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1、本科毕业设计说明书工业锅炉控制系统设计The design of industrial boiler control system学生姓名：学生学号：专业名称：指导教师：摘 要随着生活水平地不断提高，人们对城市生活供暖质量要求越来越高。目前，冬季采用锅炉取暖在我国北方仍然占据主导地位，但锅炉房中控制系统的各配置落后的问题相对比较严重，其控制操作仍然主要依靠管理员的手工操作，对于风机和水泵电机的控制，过程很复杂并且对电和燃料的消耗量十分巨大，同时锅炉水温度也无法通过手动控制改变并及时对改变作出适当的回应。本文设计的水温供暖锅炉控制系统主要采用PLC和变频调速技术。该控制系统由组态MCGS、变频器
2、、S7200系列PLC、鼓风机、引风机、水泵等构成。对于系统中所涉及到的各个电机，其启动调速和停止，并不是通过直接控制的手段，而是利用变频器变频调速的特性来实现的。以及PID调节控制，以MCGS组态软件设计组态界面和控制界面，以实现实时监控。为了有效地降低能源消耗，提高生产管理水平，本文设计的系统具有锅炉水温、燃烧过程自动控制的功能。实现了安全可靠地系统安装维护；由MCGS制作的上位机，画面直观，操作方面，监控方便。关键词：供暖锅炉；变频调速；PLC；MCGSAbstractWith living standards improving, the demanding of people wit
3、h the city heating quality is becoming stricter. Currently, the use of boiler heating in winter in northern China is still dominant, but the lag issue of the boiler room configuration is relatively serious in the control system. The control operation is still mainly rely on the administrators manual
4、。The control of the fan and pump motor, which process is very complex and on electricity and fuel consumption is huge。Meanwhile boiler water temperature can not be changed by manually controlled and timely responded appropriately.This design of water heating boiler control system in this paper mainl
5、y adopts PLC and frequency control technology. The control system consists of a programmable controller, inverter, fan and pump motors, sensors, and configuration MCGS. In order to achieve real-time monitoring ，the starting, running and speed of motor are controlled by inverter , as well as PID regu
6、lator controlling and MCGS configuration software design configuration interface and control interface are used in the paper.Industrial boiler control system designed in this paper has achieved the boiler water temperature, and the automatic control of the combustion process, which has reduced the e
7、nergy consumption and improved the production management level.Keywords: Boiler control; Variable-frequency regulating speed technology; PLC; MCGS目 录第一章 绪论11.1课题背景及研究目的和意义11.2供暖锅炉控制国内外研究现状21.3项目研究内容3第二章 供暖锅炉的结构与控制策略42.1供暖锅炉基本构造42.2供暖系统的控制要求52.3供暖锅炉的控制策略和方法7第三章 变频调速在供暖锅炉控制中的应用103.1变频调速基本原理103.3 变频调速节
8、能分析12第四章 供暖锅炉控制系统的硬件设计134.1系统主电路的设计134.2系统控制电路的设计134.3 S7-200 PLC硬件实际接线图144.4系统主要元器件15第五章供暖锅炉控制系统的软件设计195.1 PLC程序设计的基本原则和方法195.2 编程软件STEP7-Micro/WIN 概述195.3 PID指令向导215.4 程序设计23第六章 供暖锅炉的MCGS仿真界面设计326.1锅炉组态画面的建立326.2 设备在线调试34第七章 总 结37致 谢38参考文献39附 录40第一章 绪 论第一章 绪论1.1课题背景及研究目的和意义随着如今人们生活质量越来越高，暖气供暖是人们在冬
