毕业设计（论文）-基于PLC的锅炉风机调速系统.pdf

- i - 基于基于基于基于 plcplcplcplc 的锅炉风机调速系统的锅炉风机调速系统的锅炉风机调速系统的锅炉风机调速系统 摘要摘要摘要摘要 锅炉自动化是锅炉厂重要的组成部份，是大型锅炉机组取得良好安全经济 效益的重要保证。其中，锅炉风机系统是锅炉厂自动化中不容或缺的重要部 分，风机控制的合理性保证了锅炉厂供暖过程中能进行充分的能量转换，从而 达到最大限度节能的目的。 锅炉风机主要是通过风机对锅炉内部的温度进行控制，其中，风机的自动 化控制，以及节能性对生产生活中的经济型，安全性起到重要的作用，尤其在 当今对信息化，工业生产的集约化，以及能源日益短缺的大背景下，生产环节 能够实现自动控制，以及节能减排对于企业来说具有重要的意义。本文根据锅 炉控制的要求，主要研究采用 plc 与变频器的组合构成自动化控制系统实现对 风机的自动化控制系统方案，包括对风机 pid 算法控制与变频的使用。 本文根据锅炉的控制要求，查找有关风机控制方面的资料，系统分析对风 机设计的主要思想，设计出几套方案，从中选择最好的方案。并得出控制系统 的组成，控制原理，硬件设计，系统软件控制，最大限度的保证锅炉风机工作 的安全性，经济性以及节能性。 关键词关键词关键词关键词锅炉风机；plc；变频器 哈尔滨理工大学学士学位论文 - ii - b b b boileroileroileroiler f f f fanananan s s s speedpeedpeedpeed c c c controlontrolontrolontrol s s s systemystemystemystem d d d designesignesignesign abstractabstractabstractabstract boiler automation is an important part of the boiler plant and is the important guarantee which let a large boiler unit receive good security economic benefit .the boiler fan system is indispensable important part of boiler plant automation.the rationality of fan control ensures that the boiler heating process can do sufficiently energy conversion, so as to achieve the purpose of energy-saving maximum. boiler fan mainly control the temperature inside the boiler through the fan. the automatic control and energy play an important role on economy and security of the life. especially in the big background of information; the industrial production of intensive, and energy shortage of increasingly. production links will be able to realize the automatic control. and energy conservation and emission reduction has a vital significance for enterprise. according to the boiler control requirements, this paper adopts mainly automatic control system which is constituted by plc and inverter combination to realize the automatic control system scheme. including the use of the fan with frequency conversion control pid algorithm. according to the control requirements of boiler, i find thematerial which relates to fan control ;analysis the main idea of the fan design; design a few options; and choose the best solution. then i achieve the control system composition, control principle, hardware design, software control system ,it is possible to get the security of the boiler fan work, economy and energy-saving. keywordskeywordskeywordskeywordsboiler fan; plc; a frequency transformer 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iii - 目录目录目录目录 摘要.i abstractii 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景.1 1.2 