畢業(yè)設(shè)計----余熱鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　?。?011屆）</b></p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）資料</p><p><b>　　2011屆</b></p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）資料</p><p>　　第一部分 設(shè)計說明書</p><p><b>　　

2、摘 要</b></p><p>　　節(jié)約能源， 提高生產(chǎn)工藝過程中的能量利用率和開發(fā)研究新的節(jié)能技術(shù)已成為各國研究能源利用技術(shù)的主要課題。隨著生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和采用有效的節(jié)能技術(shù)設(shè)備，一次能源利用率的逐步提高，高溫余熱資源的總量相應(yīng)減少，大量的中、低溫余熱和固體顯熱的余熱未得到經(jīng)濟而有效地回收利用。為了給好更充分的利用資源和減少能源浪費，因此，余熱鍋爐產(chǎn)生了并高速發(fā)展。</p><p

3、>　　汽包水位的穩(wěn)定性是余熱鍋爐運行的主要指標(biāo)，為了保證余熱鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，本文設(shè)計采用了性能先進(jìn)的PLC、微型計算機、智能調(diào)節(jié)器等自動設(shè)備組成的余熱鍋爐自動控制系統(tǒng)，并且以三沖量調(diào)節(jié)方式對余熱鍋爐汽包液位進(jìn)行控制。這樣使整個系統(tǒng)適應(yīng)能力更強，抗干擾能力和魯棒性更好，保證水位的穩(wěn)定。因此，設(shè)計出更精準(zhǔn)、更靈活的水位控制系統(tǒng)是非常必要的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：余熱鍋爐；汽包水位； 三沖量；

4、 串級系統(tǒng)；PLC； </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　To save energy, improve the production process of energy utilization and development research new energy-saving technology has become en

5、ergy utilization technology in all countries the main research topic. As improve the production process and adopting effective energy saving technology and equipment, once the gradual improvement of the energy efficiency

6、, high temperature heat resources corresponding decrease the amount of low-temperature heat and solid, did not get the sensible heat waste recyc</p><p>　　The stability of the drum water level is waste heat b

7、oiler operation of the main index, in order to guarantee the waste heat boiler safety, stability and economic operation was designed using performance, this paper advanced PLC, microcomputer, intelligent regulator automa

8、ted equipment such as the waste heat boiler of automatic control system, regulating mode in three impulse and to waste heat boiler drum liquid level control. This ability to adapt to the whole system, the anti-interferen

9、ce abil</p><p>　　Keywords: waste heat boiler; drum level; three impulses; cascade system; PLC;</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要IV</b></p><p>

10、　　AbstractV</p><p><b>　　第一章 緒 論1</b></p><p>　　1.1余熱鍋爐的現(xiàn)狀和發(fā)展1</p><p>　　1.1.1余熱鍋爐的現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.2余熱鍋爐的發(fā)展1</p><p>　　第二章 余熱鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究3</p

11、><p>　　2.1余熱鍋爐的任務(wù)與原理3</p><p>　　2.1．1余熱鍋爐的任務(wù)3</p><p>　　2.1.2余熱鍋爐的工作原理3</p><p>　　2.2余熱鍋爐的型式4</p><p>　　2.3余熱鍋爐的布置6</p><p>　　2.4余熱鍋爐的分類和特點8<

12、/p><p>　　第三章氣泡水位特性及控制9</p><p>　　3.1 鍋爐汽包水位的特性9</p><p>　　3.1.1 汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性10</p><p>　　3.1.2 汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性13</p><p>　　3.2氣泡水位調(diào)節(jié)和保護15</p>&

13、lt;p>　　3.2.1穩(wěn)定水位的必要性15</p><p>　　3.2.2影響汽包水位的因素16</p><p>　　3.3水位控制17</p><p>　　3.3.1串級控制系統(tǒng)17</p><p>　　3.3.2串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定18</p><p>　　3.4 汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)19<

14、/p><p>　　第四章 余熱鍋爐水位控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計25</p><p>　　4 .1控制系統(tǒng)設(shè)計思想和總體方案25</p><p>　　4．2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和功能27</p><p>　　4.2.1 PLC28</p><p>　　4.2.1硬件選擇32</p><p>　　4

15、.3 控制策略研究34</p><p>　　4.3.1鍋筒水位控制規(guī)律研究34</p><p>　　4.3.2鍋爐鍋筒水位的三沖量控制方案35</p><p>　　4.4系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計與實現(xiàn)36</p><p>　　4．4.1 應(yīng)用軟件總體結(jié)構(gòu)36</p><p>　　4.4．1主程序設(shè)計與分析37<

16、;/p><p><b>　　結(jié)論39</b></p><p><b>　　致謝40</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1余熱鍋爐的

17、現(xiàn)狀和發(fā)展</p><p>　　1.1.1余熱鍋爐的現(xiàn)狀</p><p>　　節(jié)約能源， 提高生產(chǎn)工藝過程中的能量利用率和開發(fā)研究新的節(jié)能技術(shù)已成為各國研究能源利用技術(shù)的主要課題。隨著生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和采用有效的節(jié)能技術(shù)設(shè)備，一次能源利用率的逐步提高，高溫余熱資源的總量相應(yīng)減少，大量的中、低溫余熱和固體顯熱的余熱未得到經(jīng)濟而有效地回收利用。因此，余熱利用技術(shù)正由高溫排煙的余熱回收技術(shù)轉(zhuǎn)向中、

18、低溫和固體顯熱的余熱回收利用技術(shù)。</p><p>　　為提高能源利用率和節(jié)約能源，除采用高能效的新設(shè)備和新工藝外，采用余熱鍋爐回收各類余熱也是提高能源利用率的重要手段。為此，各國先后開展了余熱鍋爐的研制工作，并在節(jié)能中大力推廣應(yīng)用余熱鍋爐，取得了顯著的節(jié)能成果。</p><p>　　目前，國外利用余熱發(fā)電的新趨勢，是單機功率小，載熱體溫度低(即利用中低溫余熱發(fā)電)。國內(nèi)也有一些利用余熱發(fā)

19、電，如炭黑工業(yè)中的低熱值尾氣余熱和硫酸工業(yè)中的硫酸余熱發(fā)電等，所發(fā)的電能主要供工廠自用。目前，已把如何利用中低溫的低品位余熱發(fā)電，作為開發(fā)節(jié)能新技術(shù)的重要課題。</p><p>　　余熱鍋爐是一種理想的節(jié)能設(shè)備， 它不但能節(jié)約能源，而且對提高主流程的質(zhì)量，減輕公害和滿足某些工藝流程要求，都起著十分重要的作用?，F(xiàn)有的余熱鍋爐按進(jìn)鍋爐的介質(zhì)特性，有以下幾種主要型式：</p><p>　　(1)

20、廢煙氣不需要進(jìn)一步處理的余熱鍋妒；</p><p>　　(2)廢煙氣需要進(jìn)一步處理的余熱鍋爐；</p><p>　　(3)廢煙氣要進(jìn)一步處理， 且其冷卻應(yīng)在給定的間時內(nèi)完成的余熱鍋爐；</p><p>　　(4)固體顯熱的余熱鍋爐</p><p>　　1.1.2余熱鍋爐的發(fā)展</p><p>　　近十幾年，余熱鍋爐技術(shù)

