毕业设计（论文）-基于plc的供暖锅炉控制系统的设计.doc

河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要 毕业设计论文 题 目： 基于plc的供暖锅炉控制系统的设计 学 院： 电气与信息工程学院 专 业： 姓 名： 学 号： 指导老师： 完成时间： 摘 要 随着生活水平地不断提高，人们对城市生活供暖质量要求越来越高。目前，冬季采用锅炉取暖在我国北方仍然占据主导地位，但锅炉房中控制系统的各配置落后的问题相对比较严重，其控制操作仍然主要依靠管理员的手工操作，对于风机和水泵电机的控制，过程很复杂并且对电和燃料的消耗量十分巨大，同时锅炉水温度也无法通过手动控制改变并及时对改变作出适当的回应。 本文设计的水温供暖锅炉控制系统主要采用PLC和变频调速技术。该控制系统由变频器、S7200系列PLC、鼓风机、引风机、水泵等构成。对于系统中所涉及到的各个电机，其启动调速和停止，并不是通过直接控制的手段，而是利用变频器变频调速的特性来实现的。以及PID调节控制，以MCGS组态软件设计组态界面和控制界面，以实现实时监控。 为了有效地降低能源消耗，提高生产管理水平，本文设计的系统具有锅炉水温、燃烧过程自动控制的功能。实现了安全可靠地系统安装维护；由MCGS制作的上位机，画面直观，操作方面，监控方便。关键词：供暖锅炉；变频调速；PLC河南城建学院本科毕业设计(论文) ABSTRACT 河南城建学院本科毕业设计(论文) 目录 ABSTRACT With living standards 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 still 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 heating 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 are 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 the combustion process, which has reduced the energy consumption and improved the production management level.Keywords: Boiler control; Variable-frequency regulating speed technology; PLC河南城建学院本科毕业设计(论文) 目录 目 录摘 要IABSTRACTI绪 论11 课题背景及研究目的和意义12 供暖锅炉控制国内外研究现状23 项目研究内容3第1章 锅炉及其工作过程31.1 锅炉的基本构造41.2 锅炉的工作原理及过程61.2.1 燃料的燃烧过程61.2.2 水的汽化过程61.2.3 烟气向水的传热过程7第2章 供暖锅炉控制系统总体设计82.1供暖锅炉控制系统的基本要求82.2.1控制系统的组成82.1.3控制的主要流程82.2系统功能分析102.3供暖锅炉的控制策略和方法102.3.1 PID控制方式简介112.3.2供暖锅炉的控制策略12第3章 变频调速在供暖锅炉控制中的应用153.1变频调速基本原理153.2 变频器输入输出接口163.3 变频调速节能分析17第4章 供暖锅炉控制系统的硬件设计194.1系统主电路的设计194.2系统控制电路的设计194.3 S7-200 PLC硬件介绍214.4系统主要元器件214.4.1 可编程控制器214.4.2 EM235 模拟量输入/输出模块234.4.3 传感器的选型23第5章 供暖锅炉控制系统的软件设计265.1 PLC程序设计的基本原则和方法265.2 编程软件STEP7-Micro/WIN概述265.2.1 STEP7-Micro/WIN 简单介绍265.2.2 计算机与PLC的通信275.3 PID指令向导285.4 程序设计295.4.1系统主程序295.4.1子程序35结束语42参考文献43致 谢44 河南城建学院本科毕业设计(论文) 绪论 河南城建学院本科毕业设计(论文) 绪论 绪 论1 课题背景及研究目的和意义 随着如今人们生活质量越来越高，暖气供暖是人们在冬季所必不可少的设施。伴随着城市化程度的不断发展、步伐的不断加快，集中供热成为其必然趋势，这样不仅能节省能源，而且方便管理。然而，由于城市程度的加深。供暖面积和要求同样也越来越大、越来越来越严重。对于燃烧系统的控制和管理的手段和方法也提出了更高的要求，国家新的节能减排政策也推进我们把眼光放在发展改革上，原有的方法已经不能满足要求，并逐渐被淘汰。虽然锅炉作为一个能源消耗大的设备，在国民经济整体能源消费占了很大的比例，并存在空气污染严重的问题，但是它在人们的生产和生活中仍然具有非常重要的意义。目前，我国主要以煤炭作为锅炉燃烧的主要燃料，但是如燃油供暖锅炉也得到快速的发展。