1、目 錄摘要1第1章 概 述51.1 項目背景及課題的研究意義51.2 供暖鍋爐控制的國內外研究現狀61.3鍋爐控制系統的發展趨勢7第2章 系統方案設計102.1鍋爐控制研究簡介102.2 總體設計思路10第3章 硬件設計133.1 用戶系統框圖133.2 鍋爐系統的理論分析143.2.1變頻調速基本原理143.2.2變頻調速在供暖鍋爐中的應用143.2.3變頻調速節能分析153.3燃燒過程控制203.4鍋爐控制系統設計213.5控制系統構成介紹22第4章 軟件設計264.1 S7-300系列PLC簡介274.2 PLC編程語言簡介294.2.1 PLC編程語言的國際標準294.2.2復合數據類

2、型與參數類型304.2.3系統存儲器304.2.4 S7-300 CPU中的寄存器314.3 STEP7 的原理324.3.1 STEP7概述324.3.2 硬件組態與參數設置334.3.3 符號表374.3.4 邏輯塊384.3程序設計394.4通信系統424.5人機界面444.5.1監控軟件WinCC介紹444.5.2監控系統設計464.5.3鍋爐監控界面設計50第5章 結 論545.1 成果的創造性和先進性545.2作用意義（經濟效益和社會意義）545.3 推廣應用范圍和前景545.4 需要進一步改進之處55參考文獻56致謝76附錄77附錄1 程序清單77附錄2 I/O點數分配表97附錄

3、3 物理參數比較表98摘 要隨著社會經濟的飛速發展，城市建設規模的不斷擴大，以及人們生活水平的不斷提高，對城市生活供暖的用戶數量和供暖質量提出了原來越高的要求。結合現狀，本論文供暖鍋爐監控系統，設計了一套基于PLC和變頻調速技術的供暖鍋爐控制系統。該控制系統以一臺工業控制機作為上位機，以西門子S7-300可編程控制機為下位機，系統通過變頻器控制電機的啟動，運行和調速。上位機監控采用WinCC設計，主要完成系統操作界面設計，實現系統啟停控制，參數設定，報警聯動，歷史數據查詢等功能。下位機控制程序采用西門子公司的STEP7編程軟件設計，主要完成模擬量信號的處理，溫度和壓力信號的PID控制等功能，并

4、接受上位機的控制指令以完成風機啟停控制，參數設定，循環泵的控制和其余電動機的控制。本文設計的變頻控制系統實現了鍋爐燃燒過程的自動控制，系統運行穩定可靠。采用鍋爐的計算機控制和變頻控制不僅可大大節約能源，促進環保，而且可以提高生產自動化水平，具有顯著的經濟效益和社會效益。關鍵字：鍋爐控制 變頻調速 組態軟件 PLC第1章 概 述1.1 項目背景及課題的研究意義工業鍋爐是工業生產和集中供熱過程中重要的動力設備。水暖鍋爐在我國已有近百年的歷史，在過去很長一段時間，我國水暖鍋爐控制一直都是人工手動控制。隨著我國人民生活水平的穩步提高和城市化建設的步伐加快，建筑業在國民經濟中的重要性日益凸顯。而對新型采

5、暖設備的需求量也呈全面迅猛增長的態勢。雖然近年來，電熱采暖、地熱采暖悄然進入尋常百姓家，但以水暖鍋爐進行采暖仍是我國最為普遍使用的冬季采暖方式。工業鍋爐能耗巨大，每年的耗煤量超過上億噸，占我國原煤產量的三分之一，提高其生產效率不僅具有可觀的經濟效益，還有重要的環保意義。但是我國目前運行的大多數鍋爐系統控制水平不高，效率普遍低于國家標準，操作工人水平參差不齊，經常是憑感覺和經驗去操作，長期使鍋爐處在能耗高、環境污染嚴重的生產狀態。據有關資料顯示，世界85%的人口正陸續進入工業化階段，全球性的人口、資源、環境矛盾尖銳，使我國的現代化面臨嚴峻的挑戰，即使國際市場能夠彌補中國資源的不足，生態和環境破壞

6、的沉重代價也難以承受。工業鍋爐生產效率會受到諸多因素的影響。爐體本身的生產狀況是影響鍋爐產熱效率的重要因素，但是國內很多供熱單位的鍋爐爐齡較長、生產狀況遠低于設計標準，要徹底的更新換代，需要很大的投資，這是大多數的供熱單位不能承受的，也不符合我國現在的基本國情。然而鍋爐設備是一個復雜的控制對象，作為一個長期運行的設備，其控制系統的優劣也是影響鍋爐生產效率的重要因素。應用計算機技術對鍋爐生產過程的相關環節進行自動化控制，能夠有效地提高鍋爐運行可靠性和生產效率。實際表明，應用于2030噸/時中壓鍋爐的DMC一50系列微機控制系統，經實測節煤率達5%以上。工業鍋爐的耗煤產汽既是一個能源轉換過程，又是

7、一個生產過程，對于由多個鍋爐控制站組成的鍋爐群系統，利用網絡技術對整個生產過程進行集中監控管理，對生產數據進行記錄、統計、分析，將統計分析的各種數據及時發布給相關的部門，如廠領導、調度室、工段室、技術室等有著重要的意義。利用先進網絡技術，構建一個由現場控制層、顯示操作層和信息管理層組成的集成自動化系統可以使企業生產和管理有機地結合起來。通過現代信息化技術改造，提高整個供熱單位的管理水平，管控結合，獎優罰劣，充分調動工作人員的責任心和積極性，通過加強管理提高生產水平，使整個鍋爐系統的生產過程處在可達最佳優化狀態，可以有效地提高生產效率。1.2 供暖鍋爐控制的國內外研究現狀鍋爐的自動化控制從上世紀

