基于plc的天然气锅炉控制系统设计【优秀设计文档】

摘 要 目前天然气锅炉的应用越来越广泛，对天然气锅炉的科学研究也越来越多。为解决我国天然气锅炉产业现状存在的主要问题，采用 控制技术和设备对我国天然气锅炉控制系统进行适当改造。西门子 造的天然气锅炉控制系统，根据自动控制基本原理实现了锅炉更高效率和更高可靠性的启动、停止、暂停和异常处理；在此控制系统中对锅炉燃烧各项参数等可进行高效检测、校正和调节；其中锅炉水位、压力等参数控制亦可由 现控制。 首先是对天然气锅炉基本结构组成和运行原理进行研究和分析；主要研究卧式天然气锅炉，根据天然气锅炉控制系统的工艺要求设 计控制方案；设置好具体参数，进行 I/O 口的估算和分配，选择西门子为控制系统核心，在此基础上设计出控制系统外部接线图，并对其它组成部件如变频器、电机等进行选择；最后根据系统流程图进行主电路接线图的设计，完成梯形图，最后进行程序的校验和仿真。 关键词 ： 天然气锅炉 汽包水位 变频器 传感器 t of is to of To of in LC in 7LC of on of to of is of In as be as be by LC to is of of to of , 7LC as on of of as so on to to of of of 目 录 第一章绪论 . 1 题研究的背景及意义 . 1 . 2 . 2 文所做工作 . 3 第二章硬件选择及设计 . 4 型的选择 . 4 量估算 . 5 它器件的选型 . 7 . 20 统总梯形图 . 21 . 21 . 26 第四章锅炉燃烧的分析 . 32 然气锅炉的基本组成部分 . 32 炉系统的结构 . 32 . 33 . 34 第五章锅炉燃烧控制系统的设计 . 35 然气锅炉系统控制要求 . 35 烧过程、水位高低控制 . 35 然气锅炉系统艺流程 . 36 定天然气锅炉的设计方案 . 36 艺参数控制 . 37 体设计思路 . 38 果评价 . 40 用意义 . 40 用范围和前景 . 40 要进一步改进之处 . 41 参考文献 . 41 致 谢 . 43 1 基于 区天然气锅炉控制系统设计 第一章绪论 环境和能源问题是全球关注焦点，我国能源结构和经济发展不相称 ,能源结构影响国民经济和生活。我国在九十年代末进行过锅炉产业的大规模改造虽引进部分先进技术和产品但并未彻底解决问题，传统的能源结构和消费模式并未改变，使得污染有日益严峻的趋势。这就需要我们重新审视我国的能源结构和消费结构，学习和借鉴西方先进国家的有益做法，调整我国锅炉产业结构，引进先进设备和工艺，同时要结合国情努力改造我国锅炉产业的设备和控制方法，减少污染的排放。基于此为了保护我们的环境为了造福后代，同时践行国家节能减排战略，作为科研人员要大力研发节 能降污染的技术和产品，对现有产品和设备进行研究改造，站在工业化和产业化的战略角度采用适当先进技术改造工业锅炉和众多天然气锅炉产品。主要研发以天然气、天然气为燃料的天然气或燃气锅炉，用改良的新产品陈旧落后产能的旧设备，此举也符合国家节能减排战略要求，替换高耗能、污染重的锅炉更是现实的需要。 题研究的背景及意义 随着科技的不断进步，自动化技术以及电力电子技术快速提高，国内外以继电器为基础的自动化仪表工业锅炉控制系统也得到发展，并且广泛应用于实际生产过程。在上个世纪 60年代前期，我国锅炉的控制系统开始得到迅速发展 ;到了 60年代的中后期，我国引进了国外全自动的燃气锅炉的控制系统；到了上个世纪的 70 年代末，我国逐渐自主研发了一些工业锅炉的自动化仪器，同时，在工业锅炉的控制系统方面也在逐步推广应用自动化技术。