蒸汽锅炉控制系统.doc

鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 I 页 基于西门子 S7 300 的 40t 蒸汽锅炉控制系统 摘 要 随着社会经济的飞速发展 城市建设规模的不断扩大 以及人们生活水平的不断 提高 对城市生活供暖的用户数量和供暖质量提出了越来越高的要求 目前 我国大 部分地区冬季生活供暖仍然以锅炉供暖为主 锅炉房自动控制系统配置相对落后 风 机和水泵等电机的控制主要依赖值班人员的手工操作 控制过程繁琐 耗电耗煤 而 且手动控制无法对锅炉供水温度和管网压力变化及时做出适当的反应 本文设计了一套基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统 该控制系统由可 编程控制器 变频器 风机和水泵电机 传感器 以及控制柜等构成 系统主要包括 四个控制回路 锅炉汽包水位控制回路 水温控制回路 炉排控制回路和炉膛负压控 制回路 系统通过变频器控制电动机的启动 运行和调速 系统以西门子S7 300可编 程控制器为下位机 下位机控制程序采用西门子公司的STEP7编程软件设计 主要完 成模拟量信号的处理 水位 温度和压力信号的PID控制等功能 并接收上位机的控制 指令以完成风机启 停控制 参数设定 循环泵控制和补水泵控制 本文设计的变频控制系统实现了锅炉燃烧过程的自动控制 有效地降低了能耗 提高了生产管理水平 系统安装维护方便 运行稳定 可靠 系统整体设计合理 功 能齐全 实现了预期的目标 关键词 锅炉控制 变频调速技术 PLC PID 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 II 页 For Siemens S7 300 40 Tons Steam Boiler Control System Abstract With the rapid development of social economy and the increasingly improved living standard of people the scale of city construction is unprecedentedly expanded arousing urgent requirement for high quality living heating system to meet the sustainingly increased need In the majority of our country however most current living heating systems for winter use are relatively still out of date boiler heating system in which the core part namely the control of operating fans in stokehold and water pumps is still manual and therefore hard to realize real time adjustment according to changing pressure in the pipes and temperature of water supplied Consequently this fussy manual control inevitably leads to unnecessary huge waste of coal and electrical power In this paper a heating boiler control system based on PLC and variable frequency speed regulating technology is designed The control system is made up of PLC transducers electromotor units of pumps and fans sensors and control tanks etc In the program control system is consisted by four loops that is the water level control loop the water temperature control loop the boilers belt control loop and the hearth pressure control loop It can control electromotor starting running and timing by means of transducers The hardware system adopts a Siemens S7 300 PLC as the lower control system LCS The control software of LCS designed with STEP7 Siemens PLC software toolbox is mainly used to deal with functions such as processing analog signals PID control of water level temperature and pressure and accepting control instructions from the upper supervisory system USS to realize starting stopping of electromotors setting of analog