摘要在當今多種工業企業的動力設備中，鍋爐仍然是一重要的構成部分。伴隨現代化工業的飛速發展，對能源運用率的規定越來越高，作為將一次能源轉化為二次能源的重要設備之一的鍋爐，其控制和管理隨之規定越來越高。但在我們國家，除了某些大中型鍋爐采用了先進的控制技術外，絕大多數中小企業所用的鍋爐，如10T/h、20T/h鍋爐，大部分還在采用儀表/繼電器控制，甚至還是人工操作，已無法滿足規定。據此，本文針對一臺10T/h工業鍋爐，提出了一套PLC的控制系統方案。本文以一臺10T/h鍋爐的PLC控制系統為背景，理論與實踐相結合，詳細論述了集PLC技術，變頻器技術，通信技術于一體的先進控制技術在該鍋爐控制系統中的應用。在該系統中，應用了Siemens企業的S7-300系列PLC，根據鍋爐的控制特點，分析系統的控制規定，實現給煤自動調整，送風自動調整，引風自動調整，水泵給水的自動調整，根據系統控制規定分析系統所需的PLC配置，以及備控量的I/O點數及I/O口分派，查閱S7-300使用手冊在理論上分析確定PLC的構成及使用事項，并用其編程軟件Step7設計鍋爐控制的梯形圖、STL語句及PLC通信網絡，實現鍋爐的水位三沖量控制、燃燒過程自動控制、蒸汽壓力自動控制等功能；基于鍋爐運行安全的考慮，該系統中鍋爐由PLC控制，PLC、上位機構成一種MPI網，運用Siemens企業的MPI全局通訊技術及WinCC的軟件設計，實現鍋爐的上位機的冗余控制，關鍵詞:鍋爐變頻器PLCPIDWinCCStep7MPI全局通訊AbstractNowadaystheboilersarestillanimportantcomponentamongvariouspowerequipmentsinindustrialenterprises.Alongwiththefastdevelopmentofmodemindustry，highefficientenergyutilizationispursuedmoreandmore.AndtheboilerareakindofPrimaryequipmentsforconvertingrawenergyintosecondaryenergy，sotheircontrolandsupervisionisveryimportantforpromotingenergyutilizationefficiency.Butinourcountry，onlysomebigandmedium-sizedboilershaveadopted.Advancedcontroltechnique.Mostboilersbeingusedbymediumandsmallenterprises，suchas10T/hand20T/hboilers，arecontrolledbymete/relays，orevenmanually.Thatcannotmeetdemand.Inthispaper，acontrolsystemschemeofPLC+IPCisProposed，whichisaimingata10T/hindustrialboilers.AnadvancedboilercontroltechniquecomposedofPLC，inverter，andcommunicationaredetaillydescribedwithrespecttheoryandapplicationinthispaper，whichisbasedontwoPLCcontrolsystemsof10T/hboilersincertainplant.TheS7-300seriesPLCofsiemenscompanyisadoptedintheboilercontrolsystems.TheStep7programmingsoftwareisusedtodesigntheladderchart，theSTLlanguageandthePLCcorrespondencenetwork.Automaticcontrolfortheboilershasbeenrealized，suchasthreeimpulsecontrolforthewaterlevel，burningProcesscontrol，vaporpressurecontrol.Moreover，anamicableman-machineinterface，automaticstorageofimportantboilerrundata，andautomaticprintofreportsinneedisrealizedbyusingtheconfigurationssoftwareWinCCofSiemenscompany.EachboilerinthesystemiscontrolledbyonePLCrespectively.PLCandIPCshapedintoaMPInet.ByusingtheMPIoverallsituationtelecommunicationtechniqueandtheWinCCsoftwareofSiemenscompanyredundancycontrolsofthetwoIPCaredesignedforthesafety.Theautomaticcontrolofpublicfacilitiessuchasdeoxidizationequipmentisalsorealizedinthesystem.Keywords:boiler，inverter，PLC，PID目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1工業鍋爐控制現實狀況 11.2工業鍋爐控制的任務和特點 11.2.1工業鍋爐控制的任務 11.2.2工業鍋爐給水自動控制 21.2.3工業鍋爐燃燒過程自動控制 41.3PLC控制的長處 71.4本文重要內容 8第二章鍋爐控制系統的總體設計 92.1系統控制規定 92.2鍋爐本體構造 92.3系統設計思想 102.3.1電機控制模式 102.4各重要回路控制方略 122.4.1鍋爐生產工藝流程圖及汽水系統 122.4.2主程序框圖如下： 132.4.3自動控制系統構造框圖： 142.4.4給水調整回路 142.4.5汽包壓力調整回路 152.4.6爐膛負壓調整回路 162.4.7水位控制程序框圖： 182.4.8燃燒控制回旅程序框圖： 19第三章系統硬件構成 203.1總體構造 203.2系統硬件構成 203.3重要器件選擇 203.4系統供電 333.5系統接地 343.6系統運行方式 343.7PLC配置及I/O點分派： 353.7.1鍋爐給水 353.7.2鍋筒 363.7.3給煤 373.7.4鼓風和引風 383.7.5爐膛 393.7.6出渣機： 403.7.7蒸汽管路和省煤器： 40第四章系統軟件和設置 424.1PLC軟件設計 424.1.1Step7簡介 424.1.2Step7的PlD功能塊 454.1.3PLC程序總體構造 504.1.4功能模塊編程 524．2系統通訊 564．3本章小結 57結束語 58道謝 59參照文獻 60附錄1原理圖 61附錄2外文 62附錄3翻譯 65第一章緒論1.1工業鍋爐控制現實狀況目前在我們國內，鍋爐仍然是多種工業企業的動力設備中重要的構成部分。不過，除了某些大中型鍋爐采用了先進的控制技術，如DCS,FCS，一般的小型鍋爐的控制仍較落后，仍在使用儀表、繼電器作為重要的控制手段(如DDZ-II或III型系列儀表)，需要過多的人為參與，不僅工作人員的工作條件差，勞動強度大，并且鍋爐的熱效率很低，資源揮霍嚴重。