对于燃煤锅炉主要燃烧的主要是低品质煤，锅炉房管理水平是不高的， 采用间歇性运行模式，技术落后，自动化控制程度低，能源浪费和环境污染严重的问题突出。 另外，对于主要利用按钮和继电器来控制的锅炉行业，包括用PLC来控制的，无法满足现有控制系统的智能化要求，无法实现水位实时控制，锅炉工作运行参数、开始时 间和校准时间也无法进行灵活的设定和改正，更不能动态地反映锅炉当前的操作状 态， 无法对燃烧器运行时间进行准确地累积记录，也无法统计锅炉风机运行时间、以前发生的故障，影响锅炉最终的管理和维护。此外，如果想实现锅炉实时在线控制和多用户联网控制，则需建设更多的控制台，从而增加了成本投入，控制结构也就变得更加复杂。 PLC在20世纪阶段正处在快速发展时期，在这时期，PLC对模拟量的处理能力得到一定的发展。随着网络地快速发展，PLC在网络连接和人机交互能力方面取得巨大的发展，较之之前的现状得到质的提高。随着过程控制的迅速发展，并在现在系统控制模式中得到广泛应用，DCS系统成为该系统中的统领着，成为一家独大的盛状，但是伴随PLC也逐渐步入该系统，渐渐取代了DCS的霸主地位，在某些应用中更受欢迎。PLC具有通用性强、受干扰影响强、较强适应性等特点。锅炉可以利用产生的蒸汽转化为动能，所以可作为动力设备，如今已广泛应用于各行各业的工业生产中。无论是在工业生产或者是在采暖供热中，锅炉所扮演的角色都是一次能源向二次转化的重要设备,从能量转化好坏的角度上来看，在一定意义上，锅炉控制效果对人们的生活质量和企业的经济效 益的好坏有直接的影响。另外，PLC具有与多个输入输出口，能基本上满足系统的需要。同时，锅炉控制中涉及到很多参数，且它们之间并非相互独立，想法存在复杂的的关联性，所以对于锅炉的研究是各国技术人员都将对当成的一个重要课题。 本文设计的系统是一个过程控制系统，是一套采用可编程控制器和变频启动调速技术制作而成的供暖锅炉控制系统。该控制系统采用风机提供送风和引风量，以S7-200系列PLC作为控制器，用变频器控制电机和电动阀等，利用各种传感器传感器采集信息。系统中电动机的启动、运行和调速是通过PLC发出命令并由变频器的控制来实现的根据 电动机转矩与转速、 轴功率和转速的之间关系可以推出，采用交流变频调速代替传统 阀门、挡板控制风机、水泵流量，符合国家节能政策，可以大大节省用电量，整体计算能够平均节电30% 左右。由于采用了转矩矢量控制技术，在系统控制中应用变频器有效起到了保证电机良好起动的功能，实现了电机的软启动，同时限制了启动时对电机等的冲击，延长了电机的寿命。另外，为了使锅炉始终处于最佳工作状态，本文设计的系统能对锅炉实现智能自由控制，提高了燃油的燃烧效果和锅炉的运行效率。同时，该供暖锅炉将传感器检测到的整个系统中的各种参数（如流量、压力、温度等），传送至由MCGS制作监视平面中，具有温度和压力等参数监控等功能。利用这种系统，工人在控制室就可以非常直观的并且非常详细地了解锅炉的运行情况，逼近工作条件得到大大的改善，其管理水平和智能化、自动化程度也得到很大的提高。2 供暖锅炉控制国内外研究现状 从上世纪90年代起，锅炉的自动化控制研究越来越广泛，各种基于PLC开发的控制系统，向与新型锅炉控制的方向发展，同时逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，为之后锅炉控制系统发展起到重要作用。锅炉自动控制中也应用了一些新的控制方法。如模糊控制、最优控制、自适应控制等。这些自动控制的最新成果在系统的设计过程中得到了尝试。但由这些新的控制策略方法在工程实践中并不怎么成功，也无法提高系统的经济效益，主要原因是这些控制技术过于单一，控制算法的建模仅仅是数学推论上建立的模型，对于锅炉燃烧状况有时并不能真实的反映，因此在一定程度上降低了用户用计 算机实现工业锅炉控制的积极性。随着控制系统的不断地发展，为了进一步提高锅炉锅炉控制系统操作的准确性，减少能源消耗，保障安全运行，降低大气污染，智能控制技术在现代锅炉控制技术上的广泛应用已势在必行，并且对现如今各种各样的新型锅炉采用计算机进行集中控制系统的条件已经成熟。尽管对锅炉控制的研究已取得了很大的进展，但仍然存在一些问题: 1、开关量在现有供暖锅炉控制系统中仍然广泛应用，造成现有系统控制手段单一，控制的精度也不够精确，如一些阀门的控制。2、一些不合理的控制方案在现有的一些锅炉控制系统普遍存在，甚至应用比较普遍。这样在锅炉控制过程中如果一旦有故障情况发生，只能进行人为手动采取断电的方法处理。如此操作不仅对设备（如电动机）的损害较大，甚至存在安全隐患。对于温度、压力等参数，一旦传感器、变送器等设备出现故障就无法达到设定值。 3、随着微机控制逐渐成熟起来，锅炉控制系统也得到快速发展。但锅炉的自动控制在报表打印、仪表显示等功能上并未得到实现，若以单片机为锅炉控制系统的核心，因其控制水平有限，性能不稳定，并不适合于此系统的采用。3 项目研究内容 本文设计的控制系统的被控对象是锅炉，主被控参数为锅炉水温，控制器选择西门子S7-200系列PLC；采用PID算法控制系统被控参数，编程语言选择采 用PLC梯形图， 进行锅炉温度的自动调节系统设计。