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单回路控制系统在电锅炉中的应用.docx

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.23M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    单回路控制系统在电锅炉中的应用
    1 单片机电锅炉控制系统
    2 电锅炉系统的硬件控制
    2.1 电锅炉水位及蒸汽压力控制系统
    2.2 电锅炉控制系统的其它功能
    3 电锅炉控制系统硬件的组成
    3.1 电锅炉水位控制系统硬件的组成结构
    3.2 电锅炉蒸汽压力控制系统硬件的组成
    4 监控系统的组成
    4.1 lonworksFIO 模块
    4.1.1 LONCPU：LonWorks CPU 控制单元
    4.1.2 FIO-4AO 4 路模拟量输出
    4.2 FIO 模块网络变量
    5 结束语
    参考文献：
    单回路控制系统在电锅炉中的应用 摘要：采用单回路控制系统对电锅炉的水位、蒸汽压力系统进行控制。通过硬件设备的控制， 完成电锅炉的输出功率的调节及给水泵给水量的调节。在水位的控制系统中，主要采用电容 式差压变送器对水位信号进行采集，经由 lonworksFIO-A8I 模块进行 A/D 转换，再由计算机 处理经由 FIO-A4O 输出给变频器，对给水泵进行水位的自动调节。通过电容式差压变送器对 蒸汽压力信号进行采集，同样经由 lonworksFIO-A8I 模块进行 A/D 转换，再由计算机处理经 由 FIO-A4O 输出给调功器对锅炉的输出功率进行控制。以达到对蒸汽压力的自动调节功能。 该系统的应用，大大提高了设备的自动化控制程度，企业增效可观。 关键词:电锅炉；水位；蒸汽压力；Lonworks 模块 电加热锅炉是 1 种清洁、无污染、占用空间小的动力设备。其以过程控制原理、自动控 制原理、微机原理、计算机控制技术、现代传感器技术等为理论基础，以计算机为控制核心， 采用 Lonworks 总线技术及现代传感器进行数据和信号的采集，实现对电加热锅炉的水位， 蒸汽压力的自动控制。且可实现系统自动/手动切换，参数调整，在线显 示，报警，历史参数存储诸多功能。 该系统以计算机为控制系统核心，利用传感器进行采集数据和信号，通过 LonWorks 模块 及总线技术对数据进行处理及 A/D 转换，由计算机发出控制指令通过执行机构对电锅炉各 项功能进行实时控制。通过硬件设备的控制完成 3 个内容。（1）电锅炉水位控制；（2）电锅 炉输出蒸汽的压力控制；（3）系统自动/手动切换，参数调整，在线显示，报警，历史参数 存储等功能。 1 单片机电锅炉控制系统 采用单片机灵活方便，可根据工作要求，将室温自动控制在某一范围；且可根据系统 负载自动调节，保持供热稳定；采用全自动化的程序控制，又使得安全检修方便。其控制结 构见图 1。 系统采用单片机为控制系统核心，通接口扩展芯片 8255 完成人机交互的诸多应用功能， 系统所需数据由模拟通路采集，该模拟通路由传感器组、多路开关、信号采样和 A/D 转换 等组成。检测到的数据经过单片机处理后，一部分经由 8255 传至 8 位数码管显示，另一部 分能过电平转换器和放大驱动电路处理后送至控制模块，控制模块根据此输出信号控制执行
