富氧与助燃剂燃烧PLC自动控制系统

SHANDONG 毕业设计说明书 富氧与助燃剂燃烧 PLC 自动控制系统 学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 屈克启 学 号： 0812105011 指导教师： 刘述怀 2012 年 6 月 摘 要 I 摘 要 在当今社会能源问题就是发展问题。由于石油资源大部分都在中东，并且 按照世界目前的石油消耗速度，世界上石油资源将会在 50 年内耗尽；并且石油 价格近几年波动很大，不利于我国经济发展。虽然我国的石油资源产量不高， 但是我国的煤炭资源储量比较丰富，因此煤炭的燃烧效率在我国的经济发展中 占据着重要的地位。考虑能源的未来发展，煤炭也会在我国的经济中继续保持 领先地位，因此研究煤炭的燃烧问题对于我国的经济发展具有重大意义。为了 提高锅炉的燃烧效率,本论文采用触摸屏、西门子 PLC 控制器、变频器等构成自 动控制系统，通过 DCS 系统上位机给定的煤粉的给定量，采用 PID 控制计算助 燃剂的配比和富氧空气的需量，调节富氧真空泵的转速和反应罐混合液的浓度， 然后调节混合助燃剂真空泵的转速，实现混合助燃剂和富氧气体跟随炉膛内的 煤粉进给量，提高燃烧效率。 自动控制系统下位机方面主要有三部分组成：现场仪表（反馈装置） ，控制 部分（PLC） ，执行部分（电磁阀、电机） 。为了便于管理自动控制系统上面还有 工控机，还有人机界面便于控制。西门子 S7-200 PLC 因其极佳的性价比，并且 在中国的使用比较广泛，所以系统控制部分采用西门子 S7-200 PLC，下位机编 程可以利用 SETP Micro-/MIN V4.0 梯形图，功能图，还有逻辑语言编程，进行 编程。 关键词：PLC；燃烧控制；PID 控制系统；燃烧效率 Abstract II Abstract Energy issues is development issues in todays society . As most of the oil resources in the Middle East, and in accordance with the worlds current oil consumption rate, the worlds oil resources will be exhausted in 50 years , and oil prices in recent years, volatile is not conducive to Chinas economic development . Chinas oil resources production is not high , but Chinas coal resources and reserves is rich, the combustion efficiency of coal occupies an important position in Chinas economic development. Consider the future development of energy, coal will continue in the economy of our country to maintain its leading position. Study of coal combustion is of great significance for Chinas economic development. In order to improve the combustion efficiency of the boiler, the paper using the touch screen of Siemens PLC controller, inverter and other automatic control systems, and coal through the DCS system host computer given to the quantitative, using PID control calculation accelerant ratio and rich oxygendemand of the air, adjust the speed and the concentration of the reaction tank mixture of oxygen-rich vacuum pump, then adjust the speed of the vacuum pump of the mixedoxidizer mixed oxidizer and oxygen gas feed rate to follow the pulverized coal inside the furnace, to improve combustion efficiency . The automatic control system mainly consists of three parts: field instruments (feedback devices), the control part (PLC), operative (solenoid