1、本科毕业设计说明书工业锅炉控制系统设计THEDESIGNOFINDUSTRIALBOILERCONTROLSYSTEM学生姓名学生学号专业名称指导教师独创性声明本人声明所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以引用标注之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，没有伪造数据的行为。毕业设计（论文）作者签名签字日期年月日毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定。同意学校保留并向有关管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权天津城市建设学院可以将本论文的全部或部
2、分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。（保密的毕业设计（论文）在解密后适用本授权说明）毕业设计（论文）作者签名指导教师签名签字日期年月日签字日期年月日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
3、组态MCGS、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；MCGSABSTRACTWITHLIVINGSTANDARDSIMPROVING,THEDEMANDINGOFPEOPLEWI
4、THTHECITYHEATINGQUALITYISBECOMINGSTRICTERCURRENTLY,THEUSEOFBOILERHEATINGINWINTERINNORTHERNCHINAISSTILLDOMINANT,BUTTHELAGISSUEOFTHEBOILERROOMCONFIGURATIONISRELATIVELYSERIOUSINTHECONTROLSYSTEMTHECONTROLOPERATIONISSTILLMAINLYRELYONTHEADMINISTRATORSMANUAL。THECONTROLOFTHEFANANDPUMPMOTOR,WHICHPROCESSISVER
5、YCOMPLEXANDONELECTRICITYANDFUELCONSUMPTIONISHUGE。MEANWHILEBOILERWATERTEMPERATURECANNOTBECHANGEDBYMANUALLYCONTROLLEDANDTIMELYRESPONDEDAPPROPRIATELYTHISDESIGNOFWATERHEATINGBOILERCONTROLSYSTEMINTHISPAPERMAINLYADOPTSPLCANDFREQUENCYCONTROLTECHNOLOGYTHECONTROLSYSTEMCONSISTSOFAPROGRAMMABLECONTROLLER,INVERT
6、ER,FANANDPUMPMOTORS,SENSORS,ANDCONFIGURATIONMCGSINORDERTOACHIEVEREALTIMEMONITORING，THESTARTING,RUNNINGANDSPEEDOFMOTORARECONTROLLEDBYINVERTER,ASWELLASPIDREGULATORCONTROLLINGANDMCGSCONFIGURATIONSOFTWAREDESIGNCONFIGURATIONINTERFACEANDCONTROLINTERFACEAREUSEDINTHEPAPERINDUSTRIALBOILERCONTROLSYSTEMDESIGNE
7、DINTHISPAPERHASACHIEVEDTHEBOILERWATERTEMPERATURE,ANDTHEAUTOMATICCONTROLOFTHECOMBUSTIONPROCESS,WHICHHASREDUCEDTHEENERGYCONSUMPTIONANDIMPROVEDTHEPRODUCTIONMANAGEMENTLEVELKEYWORDSBOILERCONTROLVARIABLEFREQUENCYREGULATINGSPEEDTECHNOLOGYPLCMCGS目录第一章绪论111课题背景及研究目的和意义112供暖锅炉控制国内外研究现状213项目研究内容3第二章供暖锅炉的结构与控制策
8、略421供暖锅炉基本构造422供暖系统的控制要求523供暖锅炉的控制策略和方法8第三章变频调速在供暖锅炉控制中的应用1131变频调速基本原理1133变频调速节能分析13第四章供暖锅炉控制系统的硬件设计1341系统主电路的设计1342系统控制电路的设计1343S7200PLC硬件实际接线图1444系统主要元器件15第五章供暖锅炉控制系统的软件设计1951PLC程序设计的基本原则和方法1952编程软件STEP7MICRO/WIN概述1953PID指令向导2154程序设计23第六章供暖锅炉的MCGS仿真界面设计3261锅炉组态画面的建立3262设备在线调试34第七章总结37致谢38参考文献39附录4
9、0第一章绪论1第一章绪论11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
10、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
11、，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。1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
12、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S7200第一章绪论2系列PLC作为控制器，用变频器控制电机和电动阀等，利
13、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
14、（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。12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。2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
15、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
16、，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。第一章绪论313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
17、控参数为锅炉水温，控制器选择西门子S7200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。在如今复杂的工业控制过程的各个领域中得到了广泛的应用。现如今工业自动化有三大支柱PLC、工业机器人、CAD/CAM。3PLC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
18、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。第二章供暖锅炉的结构与控制策略4第二章供暖锅炉的结构与控制策略21供暖锅炉基本构造由于燃料在炉膛中转化为热量，锅炉可以看做是一种能量转换设备，它能将输入的一次能源（如煤、石油、天燃气等）而经过锅炉转换成二次能源（如热能），并最终向外输出蒸汽、热水等这些具有大量热量的物质。从原义上讲，锅是指用来盛放需要燃烧加热的物质容器，炉则是指燃烧燃料用来加热的场所。锅和炉是锅炉的两大部分组成，锅炉在现