parameters and control of water pumps The frequency control system proposed not only can realize automatic control of boiler burning process efficiently having greatly reduced energy consumption and in the meantime effectively improved the level of boiler control management but also has many advantages such as stable and reliable running flexible operation etc The whole design is feasible and reliable and reach the expected objective 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 III 页 Key words boiler control variable frequency speed regulating technology PLC PID 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 IV 页 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 蒸汽锅炉设备的基本结构 1 1 2 1 蒸汽锅炉本体 1 1 2 2 辅助设备 2 1 3 蒸汽锅炉的工作过程 3 1 3 1 燃料燃烧与通风系统 3 1 3 2 汽 水系统 3 1 4 控制要求 3 1 4 1 控制汽包水位 4 1 4 2 控制蒸汽温度 4 1 4 3 控制炉膛压力 4 1 4 4 控制燃烧系统 5 1 4 5 控制鼓风引风量 5 2 PLC 硬件设计 6 2 1 PLC 的发展历程 6 2 2 PLC 特点 6 2 3 S7 300 简介 8 2 4 系统组成 8 3 软件设计 10 3 1 S7 300 编程软件简介 10 3 2 控制系统软件设计 11 3 2 1 控制算法的选择 11 3 2 2 STEP7 中的 PID 功能块 12 3 2 3 主程序设计 12 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 V 页 3 2 4 子程序设计 13 结 论 19 致 谢 20 参考文献 21 附录 A S7 300 PLC MODULE SPECIFICATION 22 附录 B S7 300 模板规范手册 30 附录 C 蒸汽锅炉控制系统原程序 36 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 1 页 1 绪论 1 1 引言 供暖锅炉控制系统属于过程控制系统 其控制的目标是控制锅炉燃烧过程中的水 位 炉膛负压等参数 使锅炉燃烧工况良好 保证设备运行安全 满足用户的供热要 求 目前 大多数供暖用锅炉的设计 管理和使用还处于七八十年代水平 炉温不高 燃烧不充分 控制与使用自动化程度不高 这样不仅在管理上和运转上浪费大量人力 物力 而且还为安全生产带来隐患 如今 交流电机的调速技术日趋完善和成熟 采 用变频调速器可以改变电源的频率 进而调整水泵的转速 实现对水位的控制 调节 鼓引风机的转速 实现风量的调节 达到锅炉负压自动调节控制的目的 同时可使电 机实际功率随锅炉负荷的变化 即风机风量的变化 而变化 达到低负荷 低消耗运行 的目的 本系统正是顺应了这种趋势针对供暖蒸汽锅炉而设计的 1 2 蒸汽锅炉设备的基本结构 常见的蒸汽锅炉系统如图 1 1 所示 锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两 大部分 锅炉中的炉膛 炉筒 燃烧器 省煤器 空气预热器 构架和炉墙等主要部 件构成生产蒸汽的核心部分 称为锅炉本体 锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和 炉筒 1 2 1 蒸汽锅炉本体 1 炉膛 其横截面一般为正方形或矩形 燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气 所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成 在炉墙的内表面上常敷设水冷壁 管 它既保护炉墙不致烧坏 又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热 2 炉筒 接受省煤器来的给水 联接循环回路 并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒 形容器 炉筒整体由优质厚钢板制成 是锅炉中最重的部件之一 炉筒的主要功能是作为省煤器 汽化受热面和蒸汽过热器的联接枢纽 内部布置 锅内设备 进行汽水分离过程 作为联接多排并列管子的结合体以构成管束受热面 作为自然循环回路的组成部分 贮存锅水 形成一定的蓄热能力 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 2 页 3 蒸汽过热器 是一种辅助受热面 有许多蛇形钢管组成 饱和蒸汽流经它继续 受热而变为过热蒸汽 图 1 1 锅炉控控制系统硬件组成图 4 省煤器 实际上是一个给水预热器 它由开鳍片的铸铁管组装而成 也可用钢 管制作 锅炉给水先流经省煤器 因为吸收烟气余热 可有效地降低锅炉排烟温度 故节约燃料 5 空气预热器 是利用排烟的余热加热入炉空气的装置 其整个结构为数量众多 的钢管制成的管箱组合体 