基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黑龍江工程學(xué)院黑龍江工程學(xué)院PAGE1PAGE1第1章引 言PLC控制燃油鍋爐的目的和意義鍋爐是一次性能源煤炭、石油、天然氣轉(zhuǎn)換成二次能源蒸汽量的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。25同時(shí)還消耗大量的石油和天然氣。工業(yè)鍋爐是生產(chǎn)過程中重要的動(dòng)力設(shè)備。在石油化工領(lǐng)域，它的主要作用是向生產(chǎn)裝置提供所需的合格蒸汽，其控制質(zhì)量的優(yōu)劣不僅關(guān)系到鍋爐自身運(yùn)行的效果，而且還將直接影響到相關(guān)裝置生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性?，F(xiàn)代燃油燃燒機(jī)多為自動(dòng)控制的燃燒機(jī)，一般采用工業(yè)程序控制器、火焰檢測器以及溫度傳感器等組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。燃油鍋爐隨著城市的發(fā)展而越來越多地被應(yīng)用。以前使用燃煤鍋爐由于其在燃燒CO2和粉塵污染環(huán)境而逐漸被淘汰，相對應(yīng)的用燃油鍋爐來代替燃煤鍋爐已被廣泛用于酒店、大型商場等建筑。由PLC配用各種進(jìn)口及國產(chǎn)燃燒器的燃油鍋爐，對鍋爐實(shí)行全自動(dòng)控制，包括鍋爐水位、蒸汽壓力、燃燒系統(tǒng)的參數(shù)檢測、指示、調(diào)節(jié)等進(jìn)行控制。PLC控制燃油鍋爐的設(shè)計(jì)內(nèi)容PLCPLC型和擴(kuò)展電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制、檢測元件選型、低壓電器選型、電源設(shè)計(jì)完成燃油鍋爐的硬件設(shè)計(jì)部分。通過組態(tài)軟件以及仿真軟件的模擬和調(diào)試完成燃油鍋爐的軟件設(shè)計(jì)。預(yù)期實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)PLC油鍋爐的自動(dòng)控制對能源消耗來說很重要。第2章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案燃油鍋爐的基本組成部分燃油鍋爐主要組成部分：保證鍋爐的正常燃燒。沸水管之用，同時(shí)儲(chǔ)存水和水垢。爐膛：是使燃料充分燃燒并放出熱能的設(shè)備，由供油系統(tǒng)和油槍組成。送風(fēng)設(shè)備：由鼓風(fēng)機(jī)和風(fēng)道組成，用它來供應(yīng)燃料燃燒所需要的空氣。燃料供給設(shè)備：包括供油管路和油槍等。燃油鍋爐的工作過程成蒸汽。（子火燃燒，瓦斯閥打開（母火燃燒送風(fēng)、噴油，使燃燒持續(xù)。燃油鍋爐系統(tǒng)控制要求由PLC對鍋爐實(shí)行全自動(dòng)控制，包括鍋爐水位、蒸汽壓力、燃燒系統(tǒng)的參數(shù)檢測、指示、調(diào)節(jié)等進(jìn)行控制。燃油鍋爐控制要求1min3S3S后，點(diǎn)火變壓器和瓦斯閥門同時(shí)關(guān)閉。黑龍江工程學(xué)院黑龍江工程學(xué)院PAGEPAGE315S送風(fēng)停止。鍋爐燃燒過程中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)（即蒸汽壓力超過允許值或水位通過上L關(guān)閉，當(dāng)水位高于上限時(shí)，排水閥打開，進(jìn)水閥關(guān)閉。2.1所示。圖2.1燃油鍋爐系統(tǒng)示意圖燃油鍋爐控制系統(tǒng)制系統(tǒng)主要包括燃燒器控制、鍋爐水位控制等。燃燒過程控制燃燒裝置包括：鼓風(fēng)機(jī)、油泵、引風(fēng)機(jī)、點(diǎn)火裝置、噴油電磁閥等。黑龍江工程學(xué)院黑龍江工程學(xué)院PAGE4PAGE4繼續(xù)送風(fēng)一段時(shí)間后送風(fēng)停止。水位高低控制燃油鍋爐系統(tǒng)工藝流程燃油鍋爐控制系統(tǒng)是由PLC來控制燃油鍋爐的起動(dòng)、停止以及出現(xiàn)異常情況時(shí)能暫停且異常情況消失后能自動(dòng)按起燃順序重新工作的供熱系統(tǒng)。燃油鍋爐控制系統(tǒng)工藝流程圖如圖2.2所示。