1、I摘 要近年来电力工业发展迅速，以及能源环保的要求，越来越多的大容量发电机组开始参与调峰运行。锅炉给水泵是火电厂的重要辅机之一，也是电厂的耗能大户，因而给水泵控制系统的先进性直接影响到电厂运行的安全性，研究锅炉给水泵的控制系统具有一定的实用价值。本文是针对蒸汽锅炉而设计的。由变频器、PLC,PID 调节器组成控制系统，调节水泵的给水流量和出水口压力。电动机泵组由两台水泵并联而成，由变频器供电，根据蒸汽锅炉水位变化来控制变频器电动机泵组的速度和切换，使系统运行在最合理状态，保证锅炉水位的稳定。本文介绍了采用 PLC 控制的变频调速供水系统，由 PLC 进行逻辑控制，由变频器进行流量和水位调节。在
2、经过 PID 运算，通过 PLC 控制变频与工频切换，实现闭环自动调节流量，水位变量供水。运行结果表明，该系统具有水位控制精度高，结构简单，工作可靠等特点。关键词：变频调速；PID 调节；PLC；锅炉给水泵;IIABSTRACTWith the rapid development of electric power industry and the necessary demand in protecting the energy,more and more high-capacity power stations are being put into use of operation.Boi
3、ler-water-pump is not only one of the important auxiliary parts of heat-engine plant,but also the huge energy custom.What is more,the safety operation of the power station directly depends on the advancement of the water-pump control system .The study of boiler-water-pump control system counts much
4、more value.This paper is aimed at designing the reek boiler.The control system that is made up of frequency transformer,PLC and PID is to regulate the out-put flow and the pressure.The motor pump which consists of one shunt-wound water-pumps absorb the energy from the frequency transformer.According
5、 to water level, the motor pump controls the speed and is ready to change when it receives the signal.These make the whole system operates best and ensure the water level is stable.This paper introduces that the frequency-controled water supply system which is controlled by PLC measures the flow and
6、 water level through the frequency transformer.After PID counts,the system will make the closed loop automation come true through PLC controlling the switching frequency conversion to power frequency.The results show that the system which it can be relay on can control the water level accurately and
