毕业设计（论文）开题报告-PLC在工业锅炉控制中的应用

X X 大学 本科毕业设计（论文）开题报告 题 目: PLC在工业锅炉控制中的应用 专 业: 班 级: 学 号： 学生姓名: 指导教师: X年X月本科毕业设计(论文)开题报告学生姓名学 号专 业指导教师职 称所在院系课题来源课题性质课题名称PLC在工业锅炉控制中的应用毕业设计的内容和意义课题背景：锅炉是发电厂及其它工业企业中最普遍的动力设备之一，它的功能是把燃料中的贮能，通过燃烧转化成热能，以蒸汽或热水的形式输向各种设备。目前，国内大多数工业锅炉都是人工控制的，或简单的仪表单回路调节系统，燃料浪费很大。工业锅炉作为一个设备总体，有许多被控制量与控制量，扰动因数也很多，许多参数之间明显地存在着复杂的耦合关系。对于工业锅炉这个复杂的系统，由于其内部能量转换机理过于复杂，采用常规的方式进行控制，难以达到理想的控制效果，因此，必须采用智能控制方式控制，才能获得最佳控制效果。毕业设计内容与技术要求：1掌握PLC相关技术,PID控制知识2PLC锅炉控制系统总体方案。3PLC锅炉控制系统硬件线路图。4控制系统的软件（梯形图）。5上位机监控的实现课题的意义和目的：意义：锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉40多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数热水锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，是用低成本自动化技术武装传统设备的一项具有深远意义的工作。 目的：1 直观而集中的显示锅炉各运行参数。能快速计算出在正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等众多运行参数量的瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。给人直观形象，减少观察的疲劳和失误； 2 可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确地记录，便于事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象； 3 在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值，并修改系统的控制参数，使锅炉一直保持在最佳燃烧； 4 减少了现场显示仪表，还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元，（例如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等），从而减少了投资也减少了故障率和各种干扰； 5 提高锅炉的热效率。从已在运行的锅炉来看，采用计算机控制后热效率可比以前提高5-10%，据用户统计，一台20T的锅炉，全年平均负荷70%，以平均热效率提高5%计，全年节煤800吨。 6 锅炉系统中包含鼓风机引风机循环水泵补水泵等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。通过对风机水泵进行变频控制可以平均节电达到30%-40%； 7 锅炉是一个多输入多数出、非线性动态对象，诸多调解量和被调量间存在着耦合通道。例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化，故而理想控制应该采用模糊控制方案。 8 锅炉微机控制系统经扩展后可构成分级控制系统，可与工厂内其他节点构成工业以太网。这是企业现代化管理不可缺少的； 9 作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。在采用计算机控制的锅炉系统中，有十分周到的安全机制，可以设置多点声光报警，和自动连锁停炉，杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。文献综述影响PLC控制系统可靠性的因素 PLC控制系统的干扰源大多产生在电流或电压剧烈变化的部分。来自空间的辐射干扰【1-2】 空间的辐射电磁场(EMI)主要由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。这种干扰影响主要来自两条路径：直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；对PIE通信网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小特别是频率有关。来自电源的干扰【3】 因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，更换隔离性能好的PIE电源才能解决问题。PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，如开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。PIC电源通常采用隔离电源，但因其结构及制造工艺使其隔离性并不理想。