基于PLC锅炉控制系统设计【优秀机械机电毕业设计论文】【A6098】
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a6098
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毕 业 设 计 （ 论 文 ） 开 题 报 告 题目 基于 炉控制系统 设计 信息科学与工程学院 （系） 电气工程及其自动化 专业 班 学生姓名 学 号 指导教师 开题日期： 年 月 日 开 题 报 告 一、论文题目 。 基于 炉控制系统设计 二、课题研究的来源和实际意义 。 随着工业的快速发展，自动 化技术也随之占据着及其重要的地位。 无论是职工过万的大型企业还是百人的小型企业自动化无处不在。而对于企业内的锅炉系统的自动控制是其中一项重要的课题。 因为这一控制不仅直接涉及到锅炉运行的效能，而且更关系到锅炉运行的安全性和可靠行。 锅炉按其 用途分为：电站锅炉、工业锅炉、生活锅炉、机车船舶锅炉 。而按 燃料分为：燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、原子能锅炉 。 以继电 接触器为主的传统控制系统已不能满足现代船舶对其锅炉控制的越来越高、越来越复杂的要求，这一领域的计算机化已势在必行，而应用在当前工业过程控制领域中引人注目的可编 程控制器（ 是使其计算机化的最简便和可靠途径 。本文采用 制器进行了对锅炉的控制设计。 锅炉微计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉 30 多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的 1/3，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。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。 三、 题目主要内容及预期达到的目标。 本设计针 对机车船舶锅炉，锅炉所产生的蒸汽主要供主副机暖机，燃油加热 ，日常生活用 汽，故对蒸汽品质要求不高，采用多位控制实现对锅炉蒸汽压力的控制。 设计内容包括 ： （ 1）应用 可编程序控制器作为锅炉控制器，对锅炉给水，点火程序，风油调节和蒸汽压力进行自动控制。 （ 2） 根据船舶辅助锅炉的主要控制量蒸汽压力和锅炉汽包水位进行简单数学建摸，用计算机建 立简单的 锅炉模型。 （ 3） 建立基于 锅炉模型与 制器组成的控制系统，并验证锅炉控制器的可行性和有效性。 （注）开题报告要点： 1、毕业设计（论文）题目的来源，理论或实际应用意义。 2、题目主要内容及预期达到的目标。3、拟采用哪些方 法及手段。 4、完成题目所需要的实验或实习条件。 5、完成题目的工作计划等。 （开题报告不够用时可另附同格式 ） 1 开 题 报 告 目标： 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。 四、采用的方法和手段。 第一步 、分析材料确定各种条件。 第二步、确定设计所用的锅炉。 根据设计手册的规定 确定设计所用锅炉 的用途，出口介质的状态和所需的燃料。并做出简单模型。 第三步、确定控制器的类型。 拟定几种控制器进行比较，选出一种作为锅炉的控制器。 第四步、 确定控制锅炉的几个方面。 根据实际要求 对锅炉给水，点火程序，风油调节和蒸汽压力 及报警和保护环节 进行 自动控制 。 第五步、对所确定控制的方面进行设计。 第六步、对 锅炉 制系统设计。 设计包括 I/O 点数分配 ， 围接线控制电路 ， 控制程序设计 。 第七步、建立锅炉 型。 第八步、实现模型与 通讯。 