雖然目前的儀表不少已趨智能化，在鍋爐上也實現了自動或半自動控制，不過，由于其不菲的價格、缺乏管理功能等種種原因，其應用受到很大限制。此外，當今的大部分中小企業使用的鍋爐容量普遍在20T/h如下，鍋爐只有兩三臺，企業根據其經濟的承受能力，一般都不也許選用價格昂貴的大型控制系統。這也是我們小型鍋爐的控制技術水平不高的重要原因之一【2】。不過，伴隨能源問題的突出，企業現代化管理水平的提高，尚有環境保護意識的增強，作為將一次能源轉化為二次能源的重要設備之一的鍋爐，其控制和管理的規定越來越高，目前的企業中的小型鍋爐的控制技術不提高將難以適應生產的需要。因此，這就需要在鍋爐控制技術上進行變革，需要設計一種性價比合理的、使用和維護以便的新型工業鍋爐控制系統。1.2工業鍋爐控制的任務和特點1.2.1工業鍋爐控制的任務工業鍋爐的功能是生產具有一定壓力、溫度參數的蒸汽或熱水，滿足外部對負荷的需求。為滿足此規定，并保證鍋爐本體的安全經濟運行，規定鍋爐的控制系統具有完善的自動檢測、自動程序控制、自動保護等功能。而鍋爐是一多變量、多回路、多耦合的復雜系統，擾動源比較多，要保證提供合格的蒸汽以滿足負荷的規定，其工作過程中的各重要工藝參數必須嚴格控制，為此，鍋爐的重要控制任務為【3】；(1)保持鍋筒水位在規定的范圍及給水穩定；(2)保持爐膛負壓在規定的范圍；(3)穩定蒸汽溫度、壓力和蒸發量；(4)保持燃燒的經濟性和鍋爐的安全運行。完畢上述的任務需要監控五個重要的被調整量和四個調整量，詳細如圖1-1：圖1-1鍋爐重要參量這些調整量和被調整量之間實際上互有關聯、互相制約，很難單獨確定某一量的大小。在實際運行中，處理的措施是設置幾種相對獨立的調整系統來簡化調整過程。在中小型工業鍋爐中，一般只要對兩個相對獨立的調整對象進行調整就能基本滿足一般顧客的規定，即給水過程控制和燃燒過程控制。1.2.2工業鍋爐給水自動控制1給水控制的必要性工業鍋爐給水的基本任務是在多種負荷條件下，控制給水量，使進入鍋爐的給水量與送出的蒸汽在數量上保持平衡。對于鍋筒鍋爐，這種平衡的標志是鍋筒水位維持在工藝規定的范圍內。對于工業鍋爐，水位的高下對鍋爐的安全運行和生產工藝規定影響很大。水位過高，蒸汽帶水量過多，減少蒸汽品質，會在蒸汽管道內發生水沖擊，甚至會發生滿水事故;水位過低，則會破壞水循環，以至燒壞某些受熱面，嚴重時會導致爆炸事故，因此維持鍋爐汽包水位的穩定是十分必要的【12】。2給水控制的難點鍋爐運行時，要保持鍋筒水位在規定的范圍內，須不停地往鍋筒內補水。由于給水的溫度比鍋筒內的水溫低，若給水量忽然增長，會使汽包內水溫下降，汽水混合物的汽化程度發生變化，水位有下降的趨勢。這樣，在一段時間內由給水引起的水位增高的趨勢和由汽化程度變化引起的水位下降的趨勢基本相等，導致鍋筒水位基本不變的狀態，即水位的等效純滯后現象。因此，為減少這種影響，給水過程應當是持續的。不過，工業上蒸汽負荷是有波的，有的波動還很大，所認為保持鍋筒水位，給水量就應隨負荷及時調整。不過，在蒸汽負荷波動時，尤其是在負荷變化較大的狀況下，鍋爐常常會出現“虛假水位”。其現象是:當負荷忽然大幅增長時，水位迅速上升，然后水位又迅速下降;當負荷忽然大幅下降時，水位迅速下降，然后水位又迅速上升。出現“虛假水位”的原因是:當負荷忽然大幅增長時，鍋筒內的蒸發量不能很快跟上，導致氣壓下降，鍋筒內的水的溫度就會從本來壓力下的飽和溫度降到新壓力下的飽和溫度，此時，釋放出的大量熱量使鍋筒內的水蒸發，產生大量氣泡，汽水混合物容積膨脹，水位升高。待大量氣泡逸出水面時，鍋水內的氣泡數量減少，汽水混合物容積減少，水位下降。同理，在負荷迅速下降時，將經歷一種相反的過程【5】。“虛假水位”對鍋筒水位控制很不利。當蒸汽負荷忽然增大時，本應增長給水量，但由于“虛假水位”現象的作用，鍋筒水位迅速上升，給水量信號反而減小，擴大了給水量和蒸汽量之間的不平衡，必然導致水位控制的動態特性變差:同理，當蒸汽負荷忽然減小時，仍會由于“虛假水位”現象的作用，使水位控制的動態特性變差。可見，水位控制不能簡樸地根據鍋筒水位瞬時的高下來調整給水量的大小，必須考慮“虛假水位”的影響。3三沖量給水自動調整鍋爐水位控制方案一般有單沖量給水自動調整系統、雙沖量給水自動調整系統和三沖量給水自動調整系統三種，目前應用較廣且比較成熟的是三沖量給水自動調整系統，其控制系統示意如圖1-2。在三沖量給水調整系統中，調整器接受鍋筒水位、給水流量和蒸汽流量三個信號，其中鍋筒水位是主變量，給水流量是反饋信號，蒸汽流量是前饋信號。當給水流量因給水壓力變化、給水調整閥開度變化等原因而發生擾動時，由于給水流量信號的反饋作用，可以迅速消除擾動，穩定給水流量。蒸汽流量不經PID調整而此前饋方式加入，能克服因“虛假水位”而引起的調整器誤動作，有效地改善水位控制，使得水位控制精度提高，動態響應性能變好【4】。三沖量給水調整系統的控制方案合用于燃煤鏈條式、燃油、燃氣以及負荷變動大的鍋爐。圖1-2三沖量給水調整示意圖圖1-3三沖量串級控制圖1.2.3工業鍋爐燃燒過程自動控制1控制任務鍋爐的基本構成是“鍋”和“爐”兩大部分。燃料在“爐”中燃燒放熱，高溫煙氣攜帶的熱量為“鍋”的受熱面吸取，以產生一定壓力和溫度的蒸汽。作為鍋爐的燃燒設備—“爐”，其任務是針對不一樣燃料的燃燒特性，為其完全燃燒發明良好的條件，以求燃料將其熱量最大程度地釋放出來。鍋爐的燃燒控制直接關系著與否對環境導致污染、與否節能及能否給企業帶來效益。因此，鍋爐的燃燒控制自動化數年來倍受重視。鍋爐燃燒過程自動控制的重要任務是:(1)保持蒸汽壓力穩定鍋爐運行中蒸汽負荷隨時發生變化，并反應到蒸汽壓力波動，這樣就必須隨時變化燃料量以適應負荷的需要，并保持汽壓穩定。(2)保證經濟燃燒為了得到最經濟的燃燒工況，就要保持燃料量和送風量之間有合適的比例，當燃料量變化時，必須對應地調整送風量，使它與燃煤量相配合。(3)保持爐膛壓力一定中小型工業鍋爐目前一般采用爐膛負壓運行方式，且負壓維持在100Pa以內。爐膛負壓過小，爐灰和火苗從火孔和爐門等處外溢，會引起爐膛噴火等事故:負壓過大，會引起漏風量增大，影響鍋爐熱效率，不利于經濟燃燒，同步使引風機電耗量增大。因此，必須嚴格保證爐膛負壓穩定在某一水平，這對燃燒工況、鍋爐房工作條件、爐子的維護和安全運行都是有利的，這也是保證鍋爐經濟燃燒和安全性的重要指標。雖然燃燒控制系統是一種多參數變量的調整系統，但一般都把它簡化成互相聯絡、親密配合但又相對獨立的3個單變量系統來實現，即:以燃料量維持鍋爐壓力恒定的蒸汽壓力控制系統，以送風量維持鍋爐經濟燃燒的送風調整系統，以引風量維持爐膛負壓穩定的爐膛負壓調整系統。2蒸汽壓力控制蒸汽壓力是反應蒸汽供需關系平衡與否的重要指標，也是表征蒸汽的重要參數。汽壓偏高，會加速金屬材料的蠕變;汽壓偏低，闡明供需關系不平衡，設備消耗的蒸汽量不小于既有的產汽量，難以維持長期穩定的運行。因此，維持壓力穩定是安全生產和維持運行的需要。對于燃煤鏈條爐，蒸汽壓力的控制重要通過給煤量的調整來實現，也即調整爐排的轉速。給煤量大，供應的熱量多，鍋水吸熱多，產生的蒸汽壓力增大，相反則蒸汽壓力減小。當然，給煤量必須與鼓風量配合，一定給煤量對應最佳鼓風量，鼓風量小，燃燒不完全，鼓風量大帶走過多熱量。并且，根據工藝規定，當負荷增長時，應先增長鼓風量，再增長給煤量:負荷減小時，先減少給煤量，后減少鼓風量。蒸汽壓力的控制過程是個大慣性大滯后過程，目前這個過程的控制大多仍采用PID控制。