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1、 ( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！ ) 優(yōu)秀論文 審核通過 未經允許 切勿外傳 摘要 鍋爐是國民經濟中主要的供熱設備之一。 電力、機械、冶金、化工、紡織、造紙、食品等工業(yè)和民用采暖都需要鍋爐供給大量的蒸汽。各種工業(yè)的生產性質與規(guī)模不 同，工業(yè)和民用采暖的規(guī)模大小不盡相同。鍋爐是供熱之源，鍋爐及其設備的任務在于安全，可靠，有效把燃料的化學能轉化成熱能，進而將熱能傳遞給水，以生產熱水和蒸汽。為了生產工藝有特殊要求外，所生產的熱水不需要過高溫的壓力和溫度，容量也無需很大。 隨著現代工業(yè)技術的

2、飛速發(fā)展， 對能源利用率的要求越來越高。 鍋爐作為將一次能源轉化為二次能源的重要設備之一，其控制和管理的水平也日趨提高。但在我國，大部分鍋爐還采用儀表和繼電器控制，甚至人工操作，已無法滿足生產需求。因此，對鍋爐控制系統采用先進的控制技術，不僅能夠保證安全生產，而且能夠節(jié)能增效，具有很好的市場發(fā)展空間和投資收益前景。 本論文的主要方向就是采用 PLC 對工業(yè)鍋爐進行控制。介紹了工業(yè)鍋爐的系統組成及選擇的控制系統，在設計中主要有水位檢測、溫度檢測、壓力檢測、水泵的 自動手動控制等幾部分組成來實現鍋爐的自動控制系統。并且采用 MCGS組態(tài)軟件設計監(jiān)控畫面。采用 PID 控制算法，已達到優(yōu)

3、化技術指標，提高經濟效益和社會效益，提高勞動生產率，節(jié)約能源，改善勞動條件，保護環(huán)境衛(wèi)生，提高市場競爭能力的 作用。 關鍵字： 鍋爐； PLC；PID； MCGS組態(tài)軟件； 1 Abstract Boiler is the national economy one of the main , industrial and civil vary the size of is safe, reliable and

4、effective conversion of the fuels chemical energy intorder to process requirements, the production of industrial technology, energy efficiency China, most of the boiler also usesinstruments and relays, or even manually, been unable to meet production needs. Therefore, the boiler control system us

5、es advanced control technology, not only to ensure safety in production, but also energy efficiency, with good market prospects for development and investment income. The main direction of this paper is the use of PLC control for industrial boilers. Describes the composition of industrial boil

6、er systems and the choice of control system, mainly in the design water level detection, temperature detection, pressure testing, water pump auto manual control several components to achieve the automatic boiler control system. MCGS configuration software design and using the monitor scr

7、een. PID control algorithm used to optimize the technical specifications to improve the economic and social benefits, improve labor productivity, save energy, improve working conditions, protect the environment and software; 目錄 第 1 章 緒論 ......................................................

8、....................................................................................... 1 1.1 選題背景及意義 ................................................................................................................................ 1 1.2 鍋爐控制技術的研究現狀及發(fā)展.........................................

9、........................................................... 2 1.2.1 國內外研究現狀 ............................................................................................................................ 2 1.2.2 控制技術的發(fā)展趨勢 .......................................................................

10、............................................ 2 第 2 章 鍋爐的基本構造及其工作原理................................................................................................. 4 2.1 概述 .........................................................................................................................

11、.......................... 4 2.2 鍋爐的基本構造 ............................................................................................................................... 4 2.3 鍋爐的工作原理及工作過程.........................................................................................................

12、.. 5 2.3.1 燃料的燃燒過程 ........................................................................................................................... 6 2.3.2 煙氣向水的傳熱過程 ................................................................................................................... 6 2.3.3 水的

13、汽化過程 ............................................................................................................................... 6 第 3 章 鍋爐控制系統及其選擇的控制方式......................................................................................... 8 3.1 蒸汽溫度控制系統 ..............................

14、............................................................................................. 8 3.2 蒸汽壓力控制系統 ........................................................................................................................... 8 3.3 汽包液位控制系統 ..........................................

15、................................................................................. 9 2 3.4 爐膛負壓控制系統 10 3.5 串級控制系統的參數整定 11 3.6 串級控制系統的控制算法 12 第 4 章 鍋爐自動控制系統的硬件設計 14 4.1 總體設計思路 14 4.2 系統結構 14 4.3 控制器選型及配置 15 4.4 IO 地址分配表 16 4.5 系統主電路的設計 18 4.6 系統控制電路的設計

16、 19 4.7 補水泵控制系統 22 4.8 給水泵控制系統 24 4.9 通信網絡配置 25 4.10 變頻器的選型 25 4.11 傳感器的選型 27 4.12 其它器件的選型 29 第 5 章 鍋爐自動控制系統的軟件設計 31 5.1 PLC 控制流程圖 31 5.2 組態(tài)軟件設計特點 37 5.3 鍋爐監(jiān)控系統的軟件結構 38 5.4 界面設計 39 5.3 PLC 控制程序 39

