【《基于PLC的锅炉控制系统设计》7900字（论文）】

-3-基于PLC的锅炉控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u322361绪论 -1-177671.1锅炉控制系统的目的及意义 -1-279571.2锅炉控制系统研究现状 -2-301411.3主要内容 -2-113242锅炉控制系统的总体控制方案 -4-267952.1锅炉运行过程简介 -4-253522.2控制要求分析 -5-139912.3控制流程图 -5-160232.4水位控制方案设计 -6-321412.5锅炉燃烧控制方案设计 -6-242652.6锅炉过热温控设计 -7-146993硬件设计 -9-257203.1硬件选定 -9-206513.2硬件接线图 -10-106084软件设计 -11-221924.1I/O地址分配表 -12-146434.2PLC硬件接线图 -13-245984.3软件编程设计 -14-62975控制系统仿真 -17-241195.1仿真软件 -17-71305.2仿真结果 -17-255136总结 -19-1绪论1.1锅炉控制系统的目的及意义PLC自动控制系统相较于传统的控制系统，是有过之而无不及。相较于之前，PLC控制系统只需改变内部程序，而不改变外部设备的选择和布局，就可以调整并将目标改变。世界上有很多能源转换方法，在国内，最重要的方法之一就是锅炉，锅炉的使用改变了很多东西，一开始的时候，控制锅炉都是使用继电器的方法，随着时间一点一点的推移，这种方法的局限性就显现了出来[1]。随着时代的发展，锅炉在控制方法上的改变是十分有意义的。所以使用PLC对锅炉的整个运行进行自动控制，然后用计算机将锅炉的控制程序给搞出来，最后就是用PLC将整个系统控制起来[2]。目前，锅炉控制系统主要是通过控制几种变量来实现精准控制。首先就是控制水的流量来控制，通过对各种阀的使用来实现这一操作；其次是对各种温度的调控，比如燃烧温度，管道温度等等，这些变量对最终结果的影响也是非常大的；紧接着就是压力值，压力值的控制调节就非常重要，它与温度一样，都是能直接影响到整个系统，压力值包括很多，比如，送风压力值，引风压力值[3]。锅炉控制系统就是将以上这些变量进行合理的调控，来实现精准控制，从而实现锅炉控制[4]。过去锅炉都是使用一些旧的控制系统，但是随着时间的推移，随着技术的发展，企业的产量有所增加，但这些类型的控制法规逐渐变得严格，无法满足各种要求[5]。生产过程它来回的次数也比之前多了很多。像之前手动操作不仅有时候不方便，而且最重要的是锅炉的能量上面的损耗也很高，同时转换效率不仅不高还很低，还有就是监控方式太单一，有很多地方根本看不到，就会有很大的安全威胁[6]。这样不仅能将锅炉的控制变得更加简单，也可以从人力、物力上节省资源，从而降低成本[7]。1.2锅炉控制系统研究现状现如今使用锅炉的时候都是通过继电器和接触器来控制整个锅炉，通过这种方法来控制供水系统，送风和引风控制系统，控制系统又由各种电路来组成[8]。这种锅炉在过去使用是非常普遍的，现在有些地方也仍在使用这种控制系统，但是时代在发展，社会在进步，科技发展迅速的现在，更好更迅速更环保的锅炉也正在研究设计中[9]。而且，由于技术的进步，现在的锅炉在某些方面已经无法满足要求，而且在控制方面有些地方仍在使用人工控制，这样就会导致精度无法确定[10]。但是通过程序设计来控制，就能让这种情况减少很多。中国在锅炉行业的发展还是不如国外那么快的，这其中有着种种的原因[11]。过去锅炉一直是将煤炭作为主要燃烧能源，但是这种能源如果不能充分燃烧，还会产生有毒气体，污染环境。