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基于PLC的锅炉燃烧控制系统设计_毕业设计论文

2020-04-02 01:53
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  兰州理工大学毕业设计说明书 摘要 随着社会经济的飞速发展�城市建设规模的不断扩大�以及人们生活水平的不断提高�对城市生活供暖的用户数量和供暖质量提出了原来越高的要求。结合现状�本论文供暖锅炉监控系统�设计了一套基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统。 该控制系统以一台工业控制机作为上位机�以西门子S7-300可编程控制机为下位机�系统通过变频器控制电机的启动�运行和调速。上位机监控采用WinCC设计�主要完成系统操作界面设计�实现系统启停控制�参数设定�报警联动�历史数据查询等功能。下位机控制程序采用西门子公司的STEP7编程软件设计�主要完成模拟量...

  兰州理工大学毕业设计说明书 摘要 随着社会经济的飞速发展�城市建设规模的不断扩大�以及人们生活水平的不断提高�对城市生活供暖的用户数量和供暖质量提出了原来越高的要求。结合现状�本论文供暖锅炉监控系统�设计了一套基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统。 该控制系统以一台工业控制机作为上位机�以西门子S7-300可编程控制机为下位机�系统通过变频器控制电机的启动�运行和调速。上位机监控采用WinCC设计�主要完成系统操作界面设计�实现系统启停控制�参数设定�报警联动�历史数据查询等功能。下位机控制程序采用西门子公司的STEP7编程软件设计�主要完成模拟量信号的处理�温度和压力信号的PID控制等功能�并接受上位机的控制指令以完成风机启停控制�参数设定�循环泵的控制和其余电动机的控制。 本文设计的变频控制系统实现了锅炉燃烧过程的自动控制�系统运行稳定可靠。采用锅炉的计算机控制和变频控制不仅可大大节约能源�促进环保�而且可以提高生产自动化水平�具有显著的经济效益和社会效益。 关键字�锅炉控制�变频调速�组态软件�PLC 兰州理工大学毕业设计说明书 1 Abstract Along with social economys swift development, the urban construction scales unceasing expansion , as well as the peple living standards unceasing enhancement , set more and more high request to the city life heatings user quantity and the heating quality. The union present situation, the present paper heating boiler supervisory sysem, has designed a set based on PLC and the frequency conversion velocity modulation technology heating boiler control system. This control system takes the superior machine by one Industry cybertrons , west of family household S7-300 programmable controller for lower position machine ,system through frequency changer control motors start , movement and vclocity modulation .the superior machine monitoring software uses the three dimensional strength to control the WinCC design , mainly completes the system operation contract surface design ,realizes the system to open/stops functions and so on control ,parameter hypothesis ,warning linkage,historical data inquiry. The lower position machine control procedure uses Siemens STEP7 programming software 兰州理工大学毕业设计说明书 2 design , mainly completes the simulation quantity signal processing , temperature and pressure signal functions and so on PID control , and receives the superior machine control command to complete the air blower to open/stops the control , the parameter hypothesis, the circulating pump control and other electric motors control. This article designs the frequency conversion processs automatic control, the systems operation is stable, is reliable. Uses boilers computer control and the frequency converseon control noe only may save the energy greatly, the promotion environmental protection moreover may raise the production automation level, has the remarkable economic efficiency and the social efficiency. Key Words�Boiler control�Frequency conversion velocity modulation �Configuration Software�PLC 兰州理工大学毕业设计说明书 3 目 录 摘要 ................................................. 