    机构工作，并自动完成声光报警，从而实现对锅炉控制系统进行精确的实时控制。另外还可 以实现下载和通信的功能。由此可见应用单片机的电锅炉控制系统具有智能化的特点。 2 电锅炉系统的硬件控制 根据实际情况采用硬件控制的手段对电锅炉的水位及饱和热蒸汽的压力进行控制。并采用 Lonworks 总线技术及应用 Lonworks 模块实现系统的手/自动、系统参数设定、报警、历史记 录存储等功能。电锅炉主要技术参数：（1）电锅炉功率为：40 kW；（2）蒸汽压力：0.3 MPa； （3）控制精度：1%，控制系统流程见图 2。 2.1 电锅炉水位及蒸汽压力控制系统 根据汽泡水位的动态特性及电锅炉本身的特点采用单回路即单冲量的方式对水位及蒸 汽压力进行控制。单位冲量控制系统：汽泡水位的控制手段是控制给水，基于这一原理，可 以构成单冲量控制系统，见图 3。 单冲量即汽泡水位。这种控制系统是典型的单回路控制系统。虽然当蒸汽负荷突然大 幅度增加时，由于假水位现象，控制器不能打开给水设备增加给水量，以维持锅炉的物料平 衡，将使水位严重下降，波动厉害，这样的系统不能适应，水位不能保证。但是对于实验室 所用小型电锅炉，由于汽泡停留时间较长，在蒸汽负荷变化时，假水位现象并不显著，配上 一些联锁报警装置，完全可以保证安全操作，故采用这样的单冲量控制系统可以满足设计的 要求。 蒸汽压力的控制系统亦采用这种单回路控制系统，通过调功器控制电锅炉的功率输出 以达到控制系统中的能量平衡其控制系统见图 4。
    电锅炉是将电能转换能水的内能为达到能量平衡。 2.2 电锅炉控制系统的其它功能 电锅炉控制系统的手动控制通过电锅炉控制系统电气控制柜来完成，自动控制是通过 计算机软件 LonMaker 开发系统所开发的控制界面来完成。在 LonMaker 开发的控制系统中 可实现参数设定、历史参数存储、在线显示、参数调整及在线报警的功能。另外系统还具有 漏电、过流和短路保护的功能，都是通过硬件设备来实现。由于电锅炉采用电阻元件浸入式 进行电加热，电热管爆裂及自身漏电等原因必须具有漏电保护功能以确保实验安全。采用电 气控制电路中加入漏电保护器，当电热管发生漏电时，该装置会自动切断电源以保证生产及 人身安全。电锅炉是大功率、强电流用电器，在电路中采用熔断器进行过流和短路保护功能 以确保用电安全，避免烧毁线路和元件。 3 电锅炉控制系统硬件的组成 采用的电阻内浸式电加热锅炉，锅炉水位及蒸汽压力的变化对锅体用电阻元件的使用寿命及 运行状态起着关键性的作用，电锅炉是大功率用电器，具有强电压、大电流的特点，存在着 用电安全及用电保护的问题，只有选取合适的硬件设备才能确保电锅炉自身正常运行及用电 安全和对各电气元件的保护作用。 3.1 电锅炉水位控制系统硬件的组成结构 电锅炉水位的控制是电锅炉控制的核心部份。系统控制锅炉水位的硬件包括变送器、变频器、 电机和水泵。控制结构上采用单回路控制系统其结构见图 5。 3.2 电锅炉蒸汽压力控制系统硬件的组成 电锅炉的主要作用是输出饱和热蒸汽。蒸汽压力控制系统可根据实际生产需要，在设定范围 内对饱和蒸汽的压力进行控制，其原理是通过电容式差压变送器对压力信号进行采集输入给 lonworksFIO-A8I 8 路模拟量输入智能 IO 模块，通过双绞线传输给工业控制计算机，由机内 组态进行处理，经由双绞线反馈给 lonworksFIO-A4O 4 路模拟量输出，智能模块控制调功器 对锅炉的输出功率调节以调节饱和过热蒸汽的压力。控制结构采用单回路控制系统其结构见 图 6。
    4 监控系统的组成 4.1 lonworksFIO 模块 采用 lonworks 模块进行数据的采集 A/D、D/A 及信号我的发送接收命令的发布是控制系 统的核心组成部分。 4.1.1 LONCPU：LonWorks CPU 控制单元 1 个 FIO 模块组就是 1 个 LonWorks 节点，LONCPU 模块是 1 个 FIO 模块组的核心，相 当于模块组的“大脑”，它完成与 LonWorks 相关的所有功能，其它 IO 模块必须与 LONCPU 相连后才能发挥其功能由 LONCPU 与 FIO 智能 IO 模块构成的1 个 FIO 模块组结构，1 个 LONCPU 模块最多可扩展 8 个智能 IO 模块，但只推荐 4 个。无论是 LONCPU 还是智能 IO 模块，都有 特殊的 OnBUS 接头，LONCPU 与各智能 IO 模块间正是通过 OnBUS 接头进行数据交换。