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1、目 录第一章 绪论11.1供热锅炉控制系统现状11.2燃煤锅炉自动控制的发展历史21.3课题意义3第二章 锅炉供热系统组成分析42.1 锅炉供热系统组成及其分类42.1.1 锅炉分类42.1.2 锅炉结构52.4 热网系统组成62.5 热用户组成6第三章 供热锅炉控制系统分析与总体方案设计83.1供热锅炉控制系统分析83.1.1 供热锅炉控制系统功能83.1.2 供热锅炉控制的特点分析83.2 供热锅炉系统控制原理分析93.2.1 温度调节93.2.2 燃烧效率分析103.2.3 压力调节113.3 总体设计方案11第四章 可编程序控制器及变频器应用技术分析134.1 PLC的主要功能和特点1
2、34.2 PLC的硬件组成144.3 变频器技术分析154.4 PLC的I/O点数分析17第五章 控制系统硬件原理图设计与器件选择195.1 PLC模块选择195.2 温度传感器的选择24第六章 控制系统应用程序设计286.1 编程软件介绍286.1.1硬件平台286.1.2 编程语言286.1.3 程序的元素286.1.4 功能块库286.2 控制程序设计30第七章 总结与展望35参考文献36致 谢37第一章 绪论1.1供热锅炉控制系统现状锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。它所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学
3、反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，作为全厂动力和热源的锅炉，办向着大容量、高参数、高效率发展。为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要1 。燃煤锅炉是工业生产和集中供热过程中重要的动力设备。锅炉能耗巨大，每年的耗煤量超过3亿吨，占我国原煤产量的三分之一，提高其生产效率不仅具有客观的经济效益，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，效率普遍偏低于国家标准，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
4、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2。随着经济的迅猛发展，自动化控制水平越来越高，用户对锅炉控制系统的工作效率要求也越来越高，为了提高锅炉的工作效率，较少对环境的污染问题，所以利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。其优越性主要在于：首先，通过对锅炉燃烧过程进行有效控制，使燃烧在合理的空燃比条件下进行，可以提高燃烧效率。由于工业锅炉耗煤量大，燃烧热效率每提高都会产生巨大的经济效益34。其次，锅炉控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面使运行参数在上的集中监测，操作人员在监控
5、计算机上能根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，工业锅炉的微机控制必将得到更加广泛的应用。锅炉作为重要的动力设备，其控制的基本要求是供给合格的蒸汽，使锅炉蒸发量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要参数必须严格控制。锅炉设备是一个多输入、多输出的复杂控制对象，这些输入变量与输出变量之间是相互关联的。如果蒸汽负荷发生变化，必将引起汽包水位、蒸汽压力和蒸汽温度等的变化；燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、蒸汽温度、炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、
6、蒸汽温度等亦有影响；所以锅炉设备是多输入，多输出且相互关联的控制对象56。1.2燃煤锅炉自动控制的发展历史燃煤锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数、控制参数和扰动参数，它们之间相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都给锅炉的控制增加了难度。锅炉控制技术的发展经.历了几个历史阶段789。1.手动阶段在六十年代以前，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的自动化观念还比较淡薄，这段时期的锅炉一般采用手动的控制方式，即操作工人通过经验决定送风、给水、引风、给煤的多少，通过手动操作器等方式来达到控制锅炉的目的。这样就要求司
