鍋爐自動控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文

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1、 ( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！ ) 優(yōu)秀論文 審核通過 未經(jīng)允許 切勿外傳 摘要 鍋爐是國民經(jīng)濟中主要的供熱設(shè)備之一。 電力、機械、冶金、化工、紡織、造紙、食品等工業(yè)和民用采暖都需要鍋爐供給大量的蒸汽。各種工業(yè)的生產(chǎn)性質(zhì)與規(guī)模不 同，工業(yè)和民用采暖的規(guī)模大小不盡相同。鍋爐是供熱之源，鍋爐及其設(shè)備的任務(wù)在于安全，可靠，有效把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能，進而將熱能傳遞給水，以生產(chǎn)熱水和蒸汽。為了生產(chǎn)工藝有特殊要求外，所生產(chǎn)的熱水不需要過高溫的壓力和溫度，容量也無需很大。 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的

2、飛速發(fā)展， 對能源利用率的要求越來越高。 鍋爐作為將一次能源轉(zhuǎn)化為二次能源的重要設(shè)備之一，其控制和管理的水平也日趨提高。但在我國，大部分鍋爐還采用儀表和繼電器控制，甚至人工操作，已無法滿足生產(chǎn)需求。因此，對鍋爐控制系統(tǒng)采用先進的控制技術(shù)，不僅能夠保證安全生產(chǎn)，而且能夠節(jié)能增效，具有很好的市場發(fā)展空間和投資收益前景。 本論文的主要方向就是采用 PLC 對工業(yè)鍋爐進行控制。介紹了工業(yè)鍋爐的系統(tǒng)組成及選擇的控制系統(tǒng)，在設(shè)計中主要有水位檢測、溫度檢測、壓力檢測、水泵的 自動手動控制等幾部分組成來實現(xiàn)鍋爐的自動控制系統(tǒng)。并且采用 MCGS組態(tài)軟件設(shè)計監(jiān)控畫面。采用 PID 控制算法，已達到優(yōu)

3、化技術(shù)指標，提高經(jīng)濟效益和社會效益，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約能源，改善勞動條件，保護環(huán)境衛(wèi)生，提高市場競爭能力的 作用。 關(guān)鍵字： 鍋爐； PLC；PID； MCGS組態(tài)軟件； 1 Abstract Boiler is the national economy one of the main , industrial and civil vary the size of is safe, reliable and

4、effective conversion of the fuels chemical energy intorder to process requirements, the production of industrial technology, energy efficiency China, most of the boiler also usesinstruments and relays, or even manually, been unable to meet production needs. Therefore, the boiler control system us

5、es advanced control technology, not only to ensure safety in production, but also energy efficiency, with good market prospects for development and investment income. The main direction of this paper is the use of PLC control for industrial boilers. Describes the composition of industrial boil

6、er systems and the choice of control system, mainly in the design water level detection, temperature detection, pressure testing, water pump auto manual control several components to achieve the automatic boiler control system. MCGS configuration software design and using the monitor scr

7、een. PID control algorithm used to optimize the technical specifications to improve the economic and social benefits, improve labor productivity, save energy, improve working conditions, protect the environment and software; 目錄 第 1 章 緒論 ......................................................

8、....................................................................................... 1 1.1 選題背景及意義 ................................................................................................................................ 1 1.2 鍋爐控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展.........................................

9、........................................................... 2 1.2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ............................................................................................................................ 2 1.2.2 控制技術(shù)的發(fā)展趨勢 .......................................................................

10、............................................ 2 第 2 章 鍋爐的基本構(gòu)造及其工作原理................................................................................................. 4 2.1 概述 .........................................................................................................................

11、.......................... 4 2.2 鍋爐的基本構(gòu)造 ............................................................................................................................... 4 2.3 鍋爐的工作原理及工作過程.........................................................................................................

12、.. 5 2.3.1 燃料的燃燒過程 ........................................................................................................................... 6 2.3.2 煙氣向水的傳熱過程 ................................................................................................................... 6 2.3.3 水的

13、汽化過程 ............................................................................................................................... 6 第 3 章 鍋爐控制系統(tǒng)及其選擇的控制方式......................................................................................... 8 3.1 蒸汽溫度控制系統(tǒng) ..............................

14、............................................................................................. 8 3.2 蒸汽壓力控制系統(tǒng) ........................................................................................................................... 8 3.3 汽包液位控制系統(tǒng) ..........................................

15、................................................................................. 9 2 3.4 爐膛負壓控制系統(tǒng) 10 3.5 串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 11 3.6 串級控制系統(tǒng)的控制算法 12 第 4 章 鍋爐自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 14 4.1 總體設(shè)計思路 14 4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 14 4.3 控制器選型及配置 15 4.4 IO 地址分配表 16 4.5 系統(tǒng)主電路的設(shè)計 18 4.6 系統(tǒng)控制電路的設(shè)計

16、 19 4.7 補水泵控制系統(tǒng) 22 4.8 給水泵控制系統(tǒng) 24 4.9 通信網(wǎng)絡(luò)配置 25 4.10 變頻器的選型 25 4.11 傳感器的選型 27 4.12 其它器件的選型 29 第 5 章 鍋爐自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 31 5.1 PLC 控制流程圖 31 5.2 組態(tài)軟件設(shè)計特點 37 5.3 鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 38 5.4 界面設(shè)計 39 5.3 PLC 控制程序 39

