畢業(yè)設計（論文）-基于plc的供暖鍋爐控制系統的設計.doc

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1、河南城建學院本科畢業(yè)設計（論文） 摘要 畢業(yè)設計論文 題 目： 基于plc的供暖鍋爐控制系統的設計 學 院： 電氣與信息工程學院 專 業(yè)： 姓 名： 學 號： 指導老師： 完成時間： 摘 要 隨著生活水平地不斷提高，人們對城市生活供暖質量要求越來越高。目前，冬季采用鍋爐取暖在我國北方仍然占據主導地位，但鍋爐房中控制系統的各配置落后的問題相對比較嚴重，其控制操作仍然主要依靠管理員的手工操作，對于風機和水泵電機的控制，過程很復雜并且對電和燃料的消耗量十分巨大，同時鍋爐水溫度也無法通過手動控制改變并及時對改變作出適當的回應。 本文設計的水溫供暖鍋爐控制系統主要采用PLC和變頻調速技術。該控制系統由變

2、頻器、S7200系列PLC、鼓風機、引風機、水泵等構成。對于系統中所涉及到的各個電機，其啟動調速和停止，并不是通過直接控制的手段，而是利用變頻器變頻調速的特性來實現的。以及PID調節(jié)控制，以MCGS組態(tài)軟件設計組態(tài)界面和控制界面，以實現實時監(jiān)控。 為了有效地降低能源消耗，提高生產管理水平，本文設計的系統具有鍋爐水溫、燃燒過程自動控制的功能。實現了安全可靠地系統安裝維護；由MCGS制作的上位機，畫面直觀，操作方面，監(jiān)控方便。關鍵詞：供暖鍋爐；變頻調速；PLC河南城建學院本科畢業(yè)設計(論文) ABSTRACT 河南城建學院本科畢業(yè)設計(論文) 目錄 ABSTRACT With living sta

3、ndards improving, the demanding of people with the city heating quality is becoming stricter. Currently, the use of boiler heating in winter in northern China is still dominant, but the lag issue of the boiler room configuration is relatively serious in the control system. The control operation is s

4、till mainly rely on the administrators manual。The control of the fan and pump motor, which process is very complex and on electricity and fuel consumption is huge。Meanwhile boiler water temperature can not be changed by manually controlled and timely responded appropriately. This design of water hea

5、ting boiler control system in this paper mainly adopts PLC and frequency control technology. The control system consists of a programmable controller, inverter, fan and pump motors, sensors, and configuration MCGS. In order to achieve real-time monitoring ，the starting, running and speed of motor ar

6、e controlled by inverter , as well as PID regulator controlling and MCGS configuration software design configuration interface and control interface are used in the paper.Industrial boiler control system designed in this paper has achieved the boiler water temperature, and the automatic control of t

7、he combustion process, which has reduced the energy consumption and improved the production management level.Keywords: Boiler control; Variable-frequency regulating speed technology; PLC河南城建學院本科畢業(yè)設計(論文) 目錄 目 錄摘 要IABSTRACTI緒 論11 課題背景及研究目的和意義12 供暖鍋爐控制國內外研究現狀23 項目研究內容3第1章 鍋爐及其工作過程31.1 鍋爐的基本構造41.2 鍋爐的工作

8、原理及過程61.2.1 燃料的燃燒過程61.2.2 水的汽化過程61.2.3 煙氣向水的傳熱過程7第2章 供暖鍋爐控制系統總體設計82.1供暖鍋爐控制系統的基本要求82.2.1控制系統的組成82.1.3控制的主要流程82.2系統功能分析102.3供暖鍋爐的控制策略和方法102.3.1 PID控制方式簡介112.3.2供暖鍋爐的控制策略12第3章 變頻調速在供暖鍋爐控制中的應用153.1變頻調速基本原理153.2 變頻器輸入輸出接口163.3 變頻調速節(jié)能分析17第4章 供暖鍋爐控制系統的硬件設計194.1系統主電路的設計194.2系統控制電路的設計194.3 S7-200 PLC硬件介紹214

9、.4系統主要元器件214.4.1 可編程控制器214.4.2 EM235 模擬量輸入/輸出模塊234.4.3 傳感器的選型23第5章 供暖鍋爐控制系統的軟件設計265.1 PLC程序設計的基本原則和方法265.2 編程軟件STEP7-Micro/WIN概述265.2.1 STEP7-Micro/WIN 簡單介紹265.2.2 計算機與PLC的通信275.3 PID指令向導285.4 程序設計295.4.1系統主程序295.4.1子程序35結束語42參考文獻43致 謝44 河南城建學院本科畢業(yè)設計(論文) 緒論 河南城建學院本科畢業(yè)設計(論文) 緒論 緒 論1 課題背景及研究目的和意義 隨著如今

10、人們生活質量越來越高，暖氣供暖是人們在冬季所必不可少的設施。伴隨著城市化程度的不斷發(fā)展、步伐的不斷加快，集中供熱成為其必然趨勢，這樣不僅能節(jié)省能源，而且方便管理。然而，由于城市程度的加深。供暖面積和要求同樣也越來越大、越來越來越嚴重。對于燃燒系統的控制和管理的手段和方法也提出了更高的要求，國家新的節(jié)能減排政策也推進我們把眼光放在發(fā)展改革上，原有的方法已經不能滿足要求，并逐漸被淘汰。雖然鍋爐作為一個能源消耗大的設備，在國民經濟整體能源消費占了很大的比例，并存在空氣污染嚴重的問題，但是它在人們的生產和生活中仍然具有非常重要的意義。目前，我國主要以煤炭作為鍋爐燃燒的主要燃料，但是如燃油供暖鍋爐也得到