8、三、四十年代就開始了，當時大都為單參數儀表控制，進入上世紀五十年代后，美國、前蘇聯等國家都開始進行對鍋爐的操作和控制的進一步研究。但由于當時科技發展的局限性，對鍋爐的控制主要停留在使用汽動儀表(包括汽動單元組合儀表和汽動基地式儀表)的階段，而且大多數鍋爐只是檢測工藝參數，不進行自動控制。到上世紀六十年代，在發達國家，鍋爐的控制主要以電動單元組合儀表(相當于我國的DDZ-II, DDZ-III儀表)檢測與控制，還是以檢測報警為主，控制為輔助功能。到了上世紀七十年代，隨著計算機技術和自動控制技術理論的發展，使得鍋爐的計算機控制成為可能。尤其是近一、二十年來，隨著先進控制理論和計算機技術的飛速發展，

9、加之計算機各種性能的不斷增強，價格的大幅度下降，使鍋爐應用計算機控制很快得到了普及和應用。許多發達國家都相繼開發出了鍋爐計算機控制系統。如 今在 國 外，鍋爐的控制己基本實現了計算機自動控制，在控制方法上都采用了現代控制理論中的最優控制、多變量頻域、模糊控制等方法，因此，鍋爐的熱效率很高、鍋爐運行平穩，而且減少了對環境的污染。在國內，由于經濟技術條件的限制，中小企業鍋爐設備水平一直比較落后，大多數中小型鍋爐水平基本上停留在手動和簡單儀表操作的水平。80年代中后期，隨著先進的控制技術引入我國的鍋爐控制，鍋爐的計算機控制得到了很大的發展。至90年代，鍋爐的自動化控制己成為一個熱門領域，利用單片機、

10、可編程序控制器、工業計算機以及引進的國外控制設備開發的各種控制系統，己逐漸用于對原有鍋爐的技術改造中，并向與新建爐體配套的方向發展，許多新的控制方法，諸如最優控制、自適應控制、模糊控制、神經網絡控制、專家控制等自動控制的最新成果也在鍋爐自動控制中得到了嘗試和應用.但由于控制技術單一，或控制算法的建模往往不能反映真實的鍋爐燃燒狀況，導致在工程實踐中并不怎么成功，不能產生很好的經濟效益，挫傷了用戶在工業鍋爐上用計算機進行控制的積極性。進入本世紀以來，為了進一步改善鍋爐操作狀況，降低能耗，確保安全運行，減少對大氣的污染，同時隨著人工智能理論的發展成熟，智能控制技術的大規模應用，對新一代鍋爐計算機優化

11、控制系統的開發和應用已勢在必行且條件成熟。國內供熱鍋爐燃燒系統自動控制大多在燃油和燃氣鍋爐上實現的，對于燃煤鍋爐，在自動控制研究方面總是得不到滿意的效果，存在的主要問題是滯后問題。近幾年變頻技術在我國的應用領域越來越廣，在鍋爐控制方面也有應用，主要有三種形式，全自動變頻定壓；鍋爐鼓、引風機變頻控制；循環泵變頻控制，對系統進行質調節。三種形式均有獨立應用的范例，也有組合應用，但主要是以人工控制為主，節能效果仍然取決于司爐人員的經驗，水平和責任意識。SCADA是英文“Supervisory Control and Data Acquisition”的縮寫，即“監視控制和數據采集”。SCADA系統是

12、建立在計算機基礎之上的自動化監控系統，它的主要任務是采集和管理各個生產環節的實時生產數據，對生產過程進行監視和控制，并保存歷史數據和故障事件，提供報表輸出和計算、分析SCADA系統作為生產過程和事物管理自動化最為有效的計算機軟硬件系統之一，它有兩層含義：一是分布式的數據采集系統，即智能數據采集系統，也就是通常所說的下位機；另一個是數據處理和顯示系統，即上位機HMI(HumanMachine Interface，人機界面)系統，下位機通常是指硬件層上的，即各種數據采集設備，如RTU(Remote Terminal Unit，遠程終端測控單元)、PLC(Programmable Logic Con

13、troller，可編程邏輯控制器)及各種智能控制設備等等。這些智能采集設備與生產過程和事務管理的設備或儀表相結合，實時感知設備中各種參數的狀態，并將這些狀態信號轉換成數字信號，通過特定的數字通信網絡傳遞到HMI系統中；必要的時候，這些智能系統也可以向設備發送控制信號。上位機HMI系統在接受這些信息后，以適當的形式(如聲音、圖形、圖像等方式)顯示給用戶，以達到監視的目的，同時數據經過處理后，告知用戶設備各種參數的狀態(報警、正常或報警恢復)。這些處理后的數據可能會保存到數據庫中，也可能通過網絡系統傳輸到不同的監控平臺上，還可能與別的系統(如MIS、GIS)結合形成功能更加強大的系統，HMI還可以

14、接受操作人員的指令，將相應的控制信號發送到下位機中，以達到控制的目的。一個完善的SCADA系統的建立，依托于高精度、智能化的一次儀表獲取信息，準確無誤的通訊手段傳輸數據和高效快捷的計算機處理能力。SCADA系統所涉及到的技術比較廣泛，有儀表技術、檢測技術、通訊技術、網絡技術等。SCADA系統一般由企業生產調度指揮中心、分廠測控站、管網測壓點等組成。它所具有的功能一般包括：數據采集控制功能，數據傳輸功能，數據顯示及分析功能，報警功能，歷史數據的存儲、檢索、查詢功能，報表顯示及打印功能，遙控功能，網絡功能等。1.3鍋爐控制系統的發展趨勢隨著國民經濟的飛速發展，對供暖系統的自動化提出了更高的要求。必