21、發(fā)展十分迅猛。七十年代初我國著手并開始實施發(fā)展余熱鍋爐的規(guī)劃。從1974年到1980年，先后投資擴建余熱鍋爐研究和制造基地， 現(xiàn)已形成具有一定的余熱鍋爐研制能力以及科研基礎(chǔ)。至今已開發(fā)并制造了涉及15個類剮、74個品種、101個規(guī)格的余熱鍋爐2000余臺。</p><p>　　我國余熱鍋爐產(chǎn)品技術(shù)水平， 除少數(shù)接近或達(dá)到國際上同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平外， 大多數(shù)相當(dāng)于國外五， 六十年代的水平，其主要差距反映在以下幾個方

22、面；</p><p><b>　　(1)熱利用率低；</b></p><p>　　(2)自控水平落后；</p><p>　　(3)積灰率高和清除效果差(特別是有色冶煉工藝中的余熱鍋爐)。</p><p>　　實踐證明，余熱鍋爐在各企業(yè)的節(jié)能中發(fā)揮了相當(dāng)有效的作用， 獲得了較好的經(jīng)濟效益， 其投資一般可在3～ 4年內(nèi)回收。

23、余熱鍋爐的作用現(xiàn)已超越了單純的余熱利用，事實上它的作用與工藝流程現(xiàn)代化和防止環(huán)境污染方面已無法截然分開， 所以各種類型的余熱鍋爐相繼問世。我國近幾年產(chǎn)量每年約在400~500蒸噸之間，尚不能滿足市場的需要。據(jù)預(yù)測，1990年，全國余熱鍋爐需要量在1000蒸噸／年以上。</p><p>　　隨著技術(shù)的進(jìn)步，今后工業(yè)部門將普遍采用高能效的先進(jìn)工藝流程，這樣能源的有效利用率提高，高溫余熱資源總量相應(yīng)減少，而中、低溫余熱

24、資源相應(yīng)增長。因此，余熱利用技術(shù)將由高溫余熱回收技術(shù)轉(zhuǎn)向中，低溫和固體顯熱的余熱回收利用技術(shù)，但在近期仍以發(fā)展高溫余熱回收的鍋爐產(chǎn)品為主。如干法熄焦余熱鍋爐，化鐵爐余熱鍋爐， 轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐等。當(dāng)然也必須為今后開發(fā)中、低溫和固體顯熱回收的余熱利用技術(shù)以及城市垃圾焚燒余熱鍋爐開展一些科研工作， 以加快設(shè)計，制造各種類型、容量和參數(shù)的余熱鍋爐，滿足來來市場的需求。</p><p>　　余熱鍋爐是機械產(chǎn)品及余熱發(fā)電設(shè)備的

25、一個重要組成部分，因此發(fā)展余熱鍋爐，振興余熱鍋爐行業(yè)，也是振興機械工業(yè)和電力工業(yè)，促進(jìn)產(chǎn)品上質(zhì)量、上品種和上水平不可缺少的環(huán)節(jié)。為實現(xiàn)上述目的，建議采取以下措施：</p><p>　　1．改進(jìn)老式產(chǎn)品，開發(fā)新產(chǎn)品，趕上世界先進(jìn)水平；</p><p>　　2．在產(chǎn)品開發(fā)中，科研設(shè)計要與推廣應(yīng)用相結(jié)合；</p><p>　　3．加強與國外的技術(shù)交流，借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗；

26、</p><p>　　4．制定必要的技術(shù)和經(jīng)濟政策，發(fā)揮科研人員的工作積極性。</p><p>　　1.2余熱鍋爐的型式</p><p>　　1、強制循環(huán)余熱鍋爐</p><p>　　圖1－1所示的余熱鍋爐就是強制循環(huán)余熱鍋爐。從汽包下部出來的水經(jīng)一臺循環(huán)泵后，進(jìn)入蒸發(fā)器，是靠循環(huán)泵產(chǎn)生的動力使水循環(huán)的，稱為“強制循環(huán)余熱鍋爐”。其特點是；各

27、受熱面組件的管子是水平的，受熱面之間是沿高度方向布置，可節(jié)省地面的面積，并使出口處的煙囪高度縮短。但在運行中需要循環(huán)泵，使運行復(fù)雜，增加維修費用。目前油田進(jìn)口的余熱鍋爐，多數(shù)采用此種型式。</p><p>　　2-1強制循環(huán)余熱鍋爐</p><p>　　2．自然循環(huán)余熱鍋爐</p><p>　　圖1－2是一自然循環(huán)余熱鍋爐，全部受熱面組件的管子是垂直的。給水進(jìn)入省煤

28、器吸熱后，進(jìn)入汽包。汽包有下降管與蒸發(fā)部的下聯(lián)箱相連，下降管位于煙道外面，不吸收煙氣的熱量。汽包還與蒸發(fā)器的上聯(lián)箱相連。直立管簇吸收煙氣的熱量。當(dāng)水吸收煙氣熱量就有部份水變成蒸汽，由于蒸汽的密度比水的密度要小得多，所以直立管內(nèi)汽和水混合物的平均密度要小于下降管中水的密度，兩者密度差形成了水的循環(huán)。也就是說：不吸熱的下降管內(nèi)的水比較重，向下流動。直立管內(nèi)的汽水混合物向上流動，形成連續(xù)產(chǎn)汽過程。此時進(jìn)入蒸發(fā)器的水不是靠循環(huán)泵的動力，而是靠流

29、體的密度差而流動，這種余熱鍋爐稱為“自然循環(huán)余熱鍋爐”。其特點是：省去循環(huán)泵，使運行和維修簡單。但各受熱面是沿水平方向布置，占地面積大，在排煙處所需煙囪的高度要高。</p><p>　　圖2-2 自然循環(huán)余熱鍋爐</p><p>　　1.3余熱鍋爐的布置</p><p>　　圖1－3是強制循環(huán)余熱鍋爐的布置圖，包括余熱鍋爐本體受熱面及煙道系統(tǒng)，其特點如下：<

30、/p><p>　　圖2－3余熱鍋爐布置圖</p><p><b>　　1．煙氣系統(tǒng)</b></p><p>　　從燃?xì)廨啓C出來的高溫?zé)煔庥袃陕烦隹冢宦愤M(jìn)人余熱鍋爐，從主煙囪排人大氣，另一路進(jìn)入旁路煙囪排人大氣。每路煙道上都裝有擋板，共有三個擋板，主煙道上的擋板稱“主擋板”，旁路煙道上的檔板稱“旁路檔板”，主煙囪處的檔板稱“煙囪擋板”，各擋板是配合

31、使用的。燃?xì)廨啓C工作而余熱鍋爐不工作，要開啟旁路擋板，關(guān)閉主擋板。燃?xì)廨啓C與余熱鍋爐同時工作，要關(guān)閉旁路擋板，開啟主擋板。另一方面為調(diào)節(jié)余熱鍋爐的產(chǎn)汽量，主擋板和旁路擋板可以部份開啟或部份關(guān)閉，擋板調(diào)節(jié)的內(nèi)容見后。余熱鍋爐工作時，應(yīng)該開啟煙囪擋板。當(dāng)余熱鍋爐短時間停爐，可以關(guān)閉煙囪擋板，以防止余熱鍋爐內(nèi)的熱量損失。因為余熱鍋爐內(nèi)溫度比較高，周圍冷空氣可以進(jìn)入余熱鍋爐，形成自然對流將熱量帶走，關(guān)閉煙囪擋板就能防止外界氣流進(jìn)入余熱鍋爐，以保