11、快速的發(fā)展。對于燃煤鍋爐主要燃燒的主要是低品質煤，鍋爐房管理水平是不高的， 采用間歇性運行模式，技術落后，自動化控制程度低，能源浪費和環(huán)境污染嚴重的問題突出。 另外，對于主要利用按鈕和繼電器來控制的鍋爐行業(yè)，包括用PLC來控制的，無法滿足現有控制系統的智能化要求，無法實現水位實時控制，鍋爐工作運行參數、開始時 間和校準時間也無法進行靈活的設定和改正，更不能動態(tài)地反映鍋爐當前的操作狀 態(tài)， 無法對燃燒器運行時間進行準確地累積記錄，也無法統計鍋爐風機運行時間、以前發(fā)生的故障，影響鍋爐最終的管理和維護。此外，如果想實現鍋爐實時在線控制和多用戶聯網控制，則需建設更多的控制臺，從而增加了成本投入，控制結

12、構也就變得更加復雜。 PLC在20世紀階段正處在快速發(fā)展時期，在這時期，PLC對模擬量的處理能力得到一定的發(fā)展。隨著網絡地快速發(fā)展，PLC在網絡連接和人機交互能力方面取得巨大的發(fā)展，較之之前的現狀得到質的提高。隨著過程控制的迅速發(fā)展，并在現在系統控制模式中得到廣泛應用，DCS系統成為該系統中的統領著，成為一家獨大的盛狀，但是伴隨PLC也逐漸步入該系統，漸漸取代了DCS的霸主地位，在某些應用中更受歡迎。PLC具有通用性強、受干擾影響強、較強適應性等特點。鍋爐可以利用產生的蒸汽轉化為動能，所以可作為動力設備，如今已廣泛應用于各行各業(yè)的工業(yè)生產中。無論是在工業(yè)生產或者是在采暖供熱中，鍋爐所扮演的角色

13、都是一次能源向二次轉化的重要設備,從能量轉化好壞的角度上來看，在一定意義上，鍋爐控制效果對人們的生活質量和企業(yè)的經濟效 益的好壞有直接的影響。另外，PLC具有與多個輸入輸出口，能基本上滿足系統的需要。同時，鍋爐控制中涉及到很多參數，且它們之間并非相互獨立，想法存在復雜的的關聯性，所以對于鍋爐的研究是各國技術人員都將對當成的一個重要課題。 本文設計的系統是一個過程控制系統，是一套采用可編程控制器和變頻啟動調速技術制作而成的供暖鍋爐控制系統。該控制系統采用風機提供送風和引風量，以S7-200系列PLC作為控制器，用變頻器控制電機和電動閥等，利用各種傳感器傳感器采集信息。系統中電動機的啟動、運行和調

14、速是通過PLC發(fā)出命令并由變頻器的控制來實現的根據 電動機轉矩與轉速、 軸功率和轉速的之間關系可以推出，采用交流變頻調速代替?zhèn)鹘y 閥門、擋板控制風機、水泵流量，符合國家節(jié)能政策，可以大大節(jié)省用電量，整體計算能夠平均節(jié)電30% 左右。由于采用了轉矩矢量控制技術，在系統控制中應用變頻器有效起到了保證電機良好起動的功能，實現了電機的軟啟動，同時限制了啟動時對電機等的沖擊，延長了電機的壽命。另外，為了使鍋爐始終處于最佳工作狀態(tài)，本文設計的系統能對鍋爐實現智能自由控制，提高了燃油的燃燒效果和鍋爐的運行效率。同時，該供暖鍋爐將傳感器檢測到的整個系統中的各種參數（如流量、壓力、溫度等），傳送至由MCGS制作

15、監(jiān)視平面中，具有溫度和壓力等參數監(jiān)控等功能。利用這種系統，工人在控制室就可以非常直觀的并且非常詳細地了解鍋爐的運行情況，逼近工作條件得到大大的改善，其管理水平和智能化、自動化程度也得到很大的提高。2 供暖鍋爐控制國內外研究現狀 從上世紀90年代起，鍋爐的自動化控制研究越來越廣泛，各種基于PLC開發(fā)的控制系統，向與新型鍋爐控制的方向發(fā)展，同時逐漸用于對原有鍋爐的技術改造中，為之后鍋爐控制系統發(fā)展起到重要作用。鍋爐自動控制中也應用了一些新的控制方法。如模糊控制、最優(yōu)控制、自適應控制等。這些自動控制的最新成果在系統的設計過程中得到了嘗試。但由這些新的控制策略方法在工程實踐中并不怎么成功，也無法提高系

16、統的經濟效益，主要原因是這些控制技術過于單一，控制算法的建模僅僅是數學推論上建立的模型，對于鍋爐燃燒狀況有時并不能真實的反映，因此在一定程度上降低了用戶用計 算機實現工業(yè)鍋爐控制的積極性。隨著控制系統的不斷地發(fā)展，為了進一步提高鍋爐鍋爐控制系統操作的準確性，減少能源消耗，保障安全運行，降低大氣污染，智能控制技術在現代鍋爐控制技術上的廣泛應用已勢在必行，并且對現如今各種各樣的新型鍋爐采用計算機進行集中控制系統的條件已經成熟。盡管對鍋爐控制的研究已取得了很大的進展，但仍然存在一些問題: 1、開關量在現有供暖鍋爐控制系統中仍然廣泛應用，造成現有系統控制手段單一，控制的精度也不夠精確，如一些閥門的控制

17、。2、一些不合理的控制方案在現有的一些鍋爐控制系統普遍存在，甚至應用比較普遍。這樣在鍋爐控制過程中如果一旦有故障情況發(fā)生，只能進行人為手動采取斷電的方法處理。如此操作不僅對設備（如電動機）的損害較大，甚至存在安全隱患。對于溫度、壓力等參數，一旦傳感器、變送器等設備出現故障就無法達到設定值。 3、隨著微機控制逐漸成熟起來，鍋爐控制系統也得到快速發(fā)展。但鍋爐的自動控制在報表打印、儀表顯示等功能上并未得到實現，若以單片機為鍋爐控制系統的核心，因其控制水平有限，性能不穩(wěn)定，并不適合于此系統的采用。3 項目研究內容 本文設計的控制系統的被控對象是鍋爐，主被控參數為鍋爐水溫，控制器選擇西門子S7-200系

