PLC控制在锅炉燃烧系统中的应用

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 41 页PLC控制在锅炉燃烧系统中的应用摘要锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而锅炉燃烧系统的有效控制是保证供气压力稳定、燃烧过程经济及运行安全可靠的重要保障，要实现锅炉燃烧系统的有效控制，必须根据锅炉负荷不断调节燃料量与送风量来保证燃烧所供热负荷与外界使用并达到经济燃烧，此时炉膛负压必随之变化，调整引风量以适应之。由于锅炉的燃烧是一个复杂的过程，各调节参数(如燃料量、送风量、引风量)和被调节参数(如蒸汽压力、烟气含氧量、炉膛负压)之间存在着错综复杂的关系，它们又受燃料品质及运行状况等干扰的影响，因此仅靠传统的人工调节方式无法达到燃烧工况的要求。而且各人水平、经验也参差不齐，适应不了生产工艺和现代企业管理的要求。本设计阐述了应用PLC对锅炉燃烧系统进行自动控制，通过对PLC控制原理及燃烧控制方案的分析，认为应用PLC控制系统对传统工业锅炉燃烧控制进行改造，对于企业节能降耗，提高锅炉运行安全可靠性，减少运行人员劳动强度和用工人数，提高锅炉运行整体管理水平大有好处。关键词：工业锅炉；PLC自动控制；节能降耗PLC control in the application of boiler combustion systemAbstractThe problem about boiler of modeling and control has been the focus of attention. And the combustion system effective control is to guarantee the supply pressure stability, combustion economic and safe and reliable running. To implement an efficient combustion system control, we must constantly adjusting boiler fuel consumption and air supply under load to ensure that the heating load with the outside world to use and economical combustion. Furnace pressure will change with time, adjusting the air volume to meet the guidelines. As the combustion of boiler is a complex process. And there are a complex relationship between the adjustment parameters (such as fuel consumption, air supply, air flow lead) and the adjustable parameters (such as steam pressure, oxygen content in the flue gas, furnace pressure). They are also affected by fuel quality and the health effects of such interference, so only on the traditional manual adjustment mode does not meet the requirements of the combustion conditions. And peoples level, experience recognizing, adapt the production process and the requirements of modern business management. The article gives the PLC on system for automatic control. Through the PLC control principles and combustion control methods, we argue that the transform of PLC control system on the traditional industrial combustion is good at heating energy enterprises, improving the boiler operation safety and reliability, reducing our labor and employment for the operating personnel, increasing