国内外锅炉研究现状.1 1.3 本文主要研究内容.2 1.4 设计应用与价值.3 第 2 章 炉风机的工作过程5 2.1 锅炉的工作原理.5 2.2 方案设计.5 2.3 系统技术要求.7 2.4 本章小结.7 第 3 章 锅炉风机调速系统硬件电路设计8 3.1 闭环系统控制组成.8 3.2 控制系统硬件选择.8 3.2.1 风机8 3.2.2 温度采集11 3.2.3 变频器的选择12 3.2.4 plc 型号选择及功能.14 3.2.5 em235 性能指标.17 3.3 电气控制系统原理图设计.19 3.3.1 电控系统主电路图19 3.3.2 电控系统控制电路20 3.3.3 风机控制系统 plc 及扩展单元外围接线图.20 3.4 本章小结.21 第 4 章 plc 软件设计22 4.1 梯形图介绍.22 4.2 软件实现主要功能介绍.22 4.3 程序设计流程图.22 4.3.1 总体流程设计22 4.3.2 手动模式23 4.3.3 自动模式23 4.4 部分程序设计及说明.24 4.4.1 手动控制25 4.4.2 自动控制程序26 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iv - 4.4.3 风机控制程序。27 4.4.4 开机初始化程序30 4.4.5 中断程序31 4.5 本章小结.33 结论34 致谢35 参考文献36 附录 a 软件程序.37 附录 b 外文文献. 42 附录 c 翻译 49 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 课题背景课题背景课题背景课题背景 众所周知，锅炉是许多工业企业生产线运行的“心脏”，锅炉本身的控制系 统较为复杂，统计结果显示，目前的锅炉燃烧控制普遍采用比较传统的控制方 式，即采用人工调节风门或阀门对锅炉的泵机风机进行控制，并通过压力、温 度仪表的显示和大脑的分析做出操作是否合理的判断，来实现对锅炉燃烧状态 控制的目的。而在锅炉风机控制系统中，多采用接触器控制，故障率较高，影 响了锅炉的正常稳定运行，制约了生产；流量调节控制靠改变风门挡板或阀门 开度来实现（电动机始终处于恒转速的运行状态） ，节流引起大量的电能损失， 而且锅炉给水采用执行器手动控制，在用汽量波动大时，水位跟踪性能差，直 接对锅炉运行安全性造成影响。 近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展。变 频调速以其优异的调速和起制动性能，显著的节电效果，广泛的适用范围及其 它诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。尤其是在泵机风机设 备中应用得极为广泛，如锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场 合。实践证明，拖动风机、泵类的大中型笼式感应电机，如采用变频调速技 术，平均可节能 3040%左右1。 由三相交流异步电动机的转速计算公式 n=60f/p(1-s)可知，电机转速与电源 频率成正比，即改变电源的频率就可改变电机的转速。理论上风量与转速的二 次方成正比，风压与转速的平方成正比，所以轴功率与转速的三次方成正比。 可见，与调节风门相比，调节转速具有十分显著的节能效果，因为后者在实现 了调节目的（减少流量）之后，拖动对象所消耗的轴功率也同时减少了。 1.21.21.21.2 国内外锅炉研究现状国内外锅炉研究现状国内外锅炉研究现状国内外锅炉研究现状 目前，全国在用工业锅炉保有量 50 多万台( 包括火电厂)，约 180 万蒸吨/ 小时。燃煤锅炉约 48 万台，占 t 业锅炉总容量的 85%左右，平均容量约 3.4 蒸 吨/小时，其中，20 蒸吨小时以下超过 80%。113 个大气污染防治重点城市中约 有燃煤工业锅炉 24 万台，90 万蒸吨/小时, 占全国的 1/2 .工业锅炉主要用于工 厂动力、建筑采暖等领域，每年耗原煤约 4 亿吨2。 我国工业锅炉仍以燃煤为主， 油、汽等其它燃料为辅。从用煤情况看， 10t/h 以下的锅炉用煤量约占工业锅炉用煤总量的 50%，10t/h 以上锅炉由于单台 容 大、年累计运行时问长，用煤量约占上业锅炉用煤量的 50%。 我国燃煤工业锅炉效率低，污染重、节能潜力巨大。锅炉设计效率为 72%80%。平均运行效率约 60%65%，比国外先进水平低 1520 个百分点； 每年排放烟尘约 200 万吨，一氧化硫约 600 万吨。燃煤工业锅炉存在的主要问 题是：单台锅炉容量小，设备陈旧老化； 锅炉平均负荷不列 65%，“ 大马拉 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 小车” 现象严重；锅炉自动控制水平低，燃烧设备和辅机质量低； 使用煤种与 设计煤种不配、质量不稳定；缺乏熟练的专业操作人员；污染控制设施简陋， 多数末安装或未运行脱硫装置，污染 排放严重；节能监督和管理缺位等3。 目前，我国工业锅炉的运行现状是效率低，污染重，因此，变频节能技术 在工业锅炉中的应用有着美好的前景和巨大的节能潜力，当然也会有很高的经 济价值。 变频调速器的出现为交流调速方式带来了一场革命。随着近十几年变频技 术的不断完善，发展。变频调速性能日趋完美，已被广泛应用于不同领域的交 流 调速。为企业带来了可观的经济效益，推动了工业生产的自动化进程。 变频调速用于交流异步电动机调速，其性能远远超过以往任何交，直流调 速方式。而且结构简单，调速范围宽，调速精度高，安装调试使用方便，保护 功 能完善，运行稳定可靠，节能效果显著，已经成为交流电机调速的最新潮 流。 1.31.31.31.3 本文主要研究内容本文主要研究内容本文主要研究内容本文主要研究内容 本文主要研究的内容是为锅炉风机的工作实现自动，节能，经济及安全 化。