17、 3 第1章緒論 1.1 選題背景及意義 由于我國總的能源特征是“富煤、少油、有氣 " ，擁有豐富的煤炭資源，到 2000 年已探明的煤炭儲量達 1145 億噸。煤炭因其儲量大和價格相對穩(wěn)定，在本世紀 50 年內，在我國的一次能源構成中仍將占主導地位。由此可見，在未來相當長的一段時期內，燃煤工業(yè)鍋爐仍將是我國工業(yè)鍋爐的主導產品。這與目前國外的情況相差 很大。如：日本燃煤工業(yè)鍋爐僅占總數的 1％，美國和西歐國家約占 1％～ 3％( 石油危機后燃煤工業(yè)鍋爐略有增加 ) ，俄

18、羅斯燃煤工業(yè)鍋爐較多，約占 40％。 工業(yè)鍋爐是我國主要的熱能動力設備，使用面廣，需求量大，在工業(yè)生產和軍 民生活中扮演重要角色。據不完全統計，我國現有中、小鍋爐 30 多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產量的三分之一以上，堪稱大耗能動力設備。隨著國民經濟的不斷發(fā) 展和人民生活的不斷改善，鍋爐臺數還在不斷增加。作為能源轉換的重要設備，其工作情況的好壞直接關系到能源的利用率高低。目前我國中、小型鍋爐以燃煤鏈條鍋爐為主，燃料主要是煤炭，而且鍋爐房管理水平不高，一直沿用間斷運行方式，鍋爐技術含量低，鍋爐的自動化控制技術落后，處于能耗高、浪費大、環(huán)境污染嚴 重的生產狀態(tài)，尤其是燃煤排

19、放的 C02氣體所引起的溫室效應，早己引起國際關注。為了將我國建設成資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，工業(yè)鍋爐的節(jié)能降耗、減少污染 物生成和排放具有重大意義。近幾年隨著加入世貿組織以及中國經濟的飛速發(fā)展，如何提高熱效率，降低耗煤量，降低耗電量，改善環(huán)境是每個部門乃至每個公民關心的大事。為此對工業(yè)鍋爐推廣應用各種新技術、新工藝、新管理是實現節(jié)能降耗、減少污染的重要途徑。其中實現鍋爐的自動化控制不僅可大大節(jié)約能源，促進環(huán)保，而且可以提高生產自動化水平。具體來講，實現鍋爐自動化控制的意義在于： (1) 提高鍋爐運行的安全性； (2) 提高鍋爐運行的經濟性； (3) 改善勞動條件；

20、 (4) 減少運行人員，提高勞動生產率。 今后，隨著工業(yè)鍋爐市場技術競爭的日趨激烈，鍋爐自動控制系統的好壞己成 為決定鍋爐性能的重要砝碼。研究與開發(fā)功能完備、性能可靠的鍋爐自動控制系統，是適應鍋爐生產發(fā)展需要，具有廣闊的發(fā)展前景與研究價值。 1 1.2 鍋爐控制技術的研究現狀及發(fā)展 國內外研究現狀 工業(yè)鍋爐是一個比較復雜的工業(yè)設備，有幾十個測量參數，控制參數和擾動參數，它們之間相互作用，相互影響，存在明顯的或不明顯的復雜因果關系，而且測控參數也經常變化，存在一定的非線

21、性特性，這一切都為鍋爐的控制增加了難度。 過去，我國工業(yè)鍋爐 ( 特別是燃煤鍋爐 ) 產品設計和制造往往是重鍋爐本體而輕燃燒和控制設備，很多鍋爐所配置的運行監(jiān)測儀表不全，尤其缺少顯示鍋爐經濟運行參數的儀表。因此，運行人員在調整鍋爐時，往往由于缺少數據，不能對鍋爐的運行狀況隨時做出準確判斷并實行相應的運行調整，使鍋爐處于最佳工況運行?？刂扑? 平很低，很多鍋爐仍為位式或開環(huán)控制，沒有實現連續(xù)閉環(huán)控 制，不能根據外界變化調節(jié)鍋爐運行狀態(tài)，無法使鍋爐運行較快地適應工況的變動和處于持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)，鍋爐運行效率的保證和提高受到了限制。 80 年代中后期，隨著先進的控制技術引入 我國的鍋爐控

22、制以來，鍋爐的計算機控制得到了很大的發(fā)展。至 90 年代，鍋爐的自動化控制已成為一個熱門領域，利用單片機、可編程序控制器、工業(yè)計算機以及引 進的國外控制設備開發(fā)的各種控制系統，己逐漸用于對原有鍋爐的技術改造中，并向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、自適應控制、模糊控制、神經網絡控制、專家控制等自動控制的最新成果也在鍋爐自動控制中得到了嘗試和應用。但由于控制技術單一，或控制算法的建模往往不能反映真實的鍋爐狀況，導致在工程實踐中并不怎么成功，不能產生很好的經濟效益，挫傷了用戶在工業(yè)鍋爐上用計算機進行控制的積極性。因此提高鍋爐控制技術水平成為提高鍋爐效率的重要手段之一。

