（控制理论与控制工程专业论文）基于plc的锅炉供热控制系统的设计.pdf

中文摘要 摘要 随着我国经济的发展，资源和环境矛盾同趋尖锐，使我幽的现代化建设面临 严峻挑战。作为供热系统重要能源转换设备的燃煤锅炉能耗巨大，占我国原煤产 量的三分之一左右。然而，我国目自订运行的很多锅炉控制系统自动化水平不高、 安全性低，工作效率和环境污染普遍低于国家标准，因此实现锅炉的计算机自动 控制具有重要的意义。 本文以某高校锅炉供热控制系统为背景，设计了基于p l c 的锅炉供热控制系 统，该系统包括下位机控制和上位机控制两部分。文中给出了通过时间和室外温 度相结合的控制策略对系统温度进行调节控制。系统采用模块化设计，每个模块 都可以单独的优化，便于整个系统的升级、控制管理和同后的维护，并且具备完 全的丌发性，保证了系统有良好的可扩充性，保护了用户投资。系统下位机利用 西门子p l c ( s t e p 7 ) 进行软件丌发，设计了对四台锅炉和五个换热站的计算机控 制程序，其中包括对各台锅炉的给煤量、鼓风、引风、出水温度、回水温度、母 管压力、汽包水位和蒸汽流量等参数的监测和控制；系统上位机利用西门子工控 组态软件w i n c c 设计，实现系统启停控制、参数设定、报警连锁保护、历史数 据查询、报表打印等功能。上下位机采用现场总线进行数据交换。 整个系统安装维护方便，运行稳定、可靠、人机界面友好。经过一年多的运 行表明，本文设计的控制系统实现了锅炉燃烧过程的自动控制，满足生产工艺要 求，有效地降低了能耗，提高了生产管理水平。 关键字：锅炉；计算机控制；组态软件；p l c 英文摘要 t h e d e s i g no f b o i l e rh e a t i n gs y s t e m sb a s e do np l c a b s t r a c t w i t hc h i n a se c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，r e s o u r c e sa n dt h ee n v i r o n m e n th a sb e c o m e i n c r e a s i n g l ya c u t ec o n t r a d i c t i o n s ，s ot h a tt h em o d e r n i z a t i o no fo u rc o u n t r yi sf a c i n ga f o r m i d a b l ec h a l l e n g e a sa ni m p o r t a n te n e r g ys o u r c ec o n v e r s i o ne q u i p m e n t ，h e a t i n g s y s t e mo ft h ei n d u s t r i a lb o i l e rc o n s u m e sa b o u to n e - t h i r do fc h i n a sc o a l h o w e v e r ，t h e m a j o r i t yo fc h i n a sc u r r e n to p e r a t i n gb o i l e rs y s t e m ss e c u r i t ya n de f f i c i e n c yi sg e n e r a l l y l o w e rt h a nt h en a t i o n a ls t a n d a r d s oi t sg r e a ts i g n i f i c a n c et oa c h i e v ea u t o m a t i cc o n t r o l f o rb o i l e rw i t hc o m p u t e r o nt h eb a s i so ft h eb o i l e rc o n t r o ls y s t e mf o rs o m eu n i v e r s i t y ，t h ep a p e rp r e s e n t sa o v e r a l lc o n t r o lt h i n k i n g ，t h es y s t e md e s i g n e dt oh e a t i n gi nw i n t e ri n c l u d e ss u p e r o r d i n a t e c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n dt h es u b o r d i n a t es y s t e m t om e e ta l lt h ec a m p u s sw i n t e r h e a t i n g ，i tg i v e sac o m p l e t ec o n t r o ls t r a t e g yw h i c hc o m b i n e dw i t ht i m ea n do u t d o o r s t e m p e r a t u r e t h ed e s i g no ft h es y s t e mi sm o d u l a r i z e da n de a c hp a r tc a no p t i m i z ea l o n e ， i t sc o n v e n i e n tf o rt h ew h o l es y s t e mt o u p d a t ea n dc o n t r o lm a n a g e t h es y s t e mi s c o m p l e t e l yo p e n e d ，s ot h eu s e r si n v e s t m e n tc a nb ef i n e l yp r o t e c t e d