這是由于PID控制具有構造簡樸、實現輕易和魯棒性強的特點，并且PID控制器不需要精確的數學模型，其控制參數的物理意義清晰，控制器輕易在線調整。不過，為實現更好的控制效果，目前己有不少新的算法的應用，如非線性PID控制算法、模糊算法等等。3經濟燃燒鍋爐的經濟燃燒波及諸多變量，如空氣過剩系數、煙氣含氧量、風煤比，各變量之間互相影響又相對獨立，要使鍋爐實現經濟燃燒，必須綜合考慮多種有關原因，并進行合理控制。國內外己有不少機構對鍋爐控制進行了研究，并有有關的先進控制與優化軟件問世，但由于種種原因，在中小型控制系統中的應用還很少。國內的有關控制大多仍基于老式的控制方略，如PID控制、比值控制、串級控制、前饋控制等，在此基礎上加進某些優化技術，如PID控制器參數自整定、自適應控制、模糊控制等，最終的目的都是為了實現鍋爐燃燒的在線優化，以實現經濟燃燒。尚有一點需要闡明，在目前的鍋爐中為使燃料完全燃燒，大都增設了二次風，以加強煙氣和空氣的擾動、混合和延長煙氣流程，減少化學未完全燃燒損失，同步使煙氣中的煤粒在爐膛內停留較長時間，使其得到充足燃燒。根據運行經驗，合理使用二次風能使鍋爐的熱效率提高3-5%左右。4爐膛負壓控制影響爐膛負壓的原因主是鼓風量和引風量，一般爐膛負壓重要通過控制引風量的大小來控制。在這里，爐膛負壓作為被控對象，引風量作為控制對象，當然這是在鼓風量一定的前提下說的。當鼓風量發生變化的時候，引風量也要跟著變化，一般是把鼓風量作為引風控制的前饋量，在鼓風量增長時立即增長引風量，當鼓風量減少時，通過一段時間再減少引風量。5連鎖控制在鍋爐控制中，為保證鍋爐安全運行，在某一機構發生故障時，要有即時報警和有關保護，并觸發與之關聯的設備實現自動連鎖。鍋爐運行規定的連鎖動作大體有如下幾項:(1).鼓風電機規定當引風電機停止、爐排電機停止、鍋筒壓力或蒸汽總管壓力超過上限時，鼓風電機自動停止。啟動時，只有引風機運行起來后才開鼓風機。(2).引風電機規定當鍋筒壓力或蒸汽總管壓力超過上限時，引風電機自動停止。(3).爐排電機規定當鼓風電機或引風電機發生故障時，爐排電機立即停止運行。在正常啟停時，當鼓風和引風開起來后再開爐排電機，停機時先停爐排電機。(4).給水泵規定鍋筒水位超過上上限時，給水泵自動停止。給水泵的控制還要考慮除氧水箱水位的下限，在其靠近空時，也要停止給水泵。1.3PLC控制的長處可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController)簡稱PLC，采用的是計算機的設計思想，最初重要用于次序控制，只能進行邏輯運算。伴隨微電子技術、計算機技術和通信技術的發展，以及工業自動化控制愈來愈高的需求，PLC無論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯網通信上，均有很大的提高。目前的PLC己不只是開關量控制，其功能遠遠超過了次序控制、邏輯控制的范圍，具有了模擬量控制、過程控制以及遠程通信等強大功能。美國電氣制造商協會(NEMA)將其正式命名為可編程控制器(ProgrammableController)，簡稱PC，不過為了和個人計算機(PersonalComputer)的簡稱PC相區別，人們常常把可編程控制器仍簡稱為PLC.實際上，PLC就是以嵌入式CPU為關鍵，配以輸入、輸出及通訊等模塊，可以以便地用于工業控制領域的裝置。它以其高可靠性、高穩定性、編程簡樸和易于使用，在現代工業企業中得到廣泛應用，使得整個控制系統在功能的可靠性、配置的靈活性等方面較之過去產生了質的飛躍。當然，與所有的器件同樣，PLC自身也有其局限性，它無法向操作者顯示動態的設備狀態參數，無法進行大批量數據的存貯與轉化，尤其是當系統工藝變化時，無法以便、迅速地變化有關參數、配方。因此，在現今的稍微復雜某些的控制系統中，PLC一般與工業控制計算機配合使用，實現完整的控制功能。工業控制計算機，簡稱工控機，是針對工業用途而設計的計算機，與一般的商業PC機相比，具有更高的可靠性、穩定性，同步構造上也更便于擴展;另首先，它與商業PC機同樣，有著十分豐富的商品軟件支持，可以開發出適合顧客的直觀、以便的圖形操作界面。目前，工業控制中所采用的工業PC+PLC控制系統中，PLC重要負責數據采集、控制運算和控制輸出，可以接受開關接點等數字信號，還可以直接接受原則的過程量，如4-20mA電流、1-5V電壓、熱電偶、熱電阻等模擬信號。基于HMI技術的工業PC機構成了OS操作員站或ES工程師站，重要的功能是數據歸檔、趨勢記錄、報警提醒以及參數設定，提供了運行人員和控制系統的一種交互方式。伴隨網絡通信功能的不停增強，PLC與PLC及計算機的互聯，可以形成大規模的控制系統，在其中掛接在線通用計算機，實目前線組態、編程和下裝，進行在線監控整個生產過程，這樣就已經具有了集散控制系統的形態，加上PLC價格和可靠性優勢，使之可與老式的集散控制系統相競爭。伴隨PLC成本的下降和性能的提高，一般PLC己能滿足小型鍋爐的控制規定，且性價比較高。1.4本文重要內容本文以一臺l0T/h蒸汽鍋爐PLC控制系統為研究對象，重要做了如下幾種方面的工作：(1)在深入理解鏈條燃煤鍋爐的工藝過程，以及國內蒸汽鍋爐控制現實狀況，尤其對一臺l0T/h鍋爐控制系統研究，討論了PLC+工業PC在鍋爐控制中的應用的可行性；(2)論述了一臺l0T/h蒸汽鍋爐PLC控制系統的總體構造設計；(3)簡介了子系統的設計與實現；(4)討論了燃燒過程中優化控制方略；(5)詳細簡介了控制系統硬件、軟件設計方案。第二章鍋爐控制系統的總體設計2.1系統控制規定本控制系統控制一臺l0T/hDHL10-1.25-AIII型鍋爐，結合鍋爐自帶的部分手動控制，實現如下功能：1.鍋爐給煤系統：給煤自動調整；2.鍋爐送風系統：送風自動調整；3.鍋爐引風系統：引風自動調整；4.鍋爐燃燒控制系統：給煤、送風和引風系統一起實現鍋爐最佳經濟燃燒；5.水箱水位實時監控：水位監視與報警；6.循環水泵、補水泵運行狀態實時監控：循環水泵、補水泵狀態監視與報警；7.鍋爐多種連鎖保護：保證鍋的安全運行。2.2鍋爐本體構造DHL10-1.25-AIII型角管式鍋爐為單鍋筒橫向布置組裝鍋爐，鍋爐的燃燒方式采用輕型鏈條爐排，鍋爐爐膛及水冷系統為膜式壁構造，整臺鍋爐呈單層布置，配置鼓風機、引風機、水泵、出渣機、除塵器及部分電氣控制裝置。煙氣燃料系統：燃料從煤斗通過煤閘門，經刮平后隨爐排緩慢進入爐膛，著火燃燒后產生的煙氣通過煙氣出口窗，進入對流管束，在其中上下向流動，然后通過鍋爐的煙道，依次進入省煤器、除塵器等設備后，由引風機將煙氣從煙囪排向大氣?；以到y：燃料經燃燒后生成的灰渣在爐排尾部落入渣坑，經出渣機排出，爐排的漏煤和漏灰由鏈條爐排前部的落灰斗內掏出。送風系統：空氣由鼓風機送入風道，通過鏈條爐排兩側的風道，進入爐排下的風室，通過爐排進入爐膛。二次風裝置：多孔分層錯列射流式二次風裝置保證燃料在爐膛內充足燃燒。由上面的描述可知，此鍋爐的燃料供應可通過爐排轉速來調整，由于這里沒有過熱器，產出的是該廠需要的是飽和蒸汽，因此有關的計量和顯示應按照飽和蒸汽的特性來設置。2.3系統設計思想在以上分析的基礎上，我們對系統作如下各控制部分設計。2.3.1電機控制模式控制系統中根據驅動方式的不一樣具有2類電機，一類帶有變頻器驅動，如引風機、鼓風機、給水泵、爐排機;另一類通過直接控制接觸器的通斷來驅動，如除渣機、進水泵。對于帶變頻器的電機，系統設置了“現場控制”和“計算機控制”2種操作方式。“現場控制”是指在中控室的操作臺通過啟停按鈕及手操器對電機進行操作的一種方式，“計算機控制”是指在中控室操作員站計算機上通過鍵盤、鼠標、顯示屏等設備對電機進行操作的一種方式。