燃气供热自动控制系统设计.doc

天津理工大学2011届本科毕业设计说明书绪 论1.本课题解决的问题 能源是人类社会和经济发展的基本条件之一，我国过去基本上依赖单一能源维持国民经济增长，能源的消费结构长期以来一直跟不上我国国民经济的发展和人民生活水平的提高。我国能源生产和消费的主要特点是以煤为主。供暖热源热效率低，燃烧产生大量SO2、CO2、NOX和烟尘，成为北方城市冬季大气主要污染源之一。在燃煤热源的各种供暖方式中，因为大型燃煤锅炉便于集中处理烟尘、灰渣污染物，锅炉效率高于小型燃煤锅炉，故一般公认采用大型集中锅炉房的城市集中供暖优于分散锅炉房供暖，单户煤炉采暖最差。这种以煤为主的能源结构带来的问题是防止污染的费用日益增加;其次，对铁路运输也造成了压力。据预测，到2020年我国能源需求量将至少增加108t标准煤。因此，如何减少煤炭资源的消耗及不断开发可再生能源已经成为我国解决能源矛盾的主要方向。同时，随着经济和科学技术的发展，特别是人类对生活质量和生存环境要求的日益增加，许多城市已逐渐用天然气替代煤作为供暖燃料。与燃煤相比，燃烧天然气CO2排放可减少52%，NOX可减少45%，无SO2排放和灰渣产生；燃气锅炉效率高，大、中小型的锅炉效率区别不大；锅炉燃烧过程和出力易于调节控制。因此，在环保要求高的城市采暖供热中，燃煤锅炉房或燃煤炉灶将严格限制使用，取而代之的是燃气锅炉自动控制供热系统。由于天然气等是清洁燃料，这种采暖系统的环境污染远小于燃煤系统。 近几年来，我国城市燃气结构发生很大变化,陕北天然气已经进入京津,渤海天然气已经上岸, 尤其西气东输工程的实施,更为燃气锅炉的应用起到了推动作用。现在,一般燃气锅炉的设计效率均能达到90%左右,但在实际运行中, 由于外界环境温度不断变化,需要的供热量也因而变化,如果不调整燃气燃烧量往往会造成供热量不足或过量,造成能源浪费。因此有必要对燃气锅炉的燃气供应进行自动控制和实时调节,提高能源利用率。目前,世界各国都存在能源短缺的问题,我国能源问题更为突出,因此, 如何使锅炉高效和安全运行是锅炉自动控制系统的重点。2.本课题研究的方法和手段针对生产过程的控制需要,本课题设计了一种为满足安全生产以及具有自动防护的多功能燃气锅炉供热自动控制系统，通过采用PLC (S7-200)作为控制核心, 变频调速技术为基础，以人机界面作为监视和控制中心，由PLC自带的PID模块、变频器，燃料控制阀组和在线监测传感器组成的闭环控制系统，实现燃气供热系统自动控制系统的自动控制。本课题主要从点火系统，恒压供水系统，大小火控制系统进行设计和分析，通过特殊温度模块，对出水温度与回水温度进行采集和转换，集合PLC的PID指令，运用PLC(S7-200)进行编程控制，进行燃烧器大小火的控制，从而实现燃气燃烧的精确控制，实现燃气锅炉供热系统的自动控制。本文举出了此燃气供热系统自动控制系统的工作流程图和软硬件的设计，其中包括梯形图的设计、I/O地址表、电气原理图和PLC接线图的设计以及相应的控制程序和系统调试。其次还对点火系统中燃气锅炉控制的现状及发展趋势进行了相应的讲述，对恒压供水系统中的变频技术进行了部分的讲解，还列举了燃气供热系统中的防爆防燃以及发生的故障后采取的措施解决，完成了整个燃气供热系统能够达到的可靠性高、自动化程度高、使用方便、操作简单、控制灵活等要求，实现了燃气供热系统的自动控制。研究的步骤如下：第一步：认真阅读“毕业设计任务书”，充分理解控制要求。第二步：熟悉并了解燃气供热自动控制工艺过程并画出工艺流程图。 第三步：掌握锅炉自动控制系统的工作原理。第四步：编制燃气供热自动控制系统的控制程序。第五步：选择燃气供热自动控制系统所用元件。第六步：列出程序框图列出所有电器元件名细表。第七步：列出可编程控制器的I/O表。第八步：画出整个控制系统的硬件接线图。第九步：列出梯形图第十步：编制燃气供热自动控制系统控制功能说明书3.本题研究的目的和意义 锅炉设备中，吸热的部分称为锅，产热的部分称为炉。锅炉按锅炉燃烧的燃料的不同，可分为：燃煤炉、燃油炉和燃气炉。燃气锅炉的控制系统，既要完成前两种锅炉的正常控制，又有与其不同的地方。其中最主要的部分就是燃料的不同，燃气锅炉的燃料的来源是企业生产的副产品，由于各个部门的生产状况和协调关系等因素，使得燃料的成分质量、燃料的热值和所用气体的压力等各项参数都有一定的不确定性。在燃气锅炉控制系统的设计和应用上，导致了该系统需要考虑更多的生产状态和突发事件。某些系统在设计时虽然采用了DCS或PLC控制系统，但是在实际应用中，却常常是将其作为常规调节的一种辅助监控手段，只不过给监视带来了一定的方便，自动控制的投运率都很低。目前在实际应用中，现场设备能够投入自动运行的也很少，主要原因有两个方面：一是由于现场设备达不到自动运行所必须的基本要求；另一方面是管理人员对自动控制原理和系统的设计认识不够；并且各个公司的操作人员已经习惯了以前的手动操作，对投入自动运行缺乏信心，致使锅炉的燃烧控制一直处于手动运行状态。近年来，锅炉控制有了很快的发展，它有效与微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。