受这样的影响，现在有许多公司都开始进行新能源的开发与使用[12]。1.3主要内容第一章介绍了整个系统的目的以及意义，之后又将本系统的研究现状与主要特点简单的描述了一下。第二章首先是简要的介绍了锅炉的运行过程，然后根据设备的要求，给出了对应设备的控制方案设计。第三章由锅炉控制系统所要完成的工作任务对所需要的硬件进行分析和选择，然后进行相对应的硬件模块测试，使得所选择的硬件装置能够满足技术要求。第四章是系统软件的设计，在对模拟量模块、变送器、变频器、电源开关、调节阀、电动机、PLC进行选型过后，就对I/0地址进行分配，成功绘制出了I/0分配表。通过分析，对PLC的外部接线图和主控电路图进行了设计，这两个图能够更好的帮助设计PLC控制程序。然后就是程序的设计，首先是对温度，负压值，主蒸汽压力进行读取与转换，然后让系统能够自动启停、给水给煤、送风引风中的汽包水位、供煤量、送风量、引风量，手动控制后进而集中输出。第五章中针对锅炉控制系统进行仿真软件的简要介绍，接着对所设计控制系统程序进行模拟仿真调试，并根据仿真结果修改和完善程序，直至达到使用要求。第六章中总结了本次设计的实际效果和拥有价值，介绍了本系统所具有的优点及特色，并分析了设计中还存在的一些问题，并对之后的工作展开了美好的期望。2锅炉控制系统的总体控制方案2.1锅炉运行过程简介（1）锅炉结构及其工艺介绍它由主体、附属设备组成。“锅”和“炉”构成锅炉，锅是苏打系统，而炉子是燃烧系统。通过电机将液体送到省煤器还有汽包，之后经过管道流进下降管和水冷壁，经过加热后，这些液体就会和水蒸气混合在一起，之后这些混合物从汽包中出去，途中经过过热器系统，然后过热器会把这些混合物给加热，之后这些混合物就经过管道到汽轮机。图2-1锅的结构图燃烧系统的首要任务就是要保证燃料燃烧要非常充分，而且要从炉子中把热量释放出来。图2-2炉的结构图（2）锅炉的工作过程煤粉碎后，从风管出来的热风将被粗细分离。根据炉膛燃烧要求，将粉仓送至炉膛，由厚度分离产生的部分粉尘和热风经输送管由排粉机送至炉内，在炉子内参与燃烧。之后煤粉燃烧产出来的热让炉子内的温度上升到非常非常高。过热器的作用是吸收炉内热量，降低火焰温度，保护炉壁不受燃烧。另外，为了让烟气不停留在受热面上，烟气流向炉内上方出口时的温度必须必煤灰的熔点低。废气从集尘器通过，然后被感应引风机过滤，再排到大气中去[13]。2.2控制要求分析（1）按下启动按钮，锅炉开始加水，当水位在200CM时就停止加水，此时加热器开始加热，当水的温度到达150摄氏度时停止加热，但当温度低于120度时，加热器继续加热，到150度时停止，如此反复操作。（2）水在加热的同时，鼓风机工作10S停止5S，以此反复。（3）供煤器在供煤的时候也会根据温度的不同来用不同的供煤速度，温度越高，供煤器供煤的速度越慢。按下SB1切换到手动模式，手动模式有M5、M6两种速度。按下SB8切换到排污环节，按下SB2后等待大约30秒，当30秒内没有使用手动排污X7按钮，则会自动排污，15秒后再自动加水，然后过20秒后再清洗20秒。（4）当压力值超过规定值，SB12闭合减压阀门A打开，同时减压警报灯亮，减压警报器1开始工作，鼓风机，供煤器停止工作。当炉膛压力值下降到大气压时，减压阀门A关闭，减压警报灯熄灭，减压警报器停止工作，鼓风机，供煤器恢复工作。（5）当温度超过180度SB13、SB14闭合，减压阀门B、C打开，警报器2、3开始工作，警报灯2、3、4亮，加水阀门B、C打开，同时加热器、鼓风机、供煤器关闭。（6）锅炉燃烧时，蒸汽压力超过允许值或者水位高于上限或者低于下限L时，就会自动关闭阀门K，待恢复到正常情况时，阀门K会自动打开，将燃烧程序自动接起，重新点火燃烧。