接通點(diǎn)火接通點(diǎn)火變壓器關(guān)閉點(diǎn)火變壓器啟動(dòng)燃燒預(yù)熱1min后打開3s后噴油泵噴油3s后關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)異常情況消失后自動(dòng)關(guān)K出現(xiàn)異常燃燒預(yù)熱器關(guān)閉燃燒閉按鈕鼓風(fēng)機(jī)繼續(xù)送風(fēng)持續(xù)15s后停止關(guān)閉排水閥下限啟動(dòng)排水閥，關(guān)閉進(jìn)水閥上限圖2.2燃油鍋爐控制系統(tǒng)工藝流程圖確定燃油鍋爐的設(shè)計(jì)方案PLCPLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，維持它們在規(guī)定的范圍內(nèi)。出水閥、水位上限開關(guān)、水位下限開關(guān)、各種檢測儀表及監(jiān)控設(shè)備組成。系統(tǒng)原理框圖如圖2.3所示。圖2.3燃油鍋爐系統(tǒng)原理框圖第3章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)PLC總述PLC工作原理PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它的工作原理是建立在計(jì)算機(jī)工作原理的基礎(chǔ)之CPU項(xiàng)任務(wù)的，所以它屬于串行工作方式。PLC工作的整個(gè)過程可分為三部分：第一部分是上電處理。機(jī)器上電后對PLC系統(tǒng)進(jìn)行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模塊配置檢查，停電保持范圍設(shè)定，系統(tǒng)通信參數(shù)配置及其他初始化處理等。第二部分是掃描過程。PLC上電處理階段完成以后進(jìn)入掃描工作過程。第三部分是出錯(cuò)處理。PLCPLC的動(dòng)作是否正常，如檢查出異常時(shí)，CPULED及異常繼電器會(huì)接通，在特STOP掃描便停止。PLC一般將完成部分或全部的以下操作：讀輸入→處理通信請求→執(zhí)行邏輯控制程序→寫輸出執(zhí)行→CPU自診斷。PLC就是這樣周而復(fù)始的循環(huán)這些動(dòng)作過程一直到關(guān)機(jī)。PLC上電后，處于正常運(yùn)行時(shí)，它將不斷重復(fù)掃描過程，并不斷循環(huán)重復(fù)下去。分析上述掃描過程，如果不考慮遠(yuǎn)程的服務(wù)要求，這樣掃描過程就只有“輸入采PLCPLC的工作原理。PLC系統(tǒng)選型PLCS7-200性能要求的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。其模塊化、易于實(shí)現(xiàn)分布、易于用戶掌握等特S7-200成為各種中小型性能要求控制任務(wù)的首選。S7-200CPUI/O擴(kuò)展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模塊。當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，可隨時(shí)使用附加的模塊對PLC進(jìn)行擴(kuò)展。西門子S7-200所具備的高電磁兼容性和強(qiáng)抗振動(dòng)，抗沖擊性，使其具有更高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。此外，S7-200PLC還具有模塊點(diǎn)數(shù)密度高，結(jié)構(gòu)緊湊，性價(jià)比高，性能優(yōu)PLC的核心，它按PLC中系統(tǒng)程PLC有條不紊的進(jìn)行工作。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器CPUPLCCPUI/O接口接收現(xiàn)場信號(hào)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；診斷PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯(cuò)誤等；PLC過命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、邏輯或算術(shù)運(yùn)算等；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。PLC產(chǎn)品的種類繁多。PLC的型號(hào)不同，對應(yīng)著其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。PLCPLCI/OPLC機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭最佳的性能價(jià)格比。選擇時(shí)應(yīng)主要考慮到合理的結(jié)構(gòu)型式，安裝方式的選擇,相應(yīng)的功能要求，響應(yīng)速度要求，系統(tǒng)可靠性的要求機(jī)型盡量統(tǒng)一等因素。