热水锅炉毕业设计

1、兰州理工大学毕业设计说明书摘 要本设计要求供暖系统保持24小时运行，并且减少工人的劳动强度就必须使热水锅炉自动运行，从而需要设计一套适合要求的自动控制系统，保证热水锅炉的鼓风机、给煤机及循环水泵的自动运行，并能实现温度控制、自动报警、停机计时、自动恢复等功能。整个系统由上位机和PLC和执行设备三大部分构成。PLC实现的宏观调控，而变频器则执行微观调控，两者紧密结合，共同完成系统的变频控制任务。克服了传统供暖方式中自动化程度不高、能耗严重、可靠性低等缺点。在整个控制系统过程中，为了增加安全性，防止发生温度超限导致热水锅炉爆炸，采用一台PLC负责正常的热水锅炉控制以及热水锅炉温度控制。要求当测量温

2、度底于设定温度时，风机运转，一定时间后给煤机自动运行。测量温度达到设定温度后，风机，煤机同时停止，此时水温逐渐降低，低于设定温度后，风机自动运转，同样一定时间后煤机自动运转。水泵在水温超过另一设定点时自动运转。主要采用PLC实现自动燃煤热水锅炉控制系统中直流风机 、煤机及水泵的自动控制，采用变频，实现节能运行。关键词：可编程控制器；变频器； 上位机；AbstractTo make to be provided for warm system to keep to circulate for 24 hours , and reduce the workers labor strength ,it

3、 have to make the hot water boiler automatically circulate, need to be design thus a set of in keeping with request of automatic control system, promise the drum breeze machine of hot water boiler and give coal machine and circulation water pump of auto circulate, and can carry out a temperature con

4、trol and automatically report to the police, shut down to account hour, auto instauration etc. The whole system from place of honor several is three greatly part of composings with the PLC and the performance equipments.PLC realization of macro view adjust to control, but the frequency change machin

5、e then carry out a tiny view to adjust to control, both are close to combine, common completion the frequency change control mission of system.Overcame a tradition to provide the automation degree in the warm way not high, can consume the low etc. weakness of the severity, credibility.In the whole c

6、ontrol system process, for the sake of the increment safety, prevent from occurrence the temperature super limit to cause the hot water boiler explode, adopt a set PLC to be responsible for control normal hot water boiler and control hot water boiler temperature.Request to breeze luck turn, after so

7、me time give the coal machine automatically circulates when the measure temperature is below the setting temperature, After the measure temperature attains enactment temperature, breeze machine, the coal machine stops in the meantime, the water temperature lowers gradually at this time, when it is l

8、ow after enactment temperature, breeze machine automatically revolving, equally after some time the coal machine automatically revolves.Water pump operat automaticly when the water temperature more high than another an enactment point.Main adoption the PLC to carry out automatic coal-fired hot water

9、 boiler control system the automatic control of direct current breeze machine, coal machine and water pump in the system, Use the frequency change machine to carry out economy energy movement.Keyword:Programmable controller; converter;up computer ;目 录摘 要1第1章 绪 论51.1 选题背景61.2 热水锅楼的基本构造71.3 热水锅楼的工作原理及

10、过程.71.4 选题依据8第2章 设计内容与要求112.1 课题设计的要求112.2 设计的主要内容112.3 系统主要功能和技术指标12第3章 系统方案设计133.1 方案选择153.2 系统原理与组成153.2.1 系统框图设计153.2.2 系统原理分析16第4章 系统的硬件设计184.1 系统硬件分析184.2 控制原理图设计与器件选型184.2.1 主电路设计与选型194.2.2 PLC的选型与端子接线图设计264.3 PLC中的PID344.3.1 PID控制原理框图设计344.3.2 PID的参数设置35第5章 系统的软件设计385.1 系统软件分析385.2 软件流程图设计43

11、5.3 软件编制43第6章 上位机组态界面446.1 组态软件选择446.2 组态过程和界面设计476.2.1 组态思想476.2.2 组态界面设计48结 论54参考文献55英文资料与翻译56致 谢70附录1 元件清单71附录2 软件梯形图73第一章 绪论1.1 课题背景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，热水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，热水锅炉供暖占84%，热力供暖占1

12、2%，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，但无法取代热水锅炉供暖的主流地位。热水锅炉是消耗能源、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。目前我国供暖热水锅炉以燃煤链条热水锅炉为主，燃用的主要是中、低质煤，而且热水锅炉房管理水平不高，一直沿用间断运行方式，热水锅炉技术含量低，热水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，我国目前拥有工业热水锅炉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。热水锅炉每年排放烟尘约620万吨，SO2约510万吨，此外还有大量的NO2等有害气体，成为我国大

