供暖锅炉变频控制系统的设计

华北科技学院04届本科毕业设计（论文）论文题目：供暖锅炉变频控制系统的设计学生姓名：林坤坚学号：200403024404系(部、院)：华北科技学院电子信息工程系专业：自动化班级：04自动化4班指导教师：王德毓【摘要】随着社会经济的飞速发展，城市规模的不断扩大，以及人们生活水平的不断提高，对城市生活供暖的用户数量和供暖质量提出了越来越高的要求。目前，我国北方地区冬季供暖仍然以锅炉供暖为主，锅炉房自动控制系统配置相对落后，风机和水泵等电机的控制主要依赖值班人员的手工操作，控制过程繁琐，耗电耗煤，而且手动控制无法对锅炉供水温度和管网压力变化及时做出适当的反应。本文设计了一套基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统。该控制系统由可编程控制器、变频器、风机和水泵电机组、传感器、工控机以及控制柜等构成。系统通过变频器控制电动机的启动、运行和调速。系统以两台研华IPC610工控机作为上位机，以西门子S7-200可编程控制器为下位机。本文设计的变频控制系统实现了锅炉燃烧过程的自动控制，有效地降低了能耗，提高了生产管理水平。系统安装维护方便，运行稳定、可靠；监控软件功能齐全，人机界面友好，使用方便。关键词：锅炉控制；变频调速技术；PLC；组态软件AbstractWiththerapiddevelopmentofsocialeconomyandtheincreasinglyimprovedlivingstandardofpeople,thescaleofcityconstructionisunprecedentedlyexpanded,arousing【目录】摘要...................................................ABSTRACT.................................................第一章绪论...........................................11.1研究意义1.2供暖锅炉控制的国内外研究现状2.1变频调速基本原理第二章变频调速在供暖锅炉控制中的应用....................2.2变频调速在供暖锅炉系统中的应用2.3变频调速节能分析第三章供暖锅炉控制原理..................................3.1引言3.1.1偏差控制方式3.1.2PID控制方式3.2补水控制3.3循环流量控制3.4燃烧过程控制第四章锅炉控制系统总体设计..............................4.1系统功能分析4.2系统方案设计4.2.1系统结构4.2.2系统硬件4.3系统构成4.3.1补水泵控制系统4.3.2循环泵控制系统第五章PLC控制系统设计...................................5.1西门子S7-200系列PLC的硬件系统5.2S7-200系列PLC简介5.2.1S7-200编程方式简介第六章监控组态软件设计..................................结论.....................................................参考文献...................................................第一章绪论1．1研究意义随着社会经济的飞速发展，城市规模的不断扩大，以及人们生活水平的不断提高，对城市生活供暖的用户数量和供暖质量提出了越来越高的要求。目前，我国北方地区冬季生活供暖仍然以锅炉供暖为主，锅炉房自动控制系统配置相对落后，风机和水泵等电机的控制主要依赖值班人员的手工操作，控制过程繁琐，耗电耗煤，而且手动控制无法对锅炉供水温度和管网压力变化及时做出适当的反应。而供暖面积的不断扩大，使如何科学有效地控制和管理供暖系统，提高供暖的经济效益和社会效益，成为急需解决的重要课题。在供暖系统中，锅炉房供暖所占比例很大，据对我国北方地区29个大中城市近3.5亿平方米的供暖调查，锅炉供暖占84%，热力供暖占12%，其他供暖占4%。在今后相当长的时间内，集中热力供暖是发展趋势，但无法取代锅炉供暖的主流地位。锅炉是消耗能源、产生大气污染、事关生产与生活和安全的重要设备，它在国民经济整个能源消耗中占有相当大的比重。目前我国供暖锅炉以燃煤链条锅炉为主，燃用的主要是中、低质煤，而且锅炉房管理水平不高，一直沿用间断运行方式，锅炉技术含量低，锅炉的自动化工致技术落后，造成了严重的能源浪费和环境污染。据统计，我国目前拥有工业锅炉50万台，每年消耗的燃煤占全国原煤常量的三分之仪，约4亿吨。锅炉每年排放烟尘约620万吨，SO2约510万吨，此外还有大量的NO2等有害气体，成为我国大气煤烟型污染的主要来源之一，尤其是燃煤排放的CO2气体所引起的温室效应，早已引起国际关注。本文结合北方地区锅炉房变频改造工程项目，设计了一套基于变频调速技术的计算机锅炉监控系统。锅炉房节能改造工程关系到锅炉房内设备能否长期、安全、稳定、连续的低耗运行。预期设计一套计算机监控系统。该套计算机监控系统与原非计算机监控的人工控制系统并列运行。锅炉房控制采用常规集中盘控和计算机控制相结合的控制方式。但由于鼓风机、引风机、炉排电机、补水泵以及循环泵均采用工频配电，手动控制，都没有引入锅炉自动控制系统，锅炉房基本上采用集中盘上手控。只实现控制参数的显示和部分控制等，对炉膛负压、炉膛温度、出水温度、出水压力、回水温度、锅筒压力等无法自动控制，使得锅炉运行效率低、能耗大、环境差、人工劳动强度大。因此，对锅炉所用的鼓风机、引风机、炉排电机、循环汞以及补水汞等设备进行计算机控制系统和锅炉电机的变频改造十分必要。由于供暖锅炉系统中的风机、水汞负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比，采用交流变频调速控制风机、水汞流量代替传统阀门、挡板控制流量，可以大大节省该类负载的驱动电机的耗电量，达到节能的目的，如果普遍采用交流变频调速，平均节电率在30%左右。