9、季所必不可少的设施。伴随着城市化程度的不断发展、步伐的不断加快，集中供热成为其必然趋势，这样不仅能节省能源，而且方便管理。然而，由于城市程度的加深。供暖面积和要求同样也越来越大、越来越来越严重。对于燃烧系统的控制和管理的手段和方法也提出了更高的要求，国家新的节能减排政策也推进我们把眼光放在发展改革上，原有的方法已经不能满足要求，并逐渐被淘汰。虽然锅炉作为一个能源消耗大的设备，在国民经济整体能源消费占了很大的比例，并存在空气污染严重的问题，但是它在人们的生产和生活中仍然具有非常重要的意义。目前，我国主要以煤炭作为锅炉燃烧的主要燃料，但是如燃油供暖锅炉也得到快速的发展。对于燃煤锅炉主要燃烧的主要是
10、低品质煤，锅炉房管理水平是不高的， 采用间歇性运行模式，技术落后，自动化控制程度低，能源浪费和环境污染严重的问题突出。另外，对于主要利用按钮和继电器来控制的锅炉行业，包括用PLC来控制的，无法满足现有控制系统的智能化要求，无法实现水位实时控制，锅炉工作运行参数、开始时 间和校准时间也无法进行灵活的设定和改正，更不能动态地反映锅炉当前的操作状 态， 无法对燃烧器运行时间进行准确地累积记录，也无法统计锅炉风机运行时间、以前发生的故障，影响锅炉最终的管理和维护。此外，如果想实现锅炉实时在线控制和多用户联网控制，则需建设更多的控制台，从而增加了成本投入，控制结构也就变得更加复杂。PLC在20世纪阶段正
11、处在快速发展时期，在这时期，PLC对模拟量的处理能力得到一定的发展。随着网络地快速发展，PLC在网络连接和人机交互能力方面取得巨大的发展，较之之前的现状得到质的提高。随着过程控制的迅速发展，并在现在系统控制模式中得到广泛应用，DCS系统成为该系统中的统领着，成为一家独大的盛状，但是伴随PLC也逐渐步入该系统，渐渐取代了DCS的霸主地位，在某些应用中更受欢迎。PLC具有通用性强、受干扰影响强、较强适应性等特点。锅炉可以利用产生的蒸汽转化为动能，所以可作为动力设备，如今已广泛应用于各行各业的工业生产中。无论是在工业生产或者是在采暖供热中，锅炉所扮演的角色都是一次能源向二次转化的重要设备,从能量转化
12、好坏的角度上来看，在一定意义上，锅炉控制效果对人们的生活质量和企业的经济效 益的好坏有直接的影响。另外，PLC具有与多个输入输出口，能基本上满足系统的需要。同时，锅炉控制中涉及到很多参数，且它们之间并非相互独立，想法存在复杂的的关联性，所以对于锅炉的研究是各国技术人员都将对当成的一个重要课题。本文设计的系统是一个过程控制系统，是一套采用可编程控制器和变频启动调速 技术制作而成的供暖锅炉控制系统。该控制系统采用风机提供送风和引风量，以S7-200系列PLC作为控制器，用变频器控制电机和电动阀等，利用各种传感器传感器采集信息。系统中电动机的启动、运行和调速是通过PLC发出命令并由变频器的控制来实现
13、的根据 电动机转矩与转速、 轴功率和转速的之间关系可以推出，采用交流变频调速代替传统 阀门、挡板控制风机、水泵流量，符合国家节能政策，可以大大节省用电量，整体计算能够平均节电30% 左右。由于采用了转矩矢量控制技术，在系统控制中应用变频器有效起到了保证电机良好起动的功能，实现了电机的软启动，同时限制了启动时对电机等的冲击，延长了电机的寿命。另外，为了使锅炉始终处于最佳工作状态，本文设计的系统能对锅炉实现智能自由控制，提高了燃油的燃烧效果和锅炉的运行效率。同时，该供暖锅炉将传感器检测到的整个系统中的各种参数（如流量、压力、温度等），传送至由MCGS制作监视平面中，具有温度和压力等参数监控等功能。
14、利用这种系统，工人在控制室就可以非常直观的并且非常详细地了解锅炉的运行情况，逼近工作条件得到大大的改善，其管理水平和智能化、自动化程度也得到很大的提高。1.2 供暖锅炉控制国内外研究现状从上世纪90年代起，锅炉的自动化控制研究越来越广泛，各种基于PLC开发的控制系统，向与新型锅炉控制的方向发展，同时逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，为之后锅炉控制系统发展起到重要作用。锅炉自动控制中也应用了一些新的控制方法。如模糊控制、最优控制、自适应控制等。这些自动控制的最新成果在系统的设计过程中得到了尝试。但由这些新的控制策略方法在工程实践中并不怎么成功，也无法提高系统的经济效益，主要原因是这些控制技术过于单
15、一，控制算法的建模仅仅是数学推论上建立的模型，对于锅炉燃烧状况有时并不能真实的反映，因此在一定程度上降低了用户用计 算机实现工业锅炉控制的积极性。随着控制系统的不断地发展，为了进一步提高锅炉锅炉控制系统操作的准确性，减少能源消耗，保障安全运行，降低大气污染，智能控制技术在现代锅炉控制技术上的广泛应用已势在必行，并且对现如今各种各样的新型锅炉采用计算机进行集中控制系统的条件已经成熟。尽管对锅炉控制的研究已取得了很大的进展，但仍然存在一些问题: 1、开关量在现有供暖锅炉控制系统中仍然广泛应用，造成现有系统控制手段单一，控制的精度也不够精确，如一些阀门的控制。2、一些不合理的控制方案在现有的一些锅炉控制系统普遍存在，甚至应用比较普遍。这样在锅炉控制过程中如果一旦有故障情况发生，只能进行人为手动采取断电的方法处理。如此操作不仅对设备（如电动机）的损害较大，甚至存在安全隐患。对于温度、压力等参数，一旦传感器、变送器等设备出现故障就无法达到设定值。 3、随着微机控制逐渐成熟起来，锅炉控制系统也得到快速发展。但锅炉的自动控制在报表打印、仪表显示等功能上并未得到实现，若以单片机为锅炉控制系统的核心，因其控制水平有限，性能不稳定，并不适合于此系