0 Abstract ............................................. 1 第 1 章 概 述 ...................................... 6 1.1 项目背景及课题的研究意义 ...................... 6 1.2 供暖锅炉控制的国内外研究现状 .................. 7 1.3 锅炉控制系统的发展趋势 ........................ 11 1.4 本文所做工作 ................................. 13 第 2 章 系统方案设计 ................................. 15 2.1 锅炉控制研究简介 ............................. 15 2.2 总体设计思路 ................................. 16 2.3 方案比较 ..................................... 17 2.3.1 方案 1 ................................... 17 2.3.2 方案 2 ................................... 17 2.4 方案论证与方案确定 ........................... 18 第 3 章 硬件设计 ..................................... 19 3.1 用户系统框图 ................................. 19 3.2 锅炉系统的理论分析 ........................... 21 3.2.1 变频调速基本原理 ......................... 21 3.2.2 变频调速在供暖锅炉中的应用 ............... 22 3.2.3 变频调速节能分析 ......................... 23 3.3 燃烧过程控制 ................................. 31 兰州理工大学毕业设计说明书 4 3.4 锅炉控制系统设计 ............................. 32 3.5 控制系统构成介绍 ............................. 35 第 4 章 软件设计 ..................................... 41 4.1 S7-300 系列 PLC 简介........................... 42 4.2 PLC 编程语言简介 ............................. 45 4.2.1 PLC 编程语言的国际标准 ................... 45 4.2.2 复合数据类型与参数类型 ................... 47 4.2.3 系统存储器 ............................... 49 4.2.4 S7-300 CPU 中的寄存器 .................... 50 4.3 STEP7 的原理 ................................ 51 4.3.1 STEP7 概述 ............................... 51 4.3.2 硬件组态与参数设置 ...................... 53 4.3.3 符号表 .................................. 58 4.3.4 逻辑块 .................................. 59 4.3 程序设计 ..................................... 61 4.4 通信系统 ..................................... 64 4.5 人机界面 ..................................... 68 4.5.1 监控软件 WinCC 介绍 ....................... 68 4.5.2 监控系统设计 ............................. 71 4.5.3 锅炉监控界面设计 ......................... 77 第 5 章 结 论 ...................................... 81 5.1 成果的创造性和先进性 ......................... 81 兰州理工大学毕业设计说明书 5 5.2 作用意义�经济效益和社会意义� ................ 82 5.3 推广应用范围和前景 ........................... 83 5.4 需要进一步改进之处 ........................... 83 参考文献 ............................................ 85 外文资料翻译 ........................................ 86 外文翻译原文 ..................................... 87 外文翻译译文 .................................... 