毕业设计（论文）-基于PLC的锅炉控制系统.doc

兰兰 州州 理理 工工 大大 学学 毕毕 业业 设设 计计 设计题目设计题目 基于基于 PLCPLC 的锅炉控制系统的锅炉控制系统 学学 院院 电气工程与信息工程学院电气工程与信息工程学院 专专 业业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 姓姓 名名 学学 号号 指导老师指导老师 毕业时间毕业时间 20112011 年年 6 6 月月 兰州理工大学设计说明书 摘要 随着社会经济的飞速发展，城市规模不断扩大，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越来越高的要求。目 前，我国北方地区冬季生活供暖仍然以锅炉供暖为主。因此，如何提高锅炉 的效率和锅炉的自动化控制具有重要的意义。 本文是基于 PLC 和变频调速技术的供暖锅炉控制系统。该控制系统由 可编程控制器 S7-300、变频器 、风机、水泵、传感器等组成。S7-300 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，系统通过监测到的室内外温度，确定 出回水温度，然后通过出回水温度的值控制燃烧系统，根据监测的压力值控 制循环泵、补水泵的转速。系统可实现自动控制和手动控制，手动控制通过 变频控制柜控制风机和水泵。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。 关键词：S7-300，监测，变频调速 兰州理工大学设计说明书 Abstract With the rapid development of social economy, the city have been expanding, and the continuous improvement of living standards of urban life, the number of users and the heating quality of higher and higher heating requirements. At present, life in northern China in winter heating boiler heating still dominated. Therefore, how to improve the efficiency of boilers and boiler automatic control is of great significance. This article is based on the PLC and frequency conversion technology of the boiler control system. The control system consists of programmable controllers S7-300, drive, fans, pumps, sensors and other components. S7-300 control program using Siemens STEP7 programming software design, mainly to complete analog signal processing, temperature and pressure signals of the PID control function, the system to the room temperature and outdoor temperature by monitoring to determine the return water temperature, and then through the return value control temperature combustion system, the monitoring of the pressure control loop pump, fill the pump speed. System can achieve automatic control and manual control, manual control through frequency conversion control cabinet control fans and pumps. Frequency control system designed in this paper the boiler combustion process to achieve the automatic control system is stable and reliable. Key words: S7-300, monitoring, frequency control 兰州理工大学设计说明书 目录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 课题背景及研究意义.1 1.2 供暖锅炉控制国内外研究现状.1 1.3 锅炉供热控制系统的组成.2 1.4 变频调速在锅炉控制系统中的应用.3 1.5 本文主要研究的工作.5 第二章第二章 锅炉控制系统总体设计锅炉控制系统总体设计.7 2.1 燃煤锅炉的工作过程.7 2.2 燃煤锅炉的工作过程.7 2.3 系统功能分析 .8 2.4 控制方案的设计.9 2.5 控制系统结构.9 2.6 电路的保护.10 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计.11 3.1 PLC 的选择 .11 3.2 系统接地.22 3.3 循环泵控制系统.22 3.4 燃烧控制系统.22 3.5 设备选型.25 第四章第四章 控制系统软件设计控制系统软件设计.32 4.1 控制系统软件 STEP-7 介绍.32 4.2 PLC 程序设计的总体结构.33 4.3 系统软件需求分析.34 4.4 流程图分析.35 结论结论.39 参考文献参考文献.40 附录附录.41 1.