23、 如今在國外，鍋爐的控制己基本實現了計算機自動控制，在控制方法上大都采用了現代控制理論中的最優(yōu)控制、多變量頻域、模糊控制等方法，因此，鍋爐的熱效率較高、鍋爐運行平穩(wěn)，而且減少了對環(huán)境的污染。 目前，鍋爐控制的難點主要集中在汽包水位控制和燃燒過程控制，而鍋爐各種控制策略的研究工作也主要圍繞這兩個方面展開。雖然國內外控制科學與工程領域的學者對工業(yè)鍋爐的控制策略作出了深入的研究，取得了一些成果，但仍存在一些問題。 控制技術的發(fā)展趨勢 現代過程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產過程也隨之日趨復雜，對 生態(tài)環(huán)境的影響也日益突出，這些都對控制提出了越來越高的要

24、求。不僅如此，生 2 產的安全性和可靠性，生產企業(yè)的經濟效益都成為衡量當今自動控制水平的重要指標。因此，僅用常規(guī)儀表己不能滿足現代化企業(yè)的控制要求。由于計算機具有運算速度快、精度高、存儲量大、編程靈活以及有很強的通信能力等特點，已在過程控制中得到十分廣泛的應用。鍋爐作為一種典型的生產過程，其自動控制水平已隨著過程計算機系統的發(fā)展而發(fā)展。 從目前的趨勢看，在大型企業(yè)中，過程控制計算機正成為一種把控制和管理融為一體的綜合自動化系統。它是在自動化技術，信息技術和各種工業(yè)生產技術的基礎上，通過計算機和網絡系統將整個單位全部生產活動所需的信息和各種分

25、散的自動化系統有機的集成起來，形成一個能適應生產環(huán)境不確定性和市場需求多變性總體最優(yōu)的高質量、高效益、高柔性的智能生產系統，現已成為當前控制領域的一個 重要研究方向?，F在，歐美大中型企業(yè)的過程控制領域中， PLC鍋爐自動控制系統占有統治地位。 PLC鍋爐自動控制系統被廣泛應用于冶金、電力、鋼鐵、化工等連續(xù)過程控制的工業(yè)領域，系統從幾百個點到上萬個點的規(guī)模不等。而國內的許多企業(yè)也 開始紛紛采用 PLC 系統進行控制，擺脫了過去依靠人力在儀表盤前監(jiān)控、操作的落后手段，應用 PLC 鍋爐自動控制系統對提高國內工業(yè)自動化水平有著非常積極的意義。在控制技術方面，近年來，為了獲得更好的控制性能

26、，把基于數學模型的控制技術和基于經驗知識的控制技術相結合的集成控制技術受到了重視，獲得了廣泛的研究。 因此，鍋爐的自動控制當前正朝著多學科結合的計算機技術的應用，管理控制一體化的趨勢發(fā)展。 第 2 章 鍋爐的基本構造及其工作原理 2.1 概述 隨著生產的發(fā)展，鍋爐日益廣泛的應用于工業(yè)生產的各個領域，成為發(fā)展國民 經濟的重要熱工設備之一。在現代化的建設中，能源的需求是非常大的，然而我國的能源利用率極低，所以提高鍋爐的熱效率，具有極為重要的實際意義。 2.2 鍋爐的基本構造 鍋爐是一種產生蒸汽或熱水的熱交

27、換設備。它通過燃料的燃燒釋放大量熱能， 并通過熱傳遞把能量傳遞給水，把水變成蒸汽或熱水，蒸汽或熱水直接供給工業(yè)和 生活中所需要的熱能。所以鍋爐的中心任務是把燃料中的化學能有效的轉化為蒸汽 的熱能。 3 鍋爐的主要設備包括汽鍋、爐子、爐膛、鍋筒、水冷壁、過熱器、省煤器、燃燒熱備、引風設備、送風設備、給水設備、空氣預熱器、水處理設備、燃燒供給設備以及除灰除塵設備等。 汽鍋：由上下鍋筒和三簇沸水管組成。水在管內受管外煙氣加熱，因而管簇內發(fā)生自然地循環(huán)流動，并逐漸氣化，產生的飽和蒸汽積聚在上鍋筒里面。 爐子：是使燃燒從充分燃燒并釋放

28、出熱量的設備。 爐膛：保證燃料的充分燃燒，并使水流受熱面積達到規(guī)定的數值。 鍋筒：使自然循環(huán)鍋爐各受熱面能適應負荷變化的設備。 （需指出，直流鍋爐內無鍋筒。） 水冷壁：主要是輻射受熱面，保護爐壁的作用。 過熱器：是將氣鍋所產生的飽和真氣急需加熱為過熱蒸汽的換熱器。過熱器一般都裝在爐膛出口。 省煤器：是利用余熱加熱鍋爐給水，以降低排出煙氣溫度的換熱器。采用省煤器后，降低了排煙溫度，提高了鍋爐效率，節(jié)省了燃料。同時，由于提高了進入氣飽的給水溫度，減少了因溫差而引起的汽包壁的熱適應力，從而延長了汽包的使用壽命。 燃燒設備：將燃料和燃燒所需的空氣送入爐膛并使燃料著火

