（机械电子工程专业论文）10吨供热锅炉电气系统变频改造.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 变频调速具有节能、维护工作量小、自动控制性能好等优点，得到广泛应用。本文 对锅炉采用变频调速和p l c 控制的方法进行了研究，提出了切实可行的锅炉变频改造方 案。 本文依据安全、可靠、经济和实用的原则，对刘家桥住宅锅炉的总体改造方案进行 了设计，并用梯形图编写了系统控制软件。在保证锅炉正常供暖的前提下，尽可能的提 高设备的效率、可靠性和技术性能，刚氐操作人员的劳动强度。变频器在风机水泵上的 节能效果，无论在理论上、实际应用中得到验证，其可靠性、实用性已经得到广大专业 技术人员的认同，其技术性能越来越强大，功能越来越完善，变频控制已经在越来越多 的领域中得到应用和发展。 改造后的锅炉通过一段时间的使用表明，系统整体设计合理，功能齐全，实现了预 期的目标。 关键词：锅炉；变频器；变频调速 】o 吨供热锅炉电气系统变频改造 r e a r m b yf r e q u e n c y c o n v e r s i o no f 1 0t o nb o i l e ro fh o tw a t e r a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n t a g e so fe n e r g y - s a v i n g ，l o wm a i n t e n a n c ea n de a s ya u t o m a t i cc o n l r o l ， v a r i a b l e - f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o nt e c h n o l o g y h a sb e e n w i d e l y u s e d i nt h et h e s i sf o r m a s t e r , v a r i a b l e - f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o na n dt h ep l cc o n l r o l t e c h n o l o g yf o rb o i l e rw a ss t u d i e d ，ap r a c t i c a b l es c h e m ef o rab o i l e rr e f o r mw a sd r a w nu p a c c o r d i n g t ot h e p r i n c i p l e so f e f f e c t i v e n e s s ，e c o n o m y ，s a f e t ya n dr e l i a b i l i t y ，t h ea u t h o rp u t f o r w a r dai n t e g r a t e dd e s i g ns c h e m ef o rl i u j i a q i a ob o i l e r , d e v e l o p e dt h er e l e v a n ts o f h v a _ r ef o r t h ec o n t r o ls y s t e m ，l l s 啦l a d d e r - s h a p e dg r a p h t h es c h e m eo fv a r i a b l e - f r e q u e n c ys p e e d r e g u l a t i o no f b o i l e r i nt h i sm a s t e r p a p e r i sf e a s i b l e n er e f o r m e db o i l e rh a sb e e nu s e df o ra p e r i o do f t i m e t h ea p p l i c a t i o ni n d i c a t et h ew h o l e d e s i g n i sf e a s i b l ea n dt e l i a b l e k e yw o r d s ：b o i l e r ；f r e q u e n c yc o n v e r t e r ；v a r i a b l e - f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：日期：竺：! ! ：兰 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 锅炉的基本原理和结构 1 1 1 锅炉的基本概念 锅炉是利用燃料的热能来生产蒸汽的一种设备，由“锅”和“炉”两大部分组成。 故称锅炉。“锅”是指锅炉本体结构的汽水系统，如锅简、沸水管、水冷壁管、联箱、 过热器、省煤器等部件，均属于“锅”的部分。 “炉”是指锅炉的燃烧系统，凡与燃烧有关的炉墙、炉膛、烟道以及由燃烧设备组 成的风、煤、烟系统，均属于“炉”的部分。 “锅”与“炉”，一个水，一个火，一个吸热，一个放热，把这两个既相矛盾又密 切关联的部分科学地进行组合，即成了一套生产蒸汽的设备锅炉。