valves, motors). In order to facilitate the automatic control system above the IPC, the man-machine interface to facilitate controlled. Siemens S7-200PLC because of its excellent value for money, and use a wide range of system control part of the Siemens S7-200 PLC bitmachine canbe programmed to take advantage of the SETP -Micro-/MIN V4.0 ladder diagram, function chart there is logic programming language, programming. Key words: PLC; combustion control; the PID control system 目录 II 目录 摘 要 I ABSTRACT . II 目 录 II 第一章 绪论 . - 1 - 1.1 选题背景 - 1 - 1.2 研究的目的和意义 - 1 - 1.3 锅炉燃烧国内外发展现状 - 1 - 1.4 主要内容及安排 - 2 - 第二章 控制系统综述和控制方案的确定 - 3 - 2.1 系统的主要设计指标与参数 - 3 - 2.2 系统的工作原理及组成 . - 3 - 2.3 系统总体构件图. - 4 - 2.4 系统 PID 控制器原理介绍 . - 5 - 第三章 控制系统的电气控制柜设计方案 - 8 - 3.1 电气连接图 - 8 - 3.2 电气安装图 - 8 - 3.4 PLC 概述. - 9 - 3.4.1 PLC 的产生与发展 - 9 - 3.4.2 PLC 的特点 .- 10 - 3.4.3 PLC 的组成与基本结构 - 11 - 3.5 控制器的选型及控制部分模块设计 - 12 - 3.5.1 S7-200 的简述 . - 12 - 3.5.2 基本单元、扩展单元及系统构成 .- 12 - 3.6 富氧机工作原理 - 14 - 3.7 PLC 输入输输出端口设置 . - 14 - 目录 III 3.8 传感器模块介绍 - 15 - 3.8.1 涡轮流量计 - 15 - 3.8.2 UHZ-25 型磁浮子液位计 . - 16 - 3.9 电源模块和电磁阀，接触器电气连接图 - 17 - 第四章 控制系统软件设计. - 19 - 4.1 STEP7 介绍 - 19 - 4.11 STEP 7 V4.0 的界面 - 19 - 4.1.2 西门子 STEP 7 V4.0 简介 - 19 - 4.2 控制框图 - 20 - 4.3 系统的整体设计概念 . - 21 - 4.4 典型模块介绍 - 21 - 第五章 触摸屏控制介绍 - 24 - 5.1 自动操作界面 - 24 - 5.2 参数设置 - 25 - 5.3 制氧 - 25 - 5.4 报警 - 26 - 5.5 使用触摸屏操作注意事项 . - 26 - 总 结 - 28 - 致 谢 - 29 - 参考文献 - 30 - 附录 - 31 - 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪论 1.1 选题背景 能源问题一直是世界经济发展中的重大问题，尤其对中国这样的发展中国 家，要实现民族的复兴，工业的现代化，必须处理好能源问题。在我国的能源 占比中，煤炭占据很重要的地位。在我国的电力生产当中，火力发电占比 70%， 并且我国是一个多煤少油的国家，现在石油占比对外依存已经超过了 50%，要 想在能源问题不受制予人，我国必须在提高能源燃烧效率，提高能源利用率， 减少污染物排放，实现经济的可持续发展。依据世界能源组织预测，按当今石 油消耗的速度，当今石油储量会在 50 年内消耗完。而按当今煤炭消耗速度煤炭 消耗速度，煤炭能供人类使用 200 年之久。根据 BP 世界能源统计 2011，中国的 煤炭消费占全球煤炭消费 48.2%，并且在煤炭利用器具以锅炉为主，所以提高煤 炭在锅炉燃烧中的利用率对中国具有重大意义。 1.2 研究的目的和意义 通过研究大型电厂和水泥厂中的锅炉燃烧过程，归纳总结出控制量。研究 控制煤量和富氧含量，使之达到最佳燃烧比，提高燃烧效率，将给中国的经济 发展还有能源利用方面带来一片蓝海。在中国这样一个火力发电占比超过 70%， 发一度电，每减少一分消耗，将给中国带来巨大的经济效益。 1.3 锅炉燃烧国内外发展现状 在以前的时候锅炉燃烧，需要什么时候送风，泄压，都需要专门的工作人 员进行维护，这种经验操作不但人员培训方面比较麻烦，而且经济效率不高， 并且因为继电器控制器本身的原因，操作速度缓慢，不大利于一些需要立即执 行指令的操作。 在国外，随着 PLC 控制器的发展，计算机控制技术的发展，国外的锅炉燃 烧控制已经实现了计算机自动控制，并且燃烧效率极高。近几年随着中国科研 实力的不断增强，还有人们对于能源价格持续的高涨，环境保护方面的觉醒， 我国也在锅炉燃烧的自动控制方面开始了初步的发展。