PLC利用微处理器，结合自动控制技术、计算机和通信技术，其性能优越，功能强大，同时具有丰富的输入输出接口，具有操作方便，可靠性高的一种工业控制装置。现如今工业自动化有三大支柱：PLC、工业机器人、CAD/CAM。PLC在其中占有重要的位置，起着不可或缺的作用。 对于供暖锅炉中的水温并不能直接控制，这需要通过控制燃烧系统来实现对锅炉水温的调节，因此在本文中共建立三个控制子系统：由锅炉水温控制燃料供给量，根据烟气含氧量调节送风量，由炉膛负压控制引风量。通过对三个子系统的控制，从而间接实现锅炉水温的调节。在锅炉整个运行过程中，为了充分考虑节能，充分利用燃烧的热量，减少热损失，本文还充分应用了省煤器和预热器等。46第1章 锅炉及其工作过程1.1 锅炉的基本构造 锅炉是供热设备中最普遍的动力设备之一，它的功能是把燃料中的贮能，通过燃烧转化成热能，以蒸汽或热水的形式输向各种设备。本文采用的是燃煤锅炉，图1.1为锅炉的大体组成部分。 图1.1 锅炉系统硬件组成图 锅炉的主要设备包括气锅、炉子、炉膛、锅筒、水冷壁、过热器、省煤器、燃烧设备、引风设备、送风设备、给水设备、空气预热器、水处理设备、燃料供给设备以及除灰除尘设备等。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：使自然循环锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。（须指出，直流锅炉内无锅筒。）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，提高了锅炉效率，节省了燃料。同时，由于提高了进入气包的给水温度，减少了因温差而引起的汽包壁的热适应力，从而延长了汽包的使用寿命。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、烟道和烟囱等几部分。用它将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：由给水泵和给水管组成。空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气，是一个换热器。省煤器出口烟温度高，装上空气预热器后，可以进一步降低排烟温度，也可改善燃料着火和燃烧条件，降低不完全燃烧所造成的损失，提高锅炉机组的效率。水处理设备：其作用是为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀。燃料供给设备：由燃油给油泵、燃油开关等设备组成，保证锅炉所需燃料供应。除灰除尘设备：是收集锅炉灰渣并运往储灰场地的设备。此外，除了保证锅炉的正常工作和安全，蒸汽锅炉还必须装设安全阀、水位表、高低水位报警器、压力表、主气阀、排污阀和止污阀等，还有用来消除受热面上积灰的吹灰器，以提高锅炉运行的经济性，本设计由于篇幅其间，则就不必考虑这些问题了。1.2 锅炉的工作原理及过程 锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。它通过煤、油或燃气等燃料的燃烧释放出化学能，并通过传热过程将能量传递给水，使水转变为蒸汽，蒸汽直接供给工业生产中所需的热能，或通过蒸汽动力机 能转变为机械能，或通过汽轮发电机转变为电能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效地转变为蒸汽的热能。因此，近代锅炉亦称为蒸汽发生器。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。1.2.1 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，（若是燃气式锅炉就没有这一部分了）这整个过程称为燃烧过程。1.2.2 水的汽化过程 水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和水分离过程。经处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入气锅。锅炉工作时气锅的工作介质是处于饱和状态的汽水混合物。位于烟温较低区段的对流灌束，因受热较弱，汽水工质的容量较大，而位于烟温较高区段的对流管束，因受热强烈，相应的汽水工质的容量较小，从而量大的工质则向上流入下锅筒，而容量小的工质则向上流入上锅筒，形成了锅水的自然循环。蒸汽所产生的过程是借助于上锅筒内设的汽水分离装置。以及在锅筒本身空间的重力分离力作用，使汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒顶部引出后，进入蒸汽过热气，而分离下来的水仍回到上锅筒的下半部的水中。锅炉中的水循环，也保证与高温烟气相接触的金属受热面的以冷却而不被烧坏，是锅炉能长期安全运行的必要条件。