2 开 题 报 告 五、 完成 本次 论文的工作计划 第一周：查阅、收集与研究课题有关资料； 第二周：写毕业设计开题报告，进行开题答辩； 第三周：确定课题研究的总体方案； 第四周： 确定设计所用的锅炉。 第五周： 确定控制器的类型。 第六周： 确定控制锅炉的几个方面。 第七 、八 周： 对所确定控制的方面进行设计。 第九、十 周： 对锅炉 制系统设计。 第十一、十二 周： 建立锅炉 型。 第 十三、十四 周： 实现模型与 通讯。 第十五周：毕业论文说明书的编辑； 第十六周：毕业论文说明书打印、装订； 第十七周：答辩； 3 查阅资料、文献目录 1 陈心铭 等 . 船舶蒸汽锅炉 . 北京：人民交通出版社， 1983 2 高才苹 . 船舶辅助锅炉及自动控制 . 北京：人民交通出版社， 1983 3 周万珍 高鸿斌 . 析及设计及应用 . 北京：电子工业出版社， 2004 4 廖常初 . 程及应用 . 北京：机械工业出版社， 2005 5 张亮明 夏杜鹃 . 工业锅炉自动控制 . 北京：中国建筑工业出版社 6 肖田元 张燕云 等 北京 :清华大学出版社 7 孙优贤 孙 红 . 锅炉设备的自动调节 学工业出版社 8 柯铭 . 基于 电厂中压锅炉燃料安全系统控制设计 . 大众科技 . 2006 年 07 期 9 袁任光 . 可编程程序控制器手册 . 北京：机械工业出版社 . 2002 10 徐文澄 . 西北电力技术 . 西北电力试验研究院 . 2006 11 田丽平 . 可编程控制器的设计与应用 . 北京： 电子工业出版社， 2000 12 张良仪 . 工业 锅炉微机控制 上海 上海 交通 大学出版社 . 1993 13 张进秋 . 可编程控制器原理及应用实例 机械工业出版社 3 指导教师意见： (对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计结果的预测 ) 指导教师签字： 年 月 日 教研室意见： 教研室主任签字： 年 月 日 4 开 题 须 知 一、学生要认真填写开题报告。在毕业设计（论文）答辩时学生须向答辩委员会（或答辩小组）提交开题报告，作为答辩评 分的参考材料，没有开题报告不能参加答辩。如果丢失要及时办理补交手续。学生毕业后，开题报告与学生毕业设计（论文）一并存档备案。 二、毕业设计（论文）题目一经确定，指导教师要给学生下达毕业设计（论文）任务书，学生根据任务书的要求进行开题，一般安排在毕业设计（论文）正式开始的第二周至第三周进行。 三、开题报告的审查由各专业教研室主持，每个学生的报告时间为 10 15 分钟。开题通过后学生才能正式获得毕业设计（论文）的资格。 四、学生要充分理解毕业设计（论文）题目的内容和要求，在指导教师的指导下制定切实 可行的工作计划，并且要具备进行毕业设计（论文）所要求的实验或实习（调研）条件。 五、学生要按照指导教师所下达的毕业设计（论文）任务书的要求，认真进行文献资料的检索、搜集和查阅，并做好记录。 六、开题审查不合格的学生，必须在一周内重新进行开题。 1 摘 要 随着船舶轮机技术和自动化技术的发展，船舶的自动化程度越来越高，对船舶辅助锅炉系统的自动控制 是其中一项重要课题 ，因为这一控制不仅直接涉及到锅炉运行的效能，而且更关系到锅炉运行的安全性和可靠行。 以继电 接触器为主的传统控制系统已不能满足现代船舶对其锅炉控制的越来越高、越来越复杂的要求，这一领域的计算机化已势在必行，而应用在当前工业过程控制领域中引人注目的可编程控制器（ 是使其计算机化的最简便和可靠途径。本文采用 制器进行了船舶辅助锅炉的控制设计。文章首先介绍了船舶辅助锅炉自动控制的 总体概述和可编程控制器（德国西门子可编程控制器 基本工作原理，详细介绍了船舶燃油辅助锅炉的典型系统，在此基础上，着重对采用 制的燃油辅助锅炉进行了 程，其中对蒸汽压力采用多位控制。