PLC是為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的通用控制器,PLC的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。通常PLC的輸入類型可以是直流、交流或交直流，使用最多的是直流信號(hào)輸入PLC。輸入電路的電源可由外部供給，有的也可由PLC自身的電源提供。表3-1 S7-200系列PLCCPU型號(hào)表特性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226CPU226XM程序存儲(chǔ)區(qū) 4096B4096B8192B12288B16384B24576B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) 2048B2048B8192B10240B10240B20480B本機(jī)I/O 6入4出86出14入10出14入10出24入16出2416出擴(kuò)展模塊數(shù) 027777通過對燃油鍋爐控制系統(tǒng)控制要求的分析可知，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點(diǎn)5點(diǎn)，開黑龍江工程學(xué)院黑龍江工程學(xué)院PAGEPAGE10關(guān)量輸出點(diǎn)7CPU227CPU224的外圍接線圖如圖3.1所示。圖3-1CPU224外圍接線圖I/O地址分配根據(jù)燃油鍋爐控制系統(tǒng)的控制要求，I/O通道地址分配如表3-2和3-3所示。序號(hào)序號(hào)功能信號(hào)AIW01輸入AIW22輸入AQW4AQW4給變頻器信號(hào)名稱名稱熱繼電器瓦斯閥進(jìn)水閥出水閥代碼SF1SF2地址編號(hào)I0.0BG1I0.1BG2I0.3BPI0.4BBI0.2KF1I0.5QA1Q0.0KF2Q0.1MB1Q0.2MB2Q0.3MB3Q0.4MB4Q0.5Q0.6表3-2輸入輸出信號(hào)代碼和地址編號(hào)噴油器低轉(zhuǎn)速M(fèi)B5Q0.7表噴油器低轉(zhuǎn)速M(fèi)B5Q0.7PLC主機(jī)圖系統(tǒng)所選PLC型號(hào)的主機(jī)圖圖3.2PLC主機(jī)圖擴(kuò)展模塊選型系統(tǒng)采用西門子系統(tǒng)采用西門子S7-200模擬量編程。EM235是最常用的模擬量擴(kuò)展模塊，它實(shí)41EM235模塊。數(shù)字量輸入/CPUI/O提供更多的數(shù)字量輸入/輸出，數(shù)字量輸入/S7-200S7-200的內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成過程所要求的外部信號(hào)電平。3.4EM235的常用技術(shù)參數(shù)模擬量輸入特性模擬量輸入點(diǎn)數(shù)4輸入范圍電壓（單極性）0～10V0～5V0～1V0～500mV0～100mV0～50mV黑龍江工程學(xué)院黑龍江工程學(xué)院PAGE11PAGE11數(shù)據(jù)字格式數(shù)據(jù)字格式分辨率模擬量輸出特性模擬量輸出點(diǎn)數(shù)信號(hào)范圍（雙極性±10V±5V±2.5V±1V ±500mV ±250mV±100mV±50mV ±25mV電流0～20mA雙極性全量程范圍-32000～+32000單極性全量程范圍0～3200012位A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)字格式1電壓輸出±10V電壓-32000～+32000電流0～32000分辨率電流12位11位電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制選型電機(jī)及噴油泵的選型SZS20-1.25-Y鍋爐的型號(hào)，進(jìn)行油泵的選型。所選用的鼓風(fēng)機(jī)為Y90L-4-1.5KW風(fēng)機(jī)。轉(zhuǎn)速為1400r/min，風(fēng)量為（5012-12230）m3/h1.5KW。Y90L-4。變頻器選型干擾外界其他設(shè)備，即所謂的電磁兼容性。在選擇變頻器時(shí)的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：根據(jù)負(fù)載特性選擇變頻器。1020這種情況，適當(dāng)留有余量，以防止溫升過高，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。本設(shè)計(jì)選用的變頻器為西門子MM440MM440是一種集多種功能于一體的變頻器，其恒定轉(zhuǎn)矩控制方式的額定功率范圍為120KW-200KW250KW，它適用于電動(dòng)機(jī)需要調(diào)速的各種場合。