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锅炉控制系统设计与研究毕业论文目录摘要IAbstractII目录III第一章绪论11.1项目背景及课题的研究意义11.2供暖锅炉控制的国内外研究现状21.3本文所做工作3第二章 变频调速在供暖锅炉控制中的应用42.1变频调速基本原理42.2变频调速在供暖锅炉系统中的应用42.3变频调速节能分析5第三章 锅炉控制系统原理73.1引言73.1.1偏差控制方式73.1.2 PID控制方式83.2循环流量控制103.3燃烧过程控制11第四章 锅炉控制系统总体设计124.1系统功能分析124.2系统方案设计124.2.1总体设计思路124.2.2系统结构134.3系统硬件配置14第五章 锅炉控制系统的硬件设计165.1系统主电路的设计165.2系统控制电路的设计175.3系统主要元器件的选择205.3.1 PLC的选型205.3.2通信网络配置255.3.3变频器的选型255.3.4传感器的选型285.3.5其他主要元器件的选择28第六章系统软件的设计296.1 S7-300系列PLC简介296.1.1 S7-300编程方式简介296.1.2 S7-300 PLC的存储区306.2PLC控制程序设计316.2.1 PLC控制流程图326.2.2 PLC控制程序36第七章 监控组态软件设计387.1组态软件设计特点387.2项目组态397.2.1开发平台和运行环境397.2.2项目结构397.2.3项目任务417.3界面设计427.4报警记录44结论46参考文献47附录148附录249外文文献翻译53致谢8378第一章绪论1.1 项目背景及课题的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大，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个大中城市近3.5亿平方米的供暖调查，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。锅炉是消耗能源、产生大气污染、事关生产与生活和安全的重要设备，它在国民经济整个能源消耗中占有相当大的比重。目前我国供暖锅炉以燃煤链条锅炉为主，燃用的主要是中、低质煤，而且锅炉房管理水平不高，一直沿用间断运行方式，锅炉技术含量低，锅炉的自动化控制技术落后，造成了严重的能源浪费和环境污染。据统计，我国目前拥有工业锅炉50万台，每年消耗的燃煤占全国原煤产量的三分之一，约4亿吨。锅炉每年排放烟尘约620万吨，约510万吨，此外还有大量的N02等有害气体，成为我国大气煤烟型污染的主要来源之一，尤其是燃煤排放的CO，气体所引起的温室效应，早己引起国际关注。本系统供暖锅炉自动控制系统，主要由进口变频器、可编程控制器、压力变送器、温度变送器和泵房机组以及电气控制柜等组成。其中泵房机组包括：1#引风机为90 kw，变频启动和调速；2#鼓风机37kw，变频启动和调速；3#、4#循环水电机为75 kw，变频启动和调速；其余电动机10台，均为直接启动，功率为5kw，工频运行。本设计是供暖锅炉自动控制系统，设计了一套基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统。该控制系统由可编程控制器、变频器、压力变送器、温度变送器和泵房组、工控机以及电气控制柜等构成。系统通过变频器控制电动机的启动、运行和调速。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30%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，有效地限制了电机的启动电流，明显降低电机启动噪声。同时，电机的软启动避免了频繁的工频启动对风机、水泵等大电机的冲击，有效地保护设备，延长设备使用寿命。锅炉的计算机控制使锅炉始终处于最佳工作状态，提高了锅炉的运行效率和燃煤的燃烧效果，不仅节约燃煤，也减少了烟尘和有害气体的排放，具有较好的环保效果。同时，计算机控制系统通过各种传感器检测锅炉温度、压力、流量等参数，传送至微机和仪表盘，并实现温度和压力等参数的自动控制，工人在计算机控制室就可以全面了解锅炉房各部分的运行情况，大大改善了工人的工作条件，提高了自动化程度和管理水平。因此 ，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。1.2 供暖锅炉控制的国内外研究现状当前，节能与环保已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，已实现优化控制国内对锅炉控制的研究起步较晚，始于80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，但仍然存在一些问题: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，控制精度低。2、 锅炉控制系统的控制方案不够合理，锅炉控制器(计算机或可编程控制器)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。