基于plc的天然气锅炉控制系统设计.docx

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基于plc的天然气锅炉控制系统设计

摘要

目前天然气锅炉的应用越来越广泛，对天然气锅炉的科学研究也越来越多。

为解决我国天然气锅炉产业现状存在的主要问题，采用PLC等控制技术和设备对我国天然气锅炉控制系统进行适当改造。

西门子S7-200系列PLC改造的天然气锅炉控制系统，根据自动控制基本原理实现了锅炉更高效率和更高可靠性的启动、停止、暂停和异常处理；在此控制系统中对锅炉燃烧各项参数等可进行高效检测、校正和调节；其中锅炉水位、压力等参数控制亦可由PLC实现控制。

首先是对天然气锅炉基本结构组成和运行原理进行研究和分析；主要研究WNS型卧式天然气锅炉，根据天然气锅炉控制系统的工艺要求设计控制方案；设置好具体参数，进行PLC的I/O口的估算和分配，选择西门子S7-200系列PLC作为控制系统核心，在此基础上设计出控制系统外部接线图，并对其它组成部件如变频器、电机等进行选择；最后根据系统流程图进行主电路接线图的设计，完成梯形图，最后进行程序的校验和仿真。

关键词：

PLC天然气锅炉汽包水位变频器传感器

Abstract

Atpresenttheapplicationofgasboilerismoreandmorewidely,alsomoreandmoretothescientificresearchofgasboiler.Tosolvethemainproblemsofgasboilerindustrypresentsituationinourcountry,suchasPLCcontroltechnologyandequipmentforgasboilercontrolsystemappropriatereforminourcountry.SiemensS7-200seriesPLCreformofgasboilercontrolsystem,basedonthebasicprincipleofautomaticcontroltoachievetheefficiencyofboilerishigherandhigherreliabilityofstart,stop,pauseandexceptionhandling.Inthiscontrolsystemforboilercombustionparameterssuchastesting,calibrationandadjustmentcanbeefficiently;Theboilerwaterlevel,theparameterssuchaspressurecontrolcanbecontrolledbythePLCtorealize.

Thefirstisthebasicstructureofgasboilerandoperationprincipleofresearchandanalysis;Mainresearchbeinghorizontalgasboiler,accordingtothetechnologicalrequirementsofgasboilercontrolsystemdesigncontrolscheme;Setspecificparameters,PLCI/Oportestimatesandallocation,selectionofSiemensS7-200seriesPLCascorecontrolsystem,onthebasisofthedesignedcontrolsystemoftheexternalwiringdiagram,andtheothercomponents,suchasfrequencyconverter,motorandsoontochoose;Accordingtotheflowchartofsystemforthedesignofmaincircuitwiringdiagram,ladderdiagram,thecalibrationandsimulationoftheproceduresinvolved.

Keywords:

PLCgasboilersteamdrumwaterlevelfrequencyconvertersensors

基于PLC小区天然气锅炉控制系统设计

第一章绪论

环境和能源问题是全球关注焦点，我国能源结构和经济发展不相称,能源结构影响国民经济和生活。

我国在九十年代末进行过锅炉产业的大规模改造虽引进部分先进技术和产品但并未彻底解决问题，传统的能源结构和消费模式并未改变，使得污染有日益严峻的趋势。

这就需要我们重新审视我国的能源结构和消费结构，学习和借鉴西方先进国家的有益做法，调整我国锅炉产业结构，引进先进设备和工艺，同时要结合国情努力改造我国锅炉产业的设备和控制方法，减少污染的排放。

基于此为了保护我们的环境为了造福后代，同时践行国家节能减排战略，作为科研人员要大力研发节能降污染的技术和产品，对现有产品和设备进行研究改造，站在工业化和产业化的战略角度采用适当先进技术改造工业锅炉和众多天然气锅炉产品。

主要研发以天然气、天然气为燃料的天然气或燃气锅炉，用改良的新产品陈旧落后产能的旧设备，此举也符合国家节能减排战略要求，替换高耗能、污染重的锅炉更是现实的需要。

1.1课题研究的背景及意义

随着科技的不断进步，自动化技术以及电力电子技术快速提高，国内外以继电器为基础的自动化仪表工业锅炉控制系统也得到发展，并且广泛应用于实际生产过程。

在上个世纪60年代前期，我国锅炉的控制系统开始得到迅速发展;到了60年代的中后期，我国引进了国外全自动的燃气锅炉的控制系统；到了上个世纪的70年代末，我国逐渐自主研发了一些工业锅炉的自动化仪器，同时，在工业锅炉的控制系统方面也在逐步推广应用自动化技术。