锅炉生产蒸汽的 能力，通常以三个参数表示，即蒸汽压力( 公斤厘米2 ) ，蒸汽温度( ) ，蒸发量 ( 吨小时) 。锅炉参数是由锅炉设计部门确定的。锅炉制造厂出厂的每台锅炉，在锅 炉本体明显部位，装有包括锅炉参数及它内容的金属铭牌 1 i ： ( 1 ) 锅炉型号及名称 ( 2 ) 许可工作压力( 表大气压) ( 3 ) 蒸汽温度 ( 4 ) 额定蒸发量 ( 5 ) 制造年月 ( 6 ) 制造厂产品编号 ( 7 ) 制造厂名称 1 1 2 锅炉的种类 根据锅炉的装置和用途，以及锅炉压力的高低和蒸发量的大小等，可从以下几个方 面进行分类： 1 按锅炉装置可分为：固定式锅炉、移动式锅炉( 如蒸汽机车、船舶和压路机上 的锅炉等) 。 2 按用途可分为：电站锅炉、工业锅炉和生活锅炉。 3 按压力可分为：低压锅炉，工作压力在2 5 表大气压以下( 蒸汽出口温度不大于 4 0 0 。c ) ；中压锅炉，工作压力为3 9 表大气压( 蒸汽出口温度4 5 0 。c ) ；高压锅炉，工 作压力为1 0 0 1 4 0 表大气压( 温度不低于5 4 0 ) 。 1 0 吨供热锅炉电气系统变频改造 1 2 锅炉的工作原理 1 2 1 传热过程概述 两种不同温度的物体在接触或接近时，便会发生传热现象。热总是从温度高的物体 向温度低的物体传递，热量传递的快慢，决定于两个物体的温度差。温差越大，传热就 越快，传递的热量就越多。 锅炉在运行中，燃料放出的热量通过金属壁传给介质( 水，蒸汽，空气) 的这一全 过程称为锅炉的传热过程。以图1 1 为例，管外是烟气，管内是水，金属壁外表面有一 层积灰，内表面有一层水垢，热的传递过程是：管外积灰层一管壁一管内水垢层一介 质。这种连续传给热量的过程，称为交换式传热 11 。 图1 1 锅炉金属管壁传热过程示意图 f i 9 1 1 s k e t c ho f h e a tt r a n s f e ra tt h em e t a ls i d eo f b o i l e r 1 2 2 传热方式 烟气向传热面的放热有两种方式： 1 辐射传热：燃料放出的热能转变为辐射能，向炉膛四周传播( 相似于太阳发出 的热以辐射方式向地面传播) 。辐射能的传播速度几乎与光司相等。这种放热方式与热 源和辐射传热面的距离以及温度有关。距离近，温度高，辐射能就强烈，放热就越多， 传播热就快。根据实际觏4 验，布置在炉膛内的水冷壁管，每平方米的传热面积上，每小 时可吸收2 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 大卡的热量，比对流吸热高5 1 0 倍。很明显，在蒸发同样 多的水的情况下，采用水冷壁管的数量，能收到提高锅炉出力的效果。 。2 大连理工大学硕士学位论文 2 对流放热：烟气以某一速度流动时，在与传热表面的接触过程中放热，称为对 流放热。对流放热与烟气的流速及温度有很大关系。流速大，烟气冲刷管壁就强烈，放 热也就越多。烟气温度高，与对流传热面内的水温差大，传热能力愈强，反之就小，另 外，对流放热与传热面的结构和布置有关。小管径的管子接受对流放热比大管径的管子 就好些；烟气对管子作横向冲刷，对流放热比较强烈；烟气对管子作纵向冲刷时，对流 放热就比较差：在横向冲刷的情况下，管子错开排列，放热就比较强烈；管子顺排，放 热就比较差。对流放热还与材料性能有关。金属的导热性能良好，因此，认为管壁厚度 对于传热没有什么影响。而水垢的传热能力只是金属的1 3 0 l 5 0 0 。如果水垢层太 厚，不仅造成燃料的浪费，还会使金属管壁过热烧坏，严重威胁锅炉的安全运行。因 此，在目前大量采用小管径自甘水管锅炉，和对锅炉进行技术改造，增加水冷壁管的情况 下，水处理的问题应该引起足够的重视。传热面上积灰结垢同样阻碍传热。烟速低，传 热面就易积灰结垢，增大烟速，则可减少积灰结垢。总之，保持传热面洁净，对传热过 程的正常进行极为有利。 1 2 3 锅内水循环的概念 锅炉的水循环可分为自然循环和强制循环两种。依靠比重差而形成的水循环称为自 然循环；依靠水泵的机械动力的作用迫使循环的，称为强制循环( 如直流式锅炉) 。 目前绝大多数的锅炉属于自然循环锅炉。这里就自然循环的锅炉谈谈水循环的概 念。 图1 2 表示常见的两种水冷壁循环回路( 指锅内汽水混合物来回流动的线路) 。水 冷壁管内的水吸热后温度逐渐升高，当达到饱和温度后，一部分开始汽化，汽泡向上浮 动，在这同时，整个水冷壁管内的汽水混合物也向上浮动，或者直接进入锅筒，或者经 过上联箱和汽水引出管进入锅筒。锅筒向降水管和下联箱供水，水冷壁管则由下联箱配 水，使汽水系统形成：锅筒一降水管一下联箱一水冷壁管一上联箱一汽水导出管一锅 简，形成这样一个封闭的循环回路。水在这个回路里连续不断地兜圈子流动，就日q 做水 循环。 哪里来的力量使水循环呢? 水冷壁管内是汽水混合物，降水管内是没有汽化的水， 由于比重差，一边轻，一边重，轻的上升，重的下降，这样，在水冷壁管和降水管间出 现了压差，使两水柱之间失去平衡，于是水就流动，便构成了锅内水的自然循环。两者 比重差愈大，两水柱问的压力羞愈大，则造成的水循环动力愈大；循环回路的高度越 高，水循环的动力也越大。正是由于连续不断的正常的水循环，才保证了水冷壁管在高 温下不被烧坏。水冷壁管内的水循环量是非常大的。小型锅炉水冷壁管内的循环水量， 3 1 0 吨供热锅炉电气系统变频改造 通常是锅内所产生的蒸汽量的几十到一、二百倍。