因此我们为锅炉风机主要加上两个方面的性能： 第一，在锅炉风机控制方面，我们将使用 plc 技术作为该系统的控制核 心。 目前市面上有许多控制器，比如单片机，运动控制卡等。单片机等这类运 动控制器成本相对较低，但速度较慢、精度不高、只能在一些低速运行和对轨 迹要求不高的轮廓运动控制场合应用。在工业环境中，这类控制器显得较脆 弱。而运动控制卡与 plc 相比，应用面不是很广，对操作工作者要求高，存在 一定的局限性。以下是对 plc 的简单介绍。 plc=programmable logic controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操 作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器， 用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面 向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过 程。是工业控制的核心部分。目前我国还是制造业大国，是世界的生产加工中 心，经过了多年的发展，plc 技术已经相当成熟，在工业控制的稳定，安全， 简单以及经济性等方面有着其他控制设备无法比拟的优势，因此这里我们选择 用 plc 技术作为控制的核心对锅炉风机进行控制。 第二，在节能方面，我们将使用变频器进行调节 1.如何节能？ 本文研究的方向是风机的控制，因此要想达到节能的效果可以从下面着 手：选用更高效，技术更先进的风机作为执行部分；从控制手段入手，主要是 提高控制水平已达到节能效果。 从上述方案中可知，选用较好的风机操作简单，使用方便，但由于价格昂 贵，尤其对于使用风机多的情况下，性价比不高，而且控制起来精度不高。而 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 使用变频器在无论在控制和性价比方面都有较大优势，因此我们选用变频器作 为我们节能方向的选择4。 2.什么是变频调速 三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s) 从该式可见，改变供电频率 f、 电动机的极对数 p 及转差率 s 均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看， 不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。在生 产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调 速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器 等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频 率的变频调速有能无换向电动机调速等。从调速时的能耗观点来看，有高效调 速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如 多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等） 。有 转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子 回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调 速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增 加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的5。 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方 法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直 流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变 频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型 异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高； 技术复杂，造价高，维护检修困 难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。其中，变频器是利用电力 半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对 交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/ 过载保护等功能6。 1.41.41.41.4 设计应用与价值设计应用与价值设计应用与价值设计应用与价值 锅炉是利用燃料或其他能源的热能把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。 锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所，锅炉包括锅和 炉两大部分。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需 要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转 换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少 量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉，多用于火电站、船 舶、机车和工矿企业7。 