为了实现控制功能的验证，对辅助锅炉进行了数学建模，并采用 件制作了锅炉模型，通过编程使之与 行通讯， 用 制器执行对锅炉模型的控制。此外，这种 模型结合的控制方式在 实验教学中，也不失为一种很具参考价值的教学手段。 关键字 ： 船舶辅助锅炉 自动控制 可编程 控制器 锅炉模型 2 of is of on is a of is of t of to It is to on of in is to of of 7 a of On to 7In to of a is up a is by B LC LC LC of LC is a of 3 目 录 1 概述 . . 船舶辅助锅炉自动控制概述 . . . 1 船舶锅炉的 制方式概述 . . 编程控制器工作 原理 . 本选题设计主要完成的内容 . 3 2 锅炉系统描述 . 锅炉的基本组成 . 4 锅炉本体 . 4 辅助系统介绍 锅炉系统的控制要求与设计 . . 锅炉水位的自动调节 . 蒸汽压力的自动控制 . 燃烧程序的自动控制 . 警报及保护环节 . 燃油辅锅炉 制系统设计 10 概要 . . .I/O 点数分配 . .围接线控制电路 . 控制程序设计 . 燃油辅锅炉 型设计 . .燃油辅锅炉 数 学建模分析 . 汽包水位模型 建立 . . 蒸汽压力调节对象模型建立 . . 模型仿真的处理方法 . .于 锅炉模型建立 .讯概述 . 模型与 讯的实现 . 31 5 结论 . .4 参考文献 . . . . 1 摘 要 随着船舶轮机技术和自动化技术的发展，船舶的自动化程度越来越高，对船舶辅助锅炉系统的自动控制 是其中一项重要课题 ，因为这一控制不仅直接涉及到锅炉运行的效能，而且更关系到锅炉运行的安全性和可靠行。 以继电 接触器为主的传统控制系统已不能满足现代船舶对其锅炉控制的越来越高、越来越复杂的要求，这一领域的计算机化已势在必行，而应用在当前工业过程控制领域中引人注目的可编程控制器（ 是使其计算机化的最简便和可靠途径。本文采用 制器进行了船舶辅助锅炉的控制设计。文章首先介绍了船舶辅助锅炉自动控制的 总体概述和可编程控制器（德国西门子可编程控制器 基本工作原理，详细介绍了船舶燃油辅助锅炉的典型系统，在此基础上，着重对采用 制的燃油辅助锅炉进行了 程，其中对蒸汽压力采用多位控制。为了实现控制功能的验证，对辅助锅炉进行了数学建模，并采用 件制作了锅炉模型，通过编程使之与 行通讯， 用 制器 执行对锅炉模型的控制 。此外，这种 模型结合的控制方式在 实验教学中，也不失为一种很具参考价值的教学手段。 关键字 ： 船舶辅助锅炉 自动控制 可编程 控制器 锅炉模型 2 of is of on is a of is of t of to It is to on of in is to of of 7 a of On to 7In to of a is up a is by B LC LC LC of LC is a of 3 目 录 1 概述 . . 船舶辅助锅炉自动控制概述 . . . 1 船舶锅炉的 制方式概述 . . 编程控制器工作 原理 . 本选题设计主要完成的内容 . 3 2 锅炉系统描述 . 锅炉的基本组成 . 4 锅炉本体 . 4 辅助系统介绍 锅炉系统的控制要求与设计 . . 锅炉水位的自动调节 . 蒸汽压力的自动控制 . 燃烧程序的自动控制 . 警报及保护环节 . 燃油辅锅炉 制系统设计 10 概要 . . .I/O 点数分配 . .围接线控制电路 . 控制程序设计 . 燃油辅锅炉 型设计 . .燃油辅锅炉 数 学建模分析 . 汽包水位模型 建立 . . 蒸汽压力调节对象模型建立 . . 模型仿真的处理方法 . .于 锅炉模型建立 .讯概述 . 模型与 讯的实现 . 31 5 结论 . .4 参考文献 . . . .5 1 1 概 述 船舶辅助锅炉自动控制概述 在现代船舶中，机舱自动化程度越来越高，特别是对无人值班机舱，辅助锅炉的全自动化控制更是不可缺少的，它是机舱自动控制的一个组成部分。