t h es u b o r d i n a t e s y s t e mw h i c hd e s i g n e dw i t hs i m e n sp l c ( s t e p7 ) c o n t r o l sa n di n s p e c t sa l lt h es y s t e m s p a r a m e t e r s ，s u c ha se f f l e n tp r e s s u r e ，s t r e a mf l o w ，b a c k w a t e rt e m p e r a t u r e ，e t c t h e s u p e r o r d i n a t es y s t e mw h i c hd e s i g n e dw i t hw i n c c i no r d e rt od i s p l a yt h ew i n d o wo f s t a r t s t o p ，p a r a m e t e r ss e ti n t e r f a c e ，h i s t o r i c a lc u r v e ，a ns oo n a n da l lt h es y s t e m sa r e u s e df i e l d b u st oe x c h a n g ed a t a s t h es y s t e mh a sa d v a n t a g e ss u c ha ss t a b l ea n dr e l i a b l e r u n n i n g ，f l e x i b l e o p e r a t i o n ，c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e ，a n df r i e n d l yi n t e r f a c e ，e t c i ti sp r o v e db yf i e l d e x p e r i m e n t a lo p e r a t i o nt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mp r o p o s e dn o to n l yc a nr e a l i z ea u t o m a t i c c o n t r o lo fb o i l e rb u r n i n gp r o c e s se f f i c i e n t l y ，b u ta l s or e d u c e d e n e r g yc o n s u m p t i o n g r e a t l ya n de f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h el e v e lo fb o i l e rc o n t r o lm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：b o i l e r ；c o m p u t e rc o n t r o l ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；p l c 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文足在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写 成硕士学位论文 ：基：至丝的堡塑堡垫控趔丕红笪遮迁：。除论文中已经注明 引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名王寸f 瓦 钟月了f 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密砂( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：王寸艮导师签名：也0 l 弋 r 期： w 矿6 年哆月f 同 基丁p l c 的锅炉供热控制系统的设计 第1 章绪论 1 1 锅炉供热控制系统现状 锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。它 所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源， 又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着工业生产规模的不断 扩大，生产设备的不断创新，作为全厂动力和热源的锅炉，办向着大容量、高参 数、高效率发展。为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重 要i 。 燃煤锅炉是工业生产和集中供热过程中重要的动力设备。锅炉能耗巨大，每 年的耗煤量超过3 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 客观的经济效益，还有重要的环保意义。但是我国目自矿运行的大多数锅炉系统控 制水平不高，效率普遍偏低于国家标准，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8 5 的人口j 下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【2 1 。 随着经济的迅猛发展，自动化控制水平越来越高，用户对锅炉控制系统的工 作效率要求也越来越高，为了提高锅炉的工作效率，较少对环境的污染问题，所 以利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。其 优越性主要在于：首先，通过对锅炉燃烧过程进行有效控制，使燃烧在合理的空 燃比条件下进行，可以提高燃烧效率。