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1、大连海事大学硕士学位论文基于PLC的锅炉供热控制系统的设计姓名：王振申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：赵永生20080301中文摘要摘要随着我国经济的发展，资源和环境矛盾同趋尖锐，使我幽的现代化建设面临严峻挑战。作为供热系统重要能源转换设备的燃煤锅炉能耗巨大，占我国原煤产量的三分之一左右。然而，我国目自订运行的很多锅炉控制系统自动化水平不高、安全性低，工作效率和环境污染普遍低于国家标准，因此实现锅炉的计算机自动控制具有重要的意义。本文以某高校锅炉供热控制系统为背景，设计了基于P L C 的锅炉供热控制系统，该系统包括下位机控制和上位机控制两部分。文中给出了通过时间和室外温度相
2、结合的控制策略对系统温度进行调节控制。系统采用模块化设计，每个模块都可以单独的优化，便于整个系统的升级、控制管理和同后的维护，并且具备完全的丌发性，保证了系统有良好的可扩充性，保护了用户投资。系统下位机利用西门子P L C(S T E P 7)进行软件丌发，设计了对四台锅炉和五个换热站的计算机控制程序，其中包括对各台锅炉的给煤量、鼓风、引风、出水温度、回水温度、母管压力、汽包水位和蒸汽流量等参数的监测和控制；系统上位机利用西门子工控组态软件W I N C C 设计，实现系统启停控制、参数设定、报警连锁保护、历史数据查询、报表打印等功能。上下位机采用现场总线进行数据交换。整个系统安装维护方便，运
3、行稳定、可靠、人机界面友好。经过一年多的运行表明，本文设计的控制系统实现了锅炉燃烧过程的自动控制，满足生产工艺要求，有效地降低了能耗，提高了生产管理水平。关键字：锅炉；计算机控制；组态软件；P L C英文摘要T h eD e s i g nO fB o i l e rH e a t i n gS y s t e m sB a s e dO nP L CA b s t r a c tW i t hC h i n a Se c o n o m i cd e v e l o p m e n t，r e s o u r c e sa n dt h ee n v i r o n m e n th a s
4、b e c o m ei n c r e a s i n g l ya c u t ec o n t r a d i c t i o n s，S Ot h a tt h em o d e r n i z a t i o no fo u rc o u n t r yi sf a c i n gaf o r m i d a b l ec h a l l e n g e A sa ni m p o r t a n te n e r g ys o u r c ec o n v e r s i o ne q u i p m e n t，h e a t i n gs y s t e mo ft h ei
5、n d u s t r i a lb o i l e rc o n s u m e sa b o u to n e-t h i r do fC h i n a Sc o a l H o w e v e r，t h em a j o r i t yo fC h i n a Sc u r r e n to p e r a t i n gb o i l e rs y s t e m Ss e c u r i t ya n de f f i c i e n c yi sg e n e r a l l yl o w e rt h a nt h en a t i o n a ls t a n d a r
6、d S oi t sg r e a ts i g n i f i c a n c et oa c h i e v ea u t o m a t i cc o n t r o lf o rb o i l e rw i t hc o m p u t e r O nt h eb a s i so ft h eb o i l e rc o n t r o ls y s t e mf o rs o m eU n i v e r s i t y，t h ep a p e rp r e s e n t sao v e r a l lc o n t r o lt h i n k i n g，t h es y
7、s t e md e s i g n e dt oh e a t i n gi nw i n t e ri n c l u d e ss u p e r o r d i n a t ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n dt h es u b o r d i n a t es y s t e m T om e e ta l lt h ec a m p u s Sw i n t e rh e a t i n g，i tg i v e sac o m p l e t ec o n t r o ls t r a t e g yw h i c hc o
8、 m b i n e dw i t ht i m ea n do u t d o o r St e m p e r a t u r e T h ed e s i g no ft h es y s t e mi sm o d u l a r i z e da n de a c hp a r tc a no p t i m i z ea l o n e，i t sc o n v e n i e n tf o rt h ew h o l es y s t e mt ou p d a t ea n dc o n t r o lm a n a g e T h es y s t e mi sc o m p