3、 我国自70年代末开始，锅炉的微机控制逐渐成熟起来，但主要实现仪表显示、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。1.3 本文所做工作针对目前供暖锅炉控制的现状，本文主要做了以下工作:1、 提出系统控制方案。本文针对供暖锅炉自动控制系统，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电机的转速，节省了大量的电能。本系统中丰位机采用高可靠性的工业控制计算机，对锅炉控制系统统一调度和监控管理，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。键技术，本系统的主要设计任务是锅炉系统的变频改造，因此本文详述变频调速技术在锅炉控制中的应用变频调速技术是关，并分析变频调速应用在锅炉供暖系统带来的节能效果。2、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。3、 阐述供暖锅炉控制的控制原理，提出供暖锅炉系统的控制模型。简要介绍PID控制算法，并运用PID控制方式进行系统的补水控制、循环流量控制、燃烧过程控制以及炉膛负压控制。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日标、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口。5、 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。6、 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，本文选用三维力控PCAuto3.6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、历史数据查询等功能。第二章 变频调速在供暖锅炉控制中的应用2.1变频调速基本原理目前，随着大规模集成电路和微电子技术的发展，变频调速技术己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，己日趋完善，能够适应较为恶劣的工业生产环境，且能提供较为完善的控制功能，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的关系：其中表示电机转速;为电动机工作电源频率;为电机转差率;为电机磁极对数。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采用交一直一交电源变换技术，集电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。2.2变频调速在供暖锅炉系统中的应用由于变频调速可以实现电机无级调速，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。而最常用的控制手段则是调节风门、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、维修费用高居不下。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，管路、阀门等密封性能的破坏，还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，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，出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。它的优点是:调速的机械特性好，调速范围广，调整特性曲线平滑，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。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。水泵的节能分析类似。由流体力学的基本定律可知:风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速与流量，压力以及轴功率具有如下关系: 即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。图2-1给出了风机中风门调节和变频调速二种控制方式下风路的压力-风量关系及功率-风量关系。其中，曲线1是风机在额定转速下的曲线，曲线2是风机在某一较低速度下的曲线，曲线3是风门开度最大时的曲线，曲线4是风机在某一较小开度下的曲线可以看出当实阮工况风量由下降到时，如果在风机以额定转速运转的条件调节风门开度，则工况点沿曲线1由点移到点;如果在风门开度最大的条件下用变频器调节风机的转速，则工况点沿曲线3由点移到点。显然，点与点的风量相同，但点的压力要比点压力小得多。因此，风机在变频调速运行方式下，风机转速可大大降低，节能效果明显。 压力 4 功率 3 2 1 6 5 0 风量 0 风量图2-1变频调速在风机中的节能分析曲线5为变频控制方式下的曲线，曲线6为风门调节方式下的曲线。可以看出，在相同的风量下，变频控制方式比风门调节方式能耗更小，二者之差可由下述经验公式表示:其中为风机运行时实际风量；为风门开度为最大，且电机运行在额定转速时的风量；为风门开度为最大，且电机运行在额定转速时的功率。