而汽水混合物的分离设备则是保证蒸汽品质和蒸汽过热可靠工作的必要的设备。1.2.3 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。继而烟气受引风机和烟囱的引力而向炉膛上方流动。烟气从炉膛出口经过防渣管后，就冲刷蒸汽过热器一组垂直放置的蛇型弯管受热面，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。沿途逐渐降低温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热器内的工质进行热交换后，以经济的较低的烟温排出锅炉。省煤器实际上同给水预热器和空气预热器一样，都设置在锅炉尾部（低温）烟道，以降低排烟温度提高锅炉效率，从而节省了燃料。以上就是一般锅炉供水的过程，一个锅炉进行工作，其主要任务是：(1)要是锅炉出口蒸汽压力稳定。(2)保证燃烧过程的经济性。(3)保持锅炉负压恒定。通常我们是炉膛负压保持在微负压（-1080Pa）。河南城建学院本科毕业设计(论文) 供暖锅炉裤子系统总体设计 第2章 供暖锅炉控制系统总体设计2.1供暖锅炉控制系统的基本要求2.2.1控制系统的组成 根据供暖锅炉燃烧过程自动控制的要求，系统可分为两个子系统：水温自动调节系统和燃烧自动控制系统（烟气含氧量调节和炉膛负压调节）。供暖锅炉系统自动控制完成两个主要任务，一个是保证锅炉水温可以自由控制，且能达到一定的精度；另一个是保证燃烧系统能都自由控制。然而水温的控制是通过控制燃烧系统来实现的，所以燃烧系统是整个控制系统的核心。燃烧控制系统的主要任务有两个：其一保证炉膛燃烧产生的热量满足系统的需要，能够产生足够的热水；其二要保证运行过程中燃烧的安全性和燃烧的经济性。因此，燃烧控制首先要通过调节燃料量来保持炉膛内的燃烧负荷，其次是调节送风量使之随时与燃料保持恰当的比例，以保证燃料的完全燃烧，减少炉膛烟气含氧量。再次是调节引风使之随时与送风相适应 以保证一定范围的炉膛负压。综上所述，锅炉燃烧自动控制系统可以概括为三个子系统：1）温度调节子系统：调节燃料调节阀，保证出水温度为一恒值；2）燃烧充分性子系统：改善炉膛烟气含氧量，提高燃烧效率；3）炉膛负压子系统：保证炉膛负压在一定范围中。燃烧控制系统还受到一些扰动量的影响，主要包括：送风量、燃料扰动等。因此当评价一个燃烧控制系统其燃烧性能的优劣时，一个重要标准就是被控量能否当扰动偏 离给定值时迅速恢复到给定值 。2.1.3控制的主要流程 供暖锅炉控制系统在按下启动按钮后系统将自动采集个监控信号，如水位，水位、炉膛负压、含氧量等。根据所采集到的信号判断是否符合与其设定值，若不能达到要求则采取相应控制手段，通过PID控制相应电动阀，调节燃料或者水的流量，或控制变频器，进而控制鼓风机，引风机的风量。供暖锅炉控制系统的主要流程如图2.1所示：温度、压力水位等信号采集启动按钮检查是否有故障开始信号显示水温、水位、炉膛压力、烟气含氧量检测检查是否达到设定值对风机、电动阀PID控制结束报警是是否否图2.1 供暖锅炉控制流程图2.2系统功能分析 本文针对供暖锅炉设计一套基于PLC的锅炉控制系统。根据要求，并结合锅炉控制的发展趋势，本系统具备如下功能：(1)过温超过报警当系统中的温度、压力等信号超过上下限时，相应的报警装置，报警灯就会做出反应，产生报警信息，汇集在报表统计中。（2）控制系统正常工作时的功能 在供暖期间，锅炉最终输出的水温是系统根据采集到的室外温度的变化而自动自动设定的。当室外温度较低时，系统能自动调高锅炉水箱水温的设定值；当室外温度较高的时段内，系统会自动降低锅炉水箱水温的设定值；当室外温度偏高时，系统会自动停止运行，进而调节锅炉水温。 （3）监控设计 根据用户需求，人机界面具有故障报警功能，能控制监视锅炉的液位和温度， 温度控制精度0.5， 锅炉温度从0-90可平滑调节。温度由键盘在窗口给定，可供随时查询和打印相应的各种参数报表由计算机自动生成，当然系统产生的历史数据能够自动生成的且形成相应报表，除此之外，还应能显示系统整个控制过程的实时数据和报警数据，对运行产生的历史趋势图能自动保存等。2.3供暖锅炉的控制策略和方法2.3.1 PID控制方式简介 现如今，在工程实际中，比例、积分、微分控制方式是最为广泛控制方式，此控制简称PID控制。PID控制器被提出已有近60多年历史，它因系统构成简单、可靠性高、性能稳定、应用方便而成为如今工业控制广泛应用。当我们对一个被控对象不完全了解或对需要测量监控的被控对象的参数无法获得时，PID控制技术是最优的选择方法。PID控制，实际上也有比例微分和比例积分控制之分。PID控制器的控制原理是利用比例、积分、微分的算法，结合系统输入与反馈之间的误差计算出所需控制量从而实现的。（1）比例控制：即成比例的反映系统输入与输出之间的误差信号，属于几种控制方法中最简单的控制方式。如果系统仅有比例控制时，系统输出的误差是稳定的，即稳态误差。 （2）积分控制：主要是消除系统的稳态误差，该控制方法是成正比的反映输出与输入误差信号的积分关系。所以称一个控制系统存在稳态误差，表明该系统在进入稳定状态存在一个静态的误差，这就是常说的有差系统。消除稳态误差的有效方法是引入“积分项”。积分项就是对误差的时间求积分，根据所求结果可知，积分项的强弱受时间的影响，时间常数越大，积分项越小，误差就会越小，到等于零，由此可知系统会逐渐趋于稳定。因此，PI控制器，可以保证进入稳定状态后的系统不会再存在误差。（3）微分控制：是对控制器的误差信号发生的一种预示作用，它能提前预示误差产生的趋势，并能差生相应的抑制作用。即具有超前调节的作用。但是对于滞后较大的对象有很好的效果，更不能克服纯滞后。该环节对于温度的调节正好适合。由于有较大惯性滞后组件，在克服误差的调节过程中，自动控制系统可能会失稳。其原因是，因调解动作总是落后于误差的变化，仅靠比例积分控制无法及时减小误差。对于要求精度比较高的系统中，无法达到控制要求，甚至可能产生危险事故，满足不了安全性要求。解决的方法就是抑制作用的 “超前”，“微分”能产生超前的控制作用，即抑制超调作用，在偏差刚刚产生，但是还没有对系统产生影响之前，微分调节可将偏差提前消除。由此可以改善系统的动态性能。2.3.2供暖锅炉的控制策略1、锅炉水温控制 影响锅炉的水温的主要因素是燃烧系统，而燃烧系统并不能直接控制，因此该系统实际上是将燃料作为控制量，采用PID控制方法的控制系统，其原理图如图2.2所示：循环水泵出口水温比值器燃料变送器送风量变送器燃料电动阀PID调节控制水温矫正调节循环水泵出口水温 图2.2 PID水温控制流程图为保证锅炉燃烧效率，需要保持炉膛中燃烧量和空气的适当比值。采用空气量跟随燃料量变化的控制系统，即以燃料量作为设定值，与空气流量组成比值控制系统，上图是一水温调节器作为燃料和空气流量的设定值，该系统可以保持水温恒定值，通过比值器，可以使燃料和空气的比值恒定，保证燃烧的充分性。2、炉膛负压控制为保证锅炉的安全运行，炉膛内负压必须维持在一定的安全范围内。当炉膛负压过小，甚至为正时，会造成炉膛内烟气外冒，影像设备和工作人员的安全。当锅炉负压过大时，大量冷空气进入炉膛，则会增加热量损失降低炉膛的热效率。影响炉膛负压的主要因素为引风机和鼓风机的风量，以及燃烧过程。针对炉膛负压控制采用PID控制，以炉膛负压为反馈信号，根据与设定值之间差距，控制引风机的频率。原理图如图2.3所示：PID调节引风机变频器炉 膛 负 压炉膛负压炉 膛 图2.3 炉膛负压PID控制流程3、烟气含氧量控制当锅炉水温变化不大时，通过对引风量的调节可以来实现炉膛负压的保证，但是一旦水温负荷变化较大，就会导致燃料流量和送风量都有较大的变化，而引风量只有在上述因素发生变化时才会控制引风机改变风量，调整负压，这显然会引起炉膛负压较大的波动。为改善质量，特引入比值器，是引风量和送风量保持在一定比值。原理图如图2.4所示：O20%O20%引风量量变送器比值器送风量变送器炉 膛鼓风机PI D控 制氧量矫正调节器烟气含氧量变送器图2.4 烟气含氧量PID控制流程河南城建学院本科毕业设计(论文) 变频调速在供暖锅炉控制中的应用 第3章 变频调速在供暖锅炉控制中的应用3.1变频调速基本原理 变频器是一种电能控制装置。它能将电源的工频频率转变成为另一频率，这种转换的实现归功于一些相关半导体器件的通断作用。目前，该装置性能良好、稳定，能够适应恶劣的工业环境，且控制功能较为完善，对各种异步电动机的调速都能满足要求。由于电机的转速和电源的频率之间存在正比例关系，改变对电机供电的频率，就能调节电机的转速，这就是变频调速技术的基本原理。降低电机的转速，从而实现节约能量，其经济效益十分显著。由异步电动机的转速公式： （公式3.1） 式中， ； （公式3.2） 由公式可见电源频率f、极对数P、转速差S的改变都可以影响电动机的转速，且它们之间的关系可控。变频器就是利用电源频率f与转速的关系，结合数字电路、微电子等技术，采用调节供电电源频率的技术生产出来的电气产品。如图3.1所示，常见的调频调压的电路有交-直-交变频器 ，交-交变频器两种。上面是交-直-交变频器，下面是交-交变频器。图3.1 变频器种类(1)交-直-交变频器的特点是先将交流整流为直流，再将直流逆变为交流，采用的是先整流后逆变的组合。在转变的过程中存在滤波环节，该环节存在整流逆变电路之间，一般是采用电抗器或无源电容等器件实现，滤波的对象是整流后的电压或电流进行。(2)交-交变频器采用晶闸管自然换流方式，将经过调压和调频的电网交流电传给变频电路，转变并输出电压和频率皆可调的交流电。交-交变频器目前已经很少采用，主要是因为其换流电流的减少，虽然导致波形比较标准，杂波减少，但是对电机转速的调节的范围小，且实现该功能电路复杂，所以并不被各工程师看重。3.2 变频器输入输出接口 本系统选用的变频器为ABB公司的Acs60l系统，针对本系统的应用情况，可将变频器端子上的信号分为：1.输入信号：(1)控制变频器运行的启停信号DI1。(2)变频器的压力反馈信号A12口接压力传感器的反馈信号。