这除了冷却金属管壁外，还可以减少 水垢的沉积和防止脏物堵塞管子。 一 综上所述，由于水冷壁管与降水管中的汽水混合物的比重差，便产生了水冷壁管与 降水管两者的压力差，从而构成了水循环的动力。这个“压力差”又称为流动压头 p 。以数学公式表示，即； p = h ( r rr t ) 公斤米2( 1 1 ) 式中r 广降水管中水的重度( 公斤米3 ) ； r 广水冷壁管中汽水混合物的重度( 公斤米3 ) ； h 循环回路的高度( 米) 。 流动压头p 是克服水及汽水混合物在降水管、水冷壁管及联箱中流动时的阻力 的。耍使水循环好，一方面要增加流动压头，另一方面要减少循环回路的阻力。为了保 证锅炉的水循环正常进行，就必须注意以下几个方面的问题。 ( 1 ) 增加流动压头。要增加流动压头，就应适当提高水冷壁高度或上下两锅筒间的 中心距。但这样做，对有的锅炉来说又受到了一定条件的限制( 如快装锅炉) 。按经验 数据，工作压力为8 1 3 大气压的锅炉，水冷壁的高度h 最好不小于3 5 米；对于8 大 气压以下的锅炉，h 最好不小于2 米。 4 ( 2 ) 要保持一定汽化强度。也就是说，锅炉在额定的蒸发量或比较大的负荷运行为 好。如果经常在很低的负荷下运行，对正常的水循环是不利的。 ( 3 ) 应尽量减少循环回路的阻力。因此，要求在设计锅炉和改造锅炉时，水冷壁 管、降水管、汽水导出管以及上下联箱的布置要合理 ( 4 ) 要保持水在管内有必要的流速。如果流速不够，就会产生停滞现象，甚至出现 倒流，水冷壁管内就会出现汽泡聚集，形成“汽塞”，使管壁局部过热烧坏。 ( 5 ) 保持正常水位，保证降水管的供水量，防止缺水而烧坏水冷壁管。 随着压力的不断增加，水和汽水混合物的比重差也随着压力的升高而减少。为了 补偿由于锅炉的汽压增高而降低的流动压头，因此，就需要提高循环回路的高度，这样 才能保证水循环的可靠性。故中、高压大型锅炉的高度有十多层楼房那么高。但当锅炉 的蒸汽压力超过1 8 0 表大气压时，流动压头已经不能保证正常的水循环。因此，现在接 近于2 0 0 表大气压的锅炉，不采用自然循环，而采用强制循环的直流锅炉。 1 2 4 蒸汽产生的过程 在自然界的很多物质均呈固态、液态和气态三种状态存在。水变成蒸汽的过程，即 是由液态转变为气态的过程。之所以发生这种变化，是温度的作用。以某种方法增加或 减少物体所含的热量，那么物体的温度就会相应地升高或降低。 热的单位以“卡”或“千卡”表示( 千卡又称大卡，l 大卡= t 0 0 0 卡) 。使1 公斤 的物质温度升高1 所需的热量，称为该物质的比热。 经过试验测定，在一个绝对大气压力下，将l 公斤1 4 5 c 的纯水温度升高i c 所需 的热量刚好为1 千卡，因此，水的比热为1 。 用开口容器和密闭的容器都可以获得水蒸汽。但开口容器内产生的蒸汽是在大气压 力下获得的，而密闭容器内产生的蒸汽则是在高于大气压力下获得的。 在开口容器的底部加热时，下部的水首先获得热量被加热向上升，并与上部较冷的 水层混合。随着不断加热，水的温度逐渐升高，接近容器底部的水便会产生汽泡，并很 快地向上浮起，因而容器内上下层的水混合也加快了。当水温达到1 0 0 时，液体内大 量产生汽泡，液面也冒出汽泡，这一现象称为沸腾。水沸腾之后，一直到将全部的水变 成蒸汽为止，水温保持不变。所给予水的热量不是继续用来提高水的温度，而是消耗在 水的汽化蒸发上，即用在克服水分子之间的内聚力上 1 7 。 假如在密闭的容器内产生蒸汽，情况就不一样了。 由给水泵将水压进省煤器，水在流经省煤器时吸收热量温度逐渐升高，由省煤器出 口进入上锅筒，然后经下降管进入下锅简。水经下锅筒分配到水冷壁管或对流管束，在 。5 1 0 吨供热锅炉电气系统变频改造 一定压力下继续加热，温度进一步提高。当温度升高到( 与压力相关的) 一定数值时， 水才开始沸腾。随着压力的升高，沸腾温度也随之升高，这说明水的饱和温度与压力密 切相关( 即在一定的压力下有一定的饱和温度) 。压力越高，饱和温度就越高。例如， 在大气压力下水的沸腾温度是l o o c ，在l o o 绝对大气压下水的沸腾温度为3 0 9 5 c 。 因此，在高山上烧水时，由于山上的大气压低于平地上的大气压，若山上的大气压只有 o 5 绝对大气压时，水在8 0 9 c 时就开始沸腾。因此，在高山上做饭，需用特制的高压 锅，才能把饭煮熟。 在一定的压力下，使1 公斤水从0 加热到饱和温度所需要的热量称为液体热。单 位是大卡公斤。液体热同样与压力有关，压力越高，需要的液体热就越大。但压力升 到3 0 3 5 大气压以后，液体热的增加则缓慢了。水达到( 与压力相应) 饱和温度以 后，继续加热，同样不提高水的温度，而只是使它不断汽化，在汽化过程中，压力不 变，温度也不变。 在饱和温度下，使1 公斤水完全汽化所需要的热量叫汽化热( 又称汽化潜热或蒸发 热) ，单位也是大卡公斤。汽化热同样与压力有关。随着压力的提高，汽化热反而减 少，这是因为液体有些膨胀，分子之间结合的内聚力变弱。此外，液体内的分子运动的 比较快，更多的分子具有从液体中分离出去的速度，所以汽化热反而随着压力的升高而 降低。当压力增加到2 2 5 6 5 大气压力时，水的饱和温度为3 7 4 2 ，汽化热等于零。这 是由于液体与蒸汽间已没有物理上的差别了，1 立方米蒸汽的重量与1 立方米水的重量 相等。