由于工业锅炉耗煤量大，燃烧热效率每提 高1 都会产生巨大的经济效益【3 l 【4 1 。其次，锅炉控制过程的自动化处理以及监控 软件良好的人机界面使运行参数在c r t 上的集中监测，操作人员在监控计算机 上能根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提 高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高 及价格的下降，工业锅炉的微机控制必将得到更加广泛的应用。锅炉作为重要的 第1 章绪论 动力设备，其控制的基本要求是供给合格的蒸汽，使锅炉蒸发量适应负荷的需要。 为此，生产过程的各个主要参数必须严格控制。锅炉设备是一个多输入、多输出 的复杂控制对象，这些输入变量与输出变量之i 日j 是相互关联的。如果蒸汽负荷发 生变化，必将引起汽包水位、蒸汽压力和蒸汽温度等的变化；燃料量的变化不仅 影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、蒸汽温度、炉膛负压；给水量的变化不 仪影响汽包水位，而且对蒸汽压力、蒸汽温度等亦有影响；所以锅炉设备是多输 入，多输出且相互关联的控制对象6 。 1 2 燃煤锅炉自动控制的发展历史 燃煤锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数、控制参数和扰动 参数，它们之问相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而 且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都给锅炉的控制增加了 难度。 锅炉控制技术的发展经历了几个历史阶段f 7 】f 8 】1 9 j ： 1 纯手动阶段 在六十年代以自，j - ，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的自动化观 念还比较淡薄，这段时期的锅炉一般采用纯手动的控制方式，即操作工人通过经 验决定送风、给水、引风、给煤的多少，通过手动操作器等方式来达到控制锅炉 的目的。这样就要求司炉人员必须有丰富的经验，增加了工人的劳动强度，事故 率高，更谈不上保证锅炉的高效率运行。 2 自动化单元组合仪表控制阶段 随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经丌发并广泛应用了全自动工业 锅炉控制技术。6 0 年代自订期，我国工业锅炉的控制技术丌始发展，6 0 年代后期我 国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，7 0 年代后期己经研制了一些工 业锅炉的自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉控制领域，因而热效率 有所提高，事故率也有所下降。但是，由于采用单元组合仪表靠硬件来实现控制 功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些简单的控制算法，不能实现一些 较先进的算法和控制技术，控制效果仍然不理想。 基丁p l c 的锅炉供热控制系统的设计 3 采用微机测控阶段 随着电子技术的发展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单板 机、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我固的广泛应用，为锅炉控制领 域丌辟了一片广阔的天地。运用计算机技术，丌发出高效率、高可靠性、全自动 的微机工业测控系统同益得到重视。8 0 年代后期至今，国内己经陆续出现了各种 各样的锅炉微机测控系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对 环境和抗干扰要求较高。 4 分散控制阶段 分散控制系统( d c s ) 拍i 称集成控制系统，其本质是采用分散控制和集中管理 的设计思想，分而自治和综合协调的设计，采用层次化的体系结构，从下到上依 此分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。i ) c s 是以多台d d c 计 算机为基础，集分散型控制系统。目前分散控制系统大多采用可编程控制器( p l c ) 进行系统设计，工控机机p l c 的组合，不但系统体积小、可靠性高，而且造价较 低，得到了广大用户的青睐。 1 3 选题的背景和意义 1 3 1 课题来源 本课题为某高校校园供热系统的新建项目，该系统负责其整个校园的冬季集 中供暖。此校园供热系统有两台2 0 t h 的热水炉、。台1 伽的热水炉、一台6 t h 的蒸汽炉和5 个换热站( 低区生活区、低区教学区、高区生活区、高区教学区和 公共部分) 组成。 该校园锅炉供热系统要求可以实现整个校园合理安全的冬季供热工作的需 要，整个控制系统按照安全可靠、经济高效、人机和谐、优化管理的分针进行设 计。利用先进的计算机网络技术，实现现场锅炉系统稳定可靠的运行，远程各种 操作站的信息融合、集中监控，提高控制系统的自动化水平和管理水平。 1 3 2 课题意义 从1 9 7 8 年改革以来，我国年均经济增长率达9 以上，目日玎已经是世界第六 第l 章绪论 大经济体和第三大贸易国，中国兴起成为了当今世界的热门话题。随着科学技 术的飞速发展，带动社会生产的发展，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，都努力在丌发能源的同时，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4 0 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i2 1 。