本设计 针对船舶辅助锅炉，产生的蒸汽主要供主副机暖机，燃油加热，日常生活用汽，故对蒸汽品质要求不高，采用多位控制实现对锅炉蒸汽压力的控制。 船舶辅助锅炉的自动控制通常包括自动调节，程序控制，安全保护，自动连锁和参数检测等内容。锅炉工作过程中的自动调节是使蒸汽压力、水位等被控参数在额定工况下均能维持所要求的规定值，包括燃烧过程和给水过程的自动调节。程序控制是指在操作指令的作用下按照规定的操作程序自动完成锅炉的起动和停炉过程。安全保护主要是在锅炉的某个工作过程处于异常状态，危及锅炉安全运行时进行必要的操作使锅炉停止运行 ，同时发出相应的声光报警。自动连锁是当锅炉的某个设备发生误操作或故障时，能自动阻止有关设备的运行，避免事故的扩大。如当锅炉的鼓风机发生故障停止工作时，燃烧器能自动停止喷油。为了使锅炉运行安全可靠，锅炉控制系统中设置监控环节，对锅炉的蒸汽压力、蒸汽温度、水位、燃油压力、燃油温度等参数进行监控。 船舶锅炉的 制方式概述 我国从 60 年代开始从事锅炉自动控制系统的研制工作，早期船舶锅炉的自动调节系统通常采用气动、电动或液动式。到 90 年代开始出现以可编程控制器为核心的辅助锅炉自动控制装置，虽然可编 程控制器问世时间不长，但已步入成熟阶段。 可编程控制器（ 称 一种应用微电子技术的通用型工业控制设备。它具备在内部存储指令的可编程序存储器，允许用户通过自己编制简单程序的手段来设置控制功能，从而满足对被控生产过程的不同要求。按照美国电气制造商协会(定义，可编程控制器是一种数字式电子仪器，其可编程存储器可存储某些逻辑，定时，记数和四则运算等特殊功能的指令，用以控制机械和生产过程。 发展至今，可编程控制器以其安装简单，使用方便，适应性强，和价格 低廉等特点迅速 2 成为国外生产过程扩展领域中应用广泛发展趋势最强的产品，它不但已占领了继电器系统和常规电子系统的广大市场，还与现代专用微计算机控制系统展开了激烈的竞争。在我国很多工作部门中，可编程控制器都得到了广泛的应用，在船舶上的使用也已经相当普遍，取得了显著的经济效益并正在迅速推广。 在工业控制历史上曾长期占统治地位的继电 了元件多，可靠性低外，也使用户很难改变控制过程且系统使用范围限制，生产批量小而成本高。常见的微计算机系统，如单 片机系统，通过程序来实现控制功能，但这种系统的设计和建立要用繁琐的机器指令编程，制作各种专用接口，故使一般技术人员实现起来比较困难。而可编程控制器它靠存储程序控制，适应力强，加上其模块化结构，也具有很强的灵活性。其编程语言简单易学，除了具有逻辑判断，定时和计数等基本功能外，还具有算术运算及 环调节等模拟量控制功能，控制规模可以从几十个输入 /输出点至上万点，即可控制单个设备又可对多台设备进行群控，它还可以互相与上位机联网形成分散控制系统，集中管理的集散局部网络。另外，它能适应工业控制现场的高温、振动、电 源不稳等恶劣使用环境。 当前 研制和应用已进入成熟阶段。一方面 续向采用单片机的价格低廉的超小型机方向发展，另一方面则采用多微机和并行处理技术，大大提高了实时控制速度和处理能力，大型、多功能的集散式网络和 级语言的发展极为迅速，各生产现场的 过程控制及生产调度都可实现高程度的最大化和自动化。 可编程控制器工作原理 下面对可编程序控制器的工作原理做简要介绍。可编程序控制器工作的基本原理是建立在计算机工作原理基础上的。通过执行反映控 制要求的用户程序来实现的。 用循环扫描的工作方式，其工作过程主要分为输入采样，程序执行，输出刷新，一直循环扫描工作。第一步，输入采样，在这个过程中，可编程序控制器按扫描方式读入可编程序控制器所有端子上的输入信号，并将这些输入信号存于输入映像区。，在本工作周期的执行和输出过程中，输入映像区内的内容不会随实际信号的变化而变化。