基于PLC的水暖鍋爐控制系統改造設計.doc

目錄1緒論.12供暖鍋爐改造設計思路.12.1供暖鍋爐改造設計要求.12.2鍋爐系統的結構.22.3整體方案選擇.23變頻調速在供暖鍋爐控制中的應用.33.1變頻調速基本原理.33.2變頻調速在供暖鍋爐系統中的應用.44鍋爐控制系統總體設計.44.1系統功能分析.44.2總體設計思路.54.3系統結構.55系統硬件設計.65.1可編程控制器PLC的選型.65.2PLC配置.65.3I/O接線.85.4變頻器配置.85.5傳感器與變送器.95.5.1壓力變送器工作原理.105.5.2壓力變送器選型.105.5.3溫度傳感器選型.106系統構成.116.1補水泵控制系統.116.2循環(huán)泵控制系統.136.3燃燒控制系統.157PID控制原理.158程序設計.188.1主程序設計.158.2子程序設計.159結束語.26致謝.25參考文獻.261緒論鍋爐是供熱設備中最普遍的動力設備之一，它的功能是把燃料中的貯能，通過燃燒轉化成熱能，以蒸汽或熱水的形式輸向各種設備。目前，大多數鍋爐都是人工控制的，或簡單的儀表單回路調節(jié)系統，燃料浪費很大。鍋爐作為一個設備總體，有許多被控制量與控制量，許多參數之間明顯地存在著復雜的關系。對于鍋爐這個復雜的系統，由于其內部能量轉換機理過于復雜，采用常規(guī)的方式進行控制，難以達到理想的控制效果，因此，必須采用智能控制方式控制，才能獲得最佳控制效果?？删幊踢壿嬁刂破?PLC)既能代替?zhèn)鹘y的繼電器接觸器控制系統,又具有擴展各種輸入輸出模塊,如A/D模塊、熱電偶熱電阻模塊,構成多功能控制系統?，F代PLC集成度高、功能強、抗干擾能力強、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定。在傳統工業(yè)的現代化改造中發(fā)揮著越來越重要的作用。供暖鍋爐，是連接用戶極為重要的功能性環(huán)節(jié)，不僅其工作的安全性、可靠性直接影響到等前級產熱設備的安全性及供熱質量，提高其工作效能，還具有十分重大的節(jié)能意義。目前供暖鍋爐大都采用人工監(jiān)控，一方面浪費人力；另一方面在出現事故隱患時，操作人員難以及時發(fā)現，很容易造成運行中設備的事故。該設計對整個鍋爐的運行進行監(jiān)測、報警、控制以保證鍋爐正常、可靠地運行，除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進行微機系統設計時，對鍋爐水位、鍋爐壓力等重要參數應設置常規(guī)儀表及報警裝置，這是必不可少的，以免鍋爐發(fā)生重大事故。系統由可編程邏輯控制器(PLC)、變頻器組成，能完成對給水、鼓風等進行自動控制，使鍋爐的水位、蒸汽壓力保持在規(guī)定的數值上，以保證鍋爐的安全運行，達到降低能耗、提高供氣質量的目的，同時對運行參數如壓力、溫度等進行顯示，還可對水位、壓力、爐溫等參數越限時報警，發(fā)出聲光信號。由于PLC具有輸入輸出光電隔離、停電保護、自診斷等功能，所以抗干擾能力強，能置于環(huán)境惡劣的工業(yè)現場中，故障率低。PLC編程簡單，易于通信和聯網，用于水暖鍋爐控制能提高性能價格比，如果從長遠觀點看，其壽命長，故障率低，易于維修，所以選用1。2供暖鍋爐改造設計思路2.1供暖鍋爐改造設計要求(1)PLC容量和性能要與任務相適應，PLC運行速度要滿足實時控制的要求(2)要確定PLC的型號、需要的傳感器和變頻器的型號、PLC硬件接線圖和梯形圖(3)要有PLC的I/O接口地址分配表(4)系統具有手動/自動轉換、在線監(jiān)控及在現場調試、驅動電機過熱保護2.2鍋爐系統的結構鍋爐控制系統，一般由以下幾部分組成，即由鍋爐本體、補水箱、循環(huán)水泵、補水泵等部分組成。補水箱內的水由兩路提供。一路是來自用戶網通過熱交換形成的冷凝水。一路是來自自來水管的自來水。當回水不足以維持供熱所需的水時。啟動補水泵，用補水箱內的水，加入到鍋爐。圖1總體系統結構圖2.3整體方案選擇以往供暖鍋爐系統中帶有循環(huán)泵、補水泵等水泵類的設備，通常是根據不同的生產需求往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節(jié)流設備進行流量、壓力、水位等信號的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費，管路、閥門等密封性能的破壞，還加速了閥體的磨損，嚴重時損壞設備而影響生產。