燃气锅炉控制系统适用于配用各种进口以及国产燃烧器的燃气锅炉，对锅炉实行全自动控制，包括锅炉水位、蒸汽压力、燃 烧系统的参数检测、指示、报警、调节等进行控制，该系统将这种思路引入到小区取暖天然气锅炉上，将更具有效率高、节约能源、高可靠性的安全系统，符合环保要求，完善的智能控制等优点。 2 当今世界范围内，天然气锅炉因燃烧效率高、易于控制、利于节能减排等众多优势已被众多企业所接纳、采用，成为传统旧锅炉的首选替代品而深受欢迎。 随着我国工业化进程的加快，产业结构的迅速升级，锅炉产业也进入了快速发展期，虽然天然气锅炉的应用越来越普及，锅炉的燃烧效率和控制水平也得到不断地提高，但是就目前情况而言仍存在很多问题。 21世纪我国能源短 缺问题更突出，能源问题已经成为我国工业化进程的“瓶颈”，大力推行节能减排是国家势在必行的强大战略，适合时宜地进行锅炉的使锅炉高效安全运行，切实提高我国天然气锅炉燃烧控制自动化程度是我国天然气锅炉未来发展的重要趋势。 内外研究现状 自 20世纪 70年代以来，随着可编程控制器（ 出现和在各种工业现场的大量应用以及各种先进控制技术的发展特别是智能控制技术的广泛应用，天然气锅炉控制水平大为改善，其运行效率得到大幅提高。国内外天然气锅炉发展迅速，美日、西欧等国技术遥遥领先。天然气锅炉应用虽广，但我国总体 水平不高，同先进国家比仍有较大差距。我国总体水平相当西方国家 20世纪 80年代。 我国天然气锅炉现状存在问题： （ 1）可控对象主要为开关量设备，精确连续调节困难； （ 2）控制方案不合理，控制器一旦故一般的做法是断电处理，人工操作； （ 3）未完全实现天然气锅炉的自动控制，控制水平受限，可靠性较低。 设计研究的意图 （ 1） 运用所学的 识，独立完成基于 小区天然气锅炉控制系统设计 ， 实现小区天然气取暖锅炉的自动控制温度、给水排水、锅炉水位、蒸汽压力、高温报警、自动调节温度及加热进气量等功 能。使得小区的天然气取暖锅炉实现自动控制和运行，节约能源和节省成本。 （ 2）采用 关量设备实现精确连续调节，提高天然气锅炉效率； 3 （ 3）设计方案适合在工业现场环境下应用。能实现复杂的逻辑、过程控制，控制器减少故障，减少断电故障； （ 4）据统计一台 效率提高 1，相当年省煤 200吨，约人民币 50000元，效益明显。对天然气锅炉进行改造，可将锅炉热效率提高 5。使锅炉达到经济运行状态，减少烟气，减少污染。 文所做工作 本设计主要包括以下几个方面： （ 1） 画出基本的装置示意图 （ 2）写出装置的具体流程图 （ 3）件电路设计、硬件选 （ 4）编写 I/O 分配表、绘制 （ 5）画出梯形图、写出语句表 4 第二章硬件选择及设计 型的选择 本系统是一个小型集中控制系统 ,型主要取决于控制系统输入、输出开关信号的数量、用户程序的长短及相关的功能。根据此控制系统的要求 ,I/4 个 ,输入点为 12 点 ,输出点为 22 点。并且考虑到为以后的 I/O 扩展 ,我们选择了性能价格比较高的西门子点数之和为 24 点的 机 中输入点为 14 点 ,输出点为 10点；可以有 7个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理功能。 I/O 扩展模块选择一个输入输出扩展模块 一个输出模块 各模块在 I/ 2 图 2模块分布图 各模块的编址情况如表 2 表 2模块编址表 主机 I/O 模块 1 I/O 5 7能强大，其特点是 16： （ 1） 4点、 24点和 40点三种，最多可连接 7个子模块，最多可扩展 256，其中 输出过程变量映像取为1282822，有很强通信功能，可以扩展通信模块。； （ 2） 可选用不同的子系列，还可选用多种基本单元、拓展单元和扩展模块，组成不同 I/ （ 3）体积小，功能强，使用方便，程序语言简单易学。 量估算 主要有两方面：一是 I/是存储器容量 。 （ 1） I/17 查阅西门子 型号 ，在产品说明书上可以查的到，在统计的基础上应该加上 10%余量。 （ 2）存储器容量估算 西门子新推出了两款 新存储卡 （ 6456K），如果要使用配方功能和数据记录（归档）功能，则必须使用其中一种存储卡。这两种存储卡具有以下功能： 项目文档 6 o 存储 图）文件， 件 o 可完整的 目可以方便的传送到存储卡中，也就是说最新的用户文档可以储存在现场 配方处理功能 o 定义并向存储卡中下装配方：产品数据，设备参数 o 而可以更好的使用内存：可以实现从存储卡中向 数据记录 o 动态存储运行数据、统计数据、以及故障信息 o 可选的时间标记 o 记录文件可以通过资源管理器传送到 置超级电容外插电池卡”的机制。 在 掉电后为 存时间可达几天之久，具体时间见表 1、表 2。 级电容就可以充电。要获得规格表中的数据保持时间，电容必须连续充电 24小时。 单独定货），在超级电容耗尽后为 连续无供电时，它可使用 200天（即保持数据达 200天）。0年。 （ 3）基本参 数 该控制系统共有 5个输入（启动 止 汽压力 位下限 7个输出（预热 风 火 火 气 水阀 水阀 输入 /输出（ I/O）口的总点数为 12，根据西门子 知该型号 ，在统计的基础上应该加上 10%虑到该系统的控制要求精度不是很高和对成本的控制，最后选择 2414个输入点， 10个输出点）作为该系统的 表 4 表 2新 24N 规格表 产品 24N 定货号 6147 技术数据 与 24614术数据相同 输出 10个输出点，漏型 电压范围 24V 5 C) 逻辑 1 (最小 ) 外部电压幅值 外部 10K 上拉电阻 逻辑 0 (最大 ) 1M +04V， 最大负载时 新产品 24 拟量 I/果不用，端子可以移走。 表 224 体模拟量 I/O 规格 电压信号 电流信号 模拟量输入 I 2 10 V 模拟量输出 I 1 0 - 10 V 0 - 20 它器件的选型 压力传感器、流量传感器、液位传感器，输出 0用 224根据工艺数选择合适量程。 汽包压力表（电接点压力表）带有上限和上上限开关，当指针指向上限位置时，上限开关自接通，当指针指向上上限位置时，上上限开关自动接通。如下图： 图 2接点压力表） 统的 I/O 接口以及硬件接线图 由前面所述可知该系统有 5个输入， 7个输出，如表 2 表 2系统输入、输出示意 输入 输出 启动 然气预热 8 蒸汽压力 停止 风机送风 汽压力 火变压器（子火） 限水位 斯阀（母火） 限水位 喷气口喷气 水阀 水阀 上表以及所选机型 224出 该系统的硬件接线图，如图 2 图 2系统硬件接线图 对天然气锅炉的实际情况，我们采用 220单不需添加变压器，普通电网就能提供。系统供电设计如图 2 9 图 2系统供电电路 在图中，系统总电源过总开关接入 开关实现整个电源系统的控制，交流 220电源通过电源开关接入隔离变压器。隔离变压器 交流稳压器或统电源开关 L N 源开关 N N 10 图 2 11 炉水位控制图 图 2环泵控制流程图 下图 2 开始 启动循环泵 启动 1#变 频器 启动 1#变频器 压力不否 切换到工频运行 启动另一台泵 压力过停止一台泵 另一台切换到变频运行 压力控制 定变频器频率 结束 2#变频器 是 否 启动水泵 是 否 是 否 12 1 # 循 环 水 泵F R 5P 7K M 7变 频 器K M 8Q F 8 Q F 9K M 92 # 循 环 水 泵P 循 环 水 泵F R 7P 1 0K M 1 0变 频 器K M 1 1Q F 1 1 Q F 1 2K M 1 24 # 循 环 水 泵F R 8P 6图 2循环泵系统电气控制图 统主电路接线图 锅炉燃烧控制系统主电路图如图 2图中所示 2、 风机、引风机、给水泵。 