9、 l e t e l yo p e n e d，S Ot h eu s e r Si n v e s t m e n tc a nb ef i n e l yp r o t e c t e d T h es u b o r d i n a t es y s t e mw h i c hd e s i g n e dw i t hs i m e n sP L C(S T E P7)c o n t r o l sa n di n s p e c t sa l lt h es y s t e m Sp a r a m e t e r s，s u c ha se f f l e n tp r e s
10、s u r e，s t r e a mf l o w，b a c k w a t e rt e m p e r a t u r e，e t c T h es u p e r o r d i n a t es y s t e mw h i c hd e s i g n e dw i t hW I N C Ci no r d e rt Od i s p l a yt h ew i n d o wo fs t a r t s t o p，p a r a m e t e r ss e ti n t e r f a c e，h i s t o r i c a lc u r v e，a ns oo n A
11、 n da l lt h es y s t e m sa r eu s e dF i e l d b u st oe x c h a n g ed a t a s T h es y s t e mh a sa d v a n t a g e ss u c ha ss t a b l ea n dr e l i a b l er u n n i n g，f l e x i b l eo p e r a t i o n，c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e，a n df r i e n d l yi n t e r f a c e，e t c I ti
12、sp r o v e db yf i e l de x p e r i m e n t a lo p e r a t i o nt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mp r o p o s e dn o to n l yc a nr e a l i z ea u t o m a t i cc o n t r o lo fb o i l e rb u r n i n gp r o c e s se f f i c i e n t l y，b u ta l s or e d u c e de n e r g yc o n s u m p t i o ng r e
13、a t l ya n de f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h el e v e lo fb o i l e rc o n t r o lm a n a g e m e n t K e yW o r d s：B o i l e r；C o m p u t e rC o n t r o l；C o n f i g u r a t i o nS o f t w a r e；P L C大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文足在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文：基：至丝的堡塑堡垫控趔丕红笪遮迁：。
14、除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名王寸f 瓦钟月了f 同学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本
15、学位论文属于：保密口不保密砂(请在以上方框内打“”)论文作者签名：王寸艮导师签名：也0 L 弋R 期：w 矿6 年哆月f 同基丁P L C 的锅炉供热控制系统的设计第1 章绪论1 1 锅炉供热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I。燃煤锅炉是工业生产和集中供热过程中重要的动力
16、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。但是我国目自矿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8 5 的人口J 下陆续进入工业化阶段，全球性的人口、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 1。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
17、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1 都会产生巨大的经济效益【3 l【4 1。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C R T 上的集中监测，操作人员在监控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
18、。锅炉作为重要的第1 章绪论动力设备，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I 日J 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；给水量的变化不仪影响汽包水位，而且对蒸汽压力、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6。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