17、 3 第1章緒論 1.1 選題背景及意義 由于我國總的能源特征是“富煤、少油、有氣 " ，擁有豐富的煤炭資源，到 2000 年已探明的煤炭儲量達 1145 億噸。煤炭因其儲量大和價格相對穩(wěn)定，在本世紀 50 年內(nèi)，在我國的一次能源構(gòu)成中仍將占主導(dǎo)地位。由此可見，在未來相當長的一段時期內(nèi)，燃煤工業(yè)鍋爐仍將是我國工業(yè)鍋爐的主導(dǎo)產(chǎn)品。這與目前國外的情況相差 很大。如：日本燃煤工業(yè)鍋爐僅占總數(shù)的 1％，美國和西歐國家約占 1％～ 3％( 石油危機后燃煤工業(yè)鍋爐略有增加 ) ，俄

18、羅斯燃煤工業(yè)鍋爐較多，約占 40％。 工業(yè)鍋爐是我國主要的熱能動力設(shè)備，使用面廣，需求量大，在工業(yè)生產(chǎn)和軍 民生活中扮演重要角色。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國現(xiàn)有中、小鍋爐 30 多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的三分之一以上，堪稱大耗能動力設(shè)備。隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā) 展和人民生活的不斷改善，鍋爐臺數(shù)還在不斷增加。作為能源轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，其工作情況的好壞直接關(guān)系到能源的利用率高低。目前我國中、小型鍋爐以燃煤鏈條鍋爐為主，燃料主要是煤炭，而且鍋爐房管理水平不高，一直沿用間斷運行方式，鍋爐技術(shù)含量低，鍋爐的自動化控制技術(shù)落后，處于能耗高、浪費大、環(huán)境污染嚴 重的生產(chǎn)狀態(tài)，尤其是燃煤排

19、放的 C02氣體所引起的溫室效應(yīng)，早己引起國際關(guān)注。為了將我國建設(shè)成資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，工業(yè)鍋爐的節(jié)能降耗、減少污染 物生成和排放具有重大意義。近幾年隨著加入世貿(mào)組織以及中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，如何提高熱效率，降低耗煤量，降低耗電量，改善環(huán)境是每個部門乃至每個公民關(guān)心的大事。為此對工業(yè)鍋爐推廣應(yīng)用各種新技術(shù)、新工藝、新管理是實現(xiàn)節(jié)能降耗、減少污染的重要途徑。其中實現(xiàn)鍋爐的自動化控制不僅可大大節(jié)約能源，促進環(huán)保，而且可以提高生產(chǎn)自動化水平。具體來講，實現(xiàn)鍋爐自動化控制的意義在于： (1) 提高鍋爐運行的安全性； (2) 提高鍋爐運行的經(jīng)濟性； (3) 改善勞動條件；

20、 (4) 減少運行人員，提高勞動生產(chǎn)率。 今后，隨著工業(yè)鍋爐市場技術(shù)競爭的日趨激烈，鍋爐自動控制系統(tǒng)的好壞己成 為決定鍋爐性能的重要砝碼。研究與開發(fā)功能完備、性能可靠的鍋爐自動控制系統(tǒng)，是適應(yīng)鍋爐生產(chǎn)發(fā)展需要，具有廣闊的發(fā)展前景與研究價值。 1 1.2 鍋爐控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 工業(yè)鍋爐是一個比較復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備，有幾十個測量參數(shù)，控制參數(shù)和擾動參數(shù)，它們之間相互作用，相互影響，存在明顯的或不明顯的復(fù)雜因果關(guān)系，而且測控參數(shù)也經(jīng)常變化，存在一定的非線

21、性特性，這一切都為鍋爐的控制增加了難度。 過去，我國工業(yè)鍋爐 ( 特別是燃煤鍋爐 ) 產(chǎn)品設(shè)計和制造往往是重鍋爐本體而輕燃燒和控制設(shè)備，很多鍋爐所配置的運行監(jiān)測儀表不全，尤其缺少顯示鍋爐經(jīng)濟運行參數(shù)的儀表。因此，運行人員在調(diào)整鍋爐時，往往由于缺少數(shù)據(jù)，不能對鍋爐的運行狀況隨時做出準確判斷并實行相應(yīng)的運行調(diào)整，使鍋爐處于最佳工況運行。控制水 平很低，很多鍋爐仍為位式或開環(huán)控制，沒有實現(xiàn)連續(xù)閉環(huán)控 制，不能根據(jù)外界變化調(diào)節(jié)鍋爐運行狀態(tài)，無法使鍋爐運行較快地適應(yīng)工況的變動和處于持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)，鍋爐運行效率的保證和提高受到了限制。 80 年代中后期，隨著先進的控制技術(shù)引入 我國的鍋爐控

22、制以來，鍋爐的計算機控制得到了很大的發(fā)展。至 90 年代，鍋爐的自動化控制已成為一個熱門領(lǐng)域，利用單片機、可編程序控制器、工業(yè)計算機以及引 進的國外控制設(shè)備開發(fā)的各種控制系統(tǒng)，己逐漸用于對原有鍋爐的技術(shù)改造中，并向新建爐體配套的方向發(fā)展，許多新的控制方法，諸如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等自動控制的最新成果也在鍋爐自動控制中得到了嘗試和應(yīng)用。但由于控制技術(shù)單一，或控制算法的建模往往不能反映真實的鍋爐狀況，導(dǎo)致在工程實踐中并不怎么成功，不能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效益，挫傷了用戶在工業(yè)鍋爐上用計算機進行控制的積極性。因此提高鍋爐控制技術(shù)水平成為提高鍋爐效率的重要手段之一。