111 致谢 ............................................... 124 附录 ................................. 错误!未定义书签。 附录 1 程序清单 .................. 错误!未定义书签。 附录 2 I/O 点数分配表 ........................... 136 附录 3 物理参数比较表 ........................... 138 兰州理工大学毕业设计说明书 6 第 1 章 概 述 1.1 项目背景及课题的研究意义 工业锅炉是工业生产和集中供热过程中重要的动力设备。水暖锅炉在我国已有近百年的历史�在过去很长一段时间�我国水暖锅炉控制一直都是人工手动控制。随着我国人民生活水平的稳步提高和城市化建设的步伐加快�建筑业在国民经济中的重要性日益凸显。而对新型采暖设备的需求量也呈全面迅猛增长的态势。虽然近年来�电热采暖、地热采暖悄然进入寻常百姓家�但以水暖锅炉进行采暖仍是我国最为普遍使用的冬季采暖方式。 工业锅炉能耗巨大�每年的耗煤量超过上亿吨�占我国原煤产量的三分之一�提高其生产效率不仅具有可观的经济效益�还有重要的环保意义。但是我国目前运行的大多数锅炉系统控制水平不高�效率普遍低于国家标准�操作工人水平参差不齐�经常是凭感觉和经验去操作�长期使锅炉处在能耗高、环境污染严重的生产状态。据有关资料显示�世界85%的人口正陆续进入工业化阶段�全球性的人口、资源、环境矛盾尖锐�使我国的现代化面临严峻的挑战�即使国际市场能够弥补中国资源的不足�生态和环境破坏的沉重代价也难以承受。 工业锅炉生产效率会受到诸多因素的影响。炉体本身的生产状况是影响锅炉产热效率的重要因素�但是国内很多供热单位的锅炉炉龄较长、生产状况远低于设计标准�要彻底的更新换代� 兰州理工大学毕业设计说明书 7 需要很大的投资�这是大多数的供热单位不能承受的�也不符合我国现在的基本国情。然而锅炉设备是一个复杂的控制对象�作为一个长期运行的设备�其控制系统的优劣也是影响锅炉生产效率的重要因素。应用计算机技术对锅炉生产过程的相关环节进行自动化控制�能够有效地提高锅炉运行可靠性和生产效率。实际表明�应用于 20~30 吨/时中压锅炉的 DMC 一 50 系列微机控制系统�经实测节煤率达 5%以上。工业锅炉的耗煤产汽既是一个能源转换过程�又是一个生产过程�对于由多个锅炉控制站组成的锅炉群系统�利用网络技术对整个生产过程进行集中监控管理�对生产数据进行记录、统计、分析�将统计分析的各种数据及时发布给相关的部门�如厂领导、调度室、工段室、技术室等有着重要的意义。利用先进网络技术�构建一个由现场控制层、显示操作层和信息管理层组成的集成自动化系统可以使企业生产和管理有机地结合起来。通过现代信息化技术改造�提高整个供热单位的管理水平�管控结合�奖优罚劣�充分调动工作人员的责任心和积极性�通过加强管理提高生产水平�使整个锅炉系统的生产过程处在可达最佳优化状态�可以有效地提高生产效率。 1.2 供暖锅炉控制的国内外研究现状 锅炉的自动化控制从上世纪三、四十年代就开始了�当时大都为单参数仪表控制�进入上世纪五十年代后�美国、前苏联等国家都开始进行对锅炉的操作和控制的进一步研究。但由于当时 兰州理工大学毕业设计说明书 8 科技发展的局限性�对锅炉的控制主要停留在使用汽动仪表(包括汽动单元组合仪表和汽动基地式仪表)的阶段�而且大多数锅炉只是检测工艺参数�不进行自动控制。到上世纪六十年代�在发达国家�锅炉的控制主要以电动单元组合仪表(相当于我国的DDZ-II, DDZ-III 仪表)检测与控制�还是以检测报警为主�控制为辅助功能。到了上世纪七十年代�随着计算机技术和自动控制技术理论的发展�使得锅炉的计算机控制成为可能。尤其是近一、二十年来�随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展�加之计算机各种性能的不断增强�价格的大幅度下降�使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。许多发达国家都相继开发出了锅炉计算机控制系统。如 今在 国 外�锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制�在控制方法上都采用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法�因此�锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳�而且减少了对环境的污染。在国内�由于经济技术条件的限制�中小企业锅炉设备水平一直比较落后�大多数中小型锅炉水平基本上停留在手动和简单仪表操作的水平。80 年代中后期�随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制�锅炉的计算机控制得到了很大的发展。至 90 年代�锅炉的自动化控制己成为一个热门领域�利用单片机、可编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统�己逐渐用于对原有锅炉的技术改造中�并向与新建炉体配套的方向发展�许多新的控制方法�诸如最优控制、自适应控制、模糊控制、神 兰州理工大学毕业设计说明书 9 经网络控制、专家控制等自动控制的最新成果也在锅炉自动控制中得到了尝试和应用.但由于控制技术单一�或控制算法的建模往往不能反映真实的锅炉燃烧状况�导致在工程实践中并不怎么成功�不能产生很好的经济效益�挫伤了用户在工业锅炉上用计算机进行控制的积极性。进入本世纪以来�为了进一步改善锅炉操作状况�降低能耗�确保安全运行�减少对大气的污染�同时随着人工智能理论的发展成熟�智能控制技术的大规模应用�对新一代锅炉计算机优化控制系统的开发和应用已势在必行且条件成熟。 国内供热锅炉燃烧系统自动控制大多在燃油和燃气锅炉上实现的�对于燃煤锅炉�在自动控制研究方面总是得不到满意的效果�存在的主要问题是滞后问题。近几年变频技术在我国的应用领域越来越广�在锅炉控制方面也有应用�主要有三种形式�①全自动变频定压�②锅炉鼓、引风机变频控制�③循环泵变频控制�对系统进行质调节。