18、列PLC；采用PID算法控制系統被控參數，編程語言選擇采 用PLC梯形圖， 進行鍋爐溫度的自動調節(jié)系統設計。PLC利用微處理器，結合自動控制技術、計算機和通信技術，其性能優(yōu)越，功能強大，同時具有豐富的輸入輸出接口，具有操作方便，可靠性高的一種工業(yè)控制裝置?，F如今工業(yè)自動化有三大支柱：PLC、工業(yè)機器人、CAD/CAM。PLC在其中占有重要的位置，起著不可或缺的作用。 對于供暖鍋爐中的水溫并不能直接控制，這需要通過控制燃燒系統來實現對鍋爐水溫的調節(jié)，因此在本文中共建立三個控制子系統：由鍋爐水溫控制燃料供給量，根據煙氣含氧量調節(jié)送風量，由爐膛負壓控制引風量。通過對三個子系統的控制，從而間接實現鍋爐

19、水溫的調節(jié)。在鍋爐整個運行過程中，為了充分考慮節(jié)能，充分利用燃燒的熱量，減少熱損失，本文還充分應用了省煤器和預熱器等。46第1章 鍋爐及其工作過程1.1 鍋爐的基本構造 鍋爐是供熱設備中最普遍的動力設備之一，它的功能是把燃料中的貯能，通過燃燒轉化成熱能，以蒸汽或熱水的形式輸向各種設備。本文采用的是燃煤鍋爐，圖1.1為鍋爐的大體組成部分。 圖1.1 鍋爐系統硬件組成圖 鍋爐的主要設備包括氣鍋、爐子、爐膛、鍋筒、水冷壁、過熱器、省煤器、燃燒設備、引風設備、送風設備、給水設備、空氣預熱器、水處理設備、燃料供給設備以及除灰除塵設備等。氣鍋：由上下鍋筒和三簇沸水管組成。水在管內受管外煙氣加熱，因而管簇內

20、發(fā)生自然的循環(huán)流動，并逐漸氣化，產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出熱量的設備。爐膛：保證燃料的充分燃燒，并使水流受熱面積達到規(guī)定的數值。鍋筒：使自然循環(huán)鍋爐各受熱面能適應負荷變化的設備。（須指出，直流鍋爐內無鍋筒。）水冷壁：主要是輻射受熱面，保護爐壁的作用。過熱器：是將氣鍋所產生的飽和蒸汽繼續(xù)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，由于提高了進入氣包的給水溫度，減少了因溫差而引起的汽包壁的熱適應力，從而延長了汽包的使用壽命。燃燒設備

21、：將燃料和燃燒所需的空氣送入爐膛并使燃料著火穩(wěn)定，充分燃燒。引風設備：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。送風設備：包括有鼓風機和分道組成。用它來供應燃料所需的空氣。給水設備：由給水泵和給水管組成。空氣預熱器：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，裝上空氣預熱器后，可以進一步降低排煙溫度，也可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。水處理設備：其作用是為清除水中的雜質和降低給水硬度，以防止在鍋爐受熱面上結水垢或腐蝕。燃料供給設備：由燃油給油泵、燃油開關等設備組成，保證鍋爐所需燃料供應

22、。除灰除塵設備：是收集鍋爐灰渣并運往儲灰場地的設備。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濟性，本設計由于篇幅其間，則就不必考慮這些問題了。1.2 鍋爐的工作原理及過程 鍋爐是一種生產蒸汽的換熱設備。它通過煤、油或燃氣等燃料的燃燒釋放出化學能，并通過傳熱過程將能量傳遞給水，使水轉變?yōu)檎羝羝苯庸┙o工業(yè)生產中所需的熱能，或通過蒸汽動力機 能轉變?yōu)闄C械能，或通過汽輪發(fā)電機轉變?yōu)殡娔堋Ｋ藻仩t的中心任務是把燃料中的化學能最有效地轉變?yōu)檎羝臒崮?。因此，近代鍋爐亦稱

23、為蒸汽發(fā)生器。鍋爐的工作過程概括起來應該包括三個同時進行的過程：燃料的燃燒過程 、水的汽化過程、煙氣向水的傳熱過程。1.2.1 燃料的燃燒過程 首先將燃料（這里用煤）加到煤斗中，借助于重力下落在爐排面上，爐排接電動機通過變速齒輪箱減速后由鏈輪來帶動，將燃料煤帶入爐內。燃料一面燃燒，一面向后移動，燃料所需要的空氣是由風機送入爐排腹中風倉后，向上穿過爐排到達燃料層，進行燃料反應形成高溫煙氣。燃料燃燒剩下的灰渣，在爐排末端翻過除渣板后排入灰斗，（若是燃氣式鍋爐就沒有這一部分了）這整個過程稱為燃燒過程。1.2.2 水的汽化過程 水的汽化過程就是蒸汽的產生過程，主要包括水循環(huán)和水分離過程。經處理的水由泵

24、加壓，先流經省煤器而得到預熱，然后進入氣鍋。鍋爐工作時氣鍋的工作介質是處于飽和狀態(tài)的汽水混合物。位于煙溫較低區(qū)段的對流灌束，因受熱較弱，汽水工質的容量較大，而位于煙溫較高區(qū)段的對流管束，因受熱強烈，相應的汽水工質的容量較小，從而量大的工質則向上流入下鍋筒，而容量小的工質則向上流入上鍋筒，形成了鍋水的自然循環(huán)。蒸汽所產生的過程是借助于上鍋筒內設的汽水分離裝置。以及在鍋筒本身空間的重力分離力作用，使汽水混合物得到分離。蒸汽在上鍋筒頂部引出后，進入蒸汽過熱氣，而分離下來的水仍回到上鍋筒的下半部的水中。鍋爐中的水循環(huán)，也保證與高溫煙氣相接觸的金屬受熱面的以冷卻而不被燒壞，是鍋爐能長期安全運行的必要條件