图 2风机 图 2水泵 图 2路器 13 Q 3 Q F 1K M 1F R 1输 入端 子F R - A 7 4 0 3 K M 3F R 3Q F 3M 43 Q F 4控制端 4K M 43 8 0 V0 5 3 Q F 2K M 2F R 2F 锅炉燃烧控制系统的主电路图 机及驱动控制选型 机及喷气泵的选型 本课题选用的 行气泵的选型。鼓风机为 率为 气泵功率为 定电压为 380V，型号为 图 2气泵 图 2风机为 图 2燃气锅炉 功率为 功率为 变频器选型 本设计采用的变频器是西门子公司研发的 14，该变频器调节电机速率精度高、调节平滑、简单易行、操作方便且其功率小，耗能小。变频器西门子 物图如图 2 14 示。 图 2变频器西门子 图 2频器内部接线示意图 测元件选型 温度检测传感器 号为 子计机等配套使用。它可以直接测量生产过程中的 50范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度；测量蒸汽温 15 度、水温和天然气温度的热电阻型号均相同。 图 2度检测传感器 16 第三章系统软件设计 统流程图 Y Y N N Y N 启动 开给水泵 H 开炉排电机鼓风机点火 H、 水阀 风机 变频器 2 开放气阀 声光报警停止炉排电机、给水泵、引风机、鼓风机 17 图 3炉控制流程图 运行过程：按启动按钮，开给水泵，汽包加水，汽包水位 H 检测，若汽包水位 续给加水，系统循环，到汽包水位高于 H 下 ；若汽包水位 下 时，开炉排电机、引风机、鼓风机，点火。若汽包压力 上 ，返回，系统继续运行；若汽包压力 上 ，打开放气阀，打开放气阀，汽包压力 P 小于汽包压力 P 上上 ，系统继续正常运行；打开放气阀后，汽包压力高于汽包压力 P 上上 ，各设备均停止，同时报警。天然气锅炉如图 3 统控制的梯形图 根据系统的控制要求我们绘制出相应的梯形图： 动 启动，按下 热 1； 60S 后送风 火 2记时； 54燃烧并 时； 55， 4，启动完成。根据制要求，可绘出相应的梯形图，如图 3 18 图 3统启动梯形图 止 停止下 预热 5，中间继电器 4记时， 3子 19 火和母火 02和风 成停止。根据系统停止的控制要求，绘制出相应的梯形图，如图 5 图 3统停止梯形图 常自动关火 紧急情况，蒸汽压力 4超过上限，即 间继电器 1，子火 火 气 时间继电器 清； 20电器 2，中间继电器 炉完毕。 通天然气预热 统重新起燃过程。根据系统的控制要求，绘制出相应的梯形图，如图 3 20 3统异常情况自动关火梯形图 炉水位控制 水位于下限， 阀 水阀 水位到达一定位置。水位高于上限，即 水阀 水阀 1 开。根据控制要求绘制出梯形图，如图 3 图 3统水位控制梯形图 统总梯形图 系统的总梯形图如图 3 统运行控制 （ 1）控制顺序表 1）启动过程（ 输出 1：预热（ 喷气（ 时间继电器（ M） ：送风（ 子火 数 50） ：母火 3输出 4：喷气 ）停止过程（ 输出继电器（ 输出 5：（ 火 火 时输出 5：间隔时间 数 200）、（ 22 3）异常情况下输入： 蒸汽压力输入： 高限水位输入： 低限水位输入： ： 1控制输出 7：（ 数 200） ）开阀：包水位低 水阀 汽包水位高 水阀 006、 （ 2）梯形图 1）画出梯形图 通过写出以上的控制顺序表，大致可以编写最后的梯形图了，最后得到系统的总梯形图如图 3 23 24 25 图 3统总控制梯形图 2）系统运行梯形图分析 1）启动，按下 热 间 602启动并自锁，子火2记时； 54燃烧并 55， 3母火 动完成。 26 2）停止，按下 预热 5，中间继电器 4记时， 3子火和母火 02和送风 成停止。 