工业锅炉目前是中国主要的热能动力设备，工业锅炉多于电站锅炉，近年 来，中国电站锅炉行业取得了快速的发展。其一，产量大幅增长，行业产能快 速提升。目前，整个行业的产能已经超过 8000 万千瓦，不仅能满足国内电力工 业建设的需要，而且还进入了国际市场。其中，锅炉的风机的作用是用来保障 燃料充分燃烧并维持锅炉炉膛微负压。锅炉鼓、引风机动力控制是采用传统的 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 由按纽、继电器、接触器等低压控制电器组成的电器控制线路直接控制。锅炉 鼓、引风机的电机总是处于额定功率转速下运行，电机转速不可调，锅炉炉膛 用风量的大小只能通过调节风门的开度来调节，其结果在风门上会造成大的能 量（节流）损耗。 近年来，能源短缺和环境污染问题成为世界关注的焦点问题，转变传统高 能耗、高污染的经济增长方式，大力推进节能减排，发展以低能耗、低排放为 标志的低碳经济，实现可持续发展，正在成为世界各国经济发展的共同选择。 作为发展中的大国，中国能源环境方面的问题尤其突出。2007 年，觉的十七大 报告首次提出了“建设生态文明，基本形成节约能源资源和保护生态环境的产业 结构、增长方式、消费模式”的理念，为可持续发展指明了方向，也使人们更加 关注低碳经济的崛起。低碳经济的发展模式，为节能减排、发展循环经济、构 建和谐社会提供了操作性诠释，是落实科学发展观、建立节约型社会的综合创 新与实践，是一场涉及生产方式、生活方式和价值观念的全球性革命。 对于企业来说，由于能源短缺而日益高企的能源价格已成为企业进一步发 展的瓶颈，因此，企业唯一能做的就是提高能源的利用率，增加企业的效益。 目前我国的锅炉使用非常广泛，涉及到日常生活以及经济的发展。因此， 本文研究的关于锅炉风机调速的自动化设计以及节能设计在市场上有一定的实 用性及及广泛的应用价值。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章 炉风机的工作过程 2.12.12.12.1 锅炉的工作原理锅炉的工作原理锅炉的工作原理锅炉的工作原理 我们先来说一下锅炉的工作原理。 锅炉的工作原理：锅炉是由锅炉本体和燃烧设备(包括炉膛和烟道)两部分组 成。锅炉本体由受压部件组成汽水系统。它吸收燃烧设备燃料所放出的热量， 将锅炉给水加热到需要的热水(符合热水锅炉额定参数)或蒸汽(符合蒸汽锅炉额 定参数)。燃烧设备是由炉膛、烟道组成的风、燃料、烟系统，燃料与空气混合 燃烧把热量传递给汽水系统，而烟气自身温度逐渐降低，直至经除尘器、引风 机由烟囱排入大气。而其中，锅炉风机就成了炉膛里的燃料能否充分燃烧的关 键所在。 锅炉风机工作过程简单来说就是对风机控制改变风门挡板或闸门开度来实 现炉膛进行恒温控制。即当炉膛里的温度过高时增加风量，通过鼓风带走炉膛 内部一部分热量，使炉膛温度降低。当炉膛里的温度过低时减少风量，使炉膛 温度升高。工作流程如下图 2-1。 图 2-1 风机工作流程图 2.22.22.22.2 方案设计方案设计方案设计方案设计 根据系统的设计要求，在本次设计中，我们提出三种不同的方案进行比 较，分析两者之间的优劣，选出最优方案，以实现设计的最优化。 方案一： 以单片机作为控制核心，根据系统的需要，控制风机的转速实现风量的调 节。即：单片机+风机的模式。 方案一点评：单片机在各类控制器中较为灵巧，且价格低廉，设计的成本 炉膛引风机送风机 控制器控制器 风向 温度传感器温度传感器 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 较低。但由于本设计的使用环境是条件较为恶劣的工业环境，而一般的单片机 在工业的使用上不够稳定，不适合在工业上作为控制核心使用。 方案二： 以 plc 为控制核心，直接对风机的转速进行控制。即 plc+风机的模式。 框图如图 2-2。 图 2-2 方案二框图 方案二点评：本次方案较方案一来说主要是更换了控制核心，较单片机而 言，plc 具有较好的稳定性能，较强的数据处理能力，其更适合在工业环境中 使用。这种控制方式既简单又经济，操作指令只在 plc 中运算，简化了程序的 流程。但该模式在节能方面考虑较少，比如他的控制指令时按照差值所在的一 个范围给定的一个短的转速，这样在一个较小范围内，不同的温度差值却用一 个范围给定段的转速这样的控制不精确，并存在很大的能量浪费。如想提高节 能性，就需要使用更高性能的风机以及对 plc 的要求也很高。 方案三： 同样以 plc 作为控制核心，同时组合变频器，共同对风机进行变频控制。 即：plc+变频器+风机模式。框图如图 2-3。 图 2-3 方案三框图 方案三点评：该方案较方案二来说其主要增加了对变频器的使用。变频器 的使用大大加强了系统的节能效果。它能针对在很小范围内的温差的调速，这 样能更加精确地达到过程控制的目的。系统的稳定性提高了很多。是一种经济 便捷，实用的节能方法。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 通过上面的论述，我们基本上可以把方案定下来。即 plc+变频器+风机的 控制方式。这种控制方式的特点是不仅提高系统的自动控水平，节省了人力， 并能针对在很小范围内的温差的调速，这样更能达到过程控制的目的，且系统 的稳定性大大提高。 2.32.32.32.3 系统技术要求系统技术要求系统技术要求系统技术要求 本次设计是为工业锅炉环境下所设计的风机调速系统，温度集中 在 200300的范围内，所控制的稳定具有很大的惯性，对技术要求比普通的民用 锅炉环境要复杂，控制手段要更加精确，系统要更加稳定，因此，我们对该系 统提出以下几点技术要求： 1.节能性。随着社会的进步，工业的发展，对于人类的要求，环境越来越 难以满足，社会对工业的节能性要求也越来越高，只有对技术的改造和提高， 使用节能型技术，才能与环境更和谐相处，而节能不仅对社会来说是件好事， 对于提高企业的经济效益也是很明显的。