15、須對現有系統的控制和管理進行改造和完善，從落后的人工抄表、手工記錄方式向自動化檢測和控制方向發展。采用現代化技術和手段，對系統運行參數(如循環水水溫、管網水壓和水流量、水箱水位以及水泵的運行狀態等)實施自動化監測和控制管理，從而降低系統的運行成本，提高效率，保證設備安全，帶來可觀的經濟效益和潛在的社會效益。這對提高供暖系統的運行可靠性、提高產品質量、保證安全生產、提高管理水平和減員增效具有重要意義。以往的供暖系統，由于熱源傳送距離較遠，需監測和控制的點較多，且這些點在空問上布置分散，從而造成了人工勞動強度大，控制不及時等問題。而集中了PLC系統的現場測控功能和DCS系統的信息共享和組網通信能力

16、兩大優點的SCADA系統(Supervision ControlAnd Data Acquisition)，即分布式數據采集和監控系統是自動化領域的重要系統之一，SCADA系統可實現多點測量，且測控精度高，測控速度快，采用此種系統對整個供暖過程進行監控既可以保證生產過程運行的安全可靠，節約能源，又可大大減輕人工的勞動強度。同時在軟件設計上可采用通用的工業控制組態軟件，根據系統的實際情況進行靈活的優化配置。 當前，節能與環保已成為人類社會面對的兩大課題。我國的鍋爐目前已煤為主要燃料，耗煤量接近全國煤產量的三分之一，燃用的主要是中低質煤，工業污染十分嚴重，而且鍋爐設備陳舊，生產效率和自動化程度低，

17、進一步加重了環境污染的程度。在歐美和日本等發達國家，石油和天然氣已成為第一能源，占能源消費的60%左右，燃油和燃氣鍋爐已逐步取代燃煤鍋爐，對風機和水泵等電機的變頻控制已相當成熟。自二十世紀九十年代以來，隨著超大型可編程控制器的出現和模糊控制，自適應控制等智能控制算法的發展以及智能控制器的應用，鍋爐控制水平大大提高，以實現優化控制國內對鍋爐控制的研究起步較晚，始于八十年代初期。國內研究鍋爐控制比較成熟的企業有上海杜比公司，南京仁泰公司等，但仍存在一些問題：1.大多數現有的鍋爐控制系統可控制的主要還是開關量設備，如風機、爐排和水泵的開關或者閥門控制。不能對它們精確連續調節，使控制手段單一，控制精度

18、低。2.鍋爐控制系統的的控制方案不夠合理，鍋爐控制器一旦出現故障，只能采取系統斷電處理，進行人工操作。若鍋爐系統中的傳感器、變送器等設備出現故障時，溫度、壓力等參數就無法達到設定值。3.我國自七十年代末開始，鍋爐的微機控制逐漸成熟起來，但主要是西安儀表顯示、報表打印等功能，并未實現鍋爐自動控制，下位機主要以單片機為主，控制水平有限，可靠性不夠高。 第2章 系統方案設計2.1鍋爐控制研究簡介鍋爐是一種應用廣泛的工業及民用設備，對國民生產及生活影響重大，無論是工廠、礦山還是在人們的日常生活中我們都可以感受到鍋爐對我們的影響。目前我國鍋爐使用數目龐大，并且多數鍋爐控制水平不高，大多數鍋爐仍處于人工控

19、制狀態，不僅操作工人勞動強度大，環境污染嚴重，運行工況不穩定，而且熱效率低，燃料的消耗量大，年耗煤量占我國原煤產量的1/3，節能潛力大。隨著工業的發展，及居民生活區的集中，熱力供應量的需求尤其是北方地區居民取暖需求越來越大，鍋爐供熱的需求持續增高，為了減少勞動強度、提高生產效率、節約能源、凈化環境，就需要對鍋爐操作運行過程更加嚴格要求。過去傳統的單一人工操作已跟不上時代的發展及工藝控制的要求，計算機在鍋爐控制中的作用越來越大，使用計算機加強對鍋爐的運行控制，有助于降低維護成本、便于選擇控制方法。且可以提高系統的自動調節及控制水平，可維持穩定的運行工況，保證鍋爐經濟燃燒。鍋爐是一個典型的非線性時

20、變多變量混合系統，過程機理錯綜復雜，不能建立精確的系統數學模型。若采用傳統的控制方法，包括基于現代控制理論的控制方法，很難得到理想控制效果，為生產過程的自動化帶來了困難，從而考慮使用一些智能手段來實現控制目標。對其控制算法進行研究，具有比較重要的現實意義。實際中鍋爐是以生產具有一定壓力、溫度參數的蒸汽或熱水，滿足外部對負荷的需求為目的。為滿足外部負荷設備的要求，并保證鍋爐本體的安全經濟運行，要求自動控制設備具有完善的自動控制功能以及自動檢測、自動保護、程序控制等功能。控制系統一般包括給水調節系統和燃燒控制系統等兩個主要部分。無論是燃煤，燃油或燃氣鍋爐，它們的給水控制系統基本相同，主要區別在于燃

21、料燃燒控制系統的結構不同。工業鍋爐自動控制的任務主要是維護鍋爐的水位、溫度、壓力、爐膛負壓、煙汽含氧量等物理參數在規定的范圍內，并能自動適應負荷的變化，從而使鍋爐在良好的狀況下運行。2.2 總體設計思路本文針對供暖鍋爐控制系統，設計一套基于變頻調速技術的鍋爐監控系統。鍋爐供暖系統中的風機和水泵通過變頻器來調節電機的轉速，通過工控機和可編程控制器對鍋爐系統中的鼓風機、引風機、爐排電機、循環水泵實現控制。控制系統以一臺工業控制機作為上位機，以西門子S7-300可編程控制器為下位機、上位機采用高可靠性的工業控制計算機，通過監控軟件完成人機界面及故障報警功能，下位機實現鍋爐燃燒系統和管網系統的自動控制

