基于PLC的火電廠鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計說明書

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1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 題 目：基于PLC的火電廠鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué) 號：0967112311 專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器 班 級：測控09-3班 指導(dǎo)教師： 基于PLC的火電廠鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 火電廠鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過程的必要動力設(shè)備，鍋爐系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運行是火電廠的重要任務(wù)。鍋爐存在熱效率低，燃煤質(zhì)量不穩(wěn)定，排煙溫度高等問題，利用PLC對鍋爐進行過程控制是火電廠鍋爐控制領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。 本設(shè)計通過對爐

2、膛溫度、爐膛壓力、汽包液位及過熱器溫度的分析，以PLC為控制器、采用PID算法、運用STEP7—Micro/WIN進行梯形圖編程，分別設(shè)計了爐膛溫度串級控制方案、流量比值控制方案，爐壓前饋—反饋控制方案，汽包水位三沖量控制方案和過熱器串級控制方案，實現(xiàn)了對各個控制系統(tǒng)的自動控制。最后利用人機交互界面，實現(xiàn)了密碼登陸，畫面動態(tài)顯示，數(shù)據(jù)報表的預(yù)覽、打印、保存、刷新和調(diào)入查詢，曲線的更新，畫面報警等功能，可達到鍋爐控制系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運行。 關(guān)鍵詞：鍋爐；PLC；組態(tài)王 The Boiler Con

3、trol System of Thermal Power Plant Based on PLC Abstract The boiler of thermal power plant is the necessary power equipment during the industrial production, boiler system security, stability and efficient operation of power plants is an important task. But boiler thermal efficiency is low; the co

4、al quality is not stable, exhaust temperature is higher, so the boiler process control is an important research field of thermal power plant boiler control using PLC. Through the analysis of the furnace temperature, furnace pressure, drum level and superheater temperature, the design takes PLC as c

5、ontroller, and uses PID algorithm, completes programming through STEP7 - Micro/WIN ladder diagram. the temperature cascade control scheme, the pressure feedforward—feedback control scheme and the ratio control scheme of the furnace are designed , three impulses control scheme of the drum level and c

6、ascade control scheme of superheater are designed too, finally each control system can be run automatically . The interactive interface is designed using the King view software, finally using a password to land is achieved, screen can show ceaselessly, data report preview, print, save, refresh and t

7、ransferred to the query is completed ,the curve and alarm screen etc can be updated timely. Finally boiler control system can achieve security, stability and efficient operation. Keywords : Boiler ；PLC；Kingview 目 錄 摘 要 II Abstract III 第一章 緒 論 1 1.1火電廠鍋爐的發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2研究目

8、的及意義 1 第二章 火電廠鍋爐生產(chǎn)工藝 3 2.1鍋爐的組成和分類 3 2.2鍋爐的工藝流程簡介 4 第三章 火電廠鍋爐控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 7 3.1 控制方案的選擇 7 3.2 基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)方案設(shè)計 7 3.3鍋爐控制過程 8 3.3.1爐膛溫度控制系統(tǒng) 9 3.3.2汽包液位控制系統(tǒng) 9 3.3.3過熱器溫度控制系統(tǒng) 11 3.3.4爐膛負壓控制系統(tǒng) 12 4.1傳感器選型 14 4.2執(zhí)行器選型 17 4.3調(diào)節(jié)器選型 18 第五章 控制系統(tǒng)下位機設(shè)計 20 5.1西門子S7-200可編程控制器概述 20 5.2 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 2

9、1 5.3下位機PLC的硬件設(shè)計過程 22 5.3.1 I/0分配 22 5.3.2 硬件配置及連接圖 23 5.4 STEP7概述及S7-200程序流程設(shè)計 24 5.5程序編寫及分析 31 第六章 控制系統(tǒng)上位機設(shè)計 33 6.1 組態(tài)王軟件概述 33 6.2鍋爐控制系統(tǒng)組態(tài)過程 33 6.2.1 定義外部設(shè)備和變量 33 6.2.2創(chuàng)建組態(tài)畫面 34 6.2.3 動畫連接 35 6.3 組態(tài)畫面顯示 36 6.3.1 初始值設(shè)定 36 6.3.2 實時曲線和歷史曲線顯示 37 6.3.3 實時數(shù)據(jù)報表和實時報表查詢 38 6.3.4歷史數(shù)據(jù)報表查詢 40

10、 6.3.5報警畫面 40 6.3.6用戶登陸畫面 41 總 結(jié) 43 參考文獻 44 附錄A：組態(tài)王命令語言 46 附錄B：PLC控制程序 50 附錄C：鍋爐控制系統(tǒng)流程圖 63 致 謝 64 65 第一章 緒 論 1.1火電廠鍋爐的發(fā)展現(xiàn)狀 我國是目前世界鍋爐生產(chǎn)和使用最多的國家，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，采用清潔燃料和潔凈燃燒技術(shù)的高效、低污染、節(jié)能工業(yè)鍋爐必將成為鍋爐發(fā)展的大趨勢。 15年來，我國鍋爐的年產(chǎn)量一直穩(wěn)定在7~10萬蒸噸之間，可是行業(yè)規(guī)模卻從當(dāng)初的551家企業(yè)發(fā)展到969家，并且增加的

11、企業(yè)大多數(shù)規(guī)模很小，但這些企業(yè)在鍋爐行業(yè)中占到3/4以上，不得不說這是一種畸形發(fā)展。 由于鍋爐制造廠家太多，導(dǎo)致產(chǎn)品雷同率太大，沒有形成規(guī)模生產(chǎn)。在千余家鍋爐企業(yè)中具有自行設(shè)計能力的廠家僅百家左右，許多小型企業(yè)存在很多問題、步履維艱，從而轉(zhuǎn)產(chǎn)或倒閉。受各種因素的影響，十年來鍋爐產(chǎn)品出現(xiàn)了一些新的變化，小容量鍋爐的數(shù)量減少了1/2，大容量鍋爐增加了1倍多，且燃煤鍋爐占的比例開始下降。 在滿足工藝要求的前提下，為了提高工業(yè)鍋爐熱效率，降低能源消耗，把工人從繁重的勞動中解放出來，促進文明生產(chǎn)，鍋爐實現(xiàn)自動控制是一個急待解決的問題。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計一臺10T／h的工業(yè)鍋爐，效率如果能提高1％，每年大

12、約就可以省煤200噸，經(jīng)濟效益是非常明顯的。又如對燃煤鍋爐設(shè)備進行改進，實行自動控制，即在不需人工干預(yù)的情況下，隨時調(diào)整給水量、送風(fēng)量及引風(fēng)量、燃料量維持水位、蒸汽溫度、蒸汽壓力及爐膛負壓的恒定，就有希望將鍋爐的熱效率提高5％以上。另外，倘若鍋爐達到經(jīng)濟燃燒狀態(tài)，還能夠減少煙氣中的含塵量，減少污染。 1.2研究目的及意義 工業(yè)鍋爐是重要的熱能動力設(shè)備，鍋爐自動控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，對鍋爐實現(xiàn)計算機自動控制具有非常重要的意義。 目前我國在用燃煤鍋爐的煤炭消耗約占煤炭消耗總量的四分之一。且在用鍋爐大多為使用年限較長的老舊鍋爐，污染重，效率低，節(jié)能潛力巨大。 問題主要表現(xiàn)在以幾個方面