信号线引入的干扰【45】 与PLC控制系统连接的各类信号传输线除了传输有效的各类信息外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I0信号工作异常，大大降低测量精度，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入于扰造成IO模件损坏相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。来自接地系统混乱的干扰6-8 PLC控制系统正确接地是为了抑制电磁干扰的影响，并抑制设备向外发出干扰；而错误的接地反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统无法正常工作。 PLC控制系统的地线包括系统地、羼蔽她、交流地和保护地等，会引起各个接地点电位分布不均，不同接地点闻存在地电位差两引起地环路电流，影B趣系统燕常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A，B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常情况时地线电流将更大。屏蔽鼷、接地线和大地也有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内会穗现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合干扰信号网路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的遣环流就可熊在地线上产生泡谴分帮，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电糕予挠容限较羝，逻辑戆邀位的分布予扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或延枕。模拟建电位的分布将导致测量精度下降，引起信号测控失真和误动作。PID控制11-13 PID是工业生产中最常用的一种控制方式，PID调节仪表也是工业控制中最常用的仪表之一，PID 适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。PID参数自整定控制仪可选择外给定（或阀位）控制功能。可取代伺服放大器直接驱动执行机构（如阀门等）。PID外给定（或阀位）控制仪可自动跟随外部给定值（或阀位反馈值）进行控制输出（模拟量控制输出或继电器正转、反转控制输出）。可实现自动/手动无扰动切换。手动切换至自动时，采用逼近法计算，以实现手动/自动的平稳切换。PID外给定（或阀位）控制仪可同时显示测量信号及阀位反馈信号。PID光柱显示控制仪集数字仪表与模拟仪表于一体，可对测量值及控制目标值进行数字量显示（双LED数码显示），并同时对测量值及控制目标值进行相对模拟量显示（ 双光柱显示），显示方式为双LED数码显示+双光柱模拟量显示，使测量值的显示更为清晰直观。PID参数自整定控制仪可随意改变仪表的输入信号类型。采用最新无跳线技术，只需设定仪表内部参数，即可将仪表从一种输入信号改为另一种输入信号。PID参数自整定控制仪可选择带有一路模拟量控制输出（或开关量控制输出、继电器和可控硅正转、反转控制）及一路模拟量变送输出，可适用于各种测量控制场合。PID参数自整定控制仪支持多机通讯，具有多种标准串行双向通讯功能，可选择多种通讯方式，如RS-232、RS-485、RS-422等，通讯波特率3009600bps 仪表内部参数自由设定。可与各种带串行输入输出的设备（如电脑、可编程控制器、PLC 等）进行通讯，构成管理系统。汽包液位的控制9-10 影响汽包液位变化的扰动主要是蒸汽流量的变化和给水量的变化，在这里锅炉汽包液位控制采用的是三冲量双模自动调节系统图中蒸汽流量、给水流量和汽包液位等3个信号量经过变送器转换成电信号，作为系统的输人量，给水流量控制器改变给水阀的开度来调节给水流量，稳定汽包液位。在结构内部，蒸汽流量与给水流量同时作用于副回路，稳定状态下，两者相平衡，当其中之一由于受到干扰或自发扰动而发生变化时，给水流量控制器将根据两者之间的偏差，通过常规PID运算，输出作用于执行器超前调节给水流量，使水位保持基本不变：主回路中第一级的参数调节器采用模糊PID参数自校正控制器，当水位偏离给定值时，经模糊PID运算，得到给水流量的调整值，再经过给水流量控制器改变给水流量，使汽包液位恢复到给定值。燃烧系统的控制 燃烧系统任务是维持汽压稳定，使燃烧所提供的热量适应蒸汽负荷的需要，保证燃烧的经济性，维持炉膛负压在一定的范围内。炉膛负压的变化反映的是引风量与送风量的不适应，所以维持燃烧量与送风量的比值(风煤比)，就能达到最小的热量损失和最大的燃烧效率。为了得到最佳风煤比值，提高热效率，在此我们采用了一种称之为自寻优的控制策略3。已知：锅炉在充分燃烧前提下对燃烧热量的有效利用值为 式中：D为蒸发量；印dt为汽包压力变化率。D和印df均可测。热效率玎有在燃烧控制中将首先根据经验预先设定一个K(风煤比值)，当锅炉运行稳定后，通过改变风煤比值K，搜索计算出热效率的最优值，这里需要一定的延时再测算。