22、，控制水平和硬件可靠性大大提高。第3章 硬件設計3.1 用戶系統框圖系統運行的示意圖如圖3-1所示.圖3-1 系統運行示意圖由圖3-1可以看出，由輸煤裝置送入煤斗的原煤，直接落在緩緩向前移動的爐排進入燃燒室。在燃燒室中燃燒的空氣由爐排下的風機供給。燃料燃燒所產生的高溫煙氣以輻射放熱的方式向燃燒室四周的水冷壁傳遞熱量，然后經防渣管進入對流煙道。對流煙道是由煙墻隔成的。對流煙道中布置有對流管束等受熱面。對流管束是與上、下鍋筒連在一起的一簇管束，管內的水吸收煙道中的熱量而升溫。一部分在上鍋筒中被加熱的高溫水進入供水管道。煙氣在煙道中沖刷對流管束以及下鍋筒放出熱量后，進入尾部煙道，然后經引風機和煙囪排

23、入大氣。排入大氣的煙氣溫度越低，說明煙氣的熱量被吸收的越充分，燃料的熱能被利用的程度越高，鍋爐的熱效率就越高。鍋爐是個較復雜的調節對象，為保證提供合格溫度的熱水供取暖需要，生產過程各主要工藝參數必須加以嚴格控制。鍋爐控制系統的基本控制任務和控制要求包括：燃燒控制（爐膛溫度控制、爐膛負壓控制、引風控制、送風控制）；給水控制（供水運行參數和水壓力、供水溫度、供水流量等）；以及對各設備狀態進行檢測，以便進行顯示、報警、工況計算以及指標打印等。3.2 鍋爐系統的理論分析3.2.1變頻調速基本原理目前，隨著大規模集成電路和微電機子技術的發展，變頻調速技術已經發展為一項成熟的交流調速技術。變頻調速器作為該

24、技術的主要應用產品經過幾代技術更新，已日趨完善，能夠適應比較惡劣的工業生產環境，且能提供較為完整的控制功能，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關系。n=60f(1-s)/p其中表示n電機轉速；f為電動機工作電源頻率；s為電機轉差率；p為電極磁極對數。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才用交-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。3.2.2變頻調速在供暖鍋爐中的應用由于變頻調速可以實現電機無極調速，具有異步電機調壓調速和串級調速無可比擬的優越性，在鍋爐系統中

25、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。通常在鍋爐燃燒系統中，根據生產需要對風速、風量、溫度等指標進行控制和調節以適應用戶要求和運行工況。而最常使用的控制手段則是調節風門、擋板開度的大小來調節受控對象。這樣，不論生產需求的大小，風機都會全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以及風門、擋板的節流損失消耗掉。在生產過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成能源浪費和設備損耗。從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用居高不下。在供暖鍋爐系統中帶有循環泵、補水泵等水泵類設備，根據不同的生產需求往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節流設備進行流量、壓力、水位等信號

26、的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費，管道、閥門等密封性能的破壞，還加速了泵腔、閥體的磨損和汽濁，嚴重時損壞設備而影響生產。近年來，出于節能的迫切需求和對供暖質量不斷提高的要求，加之采用變頻調速器（簡稱變頻器）易操作、免維護、控制精度高，并可以實現高功能化等特點，因而采用變頻器驅動的方案開始逐步取代風門、擋板、閥門的控制方案。用變頻器來對異步交流電動機調速，是八十年代末迅速發展成熟的一項高新技術。它的優點是：調速的機械特性好，調速范圍廣，調速特性曲線平滑，可以實現連續、平穩的調速，尤其當它應用于風機、水泵等大容量負載時，可獲得顯著的節能效果。3.2.3變頻調速節能分析變頻調速應用于鍋爐系統的風

27、機和水泵等電機的自動控制中，其節能效果明顯。本節將以風機節能為例，詳細分析其節能效果。1.風機、水泵運行特性及常用方法的節能分析（由于風機和水泵的運行特性相同，此處以風機為例來討論它的特性）（1）流量和壓力用H = F(Q)表示風機全壓(包括靜風壓和動風壓)與風量的關系風機的軸功率P為: KW （3.1）式中 Q-風量, m3/h;H-全壓， kPa;-風機效率。電動機的輸出功率Pm為:KW （3.2）式中一傳動機構的傳動效率。（2）流量和功率在流體力學中，轉速流量功率存在者下列關系: （3.3）由(3 .3)式可知，風量與轉速成正比，風壓與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。如果風量

28、下降20%，可以采用調速的方法使轉速下降20%,則風機的軸功率要下降到原值的51.2%;當風機量減少至50%時，風機的軸功率下降至原值的12.5%。當然，風機速度大幅度下降時，風機效率也有所下降，實際需要的軸功率要高于上面的計算值。即便這樣，節電量也是相當可觀的，因此，風機、水泵采用調速控制流量是非常有意義的。（3）風機、水泵的軸功率對于流量變化較大的風機、水泵，采取調速的方法改變流量，是節電的有效方法。降低風機的轉速，可大大降低風機的軸功率，圖3-2為風機調速節能原理圖。圖3-2 風機調速節能原理圖上圖繪出了風機在不同轉速下的典型輸出特性H (n1)H (n2)，圖中曲線R1，R2分別表示由