燃烧所需的空气在管外流过时受到管内烟气加热 以改善 燃烧条件 1 1 2 2 辅助设备 辅助设备是为了维持锅炉的正常运行而设置的 他包括给水设备 通风设备 燃 料供应和除灰设备以及仪表和控制设备等 它们分别由相应的管路或机械 电子装置 与锅炉本体相连接 构成各自的工作系统 1 给水设备 由水处理装置 水箱和给水泵等组成 水处理装置是用来除去水中 杂质 保证给水品质 经处理的锅炉给水是借助给水泵提高压力后流经省煤器送入炉 筒 2 通风设备 包括鼓风机 引风机和烟囱等 其作用是向炉子供应燃烧所需的空 气和将烟气引出排出至大气 在炉膛前克服各项阻力 将空气送入炉膛的风机 称为鼓风机 在炉膛后克服各 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 3 页 项阻力将烟气排入烟囱的 称为引风机 鼓风机输送的是常温空气 其鼓风量应满足燃料完全燃烧的需要 引风机输送的 是高温烟气 温度高 体积膨胀 容量就加大 因此引风量约为鼓风机的 1 5 2 5 倍 并且它的轴是在高温烟气中工作 所以整个轴及轴承的温度也升高了 由于轴承经受 不了高温 因此必需在引风机轴承座处装置冷却水管对其进行冷却 另外 烟气带有 的烟尘对金属与研磨侵蚀的作用 所以要用较厚和耐磨的钢材来制作引风机 3 燃料供应及除灰设备 是为了输运燃料和排除灰渣而设置的 对于需要将燃料 预先加工的锅炉 还应包括诸如破碎 磨煤等燃料制备设备 此外 为了改善环境卫 生和减少烟尘污染 在烟道尾部大多还装有除尘器 4 仪表及控制设备 除了水位表和安全阀等装在锅炉本体上的监察仪表和安全附 件外还常装置有一系列指标 计算仪表和控制设备 如煤量计 蒸汽流量计 水表 温度计 风压计和控制设备等 1 3 蒸汽锅炉的工作过程 1 3 1 燃料燃烧与通风系统 在煤场上经筛选的锅炉用煤由提升设备和带式输煤机送入储煤斗 靠自重下滑经 炉前小煤斗送达炉排 借自前向后运动的炉排将它带进炉内燃烧 燃烧所需的空气 由送风机先送往空气预热器进行预热 再经风室从炉排的通风孔隙进入煤层参与燃烧 反应 煤随着炉排边运动边燃烧 燃尽的灰渣在后端翻落于灰渣斗 最后由除灰设备 排除 燃烧生成的高温烟气 离开炉膛后以较高的流速冲刷蒸汽过热器和对流管束 然后进入尾部烟道 流经省煤器和空气预热器 此时烟气因对流放热已大量降温 烟 气中携带的飞灰 大部分由除尘器除去 比较洁净的烟气最后由引风机送入烟囱排于 大气 1 3 2 汽 水系统 经过水处理设备处理的锅炉给水 由给水泵升压 通过给水管先送到省煤器预热 而后进入锅筒 锅筒是一个汽 水共存的容器 各循环回路的汽水混合物在锅筒中汇 集 借助重力作用和汽水分离装置使汽 水得以分离 水落回水空间继续循环受热 饱和蒸汽即由蒸汽管引出 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 4 页 1 4 控制要求 锅炉控制系统 一般由以下几部分组成 即由一次仪表 PLC 上位机 手自动 切换操作 执行机构及阀 电机等部分组成 一次仪表将锅炉的温度 压力 流量 氧量 转速等量转换成电压 电流等送入 PLC 控制系统包括手动和自动操作部分 手动控制时由操作人员手动控制 用操作器控制变频器 电机等 自动控制时对 PLC 发出控制信号经执行部分进行自动操作 PLC 对整个锅炉的运行进行监测 报警 控 制以保证锅炉正常 可靠地运行 除此以外为保证锅炉运行的安全 在进行可编程控 制系统设计时 对锅炉水位 锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置 以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置 以免锅炉发生重大事故 系统具有多个控制回路 可提供多个调节输出信号 通过变频器等执行器控制锅 炉的炉排 鼓风 引风电机转速 汽包水位等 达到对锅炉给煤量 输氧量 烟气流 量等的控制目的 实现控制出水温度 蒸汽压力或蒸汽温度 炉膛负压的要求 1 4 1 控制汽包水位 锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包中的水位 在工艺允许的范围内 锅炉汽包水位高度 是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数 对现代工业生 产来说尤其是这样 因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高 汽包容积相对减 小 水位变化速度很快 稍不注意就容易造成汽包满水 或者烧成干锅 在现代锅炉 操作中 即使是缺水事故 也是非常危险的 这是因为水位过低 就会影响自然循环 的正常进行 严重是会使个别水管形成自由水面 产生流动停滞 致使金属管壁局部 爆管 无论满水或缺水都会造成事故 因此 必须严格控制水位在规定范围之内 2 1 4 2 控制蒸汽温度 过热蒸汽的温度是生产工艺确定的重要参数 蒸汽温度过高会烧坏过热器水管 对负荷设备的安全运行带来不利因素 因为现代的蒸汽锅炉 金属强度的安全系数设 计得都比较小 超温严重会使汽机或其它负荷设备膨胀过大 使汽机的轴向推力增大 而发生事故 汽温过低直接影响负荷设备的使用 对汽机来说 会影响它的效率 因 此 从安全生产和技术经济指标上看 必须保持蒸汽温度在额定值范围之内 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 5 页 1 4 3 控制炉膛压力 锅炉在正常运行中 炉膛压力必须保持在规定的范围之内 如果是负压操作 则 负 压偏正 局部地区容易喷火 不利于安全生产 不利于环境卫生 负压过大 漏风严 重 总风量增加 烟气热损失增大 不利于经济燃烧 由于燃烧室的空间很大 加之 介质密度差产生的自升引力 