25、。而汽水混合物的分離設備則是保證蒸汽品質和蒸汽過熱可靠工作的必要的設備。1.2.3 煙氣向水的傳熱過程 由于燃料的燃燒放熱，爐內溫度很高在爐膛的四周墻面上，都布置一排水管，俗稱水冷壁。高溫煙氣與水冷壁進行強烈的輻射換熱，將熱量傳給管內工質水。繼而煙氣受引風機和煙囪的引力而向爐膛上方流動。煙氣從爐膛出口經過防渣管后，就沖刷蒸汽過熱器一組垂直放置的蛇型彎管受熱面，使氣鍋中產生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而得到的過熱。煙氣流經過過熱氣后掠過脹接在上、下鍋筒間的對流管束，在管束間設置了折煙墻使煙氣呈“S”型曲折地橫向沖刷，再次以對流換熱的方式將熱量傳遞給管束的工質。沿途逐漸降低溫度的煙氣最后進入尾部煙道

26、，與省煤器和空氣預熱器內的工質進行熱交換后，以經濟的較低的煙溫排出鍋爐。省煤器實際上同給水預熱器和空氣預熱器一樣，都設置在鍋爐尾部（低溫）煙道，以降低排煙溫度提高鍋爐效率，從而節(jié)省了燃料。以上就是一般鍋爐供水的過程，一個鍋爐進行工作，其主要任務是：(1)要是鍋爐出口蒸汽壓力穩(wěn)定。(2)保證燃燒過程的經濟性。(3)保持鍋爐負壓恒定。通常我們是爐膛負壓保持在微負壓（-1080Pa）。河南城建學院本科畢業(yè)設計(論文) 供暖鍋爐褲子系統總體設計 第2章 供暖鍋爐控制系統總體設計2.1供暖鍋爐控制系統的基本要求2.2.1控制系統的組成 根據供暖鍋爐燃燒過程自動控制的要求，系統可分為兩個子系統：水溫自動調

27、節(jié)系統和燃燒自動控制系統（煙氣含氧量調節(jié)和爐膛負壓調節(jié)）。供暖鍋爐系統自動控制完成兩個主要任務，一個是保證鍋爐水溫可以自由控制，且能達到一定的精度；另一個是保證燃燒系統能都自由控制。然而水溫的控制是通過控制燃燒系統來實現的，所以燃燒系統是整個控制系統的核心。燃燒控制系統的主要任務有兩個：其一保證爐膛燃燒產生的熱量滿足系統的需要，能夠產生足夠的熱水；其二要保證運行過程中燃燒的安全性和燃燒的經濟性。因此，燃燒控制首先要通過調節(jié)燃料量來保持爐膛內的燃燒負荷，其次是調節(jié)送風量使之隨時與燃料保持恰當的比例，以保證燃料的完全燃燒，減少爐膛煙氣含氧量。再次是調節(jié)引風使之隨時與送風相適應 以保證一定范圍的爐膛

28、負壓。綜上所述，鍋爐燃燒自動控制系統可以概括為三個子系統：1）溫度調節(jié)子系統：調節(jié)燃料調節(jié)閥，保證出水溫度為一恒值；2）燃燒充分性子系統：改善爐膛煙氣含氧量，提高燃燒效率；3）爐膛負壓子系統：保證爐膛負壓在一定范圍中。燃燒控制系統還受到一些擾動量的影響，主要包括：送風量、燃料擾動等。因此當評價一個燃燒控制系統其燃燒性能的優(yōu)劣時，一個重要標準就是被控量能否當擾動偏 離給定值時迅速恢復到給定值 。2.1.3控制的主要流程 供暖鍋爐控制系統在按下啟動按鈕后系統將自動采集個監(jiān)控信號，如水位，水位、爐膛負壓、含氧量等。根據所采集到的信號判斷是否符合與其設定值，若不能達到要求則采取相應控制手段，通過PID

29、控制相應電動閥，調節(jié)燃料或者水的流量，或控制變頻器，進而控制鼓風機，引風機的風量。供暖鍋爐控制系統的主要流程如圖2.1所示：溫度、壓力水位等信號采集啟動按鈕檢查是否有故障開始信號顯示水溫、水位、爐膛壓力、煙氣含氧量檢測檢查是否達到設定值對風機、電動閥PID控制結束報警是是否否圖2.1 供暖鍋爐控制流程圖2.2系統功能分析 本文針對供暖鍋爐設計一套基于PLC的鍋爐控制系統。根據要求，并結合鍋爐控制的發(fā)展趨勢，本系統具備如下功能：(1)過溫超過報警當系統中的溫度、壓力等信號超過上下限時，相應的報警裝置，報警燈就會做出反應，產生報警信息，匯集在報表統計中。（2）控制系統正常工作時的功能 在供暖期間，

30、鍋爐最終輸出的水溫是系統根據采集到的室外溫度的變化而自動自動設定的。當室外溫度較低時，系統能自動調高鍋爐水箱水溫的設定值；當室外溫度較高的時段內，系統會自動降低鍋爐水箱水溫的設定值；當室外溫度偏高時，系統會自動停止運行，進而調節(jié)鍋爐水溫。 （3）監(jiān)控設計 根據用戶需求，人機界面具有故障報警功能，能控制監(jiān)視鍋爐的液位和溫度， 溫度控制精度0.5， 鍋爐溫度從0-90可平滑調節(jié)。溫度由鍵盤在窗口給定，可供隨時查詢和打印相應的各種參數報表由計算機自動生成，當然系統產生的歷史數據能夠自動生成的且形成相應報表，除此之外，還應能顯示系統整個控制過程的實時數據和報警數據，對運行產生的歷史趨勢圖能自動保存等。

31、2.3供暖鍋爐的控制策略和方法2.3.1 PID控制方式簡介 現如今，在工程實際中，比例、積分、微分控制方式是最為廣泛控制方式，此控制簡稱PID控制。PID控制器被提出已有近60多年歷史，它因系統構成簡單、可靠性高、性能穩(wěn)定、應用方便而成為如今工業(yè)控制廣泛應用。當我們對一個被控對象不完全了解或對需要測量監(jiān)控的被控對象的參數無法獲得時，PID控制技術是最優(yōu)的選擇方法。PID控制，實際上也有比例微分和比例積分控制之分。PID控制器的控制原理是利用比例、積分、微分的算法，結合系統輸入與反饋之間的誤差計算出所需控制量從而實現的。（1）比例控制：即成比例的反映系統輸入與輸出之間的誤差信號，屬于幾種控制方