13、气煤烟型污染的主要来源之一，尤其是燃煤排放的CO2气体所引起的温室效应，早己引起国际关注。目前，热水锅炉房基本上采用集中盘上手控，只实现控制参数的显示和部分控制等，对风机、给煤机和水泵等无法自动控制，使得热水锅炉运行效率低、能耗大、环境差、工人劳动强度大。因此，对热水锅炉所用的鼓风机、引风机、给煤电机、循环泵以等设备进行PLC和IPC控制系统和热水锅炉电机的变频改造十分必要。由于供暖热水锅炉系统中的风机、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

14、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。热水锅炉的PLC和IPC自动控制使热水锅炉始终处于最佳工作状态，提高了热水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热水锅炉温度、水温、流量等参数，传送至PLC和仪表盘，并实现温度和水温等参数的自动控制，工人在计

15、算机控制站就可以全面了解热水热水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，采用热水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。要设计一套完整的，性能良好的工业燃烧热水锅炉，首先我们就必须了解一般燃烧热水锅炉的基本构造和燃烧过程。1.2热水锅炉的基本构造热水锅炉是一种产生蒸汽的热交换设备。它通过煤、油或天然汽等燃料的燃烧过程释放出化学能，并通过传热过程把能量传递给水，把水变成蒸气或热水，蒸汽或热水直接供给工业、生活等生产中所需要的热能。所以热水锅炉的中心任务是把燃料中的化学能有效的转化

16、为蒸汽的热能。热水锅炉的主要设备：气锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而管簇内发生自然的循环流动，并逐渐气化，产生的饱和蒸汽积聚在上锅筒里面。炉子：是使燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。炉膛：保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积达到规定的数值。锅筒：是自然循环热水锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。（须指出，直流热水锅炉内无锅筒。）水冷壁：主要是辐射受热面，保护炉壁的作用。过热器：是将气锅所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。过热器一般都装在炉膛出口。省煤器：是利用余热加热热水锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。采用省煤器后，降低了排烟温度，提高了热水热水锅炉效率

17、，节省了燃料。同时，由于提高了进入气包的给水温度，所以减少了因温差而引起的汽包壁的热适应力，从而延长了气包的使用寿命。燃烧设备：将燃料和燃烧所需的空气送入炉膛并使燃料着火稳定，充分燃烧。引风设备：包括引风机，烟囱，烟道几部分。用它将热水锅炉中的烟气连续排出。送风设备：包括有鼓风机和分道组成。用它来供应燃料所需的空气。给水设备：由水泵和给水管组成。水处理设备：其作用是为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在热水热水锅炉受热面上结水垢或腐蚀。燃料供给设备：由运煤设备，原煤仓和储媒斗等设备组成，保证热水锅炉所需燃料供应。除灰除尘设备：是收集热水锅炉灰渣并运往储灰场地的设备。1.3热水锅炉的工作原理及

18、过程热水锅炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程 、水的汽化过程、烟气向水的传热过程。1.3.1燃料的燃烧过程：首先将燃料（这里用煤）加到煤斗中，借助于重力下落在炉排面上，炉排接电动机通过变速齿轮箱减速后由链轮来带动，将燃料煤带入炉内。燃料一面燃烧，一面向后移动，燃料所需要的空气是由风机送入炉排腹中风仓后，向上穿过炉排到达燃料层，进行燃料反应形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗，（若是燃气式热水热水锅炉就没有这一部分了）这整个过程称为燃烧过程。1.3.2烟气向水的传热过程：由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高在炉膛的四周墙面上，都布置一排水管，俗

19、称水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热，将热量传给管内工质水。继而烟棋手引风机，烟囱的引力尔向炉膛上方流动。烟气出烟窗炉膛出口）并略过防渣管后，就冲刷蒸汽过热一组垂直放置的蛇型管受热面，使气锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而得到的过热。烟气流经过过热气后掠过胀接在上、下锅筒间的对流管束，在管束间设置了折烟墙使烟气呈“S”型形成曲折地横向冲刷，再次以对流换热的方式将热量传递给管束的工质。沿途降低着温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热气内的工质进行热交换后，以经济的较低的烟温排出热水锅炉。省煤器实际上同给水预热气和空气预热器一样，斗设置在热水锅炉尾部（低温）烟道，以降低排烟温度提