32、存熱量，準(zhǔn)備隨時起動余熱鍋爐。如果余熱鍋爐要停爐檢修，希望冷卻速度快些，可以開啟煙囪擋板。水平煙道經(jīng)過一個90轉(zhuǎn)彎接頭與余熱鍋爐相連，這個轉(zhuǎn)彎接頭是經(jīng)制造廠試驗研究后確定的，其形狀尺寸必須要保證轉(zhuǎn)彎后的氣流分布均勻，均勻的氣流能夠使得煙氣放熱也均勻，管內(nèi)水或汽的吸熱也均勻，否則會使一些管子吸熱多而另一些管子吸熱少，這對余</p><p>　　主煙道和旁路煙道都裝有膨脹節(jié)，這是由于煙道受熱后要伸長，會對煙道的支架產(chǎn)

33、生熱應(yīng)力。采用膨脹節(jié)能吸收煙道的伸長量，可以減小熱應(yīng)力。</p><p><b>　　2．汽包</b></p><p>　　汽包是用懸吊的方式來固定，懸吊在伸出的懸臂框架上，懸臂框架與省煤器的框架相接。采用懸吊方式可以使汽包有足夠的撓性，因汽包下部有下降管，上部有省煤器進(jìn)水管、蒸發(fā)器的汽水混合物引入管以及飽和蒸汽引出管等，當(dāng)這些連接管受熱膨脹時，都會對設(shè)備產(chǎn)生附加應(yīng)力

34、，現(xiàn)在汽包用撓性支架，能減少對設(shè)備產(chǎn)生附加應(yīng)力。</p><p><b>　　3．組件的裝配</b></p><p>　　整個余熱鍋爐分成幾個大組件，每個大組件在制造廠組裝好后裝運。在現(xiàn)場直接安裝，這樣大大縮短安裝工期。這些增加有：煙囪，膨脹節(jié)，90轉(zhuǎn)彎段，支承框架，汽包，煙道，擋板，煙囪縮口，過熱器，蒸發(fā)器I和II，省煤器，旁路煙道及其擋板和膨脹節(jié)等。

35、 </p><p>　　有熱煙氣流過的組件均裝有管箱板，管箱板上有法蘭。圖2－4示出了上下拉桿組件管箱板的連接方式?？紤]到減少散熱損失，保證運行人員安全，管箱板由金屬板與保溫層組成。與高溫?zé)煔饨佑|的內(nèi)壁采用耐熱合金鋼板，外壁采用碳鋼板。兩金屬那邊之間是礦物纖維保溫層，外壁和內(nèi)壁用螺栓連接，螺栓預(yù)先焊在外壁鋼板的內(nèi)側(cè)，在內(nèi)壁相應(yīng)位置處預(yù)先沖孔眼，孔的直徑要比螺栓直徑大，多余的孔隙量可以允許內(nèi)壁和外壁有相對移動。這

36、是因為內(nèi)壁和外壁的溫度不同，材料不同，受熱后的膨脹伸長量也不同，所以兩壁之間會有相對移動。外壁上焊有加強框架，可保證管箱板的強度和剛度，外壁的兩端焊有法蘭，可以用來連接組件。 </p><p>　　煙氣在余熱鍋爐中自下而上流動，煙溫逐漸降低，所以管箱板的保溫層厚度也可減薄，省煤器出口的煙氣溫度不超過200℃，可以直接用碳鋼的鋼板制

37、造煙道，來代替管箱板。</p><p>　　1.4余熱鍋爐的分類和特點</p><p>　　按余熱的性質(zhì)可分為以下幾大類: </p><p>　　1.高溫?zé)煔庥酂?它是常見的一種形式,其特點是產(chǎn)量大,產(chǎn)點集中, 連續(xù)性強, 便于回收和利用, 其帶走熱量占總熱量40―50%,該余熱鍋爐回收熱量,可用于生產(chǎn)或生活用熱及發(fā)電。 </p><p>　

38、　2. 高溫爐渣余熱:如高爐爐渣,轉(zhuǎn)爐爐渣,電爐爐渣等,該爐渣 溫度在1000℃以上,它帶走的熱量占總熱量的20%。</p><p>　　3.高溫產(chǎn)品余熱:如焦?fàn)t焦碳,鋼錠鋼坯,高溫鍛件等,它一般 溫度.很高,含有大量余熱.。</p><p>　　4. 可燃廢氣、廢液的余熱:如高爐煤氣,煉油廠的催化裂化再生廢氣,造紙廠的黑液等,它們都可以被利用。</p><p>　

39、　5. 化學(xué)反應(yīng)余熱:如冶金,硫酸,磷酸,化肥,化纖,油漆等工 業(yè)部門,都產(chǎn)生大量的化學(xué)反應(yīng)余熱。 </p><p>　　6. 冷卻介質(zhì)余熱:如工業(yè)爐窯的水套等冷卻裝置排出的大量冷卻 水,各種汽化冷卻裝置產(chǎn)出的蒸汽都含有大量的余熱,它們都可 以被合理利用。</p><p>　　7.冷凝水余熱:各工業(yè)部門生產(chǎn)過程用汽在工業(yè)過程后冷凝減 時所具有的物理顯熱。</p><p&

40、gt;　　由于余熱是與其它生產(chǎn)設(shè)備及工藝密切相關(guān),故余熱利用又具有以下特點: </p><p>　　1. 熱負(fù)荷不穩(wěn)定,主要有工藝生產(chǎn)過程所決定。</p><p>　　2. 煙塵的成分,濃度,粒度差別比較大，從而使鍋爐的受熱面布置受影響,必須考慮防磨、堵灰及除塵。 </p><p>　　3.煙氣成分的多樣性,使有的煙氣具有腐蝕性。如煙氣中的二氧化硫,煙塵或爐渣中的各

41、種金屬和非金屬元素等都可能對余熱設(shè)備產(chǎn)生低溫或高溫腐蝕和積灰。 </p><p>　　4.受安裝物所固有條件的限制。如有的對鍋爐進(jìn),出煙口標(biāo)高 的限制;有的對鍋爐排煙溫度的限制,使其滿足生產(chǎn)工藝的要 求。</p><p>　　第二章 余熱鍋爐任務(wù)和原理</p><p>　　2.1余熱鍋爐的任務(wù)</p><p>　　余熱鍋爐是利用生產(chǎn)過程中的氣

42、體或廢氣、廢液，以及某些動力機械排氣的熱量產(chǎn)生蒸汽或熱水的鍋爐。和常規(guī)鍋爐不同，余熱鍋爐中不發(fā)生燃燒過程，也沒有燃燒相關(guān)的設(shè)備，從本質(zhì)上講，它只是一個燃?xì)狻?蒸汽的換熱器。</p><p>　　在燃?xì)廨啓C內(nèi)做功后排出的燃?xì)?，仍具有比較高的溫度，一般在540℃左右，利用這部分氣體的熱能，可以提高整個裝置的熱效率。通常是利用此熱量加熱水，使水變成蒸汽。蒸汽可以用來推動蒸汽輪機發(fā)電機，也可用于生產(chǎn)過程的加熱或供生活取

