燃油锅炉PLC控制的程序设计

长春理工大学光电信息学院业论文编号 本科生毕业设计燃油锅炉PLC控制的程序设计 学 生 姓 名XXXX专 业自动化学 号XXXXX指 导 教 师XXXX分 院电子工程分院2012年6月I摘 要 自从20世纪60年代末第一台PLC问世以来，已很快被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工业等各个领域。PLC是采用微电脑技术制造的通用的自动控制设备，它具有高可靠性，能适应工业现场的高温，冲击震动等恶劣环境，广泛应用于机械设备、生产流水线和生产过程的自动控制。PLC主要具有逻辑运行功能，可以代替继电器进行开关控制、具有定时控制的功能、记数控制功能、步进控制功能，A/D、D/A转换功能，数据处理功能，通信，联网功能，并配置了较强的监控功能。燃油锅炉和建筑物自备发电机随着城市发展而越来越多地应用。以前使用燃煤锅炉由于其在燃烧时产生大量的CO2和粉尘污染环境而逐渐被淘汰，相对应的用燃油锅炉来代替燃煤锅炉已被广泛用于宾馆、大型商场等建筑。由PLC组成的燃油锅炉控制系统适用于配用各种进口及国产燃烧器的燃油锅炉，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。 用PLC控制燃油锅炉的启动、停止、出现异常情况时能暂停且异常消失后能自动按起燃顺序重新工作。 燃油经燃油预热器预热，由喷油泵经喷油口打入锅炉进行燃烧。燃烧时，鼓风机送风；喷油口喷油；点火变压器接通(子火燃烧)；瓦斯阀打开(母火燃烧)，将燃油点燃。点火完毕，关闭子火与母火，继续送风、喷油，使燃烧持续。锅炉的进水和排水分别由进水阀和排水阀来执行。上、下水位分别由上限、下限水位开关来检测。蒸汽压力由蒸汽压力开关来检测。关键词：可编程序控制器 燃油锅炉 控制系统ABSTRACT Since the 20th century, PLC has quickly been applied to machinery, metallurgy, mining, light industry, and other fields after the first PLC been invented in the late of 1960s. PLC is an overall automatic control equipment which been manufactured by micro-computer technology. PLC has some advantages. It has high reliability. It suit to the high- temperature industrial environment and the adverse environmental like the impact shock .It also can widely used on mechanical equipment, production lines and the production process automatic. PLC has the logic operation function to replace relays for switching control, with timing control functions, numeric control functions, step control functions A/D, D/A conversion functions, data processing functions, communications, networking functions and control functions of stronger watch.Fuel boilers and city- owned generators of buildings been applied extensively with the development increasingly. The coal combustion boilers used previously have been gradually eliminated .Because it has large number of CO2 and dust pollution of the environment .The corresponding fuel oil boilers has replaced coal-fired boilers and have been widely used in hotels, shopping centers and other buildings. PLC control system applicable to fuel boilers with combustion devices in