在这种压力下的蒸汽状态，称为临界状态；与饱和蒸汽温度( 3 7 4 。2o c ) 相应的 压力( 2 2 5 6 5 ) 称为临界压力。 从以上可知，在密闭的容器里，要使水变成蒸汽，需消耗多少热量，与压力密切相 关。 在l 大气压力下，1 公斤饱和蒸汽的总含热量等于6 3 8 8 大卡。随着压力增加，蒸 汽含热量也增加，当压力为3 0 3 5 大气压时，蒸汽的总含热量则开始下降，需要耗费 的汽化热也下降，但液体热则继续上升，当达到i 临界压力时，液体热与蒸汽含热量相 等，汽化热则等于零。 从3 6 大气压开始，随着压力的升高所需的蒸汽总含热量逐渐下降这一特性表明， 在压力高的情况下获得蒸汽，比在低压的情况下获得蒸汽所耗费的热量少些，消耗的燃 料也相映需要的少些，这就是生产高压力蒸汽比生产低压力蒸汽经济得多的道理。如果 将许许多多的小的、分散的小型锅炉改由大型锅炉集中供热，不仅设备投资费用少，占 一6 大连理工大学硕士学位论文 地面积少，而且能大量节约燃料，大量节约劳动力，并能较集中地解决笑烟除尘的问 题。 从以上叙述的蒸汽发生的过程可知，水变成蒸汽的过程有以下三个阶段： 1 加热阶段：水由初温加热到饱和温度； 2 汽化阶段：由饱和温度的水变成饱和温度的蒸汽； 3 过热阶段：将饱和蒸汽加热到规定的温度。 1 2 5 锅炉燃料的燃烧过程 燃烧过程是指燃料中的可燃成分与氧发生强烈放热化学反应的过程。当其燃烧反应 产物中不再含有可燃物质时称为完全燃烧，当燃烧产物中仍有可燃物质时则称为不完全 燃烧。 燃料的可燃烧成分主要是碳( c ) 、氢( h ) 、硫( s ) 。 燃烧的化学反应 1 碳的燃烧 完全燃烧时，碳与氧的化学反应式为； c + q = c 0 2 ( i 2 ) 碳的分子量是1 2 o l ，氧的分子量是1 6 2 = 3 2 ，二氧化碳的分子量是 1 2 0 1 + 1 6 2 = 4 4 o l 。又知在标准状态( 一个大气压，o 。c ) 下一公斤分子的理想气体， 其体积均为2 2 4 标准立方米。因此，可以写出上式中各项之闯的量的关系： 1 2 0 l 公斤c + 3 2 公斤o ! = 4 4 o t 公斤( 或2 2 4 米3 ) c 也 或l 公斤c + 2 6 6 7 公斤晚= 3 6 6 7 公斤( 或1 8 6 6 米3 ) c o ! 即要使一公斤碳完全燃烧，需供以2 6 6 7 公斤氧，燃烧生成的二氧化碳重为3 6 6 7 公斤，体积为1 8 6 6 立方米。 不完全燃烧时，碳生成一氧化碳，其反应式为： 2 c + o ! = 2 c 0 ( 1 3 ) 可得： 2 4 0 2 公斤c + 3 2 公斤0 2 = 5 6 0 2 公斤( 或4 4 8 米3 ) c o 或1 公斤c + i 3 3 3 公斤晚= 2 3 3 3 公斤( 或1 8 6 6 米3 ) c 0 即一公斤碳不完全燃烧时，需氧i 3 3 3 公斤，能生成一氧化碳2 3 3 3 公斤或i 8 6 6 立方米。 比较碳的完全燃烧与不完全燃烧，可以发现：不管一公斤碳生成二氧化碳还是生成 一氧化碳，其生成的容积都是同样的1 8 6 6 立方米。 7 1 0 吨供热锅炉电气系统变频改造 2 氢的燃烧 氢的燃烧反应式为；2 h z + 0 2 = 2 h 。0 可得： ( 1 4 ) 4 0 3 2 公斤h 2 + 3 2 公斤0 2 = 3 6 。0 3 2 公斤( 或4 4 8 米3 ) h ：o 蒸汽 。 或l 公斤心+ 7 9 4 公斤0 2 = 8 9 4 公斤( 或1 1 1 1 米3 ) h 2 0 蒸汽 3 硫的燃烧 硫的燃烧反应式为 s + o f s 如( 1 5 ) 可得： 3 2 公斤s + 3 2 公斤0 ：6 4 公斤( 或2 2 4 米3 ) s 魄 或1 公斤s + i 公斤o f 2 公斤( 或0 7 米3 ) s 0 2 1 3 可编程序控制器简介 可编程序控制器( 以下简称p l c ) 是基于计算机技术和自动控制理论而发展起来 的，它既不同于普通计算机，又不同于一般的计算机控制系统。作为一种特殊形式的计 算机控制装置，它在系统结构、硬件组成、软件结构以及y o 通道、用户界面等诸多方 面都有其特殊性。p l c 是一种数字运算操作饿电子系统，专为在工业环境下应用丽设 计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数 和算术运算等操作的命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械 或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体， 易于扩充功能的原理而设计。p l c 自1 9 6 9 年问世以来，它按照成熟而有效的继电器控 制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新器件，逐步形成一门较为独立的新型技 术和较为独立的各种系列产品，成为解决自动控制问题的最便捷、最有效的工具。 1 3 1 可编程序控制器的国内外状况 自从1 9 6 9 年美国研制出世界上第一台p l c 以来，日本、德国、法国等国相继研制 了各自的p l c ，受到工业界的重视。2 0 世纪7 0 年代中期，p l c 进入了实用化阶段。