43、暖用。對于稠油的油田可以用蒸汽直接注入油井中，以提高采油量。根據(jù)不同的蒸汽用途，要求有相應(yīng)的蒸汽壓力和蒸汽溫度，也就需要不同參數(shù)的產(chǎn)汽設(shè)備。利用燃?xì)廨啓C排氣的熱量來產(chǎn)汽的設(shè)備，稱為“熱回收蒸汽發(fā)生器”，表明回收了排氣的熱量，用英文字母HRSG來表示。我國習(xí)慣上稱為“余熱鍋爐”，本文也采用“余熱鍋爐”的名稱，并把燃?xì)廨啓C的排氣簡稱為“煙氣”。</p><p>　　“余熱鍋爐”通常是沒有燃燒器的，如果需要高壓高溫的蒸

44、汽，可以在“余熱鍋爐”內(nèi)裝一個附加燃燒器。通過燃料的燃燒使整個煙氣溫度升高，能夠產(chǎn)生高參數(shù)的蒸汽。例如某余熱鍋爐不裝燃燒器時，入口煙氣溫度為500℃，裝設(shè)附加燃燒器后，可使入口煙氣溫度達(dá)到756℃。蒸汽的壓力可以從4MPa升到10MPa，蒸汽的溫度可以從450℃升到510℃，蒸汽可以供高溫高壓汽輪機用，從而增加了電功率輸出。目前我國油田進(jìn)口的余熱鍋爐的蒸汽參數(shù)有：4MPa配450℃及1.4MPa配195℃（飽和蒸汽）。前者供給中壓汽輪機

45、來發(fā)電，后者可以供生產(chǎn)或供生活取暖用。</p><p>　　2.2余熱鍋爐的工作原理</p><p>　　燃燒設(shè)備出來的高溫?zé)煔饨?jīng)煙道輸送至余熱鍋爐入口，再流經(jīng)過熱器、蒸發(fā)器和省煤器，最后經(jīng)煙囪排入大氣，排煙溫度一般為 150～180℃，煙氣溫度從高溫降到排煙溫度所釋放出的熱量用來使水變成蒸汽。鍋爐給水首先進(jìn)入省煤器，水在省煤器內(nèi)吸收熱量升溫到略低于汽包壓力下的飽和溫度進(jìn)入鍋筒。進(jìn)入鍋筒的

46、水與鍋筒內(nèi)的飽和水混合后，沿鍋筒下方的下降管進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量開始產(chǎn)汽，通常是只用一部分水變成汽，所以在蒸汽器內(nèi)流動的是汽水混合物。汽水混合物離開蒸發(fā)器進(jìn)入上部鍋筒通過汽水分離設(shè)備分離，水落到鍋筒內(nèi)水空間進(jìn)入下降管繼續(xù)吸熱產(chǎn)汽，而蒸汽從鍋筒上部進(jìn)入過熱器，吸收熱量使飽和蒸汽變成過熱蒸汽。根據(jù)產(chǎn)汽過程的三個階段對應(yīng)三個受熱面，即省煤器、蒸發(fā)器和過熱器，如果不需要過熱蒸汽，只需要飽和蒸汽，可以不裝過熱器。當(dāng)有再熱蒸汽時，則可加設(shè)再熱器。如下

47、圖所示：</p><p>　　由上圖可看出，余熱鍋爐是一個多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜控制對象。 </p><p>　　第三章氣泡水位特性及控制</p><p>　　3.1 鍋爐汽包水位的特性</p><p>　　鍋爐汽包水位自動調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內(nèi)。</p><p&

48、gt;　　維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標(biāo)之一。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)

49、重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。汽包水位不僅受汽包中儲水量的影響，亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與鍋爐的負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù)荷等有關(guān)。因此，影響水位變化的因素很多，其中主要是鍋爐蒸發(fā)量即蒸汽流量和給水流量。</p><p>　　綜上，引起水位變化的主要擾動是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。</p><

50、;p>　　3.1.1 汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性</p><p>　　給水量是鍋爐的輸入量，如果蒸汽負(fù)荷不變，那么在給水流量產(chǎn)生變化時，汽包水位的運動方程式可以表示為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p><b>　　經(jīng)拉氏變換后可得:</b></p><p&g

51、t;<b>　　(3-2)</b></p><p>　　從式(3-2)，可以方便地得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　(3-3) </p><p>　　對于中壓鍋爐，上式中TW的數(shù)值很小，常?？梢院雎圆挥嫞虼耸?3-3)可以進(jìn)一步改寫為：</p><p>

52、;　　(3-4) </p><p>　　其中 --反應(yīng)速度，即給水流量改變單位流量時水位的變化速度，單位為毫米／秒·(噸／小時)。</p><p>　　從式(3-4)可知，汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性為一個積分環(huán)節(jié)和一個一階滯后環(huán)節(jié)所組成,ε、T2的數(shù)值可通過實驗測試求得，數(shù)值的大小同鍋爐的結(jié)構(gòu)有關(guān)。有些鍋爐當(dāng)給水量增加時，在較長的一段時間里，汽包水

53、位并不增加，有一較長的起始慣性段，對于這種鍋爐用式(3-4)來表示它的動態(tài)待性，誤差較大，這時可選用下面(3-5)式近似計算：</p><p>　　(3-5) </p><p>　　τ----給水量擾動下的純滯后時間，對于非沸騰式省煤器的鍋爐，τ為0-100秒，對于沸騰式省煤器的鍋爐，τ＝100-200秒；Ta=1/ε----水位的反應(yīng)時間，它也與鍋爐結(jié)構(gòu)有關(guān)。</p>

54、<p>　　反應(yīng)速度ε及反應(yīng)時間Ta都用相對量來表示：ε定義為：當(dāng)擾動量為100%(從滿負(fù)荷突然變化到零)，水位(以允許變化的范圍為100%)的變化速度，單位為每秒。Ta定義為：擾動量為100%，水位變化100%所經(jīng)歷的時間，單位為秒，例如：一臺230噸／小時的鍋爐，假設(shè)汽包的正常水位力200毫米，水位的反應(yīng)時間Ta為30鈔。這就是說，當(dāng)鍋爐在滿負(fù)荷運行時，如果突然停止供水，則由于出汽和進(jìn)水流量的不平衡，水位將等速度下降，

55、30秒鐘下降200毫米，如果給水量減少10%(23噸／小時)，則將在30秒鐘水位下降20毫米。如果用反</p><p>　　應(yīng)速度ε表示，則當(dāng)對于中壓多汽包鍋爐，Ta為300秒；一般中壓鍋爐，Ta＝30-100秒；高壓鍋爐Ta＜30秒。</p><p>　　圖3-1給水量擾動下的水位飛升曲線</p><p>　　根據(jù)式(3-5)在階躍輸入下作給水?dāng)_動(假定在一定范圍