29、管路所決定的特性曲線。當風機轉速為n1,，管路阻力為R1時，輸送的總流量Q1，由點1決定，此時風機的輸出的壓力為H1，所需的軸功率: （3.4）若所需流量為Q2，在管路阻力不變的情況下，實際所需的壓力為H3，比H1下降，但如果此時的風機轉速沒有改變，那么風機的輸出壓力不但不能從H1降到H3，反而要增加到H2，而這個壓頭差值通常就是通過調節風門來實現，從而增加了管道阻力，使管道特性系數變為R2來實現的，此時的損耗為: (3.5)如果此時不采用調節風門的辦法而是將風機的轉速調低為n2，使風機的輸出特性變為H (n2)，那么隨著風機的輸出風量的減少，在輸送同樣的風量Q2的情況下，原來消耗在風門上的功

30、率NS就可以完全可以避免了，這樣既滿足了生產的需要，又達到了節能的目的。從下表的幾種選擇可以看出，變頻調節風量節能最顯著，擋板調節風量耗能最嚴重。表3.1 調節風門擋板、變頻調速的耗能分析表風量（%）軸功率kw(標牌)出口擋板（kw）入口擋板（kw）變頻、串級（kw）電機輸入總損失電機輸入總損失電機輸入總損失10011.070.071.060.061.080.08900.7291.0350.3060.840.1110.790.061800.5120.9950.4830.7250.2130.550.038700.3430.960.6070.680.3370.380.037600.2160.895

31、0.6790.640.4240.250.034500.1250.840.7150.60.4750.150.025300.0270.710.6830.520.4730.050.023流量的調速方法很多，常用的有變極調速、二次電阻控制調速、變頻調速(V VVF)等，這些控制方法各具特點。當流量調節在90%以上時，各種調速方法的效率差不多，也可不采用調速裝置。若流量調節在60%以下時，變頻和變極調速效率較高，其它方法不太適宜。在變頻、變極、串級三種高效調速方法中，由于后兩種調速方式要改變原有電極的定子繞組極對數和原有基礎位置等，不如變頻調速方法容易采用，因此變頻調速的方法目前應用較廣。調速可以節能，

32、但節能的多少，需視調速系統的運行工況、運行時間(調節與不調節流量的時間比)、流量調節范圍的大小而定。在運行中，由于流量減少，電動機和調速裝置的效率也有所下降，但電能的節約量卻在增加。風機 、 水泵調速節能效果大小，主要以節能率(即節能功率與額定功率之比)來反映。需要注意的是，上述離心機械設備的工作特性，雖然都遵守比例定律，但在工程實際中，風機和水泵卻存在明顯的不同之處。對于風機，在絕大多數情況下，其運行時的基本特性接近理論值;而對于水泵，由于實際工況的存在，在同樣流量變化時，調節水泵轉速的節能效果要低于調節風機轉速的節能效果。調頻變壓調速器是一種現代高技術節能裝置，即所謂VVVF，常稱變頻調速

33、器。將其應用到暖通空調制冷行業，能達到明顯的節能效果，被稱為80年代暖通制冷空調的兩大突破之一。變頻調速比其它調速方法具有高效性，它能實現無級調速，調速比一般可達20:1，調速起動能耗小、壽命長、可靠性高、維修方便、占地面積小、無噪聲、性價比高、一機多控、節能效率高、收回投資快等特點。目前，變頻調速技術已逐漸為許多企業所認識和接受，隨著這項技術的不斷發展和完善，它必將得到更加廣泛的應用，也必將為認識和接受它的企業帶來可觀的經濟效益。2. 供熱系統的計算依據(1)初調節依據根據流體力學和工程熱力學基本理論，供暖系統的熱量、流量和作用壓力的關系為: mH20 (3.6) w (3.7)式中:-用戶

34、系統的作用壓頭，mH20;V-用戶的熱水流量，m3/h;S-用戶的阻力特性系數，h2/m5Q-用戶的供熱量，w-循環水的密度，kg/m3CP-水的比熱，J/kg . -供回水溫差，。當系統達到熱力穩定后，記錄下各用戶供回水溫差和壓力差及熱源總供回水溫差，然后順序調節，應使熱用戶調節后的供回水壓力差為： mH2O (3.8)式中:-調節前熱用戶記錄的供回水壓力差,mH2O-調節前熱用戶記錄的總供回水溫差，-調節前熱源記錄的總供回水溫差，a-修正系數。當用戶的供回水溫差大于熱源總供回水溫差時，a=1.031.06，偏差大時取較大值，偏差小時取較小值。當用戶的供回水溫差小于熱源總供回水溫差時，a=0

35、.95-0.98，偏差大時取較小值，偏差小時取較大值。初調后，待系統達到新的穩定狀態，再進行讀數記錄、計算和調節，這樣反復進行，直到滿足要求為止。(2)運行調節參數的計算供暖系統對建筑物供熱，既要保證在設計條件下(最不利情況)室溫符合要求，同時允許在一定的范圍內波動。因此不僅要有正確的設計，而且要對系統進行正確的運行調節。但是目前大部分供暖系統的設計熱負荷值大于需要值，選用的散熱器面積隨之增大，造成系統的供回水溫度達不到設計值，相應的運行參數值也不符合理論計算值。因此，在確定運行參數時，要考慮散熱器的相對面積及系統的相對流量值。如采用質調節運行方式，供回水溫度計算公式為: (3.9) (3.1

36、0)式中:- 室內溫度，；-散熱器的設計平均計算溫差，；-用戶的設計供水溫差，；-相對熱量，；-相對況量，-散熱器相對面積，;B-散熱器傳熱系數指數。（3）累計熱量計算根據熱力學基本原理，在某一時間內，鍋爐的總供熱量為: （3.11）式中:t- 累計時間，S;tg，th-鍋爐總供回水溫度，。其它符號同前。比熱CP和密度是溫度的函數，所以只要知道各時刻的流量和供回水溫差，即可求出某時間內的熱量。3.3燃燒過程控制供暖鍋爐燃燒系統是一個多變量輸入、多變量輸出、大慣性、大滯后且相互影響的一個復雜系統。當鍋爐的負荷變化時，所有的被調量都會發生變化，而當改變任意調節量時，也會影響到其他被調量。鍋爐燃燒過