使沿着炉膛向上的负压越来越大 所以保持某个高度上 的负压是必要的 可行的 1 4 4 控制燃烧系统 燃烧系统的自动调节是使燃料量与空气量相适应 维持燃料量与空气量有一定的 比值 以保证燃烧过程的经济性 如果能够恰当地保持燃烧量与空气量的正确比例 就能达到最小的热量损失和最大的燃烧效率 反之 如果比值不当 空气不足 结果 导致燃料的不完全燃烧 当大部分燃料燃烧不完全时 热量损失在烟气之中 使燃烧 效率降低 所以对燃烧的控制是十分必要的 1 4 5 控制鼓风引风量 为了保证锅炉炉膛内的燃料连续不断的燃烧 必须向炉膛内供应足够量的空气 同时将燃烧产生的烟气通过受热面 烟道及除尘器等设备 最后由烟囱排入大气 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 6 页 2 PLC 硬件设计 2 1 PLC 的发展历程 在工业生产过程中 存在着大量的开关量顺序控制 它按照逻辑条件进行顺序动 作 并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制 及大量离散量的数据采集 传统上 这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的 1968 年美国 GM 通用汽车 公司提 出取代继电气控制装置的要求 第二年 美国数字公司研制出了基于集成电路和电子 技术的控制装置 首次采用程序化的手段应用于电气控制 这就是第一代可编程序控 制器 称 Programmable Controller PC 个人计算机 简称 PC 发展起来后 为了方便 也为了反映可编程控制器的功能 特点 可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller PLC 现在 仍常常将 PLC 简称 PC PLC 的定义有许多种 国际电工委员会 IEC 对 PLC 的定义是 可编程控制器 是一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境下应用而设计 它采用可编程序的 存贮器 用来在其内部存贮执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作 的指令 并通过数字的 模拟的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 可编 程序控制器及其有关设备 都应按易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩充其功 能的原则设计 上世纪 80 年代至 90 年代中期 是 PLC 发展最快的时期 年增长率一直保持为 30 40 在这时期 PLC 在处理模拟量能力 数字运算能力 人机接口能力和网络能 力得到大幅度提高 PLC 逐渐进入过程控制领域 在某些应用上取代了在过程控制领 域处于统治地位的 DCS 系统 PLC 具有通用性强 使用方便 适应面广 可靠性高 抗干扰能力强 编程简单 等特点 PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位 在可预见的将来 是无法 取代的 2 2 PLC 特点 PLC 能如此迅速发展的原因 除了工业自动化的客观需要外 还有许多独特的优 点 它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠 安全 灵活 方便 经济等问 题 其主要特点如下 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 7 页 1 编程方法简单易学 梯形图是可编程序控制器使用最多的编程语言 其电路符号和表达方式与继电器 电路原理图相似 梯形图语言形象直观 易学易懂 熟悉继电器电路图的电气技术人 员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言 并用来编制用户程序 梯形图语言实际上 是一种面向用户的高级语言 可编程序控制器在执行梯形图程序时 应先用解释程序 将它 翻译 成汇编语言后再去执行 2 硬件配套齐全 用户使用方便 适应性强 可编程序控制器产品已经标准化 系列化 模块化 配备有品种齐全的各种硬件 装置供用户选用 用户能灵活方便地进行系统配置 组成不同功能 不同规模的系统 可编程序控制器的安装接线也很方便 一般用接线端子连接外部接线 可编程序控制 器有较强的带负载能力 可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器 硬件配置确定后 可以通过修改用户程序 方便快速地适应工艺条件的变化 3 系统的设计 安装 调试工作量少 可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器 时间继 电器 计数器等器件 使控制柜的设计 安装 接线工作量大大减少 可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法 这种编程方法很有规律 容易掌握 对于复杂的控制系统 梯形图的设计时间比继电器系统电路图的设计时间 要少很多 可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试 输入信号用小开关来模拟 通过可编程序控制器上的发光二级管可观察输出信号的状态 完成了系统的安装和接 线后 在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序可以解决 系统的调试时间 比继电器系统要少得多 4 维修工作量小 维修方便 可编程序控制器的故障率低 且有完善的自诊断和显示功能 可编程序控制器或 外部的输入装置和执行机构发生故障时 可以根据可编程序控制器上的发光二级管或 