三种形式均有独立应用的范例�也有组合应用�但主要是以人工控制为主�节能效果仍然取决于司炉人员的经验�水平和责任意识。 SCADA是英文“Supervisory Control and Data Acquisition”的缩写�即“监视控制和数据采集”。SCADA系统是建立在计算机基础之上的自动化监控系统�它的主要任务是采集和管理各个生产环节的实时生产数据�对生产过程进行监视和控制�并保存历史数据和故障事件�提供报表输出和计算、分析SCADA系统作 兰州理工大学毕业设计说明书 10 为生产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一�它有两层含义�一是分布式的数据采集系统�即智能数据采集系统�也就是通常所说的下位机�另一个是数据处理和显示系统�即上位机HMI(HumanMachine Interface�人机界面)系统�下位机通常是指硬件层上的�即各种数据采集设备�如RTU(Remote Terminal Unit � 远 程 终 端 测 控 单 元 ) 、PLC(Programmable Logic Controller�可编程逻辑控制器)及各种智能控制设备等等。这些智能采集设备与生产过程和事务管理的设备或仪表相结合�实时感知设备中各种参数的状态�并将这些状态信号转换成数字信号�通过特定的数字通信网络传递到HMI系统中�必要的时候�这些智能系统也可以向设备发送控制信号。上位机HMI系统在接受这些信息后�以适当的形式(如声音、图形、图像等方式)显示给用户�以达到监视的目的�同时数据经过处理后�告知用户设备各种参数的状态(报警、正常或报警恢复)。这些处理后的数据可能会保存到数据库中�也可能通过网络系统传输到不同的监控平台上�还可能与别的系统(如MIS、GIS)结合形成功能更加强大的系统�HMI还可以接受操作人员的指令�将相应的控制信号发送到下位机中�以达到控制的目的。一个完善的SCADA系统的建立�依托于高精度、智能化的一次仪表获取信息�准确无误的通讯手段传输数据和高效快捷的计算机处理能力。SCADA系统所涉及到的技术比较广泛�有仪表技术、检测技术、通讯技术、网络技术等。SCADA系统一般由企业生产 兰州理工大学毕业设计说明书 11 调度指挥中心、分厂测控站、管网测压点等组成。它所具有的功能一般包括�数据采集控制功能�数据传输功能�数据显示及分析功能�报警功能�历史数据的存储、检索、查询功能�报表显示及打印功能�遥控功能�网络功能等。 1.3 锅炉控制系统的发展趋势 随着国民经济的飞速发展�对供暖系统的自动化提出了更高的要求。必须对现有系统的控制和管理进行改造和完善�从落后的人工抄表、手工记录方式向自动化检测和控制方向发展。采用现代化技术和手段�对系统运行参数(如循环水水温、管网水压和水流量、水箱水位以及水泵的运行状态等)实施自动化监测和控制管理�从而降低系统的运行成本�提高效率�保证设备安全�带来可观的经济效益和潜在的社会效益。这对提高供暖系统的运行可靠性、提高产品质量、保证安全生产、提高管理水平和减员增效具有重要意义。以往的供暖系统�由于热源传送距离较远�需监测和控制的点较多�且这些点在空问上布置分散�从而造成了人工劳动强度大�控制不及时等问题。而集中了PLC系统的现场测控功能和DCS系统的信息共享和组网通信能力两大优点的SCADA系统(Supervision ControlAnd Data Acquisition)�即分布式数据采集和监控系统是自动化领域的重要系统之一�SCADA系统可实现多点测量�且测控精度高�测控速度快�采用此种系统对整个供暖过程进行监控既可以保证生产过程运行的安全可 兰州理工大学毕业设计说明书 12 靠�节约能源�又可大大减轻人工的劳动强度。同时在软件设计上可采用通用的工业控制组态软件�根据系统的实际情况进行灵活的优化配置。 当前�节能与环保已成为人类社会面对的两大课题。我国的锅炉目前已煤为主要燃料�耗煤量接近全国煤产量的三分之一�燃用的主要是中低质煤�工业污染十分严重�而且锅炉设备陈旧�生产效率和自动化程度低�进一步加重了环境污染的程度。在欧美和日本等发达国家�石油和天然气已成为第一能源�占能源消费的 60%左右�燃油和燃气锅炉已逐步取代燃煤锅炉�对风机和水泵等电机的变频控制已相当成熟。自二十世纪九十年代以来�随着超大型可编程控制器的出现和模糊控制�自适应控制等智能控制算法的发展以及智能控制器的应用�锅炉控制水平大大提高�以实现优化控制国内对锅炉控制的研究起步较晚�始于八十年代初期。国内研究锅炉控制比较成熟的企业有上海杜比公司�南京仁泰公司等�但仍存在一些问题� 1.大多数现有的锅炉控制系统可控制的主要还是开关量设备�如风机、炉排和水泵的开关或者阀门控制。不能对它们精确连续调节�使控制手段单一�控制精度低。 2.锅炉控制系统的的控制方案不够合理�锅炉控制器一旦出现故障�只能采取系统断电处理�进行人工操作。若锅炉系统中的传感器、变送器等设备出现故障时�温度、压力等参数就无法达到设定值。 兰州理工大学毕业设计说明书 13 3.我国自七十年代末开始�锅炉的微机控制逐渐成熟起来�但主要是西安仪表显示、报表打印等功能�并未实现锅炉自动控制�下位机主要以单片机为主�控制水平有限�可靠性不够高。 1.4 本文所做工作 针对目前供暖锅炉控制的现状�本文的设计要求� 随着我国工业化进程的迅速发展�自动控制系统已渐渐应用到锅炉系统�结束了以往锅炉系统全部用人工或简单的电气控制的落后局面�减轻过路监控人员的劳动强度�避免人为疏忽而造成的事故的发生�提高锅炉系统的效率。锅炉燃烧控制系统采用PLC 和变频器�实现锅炉燃烧节能的优化控制。通过锅炉引风和鼓风系统的闭环控制来实时调节烟气氧含量和炉膛负压�使锅炉系统的空燃比达到最优�烟气氧含量保持在一个合理的范围内�从而实现锅炉燃烧过程的自动控制。 1、 提出控制系统方案。本文针对供暖锅炉控制系统�设计一套基于变频调速技术的锅炉监控系统。本文提出对锅炉供暖系统中的风机和水泵等通过变频器来调节点击的转速�节省了大量的电能。本系统中上位机采用高可靠性的工业控制计算机�对锅炉控制系统同一调度和监控管理�下位机采用西门子公司 S7-300 可编程控制器�实现锅炉燃烧系统和管网系统的自动控制�控制水平和硬件可靠性大大提高。 