在 p l c 中全面引入微计算机技术，使p l c 产生了质的飞跃，功能曰趋完善。在逻辑运算功 能的基础上，增加了数值运算、p i d 调节等功能，提高了运算速度。p l c 的小型化、价 格低、可靠性高，确定了它在现代工业中的位置。2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代初，p l c 进入了成熟阶段。向大规模、高速度、高性能方向发展，形成了多种系列化产品，编程 语言也发展成熟。这时p l c 已在工业控制领域中占主导地位。根据美国著名商情公司 p & s 提出的报告，p l c 将在控制市场内获得更多的销售份额，从1 9 9 3 年的4 6 上升到 - 8 - 大连理工大学硕士学位论文 2 0 0 0 年的5 0 ，销售额从3 9 亿美圆上升为7 6 亿美圆。可以看出，p l c 在工业企业中应 用已相当普及，在多种自动化设备中占首位 2 3 。 美国p l c 发展得最快，1 9 8 4 年有4 8 家p l c 制造厂，生产了1 5 0 多种p l c ，1 9 8 7 年 有6 3 家制造厂，生产了2 4 3 种p l c ，1 9 9 6 年有7 0 余家制造厂，生产了近3 0 0 种p l c 。 美国生产p l c 的著名厂家有艾伦一布拉德利公司( a l i e n b r a d l e y 。a - b ) ，莫迪康公司 ( m o d i c o n ) ，g e 公司，德i 1 仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t ，t i ) ，西屋电气公司 ( w e s t h o u s ee l e c t r i c ) ，国际并行机器公司( i n t e r n a t i o n a lp a r a l l e lm a c h i n e ， i p m ) 等。 在欧洲，西门子于1 9 7 8 3 年研制出第一台p l c 。欧洲生产p l c 的厂家有6 0 余家， 主要厂家有德国的西门子，金钟默勒，a e 6 ，阴c ；法国的t e ( t e l e m e c a n q u e ) ， a l s t o m ；瑞士的s e l e c t r e n 等。 1 9 7 1 年，日本从美国引进p l c 技术，由日立公司研制成功日本第一台p l c ，日本生 产p l c 的厂家有4 0 多家，主要厂家有：三菱电机( m i t s u b i s h ie l e c t r i c ) 、欧姆龙 ，( o m r o n ) 、富士电机( f u j ie l e c t r i c ) 、东芝( t o s h i b a ) 、光洋( k o y o ) 、松下电 工( m a t s u s h i t ae l e c t r i cw o r k sl t d ，把w ) 、日立( h i t a c h i ) 、和泉( i d e c ) 、夏 普( s h a r p ) 、安川等公司。 我国在2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代初开始引进p l c ，到8 0 年代中期，p l c 已经广 泛应用于冶金、化工、机械等工业部门。我国早期独立研制并有一定影响力的单位有北 京机械工业自动化研究所、上海工业自动化仪表研究所、大连组合机床研究所、成都机 床电器研究所、中科院北京计算机所及自动化所、长春一汽、上海起重电器厂、上海香 岛机电公司、上海自力电子设备厂等单位，但以上诸单位都没有形成规模化生产。随着 改革开放，涌现出的生产p i 上的厂家有：辽宁无线电二厂引进德国西门子技术生产$ 5 - i o j u 、$ 5 - 1 1 5 系列p l c ：无锡电器和日本光洋合资的华光电子公司生产的s r 一2 0 、s d 一 5 1 6 、s g 一8 等型号p l c ；中美合资的厦门卜b 公司生产的p 乙c 一2 、p l c - 5 等系列p l c ；上 海香岛机电公司引进技术生产的a c m y - s 8 0 p c 等；上海欧姆龙公司和西安西门子公司 等。据有关资料统计，至1 9 9 3 年在中国p l c 市场排行榜上的世界十大生产厂家是： 美国卜b 公司； 德国西门子公司； 美国通用电气公司； 美国莫迪康和法国的t e 电器公司( 施耐德) ； 日本欧姆龙公司： ，9 1 0 吨供热锅炉电气系统变频改造 日本三菱电机株式会社； 日本富士电机株式会社； 日本东芝公司； 日本的光洋公司和中国的华光电子公司； 日本松下电工株士会社。 1 3 2 可编程序控制器的组成和原理 可编程序控制器要完成控制任务是在其硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用 户程序完成的。这一点是和计算机的工作原理一样的，所以可编程序控制器工作的基本 原理是建立在计算机工作原理基础上的。从广义上讲，可编程序控制器p l c 实质上也是 一种计算机控制系统，只不过它具有比计算机更强的与工业过程相连的接口，具有更适 用于控制要求的编程语言。由于它是作为继电控制盘的替代物，其核心为计算机芯片， 因此与继电器控制逻辑的工作原理有很大的差别。