(3)R.S.T为电源输入。2. 输出信号：(1)RO1：用于指示变频器内部发生的故障，输出的为数字量；(2)RO2：指示变频器正在运行，输出的为数字量；(3)RO3：指示变频器停止运行，输出的同样为数字量；(4)U、V、W为三相异步电动机电源的接线端子。3.通讯：通过CH0、CH1口，变频器能在电压、电流、频率、压力等参数上完成图3.2 变频器接线示意图3.3 变频调速节能分析 对于一般系统来讲，对于风机、水泵类的风量、水量等的控制方法，大多采用档板或阀门来调节的，实质上此方法就是通过人为增加阻力的方法，如此会造成电能的大量浪费，并不经济。变频调速对于风机或者电机的节能可以首先从从流体力学分析：对于风机来讲，其转速影响电机功率，功率会随转速的降低而下降。例当风量下降到70，风机的转速也会随之下降到70，其功率将会变为额定的40，所以采用该技术节电效果很好。由此可知，通过变频调速技术的采用来实现节电是现如今的主要趋势和途径，其效果十分有效。因为这种方法具有实现节能的效果好，对电机转速调节幅度大、转 差 损 耗不会被附加等特点 ，所以很容易实现闭环控制和协调控制。对于现有的这种电机，可以通过对进行技术改造实现变频控制，改造并不难实现，其过程简单，运行可靠。 图3.3分别是风机在变频调速和风门调节两种控制方式下风路的功率-风量（P Q）关系和压力-风量（H - Q）关系。其中，曲线1所表示的是在额定转速下风机的压力风量曲线，曲线2是在转速较低时压力与风量的关系，当风门开度最大时压力与风量的关系如曲线3所示，开度较小时，曲线4表示两者之间的变化趋势。由图3.3可以看出，在风机以额定转速调节风门开度时，若实际风量由Q1 下降到Q2，则工况点将沿 曲线1由 A点移到B点；若用变频器在开度最大时调节风机的转速， 则两者之间的变化将沿曲线3的轨迹由A点降到到 C点。从图上可以明显的看出，风量在B点与C点相 同，但对于压力来说C点的要比B点小得多。因此，在变频调速的方式下，风机运行时的转速可得到明显降低，当然其所达到的节能效果也很明显。风门调节方式的PQ曲线如曲线6所示，变频控制的PQ曲线则为曲线5。在相同风量下，变频控制方式能耗更小。 图3.3 变频调速在风机中的节能分析河南城建学院本科毕业设计(论文) 供暖锅炉控制系统的硬件设计 第4章 供暖锅炉控制系统的硬件设计4.1系统主电路的设计 根据本设计的要求，本系统风机和电机采用变频起动和调速。虽然变频器本身就有过载保护功能，但是为了保证系统运行的安全，杜绝事故的发生，当用变频器控制水泵或者电动机时，还应在主电路变频器的下面接入热继电器，来增强系统的过载保护功能。图4.1 系统主接线图4.2系统控制电路的设计 在控制电路的设计中，为了保护PLC设备，当PLC输出口涉及到与强电相连时，首先要应该做好的是强弱电之间的隔离 。为了实现隔离，PLC输出端口是通过中间继电器去控制电机动作，而不是直接和交流接触器连接。这样就可以保证系统工作的可靠性，PLC的使用寿命也同样得到延长。在整个供暖锅炉控制系统的设计中，所有接 触器的动作、电机的启动，都是按照PLC的程序指令控制来完成的。系统同时具有各种监视参数显示、故障指示以及报警输出，模拟量的输入、输出等功能。其中故障显示包括温度过高，炉膛负压过高，水箱水位过高报警，当相应参数达到上限时会有灯光报警。控制电路中的指示灯是用来指示系统当前的工作状态，对于指示灯的设计，首先应考虑如何减少PLC的输出端口，达到节省的目的。在相应电路中采用PLC输出端子的中间继电器，通过相应中间继电器触点的断开和闭合来控制指示灯的灭和亮，指示当前系统的工作状态。 图4.2为电控系统控制电路图。图中QF为控制电路总电源断路器开关，FU1为所有控制电路做短路一级保护，FU2为面板指示灯做短路故障保护。为了避免其PLC输出继电器触点受到烧伤烧糊，本设计采用中间电器进行隔离，KA1-KA7均为PLC输出中间继电器隔离触点，PLC相应输出则为对应的中间继电器线圈通电吸合。图4.2 系统控制电路图4.3 S7-200 PLC硬件介绍 对于PLC及扩展模块CPU选用交流220V电源供电，每个模块需要接地的必须进行接地保护。输入采用CPU自带的传感器电源进行输入并采用漏型输入接法，输出根据中间继电器线圈额定电压选择交流220V输出。模拟量输入一般采用两线制由相应的变送器送出4-20mA的电流信号输入到相应的模拟量输入模块，再由模拟量模块进行A/D转换成6400-32000的数字量，从而实现程序控制。由于变频器本身自带有24V直流电源供电，所以变频器频率反馈属于四线制输入。模拟量输出统一使用0-10V信号进行模拟量输出控制吗，由I/O口分配表4.1可知，该系统需要6个模拟量输入，4个模拟量输出通道。所以选用两个EM235模块，和两个EM232模块。4.4系统主要元器件4.4.1 可编程控制器1、可编程控制器的组成:PLC包括CPU模块、输入/输出模块、电源模块、外围设备等。1）CPU作为PLC的“大脑”，CPU是其实现控制功能的核心。