所以，提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。我们必须高度重视燃气锅炉的自动化控制系统，认真研究该系统的控制特性保证企业生产过程中的可靠性和稳定性。先进的控制系统已经开始逐渐应用到整个锅炉控制系统中，而作为锅炉控制装置，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。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。燃气锅炉主要是用来燃烧企业生产的剩余燃料，减少环境污染，提高企业的生产效益实现锅炉的自动化控制就可以使得公司企业不用投入太多的资金，也能保证锅炉能够安全、稳定运行。第一章 燃气供热自动控制系统设计的要求1.1 燃气供热自动控制系统设计的控制要求1.1.1 燃气供热自动控制系统设计的控制要求本设计内容的主要控制系统是对锅炉的智能控制，它结合国内燃油、燃气锅炉控制自动化的各种需要和具体应用现状，采用现代电脑控制技术的新型控制器、其可靠性高、自动化程度高、使用方便、操作简单、功能丰富、控制灵活、安全可靠等特点。本设计的基本操作方法有：1风机控制按风机手动，这时燃烧器马达转起，1分钟左右后按风机自动，这时燃烧器马达停止，按风机所示旋转方向检查燃烧器马达正反转，注意燃烧器工作时，风机控制一定按自动位置（各位置有相应指示灯）。2炉启动控制炉启动也分手动和自动两种，手动状态可以在锅炉不报警前提下（超温、超压、极限低水位、排烟温度超温等），按手动键启动燃烧器。自动状态可以根据锅炉的水温和压力自动调节燃烧器的起停，热水锅炉根据出水温度的上下限来控制燃烧器的起停，当实际温度超过上限温度设定值时，燃烧器自动停止，当实际温度低于下限温度设定值时，燃烧器自动起动。蒸汽锅炉根据压力来控制燃烧器的起停，压力是通过压力控制器和电接点压力表人工设定，当锅炉压力超过设定压力的上限值时，燃烧器自动停止，当温度压力低于设定压力的下限时，燃烧器自动启动。在任何条件下按停止键都可以停止燃烧器。3温度控制控制面板上分别显示锅炉的出水温度和回水温度，同时又有上下限选择键和实测键，按实测键则该灯亮，表示数码管显示当前实际测的温度，亦可以根据实际情况来选择出水和回水温度的上下选择键，一般情况下可设出水温度上下限在80 95 之间，回水温度上下限可设在70 55 之间（仅供参考），注意出水温度的上限一定不能超过锅炉出水额定温度。上下限选择键可以通过拨码器置数，实测键可单独设置不参与控制。4大小火控制大小火控制有三个键分别是自动、大火、小火，自动键指的是当回水温度的实际温度低于回水温度下限设定值时为大火燃烧，当回水温度的实际温度高于回水温度上限设定值时为小火燃烧。按大火键则大火燃烧，按小火键则小火燃烧，它不受回水温度的控制。蒸汽锅炉的大小火和热水锅炉基本相同，它的控制是通过压力来控制的，只不过压力的上下限是通过人工来调节的，注意压力的上限值不能超过锅炉额定压力。这里说明一点，大小火的控制只有在燃烧器运行时（炉起动时）才能完成。5消音键当锅炉超温、超压、极限低水位、排烟温度超温时，电控箱声光报警，此时按消音键可解除报警声音。6复位键其功能和燃烧器程序控制器的复位键相同，燃烧器故障状态下，按此键可重复上一次操作。7给水泵控制给水泵控制分手动和自动两种形式，当选择手动时，按手动键时给水泵开始工作，按停止键退出工作状态。当您选择自动键时，高水位自动停泵，低水位泵自动起泵。8循环泵控制按主和备用泵选择键，相应指示灯亮，表示某泵被选中，按起动键，该泵开始工作，按停止键，该泵停止工作。燃气锅炉无循环泵控制键。9控制面板其上有和燃烧器相关的指示灯，例如点火、负荷、检漏、气压、电磁阀、固执、风机运行等，它表示燃烧器所出当前状态。1.1.2 燃气供热自动控制系统设计的流程分析锅炉的控制包括鼓风机控制、炉起动控制、温度控制、大小火控制、给水泵控制，循环泵控制，除此以外还有消音键、复位键和指示灯。启动锅炉然后对主、备循环泵进行手动控制，同时可以对燃烧器和补水泵进行手动自动控制。在运行过程中可以通过温度模块对锅炉内部采集锅炉温度，通过温度传感器把采集到的温度转换成数字量传输到外部控制器中，然后根据锅炉的温度对锅炉的补水泵、燃烧器的火力进行自动控制，除此以外还要对锅炉的出口温度、锅炉水位进行检测，如有异常，也要及时的对燃烧器和补水泵进行控制。在控制过程中，有显示屏对锅炉的运转情况进行表述，其中分别包括主、备泵的循环手动按钮，燃烧器的手动按钮，补水泵的手动按钮和火力控制的手动按钮等各个部分的手动启停按钮。还包括启动指示灯，大、小火指示灯，超温、超压指示灯，主、备泵循环指示灯等显示工作状态灯。在运行过程中，工作人员可根据显示器的指示了解锅炉的工作状态，也可以根据显示屏边的功能键对锅炉进行控制，在显示屏上还有报警器和蜂鸣器可以在锅炉出现故障的时候及时对工作人员进行提醒。12 燃气供热自动控制系统设计的技术要求为了适应炉内燃烧过程的需要，确保安全稳定、经济高效运行，对燃气锅炉控制系统的技术要求是：1.