7、炉人员必须有丰富的经验，增加了工人的劳动强度，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效率运行。2.自动化单元组合仪表控制阶段随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经开发并广泛应用了全自动工业锅炉控制技术。60年代前期，我国工业锅炉的控制技术开始发展，60年代后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，70年代后期己经研制了一些工业锅炉的自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉控制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。但是，由于采用单元组合仪表靠硬件来实现控制功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些简单的控制算法，不能实现一些较先进的算法和控制技术，控制效果仍然不理想。基于PLC的锅炉供
8、热控制系统的设计3.采用微机测控阶段随着电子技术的发展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单板机、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我国的广泛应用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。运用计算机技术，开发出高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统日益得到重视。80年代后期至今，国内己经陆续出现了各种各样的锅炉微机测控系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。4.分散控制阶段分散控制系统(DCS)亦称集成控制系统，其本质是采用分散控制和集中管理的设计思想，分而自治和综合协调的设计，采用层次化的体系结构，从下到上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理
9、层和决策管理层。DCS是以多台DDC计算机为基础，集分散型控制系统。目前分散控制系统大多采用可编程控制器(PLC)进行系统设计，工控机与PLC的组合，不但系统体积小、可靠性高，而且造价较低，得到了广大用户的青睐。1.3课题意义从1978年改革以来，我国年均经济增长率达9%以上，目前已经是世界第六大经济体和第三大贸易国，中国兴起成为了当今世界的热门话题。随着科学技术的飞速发展，带动社会生产的发展，人类对能源的需求不断增加，世界上发达国家为了解决能源紧张而带给各行业的冲击，都努力在开发能源的同时，致力于节能新方法的研究。根据不完全统计，我国共有各类锅炉近40万台，每年的耗煤量达3亿多吨，占我国原煤
10、产量的三分之一2。由于煤质变化大，设备陈旧，不仅工人劳动条件差，劳动强度大，而且锅炉热效率低。因此，在满足工艺要求的前提下，为了提高锅炉的热效率，降低能源消耗，把工人从繁重的劳动中解放出来，促进文明生产，锅炉实现自动控制是一个急待解决的问题。据有关资料统计一台10T/h的锅炉，若能提高效率1%，每年就能节省煤200吨左右，约合人民币50000多元经济效益是很明显的3。又如对燃煤锅炉进行改进，实行自动控制，在不需要人工干预的情况下，随时调整给水量、燃料量、送风量及引风量，维持水位、蒸汽压力、蒸汽温度及负压的恒定，就有可能将锅炉的热效率提高5%以上。另外，使锅炉达到经济燃烧状态，还可以减少烟气中的
11、含尘量，减少空气污染。本课题根据该校园的实际情况，设计的集成自动化系统将现场的锅炉控制运行和管理有机的良好结合，实现锅炉系统的安全高效运行。该系统代表了我国中小型锅炉现场集成自动化系统的发展方向和较高的管理水平，它不仅是一项科研任务，而且是把理论与实践结合起来，开发出的一个真正的产品，对于提高国民经济效益，促进国家农业生产发展都有着重要的作用和意义。我国北方供热所用的原料主要是煤炭，随着煤炭资源越来越少和许多城市的空气质量的不断恶化，而其他能源还没有得到很好的发展。主要能源供应还是以煤炭为主，而煤炭资源大量开采煤炭所带来的地壳改变，使许多地方都有土地塌陷而带来了许多危险！而且现在国家也提倡低碳
12、生活。所以本设计很好的响应了国家的政策具有一定的实际意义。（1）节省资金，减少污染。燃煤供热系统的设计得当，可以一定程度降低燃煤消耗。（2）性能稳定可靠，安全智能。燃煤供热系统的设计得当，可以实现高度的智能化和可靠性，提高安全。（3）提高生产效率，推动燃煤的发展。燃煤供热系统的设计得当使用了高热效率的锅炉、低污染燃烧机、安全可靠的调节系统，提高效率。第二章 锅炉供热系统组成分析本章主要介绍的内容为供热锅炉的结构及分类，供热锅炉、用户端和热网各自在整个系统中所发挥的作用及它们是如何协调工作。2.1 锅炉供热系统组成及其分类锅炉供热系统组要由三部分组成：即热源、热网和热用户。热源又称热力的生产，主