電機的啟停次序存在約束關系，如啟爐的次序為：引風機——鼓風機——爐排機，停爐的次序則相反:爐排機——鼓風機——引風機。變頻器實現電機的軟啟動和調速功能，在電機到達轉速規定后，PLC會發出信號積極關閉變頻器的動作，保護變頻器的使用壽命，電機切換到公頻狀態下運轉，對于帶變頻器的電機控制如下圖所示：圖2-1變頻器控制電機原理圖對于不帶變頻器的電機，分為2種狀況進行控制。對于除渣機，由于工作任務簡樸，只設置現場操作箱，在現場對其直接進行啟停操作。對于軟水箱進水泵，在現場設置1個操作箱，通過操作箱上的“現場控制”及“計算機控制”轉換開關對其操作方式進行轉換。對于電機的控制如下圖所示：圖2-2控制電機的電氣原理圖對于給水泵和軟水箱進水泵，由于其每兩臺水泵對應一套設備，如1臺給水泵供應一臺鍋爐，2臺軟水箱進水泵供應一套軟水箱。鑒于此狀況，將給水泵和軟水箱進水泵的控制方式設計為兩臺水泵互為備用的方式，當其中一臺水泵出現故障問題時，此外一臺備用水泵可以自動切換到工作狀態，使鍋爐爐筒或軟水箱的供水不會出現中斷，保障了鍋爐運行的安全。在切換過程中，PLC控制程序將會做PID調整參數的自動調整傳播，使水泵的工作狀態轉移不會出現擾動。此外，在PLC控制程序中還設計有水泵的運行累積時間判斷程序，使水泵啟動時優先啟動運行累積時間較短的那臺，這樣可使兩臺水泵均保持良好的運行、備用狀態。2.4各重要回路控制方略2.4.1鍋爐生產工藝流程圖及汽水系統工藝流程圖如下：圖2-1鍋爐工藝流程圖工藝流程可分為給煤、水汽、風3大部分。分別闡明如下：1給煤：燃煤由皮帶輸送到鍋爐煤倉，落下平鋪到爐排。爐排電機經變速后帶動爐排轉動，爐排將煤送入爐膛參與燃燒。燃燒后的灰渣在爐膛后部落入碾渣機，最終由刮板除渣機除走。調整爐排電機轉速即可調整燃料供應量以控制燃燒；2水汽：原水經軟水加壓泵加壓，進機械過濾器過濾、鈉離子互換器互換，成為軟水，進入軟水箱臨時儲存。再由除氧器泵加壓打入除氧器除氧，后經鍋爐給水泵加壓，經省煤器進入鍋爐，鍋爐產生的蒸汽由內部集汽管搜集，輸送到分汽缸送出;調整軟水泵轉速可調整進入軟水箱的水量。調整除氧器加壓泵轉速可調整進入除氧器水量。調整鍋爐給水泵轉速可調整進入鍋筒水量。進而可調整軟水箱、除氧器、鍋筒三者的水位；3風經送風機送到空氣預熱器被高溫煙氣加熱，送入爐排下方，經分風板分派進入爐膛參與助燃，燃燒后的高溫煙氣經省煤器、空氣預熱器、水膜除塵器，最終由引風機抽走，經煙囪排出。調整送風機轉速可調整參與燃燒的風量，調整引風機轉速可調整爐膛的負壓。2.4.2主程序框圖如下：2.4.3自動控制系統構造框圖：2.4.4給水調整回路由于汽包水位在蒸汽負荷發生變化時，會產生與調整作用相反的“虛假水位”，即蒸汽負荷增大時，汽包內蒸汽壓力減小，致使汽包內的水沸騰，在外部看來水位非但沒有下降反而增長;同樣在蒸汽負荷減小時，汽包水位會出現減少的假象。因此，鍋爐給水調整是鍋爐控制中的一種難點，采用一般的PID調整算法是很難獲得很好的控制效果的，甚至會帶來嚴重的安全問題。為克服“虛假水位”現象對給水控制系統導致的不利影響，在蒸汽參數穩定、給水流量容許的狀況下給水控制系統可自動或手動切換到三沖量調整系統。負荷不小于30%時一般采用三沖量串級調整系統來調整給水泵變頻器，以使汽包水位滿足鍋爐運行規定。在給水控制三沖量調整系統中汽包水位信號作為主調的輸入，蒸汽流量信號與給水流量信號一起作為副調的反饋輸入。為保證給水自動調整系統的有效工作，采用變速積分PID控制算法進行調整，在水位偏差較大時，積分時間減小，在水位偏差較小時，積分時間加大，以使系統很快到達設定水位值。此外，在異常狀況下系統也可切至手動操作，在給水流量或蒸汽流量檢測出現問題時，也可切換為雙沖量控制。給水控制系統控制方略如下圖所示：圖2-2給水控制系統2.4.5汽包壓力調整回路維持汽包壓力恒定是重要的控制規定。當負荷的蒸汽用量發生變化時，汽包壓力就會產生波動。此時為了維持汽包壓力恒定，必須變化進入鍋爐的燃料量和助燃空氣量。要從能量平衡的角度來構造汽包壓力調整回路，即由燃料加入量維持汽包壓力恒定。在汽包壓力控制系統中，通過調整入爐燃料量來控制汽包壓力，以滿足鍋爐的運行規定，所有入爐燃料量是影響的重要原因之一。汽包壓力控制系統得到的燃料量指令和風量指令，分別送往燃料量控制系統和送風控制系統。汽包壓力調整回路控制方略如圖所示：圖2-3主汽壓力控制系統2.4.6爐膛負壓調整回路鍋爐爐膛壓力調整系統由爐膛負壓測量值及引風機變頻器控制信號來構造控制方案。爐膛壓力調整系統中，爐膛負壓測量值通過慣性延滯處理后與給定值一起送入控制系統進行計算，計算成果動作引風機變頻器，從而調整爐膛負壓滿足鍋爐運行規定。由于引風量發生變化時，需通過一段時間爐膛負壓才發生變化，故在上述控制方案中直接把引風機速度實測反饋信號作為前饋信號送入調整輸出中，以提高引風風量變化時調整系統響應的迅速性。爐膛壓力調整系統控制方略如下圖所示：圖2-4爐膛負壓控制回路2.4.7水位控制程序框圖：2.4.8燃燒控制回旅程序框圖：第三章系統硬件構成3.1總體構造本系統采用可編程控制器(PLC)加工控機的上、下位機控制構造。其中，PLC負責硬件開關量I/0的控制和模擬信號的采集與調整，并通過MPI進行全局數據通訊。工控機用來進行參數修改與設定、手動/自動控制、在線監視、數據存貯與查詢等工作。工控機通過MPI與PLC相連，進行互相通信。3.2系統硬件構成圖3-1系統硬件構成框圖3.3重要器件選擇本控制系統重要器件包括工控機、PLC、變頻器等。它們的選擇在保證功能的同步盡量規定高可靠性和使用以便。1．工控機上位機選用工控行業應用廣泛的研華工控機，詳細配置是：IPC610機型，2.4G/P4CPUDDR256M內存，80G硬盤。該機型內部底板上有8個ISA總線插槽，4個PCI總線插槽和2個CPU主板插槽，可以以便地進行系統擴展。此外，選配戴爾19寸彩顯，外接打印機。工控機通過Siemens的CP5611卡與PLC通訊。CP5611是一款PCI卡，可用于將編程器或計算機連接到PROFIBUS或MPI接口，其數據傳播率為9.2Kbit/s-12Mbit/s。2.PLC選型下位機PLC選用Siemens的S7-300通用型PLC。SIMATICS7-300通用型可編程控制器能適合自動化工程中的多種應用場所，是一種模塊化中小型PLC系統，多種的性能遞增的CPU和豐富的且帶有許多以便功能的I/0擴展模塊，使顧客可以完全根據實際應用選擇合適的模塊。當任務規模擴大并且愈加復雜時，可隨時使用附加模塊對PLC進行擴展。在國內，S7-300以其模塊化、無排風扇構造、易于實現分布、易于顧客掌握等特點，成為多種控制任務的以便又經濟的處理方案，能滿足從小規模到中等性能的控制規定。PLC工作構成框圖：圖3-2PLC構成框圖S7-300通用型PLC由如下幾部分構成：(1)中央處理單元(CPU)多種CPU有多種不一樣的性能，例：有的CPU上集成有輸入/輸出點，有的CPU上集成有PROF工BUS-DP通訊接口等。(2)信號模塊(SM)用于數字量和模擬量輸入/輸出。(3)通訊處理器(CP)用于連接網絡和點對點連接。(4)功能模塊(FM)用于高速計數，定位操作(開環或閉環控制)和閉環控制。S7-300通用型PLC具有如下諸多功能:(5)豐富的指令集和功能庫包括350多條指令，包括二進制邏輯、括號指令、成果賦值、存儲、計數、裝載、傳播、比較、移位、循環、產生補碼、塊調用、跳轉等，尚有定點運算和浮點運算功能，用此功能可以有效地實現更為復雜的算術運算。