燃烧效率高。对于燃气燃烧器，在一定的调节范围内，燃气供应稳定均匀，燃气沿周围分布也应均匀，以增大燃气与空气的接触面积。2.燃烧所产生的火焰与炉膛结构形状相适应，火焰充满度好。火焰温度与黑度都应符合锅炉的要求，不应使火焰冲刷炉墙、炉底和延伸对流受热面。3.配风合理，保证燃料燃烧稳定、安全。从火炬根部供给燃烧所必需的空气，要使其与气雾迅速均匀混合，保证燃烧完全，烟气中生成的有害物质（CO、NOX等）少。使气流形成一个适当的回流区，是燃料与空气处于较高的温度场中，以保证桌着火迅速，燃烧稳定。4.调风装置的阻力小。5.供水顺畅，压力稳定。6.调节幅度大，能适应调节锅炉负荷的需要。即在锅炉最低负荷至最高负荷时，燃烧器均能稳定工作，不产生回火和脱火。7.点火、着火、供水，燃烧调节等操作方便安全可靠和运行噪音小。8.故障后保护装置显示快速准确，通讯干扰小。9.系统设计结构简单、紧凑、器件轻巧、运行可靠、便于调节和修理，并易于实现各个过程的自动控制。13 燃气供热自动控制系统设计的总体结构本系统主要是用西门子PLC（S7200）作为控制器进行控制, 主要是对燃气锅炉进行控制, 包括风机、燃烧器的开关等,根据液位和压力变化对进出水口阀门的控制,以及根据锅炉内温度变化进行自动控制,利用PLC 中所带有的PID调节器进行调节, 控制锅炉内的温度, 再利用远程传输的功能,装上温度传感器,运用PLC的EM235模块将其温度转成标准信号传到PLC主机上, 观测到的温度根据需要进行调节,进行大小火的控制,从而直接控制传到用户的温度。在锅炉内装有压力传感器,如果压力过高,可能会降低锅炉的寿命,甚至发生危险,所以一定要控制压力,当压力超过一定的数值则报警,并迅速进行处理,降低锅炉内的压力,以免发生危险，造成经济损失和人亡伤害，确保整个燃气供热系统能够安全可靠，稳定高效的运行。图1.1 燃气供热系统Fig.1.1 The gas heating system14 燃气供热自动控制系统设计的总体流程图1.2 燃气供热系统流程图Fig. 1.2 The gas heating system procedure第二章 燃气供热自动控制系统方案的设计2.1 方案的选择1.继电器与PLC控制系统的比较 继电气控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。 PLC的梯形图与传统的电气原理图非常相似，主要原因是PLC梯形图大致上沿用了继电器控制的电路元件符号和术语，仅个别之处有些不同。同时，信号的输入/输出形式及控制功能基本上也是相同的；但PLC的控制与继电器的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面：（1）控制逻辑 继电器控制采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及时间继电器等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想在改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点数目有限，每个只有4-8对触点，因此灵活性和扩展性很差。而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称做“软接线”，因此灵活性和扩展性都好。（2）工作方式 电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，他属于并行工作方式。而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，各种逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中的前后顺序计算得出的，所以它属于串行工作方式。（3）可靠性和可维护性 继电气控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。（4）控制速度 继电气控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题；而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微妙数量级，且不会出现抖动。（5）定时控制 继电器逻辑控制利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。而PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，且定时时间不受环境温度的影响，定时范围最小可为0.001s，最长几乎没有限制，用户可根据需要在程序中设置定时值，然后由软件来控制定时时间。（6）设计和施工 使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。工程越大，这一点就越突出。