因此在设计中，我们要保证系统的节 能性。 2.稳定性。无论对于哪个工业制造单位来说，生产过程的稳定性尤其重 要。这不仅能提高生产质量，而且对生产效益有很大帮助。 3.低噪声。本身工业生产环境下的工厂车间的噪声就很大，长期在这种环 境下工作对人的身体是有影响的。本着对生产工作者负责的态度，我们应该想 办法在降低生产环节中的噪声问题。在这方面主要是对风机类型的选择进行改 善。 4.控制精确性。对于生产环节中，我们应该想办法提高生产过程中的精确 性，这样不仅对工件的质量有帮助，而且能比较容易得达到我们想要的效果。 5.易操作性。对于在车间操作环节里的工人来说，操作中应该越简单越 好，因此我们对这次设计中应该提高系统操作的简单性。 2.42.42.42.4 本章小结本章小结本章小结本章小结 本章主要介绍了锅炉风机的基本的工作过程。提出 3 套设计方案，并从中 选出最优方案，及 plc+变频器+风机，通过温度传感器反馈达到闭环控制的效 果。提出了本次研究需要达到的几项设计技术指标。通过对控制系统的深入认 识，确定了本次设计的方案，对下一步的研究有一定的帮助。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 第第第第 3 3 3 3 章章章章 锅炉锅炉锅炉锅炉风机调速系统硬件电路设计 3.13.13.13.1 闭环系统控制组成闭环系统控制组成闭环系统控制组成闭环系统控制组成 plc变频器风机锅炉 温度传感器 给定 反馈 图 3-1 系统控制框图 由以上我们总结，为了对风机实现精确控制，我们对该系统进行闭环控 制，系统控制框图如图 3-1。 闭环控制系统的实现：plc 作为运算功能模块，主要进行 pid 运算以及整 个控制系统的指令中枢从温度传感器及变送器送来的模拟反馈信号经过 em235 的 a/d 转换模块转换为数字信号与给定的温度数字信号的偏差值进行 pid 运算 调节。变频器作为执行设备，主要是进行频率换算输出电机需要的工作频率。 电机作为被控设备，通过电源的频率的改变实现无级调速。传感器作为检测元 件，主要检测炉膛的温度给 plc 进行分析运算。它们共同作用组成了该闭环 控制系统。该系统从总体上来看分为由传感器和变送器组成的采样部分；plc 和变频器组成的运算控制执行部分；风机作为被控部分。 3.23.23.23.2 控制系统硬件选择控制系统硬件选择控制系统硬件选择控制系统硬件选择 从以上框图我们可以看出来，整个系统的硬件部分分为 4 个部分：plc、 变频器、风机和温度采集。 3.2.13.2.13.2.13.2.1 风机风机风机风机 风机作为本次研究的控制对象和执行部件，我们需要对其基本性能参数以 及选型的要求有所了解。 风机的种类很多。一般有离心式、轴流式等。一般锅炉引、送风机都 是离心式风机。锅炉引、送风机结构基本相同的。 1.离心式风机主要结构 (1)叶轮：产生压头，传递能量； (2)机壳：收集从叶轮出来的气体引向排出口，把气流的部分动能转变 为压力能； 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - (3)入口调节风门：调节机出力，将设备与系统隔离(也叫导流器，有的采 用变频技术，液力偶和器调节出力。) ； (4)大轴：传递扭矩； (5)轴承：承受转子的径向轴向载荷，限制转子的径向轴向的运动位置； (6)靠背轮：联接电动机，传递轴功率； (7)集流器：在损失最小的情况下，使气流均匀的充满叶轮进口断面； (8)轴承箱：装置轴承，填补润滑液8。 2.离心式风机的工作原理 当离心式风机的叶轮被电动机带动旋转时，充满于叶片之间的气体随 同叶轮一起转动，在离心力的作用下，气体从叶片间槽道甩出，并将气体 由叶轮出口处输送出去。当气体的外流造成叶轮空间形式真空，外界的气 体就会自动进入叶轮补充。由于风机的不停工作，将气体吸进压出，形成 了气体的连续流动，从而形成了连续的工作。 送引风机从风机的角度而言没有区别，都是由电动机带动风机的扇页 旋转产生风，虽然比电扇要复杂些，但本质上没有区别。引送风机的作用 不同是由他们安装的部位决定的，前者位于锅炉的后端，向锅炉外的烟道 鼓风，对炉膛产生负压，对烟气起导引作用，所以叫引风机；后者相反位 于锅炉的前端，向锅炉内鼓风，所以叫送风机7。 图 3-2 普通风机示意图 3.风机的选型 风机的选型很重要，它所决定的参数直接关系到之后的计算，而参数 则根据工作需要的变化而变化。 锅炉送，引风机风压及风量的理论计算。 按理论要求，在锅炉房的烟风系统中，送风机的风压用于克服从风道 入口到进入炉膛的全部阻力。 送风机风压值可按下式表示： )1 . 1 54321 hhhhhh+=（(3-1) 式中 1 h燃烧设备和燃烧层的阻力； 2 h空气预热器空气侧的阻力； 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 3 h送风道的阻力（包括摩擦阻力和局部阻力） ； 4 h风道自生风； 5 h炉膛入口处真空度； 1 . 1风压储备系数。 在 3-1 式中，h1值变化范围较大，它受燃煤特性，燃煤厚度、 燃煤粒 度的影响，其次与锅炉操作人员管理水平有关9。 送风机风量可按下式确定： )273/(101325101)273(b05 . 1 1 btvav+=(3-2) 式中a炉膛过量空气系数； 1.05风量储务系数； b计算燃煤量，kg/h; 1 v理论空气量，nm3/kg; b当地大气压，pa； t冷空气温度。 由 3-2 式可知，影响风量大小的主要因素是燃煤特性，锅炉负压，炉 膛过量空气等因素。 引风机用于克服从炉膛出口到烟囱出口的全部烟道阻力。 引风机的风压值可按下式确定： )2 . 