a variety of imported and domestically fuel boilers to implement fully automatic boiler control, including boiler water control, steam pressure controller, combustion system parameters detection control, instructions control and warning control. We use PLC to control the fuel boilers startup, cessation, and the ability of pause when anomalies instance happened and can automatically work again after the anomalies disappeared. The fuel warm-up vehicles preheat the fuel .Then the fuel drives into the fuel into a burning boiler from fuel pump mouth. When burning, the air blower fans. Oil-paint; Ignition transformers connected (a fire).Gas valves open (home fires burning) and will fuel ignited. The ignition completed the closure of a fire and the home fires continue to fall, turned to the burning continued. Boilers to fill with water and drainage from entering Valves and drainage valves to implement and the water level from the ceiling, the water level switch to lower detection. Steam pressure from steam pressure switches to detect. Key words: programmable controller fuel boiler control system 目 录第一章 前 言11.1.锅炉的基础知识21.1.1锅炉的定义21.1.2 锅炉的发展21.1.3 锅炉的工作41.1.4 锅炉的结构51.2. PLC的基础知识61.2.1 PLC的 定义61.2.2 PLC简介61.2.3 PLC的特点（与继电器比较）7第二章 系统程序的设计82.1燃油锅炉的运行及示意图82.2控制要求92.3.燃油锅炉的运行框图102.4.PLC机型的选择112.4.1 方法1. 按以下条件选择机型112.4.2 方法2.按以下要求选择机型132.4.3 方法3142.4.4 PLC容量估算162.5系统的I/O接口以及硬件接线图202.6系统控制的梯形图222.6.1起动222.6.2 停止232.6.3 异常状况自动关火242.6.4锅炉水位控制252.6.5 系统总梯形图262.7系统的示警电路30第三章 用移位寄存器来设计系统的程序313.1 移位寄存器的定义功能313.2 移位寄存器的操作过程313.3 移位寄存器的作用313.4用移位寄存器绘制系统的控制图323.4.1 启动323.4.2 停止343.4.3 异常情况时363.4.4 水位控制383.4.5 系统控制过程总梯形图38第四章 总 结41参 考 文 献43附录 指令表44一系统控制程序指令表44二用移位寄存器设计系统程序的指令表47I 第一章 前 言自从20世纪60年代末第一台PLC问世以来，已很快被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工业等各个领域，大大推进了机电一体化进程，被称为现代工业控制三大支柱之一。PLC是采用微电脑技术制造的通用的自动控制设备，它具有高可靠性，能适应工业现场的高温，冲击震动等恶劣环境，广泛应用于机械设备、生产流水线和生产过程的自动控制。经过长时间的发展和完善，PLC主要具有逻辑运行功能，可以代替继电器进行开关控制、具有定时控制的功能、记数控制功能、步进控制功能，A/D、D/A转换功能，数据处理功能，通信，联网功能，并配置了较强的监控功能。这些功能造就了PLC的旺盛生命力。