the number of overall management of the boiler operation. Key words: industrial boiler, PLC automatic control, energy conservation 目录摘要IAbstractII目录III1 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 锅炉燃烧控制系统的国内外发展现11.2.1 锅炉燃烧控制系统发展简介11.2.2 锅炉燃烧控制策略研究现状21.3 PLC控制在国内外的发展近况21.4 本课题研究内容32 锅炉燃烧系统设计42.1 锅炉的工作过程简介42.2 锅炉燃烧系统简介52.2.1 锅炉燃烧系统工艺52.2.2 锅炉燃烧控制系统要求62.3 锅炉燃烧控制系统设计62.3.1 锅炉燃烧控制系统结构62.3.2 锅炉燃烧控制总体框架72.3.3 燃料子系统设计72.3.4 送风子系统设计82.3.5 引风子系统设计83 锅炉燃烧控制系统硬件部分设计103.1 可编程控制器（PLC）简介103.1.1 可编程控制器（PLC）工作原理103.1.2 可编程控制器的主要特点113.2 可编程控制器（PLC）选型113.2.1 可编程控制器CPU选择113.2.2 模拟量输入/输出扩展模块123.3 PLC及其扩展模块接线123.3.1 PLC I/O地址分配表123.3.2 PLC及其模块接线123.4 变频器133.4.1 变频器基本结构143.4.2 变频器驱动风机原理153.4.3 变频器选择164 锅炉燃烧控制系统软件部分设计174.1 Step7软件简介174.2 PLC系统的软件设计184.2.1 控制算法流程184.2.2 梯形图19结论24致谢25参考文献26附录 梯形图271 绪论1.1 课题研究背景及意义锅炉是工业生产中普遍使用的动力设备，是能源转换的重要工具。我国锅炉应用面宽，投运数量多，耗用一次能源大。锅炉运行的好坏，对于节约能源、保护环境等有着重大的社会经济效益。进入21世纪以来，与人类生存和社会发展密切相关的能源和环保问题得到了人们的广泛关注。目前，我国每年用于锅炉燃烧的煤炭约为9000万吨，占总产量的70%。面对日趋减少的有限煤炭资源和日益增长的供热、供电市场需求之间的矛盾，除去统筹规划废热供热，寻求新的供热能源以外，采用先进的锅炉燃烧控制技术，提高锅炉换能效率成为摆在致力于热力生产研究的众多学者面前的艰巨任务。长期以来，受行业偏见等因素的影响，人们对锅炉自动控制在国民经济中的地位认识不足、资金投入不够，致使其工艺设备研究发展缓慢、管理手段陈旧、自动化水平停滞，甚至多数部门仍停留在二十世纪五、六十年代的手工经验操作的水平上，乃至于目前我国的工业锅炉能源效率仅相当于西方发达国家的80%，这是我国能源消耗强度(能耗/1000美元GDP)居高不下、环境污染严重的重要原因之一。我国的燃煤锅炉，特别是用于供热的工业锅炉效率低下是不争的事实。如能在短时间内把我国的锅炉效率提高到西方发达国家的水平，仅供热行业一项，每年将有数百亿元的经济效益，不仅经济效益巨大，而且也为实现国民经济的可持续发展战略提供了必要支撑，具有巨大的社会效益。近年来，随着能源与环保意识的增强，我国锅炉生产现状已经引起一些致力于行业发展的有关学者和部门的高度重视，工业锅炉燃烧过程控制的理论与应用研究，已成为能源和控制领域的热点课题1。1.2 锅炉燃烧控制系统的国内外发展现1.2.1 锅炉燃烧控制系统发展简介锅炉燃烧系统的自动化控制经历了人工手动控制、三十到四十年代单参数仪表控制，四十到五十年代单元组合仪表、综合参数仪表控制，直至六十年代兴起的计算机过程控制几个阶段。尤其是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不断增强，价格的大幅度下降，使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。在国外，锅炉的控制已实现了计算机全程自动化控制，在控制方法上采用了现代控制理论中最优控制、多变量频域控制、模糊控制、人工神经网络控制等方法，因此，锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。自1975年，世界上第一个分布式控制系统美国Honeywell公司的TDC-2000问世以来，发达国家已研制出许多先进的工业锅炉计算机控制系统，从而逐步取代常规仪表而进入工业锅炉控制行业。在国内，由于经济、技术条件的限制，我国中小企业锅炉设备水平一直比较落后，大多数中小型锅炉水平基本上停留在手工和简单仪表操作的水平。80年代中后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制以来，锅炉的计算机控制得到了很大的发展。