燃气锅炉控制系统适用于配用各种进口以及国产燃烧器的燃气锅炉，对锅炉实行全自动控制，包括锅炉水位、蒸汽压力、燃烧系统的参数检测、指示、报警、调节等进行控制，该系统将这种思路引入到小区取暖天然气锅炉上，将更具有效率高、节约能源、高可靠性的安全系统，符合环保要求，完善的智能控制等优点。

当今世界范围内，天然气锅炉因燃烧效率高、易于控制、利于节能减排等众多优势已被众多企业所接纳、采用，成为传统旧锅炉的首选替代品而深受欢迎。

随着我国工业化进程的加快，产业结构的迅速升级，锅炉产业也进入了快速发展期，虽然天然气锅炉的应用越来越普及，锅炉的燃烧效率和控制水平也得到不断地提高，但是就目前情况而言仍存在很多问题。

21世纪我国能源短缺问题更突出，能源问题已经成为我国工业化进程的“瓶颈”，大力推行节能减排是国家势在必行的强大战略，适合时宜地进行锅炉的使锅炉高效安全运行，切实提高我国天然气锅炉燃烧控制自动化程度是我国天然气锅炉未来发展的重要趋势。

1.2国内外研究现状

自20世纪70年代以来，随着可编程控制器（PLC）的出现和在各种工业现场的大量应用以及各种先进控制技术的发展特别是智能控制技术的广泛应用，天然气锅炉控制水平大为改善，其运行效率得到大幅提高。

国内外天然气锅炉发展迅速，美日、西欧等国技术遥遥领先。

天然气锅炉应用虽广，但我国总体水平不高，同先进国家比仍有较大差距。

我国总体水平相当西方国家20世纪80年代。

我国天然气锅炉现状存在问题：

（1）可控对象主要为开关量设备，精确连续调节困难；

（2）控制方案不合理，控制器一旦故一般的做法是断电处理，人工操作；

（3）未完全实现天然气锅炉的自动控制，控制水平受限，可靠性较低。

1.3本设计研究的意图

（1）运用所学的PLC知识，独立完成基于PLC的小区天然气锅炉控制系统设计，实现小区天然气取暖锅炉的自动控制温度、给水排水、锅炉水位、蒸汽压力、高温报警、自动调节温度及加热进气量等功能。

使得小区的天然气取暖锅炉实现自动控制和运行，节约能源和节省成本。

（2）采用PLC作为整个控制系统主控器，开关量设备实现精确连续调节，提高天然气锅炉效率；

（3）设计方案适合在工业现场环境下应用。

能实现复杂的逻辑、过程控制，控制器减少故障，减少断电故障；

（4）据统计一台2.8MW的锅炉，若效率提高1％，相当年省煤200吨，约人民币50000元，效益明显。

对天然气锅炉进行改造，可将锅炉热效率提高5％。

使锅炉达到经济运行状态，减少烟气，减少污染。

1.4本文所做工作

本设计主要包括以下几个方面：

（1）画出基本的装置示意图

（2）写出装置的具体流程图

（3）件电路设计、硬件选

（4）编写I/O分配表、绘制PLC外部接线图

（5）画出梯形图、写出语句表

第二章硬件选择及设计

2.1PLC机型的选择

本系统是一个小型集中控制系统,PLC选型主要取决于控制系统输入、输出开关信号的数量、用户程序的长短及相关的功能。

根据此控制系统的要求,I/O点数在34个,输入点为12点,输出点为22点。

并且考虑到为以后的I/O扩展,我们选择了性能价格比较高的西门子点数之和为24点的S7-200主机CPU224,其中输入点为14点,输出点为10点；可以有7个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理功能。

I/O扩展模块选择一个输入输出扩展模块EM223和一个输出模块EM222。

 各模块在I/O链中的位置排列方式如图2-1所示。

图2-2模块分布图

各模块的编址情况如表2-3所示：

表2-3模块编址表

主机I/O

模块1I/O

I0.0Q0.0

I0.1Q0.1

I0.2Q0.2

I0.3Q0.3

I0.4Q0.4

I0.5Q0.5

I0.6Q0.6

I0.7Q0.7

I1.0Q1.0

I1.1Q1.1

I1.2

I1.3

I1.4

I1.5

I2.0Q2.0

I2.1Q2.1

I2.2Q2.2

I2.3Q2.3

I2.4Q2.4

I2.5Q2.5

I2.6Q2.6

I2.7Q2.7

I3.OQ3.0

I3.1Q3.1

I3.2Q3.2

I3.3Q3.3

I3.4Q3.4

I3.5Q3.5

I3.6Q3.6

I3.7Q3.7

S7-200系列的PLC是德国西门子公司开发的一款优秀的PLC,功能强大，其特点是[16]：

（1）S7-200系列的PLC基本单元主要有14点、24点和40点三种，最多可连接7个子模块，最多可扩展256，其中CPU输入/输出过程变量映像取为128DI/128DO;32AI/32AO（CPU224以上版本），有很强通信功能，可以扩展通信模块。