模糊控制，神经网络控 第一章 绪论 - 2 - 制，PID 控制都有初步发展，给我国在“十二五”节能减耗做出了突出贡献。 国内在锅炉燃烧当中的最新技术就是富氧燃烧技术，经数据判断，当空燃 比是 27%能达到最佳的燃烧效率，空气当中的氧气含量是 21%，所以我们要提 高燃烧效率就必须加大氧气含量，所以就需要富氧技术，但是氧气含量又不能 太高，太高的话就会造成氧气含量过度，没有燃尽的氧气就会带走热量，使燃 烧效率下降，因此氧气含量有一个最佳点，数据统计结果是 27，因此我们控制 系统使富氧机的氧气含量是 27%。 1.4 主要内容及安排 1 富氧与助燃剂燃烧 PLC 自动控制系统的技术要求，工作原理，系统的闭 环自动控制原理图，确定总体设计方案。 2 控制系统的硬件设计，介绍控制器件还有控制系统各个部分的介绍。介 绍 PLC 的输入输出口的地址分配，扩展模块的选型介绍， 3 控制系统的软件设计，简述利用 SETP7 进行编程的过程，编程进行模块 化编程，有富氧模块，自动化加液喷射模块，手动模块。 第二章 控制系统综述和控制方案的确定 - 3 - 第二章 控制系统综述和控制方案的确定 2.1 系统的主要设计指标与参数 触摸屏和 PLC 的控制器的联机与控制； 触摸屏可以显示燃烧炉膛的温度、助燃剂和富氧风的流量； 控制变频器实现电机速度可调； 助燃剂的流量 0 到 1000g/min 可调； 控制周期可调，1-10 秒； 助燃剂采用 AB 两罐轮流加剂控制； 可以通过触摸屏进行手动操作和自动控制，且可以实现勿扰切换。 2.2 系统的工作原理及组成 采用触摸屏、西门子 PLC 控制器、变频器等构成模糊控制系统。针对发电 厂、水泥厂等大型燃煤锅炉进行富氧与助燃剂燃烧控制改进，提高燃烧效率， 节省能源。技术路线，通过 DCS 系统的上位机给定的煤粉的给定量和温度变送 器测得炉膛温度，采用模糊控制算法和双交叉技术，计算助燃剂的配比和富氧 空气需量，调节富氧真空泵的转速和反应罐混合液的浓度，然后调节混合助燃 剂真空泵的转速，实现混合助燃剂和富氧气体跟随炉膛内煤粉进给量和炉温进 行模糊控制调节，提高燃烧效率。 下面是喷液系统和富氧系统的自动控制原理图 PID A/D 变频器变频器 喷液电机喷液电机 流量计流量计 煤粉给定量 + - 流量t 图 2-1 喷液自动控制系统 第二章 控制系统综述和控制方案的确定 - 4 - PID A/D 变频器变频器 富氧风机富氧风机 流量计流量计 煤粉给定量 + - 流量t 图 2-2 富氧系统控制结构 2.3 系统总体构件图 S7-200 CPU226 DCS上位机给定的煤 粉量 执行机构 触摸屏 电源 温度传感器 流量传感器 液位传感器 图 2-3 系统总体构件图 系统阐述:通过 DCS 系统的上位机给定的煤粉的给定量， 采用 PID 控制和双 交叉技术，计算助燃剂的配比和富氧空气需量，用 PLC 控制变频器调节富氧真 空泵的转速和助燃剂真空泵的转速，实现混合助燃剂和富氧气体跟随炉膛内煤 粉进给量进行 PID 调节，调高燃烧效率。 第二章 控制系统综述和控制方案的确定 - 5 - 2.4 系统PID控制器原理介绍 PID 控制器是一种比例、积分、微分联合在一起的控制器。它在工业生产中 使用很广泛。PID 控制器的数学模型可以用下式表示: )( )( 1 )()( 0 dt tde Tdtte T teKtu t d i P （3-1） 其中: u(t)控制器的输出； e(t)控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差； Kp控制器的比例系数； Ti控制器的积分时间； Td控制器的微分时间。 在 PID 控制器中，它的数学模型由比例、积分、微分三部分组成。 （1）比例部分 比例部分数学式表示为）（eK p 在比例部分，比例系数 Kp越大，那么过渡过程越短，控制结果的静态偏差 也就越小;但 Kp越大，也越容易造成振荡。故而，比例系数 Kp选择必须适当， 才能取得过渡时间短、静差小而又稳定的作用。 （2）积分部分 积分部分数学表达式表示为dtt）e T K t i p 0 （ 从积分部分的数学表达式我们可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用 就会不断增加。只有在偏差 e(t)=0 时，它的积分才会为一个常数，控制作用才会 一个不会增大的常数。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。积分时间 Ti 对积分部分的作用影响极大。当 Ti 较大时，则积分作用较弱，这时，系统的 过渡过程不易产生振荡。但是消除偏差所需的时间较长。当 Ti 较小时，则积分 作用较强。这时系统过渡过程中有可能产生振荡，但消除偏差所需的时间较短。 第二章 控制系统综述和控制方案的确定 - 6 - （3）微分部分 微分部分数学表达式表示为 dt e）d TdKp （ 微分部分的作用强弱由微分时间 Td 决定。Td 越大，则它抑制 e(t)变化的作 用越强，Td 越小，它反抗 e(t)变化的作用越弱。它对系统的稳定有很大的影响。 在以微处理器为硬件核心的控制系统中，由于是以采样周期对输入和输出 状态进行实时采样，故它是离散时间控制系统。