至90年代，锅炉的自动化控制已成为一个热门领域，利用单片机、可编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，已逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，并向与新建炉体配套的方向发展，许多新的控制方法，诸如最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等自动控制的最新成果也在锅炉自动控制系统中得到了尝试和应用。1.2.2 锅炉燃烧控制策略研究现状锅炉在运行过程中常会出现各种各样的问题，比如燃烧效率偏低、燃烧稳定性差、结渣、烟温偏差、管道爆漏等，直接影响锅炉运行的安全性与经济性，这些问题发生的原因在很大程度上都与运行中对锅炉燃烧工况的控制有关系。由此可见，对锅炉燃烧控制的优劣，在很大程度上决定着锅炉运行的好坏。在锅炉燃烧控制策略中，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其控制算法简单、鲁棒性强和可靠性高被业界广泛应用，且在许多工业控制场合都得到了较好的控制效果。在现阶段，PID控制仍然是锅炉燃烧系统的主流控制方法。1.3 PLC控制在国内外的发展近况20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。1.4 本课题研究内容本文通过分析锅炉燃烧控制系统的工艺，将锅炉燃烧控制系统简化为三个相对独立的子系统：燃料控制子系统、送风控制子系统、引风控制系子系统。根据PLC的自动控制，通过变频器控制炉排机、送风机、引风机的转速，完成对锅炉燃烧的经济安全控制，并通过MATLAB进行仿真，可以发现使用PLC的自动控制，可以实现节约能源、保护环境的控制要求。2 锅炉燃烧系统设计2.1 锅炉的工作过程简介锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备。其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能，或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式，长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(气压、气温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图2.1所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水，然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。图2.1 锅炉的汽水系统 “炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。经上介绍，锅炉系统的主要包括汽鼓水位控制系统、过热蒸汽温度控制系统、锅炉燃烧控制系统等。其主要工艺流程如图2.2所示：1燃烧嘴；2炉膛；3汽包；4减温器；5炉墙；6过热器；7省煤器；8空气预热器图2.2 锅炉主要工艺流程图2.2 锅炉燃烧系统简介2.2.1 锅炉燃烧系统工艺为保证锅炉能正常而经济的运行，在锅炉燃烧过程中，应保持燃料量、送风量及引风量间的比例关系基本不变。这三个控制量会引起三个被控制量：气压、烟气中的含氧量及炉膛负压的变化。其变量间的关系如图2.3所示。显然，这是一个3X3的耦合对象，应采用解耦设计，经解耦后，锅炉燃烧控制系统可看作三个相对独立的子系统：燃料控制子系统、送风控制子系统及引风控制子系统。图2.3 锅炉燃烧过程变量耦合关系2.2.2 锅炉燃烧控制系统要求（1）当锅炉负荷改变而引起气压变化时，应使燃料量、送风量及引风量协调成比例的改变，保证主气压力、烟气含氧量、炉膛负压恒定。 （2）当锅炉负荷不变时，燃料量、送风量、引风量均应保持不变；在可能发生的自发性内部扰动时，应能迅速予以消除。2.3 锅炉燃烧控制系统设计2.3.1 锅炉燃烧控制系统结构为了达到锅炉燃烧控制系统的要求，并列运行的锅炉三个子系统的结构如图2.4所示。显然，此时的燃料子系统采用串级控制方式，送风子系统是具有氧量校正环节的串级控制系统。系统的意义如下：当主气压力改变时（这是由于蒸汽负荷改变引起的），要求主调节器的输出信号改变，以改变燃料量、送风量；燃料调节器及送风调节器本身的负反馈信号说明，当主气压力没有发生变化时，若锅炉的燃料量或送风量发生了自扰，则应自行迅速地予以消除；烟气含氧量调节器对送风量进行校正2-4。图2.4 锅炉燃烧控制系统结构在目前的燃煤锅炉中，燃料调节器中已采用热量信号代替燃料量的测量值，图中，热量信号，其中：蒸汽负荷，为汽鼓热容，为汽鼓压力。2.3.2 锅炉燃烧控制总体框架燃烧过程自动控制系统的方案，与锅炉设备的类型、运行方式及控制要求有关，对不同的情况与要求，控制系统的设计方案不一样。将单元机组燃烧过程被控对象看作是一个多变量系统，设计控制系统时，充分考虑工程实际问题，既保证符合运行人员的操作习惯，又要最大限度的实施燃烧优化控制。