器件列表.41 2.输入输出端口分配表.41 3.程序.44 4.英文资料.63 致谢致谢.80 兰州理工大学设计说明书 1 第一章 绪论 11 课题背景及研究意义 随着城市建设的迅速发展，我国北方地区冬季城市集中供暖成为城市现 代化必然采取的步骤。而供暖面积的不断扩人，使如何科学有效地控制和管 理供暖系统，提高供暖的经济效益和社会效益，成为急需解决的重要课题。 在供暖系统中，锅炉房供暖所占比例很大，据对我国北方地区 29 个人中城 市近 35 亿平方米的供暖调查，锅炉供暖占 84，热力供暖占 12，其他 供暖占 4。在今后相当长的时间内，集中热力供暖是发展趋势，但无法取 代锅炉供暖的主流地位。 在大型锅炉控制方面，采取了比较先进的控制方法，在采暖效率和节能 方面取得满意的效果。但是北方中小城镇的供暖一般是采用中小型锅炉，由 于成本的限制很多还是处于传统的供热方式，自动化水平不高，不但污染严 重而且浪费煤资源严重。 基于上述现状很有必要对供暖锅炉尤其是中小型供暖锅炉进行技术改造， 找到切实解决效率、节能、环保问题的途径。人类对能源的需求不断增加， 世界上发达国家为了解决能源紧张而带给各行业的冲击，都努力在开发能源 的同时，致力于节能新方法的研究。根据不完全统计，我国共有各类锅炉近 40 万台，每年的耗煤量达 3 亿多吨，占我国原煤产量的三分之一。由于煤 质变化大，设备陈旧，不仅工人劳动条件差，劳动强度大，而且锅炉热效率 低。因此，在满足工艺要求的前提下，为了提高锅炉的热效率，降低能源消 耗，把上人从繁重的劳动中解放出来，促进文明生产，锅炉实现自动控制是 一个急待解决的问题。据有关资料统计一台 lOTh 的锅炉，若能提高效率 1，每年就能节省煤 200 吨左右，约合人氏币 50000 多元，经济效益是很 明显的。又如对燃煤锅炉进行改进，实行自动控制，在不需要人干预的情况 下，随时调整给水量、燃料量、送风量及引风量，维持水位、及负压的恒定， 就有可能将锅炉的热效率提高 5以上。另外，使锅炉达到经济燃烧状态， 还可以减少烟气中的含尘量，减少空气污染。 12 供暖锅炉控制国内外研究现状 当前，节能与环保己成为人类社会面临的两大课题。我国的锅炉目前以 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。在国外，供暖锅炉的控制已基本实现了计算机 自动控制，在控制方法上都采用了现代控制理论中最优控制、自适应控制、 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。 在欧美和日本等发达国家，石油和天然气己成为第一能源，占能源消费 兰州理工大学设计说明书 2 的 60左右，燃油和燃气锅炉的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 20 世纪 90 年代以来，随着超人型可编程控制器 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，己实现优化控制。 我国的锅炉上业是新中国成立以后才建立和发展起来的，由于经济技术 条件的限制，我国供暖锅炉设备水平一直比较落后。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。此外还有一些科研院校联合 企业开发的各种智能锅炉控制系统，如清华大学动力工程与控制学院为亚运 村北辰供热厂热水锅炉的改造开发的锅炉控制系统，采用“一控四”方案， 即一台主机控制四台锅炉。但大多数中小型锅炉基本停留在手动控制和简单 仪表操作的水平，因此锅炉实际运行效率低，和世界先进水平差距较人。 13 锅炉供热控制系统的组成 目前我国的供热系统主要以燃煤锅炉为主体。而锅炉按照供热性质来分， 可以分为热水炉和蒸汽炉两种。本文采用常压热水锅炉，常压锅炉使用安全， 对原料的要求比蒸汽锅炉低，无需控制蒸汽压力，对控制精度要求相对较低。 供暖锅炉控制系统属于过程控制系统，其控制目标是控制锅炉燃烧过程中的 出水温度、回水温度、管网压力等参数，使锅炉燃烧工况良好，保证设备运 行安全，满足用户的供热要求。 该系统由循环系统，监测系统，控制系统等组成。循环系统有四台循环 泵组成，其中两台备用，变频器采用一拖二的形式。补水泵为两台，其中一 台备用，采用两台变频器控制。在锅炉中国被加热的水通过管网流到用户端 的散热器，对用户进行供暖，然后流回到锅炉，依此循环。在此过程中，由 于管道泄露等原因可能会造成一些损失，导致管网内的压力逐渐降低，当低 到一定的给定值时，控制变频补水泵对系统进行补水；而由于加热过程中造 成的热膨胀，可能导致管网内的压力逐渐升高，当高到一定的给定值时，开 启安全阀泄压，以降低管网内部压力，避免管网损坏、破裂。