目前，風機、泵類設備多數采用異步電動機直接驅動的方式運行，存在啟動電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點。不僅影響設備使用壽命，而且當負載出現機械故障時不能瞬間動作保護設備，時常出現泵損壞同時電機也被燒毀的現象。對于如何供暖鍋爐的基本功能和它存在的缺陷等問題提出兩種改造方案。第一種就是利用單片機進行控制中心的，但是由于單片機工作狀態(tài)的不穩(wěn)定性，抗干擾能力比較差。所以不在此處選用。第二種就是用可編程控制器PLC進行改造，把原來的繼電接觸式電控系統改造為PLC控制。不僅可以消除掉它原來存在的所有缺陷，而且增加了故障檢修功用戶回水補水箱補水泵鼓風機循環(huán)水泵鍋爐自來水能，可以在發(fā)生故障的部位進行報警。第二個方案用可編程控制器PLC對原來的繼電接觸式電控系統進行技術改造，改造后可以減少強電元氣件數目，而且增加了一些故障自診斷功能。提高了系統的穩(wěn)定性，可靠性，安全性。使電氣控制系統的工作更加靈活，更容易維修，更能適應經常變動的工藝條件。因此我們選擇第二種方案。3變頻調速在供暖鍋爐控制中的應用3.1變頻調速基本原理目前，隨著大規(guī)模集成電路和微電子技術的發(fā)展，變頻調速技術已經發(fā)展為一項成熟的交流調速技術。變頻調速器作為該技術的主要應用產品經過幾代技術更新，己日趨完善，能夠適應較為惡劣的工業(yè)生產環(huán)境，目能提供較為完善的控制功能，能滿足各種生產設備異步電動機調速的要求。變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系水泵多配用交流異步電機拖動，當電機轉速降低時，既可節(jié)約能量，經濟效益十分顯著。由異步電動機的轉速公式：pSfSnn/)1(60)1(0(1)式中，n異步電動機的同步轉速r/min；0n異步電動機轉子的轉速r/min；p電動機的磁極對數；f電源頻率，電動機定子電壓頻率；S轉速差；%10000nnns(2)由公式可見改變電動機極對數P、改變轉速差S及改變電源頻率f都可以改變轉速。通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術，集電力電子、微電腦控制等技術于一身的綜合性電氣產品。實現調頻調壓的電路有兩種：交-直-交變頻器，交-交變頻器見圖2。上面是交-直-交變頻器，下面是交-交變頻器。圖2變頻器種類整流器濾波逆變器濾波逆變器直流u1f1交流VVVF交流u2f2交流u1f1交流u2f2VVVF(1)交-直-交變頻器它是由三個環(huán)節(jié)組成：可控硅整流電路，其作用是將電壓、定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{的直流電；可控硅逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調的交流電；濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是利用無電源電容或電抗器對整流后的電壓或電流進行濾波。(2)交-交變頻器它是由兩組反并聯的整流電路組成，直接將電網的交流電通過變頻電路同時調節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調的交流電輸出，交-交變頻器由于直接交換，減少換流電路，減少損耗，效率高，波型好，但調速范圍小，控制線路復雜，功率因數低，目前較少采用2。3.2變頻調速在供暖鍋爐系統中的應用由于變頻調速可以實現電機無級調速，具有異步電機調壓調速和串級調速無可比擬的優(yōu)越性，在鍋爐系統中得到廣泛的應用。變頻調速在供熱鍋爐系統中主要應用在風機調速和水泵調速。4鍋爐控制系統總體設計4.1系統功能分析本文針對鍋爐進行變頻改造，設計一套基于變頻調速技術的鍋爐系統。根據要求，并結合鍋爐控制的發(fā)展趨勢，本系統具備如下功能：(1)遠程/就地控制系統具有遠程控制和就地控制兩種控制功能。通過操作臺和可編程控制器對鍋爐系統中的鼓風機、引風機、爐排電機、循環(huán)泵和補水泵實現遠程控制。同時，也可直接操作變頻控制柜，實現就地控制。(2)單動/聯動模式本系統工作在單動/聯動兩種工作模式下。