控制系统的总体框架如图2.5所示。图2.5 锅炉燃烧控制系统总体框架2.3.3 燃料子系统设计当外界对锅炉蒸汽负荷的要求变化时，必须相应的改变锅炉燃烧的燃料量。燃料量控制是锅炉控制中最基本也是最主要的一个系统。因为给煤量的多少既影响主汽压力，也影响送、引风量的控制，还影响到汽包中蒸汽蒸发量及气温等参数，所以燃料量控制对锅炉运行有重大影响。燃料控制可用图2.6简单表示。图2.6 燃料控制子系统设置燃料量控制子系统的目的之一就是利用它来消除燃料内部的自发扰动，改善系统的调节品质。另外，由于大型机组容量大，各部分之间联系密切，相互影响不可忽略。特别是燃料品种的变化、投入的燃料供给装置的台数不同等因素都会给控制系统带来影响。燃料量控制子系统的设置也为解决这些问题提供了手段。2.3.4 送风子系统设计为了实现经济燃烧，当燃料量改变时，必须相应的改变送风量，使送风量与燃料量相适应。燃烧过程的经济与否可以通过剩余空气系数是否合适来衡量，过剩空气系数通常用烟气的含氧量来间接表示。实现经济燃烧最基本的方法是使风量与燃料量成一定的比例。烟气氧含量是锅炉燃烧系统燃料量与鼓风量是否合适的一个指标。一般用空气过剩率，即风煤比来衡量燃烧效率。空气过剩率是通过分析烟气中的氧含量来设定的，锅炉烟气氧含量一般为4%，相应的空气过剩率在1.021.10时，燃烧效率最高。当鼓风量或燃煤质量发生变化时，烟气中过剩空气量以及烟气中的氧含量要发生变化，那么锅炉的热效率也将会受到影响。为了使锅炉的热效率保持在最佳值，可以通过氧化锆传感器来测量烟气中的氧含量，将氧化锆传感器的输出作为鼓风调节器的输入信号来校正鼓风量，以保证燃烧的经济性。送风控制可用图2.7表示。2.3.5 引风子系统设计为了保持炉膛压力在要求的范围内，引风量必须与送风量相适应。炉膛压力的高低也关系着锅炉的安全和经济运行。炉膛压力过低会使大量的冷风漏入炉膛，将会增大引风机的负荷和排烟损失，炉膛压力太低甚至会引起内爆；反之炉膛压力高且高出大气压力的时候，会使火焰和烟气冒出，不仅影响环境卫生，甚至可能影响设备和人生安全。引风量控制子系统的任务是保证一定的炉膛负压力，且炉膛负压必须控制在允许范围内，一般在-20Pa左右。控制炉膛负压的手段是调节引风机的引风量，其主要的外部扰动是送风量。作为调节对象，炉膛烟道的惯性很小，无论在内扰和外扰下，都近似一个比例环节。一般采用单回路调节系统并加以前馈的方法进行控制，如图2.8所示。图2.7 送风控制子系统图2.8 引风控制子系统3 锅炉燃烧控制系统硬件部分设计3.1 可编程控制器（PLC）简介3.1.1 可编程控制器（PLC）工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停止状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。1、输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。在此输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。2、程序执行根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。对每个器件来说，器件映像寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。 3、输出处理 程序执行完毕后，将输出映像寄存器，即器件映像寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载5,6。3.1.2 可编程控制器的主要特点1、编程方法齐全，简单易学。PLC的编程语言一般有梯形语言、指令程序、逻辑功能图、顺序功能图、高级语言(如BASIC、C语言、FORTRAN语言等)，最常用的是梯形图编程语言。梯形图语言配合顺序功能图，既可以写成指令程序由编程器输入，又可以与计算机联网，直接在计算机上编程。它实际上是一种面向控制过程和操作者的“自然语言”，比任何一种计算机语言都好学易懂。2、使用和维护方便。3、功能完善，应用灵活。4、可靠性高，抗干扰能力强。5、设计施工周期短，安装方便。3.2 可编程控制器（PLC）选型3.2.1 可编程控制器CPU选择根据锅炉燃烧系统工艺，本控制系统中PLC需有五个模拟量输入：蒸汽压力、烟气含氧量、炉膛负压、热量信号、送风量信号；三个模拟量输出：炉排电机频率、鼓风机频率、引风机频率；数字量输入十二个：燃烧系统启动/停止、炉排机启动/停止、鼓风机启动/停止、引风机启动/停止、故障急停（炉排机故障、鼓风机故障、引风机故障）、手/自动切换；数字量输出十个：系统接触器QA0及其指示灯引、引风机接触器QA1及其指示灯、鼓风机接触器QA2及其指示灯、炉排机接触器QA3及其指示灯、手/自动切换指示灯、万能断路器QA4及其指示灯、引风机故障指示灯、鼓风机故障指示灯、炉排机故障指示灯、超限报警指示灯。需五个PID控制回路。