；

（2）S7-200系列PLC的统配置灵活，除可选用不同的子系列，还可选用多种基本单元、拓展单元和扩展模块，组成不同I/O点控制系统；

（3）体积小，功能强，使用方便，程序语言简单易学。

2.2.1PLC容量估算

主要有两方面：

一是I/O点数；二是存储器容量。

（1）I/O点数的估算[17]

查阅西门子S7-200系列PLC的说明，该型号PLC的I/O量，在产品说明书上可以查的到，在统计的基础上应该加上10%-15%的余量。

（2）存储器容量估算

西门子新推出了两款新存储卡（64K和256K），如果要使用配方功能和数据记录（归档）功能，则必须使用其中一种存储卡。

这两种存储卡具有以下功能：

∙项目文档

o存储bitmap（位图）文件，PDF文件，DOC文件

o可完整的Micro/Win项目可以方便的传送到存储卡中，也就是说最新的用户文档可以储存在现场

∙配方处理功能

o定义并向存储卡中下装配方：

产品数据，设备参数

oCPU中只储存一个配方，因而可以更好的使用内存：

可以实现从存储卡中向CPU中在线更新和修改配方

∙数据记录

o动态存储运行数据、统计数据、以及故障信息

o可选的时间标记

o记录文件可以通过资源管理器传送到PC机

RAM区的数据保持靠“内置超级电容＋外插电池卡”的机制。

在CPU内部靠一个超级电容，在掉电后为RAM存储器提供电源缓冲，保存时间可达几天之久，具体时间见表1、表2。

CPU上电时，超级电容就可以充电。

要获得规格表中的数据保持时间，电容必须连续充电24小时。

S7-200还可选用外插电池卡（需单独定货），在超级电容耗尽后为RAM数据区提供电源缓冲。

在连续无供电时，它可使用200天（即保持数据达200天）。

CPU在不断电的情况下专用电池卡能够使用10年。

（3）基本参数

该控制系统共有5个输入（启动I0.0、停止I0.1、蒸汽压力I0.2、水位上限I0.3、水位下限I0.4），7个输出（预热Q0.0、送风Q0.1、子火Q0.2、母火Q0.3、喷气Q0.4、进水阀Q0.5、出水阀Q0.6），输入/输出（I/O）口的总点数为12，根据西门子S7-200系列PLC的说明，得知该型号PLC的I/O量，在统计的基础上应该加上10%-15的余量。

考虑到该系统的控制要求精度不是很高和对成本的控制，最后选择CPU224IP机型（14个输入点，10个输出点）作为该系统的PLC机型。

如表4-1所示。

表2-1新CPU224IPsiCN规格表

产品

CPU224IPsiCN

定货号

6ES7214-2AS23-0IB8

技术数据

与CPU224IP（6ES7214-2AD23-0IB8）技术数据相同

输出

10个输出点，漏型

电压范围

24VDC（5–28.8VDC）

逻辑1（最小）

外部电压幅值–0.4V，外部10K上拉电阻

逻辑0（最大）

1M+04V，最大负载时

新产品CPU224IP在CPU上集成了两个模拟量输入端口和一个模拟量输出端口。

模拟量I/O有自己的一组端子，如果不用，端子可以移走。

表2-2.CPU224IP本体模拟量I/O规格

电压信号

电流信号

模拟量输入I2

±10V

－

模拟量输出I1

0-10V

0-20mA

2.2.2其它器件的选型

压力传感器、流量传感器、液位传感器，输出0-10V（借用CPU224IP本体自带的两路模拟量输入），根据工艺数选择合适量程。

汽包压力表（电接点压力表）带有上限和上上限开关，当指针指向上限位置时，上限开关自接通，当指针指向上上限位置时，上上限开关自动接通。

如下图：

图2-3汽包压力表（电接点压力表）

2.2.3系统的I/O接口以及硬件接线图

由前面所述可知该系统有5个输入，7个输出，如表2-3所示。

表2-3系统输入、输出示意

输入

输出

启动I0.0

天然气预热Q0.0

停止I0.1

鼓风机送风Q0.1

蒸汽压力I0.2

点火变压器（子火）Q0.2

上限水位I0.3

瓦斯阀（母火）Q0.3

下限水位I0.