尤其是集成了諸多原則控制功能塊，如PID，可以實現復雜的過程控制。(6)高速的指令處理0.6-0.1p的指令處理時間完全滿足中等到較低的性能規定。(7)以便顧客的參數賦值只用一種帶原則顧客接口的軟件工具就可給所有模塊進行參數賦值，節省了入門和培訓的費用。(8)人機界面(HMI)以便的人機界面服務己經集成在S7-300操作系統內，因此人機對話的編程規定大大減少。(9)診斷功能CPU的智能化的診斷系統能持續監控系統的功能與否正常、記錄錯誤和特殊系統事件(例如:超時、模塊更換等等)。(10)口令保護多級口令保護可以使顧客高度、有效地保護其技術機密，防止未經容許的復制和修改。(11)操作方式選擇開關操作方式選擇開關像鑰匙同樣可以拔出，當鑰匙拔出時，就不能變化操作方式，可防止非法刪除或改寫顧客程序。(12)功能強大的通訊技術SIMATICS7-300CPU支持執行機構和傳感器與CPU之間的過程和現場通訊，以及可編程控制器互相之間的數據通訊。此外，S7-300系列PLC還具有模塊點數密度高，構造緊湊，性價比高，性能優越，裝卸以便等長處。綜合前面的分析，本系統包括如下不一樣性質的I/0點:30個開關量輸入，7個開關量輸出，13個模擬量輸入，3個模擬量輸出。根據I/0點數確實定及應用場所的區別，尚有配置的裕量規定，本系統配置了如下模塊(單臺鍋爐)：(1)2個模擬量輸入模塊SM331(AI8*12Bit)：可提供具有12位辨別率的總數為16路的模數轉換通道：(2)1個模擬量輸入模塊SM331(AI8*RTD)：可提供總數為8路的熱電阻輸入通道；(3)1個模擬量輸出模塊SM332(AO4*12Bit)：可提供具有12位辨別率的總數為4路的數模轉換通道；(4)2個數字量輸入模塊SM321(DI32*24VDC)：可提供總數為64路的開關量輸入通道；(5)2個數字量輸出模塊SM322(DO16*RelAC120V/230V)：可提供總數為32路的開關量輸出通道；中央處理單元CPU314；總共8個I/0模塊，加上CPU模塊恰好合用一塊機架(rack0)，詳細器件排列如圖2-2：圖3-3系統PLC配置圖圖3-4電氣控制系統框圖對上述各模塊詳細簡介如下：(1)模擬量輸入模塊SM331(AI8*12Bit)該模塊的輸入測量值范圍很寬，可直接輸入電壓、電流、電阻、熱電偶等信號，用于不帶附加放大器的模擬執行元件和傳感器，具有12到14位的轉換精度，在本系統中用于各流量、壓力和爐膛溫度的檢測，將各變送器傳過來的兩線制或四線制電流信號轉變為S7-300內部處理用的數字信號(正常數值為-27647～+27648)，由于此模擬量輸入模塊占據的是0導軌上的4槽和5槽，因此根據SIMATICS7-300它的I/O地址分派，4槽占用地址（0.0～0.7），5槽占用地址（4.0～4.7）。該模塊的關鍵部件是A/D轉換器，采用積分法轉換，可選的積分時間有：2.5ms,16.6ms,20ms和l00ms，對應克制工頻400Hz,60Hz,50Hz和lOHz，按照我國既有的50Hz供電頻率，此處可選20ms或50Hz。在該模塊中，8個模擬量輸入通道共用一種積分式A/D轉換器，每兩個輸入通道構成一種輸入通道組，可以按通道組任意選擇測量類型和測量范圍，每個通道組都可選擇診斷及診斷中斷。模塊上需接24VDC的負載電壓L+，有反接保護功能，有故障指示(紅燈)。模塊與S7-300CPU及負載電壓之間是光電隔離的。此外，根據使用闡明將有關的輸入通道與模塊上的M端或COMP端短接或斷開，可以使模擬量輸入模塊獲得最佳的抗干擾性能。(2)模擬量輸入模塊SM331(AI8*RTD)該模塊直接接入RTD溫度傳感器，如:Pt100,Pt200,Pt500,Ptl000,Ni100,Ni120,Ni1000,Cu10等，具有16位的轉換精度，在本系統中用于水箱和省煤器溫度的檢測。此模擬量輸入塊占據的是6槽，因此I/O地址為（8.0～8.7）。該模塊使用4個A/D轉換器，每兩個輸入通道構成一種輸入通道組，每個通道組共用1個A/D轉換器，可以按通道組任意選擇測量類型和溫度系數，每個通道組都可選擇斷線診斷及診斷中斷。模塊上需接24VDC的負載電壓L+，有反接保護功能，有故障指示(紅燈)。模塊與S7-300CPU之間是光電隔離的，整個模塊可選擇超范圍硬件診斷、掃描周期末硬件診斷及診斷中斷。(3)模擬量輸出模塊SM332(AO4*12Bit)該模塊可直接輸入電壓或電流信號，具有12位的轉換精度，在本系統中用于輸出鼓風、引風、爐排和給水的調整信號，將S7-300內部處理用的數字信號(正常數值為一27647～+27648)轉換為執行器需要的電壓或電流信號。此模塊占據的是第7槽，因此I/O地址為（12.0～12.3）。該模塊的關鍵部件是D/A轉換器，4個模擬量輸出通道共用一種D/A轉換器，每個輸出通道均可按需要選擇輸出類型和輸出范圍，以及與否診斷。此外，每個輸出通道都可設置一替代值，在CPU處在STOP狀態時，以此值作為輸出值。模塊上需接24VDC的負載電壓L+，有反接保護功能，有故障指示(紅燈)。模塊與S7-300CPU及負載電壓之間是光電隔離的。(4)數字量輸入模塊SM321(DI32*24VDC)該模塊接受現場的開關觸點的狀態(直流24V供電)，并通過光電隔離和濾波，將其轉化為S7-300內部信號電平。該模塊具有32位獨立的輸入點，每個輸人點有一種綠色發光二極管(LED)顯示其輸入狀態，高電平(13～30VDC)時LED亮。信號從高到低或從低到高的輸入延時為1.2～4.8ms。數據采集部分與背板總線通過光電禍合器隔離。此模塊占據的是第8和第9兩個槽位，因此它的I/O地址分別為8槽（16.0～19.2），9槽（20.0～23.2）。(5)數字量輸出模塊SM322(DO16*RelAC120V/230V)該模塊的輸出以繼電器的觸點形式輸出，輸出為高電平時，對應輸出通道中的繼電器觸點閉合，接通外部電路，同步對應的綠色發光二極管(LED)亮。這里使用的繼電器的觸點開關壽命可達5200萬次(根據負載類型和大小有所不一樣)，如對于24VDC/0.5A的感性負載，開關壽命可達50萬次。該模塊總共有16個帶隔離的輸出點，8點為一組，可用于AC/DC電磁閥、接觸器、電機啟動器、電機和指示燈。輸出通道與背板總線及通道之間均有光電隔離。此模塊占據的是第10，和第11號槽位，因此他們的I/O地址分別為，10槽（24.0～25.5），11槽（28.0～29.5）。(6)中央處理單元CPU314CPU314可以進行高速處理以及中等規模的I/0配置，用于安裝中等規模的程序以及中等指令執行速度的程序。其位操作指令時間不不小于100ns，具有48KB/16K指令的工作存儲器(應用)，1KB/1KB的I/O地址區，2KB的位存儲器，1024個數據塊(DB)、功能(FC)、功能塊(FB),256個S7定期器，256個S7計數器，1K的I/O地址空間，容許256個模擬量通道，最多可配置4個機架(即32個模板)。CPU314集成的MPI接口可以與S7-300/400建立4個靜態和8個動態連接，或與編程器、PC,OP建立4個靜態連接。對于靜態連接，一種被編程器占用，一種被OP占用。通過MPI口，使用“全局數據通訊”可以建立連接16個CPU的簡樸網絡。運用S7的組態工具STEP7可設置MPI站地址、定義最大掃描周期和負荷，以及自測試功能，還可定義可保持存儲位、計數器、定期器和數據塊的數量，定義啟動日期、啟動時間和周期作出反應。3.SITOP電源(10A)及其容量計算Siemens的SITOP電源可由AC120/230V供電，輸出2A,5A,l0A和20A直流電源，滿足B級噪音克制規定。