故选西门子 PLC S7-200 CPU224并扩展EM231模拟量输入模块，EM232模拟量输出模块，EM235模拟量输入/输出模块。西门子 PLC S7-200 CPU224集成14 输入/10 输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器7。3.2.2 模拟量输入/输出扩展模块1、EM231模拟量输入模块：2路模拟量输入。2、EM232模拟量输出模块：2路模拟量输出。3、EM235模拟量输入/输出模块：4路模拟量输入、1 路模拟量输出。3.3 PLC及其扩展模块接线3.3.1 PLC I/O地址分配表根据以上分析，分配I/O如表3.1所示。表3.1 I/O地址分配表I/O地址代表意义I/O地址代表意义I0.0系统启动按钮AIW6热量信号输入I0.1系统停止按钮AIW8送风量输入I0.2引风机启动按钮Q0.0系统接触器QA0及其指示灯I0.3引风机故障Q0.1引风机接触器QA1及其指示灯I0.4引风机停止按钮Q0.2鼓风机接触器QA2及其指示灯I0.5鼓风机启动按钮Q0.3炉排机接触器QA3及其指示灯I0.6鼓风机故障Q0.4手/自动切换指示灯I0.7鼓风机停止按钮Q0.5万能断路器QA4及其指示灯I1.0炉排机启动按钮Q0.6引风机故障指示灯I1.1炉排机故障Q0.7鼓风机故障指示灯I1.2炉排机停止按钮Q1.0炉排机故障指示灯I1.3手/自动切换按钮Q1.1超限报警指示灯AIW0蒸汽压力输入AQW0炉排机频率输出AIW2烟气含氧量输入AQW2送风机频率输出AIW4炉膛负压输入AQW4引风机频率输出3.3.2 PLC及其模块接线本设计采用西门子 PLC S7-200 CPU224并扩展EM231模拟量输入模块，EM232模拟量输出模块，EM235模拟量输入/输出模块。其外部接线如图3.1、3.2所示。图3.1 扩展模块外部接线图3.4 变频器为了节约能源，目前在大型锅炉中广泛采用变频调节，变频调整是一种高效的交流调整方法，它利用变频器实现了异步电动机的无级变速，锅炉控制采用变频调整是节能的有效途径。锅炉的应用面很广，应用量也很大。在化工、炼油、发电、造纸、制糖、化纤、纺织、印染等工业部门，锅炉是必不可少的重要的动力设备。锅炉风机一般按满足锅炉最大负荷设计选型，而正常工作却在额定负荷的70左右，因此，风机驱动电机的裕量较大，节电潜力很大。锅炉风机的风量调节常用风门控制，即增加管路阻力，而驱动电机全速运转，其效率低、能耗大，大量电能被白白浪费掉，采用变频调整调节风量，不需要风门，管路阻力减少，系统所需风量减少，电机转速可以降低，由于电机的轴功率与转速的立方成正比，因此耗电量大幅度下降，节能效果是十分显著的。图3.2 PLC外部接线图3.4.1 变频器基本结构 变频器结构如图3.3所示。图3.3 变频器基本结构1、变频器的主电路(1)电力电子开关器件：电力半导体器件已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管(GTO)，巨型晶体管(GTR)，功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)；LJ代表的功率集成器件(PDI)，以智能化功率集成电路(SPIC)，高压功率集成电路H(VIC)为代表的功率集成电路(PIC)等三个发展时期。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到PID，PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。在器件的控制模式上，从电流型控制模式及发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极(栅极)的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率不断提高。在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。(2)整流电路：一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。(3)逆变电路：逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为l，因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来对异步电动机的调速控制。2、变频器的控制电路变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制及完成各种保护功能8-10。3.4.2 变频器驱动风机原理风机属于典型的平方转矩负载类型设备，其功率，压力，风量，风机的额定转速满足以下关系(相似定理)。 则 则 则式中：，风机的额定转速、风量、风压和轴功率；，调速后风机的额定转速，风量，风压和轴功率。由此可见，风量与风机的额定转速成正比，风压与风机额定转速的平方成正比，轴功率与风机额定转速的3次方成正比。