13、1、熱效率低，能源得不到有效利用。 2、鍋爐老舊，自控水平低，影響燃燒效率。 3、煤質(zhì)不穩(wěn)定，影響鍋爐出力。 4、水質(zhì)不達標，結(jié)水垢嚴重，影響效率。 5、缺乏熟練的操作人員。 6、污染物排放控制不好，污染嚴重。 7、節(jié)能監(jiān)管不到位。 在我國除了少數(shù)鍋爐采用了先進的控制技術(shù)，大本分鍋爐還停留在使用儀表和繼電器進行控制，因此鍋爐控制系統(tǒng)的改造具有良好的市場發(fā)展空間和投資前景，值得廣泛關(guān)注。它不僅能通過自動控制技術(shù)實現(xiàn)安全生產(chǎn)，還能節(jié)煤節(jié)電并使排放更環(huán)保，總之鍋爐的計算機自動化控制是鍋爐發(fā)展的大趨勢，也是利國利民的發(fā)展方向。 鍋爐控制系統(tǒng)作為一種重要的熱能動力設(shè)備，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)

14、展和生產(chǎn)要求的提高，現(xiàn)在的工廠越來越多地使用自動化程度更高的鍋爐控制系統(tǒng)，而PLC具有通用性強、使用方便、體積小、可靠性高、維護方便、編程簡單等優(yōu)點，在鍋爐控制系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。本文主要介紹火電廠中基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)控制器采用西門子公司的S7-200，上位機采用研華工業(yè)計算機，在組態(tài)王畫面上對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控、保證各個變量在控制要求內(nèi)，使生產(chǎn)安全、高效運行。 自上世紀80年代至90年代中期開始，PLC得到了飛速發(fā)展，在這時期，PLC在模擬量處理、數(shù)字運算、人機接口和網(wǎng)絡(luò)等方面的能力得到了大大提高。PLC漸漸進入到過程控制領(lǐng)域，在一定程度上取代了DCS系統(tǒng)在過控領(lǐng)域的統(tǒng)

15、治地位。由于PLC具有通用性強、適應(yīng)面廣、可靠性高、使用方便、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在自動控制尤其是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，必將是無法取代的。 第二章 火電廠鍋爐生產(chǎn)工藝 火電廠包括三大系統(tǒng)，分別是燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)?；痣姀S發(fā)電實質(zhì)就是能量的轉(zhuǎn)換，燃料的化學(xué)能→蒸汽熱能→機械能→電能，由鍋爐、汽輪機和發(fā)電機三大主機控制。 2.1鍋爐的組成和分類 鍋爐是一種熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備，主要由鍋爐本體和輔助設(shè)備組成，鍋爐的本體包括汽鍋、爐子和安全附件。 汽鍋是鍋爐的汽水系統(tǒng)，高溫?zé)煔饨?jīng)過受熱面，將熱量傳遞給汽包內(nèi)的溫度較低的水，水被

16、加熱沸騰、汽化蒸發(fā)。汽水系統(tǒng)由預(yù)熱設(shè)備（省煤器）、汽化設(shè)備（由汽包、水冷壁、聯(lián)箱、下降管和連接管組成）和過熱設(shè)備（過熱器和再熱器）組成。 省煤器作用：吸收煙氣熱量、節(jié)約燃料，預(yù)熱給水、減少給水在水冷壁上的吸熱量，提高給水溫度、減小與汽包壁的溫差。 下降管作用：將汽包內(nèi)的水通過聯(lián)箱供給水冷壁。 過熱器作用：將飽和蒸汽變成能夠滿足工藝要求的過熱蒸汽。 爐子是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成汽包內(nèi)水分蒸發(fā)的熱能。包括燃燒設(shè)備（爐膛、點火裝置和燃燒器組成）、空氣預(yù)熱器和煙道。燃燒設(shè)備將煤粉和空氣按一定比例混合，保證煤粉穩(wěn)定、迅速著火與充分燃燒。 （1）燃燒設(shè)備 燃燒器作用：將一次風(fēng)（攜

17、帶煤粉）和二次風(fēng)（助燃）送進爐膛，組織具有一定結(jié)構(gòu)的氣流使煤粉穩(wěn)定、迅速著火，使空氣和煤粉合理混合，保證煤粉的完全燃燒。分為旋流燃燒器和直流燃燒器。 點火裝置：在鍋爐啟動后點燃煤粉氣流，當(dāng)燃燒劣質(zhì)煤粉或低負荷運行時，使系統(tǒng)穩(wěn)定燃燒或作為燃燒的輔助設(shè)備。 爐膛：煤粉燃燒的燃燒室。 （2）風(fēng)煙系統(tǒng) 通風(fēng)的任務(wù)：提供鍋爐燃燒需要的空氣并把燃燒產(chǎn)生的煙氣排出，保證正常燃燒。 通風(fēng)方式：包括自然通風(fēng)和機械通風(fēng)。 自然通風(fēng)指利用煙道中的熱煙氣與外界的冷空氣的密度差形成的通風(fēng)力進行通風(fēng)。 機械通風(fēng)是利用風(fēng)機產(chǎn)生壓力，使煙氣和空氣在風(fēng)煙系統(tǒng)中流動。目前主要有三種通風(fēng)方式即負壓通風(fēng)、平衡通風(fēng)和正壓

18、通風(fēng)。 由于自然通風(fēng)只能克服較小流動阻力，而電廠鍋爐的流動阻力很大，所以電廠鍋爐常采用機械通風(fēng)。 （3）空氣預(yù)熱器 空氣預(yù)熱器有回旋式和管式兩種結(jié)構(gòu)?；匦筋A(yù)熱器是煙氣將熱量傳遞給金屬，金屬再將熱量傳遞給空氣，管式預(yù)熱器是熱量直接由煙氣連續(xù)不斷地傳遞給空氣，煙氣和空氣各有各的通道。 空氣預(yù)熱器的作用：降低煙氣溫度、節(jié)省燃料，改善燃燒條件、降低燃燒損失，節(jié)約金屬、降低造價。 安全附件包括溫度計、水位計、調(diào)節(jié)閥和壓力表等。 輔助設(shè)備包括給水泵、磨煤機、給煤機、送風(fēng)機、除塵器和碎渣機等。 鍋爐的分類方法很多一般按功能、燃燒方式、出口介質(zhì)壓力和容量大小進行分類。 按照功能分為：開水鍋爐

19、、蒸汽鍋爐、熱水鍋爐、熱風(fēng)鍋爐和導(dǎo)熱油鍋爐。 按燃燒方式分為：沸騰爐、層燃爐和室式爐。室燃爐所用的燃料可是固體燃料、液體燃料和氣體燃料。層燃爐和沸騰爐的燃料只能是固體燃料。 按出口蒸汽壓力分為：低壓、高壓、超高壓、亞臨界壓力、超臨界壓力和超超臨界壓力。 按容量大小可分為：小型鍋爐、中型鍋爐和大型鍋爐。 蒸汽鍋爐一般分為：燃煤蒸汽鍋爐、燃油蒸汽鍋爐、燃氣蒸汽鍋爐及點蒸汽鍋爐[1]。 從資源、功能和高效考慮，我們選擇室式燃煤蒸汽鍋爐作為火電廠熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備。 2.2鍋爐的工藝流程簡介 鍋爐的工作過程包括燃料燃燒過程、爐與汽包的傳熱過程、水的加熱蒸發(fā)過程。 燃燒過程必須具備以下條件：