监测系统主要 监测室内温度、室外温度、回水温度、出水温度、管网压力等参数送入 plc 控制系统。控制系统根据监测到室外温度确定室内温度，然后确定锅炉的燃 烧量即控制鼓风机和引风机的转速。 尽管我国对锅炉控制的研究和推广已取得了很大的进展，但仍然存在一 些问题： (1)目前国内供暖燃煤锅炉过程自动控制人都采用 PID 控制器的控制方法。 PID 控制算法具有原理简单、使用方便等特点，但 PID 控制是建立在知道被 控对象精确的数学模型的基础之上的而供暖锅炉和负荷管网所组成的系统是 一个大滞后、大惯性、大不确定性的非线性系统，难以建立精确的数学模型。 即使整定好 PID 控制器的参数，随着工况的不断变化，控制器的参数也会 偏离最优点，而使系统难以投入运行或运行不正常。因此供暖锅炉 PID 控 制系统的控制精度一般，控制器的控制效果并不能令人十分满意。 (2)锅炉负荷变化时，煤、风、水量均应相应调节，但供暖系统中风机和 水泵时刻以最大负荷状态运行。风机和水泵分别靠挡风板的开度和水泵出口 阀门开度的大小来调节流量，这种做法可以适当适应负荷变化的目的，但也 使管路系统阻力增加，泵和风机需要的扬程或压力增大，耗费了大量的电能。 兰州理工大学设计说明书 3 (3)我国自 80 年代末开始，锅炉的微机控制逐渐成熟起来，取代了常规 控制仪表。如以 PC 工控机为主体，再配以相应配套的各种数据采集板，进 行数据的采集与控制输出。虽然系统造价低，但可靠性欠佳。如果上位机选 择单片机，控制水平有限，同样存在可靠性的问题。 14 变频调速在锅炉控制系统中的应用 141 变频调速基本原理 当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将 产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于 该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势 和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩， 使转子跟随旋转磁场旋转当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时， 所产生的旋转磁场的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。 异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电 动机的磁极个数和电源频率所决定 N1=60fP （2-1） 其中，N1 为同步转速值，f 为电源频率值，P 为磁极对数。 异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出 N=N1(1s)=60f(1-s)p （2-2） 其中，N 为电动机实际转速，S 为异步电动机的转差率。 由式(22)可知，改变参数 f、S 中的任意一个就可以改变电动机的转速， 即对异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对 异步电动机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频 率的交流电源。在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量 fm 为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁芯，是一种浪费；若 要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕 组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电 枢反应的补偿合适，保持中 f m 不变是很容易做到的，在交流异步电机种， 磁通是定子和转子合成产生的。 142 变频器驱动的特点点 随著大功率晶体管电子技术的迅速发展、大规模集成电路和微机技术的 突飞猛进，交流电动机变频调速技术己日趋完善。变频器用交流异步电动机 调速，其性能比任何一种交流调速更佳，而且结构简单，因而成为电动机调 速的最新潮流。变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子 电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相 比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实 现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现 兰州理工大学设计说明书 4 速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运 转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。电机在带动较大负载 在启动时，会有较大的冲击电流，采用变频器时，可以实现软启动，减小冲 击电流，解决大负载的启动问题。电源功率因数大，所需容量小，可以组成 离性能的控制系统等。