1 654321 hhhhhhh+=（(3-3) 式中 1 h炉膛负压值，pa； 2 h锅炉阻力，pa； 3 h除尘器阻力，pa； 4 h烟道阻力，pa； 5 h烟囱阻力，pa； 6 h烟道自生风，pa。 在 3-3 式中，各项阻力值的变化范围与锅炉的容量、结构形式有关， 其中 2 h， 3 h是主要因素。当锅炉结构不同时, 2 h值不同；当除尘器结构不同 时 3 h不同。 综上所述，应该按照锅炉系统的有关阻力和保证锅炉正常运行所需空 气量，来确定锅炉送、引风机的风量、风压，同时考虑一定的储备系数。 在实际应用中，锅炉厂为了用户的方便，一般都已对出厂锅炉进行了配套 设置。本设计锅炉风机工作过程示意图如图 3-3。 通过上述分析且综合考虑，在本设计中我们选择 4-72 型离心通风机。 4.产品描述 4-72 型风机中2.86 由叶轮、机壳、进风口和传动等部分组成。 1.叶轮：由 10 个后倾机翼型叶片、曲线型前盘和平板后盘组成，用钢板制 造，并经动、静平衡校正，空气性能良好，效率高，运转平稳。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - 2.机壳：做成二种不同型式。其中2.812 机壳作成整体，不能拆开， 1620 的机壳制成三开式，除沿中分水平面分为两半外，上半部再沿中心线 垂直分为两半，用螺栓连接。 3.进风口：制成整体，装于风机一侧，与轴向平行的截面为曲线开关作用 是能使气流顺畅时入叶轮，且损失较小。 4.传动：由主轴、轴承箱、流动轴承、皮带轮或联轴器组成10。 4-72 风机重要参数列于表 3-1。 图 3-3 锅炉系统工作图 表 3-1 风机重要参数 类型参数 电动机型号y100l-2 转数2009r/min 全压1069-1619pa 流量2930-5408 m3/h 功率，kw3 3.2.23.2.23.2.23.2.2 温度采集温度采集温度采集温度采集 该部分是将锅炉内的实时温度信息采集回来，传回控制单元进行判断，已 达到闭环控制的效果。主要由温度传感器实现，温度传感器将温度信号采集转 化为电信号，经整定，最后传给控制器。选择传感器时我们既要考虑采集的准 确性，又要考虑经济性等因素。 1.温度传感器的选择 由上述系统技术要求可知，本设计中的稳定范围为 200300的范围内， 综合考虑，我们选择温度传感器 pt100。 2.pt100 设计原理 pt100 是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。pt 后的 100 即表 示它在 0时阻值为 100 欧姆，在 100时它的阻值约为 138.5 欧姆。它的工业 原理：当温度传感器 pt100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧姆，它的阻值 会随着温度上升成匀速增涨的。温度传感器 pt100 是一种稳定性和线性都比较 好的铂丝热电阻传感器，可以工作在 -200650的范围11。通过查阅元件资料 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 可得 pt100 阻值与温度的关系式为： ）（2a1100 += tt br(3-4) 当温度为 0t500时，上式中 a=0.0039；b=0.00000058 表 3-2 pt100 部分分度 温度值电阻值 210179.51 220183.17 230186.82 240190.72 250194.10 260197.69 270201.29 280204.88 290208.45 300212.05 如果直接接入传感器，会引起非常严重的非线性问题。因此需要串联分压 一支 3k92 的电阻，最后得到电压与电阻的关系式 输出电压为 )3920/(+=rrvccv(3-5) pt100 铂电阻 rt 曲线图表如图 3-4。 图 3-4 pt100 特性曲线 3.2.33.2.33.2.33.2.3 变频器的选择变频器的选择变频器的选择变频器的选择 1.变频器选择需要注意的 5 个事项 (1) 根 据 负 载 特 性 选 择 变 频 器 ， 如 负 载 为 恒 转 矩 负 载 需 选 siemensmm420/mm440 变频器。 (2)选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定 功率只能作为参考。另外,应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 电动机的功率因数和效率变坏。因此用变频器给电动机供电与用工频电网供电 相比较，电动机的电流会增加 10而温升会增加 20左右。所以在选择电动机 和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动 机的使用寿命。 (3)变频器若要长电缆运行时，此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容 的影响，避免变频器出力不够。所以变频器应放大一、两档选择或在变频器的 输出端安装输出电抗器12。 (4)选择变频器时，一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配。否则 现场的灰尘、水会影响变频器的长久运行。 (5)变频器驱动绕线转子异步电动机时，大多是利用已有的电动机。绕线电 动机与普通的鼠笼电动机相比，绕线电动机绕组的阻抗小。因此，容易发生由 于纹波电流而引起的过电流跳闸现象，所以应选择比通常容量稍大的变频器。 一般绕线电动机多用于飞轮力矩 gd2 较大的场合，在设定加减速时间时应多注 意。综上分析，我们选择 mm430(micromaster430)型变频器。 