23、 如今在國外，鍋爐的控制己基本實現(xiàn)了計算機自動控制，在控制方法上大都采用了現(xiàn)代控制理論中的最優(yōu)控制、多變量頻域、模糊控制等方法，因此，鍋爐的熱效率較高、鍋爐運行平穩(wěn)，而且減少了對環(huán)境的污染。 目前，鍋爐控制的難點主要集中在汽包水位控制和燃燒過程控制，而鍋爐各種控制策略的研究工作也主要圍繞這兩個方面展開。雖然國內(nèi)外控制科學(xué)與工程領(lǐng)域的學(xué)者對工業(yè)鍋爐的控制策略作出了深入的研究，取得了一些成果，但仍存在一些問題。 控制技術(shù)的發(fā)展趨勢 現(xiàn)代過程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過程也隨之日趨復(fù)雜，對 生態(tài)環(huán)境的影響也日益突出，這些都對控制提出了越來越高的要

24、求。不僅如此，生 2 產(chǎn)的安全性和可靠性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益都成為衡量當今自動控制水平的重要指標。因此，僅用常規(guī)儀表己不能滿足現(xiàn)代化企業(yè)的控制要求。由于計算機具有運算速度快、精度高、存儲量大、編程靈活以及有很強的通信能力等特點，已在過程控制中得到十分廣泛的應(yīng)用。鍋爐作為一種典型的生產(chǎn)過程，其自動控制水平已隨著過程計算機系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展。 從目前的趨勢看，在大型企業(yè)中，過程控制計算機正成為一種把控制和管理融為一體的綜合自動化系統(tǒng)。它是在自動化技術(shù)，信息技術(shù)和各種工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計算機和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將整個單位全部生產(chǎn)活動所需的信息和各種分

25、散的自動化系統(tǒng)有機的集成起來，形成一個能適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境不確定性和市場需求多變性總體最優(yōu)的高質(zhì)量、高效益、高柔性的智能生產(chǎn)系統(tǒng)，現(xiàn)已成為當前控制領(lǐng)域的一個 重要研究方向?，F(xiàn)在，歐美大中型企業(yè)的過程控制領(lǐng)域中， PLC鍋爐自動控制系統(tǒng)占有統(tǒng)治地位。 PLC鍋爐自動控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于冶金、電力、鋼鐵、化工等連續(xù)過程控制的工業(yè)領(lǐng)域，系統(tǒng)從幾百個點到上萬個點的規(guī)模不等。而國內(nèi)的許多企業(yè)也 開始紛紛采用 PLC 系統(tǒng)進行控制，擺脫了過去依靠人力在儀表盤前監(jiān)控、操作的落后手段，應(yīng)用 PLC 鍋爐自動控制系統(tǒng)對提高國內(nèi)工業(yè)自動化水平有著非常積極的意義。在控制技術(shù)方面，近年來，為了獲得更好的控制性能

26、，把基于數(shù)學(xué)模型的控制技術(shù)和基于經(jīng)驗知識的控制技術(shù)相結(jié)合的集成控制技術(shù)受到了重視，獲得了廣泛的研究。 因此，鍋爐的自動控制當前正朝著多學(xué)科結(jié)合的計算機技術(shù)的應(yīng)用，管理控制一體化的趨勢發(fā)展。 第 2 章 鍋爐的基本構(gòu)造及其工作原理 2.1 概述 隨著生產(chǎn)的發(fā)展，鍋爐日益廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，成為發(fā)展國民 經(jīng)濟的重要熱工設(shè)備之一。在現(xiàn)代化的建設(shè)中，能源的需求是非常大的，然而我國的能源利用率極低，所以提高鍋爐的熱效率，具有極為重要的實際意義。 2.2 鍋爐的基本構(gòu)造 鍋爐是一種產(chǎn)生蒸汽或熱水的熱交

27、換設(shè)備。它通過燃料的燃燒釋放大量熱能， 并通過熱傳遞把能量傳遞給水，把水變成蒸汽或熱水，蒸汽或熱水直接供給工業(yè)和 生活中所需要的熱能。所以鍋爐的中心任務(wù)是把燃料中的化學(xué)能有效的轉(zhuǎn)化為蒸汽 的熱能。 3 鍋爐的主要設(shè)備包括汽鍋、爐子、爐膛、鍋筒、水冷壁、過熱器、省煤器、燃燒熱備、引風設(shè)備、送風設(shè)備、給水設(shè)備、空氣預(yù)熱器、水處理設(shè)備、燃燒供給設(shè)備以及除灰除塵設(shè)備等。 汽鍋：由上下鍋筒和三簇沸水管組成。水在管內(nèi)受管外煙氣加熱，因而管簇內(nèi)發(fā)生自然地循環(huán)流動，并逐漸氣化，產(chǎn)生的飽和蒸汽積聚在上鍋筒里面。 爐子：是使燃燒從充分燃燒并釋放

28、出熱量的設(shè)備。 爐膛：保證燃料的充分燃燒，并使水流受熱面積達到規(guī)定的數(shù)值。 鍋筒：使自然循環(huán)鍋爐各受熱面能適應(yīng)負荷變化的設(shè)備。 （需指出，直流鍋爐內(nèi)無鍋筒。） 水冷壁：主要是輻射受熱面，保護爐壁的作用。 過熱器：是將氣鍋所產(chǎn)生的飽和真氣急需加熱為過熱蒸汽的換熱器。過熱器一般都裝在爐膛出口。 省煤器：是利用余熱加熱鍋爐給水，以降低排出煙氣溫度的換熱器。采用省煤器后，降低了排煙溫度，提高了鍋爐效率，節(jié)省了燃料。同時，由于提高了進入氣飽的給水溫度，減少了因溫差而引起的汽包壁的熱適應(yīng)力，從而延長了汽包的使用壽命。 燃燒設(shè)備：將燃料和燃燒所需的空氣送入爐膛并使燃料著火