13、要是指生产和制备一定参数（温度、压力）热媒的锅炉房。热网是输送热媒的室外供热管路系统，是热源与热用户连接的纽带，起着输送和分配热源的作用。热用户是指直接使用或消耗热能的室内采暖设备。2.1.1 锅炉分类1.按燃烧方式可分为4种(1)层燃炉:原煤经破碎成粒径为2540毫米的碎块后，用炉前煤斗的煤闸板或给煤机平铺在链条炉排上作层状燃烧。层燃炉优点是附属设备少,制造、安装简便,易于运行操作。适用于中小容量锅炉。这种锅炉的缺点为煤的燃烧不完全，炉渣和飞灰中可燃物含量多，锅炉效率一般为7585。通常要烧较好的煤。 (2)室燃炉：又称煤粉炉。原煤经筛选、破碎和研磨成大部分粒径小于0.1毫米的煤粉后,经燃烧
14、器喷入炉膛作悬浮状燃烧。煤粉喷入炉膛后能很快着火，烟气能达到1500左右的高温。但煤粉和周围气体间的相对运动很微弱，煤粉在较大的炉膛内停留约23秒才能基本上烧完，故煤粉炉的炉膛容积常比同蒸发量的层燃炉炉膛约大一倍。这种锅炉的优点为能燃烧各种煤且燃烧较完全，所以锅炉容量可做得很大，适用于大、中型及特大型锅炉。锅炉效率一般可达9092。其缺点为附属机械多，自动化水平要求高，锅炉给水须经过处理，基建投资大。 (3)旋风炉：将粒径小于10毫米的碎煤粒或粗煤粉先在前置式旋风筒内作旋风状燃烧，所产生的高温烟气再进入主炉膛（冷却室）内进行辐射换热。旋风炉的优点为炉膛容积热强度高，炉子的尺寸小；过剩空气系数小
15、（仅为1.051.10），可以降低排烟热的损失；燃用粗煤粉可简化制粉设备；排渣率高,飞灰浓度低,提高烟气速度加强对流受热面的传热。其缺点是适用煤种受灰的熔点和渣的粘滞性的限制；锅炉负荷变动范围较小；不能快速启停；由于炉内温度可达2000左右，有害气体NO排放量大,对大气污染较严重。 (4)沸腾燃烧炉：即沸腾燃烧锅炉。2.按除渣方式可分为2种(1)固态除渣炉:炉膛中熔渣经炉底冷灰斗或凝渣箱凝固后排出。适用于燃用灰熔点较高的煤。 (2)液态除渣炉：炉底有保温熔液池。熔渣经排渣口流出（或经冷水凝固后排出），或用蒸汽吹拉成炉渣排出（可作保温材料）。 3.按结构安装方式可分为2种(1)悬吊式锅炉:锅炉炉
16、膛和转向烟室均用吊杆悬吊于架设在钢筋混凝土立柱上的大板框架梁上。悬吊式锅炉优点是炉体可自由膨胀,易于防震,节省钢材,炉底下面的空间较大便于布置送风机及除灰设备。但安装技术要求高。 (2)支承式锅炉：锅炉整体支撑于框形骨架上。特点是便于安装、占地少，但耗用钢材多。 因为我国大部分所用的供热锅炉都为小功率锅炉，并且根据锅炉的安全性、经济效益、操作性能、整体的复杂性综合比较。所以本设计所选用的为层燃炉。2.1.2 锅炉结构锅炉主要由锅炉本体和一些辅助设备组成：锅炉本体：锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中
17、两个最主要的部件是炉膛和锅筒。炉膛：又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧、适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热。炉膛的结构、形状、容积和高度都要保证燃料充分燃烧，并使
18、炉膛出口的烟气温度降低到熔渣开始凝结的温度以下。 当炉内的温度超过灰熔点时，灰便呈熔融状态。熔融的灰渣颗粒在触及炉内水冷壁管或其他构件时会粘在上面。粘结的灰粒逐渐增多,遂形成渣块,称为结渣。结渣会降低锅炉受热面的传热效果。严重时会堵塞烟气流动的通道，影响锅炉的安全和经济运行。锅筒：它是自然循环和多次强制循环锅炉中接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒筒体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。 锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，以避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。这些盐分和杂质如在过热器管和汽轮机通
19、道上发生结垢、积盐和腐蚀，会影响设备的经济安全运行。锅炉出口的蒸汽一般都有一定的质量标准。锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件。中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百叶窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。燃烧器：具有特殊设计的多级多嘴送风导向结构，能在短时间内使煤粉产生高温涡流，具有燃烧完全，热利用率高，消烟除尘、高效节能，改善工作条件，减轻劳动强度等优点，是节能环保的理想产品。省煤器：就是锅炉尾部烟