完善的保护功能：变频器保护功能，在运行过程中能 随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相， 直流过电压，功率模块过热，电机短路等，并立即封锁输出电压这种“自 我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。 143 变频器基本结构 1变频器的主电路 (1)电力电子开关器件：电力半导体器件已经历了以晶闸管为代表的分立 器件，以可关断晶闸管(GTO)，巨型晶体管(GTR)，功率 MOSFET、绝缘栅 双极晶体管(IGBT)；LJ 代表的功率集成器件(PDI)，以智能化功率集成电路 (SPIC)，高压功率集成电路 H(VIC)ff0 代表的功率集成电路(PIC)等三个发展 时期。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到 PID，PIC 通过门极 或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。在器件的控制模式上， 从电流型控制模式及发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极(栅极)的 控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作 频率不断提高。在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组合成功率变 换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测 电路等组合在一起的复杂模块。 (2)整流电路：一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它 主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需 要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流 电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电 路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。 (3)逆变电路：逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体 开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件 的通与断，得到任意频率的三相交流电输出由于逆变器的负载为异步电动 机，属于感性负载，无论电动机处于电动还是发电制动状态，变频器功率因 素总不会为 l，因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这 种无功能量就靠直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的 控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电 源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来对异步电动机的调速控制。 2变频器的控制电路 变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外 部接口电路以及保护电路等几部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣 决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、 对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。 随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变 频技术新的突破性发展，70 年代后期发展起来的脉宽调制技术成了现在最 兰州理工大学设计说明书 5 常用的变频器功率开关器件的控制策略。PWM 控制利用了采样控制理论中 的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲在具有惯性环节上时，其效 果基本相同。冲量即指窄脉冲的来近似面积。这里所说的效果相同，指环节 的输出相应波形基本相同根据这个原理，可以用一系列等副而不等宽的脉冲 来近似正弦波，且脉冲的宽度按正弦规律变化，这种方法称为 SPWM。 144 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机调速，具有异步电机调压调速和串 级 调速无可比拟的优越性，在锅炉控制系统中得到广泛应用。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、温度等指标进行控制和 调节以适应用户要求和运行工况。最常见的控制手段是调节风门、挡板开度 的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转 ，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产 过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的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。 