20、高热水锅炉效率，从而节省了燃料。以上就是一般热水锅炉工水的过程，一个热水锅炉进行工作，其主要任务是：要是热水锅炉出口蒸汽水温稳定。保证燃烧过程的经济性。保持热水锅炉负压恒定。通常我们是炉膛负压保持在微负压（-1080Pa）。为了完成上述三项任务，我们对三个量进行控制：燃料量，送风量，引风量。从而使热水锅炉能正常运行。14 选题依据热水锅炉是国民经济中重要的供热设备。电力，机械，冶金，化工，纺织，造纸，食品等工业和民用采暖都需要热水锅炉供给大量的热水。各种工业的生产性质与规模不同，工业和民用采暖的规模大小也不一样，因此所需的热水锅炉容量，热工参数，结构，性能方面也不相同。热水锅炉是供热之源，热水

21、锅炉机器设备的任务在于安全、可靠、有效地把燃料的化学能转化成热能，进而将热能传递给水，以生产热水。通常，我们把用于动力，发电方面的热水锅炉称之为动力热水锅炉，把用于工业及采暖方面的热水锅炉成为供热热水锅炉，又称工业热水锅炉。为了提高热及效率，动力热水锅炉向着高压，高温和大容量方向发展。而供热热水锅炉，除了生产工艺有特殊要求外，所生产的热水均不需要锅高温的压和温度，容量也无需很大。随着生产的发展，热水锅炉设备日益广泛的用于工业的各个部门，成为发展国民经济的重要热工设备之一。从量大，面广这一角度来说，除电力以外的各行业中，主要运行的始终是小型低压热水锅炉。在我国社会主义现代化的建设中能源的增长大大

22、落后于生产的增长。在国民经济日趋进步的今天，国家要求工农业每年总产值翻两番，但能源只能翻一番，这就要求通过节能措施，以提高能源的有效利用，有效的弥补能源供应方面的缺口，这是一迫切的任务。显然，面对量大，面广的供热热水锅炉，如何挖掘潜力，提高它的热效率，有着极为重要的实际意义。此外，是热水锅炉能因地制宜的有效地燃用地方燃料，并为满足环境保护的要求而努力解决烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻劳动强度，保证热水锅炉额定输出及运行效率，安全可靠的供热等课题，所以我们利用微机控制，设计出一整套比较合理的热水锅炉运行设备。通过加热炉热效率控制系统的调节，是燃料流量与空气流量调节回路参照各自对应的实测流

23、量，在允许范围内变化，达到动态时，能维持燃料流量与空气流量恰当的关系，从而提高燃烧效率、节省燃料、起到节能、环保作用。当前，节能与环保已成为人类社会面临的两大课题。我国的热水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，而且热水锅炉设备陈旧，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，燃油和燃气热水锅炉的已逐步取代燃煤热水锅炉，对风机和水泵等电机的变频控制已相当成熟。自20世纪80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

24、以及智能控制器的应用，热水锅炉控制水平大大提高，已实现优化控制。国内对热水锅炉控制的研究起步较晚，始于80年代初期。国内研究热水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热水锅炉控制系统，如清华大学动力工程与控制学院供热厂热水锅炉的改造开发的热水锅炉控制系统采用一控四方案，即一台主机控制四台热水锅炉。尽管对热水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、 大多数现有的热水锅炉控制系统可控制的主要还是开关量设备，如风机、给煤机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、 热水锅炉控制系统

25、的控制方案不够合理，热水锅炉控制器(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。若热水锅炉系统中的传感器、变送器等设备出现故障时，温度、水温等参数就无法达到设定值。3、 我国自70年代末开始，热水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，并未实现热水锅炉自动控制，下位机主要以单片机为主，控制水平有限，可靠性不够高。具体来讲实现热水锅炉的PLC和IPC自动控制的意义（1）可提高热水锅炉运行的安全性、可靠性通过实时检测装置把热水锅炉系统及周边设备的运行状态和运行参数随时报告给人和智能控制系统，由自动调节装置对系统的运行状态进行调节；智能程序自动控制

26、装置能简化操作步骤和减少操作数量，避免误操作；保护装置能使系统运行中周边设备发生异常、运行参数如炉堂温度、排烟温度、炉堂负压、汽包水位、蒸汽水温、出水温度、出水水温超过允许值提供声光报警或自动停炉等应急自动处理。（2）可提高热水锅炉运行的经济性工业热水锅炉在燃烧过程中，各项技术指标都要求限定在一定范围内。为了确保燃烧过程的稳定、可靠和经济运行，设计采用先进的变频调速技术与计算机应用技术，热水锅炉燃烧过程智能控制装置通过检测出水水温、出水温度、蒸汽水温、汽包水位、室外温度、炉膛负压、炉膛温度、排烟温度、氧含量等运行物理量，通过智能控制器及变频器控制鼓、引风机和炉排转速，改变鼓风量、引风量、给煤量