20、 1）高溫環(huán)境 2）煤粉和空氣良好混合 3）煙氣和灰渣的排放 傳熱過程一般有三種形式：輻射、輻射和對流、對流，主要以輻射為主。水的加熱和蒸發(fā)過程包括給水、水循環(huán)和汽水分離三個步驟。 汽水系統(tǒng)工作過程：給水經(jīng)軟化、除氧后進入省煤器，不斷吸熱，溫度升高成為飽和水，經(jīng)過水冷壁吸收爐子輻射出的熱量變成飽和蒸汽，飽和蒸汽經(jīng)汽包進入到過熱器，變成具有一定工藝參數(shù)的過熱蒸汽，推動汽輪機做功，如圖1.1所示。 過熱蒸汽 除氧器 補給水 生水 低壓加熱器 高壓加熱器 排氣 凝結(jié)水 凝結(jié)水泵 汽輪機 發(fā)電機 過熱器 鍋爐 省煤器 鍋爐給水 給水泵 水處理 設(shè)備 循環(huán)水

21、泵 冷卻水 凝汽器 (軟化) 圖1.1汽包系統(tǒng)流程圖 爐子的工作過程：原煤經(jīng)磨煤機后變成煤粉，外界冷的空氣由送風(fēng)機送入空氣管道，經(jīng)空氣預(yù)熱器后成為熱空氣，在制粉過程中需要一部分熱空氣對煤進行干燥處理，其余熱空氣直接與煤粉成一定比例進入爐膛參與燃燒。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)省煤器、空氣預(yù)熱器和再熱器后經(jīng)除塵器出去飛灰后，經(jīng)引風(fēng)機排放到大氣中。而燃燒產(chǎn)生的灰粒沉落到爐膛底部冷灰斗中，經(jīng)冷卻凝固后排出，如圖1.2所示。 送風(fēng)機 磨煤機 熱空氣 空氣預(yù)熱器 煤斗 煤 輸煤皮帶 排粉風(fēng)機 煤粉 鍋爐 爐渣 沖灰水 除塵器 引風(fēng)機 灰渣泵 細灰 熱空氣 冷

22、空氣 煙氣 經(jīng)煙囪排向大氣 至灰場 自輸煤系統(tǒng) 圖1.2燃燒系統(tǒng)流程圖 設(shè)計鍋爐控制系統(tǒng)必須考慮鍋爐的經(jīng)濟性和安全性。 （1）鍋爐的經(jīng)濟性指標 1．受熱面的蒸發(fā)率：每平方米受熱面一小時生產(chǎn)的蒸汽量，單位Kg/m2h。 鍋爐的效率：用于產(chǎn)生加熱水和蒸汽所用的熱量Q1與每小時送入爐膛燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量Qr之比，用符號%表示。 （2.1） 2． 鍋爐的凈效率：除了鍋爐機組運行消耗的能量之后的鍋爐效率 （2.2） 3． 汽煤比：一噸煤燃燒所能產(chǎn)生的蒸汽量，由于不同鍋爐對蒸汽的質(zhì)量

23、要求不一樣，所以不同鍋爐的汽煤比不具有可比性。 （2）鍋爐的安全性指標 鍋爐連續(xù)運行的小時數(shù)：鍋爐兩次被迫停止運行的時間間隔。 鍋爐可用率：統(tǒng)計期間內(nèi)，鍋爐運行的總小時數(shù)和鍋爐的總備用小時數(shù)之和 與統(tǒng)計期間內(nèi)總小時數(shù)之比[2]。 第三章 火電廠鍋爐控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 3.1 控制方案的選擇 火電廠鍋爐的控制系統(tǒng)有三種方案 （1）基于單片機的控制系統(tǒng) （2）基于Labview的控制系統(tǒng) （3）基于PLC和組態(tài)王的控制系統(tǒng) 單片機偏電子，適用于無線控制領(lǐng)域和中小型控制領(lǐng)域，以其重量輕、功能強、功耗小和安全性高等特點，在工業(yè)控

24、制中得到廣泛應(yīng)用，但是由于其可靠性和自身保護性較PLC差，而且抗干擾能力及穩(wěn)定性都不及PLC,所以單片機一般只適合應(yīng)用在控制要求不高的場合。 虛擬儀器與單片機相比，不僅省掉了單片機通信電路和轉(zhuǎn)換電路，控制精度較高、開發(fā)周期短，而且采用Labview編程簡單、調(diào)試方便，采用虛擬儀器控制方法效率高、性能好，但是由于其編程語言是圖形化的，所以修改起來十分麻煩。 與單片機和虛擬儀器相比，PLC不僅可靠性和自動化程度高，抗干擾能力強，而且程序設(shè)計簡單、維護方便，除了能夠完成簡單的邏輯控制，還可以通過功能模塊和功能指令完成復(fù)雜的模擬量控制，對操作人員的要求較低，應(yīng)用在控制要求較高的大中型設(shè)備中。 綜

25、合考慮火電廠鍋爐控制系統(tǒng)的特點，本設(shè)計采用基于PLC的火電廠鍋爐控制方案。 3.2 基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)方案設(shè)計 本控制系統(tǒng)的上位機是一臺工控計算機，下位機是西門子S7-200可編程控制器，上位機通過傳感器獲得鍋爐各個參數(shù)的當(dāng)前值，通過組態(tài)王監(jiān)控軟件實現(xiàn)對鍋爐當(dāng)前情況的監(jiān)控、報警等功能，下位機PLC通過控制變頻器或者閥門開度完成對控制變量煤粉流量、給水流量、給風(fēng)量、引風(fēng)量的控制，進而實現(xiàn)對燃燒過程、爐膛壓力、汽包水位和過熱器溫度的控制。系統(tǒng)的方案設(shè)計原理圖如圖3.1所示。 圖3.1鍋爐控制系統(tǒng)原理圖 3.3鍋爐控制過程 鍋爐控制過程主要包括爐膛溫度控制、汽包水位控

26、制、爐膛壓力控制、過熱器溫度控制。鍋爐控制系統(tǒng)控制流程圖如圖3.2所示。 圖3.2鍋爐控制系統(tǒng)流程圖 汽包水位控制系統(tǒng)：維持汽包物料平衡，使給水量與蒸發(fā)量相適應(yīng)，使汽包水位在控制要求范圍內(nèi)。 燃燒控制系統(tǒng)：包括爐膛溫度控制系統(tǒng)和爐壓控制系統(tǒng)，空氣流量和煤粉流量按一定比例混合燃燒，保證爐膛溫度和蒸汽負荷要求，同時使引風(fēng)量和送風(fēng)量相適應(yīng)，維持爐壓在控制要求范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)燃燒經(jīng)濟性和安全性。 過熱器溫度控制系統(tǒng)：使過熱器出口蒸汽溫度在允許范圍內(nèi)，滿足生產(chǎn)工藝的要求[3]。 3.3.1爐膛溫度控制系統(tǒng) 由于爐溫控制過程具有大慣性、多擾動和非線性的特點，本設(shè)計采用爐溫和煤粉串級控制的方