假设有一台lO的热水锅炉:引风机:55，鼓风机:22，共7则由变频调节与风门调节相比较可知:80%风量时每小时节能=28.36660%风量时每小时节能=41.888如果按全年运行7000小时计算，其中80%风量运行5000小时:60%风量运行2000小时，则全年节能由此可见，其节能效果非常显著。目前，变频调速技术己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。第三章 锅炉控制系统原理3.1引言现有的供暖锅炉由蒸汽锅炉改造而成的常压热水锅炉，常压锅炉使用安全，对原材料的要求比蒸汽锅炉低，无需控制蒸汽压力，控制精度要求相对要低。目前国内外对蒸汽锅炉控制的研究己经比较成熟，锅炉控制数学模型基本定型，而供暖锅炉控制相对简单，对其研究不够重视。本文以火力发电厂蒸汽锅炉的控制模型为参考，提出供暖锅炉的控制模型。供暖锅炉控制系统属于过程控制系统，其控制的目标是控制锅炉燃烧过程中的出水温度、回水温度、出水压力、回水压力、炉膛负压等参数，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。在供暖期间，系统根据室外温度的变化分时段控制锅炉的出水温度和系统回水温度。在室外温度较低的时段内，出水温度的设定值较低，在室外温度较高的时段内，出水温度的设定值较高，进而调节出水供热量。在某一时段内，则通过调节热水循环流量对出水供热量进行微调。锅炉出水温度的调节主要靠燃烧控制系统来实现，而系统回水温度的调节主要靠热水循环流量来调节，出水压力和回水压力的大小由循环泵和补水泵的状态来决定。调节温度和压力等参数时，采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式。偏差控制方式应用于系统的开关量输出，PID控制方式应用于系统的模拟量输出。3.1.1 偏差控制方式偏差控制是指当热工参数实际采集值与用户设定值之间存在偏差时，系统通过调节某些量来减小偏差，直至实际采集值等于用户设定值为止。但这只是一种理想设计，在实际应用中，由于系统误差的存在，实际采集值不可能等于用户设定值。因此，引入“回差”的概念，即给用户设定值一个可以接受的范围，在此范围内都可认为达到系统设定值。例如锅炉的出水温度设定值为，温控回差为，则当出水温度满足式(3-1)时即可。 (3-1)3.1.2 PID控制方式偏差控制只能输出开关量信号，对于连续调节的设备，则需要过程控制系统中最常用的控制规律-PID控制方式。PID控制，即按偏差的比例(P)、积分(1)、微分(D)控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的结果。PID调节器既能消除静差，改善系统的静态特性，又能加快过渡过程，提高系统的稳定性，改善系统的动态特性，是一种比较完善的调节规律，主要应用于温度控制和压力控制等过程控制系统中，以克服时间响应滞后，得到较好的控制指标。 PID被控对象 + - 图3-1 PID控制系统1、 PID控制器的基本形式PID控制分两种基本形式，即模拟PID控制器和数字PID控制器。模拟PID控制器如图3-1所示，理想控制规律为 （3-2）其中，为比例增益，与比例带成倒数关系，即，为积分时间常数，为微分时间常数，为控制量，为偏差。比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除静态误差，过大，可能会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作屏就不断地积累，输出控制量以消除静态误差，因而，只要有足够的时间积分作用将能完全消除误差，但调节动作缓慢；微分控制加快系统的动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态特性。在计算机控制系统中减少调整时间，从而改善系统的动态特性。PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期足够短时，用求和代替积分，使模拟PID离散化变为差分方程，如式（3-3）所示。 （3-3）增量型的控制方程为: （3-4）其中称为比例增益；称为积分系数；称为微分系数。以上是PID控制的理论控制方程，但在实际应用中，要根据控制系统的特点，做适当的改进。2、 PID控制器的改进计算机控制是一种比较准确的控制方式，只要系统偏差存在且大于传感器的精度范围，计算机就不断进行控制量增量的计算，并输出相应的控制信号给执行机构，改变执行机构的状态，这样容易产生某些动作过于频繁而引起振荡。为避免控制动作过于频繁以消除振荡，在实际工程应用中，通常在PID控制系统中增加一个死区环节，相应的算式为 （3-5）其中: 为人为设定的一个死区，是一个可调参数，其具体数值可根据实际控制对象由试验确定。太小，使调节过于频繁，达不到稳定控制量的目的；太大，则系统将产生较大的滞后。在锅炉的燃烧控制系统中，为避免风机和炉排转速频繁地改变，可适当地为出水温度设定一个死区，如，1。在锅炉控制系统中，当启动/停止电机或大幅度改变温度、压力等设定值时，由于短时间内产生很大的偏差，往往会产生严重的积分饱和现象，以致造成很大的超调和长时间的振荡。