27、，使炉膛负压、出水水温、汽包水位、出水温度、蒸汽水温控制在预定范围内，保证热水锅炉在最佳的风、煤比下燃烧，在最节能条件下运行。热水锅炉自动控制装置能对热水锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能，保证热水锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。第二章 设计内容与要求2.1 课题设计的要求传统的中小型供暖系统采用燃煤热水锅炉，整个热水锅炉运转采用手动方式，费时、费力还不节能。要使供暖系统保持24小时运行，使热水锅炉自动运行，就必须从而需要一套自动控制装置，保证热水锅炉的鼓风机、给煤机及循环水泵的自动运行，并能实现温度控制、自动报警、停机计时、自动恢复等功能。在整个控制过程中。为了增

28、加安全性防止发生温度超限导致热水锅炉爆炸，采用一台PLC负责正常的热水锅炉控制以及热水锅炉温度控制。在具体控制中，要求当测量温度低于设定温度时，风机运转，一定时间后给煤机自动运行。测量温度达到设定温度后，风机、煤机同时停止，此时水温逐渐降低，低于设定温度后，风机自动运转，同样一定时间后煤机自动运转。水泵在水温超过另一设定点时自动运转。本设计主要采用PLC实现自动燃煤热水锅炉控制中直流风机、煤机及水泵的自动控制。另外，要求系统采用变频，实现节能运行。2.2 设计的主要内容本课题为热水锅炉PLC和IPC自动控制系统，系统中应结合微机技术、变频技术与电机控制技术。设计的主要内容包括以下几个方面：1、

29、掌握热水锅炉工程对控制、通信和上位机监控等的需求，提出综合自动化系统方案。2、提出综合自动化系统的硬件方案和方案论证优化。3、完成软件需求的系统分析。4、完成软件的编制（PLC的编程与说明）。5、绘制系统电气控制原理图、系统结构图、软件流程图和上位机监控画面。6、按期完成毕业论文的撰写7、充分准备，顺利完成毕业答辩2.3 系统主要功能与技术指标1、本系统分为三个层次，一个是管理层，控制层，设备层，其中管理层有上位工控机组成，主要完成工艺流程监控，用户密码登陆，频率设定，电机启停等功能。控制层由西门子S7-200组成，它主要实现数据采集和变频器和电机的逻辑控制，它通过RS485接口和网线与上位机

30、的相连。设备层由变频器、接触器、断路起、热继电起、以及各种传感器等组成。他主要功能是执行软件设备动作和现场热工参数采集。2、为了提高可靠性本系统设计了手动和自动两中工作模式，在手动模式下它可以单独启停风机、给煤机、循环水泵等。在自动模式下，按以下程序执行。1）、风机运转3min（1-10min可调）后，给煤机自动运行；2）、循环定时输出。测量水温升到设定温度后（出水温度75C），风机、煤机停止工作，水泵继续运转。停机时间达到设定时间时，循环定时器启动，即20min（0-60min可调）后风机自动运行，风机运行3min（1-10min可调）后，煤机 自动运转，风机运转8min（0-60min可调

31、），煤机运转5min后，煤机、风机均停止工作。20min后继续按此规律循环；3、本系统所要求的技术指标。1）、风机、煤机变频运行；而水本要求软启动控制。2）、煤机参数：额定功率为30KW，额定电压为380V；2台3）、风机参数：额定功率为15KW，额定电压为380V；4台（2备2用）4）、水泵电机参数：额定功率为30KW，额定电压为380V；2台5）、煤机由于某种原因卡住，电机不转时，风机、煤机全停止，并发出报警信号。第三章 系统方案设计热水锅炉控制系统主要任务是保证热水锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用PLC和IPC自动控制能对热水锅炉进行过程的自动控制、自动检测等多项

32、功能。 热水锅炉PLC和IPC自动控制系统，一般由以下几部分组成，即由热水锅炉本体、一次仪表、上位工控机（IPC）、下位机（PLC）、手自动切换操作、变频器等部分组成，各种热工参量变送器将热水锅炉的进出口温度、流量、排烟温度等量转换成电压、电流等送入PLC的A/D模块进行数据处理和上位机显示。手动时由操作人员手动控制风机、给煤等启停。自动时对IPC发出控制信号经执行部分进行自动操作。IPC对整个热水锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证热水锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证热水锅炉运行的安全，在进行PLC和IPC系统设计时，对热水锅炉出口水温和排烟温度、水温等重要参数应设置常规仪表及报警装置，