第二步，执行扫描，在执行用户程序的扫描过程中，可编程序控制器对用户以梯形图方式编写的程序按从上到下，从左到右的顺序逐一扫描各指令，然后从输入映像区取出相应的原始数据或从输出映像区读取 有关数据，然 3 后做由程序确定的逻辑运算或其他数字运算，然后随运算结果存人确定的输出映像区有关单元，但这个结果在整个程序未执行完毕前不会送到输出端口上。第三步，输出扫描，在执行完所有用户程序后，可编程序控制器将输出映像区中的内容同时送到输出锁存器中，然后由锁存器经功率放大后去驱动继电器的线圈，最后使输出端子上的信号变为本次工作周期运行结果的实际输出。 本选题设计主要完成的内容 （ 1） 应用 可编程序控制器作为锅炉控制器，对锅炉给水，点火程序，风油调节和蒸汽压力 进行自动控制。 （ 2） 根据船舶辅助锅 炉的主要控制量蒸汽压力和锅炉汽包水位进行简单数学建摸， 用计算机建立简单的船舶锅炉模型。 （ 3） 建立基于 锅炉模型与 制器组成 的控制系统，并验证 锅炉 控制器的可行性和有效性。 4 2 锅炉系统描述 锅炉的基本组成 为了达到对锅炉自动运行的 制，有必要对控制对象进行系统认识，下面以船上常用的立式横烟管锅炉为例，介绍锅炉的基本组成及工作原理。 图 立式横烟管锅炉 示意图 锅炉本体 锅炉本体是 由锅壳、封头、炉胆、燃烧室、出烟口、烟管、燃烧器等组成。炉胆是燃油进行雾化燃烧的场所，它的作用是提供足够的空间使燃油得以充分的燃烧。同时，使燃烧发生的热量不散失到锅炉外面去。炉胆与燃烧室相通，燃烧室与烟箱之间设有两块钢板，钢板 5 之间有数十根水平烟管。烟管与炉胆将整个锅炉分成互相隔绝的空间，里面是烟气，而外面则充满着炉水。燃烧器的油头向炉膛喷油，同时由鼓风机经风门将空气送入炉内助燃。油点着后在炉胆中燃烧，高温火焰与烟气中的热量主要通过辐射方式经炉胆壁传给炉水。未燃烧完的油和烟气经出烟口向上流至燃烧室继续燃烧，然 后顺烟管流至烟箱，最后从烟囱排入大气。由此可见，烟管锅炉中的炉胆、燃烧室和烟管都是蒸发受热面，由炉水包围，而烟气则在其中流过，这就是烟管锅炉的结构特点。 辅助系统介绍 （ 1） 、燃烧装置。辅助燃油锅炉的燃烧装置包括油头、调风机构和燃油系统。油头是将燃油雾化，调风机构是将助燃空气导入炉膛中。燃油系统是将燃油从油舱中抽到日用油柜，再从日用油柜中抽出进行加热、加压、过滤最后送到油头进行雾化。 （ 2） 、给水系统。给水系统包括补充锅炉水所必需的给水管路，给水加热器，给水泵，给水调节阀等组成。为防止锅炉失水 ，应有两套给水设备，其中一套备用。并且给水泵应两台一组。 （ 3）、通风系统。其作用是将外界空气送入炉膛中供燃料燃烧，将烟气排出锅炉，包括配风等机构。 （ 4）、汽水系统。汽水系统包括管路上的各种仪表及装置，蒸汽管路及管路上的各种阀门，凝水疏水管路，排污管路，锅炉附件和自动控制设备，检测仪表，如水位表、蒸汽压力表、风压计、 示仪等。 锅炉系统的控制要求与设计 船用锅炉系统控制要求是确保其安全可靠性，提高其运行经济性。辅助锅炉的系统控制可分为四部分，即水位自动调节，蒸汽压力 自动控制，燃烧程序控制以及警报和保护环节。下面分别对每部分进行具体介绍。 锅炉水位的自动调节 锅炉的工作水位在安全水位以上，是燃烧系统自动点火起动的必要条件。锅炉的工作水位降至最低水位时，水泵自动起动补水，升至最高水位时水泵自动停止补水，水位降到极限低水位时发出报警信号，同时系统停止工作。水位传感器一般有浮子式水位调节器 、电极式水位传感器以及参考水位罐水位检测装置三种，本设计采用参考水位罐水位检测装置调节，如下图所示。 6 图 锅炉水位控制示意图 参考水位罐上端通过截止阀与锅炉汽空间相通，其下端有测量水位管和参考水位管通过截止阀分别接在差压变送器的正负压室，测量水位管通过截止阀与锅炉水空间相通。参考水位罐内的水位是锅炉最高水位设定值，调 整参考水位可以使之与锅炉允许的最高水位一致。