到现在已出现越来越多的新PLC产品：如三菱FX2N系列PLC、三菱FX2NC系列PLC、三菱FX1N系列PLC、松下FP2松下电工可编程控制器(PLC)、三菱A/Q系列PLC、横河FA-MA系列PLC 等一系列新产品最初的工厂自动化控制主要是以继电器回路控制占主导地位，这种控制具有体积大，耗电多，寿命短，可靠性差以及运行速度慢等缺点，而可编程序控制器具有体积小，可靠性高，耗电少等优点，在设计中可简化设计结构，降低成本，可实现数据的传输和监控。用PLC控制燃油锅炉的启动、停止、出现异常情况时能暂停且异常情况消失后能自动按起燃顺序重新工作。燃油经燃油预热器预热，由喷油泵经喷油口打入锅炉进行燃烧。燃烧时，鼓风机送风；喷油口喷油；点火变压器接通(子火燃烧)；瓦斯阀打开(母火燃烧)，将燃油点燃。点火完毕，关闭子火与母火，继续送风、喷油，使燃烧持续。锅炉的进水和排水分别由进水阀和排水阀来执行。上、下水位分别由上限、下限水位开关来检测。蒸汽压力由蒸汽压力开关来检测。由PLC组成的燃油锅炉控制系统适用于配用各种进口以及国产燃烧器的燃油锅炉，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，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。1.1.锅炉的基础知识1.1.1锅炉的定义锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，又叫蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。锅炉承受高温高压，安全问题十分重要。即使是小型锅炉，一旦发生爆炸，后果也十分严重。因此，对锅炉的材料选用、设计计算、制造和检验等都制订有严格的法规。1.1.2 锅炉的发展锅炉的发展分锅和炉两个方面：18世纪上半叶，英国煤矿使用的蒸汽机，包括瓦特的初期蒸汽机在内，所用的蒸汽压力等于大气压力。18世纪后半叶改用高于大气压力的蒸汽。19世纪，常用的蒸汽压力提高到0.8兆帕左右。与此相适应，最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后来改用卧式锅壳，在锅壳下方砖砌炉体中烧火。随着锅炉越做越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。开始只装一只火筒，称为单火筒锅炉或康尼许锅炉，后来加到两个火筒，称为双火筒锅炉或兰开夏锅炉。1830年左右，在掌握了优质钢管的生产和胀管技术之后出现了火管锅炉。一些火管装在锅壳中，构成锅炉的主要受热面，火(烟气)在管内流过。在锅壳的存水线以下装上尽量多的火管，称为卧式外燃回火管锅炉。它的金属耗量较低，但需要很大的砌体。19世纪中叶，出现了水管锅炉。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。初期的水管锅炉只用直水管，直水管锅炉的压力和容量都受到限制。二十世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉。开始是采用多锅筒式。随着水冷壁、过热器和省煤器的应用，以及锅筒内部汽、水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。 以前的火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉都属于自然循环锅炉，水汽在上升、下降管路中因受热情况不同，造成密度差而产生自然流动。在发展自然循环锅炉的同时，从30年代开始应用直流锅炉，40年代开始应用辅助循环锅炉。辅助循环锅炉又称强制循环锅炉，它是在自然循环锅炉的基础上发展起来的。在下降管系统内加装循环泵，以加强蒸发受热面的水循环。直流锅炉中没有锅筒，给水由给水泵送入省煤器，经水冷壁和过热器等蒸发受热面，变成过热蒸汽送往汽轮机，各部分流动阻力全由给水泵来克服。第二次世界大战以后，这两种型式的锅炉得到较快发展，因为当时发电机组要求高温高压和大容量。发展这两种锅炉的目的是缩小或不用锅筒，可以采用小直径管子作受热面，可以比较自由地布置受热面。随着自动控制和水处理技术的进步，它们渐趋成熟。在超临界压力时，直流锅炉是唯一可以采用的一种锅炉，70年代最大的单台容量是27兆帕压力配1300兆瓦发电机组。后来又发展了由辅助循环锅炉和直流锅炉复合而成的复合循环锅炉。在锅炉的发展过程中，燃料种类对炉膛和燃烧设备有很大的影响。因此，不但要求发展各种炉型来适应不同燃料的燃烧特点，而且还要提高燃烧效率以节约能源。此外，炉膛和燃烧设备的技术改进还要求尽量减少锅炉排烟中的污染物(硫氧化物和氮氧化物)早年的锅壳锅炉采用固定炉排，多燃用优质煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管锅炉出现后开始采用机械化炉排，其中链条炉排得到了广泛的应用。炉排下送风从不分段的“统仓风”发展成分段送风。早期炉膛低矮，燃烧效率低。后来人们认识到炉膛容积和结构在燃烧中的作用，将炉膛造高，并采用炉拱和二次风，从而提高了燃烧效率。