29、穩(wěn)定，充分燃燒 . 引風設備：包括引風機、煙道和煙囪等幾部分。用它將鍋爐中的煙氣連續(xù)排出。送風設備：包括有鼓風機和分道組成。用它來供應燃料所需的空氣。給水設備：由水泵和給水管組成。 空氣預熱器：是繼續(xù)利用離開省煤器后的煙氣余熱，加熱燃料燃燒所需要的空氣，是一個換熱器。省煤器出口煙溫度高，裝上空氣預熱器后，可以進一步降低排煙溫度，也可以改善燃料著火和燃燒條件，降低不完全燃燒所造成的損失，提高鍋爐機組的效率。 水處理設備：其作用是為清除水中的雜質和降低給水溫度，以防止在鍋爐受熱面上結水垢或腐蝕。 燃料供給設備：由運煤設備、原煤倉和儲煤斗等設備組成，保證鍋爐所需燃料供應。 除

30、灰塵設備：是手機鍋爐灰渣并運往儲灰場地的設備。 此外，除了保證鍋爐的正常工作和安全，蒸汽鍋爐還必須裝設安全閥、水位表、高低水位報警器、壓力表、主氣閥、排污閥和止污閥等 , 還有用來消除受熱面上積灰的吹灰器，以提高鍋爐運行的經濟性。圖 2.1 為鍋爐控制系統硬件組成圖 圖 2.1 鍋爐控制系統硬件組成圖 4 2.3 鍋爐的工作原理及工作過程 鍋爐是一種生產蒸汽的換熱設備。它通過沒有或燃氣等燃料的燃燒釋放化學能， 并通過傳熱過程將能量傳遞給水，使水轉變?yōu)檎羝?，蒸汽直接供給工業(yè)生產中所需 的熱能

31、，或通過蒸汽動力機轉變?yōu)殡娔埽蛲ㄟ^汽輪電機轉變?yōu)殡娔?。所以鍋爐的 中心任務是把燃料中的化學能最有效地轉變?yōu)檎羝臒崮?。因此，近代鍋爐亦成為 蒸汽發(fā)生器。 鍋爐的工作過程概括起來應該包括三個同時進行的過程：燃料的燃燒過程，煙 氣向水的傳熱過程，水的汽化過程。 燃料的燃燒過程 燃料煤加到煤斗中并落在爐排上，電機通過減速機、鏈條帶動爐排轉動，將燃 料煤帶入爐內。燃料煤一邊燃燒一邊向后移動，燃燒所需要的空氣由鼓風機送入爐 排中間的風箱后，向上通過爐排到達燃料燃燒層。風量和燃料量成比例 (風煤比 )， 以便進行充分燃燒，形成高溫煙氣。

32、燃料煤燃燒剩下的灰渣，在爐排末端通過除渣板后排入灰斗 , 這一整個過程稱為燃燒過程。 煙氣向水的傳熱過程 由于燃料的燃燒放熱，爐膛內溫度很高。在爐膛四周墻面上都布置著一排水管，稱為水冷壁。高溫煙氣與水冷壁進行強烈的輻射換熱和對流換熱，將熱量傳遞給管 內的水。繼而煙氣受引風機、 煙囪的引力向爐膛上方流動。 煙氣經出煙窗 ( 爐膛出口 ) 并通過防渣管后就沖刷蒸汽過熱器 ( 蒸汽過熱器是一組垂直放置的蛇形管受熱面，使 汽鍋中產生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而過熱 ) 。煙氣流經過熱器后又經過接在上、下爐筒間的對流管束，使煙氣沖刷管束，再次以對流換熱方式將熱量傳遞

33、給管束內的水。沿途降低溫度的煙氣最后進入尾部煙道，與省煤器和空氣預熱器內的水進行熱交換后，較低溫度的煙氣經過除塵器除塵，去硫等一系列凈化工藝通過煙囪排出。省煤器實際上就是給水預熱器，它和空氣預熱器一樣，都設置在鍋爐尾部煙道中，以降低排煙溫度，提高鍋爐效率，從而節(jié)省燃料。 水的汽化過程 水的汽化過程就是蒸汽的產生過程，主要包括水循環(huán)和汽水分離過程。經過 除氧等處理的水由泵加壓，先流經省煤器而得到預熱，然后進入汽鍋。鍋爐工作 時，汽鍋中的工作介質是處于飽和狀態(tài)下的汽水混合物。位于煙溫較低區(qū)段的對 5 流管束，因受

34、熱較弱，汽水的容重較大；而位于煙氣高溫區(qū)的水冷壁和對流管束， 因受熱強烈，相應水的容重較小，因而容重大的往下流入下鍋筒，而容重小的則 向上流入上鍋筒，形成了水的自然循環(huán)。 蒸汽產生的過程是借助上爐筒內裝設的汽水分離設備，以及在鍋筒本身空間 中的重力分離作用，使汽水混合物得到分離。蒸汽在上鍋筒項部引出后進入蒸汽 過熱器，而分離下來的水仍回到上鍋筒下半部分的水中。 以上就是一般鍋爐工作的過程，一個鍋爐進行工作，其主要任務是： （ 1) 要使鍋爐出口蒸汽壓力穩(wěn)定； （ 2）保證燃燒過程的經濟性； （ 3） 保持鍋爐負壓穩(wěn)定，通常我們是爐膛負壓保