29、穩(wěn)定，充分燃燒 . 引風設(shè)備：包括引風機、煙道和煙囪等幾部分。用它將鍋爐中的煙氣連續(xù)排出。送風設(shè)備：包括有鼓風機和分道組成。用它來供應(yīng)燃料所需的空氣。給水設(shè)備：由水泵和給水管組成。 空氣預(yù)熱器：是繼續(xù)利用離開省煤器后的煙氣余熱，加熱燃料燃燒所需要的空氣，是一個換熱器。省煤器出口煙溫度高，裝上空氣預(yù)熱器后，可以進一步降低排煙溫度，也可以改善燃料著火和燃燒條件，降低不完全燃燒所造成的損失，提高鍋爐機組的效率。 水處理設(shè)備：其作用是為清除水中的雜質(zhì)和降低給水溫度，以防止在鍋爐受熱面上結(jié)水垢或腐蝕。 燃料供給設(shè)備：由運煤設(shè)備、原煤倉和儲煤斗等設(shè)備組成，保證鍋爐所需燃料供應(yīng)。 除

30、灰塵設(shè)備：是手機鍋爐灰渣并運往儲灰場地的設(shè)備。 此外，除了保證鍋爐的正常工作和安全，蒸汽鍋爐還必須裝設(shè)安全閥、水位表、高低水位報警器、壓力表、主氣閥、排污閥和止污閥等 , 還有用來消除受熱面上積灰的吹灰器，以提高鍋爐運行的經(jīng)濟性。圖 2.1 為鍋爐控制系統(tǒng)硬件組成圖 圖 2.1 鍋爐控制系統(tǒng)硬件組成圖 4 2.3 鍋爐的工作原理及工作過程 鍋爐是一種生產(chǎn)蒸汽的換熱設(shè)備。它通過沒有或燃氣等燃料的燃燒釋放化學(xué)能， 并通過傳熱過程將能量傳遞給水，使水轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝羝苯庸┙o工業(yè)生產(chǎn)中所需 的熱能

31、，或通過蒸汽動力機轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，或通過汽輪電機轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。所以鍋爐的 中心任務(wù)是把燃料中的化學(xué)能最有效地轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝臒崮?。因此，近代鍋爐亦成為 蒸汽發(fā)生器。 鍋爐的工作過程概括起來應(yīng)該包括三個同時進行的過程：燃料的燃燒過程，煙 氣向水的傳熱過程，水的汽化過程。 燃料的燃燒過程 燃料煤加到煤斗中并落在爐排上，電機通過減速機、鏈條帶動爐排轉(zhuǎn)動，將燃 料煤帶入爐內(nèi)。燃料煤一邊燃燒一邊向后移動，燃燒所需要的空氣由鼓風機送入爐 排中間的風箱后，向上通過爐排到達燃料燃燒層。風量和燃料量成比例 (風煤比 )， 以便進行充分燃燒，形成高溫煙氣。

32、燃料煤燃燒剩下的灰渣，在爐排末端通過除渣板后排入灰斗 , 這一整個過程稱為燃燒過程。 煙氣向水的傳熱過程 由于燃料的燃燒放熱，爐膛內(nèi)溫度很高。在爐膛四周墻面上都布置著一排水管，稱為水冷壁。高溫煙氣與水冷壁進行強烈的輻射換熱和對流換熱，將熱量傳遞給管 內(nèi)的水。繼而煙氣受引風機、 煙囪的引力向爐膛上方流動。 煙氣經(jīng)出煙窗 ( 爐膛出口 ) 并通過防渣管后就沖刷蒸汽過熱器 ( 蒸汽過熱器是一組垂直放置的蛇形管受熱面，使 汽鍋中產(chǎn)生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而過熱 ) 。煙氣流經(jīng)過熱器后又經(jīng)過接在上、下爐筒間的對流管束，使煙氣沖刷管束，再次以對流換熱方式將熱量傳遞

33、給管束內(nèi)的水。沿途降低溫度的煙氣最后進入尾部煙道，與省煤器和空氣預(yù)熱器內(nèi)的水進行熱交換后，較低溫度的煙氣經(jīng)過除塵器除塵，去硫等一系列凈化工藝通過煙囪排出。省煤器實際上就是給水預(yù)熱器，它和空氣預(yù)熱器一樣，都設(shè)置在鍋爐尾部煙道中，以降低排煙溫度，提高鍋爐效率，從而節(jié)省燃料。 水的汽化過程 水的汽化過程就是蒸汽的產(chǎn)生過程，主要包括水循環(huán)和汽水分離過程。經(jīng)過 除氧等處理的水由泵加壓，先流經(jīng)省煤器而得到預(yù)熱，然后進入汽鍋。鍋爐工作 時，汽鍋中的工作介質(zhì)是處于飽和狀態(tài)下的汽水混合物。位于煙溫較低區(qū)段的對 5 流管束，因受

34、熱較弱，汽水的容重較大；而位于煙氣高溫區(qū)的水冷壁和對流管束， 因受熱強烈，相應(yīng)水的容重較小，因而容重大的往下流入下鍋筒，而容重小的則 向上流入上鍋筒，形成了水的自然循環(huán)。 蒸汽產(chǎn)生的過程是借助上爐筒內(nèi)裝設(shè)的汽水分離設(shè)備，以及在鍋筒本身空間 中的重力分離作用，使汽水混合物得到分離。蒸汽在上鍋筒項部引出后進入蒸汽 過熱器，而分離下來的水仍回到上鍋筒下半部分的水中。 以上就是一般鍋爐工作的過程，一個鍋爐進行工作，其主要任務(wù)是： （ 1) 要使鍋爐出口蒸汽壓力穩(wěn)定； （ 2）保證燃燒過程的經(jīng)濟性； （ 3） 保持鍋爐負壓穩(wěn)定，通常我們是爐膛負壓保