在供暖锅炉控制系统中带有循环泵、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，管路、阀门等密封性能 的破坏，还加速了泵腔、阀体的磨损和气蚀，严重时损坏设备而影响生产。 目前，风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动 电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且 当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也 被烧毁的现象。 近年来，处于节能的迫切需要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。他的优点是连续、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。 145 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 果明显由于供暖锅炉系统中的风机、水泵负载转矩与转速的平方成正比轴功 率与转速的立方成正比，采用交流变频调速控制风机、水泵流量代替传统阀 门、挡板控制流量，可以大大节省该类负载的驱动电机的耗电量，达到节能 的目的，如果普遍采用交流变频调速，平均节电率在百分之三十左右。用变 频器启动风机、水泵等电动机由于变频器内部具有矢量转矩控制技术，保证 了电机良好的启动性能，实现电机软启动，有效的限制了电机启动电流，明 显降低电机的启动噪声。同时，电机的软启动避免了频繁的工频启动对风机、 水泵等大电机冲击，有效的保护设备，延长设备的使用寿命。 兰州理工大学设计说明书 6 1.5 本文主要研究的工作 本文所研究的是采用热水方式供暖的链条式燃煤锅炉控制系统。供暖锅 炉控制系统要求达到安全运行、系统可靠、技术先进和节能降耗及操作管理 简便、直观、维护方便等目的，满足用户的供热要求。针对目前供暖锅炉控 制的现状和存在的问题，本文主要做了以下工作： (1)阐述供暖锅炉控制的控制原理及过程机理分析，并给出了供暖锅炉 控制系统的总体设计。为了达到节能的目的，应用变频器实现系统 中的风机和水泵转速的改变，进而改变风机和水泵的流量和扬程。 水泵和风机的输出功率近似与转速的立方成正比，只要电机转速下 降少许，电机消耗功率将大幅度下降。因此变频器既能实现适应负 荷变化的目的，又能节电。 (2)采用 PLC 为控制器的软件方式，无论在成本还是控制精度上，都 能满足大部分工业控制需要。所以，本文以软件方式实现模糊算法。 此外，还对 PLC 的选型、配置、数据采集等方面做了充分工作。 (3)本系统的主要设计任务是锅炉系统的变频改造，变频调速技术是关 键技术，因此本文详述变频调速技术在锅炉控制中的应用，并分析 变频调速应用在锅炉供暖系统带来的节能效果。 (4)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。 兰州理工大学设计说明书 7 第二章 锅炉控制系统总体设计 2.1 燃煤锅炉的工作过程 燃煤锅炉的组成 锅炉按燃烧种类分，大致有燃油锅炉、燃煤锅炉和燃气锅炉。所有这些 锅炉，虽然燃料及其供给方式 不同，但其结构大同小异。本系统所用的锅 炉是以煤为燃料，它有以下几部分构成： 1、炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。煤由煤斗落在转动链 条炉蓖上，进入炉内燃烧。燃烧所需要的空气由炉排下面的风箱送入，燃尽 的残渣被炉蓖带到除灰口，落入灰斗中。得到加热的高温烟气依次经过各个 受热面，将热量传递给水后，经过烟囱排至大气。 2省煤器：燃煤锅炉炉膛排除的烟气具有较高的温度，利用其热量可 以加热进入汽包的冷水，一般省煤器由蛇形管组成。 3空气预热器：继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所 需要的空气的换热器。热空气可以强化炉内燃烧过程，提高锅炉燃烧的经济 性，提高锅炉热效率。 4引风设备：包括引风机、烟囱、烟道几部分，将锅炉中的烟气连续 排出，保持炉膛的负压燃烧正常。 5鼓风设备：由鼓风机、送风机、风道、风箱组成，供应燃料燃烧所 需要的空气。 6给水设备：由给水泵和给水管组成。给水泵用来克服给水管路和省 煤器的流动阻力和锅炉的压力，把水送入汽包中。 7水处理设备：用来清除水中杂质和降低给水硬度，防止锅炉受热面 上结水垢或腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和安全性。 8燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅 炉所需燃料的供应。 9除灰除尘设备：分别为收集锅炉灰渣并运往存狄场地及除去烟气中 灰粒的设备，以减少对周围环境的污染。 2.2 燃煤锅炉的工作过程 锅炉最基本的组成是汽锅和炉子两大部分。燃料在炉膛进行燃烧，将其 化学能转化为热能，高温的燃烧产物一烟气通过汽锅受热面将热能传递给汽 锅内温度较低的水，水被加热进而沸腾汽化，生成蒸汽。以某高校锅炉房的 锅炉为例，其工作概括起来应包括三个同时进行的过程： 1燃料的燃烧过程：燃料煤加到煤斗中，借助于自重下落在炉排面上， 炉排靠电动机通过变速齿轮减速后由链条来带动，将燃料煤带入炉内。