2、 本系统的主要任务是锅炉系统的变频改造�变频调速 兰州理工大学毕业设计说明书 14 技术是关键技术�因此本文详述变频调速技术在锅炉控制的应用�并分析变频调速应用在锅炉供暖系统带来的节能效果。 3、 简述供暖锅炉的控制原理�提出供暖锅炉系统的控制模型和锅炉控制系统的总体设计。本文讨论了锅炉控制系统的设计目标、功能分析和控制方案。并详细介绍了整个系统的硬件结构和通讯配置。 4、 下位机控制系统的设计。本文首先根据系统控制要求确定 PLC 的选型以及模块的选择�讨论 PLC 与上位机之间、PLC与变频器之间的通讯配置�制定通信协议�设计 PLC 控制程序�给出主程序、基础功能块和各子程序的设计流程图和部分梯形图程序。 5、 上位机监控组态软件设计。上位机监控系统完成对整个系统的监控管理�本文选用 WinCC 来设计�根据用户提出的要求完成了操作界面及控制程序�实现超温超压报警联动等。 兰州理工大学毕业设计说明书 15 第 2 章 系统方案设计 2.1 锅炉控制研究简介 锅炉是一种应用广泛的工业及民用设备�对国民生产及生活影响重大�无论是工厂、矿山还是在人们的日常生活中我们都可以感受到锅炉对我们的影响。目前我国锅炉使用数目庞大�并且多数锅炉控制水平不高�大多数锅炉仍处于人工控制状态�不仅操作工人劳动强度大�环境污染严重�运行工况不稳定�而且热效率低�燃料的消耗量大�年耗煤量占我国原煤产量的 1/3�节能潜力大。随着工业的发展�及居民生活区的集中�热力供应量的需求尤其是北方地区居民取暖需求越来越大�锅炉供热的需求持续增高�为了减少劳动强度、提高生产效率、节约能源、净化环境�就需要对锅炉操作运行过程更加严格要求。过去传统的单一人工操作已跟不上时代的发展及工艺控制的要求�计算机在锅炉控制中的作用越来越大�使用计算机加强对锅炉的运行控制�有助于降低维护成本、便于选择控制方法。且可以提高系统的自动调节及控制水平�可维持稳定的运行工况�保证锅炉经济燃烧。锅炉是一个典型的非线性时变多变量混合系统�过程机理错综复杂�不能建立精确的系统数学模型。若采用传统的控制方法�包括基于现代控制理论的控制方法�很难得到理想控制效果�为生 兰州理工大学毕业设计说明书 16 产过程的自动化带来了困难�从而考虑使用一些智能手段来实现控制目标。对其控制算法进行研究�具有比较重要的现实意义。实际中锅炉是以生产具有一定压力、温度参数的蒸汽或热水�满足外部对负荷的需求为目的。为满足外部负荷设备的要求�并保证锅炉本体的安全经济运行�要求自动控制设备具有完善的自动控制功能以及自动检测、自动保护、程序控制等功能。控制系统一般包括给水调节系统和燃烧控制系统等两个主要部分。无论是燃煤�燃油或燃气锅炉�它们的给水控制系统基本相同�主要区别在于燃料燃烧控制系统的结构不同。工业锅炉自动控制的任务主要是维护锅炉的水位、温度、压力、炉膛负压、烟汽含氧量等物理参数在规定的范围内�并能自动适应负荷的变化�从而使锅炉在良好的状况下运行。 2.2 总体设计思路 本文针对供暖锅炉控制系统�设计一套基于变频调速技术的锅炉监控系统。锅炉供暖系统中的风机和水泵通过变频器来调节电机的转速�通过工控机和可编程控制器对锅炉系统中的鼓风机、引风机、炉排电机、循环水泵实现控制。控制系统以一台工业控制机作为上位机�以西门子 S7-300 可编程控制器为下位机、上位机采用高可靠性的工业控制计算机�通过监控软件完成人机界面及故障报警功能�下位机实现锅炉燃烧系统和管网系统的自动控制�控制水平和硬件可靠性大大提高。 兰州理工大学毕业设计说明书 17 2.3 方案比较 2.3.1 方案 1 以西门子 S7-200 为核心�进行研发锅炉的自动控制系统�系统框图如下� 图 2-1 方案 1 系统框图 该系统可以基本满足设计的技术要求。 2.3.2 方案 2 以西门子 S7-300 为核心的锅炉自动控制系统�该系统可以使自动化程度大幅提高�可监控该系统运行时的所有变量�系统框图如下所示� S7-200 CPU 224 EM231 模块 EM223 模块 燃烧机风机 循 环 泵 给 煤 机 电 磁 阀 报警 人机界面 温度传感器 压力传感器 锅炉水位传感器 S7-300 CPU 315 EM321 模块 EM322 模块 EM331 模块 引 风 机 循 环 泵 给 煤 机 电 磁 阀 温度传感器 压力传感器 锅炉水位传感器 流量传感器 补 水 泵 兰州理工大学毕业设计说明书 18 图 2-2 方案 2 系统框图 2.4 方案论证与方案确定 方案 1 的系统选取的 CPU 是西门子公司的 S7-200 系列�其功能和自动化程度于 S7-300 系列相比较来说有很大不足�达到相同的设计功能�S7-200 的系统比 S7-300 系统要大很多�降低了系统的稳定性和可操作性。同时使用 S7-200 进行系统设计会增加设计难度�因此本设计选用 S7-300 PLC 为核心的 CPU 来进行系统的设计。 控制系统以两台工业控制机作为上位机�以西门子 S7-300可编程控制器为下位机。上位机采用高可靠性的工业控制计算机�通过监控软件完成人机界面及故障报警功能�下位机采用西门子公司 S7-300 可编程控制器�实现锅炉燃烧系统和管网系统的自动控制�控制水平和硬件可靠性大大提高。ag旗舰厅app下载, 兰州理工大学毕业设计说明书 19 第 3 章 硬件设计 3.1 用户系统框图 系统运行的示意图如图 3-1 所示. 兰州理工大学毕业设计说明书 20 出水压力回水压力炉膛负压 图 3-1 系统运行示意图 由图 3-1 可以看出�由输煤装置送入煤斗的原煤�直接落在缓缓向前移动的炉排进入燃烧室。在燃烧室中燃烧的空气由炉排下的风机供给。燃料燃烧所产生的高温烟气以辐射放热的方式向燃烧室四周的水冷壁传递热量�然后经防渣管进入对流烟道。对流烟道是由烟墙隔成的。对流烟道中布置有对流管束等受热面。对流管束是与上、下锅筒连在一起的一簇管束�管内的水吸收烟道中的热量而升温。一部分在上锅筒中被加热的高温水进入供水管道。烟气在烟道中冲刷对流管束以及下锅筒放出热量后�进入尾部烟道�然后经引风机和烟囱排入大气。排入大气的烟气温度越低�说明烟气的热量被吸收的越充分�燃料的热能被利用的程度越高�锅炉的热效率就越高。 