27、案，實現(xiàn)對爐溫的控制。 為了更好地控制燃燒過程參數(shù)，提高燃燒效率，必須設(shè)計合理有效的控制系統(tǒng)對燃燒過程進行精確的控制，燃燒過程采用空氣和煤粉的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。爐溫控制系統(tǒng)框圖如圖3.3所示。 圖3.3爐溫控制系統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)以爐膛溫度控制和煤粉流量控制構(gòu)成串級回路，其中的溫度控制為主環(huán)，煤粉流量控制為副環(huán)，爐膛實際測得的溫度作為反饋信號與設(shè)定值進行較得出偏差，溫度調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差信號對煤粉流量進行控制，這樣外環(huán)溫控回路根據(jù)爐溫進行調(diào)節(jié)，內(nèi)環(huán)可以快速相應(yīng)溫度變化，實現(xiàn)對爐溫的精確控制。 3.3.2汽包液位控制系統(tǒng) 汽包液位是鍋爐正常運行的重要控制參數(shù)之一，也是生產(chǎn)過程的重要工藝指

28、標，汽包水位過高會導(dǎo)致汽包上部空間減小，影響其中的汽、水分離，蒸汽會出現(xiàn)帶液現(xiàn)象，這種情況不僅降低了蒸汽質(zhì)量和產(chǎn)量，還會導(dǎo)致蒸汽結(jié)垢或者損壞汽輪機葉片。而汽包液位過低輕則影響汽、水平衡，重則會出現(xiàn)干鍋現(xiàn)象，有可能導(dǎo)致鍋爐爆炸。由于蒸汽負荷和給水壓力變化大、不穩(wěn)定，導(dǎo)致給水流量發(fā)生較大變化，從而影響汽包水位。蒸汽用量突然加大時，蒸汽壓力會瞬間下降，水沸騰加劇，汽包水的表面和底部汽泡量會迅速增加，由于汽包的體積比水的體積大很多倍，會出現(xiàn)汽包水位升高的假象?？墒沁@種假象仍會被簡單的控制系統(tǒng)當(dāng)成真正的水位去處理，錯誤地減小給水流量。反之，當(dāng)蒸汽用量突然減少時，會出現(xiàn)水位下降的假象，而液位控制器分辨不清

29、真、假現(xiàn)象，錯位地進行開大給水閥門，影響鍋爐正常的運行。如果我們能夠把主干擾蒸汽流量和給水流量這兩種干擾因素同時引入到控制系統(tǒng)，那么鍋爐汽包液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)就能夠克服這種假水位的現(xiàn)象，由于有三個信號作用于控制系統(tǒng)，所以稱為三沖量控制系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)的控制框圖如圖3.4所示。 圖3.4汽包水位控制系統(tǒng)框圖 從原理框圖可知，汽包液位是主沖量，給水流量和蒸汽流量是兩個輔助沖量，實際上就是一個前饋加反饋的三沖量串級控制系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)虛假水位時，蒸汽用量增加時，主調(diào)節(jié)器（正作用、選用氣閉閥）的輸出信號減小，而蒸汽流量信號不經(jīng)過主調(diào)節(jié)器，直接傳遞給副調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器的輸出減小，給水調(diào)節(jié)閥的開度增大，從而消

30、除虛假水位。當(dāng)蒸汽流量不變給水流量發(fā)生較大的波動時，給水流量作為反饋值通過副調(diào)節(jié)器控制給水調(diào)節(jié)閥，直至恢復(fù)到需要的數(shù)值為止[5]。 主調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定值和反饋信號的偏差產(chǎn)生動作，而副回路抗干擾能力很強，可以及時克服來自水流量方面的干擾，從而提高液位控制精度，通常情況下蒸汽信號和水流量信號作用相反，當(dāng)出現(xiàn)假水位情況，蒸汽信號會起到補償作用，從而保證液位穩(wěn)定在允許的變化范圍內(nèi)。本系統(tǒng)中控制器要使液位穩(wěn)定在設(shè)定值上，當(dāng)出現(xiàn)干擾時不允許有余差，故采用比例積分控制規(guī)律。因此不論是蒸汽還是給水信號變化時，都會破壞調(diào)節(jié)器的平衡，引起調(diào)節(jié)器的作用，減小干擾，提高液位的控制精度，為鍋爐系統(tǒng)的安全運行提供了可靠地

31、保障[6]。 3.3.3過熱器溫度控制系統(tǒng) 鍋爐過熱器出口的蒸汽溫度是火電廠熱工控制中主要控制參數(shù)之一，直接關(guān)系到系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性，一般來說對過熱器出口蒸汽影響的因素主要有蒸汽流量的變化、爐膛燃燒情況、鍋爐給水溫度以及流經(jīng)過熱器表面的煙氣溫度等等。對過熱器的要求有質(zhì)與量兩個方面：質(zhì)包括壓力和溫度參數(shù)及潔凈度，量指流量。 過熱蒸汽溫度過高，會燒壞過熱器水管，影響負荷設(shè)備如汽輪的正常工作和安全，氣溫過低會影響負荷設(shè)備的使用，例如蒸汽溫度每降低5℃，熱機效率就會下降1%，因此無論是從安全還是技術(shù)經(jīng)濟指標上看，必須保證過熱器溫度在規(guī)定的范圍之內(nèi)，危機控制系統(tǒng)一般將氣溫控制在偏離額定值的5

32、%之內(nèi)[7]。 過熱器出口蒸汽溫度控制主要有兩種方法1：通過改變煙道溫度控制過熱器出口蒸汽溫度2：通過改變減溫水流量控制過熱器出口蒸汽溫度。由于第一種方法經(jīng)濟性不如后者，我們采用第二種方法?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖3.5所示。 圖3.5過熱器出口蒸汽溫度控制系統(tǒng)框圖 過熱器出口蒸汽溫度為主被控參數(shù)，減溫器出口的水流量為副被控參數(shù)，溫度檢測變送器測得的過熱器出口蒸汽溫度與設(shè)定值的偏差作為主調(diào)節(jié)器的輸入信號，主調(diào)節(jié)器的輸出再與流量變送器的偏差作為副調(diào)節(jié)器的輸入，然后控制減溫水的閥門開度，通過改變減溫水流量來現(xiàn)對熱器出口蒸汽溫度的控制。 從控制角度來講減溫設(shè)備安裝在過熱器后面比較合理，但是從設(shè)備

33、安全角度減溫器應(yīng)該安裝在過熱器的前面，從上述矛盾出發(fā)，我們將減溫器安裝在過熱器上部，更為合理有效地對過熱器出口蒸汽溫度進行控制。 3.3.4爐膛負壓控制系統(tǒng) 為了確保燃燒過程的順利、安全、經(jīng)濟、高效地進行，必須對爐膛壓力進行合理的控制，因為如果爐膛壓力過高，不僅會產(chǎn)生向外噴火的現(xiàn)象，還會損壞鍋爐設(shè)備，可是如果爐膛壓力過低，就會吸入冷空氣，影響爐膛的溫度，造成燃料的浪費，因此爐膛壓力需要維持在一定范圍內(nèi)。對爐壓的控制采用前饋-反饋控制如圖3.6所示。其中鼓風(fēng)量作為前饋信號，使引風(fēng)量隨鼓風(fēng)量變化，保持爐壓在工藝允許的范圍內(nèi)[8]。 圖3.6爐壓前饋控制系統(tǒng)框圖 前饋控制是減少被控變量動

34、態(tài)偏差的最有效方法之一，但在實際生產(chǎn)過程中，單獨使用前饋是很難滿足要求的，由于前饋控制是一種開環(huán)控制，無法校驗補償結(jié)果，一般前饋控制用來補償主要干擾的影響。 前饋反饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點： 1．對被調(diào)參數(shù)影響顯著的主要干擾由前饋進行補償，而其余次要干擾可依靠反饋 來克服，從而保證被調(diào)參數(shù)最終等于給定值。 2．由于反饋回路的存在，降低了對前饋控制模型的要求，為工程上實現(xiàn)比較簡單 的通用模型創(chuàng)造了條件。 3． 負荷或工況變化時，模型特性也要發(fā)生變化，可由反饋控制加以補償，因此具 有一定的自適應(yīng)能力。