为克服这个缺点，可采用积分分离的方法，即偏差较大时，取消积分作用;当偏差较小时才将积分作用投入。亦即：当时，采用PD控制:当时，采用PID控制。积分分离阀值应根据具体对象及控制要求确定。例如出水温度的控制，可以选定为5或10等，依据控制精度要求而定。综上所述，锅炉控制系统中燃烧控制和水泵控制所采用的PID控制方式，作出死区设定和积分分离两项改进措施，以达到稳定控制温度和压力等信号的目的。3、经验凑试法整定P旧参数PID控制器参数整定主要整定比例系数K,、积分时间界和微分时间几等参数。增大比例系数一般会加快系统的响应，在有静差的情况下有利于消除静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变差。增大积分时间常数,相当于减小积分系数，积分作用减弱，有利于减小超调，减小振荡，但系统静差的消除将随之变慢。增大微分时间常数有利于加快系统响应，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。在凑试时，可参考3个参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。(1)首先整定比例却分。即将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有消除静差或静差己小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只须用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。(2)如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整定时首先置积分时间T,为一较大值并将经第夕步整定得到的比例系数，略为减小(如缩小为原值的0.8倍)，然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据控制效果反复改变比例系数与积分时间,，以期得到满意的控制过程和整定参数。(3)若使用比例积分调节器(PI控制器)消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成完整的PID控制器。在整定时，可先置微分时间为零。在第二步整定的基础上，增大，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。3.2循环流量控制锅炉管网系统的一个任务是通过循环泵将出水缸内的热水输送到用户供热管道，并回到回水缸。循环流量控制同样采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式。偏差控制设定出水压力范围，当出水压力实际值不在设定范围内时，调节流量，直到出水压力达到要求为止。PID控制在偏差控制的基础上对出水压力进行微调，其原理如图3-3所示。循环泵系统根据出水压力的设定值与采集到的出水压力的实时数据，通过PID算法将出水压力值控制在设定值附近。其控制采用前述改进PID控制算法与参数整定方法。压力调节PID变频器管网系统设定值 出水压力图3-3循环流量PID控制原理图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，而当改变任一调节量时，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使燃料燃烧所提供的热量适应负荷的需要，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，需要调节鼓风量与给煤量的比例，使锅炉运行在最佳燃烧状态。开始运行时，可根据经验设定风煤比，使耗煤量与鼓风量成比例关系，同时根据出水温度的变化对鼓风量进行前馈控制，然后通过测量烟气含氧量，运用偏差控制调节风煤比，使燃煤充分燃烧。(3)调节鼓风量与引风量，保持炉膛压力在一定的负压范围内。炉膛负压的变化，反映了引风量与鼓风量的不相适应。如果炉膛负压太小，炉膛容易想外喷火，危及设备与工作人员的安全。负压过大，炉膛的漏风量增大，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，并测量炉膛负压，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。第四章 锅炉控制系统总体设计4.1系统功能分析本系统供暖锅炉自动控制系统，主要由进口变频器、可编程控制器、压力变送器、温度变送器和泵房机组以及电气控制柜等组成。根据设计要求，系统具有以下功能：(1)手动/自动控制电动机起停控制要求具有自动和手动两种功能。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、循环泵和补水泵实现控制。工作泵出现故障后自动切换到备用泵。(2)过温超过报警按要求，锅炉控制系统必须包含超温超压报警功能，当系统中的温度、压力等信号超过上下限时，必须提示报警信息，对某些重要参数，还设置了报警联动功能，即超限时停炉或停泵处理。(3)监控设计根据用户需求，人机界面及故障报警功能，计算机还可以产生相应的各种参数报表，供随时查询和打印参数变化实时趋势图和历史趋势图、报警记录和数据记录报表等。