56、內(nèi)汽包的橫截面積不變，或變化不大)?？梢缘玫饺鐖D3-1所示的反應(yīng)曲線。由曲線可知：當(dāng)突然加大給水量后(這時假定蒸汽量不變)，給水量大于蒸發(fā)量，但汽包水位一開始并不立即增加，而呈現(xiàn)出一段起始慣性段，這是因為溫度較低時更多的給水進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)，它從原有飽和汽水中吸取一部分熱量，汽包和汽水管路中由于熱量的“損失”汽泡體積減少。進(jìn)入省煤器的給水，首先必須填補由于汽水管路中汽泡減少所讓出的空間，這時，雖然給水量增加，但水位基本不變。當(dāng)水面下汽泡容

57、積變化過程逐漸平靜時，汽包水位才由于貯水量的增加而逐漸上升。當(dāng)水面下汽泡容積不再變化、完全穩(wěn)定下來時，水位變化就隨著貯水量的增加而直線上升。對于采用沸騰式省煤器的鍋爐，給水作用下的慣性段要比上述情況嚴(yán)重得多，甚至還可能出現(xiàn)“假水位”現(xiàn)象，在這種情況下，水位變化的特性應(yīng)該采用如下傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　式中：

58、 </p><p>　　圖3-2采用沸騰式省煤器給水作用下的水位飛升曲線</p><p>　　圖3-2是給水作用下汽包水位的反應(yīng)曲線。Hl是只考慮物料不平衡，即給水量大于蒸發(fā)量而產(chǎn)生的上升曲線，它由式(3-6)的1／Ta這一項所確定，其特性表現(xiàn)為積分環(huán)節(jié)，無自平衡能力；H2是由于給水量增加，蒸發(fā)面以下汽泡容積的變化引起的。H是由H1(t)為H2

59、(t)迭加而成的．它的特性實際上是兩個環(huán)節(jié)的并聯(lián)。</p><p>　　3.1.2 汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性</p><p>　　汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性，可以直接從式(3-2)導(dǎo)出(假定給水量不變)：</p><p>　　(3-7) </p><p><b>　　拉氏變換后可得：</b>&

60、lt;/p><p><b>　　(3-8) </b></p><p><b>　　則：</b></p><p>　　(3-9) </p><p>　　上式可以用兩個動態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)來等效，即：</p><p>　　(3-10) </p><p

61、>　　其中 , </p><p>　　圖3-3蒸汽流量擾動下時的水位飛升曲線</p><p>　　在蒸汽流量擾動下水位的階躍反應(yīng)曲線如圖3-3所示。對大部分調(diào)節(jié)對象而言，平衡受到破壞的主要影響因素是系統(tǒng)中物料或能量的不平衡。鍋爐汽包水位對象，除上述對象具有的特性以外．還有它特有的性質(zhì)。當(dāng)負(fù)荷設(shè)備的用汽量突然增加△D(假定供熱量及時跟

62、上)，單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發(fā)量大于給水量，汽包水位應(yīng)如圖3-3中H1所示，相當(dāng)于式(3-10)中的1／Ta這一項，是直線下降的。但是實際水位不是H1而是H，在擾動的初始瞬間水位不但沒有下降而且是上升的。這是由于鍋爐汽包蒸發(fā)面以下和水管系統(tǒng)中蒸汽容積隨負(fù)荷的變化而改變所致。在蒸發(fā)面下的水中有蒸汽存在，是由于蒸發(fā)過程的連續(xù)性，在蒸汽向汽水分界面移動的過程中，會有一部分蒸汽在某一段時間內(nèi)處于水中．在一定負(fù)荷和一定壓力下，蒸汽發(fā)生量與蒸

63、發(fā)面以下蒸汽含量之間有一個確定的對應(yīng)關(guān)系，蒸發(fā)面以下的蒸汽容積可以用下式表示：</p><p>　　(3-11) </p><p>　　式中，Vs----蒸發(fā)面以下的蒸汽容積；</p><p>　　k----比例系數(shù)，隨負(fù)荷不同而異；</p><p>　　W1----汽化強度；</p><p>　　γ--

64、--飽和蒸汽重度；</p><p>　　τ----汽泡在水中平均停留時間。</p><p>　　當(dāng)蒸汽流量D階躍增加時，汽包中壓力減小，汽水循環(huán)管路中水的汽化強度W1加，蒸發(fā)面以下蒸汽容積VS增加。汽泡體積膨脹而使水位變化的曲線如圖3-3中H2所示，實際水位變化曲線H就是H1和H2的迭加。</p><p>　　從圖中可以看出，當(dāng)蒸汽量變化時，汽包水位的變化具有特殊的

65、形式，負(fù)荷階躍增大時，汽水混合物中蒸汽的容積迅速增加。此時雖然蒸發(fā)量大于給水量，但水位不僅不下降，反而迅速上升。這種特殊現(xiàn)象稱為“虛假水位”。當(dāng)汽水混合物中汽泡容積與負(fù)荷相適應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定后，水位才反映出物料的不平衡，開始下降。</p><p>　　應(yīng)該指出，當(dāng)負(fù)荷階躍改變時，水面下汽泡容積變化引起的水位變化是很快的，圖3-3中H2的時間常數(shù)只有10-20秒。由于“假水位”而出現(xiàn)的水位最大偏差很難依靠調(diào)節(jié)來克服，如果

66、要求水位波動不能太大，只有限制負(fù)荷D的變化速度或限制負(fù)荷一次變化量?！疤摷偎弧弊兓姆扰c鍋爐的汽壓與蒸汽量有關(guān)，對于—般100-230噸／小時的中高壓鍋爐．加負(fù)荷階躍變化10%時，“虛假水位”現(xiàn)象可使水位變化達(dá)30-40毫米。從以上動態(tài)特性分析中可以得到如下結(jié)論：</p><p>　　(1)汽包水位調(diào)節(jié)對象在給水量作用下，具有純遲延和慣性，無自衡能力。具體特性可用三種形式來描述，究竟采用何種形式，可根據(jù)鍋爐結(jié)

67、構(gòu)和汽化強度來定。</p><p>　　(2)汽包水位調(diào)節(jié)對象在蒸汽流量擾動下，非但沒有自平衡能力，而且存在著“假水位”現(xiàn)象,“假水位”的變化速度很快，變化幅度與蒸發(fā)量擾動大小成正比．也與壓力變化速度成正比，在設(shè)計調(diào)節(jié)系統(tǒng)時必須考慮。</p><p><b>　　3.2汽包水位調(diào)節(jié)</b></p><p>　　一、單沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)</p

68、><p>　　單沖量水位自動調(diào)節(jié)如圖3-4所示。它是汽包水位自動調(diào)節(jié)中最簡單、最基本的一種形式。水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，水位調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測量值與給定值的偏差去控制給水閥門，改變給水量來保持汽包水位在允許的操作范圍內(nèi)。</p><p>　　圖3-4單沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)</p><p>　　從單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性看，單沖量調(diào)節(jié)器宜選用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，如選用純比

69、例調(diào)節(jié)則：</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p>　　式中h----汽包水位；</p><p>　　H0----水位的給定值；</p><p>　　δ----調(diào)節(jié)器比例度；</p><p>　　u----調(diào)節(jié)閥開度。</p><p>　　單沖量汽