35、 第四章 硬件選型 4.1傳感器選型 1．溫度測量元件 對生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)進行可靠、準確、實時檢測，是實現(xiàn)系統(tǒng)自動自動控制的必要條件，因此選擇合適的檢測元件顯得十分重要，也是完成檢測工作的重要前提。檢測儀表主要有傳感器和變送器兩部分組成，傳感器將溫度、壓力、流量、物位、成分的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號傳送給變送器，變送器將電信號再轉(zhuǎn)換為標準信號并輸出。 溫度是生產(chǎn)過程中較為常見的參數(shù)之一，保持溫度在一定范圍內(nèi)也是進行安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)的重要任務(wù)之一，溫度檢測元件按照與被測介質(zhì)的接觸方式可以分為接觸式和非接觸式。接觸式檢測儀表形式包括膨脹式、壓力式、熱電阻和熱電

36、偶，非接觸式主要是輻射式。接觸式檢測儀表具有簡單、可靠、測溫精度高等優(yōu)點，缺點是測溫存在延時。而非接觸式檢測儀表具有較高的測溫上限、熱慣性小、適用于溫度快速變化的檢測，但是測量易受距離、煙塵等外界因素的影響，所以存在較大的測量誤差。常用的溫度檢測儀表如表4.1。 表4.1常用溫度檢測儀表分類及特點 類型 形式 測溫范圍 ℃ 準確度 特點 接 觸 式 壓力式 -20~600 0.5~5 速度慢、精度低、適于遠距離傳送 膨脹式 -200~650 0.1~5 結(jié)構(gòu)簡單、適合就地測量 熱電偶 -200~1800 2~10 速度快、精度高，中高溫測量，遠

37、距離傳送 熱電阻 -200~850 0.01~5 速度快、精度高，適于低中溫度測量，遠距離傳送 非接觸式 輻射式 100~3000 1~20 響應(yīng)速度快，測量精度一首環(huán)境影響 本系統(tǒng)中的爐膛溫度變化范圍一般為900℃~1100℃，過熱器允許的溫度變化范圍一般為350℃~540℃，從檢測儀表的測量精度和測溫范圍角度考慮，我們選擇熱電偶（測溫范圍為-200℃~1800℃）進行溫度檢測，由于K型（鎳鉻一鎳硅）熱電偶具有測溫范圍寬（-200℃~1300℃）、熱電動勢大、線性好和價格低的優(yōu)點，所以我們選擇K型熱電偶作為鍋爐的溫度檢測儀表。用熱電偶測溫一定要注意補償導(dǎo)線的類型及與熱電偶

38、配套的連線和極性，而且要進行冷端溫度補償。 2．煤粉和空氣流量測量元件 工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了有效地控制生產(chǎn)過程，我們需要對一些流動介質(zhì)的流量進行檢測。流量檢測一般有體積流量檢測和質(zhì)量流量檢測兩種方法，體積流量檢測包括容積法和速度法，容積法是用單位時間內(nèi)排出流動介質(zhì)的固定容積數(shù)來計算流量。適用于高粘度流體的測量及測量精度要求高的場合?；谶@種檢測方法的儀表有旋轉(zhuǎn)活塞式流量計、橢圓齒輪流量計。而速度法是先計算管道內(nèi)流動介質(zhì)的平均速度再乘以管道的橫截面積來計算流量的體積?；谶@種檢測方法的儀表有差壓式流量計、轉(zhuǎn)子式流量計和超聲波式流量計等。質(zhì)量流量檢測一般分為直接法和間接法，直接法是用儀表直接測

39、得流量的質(zhì)量，間接法指測出流動介質(zhì)的密度再乘以其體積最后得出質(zhì)量。由于差壓式流量計運行可靠、結(jié)構(gòu)簡單而且還可與差壓式變送器配合使用，適用于多種流動介質(zhì)的測量，所以設(shè)計中我們使用差壓式流量計測量煤粉流量和空氣流量。差壓式流量計由節(jié)流裝置、引壓導(dǎo)管和差壓變送器組成，如圖4.1所示。 圖4.1差壓式流量計組成框圖 差壓式流量計的檢測原理是：當(dāng)流動介質(zhì)經(jīng)過節(jié)流裝置，在節(jié)流裝置前后會產(chǎn)生壓力差，通過壓力差可得被測介質(zhì)的流量。應(yīng)用較為廣泛的節(jié)流裝置有噴嘴擋板、孔板及文丘里管。由于三者的結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致他們的性價比不同，孔板的壓力損失和成本都很大，但是精度很高，所以選擇孔板做節(jié)流裝置。 使用孔板時一

40、定要注意孔板的安裝方向一定要正確，即流動介質(zhì)從圓柱形一側(cè)流進，從圓錐形一側(cè)流出，如果方向不正確，測量值會小于實際值。為了使變送器輸出的電信號與流量成正比例關(guān)系，必須加一個開方器[9]。 3．液位測量元件 生產(chǎn)過程中為了實現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)，物位檢測十分重要，通過物位檢測可以了解它是否在工業(yè)要求允許范圍內(nèi)，另外物位檢測對連續(xù)生產(chǎn)和經(jīng)濟核算也顯得十分的必要。本設(shè)計對于鍋爐汽包液位的檢測主要介紹以下3種汽包水位測量儀表。 （1）雙色水位計：是鍋爐附屬設(shè)備，鍋爐中汽呈現(xiàn)為紅色，水呈現(xiàn)為綠色，當(dāng)水位和蒸汽流量變化時，紅色和綠色所占的比例相應(yīng)變化，這種水位計觀測起來明顯直觀，但是在實際應(yīng)用中，受外界環(huán)

41、境的影響，使用一段時間后汽水分界會變得不明顯，另外由于它本身是安裝在汽包上的，汽包的溫度很高，一般維修不方便。 （2）差壓水位計：將變動水位與恒定水位的差壓值轉(zhuǎn)換成水位值，再通過差壓變送器轉(zhuǎn)換成連續(xù)的電信號。但是在實際應(yīng)用中存在一些缺點：水位和差壓的關(guān)系會受汽包壓力的變化的影響，存在較大的誤差，采用平衡容器測量方法可以使汽包壓力得到補償，但準確度仍受到較大的限制。差壓式流量計一般適用于運行穩(wěn)定的液位控制系統(tǒng)運行過程中液位出現(xiàn)較大變化時，誤差會很大。 (3)電極式水位計：利用飽和蒸汽與蒸汽凝結(jié)水電導(dǎo)率的不同，把汽包水位的變化轉(zhuǎn)換為電信號，由二次儀表遠距離顯示水位。它克服了汽包的壓力的變化對測