35、持在微負壓（-10 ～ 80Pa）。 第 3 章 鍋爐控制系統及其選擇的控制方式 3.1 蒸汽溫度控制系統 因為鍋爐的運行環(huán)境不可能使理想的狀態(tài)，蒸汽的溫度總是會受到某些干擾的 影響，所以必須對蒸汽的溫度加以控制，以在一定范圍內得到溫度相對恒定的蒸汽。 影響蒸汽溫度的主要因素是給煤量以及給風量。另外，影響蒸汽溫度的因素還有給水量、蒸汽流量以及引風量等，又考慮到了控制系統相應的快速性，我們又將給水 量和蒸汽流量作為蒸汽溫度控制的前饋量構成前饋控制系統。即采用前饋比值串級 控制系統對蒸汽溫度進行控制，其控制系統的結構框圖見圖

36、 3.1 所示。 圖 3.1 蒸汽溫度控制系統結構框圖 3.2 蒸汽壓力控制系統 如果鍋爐內壓力過低，將會降低蒸汽質量；反之，如果鍋爐內壓力過高，有可 能導致爆炸等安全事故的發(fā)生。所以必須保證鍋爐的壓力處于一個適中的范圍，即 必須對鍋爐壓力加以控制。上述蒸汽溫度控制系統在控制蒸汽溫度的同時就直接影 響了蒸汽壓力。 壓力控制系統分為安全壓力控制系統和超壓控制系統。安全壓力控制系統是鍋 爐壓力在安全壓力范圍之內的控制系統，其主要完成的功能是在安全的基礎上對壓 力進行調節(jié)，使壓力維持在一定的范圍內，以得到需要的蒸汽

37、壓力，保證蒸汽質量； 超壓控制系統是鍋爐壓力超壓時所采用的壓力控制系統，其主要完成的功能是當壓 力超出某一壓力上限的設定值時，迅速打開安全閥，使壓力迅速降低，直到降到安 6 全范圍內后又迅速關閉安全閥。其中安全壓力控制系統采用串級控制，而超壓控制 系統采用單回路控制，所以蒸汽壓力控制系統采用串級控制，而超壓控制系統采用 單回路控制，所以蒸汽壓力控制系統是綜合的控制系統，從某種意義上講，可以將 其歸入分成控制系統一類，其結構框圖見圖 3.2 所示 圖 3.2 蒸汽壓力控制系統 3.3 汽包液位控

38、制系統 如果汽包液位過高，可能會影響蒸汽質量，甚至會導致水滿溢出等安全事故； 反之，如果汽包液位過低，鍋爐很可能會被燒壞，甚至導致爆炸等安全事故。 能夠影響汽包液位的主要有兩大變量，那就是給水量和蒸汽流量，在其他條件 不變的情況下，蒸汽流量越大，液位越低，而給水量越大則液位越高，反之則越低。 其中蒸汽流量是由工業(yè)的需要所決定的，給水的主要作用就是用以維持汽包液位的， 所以我們選擇給水量作為操縱量對汽包液位進行控制，又因為考慮到系統相應的平 穩(wěn)性和快速性，除采用串級控制外，還將蒸汽流量引入前饋通道， 對系統進行前饋 - 反饋串級控制，其

39、控制系統的結構框圖如圖 3.3 所示。 圖 3.3 汽包液位控制系統結構圖 3.4 爐膛負壓控制系統 爐膛負壓是反映燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數，是運行中要控制和監(jiān)視的重要參數之一。爐內燃燒工況一旦發(fā)生變化，爐膛負壓隨即發(fā)生相應變化。在原鍋爐控制系統中，如果煙囪擋板開度過大，則會使爐膛負壓增加，造成空氣大量進入爐內，熱效率降低，同時也增加了引風機的功耗。而且負壓過大容易使爐管氧化爆皮而減少爐管壽命。負壓過小或者正壓則是由于煙囪擋板開度過小或鍋爐超負荷運轉，使爐膛產生正壓，鍋爐悶燒，甚至向外噴火，容易發(fā)生不安全現象。 影響爐膛壓力的主要變量有

40、給煤量、給風量以及抽風量等，而其中給煤量和給風量是由蒸汽溫度、壓力以及蒸汽量等因素決定的，所以要想保持爐膛壓力在一定范圍內保持不變就只有改變抽風量，亦即通過調節(jié)抽風量以達到控制爐膛壓力的目的。另外，又因為考慮到系統相應的快速性，同時，又因為給風量和給風量成一定的比例關系，為了提高控制品質以及簡化控制系統的結構，我們將且盡將給煤量引入前饋參與了爐膛壓力的控制。爐膛負壓控制系統采用了前饋串級控制，其結構框圖見圖 3.4 所示。 7 圖 3.4 爐膛負壓控制系統結構框圖 3.5 串級控制系統的參數整定 串級控制系統從

41、整體上來看是定值控制系統，要求主參數有較高的控制精度。但副回路是隨動系統，要求副參數能準確、快速地跟隨主控制器輸出地變化。主、副回路的原理不一樣，對主、副參數的要求也不同，通過正確的參數整定，可取得理想的控制效果。 串級控制系統主、副控制器的參數整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。這里采用兩步整定法。 兩步整定法就是讓系統處于串級工作狀態(tài)，第一步按單回路控制系統整定副控制器參數，第二步把已經整定好的副回路視為串級控制系統的一個環(huán)節(jié)，仍按單回路對主控制器進行一次參數整定。 一個設計合理的串級控制系統，其主、副回路中被控過程的時間常數應有適當的匹配關系，一般為。主回路的

