毕业设计(论文)-基于PLC的锅炉出水温度控制系统的研究与设计.doc
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1、 毕毕 业业 设设 计计 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 总计 毕业设计(论文) 61 页 表格 2 表 插图 16 幅 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 I 摘 要 随着我国经济的发展,资源和环境矛盾同趋尖锐,使我国的现代化 建设面临严峻挑战。作为温度控制系统重要能源转换设备的锅炉能耗巨 大,占我国原煤产量的三分之一左右。然而,我国目前运行的很多锅炉 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。 随着科学技术的不断发展人们开始利用各种先进的仪器和技术组成 计算机控制系统来代替人工复杂的控制操作,直接数字控制DDC系统
2、(Direct Control) ,便是其中之一。直接数字控制DDC系统,它是工业 生产计算机控制系统中用的最广泛的一种系统应用形式,在这类系统中 的计算机,除了经过输入通道对多个工业过程参数进行巡回检测采集外, 它还代替了模拟调节系统中的模拟调节气,按预定的调节规则进行调解 运算,然后将运算结果通过过程输出通道输出并作用于执行机构,以实 现多回路调节的目的。 本设计设计了基于PLC的锅炉温度控制系统,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结合的控制策 略对系统温度进行调节控制。 关键字:锅炉;计算机控制; PLC 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 II Ab
3、stract With Chinas economic development,resources and the environment has become increasingly acute contradictions,so that the modernization of our country is facing a formidable challengeAs an important energy source conversion equipment,heating system of the industrial boiler consumes about one-th
4、ird of Chinas coalHowever,the majority of Chinas current operating boiler systems security and efficiency is generally lower than the national standardSo its great significance to achieve automatic control for boiler with computer Along with science technical develop continuously people start making
5、 use of every kind of advanced instrument constituting the calculator control system with the technique to the control operation that replace the artificial complicacy, direct arithmetic figure control DDC system( Direct Control), just one of them Direct arithmetic figure control DDC system, it is a
6、n industry to produce convenient and the most extensive a kind of system in system of control of calculator application form, in addition to through importation passage to several industries process parameter proceeding cruising to return to examination to collect, it returned to replace the emulati
7、on regulates the emulation in the system regulates the spirit, at the set regulate rule proceed the intermediation carries to calculate, then will carry to calculate result pass process output passage output combine function in carry out the organization, to realize many the purpose that back track
8、regulate. the paper presents a overall control thinking,the system designed to heating in winter includes superordinate computer control system and the subordinate systemTo meet all the campuss winter heating,it gives a complete control strategy which combined with time and outdoors temperature. Key
9、 Words:Boiler;Computer Control; PLC 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 III 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论1 1.1 锅炉温度控制系统现状.1 1.2 锅炉自动控制的发展历史.2 1.4 课题意义 4 第 2 章锅炉温度控制系统的总体介绍6 2.1 锅炉温度控制系统的组成.6 2.2 交流电机的变频调速系统介绍.7 2.2.1 变频器驱动的特点8 2.2.2 变频调速的基本原理8 2.2.3 变频器基本结构10 2.3 燃煤锅炉的工作过程11 2.3.1 燃煤锅炉的组成.11 2.3.2 燃煤锅炉的工作过程12 2.4 燃煤锅
10、炉的自动调节任务13 第 3 章控制系统下位机的设计17 31 PLC 软件介绍 .17 3.1.1 模块式 PLC 的基本结构17 3.1.2 PLC 的特点.19 3.2 STEP7 软件简介 20 3.3 控制系统所用功能块21 3.4 锅炉控制系统的硬件组态23 3.5 锅炉系统下位机程序设计25 3.5.1 系统下位机控制程序实现.25 3.6 本章小结35 第 4 章 控制系统上位机设计37 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 IV 4.1 WINCC 软件介绍37 4.2 WINCC 的特点 37 4.3 WINCC 主要控制模块38 4.4 项目组态40 4.5 系统监控界面设计
11、41 4.6 INTERNET远程监控46 4.6.1 WEB Navigator 简介47 4.6.2 WEB Navigator 的优点.47 4.6.3 远程 WEB 发布与浏览49 4.6.4 使用 WEB Navigator 过程中遇到的问题及解决办法49 47 本章小结.51 第 5 章 系统的抗干扰设计53 51 PLC 系统的抗干扰性.53 5.1.1 电磁干扰源及对系统的影响.53 5.1.2 系统外引线的干扰.53 5.1.3 PLC 系统内部的干扰.55 5.1.4 PLC 控制系统工程应用的抗干扰设计.55 5.2 控制系统主要抗干扰措施.55 第 6 章 结论与展望5
12、8 6.1 总结58 6.2 展望58 致 谢60 参考文献61 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 1 第 1 章 绪论 1.1 锅炉温度控制系统现状 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。 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