3）紧急情况，蒸汽压力 4超过上限，即 间继电器 1，子火 火气 时间继电器 行清炉； 20电器 2，中间继电器 炉完毕。 通天然气预热 统重新起燃过程。 4）水位控制：水位低于下限， 水阀 水阀 水位到达一定位置。水位高于上限，即 水阀 水阀 统水位运行控制 课题中将汽包水位下限 0限 10包水位给定设定值 0用传感器为 0 定的压力 用传感器为 0给水量 蒸气取值范围是 0 28 m3/h（选用流量传感器分别为测水流量选用电磁流量计，测蒸汽选用涡街传感器流量对应关系都为 0m3/。在 极性通道对应为 0味着液位 10008 m3/2000，全部通道采集选用 0模块 模块 （ 0频器按照默认参数，调整搭载的电机基本参数）。 传感 器电压接线如下图： 27 图 3传感器电压接线 表 3极性 满量程输入 分辨率 N N 0 - 10V N - 5V - 20A 双极性 满量程输入 分辨率 F N 5V N 拟量的输入 /输出都可以用下列的通用换算公式换算： ( (v - ( + 中： 表 328 换算结果 换算对象 换算结果的高限 换算结果的低限 换算对象的高限 换算对象的低限 它们之间的关系可以图示如下： 图 3模拟量比例换算关系 水位控制梯形图模拟量采集直接使用子程序如图 3 29 图 3统梯形图 30 令向导），可以帮助用户方便地生成一个闭环控制过程的 向导可以完成绝大多数 户只需在主程序中调用 可以完成 制任务。 制算法，也支持开关量输出；既支持连续自动调节，也支持手动参与控制。建议用户使用此向导对 程，以避免不必要错误。如果用户不能确定中文编程界面的语义，我们建议用户使用英文版本的 免对向导中相关概念发生误解。 在 的命令菜单中选择 后在指令向导窗口中选择 令： 图 3选择 导 在使用向导时必须对项目进行编译，在随后弹出的对话框中选择 “，确认编译。如果已有的程序中存在错误，或者有没有编完的指令，编译不能通过。 如果你的项目中已经配置了一个 路，则向导会指出已经存在的 让你选择是配置修改已有的回路，还是配置一个新的回路： 31 图 3择需要配置的回路 配置完 导，需要在程序中调用向导生成的 程序（如下图） 图 3程序 32 第四章锅炉燃烧的分析 然气锅炉的基本组成部分 天然气锅炉主要组成及作用 16： 预热器：将天然气预热到适当温度以达良好汽化状态； 汽包：锅筒、沸水管构成，锅炉主要被控部分； 炉膛：天然气燃烧并放出热能的设备； 引风设备：引风机； 送风设备：鼓风机和组成； 燃料供给设备：主要由气枪和气管组成。 下面是天然气锅炉的实物图。 图 4然气锅炉实物图 炉系统的结构 锅炉水位的控制部分，主要由以下部分构成，锅炉、水泵、水箱最后连接工业设备或者用户。水经补水箱进入水泵，水泵由电机控制，控制锅炉水位的调节，锅炉经循环水泵连接工业设备或者用户，回水回流进补水箱，补水箱内有水量检测装置，在补水箱内进行水量的调价校正，锅炉运行时，炉内 的检测传感器检测水位，将信号输出，比较，调节，以稳定水位在稳围内。天然气锅炉水控系统的结构框图如图 4 33 图 4体系统结构图 然气锅炉的工作过程 根据系统的控制要求可得运行框图，如图 4 回水 工 业 设 备 补水箱 补水泵 鼓风机 循环 水泵 锅 炉 自来水 继续 关闭 异常情况消失 启动 启动 启动 气预热子火燃烧 母火燃烧 喷气 送风 清炉完成 停止 常情况 水 位 低 于下限 出水阀 进水阀 水 位 高 于上限 关闭 燃烧过程中 关闭 关闭 关闭 继续 34 图 4统运行框图 天然气锅炉的工作过程分析： （ 1）启动：吹扫 点火 （ 2） 正常启动：监测火焰 温度监测 自动负荷调整； （ 3）正常停止：切断燃料 程序复原。 计方法 （ 1）温度、液位数据采集 17 用 ： 8通道电压 /电流输入模块和 4通道电路 /电压输出模块进行。