7、 its structure is simple.Keywords:frequency conversion speed governing;PID regulated;PLC; Boiler-water-pum ; III目 录摘 要 IABSTRACT .II目 录 IIICONTENTS V第 1 章 绪论 .11.1 选题的背景及意义 .11.2 国内外研究动态 21.2.1 PLC 国内外的发展现状 .21.2.2 变频调速技术国内外的发展现状 31.2.3 锅炉给水泵运行方式的国内外研究现状 41.3 变频调速技术在系统中的应用 51.4 本论文的主要工作 7第 2 章 蒸汽锅炉给
8、水泵的控制系统总体设计 .92.1 控制系统的主要功能 92.2 给控制系统的基本控制方案的选择 .112.3 控制系统的基本架构 .14第 3 章 系统的硬件选择和设计 163.1 系统的硬件选型 .163.1.1 PLC 的选型 173.1.2 变频器的选型 .223.1.3 给水泵的选型 .253.1.4 传感器的选型 .253.1.5 触摸屏的选型 .273.2 电气控制系统主电路图 .28IV3.3 PLC 外围接线图 293.4 变频器电路 .33第 4 章 系统控制算法与软件的设计 344.1 控制算法设计及参数工程整定 .344.1.1 数字 PID 算法 .344.1.2 P
9、ID 参数的整定 374.2 控制系统的软件设计 .394.2.1 系统主程序 .394.2.2 系统主要子程序 .414.3 PLC 与触摸屏通信设计 .43第 5 章 抗干扰性分析 475.1 系统中 PLC 干扰信号的种类 .475.2 系统中 PLC 的抗干扰设计 .485.2.1 电源系统的抗干扰设计 .485.2.2 接地系统的抗干扰设计 .495.2.3 输入输出电路的抗干扰设计 .505.2.4 外部配线的抗干扰设计 .535.2.5 软件抗干扰设计 .545.3 系统中变频器干扰信号的种类 .565.4 系统中变频器的抗干扰设计 .565.5 变频器抗干扰设计的其它注意事项
10、.58第六章 经济与社会效益分析 59总 结 .60致 谢 .61参考文献 .62附 录 .655第 1 章 绪论1.1 选题的背景及意义随着国民经济的不断发展，人们生活水平的不断提高，人们对电能的需求越来越多，由于燃煤火电机组在我国发电行业中一直占据主要地位，火力发电厂的发展更为迅速，到 2005 年底，我国总装机容量达到 5.1 亿千瓦，其中火电约占 3.841 亿千瓦，预计 2010 年全国装机容量会达到 7 亿千瓦，火电机组约5.5 亿千瓦 1。同时，节约能源是我国社会主义建设中实现四个现代化的一项基本国策，也是我国今后长期的战略任务。火力发电在国民用电中占有很大的比重，人们认识到火力
11、发电的重要性。为了实现火电厂的经济，安全，可靠的运行，所以火电厂的自动化和智能化就迫在眉睫了。火力发电厂机组要发电需要在辅机的参与下实现的，各种辅机的运行状况直接影响机组的正常运行，辅机系统的耗能很大。一般来说，火电厂的厂用电约占电厂装机容量的 5%-10%，其中 70%-80%为辅机系统所消耗。锅炉给水泵不仅是是火力发电厂中最重要的辅机之一，而且是火力发电厂的耗能大户。它担负着给锅炉供水的重任，素有“电厂心脏” 的美称，因此给水泵的运行经济性和安全性就显得十分重要了，并且随着机组参数和容量的不断提高，给水泵的单机功率也不断增大，这一方面的问题就显得更为突出了。因此，人们对蒸汽锅炉给水泵的控制
12、系统的要求也越来越高。根据调查,目前国产给水泵普遍存在着与主机不配套，运行工况偏离最佳工况点，耗电大，效率低等问题,不仅严重影响火电厂的经济效益,而且还存在着严重的安全隐患。因此实现蒸汽锅炉给水泵的控制系统的智能化就显得十分必要。通过上面的介绍可以发现，对于大型火力发电厂机组来说，研究锅炉给水泵的运行及控制方案，不但要保证满足给水泵的安全、可靠的运行，而且还要减小给水泵的能耗。实现控制系统的节能减排，这在现代工业设计中有很重要的应用意义。本人通过对 PLC 控制系统和变频技术的研究做了这个项目-基于 PLC 的蒸汽锅炉给水泵的控制系统。1.2 国内外研究动态1.2.1 PLC 国内外的发展现状
13、PLC 是可编程控制器，它是基于一个或者多个微型处理器，用来控制工业机器的专用电子装置。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。6但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用。在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。PLC 凭借这自身显著优点，从 20 世纪 70 年代初开始的 30 年的时间里，PLC 生产已发展成一个巨大的产业，据不完全统计，现在世界上大约有 200 多厂商生产 400 多个品种的 PLC 产品 2。其中美国 PLC 生产厂家超过 100 家，产品约 200 种。其中 A-B 公司为代表，其 PLC-5 系列只使用梯形图，