而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计（包括梯形图的设计）可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方面方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便，但在很小的系统中使用时，价格要高于继电器系统。2.IPC与PLC控制系统比较 20世纪90年代初中期流行的IPC（Industrial PC）控制系统和采集监控管理系统(SCADA Supervision Control and Data Acquisition)现在使用的不是很多了，但它在那个特定的时期内起到非常重要的作用。过去PLC处理过程控制任务的性价比较低，而FCS(Fieldbus Control System)又处于使用的初级阶段，在小型的过程控制系统中，使用DCS确实是大马拉小车，这是基于IPC+ISA/PCI总线+Windows/NT技术的控制系统得到了广泛的应用。今天嵌入式的IPC已和原来的IPC有了天壤之别，他们已走入到了PAC时代。基于现场总线技术、PLC技术和开放式结构的IPC在今天也有相当大的应用市场。和传统的IPC控制系统相比，由于PLC的硬件系统和软件系统都采用了许多抗干扰措施，所以其抗干扰能力比IPC控制系统强；梯形图编程语言也远比IPC的高级语言和汇编语言简单；操作更简单和方便。3.单片机与PLC控制系统的比较 PLC控制系统和单片机控制系统在不少方面有较大的区别，是两个完全不同的概念。因为一般院校的电类专业都开设PLC和单片机的课程。在这里可以从以下几个方面进行一下分析。（1）本质区别 单片机控制系统是基于芯片级得系统，而PLC控制系统是基于板级或模块级得系统。其实PLC本身就是一个单片机系统，它是已经开发好的单片机产品。开发单片机控制系统属于底层开发，而设计PLC控制系统是在成品的单片机控制系统上进行的二次开发。（2）适用场合 单片机控制系统适合于家电产品（如冰箱、空调、洗衣机、吸尘器等）、智能化的仪器仪表、玩具和批量生产的控制器产品等场合使用。 PLC控制系统适合在单机电气控制系统、工业控制领域的创造自动化和过程控制中使用。（3）使用过程 设计开发一个单片机控制系统，需要先设计硬件系统，画硬件电路图，制作印刷电路板，购置各种所需的电子元器件，焊接电路板，进行硬件调试，进行抗干扰设计和测试等大量的工作；需要使用专门的开发装置和低级编程语言编制控制程序，进行系统联调。 设计开发一个PLC控制系统，需要设计硬件系统，购置PLC和相关模块，进行外围电气电路设计和连接，不必操心PLC内部的计算机系统（单片机系统）是否可靠和它们的抗干扰能力，这些工作厂家已为用户做好，所以硬件工作量不大。软件设计使用工业编程语言，相对来说比较简单。进行系统调试时，因为有很好的工程工具（软件和计算机）帮助，所以也非常容易。（4）使用成本 因为使用的场合和对象完全不同，所以这两者之间的成本没有可比性。但如果硬要对同样的工业控制项目（仅限于小型系统或装置）使用这两种系统进行一个比较时，可以得出如下结论： 从使用的元器件总成本看，PLC控制系统要比完成同样任务的单片机控制系统成本要高很多；如果这样的项目一个或不多的几个，则使用PLC控制系统其成本不一定比使用单片机系统高，因为设计单片机控制系统要进行反复的硬件设计、制板、调试，其硬件成本也不低，因而其工作量成本非常高。做好的系统其可靠性（和大公司的PLC产品相比）也不一定能保证，所以日后的维护成本也会相应的提高。如果这样的控制系统是一个有批量的任务，即做一大批，这时使用单片机进行控制系统开发是比较合适的。但是在工业控制场合中，绝大部分场合还是使用PLC控制系统为好。（5）学习的难易程度 学习单片机要学习的知识很多。首先是必须具备较好的电子技术基础和计算机控制基础及接口技术知识，要学习印刷电路版设计及制作，要学习汇编语言编程和调试，还需要对底层的硬件和软件的配合有足够的了解。 学习PLC要具备传统的电气控制技术知识，需要学习PLC的工作原理，对其硬件系统组成及使用有一定的了解，要学习以梯形图为主的工业编程语言。 如果从同一个起跑线出发，不论从硬件还是从软件方面的学习看，单片机远比PLC需要的知识多，学习的内容也多，难度也大。（6）就业方向 在一些智能仪器仪表厂、开发智能控制器和智能装置公司、进行控制产品底层开发的公司等单位，对单片机（或嵌入式系统、DSP等）方面的技术人才有较大的需求；在一般的厂矿企业、制造业生产流水线、流程工业、自动化系统集成公司等单位，对PLC（或DCS、FCS等）方面人才有较大需求。4.PLC控制系统的特点 现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。PLC专为工业控制应用而设计，一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。其主要特点有：（1）抗干扰能力强，可靠性高 针对工业现场恶劣的环境因素，为提高抗干扰能力，PLC在硬件和软件方面都采取了许多措施。