33、以保证锅炉温度和水温有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，以免热水锅炉发生重大事故。 PLC和IPC自动控制系统由操作柜、CRT显示器、打印机、键盘、报警装置、低通滤波器及I/V转换板、现场控制柜等组成，能完成对水泵、给煤、鼓风、引风等进行自动控制，使热水锅炉的温度和水温保持在规定的数值上，以保证热水锅炉的安全运行，平稳操作，达到降低煤耗、提高供热质量的目的，同时对运行参数如水温、温度等有流程动态模拟图、光柱模拟图等多幅画面并配有数字说明，还可对排烟温度等进行越限报警，发出声光信号，还可定时打印出十几种运行参数的数据。以形成生产日志和班、日产耗统计报表、有定时打印、随机打印等几种方式。3.1

34、方案选择根据设计的内容和要求，有多种不同的热水锅炉供暖控制方案。现阶段使用较多的控制器件为：微处理器(单片机或DSP)和PLC以及专用变频器。专用变频器的主要生产厂商有三菱、安川、ABB和富士等公司。不同的控制装置在控制的原理上基本是一样的，主要有PID调节器、变频/工频自动切换等。为达到锅炉燃烧工况良好保证设备运行安全，满足用户的共热要求，要求要对风机转速，循环水泵流量，给煤机等进行综合调节，因此，我门设计PLC和IPC自动控制系统，保证锅炉在良好的燃烧共况，安全可靠和节能降耗条件下运行。下面来分析和对比一下不同方案的优缺点。并确定出整个设计的控制方案。根据设计的内容和功能要求有对本系统设计

35、了以下两种控制方案：方案一：锅炉的风机，给煤机及循环水泵的自动运行，采用变频器和智能化仪表和单动进行控制，可以实现，循环水泵流量，风机和给煤机转速的综合调节。而且由于风机、给煤机和循环水泵都配备较大流量的电机，在启动运行过程中势必造成冲击和电能损耗，影响锅炉燃烧工矿和水泵循环系统的节能运行。采用变频技术后，将弥补设计的不足。达到经济运行的效果。同时对电机减小冲击电流和机械磨损，延长电机的机械寿命。采用变频控制于风档，阀门类控制方式相比又减小了管道水温损失，同时也达到节能效果，使维护工作量大大减小，锅炉运行效益明显提高。方案二：在控制系统中采用下位机PLC和上位工控机IPC，所有控制电机的接触器

36、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的动作。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。采用一台PLC负责正常的锅炉控制以及锅炉温度控制。采用全自动工频运行方式供暖，采用软启动器来启动和保护电机，本系统采用保持出口水温为近似恒温的风机和给煤工频运行方式。系统大部分时间都运行在工频恒温运行方式。所谓工频运行方式，当然是全部电机都工作在工频50Hz下，转速恒定，且软启动器不发生作用，不存在恒温时变频调速

37、。没有了变频微调，该方式下的恒温只是近似恒压。该方式下，一体化温度传感器信号送PLC。为防止在风机和煤机停开一台水温不足而增开一台水温又超过造成的所谓切换振荡，控制系统采用在线辨识水温控制区间的控制方案，即只有越过控制区间，系统才能发生动作，风机和煤机才能进行切换上位工控机IPC完成热水锅炉的热工参数和风机、给煤机运行状态等显示，并且显示热水锅炉出口水温、进口水温、出口流量和排烟温度的实时曲线、历史曲线以及报表打印等功能。同时整个控制系统采用手动/自动切换和变频运行/工频时相互转化工作模式。对以上两种方案进行分析对比，加以论证得出最优方案：第一种方案是智能化仪表加变频运行的方式，这种方案的特点

38、是控制过程简单、原理清晰，但是控制自动程度水平较低，各种热工参数显示缺乏直观性。方案二结合了PLC的高可靠性和IPC完善的监控功能以及变频器良好的节能效果，与方案一相比具有以下明显优势： 1直观而集中的显示锅炉各运行参数。能快速计算出机组在正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、水温、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。给人直观形象，减少观察的疲劳和失误； 2可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确地记录，便于事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象； 3在运行