42、量的影響，一般用于鍋爐的啟停和參數(shù)變化過程中。這種儀表具有延遲小、誤差小的優(yōu)點，所以不需要對誤差進行調(diào)整，檢修和校驗比較方便。但是它的測量是斷續(xù)的，因此就要求選擇合適的水位容器以減小誤差。 綜上，雙色水位計可在鍋爐啟動和停止時對汽包水位進行監(jiān)控，校對其他的液位測量儀表。差壓式水位計適用于系統(tǒng)穩(wěn)定運行時參數(shù)的顯示，電極式水位計一般應(yīng)用在鍋爐變參數(shù)運行過程中，精度很高。因此，在汽包水位控制系統(tǒng)中3種儀表同時被采用。 4．給水流量和蒸汽流量測量元件 流量傳感器在本設(shè)計中用于給水流量和蒸汽流量的測量，這兩個信號直接影響控制質(zhì)量，因此選擇合理的流量傳感器十分有必要的。如果我們要控制的是35t/h鍋

43、爐的汽包水位，即每小時有35t的給水變成水蒸氣。根據(jù)要求我們選擇LUGB-99型渦街流量計，它是一種新型振動式流量計，具有壓損小、準確度高、性能穩(wěn)定、測量范圍廣等優(yōu)點，主要應(yīng)用于管道中蒸汽、汽體和液體介質(zhì)流量的測量。 該流量計的技術(shù)參數(shù)如下： （1）測量介質(zhì)：液體、蒸汽、汽體 （2）感應(yīng)元件不與被測介質(zhì)直接接觸，具有可靠性高和性能穩(wěn)定等特點 （3）傳感器結(jié)構(gòu)牢固而且簡單，維擴量小、壓損小 （4）范圍度寬可達10：1至15：1 （5）測量范圍：一般正常工況下，雷諾數(shù)為20，000至7，000，000；信號輸出不受液體粘度、溫度、壓力及組份影響 （6）精度等級：如果是液體，精度可達指

44、示值1.0%；若是蒸汽，則精度可達指示值1.5% 根據(jù)儀表量程的選擇原則，儀表的量程應(yīng)該是被測參數(shù)的4/3至3/2倍，流量計能檢測的最大流量為：46.5～52 m3/h，因此選擇LUGB-99型渦街流量計，可檢測流量的范圍：3～50 m3/h，可滿足對汽包給水流量的檢測。 LUGB-99型流量計不僅可以檢測液體流量還可以檢測蒸汽流量，所以在本設(shè)計中我們也選擇它對蒸汽流量進行檢測。正常工況下蒸汽壓力一般為0.5MP，蒸汽的密度一般是2700Kg/ m3，根據(jù)儀表量程的選擇原則，被選用儀表的量程應(yīng)為被測量參數(shù)的4/3至3/2倍，LUGB-99型渦街流量計可檢測流量范圍為8～80 m3/h，可以

45、滿足本設(shè)計對蒸汽流量的檢測。 5．壓力測量元件 壓力檢測的方法有液柱式壓力檢測、彈性式壓力檢測、電氣式壓力檢測和活塞式壓力檢測，由于電氣式壓力檢測動態(tài)響應(yīng)好，測量范圍大、便于信號遠距離傳輸，所以本設(shè)計選擇電氣式壓力檢測。 電氣式壓力檢測儀表是將敏感元件檢測的壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號。常見的電氣式壓力檢測儀表有壓電式壓力檢測儀表和電阻式壓力檢測儀表。前者性能穩(wěn)定、精度高，但是靈敏度較差，后者靈敏度較前者好，而且動態(tài)性能好，所以我們選擇電阻式壓力檢測儀表來檢測爐膛壓力[10]。 4.2執(zhí)行器選型 1．執(zhí)行器的選型 執(zhí)行器的作用是接收控制器輸出的信號，并把它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，控制

46、閥門的開度。執(zhí)行器由調(diào)節(jié)機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)組成。執(zhí)行機構(gòu)包括液動執(zhí)行機構(gòu)、電動執(zhí)行機構(gòu)和氣動執(zhí)行機構(gòu)。進行執(zhí)行機構(gòu)選擇時應(yīng)該考慮工藝要求、控制精度和經(jīng)濟性。由于氣動執(zhí)行器同其他兩類執(zhí)行器相比，不僅價格低、維護方便、結(jié)構(gòu)簡單、可靠，而且具有很高的安全性能，本設(shè)計采用氣動執(zhí)行機構(gòu)。 氣動執(zhí)行機構(gòu)有活塞式和薄膜式兩類，由于薄膜式與活塞式相比，不僅價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單，而且維護方便、運行可靠，所以選擇薄膜式。 調(diào)節(jié)機構(gòu)在執(zhí)行機構(gòu)輸出力矩作用下，阻力系數(shù)發(fā)生改變，從而改變被控介質(zhì)流量，達到調(diào)節(jié)工藝變量的目標。調(diào)節(jié)機構(gòu)有多種，包括角形調(diào)節(jié)閥、隔膜調(diào)節(jié)閥、直通調(diào)節(jié)閥（分單座和雙座兩種）、蝶閥、三通調(diào)節(jié)閥、球閥

47、等等，由于角形調(diào)節(jié)閥閥體呈三角形，結(jié)構(gòu)簡單，阻力也小，適用于高粘度、有固體顆粒或懸浮物的場合，所以本設(shè)計中的煤氣閥和空氣閥均采用角形閥。煙道百葉窗擋板一般應(yīng)用在低差壓、大口徑、有懸浮物、大流量的場合，本設(shè)計采用煙道百葉窗作為控制爐膛壓力的煙氣調(diào)節(jié)閥。由于直通雙座調(diào)節(jié)閥允許差壓大，所以可以選作為給水流量的調(diào)節(jié)閥。 2．氣開、氣閉形式的選擇 由于執(zhí)行器的調(diào)節(jié)機構(gòu)有正裝、反裝兩種形式，執(zhí)行機構(gòu)有正和反兩種作用方式，通過四種組合方式可以實現(xiàn)執(zhí)行器氣開和氣關(guān)調(diào)節(jié)。 當(dāng)氣壓P>0.02MPa時調(diào)節(jié)閥閥門關(guān)閉，閥門開度隨氣壓信號減小而增加，氣壓為零時閥門全開，這類稱為氣關(guān)式執(zhí)行器。相反，氣開式執(zhí)行器在

48、沒有壓力信號時，閥門關(guān)閉，閥門開度隨氣壓信號的增大而增大。 氣開、氣關(guān)形式的選擇必須保證生產(chǎn)過程的安全性，當(dāng)壓力信號中斷時，閥門的位置應(yīng)保證操作人員及設(shè)備的安全。對于爐膛而言，當(dāng)信號中斷時，應(yīng)該保證煤粉和空氣閥門全部關(guān)閉，使鍋爐不會因高溫而發(fā)生事故，所以煤粉和空氣選擇氣開式執(zhí)行器。對于汽包水位的控制，應(yīng)保證信號中斷時，仍然有給水進入汽包，避免汽包水位過低引起爆炸，所以給水執(zhí)行器應(yīng)該選擇氣閉式。 4.3調(diào)節(jié)器選型 1．調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇 調(diào)節(jié)器將測量變送器采集的測量值與給定值進行比較得出偏差進行比例、微分和積分運算，輸出標準信號，控制執(zhí)行器動作，實現(xiàn)對爐溫、汽包水位、爐壓和過熱器出口蒸

49、汽溫度的控制。PID運算規(guī)律可用下面公式表示： （4.1） Kp：比例增益； TI：積分時間； TD：微分時間； 當(dāng)TI→∞，TD→0時，控制器輸出為比例調(diào)節(jié)： （4.2） 在控制過程中常用比例度表示作用的強弱，100%，越小，比例作用越強。具有及時迅速，存在余差等特點。增大Kp可減小余差，但容易產(chǎn)生震蕩。 當(dāng)KI→∞時，控制器輸出為比例積分調(diào)節(jié)： （4.3） 積分調(diào)節(jié)能夠消除余差，但動作緩慢，所以一般不單獨