在离散控制系统中，PID 控制器 采用差分方程表示: 11 1 T ）e(ke(k） TTe(j) T e(k)Ku(k) d k j i P (3-2) 式中: u(k)采样周期时的输出； e(k)采样周期时的偏差； T采样同期。 在上式中，令 )k( e)k( e)k( e1 (3-3) 则有 1 k j d i p )k( e T T )j( e T T )k( eK)k(u (3-4) 在上式中，令 dp ip TK)d(K TK) i (K (3-5) 则有 )k( e T K )j( eTK)k( eK)k(u d k j iP 1 （3-6） 第二章 控制系统综述和控制方案的确定 - 7 - 为了避免在求取控制量 u(t)时对偏差求和运算， 在实际应用中通常采用增量 式 )k(u)k(u)k(u1 （3-7） 由于 )k( e T K )j( eTK)k( eK)k(u d k j iP 111 1 1 （3-8） 并且 )k( e)k( e)k( e )k( e)k( e)k( e 211 1 (3-9) 所以有 )j( eTK)k( e)k( eK)k(u k j iP 1 1 212)k( e)k( e)k( e T Kd (3-10) PID 控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业生产 中使用最广泛的控制技术。 第三章 控制系统电气控制柜设计方案 - 8 - 第三章 控制系统的电气控制柜设计方案 3.1 电气连接图 经分析在系统中总共需要 8 台电机，M0 引风电机、M1 富氧电机、M2 加剂 电机、M3 加水电机、M4 喷液电机、M5 A 罐搅拌电机、M6 B 罐搅拌电机、M7 原剂搅拌电机。经分析富氧电机和喷液电机需要变频器调节转速，其他电机直 接接工频就行。详见附录电气主连接图 图 3-1 部分电机连接图 3.2 电气安装图 电气控制柜的布置图见附录,电气控制柜中，外接电线，从断路器开始，接 触器，熔断器的连接示意图。 这样的电气柜就可以大规模生产销售了。还有 PLC 放在什么位置，都可以一目了然。 第三章 控制系统电气控制柜设计方案 - 9 - 3.4 PLC概述 3.4.1 PLC 的产生与发展 在可编程控制器出现以前，在工业控制领域中继电器控制占据主导地位。 但是继电器、接触器控制系统具有明显的缺点，即设备体积大、可靠性差、动 作速度慢、功能弱，难于实现复杂的控制；特别是由于它是靠硬连线逻辑构成 的系统，接线复杂繁琐，当生产工艺或对象需要改变时，原有接线和控制柜就 要更换，所以通用性和灵活性较差。 到了 20 世纪 60 年代末期，竞争的美国汽车制造业环境使美国通用公司对 新一代控制器有了十大要求 （1）编程方便，现场可以修改程序。 （2）维修方便，采用插件式结构。 （3）稳定性优于继电器控制系统。 （4）体积比继电器控制系统占优势。 （5）计算机可以直接取用数据。 （6）价格比继电器控制设备便宜。 （7）输入电压可以是 AC115V（美国电压标准） （8）输出可以是 AC115V/2A 以上，电磁阀，接触器等可以直接被驱动。 （9）扩展时原系统改变最小。 （10）保证用户程序存储器容量能扩展到 4KB 以上。 以上就是著名的“GM 十条” 。这些要求的实质是提出了将继电器接触器 控制的简单易懂、使用方便、价格低廉的优点与计算机的功能完善、灵活性、 通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑改变成计算机的 软件逻辑。 1969 年美国数字设备公司（DEC）诞生世界上第一台可编程控制器。随着 微电子技术的发展，20 世纪 70 年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们将 第三章 控制系统电气控制柜设计方案 - 10 - 微机技术应用到 PLC 中，使得它能更多的发挥计算机的功能，不仅用逻辑控制 取代了硬连线逻辑控制，还增加了运算，数据传送和处理等功能，使其真正的 成为了一种电子计算机工业控制设备。国外工业界在 1980 年将其命名为可编程 序控制器（Programmable Controller）简称 PC。但是它和个人计算机（Personal Computer）的简称容易混淆，所以现在把可编程序控制器简称 PLC。 因为计算机和微电子技术的兴起，PLC 技术也迅猛发展。由原来的 8 位机 发展到现在的 16 位、32 位。PLC 在概念、设计、性能价格比以及应用等方面都 有重大突破。不仅其控制功能增强，功耗，体积减小，成本降低，可靠性提高， 编程和故障检测更加灵活方便，而且远程 I/O 和通信、数据处理以及人机界面 （HMI）也有了长足的发展。现在 PLC 不仅在制造业的自动化作业中起作用， 在连续生产的过程控制系统中也大展身手。PLC 和机器人以及 CAD/CAM 已经 成为了现代工业自动的三大技术支柱。 3.4.2 PLC 的特点 现代工业生产过程复杂多样，对控制的要求也各不相同，为了适应工业环 境的使用，PLC 具有以下特点。 