碳粉燃烧器控制系统设计_带图纸

碳粉燃烧器控制系统设计系(院)机械工程学院[20191210110543]
摘要
本文设计的主要内容是碳粉燃烧器控制系统,此设计主要针对于试验用,通过改变进料量和风速,测出在不同情况下的温度变化并得出温度曲线。基于此,设计了一种以PLC为控制核心,通过上位机触摸屏控制PLC的状态,从而控制外部设备的动作,完成实验任务。本文首先对国内外的现状进行分析研究,阐明研究的重要性与必要性,其次对控制系统进行分析,设定方案,确定系统的构成。然后选择硬件的型号参数等,绘制电气原理图和电气的接线图。再对PLC的输入输出进行分配,编写系统流程图,进行PLC的编程及调试,最后对触摸屏进行编写设计。
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关键字:碳粉燃烧器PLC编程触摸屏
目录
第一章绪论 1
1.1 课题简介 1
1.2 课题研究的目的和意义 1
1.3 国内外研究现状及分析 2
1.4 本研究课题的主要内容 2
第二章 控制系统总体设计方案 3
2.1系统的设计任务 3
2.2系统的控制方案 3
2.2.1点火方案 3
2.2.2 进料的方案 4
2.2.3 调速方案 4
2.3系统的工作原理 5
第三章 控制系统的硬件设计 6
3.1硬件输入选择 6
3.1.1温度传感器的选择 6
3.1.2 温度变送器的选择 7
3.2硬件输出选择 8
3.2.1风机的选择 8
3.2.2变频器的选择 9
3.2.3进料阀的选择 10
3.2.4电炉丝的选择 11
3.3其他元器件的选择 12
3.3.1接触器的选择 12
3.3.2开关电源的选择 12
3.3.3空气开关的选择 13
3.4 可编程控制器的选择 14
3.4.1 PLC型号的选择 14
3.4.2模拟量输入模块的选择 16
3.5电气控制系统设计 20
3.5.1 系统主电路设计 20
3.5.2 系统的控制电路设计 22
第四章 软件设计 24
4.1 PLC程序的设计方法 24
4.2 控制系统的程序设计 24
4.2.1 程序的设计思路 24
4.2.2 系统流程图 25
4.3 控制程序设计及分析 26
第五章人机界面的设计 36
5.1触摸屏设计思路 36
5.2触摸屏软件 36
5.3碳粉燃烧器控制系统的触摸屏设计 37
5.3.1 新建工程 37
5.3.2 触摸屏画面设计 38
结束语 43
参考文献 44
致谢 45
附录 46
附录1 电气图纸 46
附录2 PLC程序梯形图 46
第一章绪论
1.1 课题简介
碳粉燃烧器控制系统设计来源于苏州市工业课题的延伸,它主要以生物能源碳化后的粉末为燃料。燃烧器将粉末燃烧后以供应城市中需要的能源,这不仅有利于提高资源的使用率,而且也节约现有的不可再生资源。目前对于碳粉燃烧过程中温度的变化以及时间没有相关的经验,可以使用借鉴的资料也很少。因此本次设计碳粉燃烧器控制系统的设计针对于试验用,通过实验测得相关的资料,为以后广泛的应用打下坚实的基础。本设计选用可编程控制器PLC作为控制中心,通过PLC控制外围设备。
1.2 课题研究的目的和意义
目前,非可再生能源的大量使用促进了可再生能源的应用研究。风能和太阳能等可再生资源,已经被广泛研究并已应用,但生物质能的利用处于刚起步的阶段。然后粉碎成细粉,充分燃烧热值低于汽油,在一定的条件下,可以达到很高热值,具有很好的潜力。现在,全国各地都是促进清洁能源的使用,节约不可再生资源,积极保护环境和建设环境友好型社会。碳粉燃烧器控制系统的设计正好响应了这一号召。解决燃烧器中混合物的比列问题,才能正真的推动碳粉燃烧器的应用。现今,燃烧器的自动化程度低,劳动效率不高,而且煤炭的污染严重,存在安全风险。况且每年一到收获的季节,天空中就变成灰蒙蒙的一片,这是由于当地的老百姓将地里的秸秆焚烧产生的结果。很多人对于碳粉燃烧的认识不够,不能将其运用到实际生产中。鉴于此,可以看出对于碳粉燃烧的研究已经具有很大的意义。本次设计的课题是碳粉燃烧器控制系统,它是针对于实验用的一种控制系统,目的在于研究碳粉在不同的风速和进料量的情况下温度的变化情况,科研实验人员可以运用此系统进行试验,研究碳粉的燃烧情况,将其真正的运用到实际的生产中去。本次设计的控制系统以PLC为控制核心,提升了系统的实用性和稳定性。综上所述本次课题的研究不仅对于碳粉燃烧研究具有重要意义,而且对于环境能源方面也有一定的影响。