（7）按下炉排电机启动按钮SB5,当炉膛内压力超过预定值时，炉排电机的热保护继电器FR4启动，打开烟气管道P,烟气通过烟气管道进入到排气管道，从而减少炉膛压力。2.3控制流程图针对本设计的控制要求分析，得到以下控制流程图。图2-3三冲量汽包水位控制方案图图2-4主蒸汽压力控制方案图图2-5送风控制系统结构方案图图2-6引风控制系统结构方案图2.4水位控制方案设计汽包的水位也是有要求的，要保持在一个相对比较稳定的位置，对锅炉也有很大的影响，假如水位比设定值要低，就会把锅炉内的水循环给扰乱，造成水管破裂和锅炉温度过高。整个供水系统中最难解决的问题是锅炉的“虚拟水位”。具体地，其实现如下：负载增加，水位相对应的也会增加，但是速度也会相对应的减少，然后又会让水位下降，速度也会相对应的往上加。2.5锅炉燃烧控制方案设计（1）锅炉燃烧控制要求锅炉燃烧中有三个主要控制操作：给煤量调节、送风量调节和引风量调节。为了有效地克服相互之间的干扰，可以产生满足设备负荷的蒸汽，经济、安全地运行锅炉。（2）主蒸汽压力控制方案设计主蒸汽压力的数值还是比较容易受到外界影响的，比如供煤的数量，还有蒸汽的流量，这两个都能将压力数值改变。当供给的煤炭数量一下高或者一下低，燃烧煤产生的热量会加入进去，不过会需要一些时间，蒸汽压PM不是立即升高，而是在一定时间后开始升高。蒸汽流量（D）增加，主蒸汽压力（PM）降低。如果煤炭供应量（M）不增加且没有更多热量，则主蒸汽压力（PM）为煤炭供应量提供。它继续减少到（m）（3）风控设计送风是为了让空气燃烧的比值保持在一个普遍认为比较稳定的一个范围内，能够让煤充分燃烧，这样才能节约煤炭，节省开销。送风量还和烟气含量和氧气含量绑定在一起，送风控制的好就能调整这两个含量的数值达到需求的值。对送风、供煤进行控制和调节，优化送风控制系统，保证烟气含氧量处于稳定值。α如果很小，那么粉碎的煤在燃烧过程中就差不多能被完全燃烧，产生大量的一氧化碳，并不会对环境造成很大的危害，而且这样燃烧效率就会非常高，也能够物尽其用。但是α如果太大的话，温度过高下的燃烧会产生很多有害的氮化合物和碳化合物，这些对环境的危害非常大。对于空气供应，烟道气的氧含量是测量适用性的重要标准，空气供应是调节量，烟道气的氧含量是调节量，以形成级联速率控制系统。校准过后的供煤的数量可以很好的展示外部有负载时产生的变化，假如有负载的时候，变送器转换的信号是随时间的变化而变化的，可循环负荷，以确保整个燃烧过程中适当的空燃比[14]。主调节器是能够接收烟气氧气的定值信号，二次调节器是负责接收供煤时的信号，输入信号不止一个，一个是气源反馈信号，还有一个是氧气调节器输出，用这俩作为输入信号，之后再把信号发送出去，发到辅助调节器，以粗略调整回路的空燃比。主电路用于调节烟气和氧气的量，并进行微调。就这样通过一主一辅两种回路来回的连续的调节空燃比，才能将燃烧速度保证到一个最佳燃烧速度。（4）引风方案设计该控制系统主要就是靠一个风量控制阀来维持和稳定炉膛负压，使风量稳定在规定的范围内。当炉膛燃烧状况发生变化时，炉子里面的负压就会有一定程度上的波动，但是这种波动会影响整个系统，所以要将炉内负压控制在一个相对稳定的点。假如锅炉燃烧运行的过程中，炉子内的负压过低，这样就会导致热量的损失增加，更有可能直接将锅炉内的火扑灭，但是假如炉子内的负压过高的话，热烟气和炉膛火焰也会泄漏，造成隐患。此外，煤炭的损耗量也会增加，损耗量增加就会导致锅炉运行时企业所支付的成本也会增加，进一步将企业的负担加重[15]。这里选的系统是单回路控制系统，但是送风和感应的空调系统，这两个之间的关系比较难表达，比较复杂，所以当送风量被转换成前馈信号被送往送风控制装置时，还会顺带着送风装置一起被送过去，然后送风量的信号还会马上变成奖励系统。