14、而不采用语句表。在欧洲注册的厂家也有几十家生，产而几十个品种的 PLC 产品。由于美国与欧洲 PLC 技术的形成是在相互隔离的情况下，独自研究开发获得的，所以欧洲的 PLC 产品和美国的 PLC 产品存在着明显的差异。如德国西门子公司的S5 系列 PLC 采用结构化编程的方法，通过 STEPS 语言，调用各种功能模块。在日本有 60-70 家 PLC 厂商，生产 200 多个品种的 PLC 产品，而日本的 PLC技术是从美国引进的，因此，日本的 PLC 产品相对于美国产品，存在一定“ 继承”的痕迹，但日本将自己的 PLC 主推产品定位在小型机上。在小型 PLC 方面，日本在对美国的 PLC 技
15、术继承的同时，更多的是发展，且青出于蓝而胜于蓝日本的微型、小型 PLC 产品相当有特色，其采用梯形图、语句表并重的编程手段，而且配置了包括功能指令在内的功能很强的指令系统。相比之下，美国、欧洲在小型 PLC 产品方面就相对差一些。国内在 PLC 方面，我国从 70 年代中期开始研制 PLC 并于 1977 年，采用美国 Motorola 公司的一位机集成芯片，研制成功了国内第一台有使用价值的PLC。由于 PLC 所用的芯片技术一直掌握在国外公司手中，这制约了自有 PLC品牌的研制开发，因此，国内生产 PLC 的企业大都是引进国外的技术和生产线。许多企业在 PLC 的应用方面进行了积极的探索，目
16、前也有了一定的发展，小型PLC 已批量生产 ;中型 PLC 也有了产品;大型 PLC 已开始研制。国内 PLC 形成产品化的生产企业约 30 多家，如：苏州电子计算机厂、苏州机床电器厂、上海兰星电气有限公司、天津市自动化仪表厂、北京机械工业自动化所等。相对于外国产品我国产品在价格上有明显的优势。1.2.2 变频调速技术国内外的发展现状变频技术是应交流电动机无级调速的需要而诞生的，它是采用电力半导体器件将电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电能的一种静止变流技术 3。变频调速技术的发展是工业上对电动机控制的要求不断的提高而逐步发展起来。它的特点是通用化、系列化和规模化生产。变频器
17、自问世以来引起了国内外电气传动界的普遍关注，现在已成为极具发展潜力的高新技术产品。以变频器为主的构成的现代变频调速系统具有损耗7低、效率高、外部电路简单等显著优点，因此，近年来在电气传动领域得到日益广泛的应用。目前所有变频器几乎都采用二极管整流自关断器件 (GTRIGBT)逆变的交一直一交的电压型 PWM 变频控制方式，输出正弦波电流。最新产品全部采用微机全数字化控制 4。国外，法国阿尔斯通在大功率交一交(循环变流器)变频调速技术方面己能提供单机容量达 3 万 KW 的电气传动设备。意大利 ABB 公司在大功率无换向器电机变频调速技术方面已能提供了单机容量为 6 万 KW 的设备。在高压变频调
18、速技术方面，西门子有高压 IGBT 的三电平大容量变频器和高压 IGCT 的三电平大容量变频器。东芝有低压 IGBT 的多重式、多级串联高压变频器，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士 BJT 变频器最大单机容量可达 700kVA,IGBT 变频器已形成系列产品.国内变频调速技术从总体上看较国际先进水平差距 10-15 年。但是国内研究逆变器型变频器的单位很多，已通过技术鉴定的有长沙矿山研究院、西安整流器研究所、成都科技大学等，功率多在 100kw 以下，这一类矩形波逆变器，如果不采用多元化，输出波形都比较差。1.2.3 锅炉给水泵运行
19、方式的国内外研究现状目前,变频调速技术由于经济节能的特点在给水系统控制方法中得到普遍应用、成为最有发展前景的技术之一。但是将变频技术应用于蒸汽锅炉给水泵的控制系统的设计还较少。在蒸汽锅炉给水泵控制方面国内很多学者做了大量的研究，并取得了一定的成效，但是在经济节能方面还存在一些问题。因此，在未来一段时间里变频调速技术将逐步应用于蒸汽锅炉给水泵的控制系统中，这才是我们以后重点的研究方向。在国外，有很多学者致力于诸如变流量在线测量技术、给水系统中同步电动机调速时转速变化范围的确定、变压变频技术在太阳能离心给水泵控制中的应用等方面的研究。Kuroiwa.M 指出大容量机组中给水阀等引起的压力损失对蒸汽