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6 ，j - 提下，为了提高锅 炉的热效率，降低能源消耗，把工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1 0 t h 的锅炉， 若能提高效率1 ，每年就能节省煤2 0 0 吨左右，约合人民币5 0 0 0 0 多元，经济效益 是很明显的1 3 l 。又如对燃煤锅炉进行改进，实行自动控制，在不需要人工干预的情 况下，随时调整给水量、燃料量、送风量及引风量，维持水位、蒸汽压力、蒸汽 温度及负压的恒定，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。本课题根据该校园的 实际情况，设计的集成自动化系统将现场的锅炉控制运行和管理有机的良好结合， 实现锅炉系统的安全高效运行。该系统代表了我国中小型锅炉现场集成自动化系 统的发展方向和较高的管理水平，它不仅是一项科研任务，而且是把理论与实践 结合起来，开发出的一个真j 下的产品，对于提高国民经济效益，促进国家农业生 产发展都有着重要的作用和意义。 墓丁p l c 的锅炉供热控制系统的设计 第2 章锅炉供热控制系统的总体介绍 2 1 锅炉供热控制系统的组成 日日玎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。下面以某高校锅炉控制系统来介绍供热控制系统的 组成。该系统现有两台2 咖的热水炉、一台1 叽m 的热水炉、一台6 t h 的蒸汽 炉以及5 个换热站组成。具体布局示意图如图2 1 所示。 图2 1 某高校控制系统布局示意图 f i g 2 1t h es k e t c ho fc o n t r o ls y s t e ml a y o u tf o rs o m ec o l l e g e 罗一罗一罗一罗一 第2 章锅炉供热控制系统的总体设计 整个供热控制系统可以分为一次网部分和二次网两个部分组成。一次网主要 是冷水经锅炉加热并传送到换热站以自订的一次侧部分；而二次网则是在换热站中 经过热交换，热水给用户供热，并返回换热站的部分。下面分别介绍这两个部分 的工作情况。 1 一次网部分 一次网部分的主要设备包括i j q 台燃煤锅炉、三个变频循环泵( 两用一备) 、 一台补水泵。其工作情况如下： 对锅炉内的水加热，热水通过循环泵，经由管道流入换热站，在换热站中通过 换热器进行热交换，把热量传递到二次网，完成热交换之后的低温水返回到锅炉 继续循环。在加热过程中，由于热膨胀，可能导致管网内压力过大，会造成管网 损坏或者破裂，需要打开安全阀泄压。 2 二次网部分 二次网部分主要由五个换热站组成，每个换热站包括两台循环泵( 一备一用) ， 两台补水泵( 一备一用) 和一个电磁阀。其工作情况如下： 在换热站中经由换热器换热之后，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，然后流回到换热站，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。 由于外部气候的原因，供热系统很多都是问歇式供热，在对用户供热时，需要 丌启变频循环泵对系统加压，循环泵运行的时刻称之为动态过程；而当不供热时， 则关闭循环泵，循环泵停止运行的时刻称之为静态过程。在动念和静态两种情况 下管网压力的给定值是不同的，所以在两种情况下补水和泄压的压力值范围是不 同的，根据实际工程的要求，静态过程的值比动态过程的值要稍高，具体的补水、 泄压压力值的范围如图2 2 所示： 基丁p i c 的锅炉供热控制系统的设计 1 母管乐力上限 3 静态补水泵启动给定值 5 动态补水泵启动给定值 2 静态补水泵停l 卜给定值 4 动态补水泵停i 卜给定值 幽2 2 泄压、补水范罔示意图 f i g 2 2t h es c o p eo fp i p e l i n ep r e s s u r er e l i e fa n dp a y 动态过程中，由于管道泄露等情况造成一些损失，导致管道压力降低，当回 水压力动态低于补水泵启动给定值的时候，启动补水泵，为系统补水；随着补水 泵的补水，管道内压力逐渐升高，当管道内压力升达到动态补水泵停止给定值时， 停止补水泵。静态过程和过程和动态过程的控制原理是相同的，只是补水泵启动 给定值和补水泵停止给定值不同。而在动态过程中，由于加热产生的热膨胀作用， 使管道内压力逐渐升高，当管道压力达到母管压力上限时，即丌启安全阀，进行 泄压。 根据实际工程项目要求，为了避免逻辑混乱，静态补水泵启动给定值要高于 动态补水泵停止给定值。 在整个控制系统中，需要控制的设备主要是变频控制补水泵和燃煤锅炉，所 以在本章以后几节将着重介绍交流电机的变频调速系统以及燃煤锅炉的控制。 2 2 交流电机的变频调速系统介绍 传统的给水调节系统和燃烧系统都是采用定速泵和风机，以改变调节阀门丌度 来改变给水流量和风量。这种调节方式的缺点是给水泵消耗功率大，调节阀门承 受的压力大，容易造成调节阀门的迅速磨损。为了节约能源，目自仃在大型锅炉中 第2 章锅炉供热控制系统的总体设计 广泛采用变频调节，变频调整是一种高效的交流调整方法，它利用变频器实现了 异步电动机的无级变速，锅炉控制采用变频调整是节能的有效途径锅炉的应用面 很广，应用量也很大。在化工、炼油、发电、造纸、制糖、化纤、纺织、印染等 工业部门，锅炉是必不可少的重要的动力设备。锅炉风机一般按满足锅炉最大负 荷设计选型，而一常工作却在额定负荷的7 0 左右，因此，风机驱动电机的裕量 较大，节电潜力很大。锅炉风机的风量调节常用风门控制，即增加管路阻力，而 驱动电机全速运转，其效率低、能耗大，大量电能被白白浪费掉，采用变频调整 调节风量，不需要风门，管路阻力减少，系统所需风量减少，电机转速可以降低， 由于电机的轴功率与转速的立方成f 比，因此耗电量大幅度下降，节能效果是十 分显著的【l l 】【1 2 1 【1 3 1 。 