(4)系统性能指标出水温度要求80回水温度要求40出口压力为50Pa4.2系统方案设计4.2.1总体设计思路本文针对供暖锅炉自动控制系统，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。4.2.2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，分为三层，系统结构框图如图4-l所示:主控机西门子S7-300系列可编程序控制器辅控机变频器变频器变频器电气控制回路电气控制回路电气控制回路传感器与变送器传感器与变频器传感器与变频器1#引风机2#鼓风机3# 、4#循环泵图4-1 锅炉控制系统结构示意图管理层: 系统采用两台工控机作为上位机，其中一台作为主控机，另一台为辅控机，构成双机冗余系统。通过MPI多点接口与下位机PLC进行通讯，对现场锅炉的运行进行集中监控、统一调度，实现对锅炉的远程控制。操作人员也随时可以通过计算机，了解现场每台锅炉的运行状况，并对风机、水泵等电机进行启停控制和参数设定。另一方面，关于锅炉运行及网管系统的各种历史数据，则存储在计算机的数据库中。在需要的时候，可以在计算机显示器上显示，或由打印机打印出来。现场控制层: 该层以西门子S7-300系列可编程控制器为核心，一方面通过MPI多点接口与上位机通讯，接收上位机管理层的控制命令。另一方面运用RS-485总线与各变频器进行通信，分别对鼓、引风机、炉排电机、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，即使PLC与上位机通讯故障，系统仍能正常运行。现场数据采集与变送层: 这一层是集散控制系统的最底层，主要完成现场数据的采集、预处理和变送等工作。这些数据主要包括锅炉的出水温度、出水压力、锅筒压力、炉膛温度、炉膛压力以及总出水温度、总出水压力、总回水压力等。变送器将采集的温度、压力等物理量转换成电压或电流信号并传送给可编程控制器进行数据处理。4.3系统硬件配置(1)主机系统采用两台工业控制计算机，其中一台为主控机，另一台为辅控机，分别安装于主控室和辅控室，构成双机冗余系统。监控组态用三维力控组态软件PCAuto3.6，力控是运行在Windows98/NT/2000/XP操作系统上的一种监控组态软件。使用力控用户可以方便、快速地构造不同需求的数据采集与监控系统。(2)可编程控制器本系统选用西门子公司S7-300系列可编程控制器，S7-300是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用。模块化，无风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-300成为各种从小规模到中等控制要求控制任务的方便又经济的解决方案。多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能I/O扩展模块(包括信号模块SM、通信处理器CP、接口模块IM等)，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。(3)仪表设备为了提高仪表的抗干扰能力，选用DDZ-III型仪表，仪表输出为4-20mA电流，保证系统的可靠性。仪表主要包括:温度变送器、流量变送器、压力变送器、液位变送器、微压变送器、含氧量变送器等。(4)变频控制室包括电源控制柜、锅炉变频控制柜、循环泵变频控制柜。变频器全部采用日本三菱公司FR系列低噪声、高性能、多功能变频器，根据电机功率选择不同的型号。控制柜内配置各种型号大小的断路器、接触器(施耐德)、继电器等低压电器设备，以完成电机的启、停控制。第五章 锅炉控制系统的硬件设计5.1系统主电路的设计根据本设计的要求，本系统风机和循环泵采用变频启动和调速。变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，虽然变频器本身就有欠压、过压，过流、过载等保护功能，但是对于有工频运行的水泵电动机，还需要在工频电源下面接入相应的热继电器，来实现电机的过流过载保护。图5-1控制系统的主回路本系统采用4台变频器连接4台电动机，其中1号变频器控制引风电机，功率为90KW，变频工作方式，电机通过一个接触器和变频器输出电源相联，2号变频器控制鼓风机，功率为37KW，变频工作方式，电机通过一个接触器与变频输出电源连接。3号变频器控制一台循环泵，4号变频器控制一台循环泵，功率都为75KW，一台作为备用，均采用变频工作方式。补水泵，炉排电机等采用工频运行方式，功率为5KW。变频器主电路电源输入端子(R, S, T)经过隔离开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子(U. V, W)经接触器接至三相电动机上，如图5-1所示。按下启动按钮，系统开始工作，使接触器线圈KM1、KM2、KM3带电并保持，从而使接触器KM1、KM2、KM3动作，1#变频器、3#变频器接通电源，电动机变频运行。5.2系统控制电路的设计 在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。在整个控制系统中，所有控制电机、接触器的动作，都是按照PLC的程序逻辑来完成的。