发电机组功率超过6兆瓦时，以上这些层燃炉的炉排尺寸太大，结构复杂，不易布置，所以20年代开始使用室燃炉，室燃炉燃烧煤粉和油。煤由磨煤机磨成煤粉后用燃烧器喷入炉膛燃烧，发电机组的容量遂不再受燃烧设备的限制。自第二次世界大战初起，电站锅炉几乎全部采用室燃炉。早年制造的煤粉炉采用了U形火焰。燃烧器喷出的煤粉气流在炉膛中先下降，再转弯上升。后来又出现了前墙布置的旋流式燃烧器，火焰在炉膛中形成形火炬。随着锅炉容量增大，旋流式燃烧器的数目也开始增加，可以布置在两侧墙，也可以布置在前后墙。1930年左右出现了布置在炉膛四角且大多成切圆燃烧方式的直流燃烧器。第二次世界大战后，石油价廉，许多国家开始广泛采用燃油锅炉。燃油锅炉的自动化程度容易提高。70年代石油提价后，许多国家又重新转向利用煤炭资源。这时电站锅炉的容量也越来越大，要求燃烧设备不仅能燃烧完全，着火稳定，运行可靠，低负荷性能好，还必须减少排烟中的污染物质。在燃煤(特别是燃褐煤)的电站锅炉中采用分级燃烧或低温燃烧技术，即延迟煤粉与空气的混合或在空气中掺烟气以减慢燃烧，或把燃烧器分散开来抑制炉温，不但可抑制氮氧化物生成，还能减少结渣。沸腾燃烧方式属于一种低温燃烧，除可燃用灰分十分高的固体燃料外，还可在沸腾床中掺入石灰石用以脱硫。1.1.3 锅炉的工作锅炉参数是表示锅炉性能的主要指标，包括锅炉容量、蒸汽压力、蒸汽温度、给水温度等。锅炉容量可用额定蒸发量或最大连续蒸发量来表示。额定蒸发量是在规定的出口压力、温度和效率下，单位时间内连续生产的蒸汽量。最大连续蒸发量是在规定的出口压力、温度下，单位时间内能最大连续生产的蒸汽量。蒸汽参数包括锅炉的蒸汽压力和温度，通常是指过热器、再热器出口处的过热蒸汽压力和温度如没有过热器和再热器，即指锅炉出口处的饱和蒸汽压力和温度。给水温度是指省煤器的进水温度，无省煤器时即指锅筒进水温度。锅炉可按照不同的方法进行分类。锅炉按用途可分为工业锅炉、电站锅炉、船用锅炉和机车锅炉等；按锅炉出口压力可分为低压、中压、高压、超高压、亚临界压力、超临界压力等锅炉；锅炉按水和烟气的流动路径可分为火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉，其中火筒锅炉和火管锅炉又合称为锅壳锅炉；按循环方式可分为自然循环锅炉、辅助循环锅炉(即强制循环锅炉)、直流锅炉和复合循环锅炉；按燃烧方式，锅炉分为室燃炉、层燃炉和沸腾炉等。在水汽系统方面，给水在加热器中加热到一定温度后，经给水管道进入省煤器，进一步加热以后送入锅筒，与锅水混合后沿下降管下行至水冷壁进口集箱。水在水冷壁管内吸收炉膛辐射热形成汽水混合物经上升管到达锅筒中，由汽水分离装置使水、汽分离。分离出来的饱和蒸汽由锅筒上部流往过热器，继续吸热成为450的过热蒸汽，然后送往汽轮机。在燃烧和烟风系统方面，送风机将空气送入空气预热器加热到一定温度。在磨煤机中被磨成一定细度的煤粉，由来自空气预热器的一部分热空气携带经燃烧器喷入炉膛。燃烧器喷出的煤粉与空气混合物在炉膛中与其余的热空气混合燃烧，放出大量热量。燃烧后的热烟气顺序流经炉膛、凝渣管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经过除尘装置，除去其中的飞灰，最后由引风机送往烟囱排向大气。1.1.4 锅炉的结构 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、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、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锅筒。炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。炉膛的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。炉膛设计需要充分考虑使用燃料的特性。每台锅炉应尽量燃用原设计的燃料。燃用特性差别较大的燃料时锅炉运行的经济性和可靠性都可能降低。锅筒是自然循环和多次强制循环锅炉中，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。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件；中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。锅筒上还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。为了考核性能和改进设计，锅炉常要经过热平衡试验。直接从有效利用能量来计算锅炉热效率的方法叫正平衡，从各种热损失来反算效率的方法叫反平衡。考虑锅炉房的实际效益时，不仅要看锅炉热效率，还要计及锅炉辅机所消耗的能量。