20、道中将锅炉给水加热成汽包压力下的饱和水的受热面，由于它吸收的是比较低温的烟气，降低了烟气的排烟温度，节省了能源，提高了效率，所以称之为省煤器.省煤器钢管式省煤器不受压力限制，可以用作沸腾式，一般由外径为3251毫米的碳素钢管制成。有时在管外加鳍片和肋片，以改善传热效果。钢管式省煤器由水平布置的并联弯头管子（习称蛇形管）组成.省煤器。水冷壁：水冷壁是锅炉的主要受热部分，它由数排钢管组成，分布于锅炉炉膛的四周。它的内部为流动的水或蒸汽外界接受锅炉炉膛的火焰的热量。空气预热器：是锅炉尾部烟道中的烟气通过内部的散热片将进入锅炉前的空气预热到一定温度的受热面。用于提高锅炉的热交换性能，降低能量消耗。辅助
21、设备：1、煤粉制备系统，把原煤磨成粉，以利煤的充分燃烧，包括给煤机、磨煤机、排粉机、粗粉分离器和煤粉管道等；2、送、引风系统，向锅炉供给燃烧需要的空气及将煤燃烧后的烟气排出锅炉，包括送风机、引风机和烟风道等； 2.4 热网系统组成热网系统由供水、加热及其他辅助设备组成。主要包括热网循环水系统、热网蒸汽加热系统、换热站系统、热网加热器疏水系统。热网循环水系统：循环水系统的功能是将冷却水(海水)送至高低压凝气器去冷却汽轮机低压缸排汽，以维持高低压凝气器的真空，使汽水循环得以继续。另外，它还向开式水系统和冲灰系统提供用水。热网蒸汽加热系统：工作原理是把一个匝数较多的初级线圈和一个匝数较少的次级线圈装
22、在同一个铁芯上。输入与输出的电压比等于线圈匝数之比，同时能量保持不变。因此，次级线圈在低电压的条件下产生大电流。换热站系统：热力站按供热形式分直供站和间供站，前者是供热厂直接供用户，温度高，控制难，浪费热能。间供站原理：供热厂为一次线，小区为二次线，热源（电厂）热网（一二次线管网）热用户（居民楼和单位）连接处为热力站。热网加热器疏水系统：将各加热器疏水按不同压力与相邻加热器等外部设备和系统相连的系统。2.5 热用户组成对于大多数的热用户使用的设备都是暖气片。暖气片的工作原理：暖气分为水暖和气暖，通常我们所说的暖气片指的是水暖，就是利用壁挂炉或者锅炉加热循环水，再通过管材链接到暖气片，最终通过暖
23、气片将适宜的温度输出，形成室内温差，最后进行热循环使整个室内温度均匀上升。而气暖则是加热空气，冷空气一进来就被暖气片加热成热空气，热空气上升与屋子的冷空气形成对流， 冷空气又循环到暖气附近被加热成热空气，热空气在屋里循环，房间就暖和了。本章小结：通过分析供热系统，其主要分为三大部分，供热锅炉、热网、热用户。接下来将主要分析供热锅炉工作过程中的温度和压力的控制调节。 第三章 供热锅炉控制系统分析与总体方案设计我国目前供热系统组要以锅炉供热为主，所用燃料大部分为煤，供热锅炉燃烧系统主要由进煤量控制、进风量控制和引风量控制三部分组成。燃烧系统是一个多参数、多扰动，各参数交叉影响的非线性系统。进煤量、
24、进风量和引风量形成了非线性耦合，协调好它们三个量才能使锅炉在一个稳定的状态下运行。3.1供热锅炉控制系统分析3.1.1 供热锅炉控制系统功能1.检测功能：(1) 温度炉膛左、右温度、炉堂左、右出口烟温、对流管束入口左、右出口烟温，排烟温度，除尘器出口烟温，室外空气温度、锅炉出水温度，锅炉进水温度。(2) 压力炉膛左、右负压、炉出口压力、对流管束入口左、右出口烟气压力，炉堂左、右出口烟压，一次风压力，引风压力、锅炉进水压力、锅炉出水压力。(3) 流量锅炉出水流量，鼓风风量，引风左、右风量，炉排转速。(4) 其他烟气氧含量。2.控制功能：(1) PLC用于完成系统艺参数的采集和控制功能，并将这些信
25、息送往计算机进行分析。(2) 燃烧调节是以供水温度为主调量，采用风-煤配比控制，通过调节炉排转速和鼓风机频率使供水温度尽快达到设定温度。用烟气含氧量修正风-煤配比，以达到较佳燃烧。采用时序设定方式，根据不同供热时期自动改变供水温度设定值，同时通过测量室外温度自动修正供水温度设定值，以达到较佳的设定温度，实现经济供热。(3) 根据炉膛负压信号及鼓风量信号构成前馈-反馈控制，调节引风机频率，使炉膛负压保持在一定的范围内（-200Pa-50Pa）。(4) 控制联锁功能：1）供水温度过高报警、超高联锁停炉。2）供水压力过低报警、超低联锁停炉。3）回水压力过低报警。当联锁停炉时，PLC系统应按先停炉排鼓
26、风机引风机的顺序停炉。3.1.2 供热锅炉控制的特点分析1.从控制理论的角度分析供热锅炉它是一个多变量、非线性、分布参数的和带时延的复杂对象，它有多个被控变量（温度、炉膛负压等）和调节变量（煤量，鼓风量和引风量）相互之间存在交叉影响，例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化，而当改变任一个调节量时，也会影响到其它几个被调量。因此，理想的锅炉控制系统应该是多回路的调节系统，这样，当锅炉收到某一扰动后，同时协调的动作，改变其调节量，使所有的被调量都具有一定的调节精度。但这种调节十分复杂，要实现这样的控制比较困难，目前根据锅炉的运行经验，实际解决锅炉自动调节任务的方法是将锅炉当作几个相对独立