32、法中最簡單的控制方式。如果系統僅有比例控制時，系統輸出的誤差是穩(wěn)定的，即穩(wěn)態(tài)誤差。 （2）積分控制：主要是消除系統的穩(wěn)態(tài)誤差，該控制方法是成正比的反映輸出與輸入誤差信號的積分關系。所以稱一個控制系統存在穩(wěn)態(tài)誤差，表明該系統在進入穩(wěn)定狀態(tài)存在一個靜態(tài)的誤差，這就是常說的有差系統。消除穩(wěn)態(tài)誤差的有效方法是引入“積分項”。積分項就是對誤差的時間求積分，根據所求結果可知，積分項的強弱受時間的影響，時間常數越大，積分項越小，誤差就會越小，到等于零，由此可知系統會逐漸趨于穩(wěn)定。因此，PI控制器，可以保證進入穩(wěn)定狀態(tài)后的系統不會再存在誤差。（3）微分控制：是對控制器的誤差信號發(fā)生的一種預示作用，它能提前預示

33、誤差產生的趨勢，并能差生相應的抑制作用。即具有超前調節(jié)的作用。但是對于滯后較大的對象有很好的效果，更不能克服純滯后。該環(huán)節(jié)對于溫度的調節(jié)正好適合。由于有較大慣性滯后組件，在克服誤差的調節(jié)過程中，自動控制系統可能會失穩(wěn)。其原因是，因調解動作總是落后于誤差的變化，僅靠比例積分控制無法及時減小誤差。對于要求精度比較高的系統中，無法達到控制要求，甚至可能產生危險事故，滿足不了安全性要求。解決的方法就是抑制作用的 “超前”，“微分”能產生超前的控制作用，即抑制超調作用，在偏差剛剛產生，但是還沒有對系統產生影響之前，微分調節(jié)可將偏差提前消除。由此可以改善系統的動態(tài)性能。2.3.2供暖鍋爐的控制策略1、鍋爐

34、水溫控制 影響鍋爐的水溫的主要因素是燃燒系統，而燃燒系統并不能直接控制，因此該系統實際上是將燃料作為控制量，采用PID控制方法的控制系統，其原理圖如圖2.2所示：循環(huán)水泵出口水溫比值器燃料變送器送風量變送器燃料電動閥PID調節(jié)控制水溫矯正調節(jié)循環(huán)水泵出口水溫 圖2.2 PID水溫控制流程圖為保證鍋爐燃燒效率，需要保持爐膛中燃燒量和空氣的適當比值。采用空氣量跟隨燃料量變化的控制系統，即以燃料量作為設定值，與空氣流量組成比值控制系統，上圖是一水溫調節(jié)器作為燃料和空氣流量的設定值，該系統可以保持水溫恒定值，通過比值器，可以使燃料和空氣的比值恒定，保證燃燒的充分性。2、爐膛負壓控制為保證鍋爐的安全運行

35、，爐膛內負壓必須維持在一定的安全范圍內。當爐膛負壓過小，甚至為正時，會造成爐膛內煙氣外冒，影像設備和工作人員的安全。當鍋爐負壓過大時，大量冷空氣進入爐膛，則會增加熱量損失降低爐膛的熱效率。影響爐膛負壓的主要因素為引風機和鼓風機的風量，以及燃燒過程。針對爐膛負壓控制采用PID控制，以爐膛負壓為反饋信號，根據與設定值之間差距，控制引風機的頻率。原理圖如圖2.3所示：PID調節(jié)引風機變頻器爐 膛 負 壓爐膛負壓爐 膛 圖2.3 爐膛負壓PID控制流程3、煙氣含氧量控制當鍋爐水溫變化不大時，通過對引風量的調節(jié)可以來實現爐膛負壓的保證，但是一旦水溫負荷變化較大，就會導致燃料流量和送風量都有較大的變化，而

36、引風量只有在上述因素發(fā)生變化時才會控制引風機改變風量，調整負壓，這顯然會引起爐膛負壓較大的波動。為改善質量，特引入比值器，是引風量和送風量保持在一定比值。原理圖如圖2.4所示：O20%O20%引風量量變送器比值器送風量變送器爐 膛鼓風機PI D控 制氧量矯正調節(jié)器煙氣含氧量變送器圖2.4 煙氣含氧量PID控制流程河南城建學院本科畢業(yè)設計(論文) 變頻調速在供暖鍋爐控制中的應用 第3章 變頻調速在供暖鍋爐控制中的應用3.1變頻調速基本原理 變頻器是一種電能控制裝置。它能將電源的工頻頻率轉變成為另一頻率，這種轉換的實現歸功于一些相關半導體器件的通斷作用。目前，該裝置性能良好、穩(wěn)定，能夠適應惡劣的工

37、業(yè)環(huán)境，且控制功能較為完善，對各種異步電動機的調速都能滿足要求。由于電機的轉速和電源的頻率之間存在正比例關系，改變對電機供電的頻率，就能調節(jié)電機的轉速，這就是變頻調速技術的基本原理。降低電機的轉速，從而實現節(jié)約能量，其經濟效益十分顯著。由異步電動機的轉速公式： （公式3.1） 式中， ； （公式3.2） 由公式可見電源頻率f、極對數P、轉速差S的改變都可以影響電動機的轉速，且它們之間的關系可控。變頻器就是利用電源頻率f與轉速的關系，結合數字電路、微電子等技術，采用調節(jié)供電電源頻率的技術生產出來的電氣產品。如圖3.1所示，常見的調頻調壓的電路有交-直-交變頻器 ，交-交變頻器兩種。上面是交-直-

38、交變頻器，下面是交-交變頻器。圖3.1 變頻器種類(1)交-直-交變頻器的特點是先將交流整流為直流，再將直流逆變?yōu)榻涣?，采用的是先整流后逆變的組合。在轉變的過程中存在濾波環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)存在整流逆變電路之間，一般是采用電抗器或無源電容等器件實現，濾波的對象是整流后的電壓或電流進行。(2)交-交變頻器采用晶閘管自然換流方式，將經過調壓和調頻的電網交流電傳給變頻電路，轉變并輸出電壓和頻率皆可調的交流電。交-交變頻器目前已經很少采用，主要是因為其換流電流的減少，雖然導致波形比較標準，雜波減少，但是對電機轉速的調節(jié)的范圍小，且實現該功能電路復雜，所以并不被各工程師看重。3.2 變頻器輸入輸出接口 本系統選

