蒸汽锅炉控制系统

1、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

2、、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，PIDFor Siemens S7-300 40 Tons Stea

3、m Boiler Control SystemAbstractWith 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.

4、 In the majority of our country, however, most current living heating systems for winter use are relatively still out-of-date boiler heating system, in which, the core part, namely, the control of operating fans in stokehold and water pumps is still manual and therefore hard to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 adj

5、ustment 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 t

6、echnology 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

7、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

8、 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 freque

9、ncy 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, flex

10、ible operation, etc. The whole design is feasible and reliable and reach the expected objective.Key words：boiler control, variable frequency speed-regulating technology, PLC,PID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

11、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.

12、2.3 主程序设计 . 123.2.4 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） . 361 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

13、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

14、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。3、蒸汽过

15、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

16、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1.52.5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

17、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

18、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，

19、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。 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

20、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

21、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

22、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。 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

23、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。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

24、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

25、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3040%。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

26、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：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

27、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

28、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

29、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，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。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

30、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。0.10.6s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。S7-30

31、0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 3134。具体配置如图2.1所示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

32、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2.1 模块地址示意图序号 1 2 3 4 5 6 7名称 电源 CPU数字量输入模块 数字量输出模块 模拟量输入模块 模拟量输出模块 数字量输入模块型号 PS 307 10A CPU 313SM321 DI16xAC120/230V SM322 DO16xAC120V/230V/

33、0,5A SM331 AI8x16Bit SM332 AO4x16Bit SM321 DI16xAC120/230V槽号 1 2 4 5 6 7 8地址号 - -0.01.7 4.05.7 288303 304311 16.017.73、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SM3

34、22、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、420mA电流、010V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。3 软件设计3.1 S7-300编程软件简介S7-300的编程语言是STEP7，S

35、TEP7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

36、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CP

37、U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 Bloc

38、k)，存放在背景数据块中的数据在FB块结束时继续保持，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

39、、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

40、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

41、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。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

42、(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。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

43、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

44、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

45、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420mA 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

46、。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3.1 输入/输出信号地址分配表序号 1 2 3 4 5 6 7输入信号名称 水泵变频器启动按钮 水泵变频器停止按钮 手动按钮 自动切换水泵变频器报警信号 试灯按钮水位模拟量输入信号地址 I0.0 I0.1 I1

47、.0 I1.1 I16.0 I1.3 PIW288序号 1 2 3 4 5 6 7输出信号名称 水泵变频器线圈 变频器故障报警 水池水位上限报警指示灯 水池水位下限报警指示灯地址 Q4.0 Q5.0 Q4.4 Q4.5水位控制变频器输出信号 PQW304图3.3 补水调节PID控制原理图模拟量输入程序见图3.4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420ma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-50650,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、F