1 极强抗干扰能力，极高可靠性 针对工业现场恶劣的环境因素，为了提高抗干扰能力，PLC 主要模块均采 用大规模与超大规模集成电路， I/O系统设计有完善的通道保护与信号调整电路； 在结构上对耐热、防潮、防尘、防震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、 屏蔽、滤波、接地等以适应电网电压波动和过电压、欠电压的影响；在软件上 设置实时监控、自诊断、信息保护与恢复等程序与硬件电路配合实现各种故障 诊断、处理、报警显示及保护功能。所有这些都是 PLC 具有较高的抗干扰能力。 2 控制系统结构简单，极高通用性 由于 PLC 的易用性，世界上很多公司生产 PLC，也带动了 PLC 周边产品的 发展，我们可以很容易的找到适配的 24V，220V 电源模块，并且 PLC 的产品种 类很多，我们可以找到我们自己想要使用的产品型号，并且与它周边的适配产 品构成自动控制系统，得到我们想要的自动化效果。 第三章 控制系统电气控制柜设计方案 - 11 - 3 编程方便，易于使用 生产 PLC 的公司都开发出了易于使用的 PLC 编程语言，并且与计算机结合 在一起，有着易于人们使用的美化界面，我们可以在很短的时间内学会 PLC 的 语言编程， 语言编程可以使用与继电器控制相似的梯形图界面， 也可以利用与 C 语言形似的编程语言。 4 功能强大，易于使用 PLC 的可编程能力使得很多的接线省了下来，这样我们就可以在电脑段实 现接线的连接，并且 PLC 的连接几乎是不大耗费时间的，这样 1 分钟实现几百 次的继电器跳变成为了可能，把以前继电器不能实现的功能发挥出来。 5 控制系统设计，施工及调试的周期短 由于 PLC 的功能强大，它自身拥有的强大功能让我们减少了在 PLC 编程方 面的时间消耗，并且 PLC 有着标准统一的对外接口，我们在施工的时候也可以 很快的施工结束。并且各个 PLC 公司开发的编程工具都带有检查调试功能，这 样我们就会在调试少走很多弯路。 6 维护方便 PLC 的极强的抗干扰能力，使它不容易受到外界工业环境的影响，这样我 们 PLC 产品不容易损坏，减少了工厂的维护人员。为公司节省了人力成本 3.4.3 PLC 的组成与基本结构 CPU 存储器 电源部分 输 入 接 口 单 元 输 出 接 口 单 元 编程器或其他设备 按钮 继电器 触电 行程 开关 接触 器 电磁 阀 指示 灯 L 图 3-2 PLC 结构框图 第三章 控制系统电气控制柜设计方案 - 12 - PLC 种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。PLC 采用了典型的计 算机结构，它主要是由 CPU、存储器、专门设计的 I/O 模块（也称输入输出单 元） 、电源等主要部件组成。如图 31 所示。 3.5 控制器的选型及控制部分模块设计 3.5.1 S7-200 的简述 S7-200 系列 PLC 是德国西门子公司生产的一种小型的 PLC，其许多功能达 到了大、中型 PLC 的水平，而价格却和小型 PLC 一样，因此，它一经推出便受 到了广泛的关注，近几年来 S7-200 系列 PLC 更是成为小型 PLC 市场的主流产 品，尤其是在中国得到了广泛的应用。 因为本系统所处理的数据不是太多，小型 PLC 就可以处理，又因为 S7-200 的性价比极高，所以选择西门子 PLC S7-200, 3.5.2 基本单元、扩展单元及系统构成 S7-200 系列 PLC 系统构成的主要包括基本单元、扩展单元、相关设备和工 业软件等部分。 (1) 基本单元 基本单元即 CPU 模块，S7-200 系列 PLC 提供了五种 CPU 供选择使用， CPU 模块包括 CPU、存储器、基本输入/输出点和电源灯，是 PLC 系统的主要 部分。 由于本系统要求的输入输出口比较多，更为了以后系统的升级，本次系统 设计选择 CPU226 模块，CPU226 拥有 24 个输入口，16 个输出口，完全足够系 统使用。 (2)扩展单元 当 CPU 的 I/O 点数不够或需要完成某特殊的功能时，就需要连接扩展单元 模块。除 CPU221 外，其他 CPU 模块均可以连接多个扩展模块，连接 CPU 模块 放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与最左侧的模块相连。 1 数字量 I/O 扩展模块介绍和选择 第三章 控制系统电气控制柜设计方案 - 13 - S7-200系列 PLC 的主机本身提供一定数量的数字量 I/O， 当I/O点数不够时， 就必须增加 I/O 扩展模块，对 I/O 点数进行扩充。因为本系统需要扩展 6 个数字 量，因此系统选择数字量扩展模块 EM222。EM222 选择 8 点，AC120/230V 输 出。 表 3-1 S7-200 CPU 226 主要的技术参数 PLC 结构类型 基本单元+扩展单元 最大可连接的开关量 I/O 点数 248 最大可连接的模拟量 量 I/O 点数 35 基本单元集成的 I/O 数量 40（24/16） 可增加的扩展模块数 7 用户程序存储容量 16KB 数据存储器容量 10KB 编程软件 SETP-Micro/WIN 逻辑指令执行时间 0.22us 标志寄存器数量 256 定时器数量 256 计数器数量 256 高速计数输入 6 点 高速脉冲输入 2 点 通信接口 2 个，RS485 支持的通信协议 PPI、MPI、自由口、 PROFIBUS-DP 模拟电位器 2 点，8 位分辨率 2 模拟量 I/O 扩展模块 S7-200 系列 PLC（CPU221 除外）可以通过选用模拟量 I/O 扩展模块（包括 温度测量模块） ，增加 PLC 的温度、转速、位置等的测量、显示与调节功能。 