1、目 录 摘要 . 1 第 1章 概 述 . 2 1.1 项目背景及课题的研究意义 . 2 1.2 供暖锅炉控制的国内外研究现状 . 3 1.3锅炉控制系统的发展趋势 . 5 第 2章 系统方案设计 . 6 2.1锅炉控制研究简介 . 6 2.2 总体设计思路 . 7 第 3章 硬件设计 . 7 3.1 用户系统框图 . 7 3.2 锅炉系统的理论分析 . 9 3.2.1变频调速基本原理 . 9 3.2.2变频调速在供暖锅炉中的应用 . 9 3.2.3变频调速节能分析 . 10 3.3燃烧过程控制 . 15 3.4锅炉控制系统设计 . 15 3.5控制系统构成介绍 . 17 第 4章 软件设计
2、. 20 4.1 S7-300系列 PLC简介 . 21 4.2 PLC编程语言简介 . 22 4.2.1 PLC编程语言的国际标准 . 22 4.2.2复合数据类型与参数类型 . 23 4.2.3系统存储器 . 24 4.2.4 S7-300 CPU中的寄存器 . 25 4.3 STEP7 的原理 . 26 4.3.1 STEP7概述 . 26 4.3.2 硬件组态与参数设置 . 27 1 4.3.3 符号表 . 29 4.3.4 逻辑块 . 30 4.3程序设计 . 31 4.4通信系统 . 32 4.5人机界面 . 34 4.5.1监控软件 WinCC介绍 . 34 4.5.2监控系统设
3、计 . 35 4.5.3锅炉监控界面设计 . 38 第 5章 结 论 . 40 5.1 成果的创造性和先进性 . 40 5.2作用意义（经济效益和社会意义） . 40 5.3 推广应用范围和前景 . 41 5.4 需要进一步改进之处 . 41 参考文献 . 42 致谢 . 44 附录 . 45 附录 1 程序清单 . 46 附录 2 I/O点数分配表 . 65 附录 3 物理参数比较表 . 67 摘 要 随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，以及人们生活水平的不断提高，对城市生活供暖的用户数量和供暖质量提出了原来越高的要求。结合现状，本论文供暖锅炉监控系统，设计了一套基于 PLC和变
4、频调速技术的供暖锅炉控制系统。 该控制系统以一台工业控制机作为上位机，以西门子 S7-300可编程控制机为下位机，系统通过变频器控制电机的启动，运行和调速。上位机监控采用 WinCC设计，主要完成系统操作界面设计，实现系统启停控制，参数设定，报警联动，历史数据查询等功能。下位机控制程序采用西门子公司的 STEP7编程软件设计，主要完成模2 拟量信号的处理，温度和压力信号的 PID控制等功能，并接受上位机的控制指令以完成风机启停控制，参数设定，循环泵的控制和其余电动机的控制。 本文设计的变频控制系统实现了锅炉燃烧过程的自动控制，系统运行稳定可靠。采用锅炉的计算机控制和变频控制不仅可大大节约能源，
5、促进环保，而且可以提高生产自动化水平，具有显著的经济效益和社会效益。 关键字： 锅炉控制 变频调速 组态软件 PLC 第 1 章 概 述 1.1 项目背景及课题的研究意义 工业锅炉是工业生产和集中供热过程中重要的动 力设备。水暖锅炉在我国已有近百年的历史，在过去很长一段时间，我国水暖锅炉控制一直都是人工手动控制。随着我国人民生活水平的稳步提高和城市化建设的步伐加快，建筑业在国民经济中的重要性日益凸显。而对新型采暖设备的需求量也呈全面迅猛增长的态势。虽然近年来，电热采暖、地热采暖悄然进入寻常百姓家，但以水暖锅炉进行采暖仍是我国最为普遍使用的冬季采暖方式。 工业锅炉能耗巨大，每年的耗煤量超过上亿吨
6、，占我国原煤产量的三分之一，提高其生产效率不仅具有可观的经济效益，还有重要的环保意义。但是我国目前运行的大多数锅炉系统控制水平不 高，效率普遍低于国家标准，操作工人水平参差不齐，经常是凭感觉和经验去操作，长期使锅炉处在能耗高、环境污染严重的生产状态。据有关资料显示，世界 85%的人口正陆续进入工业化阶段，全球性的人口、资源、环境矛盾尖锐，使我国的现代化面临严峻的挑战，即使国际市场能够弥补中国资源的不足，生态和环境破坏的沉重代价也难以承受。 工业锅炉生产效率会受到诸多因素的影响。炉体本身的生产状况是影响锅炉产热效率的重要因素，但是国内很多供热单位的锅炉炉龄较长、生产状况远低于设计标准，要彻底的更
7、新换代，需要很大的投资，这是大多数的供热单位 不能承受的，也不符合我国现在的基本国情。然而锅炉设备是一个复杂的控制对象，作为一个长期运行的设备，其控制系统的优劣也是影响锅炉生产效率的重要因素。应用计算机3 技术对锅炉生产过程的相关环节进行自动化控制，能够有效地提高锅炉运行可靠性和生产效率。实际表明，应用于 2030 吨 /时中压锅炉的 DMC 一 50 系列微机控制系统，经实测节煤率达 5%以上。工业锅炉的耗煤产汽既是一个能源转换过程，又是一个生产过程，对于由多个锅炉控制站组成的锅炉群系统，利用网络技术对整个生产过程进行集中监控管理，对生产数据进行记录、统计、分析，将统 计分析的各种数据及时发