42、工作周期遠大于副回路的工作周期，主、副回路間的動態(tài)關聯較小。 兩步整定法的整定步驟如下： （1）在生產工藝穩(wěn)定，系統處于串級運行狀態(tài)，主、副控制器均為比例作用的條件下，先將主控制器的比例度置于 100%刻度上，然后由大到小逐漸降低副控制器的比例度，直到得到副回路過渡過程衰減比為 4： 1 的比例度，過渡過程的振蕩周期為。（2）在副控制器的比例度的條件下，逐步降低主控制器的比例度，直到同樣得到主回路過渡過程衰減比為 4：1 的比例度，過渡過程的振蕩周期為。 （3）按以求得的、和、的值，結合已選定的控制規(guī)律，按表 2-1 衰減曲線法整定參 數的經驗公式，計算出主、副控制器的

43、整定參數值。 （4）按照“先副回路，后主回路”的順序，將計算出的參數值設置到控制器上，做 一些擾動實驗，觀察過渡過程曲線，作適當的參數調整，直到控制品質最佳為止。 表 3.1 衰減曲線法整定參數計算表 整定參數 P（% ） Ti Td 控制規(guī)律 P Ps － － PI 1.2Ps 0.5Ts － PID 0.8Ps 0.3Ts 0.1Ts 8 3.6 串級控制系統的控制算法 一、 模擬 PID 控制規(guī)律的離散化 表 3.2 模擬 PID 控制規(guī)律

44、的離散化形式 模擬形式 離散化形式 二、 數字 P、PID 控制器的差分方程 PID 控制： u(n) T n TD e(n) e(n 1) u0 K P e( n) e(i ) T TI i 0 uP (n) uI (n) uD (n) u0 （1） （ 2） (3) u D ( n) K P TD

45、 e( n) e(n 1) (4) T P 控制 （ 5） 三、 PID 控制器的類型 1、選用位置型控制 T n TD e(n) e(n 1)u0 u( n) K P e(n) e(i) T TI i 0 （6） 2、 PID 位置型控制示意圖 圖 3.5 PID 位置型控制示意圖 3、位置型 PID 算法的程序流程 1) 位置

46、型的遞推形式 u ( ) ( n 1) u ( ) ( n 1) ( ) ( 1) ( 2) n u n u a0e n a1 e n a2 e n （7） 9 2) 位置型 PID 算法的程序流程 只需在增量型 PID 算法的程序流程基礎上增加一次加運算 u(n)+u(n-1)=u(n) 和更新 u(n-1) 即可。 圖 3.6 位置型 PID 算法的程序流程圖 第 4 章 鍋爐自動控制系統的硬件設計 4.1

47、 總體設計思路 鍋爐自動控制系統中的風機和水泵通過變頻器來調節(jié)電機的轉速，通過工控機 和可編程控制器對鍋爐系統中的鼓風機、引風機、爐排電機、循環(huán)水泵實現控制。 控制系統以兩臺工業(yè)控制機作為上位機，以 PLC(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 S7-200可編程控制器，實現鍋爐燃燒系統和管網系統的自動控制， 控制水平和硬件可靠性大大提高。 4.2 系統結構 本系統采用集中控制，分為三層，系統結構框圖如圖 4.1 所示 :

48、 圖 4.1 鍋爐控制系統結構示意圖 管理層 : 系統采用兩臺工控機作為上位機， 其中一臺作為主控機， 另一臺為輔控機，構成雙機冗余系統。通過 MPI多點接口與下位機 PLC進行通訊，對現場鍋爐的運行進行集中監(jiān)控、統一調度，實現對鍋爐的遠程控制。操作人員也隨時可以通過計 算機，了解現場每臺鍋爐的運行狀況，并對風機、水泵等電機進行啟?？刂坪蛥翟O定。另一方面，關于鍋爐運行及網管系統的各種歷史數據，則存儲在計算機的數據庫中。在需要的時候，可以在計算機顯示器上顯示，或由打印機打印出來。 現場控制層 : 該層以西門子 S7-200系列可編程控制器為核心，一方面通過 MPI多 點

49、接口與上位機通訊，接收上位機管理層的控制命令。另一方面運用 RS-485總線與各變頻器進行通信，分別對鼓風機、引風機、爐排電機、循環(huán)泵和補水泵等進行啟 停控制和電機的轉速設定，一旦電機啟動完畢，即使 PLC與上位機通訊故障，系統仍能正常運行。 現場數據采集與變送層 : 這一層是集散控制系統的最底層，主要完成現場數據的采集、預處理和變送等工作。這些數據主要包括鍋爐的出水溫度、出水壓力、鍋筒壓力、爐膛溫度、爐膛壓力以及總出水溫度、總出水壓力、總回水壓力等。變送 10 器將采集的溫度、壓力等物理量轉換成電壓或電流信號并傳送給可編程控制器進行數據