電源模塊的選擇準則是其輸出功率必須不小于CPU模塊與所有I/O模塊之和，并且要有30%左右的余量，故在設計系統時須考慮每塊模塊的電流消耗和功率損耗。表3—1列出了在24V直流負載電源下，所選用的多種S7-300模塊的電流損耗以及從24V負載電源吸取的電流。表3—1各模塊電流、容量表模塊通過背板總線吸取的電流（最大值）從24負載電源吸取的電流（最大值、空載）功率損耗（正常運行）CPU3142A60mA2.5WSM331(AI8*12Bit)50mA30mA1.3WSM331(AI8*RTD)100mA240mA4.6WSM332(AO4*12Bit)60mA240mA3WSM321(DI32*24VDC)15mA1mA6.5WSM322(DO16*Re1AC120/230)40mA160mA3.2W機架上由CPU314向其他模塊供應直流24V電源，按表3—1可以計算出這些模塊從S7-300背板總線吸取的電流為：(mA)沒有超過CPU314所能轉供的電流2A。各模塊從24V電源吸取的總電流為：(mA)考慮到現場部分傳感器的供電最大可達6A，故選用SITOP(l0A)。4.變頻器變頻器選用富士(FUJI)的FRENIC5000G11S/Pl1S變頻器，該類變頻器具有動態轉矩矢量控制，能配合負載實現最短時間內平穩地加減速，在0.5Hz時能輸出200%的高啟動轉矩(22KW,30KW以上時為180%)，低轉速(1Hz)運行時轉速脈動很小。此外，其優良的環境兼容性、針對風機水泵的獨特的節能設計、較強的保護功能、豐富的維護功能、低噪音、以便合用的電氣接口、較高的性價比，都使其成為首選。本系統中，爐排變頻器采用FRN1.5G11S-4型，鼓風機(一次風機)變頻器采用FRN22P11S-4型，引風機變頻器采用FRN55P11S-4型。圖3-5變頻器的構造框圖變頻器具有如下的特點合用與控制系統：(1)具有磁通矢量控制、轉差賠償、負載轉距自適應等一系列先進功能。(2)可以最大程度地提高電機功率因數和電機效率。(3)能減少電機運行損耗，尤其適合負載頻繁變化的場所。(4)FRN22P11S-4變頻器將所有功能分為9個功能組，功能組內分許多主功能，主功能又分為許多子功能。(5)在多種模式下工作，對不一樣的工作模式，程序設定的項目不盡一致。(6)包括電流矢量控制在內的四種控制方式均實現了原則化。(7)由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、體積小。(8)保護功能完善、維修性能好。(9)通過LCD操作裝置，可提高操作性能。5.所需傳感器選擇和工作原理圖：(1)溫度傳感器工作原理：溫度測量電路由電阻R3、R4、R5和熱敏電阻RT構成全橋，由運放A1提供應橋路一種恒壓；根據所測溫度的起始點選擇橋路各臂電阻；所側溫度值由運放A2所構成的差動放大電路輸出。此電路構造簡樸、敏捷度高。圖3-6溫度測量電路（2）壓力變送器和差壓變送器：壓力變送器工作原理：壓力變送器由壓力、壓差測量電路和變送器電路構成，壓力變送器被測介質的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在δ元件(即敏感元件)的兩側隔離膜片上，通過隔離片和元件內的填充液傳送到測量膜片兩側。測量膜片與兩側絕緣片上的電極各構成一種電容器。當兩側壓力不一致時，致使測量膜片產生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側電容量就不等，通過振蕩和解調環節，轉換成與壓力成正比的信號。壓力變送器和絕對壓力變送器的工作原理和差壓變送器相似，所不一樣的是低壓室壓力是大氣壓或真空。A/D轉換器將解調器的電流轉換成數字信號，其值被微處理器用來鑒定輸入壓力值。微處理器控制變送器的工作。此外，它進行傳感器線性化。重置測量范圍。工程單位換算、阻尼、開方，傳感器微調等運算，以及診斷和數字通信。D/A轉換器把微處理器來的并經校正過的數字信號微調數據，這些數據可用變送器軟件修改。數據貯存在EEPROM內，雖然斷電也保留完整。數字通信線路為變送器提供一種與外部設備(如275型智能通信器或采用HART協議的控制系統)的連接接口。此線路檢測疊加在4-20mA信號的數字信號，并通過回路傳送所需信息。輸出穩定的+10V鼓勵電壓，壓力變送器滿量程輸出電壓為30mV圖3-7壓力壓差測量電路圖3-8差壓變送器電路原理圖(3)渦街流量計的工作原理：渦街流量計是目前化工生產過程中普遍使用的流量測量儀表,其轉換電路是智能渦街流量計電路設計的關鍵。合理選擇外圍器件進行電路設計,實現了低功耗、智能化、模塊化、原則化,并具有功能組態、參數設定、故障診斷、數據修正等功能。處理了以往流量計的功耗大、性能不穩定問題。工作原理：在流體中設置旋渦發生體（阻流體），從旋渦發生體兩側交替地產生有規則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖所示。旋渦列在旋渦發生體下游非對稱地排列。設旋渦的發生頻率為f，被測介質來流的平均速度為U，旋渦發生體迎面寬度為d，表體通徑為D，根據卡曼渦街原理，有如下關系式：式中—旋渦發生體兩側平均流速(m/s)—斯特勞哈爾數—旋渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比渦街流量計是應用流體振蕩原理來測量流量的，流體在管道中通過渦街流量變送器時，在三角柱的旋渦發生體后上下交替產生正比于流速的兩列旋渦，旋渦的釋放頻率與流過旋渦發生體的流體平均速度及旋渦發生體特性寬度有關，可用下式表達：式中—旋渦的釋放頻率(Hz)—流過旋渦發生體的流體平均速度(m/s)—旋渦發生體特性寬度(m)—為斯特羅哈數，無量綱，它的數值范圍為0.14－0.27由此可知，通過測量旋渦頻率就可以計算出流過旋渦發生體的流體平均速度，再由式可以求出流量，其中為流體流過旋渦發生體的截面積。當旋渦在發生體兩側產生時，運用壓電傳感器測出與流體流向垂直的交變升力變化，將升力的變化轉換為電的頻率信號，再將頻率信號進行放大和整形，輸出到二次儀表，進行累積、顯示。圖3-9電流變送器電路圖（4）變送器的工作原理圖：變送器由傳感器和信號處理電路構成。其中傳感器感壓面有惠斯頓電橋,當增長壓力時,電橋各橋臂電阻值發生變化。通過信號處理電路，轉換成電壓變化,最終將其轉換成原則（4～20）mADc信號輸出，這里以壓力傳感器為例，其他溫度變送器原理同出與此，只是壓力傳感器變換為溫度傳感器，其原理見圖：圖3-10變送器電路原理圖工作電壓12.5V～36VDC

輸出信號4mA～20mADC（模擬，二線制）

測量范圍相對壓力：最大0～60MPa最小0～1.6kPa

絕對壓力：最大0～60MPa最小0～20kPa