可通過數(shù)字操作面板或通過遠(yuǎn)程操作器方式修改其內(nèi)置參數(shù)，即可滿足各種調(diào)速場合的要求。電機(jī)主線路MA1驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)工作、MA2QA1QA2MA1MA2QA20分別為變頻器和兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)主電路的隔離開關(guān)，隔離開關(guān)重要作用是隔離電源，以保證其它電氣設(shè)備的安全檢修。由于它沒有專門的滅弧裝置，所以不能帶負(fù)荷操作。但是它可以用來通斷一定的小電流，如切合電壓互感器和避雷針回路等。隔離開關(guān)在結(jié)構(gòu)上有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，就是它具M(jìn)M400，通過改變電源的頻率來達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。如圖3.5所示為電機(jī)控制系統(tǒng)主電路。黑龍江工程學(xué)院黑龍江工程學(xué)院PAGEPAGE133.3電機(jī)主接線圖檢測元件選型KWZP-230，測溫范圍-200～500DC24V0～60WZP-230500DC24V0～60℃。pt100PT100PT1000℃100100℃138.5PT1000100低壓電器選型繼電器選型在控制電路中起信號(hào)傳遞、放大、切換和邏輯控制等作用的繼電器稱作中間繼電器。它屬于電壓繼電器的一種，主要用于擴(kuò)展觸點(diǎn)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)邏輯控制。本設(shè)計(jì)中用JZ7JZ7-62220V黑龍江工程學(xué)院黑龍江工程學(xué)院PAGE14PAGE14工作電流,5A。斷路器選型以用于不頻繁地啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。DZ473P16A，額定工作電壓16A。熔斷器選型熔斷器基于電流熱效應(yīng)原理和發(fā)熱元件熱熔斷原理設(shè)計(jì)，具有一定的瞬時(shí)動(dòng)作生短路故障時(shí)，熔斷器中的熔體被瞬時(shí)熔斷而分?jǐn)嚯娐罚鸬奖Ｗo(hù)作用。根據(jù)負(fù)載類型，選用正泰系列熔斷器，型號(hào)為RL1-15，額定電流5A，額定電壓380V。表3.5系統(tǒng)元件明細(xì)代號(hào)名稱型號(hào)規(guī)格數(shù)量MA1三相異步電動(dòng)機(jī)Y90L-4380V，1.5kw，11400r/min，3.7AMA2三相異步電動(dòng)機(jī)Y90L-4380V，1.5kw，11400r/min，3.7AFA熔斷器RL1-15380V，16A6B1溫度傳感器WZP-230-200~500℃2QA0低壓斷路器DZ473P16A380V，16A2BB熱繼電器LR2-D1312C5.5—8A1系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)可編程序控制器一般使用市電影響到可編程序控制器系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的精度和可靠性，有時(shí)電網(wǎng)的沖擊，可給系統(tǒng)帶來毀滅性的破壞。為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性能，在對可編程序控制器的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用隔離變壓器，這樣可以隔離掉供電電源中的各種干擾信號(hào)，從而提高S7-200PLC的供電電源，采用一個(gè)獨(dú)立的開關(guān)，它能夠CPU供電線路中的電流。S7-200CPU24V5VCPU主機(jī)、數(shù)字量擴(kuò)展模塊的輸入、模擬量擴(kuò)展模塊的供電電源以及外部傳感器電源使用。如果容量不能滿足所有需求，則必須增加外部直流電源。此時(shí)外部直流電源不能與模塊的傳感器電源并聯(lián)使用，以防止兩個(gè)電源電S7-200CPU與擴(kuò)展模塊連接時(shí)，CPU5V直5VCPU5V直流電源的容量，則必須減少擴(kuò)展模塊的數(shù)量。