测输出一个 0通过设置 ，把电压转换成数字量，程序周期读取，所读信号与设定值比较。 （ 2）数据处理 用德国西门子公司生产的 责数据处理和储存。采集的温度信号与设定值进行比较。 （ 3） 1）据工艺过程分析控制要求； 2）根据要求确定所需设备，选定 配 点、设计连接图； 3）进行 4）编制梯形图，编程器将程序键入到 5）运行程序校验。 图 4统框图 计算机 （ 1）天然气锅炉控制要求 1) 天然气预热器进行天然气预热，按动启动按钮，接点火器，开瓦斯阀，喷气泵喷气； 2) 在停止过程中，按停止按钮，气罐关闭，预热器关，喷气泵关； 3) 燃烧中，出现异常（即蒸汽压力超过设定允许值或水位过高或过低）就能关 K；异常情况消失后，天然气锅炉系统返回开始，系统可运行； 4) 进行水位控制，水位于下限（高于上限），进水阀开（关）。 （ 2）锅炉系统示意图如图 314。 图 5然气锅炉系统组成示意图 烧过程、水位高低控制 天然气经天然气预热器预热，接点火变压器，变压器工作，天然气雾即被高压电火花点燃。锅炉的瓦斯阀门被打开，鼓风机抽风送风，喷气泵电机工作经喷气枪喷气，点火变压器关闭，瓦斯阀门关闭。 水位太高，蒸汽大量带水，降低 燃烧品质；水位偏低，锅膛各温差较大，形 36 成热应力，极限情况出现崩裂；水位过低，则易发生缺水事故。锅炉负荷变化，锅炉水位相应快速变化，据此须用自动控制持水位。 然气锅炉系统艺流程 工艺流程图如图 3 图 5然气锅炉运行工艺流程图 定天然气锅炉的设计方案 可编程序控制器（ 锅炉燃烧过程的主要控制器 15，各个部件经综合控制，实现锅炉工作过程和水位、压力控制。 燃烧预热 鼓风机送风 打开瓦斯阀门 接通点火变压器 喷气泵喷气 关闭瓦斯阀门 关闭点火变压器 异常情况消失后 出现异常 按下停止按钮 喷气泵关闭 自动关 K 燃烧预热器关闭 燃烧 鼓风机继续送风持续 15s 后停止 启动进水阀关闭排水阀 水位低于下限 水位高于上限 启动排水阀关闭进水阀 37 的温度、压力、水位、烟气含量、喷气量等等反馈到 过比较和校正将信号输出，控制执行器，从而实现调节水位等过程，通过变频器调节电机转速，控制量，实现风量控制 16。 设计的天然气锅炉燃控制系统主要由可编程序控制器 系统原理框图如图 3 图 5然气锅炉系统原理框图 艺参数控制 （ 1） 给水自动调节控制系统 17 经查阅相关资料，给水量随给水压力变动、给水阀开度改动等从而发生扰动，本系统中由于给水量给出的反馈，扰动可以被迅速消除，给水量保持稳定。锅炉蒸汽量以前馈方式加入，解决“假水位”而引起的调节器误动，使水位控制精度大为提高，动态输入响应变好。给水系统控制框图如图 3 图 5水调节系统控制框图 （ 2）炉膛负压的控制 频器 电机 执行器件 传感器 检测开关 显示器 - H 蒸汽流量 液位调节器 汽包 +/- 给水阀 给水流量 流量变送液位变送 38 炉膛负压的大小或者扰动主要是受鼓风量和引风量的影响，主要通过控制引风量的大小可进行炉膛负压控制，炉膛负压为辅助被控对象。炉膛负压控制，设定值输入，经调节，输出给变频器，变频器通过改变频率控制引风机的电机转速，引风量得到调节进而炉膛压力也会变化，经压力传感器检测反馈到设定值 18，进比较对设定值进行修正。本控制系统框图如图 3 图 5膛负压控制系统方块图 体设计思路 总体设计思路是针对当前我国流行的卧式内天然气锅炉燃烧控制系统，设计出的基于 位自动控制系统。通过 止、暂停和异常情况处理；通过 自动控制系统以西门子 下位机采用高可靠性的工业控制计算机进行信号传输和数据交换，实现数据的采集和传输转换，通过显示器借助图形数字软件完成数据显示工作，从而了实现天然气锅炉燃烧系统各部件的数据采集和自动控制，通过这种控制改造其控制水平和硬件可靠性都得到很大提高。 通 过 制锅炉的运行状态，提高了效