8、布给相关的部门，如厂领导、调度室、工段室、技术室等有着重要的意义。利用先进网络技术，构建一个由现场控制层、显示操作层和信息管理层组成的集成自动化系统可以使企业生产和管理有机地结合起来。通过现代信息化技术改造，提高整个供热单位的管理水平，管控结合，奖优罚劣，充分调动工作人员的责任心和积极性，通过加强管理提高生产水平，使整个锅炉系统的生产过程处在可达最佳优化状态，可以有效地提高生产效率。 1.2 供暖锅炉控制的国内外研究现状 锅炉的自动化控制从上世纪三、四十年代就开始了，当时大都为单参数仪 表控制，进入上世纪五十年代后，美国、前苏联等国家都开始进行对锅炉的操作和控制的进一步研究。但由于当时科技发展
9、的局限性，对锅炉的控制主要停留在使用汽动仪表 (包括汽动单元组合仪表和汽动基地式仪表 )的阶段，而且大多数锅炉只是检测工艺参数，不进行自动控制。到上世纪六十年代，在发达国家，锅炉的控制主要以电动单元组合仪表 (相当于我国的 DDZ-II, DDZ-III 仪表 )检测与控制，还是以检测报警为主，控制为辅助功能。到了上世纪七十年代，随着计算机技术和自动控制技术理论的发展，使得锅炉的计算机控制成为可能。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。许多发达国家都相继开发出了锅炉计算机控制系统
10、。如 今在 国 外，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，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。在国内，由于经济技术条件的限制，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动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，锅炉的计算机控制得到了很大的发展。至 90年代，锅炉的自动化控制己成为一个热门领域，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，己逐渐用于对原有锅炉的4 技术改造中，并向与新建炉体配套的
11、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中得到了尝试和应用 .但由于控制技术单一，或控制算法的建模往往不能反映真实的锅炉燃烧状况，导致在工程实践中并不怎么成功，不能产生很好的 经济效益，挫伤了用户在工业锅炉上用计算机进行控制的积极性。进入本世纪以来，为了进一步改善锅炉操作状况，降低能耗，确保安全运行，减少对大气的污染，同时随着人工智能理论的发展成熟，智能控制技术的大规模应用，对新一代锅炉计算机优化控制系统的开发和应用已势在必行且条件成熟。 国内供热锅炉燃烧系统自动控制大多在燃油和燃气锅炉上实现的，对于燃煤锅炉，在
12、自动控制研究方面总是得不到满意的效果，存在的主要问题是滞后问题。近几年变频技术在我国的应用领域越来越广，在锅炉控制方面也有应用，主要有三种形式，全自动变频定压；锅炉鼓 、引风机变频控制；循环泵变频控制，对系统进行质调节。三种形式均有独立应用的范例，也有组合应用，但主要是以人工控制为主，节能效果仍然取决于司炉人员的经验，水平和责任意识。 SCADA是英文“ Supervisory Control and Data Acquisition”的缩写，即“监视 控制和数据采集”。 SCADA系统是建立在计算机基础之上的自动化监控系统，它的主要任务是采集和管理各个生产环节的实时生产数据，对生产过程进行监
13、视和 控制，并保存历史数据和故障事件，提供报表输出和计算、分析 SCADA系统作为生产过 程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一，它有两层含义：一是分布式的数据采集系统，即智能数据采集系统，也就是通常所说的下位机；另一个是数据处理和显示系统，即上位机 HMI(HumanMachine Interface，人机界面 )系统，下位机通常是指硬件层上的，即各种数据采集设备，如 RTU(Remote Terminal Unit，远程终端测控单元 )、 PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器 )及各种智能控制设备等等。这些智能采集设备与生产过程和事