39、中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数； 4减少了显示仪表，还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元，（例如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等），从而减少了投资也减少了故障率； 5提高锅炉的热效率。从已在运行的锅炉来看，采用计算机控制后热效率可比以前提高5-10%，据用户统计，一台20T的锅炉，全年平均负荷70%，以平均热效率提高5%计，全年节煤800吨，按每吨煤380元计算每年节约304000元； 6锅炉系统中包含鼓风机、引风机和水泵等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。通过对

40、风机水泵进行变频控制可以平均节电达到30%-40%； 7锅炉PLC和IPC自动控制系统可构成分级控制系统，可与工厂内其他节点构成工业以太网。这是企业现代化管理不可缺少的； 8作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。在采用PLC和IPC自动控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，可以设置多点声光报警，和自动连锁停炉。杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。 根据从多方面的分析对比，第二种方案比较适合本设计系统的内容和功能要求，从节能、可靠性、经济等方面来考虑，第二种方案也是比较优越的。所以本系统的控制方案确定为第二种方案。3.2系统原理与组成3.2.1

41、系统框图设计本设计的PLC和IPC自动控制系统不仅是满足用户的供暖要求的，还带有附加的手动和单动控制功能，所以系统在控制运行时分为两种情况：一种情况是变频器以及系统发生故障，系统投入手动运行，保证系统能够正常供暖要求；另外一种情况是在变频工作状态下，系统能单独启停风机、给煤机和水泵。系统原理框图3.1，整个系统由PLC、IPC和变频器三大部分构成。图3.1 系统原理框图3.2.2 系统原理分析根据图3.1详细分析一下整个系统的工作过程，工控机是对下位机实行实时监控的上位机，它可以控制整个系统的工作情况，它的监控界面由组态软件组态实现。通过通信接口和PLC相连。PLC实现宏观调控，而变频器则执行

42、微观调控，两者紧密结合，共同完成系统的变频恒压控制任务。采用电动机变频调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统。PLC负责按扭、模拟信号和其它开关量信号的输入，以及发出信号去控制接触器、变频器等电气组件，进而控制风机、给煤机和水泵的运转及整个系统的正常运行。另外PLC还负责各种异常情况的处理。而变频器则控制当前电机转速，使转速跟随上位机IPC的变化而变化，进行优化控制的风机、给煤机和水泵的调速运行。同时，该系统还实现以下功能： 1、用检测元件和PLC及工控机，对锅炉的出水温度、回水温度、排烟温度、出水流量等热工参量进行连续测量和显示，并为自动调节和热工保护提供检测信号，同时可为企业经济核算

43、提供数据。 2、当热水锅炉运行参数超过规定值时，在工控机和主控柜上发出声光报警信号，提醒值班人员注意并及时采取有效措施，以确保锅炉正常工作，如出水温度超高极限值时发出声光报警，且联锁停炉。 3、联锁保护是为防止锅炉在启停过程中由于操作程序错误而造成事故，如鼓引机启动顺序联锁控制等。4、手动 /自动动模式本系统有/两种工作模式。手动和自动模式下均可实现远程/就地控制和参数设定，但手动模式下，需人工根据气候、负荷的变化设定鼓风机、引风机、给煤电机等电机的转速，相当于“开环控制”:联动模式下，操作人员只需根锅炉的出水温度参数，系统自动地调节电机的转速，减少了人工干预。第四章 系统的硬件设计4.1 系

44、统硬件分析热水锅炉PLC和IPC自动控制系统由硬件和软件组成，硬件的设计能体现出整个控制系统的流程，知道在整个控制系统中所要完成的任务是什么。软件则体现怎样去控制所要控制的对象，怎样把整个供暖系统的功能实现。硬件设计是软件设计的基础，软件设计是硬件设计的功能集中的体现。在本章主要是硬件设计及器件选。经过对系统的功能要求和性能指标，把整个热水锅炉PLC和IPC自动控制系统的硬件设计分为两个模块来完成：（1）主电路图设计；（2）系统控制图设计。在第二章已经把整个热水锅炉PLC和IPC自动控制系统的方案确定，根据已经确定了的方案来设计相关的硬件图。硬件设计之前，先来分析供电系统，由于热水锅炉PLC和