单位质量或单位容积的燃料完全燃烧时，按化学反应计算出的空气需求量称为理论空气量。为了使燃料在炉膛内有更多的机会与氧气接触而燃烧，实际送入炉内的空气量总要大于理论空气量。虽然多送入空气可以减少不完全燃烧热损失，但排烟热损失会增大，还会加剧硫氧化物腐蚀和氮氧化物生成。因此应设法改进燃烧技术，争取以尽量小的过量空气系数使炉膛内燃烧完全。锅炉烟气中所含粉尘(包括飞灰和炭黑)、硫和氮的氧化物都是污染大气的物质，未经净化时其排放指标可达到环境保护规定指标的几倍到数十倍。控制这些物质排放的措施有燃烧前处理、改进燃烧技术、除尘、脱硫和脱硝等。借助高烟囱只能降低烟囱附近地区大气中污染物的浓度。烟气除尘所使用的作用力有重力、离心力、惯性力附着力以及声波、静电等。对粗颗粒一般采用重力沉降和惯性力的分离，在较高容量下常采用离心力分离除尘静电除尘器和布袋过滤器具有较高的除尘效率。湿式和文氏水膜除尘器中水滴水膜能粘附飞灰，除尘效率很高还能吸收气态污染物。二十世纪50年代以来，人们努力发展灰渣综合利用，化害为利。如用灰渣制造水泥、砖和混凝土骨料等建筑材料。70年代起又从粉煤灰中提取空心微珠，作为耐火保温等材料。锅炉未来的发展将进一步提高锅炉和电站热效率；降低锅炉和电站的单位功率的设备造价；提高锅炉机组的运行灵活性和自动化水平；发展更多锅炉品种以适应不同的燃料；提高锅炉机组及其辅助设备的运行可靠性；减少对环境的污染。1.2. PLC的基础知识1.2.1 PLC的 定义 可编程控制器（PLC）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储器，用来在其内部存储器执行逻辑运算和顺序控制、定时、记数、和算术运算等操作的指令，并通过数字的或模拟的输入和输出接口，控制各种类型的机器设备或生产过程。可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应按易于与工业控制系统连成一个整体和具有扩充性能。1.2.2 PLC简介自60年代末第一台PLC问世以来，已很快被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程，被人们称为现代工业控制三大支柱之一。可编程序控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，是采用微电脑技术制造的通用的自动控制设备，它具有高可靠性，能适应工业现场的高温、冲击震动等恶劣环境，广泛应用于机械设备、生产流水线和生产过程的自动控制。经过长时间的发展和完善，PLC的编程概念和控制思想已为广大的自动化行业人员所熟悉，可以说在目前它已成为任何其他工业控制器都无法与之相提并论的巨大知识资源。PLC主要具有逻辑运行的功能，可以代替继电器进行开关控制、具有定时控制功能、计数控制功能、步进控制功能、A/D、D/A转换功能（对模拟量控制）、数据处理功能、通信、联网功能，并配置了较强的监控功能。这些功能造就了PLC的旺盛生命力。1.2.3 PLC的特点（与继电器比较）最初的工厂自动化控制主要是以继电器回路控制占据主导地位，电气控制人员常常抱怨这种控制系统体积大、耗电多、寿命短、可靠性差以及运行速度慢等缺点。而采用微电脑技术的可编程序控制器的出现，使得继电器控制逻辑更加逊色，它的出现，在技术角度大大方便了电控设计人员，软硬件设计简便，维护方便，在体积、可靠性、耗电量有很大程度的提高，从而带动成本的节约，而且可以通过计算机进行数据的传输和监控，一系列的优点使PLC很快被接受并代替继电器控制回路广泛应用于工厂自动控制中。试比较如下：2.3.1 控制逻辑： 继电器控制系统采用硬接线逻辑，连线复杂、体积大、功耗大、修改困难、灵活性和扩展性较差；PLC采用存储逻辑，连线少、体积小、功耗小、修改简单，灵活性和扩展性强。 2.3.2控制速度 继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作（闭合或断开）来实现的，工作频率低，反应速度慢，容易出现触点抖动问题；PLC是由程序指令控制半导体电路来实现的，速度相当快，不会出现抖动问题。2.3.3限时控制 继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制，定时时间易受环境的湿度和温度变化的影响，维护不便。PLC 使用半导体集成电路作为定时器，精度相当高，定时时间不受环境影响，一旦调好不会改变。PLC还能完成计数功能，而继电器控制逻辑一般没有计数功能。2.3.4设计与施工 继电器控制逻辑完成一项控制工作，设计施工，调试必须顺序进行，周期长，而且修改困难；PLC完成一项控制工程，在系统设计完成后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，调试、维修也很方便。