39、用的變頻器為ABB公司的Acs60l系統，針對本系統的應用情況，可將變頻器端子上的信號分為：1.輸入信號：(1)控制變頻器運行的啟停信號DI1。(2)變頻器的壓力反饋信號A12口接壓力傳感器的反饋信號。(3)R.S.T為電源輸入。2. 輸出信號：(1)RO1：用于指示變頻器內部發(fā)生的故障，輸出的為數字量；(2)RO2：指示變頻器正在運行，輸出的為數字量；(3)RO3：指示變頻器停止運行，輸出的同樣為數字量；(4)U、V、W為三相異步電動機電源的接線端子。3.通訊：通過CH0、CH1口，變頻器能在電壓、電流、頻率、壓力等參數上完成圖3.2 變頻器接線示意圖3.3 變頻調速節(jié)能分析 對于一般系統來

40、講，對于風機、水泵類的風量、水量等的控制方法，大多采用檔板或閥門來調節(jié)的，實質上此方法就是通過人為增加阻力的方法，如此會造成電能的大量浪費，并不經濟。變頻調速對于風機或者電機的節(jié)能可以首先從從流體力學分析：對于風機來講，其轉速影響電機功率，功率會隨轉速的降低而下降。例當風量下降到70，風機的轉速也會隨之下降到70，其功率將會變?yōu)轭~定的40，所以采用該技術節(jié)電效果很好。由此可知，通過變頻調速技術的采用來實現節(jié)電是現如今的主要趨勢和途徑，其效果十分有效。因為這種方法具有實現節(jié)能的效果好，對電機轉速調節(jié)幅度大、轉 差 損 耗不會被附加等特點 ，所以很容易實現閉環(huán)控制和協調控制。對于現有的這種電機，可

41、以通過對進行技術改造實現變頻控制，改造并不難實現，其過程簡單，運行可靠。 圖3.3分別是風機在變頻調速和風門調節(jié)兩種控制方式下風路的功率-風量（P Q）關系和壓力-風量（H - Q）關系。其中，曲線1所表示的是在額定轉速下風機的壓力風量曲線，曲線2是在轉速較低時壓力與風量的關系，當風門開度最大時壓力與風量的關系如曲線3所示，開度較小時，曲線4表示兩者之間的變化趨勢。由圖3.3可以看出，在風機以額定轉速調節(jié)風門開度時，若實際風量由Q1 下降到Q2，則工況點將沿 曲線1由 A點移到B點；若用變頻器在開度最大時調節(jié)風機的轉速， 則兩者之間的變化將沿曲線3的軌跡由A點降到到 C點。從圖上可以明顯的看出

42、，風量在B點與C點相 同，但對于壓力來說C點的要比B點小得多。因此，在變頻調速的方式下，風機運行時的轉速可得到明顯降低，當然其所達到的節(jié)能效果也很明顯。風門調節(jié)方式的PQ曲線如曲線6所示，變頻控制的PQ曲線則為曲線5。在相同風量下，變頻控制方式能耗更小。 圖3.3 變頻調速在風機中的節(jié)能分析河南城建學院本科畢業(yè)設計(論文) 供暖鍋爐控制系統的硬件設計 第4章 供暖鍋爐控制系統的硬件設計4.1系統主電路的設計 根據本設計的要求，本系統風機和電機采用變頻起動和調速。雖然變頻器本身就有過載保護功能，但是為了保證系統運行的安全，杜絕事故的發(fā)生，當用變頻器控制水泵或者電動機時，還應在主電路變頻器的下面接

43、入熱繼電器，來增強系統的過載保護功能。圖4.1 系統主接線圖4.2系統控制電路的設計 在控制電路的設計中，為了保護PLC設備，當PLC輸出口涉及到與強電相連時，首先要應該做好的是強弱電之間的隔離 。為了實現隔離，PLC輸出端口是通過中間繼電器去控制電機動作，而不是直接和交流接觸器連接。這樣就可以保證系統工作的可靠性，PLC的使用壽命也同樣得到延長。在整個供暖鍋爐控制系統的設計中，所有接 觸器的動作、電機的啟動，都是按照PLC的程序指令控制來完成的。系統同時具有各種監(jiān)視參數顯示、故障指示以及報警輸出，模擬量的輸入、輸出等功能。其中故障顯示包括溫度過高，爐膛負壓過高，水箱水位過高報警，當相應參數達

44、到上限時會有燈光報警?？刂齐娐分械闹甘緹羰怯脕碇甘鞠到y當前的工作狀態(tài)，對于指示燈的設計，首先應考慮如何減少PLC的輸出端口，達到節(jié)省的目的。在相應電路中采用PLC輸出端子的中間繼電器，通過相應中間繼電器觸點的斷開和閉合來控制指示燈的滅和亮，指示當前系統的工作狀態(tài)。 圖4.2為電控系統控制電路圖。圖中QF為控制電路總電源斷路器開關，FU1為所有控制電路做短路一級保護，FU2為面板指示燈做短路故障保護。為了避免其PLC輸出繼電器觸點受到燒傷燒糊，本設計采用中間電器進行隔離，KA1-KA7均為PLC輸出中間繼電器隔離觸點，PLC相應輸出則為對應的中間繼電器線圈通電吸合。圖4.2 系統控制電路圖4.3

45、 S7-200 PLC硬件介紹 對于PLC及擴展模塊CPU選用交流220V電源供電，每個模塊需要接地的必須進行接地保護。輸入采用CPU自帶的傳感器電源進行輸入并采用漏型輸入接法，輸出根據中間繼電器線圈額定電壓選擇交流220V輸出。模擬量輸入一般采用兩線制由相應的變送器送出4-20mA的電流信號輸入到相應的模擬量輸入模塊，再由模擬量模塊進行A/D轉換成6400-32000的數字量，從而實現程序控制。由于變頻器本身自帶有24V直流電源供電，所以變頻器頻率反饋屬于四線制輸入。模擬量輸出統一使用0-10V信號進行模擬量輸出控制嗎，由I/O口分配表4.1可知，該系統需要6個模擬量輸入，4個模擬量輸出通道

