畢業(yè)設計（論文）輔鍋爐燃燒模擬控制系統(tǒng)設計

1、1學學 校校畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文題目題目：輔鍋爐燃燒模擬控制系統(tǒng)設計輔鍋爐燃燒模擬控制系統(tǒng)設計 auxiliary boiler combustion control system simulation系系 別：別： 專專 業(yè)：業(yè)： 班班 級級: : 姓姓 名名: : 學學 號號: : 指導教師指導教師: : 20112011 年年 月月 日日2目目 錄錄前言前言.3摘要摘要.31 可編程序控制器的基本特點可編程序控制器的基本特點.42 系統(tǒng)設計要求系統(tǒng)設計要求.52.1 水位控制.52.2 燃燒程序自動控制.52.3 蒸汽壓力控制.72.4 自動保護和報警.73 控制部分的設計控制部分的設

2、計.73.1 硬件設計.83.2 控制部分的軟件設計.9一、控制系統(tǒng)流程圖.10二、 時序圖.11三、控制程序.12四、控制程序的說明.154 結束語結束語.16參考文獻參考文獻.163前言前言在內燃機動力裝置的船舶上，鍋爐是船舶的重要輔機設備，主要產生蒸汽用于加熱燃油、主機暖缸、驅動輔助機械及生活雜用。當前船舶機艙自動化的要求越來越高，鍋爐的自動控制在實現無人機艙中是必不可少的。但是目前我國船舶(特別在遠洋漁船)上，雖有一定程度的自動化控制，但控制系統(tǒng)基本上是采用接觸器繼電器系統(tǒng), 系統(tǒng)線路復雜、可靠性差、維護工作量大。為改造船舶設備，改善船員勞動強度，提高生產效率, 采用可編程序控制器來實

3、現鍋爐的自動控制, 可以使線路簡單、可靠性提高、維護方便且容易實現現場調試等?？删幊绦蚩刂破骺刂葡到y(tǒng)的經濟性能比高于接觸器繼電器控制系統(tǒng)。隨著船舶技術的發(fā)展，船舶自動化的程度越來越高，而 plc 因其可靠性高、運用靈活，在自動控制領域獲得了廣泛的應用。目前，在船舶自動化設備中，船舶電站自動化、分油機自動控制、鍋爐自動控制等領域，都已成功地應用了可編程序控制器，相信隨著市場的發(fā)展和技術的進步，plc 技術在船上會有更廣闊的前景。船舶輔鍋爐是一個多輸入、多輸出且相互關聯的復雜的控制對象，其實際操作必須遵循嚴格的步驟，在實習和教學環(huán)節(jié)中，實現每個人都進行實際操作有難度。因燃油運行成本且可能出現操作失

4、誤，會給實習和教學帶來一定的困難和不安全因素。隨著虛擬現實技術的產生，這些問題將逐步得到解決。以下將會用 plc 設計一個輔鍋爐模擬控制系統(tǒng)。摘要摘要目前我國船舶自動化控制程度較低，控制系統(tǒng)基本上是采用接觸器繼電器系統(tǒng), 系統(tǒng)線路復雜、可靠性差、維護工作量大。為改造船舶設備，改善船員勞動強度，提高生產效率, 采用可編程序控制器來實現鍋爐的自動控制, 可以使線路簡單、可靠性提高、維護方便且容易實現現場調試等。 隨著船舶自動化的發(fā)展，plc 技術越來越多的在船舶中得到應用。本文分析了 plc 的特點以及在船用輔鍋爐自動控制系統(tǒng)的應用，主要應用在船用輔鍋爐鍋爐水位自動控制、蒸汽壓力自動控制、燃燒程序

5、的自動控制、保護與報警，使鍋爐實現自動控制，逐漸達到無人機艙的目的。本文主要包括以下幾方面內容：一、介紹可編程序控制器（plc）的基本特點，使人了解 plc 工作原理及方式；二、說明該控制系統(tǒng)的設計要求，也就是本文用 s7200 plc 實現自動鍋爐控制要達到的目的；三、是本文最重要的一環(huán)，系統(tǒng)自動控制的設計包括硬件和軟件方面。41 可編程序控制器的基本特點可編程序控制器的基本特點可編程序控制器（plc）是以中央處理器為核心，綜合了計算機和自動控制等先進技術發(fā)展起來的一種工業(yè)控制器。plc 的工作原理框圖如下：plc 是采用”順序掃描、不斷循環(huán)”的方式進行工作的，即 plc 運行時，cpu 根