得出K的最佳值后，将此时的K设定为最佳风煤比，启动自寻优定时器，经过一段时间后再次自动寻优。这样通过定时调整风煤比值K，可使燃烧率玎最大。 AD、DA转换 由现场模拟模块读人的数值为模拟值，比如0-10V的电压信号，4-20mA的电流信号等，模拟模块自动将这些值转换为对应的无量纲的数字值。为了方便编程和显示，需要将这些数字量转换成有量纲的数值；同理，对于需要输出的模拟量，也必须把输出值转换成对应的无量纲的数字值。 信号采集与数字滤波本系统需要将采集的模拟量(如液位)送到PLC中处理，考虑到工业现场的干扰信号很多，输入的模拟信号往往包含有干扰信号，电流变送器送人AD模块的电流值可能存在波动和尖峰干扰，所以通过AD采集来的数值还不能立即送给CPU使用，而必须经过滤波处理，除掉各种波动和干扰信号后方可送人CPU处理。与模拟滤波相比数字滤波不需要增加硬件，而且很灵活。在程序设计中对于数字值采用了限幅低通滤波的方法。主程序在每个扫描周期调用一次子程序进行模拟量的采集和滤波处理，处理的结果为安全后才移交给主程序使用。系统使用的AD模块如前述为SIEMENSEM231，该模块的转换结果是12位的，在模拟量采集的子程序中将每次的采集量累加到一个累加器中，当采集的次数达到预置值时，将累加器中的值取平均值，作为本次采集的最终结果，然后送到主程序中使用。 与上位机通讯 S7200CPU215具有PROFIBUSDP接口，可以方便地利用PROFIBUS现场总线的通讯协议与上位机进行通讯，将现场生产信息传送到上位机进行实时远程监控和生产管理。s7函数库中有相应的函数可直接进行数据的发送和接受，具体做法如下所示： (1)将S7200CPU215设置为Slave(从站)，上位机设置为Master(主站)。 (2)设置用于数据交换缓冲区的Profibus地址，并定义该缓冲区是输出数据还是接受数据，还有该缓冲区的大小为多少个字节。在上位机上也进行相应的操作。 DPSlave(PLC)的输人数据永远和DP Master(上位机)的输出数据相对应，同理DPSlave的输出数据永远和DPMaster的输人数据对应。 (3)定义数据交换区的诊断地址，用于通讯故障时PLC的诊断。 (4)定义缓冲区中每一个字节的具体含义，接着就可以调用系统函数，发送和接受数据。研究内容本设计重点是采用PLC实现锅炉运行过程中工艺参数的PID控制 PID控制器（Proportion Integration Differentiation.比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。 PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。 理论 比例- 来控制当前，误差值和一个负常数P（表示比例）相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。比如说，一个电热器的控制器的比例尺范围是10C，它的预定值是20C。那么它在10C的时候会输出100%，在15C的时候会输出50%，在19C的时候输出10%，注意在误差是0的时候，控制器的输出也是0。积分 - 来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID回路系统会在预定值定下来。微分 - 来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变作出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要D参数。 用更专业的话来讲，一个PID控制器可以被称作一个在频域系统的滤波器。这一点在计算它是否会最终达到稳定结果时很有用。如果数值挑选不当，控制系统的输入值会反复振荡，这导致系统可能永远无法达到预设值。锅炉汽包水位控制系统介绍汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以其值过高过低都可能造成重大事故。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，由于锅炉汽包水位对蒸气流量和给水流量变化的响应呈积极特性。但是在负荷(蒸气流量)急剧增加时，表现却为逆响应特性，即所谓的虚假水位，造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。 汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双重量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统 在本系统中使用的是单水位控制模式，所有的仪表都选用电动型仪表，其工作原理是：变送器将有传感器采集到的信号转换成为420mA的电流信号f（t），与系统的给定值求差，产生一个误差信号e（t）送给调节器，调节器根据误差信号，产生一个控制信号u(t)，执行器接收到控制信号后，产生相应的动作（关小或者开大阀门），维持汽包水位的稳定。其控制方框图如图所示。 燃烧系统的控制介绍燃油锅炉的燃烧控制主要有三个子系统构成：蒸汽压力控制系统、燃料空气比值控制系统和炉膛负压控