。根據(jù)要求，并結(jié)合鍋爐控制的發(fā)展趨勢(shì)，本系統(tǒng)具備如下功能：(1)遠(yuǎn)程/就地控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制和就地控制兩種控制功能。通過(guò)操作臺(tái)和可編程控制器對(duì)鍋爐系統(tǒng)中的鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、爐排電機(jī)、循環(huán)泵和補(bǔ)水泵實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，也可直接操作變頻控制柜，實(shí)現(xiàn)就地控制。(2)單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)模式本系統(tǒng)工作在單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)兩種工作模式下。單動(dòng)和聯(lián)動(dòng)模式下均可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程/就地控制和參數(shù)設(shè)定，但單動(dòng)模式下，需人工根據(jù)氣候、負(fù)荷的變化設(shè)定鼓風(fēng)機(jī)、循環(huán)泵和補(bǔ)水泵等電機(jī)的轉(zhuǎn)速，相當(dāng)于“開環(huán)控制”；聯(lián)動(dòng)模式下，操作人員只需根據(jù)室內(nèi)

12、溫度和室外溫度的變化設(shè)定鍋爐的出水溫度和爐膛負(fù)壓等參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少了人工干預(yù)，提高了自動(dòng)化水平。(3)檢測(cè)功能系統(tǒng)通過(guò)安裝在鍋爐現(xiàn)場(chǎng)的各類傳感器，可檢測(cè)出水溫度、回水溫度、出水流量、回水壓力、出水壓力、補(bǔ)水流量、循環(huán)水泵壓力等參數(shù)，并可以將這些數(shù)據(jù)通過(guò)變送器傳送到可編程控制器處理，所有參數(shù)均可在操作臺(tái)顯示上顯示出來(lái)。(4)超溫超壓報(bào)警按規(guī)定，鍋爐控制系統(tǒng)必須包含超溫超壓報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)中的溫度、壓力等信號(hào)超過(guò)上下限時(shí)，必須提示報(bào)警信息，對(duì)某些重要參數(shù)，還設(shè)置了報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能，即超限時(shí)停爐或停泵處理。4.2總體設(shè)計(jì)思路針對(duì)鍋爐房的現(xiàn)狀，本系統(tǒng)對(duì)鍋爐房的鼓風(fēng)機(jī)、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵等設(shè)

13、備進(jìn)行變頻改造。每臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)配置一臺(tái)變頻器，共2臺(tái)。對(duì)于4臺(tái)循環(huán)泵，給其中兩臺(tái)容量較大的電機(jī)配置兩臺(tái)變頻器，另外容量較小的電機(jī)不配備變頻器，作為備用。對(duì)于4臺(tái)補(bǔ)水泵，也配置兩臺(tái)變頻器，給其中兩臺(tái)容量較大的電機(jī)配置兩臺(tái)變頻器，另外容量較小的電機(jī)不配備變頻器。所有變頻器均安裝在變頻控制柜內(nèi)，置于變頻控制室，操作變頻控制柜的面板，可實(shí)現(xiàn)就地控制。PLC采用西門子公司S7-200系列PLC，通過(guò)1/O模塊控制控制柜內(nèi)所有斷路器、接觸器和繼電器等開關(guān)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。如果PLC系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可直接在控制柜上通過(guò)控制面板進(jìn)行啟/停控制，原有的手動(dòng)控制部分(操作臺(tái)部分)均予保留，一旦變頻控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，

14、可自動(dòng)或手動(dòng)轉(zhuǎn)為原有的手動(dòng)方式控制，從而可避免造成供暖中斷，切實(shí)保證供暖正常。4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)屬于熱水鍋爐供暖系統(tǒng)，主要通過(guò)熱水循環(huán)給用戶供暖，一般分為燃燒控制系統(tǒng)、循環(huán)泵控制系統(tǒng)和補(bǔ)水泵控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用集中控制，分為三部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。圖3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖西門子S7-200系列可編程控制器電氣控制回路（帶變頻器）電氣控制回路（帶變頻器）電氣控制回路（帶變頻器）1#-2#鼓風(fēng)機(jī)1#-4#循環(huán)泵1#-4#補(bǔ)水泵鍋爐本體傳感器與變送器5系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5.1可編程控制器PLC的選型由于供暖鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對(duì)較少，因此PLC選用德國(guó)Siemens公司的S7-200型。S7-20

15、0型PLC的結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性能/價(jià)格比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。Siemens公司的PLC具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，為以后新設(shè)備的介入或設(shè)備調(diào)整留有余地，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU224XPCN，其開關(guān)量輸出(DQ)為10點(diǎn)，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入為14點(diǎn)，輸入形式為+24V直流輸入。由于實(shí)際的開關(guān)量輸出有26點(diǎn)，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是1個(gè)EM223CN型模塊，該模塊有16個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn)，輸出形式為AC220V繼電器

16、輸出，開關(guān)量輸入為16點(diǎn)，輸入形式為+24V直流輸入。此外，為了方便的將管網(wǎng)壓力信號(hào)、電機(jī)頻率信號(hào)和同相比較信號(hào)傳輸給PLC。經(jīng)比較計(jì)算后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號(hào)，選擇了EM235CN模擬量擴(kuò)展模塊。該模塊有4個(gè)模擬輸入(AIW)，1個(gè)模擬輸出(AQW)信號(hào)通道。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成了A/D的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成D/A的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。EM235模塊可以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，通過(guò)DIP開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)PLC的選型包括一個(gè)CPU224CN主模塊，1個(gè)EM223CN擴(kuò)展模塊，3個(gè)EM235模擬量擴(kuò)展模塊。如此PLC總共有30個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入，26個(gè)數(shù)字信號(hào)輸出，以及4個(gè)模擬輸入信號(hào)，4個(gè)模擬輸出信號(hào)。輸入和輸出均有余量，可以滿足日后系統(tǒng)擴(kuò)充的要求3。表1S7-200的規(guī)格規(guī)格型號(hào)系列連接方法工作電壓輸入類型輸出類型程序容量I/O點(diǎn)主控單元S7-200端子型220VAC24VDC繼電器12K24點(diǎn)14I/10OCPU224XPCN數(shù)字量擴(kuò)展單元S7-200端子型24VDC24VDC繼電器32點(diǎn)16I/16OEM223CN模擬量擴(kuò)展單元S7-200端子型24VDC5點(diǎn)4I/1OEM235CN5.2PLC配置5.2.1PLC的開關(guān)量輸入、輸出點(diǎn)