每个 模块上特别设计的锁紧机构，保证了模块扩展时接触的紧凑可靠。LONCPU 模块都可以进行 算法编程。通过 LONCPU 模块可以对智能 IO 模块进行参数设定和 IO 值的读取。 4.1.2 FIO-4AO 4 路模拟量输出 4AO 模块只能作为 1 个 LonGate 模块、RcmGate 模块或者 EGate 模块的扩展 IO 模块， 不能单独使用，每个 Gate 模块最多可扩展 8 个 4AO 模块。无论是 Gate 模块还是 4AO 模块， 都有特殊的 OnBUS 接头，Gate 模块与各 4AO 模块间正是通过 OnBUS 接头进行数据交换。 每个模块上特别设计的锁紧机构，保证了模块扩展时接触的紧凑可靠。每个 4AO 模块都有 自己的微处理器，通过 Gate 模块可以对 4AO 模块进行参数设定、和 AO 通道的设置。 4.1.3 FIO-A8I 8 模拟量输入智能 IO 模块 8AI 模块只能作为 1 个 LonGate 模块、RcmGate 模块或者 EGate 模块的扩展 IO 模块，不能单独使用，每个 Gate 模块最多可扩展 8 个 8AI 模块。无论是 Gate 模块还是 8AI 模块，都有特殊的 OnBUS 接头，Gate 模块与各 8AI 模块间正是通 过 OnBUS 接头进行数据 交换。每个模块上特别设计的锁紧机构，保证了模块扩 展时接触的紧凑可靠。每个 8AI 模 块都有自己的微处理器，通过 Gate 模块可以 对 8AI 模块进行参数设定和 AI 通道采集量的 读取。 4.1.4 FIO-D8X4 开关量输入、4 继电器输出智能 IO 模块
    FIO-D8X 输入信号触点输入、24 V 直流输入任意混合继电器输出，驱动能力每路 5 A、 30 V 直流或 5 A、250 V 交流微处理器控制，输入去抖、输出防误操作 通过特殊的 OnBUS 接头，即可与网 关 模 块 （LONGATE、PROGATE、MODBUSGATE、TCPGATE）相连，又与 其它智能 IO 模块相连。 智能 IO 模块只能作为１个网关 模块的扩展 IO，不能单独使用，每个网关模块最多可 扩展 8 个智能 IO 模块。无论是网关模块还是智能 IO 模块，都有特殊的 OnBUS 接头，网关 模 块与各智能 IO 模块间正是通过 OnBUS 接头进行数据交换。每个模块上特别设计的锁紧机 构， 保证了模块扩展时接触的紧凑可靠。网关模块都可以进行算法编程。每个智能 IO 模块都有 自己的微 处理器，完成对本模块的诊断、滤波、去抖、防误操作、校正等功能，通过网关 模块可以对智能 IO 模块进行参数设定（如模块位号、刷新周期、通道系数等）和 IO 值的读 写。每个模块都有 EEPROM 存放模块地址及各种参数。 4.2 FIO 模块网络变量 在 LonMaker 的 Browser 中可以看到 FIO 模块组的网络变量，可以分为 2 类：（1）配 置 参数类；（2）IO 输入输出值。都是输入网络变量，可以通过 LonMaker 修改来完成对模块组 的配置，修改以后的值掉电后依然保存在 LONCPU 上。这类网络变量又可以细分的类型， nciM_Type 对应编号为 2 的 FIO IO 模块的类型，依此类推，有几个模块就定义几个，最多不 得超过 4 个；每种模块类型有一种编码，对应关系如下： FIO_8DI = 1， FIO_4DI4DO = 2， FIO_16DI = 3， FIO_8DO = 4， FIO_8AI = 5， FIO_4AI2AO = 6， FIO IO 模块的编号 nviNewSlaveAddr：修改这个值，可对拼接在 LONCPU 上的 FIO IO 模块进行编 号，只要 先将这个模块要编的号输入到 nviNewSlaveAddr（比如 1），这个模块的编 号就变成了 1；各 FIO IO 模块的运行状态 nvoStatus［0］.. nvoStatus［3］：拼接到 LONCPU 的第 1 到第 4 个 FIOIO 模块的状态。 