45、IPC自动控制系统的可靠性的前提是供电系统要可靠。在设计系统的硬件时要考虑到供电系统。供电系统的设定直接影响到控制系统的可靠性，因此在设计硬件时是根据以下几方面来设计：1、入电源电压在一定的允许范围内变化；2、当输入交流电断电时，应不破坏控制器程序和数据；3、当控制系统不允许断电的场合，要考虑供电电源的冗余；4、当外部设备电源断电时，应不影响控制器的供电；5、要考虑电源系统的抗干扰措施；综合以上几方面的考虑，可以把供电线路设计如下：工业电源一般都是380V的三相电源，而我们用的PLC需要的电压即有交流又有直流，交流电压可以用照明电来供给，而直流电由我们另外设计的直流电源来供给。变频器则是380

46、V的三相交流电源来供给，各电机用的也是380V的三相交流电。但各电机工作情况有工频和变频手动/自动切换之分，根据系统的运行要求由切换机构来完成。在整个供电系统中我们采取了很多的保护措施，如：断路器，热继电器等。4.2 控制原理图设计与器件选型系统的控制原理图的设计是本设计的重点，它是整个控制装置的接线图。具体的设计过程如下：4.2.1 主电路设计与选型 主电路图就是电源、变频器和水泵的连接图。整个系统的控制核心是变频调速。 通过变频调速来控制各电机的转速。主电路图反映了现场设备的布置情况，接线原理以及相关的保护装置，是系统硬件设计中必不可少的部分。从图中可以体现出对电器接线图的画法标准，同时也

47、体现了变频器的接线方式，系统的控制流程。在设计主电路图时，不但要求接线合理，而且要求对用到的每个器件进行选型。4.2.11 主电路设计 设计中直接用380V的三相交流电作电源，通过断路器和变频器连接。经过接触器连上风机、给煤和水泵电机。各电机上都接有相关的保护，如：断路器、接触器、继电器，这些保护都是多功能的，能够实现各种保护，满足设计的要求。这部分的工作情况实际上是由PLC根据编写的程序按一定的逻辑顺序来控制风机、给煤和水泵电机的运行。其主电路如图4.1所示。图4.1 主电路图4.2.1.2 主要元器件选型一、变频器在本设计中的变频器是PLC控制电机的一个执行机构，在控制系统中起到微观调控的

48、作用，有了它就能大大的提高了整个系统的控制精度。如图4.2所示：图 4.2 变频器 变频器的功用是将频率固定的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。在图中，变频器的输入端（R.S.T）接至频率固定的三相交流电源，输出端（U.V.W）输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机。电动机旋转磁场的转速通常称为同步转速，由下式决定：式中 电流的频率 旋转磁场的磁极对数当频率连续可调时，电动机的同步转速也连续可调。又因为异步电动机的转子转速总是比同步转速低一些。所以，当连续变化时，电动机转子的转速也是可调的。由于磁极对数不同的异步电动机在相同频率时的转速是不同的，所以即使频率的调节范围相

49、同，转速的调节范围也是各不相同的，今将磁极对数不同的异步电动机在两倍频率范围内调频。选用变频器意义旨在，使用变频调速器去控制电动机。主要运行特点：实现电动机的无级调速：电动机的启动电流小，即实现软启动；方便地进行加减速控制；使鼠笼式异步电动机获得高性能却基本上不需对电机进行维护。主要用途：较大幅度地节约电能；使控制传动系统自动化、高性能化提高生产效率，产量改进产品质量等。1、控制方式特点介绍U/F控制的特点一、简单，能适合各种交流电动机。二、调速范围1：10。三、不能进行转矩控制。四、在急加减过程中，过电流抑制能力小。转差频率控制的特点一、速度控制范围1：20。二、除用于车辆调速时可进行转矩控

50、制外，一般情况不适合转矩控制。三、控制比较简单。四、急加减过程中电流抑制能力比U/F控制方式强。矢量控制的特点一、控制特性非常优良，可与直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美。二、能适应要求响应的场合。三、调速范围1：100。四、可进行转矩控制。五、控制运算中，必须存贮和频繁地使用电动机的参数。六、结构较复杂。2、变频器的选择 随着科学技术的的进步，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的发展。变频器用于异步电动机调速，其性能胜过以往任何一种交流调速方式，而且结构简单，因儿成为交流电动机调速的最新潮流。由于笼型异步电动机占电动机占电动机总数的

51、比列很大，故其调速方法和控制技术无疑将成为电动机控制的关键技术，而变频器与笼型异步电动机的结合则是交流电动机调速系统的最佳选择，该系统具有显著的节能效果，较高的控制精度及较宽的调速范围，便于使用和维护以及易于实现自动控制及远程控制等性能。变频器的传动特点：可以使标准电动机调速，电动机可以高速化和小型化。可以连续调速，启动电流小。最高速度不受电源影响。可以调节加速的大小这四项优点，用标准电动机就可以实现。可以使笼型异步电动机而无须维修一项，由于引入矢量控制变频器传动实现了快速响应和高精度控制，可以取代以前的直流电动机。变频器在工业、农业、交通以及居民生活领域都已普遍采用，并达到了不同的设计目的、