35、持在微負壓（-10 ～ 80Pa）。 第 3 章 鍋爐控制系統(tǒng)及其選擇的控制方式 3.1 蒸汽溫度控制系統(tǒng) 因為鍋爐的運行環(huán)境不可能使理想的狀態(tài)，蒸汽的溫度總是會受到某些干擾的 影響，所以必須對蒸汽的溫度加以控制，以在一定范圍內(nèi)得到溫度相對恒定的蒸汽。 影響蒸汽溫度的主要因素是給煤量以及給風量。另外，影響蒸汽溫度的因素還有給水量、蒸汽流量以及引風量等，又考慮到了控制系統(tǒng)相應(yīng)的快速性，我們又將給水 量和蒸汽流量作為蒸汽溫度控制的前饋量構(gòu)成前饋控制系統(tǒng)。即采用前饋比值串級 控制系統(tǒng)對蒸汽溫度進行控制，其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖

36、 3.1 所示。 圖 3.1 蒸汽溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 3.2 蒸汽壓力控制系統(tǒng) 如果鍋爐內(nèi)壓力過低，將會降低蒸汽質(zhì)量；反之，如果鍋爐內(nèi)壓力過高，有可 能導(dǎo)致爆炸等安全事故的發(fā)生。所以必須保證鍋爐的壓力處于一個適中的范圍，即 必須對鍋爐壓力加以控制。上述蒸汽溫度控制系統(tǒng)在控制蒸汽溫度的同時就直接影 響了蒸汽壓力。 壓力控制系統(tǒng)分為安全壓力控制系統(tǒng)和超壓控制系統(tǒng)。安全壓力控制系統(tǒng)是鍋 爐壓力在安全壓力范圍之內(nèi)的控制系統(tǒng)，其主要完成的功能是在安全的基礎(chǔ)上對壓 力進行調(diào)節(jié)，使壓力維持在一定的范圍內(nèi)，以得到需要的蒸汽

37、壓力，保證蒸汽質(zhì)量； 超壓控制系統(tǒng)是鍋爐壓力超壓時所采用的壓力控制系統(tǒng)，其主要完成的功能是當壓 力超出某一壓力上限的設(shè)定值時，迅速打開安全閥，使壓力迅速降低，直到降到安 6 全范圍內(nèi)后又迅速關(guān)閉安全閥。其中安全壓力控制系統(tǒng)采用串級控制，而超壓控制 系統(tǒng)采用單回路控制，所以蒸汽壓力控制系統(tǒng)采用串級控制，而超壓控制系統(tǒng)采用 單回路控制，所以蒸汽壓力控制系統(tǒng)是綜合的控制系統(tǒng)，從某種意義上講，可以將 其歸入分成控制系統(tǒng)一類，其結(jié)構(gòu)框圖見圖 3.2 所示 圖 3.2 蒸汽壓力控制系統(tǒng) 3.3 汽包液位控

38、制系統(tǒng) 如果汽包液位過高，可能會影響蒸汽質(zhì)量，甚至會導(dǎo)致水滿溢出等安全事故； 反之，如果汽包液位過低，鍋爐很可能會被燒壞，甚至導(dǎo)致爆炸等安全事故。 能夠影響汽包液位的主要有兩大變量，那就是給水量和蒸汽流量，在其他條件 不變的情況下，蒸汽流量越大，液位越低，而給水量越大則液位越高，反之則越低。 其中蒸汽流量是由工業(yè)的需要所決定的，給水的主要作用就是用以維持汽包液位的， 所以我們選擇給水量作為操縱量對汽包液位進行控制，又因為考慮到系統(tǒng)相應(yīng)的平 穩(wěn)性和快速性，除采用串級控制外，還將蒸汽流量引入前饋通道， 對系統(tǒng)進行前饋 - 反饋串級控制，其

39、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.3 所示。 圖 3.3 汽包液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.4 爐膛負壓控制系統(tǒng) 爐膛負壓是反映燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)，是運行中要控制和監(jiān)視的重要參數(shù)之一。爐內(nèi)燃燒工況一旦發(fā)生變化，爐膛負壓隨即發(fā)生相應(yīng)變化。在原鍋爐控制系統(tǒng)中，如果煙囪擋板開度過大，則會使爐膛負壓增加，造成空氣大量進入爐內(nèi)，熱效率降低，同時也增加了引風機的功耗。而且負壓過大容易使爐管氧化爆皮而減少爐管壽命。負壓過小或者正壓則是由于煙囪擋板開度過小或鍋爐超負荷運轉(zhuǎn)，使爐膛產(chǎn)生正壓，鍋爐悶燒，甚至向外噴火，容易發(fā)生不安全現(xiàn)象。 影響爐膛壓力的主要變量有

40、給煤量、給風量以及抽風量等，而其中給煤量和給風量是由蒸汽溫度、壓力以及蒸汽量等因素決定的，所以要想保持爐膛壓力在一定范圍內(nèi)保持不變就只有改變抽風量，亦即通過調(diào)節(jié)抽風量以達到控制爐膛壓力的目的。另外，又因為考慮到系統(tǒng)相應(yīng)的快速性，同時，又因為給風量和給風量成一定的比例關(guān)系，為了提高控制品質(zhì)以及簡化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，我們將且盡將給煤量引入前饋參與了爐膛壓力的控制。爐膛負壓控制系統(tǒng)采用了前饋串級控制，其結(jié)構(gòu)框圖見圖 3.4 所示。 7 圖 3.4 爐膛負壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 3.5 串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 串級控制系統(tǒng)從