在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，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理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；对电源部分采取了很好的调整和保护措施，如多级滤波、采用集成电压调整器等，以适应电网电压波动和过电压、欠电压的影响；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施，采用信息保护和恢复技术，实时报警和运行信息显示等。所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力。PLC的平均无故障运行时间通常在几万小时以上，这是其他的控制系统不能比拟的。 PLC采用微电子技术，大量的开关动作有无触点的电子储存器件来完成，传统的继电器控制系统中的逻辑器件和繁杂的连线被软件程序所取代，所以PLC控制系统的可靠性大大提高。（2）控制系统结构简单，通用性强 大部分情况下，一个PLC主机就能组成一个控制系统。对于需要扩展的系统，只要选好扩展模块，经过简单的链接即可。PLC及扩展模块品种多，可灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC构成的控制系统中，只需PLC的端子上接入输入/输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又复杂的硬接线线路。PLC的输入/输出可直接与交流220V、直流24V等负载相连，并有较强的带负载能力。 PLC控制系统实质性的好处是当控制要求改变时，需要变更控制系统的功能时，只需对程序进行简单的修改，对硬件部分稍作改动即可，而不像继电器控制系统那样，在一个装配好的控制盘上，对系统进行修改几乎是不可能的事。同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入/输出组件和应用软件的不同。所以说PLC控制有极高的柔性，即通用性强。（3）编程方便，易于使用PLC是面向底层用户的智能控制器，因为其最初的目的是要取代继电器逻辑，所以，在PLC诞生之时，其设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，其编程语言采用了和传统的控制系统中电气原理图类似的梯形图语言，PLC的内部元件也用过去就熟悉的诸如中间继电器、定时器、计数器等名称。这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识语言，只要具备有一定的电气和工艺知识的人员都可在短时间学会。（4）功能强大，成本低现在PLC几乎能满足所有的工业控制领域的需要。PLC控制系统可大可小，能轻松完成单片机控制系统、批量控制系统、制造业自动化中的复杂逻辑顺序控制、流程工业中大量的模拟量控制，以及组成通信网络、进行数据处理和管理的任务。在今天的现场总线控制系统中，PLC也发挥着重要作用。由于其专为工业应用而设计，所以，PLC控制系统中的I/O系统、HMI等可以直接和现场信号连接使用。系统也不需要进行专门的抗干扰设计。所以和其它控制系统（如DSC、IPC等）相比，其成本较低，而且这种趋势将持续下去。（5）设计、施工、调试的周期短 用继电器控制完成一项控制工程，首先必须按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC控制，由于其硬件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可以再PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。由于软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。因为PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。（6）维护方便PLC的输入/输出端子能够直观的反应现场信号的变化状态，通过编程工具可直观地观察控制程序和控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，极大地方便了维护人员查找故障，缩短了对系统的维护时间。 2.2设计方案的确定本设计采用现代电脑控制技术，对燃气锅炉进行自动控制，要求具有可靠性高、自动化程度高、使用方便、操作简单、功能丰富、控制灵活、性能价格比高等特点。并且本设计分别包括了几个方面的的小型的程序控制设计，而且这几个小型的程序控制设计又是相互联系相互控制的。根据上述的三种方式的使用优势和发展来看，单片机的控制可以完成对燃气锅炉的整体控制，但是单片机只是运用程序对燃气锅炉的运行过程进行控制，而除此以外还需要放大器、数模转换、开关芯片等辅助的原件，在使用这些的过程中就有可能对数据的准确度造成影响，并且若某个元器件也对整个控制系统造成很大的影响。