50、處理。 4.3 控制器選型及配置 采用西門子 S7-200 系列可編程控制器。 圖 4.2 S7-200 實物圖 一、 PLC系統配置 根據系統控制要求，綜合考慮系統對 PLC 運算能力的要求等因素，選用西門子 的 S7-200 系列 PLC，CPU模塊選用 CPU226。 S7- 200 系列可編程控制器是模塊化結構設計，各個單獨的模塊之間可進行廣泛 組合以用于擴展。 系統組成 : (1) 電源負載模塊：用于將 SIMATIC S7-200 連接到直流 24V 和交流 220V 兩種供 電

51、電源電壓，輸出類型有晶體管和繼電器兩種輸出方式，它與 CPU模塊和其他信號模塊之間通過電纜連接。 (2) 中央處理單元 (CPU226)：本機集成 24 輸入 16 輸出，IO 共計 40 點，和 CPU224 相比，程序存儲容量擴大了一杯，數據存儲容量增加到 10KB，它具有 2 個通信口， 通信能力大大增強。它可用于點數較多，要求較高的小型或中型控制系統。 (3)IO 擴展模塊：對于 IO 點數不夠的情況沒就必須增加 IO 擴展模塊，對 IO 點數進行補充。本機選用 1 個 EM222（4 點）作為數字量的擴展。 1 個 EM235，1 個 EM232 作為模擬量

52、的擴展。 圖 4.3 模塊連接方式 (4)PROFIBUS-DP 模塊 EM227：通過該模塊可以把 S7-200 PLC連接到 PROFIBUS-DP 網絡中，從而使其作為 DP網絡中的一個從站。 4.4 IO 地址分配表 PLC輸入、輸出點數的確定根據控制系統設計要求和所需控制的現場設備數量加以確定。 （ 1） PLC 的開關輸入端口包括系統的啟動、停止按鈕，電機啟動、停止按鈕， 手動自動按鈕、變頻器故障及檢修復位、以及變頻器工頻、變頻運行信號，另外PLC 輸入端口還包括電動機的熱保護繼電器輸入，輸入形式是熱繼電器的

53、常開觸點。其 11 開關輸入端口的分配如表 4.1 所示。 表 4.1 開關量輸入分配表 序號 名稱 文字符號 端口地址 1 鍋爐自動位 SF1 I0.0 2 鍋爐手動位 SF2 I0.1 3 出水溫度 SF3 I0.2 4 室外溫度 SF4 I0.3 5 循環(huán)泵自動 SF5 I0.4 6 循環(huán)泵手動 SF6 I0.5 7 啟動 1 號循環(huán)泵 SF7 I0.6 8 啟動 2 號循環(huán)泵 SF8 I0.7 9 定時加熱 SF9 I1.0 10 循環(huán)泵定時按鈕

54、 SF10 I1.1 11 超壓保護 BP1 I1.2 12 超溫保護 BT I1.3 13 水箱壓力上限 BP2U I1.4 14 水箱壓力下限 BP2L I1.5 15 手動停止循環(huán)泵 1 SF11 I1.7 16 手動停止循環(huán)泵 2 SF12 I2.0 17 系統啟停 SF13 I2.1 18 警鈴消除 SF14 I2.2 19 循環(huán)泵 1 缺相 KF1 I2.3 20 循環(huán)泵 2 缺相 KF2 I2.4 21 補水泵 1 缺相 KF3 I2.5 22 補水泵 2 缺相 KF4 I2.

55、6 23 引風機啟停 SF15 I2.7 24 鼓風機啟停 SF16 I3.0 （2）PLC的輸出端口包括各種故障指示以及變頻器故障給 PLC的信號， PLC與這些交流接觸器的連接是通過中間繼電器來實現的，可以實現控制系統中的強電和弱電之間的隔離，保護 PLC 設備，增強系統工作的可靠性。以上的配置都留有余量， 為以后的系統擴展提供方便。開關輸出端口的分配表如 4.2 所示。 表 4.2 開關量輸出分配表 序號 名稱 文字符號 端口地址 1 循環(huán)泵 1號 QA1 Q0.0 2 循環(huán)泵 2號 QA2 Q0.

56、1 3 補水泵 1號 QA3 Q0.2 4 補水泵 2號 QA4 Q0.3 5 超溫報警 PG1 Q0.4 6 超壓報警 PG2 Q0.5 7 循環(huán)泵 1 號燈 PG3 Q0.6 8 循環(huán)泵 2 號燈 PG4 Q0.7 12 9 補水泵 1 號燈 PG5 Q1.0 10 補水泵 2 號燈 PG6 Q1.1 11 報警鈴 PB1 Q1.2 12 啟動指示燈 PG7 Q1.3 13 低水位 - Q1.4 14 高水位 - Q1.5 15 工頻

57、運行 - Q1.6 16 變頻運行 - Q1.7 17 引風機燈 PG8 Q2.0 18 鼓風機燈 PG9 Q2.1 （3）模擬量輸入輸出點的分配表 表 4.3 模擬量輸入分配表 序號 名稱 文字符號 端口地址 1 出水溫度模擬輸入 - AIW0 2 室外溫度模擬輸入 - AIW2 3 水位檢測輸入 - AIW4 4 壓力檢測輸入 - AIW6 表 4.4 模擬量輸出分配表 序號 名稱 文字符號 端口地址 1 出水溫度模擬輸出 - AQW0 2 室外溫度