單動和聯動模式下均可實現遠程/就地控制和參數設定，但單動模式下，需人工根據氣候、負荷的變化設定鼓風機、循環(huán)泵和補水泵等電機的轉速，相當于“開環(huán)控制”；聯動模式下，操作人員只需根據室內溫度和室外溫度的變化設定鍋爐的出水溫度和爐膛負壓等參數，系統自動地調節(jié)電機的轉速，減少了人工干預，提高了自動化水平。(3)檢測功能系統通過安裝在鍋爐現場的各類傳感器，可檢測出水溫度、回水溫度、出水流量、回水壓力、出水壓力、補水流量、循環(huán)水泵壓力等參數，并可以將這些數據通過變送器傳送到可編程控制器處理，所有參數均可在操作臺顯示上顯示出來。(4)超溫超壓報警按規(guī)定，鍋爐控制系統必須包含超溫超壓報警功能，當系統中的溫度、壓力等信號超過上下限時，必須提示報警信息，對某些重要參數，還設置了報警聯動功能，即超限時停爐或停泵處理。4.2總體設計思路針對鍋爐房的現狀，本系統對鍋爐房的鼓風機、循環(huán)泵、補水泵等設備進行變頻改造。每臺鼓風機配置一臺變頻器，共2臺。對于4臺循環(huán)泵，給其中兩臺容量較大的電機配置兩臺變頻器，另外容量較小的電機不配備變頻器，作為備用。對于4臺補水泵，也配置兩臺變頻器，給其中兩臺容量較大的電機配置兩臺變頻器，另外容量較小的電機不配備變頻器。所有變頻器均安裝在變頻控制柜內，置于變頻控制室，操作變頻控制柜的面板，可實現就地控制。PLC采用西門子公司S7-200系列PLC，通過1/O模塊控制控制柜內所有斷路器、接觸器和繼電器等開關設備，以實現遠程控制。如果PLC系統出現故障，可直接在控制柜上通過控制面板進行啟/?？刂疲械氖謩涌刂撇糠?操作臺部分)均予保留，一旦變頻控制系統出現故障，可自動或手動轉為原有的手動方式控制，從而可避免造成供暖中斷，切實保證供暖正常。4.3系統結構本系統屬于熱水鍋爐供暖系統，主要通過熱水循環(huán)給用戶供暖，一般分為燃燒控制系統、循環(huán)泵控制系統和補水泵控制系統。本系統采用集中控制，分為三部分，系統結構框圖如圖3所示。圖3系統結構框圖西門子S7-200系列可編程控制器電氣控制回路（帶變頻器）電氣控制回路（帶變頻器）電氣控制回路（帶變頻器）1#-2#鼓風機1#-4#循環(huán)泵1#-4#補水泵鍋爐本體傳感器與變送器5系統硬件設計5.1可編程控制器PLC的選型由于供暖鍋爐自動控制系統控制設備相對較少，因此PLC選用德國Siemens公司的S7-200型。S7-200型PLC的結構緊湊，價格低廉，具有較高的性能/價格比，廣泛適用于一些小型控制系統。Siemens公司的PLC具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協議簡單等優(yōu)點。根據控制系統實際所需端子數目，考慮PLC端子數目要有一定的預留量，為以后新設備的介入或設備調整留有余地，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU224XPCN，其開關量輸出(DQ)為10點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關量輸入為14點，輸入形式為+24V直流輸入。由于實際的開關量輸出有26點，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是1個EM223CN型模塊，該模塊有16個開關量輸出點，輸出形式為AC220V繼電器輸出，開關量輸入為16點，輸入形式為+24V直流輸入。此外，為了方便的將管網壓力信號、電機頻率信號和同相比較信號傳輸給PLC。經比較計算后轉換為相應的控制信號，選擇了EM235CN模擬量擴展模塊。該模塊有4個模擬輸入(AIW)，1個模擬輸出(AQW)信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成了A/D的轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長(16bit)的數字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉換，一個字長(16bit)的數字信號能夠轉換成標準輸出信號。EM235模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過DIP開關進行設置。系統PLC的選型包括一個CPU224CN主模塊，1個EM223CN擴展模塊，3個EM235模擬量擴展模塊。如此PLC總