虽然如此单片机的运行速度较快、寿命较长应用在燃气锅炉控制系统中还是比较合适。PLC控制与其他两个方式比较硬件设备比较齐全，优势比较明显，无论从控制方式上还是元器件使用上都是比较适合的，而且若程序的控制方式要进行改变或是控制出现问题PLC的维护比较简单方便，在未来的自动控制系统中PLC的应用将会是更加智能化和专业化等方向发展。而自动化控制系统就是一个基础而已，若不和其他的控制手段结合单独的控制锅炉是一件很麻烦的事情，并且在维修上也比较繁琐，各个数据的采集和控制还会出现相互矛盾的情况，在我们学习的自动控制理论中，小型的控制都是两个参数的采集和比较控制，若需要采集的数据较多在控制上就会较为繁琐，不应直接使用，但是自动控制可以作为辅助的控制项目，与PLC、单片机或其他的控制手段相结合会有更好的效果，并且大大的节约了空间。经过分析，在燃气锅炉的控制中，简便快速的控制是基于自动控制的PLC可编程序控制。第三章 燃气供热自动控制系统自动点火控制系统的设计3.1自动点火控制系统3.1.1自动点火控制系统主要流程燃气锅炉点火前先要进行炉膛的吹扫和工艺参数的检测，炉膛吹扫的目的是防止爆燃。流程图的工艺参数包括汽包液位下限、燃气温度、燃气压力、鼓风机ON、引风机ON、鼓风门ON和OFF及引风门ON和OFF等。点获得步骤如下：开气泵开引风、鼓风机开引风、鼓风风门炉膛吹扫5min检测燃气压力正常（压力0.20.4Mpa）检测汽包液位正常关鼓风风门开高压点火开气泵火检检测有火关高压点火开鼓风风门点火成功。 图3.1自动点火系统流程图Fig. 3.1 Auto-ignition system procedure3.1.2自动点火控制系统工作原理目前中小型燃气锅炉点火方法有两种：点火棒点火和电火花点火（本课题采用的是电火花高压点火）。在其正式点火之前要做好以下的准备：先将主燃烧器前的电磁阀打开，微开锅炉燃气流量调节阀，将燃气送至主燃烧器支管的手动切断阀前。将主燃烧器的一、二次风门挡板调整到相当低负荷运行的位置；对于准备点火的主燃烧器，若风量太大不利于点燃后稳定火焰，可以稍微关小风门，但不要全关，完成上述工作后，再按下列程序进行正式点火（电火花点火）：（1）稍微开点火燃烧器手动风门；（2）打开点火燃烧器的电磁阀，稍微开点火燃烧器的燃气手动阀门，保持少量燃气进入点火燃烧器后，立即打燃点火燃烧器的电火花；（3）当显示信号灯指示点火燃烧器已经点燃后，适当开打进入点火燃烧器的燃气和空气，调整火焰；（4）当确认主燃烧器已点燃，并且燃烧良好后，可微开主燃烧器的燃气手动阀门，保持燃气手动阀门,将主燃烧器点燃；（5）当确认主燃烧器已经点燃后，可逐渐开打主燃烧器风门和燃气手动阀门（即先风后气）,调整主燃烧器火焰和炉膛的微正压；（6）关闭点火燃烧器的燃气、空气手动阀门和电磁阀，并切断其电源。点火过程中如果主燃烧器一次点不着火，应该迅速关闭其燃气手动阀门，开大送风机调节挡板加强通风，吹扫炉膛5min，再重新点火；如果再次点不着，应该立即切断气源，开大送风机挡板，加强通风吹扫，并应该仔细检查阀门的严密性，严防燃气漏入炉膛，同时分析原因，严禁进行盲目点火。点火过程中如果火检未检测到火则关气阀并报警，开鼓风风门为下一次点火做准备。对于全自动控制的燃气锅炉，其炉膛和烟道以及燃气管路的吹扫点火以及事故同时发生时的处理等操作均为自动进行。复位按钮的作用是在点火过程中可以中断程序。在实际梯形图编程时，可根据锅炉自动点火系统的框图和工艺条件，利用s7-200软件，进行梯形图程序设计。为了增加程序的可读性，应有意识的在程序中加入注释。根据工艺生产过程的控制要求，在已完成的程序框图、流程表、功能表图和梯形图的基础上，可以进行程序说明的编写。程序说明是对程序执行过程进行描述的文字。与其它的程序描述方法不同，它采用了文字的描述方法，因此，对未参与程序编制的技术人员和操作人员是极重要的资料。3.1.3燃气燃烧器介绍使燃气和空气分别或混合后进入燃烧区而实现稳定燃烧的装置。燃气燃烧器是民用燃气用具和燃气工业炉的基本组成部分。燃气燃烧器种类繁多。按一次空气系数（预先和燃气混合的助燃空气量与燃气完全燃烧所需的理论空气量之比）分类，有扩散式、大气式和无焰式燃烧器；按空气供给方式分类，有引射式和鼓风式燃烧器；按用气压力分类有低压（5千帕以下）、中压（5300千帕）和高压燃烧器。本设计采用鼓风式燃烧器。鼓风机供给燃烧所需全部空气的燃烧器。一次空气系数为 0。燃烧热强度和火焰长度取决于燃气和空气的混合情况。为了强化燃烧，采取各种措施使燃气和空气混合均匀，因此鼓风式燃烧器又有套管式、旋流叶片式、蜗壳式和平流式等多种型式。与相同热负荷的引射式燃烧器相比，鼓风式燃烧器结构较紧凑；当燃气和空气混合得较好时，火焰较短；热负荷调节范围较大；空气具有一定压力，提供了预热空气的可能性。3.2自动点火控制系统工艺流程图3.2自动点火系统工艺流程图Fig. 