2.3.5可靠性和可维护性 继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多，触点在开闭时会受到电弧的损坏，寿命短，因此可靠性和可维护性差；PLC采用微电子技术，体积小、功耗小、寿命长、可靠性高，还配备了自检和监控功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。2.3.6系统成本 继电器控制使用的机械开关，继电器和接触器价格比较便宜。 显然，PLC单体价格比较贵，但在本系统中用了PLC后可以省去燃烧器上面进口的程控装置，因而总体上反而大大降低了成本。随着锅炉不断发展，为了满足对资源和对环境的要求，减少对资源的不合理利用和对环境的保护，燃煤锅炉已经逐渐被燃油锅炉所取代，以减少CO2和粉尘的排放。传统的继电器已经不能满足现代控制系统的精密性要求，PLC的产生和发展，正一步一步满足要求日益精密的现代控制系统，PLC也在取代传统的继电器，成为工厂生产的控制系统的主要器件。PLC所具有的一系列优点让很多厂家都选择PLC作为生产的主控器件。用PLC的程序来控制燃油锅炉就是一个很好的例子。第二章 系统程序的设计2.1燃油锅炉的运行及示意图燃油锅炉运行的示意图如下所示，燃油经燃油预热器预热，由喷油泵经喷油口打入锅炉进行燃烧。燃烧时，鼓风机送风；喷油口喷油；点火变压器接通(子火燃烧)；瓦斯阀打开(母火燃烧)，将燃油点燃。点火完毕，关闭子火与母火，继续送风、喷油，使燃烧持续。锅炉的进水和排水分别由进水阀和排水阀来执行。上、下水位分别由上限、下限水位开关来检测。蒸汽压力由蒸汽压力开关来检测。如图2.1.1所示。图2.1.1 燃油锅炉运行示意图2.2控制要求用PLC控制燃油锅炉的启动、停止、出现异常情况时能暂停且异常情况消失后能自动按照起燃顺序重新工作。控制要求： 1) 起动：该锅炉的燃烧按一定时间间隔顺序起燃。其起燃顺序为： 间隔1min 间隔5s 间隔5s燃油预热 -（送风 、 子火燃烧 、母火燃烧）-喷油- 子火、母火 2) 停止：停止燃烧时，要求： 间隔20s停止-喷油关闭、燃油预热关闭 、送风(将废气、杂质吹去)-送风停止(清炉停止)3) 异常状况自动关火：锅炉燃烧过程中，当出现异常状况时(即蒸汽压力超过允许值，或水位超过上限，或水位低于下限)，能自动关火进行清炉；异常状况消失后，又能自动按起燃程序重新点火燃烧。即： 间隔20s 异常状况消失异常情况-燃油预热关闭、喷油关闭 、送风-清炉停止-起燃4) 锅炉水位控制：锅炉工作起动后，当水位低于下限时，进水阀打开，排水阀关闭。当水位高于上限时，排水阀打开，进水阀关闭。2.3.燃油锅炉的运行框图根据系统的控制要求可得运行框图，如图2.3.1所示。图2.3.1 系统运行框图2.4.PLC机型的选择通常选择PLC机型有以下几种方法：2.4.1 方法1. 按以下条件选择机型（）可编程序控制器的类型：可编程序控制器按结构可分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场和控制室安装两类；按CPU的字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入/输出点数类型。可按表2.4.1的控制功能或输入输出点数选择可编程序控制器的类型。表2.4.1根据控制功能或输入输出点数选择可编程序控制器的类型类型总点数信号类型程序容量结构类型超小型小型中型大型超大型6412851210241024开关量开关量开关量、模拟量有特殊单元功能强整体型整体型模块型模块型模块型（）输入输出模块的选择：输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、适用范围广、寿命短、响应时间长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因素负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，提高控制水平和降低应用成本。（）电源的选择可编程序控制器的供电电源，除了引进设备时同时引进可编程序控制器应根据产品说明书要求设计和选用外。一般可编程序控制器的供电电源的应设计选用交流电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。输入信号的供电，如果可编程序控制器本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入可编程序控制器，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。（）存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求可编程序控制器的存储器容量，按个点至少存储器选择。（）经济性的考虑 选择可编程序控制器时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩张性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。 