41、整體上來看是定值控制系統(tǒng)，要求主參數(shù)有較高的控制精度。但副回路是隨動系統(tǒng)，要求副參數(shù)能準確、快速地跟隨主控制器輸出地變化。主、副回路的原理不一樣，對主、副參數(shù)的要求也不同，通過正確的參數(shù)整定，可取得理想的控制效果。 串級控制系統(tǒng)主、副控制器的參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。這里采用兩步整定法。 兩步整定法就是讓系統(tǒng)處于串級工作狀態(tài)，第一步按單回路控制系統(tǒng)整定副控制器參數(shù)，第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為串級控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，仍按單回路對主控制器進行一次參數(shù)整定。 一個設(shè)計合理的串級控制系統(tǒng)，其主、副回路中被控過程的時間常數(shù)應(yīng)有適當?shù)钠ヅ潢P(guān)系，一般為。主回路的

42、工作周期遠大于副回路的工作周期，主、副回路間的動態(tài)關(guān)聯(lián)較小。 兩步整定法的整定步驟如下： （1）在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，系統(tǒng)處于串級運行狀態(tài)，主、副控制器均為比例作用的條件下，先將主控制器的比例度置于 100%刻度上，然后由大到小逐漸降低副控制器的比例度，直到得到副回路過渡過程衰減比為 4： 1 的比例度，過渡過程的振蕩周期為。（2）在副控制器的比例度的條件下，逐步降低主控制器的比例度，直到同樣得到主回路過渡過程衰減比為 4：1 的比例度，過渡過程的振蕩周期為。 （3）按以求得的、和、的值，結(jié)合已選定的控制規(guī)律，按表 2-1 衰減曲線法整定參 數(shù)的經(jīng)驗公式，計算出主、副控制器的

43、整定參數(shù)值。 （4）按照“先副回路，后主回路”的順序，將計算出的參數(shù)值設(shè)置到控制器上，做 一些擾動實驗，觀察過渡過程曲線，作適當?shù)膮?shù)調(diào)整，直到控制品質(zhì)最佳為止。 表 3.1 衰減曲線法整定參數(shù)計算表 整定參數(shù) P（% ） Ti Td 控制規(guī)律 P Ps － － PI 1.2Ps 0.5Ts － PID 0.8Ps 0.3Ts 0.1Ts 8 3.6 串級控制系統(tǒng)的控制算法 一、 模擬 PID 控制規(guī)律的離散化 表 3.2 模擬 PID 控制規(guī)律

44、的離散化形式 模擬形式 離散化形式 二、 數(shù)字 P、PID 控制器的差分方程 PID 控制： u(n) T n TD e(n) e(n 1) u0 K P e( n) e(i ) T TI i 0 uP (n) uI (n) uD (n) u0 （1） （ 2） (3) u D ( n) K P TD

45、 e( n) e(n 1) (4) T P 控制 （ 5） 三、 PID 控制器的類型 1、選用位置型控制 T n TD e(n) e(n 1)u0 u( n) K P e(n) e(i) T TI i 0 （6） 2、 PID 位置型控制示意圖 圖 3.5 PID 位置型控制示意圖 3、位置型 PID 算法的程序流程 1) 位置

46、型的遞推形式 u ( ) ( n 1) u ( ) ( n 1) ( ) ( 1) ( 2) n u n u a0e n a1 e n a2 e n （7） 9 2) 位置型 PID 算法的程序流程 只需在增量型 PID 算法的程序流程基礎(chǔ)上增加一次加運算 u(n)+u(n-1)=u(n) 和更新 u(n-1) 即可。 圖 3.6 位置型 PID 算法的程序流程圖 第 4 章 鍋爐自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 4.1

47、 總體設(shè)計思路 鍋爐自動控制系統(tǒng)中的風機和水泵通過變頻器來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，通過工控機 和可編程控制器對鍋爐系統(tǒng)中的鼓風機、引風機、爐排電機、循環(huán)水泵實現(xiàn)控制。 控制系統(tǒng)以兩臺工業(yè)控制機作為上位機，以 PLC(可編程控制器 ) 為下位機。上位機采 用高可靠性的工業(yè)控制計算機，通過監(jiān)控軟件完成人機界面及故障報警功能，下位 機采用西門子公司 S7-200可編程控制器，實現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)和管網(wǎng)系統(tǒng)的自動控制， 控制水平和硬件可靠性大大提高。 4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)采用集中控制，分為三層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 4.1 所示 :

48、 圖 4.1 鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 管理層 : 系統(tǒng)采用兩臺工控機作為上位機， 其中一臺作為主控機， 另一臺為輔控機，構(gòu)成雙機冗余系統(tǒng)。通過 MPI多點接口與下位機 PLC進行通訊，對現(xiàn)場鍋爐的運行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)對鍋爐的遠程控制。操作人員也隨時可以通過計 算機，了解現(xiàn)場每臺鍋爐的運行狀況，并對風機、水泵等電機進行啟停控制和參數(shù)設(shè)定。另一方面，關(guān)于鍋爐運行及網(wǎng)管系統(tǒng)的各種歷史數(shù)據(jù)，則存儲在計算機的數(shù)據(jù)庫中。在需要的時候，可以在計算機顯示器上顯示，或由打印機打印出來。 現(xiàn)場控制層 : 該層以西門子 S7-200系列可編程控制器為核心，一方面通過 MPI多 點

49、接口與上位機通訊，接收上位機管理層的控制命令。另一方面運用 RS-485總線與各變頻器進行通信，分別對鼓風機、引風機、爐排電機、循環(huán)泵和補水泵等進行啟 ?？刂坪碗姍C的轉(zhuǎn)速設(shè)定，一旦電機啟動完畢，即使 PLC與上位機通訊故障，系統(tǒng)仍能正常運行。 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與變送層 : 這一層是集散控制系統(tǒng)的最底層，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理和變送等工作。這些數(shù)據(jù)主要包括鍋爐的出水溫度、出水壓力、鍋筒壓力、爐膛溫度、爐膛壓力以及總出水溫度、總出水壓力、總回水壓力等。變送 10 器將采集的溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號并傳送給可編程控制器進行數(shù)據(jù)