19、们之问相互作用，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f 7】f 8】1 9 J：1 纯手动阶段在六十年代以自，J-，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纯手动的控制方式，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
20、己经丌发并广泛应用了全自动工业锅炉控制技术。6 0 年代自订期，我国工业锅炉的控制技术丌始发展，6 0 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，7 0 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。基丁P L C 的锅炉供热控制系统的设计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
21、的出现以及在我固的广泛应用，为锅炉控制领域丌辟了一片广阔的天地。运用计算机技术，丌发出高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统同益得到重视。8 0 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(D C S)拍i 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，从下到上依此分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。I)C S 是以多台D D C 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(P
22、 L C)进行系统设计，工控机机P L C 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 选题的背景和意义1 3 1 课题来源本课题为某高校校园供热系统的新建项目，该系统负责其整个校园的冬季集中供暖。此校园供热系统有两台2 0 T H 的热水炉、。台1 伽的热水炉、一台6 T H的蒸汽炉和5 个换热站(低区生活区、低区教学区、高区生活区、高区教学区和公共部分)组成。该校园锅炉供热系统要求可以实现整个校园合理安全的冬季供热工作的需要，整个控制系统按照安全可靠、经济高效、人机和谐、优化管理的分针进行设计。利用先进的计算机网络技术，实现现场锅炉系统稳定可靠的运行，远程
23、各种操作站的信息融合、集中监控，提高控制系统的自动化水平和管理水平。1 3 2 课题意义从1 9 7 8 年改革以来，我国年均经济增长率达9 以上，目日玎已经是世界第六第l 章绪论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，都努力在丌发能源的同时，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4 0 万台，每年的耗煤量达3 亿多吨，占我国原煤产量的三分之一I2 1。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
24、足工艺要求的6，J-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1 0 T h 的锅炉，若能提高效率1，每年就能节省煤2 0 0 吨左右，约合人民币5 0 0 0 0 多元，经济效益是很明显的1 3 l。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
25、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J 下的产品，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。墓丁P L C 的锅炉供热控制系统的设计第2 章锅炉供热控制系统的总体介绍2 1 锅炉供热控制系统的组成日日玎我国的供热系统主要以燃煤锅炉为主体。而锅炉按照供热性质来分，可以分为热水炉和蒸汽炉两种。下面以某高校锅炉控制系统来介绍供热控制系统的组成。该系统现有两台2 咖的热水炉、一台1 叽m 的热水炉、一台6 T
26、 H 的蒸汽炉以及5 个换热站组成。具体布局示意图如图2 1 所示。图2 1 某高校控制系统布局示意图F i g 2 1T h es k e t c ho fc o n t r o ls y s t e ml a y o u tf o rs o m ec o l l e g e罗一罗一罗一罗一第2 章锅炉供热控制系统的总体设计整个供热控制系统可以分为一次网部分和二次网两个部分组成。一次网主要是冷水经锅炉加热并传送到换热站以自订的一次侧部分；而二次网则是在换热站中经过热交换，热水给用户供热，并返回换热站的部分。下面分别介绍这两个部分的工作情况。1 一次网部分一次网部分的主要设备包括I J q 台
27、燃煤锅炉、三个变频循环泵(两用一备)、一台补水泵。其工作情况如下：对锅炉内的水加热，热水通过循环泵，经由管道流入换热站，在换热站中通过换热器进行热交换，把热量传递到二次网，完成热交换之后的低温水返回到锅炉继续循环。在加热过程中，由于热膨胀，可能导致管网内压力过大，会造成管网损坏或者破裂，需要打开安全阀泄压。2 二次网部分二次网部分主要由五个换热站组成，每个换热站包括两台循环泵(一备一用)，两台补水泵(一备一用)和一个电磁阀。其工作情况如下：在换热站中经由换热器换热之后，被加热的水通过管网流到用户端的散热器，对用户进行供暖，然后流回到换热站，依此循环。在此过程中，由于管道泄露等原因可能会造成一些