46、。所以選用兩個EM235模塊，和兩個EM232模塊。4.4系統主要元器件4.4.1 可編程控制器1、可編程控制器的組成:PLC包括CPU模塊、輸入/輸出模塊、電源模塊、外圍設備等。1）CPU作為PLC的“大腦”，CPU是其實現控制功能的核心。它主要包括運算器和控制器。其中前者主要功能是進行邏輯運算等操作，對系統接收到的信息進行處理。后者是講處理的結果進行統一分配，傳送到相應控制器件，實現集中控制和指揮。PLC 能夠有條不紊地完成工作，主要歸功于CPU的協調控制，由此才能保證PLC實現更多現場設備的控制。2） I/O模塊 PLC與外部設備的聯系，是通過輸入輸出模塊完成的。內部或者外部的信號在PL

47、C中傳送的過程并不是直接進行，而是首先存儲在中間的寄存器或者鎖存器，在每個掃描個掃描周期過程中，PLC將這些寄存中的信息讀入，同樣在掃描周期到來時，處理好的信息在傳送到這些鎖存器中。由于PLC所處理的信號主要是數字信號，所以外部的電信號在進入PLC之前，首先要將其改變成數字信號，信號由PLC傳出的過程正好相反。I/ O分為開關量輸入輸出模塊，模擬量輸入輸出模塊，還有智能模塊。智能模塊包括：熱電偶、熱電阻擴展模塊，通信模塊、位控模塊（如EM253）等。3）編程器編程器用來供用戶輸入程序的軟件，通過這個軟件還可以對程序進行調試和編輯。S7-200 PLC采用的編程器是STEP7-Micro/WIN

48、軟件，它不但可以連機編程，還可以脫機編程，功能強大、方便使用。4）電源PLC配有電源模塊，用于為各模塊工作時提供電源。同時，還可以提供24V或者220V的電源。因此，輸入電源有交直流之分，交流電源特點為220VAC或110VAC。2、 PLC系統配置根據系統控制要求，結合本系統的具體功能需要，本文設計的控制系統I/O要求為:2個輸入開關量，6個輸出開關量，模擬量輸入通道為6個，模擬量輸出為4通道。整體上考慮系統對PLC運算能力的要求，本系統選用西門子的S7-200系列PLC，CPU模塊選用CPU226。I/O分配表如表4.1所示。表4.1 I/O分配表名稱地址作用名稱地址作用開始按鈕I0.0總

49、啟動運行指示 QO.0系統運行指示停止按鈕I0.1總停止供水泵QO.1供水泵外部端子啟動水箱水溫AIW0水箱水溫信號采集負壓報警QO.2爐膛負壓過高指示水箱水位AIW2水箱水位信號采集水位報警QO.3水位過高報警指示爐膛負壓AIW4爐膛負壓信號采集蒸汽閥Q0.4調節(jié)水箱壓力煙含氧量AIW6 含氧量采集水溫報警Q0.5水溫過高指示室外溫度AIW8 室外溫度采集點火Q0.6點火裝置水箱壓力AIW10水箱壓力信號采集溫度設定指示Q0.7溫度輸入設定儲水箱水位信號AIW12儲水箱水位信號采集燃料量AQW0燃料電動閥鼓風機AQW2鼓風機變頻器引風機AQW4引風機變頻器給水閥AQW6調節(jié)鍋爐水箱水位4.4

50、.2 EM235 模擬量輸入/輸出模塊 在鍋爐水溫控制系統中，相應信號采集器（傳感器）將檢測到的數據轉換成4-20mA的電流信號，系統中的模擬量的輸入/輸出模塊把電流信號轉換成數字信號，再送入PLC 中進行處理。本文中我們選擇兩個西門子的EM235模擬量輸入/輸出模塊，它具有4路模 擬量輸入通道/1路模擬量輸出通道 。PLC通過該模塊可以接收到外部傳感器等傳給的模擬量信號，80mV范圍。使用前，用戶必須通過DIP開關檢查是否斷線，選擇使用哪一類型的熱電偶，確定測量單位，檢查開路故障方向和冷端補償方式：SW1SW3的作用是熱電偶類型的選擇，SW4此處沒有用到，從哪個方向檢測斷線可以通過設定SW5

51、實現，而是否對斷線進行檢測是由SW6控制的，SW7是在SW6允許的情況下選擇測量的方向，是否進行冷端補償的判斷是通過SW8進行的。所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型。4.4.3 傳感器的選型1、壓力傳感器的選型 本系統中采用的是普通型壓力傳感器型號為CYB-20S。CYB-20S系列傳感器輸出的信號為420mA、05V標準信號，它的敏感元件為CYB10S壓力傳感器，結合相應的線路設計從而形成的一種整體結構，其作為一中配套裝置在生產過程中的自動化系統廣泛應用。CYB-20S形狀為圓柱形，采用不銹鋼結構，體積小，可從外部直接調整靈敏度和零點，十分方便。2、液位傳感器的選型 本設計中的液位傳感器采

52、用的是光電傳感器OPG-01，由一個光接收器和紅外LED組成。LED用于發(fā)出光線，接收器用于接受發(fā)出的光線。當沒有液體存在時，LED發(fā)出的光經過傳感器頂端的棱鏡反射，傳播到接受器，此時不會觸動電動開關。當被測容器中被注入液體時，液體逐漸上升侵入棱鏡時，發(fā)射的光一部分會被折射到液體中，從而使接受器的接收到的光線就會變少甚至無光。感應這個變化，經過放大器放大信號后，接受器就會打開單元中的電動開關，從而導致外部報警或控制電路工作。3、水溫傳感器 該系統選用的水溫傳感器是選擇Pt100鉑熱電阻傳感器，它能將溫度轉化為電流信號，簡稱為：PT100鉑電阻。P100鉑熱電阻是利用其阻值受溫度影響的特點制作而