如 1， 2 液面压力相等，则差压边送器承受两边管的压力和 1、 2 的水位相一致，所以水位压差就是锅炉最高水位与实际水位的差值。差压变送器将水位差压信号换成 气压信号输出，送给压力继电器 123动补水时，压力较大使 1作，此时 24V 红灯 3Y 2Y 绿灯 1Y 手动 220V 12 M 111 给水泵 油泵 1动 K 变压器 2 1 测 量 水位管 3炉 参 考 水位罐 参 考 水位管 差压变送器 电气控制屏 7 的常开触点 2闭和，中间继电器 作，并自保。随后压力差减小， 1开，直到2断开，停止补水。直到水位降到使 1作，又开始补水。如果出现某种故障，水位未能上升，则水位到达极限低水位时， 3作，常开触点 3合，发出红灯报警，同时 3开， 2电，油泵停止工作。此外需要手动补水是，只要将开关 K 打到手动位置。 蒸汽压力的自动控制 锅炉汽压稳定的前提是必须保 持蒸发量和送汽量的平衡。燃烧过程自动调节的主要任务是使锅炉汽压维持在规定值或在规定的允许范围内，同时为了保持燃烧的良好，必须使供风量与供油量相适应。 对于船舶辅助锅炉，实船上多采用双位控制，就是汽压上升至设定值上限时，停止燃烧；而汽压下降至设定值的下限时，点火燃烧。而采用双位控制系统，锅炉的点火和熄火比较频繁。为了弥补双位自动控制系统只有最大和零两种输出的不足，本设计采用三位调节系统。除了只负责点火的点火油头外，另外有两个负责燃烧的油头。当汽压低于高火燃烧压力点时，两个油头同时喷油燃烧，当压力上升到低火压力 值时，关闭一个油头，如果负荷比较小，压力继续上升到压力上限值时，自动切断喷油头，同时风机后扫风后停炉；如果压力下降，则降至高火燃烧压力点时，两个喷油头又同时喷油燃烧。停炉后当压力下降到低限值时自动点火燃烧。 燃烧程序的自动控制 本设计正常运行的程序描述如下： （ 1）接通总电源，风机、燃油泵、给水泵待电工作。 （ 2）控制电源接通，控制回路及 电。当按下启动按钮，燃油泵和风机启动，燃油开始循环，同时 据检测输入的水位，重油温度等信号，控制给水泵，电加热器是否工作。 （ 3）当水位 与重油温度在正常范围，同时蒸汽低压开关闭合，自动点火程序开始。首先进行预扫风约 40s。 （ 4）预扫风结束，点火变压器通电产生高压， 3s 内进行预点火， 43s 时点火电磁阀通电，开始喷油点火。 （ 5） 7s 内，若火焰检测成功，则切断点火变压器； 50s 时， 1 号、 2 号喷油电磁阀通电，点火油头与之同时工作 4s，即 54s 时，点火电磁阀失电，转入正常燃烧阶段。若 7s 内，火焰检测不成功，则切断油路和点火变压器，后扫风 45s 之后停炉，进行故障排除。 （ 6）正常燃烧阶段根据蒸汽压力的自动控制进行自动的停炉和再一次的点火燃烧。 8 （ 7）正常的停炉，先切换到轻油燃烧一会，之后切断油路，后扫风 45s 后停风机、燃油泵。切断控制电路电源和总电源。 图 统点火程序控制时序图 其中火焰传感器在燃烧程序控制中是一个非常重要的环节，它是保证锅炉可靠运行的关键。其用于监测炉膛内有无火焰，以便在锅炉起动点不着火或正常燃烧突然熄火时的报警和执行停炉保护程序。下面选用光敏电阻做火焰传感器的设计。光敏电阻的主要特性是接受光照时电阻值很小，无光照时电阻值很大。火焰监视电路原理 图如下： 图 火焰监视原理图 在上图中，光敏电阻 光照时有基极电流，因此集电极有电流使继电器 J 动作；无光照时，光敏电阻阻值极大，基极无电流，集电极无输出，继电器 J 因断电而释放。 J 停炉 后扫风 4 3 风油控制 正常燃烧 风门开小 风门开大 主供油阀 点火供油阀 点火变压器 轻油泵 风机 系统输出 时序 时间单位：秒 50 40 30 20 10 9 警报及保护环节 在辅助锅炉运行过程中，为了达到安全、可靠、无人值班的目的，除了对锅炉水位和燃烧采用自动控制外，需要对各种危险工况采取安全保护措施。