50、使用，PI調(diào)節(jié)控制速度得到提高。 當(dāng)KD→0時，控制器輸出為比例微分調(diào)節(jié)： （4.4） 比例微分調(diào)節(jié)能夠改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，具有超前控制作用，但是存在余差，一般也不能單獨使用[13]。 控制規(guī)律選擇的一般原則： （1）廣義控制通道時間較長時需要引入微分調(diào)節(jié)。允許有穩(wěn)態(tài)誤差時，可選PD調(diào)節(jié)規(guī)律，不允許有穩(wěn)態(tài)誤差時應(yīng)選PID調(diào)節(jié)規(guī)律。如果負荷變化大，不宜采用PID調(diào)節(jié)。 （2）控制通道時間較小，工藝允許有穩(wěn)態(tài)誤差時，選用P調(diào)節(jié)。不允許有穩(wěn)態(tài)誤差時選用PI調(diào)節(jié)。 綜合上述原則，爐膛溫度控制器采用PID調(diào)節(jié)，汽包液位控制采用P調(diào)節(jié)

51、，流量控制和爐膛壓力控制采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律。 2．正、反作用方式的判斷 根據(jù)控制回路負反饋原則，各部分增益的乘積必須為“+”，爐膛溫度控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥采用氣開式，所以Kv為“+”；煤粉和空氣閥門開大，爐膛溫度升高，所以Ko為“+”；變送器Km為“+”，，所以Kp為“+”，即調(diào)節(jié)器需采用反作用調(diào)節(jié)方式。同理，汽包水位控制系統(tǒng)中Kv為“-”，Ko為“+”， Km為“+”，所以Kp應(yīng)為“-”，汽包的給水流量調(diào)節(jié)器需采用正作用調(diào)節(jié)方式。爐壓調(diào)節(jié)器采用反作用調(diào)節(jié)方式，過熱器出口蒸汽溫度調(diào)節(jié)器采用反作用調(diào)節(jié)方式。 第五章 控制系統(tǒng)下位機設(shè)計 5.1西門子S7-200可編程控制器概述 1．S7

52、-200簡介 可編程控制器簡稱PLC，它是基于微處理器的一種通用控制裝置，是當(dāng)代工業(yè)控制的主要支柱之一，從性能、價格和可靠性方面考慮，我們選擇西門子S7-200作為鍋爐控制系統(tǒng)的控制器。在控制過程中完成對被控參數(shù)（爐膛溫度、汽包液位、過熱器出口蒸汽溫度、爐膛壓力）的采集、處理和控制。 S7-200系列PLC控制系統(tǒng)一般由機架、數(shù)字量輸入模塊（EM221）、CPU模塊、數(shù)字量輸出模塊(EM222)、模擬量輸出模塊（EM232）和模擬量輸入模塊（EM231）通信模塊和智能模塊組成。另外在EM235擴展模塊中，D/A和A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)都是12位，模擬量的輸出和輸入有很多種量程，如0～20mA，0

53、～10V，0～100mV，0～5V，等等，并且有0～10D/A和A/D轉(zhuǎn)換單元[15]，如圖5.1所示。 圖5.1小型S7-200控制系統(tǒng) 西門子S7-200控制器通過遠程I/O的方式連接現(xiàn)場需要檢測和控制的各點，CPU自帶24路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出，集成2個RS485接口，可以支持PPI、MODBUS等通訊協(xié)議，遠程I/O有通訊處理器和EM235模塊連接，實現(xiàn)信息的可靠、安全、穩(wěn)定傳輸。 S7-200PLC具備以下特點： （1）控制功能。最大限度地滿足系統(tǒng)控制功能是選擇PLC首先應(yīng)該考慮的問題，S7-200不僅具有定時器、計數(shù)器和繼電器所能實現(xiàn)的功能，而且還具有位邏輯、定

54、時、計數(shù)、比較、位循環(huán)等指令，支持中斷和子程序可以完成串口通訊。 （2）輸入/輸出性質(zhì)及點數(shù)要求。我們選擇CPU224（14數(shù)字輸入，10繼電器輸出），CPU內(nèi)部電源可為CPU自身、擴展模塊和其他設(shè)備提供直流電源。若要增加電路中的點數(shù)，可以用擴展模塊，EM223（16路數(shù)字輸入，16繼電器輸出），EM223（8數(shù)字輸入，8繼電器輸出），EM231(4路模擬量輸入)，EM232（4路模擬量輸入，2路模擬量輸出），EM235(4路模擬量輸入，1路模擬量輸出)，擴展模塊通過總線連接電纜得到5V的直流電源。 （3）存儲容量。CPU224不僅具有2560字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，而且還有4096字節(jié)的程序存

55、儲器，可滿足設(shè)計要求[16]。 2．計算機和PLC之間的通信 打開在STEP7-Micro/WIN軟件后，雙擊指令樹里面的“通信”選項，將編輯的程序下載到PLC之前，需要對遠程站的地址進行設(shè)置，然后雙擊“通信”框中的“雙擊刷新”藍色圖標，編程軟件將自動搜索已經(jīng)連接到網(wǎng)絡(luò)上的S7-200，并用圖標將S7-200顯示出來，如圖5.2所示。 圖5.2 PLC通信窗口 5.2 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 對PLC系統(tǒng)進行設(shè)計時，首先是對其功能進行設(shè)計，即根據(jù)工藝要求和被控對象的功能，明確系統(tǒng)要怎樣運行，然后對其功能進行分析，最后確定PLC型號和其他的配置[17]。 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計一般分

56、為以下幾個步驟： 1、了解被控對象，制定可行的方案。 2、根據(jù)控制要求，確定輸入、輸出設(shè)備。 3、選擇PLC,主要包括機型、I/O模塊、容量和電源。 4、分配PLC的I/O地址。 6、進行PLC程序設(shè)計（包括軟件和硬件）。 7、調(diào)試即對模擬調(diào)試過的程序進行在線調(diào)試。 5.3下位機PLC的硬件設(shè)計過程 5.3.1 I/0分配 表5.1 I/0分配表 輸 入 信 號 啟動按鈕 I0.0 停止按鈕 I0.1 急停按鈕 I0.2 空燃比信號 I0.3 爐溫采樣控制信號 I0.4 爐壓采樣控制信號 I0.5 水位采樣控制信號 I0.6 過熱器

57、溫度采樣控制信號 I0.7 手動操作 I1.0 自動操作 I1.1 輸 出 信 號 煤粉流量閥 Q0.0 空氣流量閥 Q0.1 給水泵啟動 Q0.2 進水閥1 Q0.3 進水閥2 Q0.4 出水閥 Q0.5 減溫水閥 Q0.6 空氣預(yù)熱器 Q0.7 爐溫報警 Q1.1 爐壓報警 Q1.2 過熱器溫度報警 Q1.3 汽包水位報警 Q1.4 引風(fēng)機啟動 Q1.5 點火器 Q1.6 手動運行 Q1.7 自動運行 Q2.1 空燃比輸出信號 Q2.2 空氣和煤粉混合攪拌信號 Q2.3 5.3.2 硬件配置