52、取得了相应的效应。主要效应表现在：节能、提高生产率、提高产品性能、提高生产线的自动化和改善适用环境等方面。如果只是为了实现水泵、风机、空载时达到节能的目的就可以选用简易变频器；如果为了产品质量要求动态响应快的系统，就要选用高性能的具有矢量控制功能的变频器；如果使用环境中存在危险气体的话还要选择防暴变频器。从整体上讲，变频器分低压变频器和高压变频器，低压变频器分为单相220V，三相380V，三相660V，三相1140V。高压变频器分为，3KV，6KV和10KV三种。如果采用公用直流母线逆变器，则要选择直流电压，其等级有24V，48V，110V，200V，500V，1000V等。对变频器的选型要从

53、容量、输出电压、输出频率、保护构造、U/F（电压/频率）模式、电网逆变器的切换、瞬停,再启动等方面进行综合考虑，进而选择满足要求的机种、机型。 容量选择通常变频器主要技术指标以适用电机功率，输出容量，额定输出电流表示。其中，额定输出电流为变频器可以连续输出的最大交流电流有效值，不管用于何种用途，都不允许连续超过此值。在使用6极以上的电机或多台电机并联运转时，如果仅用适用电机功率来选择变频器变得不确切时，可按6.4式,来决定变频器的容量。式中变频器的额定输出电流，A电动机的额定电流，AK裕度修正系数，如果是小容量电动机时K取1，大容量电动1.1。n并联运转的电机总台数。 变频器输出电压与输出频率

54、选择变频器输出电压可按电机额定电压选定。对于高压电机，如3KV级的高压电机配用变频器时，可选用变压器进行电压匹配。变频器的最高输出频率对于不同的机种有不同的值，最高频率有50、60、120、200HZ毛坯甚至更高。变频范围在050HZ的变频，一般调速范围在0额定转速之间，大容量通用变频器均属于此类。最高输出频率HZ以上的变频器由于输出电压不变并为恒功率特性，要注意在高速区转矩的减小。进行频率选择时，根据逆变器的使用目的来确定最高输出频率，选择机种时，可将此作为一个选择根据。其他因素1）选机时保护构造的考虑变频器内部工作过程中发热量高，在、中型容量变频均为开放式构造并有风扇强制冷却，而小容量变频

55、则多为封闭式结构。如果工作环境不好甚而恶劣，如粉尘，油雾多的环境均应取有效的封闭措施。2）U/F（电压/频率）模式的利用U/F模式表示电压与频率协调控制的方式。控制U/F模式可使电机产生与负载转矩相适应的转矩，高效利用电动机。3）电网与变频器之间的切换使用问题如果将正在工频电网运行的电机切换到变频器驱动，必须有一个中间过程，电机完全停止后再由变频器驱动启动。但是对于一些场合的设备，即使从电网切换出来，也难于很快完全停止，这就应选用具有这样功能的机种当电机从电网切换下来以后，使电机首先与变频器达到同步运行状态，然后就由变频器驱动了。具有这种功能的机种一般在内部附加有具备上述功能的选用件。变频器在

56、设计系统中的作用就是提高控制精度，达到节约能源的目的：又根据它所拖动的电机的功率和其他的一些性能指标。在本设计中选用富士公司生产的FR-540型号的产品，200V级 0.4-110kW (1.2 160kVA)400V级 0.4-300kW (1.4 510kVA)3、变频调速变频调速是将电网交流电经过变频器变为电压和频率可调的交流电，然后供给电动机，使其可在变速的情况下运行。改变电动机定子频率可以平滑地调节同步转速，相应地也就改变转子转速，而转差率可保持不变或很小。但对电动机来说，定子频率改变后，其运行影响，如果电压不变，频率增加时，磁通减少，电动机转矩下降，严重时会使电机堵转；频率减少时，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许的。因此，在实用上，要求调频的同时，改变定子电压，保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。实现调频调压的电路有两种：交-直-交变频器，交-交变频器。 （1）交直交变频器它是由三个环节组成：可控硅整流电路，其作用是将电压，频率一定的交流电路变成电压可调的交流电；可控硅逆变电路，其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电；滤波环节，它在整流电路和逆变电