2 2 1 变频器驱动的特点 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同趋完善。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- f - j 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、实现速度的精确控制。容易实现电 动机的j 下反转切换，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6 日匕h 1 i , k l t 强，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1 ，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。 2 2 2 变频调速的基本原理 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 基丁p i 。c 的锅炉供热控制系统的设计 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 n 1 = 6 0 f p ( 2 1 ) 其中，n 1 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 = n 1 ( 1 5 ) = 6 0 f ( 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( 2 2 ) 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f m 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fm 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。 三相异步电机定子每相电动势的有效值是： e g = 4 4 4 f , n 1 k n , ( 2 3 ) 其中，e g 为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为v ，f l 为定子频 率，单位为h z ，n 1 为定子每相绕组串联匝数，l 如l 为基波绕组系数，f m 为每极 气隙磁通t ，单位为w b 。 由公式可知，只要控制好e g 和f ，便可以控制磁通f m 不变。 第2 章锅炉供热控制系统的总体设计 2 2 3 变频器基本结构 i 变频器的主电路 ( 1 ) 电力电子丌关器件：电力半导体器件已经历了以品闸管为代表的分立器 件，以可关断晶闸管( g t o ) ，巨型晶体管( g t r ) ，功率m o s f e t 、绝缘栅双极晶体 管( i g b t ) ；l j 代表的功率集成器件( p d i ) ，以智能化功率集成电路( s p i c ) ，高压功率 集成电路h ( v l c ) f f 0 代表的功率集成电路( p i c ) 等三个发展时期。从品闸管靠换相电 流过零关断的半控器件发展到p i d ，p i c 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：一般的三桐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 中问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丌关元器件的通与断， 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i 、日j 总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠之| 日j 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 第2 章锅炉供热控制系统的总体设计 炉和一台6 t h 蒸汽量的水管锅炉，属中小型锅炉。以6 t h 的蒸汽锅炉为例，工 艺流程图如图2 3 所示，它由以下几个部分构成1 8 1 1 1 4 i ： 1 汽包：由上下锅筒和沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而在管簇 内发生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在锅筒罩面。为了得到 干度比较大的饱和蒸汽，在上锅筒中还装有汽水分离设备，下锅筒做为连接沸水 管之用，同时储存水和水垢。 2 炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。煤由煤斗落在转动的链条炉 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，经由烟囱排至大气。 3 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。 4 空气预热器：继续利用离丌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。 5 ：j ij x t 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。 6 鼓风设备：由鼓j x l 送风机、风道、风箱组成，供应燃料燃烧所需要的空气。 7 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。 8 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。 