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1、目录第一章 变频调速在供暖锅炉控制中的应用1.1变频调速基本原理1.2变频调速节能分析第二章 锅炉控制系统原理2.1偏差控制方式2.2 PID控制方式2.3循环流量控制2.4燃烧过程控制第三章 锅炉控制系统总体设计3.1系统功能分析3.2系统方案设计3.2.1总体设计思路3.2.2系统结构3.3系统硬件配置第四章 锅炉控制系统的硬件设计4.1系统主电路的设计4.2系统控制电路的设计4.3系统主要元器件的选择4.3.1 PLC的选型4.3.2通信网络配置4.3.3变频器的选型4.3.4传感器的选型4.3.5其他主要元器件的选择第五章系统软件的设计5.1 S7-300系列PLC简介5.1.1 S7
2、-300编程方式简介5.1.2 S7-300 PLC的存储区5.2PLC控制程序设计5.2.1 PLC控制流程图5.2.2 PLC控制程序参考文献第一章 变频调速在供暖锅炉控制中的应用1.1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,变频调速技术己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,己日趋完善,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：其中表示电机转速;为电动机工作电源频率;为电机转差率;为电机磁极对数。通
3、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一直一交电源变换技术,集电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。1.2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,其转速与流量,压力以及轴功率具有如下关系: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-风量关系及功率-风量关系。其中,曲线1是风机在额定转速下的曲线
4、,曲线2是风机在某一较低速度下的曲线,曲线3是风门开度最大时的曲线,曲线4是风机在某一较小开度下的曲线可以看出当实阮工况风量由下降到时,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由点移到点;如果在风门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由点移到点。显然,点与点的风量相同,但点的压力要比点压力小得多。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。图2-1变频调速在风机中的节能分析曲线5为变频控制方式下的曲线,曲线6为风门调节方式下的曲线。可以看出,在相同的风量下,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:其中为风机
5、运行时实际风量；为风门开度为最大,且电机运行在额定转速时的风量；为风门开度为最大,且电机运行在额定转速时的功率。假设有一台lO的热水锅炉:引风机:55,鼓风机:22,共7则由变频调节与风门调节相比较可知:80%风量时每小时节能=28.36660%风量时每小时节能=41.888如果按全年运行7000小时计算,其中80%风量运行5000小时:60%风量运行2000小时,则全年节能由此可见,其节能效果非常显著。目前,变频调速技术己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,也必将为认识和接受它的企业带来可观的经济效益。第二章 锅炉控制系统原理2.1 偏差控制方
6、式偏差控制是指当热工参数实际采集值与用户设定值之间存在偏差时,系统通过调节某些量来减小偏差,直至实际采集值等于用户设定值为止。但这只是一种理想设计,在实际应用中,由于系统误差的存在,实际采集值不可能等于用户设定值。因此,引入回差的概念,即给用户设定值一个可以接受的围,在此围都可认为达到系统设定值。例如锅炉的出水温度设定值为,温控回差为,则当出水温度满足式时即可。2.2 PID控制方式偏差控制只能输出开关量信号,对于连续调节的设备,则需要过程控制系统中最常用的控制规律-PID控制方式。PID控制,即按偏差的比例、积分、微分控制,是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都
7、表明,运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时,都能得到满意的结果。PID调节器既能消除静差,改善系统的静态特性,又能加快过渡过程,提高系统的稳定性,改善系统的动态特性,是一种比较完善的调节规律,主要应用于温度控制和压力控制等过程控制系统中,以克服时间响应滞后,得到较好的控制指标。 PID被控对象 + - 图3-1 PID控制系统1、 PID控制器的基本形式PID控制分两种基本形式,即模拟PID控制器和数字PID控制器。模拟PID控制器如图3-1所示,理想控制规律为 3-2其中,为比例增益,与比例带成倒数关系,即,为积分时间常数,为微分时间常数,为控制量,为偏差。比例控制能迅速反应误差,从而减