它主要包括运算器和控制器。其中前者主要功能是进行逻辑运算等操作，对系统接收到的信息进行处理。后者是讲处理的结果进行统一分配，传送到相应控制器件，实现集中控制和指挥。PLC 能够有条不紊地完成工作，主要归功于CPU的协调控制，由此才能保证PLC实现更多现场设备的控制。2） I/O模块 PLC与外部设备的联系，是通过输入输出模块完成的。内部或者外部的信号在PLC中传送的过程并不是直接进行，而是首先存储在中间的寄存器或者锁存器，在每个扫描个扫描周期过程中，PLC将这些寄存中的信息读入，同样在扫描周期到来时，处理好的信息在传送到这些锁存器中。由于PLC所处理的信号主要是数字信号，所以外部的电信号在进入PLC之前，首先要将其改变成数字信号，信号由PLC传出的过程正好相反。I/ O分为开关量输入输出模块，模拟量输入输出模块，还有智能模块。智能模块包括：热电偶、热电阻扩展模块，通信模块、位控模块（如EM253）等。3）编程器编程器用来供用户输入程序的软件，通过这个软件还可以对程序进行调试和编辑。S7-200 PLC采用的编程器是STEP7-Micro/WIN软件，它不但可以连机编程，还可以脱机编程，功能强大、方便使用。4）电源PLC配有电源模块，用于为各模块工作时提供电源。同时，还可以提供24V或者220V的电源。因此，输入电源有交直流之分，交流电源特点为220VAC或110VAC。2、 PLC系统配置根据系统控制要求，结合本系统的具体功能需要，本文设计的控制系统I/O要求为:2个输入开关量，6个输出开关量，模拟量输入通道为6个，模拟量输出为4通道。整体上考虑系统对PLC运算能力的要求，本系统选用西门子的S7-200系列PLC，CPU模块选用CPU226。I/O分配表如表4.1所示。表4.1 I/O分配表名称地址作用名称地址作用开始按钮I0.0总启动运行指示 QO.0系统运行指示停止按钮I0.1总停止供水泵QO.1供水泵外部端子启动水箱水温AIW0水箱水温信号采集负压报警QO.2炉膛负压过高指示水箱水位AIW2水箱水位信号采集水位报警QO.3水位过高报警指示炉膛负压AIW4炉膛负压信号采集蒸汽阀Q0.4调节水箱压力烟含氧量AIW6 含氧量采集水温报警Q0.5水温过高指示室外温度AIW8 室外温度采集点火Q0.6点火装置水箱压力AIW10水箱压力信号采集温度设定指示Q0.7温度输入设定储水箱水位信号AIW12储水箱水位信号采集燃料量AQW0燃料电动阀鼓风机AQW2鼓风机变频器引风机AQW4引风机变频器给水阀AQW6调节锅炉水箱水位4.4.2 EM235 模拟量输入/输出模块 在锅炉水温控制系统中，相应信号采集器（传感器）将检测到的数据转换成4-20mA的电流信号，系统中的模拟量的输入/输出模块把电流信号转换成数字信号，再送入PLC 中进行处理。本文中我们选择两个西门子的EM235模拟量输入/输出模块，它具有4路模 拟量输入通道/1路模拟量输出通道 。PLC通过该模块可以接收到外部传感器等传给的模拟量信号，80mV范围。使用前，用户必须通过DIP开关检查是否断线，选择使用哪一类型的热电偶，确定测量单位，检查开路故障方向和冷端补偿方式：SW1SW3的作用是热电偶类型的选择，SW4此处没有用到，从哪个方向检测断线可以通过设定SW5实现，而是否对断线进行检测是由SW6控制的，SW7是在SW6允许的情况下选择测量的方向，是否进行冷端补偿的判断是通过SW8进行的。所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。4.4.3 传感器的选型1、压力传感器的选型 本系统中采用的是普通型压力传感器型号为CYB-20S。CYB-20S系列传感器输出的信号为420mA、05V标准信号，它的敏感元件为CYB10S压力传感器，结合相应的线路设计从而形成的一种整体结构，其作为一中配套装置在生产过程中的自动化系统广泛应用。CYB-20S形状为圆柱形，采用不锈钢结构，体积小，可从外部直接调整灵敏度和零点，十分方便。2、液位传感器的选型 本设计中的液位传感器采用的是光电传感器OPG-01，由一个光接收器和红外LED组成。LED用于发出光线，接收器用于接受发出的光线。当没有液体存在时，LED发出的光经过传感器顶端的棱镜反射，传播到接受器，此时不会触动电动开关。当被测容器中被注入液体时，液体逐渐上升侵入棱镜时，发射的光一部分会被折射到液体中，从而使接受器的接收到的光线就会变少甚至无光。感应这个变化，经过放大器放大信号后，接受器就会打开单元中的电动开关，从而导致外部报警或控制电路工作。3、水温传感器 该系统选用的水温传感器是选择Pt100铂热电阻传感器，它能将温度转化为电流信号，简称为：PT100铂电阻。P100铂热电阻是利用其阻值受温度影响的特点制作而成的， 也即它的工作原理。0下的PT100阻值为100，PT后的标志“100”即表示它在0时的阻值，而在100时它的阻值则变为138.5。4、TB2A-FC氧化锆氧传感器 仪器采用氧化锆管作为氧传感器，其规格为90mm、直径7mm且一端封闭，主要检 测燃烧系统中烟气的含氧量。