异步电动机的转速公式如下式： 式中：电机的转速；电源频率；转差率；异步电动机极对数。可以看出，电机的转速与电源频率成正比。故改变电源频率就可改变电机(风机)的转速，进而进行风量的调节。3.4.3 变频器选择变频器选用富士(FUJI)的FRENIC 5000G11S/P11S变频器，该类变频器具有动态转矩矢量控制，能配合负载实现最短时间内平稳地加减速，在0.5能输出200%高起动转矩（22），30以上为180%，低转速(1)运行时转速脉动很小。另外，其优良的环境兼容性、针对风机水泵的独特的节能设计、较强的保护功能、丰富的维护功能、低噪音、方便适用的电气接口、较高的性价比，都使其成为首选。本系统中，炉排变频器采用FRN1.5G11S-4CX型，鼓风机(一次风机)变频器采用FRN22P11S-4CX型，引风机变频器采用FRN55P11S-4CX型。4 锅炉燃烧控制系统软件部分设计4.1 Step7软件简介本锅炉燃烧控制系统中的控制软件使用两门子STEP7软件开发，STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包。STEP7中集成的SIMATIC编程语言和语言表达式符合EN611313或IECll313标准。标准软件包运行再操作系统Windows下并与Windows的图形对象和面向对象的操作原则相匹配。标准软件包的功能：标准软件支持自动任务创建过程的各个阶段。STEP7标准软件包提供了一系列的应用工具：SIMATIC管理器、符号编辑器、NETPRO通讯组态、硬件组态、编程语言(包括LAD，FBD，STL)和硬件诊断，使用时无需分别打开各个工具：当选择相应功能或打开一个对象时它们会自动启动。1、SIMATIC管理器SIMATIC Manager管理属于一个自动化项目的所有数据，无论是为那个可编程控制系统设计的。编辑所选数据由SIMATIC Manager自行启动。SIMATIC管理器具有建立Project、硬件组念及参数设置、组态硬件网络、编写程序和编辑、调试程序等功能。2、符号编辑器使用符号编辑器可以管理所有的共享符号。具有以下功能；(1)为过程信号(输入/输出)、为存储和块设定符号名和注释；(2)分类功能；(3)从其它的Windows程序导入/导出。用这个工具生成的符号表提供所有其它工具使用。因而对一个符号特性的任何变化都能自动被其它工具识别。3、组态硬件使用这个功能可以为自动化项目的硬件作组态和参数赋值。具有以下功能：(1)组态可编程控制器，从电子目录中选择一个机架并在机架中将选中的模板安排在所需要的槽上；(2)组态分布式I/O与组态中央I/O一致，也支持以通道为单位的I/O；(3)在给CPU赋值参数的过程中可以通过菜单的指导设置属性。比如，启动特性和循环扫描时间监控。支持多处理方式，输入的数据保存在系统数据块中；(4)在相模板作参数赋值过程中，所有可以设置的参数都是用对话框来设置的； (5)功能模板(FM和通讯处理器CPS)的参数赋值与其模板的方法一样，也是在硬件组态工具中完成的。4.2 PLC系统的软件设计4.2.1 控制算法流程1、报警设计在锅炉控制中，为保证锅炉安全运行，在某一机构发生故障时，要有即时报警和相关保护，并触发与之关联的设备实现自动连锁。锅炉运行要求的连锁动作大体有以下几项：（1）鼓风电机要求当引风电机停止、炉排电机停止、蒸汽总管压力超出上限时，鼓风电机自动停止。启动时，只有引风机启动后才开鼓风机。（2）引风电机蒸汽总管压力超出上限时，引风电机自动停止。（3）炉排电机要求当鼓风电机或引风电机发生故障时，炉排电机立即停止运行。在正常启停时，当鼓风和引风机启动后再开炉排电机，停机时先停炉排电机。2、控制算法流程图根据以上分析，控制算法流程图如4.1所示。图4.1 锅炉燃烧控制系统控制算法流程4.2.2 梯形图根据控制算法流程图，可编写部分程序如下。在系统启动后，首先要对系统进行初始化，本设计程序中主要需对各PI调节器进行设置参数，如图4.2所示。图4.2 初始化控制SM0.1和SM0.0是特殊继电器，SM0.1在首次扫描时为ON，常用做初始化脉冲，在图4.2中，它的作用就是调用初始化子程序。SM0.0始终为ON，对主调节器的参数进行初始化：装入设定值0.5、回路增益0.4、采样时间0.2、积分时间30.0、微分时间15.0（参数可以适时地根据控制对象进行改变）。由报警设计可知：引风机、鼓风机、炉排机应顺序启动和停止（引风机先启动，然后启动鼓风机，最后启动炉排机；停止时，顺序与启动相反）。因此，在控制过程中应使它们能够互锁，如图4.3所示。图4.3 互锁控制网络3中I0.0和I0.1是系统的启动和停止按钮，表示只有在系统运行时，引风机才能启动；I0.2和I0.4是引风机启动和停止按钮，设置了自锁；常闭触电I0.7和I1.2是鼓风机和炉排机的停止按钮，表示只有在鼓风机和炉排机均停止时，引风机才能停止。网路5中常开触电Q0.1表示当引风机启动后，鼓风机才能启动，常闭触点I1.2的连接表示鼓风机需在炉排机停止后才能停止，I0.5是鼓风机的启动按钮，设置了自锁。