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是通过中间继电器去控制电机动作。在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离，保护系统，延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。系统要实现手动自动、欠压、过压保护，电机的故障指示，变频器的故障指示以及报警输出，模拟量的输入、输出模块。 控制电路中还必须考虑系统电机的当前工作状态指示灯的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机的工作状态。其控制电路图如图5-2所示。引风机变频调速控制电路如图2-1所示。手动控制时，首先扳动转换开关SA1,使电动机启动时，按下启动按钮SB2，接触器KM1吸合并自保，电动机启动,运行指示灯HL1亮。当接触器KM1吸合时，中间继电器KA1接通，变频器STF接通，变频器启动。当变频器故障输出时，开始报警HA1铃响，报警指示灯亮。按下复位按钮SB3，中间继电器KA2接通，常闭触头KA2打开，解除报警，变频器停止运行。使电动机停止时，按下按钮SB2，接触器线圈失电，主触头KM1打开，电动机停止。自动控制时，扳动转换开关SA1，通过PLC编程控制，来完成电动机的自动控制。 图5-2 控制系统的控制回路5.3系统主要元器件的选择5.3.1 PLC的选型一、PLC系统配置根据系统控制要求，统计出本系统对主PLC的I/O总能力要求为:开关量输入64点，开关量输出32点，模拟量输入8通道。综合考虑系统对PLC运算能力的要求等因素，选用西门子的S7-300系列PLC，CPU模块选用CPU315-2DP。具体配置如图5-4所示: 图5-4 配置图PSCPU IMDI（1）DI（2）DO（1）DO（2）AI AO6ES7 307-1KA00-0AA06ES7 315-3AF00-0AB06ES7 360-3AA01-0AA06ES7 321-1BL00-0AA06ES7 321-1BL00-0AA06ES7 322-1HH01-0AA06ES7 322-1HH01-0AA06ES7 331-7KF02-0AB06ES7 332-5HD01-0AB0S7- 300系列可编程控制器是模块化结构设计，各个单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。系统组成:(l)电源负载模块(PS307)：用于将SIMATIC S7-300连接到120/230VAC电源，输出24VD，它与CPU模块和其他信号模块之间通过电缆连接，而不是通过背板总线谁接。(2)中央处理单元(CPU315-2DP)：集成128KRAM，用MMC存储卡最大可扩展到8MB；对二进制何浮点运算具有较高的处理性能；可用于大规模的I/O配置；集成有PROFIBUS-DP接口；CPU模块除完成执行用户程序的主要任务外，还为S7-300背板总线提供5V直流电源，并通过MPI多点接口与其他中央处理器或编程装置通信。(3)接口模块(IM360)：用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。如果用户的自控系统任务需要多于8个信号模块或通信处理器时，可通过IM360扩展1个机架，最长1米，每个机架上可以插入8个模块，电源也是由此扩展提供。(4)信号模块(SM)：使不同的过程信号电平和57-300的内部信号电平相匹配，主要数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332等。每个信号模块都配有自编码的螺紧型前连接器，外部过程信号可方便地连在信号模块的前连接器上。特别指出的是模拟量输入模块独具特色，它可以接入热电偶、热电阻、4-20mA电流、0-10V电压等18种不同的信号，输入量程范围很宽。(5)通讯处理器(CP340)：西门子公司实现点到点串口通信的低成本解决方案口：RS232C(V24)；20mA(TTY)；RS422/485(X.27)。固化有3964(R)协议和ACSII协议两个标准通信协议。二、PLC的I/O分配表 PLC输入、输出点数的确定根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。（1）PLC的开关输入端口包括系统的启动、停止按钮，电机启动、停止按钮，手动/自动按钮、变频器故障及检修复位、以及变频器工频、变频运行信号，另外PLC输入端口还包括电动机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。其开关输入端口的分配如表5-5所示。