喷气口喷气Q0.4

进水阀Q0.5

出水阀Q0.6

由上表以及所选机型CPU224IP可得出该系统的硬件接线图，如图2-3系统硬件接线图所示。

蒸汽压力

图2-4系统硬件接线图

对天然气锅炉的实际情况，我们采用220V交流，简单不需添加变压器，普通电网就能提供。

系统供电设计如图2-5所示。

图2-5系统供电电路

在图中，系统总电源过总开关接入PLC，总开关实现整个电源系统的控制，交流220电源通过电源开关接入隔离变压器。

图2-6隔离变压器

2.3锅炉水位控制图

图2-7循环泵控制流程图

下图2-8所示为循环泵电气控制图：

图2-8循环泵系统电气控制图

2.4系统主电路接线图

锅炉燃烧控制系统主电路图如图2-7所示，下图中所示M1、2、M3、M4分别为炉排电机、鼓风机、引风机、给水泵。

图2-9引风机图2-10给水泵图2-11断路器

图2-12锅炉燃烧控制系统的主电路图

2.5电机及驱动控制选型

2.5.1电机及喷气泵的选型

本课题选用的WNS型燃气锅炉。

进行气泵的选型。

鼓风机为Q90L-4-1，功率为2.5KW；喷气泵功率为2.5KW，额定电压为380V，型号为Q90L-6。

图2-13喷气泵图2-14鼓风机为Q90L-4-1图2-15WNS型燃气锅炉

功率为2.5KW功率为2.5KW

2.5.2变频器选型

本设计采用的变频器是西门子公司研发的M440型号[14]，该变频器调节电机速率精度高、调节平滑、简单易行、操作方便且其功率小，耗能小。

变频器西门子M440（micromaster440）实物图如图2-16所变频器外部接线图如图2-17，所示。

图2-16变频器西门子M440（micromaster440）

图2-17变频器内部接线示意图

2.5.3检测元件选型

温度检测传感器PT100，型号为WZP-230装配式热电阻，WZP-230装配式电阻通常和显示仪表记录仪表、电子计机等配套使用。

它可以直接测量生产过程中的-200～50℃范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度；测量蒸汽温度、水温和天然气温度的热电阻型号均相同。

图2-18温度检测传感器PT100

第三章系统软件设计

3.1系统流程图

图3-1锅炉控制流程图

运行过程：

按启动按钮，开给水泵，汽包加水，汽包水位H检测，若汽包水位H不高于汽包水位下限，继续给加水，系统循环，到汽包水位高于H下；若汽包水位H高于汽包水位下限H下时，开炉排电机、引风机、鼓风机，点火。

若汽包压力P不高于汽包压力上限P上，返回，系统继续运行；若汽包压力P高于汽包压力上限P上，打开放气阀，打开放气阀，汽包压力P小于汽包压力P上上，系统继续正常运行；打开放气阀后，汽包压力高于汽包压力P上上，各设备均停止，同时报警。

天然气锅炉如图3-1所示。

系统，然后系统方块图普及中，

3.2系统控制的梯形图

根据系统的控制要求我们绘制出相应的梯形图：

3.2.1启动

启动，按下I1，预热Q1开始T1；60S后送风Q2启动并自锁，子火Q3开始燃烧并T2记时；5S后母火Q4燃烧并T3记时；5S后开始喷气Q5，Q5断开子火Q3母火Q4，启动完成。

根据制要求，可绘出相应的梯形图，如图3-2所示。

图3-2系统启动梯形图

3.2.2停止

停止下I1，断预热Q1和喷气Q5，中间继电器M2启动并T4记时，M2断开Q3子火和母火Q4，Q2继续送风；T4记时20S后断开M2和风Q2，完成停止。

根据系统停止的控制要求，绘制出相应的梯形图，如图5-3所示。

图3-3系统停止梯形图

3.2.3异常自动关火

紧急情况，蒸汽压力I3超过允许值或水位I4超过上限，即I3、I4、I5有一个开始动作，中间继电器M1接通并自锁，M1断开天然气预热Q1，子火Q3母火Q4，喷气Q5。