本设计考虑了不同锅炉类型主要的几种安全保护环节，详述如下： （ 1）熄 火保护和报警，当锅炉起动时点不着火或正常燃烧时突然熄火进行保护和报警。当锅炉起动、扫气后，连续点火 7 秒，燃油若没有点着或正常燃烧时突然熄火，光敏电阻感受不到火焰，控制系统发出相应继电器动作信号，切断油路后扫风之后停炉，燃烧停止，同时发出声光报警信号。 （ 2）极限低水位保护和报警。当锅炉水位因故低于极限低水位时，水位检测机构低水位电极脱水，如上文所述，控制系统动作，从而切断风机和油泵控制回路，燃烧停止，同时发出声光报警信号。 （ 3）重油温度过低或过高保护和报警。燃油系统使用重油时，若重油温度不能达到良好雾化的 相应温度，或者由于加热控制出现故障温度过高从而对设备不利，需要停止燃烧，并进行报警。 （ 4）蒸汽压力超高保护和报警。当正常燃烧蒸汽压力控制出现故障，气压超过最高临界线时必须停炉同时进行报警。 （ 5）电动机过载保护和报警。由于电动机或相应的泵产生故障，使热继电器跳开，应立即熄火停炉，以免发生事故。 （ 6）燃油压力过低保护和报警。由油路压力继电器检测，压力过低不能正常喷油必须停炉，并进行报警。 （ 7）炉膛风压过低保护和报警。由于供风执行机构出现故障至使炉膛风压过低，燃油不能正常燃烧，必须停炉同时进行报警。 （ 8）出现任何故障报警，必须等故障排除后按报警复位按钮才能进行再 次 起动锅炉。 10 3 燃油辅锅炉 制系统设计 要 控制系统由硬件及 件组成。硬件设计是指硬件选型，合理选择 提高 制系统的技术、经济指标起着重要的作用。机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。 本文选用 7燃油辅助锅炉进行控制。 于小型 编程控制器，采用模块式结构，具有四种 不同配置的 文选用 板。 量轻，结构紧凑。其执行指令速度高，有丰富的指令功能，包括脉宽调制 (位控（ 、 功能。通信是 的一个重要功能，它为用户提供了很强的，灵活的通信功能，用点对点接口 ( 9600数据通信，用 口实现高速用户可编程接口。 已提供了一定数量的输入和输出接点，但如用户需要多于 ，可以对系统做必要的扩展。其中 226 最多可扩展 7 个扩展 单元（开关量或模拟量）。 有三种工作模式，处于 式下， 止工作，可以利用编程设备向 入程序，检查部分用户存储器内容，改变列入的各种配置；在 式下，扫描周期循环执行用户程序，此时不能向 入程序；在 式下， 的工作模式（ 由编程设备通过通信方式来改变的工作模式，此多用于联网的网络或现场调试时使用。 序设计步骤一般包括以下几步，（ 1）了解系统概况；（ 2）熟悉被控对象；（ 3）程序框图设计；（ 4）编写程序；（ 5）程序测试及调试 。在工程中，对 用程序的设计有多种方法，包括经验设计法、逻辑设计法、时序图设计法、顺序控制设计法等。对于本控制设计的特点，燃烧控制可采用时序图设计法。 根据第二章所述锅炉控制的设计要求可以画出控制流程图如下： 11 图 锅炉控制系统流程图 12 I/O 点数分配 考虑到 上位机锅炉模型相连接通信，由模型充当实物锅炉，输入点由输入映像存储区 I 改用内部标志位存储区 M，如果 控制实物锅炉，只需将 序中对应 M 改为I，即可实现控制。 输入点： “起动”按钮 手动控制方式 自动控制方式 “ 停止”按钮 重油温度低限 重油温度高限 蒸汽压力起动值 PB( 蒸汽压力高火值 PL( 低水位 (低于闭和 ) 高水位 (低于闭和 ) 蒸汽压力低火值 PH( 蒸汽压力停炉值 PS( 超高压报警检测 极限低水位报警检测 报警复位按钮 报警消音按钮 电机过载 重油低温报警检测 重油高温报警检测 手动点火 IG( 重油选择开关 HO( 轻油选择开关 LO( 低风压报警检测 燃油加热手动开关 13 低油压报警检测 光电检测火焰 FR( 风机手动开关 轻油泵手动开关 