50、處理。 4.3 控制器選型及配置 采用西門子 S7-200 系列可編程控制器。 圖 4.2 S7-200 實物圖 一、 PLC系統(tǒng)配置 根據(jù)系統(tǒng)控制要求，綜合考慮系統(tǒng)對 PLC 運算能力的要求等因素，選用西門子 的 S7-200 系列 PLC，CPU模塊選用 CPU226。 S7- 200 系列可編程控制器是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各個單獨的模塊之間可進行廣泛 組合以用于擴展。 系統(tǒng)組成 : (1) 電源負載模塊：用于將 SIMATIC S7-200 連接到直流 24V 和交流 220V 兩種供 電

51、電源電壓，輸出類型有晶體管和繼電器兩種輸出方式，它與 CPU模塊和其他信號模塊之間通過電纜連接。 (2) 中央處理單元 (CPU226)：本機集成 24 輸入 16 輸出，IO 共計 40 點，和 CPU224 相比，程序存儲容量擴大了一杯，數(shù)據(jù)存儲容量增加到 10KB，它具有 2 個通信口， 通信能力大大增強。它可用于點數(shù)較多，要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。 (3)IO 擴展模塊：對于 IO 點數(shù)不夠的情況沒就必須增加 IO 擴展模塊，對 IO 點數(shù)進行補充。本機選用 1 個 EM222（4 點）作為數(shù)字量的擴展。 1 個 EM235，1 個 EM232 作為模擬量

52、的擴展。 圖 4.3 模塊連接方式 (4)PROFIBUS-DP 模塊 EM227：通過該模塊可以把 S7-200 PLC連接到 PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)中，從而使其作為 DP網(wǎng)絡(luò)中的一個從站。 4.4 IO 地址分配表 PLC輸入、輸出點數(shù)的確定根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求和所需控制的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量加以確定。 （ 1） PLC 的開關(guān)輸入端口包括系統(tǒng)的啟動、停止按鈕，電機啟動、停止按鈕， 手動自動按鈕、變頻器故障及檢修復(fù)位、以及變頻器工頻、變頻運行信號，另外PLC 輸入端口還包括電動機的熱保護繼電器輸入，輸入形式是熱繼電器的

53、常開觸點。其 11 開關(guān)輸入端口的分配如表 4.1 所示。 表 4.1 開關(guān)量輸入分配表 序號 名稱 文字符號 端口地址 1 鍋爐自動位 SF1 I0.0 2 鍋爐手動位 SF2 I0.1 3 出水溫度 SF3 I0.2 4 室外溫度 SF4 I0.3 5 循環(huán)泵自動 SF5 I0.4 6 循環(huán)泵手動 SF6 I0.5 7 啟動 1 號循環(huán)泵 SF7 I0.6 8 啟動 2 號循環(huán)泵 SF8 I0.7 9 定時加熱 SF9 I1.0 10 循環(huán)泵定時按鈕

54、 SF10 I1.1 11 超壓保護 BP1 I1.2 12 超溫保護 BT I1.3 13 水箱壓力上限 BP2U I1.4 14 水箱壓力下限 BP2L I1.5 15 手動停止循環(huán)泵 1 SF11 I1.7 16 手動停止循環(huán)泵 2 SF12 I2.0 17 系統(tǒng)啟停 SF13 I2.1 18 警鈴消除 SF14 I2.2 19 循環(huán)泵 1 缺相 KF1 I2.3 20 循環(huán)泵 2 缺相 KF2 I2.4 21 補水泵 1 缺相 KF3 I2.5 22 補水泵 2 缺相 KF4 I2.

55、6 23 引風機啟停 SF15 I2.7 24 鼓風機啟停 SF16 I3.0 （2）PLC的輸出端口包括各種故障指示以及變頻器故障給 PLC的信號， PLC與這些交流接觸器的連接是通過中間繼電器來實現(xiàn)的，可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離，保護 PLC 設(shè)備，增強系統(tǒng)工作的可靠性。以上的配置都留有余量， 為以后的系統(tǒng)擴展提供方便。開關(guān)輸出端口的分配表如 4.2 所示。 表 4.2 開關(guān)量輸出分配表 序號 名稱 文字符號 端口地址 1 循環(huán)泵 1號 QA1 Q0.0 2 循環(huán)泵 2號 QA2 Q0.

56、1 3 補水泵 1號 QA3 Q0.2 4 補水泵 2號 QA4 Q0.3 5 超溫報警 PG1 Q0.4 6 超壓報警 PG2 Q0.5 7 循環(huán)泵 1 號燈 PG3 Q0.6 8 循環(huán)泵 2 號燈 PG4 Q0.7 12 9 補水泵 1 號燈 PG5 Q1.0 10 補水泵 2 號燈 PG6 Q1.1 11 報警鈴 PB1 Q1.2 12 啟動指示燈 PG7 Q1.3 13 低水位 - Q1.4 14 高水位 - Q1.5 15 工頻

57、運行 - Q1.6 16 變頻運行 - Q1.7 17 引風機燈 PG8 Q2.0 18 鼓風機燈 PG9 Q2.1 （3）模擬量輸入輸出點的分配表 表 4.3 模擬量輸入分配表 序號 名稱 文字符號 端口地址 1 出水溫度模擬輸入 - AIW0 2 室外溫度模擬輸入 - AIW2 3 水位檢測輸入 - AIW4 4 壓力檢測輸入 - AIW6 表 4.4 模擬量輸出分配表 序號 名稱 文字符號 端口地址 1 出水溫度模擬輸出 - AQW0 2 室外溫度