9 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。 1 0 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。 基t - p l c 的锅炉供热控制系统的设计 2 3 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。燃料在炉子罩进行燃烧，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 1 5 l 【1 6 l ： 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 预热阶段后丌始着火，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j x l 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f 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i b j 内的 重力分离作用，使汽水混合物得以分离。 第2 章锅炉供热控制系统的总体设计 2 4 燃煤锅炉的自动调节任务 燃煤锅炉的任务是根据负荷要求，生产具有一定参数( 压力和温度) 的蒸汽和热 水。为了满足负荷设备的要求，保由e 锅炉本身运行的安全性和经济性，它主要要 实现下列自动调节任务： 1 出水温度控制：出水温度控制同路即锅炉的炉排控制回路，它通过调节炉 排转速即调节给煤量的多少来调节锅炉的出水温度。锅炉出水温度是热水锅炉的 最重要的参数，采用微机控制可有效克服人工控制的缺陷微机内预存有各种室外 温度下的标准供水温度及标准供水、回水温度差曲线，微机首先根据当的室外温 度及一段时问的室外温度变化情况推算出室外温度的变化趋势，再由标准供水曲 线上查得当j 订锅炉的出水温度标准值，作为出水温度控制回路的给定值。微机根 据锅炉当前出水温度与给定值的偏差大小，通过内部的控制算法调节炉排转速大 小，使锅炉出水温度逐渐达到标准值。 2 回水压力控制：回水压力主要是指在一次网循环过程中，被加热的水在换 热站中完成热交换，将热量交换给二次网以后的低温水返回锅炉中，在网管中的 压力。回水压力的自动控制的目标是为了保证系统管道的安全性，通过控制补水 泵和变频阀对回水压力进行控制。加热引起的热膨胀作用，使管道内压力逐渐身 高，到升高一定值时，丌启安全阀对系统泄压，避免由于管道压力过高引起的管 道破裂或者损坏；在循环过程中，由于在管道中的泄漏情况，使的管道内压力逐 渐降低，使的系统压力不足，影响供暖效果，需要丌启补水泵对系统进行补水， 以提高系统的回水压力。 3 汽包水位控制：锅炉汽包水位自动控制的目标就是使给水量跟踪锅炉的蒸 发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。汽包水位是锅炉运行的主要指标，是 一个非常重要的被控变量，维持汽包水位在一定的范围内足保证锅炉安全运行的 首要条件。这是因为： 水位过低，则由于汽包内水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又很快， 因而汽包内的水量变化速度很快，如果不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化， 导致锅炉烧坏和爆炸。 基tp l c 的锅炉供热控制系统的设计 水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液的现象，会使过热器管壁结垢 导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，该蒸汽作为汽轮机的动力，还会损坏汽 轮机叶片，影响运行的安全和经济性。汽包水位过高或过低的后果极为严重，所 以必须严格加以控制。本系统控制的汽包水位要求在2 0z1 0c m 之间。 当锅炉的蒸汽负荷突然加大时，蒸发量大于给水量，从汽包贮水量来看，汽 包水位应该下降，但实际上，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量， 可水位不但不下降，反而迅速上升，这种特殊现象称为“虚假水位”现象。“虚假水 位”现象产生的原因主要是：蒸汽流量增加，汽包内的汽压下降，炉水的沸点降低， 使炉管和汽包内的汽水混合物中的蒸汽容积增加，体积膨大，引起汽包水位上升f 1 7 】 1 1 8 11 1 9 1 。 4 蒸汽压力控制：蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平衡的重要指标，是蒸 汽的重要工艺参数。压力过高，会加速会属的蠕变；压力太低，不能提供负荷符 合要求的蒸汽。在锅炉运行过程中，蒸汽压力降低，表明负荷的蒸汽消耗量大于 锅炉的蒸发量；蒸汽压力升高，说明负荷的蒸汽消耗量小于锅炉的蒸发量。因此， 控制蒸汽压力，是安全生产的需要，是维持负荷f 常工作的需要，也是保证燃烧 经济性的需型2 0 1 。 锅炉蒸汽压力的变化是由于热平衡失调引起的而影响热平衡的因素主要是燃 烧热和蒸汽热，燃烧热的波动引起的热平衡失调称为“内扰”，而蒸汽热波动引起的 热平衡失调为“外扰”，为了克服内外扰对蒸汽压力的影响，在各个基本的单炉蒸汽 压力控制系统中，输入到锅炉的燃烧热必须跟随蒸汽热的变化而变化以尽量保持 热量平衡同时根据蒸汽压力与给定值的偏差适当增减燃料量以增加或减少蒸汽压 力。 5 炉膛压力控制：燃烧过程中，应使引风量和送风量相适应。锅炉f 常运行 中，炉膛压力应保持在微负压状态下。负压过大，漏j x l 严重，总的风量增加，烟 气热量损失增大，不利于安全生产和环境卫生。本系统控制的锅炉炉膛负压控制 范围要求在1 02 0 p a 之问。 