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行 的方式，即如果一个继电器的线圈通电或断电，该继电器的所有触点( 包括它的常开触 点或常闭触点) 不论在继电器线路的哪个位置上，都会立即同时动作。然而p l c 的c p u 则采用顺序逐条地扫描用户程序的运行方法，及如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或 断开，该线圈所有触点( 包括它的常开触点或常闭触点) 不会立即动作，必须等扫描到 该触点时才会动作。为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的这种差异，考虑至继 电器控制装置中各类触点的动作时间一般在l o o m s 以上，而p l c 扫描用户程序的时间一 般均小于l o o m s 。因此，p l c 采用了种不同于一般微型计算机的运行方式寸| 描技 术。这样，对于i 0 响应要求不高的场合，p l c 与继电器控制装置在i o 的处理结果上 就没有什么差别了。 p l e 在每次循环扫描周期内，定时( 一般在扫描周期的开始或结束) 将所需要的现 场有关信息采集到控制器中，存放在预先准备好的一定区域内，及随机存储器的某一地 址区，称为输入映象区。这样，在执行程序时，所需的现场信息都在输入映象区取用， 不直接到外设去取。虽然在理论上用这种方法采集到的现场信息仍有先后差异，但它已 很小。因此，可以认为与采集到的信息是同时的。同样，输出的对被控制对象的控制信 息，也不采用形成一个就输出一个的控制方法，而是先将它们存放在随机存储器的某一 特定区域，这个区域成为输出映象区。当用户程序扫描结束时，将所有存在输出映象区 的被控对象的控制信息，集中输出，改变被控对象的状态。对于那些在一个扫描周期内 未发生变化的变量状态，就输出一个与前一周期同样的信息。因而也不会引起外设工作 的变化。输入映象区、输出映象区集中在一起，就是一般所说的i o 映象区。i 0 映象 1 0 大连理工大学硕士学位论文 区的建立，使系统工作变成一个采样控制系统，称之为数字采样控制系统。只要采样周 期t 足够小，采样频率足够高，就可以认为这样的采样系统符合实际系统的工作状态。 可编程序控制器的基本组成一般可分为c p u 、存储器和输入输出系统三个部分。 p l c 的系统程序和用户程序都放在存储器中，现场输入信号经过i o 系统传送制至 c p u ，c p u 按照用户程序存储器里安放的指令，执行逻辑或算术运算，并发出相应的控 制指令，该指令通过i 0 系统传送至现场，驱动相应的执行机构动作，从而完成相应的 控制任务。 可编程序控制器具有以下优点： 1 功能完善 ， p l c 的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式的和性质的开关 量和模拟量信号的输入和输出，除了具备许多控制功能外，p l c 具有极强的适应性，能 很好的满足现场控制需要。 2 模块化结构，硬、软件开发方便 p l c 的硬件结构全部采用模块化结构，可以适应大小规模不同、功能复杂程度及现 场环境各异的各种控制要求。硬件系统安装方便，接线简单，连接可靠，为控制系统的 硬件设计提供了方便、快捷的途径，可以大大缩短硬件系统的开发周期。 软件编程支持梯形圈逻辑语言，直观、方便，只要有了通常的继电器梯形图、逻辑 图或逻辑方程，就等于有了p l c 系统用户程序，大大减轻了系统软件开发的工作量，对 于p l c 系统取代原继电器控制系统，进行老设备改造是十分有利的。总之使用p l c 可以 大大缩短整个系统设计、生产、调试周期，节约系统投资。 3 操作方便，维护、改造容易 p l c 的输入输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态，非常有利于运行、维 修人员监视系统的工作状态，p l c 采用梯形图逻辑编程，有利于电气操作人员对p l c 的 编程。 4 性能稳定，可靠性高 p l c 产品都有其严格的技术标准，这些标准保证了p l c 在恶劣的工业环境下的正常 运行。主要模件均采用了大规模与超大规模集成电路，i o 系统设计有完善的通道保护 与信号调理电路，在机械结构上对耐热、防潮、防尘、抗振等都有精心考虑，所有这些 使得p l c 具有较好的性能和较高的可靠性。一般平均无故障时间可达几万小时以上。 5 p l c 还具有较完善的自诊断、自测试功能，便于将来的使用和维护。 1 0 吨供热锅炉电气系统变频改造 1 3 3 可编程控制器的发展趋势 1 向高速度、大存储容量方向发展 为提高处理能力，要求p l c 具有更快的响应速度和更大的存储容量。目前大中型 p l c 的扫描速度可达0 2 m s 千步左右，各大公司都把p l c 的扫描速度作为一个很重要的 竞争指标。可采用如下方法加快处理速度：全面使用6 4 b i tr i s c 芯片，多c p u 并行处 理、分时处理、分任务处理或分级处理，各种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路 固化技术，这样可使p c u 处理速度达到纳秒级。在存储容量方面，目前大型p l c 是几百 k b ，最高可达几船。