58、模擬輸出 - AQW2 3 水位檢測輸出 - AQW4 4 壓力檢測輸出 - AQW6 4.5 系統(tǒng)主電路的設(shè)計 根據(jù)本設(shè)計的要求，本系統(tǒng)風機和循環(huán)泵采用變頻啟動和調(diào)速。變頻器輸入電 源前面接入一個自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機、變頻器的過流過載保護接通，雖然變 頻器本身就有欠壓、過壓，過流、過載等保護功能，但是對于有工頻運行的水泵電 動機，還需要在工頻電源下面接入相應(yīng)的熱繼電器，來實現(xiàn)電機的過流過載保護。 1

59、3 圖 4.4 控制系統(tǒng)的主回路 本系統(tǒng)采用 4 臺變頻器連接 4 臺電動機，其中 1 號變頻器控制引風電機， 功率為 90KW，變頻工作方式，電機通過一個接觸器和變頻器輸出電源相聯(lián)， 3 號變頻器控制鼓風機，功率為 37KW，變頻工作方式，電機通過一個接觸器與變頻輸出電源連接。 2 號變頻器控制一臺循環(huán)泵， 4 號變頻器控制一

60、臺循環(huán)泵，功率都為 75KW，一臺作為 備用，均采用變頻工作方式。補水泵，爐排電機等采用工頻運行方式，功率為 5KW。 變頻器主電路電源輸入端子 (R, S, T) 經(jīng)過隔離開關(guān)與三相電源連接，變頻器主 電路輸出端子 (U. V, W)經(jīng)接觸器接至三相電動機上，如圖 4.2 所示。按下啟動按鈕， 系統(tǒng)開始工作，使接觸器線圈帶電并保持，從而使接觸器動作， 1#變頻器、 3#變頻 器接通電源，電動機變頻運行。 4.6 系統(tǒng)控制電路的設(shè)計 在控制電路的設(shè)計中，首先要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。在整個控制 系統(tǒng)中，所有控制電機、接

61、觸器的動作，都是按照 PLC 的程序邏輯來完成的。為了 保護 PLC設(shè)備，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接， 而是通過中間繼電器去控制電機動作。在 PLC 輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，其目的是為了 14 實現(xiàn)系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離，保護系統(tǒng)，延長系統(tǒng)的使用壽命，增強系統(tǒng) 工作的可靠性。系統(tǒng)要實現(xiàn)手動自動、欠壓、過壓保護，電機的故障指示，變頻器 的故障指示以及報警輸出，模擬量的輸入、輸出模塊。 控制電路中還必須考慮系統(tǒng)電機的當前工作狀態(tài)指示燈的設(shè)計，為了節(jié)省 PLC 的輸出端口，在電路中可以采用

62、PLC 輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開觸點的斷開和閉合來控制相應(yīng)電機指示燈的亮和熄滅，指示當前系統(tǒng)電機的工作狀態(tài)。其控制電路圖如圖 4.4 所示。 手動控制時，首先扳動轉(zhuǎn)換開關(guān) SF1,使電動機啟動時，按下啟動按鈕 SF2，接觸器 QA1吸合并自保，電動機啟動 , 運行指示燈 PG3亮。當接觸器 QA1吸合時，中間 繼電器 QA3接通，變頻器 STF 接通，變頻器啟動。當變頻器故障輸出時，開始報警PB0鈴響，報警指示燈亮。按下復(fù)位按鈕 SF9，中間繼電器 QA4接通，常閉觸頭 SF7 打開，解除報警，變頻器停止運行。使電動機停止時，按下按鈕 SF2，接觸器線圈失 電，主

63、觸頭 SF4打開，電動機停止。 自動控制時，扳動轉(zhuǎn)換開關(guān) SA6，通過 PLC編程控制，來完成電動機的自動控制。 15 L1 FA1 SF1 SF6 SF1 1 2 3 4

64、 手動 停止 自動 SF4 SF4 SF8  N PG0 QA0 SF2 SF3 QA1 PG1 SF4 PG2 SF5 QA2 PG3 SF7 QA3 PB0 SF7 SF9 PG4 QA4 SF7 圖 4.5 控制系統(tǒng)的控制回路

65、 16 4.7 補水泵控制系統(tǒng) 圖 4.6 補水泵系統(tǒng)方案圖 為了保護 PLC設(shè)備， PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接， 而是通過中間 繼電器去控制電機或者閥門的動作。在 PLC 輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼 電器，其目的是為了實現(xiàn)系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離，保護系統(tǒng)，延

66、長系統(tǒng)的 使用壽命，增強系統(tǒng)工作的可靠性。 由于每臺電機的工作電流都在幾百安以上，為了顯示電機當前的工作電流，必 須在每臺電機三相輸入電源前面都接入兩個電流互感器，電流互感器和熱繼電器、 兩個電流表連接。 圖 4.7 是電流互感器的接線圖，兩個電流表一個安裝在控制柜上，另一個安裝在操作臺上，可以方便地觀察電機的三相工作電流，便于工作人員監(jiān)測電機的工作狀態(tài)，同時熱繼電器可以實現(xiàn)對電動機的過熱保護。 17 BE1 BE2 A1 A2 MA M 圖 4.7 電流互感器的接線圖 補水泵有兩臺臺， 1# 和 2#補水泵都配有變頻器。當 1#補水泵采用變頻控制啟動后仍不能滿足要求時，讓 1#補水泵工作于工頻同時啟動 2#補水泵。電動機的工頻運行和變頻運行分別由接觸器 QA1、QA2、QA3、QA4控制，圖 4.8 中 V