表5-5 开关量输入分配表序号 名称文字符号端口地址 11#引风机手动/自动SA1I0.0 21#引风机停止SB1I0.1 31#引风机启动SB2I0.2 41#引风机故障KH1I0.3 52#鼓风机手动/自动SA2I0.4 62#鼓风机停止SB3I0.5 72#鼓风机启动SB4I0.6 82#鼓风机故障KH2I0.7 93#循环泵手动/自动SA3I1.0 103#循环泵停止SB5I1.1 113#循环泵启动SB6I1.2 123#循环泵故障KH3I1.3 134#循环泵手动/自动SA4I1.4 144#循环泵停止SB7I1.5 154#循环泵启动SB8I1.6 164#循环泵故障KH4I1.7 171#变频器故障KA2I2.0 182#变频器故障KA3I2.1 193#变频器故障KA5I2.2 204#变频器故障KA6I2.3 211#变频器报警控制KA7I2.4 222#变频器报警控制KA8I2.5 233#变频器报警控制KA9I2.6 244#变频器报警控制KA10I2.7 251#工频电动机手动/自动SA5I3.0 261#工频电动机停止SB9I3.1 271#工频电动机启动SB10I3.2 281#工频电动机故障KH5I3.3 292#工频电动机手动/自动SA6I3.4 302#工频电动机停止SB11I3.5 312#工频电动机启动SB12I3.6 322#工频电动机故障KH6I3.7 333#工频电动机手动/自动SA7I4.0 343#工频电动机停止SB13I4.1 353#工频电动机启动SB14I4.2 363#工频电动机故障KH7I4.3 374#工频电动机手动/自动SA8I4.4 384#工频电动机停止SB15I4.5 394#工频电动机启动SB16I4.6 404#工频电动机故障KH8I4.7 415#工频电动机手动/自动SA9I5.0 425#工频电动机停止SB17I5.1 435#工频电动机启动SB18I5.2 445#工频电动机故障KH9I5.3 456#工频电动机手动/自动SA10I5.4 466#工频电动机停止SB19I5.5 476#工频电动机启动SB20I5.6 486#引风机手动/自动KH10I5.7 497#工频电动机手动/自动SA11I6.0 507#工频电动机停止SB21I6.1 517#工频电动机启动SB22I6.2 527#工频电动机故障KH11I6.3 538#工频电动机手动/自动SA12I6.4 548#工频电动机停止SB23I6.5 558#工频电动机启动SB24I6.6 568#工频电动机故障KH12I6.7 579#工频电动机手动/自动SA13I7.0 589#工频电动机停止SB25I7.1 599#工频电动机启动SB26I7.2 609#工频电动机故障KH13I7.3 6110#工频电动机手动/自动SA14I7.4 6210#工频电动机停止SB27I7.5 6310#工频电动机启动SB28I7.6 6410#工频电动机故障KH14I7.7（2）PLC的输出端口包括各种故障指示以及变频器故障给PLC的信号，PLC与这些交流接触器的连接是通过中间继电器来实现的，可以实现控制系统中的强电和弱电之间的隔离，保护PLC设备，增强系统工作的可靠性。以上的配置都留有余量，为以后的系统扩展提供方便。开关输出端口的分配表如5-6所示。表5-6 开关量输出分配表序号 名称文字符号端口地址 11#引风机控制KM1Q8.0 2 2#鼓风机控制KM2Q8.1 3 3#循环泵控制KM3Q8.2 4 4#循环泵控制KM4Q8.3 5 1#变频器启动/停止KA1Q8.4 6 2#变频器启动/停止KA11Q8.5 7 3#变频器启动/停止KA12Q8.6 8 4#变频器启动/停止KA13Q8.7 91#工频电动机控制KM5Q9.0 10 2#工频电动机控制KM6Q9.1 11 3#工频电动机控制KM7Q9.2 12 4#工频电动机控制KM8Q9.3 13 5#工频电动机控制KM9Q9.4 14 6#工频电动机控制KM10Q9.5 15 7#工频电动机控制KM11Q9.6 16 8#工频电动机控制KM12Q9.7 17 9#工频电动机控制KM13Q10.0 18 10#工频电动机控制KM14Q10.1 19 1#引风机机启动指示HL1Q10.2 20 1#引风机机停止指示HL2Q10.3 21 2#鼓风机机启动指示HL3Q10.4 22 2#鼓风机机停止指示HL4Q10.5 23 3#循环泵机启动指示HL5Q10.6 24 3#循环泵机停止指示HL6Q10.7 254#循环泵机启动指示HL7Q11.0 26 4#循环泵机停止指示HL8Q11.1 27 1#变频器报警指示HL9Q11.2 28 2#变频器报警指示HL10Q11.3 293#变频器报警指示HL11Q11.4 304#变频器报警指示HL12Q11.5 31备用-Q11.6 32备用-Q11.7(3)模拟量输入输出点的分配表表5-7 模拟量输入分配表序号 名称文字符号端口地址 1 温度模拟量采集 -CH0 2 水位模拟量采集 -CH1 3 压力模拟量采集 -CH2表5-8 模拟量输出分配表序号 名称文字符号端口地址 11#变频器频率调节-QI0 22#变频器频率调节 -QI1 33#变频器频率调节 -QI2 44#变频器频率调节 -QI35.3.2通信网络配置 在系统的网络配置中，图中上位机采用两台研华工控机IPC610，构成双机冗余系统，每台工控机配置一块西门子CP5611MPI多点接口通讯卡，通过MPI接口与下位机S7-300进行通讯。下位机采用S7-300系列PLC，CPU315一2DP，内部集成有MPI接口，用于与上位机全局通讯、PLC在线编程。配置CP340RS一422/485通讯模块，通过RS一485总线传输接口与4台三菱变频器进行通讯。 本系统中S7-300通过CP340与1-4#变频器之间的通信，设置CP340参数，通信协议设置为ASCll协议，选择自由信息报文格式，波特率9.6bps。然后按照变频器