3.2 Auto-ignition system technical process3.3自动点火控制系统硬件设计3.3.1自动点火控制系统主电路设计燃气锅炉的自动点火系统主电路图中，三台电动机分别为MA1、MA2、MA3，即是鼓风机引风机和气泵；接触器为KM1、KM2、KM10分别控制MA1、MA2、MA3的启动运行；接触器KM19、KM20分别控制MA1、MA2的反转运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电动机过载保护用的热继电器，QF1、QF2、QF3分别为变频器和三台电动机主电路的隔离开关；QF0为主电源电路总开关。图3.3自动点火系统主电路Fig.3.3 Auto-ignition system main circuit3.3.2自动点火控制系统I/O地址分配表3.1自动点火系统输入输出点分配表 Table 3.1 Automatic ignition system I/O points allocation table 输入点符号名称地址符号名称地址SQ1鼓风门ON限位开关I0.0SB17点火按钮I2.0SQ2鼓风门OFF限位开关I0.1SB18复位按钮I2.1SQ3引风门ON限位开关I0.2SB19鼓风门启动按钮I2.2SQ4引风门OFF限位开关I0.3SB20鼓风门关闭按钮I2.3SP5气压上限I0.4SB21引风门启动按钮I2.4SP6气压下限I0.5SB22引风门关闭按钮I2.5ST7气温上限I0.6SB23鼓风机启动按钮I2.6ST8气温下限I0.7SB24鼓风机关闭按钮I2.7SL9液位LIC301下限I1.0SB25引风机启动按钮I3.0SQ10气阀ON限位开关I1.1SB26引风机关闭按钮I3.1SQ11气阀OFF限位开关I1.2SB27气泵启动按钮I3.2ST12火检有火I1.3SB28气泵关闭按钮I3.3ST13锅炉超温I1.4SL29极限高水位I3.4SP14锅炉超压I1.5SL30极限低水位I3.5SP15锅炉压力上限I1.6ST31排烟温度超温I3.6SP16锅炉压力下限I1.7SB32消音键I3.7输出点符号名称地址符号名称地址KM1鼓风机启动Q0.0L1风机指示灯Q1.0KM2引风机启动Q0.1KM9高压放电Q1.1KM3鼓风风门开启Q0.2L2启动指示灯Q1.2KM4鼓风风门关闭Q0.3L3报警指示灯Q1.3KM5引风风门开启Q0.4KM10气泵启动Q1.4KM6引风风门关闭Q0.5L4超温指示灯Q1.5KM7气阀开启Q0.6L5超压指示灯Q1.6KM8气阀关闭Q0.7L6低水位下限指示灯Q1.7继电器定时器M0.1点火成功T37吹扫延时M0.2点火失败T38放电延时M0.3复位输出T39火检延时M0.4点火结束M0.5点火启动M0.6吹扫报警M0.7吹扫到时3.3.3自动点火控制系统I/O接线图3.4自动点火系统I/O PLC 接线图 Fig.3.4 Auto-ignition system I/O PLC wiring diagram3.4自动点火控制系统软件设计3.4.1控制系统梯形图程序绘制原则在绘制梯形图时，应注意下列基本概念和有关的问题。(1)一个梯形图网络是有多个梯级组成的，每个输出线圈组成一个梯级。(2)在绘制梯形图时，只有一个梯级绘制完毕才能继续下一个梯级的绘制。(3)与继电器逻辑控制最大不同之处有两点。在梯形图中的继电器线圈，可以是一个实际 的线圈，也可以是一个物理上不存在的内部继电器线圈或其他的内部继电器，例如锁存 继电器、移位寄存器等，通常，也称它们为软继电器。同样，在梯形图上的输入信号， 可以是一个实际存在的开关，继电器触点等，也可以是一个内部继电器的触点等，它们地址或单元的状态是所研究的主题。这些触点也称为软接点。此外，在梯形图中的能流不是实际存在的电流。(4)对梯形图上的元素所采用的激励、失电、闭合、断开等电路中的术语，仅用于表示这些元素的逻辑状态。(5)在梯形图中，为了分析各组成元件的状态，常采用能流的概念，它不是实际的电流，它的状态用于说明该梯级所处的状态。例如，“该梯级有能流”是指该梯级处于激励状态，相应的在该梯级的继电器也处于激励状态。能流的流向从左到右。(6)梯形图中的触点通常画在水平线上，不画在垂直线上。3.4.2自动点火控制系统梯形图程序第四章 燃气供热自动控制系统恒压供水控制系统的设计4.1恒压供水控制系统4.1.1恒压供水控制系统主要流程恒压供水系统在民用和工业控制中也是经常使用的小型系统之一，主要是通过对供水泵的运转状态进行控制，从而保证整个供水管道中的压力维持在一个规定的范围内。从而才能保证整个系统的正常运行。可编程逻辑控制器用与恒压供水系统，可以可靠的实现地压力的检测信号处理以及对各个水泵相应的自由切换。根据主管道给出的压力信号决定水泵的启停，当压力低于正常压力时启动一个水泵，10s后仍低，则启动下一台；当压力高于正常压力时。切断一台水泵，10s后高压信号仍存在，切断下一台。恒压供水系统主要是由3个水泵完成对主管道供水压力的维持，考虑到电机的保护，要求3台水泵的运行时间和频率尽可能一致。也就是说，需要接通时，首先启动停止时间最长的那台水泵，而需要切断时则先停止运转时间最长的那台水泵。下图中，P1代表实测压力信号，P代表给定压力正常值。