37、程自動控制的基本任務是是燃料燃燒所提供熱量適應符合的需要，同時還要保證鍋爐安全經濟運行。燃燒控制系統的任務主要有三點：（1）穩定鍋爐的出水溫度，始終保持在設定值附近。出水溫度的設定值與室外溫度以及消耗熱量（負荷）的變化相關，以出水溫度為信號，改變燃煤量和風煤比，達到出水溫度與設定值一致。同時測量系統的回水溫度和爐膛溫度，若回水溫度過低則適當加大給煤量，反之則適當減少給煤量；若爐膛溫度過高則適當減少給煤量，反之則適當加大給煤量。（2）保證鍋爐燃燒過程的經濟性。對于給定出水溫度的情況下，需要調節鼓風量和給煤量的比例，時好美兩盒鼓風量成比例關系，同時根據出水溫度的變化對鼓風量進行前饋控制，然后通過測

38、定煙氣含氧量，運用偏差控制調節風煤比，使燃煤充分燃燒。（3）調節鼓風量和引風量，保持爐膛壓力在一定的負壓范圍內。爐膛負壓的變化，反映了引風量和鼓風量的不相適應。如果爐膛負壓太小，爐膛容易向外噴火，危及設備與工作人員的安全。負壓過大，爐膛的漏風量過大，增加引風機的電耗和煙氣帶走的熱量損失。本系統中根據鼓風量的變化，對引風量進行前饋控制。根據經驗設定爐膛負壓，并測定爐膛負壓，運行PID算法控制爐膛負壓保持在一定的范圍內，從而調節引風量，確定引風機的轉速。3.4鍋爐控制系統設計鍋爐的工況如下:(1)完全手動控制方式，水位控制、給煤量的多少(即爐排轉速)、鼓風量的多少(即鼓風機轉速)和引風量的多少都是

39、操作工憑借經驗進行調節。這樣的控制方式造成操作工勞動強度大且增加了系統的不可靠性。(2)控制設備落后，通過擋風板對鼓風量和引風量進行控制，大量的能源浪費在擋風板上，能源浪費嚴重。同時電機轉速不可調，只能通過啟停改變輸入，難以進行有效控制，而且電機損耗嚴重。(3)控制效果差，鍋爐長期工作在大鼓風大引風狀態下，熱量損失嚴重、鍋爐熱效率低。通過調查，我們可以看出該營區鍋爐的整套控制系統是很落后的，這直接帶來了控制效果差、鍋爐熱效率低、能耗大環境污染比較嚴重等諸多問題。故需要設計新的控制系統以達到降低能耗，改善環境污染，減小操作人員的勞動強度和提高經濟效益的目的。根據鍋爐供暖系統的工作特點，控制系統的

40、基本控制任務和控制要求包括:燃燒控制(爐膛溫度控制、爐膛負壓控制、引風控制、送煤控制):給水控制(供水壓力、供水溫度、供水流量等);以及對各設備狀態進行檢測，以便進行顯示、報警、工況計算以及制表打印等。鍋爐是高壓運行設備，保證安全性極其重要。在用戶供暖需要的情況下，S7-300 PLC控制給水閥、輸煤量、鼓風量與引風量，使保持鍋爐的出水溫度穩定，爐膛負壓穩定，煙氣穩定，使燃料能量最充分地燃燒，以取得最大的熱效率。最優燃燒控制則關系到鍋爐經濟運行。利用S7-300 PLC對鍋爐系統進行控制的整體結構圖如圖3-3所示：圖3-3 鍋爐控制系統結構圖在鍋爐房供暖系統中，主要是對系統的總供回水溫度、循環

41、水量、室內外溫度、瞬時熱量和累計熱量等重要參數進行監控。這些參數可以反映供暖系統溫度、流量隨室外溫度變化的規律，它的準確程度直接影響到方案的準確性。圖3-4為鍋爐房供暖系統監測示意圖。圖3-4鍋爐供暖檢測示意圖鍋爐計算機自動化控制系統，就是利用現代計算機技術來實現工業鍋爐生產過程自動化的系統。它的組成應包括兩個部分，即控制器部分和鍋爐生產設備部分。其中控制器部分為系統的控制核心，它通過智能儀表對鍋爐的現場工況出回水溫度、爐膛溫度等)數據進行采樣檢測，并通過總線將信號傳送至可編程序處理器(PLC)上，PLC按照事先編好的程序對數據進行處理和運算，最后輸出控制信號控制鍋爐生產過程，同時還可實現向上

42、位機傳送數據信息，上位機也可通過接入總線實現對生產過程的監視和控制;鍋爐生產過程由鍋爐本體和爐排電機、鼓風機、引風機及其變頻器等輔機組成，輔機的運行就由PLC控制，從而實現對鍋爐生產過程的設計。鍋爐上位機變頻自動控制系統中，上位機及上位機上運行的組態軟件實現人機交換功能，操作人員可以通過組態軟件監視鍋爐的運行過程，同時也可以通過上位機，通過組態軟件對鍋爐的運行進行干預控制。鍋爐生產過程部分是鍋爐生產運行場所，它由鍋爐本體及其輔機組成。鍋爐輔機包括鼓風機、引風機、水泵、上煤機和除渣機等設備。本設計中所用模糊自整定PID控制算法，通過對西門子公司的S7-300PLC處理器編程來實現，采集誤差信號和