网路7中常开触点Q0.1和Q0.2表示当引风机和鼓风机启动后，炉排机才能启动。在s7200编程过程中，应注意到输入的数据应先标准化，同理输出时也应逆标准化，如图4.4所示。图4.4 标准化控制网络9实现的功能是将PID回路输入量转换并归一，应用I_DI模块采样模拟量（主气压力）并将其转化成双整数送入累加器AC0中，应用DI_R模块将其转化成浮点数，除以32000.0（单极性）将其标准化并送入VD0中。网路24实现的功能是将回路控制输出转换为按工程量标定的整数值，应用MUL_R模块将控制量转化成实际值，再转化成双整数，最后转化成整数并送入AQW4中。为了锅炉燃烧过程的安全与经济，需要判断电机是否故障、主气压力和炉膛负压是否超限，如图4.5、4.6所示。ATCH为中断连接模块，将一个中断事件和一个中断程序建立连接，Q0.5是万能断路器的接触器，不管电机故障还是工程量超限，都会调用中断程序，使万能断路器动作，切断电源，使系统停止运行，方便检查故障，当故障排除后，手动给电，使系统重新正常运行。图4.5 电机故障中断控制判断工程量在可控范围内后，便可以进行自动或手动控制，如图4.7所示。I1.3为自动控制按钮，当系统处于自动状态时，PID回路被调用，回路表的起始地址TBL为VB指令的字节型数据，回路号LOOP是07的常数，不同的PID回路指令不能使用相同的回路号，否则会产生意外的后果。本设计中主PID调节器起始地址为VB0，回路号为0，以后的调节器回路号均不同。图4.6 超限中断控制图4.7 PID调节控制本设计所编写详细程序见附录。结论本设计系统介绍了工业锅炉燃烧过程的基本工艺，分析了锅炉燃烧系统的控制任务，设计了锅炉燃烧系统的控制方案。并在此基础上，介绍了PLC和变频器的特点和基本原理，实现本设计方案所需的硬件构成。基于这些硬件设计了实现该方案的软件部分。从而对锅炉燃烧过程中主蒸汽压力、烟气含氧量、炉膛负压进行控制，保证锅炉安全、经济的运行。通过本设计可以得出以下结论：工业锅炉燃烧系统是个比较复杂的系统，用传统的人工控制方法对其进行控制具有一定的弊端，采用基于PLC的PID控制器对其进行控制，可以随时改变控制参数，从而改善系统的动态响应过程，响应速度快，超调减小，而且能够消除误差积累，提高稳态精度。对于提高燃烧系统的燃烧效率，实现经济燃烧有实用价值。锅炉运行过程的自动控制，是科学技术发展的必然趋势，是生产中的一项重要的技术改革。通过自动控制，彻底改变了原来落后的锅炉控制状态，使能源合理地分配使用，保证生活生产所需要的蒸汽(热水)，充分发挥能源的效能，促进国民经济的迅速发展。致谢在设计完成之际，我要特别感谢我的指导老师杨玉杰老师，由于我个人理论水平还有待提高，难免有许多考虑不周全的地方，但因为有了杨老师的督促指导使得我的论文得以顺利的接近尾声了。杨老师渊博的专业知识、深厚的学术素养、严谨的治学态度、精益求精的工作作风、诲人不倦的高尚师德对我影响深远，也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作，使我终身受益。在此，谨向杨老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！ 并祝愿她身体健康，全家幸福！ 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。 最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢！ 参考文献1 赵饮新.工业锅炉安全经济运行M.北京：中国标准出版社，2003：42-56.2 蒋慰，孙愈金.过程控制工程M.北京：中国石化出版社，1999:156-158.3 张亮明.工业锅炉自动控制M.北京：中国建筑工业出版社，1987：20-65.4 邵裕森，巴筱云.过程控制系统及仪表M.北京：机械工业出版社，1999：271-273.5 王永华.现代电气控制及PLC应用技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2008：98-315.6 张进秋，陈永利，张中民.可编程控制器原理及应用实例M.北京：机械工业出版社，2003.7 袁任光.可编程序控制器选用手册M.北京：机械工业出版社，2002.8 冯垛生.变频器实用指南M.北京：人民邮电出版社，2006：6-45.9 韩安荣.通用变频器及其应用M. 北京：机械工业出版社，2002.10 魏连荣.变频器应用技术及实例解析M.北京：化学工业出版社，2008.11 Dai Wenjin，Zhang WeiguoSpecialized English For AutomationMWuhan：Wuhan Institute of Technology Publishing House，2005，158-16012 李遵基.热工控制系统M.北京：华北电力大学，1997.附录 梯形图主程序： 子程序： 中断程序：