锅炉是个较复杂的调节对象�为保证提供合格温度的热水供 兰州理工大学毕业设计说明书 21 取暖需要�生产过程各主要工艺参数必须加以严格控制。锅炉控制系统的基本控制任务和控制要求包括�燃烧控制�炉膛温度控制、炉膛负压控制、引风控制、送风控制��给水控制�供水运行参数和水压力、供水温度、供水流量等��以及对各设备状态进行检测�以便进行显示、报警、工况计算以及指标打印等。 3.2 锅炉系统的理论分析 3.2.1 变频调速基本原理 目前�随着大规模集成电路和微电机子技术的发展�变频调速技术已经发展为一项成熟的交流调速技术。变频调速器作为该技术的主要应用产品经过几代技术更新�已日趋完善�能够适应比较恶劣的工业生产环境�且能提供较为完整的控制功能�能满足各种生产设备、异步电动机调速的要求。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比关系。 n=60f(1-s)/p 其中表示 n 电机转速� f 为电动机工作电源频率� s 为电机转差率� p 为电极磁极对数。 通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理才用交-直-交电源变换技术�集电力电 兰州理工大学毕业设计说明书 22 子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。 3.2.2 变频调速在供暖锅炉中的应用 由于变频调速可以实现电机无极调速�具有异步电机调压调速和串级调速无可比拟的优越性�在锅炉系统中得到广泛的应用。变频调速在供热锅炉系统中主要应用在风机调速和水泵调速。 通常在锅炉燃烧系统中�根据生产需要对风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应用户要求和运行工况。而最常使用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调节受控对象。这样�不论生产需求的大小�风机都会全速运转�而运行工况的变化则使得能量以及风门、挡板的节流损失消耗掉。在生产过程中�不仅控制精度受到限制�而且还造成能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加�设备使用寿命缩短�设备维护、维修费用居高不下。 在供暖锅炉系统中带有循环泵、补水泵等水泵类设备�根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样�不仅造成大量的能源浪费�管道、阀门等密封性能的破坏�还加速了泵腔、阀体的磨损和汽浊�严重时损坏设备而影响生产。 近年来�出于节能的迫切需求和对供暖质量不断提高的要求�加之采用变频调速器�简称变频器�易操作、免维护、控制 兰州理工大学毕业设计说明书 23 精度高�并可以实现高功能化等特点�因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。用变频器来对异步交流电动机调速�是八十年代末迅速发展成熟的一项高新技术。它的优点是�调速的机械特性好�调速范围广�调速特性曲线平滑�可以实现连续、平稳的调速�尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时�可获得显著的节能效果。 3.2.3 变频调速节能分析 变频调速应用于锅炉系统的风机和水泵等电机的自动控制中�其节能效果明显。本节将以风机节能为例�详细分析其节能效果。 1.风机、水泵运行特性及常用方法的节能分析 �由于风机和水泵的运行特性相同�此处以风机为例来讨论它的特性� �1�流量和压力 用 H = F(Q)表示风机全压(包括静风压和动风压)与风量的关系风机的轴功率 P 为: 3600FQ HP��� KW �3.1� 式中 Q-风量, m3/h; H-全压� kPa; F�-风机效率。 兰州理工大学毕业设计说明书 24 电动机的输出功率 P m 为: 3600MC FP Q HP� ��� � KW �3.2� 式中C�一传动机构的传动效率。 �2�流量和功率 在流体力学中�转速流量功率存在者下列关系: 3 3 n G H Nn GH N� � � �3.3� 由(3 .3)式可知�风量与转速成正比�风压与转速的平方成正比�轴功率与转速的立方成正比。如果风量下降 20%�可以采用调速的方法使转速下降 20%,则风机的轴功率要下降到原值的51.2%;当风机量减少至 50%时�风机的轴功率下降至原值的12.5%。当然�风机速度大幅度下降时�风机效率也有所下降�实际需要的轴功率要高于上面的计算值。即便这样�节电量也是相当可观的�因此�风机、水泵采用调速控制流量是非常有意义的。 �3�风机、水泵的轴功率 对于流量变化较大的风机、水泵�采取调速的方法改变流量�是节电的有效方法。降低风机的转速�可大大降低风机的轴功率�图 3-2 为风机调速节能原理图。 兰州理工大学毕业设计说明书 25 图 3-2 风机调速节能原理图 上图绘出了风机在不同转速下的典型输出特性 H (n1)H (n2)�图中曲线 分别表示由管路所决定的特性曲线 时�输送的总流量 Q1�由点 1决定�此时风机的输出的压力为 H1�所需的轴功率: 1 11Q HN��� �3.4� 若所需流量为 Q2�在管路阻力不变的情况下�实际所需的压力为 H3�比 H1 下降�但如果此时的风机转速没有改变�那么风机的输出压力不但不能从 H1 降到 H3�反而要增加到 H2�而这个压头差值通常就是通过调节风门来实现�从而增加了管道阻力�使管道特性系数变为 R2 来实现的�此时的损耗为: 2 2 3 2( )SSQ H H Q HN� �� � �� � (3.5) 如果此时不采用调节风门的办法而是将风机的转速调低为 兰州理工大学毕业设计说明书 26 n2�使风机的输出特性变为 H (n2)�那么随着风机的输出风量的减少�在输送同样的风量 Q 2 的情况下�原来消耗在风门上的功率 NS 就可以完全可以避免了�这样既满足了生产的需要�又达到了节能的目的。从下表的几种选择可以看出�变频调节风量节能最显著�挡板调节风量耗能最严重。 