58、模擬輸出 - AQW2 3 水位檢測輸出 - AQW4 4 壓力檢測輸出 - AQW6 4.5 系統主電路的設計 根據本設計的要求，本系統風機和循環(huán)泵采用變頻啟動和調速。變頻器輸入電 源前面接入一個自動空氣開關，來實現電機、變頻器的過流過載保護接通，雖然變 頻器本身就有欠壓、過壓，過流、過載等保護功能，但是對于有工頻運行的水泵電 動機，還需要在工頻電源下面接入相應的熱繼電器，來實現電機的過流過載保護。 1

59、3 圖 4.4 控制系統的主回路 本系統采用 4 臺變頻器連接 4 臺電動機，其中 1 號變頻器控制引風電機， 功率為 90KW，變頻工作方式，電機通過一個接觸器和變頻器輸出電源相聯， 3 號變頻器控制鼓風機，功率為 37KW，變頻工作方式，電機通過一個接觸器與變頻輸出電源連接。 2 號變頻器控制一臺循環(huán)泵， 4 號變頻器控制一

60、臺循環(huán)泵，功率都為 75KW，一臺作為 備用，均采用變頻工作方式。補水泵，爐排電機等采用工頻運行方式，功率為 5KW。 變頻器主電路電源輸入端子 (R, S, T) 經過隔離開關與三相電源連接，變頻器主 電路輸出端子 (U. V, W)經接觸器接至三相電動機上，如圖 4.2 所示。按下啟動按鈕， 系統開始工作，使接觸器線圈帶電并保持，從而使接觸器動作， 1#變頻器、 3#變頻 器接通電源，電動機變頻運行。 4.6 系統控制電路的設計 在控制電路的設計中，首先要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。在整個控制 系統中，所有控制電機、接

61、觸器的動作，都是按照 PLC 的程序邏輯來完成的。為了 保護 PLC設備，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接， 而是通過中間繼電器去控制電機動作。在 PLC 輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，其目的是為了 14 實現系統中的強電和弱電之間的隔離，保護系統，延長系統的使用壽命，增強系統 工作的可靠性。系統要實現手動自動、欠壓、過壓保護，電機的故障指示，變頻器 的故障指示以及報警輸出，模擬量的輸入、輸出模塊。 控制電路中還必須考慮系統電機的當前工作狀態(tài)指示燈的設計，為了節(jié)省 PLC 的輸出端口，在電路中可以采用

62、PLC 輸出端子的中間繼電器的相應常開觸點的斷開和閉合來控制相應電機指示燈的亮和熄滅，指示當前系統電機的工作狀態(tài)。其控制電路圖如圖 4.4 所示。 手動控制時，首先扳動轉換開關 SF1,使電動機啟動時，按下啟動按鈕 SF2，接觸器 QA1吸合并自保，電動機啟動 , 運行指示燈 PG3亮。當接觸器 QA1吸合時，中間 繼電器 QA3接通，變頻器 STF 接通，變頻器啟動。當變頻器故障輸出時，開始報警PB0鈴響，報警指示燈亮。按下復位按鈕 SF9，中間繼電器 QA4接通，常閉觸頭 SF7 打開，解除報警，變頻器停止運行。使電動機停止時，按下按鈕 SF2，接觸器線圈失 電，主

63、觸頭 SF4打開，電動機停止。 自動控制時，扳動轉換開關 SA6，通過 PLC編程控制，來完成電動機的自動控制。 15 L1 FA1 SF1 SF6 SF1 1 2 3 4

64、 手動 停止 自動 SF4 SF4 SF8  N PG0 QA0 SF2 SF3 QA1 PG1 SF4 PG2 SF5 QA2 PG3 SF7 QA3 PB0 SF7 SF9 PG4 QA4 SF7 圖 4.5 控制系統的控制回路

65、 16 4.7 補水泵控制系統 圖 4.6 補水泵系統方案圖 為了保護 PLC設備， PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接， 而是通過中間 繼電器去控制電機或者閥門的動作。在 PLC 輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼 電器，其目的是為了實現系統中的強電和弱電之間的隔離，保護系統，延

66、長系統的 使用壽命，增強系統工作的可靠性。 由于每臺電機的工作電流都在幾百安以上，為了顯示電機當前的工作電流，必 須在每臺電機三相輸入電源前面都接入兩個電流互感器，電流互感器和熱繼電器、 兩個電流表連接。 圖 4.7 是電流互感器的接線圖，兩個電流表一個安裝在控制柜上，另一個安裝在操作臺上，可以方便地觀察電機的三相工作電流，便于工作人員監(jiān)測電機的工作狀態(tài)，同時熱繼電器可以實現對電動機的過熱保護。 17 BE1 BE2 A1 A2 MA M 圖 4.7 電流互感器的接線圖 補水泵有兩臺臺， 1# 和 2#補水泵都配有變頻器。當 1#補水泵采用變頻控制啟動后仍不能滿足要求時，讓 1#補水泵工作于工頻同時啟動 2#補水泵。電動機的工頻運行和變頻運行分別由接觸器 QA1、QA2、QA3、QA4控制，圖 4.8 中 V