8、小误差,但比例控制不能消除静态误差,过大,可能会引起系统的不稳定；积分控制的作用是,只要系统存在误差,积分控制作屏就不断地积累,输出控制量以消除静态误差,因而,只要有足够的时间积分作用将能完全消除误差,但调节动作缓慢；微分控制加快系统的动态响应速度,减少调整时间,从而改善系统的动态特性。在计算机控制系统中减少调整时间,从而改善系统的动态特性。PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期足够短时,用求和代替积分,使模拟PID离散化变为差分方程,如式3-3所示。 3-3增量型的控制方程为: 3-4其中称为比例增益；称为积分系数；称为微分系数。以上是PID控制的理论控制方程,但在实际应用中,
9、要根据控制系统的特点,做适当的改进。2、 PID控制器的改进计算机控制是一种比较准确的控制方式,只要系统偏差存在且大于传感器的精度围,计算机就不断进行控制量增量的计算,并输出相应的控制信号给执行机构,改变执行机构的状态,这样容易产生某些动作过于频繁而引起振荡。为避免控制动作过于频繁以消除振荡,在实际工程应用中,通常在PID控制系统中增加一个死区环节,相应的算式为 3-5其中: 为人为设定的一个死区,是一个可调参数,其具体数值可根据实际控制对象由试验确定。太小,使调节过于频繁,达不到稳定控制量的目的；太大,则系统将产生较大的滞后。在锅炉的燃烧控制系统中,为避免风机和炉排转速频繁地改变,可适当地为
10、出水温度设定一个死区,如,1。在锅炉控制系统中,当启动/停止电机或大幅度改变温度、压力等设定值时,由于短时间产生很大的偏差,往往会产生严重的积分饱和现象,以致造成很大的超调和长时间的振荡。为克服这个缺点,可采用积分分离的方法,即偏差较大时,取消积分作用;当偏差较小时才将积分作用投入。亦即：当时,采用PD控制:当时,采用PID控制。积分分离阀值应根据具体对象及控制要求确定。例如出水温度的控制,可以选定为5或10等,依据控制精度要求而定。综上所述,锅炉控制系统中燃烧控制和水泵控制所采用的PID控制方式,作出死区设定和积分分离两项改进措施,以达到稳定控制温度和压力等信号的目的。3、经验凑试法整定P旧
11、参数PID控制器参数整定主要整定比例系数K,、积分时间界和微分时间几等参数。增大比例系数一般会加快系统的响应,在有静差的情况下有利于消除静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调,并产生振荡,使稳定性变差。增大积分时间常数,相当于减小积分系数,积分作用减弱,有利于减小超调,减小振荡,但系统静差的消除将随之变慢。增大微分时间常数有利于加快系统响应,但系统对扰动的抑制能力减弱,对扰动有较敏感的响应。在凑试时,可参考3个参数对控制过程的影响趋势,对参数实行先比例,后积分,再微分的整定步骤。首先整定比例却分。即将比例系数由小变大,并观察相应的系统响应,直到反应快,超调小的响应曲线。如果系统没有消除静差
12、或静差己小到允许围,并且响应曲线已属满意,那么只须用比例调节器即可,最优比例系数可由此确定。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求,则须加入积分环节。整定时首先置积分时间T,为一较大值并将经第夕步整定得到的比例系数,略为减小,然后减小积分时间,使在保持系统良好动态性能的情况下,静差得到消除。在此过程中,可根据控制效果反复改变比例系数与积分时间,以期得到满意的控制过程和整定参数。若使用比例积分调节器消除了静差,但动态过程经反复调整仍不能满意,则可加入微分环节,构成完整的PID控制器。在整定时,可先置微分时间为零。在第二步整定的基础上,增大,同时相应地改变比例系数和管道,积分时间,逐步凑
13、试,以获得满意的调节效果和控制参数。3.2循环流量控制锅炉管网系统的一个任务是通过循环泵将出水缸的热水输送到用户供热并回到回水缸。循环流量控制同样采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式。偏差控制设定出水压力围,当出水压力实际值不在设定围时,调节流量,直到出水压力达到要求为止。PID控制在偏差控制的基础上对出水压力进行微调,其原理如图3-3所示。循环泵系统根据出水压力的设定值与采集到的出水压力的实时数据,通过PID算法将出水压力值控制在设定值附近。其控制采用前述改进PID控制算法与参数整定方法。压力调节PID变频器管网系统设定值 出水压力 图3-3循环流量PID控制原理图3.3燃烧过程控制供暖
14、锅炉燃烧系统是一个多变量输入、多变量输出、大惯性、大滞后且相互影响的一个复杂系统。当锅炉的负荷变化时,所有的被调量都会发生变化,而当改变任一调节量时,也会影响到其他被调量。锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应负荷的需要,同时还要保证锅炉安全经济运行。燃烧控制系统的任务主要有三点:稳定锅炉的出水温度,始终保持在设定值附近。出水温度的设定值与室外温度以及消耗热量的变化相关,以出水温度为信号,改变燃煤量和风煤比,达到出水温度与设定值一致。同时测量系统的回水温度和炉膛温度,若回水温度过低则适当加大给煤量,反之则适当减少给煤量;若炉膛温度过高则适当减少给煤量,反之则适当加大给煤量。
15、保证锅炉燃烧过程的经济性。对于给定出水温度的情况下,需要调节鼓风量与给煤量的比例,使锅炉运行在最佳燃烧状态。开始运行时,可根据经验设定风煤比,使耗煤量与鼓风量成比例关系,同时根据出水温度的变化对鼓风量进行前馈控制,然后通过测量烟气含氧量,运用偏差控制调节风煤比,使燃煤充分燃烧。调节鼓风量与引风量,保持炉膛压力在一定的负压围。炉膛负压的变化,反映了引风量与鼓风量的不相适应。如果炉膛负压太小,炉膛容易想外喷火,危及设备与工作人员的安全。负压过大,炉膛的漏风量增大,增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。本系统中根据鼓风量的变化,对引风量进行前馈控制。根据经验设定炉膛负压,并测量炉膛负压,运行PID算法控制炉膛负压保持在一定的围,从而调节引