2.mm430 型变频器 mm430 型变频器，具有能源利用率高的特点，具有较多的输入端子和输出 端子13，且对操作面板进行优化，便于工作人员进行操作，其主要技术数据如 下表 3-3 所示： 表 3-3mm430 技术数据 功率范围7.5kw 250kw 电源电压380v 480v10% 三相交流 输入频率47 hz 63 hz 输出频率0 hz 650 hz 功率因数0.98 过载能力140%，3s/ 间隔时间 300s，110%，60s/ 间隔时间 300s 脉冲调制频率2khz 16khz 标准设置 4khz 固定频率15 个，可编程 设定值的分辨率01hz 数字输入 01hz 串行通讯输入 10 位二进制的模拟输入 数字输入 6 个 di ，可编程，带电位隔离， 可 pnp/npn 型接线 模拟输入 2 个，可编程 0-10v 0-20ma-10v-10v(ain1) 0-10v 0-20ma(ain2) 两个模拟输入可以作为第 7 和第 8 个 数字输入 防护等级ip20 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - 在此控制系统中，需要对变频器进行通信控制，因此需要先对变频器的参 数进行设置，如表 3-4。变频器的外部接线图如图 3-5。 表 3-4 变频器设置 参数号参数值说明 p00521显示实际频率 p07005com 链路的 uss 设置 p1302可用于可变转矩负载 p201069600bit/s p20111uss 地址 p030015电动机类型 p030418电动机额定电压 p03057电动机额定电流 p03103电动机额定功率 p03119电动机额定转速 p03119电动机额定转速 对于此系统中的变频器采用通信控制，对于变频器的控制，需要将变频器 精心地址编号，在编程控制中，通过对已编址的变频器发送控制指令，实现对 变频器的控制，即可通过改变参数 p2011 中的值，实现对多个变频器的控制。 在此系统中，只是用了一个变频器，因此控制变频器的地址为 1。 图 3-5 变频器的外部接线图 3.2.43.2.43.2.43.2.4 plcplcplcplc 型号选择及功能型号选择及功能型号选择及功能型号选择及功能 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(programmable logic controller, plc)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微 型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此， 今天这种装置称作可编程控制器，简称 pc。但是为了避免与个人计算机 (personal computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称 plc, plc 自 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - 1966 年美国数据设备公司(dec)研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序 控制器质量优良，功能强大14。 1.plc 的基本结构 plc 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机 相同，基本构成为： (1)电源 plc 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠 的电源系统是无法正常工作的，因此 plc 的制造商对电源的设计和制造也十 分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 plc 直接连接到交流电网上去。 (2)中央处理单元(cpu) 中央处理单元(cpu)是 plc 的控制中枢。它按照 plc 系统程序赋予的功能 接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、i/o 以及警戒 定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 plc 投入运行时，首先它 以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 i/o 映象区，然 后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行 逻辑或算数运算的结果送入 i/o 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执 行完毕之后，最后将 i/o 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相 应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高 plc 的可靠 性，近年来对大型 plc 还采用双 cpu 构成冗余系统，或采用三 cpu 的表决式 系统。这样，即使某个 cpu 出现故障，整个系统仍能正常运行 (3)存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为 用户程序存储器。 (4)输入输出接口电路 现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是 plc 与现 场控制的接口界面的输入通道;现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路 和中断请求电路集成，作用 plc 通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出 相应的控制信号。 (5)功能模块如计数、定位等功能模块。 (6)通信模块如以太网、rs485、profibus-dp 通讯模块等15。 2.plc 型号选择 根据系统设计所需要的外部接口以及对 plc 的性能要求。综合考虑选择西 门子 s7-200 系列 plc 作为本系统的控制主机。由于风机控制系统的输入输出端 口较少，而控制过程相对复杂，因此采用 cpu224 作为该系统的主机。s7-200 系列 plc cpu224 的主要特性如表 3-5 所示。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 16 - 表 3-5 cpu224 特性 cpu 类型cpu224 外形（mmmmmm）120.58062 用户程序区（byte）8192 数据存储区（byte）5120 掉电保持实际（h）190 本机 i/o14 入/10 出 扩展模块数量7 直流脉冲输出（khz）20(2 路) 模拟电位器2 实时时钟内置 通信口1rs_485 浮点数运算有 i/o 映像区256 布尔指令执行速度0.37us/指令 在该控制系统中，还有采集模拟量的功能要求，因此需要扩展一个模拟量 输入/输出扩展模块。该系统中选择了专门为 s7-200 系列 plc 配置了模拟量输 入/输出模块 em23。 3.plc 的 i/o 资源配置 根据控制系统的要求，对 plc 的 i/o 进行配置如下。 (1)数字量输入 本系统中所需要的输入量主要属于数字量，其中包括各种控制按钮，旋钮 等数字量输入，共有 6 个数字量，如表 3-6 所示 表 3-6 数字量输入分配 输入地址输入设备 i0.0急停 i0.1手动启动 i0.2自动启动 i0.3风机工频启动 i0.4风机变频启动 i0.5电动机加速 (2)数字输出。 在该系统设计中，输出的控制设备有各类接触器，阀门等，有 2 个输出 点。其分配如表 3-7 所示。 表 3-7数字输出分配 输出地址输出设备 q0.0风机工频接触器 q0.1风机变频接触器 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 17 - (3)模拟量输入/输出部分。 由于需要采集温度传感器反馈回来的信号，因此扩展了输入/输出 em235 模块，分配如表 3-8。 表 3-8 模拟量输入/输出 地址设备 输入：aiw0温度传感器 输出：aqw0变频器电压信号 根据控制系统的功能要求及以上的 i/o 口分配情况，得出 plc 外围电路接 线图如图 3-6。 图 3-6 plc 外围电路接线 3.2.53.2.53.2.53.2.5 em235em235em235em235 性能指标性能指标性能指标性能指标 1.em235 输入输出技术规范 em235 外端接线图 3-7。如图得出 em235 的接线端子情况，上端为输入端 子。可根据接入信号的不同接 4 路输入。输出端子在图的下方，有电流量和电 压量两种。在本系统设计中，我们选择电压输入，电压输出。即输入选用 a+a-端口，输出接 v0m0。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 18 - 图 3-7 em235 外端接线图 表 3-9 中给出了 em235 主要输入/输出性能指标 表 3-9 em235 主要性能指标 输入指标输出指标 最大输入电压30vdc隔离无 最大输入电流32ma 信号范围 电压输出 电流输出 +-10v 020mv 分辨率 -3db， 3.1khz 分辨率 电压 电流 12 位 11 位 隔离否 最大驱动 电压输出 电流输出 5000最小 500最大 输入类型差分 设置时间 电压输出 电流输出 100us 2ms ad 转换时间250us 数据字格式 电压 电流 -32000+32000 0+32000 共模抑制 40db，dc 到 60hz 共模电压 信号电压加 共模电压 =12v 2.em235 配置 模拟量模块在接入电路工作前需完成配置，根据实际需要的信号类型对模 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 19 - 块进行设定，即对模块配置。如图 3-10 em235 的校准电位器及 dip 开关。 图 3-8 em235 配置外观图 表 3-10 给出了 em235 配置开关的说明。 表 3-10 配置开关说明 配置开关单极性 / 多 极 性 增益选 择 衰 减 选择sw1sw2sw3sw4sw5sw6 on单极性 off多极性 offoff*1 offon*10 onoff*100 onon无效 onoffoff0.8 offonoff0.4 offoffon0.2 根据上述传感器的选择与电路连接，以及比照表 3-10 中的数据，接入 em235 两端的电压的范围为 214mv256mv 之间。因此我们将配置开关初步设 置如下表 3-11。 表 3-11 本系统 em235 的配置表 sw1sw2sw3sw4sw5sw6 onoffoffoffonon 配置说明：本设置采用单极性输入方式，满量程为 0500mv，分辨率为 125uv。 3.33.33.33.3 电气控制系统原理图设计电气控制系统原理图设计电气控制系统原理图设计电气控制系统原理图设计 电气控制系统原理图主要包括主电路图，控制电路图与控制系统 plc 及 扩展单元外围接线图，以下将详细介绍各个电气线路图的设计。 3.3.13.3.13.3.13.3.1 电控系统主电路图电控系统主电路图电控系统主电路图电控系统主电路图 如图所示为电控系统主电路图 3-9 所示。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 20 - 图 3-9 电控系统主电路 m1 为电动机，接触器 km1,km2 分别控制 m1 的工频与变频运行。fr 为 电机过载保护用的热继电器。qs1，qs2 分别为变频器和电机主