14、务管理的设备或 仪表相结合，实时感知设备中各种参数的状态，并将这些状态信号转换成数字信号，通过特定的数字通信网络传递到 HMI系统中；必要的时候，这些智能系统也可以向设备发送控制信号。上位机 HMI系统在接受这些信息后，以适当的形式 (如声音、图形、图 像等方式 )显示给用户，以达到监视的目的，同时数据经过处理后，告知用户设备各种参数的状态 (报警、正常或报警恢复 )。这些处理 后的数据可能会保存到数据库中，也可能通过网络系统传输到不同的监控平台上，还可能与别的系统 (如 MIS、GIS)结合形成功能更加强大的系统， HMI还可以接受操作人员的 指令，将相应的控5 制信号发送到下位机中，以达到
15、控制的目的。一个完善的 SCADA系统的建立，依托于高精度、智能化的一次仪表获取信息，准确无误的通讯手段传输数据和高效快捷的计算机处理能力。 SCADA系统所涉及到的技术比较广泛，有仪表技术、检测技术、通讯技术、网络技术等。 SCADA系统一般由企业生产调度指挥中心、分厂测控站、管网测压点等组成。它所具有的功能一般包括：数据采集控制功能，数据传输功能，数据显示及分析功能，报警功能，历史数据的存储、检索、查询功能，报表显示及打印功能，遥控功能，网络功能等。 1.3 锅炉控制 系统的发展趋势 随着国民经济的飞速发展，对供暖系统的自动化提出了更高的要求。必须对现有系统的控制和管理进行改造和完善，从落
16、后的人工抄表、手工记录方式向自动化检测和控制方向发展。采用现代化技术和手段，对系统运行参数 (如循环水水温、管网水压和水流量、水箱水位以及水泵的运行状态等 )实施自动化监测和控制管理，从而降低系统的运行成本，提高效率，保证设备安全，带来可观的经济效益和潜在的社会效益。这对提高供暖系统的运行可靠性、提高产品质量、保证安全生产、提高管理水平和减员增效具有重要意义。以往的供暖系统，由于热源传送距离 较远，需监测和控制的点较多，且这些点在空问上布置分散，从而造成了人工劳动强度大，控制不及时等问题。而集中了 PLC系统的现场测控功能和 DCS系统的信息共享和组网通信能力两大优点的 SCADA系统 (Su
17、pervision ControlAnd Data Acquisition)，即分布式数据采集和监控系统是自动化领域的重要系统之一， SCADA系统可实现多点测量，且测控精度高，测控速度快，采用此种系统对整个供暖过程进行监控既可以保证生产过程运行的安全可靠，节约能源，又可大大减轻人工的劳动强度。同时在软件设计上可采用 通用的工业控制组态软件，根据系统的实际情况进行灵活的优化配置。 当前，节能与环保已成为人类社会面对的两大课题。我国的锅炉目前已煤为主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一，燃用的主要是中低质煤，工业污染十分严重，而且锅炉设备陈旧，生产效率和自动化程度低，进一步加重了环境污染的程度
18、。在欧美和日本等发达国家，石油和天然气已成为第一能源，占能源消费的 60%左右，燃油和燃气锅炉已逐步取代燃煤锅炉，对风机和水泵等电机的变频控制已相当成熟。自二十世纪九十年代以来，随着超大型可编程控制器的出现和模糊控制，自适应控制等 智能控制算法的发展以及智能控制器的应用，锅炉控制水平大大提6 高，以实现优化控制国内对锅炉控制的研究起步较晚，始于八十年代初期。国内研究锅炉控制比较成熟的企业有上海杜比公司，南京仁泰公司等，但仍存在一些问题： 1.大多数现有的锅炉控制系统可控制的主要还是开关量设备，如风机、炉排和水泵的开关或者阀门控制。不能对它们精确连续调节，使控制手段单一，控制精度低。 2.锅炉控
19、制系统的的控制方案不够合理，锅炉控制器一旦出现故障，只能采取系统断电处理，进行人工操作。若锅炉系统中的传感器、变送器等设备出现故障时，温度、压力等参 数就无法达到设定值。 3.我国自七十年代末开始，锅炉的微机控制逐渐成熟起来，但主要是西安仪表显示、报表打印等功能，并未实现锅炉自动控制，下位机主要以单片机为主，控制水平有限，可靠性不够高。 第 2 章 系统方案设计 2.1 锅炉控制研究简介 锅炉是一种应用广泛的工业及民用设备，对国民生产及生活影响重大，无论是工厂、矿山还是在人们的日常生活中我们都可以感受到锅炉对我们的影响。目前我国锅炉使用数目庞大，并且多数锅炉控 制水平不高，大多数锅炉仍处于人工
20、控制状态，不仅操作工人劳动强度大，环境污染严重，运行工况不稳定，而且热效率低，燃料的消耗量大，年耗煤量占我国原煤产量的 1/3，节能潜力大。随着工业的发展，及居民生活区的集中，热力供应量的需求尤其是北方地区居民取暖需求越来越大，锅炉供热的需求持续增高，为了减少劳动强度、提高生产效率、节约能源、净化环境，就需要对锅炉操作运行过程更加严格要求。过去传统的单一人工操作已跟不上时代的发展及工艺控制的要求，计算机在锅炉控制中的作用越来越大，使用计算机加强对锅炉的运行控制，有助于降低维护成 本、便于选择控制方法。且可以提高系统的自动调节及控制水平，可维持稳定的运行工况，保证锅炉经济燃烧。锅炉是一个典型的非