28、损失，导致管网内的压力逐渐降低，当低到一定的给定值时，控制变频补水泵对系统进行补水；而由于加热过程中造成的热膨胀，可能导致管网内的压力逐渐升高，当高到一定的给定值时，开启安全阀泄压，以降低管网内部压力，避免管网损坏、破裂。由于外部气候的原因，供热系统很多都是问歇式供热，在对用户供热时，需要丌启变频循环泵对系统加压，循环泵运行的时刻称之为动态过程；而当不供热时，则关闭循环泵，循环泵停止运行的时刻称之为静态过程。在动念和静态两种情况下管网压力的给定值是不同的，所以在两种情况下补水和泄压的压力值范围是不同的，根据实际工程的要求，静态过程的值比动态过程的值要稍高，具体的补水、泄压压力值的范围如图2 2
29、 所示：基丁P I C 的锅炉供热控制系统的设计1 母管乐力上限3 静态补水泵启动给定值5 动态补水泵启动给定值2 静态补水泵停l 卜给定值4 动态补水泵停I 卜给定值幽2 2 泄压、补水范罔示意图F i g 2 2T h es c o p eo fP i p e l i n ep r e s s u r er e l i e fa n dp a y动态过程中，由于管道泄露等情况造成一些损失，导致管道压力降低，当回水压力动态低于补水泵启动给定值的时候，启动补水泵，为系统补水；随着补水泵的补水，管道内压力逐渐升高，当管道内压力升达到动态补水泵停止给定值时，停止补水泵。静态过程和过程和动态过程的控
30、制原理是相同的，只是补水泵启动给定值和补水泵停止给定值不同。而在动态过程中，由于加热产生的热膨胀作用，使管道内压力逐渐升高，当管道压力达到母管压力上限时，即丌启安全阀，进行泄压。根据实际工程项目要求，为了避免逻辑混乱，静态补水泵启动给定值要高于动态补水泵停止给定值。在整个控制系统中，需要控制的设备主要是变频控制补水泵和燃煤锅炉，所以在本章以后几节将着重介绍交流电机的变频调速系统以及燃煤锅炉的控制。2 2 交流电机的变频调速系统介绍传统的给水调节系统和燃烧系统都是采用定速泵和风机，以改变调节阀门丌度来改变给水流量和风量。这种调节方式的缺点是给水泵消耗功率大，调节阀门承受的压力大，容易造成调节阀门
31、的迅速磨损。为了节约能源，目自仃在大型锅炉中第2 章锅炉供热控制系统的总体设计广泛采用变频调节，变频调整是一种高效的交流调整方法，它利用变频器实现了异步电动机的无级变速，锅炉控制采用变频调整是节能的有效途径锅炉的应用面很广，应用量也很大。在化工、炼油、发电、造纸、制糖、化纤、纺织、印染等工业部门，锅炉是必不可少的重要的动力设备。锅炉风机一般按满足锅炉最大负荷设计选型，而一常工作却在额定负荷的7 0 左右，因此，风机驱动电机的裕量较大，节电潜力很大。锅炉风机的风量调节常用风门控制，即增加管路阻力，而驱动电机全速运转，其效率低、能耗大，大量电能被白白浪费掉，采用变频调整调节风量，不需要风门，管路阻
32、力减少，系统所需风量减少，电机转速可以降低，由于电机的轴功率与转速的立方成F 比，因此耗电量大幅度下降，节能效果是十分显著的【l l】【1 2 1【1 3 1。2 2 1 变频器驱动的特点随著大功率晶体管电子技术的迅速发展、大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，交流电动机变频调速技术己同趋完善。变频器用交流异步电动机调速，其性能比任何一种交流调速更佳，而且结构简单，因而成为电动机调速的最新潮流。变频器技术是-f-j 综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机
33、的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的J 下反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。电机在带动较大负载在启动时，会有较大的冲击电流，采用变频器时，可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。电源功率因数大，所需容量小，可以组成离性能的控制系统等。完善的保护功能：变频器保护功6 日匕h 1 I,K L t 强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等1，并立即封锁输出电压这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易
34、损坏。2 2 2 变频调速的基本原理当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生基丁P I。C 的锅炉供热控制系统的设计一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机的磁极个数和电源频率所决定N 1=6 0 f P(2 1)其
35、中，N 1 为同步转速值，f 为电源频率值，P 为磁极对数。异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出N=N 1(1 5)=6 0 f(1-s)p(2 2)其中，N 为电动机实际转速，S 为异步电动机的转差率。由式(2 2)可知，改变参数f、S 中的任意一个就可以改变电动机的转速，即对异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量f m 为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁芯，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，