新煤 入炉，经预热阶段后开始着火，挥发物燃烧，同时焦炭也逐渐燃烧。燃料一 面燃烧，一面向后移动。燃烧所需要的空气是由送风机送入炉体的风仓，向 上通过炉排到达燃烧燃料层。风量和燃料量要成比例，进行充分燃烧，形成 兰州理工大学设计说明书 8 高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗。燃烧 过程进行得完善与否，是锅炉正常工作的根本条件。要使燃料量、空气量和 负荷蒸汽量有一一对应的关系，这就是根据所需要的负荷蒸汽量来控制燃料 量和送风量，同时还要通过引风设备控制炉膛负压。该过程的特点是时间常 数和滞后时问都比较大，而且随着媒质、煤种及风量的改变，这两个参数将 有很大的变化。 2烟气向水(汽)等的传热过程：燃料燃烧所放出的热量使得炉内温度 很高，高温烟气与布置在炉膛四周墙面上的水管进行强烈的辐射传热。烟气 将热量传递给管内的水后，由于引风机和烟囱的引力作用而向炉膛上方流动。 沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，经省煤器和空气预热器进行热交换， 以较低的温度排出锅炉。 3水的汽化过程：对于蒸汽炉来说，经过处理的水由泵加压，先流经 省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作时，汽锅中的工作介质是处于 饱和状态下的汽水混合物，它们位于烟气温度较低的对流管束中。由于受热 较少，汽水混合物的容重较大；而处于烟气温度较高区的水冷壁和对流管束 受热多，其相应工质的容重小：这样，容重大的工质向下流入下锅筒，而容 重较小的工质则向上流入上锅筒，形成水的自然循环。由于上锅筒内的汽水 分离设备和锅筒本身空间内的重力分离作用，使汽水混合物得以分离。 23 系统功能分析 本文针对燃煤锅炉的控制，设计一套基于变频调速技术的锅炉控制系统， 根据锅炉控制的发展趋势，本系统具有如下功能： 1控制系统 系统具有将所有变频器安装在变频控制柜内。通过可编程控制器对锅炉 系统中的鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵和补水泵进行就地控制。 2监测功能 系统通过安装在锅炉现场的各类传感器，可检测室外温度、室内温度、 出水温度、回水温度、管网压力等参数，并可以将这些数据通过变送器传送 到可编程控制器处理。 3安全报警功能 锅炉控制系统中，为了保证锅炉的安全运行，需要对锅炉的各个电机的 运行情况进行监测，若循环泵出现故障，循环泵故障指示灯亮，并启动备用 循环泵，以保证锅炉的安全运行。若鼓风机出现故障，鼓风机故障指示灯亮， 系统按顺序停止引风机、炉排、循环泵。引风机出现故障，报警指示灯亮， 系统按顺序停止鼓风机、炉排、循环泵。炉排出现故障，报警指示灯亮，系 统按顺序停止鼓风机、引风机、循环泵。 4单动联动模式 本系统工作在单动联动两种工作模式下。单动和联动模式下均可实现 就地控制和参数设定，但单动模式下，需人工根据气候、负荷的变化设定鼓 风机、引风机、炉排电机、循环泵、补水泵等电机的转速，相当于“开环控 制” ；联动模式下，操作人员只需根据室内温度和室外温度的变化设定锅炉 的出水温度和炉膛负压等参数，系统自动地调节电机的转速，减少了人工干 预，提高了自动化水平。 兰州理工大学设计说明书 9 2.4 控制方案的设计 针对供暖锅炉的控制发展状况，本系统对锅炉房的鼓风机、引风机、炉 排电机、循环泵、补水泵等设备采用变频器控制技术。每台鼓风机、引风机、 炉排电机配备一台变频器。两台循环泵配备一台变频器， ，共两台循环泵， 其中一台备用，当一台循环泵运行时，另一台循环泵停止，即两台循环泵不 能同时运行。补水泵为两台，其中一台备用，两台补水泵配备一台变频器。 所有的变频器俊安装在变频控制柜内，置于变频控制室，操作变频控制的面 板，可以实现就地控制。 本系统采用西门子公司的 S7-300 系列的 PLC，PLC 主要负责数据采集、控 制运算和控制输出，可以接受开关接点等数字信号，还可以直接接收标准的 过程量，如 4-20mA 电流、0-10V 电压、热电偶、热电阻等模拟信号。通过 输入输出模块控制控制柜内的所有断路器、接触器和继电器等开关设备，以 实现就地控制。系统采用分级分层模式，只要系统一上电，如果 PLC 控制 系统出现故障，可以直接在变频控制室内通过控制面板进行启停控制，通过 设定变频器控制面板可进行参数设定，以充分保证系统的可用性。 系统结构框图如下： 图 2-1 系统结构框图 2.5 控制系统结构 本系统属于热水锅炉供暖系统，主要通过热水循环给用户供暖，一般分 为燃烧控制系统、循环泵控制系统和补水泵控制系统。本系统采用集中控制 方式，分为 2 层 : 控制部分：该部分以两门子 S7300 系列可编程控制器为核心， PLC 通过模拟给定信号分别对鼓风机、引风机、 、炉排、循环泵和补水泵等进行 启停控制和电机的转速设定，一旦电机启动完毕，可随时根据监测到的数值 改变电机的转速，以适应系统的需求。 数据采集与变送部分：这一部分是控制系统的最底层。主要完成现场数 兰州理工大学设计说明书 10 据的采集、预处理和变送等工作。这些数据主要包括锅炉的出水温度、回水 温度、室内温度、室外温度、管网压力等。变送器将采集的温度、压力等物 理量转换成标准电压或电流信号并传送给可编程控制器进行数据处理。 2.5.1 控制任务 锅炉的基本组成是“锅”和“炉”两大部分。