19、在工业中具有极其重要的意义，在其中经过燃烧产生的热水或蒸汽可以在发电机中将机械能转换为电能，又可在相关设备中利用蒸汽产生的动力转换为机械能。热水锅炉用来提供热水，主要用于生活，在工业生产中很少应用。蒸汽锅炉是产生蒸汽的锅炉。主要用于火电站、船舶、机车和工矿等企业。4本控制系统采用的是燃油系统，其结构示意如下供暖锅炉的炉膛是燃烧燃料并放出热能用来加热的设备。燃料由经由调节阀进入炉内燃烧，空气由鼓风机送入。燃烧中的高温烟气通过省煤器，将热量传送给供给水和送风，进行预热。烟气最终经由烟囱排到大气中。供暖锅炉目前在我国各企业中使用很普遍，但目前国内变频调速技术在风机和水泵等负载上的应用程度不够普遍，存
20、在能源浪费等严重问题。另外，排烟温度较高、炉膛温度低、风燃比无法及时调整、风量采用闸板控制等问题严重。5因此先进的变频调速装置来设计的控制方法对新旧锅炉的使用控制具有很大的现实意义。锅炉燃烧变频控制的基本任务是既要保证燃烧的完全和安全性，还要使供热量负荷需要相持平，尽量减少能量的浪费。因而调节燃料调节阀保持燃烧过程中燃料的供给量，调节鼓风机变频器是送风量与燃料量保持恰当的比例（即风燃比），调节引风机和鼓风机变频器保持在一定比值对燃烧控制十分重要。最后通过控制炉膛负压，调节引风第二章供暖锅炉的结构与控制策略5机变频器使引风量随送风量变化而变化，保证炉膛负压适应燃烧负荷，从而实现锅炉操作的安全性以
21、及燃料燃烧的充分性。22供暖系统的控制要求221控制系统的组成供暖锅炉自动控制系统的核心思想是能自由控制水温，保证燃烧的充分性，提高利用能源的效率。系统包括两层上位机监控层和可编程控制器现场控制层，如图21所示。系统的核心控制器采用西门子S7200系列PLC。在实际运行过程中，PLC一方面通过模拟量采集模块收集运行过程中锅炉的各项参数（如水箱水位、炉膛负压、锅炉水温等），依据上文提到的相应控制子系统，采用对应的算法，发出命令控制变频器或者电动阀动作，尽然保证炉膛内的燃烧以最佳比例发生。另一方面，PLC向以MCGS制作的上位机传送检测到的各项数据，包括报警数据和相关操作的指示。图21222供暖锅
22、炉控制的基本要求（1）控制系统的基本组成及要求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组态软件MCGSS7200PLCCPU226变频器电动机
23、电动调节阀第二章供暖锅炉的结构与控制策略6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。6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）控
24、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下第二章供暖锅炉的结构与控制策略7223供暖系统功能分析本文所设计的自动控制系统，主要由可编程控制器、变频器、各种传感器和电机水泵等组成。根据设计要求，系统所具有的功能如下所示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
25、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05，锅炉温度从090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。7（3）控制系统正常工作时的功能温度、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第二章供暖锅炉的结构与控制策略8在供暖期间，锅炉最终输出的水温是系统根据
26、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。23供暖锅炉的控制策略和方法231PID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
27、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，8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）在积分I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
28、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）对于微分控制，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。9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
29、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。第二章供暖锅炉的结构与控制策略9232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，其原理图如下所示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的恒定值
30、，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。原理图如下PID调节引风机变频器炉膛负压炉膛负压炉膛水温矫正调节器锅炉循环水泵出口水温PID调节控制燃料电动阀送风量变送器燃料变送器比值器锅炉循环水泵出口水温第二
31、章供暖锅炉的结构与控制策略103、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。原理图如下氧量矫正调节器PID控制鼓风机炉膛送风量变送器比值器烟气含氧量变送器引风量量变送器O20O20第三章变频调速在供暖锅炉控制中的应用11第三章变频调速在供暖锅炉控制中的应用31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，
32、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PSFSNN/1601010式中，R/MINN异步电动机的同步转速；0R/MINN异步电动机转子的转速；P电动机的磁极对数；F电源频率，电动机定子电压频率；S转速差；10000NNNS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
33、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51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。11上面是交直交变频器，下面是交交变频器。图51变频器种类第三章变频调速在供暖锅炉控制中的应用121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
34、，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。32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。3RST为电源输入。2输出信号1RO1用于指示变频器内部发生的故障，输出的为数字量；2RO2指示变频器正在运行，输出的为数字量；3RO3指示变频器停止运行，输出的同样为数字量；4U