采用变频器启动风机、水汞等电动机，由于变频器内部具有矢量转矩控制技术，保证了电机良好的启动性能，实现电机软启动，有效地限制了电机的启动电流，明显降低电机启动噪声。同时，电机的软启动避免了频繁的工频启动对风机、水汞等大电机的冲击，有效地保护设备，延长设备使用寿命。锅炉的计算机控制使锅炉始终处于最佳工作状态，提高了锅炉的运行效率和燃煤的燃烧效果，不仅节约燃煤，也减少了烟尘和有害气体的排放，具有较好的环保效果。同时，计算机控制系统通过各种传感器检测锅炉温度、压力、流量等参数，传诵至微机和仪表盘，并实现温度和压力等参数的自动控制，工人在计算机控制室就可以全面了解锅炉房各部分的运行情况，大大改善了工人的工作条件，提高了自动化程度和管理水平。因此，采用锅炉的计算机控制和变频控制不仅可大大节约能源，促进环保，而且可以提高生产的自动化水平，具有显著的经济效益和社会效益。1.2供暖锅炉控制的国内外研究现状当前，节能与环保已成为人类社会面临的两大课题。我国的锅炉目前以煤为主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一，燃用的主要是中、低质煤，工业污染十分严重，而且锅炉设备陈旧，生产效率和自动化程度低，进一步加重了环境污染的程度。第二章变频调速在供暖锅炉控制中的应用2.1变频调速基本原理目前，随着大规模集成电路和微电子技术的发展，变频调速技术已经发展为一项成熟的交流调速技术。变频调速器作为该技术的主要应用产品经过几代技术更新，已日趋完善，能够适应较为恶劣的工业生产环境，且能提供较为完善的控制功能，能满足各种生产设备异步电动机调速的要求。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：psfn/)1(60其中n表示电机转速；f为电动机工作电源频率；s为电机转差率；p为电机磁极对数。通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，集电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。2.2变频调速在供暖锅炉系统中的应用由于变频调速可以实现电机无级调速，具有异步电机调压调速和串级调速无可比拟的优越性，在锅炉系统中得到广泛的应用。变频调速在供热锅炉系统中主要应用在风机调速和水泵调速。通常在锅炉燃烧系统中，根据生产需要对风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应用户要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。在供暖锅炉系统中带有循环泵、补水泵等水泵类设备，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏，还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备而影响生产。目前，风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。近年来，出于节能的迫切需要和对供暖质量不断提高的要求，加之采用变频调速器（简称变频器）易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点，因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。用变频器来对异步交流电动机调速，是八十年代末迅速发展成熟的一项高新技术。它的优点是：调速的机械特性好，调速范围广，调整特性曲线平滑，可以实现连续、平稳的调速，尤其当它应用与风机、水泵等大容量负载时，可获得显著的节能效果。2.3变频调速节能分析变频调速应用于锅炉系统的风机和水泵等电机的自动控制中，其节能效果明显。本节将以风机节能为例，详细分析其节能效果。水泵的节能分析类似。由流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：nQ，2nH，3nP；即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。图2-1给出了风机中风门调节和变频调速二种控制方式下风路的压力-风量（H-Q）关系及功率-风量（P-Q）关系。其中，曲线1是风机在额定转速下的H-Q曲线，曲线2是风机在某一较低速度下的H-Q曲线，曲线3是风门开度最大时的H-Q曲线，曲线4是风机在某一较小开度下的H-Q曲线。可以看出，当实际工况风量由Q1下降到Q2时，如果在风机以额定转速运转的条件调节风门开度，则工况点沿曲线1由A点移到B点；如果在风机开度最大的条件下用变频器调节风机的转速，则工况点沿曲线3由A点移到C点。显然，B点与C点的风量相同，但C点的压力要比B点压力小得多。因此，风机在变频调速运行方式下，风机转速可大大降低，节能效果明显。曲线5为变频控制方式下的P-Q曲线，曲线6为风门调节方式的P-Q曲线。可以看出，在相同风量下，变频控制方式比风门调节方式能耗更小，二者之差可由下述经验公式表示：eeePQQQQP])/(/6.04.0[3其中Q为风机运行时实际风量；eQ为风门开度为最大，电机运行在额定转速时的风量；eP为风门开度为最大，电机运行在额定转速时的功率。目前，变频调速技术已逐渐为许多企业所认识和接受，随着这项技术的不断发展和完善，它必将得到更加广泛的应用，也必将为认识和假手它的企业带来可观的经济效益。第三章供暖锅炉控制原理3.1引言现有的供暖锅炉由蒸汽锅炉改造而成的常压热水锅炉，常压锅炉使用安全，对原材料的要求比蒸汽锅炉低，无需控制蒸汽压力，控制精度要求相对要低。目前国内外对蒸汽锅炉控制的研究已经比较成熟，锅炉控制数学模型基本定型，而供暖锅炉控制相对简单，对其研究不够重视。本文以火力发电厂蒸汽锅炉的控制模型为参考，提出供暖锅炉的控制模型。供暖锅炉控制系