6 炉排转速控制：锅炉燃烧过程，用户需要的蒸汽量和蒸汽压力都不是不变 第2 章锅炉供热控制系统的总体没计 的，用汽量有一个高峰和低谷消耗时期，为了能满足用户不同时段的用汽需求， 给煤量的多少也要随之改变，即要控制炉排转速，调整燃烧给煤量。 7 维持经济燃烧：要使锅炉燃烧过程工作在最佳工况，提高锅炉的效率和经 济性，关键问题是空气和燃料维持适当比例。要使得燃烧过程中不出现燃料燃烧 不充分而导致一氧化碳和冒黑烟的现象，这就需要快速而精确地对燃烧进行自动 调节，使空气和燃料呈现最佳的配比。 综上所述，工业锅炉作为一个调节对象，是一个多输入，多输出，多回路， 非线性的相互关联的对象。所有这些特性是由锅炉本身的物理特性决定的。因此， 理想的锅炉自动控制系统应该是多回路的调节系统。这样，当锅炉的运行状况发 生变化或受到某一扰动后，系统会同时协调地动作，改变其调节量，使所有的被 调量都具有一定的调节精度。但这种调节十分复杂，实现起来相当困难。事实上， 工业锅炉的各个参数之间的耦合程度有大有小。例如汽包水位受给水量、蒸汽流 量以及汽包压力的影响比较大，而与送风量及引风量的关系则不是那么紧密。因 此，根据锅炉运行的实际情况，将锅炉当作若干个相对独立的调节对象，相应地 设置若干个相对独立的调节系统。这种实现锅炉自动控制的方法是合适的，也是 可行的。它使锅炉自动控制系统适当简化，也符合锅炉的实际情况。 2 5 本章小结 本章以大连某高校学院的燃煤锅炉为对象，系统地介绍了燃煤工业锅炉的基 本组成和工作过程以及要完成的控制任务，着重分析了燃煤锅炉自动控制的调节 特点。 基丁p l c 的锅炉供热控制系统的设计 第3 章控制系统下位机的设计 某高校锅炉计算机控制系统采用集散型控制系统结构，将锅炉控制与数据采集 任务放在各个现场控制单元，而数据显示和管理等功能则由上位计算机操作站完 成，当上位监视计算机系统故障或没有使用时，现场各控制单元设备还可以继续 工作，对整个工艺过程没有影响。本系统控制软件的设计分为p l c 的软件设计和 工控机的软件设计两部分，其中下位机使用的软件为s i e m e n s 公司的s t e p 7 。 3 1 p l c 软件介绍 p l c 软件既有制造厂家提供的系统程序，又有用户自行丌发的应用程序。系 统程序为用户程序的丌发提供运行平台，同时，还为p l c 程序的可靠运行及信号 与信息转换进行必要的处理。用户程序由用户按具体的控制系统要求进行设计， 这罩所说的p l c 软件设计即是指用户自行开发的应用程序【2 2 】。 3 1 1 模块式p i _ c 的基本结构 s t e p73 0 0 属于模块式p l c ，主要由机架、c p u 模块、信号模块、功能模块、 接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成( 见图3 1 ) ，各种模块安装在 机架上。通过c p u 模块或者通信模块上的通信接口，p l c 被连接到通信网络上， 可以与计算机、其他p l c 或其他设备通信。 图3 1p l c 控制系统示意幽 f i g 3 1t h es k e t c ho fc o n t r o ls y s t e m 第3 章控制系统卜位机的设计 1 c p u 模块 c p u 模块主要由微处理器( c p u 芯片) 和存储器组成。在p l c 控制系统中， c p u 模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新 系统的输出；存储器用水储存程序和数据。s 7 3 0 0 将c p u 模块简称为c p u 。 2 信号模块 输入( i n p u t ) 模块和输出( o u t p u t ) 模块简称为i o 模块，丌关量输入、输 出模块简称为d i 模块和d o 模块，模拟量输入、输出模块简称为a i 模块和a o 模块，他们统称为信号模块。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现 场设备和c p u 模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号，丌关量输入模块用来接收从按钮、选择开 关、数字拨码丌关、限位丌关、接近丌关、光电丌关、压力继电器等传来的数字 信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电动机和各种变送器提供的连续 变化的模拟量电流电压信号。 丌光量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和 报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动机调节阀、变频器等执行器。 c p u 模块内部的工作电压一般是d c5 v ，而p l c 的输入输出信号电压一般较 高，例如d c2 4 v 或a c2 2 0 v 。从外部引入的尖刻电压和干扰噪声可能损坏c p u 模块中的元器件，或使p l c 不能正常工作。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶 闸管、小型继电器等器件来隔离p l c 的内部电路和外部的输入、输出电路。信号 模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。 3 功能模块 为了增强p l c 的功能，扩大其应用领域，减轻c p u 的负担，p l c 厂家为了 丌发各种各样的功能模块。它们主要用于完成某些对实时性和存储器量要求很高 的控制任务。 4 接口模块 c p u 模块所在的机架成为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以 增设一个或者多个扩展机架。接口模块用束实现中央机架与扩展机架之间的通信， 基j - p l c 的锅炉供热