重油泵手动开关 水泵手动开关 高火手动控制开关 低火 手动控制开关 出点： 1 号轻油泵接触器 1 2 号轻油泵接触器 2 1 号重油泵接触器 1 2 号重油泵接触器 2 1 号水泵接触器 1 2 号水泵接触器 2 风机接触器 风机大风门执行机构 风机小风门执行机构 点火电磁阀 电加热器电磁阀 1 号主喷油电磁阀 1 2 号主喷油电磁阀 2 点火变压器 重油低温报警指示灯 蒸汽超高压报警指示灯 极限低水位报警指示灯 低油压报警指示灯 电机过载报警指示灯 点火失败 /中途熄火报警指示灯 14 低风压报警指示灯 报警蜂鸣器 围接线控制电路 具有自动和手动两种控制方式的锅炉控制面版图如下 ： 图 锅炉的控制面板 锅炉的控制电路如下： 12345 6 7交流接触器；(1 烧控制 1 2 3 3 2 1 重油泵手动开关 轻油泵手动开关 动 or 动点火 风机手动 动 2 号喷油电磁阀 手动 1 号喷油电磁阀 N N 止 重油选择 轻油选择 泵手动开关 油加热手动开关 15 图 000v 风机 7 号重油泵 6 号重油泵 5Y 2 号轻油泵 1 号轻油泵 2 号水泵 1 号水泵 4Y 5 Y 1Q 2T 16 P 2M M M O G S L + 17 Y T 2Q 1L X N P S M 18 控制程序设计 X 2 L Y 络 3 网络 2 网络 1 +400 网络 8 38 450 N 网络 7 络 6 络 5 38 络 4 T 30 T +70 T 40 T 40 T +450 T 。建模就是用数学的方法把系统的实际工作过程描述出来的过程。建模的方法有机理建模和系统辩识以及把两种方法相结合的混合法。本文通过机理建模得到通用系统的动态微分方程，并对对象进行动态特性分析得到具体扰动下的模型。 汽包水位模型 建立 锅炉汽包水位的自动控制的任务是使锅炉的给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在允许的范围内。 锅炉汽水系统的结构可简化为下图所示： 引起汽包水位变化的主要扰动是给水流量的变化和蒸汽流量的变化，如果只考虑主要扰动，汽包水位的动态特性可表示为： 2 T1 (TW -( (4式中， h 汽包水位高度， W 给水流量的时间常数， s 蒸汽流量的时间常数， s 给水流量的放大倍数 蒸汽流量的放大倍数 wu=,给水流量变化量相对于最大蒸汽流量的标定值 Du=，蒸汽流量变化量相对于最大蒸汽流量的标定值 1T，2 10 蒸汽总管 给水 26 在本文中，建模仿真的主要目的是验证 制器的有效性，故对模型进行合理简化。假定给水时，给水流量为一定值，即不考虑给水流量在开关时的变化。 同时只要蒸汽阀打开，其蒸汽流量一定。并设汽包截面为定值。 汽包中水的变化体积 V = （ t (4h =0= 0VSh =0h+ G t (4式中：， S 汽包截面 蒸汽压力调节对象模型建立 图 蒸汽压力调节对象示意图 锅炉燃烧系统自动控制的基本任务是使燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要，同时保证经济燃烧和锅炉的安全运行。 对于蒸汽系统，其吸收热量的一部分用于把给水加热到饱和水，另一部分用于把饱和水变成饱和蒸汽。所以，根据热平衡定律， bw 式中 ， D 锅炉的蒸发量， J/Kg J/Kg J/Kg 和水焓和汽包蒸汽压力 ()分后得到 (4将 (4入 (4得： 燃油调节阀 燃烧系统 蒸汽系统 蒸汽阀 27 bw（ (4移项后得： bq D + ()()i 4令bC=bw（ /（ pa 表示汽压发受热面和锅筒所能吞吐的蒸发量，把蒸发系统的吸热量用蒸汽量来表示，即吸热量理论上所产生的蒸汽bq ) 7 所以 (4为：
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