燃料在“炉”中燃烧放热， 高温烟气携带的热量为“锅”的受热面吸收，以产生一定压力和温度的蒸汽。 作为锅炉的燃烧设备“炉” ，其任务是针对不同燃料的燃烧特性，为其完全 燃烧创造良好的条件，以求燃料将其热量最大限度地释放出来。锅炉的燃烧 控制直接关系着是否对环境造成污染、是否节能及能否给企业带来效益。所 以，锅炉的燃烧控制自动化多年来倍受重视。锅炉燃烧过程自动控制的主要 任务是： 1、保证经济燃烧 为了得到最经济的燃烧工况，就要保证当室内外温度、出回水温度改变 时，控制系统能随时改变电机的转速，避免电动机一直处于最大转速下运行， 以控制燃烧系统，实现经济效益的最优化。 2、连锁控制 在锅炉控制中，为保证锅炉安全运行，在某一机构发生故障时，要有即 时报警和相关保护并触发与之关联的设备实现自动连锁。锅炉运行要求的连 锁动作大体有以下几项： 1）鼓风电机 要求当引风电机停止、炉排电机停止、管网压力超出上限时，鼓风电机 自动停止。启动时，只有引风机运行起来后才开鼓风机。 2）引风电机 要求当循环泵启动之后才启动引风机。 3）炉排电机 要求当鼓风电机或引风电机发生故障时，炉排电机立即停止运行。在正 常启停时，当鼓风和引风开起来后再开炉排电机，停机时先停炉排电机。 4）补水水泵 要求管网压力超出上限时，补水泵自动停止。 2.6 电路的保护 本设计采用断路器、熔断器和热继电器实现对主电路和电动机的保护。 断路器能自动的进行欠电压、失电压和短路保护，当电路发生欠电压短路的 时候，断路器能够自动的断开线路，保护设备的安全；热继电器主要实现电 动机的过载保护，当电动机过载的时候，热继电器动作，通过辅助触点断开 控制线路，实现对电机的保护；熔断器主要完成短路和过电流保护，当电路 中电路超过一定值的时候能够迅速的分断电路中的电器设备，以保护电器设 备不被损坏。 兰州理工大学设计说明书 11 第三章 系统硬件设计 3.1 PLC 的选择 PLC 选用 Siemens 的 S7300 通用型 PLC。 SIMATICS7-300 通用型可编程控制器能适合自动化工程中的各种应用 场合，是一种模块化中小型 PLC 系统，多种的性能递增的 CPU 和丰富的且 带有许多方便功能的 Io 扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合 适的模块。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加模块对 PLC 进行扩展。在国内，s7300 以其模块化、无排风扇结构、易于实现分布、 易于用户掌握等特点，成为各种控制任务的方便又经济的解决方案，能满足 从小规模到中等性能的控制要求。 S7300 通用型 PLC 由以下几部分组成： 1) 中央处理单元(CPU) 各种 CPU 有各种不同的性能，例如：有的 CPU 上集成有输入输出点，有 的 CPU 上集成有 PROFIBUS-DP 通讯接口等。 2) 信号模块(SM) 用于数字量和模拟量输入输出。 3) 通讯处理器(CP) 用于连接网络和点对点连接。 4) 功能模块(FM) 用于高速计数，定位操作(开环或闭环控制)和闭环控制。 s7300 通用型 PLC 具有如下诸多功能： 1) 丰富的指令集和功能库 包含 350 多条指令，包括二进制逻辑、括号指令、结果赋值、存储、计数、 装载、传输、比较、移位、循环、产生补码、块调用、跳转等，还有定点运 算和浮点运算功能，用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。特别是 集成了很多标准控制功能块，如 PID，可以实现复杂的过程控制。 2) 高速的指令处理 0.60.1us 的指令处理时间完全满足中等到较低的性能要求。 3) 方便用户的参数赋值 只用一个带标准用户接口的软件工具就可给所有模块进行参数赋值，节省了 入门和培训的费用。 4）人机界面(HMI) 方便的人机界面服务已经集成在 S7300 操作系统内，因此人机对话的编 程要求大大减少。 5）诊断功能 CPU 的智能化的诊断系统能连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特 殊系统事件(例如：超时、模块更换等等)。 兰州理工大学设计说明书 12 6）口令保护 多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复 制和修改。 7）操作方式选择开关 操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方 式，可防止非法删除或改写用户程序。 8）功能强大的通讯技术 SIMATICs7-300 CPU 支持执行机构和传感器与 CPU 之间的过程和现场通讯， 以及可编程控制器相互之间的数据通讯。 此外，s7-300 系列 PLC 还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性 能优越，装卸方便等优点。 综合前面的分析，本系统包括如下不同性质的 IO 点：32 个数字量输 入，25 个数字量输出，5 个模拟量输入，5 个模拟量输出。根据 IO 点数 的确定及应用场合的区别，本系统配置了如下模块(单台锅炉)： 1、CPU 模块选择 CPU314； 2、2 个数字量输入模块 SM321(DI 32*24VDC)，可提供总数为 64 路的 开关量输入通道； 3、2 个数