27、的调节系统，可以适当简化自动调节问题。这必然要求锅炉控制采用多回路的调节系统2、从控制任务角度分析供热锅炉供热锅炉最终保证用户供暖需求，随着室外温度的变化使锅炉回水温度按供暖曲线变化，由于回水温度控制回路滞后时间比较长，其起作用的效果时间较长，（主要取决于水循环速度和小区供热面积），其滞后时间与PID时间常数相比很大，这样大的滞后必然会带来系统的大的超调，采用常规PID控制，系统很难稳定，甚至无法投入自动运行。分析现有许多锅炉自动控制系统和热水锅炉的运行情况，确实存在以下控制难点：(1)热水锅炉从进煤量的变化到其燃烧产生热量，并使锅炉出口水温度发生变化需要较长的时间，即锅炉出口水温度纯滞后时间
28、长、容量滞后大，用简单的PID控制很难获得理想的效果。(2)煤质的变化，造成风-煤比的改变，采用一般的定值控制系统无法使系统始终运行在最佳或次最佳的燃烧状态。(3)燃烧过程机理复杂，影响燃烧工况的因素较多，对象变化较大，很难准确地建立单一的控制模型。根据上述情况我们制定了一下控制方案。3.2 供热锅炉系统控制原理分析3.2.1 温度调节 燃烧系统调节如图3.1所示: 图3.1 燃烧系统调节框图Fig3.1 Diagram of combustion system adjustment锅炉燃烧系统调节的主要任务是保证水温的稳定，同时保证锅炉的安全运行。除此之外，关键在于如何保证经济燃烧，这也是热
29、水锅炉节能降耗的关键所在，众所周知，经济燃烧问题，实质上就是进煤量和进风量的配比问题，如果能保证适当的风-煤比，就可以实现最高的燃烧效率，实现经济燃烧。如果空气量不足造成不完全燃烧，产生CO，这种情况除污染环境外还造成严重的热能损失；反之，当空气量过多时，将带走大量的热量，造成过剩的空气损失。由于现阶段的检测手段和检测设备尚不能方便地测得准确的进煤量和进风量，给整个风-煤比的自动控制造成一定的难度，但进煤量与炉排转速、煤层厚度存在一一对应的函数关系，而进风量同样与鼓风机的转速存在同样的关系。使风-煤比在整个运行过程中始终保持在最佳或次最佳，还存在另一个难题，由于煤质的变化同样会造成风-煤比比值
30、的漂移，那么一个定值控制系统是无法适应煤质变化这一干扰的，所以在这里我们加入了自寻优控制方案，初次投运时，可根据经验和摸索初步设定调风-煤比的给定值，系统投入自动并稳定后，定时启动自寻优功能，根据炉膛温度的变化和烟气含氧量的变化自动微调风-煤比至最佳或次最佳，达到经济燃烧。3.2.2 燃烧效率分析图3.2过量空气系数与燃烧效率关系Fig3.2 Excess air ratio and combustion efficiency between在锅炉实际运行时，由于锅炉燃烧技术条件的限制，不可能做到空气与燃料理想的混合。为使燃料尽可能的燃尽（完全燃烧），实际供给的空气量要比计算出的理论空气量多。
31、实际空气量与理论空气量之差称为过量空气（V），而实际空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数（），即： 由图示可知：效率是一个单峰值函数，在进煤量一定的情况下，必然存在一个进风量使燃烧效率最高，也对应一个最佳风-煤比K。3.2.3 压力调节炉膛压力调节如图3.2所示：图3.3 压力调节框图Fig3.3 Pressure Regulator Block Diagram由于炉膛负压的变化反映比较灵敏，可作为一个单独的回路进行调节，引风量随着鼓风量的变化作相应的调整，使炉膛负压始终保持在一定压力上，维持整个燃烧系统的稳定性。热水锅炉是用来冬季供热的，锅炉出口水温度应随着室外温度的不同作相应的调整，但
32、人为的改动锅炉出口水温度的给定值，不仅缺乏实时性，而且会给系统带入较大的干扰，也不利于节能将耗，根据实际情况，结合历年的经验，可以制定锅炉出口水温度随室外温度的变化曲线，使PLC系统根据室外温度的变化自动调整锅炉出口水温度的给定值，既做到了实时调整，又避免人为修改给定值给系统带来的较大扰动，同时节约能源。3.3 总体设计方案图3.3为锅炉供热系统总体方案图3.4锅炉供热系统总体方案Fig3.4 The overall program the boiler heating system整个控制系统由计算机、PLC、温度传感器、压力传感器、温度变送器、压力变送器、变频器和电机组成。其中PLC控制锅
33、炉,控制量包括：锅炉进出水温度、炉膛压力、鼓风量、引风量、炉排转速等；监测量包括：炉膛温度、烟气含氧量、对束管入口烟压、对束管入口烟温度、炉膛出口烟压以及各风机运行状况等。温度和压力传感器用于采集系统工作过程中各个部件的温度和压力形成实时的监控。温度和压力变送器将传感器采集到得温度和压力转换成PLC模拟输入模块可以采集的420mA电流，经过PID运算得出相应的数据给到模拟输出模块。变频器通过接受来自于PLC模拟输出模块的量调节频率。系统控制模式包括自动以及就地手操两种相结合的方式，来保证整个系统可靠地运行。自动模式通过顺序执行PLC的程序，实施对整套设备的控制；就地手操时，相应的设备从整个系统