6、據用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描。如果無跳轉指令，從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直到程序結束，然后重新返回第一條指令，開始下一輪掃描，周而復始。每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。plc 采用軟件編制程序來實現控制要求。編程時使用的各種編程元件，它們可提供相當多個常開觸點和長閉觸點。這使得整個控制系統(tǒng)大為簡單，只須外部端子上接上相應的輸入輸出信號線即可，并能在生產工藝流程改變或生產設備更新時，不必改變 plc 的硬設備，只要改變程序即可。plc 能在線修改程序，也能方便地擴展 i/o 點數。plc 結

7、構緊密，體積小巧，易于裝入機械設備內部，是實現機電一體化的理想控制設備。52 系統(tǒng)設計要求系統(tǒng)設計要求系統(tǒng)必須能夠實現程序控制 、自動調節(jié) 、安全保護功能和具有較高的仿真度 。本文主要針對的是船舶輔助燃油鍋爐,其蒸發(fā)量一般為 0.45-2.5t/h，蒸汽壓力在 04-0.46mpa 左右，但只要簡單修改一下，plc 程序就可以適用不同型號的船舶鍋爐。船舶鍋爐自動控制一般有以下幾個環(huán)節(jié): 鍋爐水位自動控制、燃燒程序的自動控制、蒸汽壓力自動控制、保護與報警。 系統(tǒng)的全自動起動、停爐和故障事件處理，按照要求在 plc 中編制用戶程序，實現:給水、掃氣、點火、燃燒等過程的全自動起、?？刂啤ｅ仩t定期定時

8、保養(yǎng)維護的自動提示和超期不維護的系統(tǒng)自動閉鎖。為配合燃燒，plc 在系統(tǒng)的起停運行中，根據控制要求自動起停風機電機和開閉風門完成掃氣工序，并根據燃燒情況，控制風門的開閉大小。此外，風機電機故障、爐內壓力超限聯鎖、燃燒發(fā)生故障的聯鎖控制和報警處理，報警聯鎖等控制處理等也由 plc 用戶程序實現。2.1 水位控制水位控制 采用水位計對水位進行檢測，根據控制需要將 2 個水位(下限水位位、上限水位)的 2 個開關量信號接入 plc，經 plc 控制水泵電機，實現合適給水量的控制、低水位聯鎖、報警處理給水水泵電機故障時的聯鎖控制等，使系統(tǒng)全自動平穩(wěn)地運行。2.2 燃燒程序自動控制燃燒程序自動控制 燃燒

9、自動控制的被控量是輔鍋爐內的蒸汽壓力，根據汽壓的高低自動改變進入爐膛的噴油量和送風量。 對貨船輔鍋爐，燃燒自動控制系統(tǒng)的要求簡單、可靠，對輔鍋爐運行的經濟性要求不是很嚴格，大多數這樣的輔鍋爐采用汽壓的雙位控制，少數采用比例控制，并保證輔鍋爐在不同負荷下，其送風量基本適應噴油量的要求。在油船輔鍋爐中，要求汽壓必須穩(wěn)定，同時對輔鍋爐的運行經濟性要求比較高，這樣輔鍋爐才能在不同的負荷情況下，保證有一個最佳的風油比，所以通常采用比例積分控制或更好的控制算法。 點火及燃燒采用時序控制：給鍋爐一個起動信號后，按時序的先后進行預掃風、預點火、噴油點火，點火成功后對鍋爐進行預熱，接著轉入正常燃燒的負荷控制階段

10、，同時對鍋爐進行一系列的安全保護。 按下輔鍋爐啟動按鈕后，自動啟動燃油泵和鼓風機，關閉燃油電磁閥使燃6油在輔鍋爐外面循環(huán)，此時風門開的最大，以最大風量進行預掃風，防止爐內殘存的油氣在點火中產生冷爆。 預掃風的時間根據輔鍋爐的結構形式不同而異，一般是 206o s。達到預掃風的時問后自動關小風門，同時點火電極打出火花進行預點火，時間約為3 s。然后打開燃油電磁閥或開大回油閥，或讓一個油頭噴油工作，即以小風量和少噴油進行點火。點火成功后，先維持一段 時間低火燃燒，對輔鍋爐進行預熱，再開大風門關小 回油閥或增加一個油頭向爐膛噴油，使輔鍋爐轉入高火燃燒，即進入正常燃燒的負荷控制階段。在預定的時間內若點