36、从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持中fm 不变是很容易做到的，在交流异步电机种，磁通是定子和转子合成产生的。三相异步电机定子每相电动势的有效值是：E g=4 4 4 f,N 1 K N,(2 3)其中，E g 为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V，f l 为定子频率，单位为H Z，N 1 为定子每相绕组串联匝数，l 如l 为基波绕组系数，F m 为每极气隙磁通t，单位为w b。由公式可知，只要控制好E g 和f，便可以控制磁通F m 不变。第2 章锅炉供热控制系统的总体设计2 2 3 变频器
37、基本结构I 变频器的主电路(1)电力电子丌关器件：电力半导体器件已经历了以品闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管(G T O)，巨型晶体管(G T R)，功率M O S F E T、绝缘栅双极晶体管(I G B T)；L J 代表的功率集成器件(P D I)，以智能化功率集成电路(S P I C)，高压功率集成电路H(V l C)f f 0 代表的功率集成电路(P I C)等三个发展时期。从品闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到P I D，P I C 通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。在器件的控制模式上，从电流型控制模式及发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极(栅极)的
38、控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率不断提高。在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。(2)整流电路：一般的三桐变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直流中问电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。(3)逆变电路：逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关
39、器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主丌关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为l，因此，在直流环节和电动机之I、日J 总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠之|日J 直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来对异步电动机的调速控制。2 变频器的控制电路变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接第2 章锅炉供热控制系统的总体设计炉和
40、一台6 T H 蒸汽量的水管锅炉，属中小型锅炉。以6 T H 的蒸汽锅炉为例，工艺流程图如图2 3 所示，它由以下几个部分构成1 8 1 1 1 4 I：1 汽包：由上下锅筒和沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而在管簇内发生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在锅筒罩面。为了得到干度比较大的饱和蒸汽，在上锅筒中还装有汽水分离设备，下锅筒做为连接沸水管之用，同时储存水和水垢。2 炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。煤由煤斗落在转动的链条炉蓖上，进入炉内燃烧。燃烧所需要的空气由炉排下面的风箱送入，燃尽的残渣被炉蓖带到除灰口，落入灰斗中。得到加热的高温烟气依次经过各个受热面，将热量传
41、递给水后，经由烟囱排至大气。3 省煤器：燃煤锅炉炉膛排除的烟气具有较高的温度，利用其热量可以加热进入汽包的冷水，一般省煤器由蛇形管组成。4 空气预热器：继续利用离丌省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气的换热器。热空气可以强化炉内燃烧过程，提高锅炉燃烧的经济性，提高锅炉热效率。5：J IJ x t 设备：包括引风机、烟囱、烟道几部分，将锅炉中的烟气连续排出，保持炉膛的负压燃烧正常。6 鼓风设备：由鼓J x L 送风机、风道、风箱组成，供应燃料燃烧所需要的空气。7 给水设备：由给水泵和给水管组成。给水泵用来克服给水管路和省煤器的流动阻力和锅炉的压力，把水送入汽包中。8 水处理设备：用来清除
42、水中杂质和降低给水硬度，防止锅炉受热面上结水垢或腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和安全性。9 燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料的供应。1 0 除灰除尘设备：分别为收集锅炉灰渣并运往存狄场地及除去烟气中灰粒的设备，以减少对周围环境的污染。基T-P L C 的锅炉供热控制系统的设计2 3 2 燃煤锅炉的工作过程锅炉最基本的组成是汽锅和炉子两大部分。燃料在炉子罩进行燃烧，将其化学能转化为热能，高温的燃烧产物一烟气通过汽锅受热面将热能传递给汽锅内温度较低的水，水被加热进而沸腾汽化，生成蒸汽。以某高校锅炉房的锅炉为例，其工作概括起来应包括三个同时进行的过程1 1 5 l