编程器提供的信息迅速地查明产生故障的原因 用更换模块的方法迅速地排除故障 5 体积小 能耗低 对于复杂的控制系统 使用可编程序控制器后 可以减少大量的中间继电器和时 间继电器 小型可编程序控制器的体积仅相当于几个继电器的大小 因此可将开关柜 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 8 页 的体积缩小到原来的 1 2 1 10 可编程序控制器的配线比继电器系统的配线少得多 故可以省下大量的配线和附 件 减少大量的安装接线工时 加上开关柜体积的缩小 可以节省大量的费用 3 2 3 S7 300 简介 S7 300 系列 PLC 是基于模块化结构设计的 采用 DIN 标准导轨安装 配置灵活 安装简单 扩展方便 各种模块可以进行广泛的组合和扩展 主要模块有中央处理单 元 CPU 模块 信号 SM 模块 通信处理器 CP 模块 功能 FM 模块 辅 助模块有电源 PS 模块 接口 IM 模块等 它通过 MPI 网的接口直接与编程器 PG 操作员面板 OP 和其它 S7 PLC 相连 其主要功能如下 1 高速的指令处理 0 1 0 6 s 的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内 开辟了全新的应用领域 1 浮点数运算 用此功能可以有效地实现更为复杂的算术 运算 2 方便用户的参数赋值 一个带标准用户接口的软件工具可以给所有模块进 行参数赋值 2 诊断功能 CPU 的智能化的诊断系统可连续监控系统的功能是否正常 记录错 误和特殊系统事件 例如超时 模块更换等 3 口令保护 多级口令保护可以使用户高度 有效地保护其技术机密 防止未经 允许的复制和修改 S7 300 的操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出 当钥匙拔出时 就不能改变操作方式 这样就防止非法删除或改写用户程序 2 4 系统组成 本文前面章节己论述了系统的控制任务 根据系统控制要求 统计出本系统对主 PLC 的 I O 总能力要求为 开关量输入 17 点 开关量输出 12 点 模拟量输入 3 通道 模拟量输出 4 通道 综合考虑系统对 PLC 运算能力的要求等因素 选用西门子的 S7 300 系列 PLC CPU 模块选用 CPU 313 具体配置如图 2 1 所示 4 1 电源负载模块 PS 307 用于将 SIMATIC S7 300 连接到 120 230V 交流电源 或 24V 直接电源 它与 CPU 模块和其它信号模块之间电缆连接 而不是通过背板总线 连接 2 中央处理单元模块 CPU 313 具有较大的程序存储器 低成本的解决方案 适用于对速度要求较高 程序较大的小型应用领域 CPU 内置 12KB 的 RAM 其装载 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 9 页 存储器为内置 20KB 的 RAM 可用存储卡扩充装载存储器 最大容量为 256KB 扩展 模块只能装在一个机架上 最大扩展 128 点数字量和 32 路模拟量 表表2 2 1 1 模块地址示意图模块地址示意图 序号名称型号槽号地址号 1电源PS 307 10A1 2CPUCPU 3132 3数字量输入模块SM321 DI16xAC120 230V40 0 1 7 4数字量输出模块SM322 DO16xAC120V 230V 0 5A54 0 5 7 5模拟量输入模块SM331 AI8x16Bit6288 303 6模拟量输出模块SM332 AO4x16Bit7304 311 7数字量输入模块SM321 DI16xAC120 230V816 0 17 7 3 接口模块 IM365 接口模块用于 S7 300 系列 PLC 的中央机架到扩展机架 的连接 IM365 用于连接中央与一个扩展机架 由两个模块组成 一块插入中央机架 通过 1m 长的连接电缆 将另一块插入扩展机架 在扩展机架上最多可安装 8 块模块 4 信号模块 SM 使不同的过程信号电平和 S7 300 的内部信号电平相匹配 主 要数字量输入模块 SM321 数字量输出模块 SM322 模拟量输入模块 SM331 模拟量 输出模块 SM332 等 每个信号模块都配有自编码的螺紧型前连接器 外部过程信号可 方便地连在信号模块的前连接器上 特别指出的是模拟量输入模块独具特色 它可以 接入热电偶 热电阻 4 20mA 电流 0 10V 电压等 18 种不同的信号 输入量程范 围很宽 5 通讯处理器 CP340 西门子公司实现点到点串口通 M 的低成本解决方案 有 三种形式的传输接 1a RS 232C V 24 20mA TTY RS422 485 X 27 固化有 3964 R 协议和 ASCII 协议两个标准通信协议 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 10 页 3 软件设计 3 1 S7 300 编程软件简介 S7 300 的编程语言是 STEP7 STEP7 继承了 STEP5 语言结构化程序设计的优点 用文件块的形式管理用户程序及程序运行所需的数据 如果这些文件块是子程序 可 以通过调用语句 将他们组成结构化用户程序 这样 PLC 的程序组织明确 结构清 晰 易于修改 STEP7 支持的编程语言非常丰富 有 LAD 梯形图 STL 语句表 SCL 标准控 制语言 FBD 功能块图 GRAPH 顺序控制 HiGraph 状态图 CFC 连续功能图 等 用户可以选择一种编程 如果需要 也可以混合几种语言编程 这些编程语言都是面 向用户的 它使控制程序的编程大大简化 对用户来说 开发 输入 调试和修改程 序极为方便 本系统中主要采用 LAD 梯形图 语言编程 LAD 梯形图 语言最接近于 