58、及連接圖 本設(shè)計中我們采用西門子430系列變頻器,利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用，將工頻電源變換為一頻率的電能控制裝置，其基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速和工作電源輸入頻率成正比例關(guān)系，通過改變變頻器的頻率達到實現(xiàn)對鍋爐給水泵、鼓風(fēng)機、引風(fēng)機和爐排電機的轉(zhuǎn)速控制。MICROMASTER430變頻器不但設(shè)備性能可以滿足用戶需求，而且有更多的輸入、輸出端。采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)比較靈活，線路連接[18],如圖5.3所示。 圖5.3 變頻器接線圖 Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，通過此協(xié)議，控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以通信。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS

59、-422、RS-485多種電氣接口和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標準。標準的Modbus口是使用一RS-232兼容串行接口?？刂破髂茉O(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標準的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。ASCII模式采用LRC校驗，RTU模式采用16位CRC校驗?？刂破魍ㄐ攀褂弥鳌獜募夹g(shù)，即僅一設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢）。其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢

60、提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。典型的主設(shè)備：主機和可編程儀表。從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。 S7-200系列PLC核心是CPU224，還具有EM231、EM232、EM235三種規(guī)格的模擬量輸出輸入模塊。EM231模擬量輸入模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到PLC中進行PID調(diào)節(jié),EM232模擬量輸出模塊從CPU224接收數(shù)字量，并將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量控制變頻器，CPU224對被控變量進行PID調(diào)節(jié)[20]。PLC接線圖如圖5.4所示。

61、 圖5.4 PLC接線圖 5.4 STEP7概述及S7-200程序流程設(shè)計 1．編程軟件STEP7—Micro/WIN介紹 STEP7—Micro/WIN軟件是西門子公司為S7-200PLC專門設(shè)計開發(fā)的，其功能強大，在脫機狀態(tài)下可以進行程序的編寫、修改、編譯和調(diào)試等功能，在聯(lián)機狀態(tài)下可以通過PC機對PLC進行下載用戶程序、上載和組態(tài)數(shù)據(jù)等操作。具有語法檢查功能，方便進行梯形圖編寫程序的修改，還具有文檔管理和加密等功能[21]，編程主界面如圖5.5所示。 圖5.5 STEP7—Micro/WIN編輯界面 界面分為標題欄、工具條、菜單條、引導(dǎo)條、輸出窗口、狀態(tài)條指令樹、和用戶

62、窗口。進行梯形圖程序編寫時，單擊線圈、觸點或指令盒按鈕選擇要輸入的指令，然后用光標移到需要添加元件的位置后，單擊鼠標即可，選擇指令元件后輸入操作數(shù)，按照要求完成編程工作。 2．S7-200程序流程設(shè)計 軟件設(shè)計需能進行人機對話，由于溫度控制對象是一個大延時環(huán)節(jié)，且溫度調(diào)節(jié)范圍比較寬，所以本設(shè)計對過渡過程時間咱不予要求，針對上述情況，從經(jīng)濟角度出發(fā)，溫度控制系統(tǒng)是利用PLC為控制器，測溫電路中溫度反饋信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送到PLC進行處理，經(jīng)一定算法后，PLC再輸出信號控制交流接觸器的通斷，控制給煤量和空氣量，從而實現(xiàn)對爐膛溫度的控制。系統(tǒng)主流程圖如圖5.6所示。 運行開始后，手自動操作

63、方式選擇，如果自動方式運行，則先進入爐膛溫度控制子程序，再進入汽包水位控制子程序、過熱器溫度控制子程序，最后進入爐壓控制子程序。在溫度控制子程序中，首先對爐溫進行初始設(shè)定，開始溫度采集，判斷采集的溫度測量值是否在設(shè)定值范圍之內(nèi)，若果在則進行PID控制和輸出空燃比信號，如果不在則報警[22]，圖5.7所示。 圖5.6主流程圖設(shè)計 圖5.7 爐溫控制子程序 圖5.8 爐壓控制子程序 爐膛壓力控制子程序運行開始后，選擇自動運行方式，啟動引風(fēng)機，判斷是否有故障，如果沒有則延時1分鐘啟動鼓風(fēng)機，再啟動爐排，如果有故障則立刻停止。判斷爐壓是否設(shè)定，若已經(jīng)設(shè)定則進入PID調(diào)解，沒有設(shè)定則

64、對其進行設(shè)定，如果采用手動方式運行，則直接啟動引風(fēng)機、鼓風(fēng)機和爐排，無故障后判斷運行是否正常，正常則進行PID調(diào)節(jié)，不正常立刻停止運行[23]。 圖5.9 汽包水位控制子程序 如上圖5.9 所示汽包水位控制子程序運行開始后，如果運行正常，則對其進行水位設(shè)定，手自動方式選擇，如果不正常則立刻停止，自動方式運行開始后，分別對汽包水位、給水流量和蒸汽流量進行采樣和計算，進行PID調(diào)節(jié)，判斷系統(tǒng)是否運行正常，正常則一直進行PID調(diào)節(jié)，否則停止。如果手動方式運行，直接啟動給水泵及調(diào)節(jié)閥，沒有故障則正常運行進行PID控制，否則停止。 圖5.10 空燃比控制子程序 空燃比子程序接收到開始信號

65、后，首先進行煤粉和空氣流量的采集，判斷比值是否為3，是則進行混合，不是則重新配比，直到比值等于3，進行PID調(diào)節(jié)，如圖5.10所示。 通信控制流程設(shè)計過程中，S7-200CPU從通訊端口0接受字符串，使用RCV（接收）指令和接收完成中斷接收數(shù)據(jù)，以自定義協(xié)議來實現(xiàn)計算機和S7-200PLC之間的數(shù)據(jù)通信時，為了避免通信中的各方爭用通信線路，一般采用主從方式，計算機作為主機，向從站S7-200PLC端口0發(fā)送規(guī)定格式的報文，S7-200PLC收到指令后采用BBC校驗方式進行數(shù)據(jù)校驗，與指令中的校驗碼進行比較，如果校驗碼相等，則置位M0.0，將校驗碼作為報文的一部分發(fā)送到計算機，如果不相等，置位

66、M0.1，返回帶有校驗碼錯誤的反饋信息，如圖5.11所示。 圖5.11 S7-200通信程序設(shè)計 5.5程序編寫及分析 1. 程序編寫及分析 本文根據(jù)設(shè)計要求，編寫了六個程序，一個為主程序，其余五個為子程序，分別為爐膛溫度控制子程序、汽包水位控制子程序、過熱器溫度控制子程序、爐壓控制子程序和空燃比控制子程序。 主程序可以對其他五個子程序進行管理，如果任務(wù)簡單，一個主程序就可以完成任務(wù)，如果復(fù)雜必須將具體任務(wù)分放到子程序中完成，便于程序的編寫、編譯和調(diào)試。每個子程序都有不同于其他子程序的序號，便于主程序的調(diào)用[25]。（控制程序見附錄B） 2.調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試分為軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。軟件調(diào)試用PC機完成，將編寫好的控制程序裝載到仿真軟件上，按照編寫的程序進行開關(guān)操作，通過對每一個功能進行檢測不斷完善控制程序，如圖5.12所示。 圖5.12 軟件調(diào)試 硬件調(diào)試一般在實驗室中完成，設(shè)備的各個單元經(jīng)檢查符合要求后，軟件和硬件進行聯(lián)合調(diào)試，使軟件和硬件的配置達到最佳狀態(tài)。 第六章 控制系統(tǒng)上位機設(shè)計 6.1 組態(tài)王軟件概述 組態(tài)王軟