34、中解列出来，由操作人员在就地设备上进行操作。自动、手动和就地之间都是平滑无扰动的相互切换。图3.5系统设计方案主电路Fig3.5 Main circuit system designQA0、QA1、QA2分别为鼓风机、引风机、炉排的启动接触器。当QA0得电时鼓风机启动，QA1得电时引风机启动，QA2得电时炉排启动，三台变频器的频率变化由PLC得模拟量输出控制。第四章 可编程序控制器及变频器应用技术分析本控制系统采用PLC（可编程序控制器）作为底层控制单元即现场控制站，它接收由现场设备（如传感器、变送器）送来的信号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回现场的执行器，同时完成顺序控制、逻辑
35、控制等功能。4.1 PLC的主要功能和特点PLC的性能在不断完善、功能在不断地增强，主要功能有：开关量逻辑控制、模拟量控制、闭环过程控制、定时控制、计数控制、顺序（步进）控制、数据处理、通信和联网等。由于PLC是为了克服继电器逻辑控制系统的缺点和局限性而研制出来的取代继电器逻辑控制装置的一种新型工业控制装置，与继电器逻辑控制系统相比，它具有以下优点：1、通用性强、灵活性好、接线简单继电器逻辑控制系统是针对各种控制要求专门设计的，只要控制系统改变，其接线就要跟着改变，另外，继电器触点数目有限，因而连线多且复杂，体积大。而PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点。通过选配相
36、应的控制模块，便可适用于各种不同的工业控制系统。同时，由于PLC采用的存储逻辑是以程序方式存储在内部存储器中，当生产工艺改变或生产设备更新时，不必改变PLC的硬件，只需改变程序和控制逻辑即可，因此称为“软接线”，加之PLC中每只继电器的触点数理论上无限制，因此，其灵活性和扩展性都很好。另外，PLC的接线十分方便，只需将输入信号的设备（如按钮、开关等）与PLC的输入端子相连，将接受控制的执行元件（如接触器、电磁阀等）与输出端子相连即可。2、功能强、扩展能力强现代PLC具有强大的功能系统，利用程序可实现任意复杂的控制功能，如定时、计数、顺序、步进等控制。它还可以既对开关量又对模拟量进行控制。目前，
37、PLC产品已系列化、模块化、标准化，能方便灵活地扩展成大小不同、功能不同的控制系统。组成系统后，即使控制程序发生变化，只要修改软件即可，增强了控制系统的柔性。3、可靠性高、抗干扰能力强为了确保PLC在恶劣的工业环境中能可靠地工作，在设计上强化了PLC的抗干扰能力。在硬件方面，采用了电磁屏蔽、滤波、光隔离等一系列抗干扰措施。在软件上，PLC采用了故障检测、信息保护和恢复、设置警戒时钟，加强对程序的检查和校验、对程序和动态数据进行后备保护等，进一步提高了可靠性和抗干扰能力。除此之外，PLC还具有抗振荡、抗噪声、抗射频等能力，因而可靠性极高。4、定时准确，定时范围宽PLC内部提供了许多定时器和计数器
38、元件，通过不同的赋值，可以实现任意范围内的时间定时，且定时准确。5、编程和接线可同步进行PLC控制系统由于采用软件编程取代继电器硬连接实现控制功能，即使是一个非常复杂的控制，也很容易通过编程来实现，且能事先进行模拟调试，极大地减轻了繁重的现场安装接线工作。另外，由于PLC控制系统的硬件可按控制系统的性能、输入/输出点数和内存容量的大小等来选配，使系统的设计、编程和现场接线可同时进行，因而极大地缩短了开发周期，提高了工作效率。6、网络通信PLC提供标准通信接口，可以方便地进行网络通信。4.2 PLC的硬件组成虽然PLC的生产厂家有很多，PLC也种类繁多，但其结构组成基本相同，主要由中央处理单元（
39、Central Processing Unit，CPU）、存储器、输入/输出单元、电源等部分构成。其中，中央处理单元是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。微处理器是PLC的运算和控制中心，由它实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工作。存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器，用于存放PLC生产厂家编写的系统程序和用户编写的监控程序等。输入输出单元是PLC的CPU与现场输入、输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。电源单元把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。1.CPU模块CPU模块主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。在PLC控制CPU模块相当于人的大脑