继电器控制系统中的电气控制原理图 是应用最多的一种编程语言 与计算机语言相 比 梯形图可以看作是 PLC 的高级语言 几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件 逻辑 因此 它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受 是初学者理想 的编程工具 通常 用户程序由组织块 OB 功能块 FB FC 数据块 DB 构成 其中 OB 是 系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面 用于控制程序的运行 OB 块 根据操作系统调用的条件 如时间中断 报警中断等 分成几种类型 这些类型有不同 的优先级 高优先级的 OB 可以中断低优先级的 OB 每个 S7 CPU 包含一套可编程 OB 块 随 CPU 而不同 不同的 OB 块执行特定的功能 OBI 是主程序循环块 在任 何情况下 它都是需要的 根据过程控制的复杂程度 可将所有程序放入 OBI 中进行 线性编程 或将程序用不同的逻辑块加以结构化 通过 OBI 调用这些逻辑块 除了 OBI 操作系统可以调用其它的 OB 块以响应确定事件 其他可用的 OB 块随 所用的 CPU 性能和控制过程的要求而定 功能块 FB FC 实际上是用户子程序 分为带 记忆 功能块 FB 和不带 记忆 功能块 FC 前者有一个数据结构与该功能块的参数表完全相同的数据块 DB 附属于 该功能块 并随功能块的调用而打开 随功能块的结束而关闭 该附属数据块叫做背 景数据块 Instance Data Block 存放在背景数据块中的数据在 FB 块结束时继续保持 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 11 页 即被 记忆 功能块 FC 没有背景数据块 当 FC 完成操作后数据不能保持 数据块 DB 是用户定义的用于存储数据的存储区 也可以被打开或关闭 DB 可 以是属于某个 FB 的背景数据块 也可以是通用的全局数据块 用于 FB 或 FC S7 CPU 还提供标准系统功能块 SFB SFC 它们是预先编好的 经过测试集成 在 S7 CPU 中的功能数据库 用户可以直接调用它们 高效地编写自己的程序 由于它 们是操作系统的一部分 不须将其作为用户程序下载到 PLC 与 FB 块相似 SFB 需 要一个背景数据块 并将此 DB 块作为程序的一部分安装到 CPU 中 不同的 CPU 提供 不同的 SFB SFC 功能 系统数据块 SDB 是为存放 PLC 参数所建立的系统数据存储 区 用 STEP7 组态软件可以将 PLC 组态数据和其它操作参数存放于 SDB 中 5 3 2 控制系统软件设计 蒸汽锅炉控制系统是将变频调速技术 可变程控制技术相结合 完成蒸汽锅炉对 给水 给煤 送风 引风等参数的自动控制 使锅炉汽包水位 炉膛负压 给水量等 在系统控制下 实现燃烧工况控制 保持锅炉的最佳运行状态 实现蒸汽锅炉系统安 全 可靠 稳定运行和达到节能降耗的目的 本系统共分四个回路进行控制 分别包括水位与给水回路 水温与炉排回路 鼓 风与炉排回路 引风与炉膛负压回路 各回路的控制均采用传统 PID 控制算法 鼓风 机 引风机 给水泵 炉排电机全部采用变频调速 在锅炉安全运行 节能 环保 减轻操作人员的劳动强度等方面 取得了良好的效果 3 2 1 控制算法的选择 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一 由于其算法简单 代码少 可靠性高 等优点 使得 PID 在工程中应用达 90 以上 当用计算机实现后 数字 PID 控制器更 显示出参数调整灵活 算法变化多样化 简单方便的优点 同时在其他智能控制算法 发展的同时 PID 算法同样也在发展 出现了模糊 PID 带死区的 PID 等改进算法 使用 PID 算法在应用范围内控制精度较高 由于 PID 控制存在积分的作用 可使 微小的误差得以累计 从而最终消除静差 PID 算法也存在一些缺点 改进 PID 调节 器的内部结构或算法 可得到更好的调节效果 考虑到工程实用性 本试验室各模拟量控制环路采用 PID 控制算法 由 PLC 中的 PID 特殊功能模块实现 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 12 页 3 2 2 STEP7 中的 PID 功能块 在 SIMATIC STEP7 中有 FB41 FB42 及 FB43 共 3 个 PID 功能块 其中 FB41 是 模拟 PID 控制块 FB42 是数字 PID 控制块 FB43 是脉冲发生块 因温度 压力 水 位都是模拟量 故选用 FB41 对于标准的 PID 控制模块 FB41 通过设置其中的参数 就可以实现一个 PID 算法 其中的用户参数如设定值 过程变量 操纵变量 比例增 益 积分时间 微分时间 采样时间 量化处理 功能选择等储存在数据块中 给定 值为 SV n 实际为 PV n 偏差为 e n 比较后进入死区检查 再进行 P I D 参数 实时整定 FB41 其原理如下图 图 3 1 STEP7 中的 PID 模块原理图 3 2 3 主程序设计 主程序通过循环组织块 OBI 完成 图3 2给出了OBI中的主程序结构 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 13 页 组织块OB1调用功能块FC1 FC2 FC3 FC4 FC1完成给水泵的启 停控制 并根 据水位随时调节变频器频率 FC2完成炉排电机启 停控制和参数设定 对水温进行调 节 FC3完成燃烧系统 鼓风电机的启 停控制 及相应的频率调节 FC4完成引风电机 的启 停控制 及对炉膛负压进行调节 图3 