1.3 国内外研究现状及分析
如今越来越多的人加入了碳粉燃料的研究队伍,赵春雷等人将碳粉运用火箭燃烧室中,陈少杰等对于电炉碳粉系统也进行了相关的研究,都得到了很好的效果。但是将碳粉应用工业燃烧器中的研究却相对较少,而且在以往取得这方面的专利中,将其运用到实际生产中也存在很多这样那样的问题,例如将碳粉送到燃烧器中燃烧时,进料量,风机的速度以及气流的速度配比问题,都对燃烧过程有重要的影响。
如今有很多国内的电厂等企业在采购国外的燃烧器时,燃烧器厂家要求使用与燃烧器相配套的燃烧程控器。因而当某个企业在采购这种成套的装置时,他们不能够了解这套装置当中的结构程序等,在以后的运行维修过程中都存在比较大的困难。比如当遇到一些很小的故障时,公司的人员不能够及时的解决,此时为了生产的需求,必须求助于国外的生产商,这不仅浪费宝贵的时间,而且也造成了经济的损失。国外的燃烧器控制系统主要由PLC、燃烧程控器以及触摸屏等部分组成,在这个系统中,燃烧程控器主要控制燃烧器的燃烧过程,这是此系统的核心部分。一般的购买商不能够得到其中的参数程序。PLC主要控制锅炉运行部分,不参与燃烧系统的控制。触摸屏在此系统中主要作为人机界面,工人可以通过触摸屏对锅炉进行操作,监视锅炉的状态。此系统中PLC只能控制燃烧程控器的通断,接收控程器传出来的故障,不能进行参数的修改和控制整个燃烧过程。
国外的厂家通过将一个完整的燃烧系统分为两个部分进行控制,两个部分之间没有太多的关联。运用这种方法使购买商不能了解它的核心。另外用这两个部分控制增加了系统的复杂性,提高了故障的处理难度,使得硬件的接线变得比较复杂。针对这种技术的封锁,我们国家应该加大对这方面的研究。将系统的大部分功能转移到PLC当中,取消原来的专用控程器控制,是系统变得简单明了。
1.4 本研究课题的主要内容
主要研究内容包括:碳粉燃烧器设计需求分析及意义,控制系统的资料查找;控制系统的总体方案设计;相关参数计算、硬件选型,编程软件的选择,元器件的列表;绘制有关电气原理图以及电气接线图;软件设计,编写梯形图;人机界面设计等。
第二章 控制系统总体设计方案
2.1系统的设计任务
当下大多数的热电厂等相关企业都采用燃烧供热发电,而燃烧所用的原料大多数是以煤炭为主的不可再生能源。将桔梗木屑等废弃有机物碳化后进行燃烧有利于能源的循环利用,碳粉燃烧器的作用便是此处。目前还不是十分了解温度、碳粉以及风速之间的关系。本次设计主要用于实验。通过对控制系统的设计来操控风机和碳粉的进料量,利用传感器采集温度,进行相关的处理输出相应的温度曲线。
本次设计的主要控制对象有炉膛温度、风机的风速、碳粉的进料量。分别利用温度传感器,变频器,电动执行器来控制各个环节的动作。碳粉与空气的混合物主要通过电炉丝的通断来点火和关闭。炉膛到控制之间有一段的距离,对于温度传感器传送的模拟量有一定的影响,利用屏蔽线进行传送保证了传输的准确性。碳粉燃烧器控制系统就是依据装设的温度传感器、变频器,电动执行器等采集或观测炉膛的温度、风机的速度、进料量等参数信息。通过对交流电的变频,电动执行器极性以及电炉丝的通断来改变风机的速度,进料量,点火等操作。改变进料量或风机的速度得到不同情况下炉膛内的温度,经过处理得到相应的温度曲线,为以后的实际运用提供准确的资料,提高生产效率。
2.2系统的控制方案
2.2.1点火方案