2.6锅炉过热温控设计（1）过热温控设计要求温度过高时，锅炉就会有安全隐患，所以要设计一个方案，能够让过热器出口的温度保持在人为规定好的一个范围内，同时也要保证过热器的内壁的温度也要在一个安全范围内。一般都是用水来降温，通过把控水流量来调节，以防止过热。过热器在安装的时候，要尽量锅炉的蒸汽出气口，这样是用来保护过热器。（2）减温器安装设计减温器很灵敏，所以本系统要使用前面和后面两台机器，喷水过热器，一般前幕式过热器后面安装第一个减温器，这样不仅惯性非常大，而且它可以调控的范围也非常大，然后第二个减温器安装在末级过热器前面，这样可以利用它热惯性小的优点，来快速的排烟时的温度调节到想要的一个温度。一般蒸汽温控都是用串联两个调节器的方式来运行，相互配合。如果一次衰减器（减温器）中断，应立即调整，然后重新调整二次衰减器（减温器），与单一控制系统相比，优势明显。3硬件设计为了防止过大的瞬时电流损坏设备的安全，当电流过大时，必须连接过流保护装置切断电源。当电气设备发生损坏或者出现故障的话，电路中的电流就会变得非常大，此时保险丝就会被烧断保护整个电源系统。控制系统需要对220V的电压进行整流才能让整个设备安全的运行。连接逆变器时，电源接线端口要连到380V的电源才行，之后就是通过逆变器来控制，改变电机的转速，或者让电机启动或停止来调整参数。3.1硬件选定（1）电动机电动机是控制系统中很重要的一点，是经常使用的到的动力设备。蒸发量35t/h，汽包压力0.5MP，管径50mm。所以正常工作功率如下：根据估算结果，可选择适合生产要求的110KW三相异步电动机。这里可以使用西玛机电设备有限公司的产品，适用型号为YJTG315l2-8。具体参数见表3-1。表3-1YJTG315L2-8铭牌参数（2）变频器变频调节用于调节调节后的煤、水、送风量、进气量等参数，而不是直接控制风门、挡板和阀门。由于变频器调节范围广，特性曲线平滑稳定，可实现高精度、高可靠性、高效率、操作简单、环保的连续稳定调节。如果选择电机，电机在50Hz三相交流恒转矩输出条件下运行时，功率约为100kW。由于输出功率也低于额定功率，且电机转矩不变，工作电流与50Hz三相交流基本相同。所以可以将ABB公司的ACS510系列变频器。变频器输入380V到480V、50到60Hz的三相交流电，输出380V到480V三相交流电流。（3）变送器一般情况常用的控制变送器有压力、流量、电压和电流这几种。变送器的作用是非常大的，在控制系统中。发射机可以将非电信号转换成电信号，但也可以将其放大。这里按需要选的是115版电容变送器和yyb94氧气变送器，在整个的生产中，许多介质的变化都会转化成压差变化，该值是4到20mA,然后转换之后，输出信号就会被传到各个机器里。（4）调节阀调节阀是整个控制回路的非常重要的一部分，调节阀如果使用好了可以帮助系统稳定，还有整个锅炉的安全运行。调节阀有很多种，气动、液压、电动最常使用。其中，液压控制阀被使用的最多，主要就是它的结构不像其它阀门那么复杂，运行起来不仅稳定性能强，而且速度还是非常的快。本文中主要用了供水、供气、电动、气动这些控制阀来起到控制调节的作用，所以选的阀为VB3200系列电动阀。（5）开关与电源控制系统用的电源除了三相交流电之外，有一小部分还会使用到24V的电源，为了提供稳定的24V直流电源，开关电源必须连接到控制电路。控制系统采用施耐德开关电源ABL2REM24045H，采用脉宽调制（PWM）方式。这种开关工作时候的温度很低，体积也是非常小巧的，拿取方便，而且消耗的能量也是非常少的，转换效率也是比以往的高，还有各种保护措施。