2 主程序结构 3 2 4 子程序设计 本设计综合考虑锅炉的控制特性和现场条件 确定采用PLC加上位机监控工作方 式同操作台手动操作切换方式 其中PLC 加上位机工作方式可用于自动状态 操作台 工作方式用于人工调试或紧急情况下使用 两种方式间可自由切换 本设计主要设计 PLC的控制方式 在整个系统运行时 上位机完成参数设定和状态监控 PLC 负责实 时控制程序的运行 系统由4个子系统组成 锅炉汽包水位控制子系统 水温控制子系 统 炉排控制子系统和炉膛负压控制子系统 各个子系统运行时 传感变送器对炉膛温度 炉膛负压 蒸汽压力 汽包液位 蒸汽流量和给水流量这些现场信号进行传感变送 现场信号通过传感器变送后为标准 模拟信号 标准模拟信号通过可编程控制器的模拟输入输出通道转化为数字量信号 可编程控制器根据这些信号运行预定程序并给出相应的控制量 这些控制量通过可编 程控制器的模拟量通道输出对变频器进行调速 变频器控制给水水泵 炉排电机 鼓 风机和引风机转速大小 从而实现系统的自动化运行 各系统分两种工作方式 即自动和手动控制方式 系统工作在手动方式下时 司 炉工对系统进行控制 司炉工根据操作台上显示仪表显示的现场信号 汽包液位 水 温 炉膛负压等 根据需要 分别调节操作台面板上的给水泵 炉排电机 鼓风机 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 14 页 和引风机调速旋钮 调速旋钮调节相应变频器的输出大小 而变频器的输出大小直接 控制给水泵 炉排转速 鼓风量和引风量 从而实现控制锅炉运行过程 当系统工作 在自动方式下时 控制系统的控制核心PLC 根据现场传感变送器反馈回来的现场信号 汽包液位 炉膛温度 蒸汽压力和炉膛负压 根据程序算法 输出控制量调节变 频器的输出大小 而变频器的输出大小直接控制给水泵 炉排转速 鼓风量和引风量 1 FC1 给水泵控制 FC1给水泵控制程序主要实现给水泵系统中水泵电机的启 停控制 变频器频率设 定 水位PID控制等 锅炉水位控制采用的是单冲量自动控制方式 单冲量给水调节系 统是以水位作为唯一调节信号 即调节器只根据水位变化去改变给水调节机构 由锅 炉上锅筒的传感器测得的水位信号送到操作台上的水位自动控制仪 通过水位自动控 制仪发出4 20mA 电流信号 经与给定值比较后 进行PID运算 PID输出信号控制变 频器频率 在本锅炉控制设计中 汽包水位的正常运行范围为水位测量中心线的 50mm 为保证锅炉安全运行 需控制水位在这一范围内进行小幅变化 变频调速的结构主要由传感器 PID 调节器 变频器等组成 其工作原理是利用 传感器将测出的水位信号转化成电信号 通过 PID 运算控制变频器频率 改变电机转 速从而使水位恒定 给水泵控制程序的原理图如图3 3所示 该回路的输入 输出信号地址分配如表 3 1 表表 3 1 输入输入 输出信号地址分配表输出信号地址分配表 序号输入信号名称地址序号输出信号名称地址 1水泵变频器启动按钮I0 0 1水泵变频器线圈Q4 0 2水泵变频器停止按钮I0 1 2变频器故障报警Q5 0 3 手动按钮 I1 0 3水池水位上限报警指示灯Q4 4 4自动切换I1 1 4水池水位下限报警指示灯Q4 5 5水泵变频器报警信号I16 0 5水位控制变频器输出信号PQW304 6试灯按钮I1 3 6 7水位模拟量输入信号PIW288 7 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 15 页 图 3 3 补水调节 PID 控制原理图 模拟量输入程序见图 3 4 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 16 页 图 3 4 水位控制系统模拟量控制梯形图 详细程序见附录 2 FC2 炉排电机控制 炉排电机自动操作方式时 PID控制反馈量由水温传感器返回4 20ma信号到变频 器 给定目标值由PLC联接的触摸屏设定 由PLC通信传送给变频器 作业中可通过触 摸屏修改PLC给定目标值 在本锅炉控制设计中 水温范围在 50 650 为保证锅 炉安全 水温一般不能超过300 并将水温控制在210 左右 该回路的输入 输出信号地址分配如表 3 2 3 FC3 鼓风机控制 FC3 鼓风机控制程序主要实现引鼓风电机的启 停控制 变频器频率设定 PID 控 制等 鼓风机控制系统的任务是改变鼓风量来调节炉排的运行速度 以维持燃料的经 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 17 页 济燃 表表 3 2 输入输入 输出信号地址分配表输出信号地址分配表 序号输入信号名称地址序号输出信号名称地址 1炉排变频器启动按钮I0 2 1炉排变频器线圈Q4 1 2炉排变频器停止按钮I0 3 2水温上限报警指示灯Q4 6 3变频器报警信号I16 1 3变频器故障报警Q5 1 4试灯按钮I1 3 4水温控制变频器频率电流 信号 PQW306 5水温模拟量输入信号PIW290 5 烧 本系统采用比例控制 即根据鼓风量来控制炉排的转速 该回路的输入 输出信号地址分配如表 3 3 表表 3 3 输入输入 输出信号地址分配表输出信号地址分配表 序号输入信号名称地址序号输出信号名称地址 1鼓风机变频器启动按 钮 I0 4 1鼓风机变频器线圈Q4 2 2鼓风机变频器停止按 钮 I0 5 2变频器故障报警Q5 2 3变频器报警信号I16 2 3控制变频器频率电流信号PQW3 08 4试灯按钮I1 3 4 4 FC4 引风机控制 FC4引风机控制程序主要实现引风电机的启 停控制 变频器频率设定 PID控制等 炉膛负压控制系统的任务是改变引风量以维持炉膛压力稳定 一般维持炉膛负压在 50 100Pa的范围内 本系统的炉膛负压控制系统采用单回路控制系统 控制回路则是 根据炉膛负压设定值和检测的实际负压差值进行自动调节 