由于碳粉燃烧器主要燃烧的对象是碳粉,因此需要相应的点火装置。根据实际当中燃烧器的设计方案,本次设计采用了电炉丝进行点火。电炉丝加热后,碳粉和风的化合物在很短的时间内就可以燃烧。采用电炉丝进行点火是因为电炉丝的加热过程比较快,安装简单方便,安全性好,而且电炉丝的成本比较低。将电能转化为热能,不仅环保清洁,而且能够提高效率,实现对电炉丝的实时控制。在控制系统中电炉丝主要起到点火作用,因此在刚刚开始启动系统的时候电炉丝先预热一会,然后进料吹风。在初期燃烧的过程中,炉内温度不高,电炉丝需要一直不停的加热。随着碳粉的燃烧炉膛内的温度在不断的上升,当温度上升到碳粉的着火点时,碳粉便可以自动燃烧,此时不需要电炉丝加热。因此当达到设定的温度值时,电炉丝应断开。燃烧中电炉丝的通断需要通过接触器来控制。
2.2.2 进料的方案
控制碳粉的进料是本次设计的一个重要的环节,查阅了相关的资料,控制碳粉的进料装置比较多,大多数是属于手动控制进料的方式,这不仅增加了实际操作的麻烦,而且也不能够在第一时间内达到改变进料的要求。鉴于此,本次对于进料方案的设计选用电气控制的方式。选用一种适合于控制固体粉末并且带有电动执行器的阀,通过改变执行器的极性,达到控制阀口开关的目的。本次设计主要用于实验,因而在燃烧过程中需要有增大进料,减小进料,保持进料的三种状态。在本次设计中,通过可编程控制器PLC来控制接触器的通断,从而控制进料阀的状态。
2.2.3 调速方案
与进料一样,实现对风机的调速也是此次设计的一个重要环节。在实验的过程中需要能够改变进料的同时,也能够改变风机的速度。这样才能实现在不同风速、不同进料量下的温度变化实验。对于风机的调速目前大多数采用变频器调速。本次设计也才用变频器调速,通过改变变频器的输出频率来改变风速,这不仅能够实现对风机的连续调速也比较节约能源。考虑到实验中的问题比如当改变变频器的输出频率时,温度的变化比较小等情况,此次设计提供了两种调速方案,一是多段速调速方式,二是调频调速方式。在燃烧的过程中可以随时切换调速方式,这既弥补了多段速调速的速度类别限制,也克服了调频调速带来的时间问题。在这个控制系统中,触摸屏作为上位机,对PLC发出指令,从而控制变频器的输入端,实现多段调速和调频调速的功能。
燃烧器的结构示意如下图2.1:
图2.1 燃烧器结构示意图
2.3系统的工作原理
该碳粉燃烧控制系统由PLC控制系统,传感器系统,执行器等几个部分组成。控制系统以PLC为控制核心,触摸屏作为上位机对PLC发出信号。此系统运用温度传感器检测炉内的温度。由于温度传感器输出非标准电信号,因此必须经过温度变送器转化为标准模拟信号。经过变换的信号再输入到PLC的模拟量模块XC-E4AD中,PLC再将采集到的数据进行运算转换,由此来控制外围的执行器。此外外部的执行器也将一些反馈信号输入给PLC。碳粉燃烧器控制系统的总体框图如下2.2:
图2.2 系统总体框图
第三章 控制系统的硬件设计
3.1硬件输入选择
3.1.1温度传感器的选择
电阻温度检测器、热电偶和热敏电阻是三种比较常见的温度传感器。查阅相关的资料可知,生物原料经碳化后着火点在180-360℃之间,在炉膛内燃烧后,炉膛的温度估计在700℃左右。热电阻适用于中低温区。测量温度范围是比较小的:-200~420℃〔PT100〕,-50~150℃〔CU50〕。因此热电阻不适宜测量炉膛温度。热敏电阻的检测温度也比较低,不适用于高温检测。热电偶在实际的生产中被广泛的使用,特点是:1、因为不与测量对象直接接触,且不受中间介质影响,所以测量精度高。2、测量范围广:-50~+1600℃。3、结构简单,使用方便。
综上所述,采用热电偶传感器。经过比较几种不同的热电偶,了解到K型热电偶的测量范围为0~1300℃;符合本次的要求。
K型热电偶具有以下特点:
1、热电动势之直线性良好。
2、1000℃以下耐氧化性良好。
3、在金属热电偶中安定性属良好。
经查阅有关产品信息,选用江苏兴泰电器有限公司的热电偶:WRNK-191。

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好棒文