表3-2ScheiderABL2REM24045H详细参数（6）PLC本设计的核心控制器是西门子S7-300PLC。S7-300主要属于模块化PLC，由机架、CPU模块、信号（I/O）模块、功能模块、通信处理器、电源模块和编程计算机组成，通过CPU模块或通讯模块，PLC可以连接通讯网络与计算机通讯，其它PLC或设备进行通信和控制[3]。这种控制器已广泛应用于国内各工业控制行业。而且其本身有很多很强大的功能，在很多控制场和的表现都很不错。3.2硬件接线图图3-1锅炉控制系统硬件接线图4软件设计一般用电动机进行供水控制，所以要准备一台故障备用电动机，配置表如下。表4-1给水系统的器材配置就燃烧控制系统而言，给煤机电动机的启动和停止以及供煤速度是通过变频器的速度调节来控制的，炉排电动机是通过与电动机组合的电动机来控制和调节的。变频器实现经济节能运行。表4-2供煤系统器材配置其中，由两台不同的电机控制送风量和引风量，这样就能是烟气中氧含量保持在一个正常的数值。配置表如下。表4-3送风量及引风量控制系统器材配置关于锅炉安全系统，过热蒸汽的温度通常由过热保护水进行限制，调节和控制，以确保过热的正常运行。要求如下。表4-4过热蒸汽控制系统器材配置数字和模拟输入/输出点分别为21/9和13，具体取决于每个组件的I/o点配置/6。因此，PLC的扩展模块将根据选定的S7-300PLC和确定的I/0点进行选择。（1）CPU用314-2DP型号，这样的CPU体积很小，而且具备很多功能，被很多企业所使用。DI有24个，DO有16个，AI有5个，AO有2个。（2）模拟输入模块用的是SM331AI8,这样的模块光是通道就可以连上8个，分辨率用的是12位的模拟信号。（3）模拟输出模块用的是SM332AO4,这种模块可以连上4个通道，分辨率用的也是12位的信号，而且可以设置电流和电压的输出，这种输出一般是2条线的。（4）增加了PID控制器模块，对汽包水位和电机转速进行PID调节和控制。表4-5对应各模块排布表4.1I/O地址分配表根据所需I/O点数和类型，得到下面I/O地址分配表。表4-6I/O地址分配表4.2PLC硬件接线图图4-1PLC外部接线图4.3软件编程设计本设计所使用到的是西门子S7-300，梯形图用的是step7编程软件来生成的，然后按照文中所需要的控制要求来设计。引入气流，有效控制燃料流量和调节蒸汽压力，只要将气流、烟气含量还有炉子内的负压控制保持在一定的范围内，就可以非常有效的将这三者之间相互的影响降到最低。程序如下。图4-2系统自动启停控制梯形图图4-3汽包水位控制梯形图图4-4燃烧控制梯形图图4-5送风控制系统部分梯形图图4-6送风控制系统部分梯形图图4-7引风控制系统部分梯形图图4-8引风控制系统部分梯形图图4-9蒸汽控制系统部分梯形图5控制系统仿真5.1仿真软件本次仿真所使用的的仿真软件是西门子S7-300,打开软件后的界面如下所示。图5-1S7-300界面图5.2仿真结果接通电源的情况下，按下启动按钮SB1，打开给水电机1，如果按下停止按钮SB2,或者给水电机电机1热保继电器接通，则关闭给水电机1。给水电机1停止按钮SB2和FR1热包继电器同时接通，启动给水电机2号水泵，当按下SB4给水电机2停止按钮或者，FR2给水电机2热包信号接通后，关闭给水电机2。当气包水位小于等于汽包低水位上限1时，打开给水调节阀。当气包水位高于汽包高水位上限1时，打开出水调节阀。图5-2仿真结果图当气包水位低于汽包低水位上限2时，或者汽包水位高于汽包高水位上限2时，关闭给水电机1，如果给水电机1的热报继电器接通，则关闭给水电机2。将采集的汽包水位数据，传送到IW304中间变量中。按下给煤电机启动按钮，打