43、誤差變化量信號，將其模糊化到語言變量的論域，采用離線計算的方法將模糊規則制成模糊查詢表，通過在線方式查詢模糊控制量輸出，最后將PID參數校正量與基準量相加，獲得PID參數的即時值，最后進行PID運算計算得到控制對象執行器。3.5控制系統構成介紹本設計綜合考慮鍋爐的控制特性和現場條件，確定采用PLC加上位機監控工作方式同操作臺手動操作切換方式，其中PLC加上位機工作方式可用于自動狀態，操作臺工作方式用于人工調試或緊急情況下使用。兩種方式間可自由切換，且處于操作臺工作方式時，PLC及上位機仍采集現場信號，但輸出不對現場作用。本設計主要設計PLC加上位機的控制方式。在整個系統運行時，上位機完成參數設

44、定和狀態監控，PLC負責實時控制程序的運行。系統由4個子系統組成:水位控制子系統、出回水壓力控制子系統、最優風煤比控制子系統和負壓控制子系統。根據工程實際情況本系統對鍋爐進行控制，控制系統所采用主要部件如下:安裝有WinCC組態軟件及STEP 7軟件的計算機一臺，PLC控制器1套、壓力信號傳感變送器2個、液位信號傳感變送器2個、溫度信號傳感變送器2個、回水流量傳感變送器2個、給水流量傳感變送器2個、變頻器4臺和其它附件。器件類型選擇型號備注PLCS7-300可通過擴展電纜進行數字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴展PLC CPUCPU315可連接7個擴展模塊，最大擴展至35點模擬量I/

45、OPLC擴展模塊SM321 SM322 SM331 SM332壓力信號傳感變送器PT100供電電壓 傳感器:10VDC(6-12VDC) 變送器:24VDC(936 V)液位信號傳感變送器PTP6024-20mA,0-5V,1-5V,0-10V溫度信號傳感變送器TG100-VNB測量精度高。感器壽命極長。回水流量傳感變送器RL-AVS24VDC，工作壓力：02.5MPA給水流量傳感變送器RL-AVS24VDC，工作壓力：02.5MPA變頻器VLT5000丹麥的丹佛斯系列帶有WinCC組態軟件及STEP 7軟件的計算機將系統所用各控制設備及檢測儀表組態到一起，可實現對現場信息的監視操作，并可將運

46、行程序通過MPI網傳輸到PLC中，以實現對鍋爐系統的控制。PLC:本系統以SIEMENS公司的S7-300系列PLC為主控制器，由現場智能傳感變送器對鍋爐的爐膛溫度、爐膛負壓給水壓力和回水壓力等現場信號進行檢測并變送后通過I/O模塊送往PLC，其后PLC按照預訂程序處理并通過I/O模塊返回控制信號。變頻器:變頻器采用丹麥的丹佛斯系列變頻器的VLT5000，工作時變頻器根據PLC運算得到的控制信號或操作臺轉速設定控制信號對給水泵、爐排、鼓風機和引風機進行調速控制。其它附件包括1個操作臺，1個配電柜、2個控制柜等。圖3-5 控制系統框圖本系統可以工作于手動方式和自動方式下。系統工作在手動方式下時，

47、司爐工對系統進行控制，司爐工根據操作臺上顯示儀表顯示的現場信號(爐膛溫度、給回水壓力和爐膛負壓)，根據需要，分別調節操作臺面板上的給水泵、爐排電機、鼓風機和引風機調速旋鈕，調速旋鈕調節相應變頻器的輸出大小，而變頻器的輸出大小直接控制給水泵、爐排轉速、鼓風量和引風量，從而實現控制鍋爐運行過程。當系統工作在自動方式下時，PLC作為核心控制器，根據查表控制算法對鍋爐運行進行控制(調節變頻器)，從而對鍋爐運行進行控制。操作臺采用儀表控制系統，必要時進行兩種運行方式的相互切換，以便在不同鍋爐控制需要間切換。控制系統中，由鍋爐變頻控制系統通過控制變頻器對給水泵、爐排電機、鼓風機和引風機進行節能調速。除了對

48、變頻器的調節外，整個鍋爐控制系統還包括，鍋爐啟停控制部分、保護系統及檢測系統(包括熄火報警等)及各閥門控制以及積灰處理分系統。這些系統也全都通過手動或自動方式控制、鍋爐運行過程的控制調節主要包括事故下的保護，啟停過程控制，正常的燃燒過程調節三部分。事故保護:這主要是由于某種原因造成循環水停止或循環量過小，以及鍋爐內水溫太高，出現汽化。此時最重要的是恢復水的循環，同時制止爐膛內的燃燒。這就需要停止給煤，停止爐排運行，停止鼓風機、引風機。PLC接收水溫超高的信號后，就應立即進入事故處理程序，按照上述順序停止鍋爐運行，并響鈴報警，通知運行管理人員，必要時還可通過手動補入冷水排除熱水，進行鍋爐降溫。啟

49、停控制:鍋爐采用煤粉燃燒。點火時在爐排上鋪煤，煤上放著引燃的澆了柴油的木柴，爐排速度調整到最低，鼓風機及引風機也調至最低工作狀態，直至給水壓力達到額定壓力再將爐排及鼓風引風機轉速調整到正常。啟動點火的準備工作為人工手動進行，但爐排轉速和鼓風和引風的控制及封火暫停機和再次啟動的過程則由PLC控制自動進行。封火過程為逐漸停止爐排運動，停掉鼓風機，然后停止引風機。重新啟動的過程則是開啟引風機，慢慢開大鼓風機，隨爐溫升高慢慢加大爐排進行速度。控制系統的控制核心PLC根據現場傳感變送器反饋回來的現場信號(爐膛溫度、給回水壓力和爐膛負壓)，根據程序算法，輸出控制量調節變頻器的輸出大小，而變頻器的輸出大小直