40、和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序系统的输出;存储器用来储存程序和数据。Premium将CPU模块简称为CPU2.信号模块输入(Input)模块和输出(Output)模块简称为I/O模块，开关量输出模块简称为Dl模块和DO模块，模拟量输入、输出模块简称为Al模模块，他们统称为信号模块。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等传来信号;模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电动机和各种变送器提供变化的模拟量电流电压信号。开光量输出模块用来控制接
41、触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动机调节阀、变频器等CPU模块内部的工作电压一般是DCSV，而PLC的输入/输出信号电压高，例如DC24V或AC2:IOV。从外部引入的尖刻电压和干扰噪声可能损坏模块中的元器件，或使PD二不能正常工作。在信号模块中，用光祸合器、闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的输入、输出电路模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。3.功能模块为了增强PLC的功能，扩大其应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂开发各种各样的功能模块。它们主要用于完成某些对实时性和存储器量要的控制任务。4.接口模块CPU模块所在
42、的机架成为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，增设一个或者多个扩展机架。接口模块用来实现中央机架与扩展机架之间基于PLC的锅炉供热控制系统的设计有的几口模块还可以为扩展模块供电。5.通信处理器通信处理器用于PLC之间、PLC与远程FO之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或者用于实现点对点通信等。6.电源模块PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源，电源模块用于将输入电压转为DC24V电压和背板总线上的DCSV电压，供其他模块使用。7.编程设备Premium系列使用安装了编程软件Unity_Pro4.0的个
43、人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序双双传到计算机。程序可以存盘或者打印，通过网络，可以实现远程编程传送。编程软件还具有网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。4.3 变频器技术分析1.变频器通常分为4部分(1)整流单元：整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。(2)高容量电容：高容量电容存储转换后的电能。(3)逆变器：逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。4)控制器：控制器按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽
44、，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。2.变频器控制方式压通用变频输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式经历了以下四代。 (1) U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变
45、化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 (2)电压空间矢量(SVPWM)控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 矢量控制(VC)方式 矢量控制变频调速的做法是将
46、异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链
47、难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 (3) 直接转矩控制(DTC)方式 1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需
48、要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 (4) 矩阵式交交控制方式 VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。4.4 PLC的I/O点数