第4章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制程序流程圖是異常是否消失啟動(dòng)自動(dòng)關(guān)是異常是否消失啟動(dòng)自動(dòng)關(guān) K點(diǎn)火子程序是否是否出現(xiàn)異常燃燒否否 水位否水位低于下限高于上限是是啟動(dòng)進(jìn)水閥，關(guān)閉排水閥啟動(dòng)排水閥，關(guān)閉進(jìn)水閥圖4.1主程序流程圖燃燒預(yù)熱燃燒預(yù)熱否燃燒預(yù)熱是否成功是變壓器打開鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)否以上三步是否完成是否噴油是否成功是變壓器關(guān)閉圖4.2點(diǎn)火子程序流程圖燃燒燃燒否按下停止按鈕是器關(guān)閉噴油泵關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)繼續(xù)送風(fēng)15s后停止圖4.3停機(jī)子程序流程圖控制程序設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)重要的組成部分，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。編寫程序的方法很多，常用的有圖解法編程、經(jīng)驗(yàn)法編程和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程計(jì)中采用的是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程方法。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是通過PLC編程軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、編程、仿真和在線調(diào)試等。STEP7-Micro/WINV4.0S7-200仿真軟件進(jìn)行S7-200切換到運(yùn)行模式進(jìn)行調(diào)試。3S3S后，點(diǎn)火變壓器和瓦斯閥門同時(shí)關(guān)閉。15S停止。鍋爐燃燒過程中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)（LK；異常情況消失后，又能自動(dòng)接起燃燒程序重新點(diǎn)火燃燒。當(dāng)水位高于上限時(shí)，排水閥打開，進(jìn)水閥關(guān)閉。黑龍江工程學(xué)院黑龍江工程學(xué)院PAGE18PAGE18顯示操作界面設(shè)計(jì)圖4.4顯示操作界面程序調(diào)試程序主要調(diào)試圖如下所示。4.590°時(shí)仿真截圖此時(shí)鍋爐正常運(yùn)行，但水溫低于90度，噴油電機(jī)以一較大的轉(zhuǎn)速噴油。圖4.6鍋爐正常運(yùn)行，水溫高于90°時(shí)仿真截圖9390Q0.7噴油電機(jī)以較低的轉(zhuǎn)速進(jìn)行噴油。4.725°時(shí)仿真截圖當(dāng)油溫的溫度達(dá)不到25度時(shí)，噴油電機(jī)不運(yùn)行，Q0.4無輸出。直到油溫預(yù)熱到25度以上時(shí)，噴油機(jī)才可以噴油。圖4.5蒸汽壓力超過允許值時(shí)仿真截圖當(dāng)異常情況消失后，鍋爐可自動(dòng)重新啟動(dòng)燃燒。結(jié)束語經(jīng)過兩周的實(shí)習(xí)與實(shí)踐，在我們小組每一個(gè)成員共同的努力下，順利完成了此次PLC今后繼續(xù)完善燃油鍋爐的功能提供了基礎(chǔ)。黑龍江工程學(xué)院黑龍江工程學(xué)院PAGE21PAGE21實(shí)習(xí)體會(huì)PLCPLCPLC計(jì)主要是獨(dú)立完成的，因此培養(yǎng)了我們分析問題、綜合運(yùn)用知識(shí)去解決問題的能力以及獨(dú)立工作的能力；使我們所學(xué)的理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐更緊密地結(jié)合起來，是對以前所學(xué)的知識(shí)及所掌握的技能的綜合運(yùn)用和檢驗(yàn)。在作課程設(shè)計(jì)的過程中，可以綜合性地運(yùn)用幾年內(nèi)所學(xué)知識(shí)去分析、解決問題，所學(xué)知識(shí)得到疏理和運(yùn)用，使自己的實(shí)踐動(dòng)手能力得到鍛煉，增強(qiáng)了即將跨入社會(huì)去競爭、去創(chuàng)造的自信心。本課程設(shè)計(jì)是在學(xué)完可編程控制器課程之后綜合利用所學(xué)可編程控制器知識(shí)完一定的基礎(chǔ)。他們的幫助密切相關(guān)。此次實(shí)習(xí)為我今后的學(xué)習(xí)指明了方向，我會(huì)在今后的學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力！參考文獻(xiàn)[1].朱敏.基于PLC的智能變頻恒壓供水系統(tǒng)[A].2006系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[