53、成的， 也即它的工作原理。0下的PT100阻值為100，PT后的標志“100”即表示它在0時的阻值，而在100時它的阻值則變?yōu)?38.5。4、TB2A-FC氧化鋯氧傳感器 儀器采用氧化鋯管作為氧傳感器，其規(guī)格為90mm、直徑7mm且一端封閉，主要檢 測燃燒系統中煙氣的含氧量。該傳感器包含很多鋯管，為傳感器的接觸裝置。在該裝置上有許多鉑電極，呈多孔狀。被測氣體通過接觸該傳感器的取樣裝置，在TBM氧變送器的控制下，在內加熱器中將鋯管加熱至7350.2，形成氧濃差電池。氧化鋯材料例子比較活躍，一經加熱會產生很多氧離子空穴，在檢測時，當被測氣體的氧濃度在由鋯管構成的接觸裝置兩側差距較大時，氧離子空穴會

54、將濃度較高一方氧離子的遷移到較低的一方，這樣在電極的兩邊產生一定電壓。濃度差的大小就是產生的相應信號的大小，該信號經過放大器的放大后可以被PLC所采集。根據能斯特方程，該電壓與氧濃差關系如下： 式中：E 為鋯管電壓（mV）， T 為鋯管絕對溫度（K）， C 為鋯管本底電勢（mV） 上式可見，當鋯管溫度T固定不變時，鋯管的一側通入大氣時，鋯管電壓E表示的是被測氣體的含氧濃度。河南城建學院本科畢業(yè)設計(論文) 供暖鍋爐控制系統的軟件設計 第5章 供暖鍋爐控制系統的軟件設計 硬件設計和軟件設計是系統設計兩大主要部分，本節(jié)詳細介紹供暖鍋爐的軟件設計，主要包括軟件設計的基本原則、方法，并對STEP7-M

55、icro/WIN的使用進行簡單的介紹，同時對程序設計進行詳細的分析。5.1 PLC程序設計的基本原則和方法 軟件設計的人主要目標是完成系統的工藝流程，符合系統的控制要求，滿足系統所具有的各項功能，且方便操作，適合所選的硬件。面對各種各樣的應用系統，不管設計的控制系統工藝要求如何復雜或如何簡單，設計人員都要遵一下基本設計原則:(1) 對CPU外圍設備的管理，由系統自身完成，設計人員不必再進行處理；(2) 保證信號的輸入輸出操作的統一性，確定各個信號在一個周期內具有唯 一的狀態(tài)；(3) 由于CPU在每個周期內，對于一些窗口服務都要固定的進行，從而會占 用一定的機器時間，所以不能無限制的縮短CPU的

56、周期時間； CPU周期 掃描時間一定要大于定時器時間設定值；(4)用戶程序中如果多次對統一參數進行賦值操作，則最后一冊操作有效； 在程序設計的過程中，常用的方式有利用經驗、功能邏輯等方法。除此之 外好包括先畫出繼電器控電路，然后將其轉換成地形圖等手段。5.2 編程軟件STEP7-Micro/WIN 概述 基于Windows的STEP7-Micro/WIN 編程軟件是由西門子公司專為S7-200系列PLC設計開發(fā)，它供用戶開發(fā)編程使用,功能十分強大，可以實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。5.2.1 STEP7-Micro/WIN 簡單介紹 以STP7-Micro/WIN創(chuàng)建程序，為接通STEP7Mic

57、ro/WIN，可雙擊STEP7-MIcro/WIN的圖標，如圖5-1所示，在項目窗口中，用戶可以進行程序的設計，編譯。左側瀏覽條列出了許多不同編程特性的窗口按鈕，用于訪問程序的不同屬性，如符號表，指令表等。用戶在編程過程中所需的各指令在左側指令樹都可以找到，用戶可以根據需要在指令樹中調用。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的底部按標簽顯示。圖 5.1 STEP7-Micro/WIN項目窗口本項目中我們利用 STEP7-Micro/WIN V4.0 SP5編程軟件，其界面如圖5-1所示。項目包括的基本組件：符號表、程序塊、通信、系統塊、符號表、狀態(tài)表等。 5.2.2 計算機與PLC的通信 為了實現

58、計算機和PLC的通信，需要在STEP7-Micro/WIN 中設置器其通信屬性：首先，雙擊左邊的“通信”圖標，將出現“通信”對話框，也可從“查看”中選擇“組件”中的“通信”，同樣能打開上述對話框，如圖5.2。在與S7-200連接通信之前，首先要在對話框中設置遠程地址，在本系統中選擇的是默認的值“2”，此即為與S7-200通訊的地址。雙擊右側對話框中“雙擊刷新”藍色圖標，編程軟件將會自動搜索網絡中已經連接上的PLC，并顯示搜索到的PLC的具體型號。此時表示已經通信成功，選擇右下角的“確認”即可。圖5.2 PLC通信窗口5.3 PID指令向導 PID控制程序中的過程變量（PV）為0.001.00之

59、間的標準實數，所以在編程之前首先應該將相關的數據轉換符合形式的標準量。PID運算結束之后，由于需要傳送給模擬量輸出模塊，因此要把回路輸出的值轉換為模擬量形式。本文設計的供暖鍋爐控制系統中需要用到四個PID控制程序，且都是用向導生成的，具體步驟就不詳細介紹了。5.4 程序設計5.4.1系統主程序： 啟動程序，其中I0.0為啟動按鈕，I0.1為停止按鈕。M0.0是中間繼電器，控制啟停。當按下啟動按鈕時，M0.0閉合，運行子程序0，進行相關數據采集。同時執(zhí)行點火裝置，點燃爐膛燃料，另外系統運行指示燈點亮，指示系統正常運。該段程序是鍋爐水溫PID控制，根據水溫控制燃料電動閥的開度。首先鍋爐水溫目標值可有系統自動給定，也可以手動給定。當M11.0打開時，水溫目標值處于系統自動給定狀態(tài)，當室外溫度小于0度是，設定水溫為90度，當室外溫度處在大于0度小于10度時，設定水溫為60度，當室外溫度大于10度時系統停止運行。當M11.0