如a b 公司的p l c 一3 上容量为2 m b ，存储容量的提高为大规模系统 的设计提供了条件。 2 想多品种方向发展和提高可靠性 目前，中小型p l c 比较普遍，为适应市场的多种需要，今后p l c 要向多品种发展， 特别是向超大型和超小型两个方向发展。目前开关量输入输出点数达到8 1 9 2 点的大型 p l c 已比较多，为适应大规模控制系统的需要，输入输出的点数还在增加。考虑到分散 控制的思想，这种扩大将受到一定的限制。目前小型p l c 应用很普遍，超小型p l c 的霰 要日趋增多。据报道，美国机床行业采用的超小型p l c 几乎占p l c 市场的1 4 。超小 型、微型p l c ( 仅有几个输入输出点) 在机电一体化产品中将大有用武之地。为提高系 统的可靠性，除了提高半导体器件的可靠性外，p l c 将在硬件上采用多个c p u 冗余技 术，软件上将开发出更加高级的诊断程序和纠错软件。 3 产品更加规范化、标准化 拥护将促进生产厂家把p l c 做成兼容产品，至少p l c 的基本部件技术规格、输入输 出模块、接线端子以及通信协议将规范化、标准化，且能相互兼容。在p l c 系统结构不 断发展的同时，编程软件也在不断发展。实际应用中，p l c 的编程语言主要有： ( 1 ) 标准的继电器梯形图语言 ( 2 ) 顺序功能图语言 ( 3 ) 模仿过程流程的功能块语言 ( 4 ) 高级语言( 如b a s i c 、c 等语言) 未来的p l c 编程工具和编程语言将规范化、标准化且能互相兼容。用户将不需要编 写应用程序，多种应用程序已由生产厂家固化在存储器中，它将是一种图音文并茂、组 态式、菜单式的程序。 4 发展分散型智能型i o 系统，发展与现场总线兼容的i 0 系统 1 2 大连理工大学硕士学位论文 目前，控制系统向集成化发展，特别是e i c ( 电、仪、计算机) 控制集成系统。 p l c 亦在向集成化发展，与功能集成同步发展的是智能i 0 和分散系统。分散型t o 系 统的特点是通过双绞线或同轴电缆与p l c 高速通信( 通过通信网络，一般速率为 1 f o p s 2 f o p s ) 。智能i o 是以微处理器及程序、数据存储器为基础的功能部件，由于 采用从p l c 向下装入工作参数的方法，实现预处理不依赖于p l c 扫描的局限性。智能 i o 安装在远程i o 框架内，可连接自己的操作员接口，局部操作员接口可访问所有回 路。现场总线也是p l c 发展的重要方向，现场总线是以开放的、独立的、全数字化的双 向多变量通信标准代替现场仪表标准，更主要的是将多层自动化控制系统的任务下移。 由于控制功能下移，即使主机c p u 有故障，现场仪表仍能正常工作。现场总线的基础结 构是各种标准功能块，执行数据采集、运算、控制和输出。功能块具有预定义的算法， 数据库通过通信存取和通过组态来装载。用户层定义了功能块的集合，并体现功能块的 兼容性和互换性。控制系统结构的设计是通过连接各种不同的功能块实现的。由现场总 线及其i o 器件为主构成的彻底分散式控制系统，将成为自动控制系统的主流。 5 加强联网和通信的能力 加强p l c 联网与通信能力是现代p l c 技术进步的潮流。p l c 的联网和通信可分为两 类：一类是p l c 之间的联网通信，各p l c 制造厂都有自己专有的联网手段；另一类是 p l c 与计算机之间的联网通信，一般p l c 都有通信模块用于计算机通信，在网络中有通 用的通信标准，否则在一个网络里不能连接许多厂商的产品。标准通信网络和专用通信 网络在一端时间内会共存，过渡时期的办法是采用兼容措施。但标准通信网络的开发是 来来的方向。 6 控制的开放和模块化的体系结构q a c 控制的开放和模块化体系结构( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l ， o m a c ) ，是由美国的g g 、f o r d 、c h r y s l e r 三大汽车公司最近联合提出的，他们一致认 为，制造工业强烈要求降低控制系统的成本，提高其安全性、灵活性、可联网性，简化 维修和培训。对于铡a c 中控制器和模块的概念，他们建议采用个人计算机作为控制 器，而开放性的获得在很大程度上依赖于软件，面不是硬件。目前，美国和日本都在开 始这一研究进程。根据0 m a c 的思路，开放型体系结构的控制系统的轮廓包括： ( 1 ) 以标准的个人计算机作为硬件平台 ( 2 ) 开放性主依赖于软件实现 ( 3 ) 用户可自行设计硬件和软件体系，构成自己需要的控制系统 ( 4 ) 维护和培训实现标准化 1 3 1 0 吨供热锅炉电气系统变频改造 0 m a c 具有以下特性 ( 1 ) 提供一种共同的视觉和感觉 ( 2 ) 减少开发和集成的时间 ( 3 ) 提供随着技术的改进而逐渐更新的可能 ( 4 ) 提供一种简单的联网方法 ( 5 ) 可就地的作数学运算 ( 6 ) 尽可能发挥商品化个人计算机的硬件和软件的潜力 ( 7 ) 促进开放系统和开放接口 当然( y , a c 也有负面问题： ( 1 ) 对于复杂的项目要求较高的管理水平 ( 2 ) 较难确定系统的可信赖性 ( 3 ) 系统集成要求附加的工作量 “) 安全性与可靠性问题 ( 5 ) 完全改变现有的操作习惯 综上所述，到目前为止0 m a c 还是一种构想，还处于起步阶段；但完善后的o m a c 系统，将成为现代控制系统的未来。 