在本系统中因为系统需要接受现场仪表的模拟量输入，S7-200 不能接受模 拟量输入因此需要模拟量 I/O 扩展模拟量， 在本系统选择 EM231 进行模块扩展。 另外本系统需要控制变频器这就需要 EM235 进行扩展，输出变频器控制信号。 EM235 是模拟量输入/模拟量输出混合模块，EM235 是 4 输入/1 输出（占用 2 路 输出地址） ，DC（020Ma）输出：DC（020mA）输出。EM235 就算是 PLC 的 A/D 转换装置， 将外界系统的模拟量信号输入变成 PLC 可以识别的数字量输入， 并且把系统要输出的数字量输出变成外界可以识别的模拟量输出。这样系统就 可以控制变频器，之后相应的控制电机的转速，达到控制助燃剂流量和富氧风 第三章 控制系统电气控制柜设计方案 - 14 - 机转速的目的。 3.6 富氧机工作原理 空气 氧气 鼓风机 抽风机 图 3-3 富氧机工作原理 变压吸附“富氧机”，采用高品质碳分子筛为吸附剂，利用变压吸附原理，直 接从压缩空气中获得氧气。由于碳分子筛对氮的吸附容量随压力的不同而有明 显差异，降低压力，即可解吸碳分子筛吸附的氮分子，使碳分子筛再生，得以 重复循环交替，连续产出高品质氧气。 3.7 PLC 输入输输出端口设置 系统在基本输入口有 16 个开关量输入。电路图如下 S7-200 CPU226 1M 0.3 0.4 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 2M 1.5 1.61 .7 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 M L+ DC +24V STOPKFROFR1FR2FR3FR4FR5FR6FR7ALBHBEBLAHAE 图 3-4 S7-200 输入口 第三章 控制系统电气控制柜设计方案 - 15 - S7-200 CPU 226 1L Q0.0 0.1 0.2 0.3 . 2L 0.4 0.5 0.6 0.7 1.0 3L 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 . N L 触摸屏 J00 J01J02 J03J04J05 J06 J07 J10 J11 J12J13 J14J15220V 220V H1H2 图 3-5 PLC 输出接口 3.8 传感器模块介绍 传感器是一个自动控制系统的眼睛，没有眼睛的自动控制系统是无法运行 的，所以好的传感器的对于自动控制系统非常重要，下面就给大家介绍系统所 使用的流量计，液位计的选型。 3.8.1 涡轮流量计 图 3-6 涡轮流量计 第三章 控制系统电气控制柜设计方案 - 16 - LW 系列液体涡轮流量计产品特点： 压力损失小、叶轮具有防腐功能 有较强抗磁干扰和振动能力、性能可靠、寿命长 整机功能强、功耗低 有非线性补偿功能的智能显示器 仪表系数可由按键在线设置并在 LCD 屏显示 采用 EEPROM 对累积流量和仪表系数保护可达十年 技术参数： 公称口径：DN4DN200 精度等级： 0.5、 1 连接方式：螺丝连接、法兰盘连接等 介质温度：-20120 公称压力：1.6Mpa6.3 Mpa(6.3 Mpa) 显示方式：脉冲输出、420mA 标准信号 7 位 LCD 显示累积和瞬时流量 防爆标志：ExdmBT4 供电电源：524VDC、24VDC，3V 锂电池可连续使用六年以上 3.8.2 UHZ-25 型磁浮子液位计 （1）结构原理 MY 型属模拟式液位变送器，由液位传感器和信号转换器两 部分组成。液位传感器由装在 20 不锈钢护管内的若干干簧管和若干电阻构成， 护管紧固在测量管（主体管）外侧；信号转换器由电子模块组成，安置在传感 器顶端或底端的防爆接线盒内三、主要技术参数 1、量程：由测量范围 H 确定； 2、误差： 10mm； 第三章 控制系统电气控制柜设计方案 - 17 - 3、输出信号：420mA.DC（两线制） ； 4、负载电阻：550； 5、供电电压：24V.DC； 图 3-7 磁浮子液位计 6、出线口：M20 1.5（内） ； 7、环境温度：-40+60； 8、防爆等级：dBT1-4； 9、外壳防护等级：IP65。 （2）磁浮球液位计特点 磁浮球液位计具有结构简单、使用方便、性能稳定、使用寿命长、便于安 装维护等优点。 3.9 电源模块和电磁阀，接触器电气连接图 传感器等需要 24V 交流电， 因此必须有电压转换模块， 把 220V 交流电转换 成 24V 交流电。电源模块电路图如下 第三章 控制系统电气控制柜设计方案 - 18 - 24V直流电源 AC220V LN L1L2M1M2 图 3-8 电源模块连接图 KM6 FR6 KJ06 KM5 FR5 KJ05 KM4 FR4 KJ04 KM3 FR3 KJ03 KM2 FR2 KJ02 KM7 FR7 KJ07 KM1 FR1 KJ01 KM0 FR0 KJ00 X23 KJ15 X22 KJ14 X21 KJ13 X13 KJ12 X12 KJ11 X11 KJ10 L N 图 3-9 接触器电磁阀连接图 KM0KM7 是电机的接触器，X11、X12、X13、X21、X22、X23 是 A 罐 B 罐的电磁阀。