11、火不成功或風機失壓、中間熄火等，會自動停爐，待故障排除后按恢復按鈕使時序控制恢復到起動前的狀態(tài)，方能重新起動輔鍋爐 風油比的控制在該控制系統(tǒng)中是很重要的一環(huán)， 大家知道：燃油的充分燃燒，離不開合理精確的風油比。這是關系能耗的重要指標。而目前各國生產的自動燃燒器火焰調節(jié)原理，基本都是由機械連桿帶動風門油門同步轉動來實現的。這種結構不僅結構復雜、故障率高，還普遍存在著風油比控制精度差（不能精確量化）且調節(jié)困難的缺點。當使用兩種不同黏度的燃油和燃油品質發(fā)生變化時，由于不能分別控制和自動切換輕/重燃油的風油比，因此燃燒狀況很難處于最佳狀態(tài)，導致油耗加大、熱效率降低。尤其是那種高壓風機空氣霧化的開放式燃

12、燒器，由于大量燃燒用氧完全依賴引風機提供的負壓，燃燒器本身根本就不能良好調控風油比，因此能耗很大、熱效率也很低。至于如何控制，現在我就簡單介紹一下我自己的方法：風門電磁調節(jié)閥和油門電磁調節(jié)閥各串一個可變電阻，阻值大小，可以自己適當選擇，原理通過改變阻值來改變電流的大小從而改變磁力的大小。通電之前，變阻器阻值調到最大這時油門調節(jié)閥調到最小即油門調到最小用來點火和預熱用；而與風門調節(jié)閥相連的變阻器則調到最小值即風門最大為預掃風作好整備，很顯然這種方法是比較粗糙的，有很多不足之處，因為所帶不同負載所要求的風油比就不一樣，這樣調起開來就比較麻煩，而且精度比較低，很容易浪費資源。至于更好的方法就像上面所

13、說的采用比例積分控制或更好的控制算法，這樣輔鍋爐才能在不同的負荷情況下，保證有一個最佳的風油比，就可以達到使汽壓必須穩(wěn)定，同時減小輔鍋爐的運行經濟成本。具體的原理就是在油門和風門加一個比例調節(jié)器，通過對蒸汽壓的檢測判斷處理，分別給油量和風量一個合適的反饋量，達到獲得一個動態(tài)的比較合適的風油比，再通過對輸入即油量或風量和輸出即蒸汽壓構成閉環(huán)系統(tǒng)使蒸汽壓保持穩(wěn)定。本程序用的就是比例積分控制法，在鍋爐里加了一個蒸汽壓力檢測裝置，在燃油泵里加了流量比例調節(jié)器，在風機里加了一個壓力比例調節(jié)器，兩個比例調節(jié)器都與蒸汽壓力檢測器有電的相接，點火成功后的控制全過程的風油比就是由這三者來控制完成。72.3 蒸汽

14、壓力控制蒸汽壓力控制 蒸汽壓力通過壓力傳感器測量實現。水位正常時，如蒸汽壓力在 0.4-0.46mpa 時鍋爐正常燃燒;當負荷減少時，蒸汽壓力超過 0.46mpa 時鍋爐停止燃燒切斷電源并發(fā)出報警，此時，若用戶想馬上再次起動鍋爐時，點火失敗指示燈會亮并發(fā)出警報，只有當報警自動撤銷，才能再次起動或者當蒸汽壓力下降到 0.4mpa 以下時鍋爐自動重新點火燃燒。采用壓力傳感器測量當前蒸汽壓力，通過壓力開關，信號接入 plc 的兩點開關量輸入，或者用壓力傳感器測量通過變送器將信號接入 plc 的一路模擬量輸入，實現兩級燃燒(大、小火)控制和壓力上限保護及實時監(jiān)視。 2.4 自動保護和報警自動保護和報警

15、 按照要求在 plc 編制中實現危險水位保護、燃油泄漏保護和報 警過汽壓保護、點火失敗報警、燃燒熄火報警3 控制部分的設計控制部分的設計 采用 plc 技術實現自動控制主要是以程序形式來體現其控制能力的，大量的工作時間是用在軟件設計，也即程序設計上。通常采用繼電氣系統(tǒng)設計法中的逐步探索法，以步為核心，一步一步設計下去，一步一步修改調試，直至完成整個程序的設計。 由于 plc 內部繼電器數量大，其接點在內存允許的情況下可重復使用，具有存儲數量大、執(zhí)行快等特點，在系統(tǒng)設計前，必須深入了解：一、鍋爐自動控制系統(tǒng)的基本流程及基本原理。二、鍋爐控制所具備的全部功能和控制范圍。三、作為鍋爐的程序控制，主要