負相對壓力：-0.1MPa～1MPa（5）液位傳感器的工作原理：VG4620是一種單片式液位報警控制集成電路，雙列直插8腳封裝，使用簡樸該電路向位與液體中的傳感器電極發送信號，并檢測返回的信號，根據其信號衰減量來鑒定液面的詳細位置。經典工作電壓為6V；電源電流為200MA；傳感器輸入電壓為6V;輸出電流為500MA；最大耗散功率0.8W；圖3-11液位檢測控制電路傳感器檢測的信號，需要通過測量放大電路，才能輸出可供PLC執行的電流，電壓下面的電路圖可以實現這種信號放大功能。其電路原理圖如下：圖3-12測量放大電路3.4系統供電本系統供電系統如圖2-3所示。圖3-13系統供電系統所有控制回路采用統一供電線路供電，由單獨的一路電源經3000VA的在線式UPS，向鍋爐控制系統供電，線路上沒有任何大功率設備，控制室內的其他電器如照明系統、空調等，均沒有連接到該供電系統上?？紤]到雷電對供電系統的影響，以及控制系統的穩定性規定，采用在線式UPS既能保證電源平穩，又可在短時停電時繼續顯示鍋爐的有關參數，以利于司爐工及時調整。3.5系統接地系統的接地問題一直是系統設計中重要的一部分，對的接地是控制系統可成功操作的關鍵。在系統運行中當接地系統發生問題時，會導致系統運行不穩定，嚴重的甚至導致人員的觸電傷害及設備的損壞。本系統設置了兩類接地:安全地和屏蔽地。安全地又稱保護地，是為了防止設備外殼的靜電積累、防止導致人身傷害而采用的保護措施，用以保證運行操作人員的人身安全。工廠供電一般為交流380V和220V，一般狀況下，設備機殼是不帶電的。當故障發生，導致電源供電火線與外殼等導電金屬部件短路時，這些金屬部件就形成了帶電體，假如沒有很好的接地，操作人員不小心觸到這些帶電體，就會產生危險，因此，必須保證金屬外殼良好接地。此外，機殼接地還可以防止靜電的積聚和起到屏蔽的作用。需要接安全地的設備重要是操作臺外殼、各操作箱外殼、儀表盤、控制柜外殼等所有操作人員可接觸及到的各個金屬部分。安全地的接觸電阻一般不不小于4歐姆即可。一般接地點和控制室建筑物的接地帶連接在一起即可獲得等電位，但由于鍋爐房(尤其是煙囪)有避雷針接地點，這些點在受到雷擊時也許會有瞬間地電位大幅度提高現象，因此現場將系統安全地的入地點設在了遠離避雷針的入地點，同步將機柜、操作臺外殼等均固定于預埋在地基中的角鋼(接地極)之上(角鋼與廠房接地網連接在一起)，并將安全地的接地線牢固地接在角鋼上，保證了良好的接地連接。屏蔽地是指輸入信號電纜的屏蔽層接地，它可以把信號傳播時所受到的干擾屏蔽掉，以提高信號質量。本系統中PLC安裝在操作臺內，因此在操作臺內安頓了屏蔽地匯流排，屏蔽線分別接到屏蔽地匯流排上，兩個操作臺的屏蔽地匯流排用絕緣的銅導線連到一點，接入到鍋爐房外專門的接地極。該接地極在鍋爐房接地網15米以外，且接地電阻不超過2歐姆。3.6系統運行方式 1.手動方式這種方式下，操作人員可以單獨開、停任何設備。當然，多種報警及必要的保護仍有效。2.自動方式這種方式下，系統可以自動啟、停，多種連鎖有效，各控制過程按設定值自動調整。系統也可以掙脫工控機和PLC，由按鈕、旋鈕等實現手動操作，此時，鍋爐的水位等信號可由儀表觀測到。當然，若工控機和PLC未斷電，上位機上也可觀測到這些信號。3.7PLC配置及I/O點分派：圖3-14PLC配置構造圖變送器、變頻器、各開關信號輸入輸出均接入PLC控制器的輸入輸出模塊。3.7.1鍋爐給水本系統有二臺給水泵，其中一臺正常使用，一臺備用，規定可隨時切換，水泵只有啟?？刂?。據此，給水環節中可以采用調整閥調整給水流量，為保護和形成閉環持續控制，給水管路中需要加入給水流量和給水壓力檢測，鍋筒部位加入持續液位和壓力檢測，對應的配置如下:表3—2給水配置序號控制內容地址分派I/O類型備注1給水流量I0.0AI渦街流量計2給水壓力檢測I0.1AI壓力變送器3給水泵運行Q24.0DO泵18.5KW4給水泵運行反饋I16.0DI輔助觸點5給水泵運行故障I16.1DI熱繼電器6給水泵啟動I16.2DI按鈕7給水泵停止I16.3DI按鈕8鍋筒水位I0.2AI液位變送器9鍋筒高水位檢測及報警I16.4DI接點液位計10鍋筒低水位檢測及報警I16.5DI接點液位計11給水量調整I16.6DI電動調整閥12給水量調整Q24.1DO電動調整閥其對應的I/O點配置模塊如下圖所示：3.7.2鍋筒鍋筒水位有電接點液位計檢測上下限，鍋筒壓力由指針壓力表顯示，沒有持續的檢測，故需要加入鍋筒液位和壓力傳感器，檢測其持續量，詳細配置應如下:表3—3鍋筒配置序號控制內容地址分派I/O類型備注1鍋筒水位I0.3AI液位變送器2鍋筒高水位檢測及報警I16.7DI接點液位計3鍋筒低水位檢測及報警I16.8DI接點液位計4鍋筒壓力檢測I0.4AI差壓變送器3.7.3給煤本鍋爐由給煤機往煤斗中加煤，給煤機有正反轉和啟?？刂?煤閘門由司爐工手動調整，不需控制;爐排由一般交流電機通過減速機帶動，為實現經濟燃燒，規定其速度持續可調，故需要在此加入變頻控制，其配置應如下:表3—4給煤配置序號控制內容地址分派I/O類型備注1給煤機運行Q24.2DO電機7.5KW2給煤機運行反饋I16.9DI輔助觸電3給煤機運行故障I17.0DI熱繼電器4給煤機上煤反饋I17.1DI行程開關5給煤機啟動I17.2DI按鈕6給煤機停止I17.3DI按鈕7爐排運行Q24.3DO電機8爐排運行反饋I17.4DI輔助觸點9爐排運行故障I17.5DI熱繼電器10爐排運行調整Q12.0AO變頻器1.1KW11爐排啟動I17.6DI按鈕12爐排停止I17.7DI按鈕給煤I/O點配置及選用模塊如下：3.7.4鼓風和引風引風機、鼓風機和二次風機均為交流電機，風門只能分檔手動調整，其中引風機和鼓風機規定速度可調，故需要為引風機和鼓風機分別增長變頻控制，詳細配置應如下:表3—5鼓風引風配置序號控制內容地址分派I/O類型備注1送風壓力I0.5AI壓力變送器2煙氣壓力I0.6AI壓力變送器3一次風機啟動I17.8DI按鈕4一次風機停止I17.9DI按鈕5一次風機運行Q24.4DO電機22KW6一次風機運行反饋I18.0DI輔助觸點7一次風機運行故障I18.1DI熱繼電器8一次風調整Q12.1AO變頻器22KW9二次風機啟動I18.2DI按鈕10二次風機停止I18.3DI按鈕11二次風機運行Q24.5DO電機11KW12二次風機運行反饋I18.4DI輔助觸點13二次風機運行故障I18.5DI熱繼電器14引風機啟動I18.6DI按鈕15引風機停止I18.7DI按鈕16引風機運行Q24.6DO電機55KW17引風機運行反饋I18.8DI輔助觸點18引風機運行故障I18.9DI熱繼電器19引風調整Q12.2AO變頻器55KW鼓風引風I/O點分派及模塊選擇：3.7.5爐膛為實現爐膛負壓自動控制和爐膛溫度控制與賠償，需要增長下列檢測點：表3—6爐膛配置序號控制內容地址分派I/O類型備注1爐膛溫度I0.7AI熱電偶2爐膛負壓I4.0AI微差壓變送器3.7.6出渣機：出渣機只有正反轉和啟停動作，故保持其配置如下：表3—7出渣和脫硫配置序號控制內容地址分派I/O類型備注1出渣機運行Q24.7DO電機1.5KW2出渣機運行反饋I19.0DI輔助觸點3出渣機運行故障I19.1DI熱繼電器4出渣機啟動I20.0DI按鈕5出渣機停止I20.1DI按鈕3.7.7蒸汽管路和省煤器：控制和監測以及數據記錄分析，需要增長如下配置：表3—8蒸汽管路和省煤器配置序號控制內容地址分派I/O類型備注1蒸汽管壓力I4.1AI壓力變送器2蒸汽管流量I4.2AI渦街流量變送器3省煤器進口水溫I8.0AI溫度傳感器4省煤器出口水溫I8.1AI溫度傳感器通過記錄計算控制系統，I/O實際點數為53點，其中模擬量輸入13點，模擬量輸出3點，數字量輸入30點，數字量輸出7點。由上面所述可知，該監控對象的監控量較少，監控量的分布相對較為集中，一臺鍋爐用一種PLC就可實現對這些量的控制，當然，也可以考慮采用DCS或FCS控制形式。象Siemens的S7-300PLC，也有現場總線形式(如ProfibusDP)的，其CPU模塊上帶有DP口，通過ProfibusDP總線可連接各現場站，但這樣的CPU模塊和現場站的價格比通用型CPU模塊(不帶DP口)要高出許多。通用型的PLC一般都集成有MPI接口，也可連成網絡，能以便地實現PLC與上位機以及PLC之間的數據通訊。