0：FIO IO 模块与 LONCPUl 连接不正常 ； 1：FIO IO 模块与 LONCPUl 连接正常 ； 2：FIO IO 模块是模入类型时，表示模块通讯正常、而且 AD 也在正常工作*IO 扫描周期、 网络变量的刷新条件。 nciIO_Scan：LONCPU 将每 nciIO_Scan 扫描１次各 FIO IO 模块，缺省值：800 ms；并不是 此值越小 IO 模块反应就越快。nciHeartbeat：原则上输出网络变量只有当发生变化时才向网 络上传输，但是可以通过 1 个 Heartbeat 时钟来强制传输，这个时钟的间隔就是 nciHeartbeat， 如果不是 0，LONCPU 就会每 nciHeartbeat 将 LONCPU 上的所 有输出网络变量发送 1 次，缺 省值：5 s；可以更长一些，比如 1min；nciAI_Delta：如果有 AI 模块，判断 1 个 AI 变化，这主要是为了防止 AI 不受限制地往 LonWorks 网络上发信息而导致拥挤，缺省值：0， 单位：最小分辨单位，比如 12 位精度的 AI，单位为 1/4 096；缺省值为 0 意谓着采集的数据 有任何变化都将新值传到 LonWorks 网络上。 IO 输入输出值所对应的网络变量 。 程序中定义了 4 组网络变量，分别是 nvoDI，nvoAI，nviDO，nviAO nvoDI［0］..nvoDI
    ［7］：开入，类型 SNVT_Count，以 1 个字表示 16 路开关量输入，字的最低位对应第 1 个开 关量输入通道，最高位（第 16 位）对应第 16 个开关量输入通道；值 0：表示与地短接（或 输入电压低），1：表示断开（或输入电压高）；如果模块的开关量输入通道数目不够 16 个， 则从最低位开始排列，有几个开 关量输入就用其中几位；nvoAI［0］..nvoAI［15］：模入， 类型 SNVT_count，每个网络变量对应 1 个模入通道 nviDO［0］..nviDO［15］：开出，类型 SNVT_count，每个网络变量对应 1 个开出通道，１表示输出触点断开，０表示吸合，缺省值： １断开 nviAO［0］..nviAO［3］模出，类型 SNVT_count，每个网络变量对应 1 个模块通道。 5 结束语 某单位的制药生产线加热工段采用单回路控制后，代替了常规手动控制仪表，提高了整 个操作系统的自动化程度，而且结构简单，成本低，系统可靠性高。单回路控制系统应用后， 大幅提高了锅炉的给水量和蒸汽压力的稳定控制，节约了大量的新鲜水和蒸汽耗量。装置全 年连续运转，如果以节水 300 m3/d 计算，可节省水 108 000 m3/a，如果水价为 1.7 元/m3， 此项经济效益为 18.36×104 元/a；每 d 减少蒸汽用量的热量转换成用电量后，每 d 减少蒸汽 用量的电量是 520 kW·h/d，这样可节约用电量 187 200 kW·h/a，若电价是 1.2 元/（（kW·h）·d-1）， 此项可节约 22.46 ×104 元/a；仅此 2 项就可创经济效益 40.82 ×104 元/a。经实际运行，系统 稳定可靠，并节约了能源，降低了操作人员的劳动强度，满足现在生产环保要求，经过近 3 a 的应用，为企业增加了很好的效益。 参考文献： ［1］路桂明，周美兰.采用 PIC 单片机的电锅炉智能控制系统的研究［J］.黑龙江水专学报， 2007，34（1）：71-73. ［2］殷鸿，张少兵，孙建华.电加热锅炉的开发设计［J］.工业锅炉，2006，70（6）：17-19. ［3］秦业.微型电锅炉控制系统实验装置［D］.长沙：中南大学硕士学位论文，2005：12-18.
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