43、【1 6 l：1 燃料的燃烧过程：燃料煤加到煤斗中，借助于自重下落在炉排面上，炉排靠电动机通过变速齿轮减速后由链条来带动，将燃料煤带入炉内。新煤入炉，经预热阶段后丌始着火，挥发物燃烧，同时焦炭也逐渐燃烧。燃料一面燃烧，一面向后移动。燃烧所需要的空气是由送风机送入炉体的J x L 仓，向上通过炉排到达燃烧燃料层。风量和燃料量要成比例，进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗。燃烧过程进行得完善与否，是锅炉F 常工作的根本条件。要使燃料量、空气量和负荷蒸汽量有一一对应的关系，这就是根据所需要的负荷蒸汽量来控制燃料量和送风量，同时还要通过引风设备控制炉膛负压。该
44、过程的特点是时间常数和滞后时问都比较大，而且随着媒质、煤种及风量的改变，这两个参数将有很大的变化。2 烟气向水(汽)等的传热过程：燃料燃烧所放出的热量使得炉内温度很高，高温烟气与布置在炉膛四周墙面上的水管进行强烈的辐射传热。烟气将热量传递给管内的水后，由于引风机和烟囱的引力作用而向炉膛上方流动。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，经省煤器和空气预热器进行热交换，以较低的温度排出锅炉。3 水的汽化过程：对于蒸汽炉来说，经过处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物，它们位于烟气温度较低的对流管束中。由于受热较少，汽水混合物的容
45、重较大；而处于烟气温度较高区的水冷壁和对流管束受热多，其相应工质的容重小：这样，容重大的工质向下流入下锅筒，而容重较小的工质则向上流入上锅筒，形成水的自然循环。由于上锅筒内的汽水分离设备和锅筒本身空I B J 内的重力分离作用，使汽水混合物得以分离。第2 章锅炉供热控制系统的总体设计2 4 燃煤锅炉的自动调节任务燃煤锅炉的任务是根据负荷要求，生产具有一定参数(压力和温度)的蒸汽和热水。为了满足负荷设备的要求，保由E 锅炉本身运行的安全性和经济性，它主要要实现下列自动调节任务：1 出水温度控制：出水温度控制同路即锅炉的炉排控制回路，它通过调节炉排转速即调节给煤量的多少来调节锅炉的出水温度。锅炉出
46、水温度是热水锅炉的最重要的参数，采用微机控制可有效克服人工控制的缺陷微机内预存有各种室外温度下的标准供水温度及标准供水、回水温度差曲线，微机首先根据当的室外温度及一段时问的室外温度变化情况推算出室外温度的变化趋势，再由标准供水曲线上查得当j 订锅炉的出水温度标准值，作为出水温度控制回路的给定值。微机根据锅炉当前出水温度与给定值的偏差大小，通过内部的控制算法调节炉排转速大小，使锅炉出水温度逐渐达到标准值。2 回水压力控制：回水压力主要是指在一次网循环过程中，被加热的水在换热站中完成热交换，将热量交换给二次网以后的低温水返回锅炉中，在网管中的压力。回水压力的自动控制的目标是为了保证系统管道的安全性
47、，通过控制补水泵和变频阀对回水压力进行控制。加热引起的热膨胀作用，使管道内压力逐渐身高，到升高一定值时，丌启安全阀对系统泄压，避免由于管道压力过高引起的管道破裂或者损坏；在循环过程中，由于在管道中的泄漏情况，使的管道内压力逐渐降低，使的系统压力不足，影响供暖效果，需要丌启补水泵对系统进行补水，以提高系统的回水压力。3 汽包水位控制：锅炉汽包水位自动控制的目标就是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。汽包水位是锅炉运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量，维持汽包水位在一定的范围内足保证锅炉安全运行的首要条件。这是因为：水位过低，则由于汽包内水量较少，而负荷却很大，水的汽化速
48、度又很快，因而汽包内的水量变化速度很快，如果不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸。基TP L C 的锅炉供热控制系统的设计水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液的现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，该蒸汽作为汽轮机的动力，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全和经济性。汽包水位过高或过低的后果极为严重，所以必须严格加以控制。本系统控制的汽包水位要求在2 0z1 0c m 之间。当锅炉的蒸汽负荷突然加大时，蒸发量大于给水量，从汽包贮水量来看，汽包水位应该下降，但实际上，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，可水位不但不下降，反而迅速上升，这种特
49、殊现象称为“虚假水位”现象。“虚假水位”现象产生的原因主要是：蒸汽流量增加，汽包内的汽压下降，炉水的沸点降低，使炉管和汽包内的汽水混合物中的蒸汽容积增加，体积膨大，引起汽包水位上升f 1 7】1 1 8 11 1 9 1。4 蒸汽压力控制：蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。压力过高，会加速会属的蠕变；压力太低，不能提供负荷符合要求的蒸汽。在锅炉运行过程中，蒸汽压力降低，表明负荷的蒸汽消耗量大于锅炉的蒸发量；蒸汽压力升高，说明负荷的蒸汽消耗量小于锅炉的蒸发量。因此，控制蒸汽压力，是安全生产的需要，是维持负荷F 常工作的需要，也是保证燃烧经济性的需型2 0 1。锅
50、炉蒸汽压力的变化是由于热平衡失调引起的而影响热平衡的因素主要是燃烧热和蒸汽热，燃烧热的波动引起的热平衡失调称为“内扰”，而蒸汽热波动引起的热平衡失调为“外扰”，为了克服内外扰对蒸汽压力的影响，在各个基本的单炉蒸汽压力控制系统中，输入到锅炉的燃烧热必须跟随蒸汽热的变化而变化以尽量保持热量平衡同时根据蒸汽压力与给定值的偏差适当增减燃料量以增加或减少蒸汽压力。5 炉膛压力控制：燃烧过程中，应使引风量和送风量相适应。锅炉F 常运行中，炉膛压力应保持在微负压状态下。负压过大，漏J x L 严重，总的风量增加，烟气热量损失增大，不利于安全生产和环境卫生。本系统控制的锅炉炉膛负压控制范围要求在1 02 0