70、包水位調(diào)節(jié)存在著一些缺點，主要有(1)這種調(diào)節(jié)方案只根據(jù)水位調(diào)節(jié)給水量，在負(fù)荷變化時，由于“虛假水位”現(xiàn)象，在調(diào)節(jié)過程一開始，給水量的變化將與負(fù)荷變化的方向相反，擴大了進(jìn)出流量的不平衡。(2)從給水?dāng)_動下水位變化的動態(tài)特性可以估計到，當(dāng)水位已經(jīng)偏離給定值后再調(diào)節(jié)給水量，因給水量改變后要經(jīng)過一定遲延時間τ才能影響到水位，因此必將導(dǎo)致水位波動幅度大、調(diào)節(jié)時間長。</p><p>　　二、雙沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)</p

71、><p>　　對于存在擾動的系統(tǒng),可以直接按照擾動進(jìn)行控制,稱作前饋控制,在理論上,它可以消除擾動引起的偏差。在汽包水位雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中引入蒸汽流量為前饋信號，構(gòu)成如圖3-5所示的雙沖量水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點是：(1)引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”對調(diào)節(jié)的不良影響，當(dāng)蒸汽量變化時，就有一個使給水量與蒸汽量同方向變化的信號，可以減小或抵消由于“虛假水位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的誤動作

72、，使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向移動。因而大大減小了給水量和水位的波動，縮短了過渡過程的時間。(2)引入了蒸汽流量前饋信號，能夠改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量如調(diào)節(jié)器選用純比例調(diào)節(jié)規(guī)律。則：</p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　圖3-5汽包水位雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　其中：

73、</b></p><p>　　: ----靜態(tài)前饋系數(shù);</p><p>　　D----蒸汽流量。</p><p>　　在加有前饋控制的系統(tǒng)中，一旦出現(xiàn)擾動，前饋調(diào)節(jié)器就直接根據(jù)擾動的大小和方向，按照前饋調(diào)節(jié)規(guī)律，補償擾動對被控量的影響。由于慣性和純滯后，擾動作用到系統(tǒng)上，被控量尚未發(fā)生變化，前饋調(diào)節(jié)器就進(jìn)行了了補償，可以使被控量不會因擾動作用而產(chǎn)生

74、偏差。</p><p>　　雙沖量調(diào)節(jié)存在的問題是：調(diào)節(jié)作用不能及時反映給水側(cè)的擾動．當(dāng)給水量擾動時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時，不宜采用雙沖量調(diào)節(jié)。</p><p>　　三、三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)</p><p>　　近代鍋爐都向大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，一般講鍋爐容量越大，汽包的容水量相對就越小，允許波動

75、的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在10-30秒內(nèi)就會發(fā)生危險水位，如僅是給水量與蒸發(fā)量不相適應(yīng)，在一分鐘到幾分鐘內(nèi)也將發(fā)生缺水或滿水事故。這樣對水位控制要求就更高了。鍋爐給水量在運行中經(jīng)常會有自發(fā)性的變化，當(dāng)幾臺鍋爐并列運行時,還可能發(fā)生幾臺鍋爐的水位調(diào)節(jié)互相干擾的現(xiàn)象。當(dāng)某一臺鍋爐負(fù)荷和給水量改變時，引起給水母管壓力波動，而使其它鍋爐的給水量受到擾動。在雙沖量水位調(diào)節(jié)中,對于給水量這種自發(fā)變化不能及時反映出來，要經(jīng)過一定的遲延時間τ

76、之后，給水量的擾動才能通過汽包水位的變化而被發(fā)覺，此后在克服擾動時，幾臺鍋爐的水位調(diào)節(jié)又互相影響，使得調(diào)節(jié)過程非常復(fù)雜。</p><p>　　針對上述情況，為了把水位控制穩(wěn)定，鍋爐水位調(diào)節(jié)常輔助有蒸汽流量和給水流量動態(tài)補償，由水位H、蒸汽流量D和給水流量W組成了三沖量汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖3-6所示。在這個系統(tǒng)里，汽包水位H是被調(diào)量，是主沖量信號，蒸汽流量D、給水流量W是兩個輔助沖量信號。D、W引入系統(tǒng)的符號，根

77、據(jù)各自信號的增減對水位H的影響來定。如蒸汽流量D，當(dāng)D＞W(wǎng)時，水位H降低，要使水位H不變就必須在原有給定值上加上由于蒸汽流量加大而引起水位下降的值,所以D引入系統(tǒng)的符號為“+”。H、W引入系統(tǒng)的符號可用同樣的方法來確定。由于三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)抗干擾能力和調(diào)節(jié)品質(zhì)都比單沖量、雙沖量調(diào)節(jié)要好，因此應(yīng)用也最多。</p><p>　　圖3-9是三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理圖。從方塊圖上可以看出，這個系統(tǒng)有兩個閉合回路；(1)是由

78、給水流量W、給水分流器αw、調(diào)節(jié)器Gc、調(diào)節(jié)閥Kv組成的內(nèi)回路.(2)由水位調(diào)節(jié)對象Go1和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量D、分流器αD、對象GF2均在閉合回路之外它的引入可以改善調(diào)節(jié)質(zhì)量，但不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量調(diào)節(jié)的實質(zhì)是前饋加反饋的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。</p><p>　　圖3-10三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖</p><p>　　在這個系統(tǒng)里，內(nèi)回路相當(dāng)于串級調(diào)節(jié)的副環(huán)，當(dāng)給水流量

79、產(chǎn)生擾動時(給水流量的擾動也稱內(nèi)擾)，由于副回路的快速調(diào)節(jié)作用，將對水位影響較小。在分析內(nèi)回路時可認(rèn)為主回路是開路，內(nèi)回路是一個隨動系統(tǒng)。</p><p>　　第四章 余熱鍋爐水位控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計</p><p>　　4 .1 控制系統(tǒng)設(shè)計思想和總體方案</p><p>　　在余熱鍋爐水位控制系統(tǒng)的設(shè)計中，控制系統(tǒng)需要完成三個組成部分的過程參數(shù)檢測以實現(xiàn)水位的

80、自動控制。同時，為了解決大型工業(yè)企業(yè)集中控制方式實時性較差、數(shù)據(jù)處理及傳輸慢，不能適時對生產(chǎn)做出控制決策等缺點。控制系統(tǒng)還需要能夠在計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的控制和管理。</p><p>　　余熱鍋爐水位控制系統(tǒng)如果采用常規(guī)儀表進(jìn)行控制，不僅系統(tǒng)所用的儀表沒備多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實施及調(diào)試難度大，難以保證系統(tǒng)的可靠性，而且難與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實時監(jiān)控和適時決策仍然未能實現(xiàn)。</p><

81、p>　　近年來，隨著可編程控制器技術(shù)的不斷發(fā)展完善，其可靠性高、組態(tài)靈活、編程簡易、系統(tǒng)設(shè)計安裝和調(diào)試周期短的優(yōu)點，為實現(xiàn)鍋爐水位控制的設(shè)計、調(diào)試提供了有利條件。同時，由于組態(tài)后的控制系統(tǒng)易于通訊，解決了生產(chǎn)過程統(tǒng)一調(diào)度的難題。因此，在考察原有設(shè)備、儀表和生產(chǎn)條件后，設(shè)計并開發(fā)一套基于PLC控制的汽包水位控制系統(tǒng)。針對圖4-1余熱鍋爐的實際運行情況和特點，控制系統(tǒng)采用了兩層結(jié)構(gòu)，即上位機監(jiān)控和PLC控制系統(tǒng)。</p>