输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。2.4.2 方法2.按以下要求选择机型在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点：性能与任务相适应对于开关量控制的应用系统，当对控制速度要求不高时，可选用小型PLC就能满足要求，如对小型泵的顺序控制，单台机械的自动控制等。对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC。对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、通信联网等，可选用中大型PLC。当系统的各个控制对象分布在不同的区域时，应根据各部分的具体要求选择PLC，以组成一个分布式的控制系统。PLC的处理速度应满足实时控制要求 PLC工作时，从输入信号到输出控制存在滞后现象，即输入量的变化，一般要在12个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般的工业控制是允许的。但有些设备的实时性要求较高，不允许有较大的滞后时间。例如，PLC的I/O点数在几十到几千范围内，这时用户应用程序的长短对系统的响应速度会有较大的差别。滞后时间应控制在几十毫秒之内，应小于普通继电器的动作时间（普通继电器的动作时间约为100ms），否则就没意义了。 为了提高PLC的处理速度，可以采用以下几种方法：（1） 选择CPU处理速度快的PLC，使执行一条指令的时间不超过0.5s；（2） 优化应用软件，缩短扫描周期；（3） 采用高速响应模块，例如高速记数模块，其响应的时间可以不受PLC扫描周期的影响，而只取决于硬件的延时。PLC应用系统结构合理、机型系列应统一 PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，每一I/O点的平均价格比模块式结构的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。模块式PLC的功能扩展。I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式方便灵活。维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺过程变化较多、控制要求复杂的系统。在使用时，应按实际具体情况进行选择。在线编程和离线编程的选择 小型PLC一般使用简易编程器。它必须插在PLC上才能进行变成操作，其特点是编程器与PLC共用一个CPU，在编程器上有一个“运行/监控/编程（RUN/MONITER/PROGRAM）”，选择开关，当需要编程或修改程序时，将选择开关转到“编程（PROGRAM）”的位置，这时PLC的CPU不执行用户程序，只为编程器服务，这就是“离线编程”。程序编好后再把选择开关转到“运行（RUN）”位置，CPU则去执行用户程序，对系统实施控制。简易编程器结构简单、体积小、携带方便，很适合在生产现场调试、修改程序用。 图形编程器或者个人计算机与编程软件包配合可实现在线编程。PLC和图形编程器各有自己的CPU，编程器的CPU可随时对键盘输入的各种编程指令进行处理；PLC的CPU主要完成对现场的控制，并在一个扫描周期的末尾与编程器通信，编程器将编好或修改好的程序发送给PLC，在下一个扫描周期，PLC将按照修改后的程序或参数进行控制，实现“在线编程”。图形编程器价格较贵，但它功能强大，适用范围广，不仅可以用指令语句编程，还可以直接用梯形图编程，并可存入磁盘或用打印机打印出梯形图和程序。一般大中型PLC多采用图形编程器。使用个人计算机进行在线编程，可省去图形编程器，但需要变成软件包的支持，其功能类似于图形编程器。2.4.3 方法3目前，国内外PLC生产厂家生产的PLC品种已达几百个，其性能各有特点，价格也不尽相同。在设计PLC控制系统时，要选择最适宜PLC机型，一般应考虑下列因素：系统的控制目标设计PLC控制系统时，首要的控制目标就是：确保生产的安全可靠，能长期稳定运行，保证产品高质量，提高生产效率，改善信息管理等。如果要求以极高的可靠性为控制目标，构成PLC冗余控制系统，这时要从能够完成冗余控制的PLC型号中进行选择；如果以改善信息管理为控制目标，要首先考虑通信能力。PLC的硬件配置根据系统的控制目标和控制类型，从众多的PLC生产厂中初步选择几个具有一定知名度的公司，如SIEMENS，OMRON，A-B等，再根据被控对象的工艺要求以及I/O系统考虑具体配置问题。PLC硬件配置时主要考虑以下几个方面。(1) CPU能力。