以使炉膛负压在供暖系统 运行过程中保持在设定值范围内 当实际负压产生变化时 装置通过压力检测单元 传感器 将测出的压力信号转换成电信号 经A D转换 送至PLC 经过PID控制算 法计算后由D A单元输出给变频器 变频器再通过输出不同的电压及频率来控制引风 6 机的转速 从而改变炉膛负压 进而达到使炉膛在微负压状态的目的 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 18 页 蒸汽锅炉的炉膛负压控制系统的框图如图3 5所示 图 3 5 炉膛负压控制方块图 该回路的输入 输出信号地址分配如表 3 4 表表 3 4 输入输入 输出信号地址分配表输出信号地址分配表 序号输入信号名称地址序号输出信号名称地址 1变频器启动按钮I0 6 1变频器线圈Q4 3 2引风机变频器停止按钮I0 7 2变频器故障报警Q5 3 3变频器报警信号I16 3 3控制变频器频率电流信号PQW310 4试灯按钮I1 3 4 5炉膛负压模拟量PIW294 5 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 19 页 结 论 蒸汽锅炉控制系统集成了可编程控制技术和先进控制算法 通过对锅炉系统特性 研究 制定了相应的控制策略 并采用可靠高的 PLC 控制平台对蒸汽锅炉进行了比较 有效的控制 1 本文所做工作 1 本文完成了对锅炉及管网系统内鼓风机 引风机 炉排电机和补水泵的异步 电动机的变频改造 用变频器来启动电动机 调节电机的转速 代替了传统的风门控 制和阀门控制 节省了大量的电能 2 本文提出了供暖锅炉的控制模型 阐述了供暖锅炉的结构 作用 控制原理 等 针对变频器的控制提出了经典PID控制方式 3 选用西门子 S7 300 系列可编程控制器为下位机 完成锅炉水位控制系统 水 温控制系统 引风机控制系统和鼓风机控制系统的自动控制 4 下位机控制系统设计 根据系统的控制要求以及供暖锅炉的控制理论 选定 PLC的CPU和各种功能模块 本文中详述了各回路的控制任务和具体编程过程 2 展望与未来 本文的工作重点是在供暖锅炉系统中应用变频调速技术并完成相应的可编程控制 器的程序编辑 就供暖锅炉控制而言 本文设计的系统在很多方面还没有达到锅炉的 优化控制 今后在锅炉控制有以下两个方面需要改进 1 供暖锅炉燃烧控制系统的控制与蒸汽锅炉相比 其控制精度要求要低 但其 控制复杂性并不亚于蒸汽锅炉 也是多输入多输出的系统 今后 可建立供暖锅炉控 制的数学模型 并通过MATLAB仿真软件SIMULINK进行仿真 2 本文采用的控制算法是常规PID控制算法 对于锅炉燃烧过程的控制 常规 PID控制算法难以实现最优控制 解决的办法是将模糊控制 自适应控制 等智能控制 算法引入燃烧过程控制 以克服被控对象时变 大延时的特性 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 20 页 致 谢 本论文的撰写是在导师杨毅精心指导下完成的 在这段学习期间里 杨老师对我 关怀备至 为我们创造了良好的学习锻炼环境 同时杨老师严谨治学 为人师表的精 神风范也深深的感染了我 这些都将令我终生受益 在论文完成之际 再次深深的感 谢杨老师一直以来对我的关怀和帮助 感谢父母对我学业一如既往的支持 他们给予了我无私的物质上的帮助和精神上 的鼓励 他们是我顺利完成学业的动力源泉 在各位老师的指导和同学们的帮助下 我顺利地完成了四年的学习生活 在鞍山 科技大学这四年 我渡过了一段难忘的日子 校园的一草一木都深深地刻于记忆当中 会给我的一生留下的难忘的回忆 所以特此对所有关心 支持 帮助过我的老师 同 学 朋友表示我衷心的感谢 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 21 页 参考文献 1 魏恩宗 锅炉与供热 M 北京 机械工业出版社 2003 7 9 2 孙优贤 孙红 锅炉设备的自动调节 M 北京 化学工业出版社 1982 3 5 3 汪志峰 可编程控制器原理与应用 M 西安 西安电子科技大学出版社 2004 5 6 4 S7 300 PLC Module Specification DB OL 5 蔡建军 供暖锅炉变频控制系统设计 D 成都 西南交通大学 2004 6 周志敏 周纪海 纪爱华 变频器 工程应用 电磁兼容 故障诊断 M 北京 电子 工业出版社 2005 245 246 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 22 页 附录 A S7 300 PLC Module Specification Preface Purpose of the Manual The information contained in this manual will enable you to look up operator actions function descriptions and the technical specifications of the signal modules power supply modules and interface modules of the S7 300 How to configure assemble and wire these modules in an S7 300 M7 300 or ET 200M system is described in the installation manuals for each system Required Experience To understand the manual you should have general experience of automation engineering