图4.1恒压供水系统流程图 Fig. 4.1 Constant pressure water supplying system procedure4.1.2恒压供水控制系统的工作原理 对于恒压供水系统的实现而言，主要的问题在以下几个方面：其一，如何实现10s内，下一台水泵的切换状态；其二，如何实现对水泵的先启先停控制；其三，如何提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水障碍；其四，如何保证供水的可靠性和安全性；水泵的切换状态控制可以考虑通过计时器单元设定时间，再结合水泵的启停的信号，判断在启动或停止后的规定时间内是否达到了预期的压力范围，这样就可以完成对下一步是否启停另一台泵的判断。对于水泵的启停选择，实现起来有很多方法，选择使用一个合理的实现方法对于程序的简洁和易读性都有好处。将3台水泵按顺序编号，启动时按编号从小到大依次启动，而切断则编号从小到大依次切断，这样循环处理就可以保证时按照先启先停的原则进行的。解决的问题就变成如何实现编号13的循环问题。对于保持恒压供水这个目标，系统首先需要设计对应的压力检测输入信号，也就是决定压力范围的上限和下限信号，控制程序的输出则为3个水泵，按13给他们编号。这样就可以得到恒压供水系统的主要控制部分的程序实现配置。在正常运转状态下，对于恒压供水控制系统，要根据两个压力极限信号来判断是否需要进行当前状态的转换。当检测到压力低信号出现时，先给出一个启动水泵的信号，此信号用于启动一个水泵。在启动10s后，如果仍达不到要求顺序则顺序启动下一台水泵，通过对启动信号的锁存处理，实现状态的转移。在切断水泵的实现上，也是依照类似的思路进行。燃气锅炉恒压供水系统采用主备循环泵并联运行方式，把主循环泵和变频器连接，实现变频运行。为保护电机，备循环泵泵用软起动器来启动，起动参数可调，而且采用软起动具有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机冲击电流大的弊病，减轻对管道的冲击，避免高程供水系统的“水锤效应”，减少设备损坏。在工作过程中，压力传感器将主管网水压变换为电流信号，经模拟量输入模块，输入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的频率。当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下恒压运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力达到设定值时，压力传感器上传的信号被PLC检测到，PLC自动将变频泵的频率降至出水频率，同时将第二台泵 启动投入到工频运行，以保持压力的稳定，此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现；一段时间后，若2台泵运转仍不能满足压力的要求，则依次将软启动下一台水泵。当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时实际压力值大于设定压力，PLC将最后启动的工频泵停掉，以减少供水量。一段缓冲时间后，当变频器仍工作在出水频率以下时，PLC再软停车停掉第2台工频运行的电机，此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现。4.2恒压供水控制系统中的变频技术 4.2.1 变频器的基本原理由电机拖动中交流调速的相关知识可知，变频调速的性能最好。变频调速电气传动调速范围大，静态稳定性好，运行效率高，是一种理想的调速系统。目前，交流调速系统的性能已经可以达到或超过直流调速系统。在不久的将来，交流变频调速电气传动将替代包括直流调速在内的其他传动调速电气传动。变频调速的特点：可以使标准电动机连续调速，可通过电子回路改变相序、改变转速方向。优点有：启动电流小，可调节加减速，电动机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全（如过载保护、短路保护、过电压保护、欠电压保护）等。变频调速的应用领域非常广泛，它应用于风机、泵、搅拌机、挤压机、精纺机、和压缩机，原因是节能效果明显；它应用于机床、机械加工中心、钻床、磨床，主要目的是提高生产率和质量；它也广泛应用于其他领域，如各种传送带的多台电动机同步、调速、和起重机等。变频器的类型：交直交变频器、交交变频器；电压型变频器、电流型变频器异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变电动机的定子电压和频率，也就是说，必须通过变频装置获得电压和频率都可调的电源，实现所渭的VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)调速控制。这类能实现变频调速功能的变频调速装置称之为变频器。先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流环节、中间直流环