CPU的能力是PLC最重要的性能指标，在选择机型时，首先要考虑如何配置CPU，主要从以下几个方面考虑：处理器的个数及位数配置CPU时，处理器的个数（是单处理器还是多处理器）的不同，处理器的位数不同（处理器的位数是选择8位，16位或者32位）将直接影响PLC的性能。 存储器的容量及可扩展性存储器的容量是指用于存储用户程序和数据的能力，从使用的角度出发，应考虑存储器的种类（RAM，EPROM，EEPROM），存储器的最大容量，是否可以扩展。这些将体现PLC控制系统构成的方便性和灵活性。 编程元件的能力 编程元件主要是指内部辅助继电器、定时器、计数器、特殊继电器等，编程元件的数量，定时器的记时范围和精度，计数器的记数方向和记数范围，这些将直接影响PLC控制系统的软件编程能力。(2) I/O系统。PLC控制系统的输入/输出点数的多少，是PLC系统设计时必须知道的参数，在运行硬件配置时这个参数具有两个含义：一个是实际的控制系统所需要的I/O点数，另一个是所考虑的PLC机型能够提供的I/O点数。最大I/O点数的具体意义 各个PLC生产厂家在产品手册上给出的最大I/O点数所表示的确切含义有一些差异，有的表示输入/输出的点数之和，有的则表示最大输入点数和最大输出点数。一定要在充分考虑余量的基础上配置输入/输出点。模拟量I/O点数和数字量I/O点数的关系有的PLC模拟量I/O要占用数字量I/O的点数，有的PLC模拟量I/O与数字量I/O分别独立给出，且相互之间无影响。远程I/O的考虑当考虑远程I/O控制系统时，要配置带有远程I/O能力的PLC，还要进一步考虑远程I/O的驱动能力，即可以远程驱动的点数和距离。智能I/O的考虑对某些特殊控制，如闭环控制、位置控制、温度控制、模糊控制等，可以考虑选用智能I/O模板，借助于这些智能I/O，来实现某些复杂的控制。I/O点数的余量 在配置输入/输出点时，要留有20%-30%的余量。一是方便系统功能扩充，二是避免PLC在满负荷下工作。(3) 指令系统。PLC的种类很多，因此它的指令系统是不完全相同的。可根据实际应用场合对指令系统提出的要求，选择相应的PLC。从应用的角度考虑，有的场合以逻辑控制为主，有的场合需要算术运算，有的场合可能需要更先进、更复杂的控制系统。 总指令条数PLC的控制功能是通过执行指令来实现的，指令的数量越多，PLC的功能就越强。 指令的表达形式PLC的指令表达形式是指它的编程语言，可以有梯形图、语句表、流程图、顺序控制图、高级语言等多种表达形式，但对于某个确定的机型，可能只有几种表达形式。应用软件的程序结构由用户编写的应用软件，其程序结构可分成两种形式：一种是模块化的程序结构，另一种是子程序式的程序结构。模块化的程序结构在编程和调试时都很方便，但是PLC处理速度较慢；子程序式的程序结构响应速度较快，但在编程和调试时不太方便。软件开发手段 所谓软件开发手段是指PLC生产厂家为方便用户利用通用计算机编程及模拟调试而开发的专用软件。（4）响应速度。对于以数字量控制为主的PLC控制系统，PLC的响应速度都可以满足要求，不必特殊考虑。而对于还有模拟量的PLC控制系统，特别是含有较多闭环控制的系统，必须考虑PLC的响应速度。一般从两个方面来考虑：一是执行指令时间；二是扫描周期。 执行指令时间 执行指令时间是指每处理1K条语句所需要的时间，在产品手册中可以查到。 扫描周期 如果最大扫描周期可以重新设定，则可以根据用户程序来设定恰当的最大扫描周期，系统的响应时间。 中断控制和直接I/O控制 在要求实时性好的场合，可以考虑中断控制或者采用直接I/O控制。（5）其他考虑。工程投资及性能价格比在众多满足系统工艺控制要求的PLC中，根据工程投资，选择性能价格比较高的PLC。备品配件的统一性根据机型统一原则，尽可能考虑采用与本企业正在使用的同系列PLC，以便于学习、使用和维护，备品配件通用，还可减少编程器的投资。技术支持 在选择机型配件和硬件配置时，还应考虑包括技术培训、技术指导、系统维护等技术支持。2.4.4 PLC容量估算PLC容量包括两个方面：一是I/O点数，二是用户存储器的容量。I/O点数的估算 根据功能说明书，可统计出PLC系统的开关量I/O点数及模拟量I/O通道数，以及开关量和模拟量的信号类型。考虑到在前面的设计中I/O点数可能有疏漏，并考虑到I/O端的分组情况以及隔离与接地要求，应在统计后得出I/O总点数的基础上，增加10%15%的裕量。考虑裕量后的I/O总点数即为I/O点数估算值，该估算值是PLC选型的主要技术依据，考虑到今后的调整和扩充，选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估算值。并应尽量避免使PLC能力接近饱和，一般应留有30%左右的裕量。存储器容量估算 用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估算。根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用的内存大致如下：开关量输入所需存储器字数=输入点数10开关量输出所需存