35、、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、压力等参数上完成与上位机的通讯。整个变频器端子示意图如图31。图31变频器接线示意图第三章变频调速在供暖锅炉控制中的应用1333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
36、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32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（PQ）关系和压力风量（HQ）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
37、32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。12图32变频调速在风机中的节能分析第四章供暖锅炉控制系统的硬件设计13第四章供暖锅炉控制系统的硬件设计41系统主电路的设计根据本设
38、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41系统主接线图42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
39、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。第四章供暖锅炉控制系统的硬件设计14图42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，FU为所有控制电路做短路一级保护，FU3为面板指示灯做短路故障保护。
40、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，KA1KA8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42系统控制电路图43S7200PLC硬件实际接线图图34为PLC及扩展模块外围接线图。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420MA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640032000的数字量，从而实现程序控制。
41、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010V信号进行模拟量输出控制由以上I/O口分配表可知，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。具体接线图如下或附录最后一页为放大后的图形第四章供暖锅炉控制系统的硬件设计15图43PLC及扩展模块外围接线图44系统主要元器件441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。13其中前者主要功能是进行逻辑运算等操作
42、，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
43、。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。S7200PLC采用的编程器是STEP7MICRO/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。第四章供暖锅炉控制系统的硬件设计164）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
44、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S7200系列PLC，CPU模块选用CPU226。I/O分配表如表41所示。表41I/O分配表名称地址作用名称地址作用开始按钮I00总启动运行指示QO0系统运行指示停止按钮I01总停止供水泵QO1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QO2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QO3水位过高报警指示炉膛负压AIW4炉膛负压信号采集蒸汽阀Q04调节水箱压力烟气含氧量AIW6含氧量采集水温报警Q
45、05水温过高指示室外温度AIW8室外温度采集点火Q06点火装置水箱压力AIW10水箱压力信号采集温度设定指示Q07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442EM235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420MA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第四章供暖锅炉控制系统的硬件设计17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
46、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。443传感器的选型一、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CYB20S。CYB20S系列传感器输出的信号为420MA、
47、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。CYB20S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。二、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OPG01，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
48、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。三、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1385。四、TB2AFC氧化锆氧传感器本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
49、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73502，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，该第四章供暖锅炉控制系统的硬件设计18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00496LOGET大气氧浓度14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）由上式可见，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。第五章PLC控制系统的软件设计19第五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STEP7MICRO/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。51PLC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