50、接控制給水泵、爐排轉速、鼓風量和引風量，這就是鍋爐系統的PLC自動運行方式。為了保證特殊場合需要，我們在自動方式中加入另外一種工作方式，我們稱之為上位機控制方式。所謂的上位機控制方式是由操作人員直接在上位機上設定爐排、鼓風機和引風機的轉速，這些控制命令通過PLC的輸出模塊輸出控制變頻器的轉速。第4章 軟件設計S7-300/400屬于模塊式PLC，主要由機架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設備等組成。圖4.1 PLC控制系統示意圖PLC的主要生產廠家：德國的西門子(Seimens)公司，美國Rockewll公司所屬的AB公司，GEFanuc公司，法國的施耐德

51、(schneider)公司，日本的三菱和歐姆龍(OMRON)公司。PLC采用循環執行用戶程序的方式。OB1是用于循環處理的組織塊(主程序)，它可以調用別的邏輯塊，或被中斷程序(組織塊)中斷。在起動完成后，不斷地循環調用OB1，在OB1中可以調用其它邏輯塊(FB，SFB，FC或SFC)。循環程序處理過程可以被某些事件中斷。在循環程序處理過程中，CPU 并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區和輸出地址區，而是訪問CPU內部的輸入/輸出過程映像區，批量輸入、批量輸出。圖4.2.掃描過程某一編程元件對應的過程映像位為1狀態時，稱該編程元件為ON，過程映像位為0狀態時，稱該編程元件為OFF。循環時間(Cy

52、cleTime)是指操作系統執行一次循環操作所需的時間，又稱為掃描循環時間(Scan CycleTime)或掃描周期。4.1 S7-300系列PLC簡介S7-300的CPU模塊（簡稱為CPU）都有一個編程用的RS-485接口，有的還帶有集成的現場總線PROFIBUS-DP接口或PtP串行通訊接口，S7-300不需要附加任何硬件、軟件和編程，就可以建立一個MPI（多點接口）網絡，如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一個DP網絡網絡。圖4.3 S7-300 PLC1.電源模塊 2.后備電池 3.24V DC連接器 4.模式開關 5.狀態和故障指示燈 6.存儲器卡（CPU313以上） 7.MP

53、I多點接口 8.前連接器 9.前蓋功能最強大CPU的RAM為512KB，最大8192個存儲器位，512個定時器和512個計數器，數字量最大65536，模擬量通道最大為4096。有350多條指令。計數器的技術范圍為1-999，定時器的定時范圍為10ms-9990ms。只需要擴展一個機架，可以使用價格便宜的IM365接口模塊對。數字量模塊從0號機架的4號槽開始，每個槽位分配四個字節的地址，32個IO點。模擬量模塊一個通道占一個字地址。從IB256開始，給每一個模擬量模塊分配8個字。1.模塊診斷功能可以診斷出以下故障：失壓，熔斷器熔斷，看門狗故障，EPROM、RAM故障。模擬量模塊共模故障，組態/參

54、數錯誤、斷線、上下溢出。2.過程中斷數字量輸入上升沿、下降沿中斷；模擬量輸入超限；CPU暫停當前程序，處理OB40。3.狀態與故障顯示LEDSF（系統出錯/故障顯示，紅色）：CPU硬件故障或軟件錯誤時亮。BATF（電池故障，紅色）：電池電壓低或沒有電池時亮；DC 5V（+5V電源指示，綠色）：5V電源正常時亮；FRCE（強制，黃色）：至少有一個IO被強制時亮；RUN（運行方式，綠色）：CPU處于RUN狀態時亮；重新啟動時以2Hz的頻率閃亮；HOLD（單步、斷點）狀態時以 0.5Hz的頻率閃亮；STOP(停止方式，黃色)：CPU處于STOP，HOLD狀態或重新啟動時常亮；BUSF(總線錯誤，紅色

55、)。4.模式選擇開關A.RUN-P（運行-編程）位置：運行時還可以讀出和修改用戶程序,改變運行方式。B.RUN（運行）位置：CPU執行，讀出用戶程序，但是不能修改用戶程序。C.STOP（停止）位置：不執行用戶程序，可以讀出和修改用戶程序。D.MRES（清除存儲器）：不能保持。將鑰匙開關從STOP狀態扳到MRES置可復位存儲器，使CPU回到初始狀態。復位存儲器操作：通電后從STOP位置扳到MRES位置，“STOP”LED熄滅1s，亮1s，再熄滅1s后保持亮。放開開關，使它回到STOP位置，然后又回到MRES，“STOP”LED以2Hz的頻率至少閃動3s，表示正在執行復位，最后“STOP”LED一

56、直亮。某些CPU模塊上有集成IO模塊。PLC使用的物理存儲器有：RAM,ROM，快閃存儲器（Flash EPROM）和EEPROM。 4.2 PLC編程語言簡介4.2.1 PLC編程語言的國際標準IEC6ll31是PLC的國際標準，19921995年發布了IEC6ll31標準中的14部分，我國在1995年11月發布GB/T 15969-1/2/3/4(等同于IEC6ll31-1/2/3/4)。IEC 6ll31-3廣泛地應用PLC、DCS和工控機、“軟件PLC”、數控系統、RTU等產品。它們定義了5種編程語言：1) 指令表IL(Instructionlist):西門子稱為語句表STL.2) 結構文本ST(Structuredtext):西門子稱為結構化控制語言(SCL)。3) 梯形圖LD(Ladderdiagarm):西門子簡稱為LAD。4) 功能塊圖FBD(runctionblockdiagram):標準中稱為功能方框圖語言.5) 順序功能圖SFC(Sequentialfunctionchart):對應于西門子的S7Graph。