21、线性时变多变量混合系统，过程机理错综复杂，不能建立精确的系统数学模型。若采用传统的控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，很难得到理想控制效果，为生产过程的自动化带来了困难，从而考虑使用一些智能手段来实现控制目标。对其控制算法进行研究，具有比较重要的现实意义。实际中锅炉是以生7 产具有一定压力、温度参数的蒸汽或热水，满足外部对负荷的需求为目的。为满足外部负荷设备的要求，并保证锅炉本体的安全经济运 行，要求自动控制设备具有完善的自动控制功能以及自动检测、自动保护、程序控制等功能。控制系统一般包括给水调节系统和燃烧控制系统等两个主要部分。无论是燃煤，燃油或燃气锅炉，它们的给水控制系统基本相同，主
22、要区别在于燃料燃烧控制系统的结构不同。工业锅炉自动控制的任务主要是维护锅炉的水位、温度、压力、炉膛负压、烟汽含氧量等物理参数在规定的范围内，并能自动适应负荷的变化，从而使锅炉在良好的状况下运行。 2.2 总体设计思路 本文针对供暖锅炉控制系统，设计一套基于变频调速技术的锅炉监控系统。锅炉供暖系统中的风机和水泵通过 变频器来调节电机的转速，通过工控机和可编程控制器对锅炉系统中的鼓风机、引风机、炉排电机、循环水泵实现控制。控制系统以一台工业控制机作为上位机，以西门子 S7-300 可编程控制器为下位机、上位机采用高可靠性的工业控制计算机，通过监控软件完成人机界面及故障报警功能，下位机实现锅炉燃烧系
23、统和管网系统的自动控制，控制水平和硬件可靠性大大提高。 第 3 章 硬件设计 3.1 用户系统框图 系统运行的示意图如图 3-1 所示 . 8 图 3-1 系统运行示意图 由图 3-1可以看出，由输煤装置送入煤斗的原煤 ，直接落在缓缓向前移动的炉排进入燃烧室。在燃烧室中燃烧的空气由炉排下的风机供给。燃料燃烧所产生的高温烟气以辐射放热的方式向燃烧室四周的水冷壁传递热量，然后经防渣管进入对流烟道。对流烟道是由烟墙隔成的。对流烟道中布置有对流管束等受热面。对流管束是与上、下锅筒连在一起的一簇管束，管内的水吸收烟道中的热量而升温。一部分在上锅筒中被加热的高温水进入供水管道。烟气在烟道中冲刷对流管束以及
24、下锅筒放出热量后，进入尾部烟道，然后经引风机和烟囱排入大气。排入大气的烟气温度越低，说明烟气的热量被吸收的越充分，燃料的热能被利用的 程度越高，锅炉的热效率就越高。 出 水 压 力回 水 压 力炉 膛 负 压9 锅炉是个较复杂的调节对象，为保证提供合格温度的热水供取暖需要，生产过程各主要工艺参数必须加以严格控制。锅炉控制系统的基本控制任务和控制要求包括：燃烧控制（炉膛温度控制、炉膛负压控制、引风控制、送风控制）；给水控制（供水运行参数和水压力、供水温度、供水流量等）；以及对各设备状态进行检测，以便进行显示、报警、工况计算以及指标打印等。 3.2 锅炉系统的理论分析 3.2.1 变频调速基本原理
25、 目前，随着大规模集成电路和微电机子技术的发展，变频调速技术已经发展为一项成熟的交流调速技术。 变频调速器作为该技术的主要应用产品经过几代技术更新，已日趋完善，能够适应比较恶劣的工业生产环境，且能提供较为完整的控制功能，能满足各种生产设备、异步电动机调速的要求。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比关系。 n=60f(1-s)/p 其中表示 n 电机转速； f为电动机工作电源频率； s为电机转差率； p为电极磁极对数。 通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理才用交 -直 -交电源变换技术，集电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。 3.2.2 变 频调速在供暖锅炉中的应用 由于变频调速可以实现电机无极调速，具有异步电机调压调速和串级调速无可比拟的优越性，在锅炉系统中得到广泛的应用。变频调速在供热锅炉系统中主要应用在风机调速和水泵调速。 通常在锅炉燃烧系统中，根据生产需要对风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应用户要求和运行工况。而最常使用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调节受控对象。这样，不论生产需求的大小，风机都会全速运转，而运行工况的变化则使得能量以及风门、挡板的节流损失消耗掉。在生产过程中，不仅控