FROFR7 是相应电机的熔断器，电机出现异常情况导致电机过 热时是可以停止电机运转达到，保护电机的作用，其他的接触器，就是电磁阀 的开启关闭，和电机的启停操作。 第四章 控制系统的软件设计 - 19 - 第四章 控制系统软件设计 4.1 STEP7介绍 4.11 STEP 7 V4.0 的界面 图 4-1 SETP V4.0 界面 4.1.2 西门子 STEP 7 V4.0 简介 STEP 7 V4.0 是西门子公司专门为 S7-200 PLC 编程用的工具软件，STEP7 支持使用梯形图，编程语言，功能块图进行编程，并且该软件的查看命令可以 对这三种编程语言进行转换。STEP 7 V4.0 具有程序加密功能防止自己的程序被 别人复制，保护知识产权。它还有程序检查功能，检查我们编写的程序语言有 无语法错误，提前改正错误。它还有具有调试功能，让我们进行模拟仿真，这 样我们进行现场调试的时候前就可以更正很多错误，不用在这些小地方犯错误。 此外，该软件支持与 S7-200 的通讯，利用该软件的上载功能可以把自己编写的 PLC 程序传送到 PLC 中去，使 PLC 控制器真正地运行起来。 第四章 控制系统的软件设计 - 20 - 4.2 控制框图 上电复位上电复位 A A罐加液罐加液 A A罐加水罐加水 B B罐加液罐加液 B B罐加水罐加水 B B罐喷液罐喷液 B B罐搅拌罐搅拌 A A罐搅拌罐搅拌 置位置位B B2 2 复位复位A A1 1 标志位判断标志位判断 置位置位A A2 2 复位复位B B1 1 自动操作自动操作手动操作手动操作 A A罐喷液罐喷液 A A1 1= =1 1 A A2 2= =1 1 B B1 1= =1 1 B B2 2= =1 1 A A1 1= =0 0 B B1 1= =0 0 AEAE BEBE ALAL BLBL AEAEAEAE 风机启动风机启动 结束结束 标志位判别标志位判别 C C1 1= =1 1 D D1 1= =0 0 D D1 1= =0 0 置位置位B B1 1 置位置位A A1 1 开始工作开始工作 自动手动判自动手动判 断断 图 4-2 燃烧控制框图 第四章 控制系统的软件设计 - 21 - 4.3 系统的整体设计概念 开始工作以后，判断系统是否是自动状态，假若是自动状态，则系统运行 如下，离心泵 D1 和电磁阀 X11 处于工作状态后易燃液注入 A 罐，当 A 罐燃液 达到罐内设定的液位 AE 时，液位控制器发出信号，离心泵 D1 停止工作，离心 泵 D2 开始工作，电磁阀 X12 打开，开始向 A 罐注入水，同时搅拌器 M1 工作 （搅拌时间和间隔时间用户自定） ，当水达到罐内设定液位 AC 时，液位控制器 发出信号，电磁阀 X11、X12 截止，同时电磁阀 X13 打开，高压泵 D3 工作，A 罐混合溶液在高压泵 D3 的作用下经节流阀与氧气混合并且雾化， 经过喷头射入 炉膛内。 在 A 罐停止注入混合液时， 电磁阀 X21 打开，离心泵 D1 工作， 易燃液向 B 罐注入，当易燃液达到 B 罐内设定的液位 BE 时，液位控制器发出信号，离心泵 D1 停止工作，离心泵 D2 开始工作，电磁阀 X22 打开向罐内注入水，同时搅拌 器 M2 开始工作，当 B 罐内溶液达到设定的液位 BC 时， 电磁阀 X21、X22 截 止，向 B 罐注入易燃液和水的工作结束。 当 A 罐混合液降到罐内最低位置 AL 是， 液位控制器发出信号， 电磁阀 X13、 截止，电磁阀 X23 打开，B 罐混合液在高压泵 D2 的作用下，经节流阀与氧气混 合雾化，通过喷头射入炉膛内。 当 B 罐混合液向炉膛内喷射时，A 罐开始注入易燃液和水，重复上述循环 过程，系统就进行自动喷射。 手动状态则显示系统，系统进行标志位判别，A 罐的加液，加水都得到了手 动指示，当手动状态指向 A 罐加液，则离心泵 D1 工作，电磁阀 X11 开启，则 向 A 罐内加易燃液，系统切换加水不是按照液位 AE 的而是操作人操作了。A 罐喷液也是如此。 4.4 典型模块介绍 下面就控制系统中的各个手动操作进行介绍，手动操作，自动操作，初次 上电，富氧启动等模块进行介绍。 第四章 控制系统的软件设计 - 22 - 手动操作 自动操作 停止 初次上电 第四章 控制系统的软件设计 - 23 - A 罐搅拌 富氧电机启动 富氧自动程序 液位指示 第五章 触摸屏控制介绍 - 24 - 第五章 触摸屏控制介绍 本系统的操作在触摸显示屏内由五个功能键组成，操作人员可以通过触摸 屏选择功能键进行选择操作方式。详见下图 年 月 日时 间 操作说明报警状态加氧控制 加液控制手动操作参数设置 图 5-1 触摸屏操作界面 5.1 自动操作界面 触碰加液 控制显示屏显示手动、重启、复位、返回等操作功能，详见下图。 手 动M2停止M1停止重 启 复 位返 回 图 5-2 自动输液控制界面 触碰手动功能，显示屏显示自动，系统进入自动工作状态，操作人员可根 据设备实际状况选择工作方式； 第一次使用本装置，可以直接按“复位”再按“手动”进入自动工作状态， 然后触碰“重启”系统开始工作； 如果罐内存有混合液，应选择触碰搅拌器 M1 或 M2，罐内搅拌器工作 1 至 3 分钟后，触碰“手动”功能，系统进入自动工作状态，再触碰“重启” ，系统 第五章 触摸屏控制介绍 - 25 - 开始工作。 