16、是要清楚其時序控制圖，這就要根據鍋爐系統(tǒng)時序控制的特點，在程序設計時要著重用好 plc 內部計數器和定時器。機型選擇的基本原則是在滿足控制功能的前提下，保證系統(tǒng)可靠、安全、經濟及使用方便。在實際設計中一般要考慮以下幾個方面的問題：一、io 點數的確定（一般可考慮 10%-15%的備用量） ；二、確定用戶程序存儲器的存儲容量，一般粗略的估計方法是：（輸入+輸出）*10 到 12=指令步數；三、響應速度；8四、輸入和輸出的方式及負載能力。根據控制系統(tǒng)中輸入和輸出信號的種類、參數等級和負載要求，選擇能夠滿足輸入和輸出接口需要的機型，在這里要特別注意電壓和電流的問題。3.1 硬件設計硬件設計 操作控制

17、箱中有 s7-200 plc 一臺、接觸器、熱繼電器、開關、導線等若干，這些設備組成模擬器控制部分的主電路和控制電路。控制電路各項功能主要由 plc 來實現，s7-200 plc 系統(tǒng)接線圖和 i/o 點分配表如下圖所示。plc 硬件接線圖9輸入地址 相連接的外部設備輸出地址 相連接的外部設備i0.0 起動按鈕i0.1 停止按鈕i0.2 水位上限開關i0.3 水位下限開關i0.4 火焰檢測開關i0.5 汽壓力（高）開關i0.6 汽壓力（低）開關i0.7 鼓風機熱繼電器i1.0 水泵熱繼電器i1.1 燃油泵熱繼電器i1.2 輕油泵熱繼電器i1.3. 風壓檢測開關 i1.4 燃油泄漏檢測開關q0.

18、0 水泵接觸器q0.1 鼓風機接觸器q0.2 燃油泵q0.3 輕油泵q0.4 燃油電磁閥q0.5 輕油電磁閥q0.6 風門（大）接觸器q0.7 風門（?。┙佑|器q1.0 關小進油閥q1.1 點火變壓器q1.2 壓力比例調節(jié)器接觸器q1.3 點火失敗聲光報警器q1.4 中途失火聲光報警器q1.5 水位低指示燈q1.6 汽壓高指示燈q1.7 流量比例調節(jié)器接觸器q2.0 燃油泄露報警器i/oi/o 點分配表點分配表3.2 控制部分的軟件設計控制部分的軟件設計根據 plc 掃描工作方式的特點，按照鍋爐自動控制系統(tǒng)的控制流程及各部動作的邏輯關系，合理劃分成型模塊，畫出控制系統(tǒng)流程圖和控制系統(tǒng)程序梯形圖

19、。在程序設計中要充分利用 plc 內部繼電器的無限多觸點給程序帶來的方便。10一、控制系統(tǒng)流程圖一、控制系統(tǒng)流程圖鍋爐點火時序控制圖11這里對控制系統(tǒng)流程圖說明一下，系統(tǒng)得電就進入初始化即所有數據都恢復到原始狀態(tài)為新一輪起動做好整備并且進入水位自動控制階段并一直執(zhí)行下去，這里的啟動條件就是水位是否正常，只有在正常的情況下，按起動按鈕才有效。正常起動后系統(tǒng)就進入燃燒自動控制階段，首先為預掃風做好整備風機、油泵啟動和風門開到最大，當風機和風門都正常打開時，系統(tǒng)會經過一個壓力感應開關來自動檢測風壓是否建立，如果在 9 秒之內成功建立風壓，預掃風延時 60 秒，系統(tǒng)就會進入點火階段，否則進入自動保護和

20、報警狀態(tài)，解除警報只須按下停止按鈕就行了，以下都一樣。當點火變壓器得電進入預點火，在 9 秒之內，點火是否成功，是否有火焰生成，系統(tǒng)經過一個合適的光敏電阻來自動檢測，成功就進入下一階段，失敗就進行自動保護和報警。點火成功后，系統(tǒng)就開始正常工作，生成大量的蒸汽，這時系統(tǒng)就進入蒸汽壓自動控制階段，這時系統(tǒng)會利用一個壓力檢測開關來檢測蒸汽壓是否超過預定 0.46mpa.一旦超過系統(tǒng)就會進入自動保護和報警狀態(tài)，這時系統(tǒng)想再次起動，必須要等到蒸汽壓回到正常值，在回到正常值時，你可以按起動按鈕讓系統(tǒng)再次起動，或者等到蒸汽壓一直降到 0.4mpa 以下時系統(tǒng)會自動重新點火燃燒。二、二、 時序圖時序圖鍋爐系統(tǒng)執(zhí)行機構的動作時序圖12三、控制程序三、控制程序131415四、控制程序的說明四、控制程序的說明 系統(tǒng)得電進入初始化，首先自