时间继电器T40记时，进清；20S后，继电器T5记时完，T5开送风Q2，中间继电器M1，清炉完毕。

M1常闭触点恢复闭合，T5送入一个触发信号，接通天然气预热Q1。

系统重新起燃过程。

根据系统的控制要求，绘制出相应的梯形图，如图3-4所示。

3-4系统异常情况自动关火梯形图

3.2.4锅炉水位控制`

水位于下限，I4动作，水阀Q7自锁开始进水，出水阀Q6断开；到水位到达一定位置。

水位高于上限，即I5动作，出水阀Q6自锁开始排水，进水阀Q7被断开。

根据控制要求绘制出梯形图，如图3-5所示。

图3-5系统水位控制梯形图

3.3系统总梯形图

系统的总梯形图如图3-6所示。

3.3.1系统运行控制

（1）控制顺序表

1）启动过程（I001）

输出1：

预热（Q001）、喷气（Q005）、时间继电器（M）

T1输出2：

送风（Q002）、子火Q003、T2（参数50）

T2输出3：

母火Q004

T3输出4：

喷气Q005

2）停止过程（I002）：

输出继电器（M2）

输出5：

（M2常闭条件下）Q001、（M2常闭条件）Q005、子火Q003、母火Q004

同时输出5：

间隔时间T4（参数200）、（T4常闭）Q002

3）异常情况下输入：

M1  

蒸汽压力输入：

I003（pressuresensor）

高限水位输入：

I004（levelhighsensor）

低限水位输入：

I005（levellowsensor）

I3、I4、I5输出6：

M1

M1控制输出7：

（M1常闭）Q001、（M1常闭）Q005、T005（参数200）

T005输出：

（T5常闭）Q002

4）开阀：

包水位低I5输出：

进水阀Q006

汽包水位高I004输出：

排水阀Q007

Q006、Q007互锁

（2）梯形图

1）画出梯形图

通过写出以上的控制顺序表，大致可以编写最后的梯形图了，最后得到系统的总梯形图如图3-6所示。

图3-6系统总控制梯形图

2）系统运行梯形图分析

1）启动，按下I1，预热Q1开始，时间T1；60S后送风Q2启动并自锁，子火Q3开始燃烧并T2记时；5S后母火Q4燃烧并T3记时；5S后开始喷气Q5，Q5断开子火Q3母火Q4，启动完成。

2）停止，按下I1，断预热Q1和喷气Q5，中间继电器M2启动并T4记时，M2断开Q3子火和母火Q4，Q2继续送风；T4记时20S后断开M2和送风Q2，完成停止。

3）紧急情况，蒸汽压力I3超过允许值或水位I4超过上限，即I3、I4、I5有一个开始动作，中间继电器M1接通并自锁，M1断开天然气预热Q1，子火Q3母火Q4，喷气Q5。

时间继电器T40记时，进行清炉；20S后，继电器T5记时完，T5断开送风Q2，中间继电器M1，清炉完毕。

M1常闭触点复闭合，T5送入一个触发信号，接通天然气预热Q1。

系统重新起燃过程。

4）水位控制：

水位低于下限，I4动作，进水阀Q7自锁开始进水，出水阀Q6断开；到水位到达一定位置。

水位高于上限，即I5动作，出水阀Q6自锁开始排水，进水阀Q7被断开。

3.3.2系统水位运行控制

课题中将汽包水位下限H下设为10cm，上限H上设为110cm，汽包水位给定设定值H为30cm（选用传感器为0-10V对应0-1000cm的传感器）；0.1MPa为锅炉炉膛承受的压力，给定的压力P炉给为0.02MPa（选用传感器为0-10V对应0-1.5MPa的传感器）。

给水量L给水和蒸汽流量L蒸气取值范围是0～28m3/h（选用流量传感器分别为测水流量选用电磁流量计，测蒸汽选用涡街传感器流量对应关系都为0-100m3/h对应0-10V）。

在S7-200中，单极性通道对应为0-32000。

意味着液位1000CM和压力1.5MPa和流量28m3/h都对应的数据为32000，全部通道采集选用0-10V输入类型。

CPU-224本体两个通道AIW0接液位传感器，AIW0接压力传感器，子模块EM231第一个通道AIW4和第二个通道分别接水流量和蒸汽流量。

CPU-24本体一个模拟量输出电压通道接给水阀AQW0，子模块EM232第一个通道AQW2接变频器模拟量输入1（0-10V对应频率为0-50Hz，变频器按照默认参数，调整搭载的电机基本参数）。

传感器电压接线如下图：

图3-7