表 3.1 调节风门挡板、变频调速的耗能分析表 风 量�%� 轴 功 率kw(标牌) 出 口 挡 板�kw� 入 口 挡 板�kw� 变 频 、 串 级�kw� 电 机输入 总 损失 电 机输入 总 损失 电 机输入 总 损失 100 1 1.07 0.07 1.06 0.06 1.08 0.08 90 0.729 1.035 0.306 0.84 0.111 0.79 0.061 80 0.512 0.995 0.483 0.725 0.213 0.55 0.038 70 0.343 0.96 0.607 0.68 0.337 0.38 0.037 60 0.216 0.895 0.679 0.64 0.424 0.25 0.034 50 0.125 0.84 0.71 0.6 0.47 0.15 0.02 兰州理工大学毕业设计说明书 27 5 5 5 30 0.027 0.71 0.683 0.52 0.473 0.05 0.023 流量的调速方法很多�常用的有变极调速、二次电阻控制调速、变频调速(V VVF)等�这些控制方法各具特点。当流量调节在 90%以上时�各种调速方法的效率差不多�也可不采用调速装置。若流量调节在 60%以下时�变频和变极调速效率较高�其它方法不太适宜。在变频、变极、串级三种高效调速方法中�由于后两种调速方式要改变原有电极的定子绕组极对数和原有基础位置等�不如变频调速方法容易采用�因此变频调速的方法目前应用较广。调速可以节能�但节能的多少�需视调速系统的运行工况、运行时间(调节与不调节流量的时间比)、流量调节范围的大小而定。在运行中�由于流量减少�电动机和调速装置的效率也有所下降�但电能的节约量却在增加。风机 、 水泵调速节能效果大小�主要以节能率(即节能功率与额定功率之比)来反映。需要注意的是�上述离心机械设备的工作特性�虽然都遵守比例定律�但在工程实际中�风机和水泵却存在明显的不同之处。对于风机�在绝大多数情况下�其运行时的基本特性接近理论值;而对于水泵�由于实际工况的存在�在同样流量变化时�调节水泵转速的节能效果要低于调节风机转速的节能效果。调频变压调速器是一种现代高技术节能装置�即所谓 VVVF�常称变频调速器。将其应用到暖通空调制冷行业�能达到明显的节能效果�被 兰州理工大学毕业设计说明书 28 称为 80 年代暖通制冷空调的两大突破之一。变频调速比其它调速方法具有高效性�它能实现无级调速�调速比一般可达 20:1�调速起动能耗小、寿命长、可靠性高、维修方便、占地面积小、无噪声、性价比高、一机多控、节能效率高、收回投资快等特点。 目前�变频调速技术已逐渐为许多企业所认识和接受�随着这项技术的不断发展和完善�它必将得到更加广泛的应用�也必将为认识和接受它的企业带来可观的经济效益。 2. 供热系统的计算依据 (1)初调节依据 根据流体力学和工程热力学基本理论�供暖系统的热量、流量和作用压力的关系为: 2P S V � � mH 2 0 (3.6) PQ C V t � � � � � � w (3.7) 式中: P � ---用户系统的作用压头�mH 2 0; V---用户的热水流量�m3 /h; S----用户的阻力特性系数�h2 /m 5 Q---用户的供热量�w � ---循环水的密度�kg/m3 C P ---水的比热�J/kg . ℃ 兰州理工大学毕业设计说明书 29 t � ---供回水温差�℃。 当系统达到热力稳定后�记录下各用户供回水温差和压力差及热源总供回水温差�然后顺序调节�应使热用户调节后的供回水压力差为� ( )yyrtP P at�� � � � �� mH 2 O (3.8) 式中: yP � ---调节前热用户记录的供回水压力差,mH 2 O yt � ---调节前热用户记录的总供回水温差�℃ rt � ---调节前热源记录的总供回水温差�℃ a---修正系数。 当用户的供回水温差大于热源总供回水温差时�a=1.031.06�偏差大时取较大值�偏差小时取较小值。当用户的供回水温差小于热源总供回水温差时�a=0.95--0.98�偏差大时取较小值�偏差小时取较大值。初调后�待系统达到新的稳定状态�再进行读数记录、计算和调节�这样反复进行�直到满足要求为止。 (2)运行调节参数的计算 供暖系统对建筑物供热�既要保证在设计条件下(最不利情况)室温符合要求�同时允许在一定的范围内波动。因此不仅要有正确的设计�而且要对系统进行正确的运行调节。但是目前大 兰州理工大学毕业设计说明书 30 部分供暖系统的设计热负荷值大于需要值�选用的散热器面积随之增大�造成系统的供回水温度达不到设计值�相应的运行参数值也不符合理论计算值。因此�在确定运行参数时�要考虑散热器的相对面积及系统的相对流量值。如采用质调节运行方式�供回水温度计算公式为: 1( ) 1( )xd xdBh n g jxd xdQ Qt t t tF G�� � � � � � ℃ (3.9) 1( ) 1( )xd xdBg n g jxd xdQ Qt t t tF G�� � � � � � ℃ (3.10) 式中: nt --- 室内温度�℃� St � --- 散 热 器 的 设 计 平 均 计 算 温 差 � 0.5( 2 )S g h nt t t t � � � � ℃� gt � ---用户的设计供水温差� 0.5( )g g ht t t � � � ℃� xdQ ---相对热量�( )( )n wxdn wt tQt t���� xdG---相对况量�xdGGG�实计 xdF ---散热器相对面积�xdFFF�实计; B---散热器传热系数指数。 �3�累计热量计算 兰州理工大学毕业设计说明书 31 根据热力学基本原理�在某一时间内�锅炉的总供热量为: 21( )P g hQ C V t t dt � � � � � ��� �3.11� 式中: t--- 累计时间�S; t g �t h ---锅炉总供回水温度�℃。 其它符号同前。比热 C P 和密度 � 是温度的函数�所以只要知道各时刻的流量和供回水温差�即可求出某时间内的热量。 3.3 燃烧过程控制 供暖锅炉燃烧系统是一个多变量输入、多变量输出、大惯性、大滞后且相互影响的一个复杂系统。当锅炉的负荷变化时�所有的被调量都会发生变化�而当改变任意调节量时�也会影响到其他被调量。 锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是是燃料燃烧所提供热量适应符合的需要�同时还要保证锅炉安全经济运行。燃烧控制系统的任务主要有三点� �1�稳定锅炉的出水温度�始终保持在设定值附近。出水温度的设定值与室外温度以及消耗热量�负荷�的变化相关�以出水温度为信号�改变燃煤量和风煤比�达到出水温度与设定值一致。同时测量系统的回水温度和炉膛温度�若回水温度过低则适当加大给煤量�反之则适当减少给煤量�若炉膛温度过高则适 兰州理工大学毕业设计说明书 32 当减少给煤量�反之则适当加大给煤量。 �2�保证锅炉燃烧过程的经济性。对于给定出水温度的情况下�需要调节鼓风量和给煤量的比例�时好美两盒鼓风量成比例关系�同时根据出水温度的变化对鼓风量进行前馈控制�然后通过测定烟气含氧量�运用偏差控制调节风煤比�使燃煤充分燃烧。 �3�调节鼓风量和引风量�保持炉膛压力在一定的负压范围内。炉膛负压的变化�反映了引风量和鼓风量的不相适应。如果炉膛负压太小�炉膛容易向外喷火�危及设备与工作人员的安全。负压过大�炉膛的漏风量过大�增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。本系统中根据鼓风量的变化�对引风量进行前馈控制。根据经验设定炉膛负压�并测定炉膛负压�运行 PID 算法控制炉膛负压保持在一定的范围内�从而调节引风量�确定引风机的转速。 3.4 锅炉控制系统设计 锅炉的工况如下: (1)完全手动控制方式�水位控制、给煤量的多少(即炉排转速)、鼓风量的多少(即鼓风机转速)和引风量的多少都是操作工凭借经验进行调节。这样的控制方式造成操作工劳动强度大且增加了系统的不可靠性。 (2)控制设备落后�通过挡风板对鼓风量和引风量进行控制� 兰州理工大学毕业设计说明书 33 大量的能源浪费在挡风板上�能源浪费严重。同时电机转速不可调�只能通过启停改变输入�难以进行有效控制�而且电机损耗严重。 (3)控制效果差�锅炉长期工作在大鼓风大引风状态下�热量损失严重、锅炉热效率低。通过调查�我们可以看出该营区锅炉的整套控制系统是很落后的�这直接带来了控制效果差、锅炉热效率低、能耗大环境污染比较严重等诸多问题。故需要设计新的控制系统以达到降低能耗�改善环境污染�减小操作人员的劳动强度和提高经济效益的目的。 根据锅炉供暖系统的工作特点�控制系统的基本控制任务和控制要求包括:燃烧控制(炉膛温度控制、炉膛负压控制、引风控制、送煤控制):给水控制(供水压力、供水温度、供水流量等);以及对各设备状态进行检测�以便进行显示、报警、工况计算以及制表打印等。锅炉是高压运行设备�保证安全性极其重要。在用户供暖需要的情况下�S7-300 PLC 控制给水阀、输煤量、鼓风量与引风量�使保持锅炉的出水温度稳定�炉膛负压稳定�烟气稳定�使燃料能量最充分地燃烧�以取得最大的热效率。最优燃烧控制则关系到锅炉经济运行。利用 S7-300 PLC 对锅炉系统进行控制的整体结构图如图 3-3 所示� 兰州理工大学毕业设计说明书 34 传感器温度传感器变送器S7-300PLC锅炉泵及风机PC打印机键盘鼠标 图 3-3 锅炉控制系统结构图 在锅炉房供暖系统中�主要是对系统的总供回水温度、循环水量、室内外温度、瞬时热量和累计热量等重要参数进行监控。这些参数可以反映供暖系统温度、流量随室外温度变化的规律�它的准确程度直接影响到方案的准确性。图 3-4 为锅炉房供暖系统监测示意图。 风机炉排机锅炉给风量给煤量管网出水温度回水温度室外气象参数室内温度设定 图 3-4 锅炉供暖检测示意图 锅炉计算机自动化控制系统�就是利用现代计算机技术来实现工业锅炉生产过程自动化的系统。它的组成应包括两个部分�即控制器部分和锅炉生产设备部分。其中控制器部分为系统的控制核心�它通过智能仪表对锅炉的现场工况〔出回水温度、炉膛温度等)数据进行采样检测�并通过总线将信号传送至可编程序处理器(PLC)上�PLC 按照事先编好的程序对数据进行处理和运算�最后输出控制信号控制锅炉生产过程�同时还可实现向上位 兰州理工大学毕业设计说明书 35 机传送数据信息�上位机也可通过接入总线实现对生产过程的监视和控制;锅炉生产过程由锅炉本体和炉排电机、鼓风机、引风机及其变频器等辅机组成�辅机的运行就由 PLC 控制�从而实现对锅炉生产过程的设计。 锅炉上位机变频自动控制系统中�上位机及上位机上运行的组态软件实现人机交换功能�操作人员可以通过组态软件监视锅炉的运行过程�同时也可以通过上位机�通过组态软件对锅炉的运行进行干预控制。 锅炉生产过程部分是锅炉生产运行场所�它由锅炉本体及其辅机组成。 锅炉辅机包括鼓风机、引风机、水泵、上煤机和除渣机等设备。 本设计中所用模糊自整定 PID 控制算法�通过对西门子公司的 S7-300PLC 处理器编程来实现�采集误差信号和误差变化量信号�将其模糊化到语言变量的论域�采用离线计算的方法将模糊规则制成模糊查询表�通过在线方式查询模糊控制量输出�最后将 PID 参数校正量与基准量相加�获得 PID 参数的即时值�最后进行 PID 运算计算得到控制对象执行器。 3.5 控制系统构成介绍 本设计综合考虑锅炉的控制特性和现场条件�确定采用 PLC加上位机监控工作方式同操作台手动操作切换方式�其中 PLC 加 兰州理工大学毕业设计说明书 36 上位机工作方式可用于自动状态�操作台工作方式用于人工调试或紧急情况下使用。两种方式间可自由切换�且处于操作台工作方式时�PLC 及上位机仍采集现场信号�但输出不对现场作用。 本设计主要设计 PLC 加上位机的控制方式。在整个系统运行时�上位机完成参数设定和状态监控�PLC 负责实时控制程序的运行。系统由 4 个子系统组成:水位控制子系统、出回水压力控制子系统、最优风煤比控制子系统和负压控制子系统。根据工程实际情况本系统对锅炉进行控制�控制系统所采用主要部件如下: 安装有 WinCC 组态软件及 STEP 7 软件的计算机一台�PLC控制器 1 套、压力信号传感变送器 2 个、液位信号传感变送器 2个、温度信号传感变送器 2 个、回水流量传感变送器 2 个、给水流...

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