82、<p>　　其中，上位機負(fù)責(zé)接收來自管理層的生產(chǎn)計劃和調(diào)度命令，完成整個生產(chǎn)過程的調(diào)度與監(jiān)控，并對實時數(shù)據(jù)和歷史曲線進(jìn)行統(tǒng)計和分析，形成相應(yīng)的報表。PLC控制系統(tǒng)在線采集生產(chǎn)過程參數(shù)及設(shè)備運行狀態(tài)，根據(jù)各執(zhí)行機構(gòu)的信號，控制生產(chǎn)現(xiàn)場的各個相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)運行。</p><p>　　控制系統(tǒng)采用可編程控制器結(jié)合上位機監(jiān)控的設(shè)計方案，所有的模擬量經(jīng)采集過以后都轉(zhuǎn)化成整型數(shù)進(jìn)行處理，開方器、加法器、阻尼器和分

83、流器都可以通過程序計算實現(xiàn)，節(jié)約了大量的硬件成本。</p><p>　　本論文的主要研究內(nèi)容是余熱鍋爐控制子站，包括PLC和工控機兩個部分。余熱鍋爐控制站和其它子站之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，各子系統(tǒng)的并網(wǎng)和單個系統(tǒng)切斷互相不受影響，使全套系統(tǒng)的安全性得到充分保證。</p><p>　　4．2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和功能</p><p>　　在余熱鍋爐生產(chǎn)過程中，底層設(shè)備的檢

84、測值直接送入PLC進(jìn)行監(jiān)視與控制。工控機通過總線與PLC通訊，以獲取生產(chǎn)過程的各項參數(shù)，同時將人工決策和控制單元參數(shù)傳送至PLC相對的存儲單元，通過PLC的輸出實現(xiàn)汽包水位的控制?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1余熱鍋爐控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　通過性能、價格的對比分析，本控制系統(tǒng)選用了美國通用電氣公司生產(chǎn)的西門子S7-300PLC系列PL

85、C和DELL工控機。它們的特點、功能簡介如下：</p><p><b>　　1．DELL工控機</b></p><p>　　本控制系統(tǒng)所選用的是DELL工控機，此類機型性能穩(wěn)定、可靠性高，廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)現(xiàn)場。同時，它帶有8個擴充插槽，具有高穩(wěn)定和豐富的擴展能力，有利于控制系統(tǒng)的擴充和升級。能夠充分滿足控制系統(tǒng)的運行需要，并具備了升級的潛力。</p>

86、<p>　　2．西門子S7-300PLC</p><p>　　PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。</p>

87、;<p>　?。ㄒ唬㏄LC的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，如下圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2 PLC硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　1、中央處理器（CPU）</p><p>　　中央處理單元（CPU）是PLC 的控制中樞。它按照PLC 系統(tǒng)程序

88、賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)：檢查電源、存儲器、I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤，當(dāng)PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相

89、應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。</p><p>　　為了進(jìn)一步提高PLC 的可靠性，靈活性，近年來對大型PLC 還采用雙CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。</p><p>　　2、存儲器（Memory）</p><p>　　可編程控制器的控制中樞，在系統(tǒng)監(jiān)控下工作，承擔(dān)著將外部輸入的

90、信號的狀態(tài)寫入映像寄存器區(qū)域，然后將結(jié)果送到輸出映像寄存器區(qū)域。CPU常用的微處理器有通用型微處理器，單片機和位片式計算機等。小型PLC的CPU多采用單片機或?qū)Ｓ玫腃PU。大型PLC的CPU多用位片式結(jié)構(gòu)，具有高速數(shù)據(jù)處理能力。</p><p>　　3、基本I/O接口電路</p><p>　　（1）輸入接口單元。PLC內(nèi)部輸入電路作用是將PLC外部電路（如行程開關(guān)、按鈕、傳感器等）提供的、

91、符合PLC輸入電路要求的電壓信號，通過光耦電路送至PLC內(nèi)部電路。輸入電路通常以光電隔離和阻容濾波的方式提高抗干擾能力，輸入響應(yīng)時間一般在0.1~15ms之間。多數(shù)PLC的輸入接口單元都相同，通常有兩種類型。一種是直流輸入，一種是交流輸入。</p><p>　?。?）輸出接口單元。PLC輸出電路用來將CPU運算的結(jié)果變換成一定形式的功率輸出，驅(qū)動被控負(fù)載（電磁鐵、繼電器、接觸器線圈等）。PLC輸出電路結(jié)構(gòu)形式分為

92、繼電器式、晶閘管式和晶體管輸出型等三種。</p><p>　　在繼電器式輸出中，CPU可以根據(jù)程序執(zhí)行的結(jié)果，使PLC內(nèi)設(shè)繼電器線圈通電，帶動觸點閉合，通過繼電器閉和的觸點，由外部電源驅(qū)動交、直流負(fù)載。優(yōu)點是過載能力強，交、直流負(fù)載皆宜。但存在動作速度較慢，且為有觸點系統(tǒng)，使用壽命有限等問題。</p><p>　　雙向晶閘管和晶體管輸出型輸出分別具有驅(qū)動交、直流負(fù)載的能力。晶閘管輸出型CP

93、U通過光耦電路的驅(qū)動，使雙向晶閘管通斷，可以驅(qū)動交流負(fù)載；晶體管輸出型CPU通過光耦電路的驅(qū)動，使雙晶體管通斷，驅(qū)動直流負(fù)載。優(yōu)點是兩者均為無觸點開關(guān)系統(tǒng)，不存在電弧現(xiàn)象，而且開關(guān)速度快，缺點是半導(dǎo)體器件的過載能力差。以上列舉了六類輸入和輸出電路形式，各類PLC產(chǎn)品的輸入、輸出電路結(jié)構(gòu)形式均有所不同，但光耦隔離及阻容濾波等抗干擾措施是相似的。</p><p>　　根據(jù)輸入、輸出電路的結(jié)構(gòu)形式不同，I/O借口又可以

94、分為開關(guān)量I/O和模擬量I/O兩大類。其中模擬量I/O要經(jīng)過A/D，D/A轉(zhuǎn)換電路的處理，轉(zhuǎn)換成計算機系統(tǒng)所能識別的數(shù)字信號，在整體機構(gòu)的PLC中，有開關(guān)量的交，直流I/O模塊，和模擬量I/O模塊及各種智能I/O模塊可供選擇。PLC輸入電路和輸出電路各種不同結(jié)構(gòu)形式能夠適應(yīng)各不同負(fù)載的要求。</p><p><b>　　4、接口電路</b></p><p>　　PLC

95、接口電路分為I/O擴展接口電路和外設(shè)通信接口電路兩類</p><p>　?。?）I/O擴接口電路</p><p>　　I/O擴展接口電路用連接I/O擴展單元，可以用來擴充開關(guān)量I/O點數(shù)和增加模擬量的I/O端子。I/O擴展接口電路采用并行接口和串行接口兩種電路形式。</p><p>　　根據(jù)被控制對象對PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)和要求，確定用戶所需的輸入、輸出設(shè)備，據(jù)此確