1 4 通用变频器概述 至今，交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流，在电气调速传动领域 内，由直流电动机占统治地位的局面已经受到了猛烈的冲击。随着电力电子器件( 包括 半控型和全控型器件) 的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电机的矢 量变换控制技术、脉冲宽度调制( p 惭) 技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基 础全数字化控制技术等的迅速发展，可以相信，在不久的将来，交流调速电气传动将会 完全取代直流调速电气传动 3 5 。 1 4 ，l 通用变频器的发展过程 从8 0 年代初通用变频器问世以来，通用变频器更新换代了五代：第一代是8 0 年代 初的模拟式通用变频器，第二代是8 0 年代中期的数字式通用变频器，第三代是9 0 年代 初的智能型通用变频器，第四代是9 0 年代中期的多功能型通用变频器，第五代是目前 的集中型通用变频器。通用变频器的发展情况可从以下几个方面来说明。 1 通用变频器的应用范围不断扩大 通用变频器不仅在工业各个行业广泛应用，就连家庭也逐渐成了通用变频器的应用 市场。由于通用变频器应用范围的不断扩大，其产品正向三个方面发展变化：其一，向 1 4 无需调整便能得到最佳运行的多功能与高性能型变频器方向发展；其二，向通过简单控 制就能运行的小型及操作方便的变频器方向发展；其三，向大容量、高起动转矩及具有 环境保护功能的变频器方向发展。 2 通用变频器使用的功率器件不断更新换代 通用变频器对功率晶体管的基本要求是：能够承受足够大的电压和电流；允许长时 间频繁地接通和关断；接通和关断的控制必须十分方便。 在8 0 年代初只有大功率晶体管( g t r ) 能够满足上述基本要求条件，后来随着工作 频率g t r 提高了一个数量级的绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的出现，使变频调速技术又向 前迈进了一步。目前，中小容量的新系列变频器中的逆变部分，已基本被i g b t 垄断 了。时至9 0 年代末又出现了一种新型半导体开关器件集成门极换流晶闸管i g c t ( i a t e g r a t e dg a t ec o m m t a t e dt h y r i s t o r ) ，该器件是g t o 和i g s t 相互取长补短的 结果，非常适合用于中压( 1 k v l o k v ) 开关电路，现在已有系列产品。 3 通用变频器控制元件运行速度和可靠性提高，成本降低 通用变频器最初使用能完成特定功能的初级专用集成电路，例如交流变压变频 s p i n i 序列波发生器有h e f 4 7 5 2 ( 英国m u l l a r d 公司产品，适用于开关频率l k h z 以 下) 、s l e 4 5 2 0 ( 德国西门子公司产品，适用于开关频率2 0 k h z 以下) 等。现代使用最 高级专用集成电路a s i c ( a d v a n c e ds p e c i a l i z e di n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 。目前a s i c 的功能远远超过一个发生器，往往能够包括一种特定的控锦4 系统。例如，德国i n ( 应 用微电子研究所) 1 9 9 4 年推出的v e c o n ，是一个交流伺服系统的单片矢量控制器，包含 控制器、能完成矢量运算的d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 协处理器、p 删定时 器，以及其他外围和接口电路，都集成在一个芯片之内，使可靠性大为提高，而成本大 为降低，且有助于专利技术的保密。开发各种新一代的a s i c 已成为各电气公司竞争的 热点。 过去微处理器的进步往往只靠改进超大规模集成电路硬件的工艺，来提高时钟频率 和处理器速度。现在使用精简指令集计算机r i s e ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) 。r i s c 出现于8 0 年代后期，是计算机体系结构上的一次革命，使微处理器 在运行性能上获得了质的飞跃。r i s c 是一种矢量( 超标量) 处理器，在一个给定周期 内，能并行执行多条指令，自r i s c 诞生以来，其工作速度已从2 3 m i p s ( m e g a i n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ) 上升到1 0 0 0 m i p s ，即相当于银河巨型机的每秒1 0 亿次， 从根本上改变了微处理器所包含的意义和应用的范围。r i s c 的指令处理方法是：扬弃 1 5 1 0 吨供热锅炉电气系统变频改造 某些运算复杂而用处不大的指令，省出这些指令所占用的硬件资源，以提高简单单指令 的运行速度，提高软件运行的总体效率。 4 通用交频器的控制技术性能达到了直流电机调速的水平 通用变频器在8 0 年代初采用的控制技术是v fp 州控制方式，9 0