5.2 参数设置 A、B 两罐内最高液位限量位置和最低液位限量位置出厂前已设定，无须重 设（AH、BH、AL、BL） ； 易燃液量注入量的设定，根据易燃液和水注入比例以及罐内几何尺寸，确 定易燃液注入总量来设定 AE、BE 位置； 水注入量的设定，根据易燃液和水注入比例以及罐内几何尺寸，确定水注 入总量来设定 AC、BC 位置； 触按显示屏参数设置功能、设置如图 5-3 搅拌时间 间隔时间 20 s 10 min 图 5-3 触摸屏参数设置界面 5.3 制氧 （1）制氧系统是由气体注入，富氧发生器、氧气供给等部分组成，制氧系 统工作是独立操作的； 触按加氧控制功能，示屏显示“风机启动” “真空泵启动” 真空泵启动 风机启动 真空泵停止 返回主画面 图 5-4 加氧控制画面 操作人员可根据需求进行选择； 第五章 触摸屏控制介绍 - 26 - 5.4 报警 最高限位报警，本装置设置了最高限位报警控制，当罐内混合液达到最高 限位时，液位控制器发出声光报警信号，同时离心泵 D1 和电磁阀 X3 停止工作 避免溶液溢出罐外； 报警状态功能示屏显示系统各主要电机工作运行状况操作人员可直观查找 故障点并进行处理。显示屏界面请看图 5-5 正 常离燃液泵D1 正 常放液泵D3（高压泵） 搅拌电机 1正 常 正 常容器 罐（液位报警器）容器 罐（液位报警器）正 常 正 常搅拌电机 1 返 回 图 5-5 报警状态功能显示屏 5.5 使用触摸屏操作注意事项 1、本装置在接通电源后应检查各电机旋转方向按指示要求； 2、过滤器在运行过程中应定时清洗避免系统压力过低； 3、在清洗过滤器时应先将另一组过滤器手动球阀打开，保证系统正常运行 后，再关闭需清洗过滤器的手动球阀，清洗过滤器； 4、液位控制器最高限位点（AH、BH）最低限位点（AL、BL）出厂前已设 定，不得随意变动； 第五章 触摸屏控制介绍 - 27 - 5、搅拌时间与搅拌间隔时间的单位为分钟； 6、重启功能的使用，系统具有断电和停止的记忆功能，当断电重启后，系 统重新进入工作状态，在自动状态下需要触按重启功能，系统才能正常工作； 7、第一次使用本装置，应选择“复位”功能对系统进行复位。 总 结 - 28 - 总 结 本次设计历时十几个周，我通过网络，图书馆，数据库参阅了大量西门子 PLC 的控制器，学习了 PLC 控制器的接线方法，扩展模块，电机的选型，传感 器的选型， 真正地详细的了解到一个传感器模块是怎么和 PLC 控制器联系起来。 由于 PLC 的广泛使用，现在已经形成了一种标准，那就是传感器给 PLC 的模拟 量输入是 4-20mA 的标准信号，真正学会了工程设计的方法，让我真正学会了怎 么去用西门子 S7-200 去设置一个控制系统，亲身感触了控制系统的三个方面的 设置，控制系统分三个部分，感受机构，控制机构和执行机构，这样构成了一 个闭环控制系统。 用一个人来形容这个控制系统那就是，感受机构相当于人的耳目，它告诉 我们这个世界发生了什么，就是一个反馈的过程，执行机构相当于认得双手， 来执行大脑发出的指令，控制机构就是这个大脑，它根据外界的反馈，该采取 什么处理措施，让执行机构去执行。任何的自动控制系统都是由这个三个部分 构成，富氧与助燃剂自动控制系统的控制部分选择是西门子 S7-200，模拟量输 入输出扩展模块是 EM235，执行部分是高压泵，引风电机，富氧电机还有电磁 阀等。控制助燃剂 A 罐 B 罐的自动更换，系统主要分为三个系统，自动喷射系 统，富氧自动系统，自动加液系统采用 A 罐 B 罐轮流方式。操作方式有两种， 手动方式和自动运行方式，系统利用昆仑触摸屏设计了易人界面，让各个操作 方式都可以在触摸屏上可以显示出来，真正地让操作人员得到模拟现场的控制 效果。 本设计完成了任务书提出的要求,实现了氧气和助燃剂跟随煤粉含量进行伺 服控制，提高锅炉的燃烧效率，是锅炉燃烧过程进行自动化操作，减少能源消 耗。 致 谢 - 29 - 致 谢 四年的大学生活在这个夏天就要画一个句号，但是对于我的学习生涯来说 这只是一个逗号，我还要不断学习，与时俱进。这次毕业设计课题是做一个锅 炉燃烧的辅助系统，用西门子 PLC 做的一个燃烧自动控制系统 ，使锅炉燃烧的 效率达到最高利用率。 本课题是在导师姜吉顺老师的悉心指导下完成的，在从事课题研究期间， 导师不仅在理论上指导我，而且教授我丰富的工程经验，能让我步入社会少走 不少弯路。在此深表感激。老师渊博的学识和严谨的治学态度，给我留下了深 刻的印象，并使我终身受益。谨在此向我敬爱的导师致以崇高的敬意和衷心的 感谢! 最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师！谢谢！ 参考文献 - 30 - 参考文献 1 于桂音, 邓洪伟, 等. 电气控制与 PLC. 中国电力出版社. 2010.7. 2 张宏建, 黄志尧, 等. 自动检测技术与装置. 化学工业出版社. 2012.8 3 阎石编著. 数字电子技术基础. 高等教育出版社. 2007 4 于海生. 微型计算机控制技术. 清华大学出版社, 2008.3 5 董传岱, 于云华, 等. 数字电子技术. 中国石