20、锅炉给水的控制系统的运行状态及可靠性影响的研究是一个重要的发展趋势 5， shengweiwang 与 JohnBurnett 等也进行了冷却水系统中变压变流量在线监测技术的研究 6。国内学者对蒸汽锅炉给水泵控制系统的运行方法也进行了广泛的探讨和研究，但大多侧重于研究其在大型供水和注水泵站的运用 7，在锅炉给水方面，国内所查文献中一般只是讨论几种调速方式如电机调速、液力偶合器调速、小8汽轮机调速等的优缺点，并没有真正研究这种控制方式在锅炉上的应用。对于锅炉给水泵的优化运行，国内学者多集中于从改变变速及定速水泵、串并联水泵的运行台数和流量分配等方面进行整个机组的优化运行，随着电网容量的不断增大，
21、研究变压变流量这种有可能实现最佳节能的控制方式有何大的发展空间。1.3 变频调速技术在系统中的应用变频调速技术以其显著的节能效果、优良的调速性能以及广泛的适用性而得到广泛的应用。变频调速技术涉及到电动机、电力电子技术、微电子技术、信息与控制技术等多个科学领域。在本系统中变频调速技术也得到应用来实现节能的目的。异步电机调速的基本原理基于以下公式：pfn1160(1.1)在公式(1.1)中： 1n-同步转速 (r/min);1f-定子供电电源的频率（Hz ） ；P-磁极对数。一般异步电动机转速 n 与同步转速之间存在一个滑差关系，即)1()1(60sspf(1.2)在公式(1.2)中： n-异步电
22、动机转速（ r/min） ；S-异步电动机转差率。有公式 1.2 可知，可通过改变 、p、s 中的任意一个实现调速，对异步电动机来说最好的方法是通过改变频率 1f来实现调速控制。近几年在国内变频调速技术得到了极大发展。变频调速技术在驱动水泵电动机组中具有良好的节能降耗功效，其节电率很高，因为采用变频调速可通过f9变频改变驱动电动机速度来改变给水泵出口流量。由于流量与转速成正比，而电动机的消耗功率与转速的立方成正比，因此当需水量降低时，电动机转速降低，水泵出口流量减少，电动机的消耗功率大幅度下降，从而达到节约能源的目的。几年内就能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省下来，又由于其具有调速精
23、度高，功率因数高等特点，使用它可以提高出水质量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪声，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。因此，PLC 与交流电机变频调速技术的应用对蒸汽锅炉给水泵控制系统的改善有重大意义。1.4 本论文的主要工作本文是针对目前蒸汽锅炉给水泵的控制系统的现状，结合广大用户对蒸汽锅炉给水泵控制的要求，而设计的基于 PLC 的蒸汽锅炉给水泵的控制系统。本系统将以水位的变化、过热蒸汽的流量和给水泵出口流量作为参量来控制变频器调节给水泵电机的转速，实现对蒸汽锅炉内水位的有效控制，以实现蒸汽锅炉给水泵安全、高效、节能运行的目的。本文的主要研究内容包括：1. 蒸汽锅炉给水泵的
24、控制系统的硬件设计根据蒸汽锅炉给水泵的控制系统的技术要求，提出一个合适的控制方案并且设计出合理的控制电路。再根据设计的控制电路，进行 PLC、变频器和传感器的选型、配置和接线， ，完成整个系统的硬件设计。2. 蒸汽锅炉给水泵的控制系统的软件设计相对于硬件设计软件设计也是不容忽视的一个部分。我们要根据蒸汽锅炉给水泵的控制系统技术要求以及所设计的硬件电路完成 PLC 和显示屏的通信程序设计与编写以及 PLC 与变频器间的通信程序设计与编写。蒸汽锅炉给水泵的控制系统的主程序设计的好坏关系到我们设计的成败，它是整个设计的最重要的部分之一。根据蒸汽锅炉给水泵的控制系统技术要求以及所设计的硬件电路完成供水
25、系统主程序、参数初始化子程序、模拟量模块检查子程序、水位变化和给水泵出口流量变化采样的子程序、变频器模拟输入电压中断程序的设计与编写。3. 系统抗干扰性的分析10系统设计完成后，在工业现场实用之前都要进行抗干扰性分析。本文所设计的系统造价都非常的高并且关系到国民的用电问题，所以进行系统的抗干扰性分析是必要的。在系统的抗干扰性分析中，对一些重要的干扰因素要重点考虑深入分析，把尽可能有的干扰都考虑在内。通过以上工作的完成，我们将完成蒸汽锅炉给水泵的控制系统的设计。它将对当前蒸汽锅炉给水泵的控制系统进行完善，符合当前市场的发展需要。并且本系统在节能减排、提高效益、抗干扰性强等多个方面，本系统都具有重要的理论与实际意义。