该传感器包含很多锆管，为传感器的接触装置。在该装置上有许多铂电极，呈多孔状。被测气体通过接触该传感器的取样装置，在TBM氧变送器的控制下，在内加热器中将锆管加热至7350.2，形成氧浓差电池。氧化锆材料例子比较活跃，一经加热会产生很多氧离子空穴，在检测时，当被测气体的氧浓度在由锆管构成的接触装置两侧差距较大时，氧离子空穴会将浓度较高一方氧离子的迁移到较低的一方，这样在电极的两边产生一定电压。浓度差的大小就是产生的相应信号的大小，该信号经过放大器的放大后可以被PLC所采集。根据能斯特方程，该电压与氧浓差关系如下： 式中：E 为锆管电压（mV）， T 为锆管绝对温度（K）， C 为锆管本底电势（mV） 上式可见，当锆管温度T固定不变时，锆管的一侧通入大气时，锆管电压E表示的是被测气体的含氧浓度。河南城建学院本科毕业设计(论文) 供暖锅炉控制系统的软件设计 第5章 供暖锅炉控制系统的软件设计 硬件设计和软件设计是系统设计两大主要部分，本节详细介绍供暖锅炉的软件设计，主要包括软件设计的基本原则、方法，并对STEP7-Micro/WIN的使用进行简单的介绍，同时对程序设计进行详细的分析。5.1 PLC程序设计的基本原则和方法 软件设计的人主要目标是完成系统的工艺流程，符合系统的控制要求，满足系统所具有的各项功能，且方便操作，适合所选的硬件。面对各种各样的应用系统，不管设计的控制系统工艺要求如何复杂或如何简单，设计人员都要遵一下基本设计原则:(1) 对CPU外围设备的管理，由系统自身完成，设计人员不必再进行处理；(2) 保证信号的输入输出操作的统一性，确定各个信号在一个周期内具有唯 一的状态；(3) 由于CPU在每个周期内，对于一些窗口服务都要固定的进行，从而会占 用一定的机器时间，所以不能无限制的缩短CPU的周期时间； CPU周期 扫描时间一定要大于定时器时间设定值；(4)用户程序中如果多次对统一参数进行赋值操作，则最后一册操作有效； 在程序设计的过程中，常用的方式有利用经验、功能逻辑等方法。除此之 外好包括先画出继电器控电路，然后将其转换成地形图等手段。5.2 编程软件STEP7-Micro/WIN 概述 基于Windows的STEP7-Micro/WIN 编程软件是由西门子公司专为S7-200系列PLC设计开发，它供用户开发编程使用,功能十分强大，可以实时监控用户程序的执行状态。5.2.1 STEP7-Micro/WIN 简单介绍 以STP7-Micro/WIN创建程序，为接通STEP7Micro/WIN，可双击STEP7-MIcro/WIN的图标，如图5-1所示，在项目窗口中，用户可以进行程序的设计，编译。左侧浏览条列出了许多不同编程特性的窗口按钮，用于访问程序的不同属性，如符号表，指令表等。用户在编程过程中所需的各指令在左侧指令树都可以找到，用户可以根据需要在指令树中调用。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的底部按标签显示。图 5.1 STEP7-Micro/WIN项目窗口本项目中我们利用 STEP7-Micro/WIN V4.0 SP5编程软件，其界面如图5-1所示。项目包括的基本组件：符号表、程序块、通信、系统块、符号表、状态表等。 5.2.2 计算机与PLC的通信 为了实现计算机和PLC的通信，需要在STEP7-Micro/WIN 中设置器其通信属性：首先，双击左边的“通信”图标，将出现“通信”对话框，也可从“查看”中选择“组件”中的“通信”，同样能打开上述对话框，如图5.2。在与S7-200连接通信之前，首先要在对话框中设置远程地址，在本系统中选择的是默认的值“2”，此即为与S7-200通讯的地址。双击右侧对话框中“双击刷新”蓝色图标，编程软件将会自动搜索网络中已经连接上的PLC，并显示搜索到的PLC的具体型号。此时表示已经通信成功，选择右下角的“确认”即可。图5.2 PLC通信窗口5.3 PID指令向导 PID控制程序中的过程变量（PV）为0.001.00之间的标准实数，所以在编程之前首先应该将相关的数据转换符合形式的标准量。PID运算结束之后，由于需要传送给模拟量输出模块，因此要把回路输出的值转换为模拟量形式。本文设计的供暖锅炉控制系统中需要用到四个PID控制程序，且都是用向导生成的，具体步骤就不详细介绍了。5.4 程序设计5.4.1系统主程序： 启动程序，其中I0.0为启动按钮，I0.1为停止按钮。M0.0是中间继电器，控制启停。当按下启动按钮时，M0.0闭合，运行子程序0，进行相关数据采集。同时执行点火装置，点燃炉膛燃料，另外系统运行指示灯点亮，指示系统正常运。该段程序是锅炉水温PID控制，根据水温控制燃料电动阀的开度。首先锅炉水温目标值可有系统自动给定，也可以手动给定。当M11.0打开时，水温目标值处于系统自动给定状态，当室外温度小于0度是，设定水温为90度，当室外温度处在大于0度小于10度时，设定水温为60度，当室外温度大于10度时系统停止运行。当M11.0