13、高,为了提高锅炉的工作效率,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。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CRT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
14、广泛的应用。 锅炉作为重要的动力设备,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 输出变量之间是相互关联的。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;给水量的变化不仅影响 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。 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 2 1.2 锅炉自动控制的发展历史 锅炉是一个比较复杂的工业设备,有
15、几十个测量参数、控制参数和 扰动参数,它们之问相互作用,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: 1纯手动阶段 在六十年代以前,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
16、化技术与电子技术的发展,国外己经开发并广泛应用了全 自动工业锅炉控制技术。60年代前期,我国工业锅炉的控制技术开始发 展,60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,70 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。基于PLC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、
17、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我固的广泛应 用,为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。运用计算机技术,开发出 高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统同时得到重视。80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 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 3 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(DCS)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,从下到上依次分 为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。DCS是以多台DDC计算 机为基础,集分
18、散型控制系统。目前分散控制系统大多采用可编程控制器(PLC)进 行系统设计,工控机机PLC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。 1.31.3 锅炉工艺流程简介锅炉工艺流程简介 锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地 把燃料中的化学能转换为热能,或再通过相应设备将热能转化为其它生 产和生活所需的能量形式,长期以来在生产和居民生活中都起很重要的 作用。 锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备,锅炉的任务是根据外界负 荷的变化,输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的 蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源,而且还可以作 为
19、风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。 锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。 “锅”就是锅炉的汽水系 统,如图1-1所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、 给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打 入省煤器,在省煤器中,水吸收烟气的热量,使温度升高到本身压力下 的沸点,成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部 的下联箱,又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱,随即又回入汽包。水在 水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热,在温度不变的情况下,一部分 蒸发成蒸汽,成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽,水 和给水一起再进入下降管参加循环,汽则由汽包
20、顶部的管子引往过热器, 蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度,成为合格蒸汽送入蒸汽母管。 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 4 燃 烧 室 燃料 空气 1 2 34 5 6 7 8 “炉”就是锅炉的燃烧系统,由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器 等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入,通过空气预热器,在 空气预热器中吸收烟气热量,成为热空气后,与燃料按一定的比例进入 炉膛燃烧,生成的热量传递给蒸汽发生系统,产生饱和蒸汽。然后经过 过热器,形成一定的过热蒸汽,汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热 蒸汽,经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时,燃烧过程中产 生的烟气,其中含有大量余热,除了将饱和
21、蒸汽变成过热蒸汽外,还预 热锅炉给水和空气,最后经烟囱排入大气。 1.4 课题意义 从1978年改革以来,我国年均经济增长率达9以上,目前已经是 世界第六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, 都努力在开发能源的同时,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40万台,每年的耗煤量达3 亿多吨,占我国原煤产量的三分之一。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,在满足工 艺要求的前提下,为了提
22、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 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 5 决的问题。据有关资料统计一台10Th的锅炉,若能提高效率1,每 年就能节省煤200吨左右,约合人民币50000多元,经济效益是很明显的。 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统将现场的锅炉
23、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 一个真正的产品,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。 锅炉出水温度控制系统的研究与设计 6 第 2 章锅炉温度控制系统的总体介绍 2.1 锅炉温度控制系统的组成 日前我国的温度系统主要以燃煤锅炉为主体。而锅炉按照温度性质 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 绍温度控制系统的组成。该系统现有两台20T/H的热水炉、一台10T/H的 热水炉、一台
24、6TH的蒸汽炉以及5个换热站组成。 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1台燃煤锅炉、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
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