96、定PLC的I/O點數(shù)。</p><p>　　（2）外設(shè)通信接口電路</p><p>　　通信接口電路用于連接手持編程器或其他圖形編程器、文本顯示器，并能組成PLC的控制網(wǎng)絡(luò)。PLC通過PC/PPI電纜或使用MPI卡通過RS-485接口和電纜與計算機連接，可以實現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)等功能。</p><p><b>　　5、電源</b></p&

97、gt;<p>　　PLC內(nèi)部配有一個專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流/直流供電電源轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部電源需要的工作電源（5V直流）。當(dāng)輸入端子為非干接點結(jié)構(gòu)時，為外部輸入元件提供24V直流電源（僅供輸入點使用）。</p><p><b>　?。ǘ㏄LC特點</b></p><p><b>　　1、軟硬件功能強</b></p>

98、<p>　　PLC的功能非常強大，其內(nèi)部具備很多功能，如時序、計數(shù)器、主控繼電器、移位寄存器及中間寄存器等，能夠方便地實現(xiàn)延時、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)和強制I/O等功能。PLC不僅可進(jìn)行邏輯運算，算術(shù)運算，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及順序控制，還可實現(xiàn)模擬運算、顯示、監(jiān)控、打印及報表生成等功能，并具有完善的輸入輸出系統(tǒng)。PLC能夠適應(yīng)各種形式的開關(guān)量和模擬量的輸入控制、輸出控制，還可以和其他計算機系統(tǒng)、控制設(shè)備共同組成分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)成組數(shù)據(jù)

99、傳送、矩陣運算、閉環(huán)控制、排序與查表、函數(shù)運算及快速中斷等功能。PLC的編程語言豐富，它可以分為梯形圖語言、邏輯功能語言、指令表、和順序功能四種。特別是梯形圖語言，它直觀、方便，我們只要有了通常的繼電接觸器電路圖、邏輯圖或邏輯方程，就等于它有了PLC系統(tǒng)的用戶程序，很適合電器工程技術(shù)人員操作和使用。</p><p><b>　　2、使用維護方便</b></p><p>

100、;　　PLC不需要像用計算機控制那樣在輸入輸出接口上做大量的工作。PLC的輸入接口和輸出接口是已經(jīng)按不同需求做好的，可直接與控制現(xiàn)場的設(shè)備相連的接口。如輸入借口可以與各種開關(guān)、傳感器連接；輸出接口具有較強的驅(qū)動能力，可以直接與繼電器、接觸器、電磁閥等連接。不論是輸入接口或輸出接口，使用都很簡單。PLC具有很強的監(jiān)控功能，利用編程器、監(jiān)視器或觸摸屏等人機界面可對PLC的遠(yuǎn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。</p><p><b

101、>　　3、運行穩(wěn)定可靠</b></p><p>　　由于PLC采用了微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動作有無觸點的半導(dǎo)體電路來完成，同時還采用了屏蔽，濾波，隔離等抗干擾措施，所以其平均無故障時間在2萬小時以上。特別是在制造工藝上加強了抗干擾措施，例如輸入輸出都采用光電隔離，能有效的隔離PLC內(nèi)部電路與輸入輸出電路之間的聯(lián)系，從而避免了有輸入輸出通道串入的干擾信號引起的誤動作。PLC還采用屏蔽，輸入延時濾波

102、等軟、硬件措施，有效的防止空間電磁干擾，特別多高頻傳導(dǎo)干擾信號具有良好的抑制作用。所以這一切措施，都有效的保證了PLC在惡劣的工作環(huán)境下能正常地遠(yuǎn)行。</p><p><b>　　4、組織靈活</b></p><p>　　可編程控制器品種很多,小型PLC為整體結(jié)構(gòu)，并外接I/O擴展機箱構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)。中大型PLC采用分體模塊式結(jié)構(gòu)，設(shè)有各種專有功能模塊（開關(guān)量、模

103、擬量輸入/輸出模塊、位控模塊、伺服、步進(jìn)驅(qū)動模塊等）供選用和組合，由各種模塊組成大小和要求不同的控制系統(tǒng)。外部控制電路雖然仍為硬接線系統(tǒng)，但當(dāng)受控對象的控制要求改變時，可以在線使用編程器進(jìn)行修改用戶程序來滿足新的控制要求，最大限度地縮短工藝更新所需要的時間。</p><p>　　西門子S7-300PLC是西門子公司的產(chǎn)品之一，它屬于模塊化中小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用，大范圍的各種功能模塊可以非常好地

104、滿足和適應(yīng)自動控制任務(wù)，由于簡單實用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活方便用戶和簡易的無風(fēng)扇設(shè)計當(dāng)控制任務(wù)增加時，可自由擴展由于大范圍的集成功能使得它功能非常強勁應(yīng)用。</p><p><b>　　其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：</b></p><p>　　1.中央處理單元(CPU)：各種CPU有不同的性能，例如，有的CPU上集成有PROFIBUS—DP通訊接口等。&l

105、t;/p><p>　　2.信號模塊(SM)：用于數(shù)字量和模擬量輸入／輸出。</p><p>　　3.通訊處理器(CP)：用于連接網(wǎng)絡(luò)和點對點連接。</p><p>　　4.功能模塊(FM)：用于高速計數(shù)，定位操作(開環(huán)或閉環(huán)定位)和閉環(huán)控制。</p><p>　　5.負(fù)載電源模塊(PS)：用于將SIMATICS7—300連接到120／230V交流

106、電源，或24／48／60／110V直流電源。</p><p>　　6.接口模塊(1M)：用于多機架配置時連接主機架(CR)和擴展機架(ER)。</p><p>　　S7—300通過分布式的主機架(CR)和3個擴展機架(ER)，可以操作多達(dá)32個模塊。運行時無需風(fēng)扇。</p><p>　　西門子S7-300PLC有如下特色：</p><p>　

107、　1．方便的人機界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300 操作系統(tǒng)內(nèi)。因此人機對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機界面(HMI)從S7-300中要求數(shù)據(jù)，S7-300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送。</p><p>　　2．SIMATIC S7-300具有多種不同的通訊接口： </p><p>　　①多種通訊處理器用來連接AS-I接口、PROFIBU

108、S 和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng) </p><p>　?、谕ㄓ嵦幚砥饔脕磉B接點到點的通訊系統(tǒng) </p><p>　?、鄱帱c接口(MPI) 集成在CPU中，用于同時連接編程器、PC機、人機界面系統(tǒng)及其他SIMATIC S7/M7/C7等自動化控制系統(tǒng)。這是一個經(jīng)濟而有效的解決方案；方便用戶的step7的用戶界面提供了通訊組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。</p><p>　

109、　3．CPU 支持下列通訊類型：</p><p><b>　?、?過程通訊</b></p><p>　　通過總線(AS-I或PROFI- BUS)對I/O模塊周期尋址(過程映象交換) ② 數(shù)據(jù)通訊</p><p>　　在自動控制系統(tǒng)之間或人機界面(HMI)和幾個自動控制系統(tǒng)之間，數(shù)據(jù)通訊會周期地進(jìn)行或被用戶程序或功能塊調(diào)用。</p>