從性價比上看，選用通用型的PLC比較合適。第四章系統軟件和設置本系統控制軟件的設計分為PLC的軟件設計和工控機的軟件設計兩部分，使用的軟件分別為Siemens企業的Step7和WinCC。4.1PLC軟件設計PLC軟件既有制造廠家提供的系統程序，又有顧客自行開發的應用程序。系統程序為顧客程序的開發提供運行平臺，同步，還為PLC程序的可靠運行及信號與信息轉換進行必要的處理。顧客程序由顧客按詳細的控制系統規定進行設計，這里所說的PLC軟件設計即是指顧客自行開發的應用程序。4.1.1Step7簡介STEP7編程軟件用于SIMATCS7、M7、C7和基于PC的WinCC，是提供編程、監控和參數設置的原則工具。為了在上位機上使用STEP7，在計算機上需配置工業以太網通信卡CP1613將計算機連接到工業以太網，用于下載和上載PLC的顧客程序和組態數據。STEP7容許兩個或多種顧客同步處理一種工程項目，不過嚴禁兩個或多種顧客同步寫訪問。PLC系統硬件配置和參數設置、通信組態、編程、測程、啟動和維護、文獻建擋、運行和診斷功能等，所有在STEP7下得到實現。在STEP7中，可通過建立一種項目來管理一種自動化系統的硬件和軟件。STEP7用SIMATIC管理器對項目集中管理，它可以以便地瀏覽SIMATICS7、M7、C7和WinCC的數據。實現STEP7多種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP7中。下圖顯示了使用STEP7設計完畢一項自動化任務的基本環節：圖4-1設計的基本環節框圖SIEMENSS7-300系列PLC常用的編程語言有三種:語句表編程語言(STL)、梯形邏輯編程語言(LAD)和功能塊圖編程語言(FBD)，當然，根據IEC1131-3原則，尚有其他編程語言可供選擇，如構造文本S7-SCL或次序功能圖S7-Graph.STEP7不是一種單一的應用程序，而是由一系列應用程序(工具)構成的軟件包下圖顯示STEP7原則軟件包中的重要工具:圖4-2Step軟件包的構成SIMATIC編輯器：在SIMATIC管理器(SIMATICManager)環境中進行項目的編程和組態，每一種操作所需要的工具均由SIMATICManager自動運行，因此顧客不需要分別啟動各個不一樣的工具。對于顧客來說，SIMATICManager提供了STEP7原則軟件包的集成、統一的界面。硬件組態：該工具為自動化項目的硬件進行組態和參數設置?？梢詫LC機架上的硬件進行配置，設置多種硬件模塊的參數，例如輸入輸出模塊參數等。符號編輯器：該工具用于創立和管理所有的全局符號。為輸入輸出信號(Input/Output)、位存儲(BitMemory)和塊(Bfock)設定符號和注釋。使用這個工具生成的符號表是全局有效的，可供其他所有工具使用。因而，一種符號的任何變化都能自動被其他工具識別。編程工具：該工具集成了梯形邏輯圖LAD(LadderLogic)、語句表(statementList)和功能塊FBD(FunctionBlockDiagram)三種編程語言的編輯、編譯和調試功能。硬件診斷：該工具可以對PLC站的各硬件模塊進行在線狀態診斷，先是有關的故障信息和狀態信息。NetPro網絡組態：該工具用于組態通訊網絡連接，包括網絡連接的參數設置和網絡中各個通訊設備的參數設置。1.梯形邏輯(LAD)如圖4-3，它是Step編程語言的圖形體現方式，它的指令語法與繼電器梯形邏輯圖相似：當電信號通過各個觸點、復合元件以及輸出線圈時，梯形圖可以直觀地顯示出電信號在電源示意線之間的流動。Network2:Titile圖4-3梯形邏輯圖2.語句表(STL)如圖4-4，它是Step7編程語言的文本體現方式。假如一種程序是用語句表編寫的，CPU執行程序時會按每一條指令一步一步地執行，與我們學過的MCS-51匯編語言相似。為使編程更輕易，語句表已能運用某些高層語言構造(例如，構造數據的訪問和塊參數)。Network2:Title:A(0I0.00Q0.0)ANI0.1ANM5.0=Q0.0圖4-4語句表3.功能塊圖(FBD)如圖4-5，它是Step7編程語言的圖形體現方式。它使用與布爾代數相類似的邏輯框來體現邏輯。復合功能(如數學功能)也可用邏輯框相連直接體現。語句表編程語言(STL)、梯形邏輯編程語言(LAD)和功能塊圖編程語言(FBD)這三種編程語言在Step7編程環境下可以互相轉換，以適應不一樣編程人員的編程習慣。Network2:Title:圖4-5功能塊圖4.1.2Step7的PlD功能塊在Step7中集成了PID調整功能塊FB41(持續量)、FB42(開關量)和脈沖轉換功能塊FB43，同步還提供了用于這些PID功能塊參數在線整定的功能塊FBSO(持續量)和FB51(開關量)，以及調度功能塊FCI，以便顧客使用其PID調整功能。這里對程序中將要用到的功能塊作一簡樸簡介。Step7還提供了某些其他類型的PDI功能塊，如原則P功功能塊、溫度調整P功功能塊等等，這里就不再贅述。1.FB41(CONT_C)FB41(CONT_C)命名為continuouscontroller，在S7PLC中用于控制輸入和輸出量為持續信號的控制對象，可以通過參數設置，將其設定為P、PI或PID控制器，其控制框圖如圖4-6。圖4-6FB41（CONT_C）控制框圖其中的SP、PV代表通過線性處理后的設定值和過程值，在“誤差信號處理”中通過控制死區限定，交由“PID算法”處理，其輸出值通過再次線性處理和限幅，以實數形式(LMN)或模擬量模板承認的字形式(LMN_PER)輸出。在處理過程中，還可以選擇手動模式，以設定的手動值作為控制器輸出。對于系統幾種調整回路，使用西門子STEP7編程軟件中集成的原則PD調整功能塊FB41來實現。FB41是用于控制持續變化的模擬量PD調整功能塊，它可以作為單獨的PID定點控制器或在多循環控制中作為級聯控制器、混合控制器和比例控制器使用。FB41的功能基于帶有一種模擬信號的采樣控制器的PID控制算法，假如必要的話，可以通過脈沖發送器(PULSEGEN)進行擴展，以產生脈沖寬度調制的輸出信號，來控制比例執行機構的兩個或三個步進控制器。FB41的調用可以在PLC的定期中斷塊中來進行，以保證精確的調用時間間隔。在對FB41進行調用時，需對其外部輸入、輸出參數進行賦值，各參數的含意如下：；COM_RST：重新啟動PID。當該位TURE時，PID執行重啟動功能，復位PID內部參數到默認值。一般在系統重啟動時執行一種掃描周期，或在PID進入飽和狀態需要退出時用這個位；MAN_ON：手動值ON。當該位為TURE時，PD功能塊直接將MAN的值輸出到LMN，這個位是PD的手動/自動切換位；PEPER_ON：過程變量外圍值ON。過程變量即反饋量，PID調整塊可直接使用過程變量P即，也可使用PIW規格化后的值；P_SEL：比例選擇位。該位ON時，選擇P(比例)控制有效;一般選擇有效I_SEL：積分選擇位。該位ON時，選擇I(積分)控制有效;一般選擇有效；INT_HOLDBOOL：積分保持位；I_ITL_ONBOOL：積分初值有效。I-ITUIAL(積分初值)變量和這個位對應，當此位ON時，則使用I-ITLVAL變量積分初值。一般當發現PID功能的積分值增長比較慢或系統反應不夠時可以考慮使用積分初值；D_SEL：微分選擇位。該位ON時，選擇D(微分)控制有效；CYCLE：采樣周期；SP_INT：PID調整的給定值；PV_IN：PD的調整反饋值；PV_PER：未經規格化的反饋值，由PEPER-ON選擇有效；