基于PLC的燃油锅炉控制系统设计毕业设计.docx

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基于PLC的燃油锅炉控制系统设计毕业设计

基于PLC的燃油锅炉控制系统设计

摘要

随着我国工业的不断发展，能源消费日益增大，环境污染日益恶化。

锅炉作为重要的能源转换设备，其节能降耗更显得尤为重要。

由于燃煤锅炉对环境的污染严重，使得高效清洁的燃油锅炉得到很大的发展。

鉴于燃油锅炉所用燃料的快速爆发性及负荷的多变性，燃油锅炉采用自动控制。

燃油锅炉自动控制的主要任务是维持锅炉的水位、温度、压力、烟气含氧量等物理参数在设定的范围内，并能自动适应负荷的变化，从而使锅炉安全可靠经济的运行。

本设计首先介绍的是燃油锅炉的组成结构、生产过程及系统工艺。

在分析燃油锅炉对象的动态特性的基础上，对燃油锅炉的燃烧控制系统，温度控制系统以及恒压供油控制系统进行研究，并实现锅炉的远程监控。

温度控制是以锅炉炉膛温度作为主调节参数，利用S7-200PLC的PID功能指令对温度进行实时控制，使锅炉炉温在设定的范围内。

在燃烧控制方面主要保证锅炉燃烧的三项调节任务，即蒸汽压力稳定，燃烧的经济性和炉膛负压在一定范围内。

恒压供油控制部分采用PLC∕变频器混合控制方案，将变频调速技术应用于油泵的控制。

本设计通过分析燃油锅炉的控制要求，确定符合燃油锅炉控制要求的控制方案。

完成以S7-200PLC为控制中心的硬件电路设计与控制程序设计，并进行程序的模拟调试等工作。

模拟调试结果表明，所设计的控制软件能完成对燃油锅炉点火、燃烧、送风、喷油等一系列控制要求。

整个系统采用了西门子编程软件及监控软件，使系统控制灵活、方便。

关键词：

燃油锅炉；可编程序控制器；变频器；自动控制；组态软件

ABSTRACT

Withthedevelopmentofindustry,energyconsumptionisgrowinglagerandenvironmentpollutionisgoingfrombadtoworse.However,boilerisanimportantenergyconversiondevice,Theenergysavingmoreappearparticularlyimportant.Duetocoalburningboiler’sseriouspollution,oilburningboilershavegetwelldeveloped.Duetothefuelusedbytheoilburningboilerhascharacteristicsofvastexplosionandvariousload,oilburningboileradoptsautocontrol.Thedutiesofcontrolsystemalekeepingwaterlevel、temperature、pressure、oxygencontentinsmoke,etcphysicalparameterswithinthesettingrange,andautomaticallyadjustingtheload’schange,sothatmakingtheboilerreliableandeconomicaloperation.

Inthisdesign,thecompositionandstructureofoilburningboileranditsproductionprocessandtechnologyisfirstintroduced.Thenthedynamicbehaviorsofoilboilerobjectarestudied.Intheend,burningcontrolsystem,temperaturecontrolsystemandconstantpressureoilsupplysystemareintroduced.

Temperaturecontrolistotheboilerfireboxtemperatureasthemainadjustableparameter,makeuseofS7-200PLCPIDintroductionstocontrolthetemperatureinreal-time,maketheboilerfireboxtemperatureinthesetrange.Forburningcontrolsystem,mainlymaintainingthesteampressure、burningeconomyandfurnacepressureinacertainrange.ConstantpressureoilsupplycontrolsystemadoptsPLC∕Converterscheme.

Thisdesignanalyzesoilburningboiler’scontrolrequirements,choosesthecontrolschemeaccordwiththeboiler’scontrolrequirements.FinishedthehardwarecircuitandcontrolprogramdesignwithS7-200PLCforthecontrolcenter,andfinishedsimulativedebuggingofprogram.Thesimulationanddebuggingresultsshowthatthedesignofcontrolsoftwarecanfinishthecontrolrequirementsofoilburningboiler.

Thesystemappliesadvancedsiemensprogrammableandconfigurationsoftware.Thissystemisofsimplestructure,reliableoperation.

Keywords:

OilBurningBoiler；PLC；Transducer；AutomaticControl；ConfigurationSoftware

第1章引言

1.1PLC控制燃油锅炉的目的和意义

随着我国经济的日益发展和人民生活水平的不断提高，能源消费日益增大，环境污染日益恶化，我国的现代化面临严峻挑战，因此节约能源和环境保护目前在我国显得尤为重要。

人们环保意识的不断增强以及对改善环境的呼声，促使着能源消费结构向洁净和节能型能源转变。

锅炉作为工业生产和供热系统重要的能源转换设备，能耗巨大，为减少污染、节约能源，原有的锅炉控制系统已不能适应目前的技术要求。

以前使用的燃煤锅炉由于其在燃烧时产生大量的二氧化碳和粉尘污染环境而逐渐被淘汰，使得高效清洁的燃油锅炉得到了很大的发展，广泛应用于各个领域。

鉴于燃油锅炉所用燃料的快速爆发性及负荷的多变性，燃油锅炉采用自动控制。

燃油锅炉的自动控制包括锅炉水位、水温、炉膛负压、蒸汽压力、燃烧系统的参数检测、指示、报警、调节等控制，其任务主要是维持锅炉水位、温度、压力、烟气含氧量等物理参数在设定范围内，并能自动适合负荷的变化，从而使锅炉安全可靠经济的运行[1]。

燃油锅炉采用进行系统设计，PLC它最大的特点就是可靠性高、功能强大，它的高可靠性设计非常适合在工业现场环境下应用[2]。

由PLC作为主控制器的燃油锅炉控制系统适用于配用各种进口及国产燃烧器的燃油锅炉，能够实现燃油锅炉的全自动控制，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。

从1978年改革以来，我国年均经济增长率达9％以上，目前已经是世界第六大经济体和第三大贸易国，中国兴起成为了当今世界的热门话题[3]。

随着科学技术的飞速发展，带动社会生产的发展，人类对能源的需求不断增加，世界上发达国家为了解决能源紧张而带给各行业的冲击，都努力在开发能源的同时，致力于节能新方法的研究。

燃油锅炉是一种高效、方便的锅炉，采用PLC技术对锅炉进行控制，可达到安全、可靠运行目的。

燃油锅炉技术工艺参数变化大，硬件设计选型与设备调试比较复杂，采用先进的PLC控制技术可以提高燃油锅炉的效率，方便操作和使用。

基于PLC的燃油锅炉控制系统可以对锅炉进行自动控制，为人们提供安全服务，对满足广大人民群众生活有重要意义。

1.2PLC控制燃油锅炉的研究现状及发展前景

锅炉是工业生产和集中供热过程中重要的动力设备，据有关资料统计，目前我国有各类工业锅炉约25万多台。

它所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。

随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，作为动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高参数、高效率发展。

为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。

80年代以前我国的锅炉产业主要以燃煤锅炉为主，由于我国具有丰富的煤炭资源，燃煤锅炉至今仍是我国的主导产品，且以中大容量居多。

但燃煤锅炉会产生严重的环境污染，随着能源供应结构的变化和节能环保要求的日益严格，燃油锅炉以其高效率、低污染的优点将逐步取代燃煤锅炉广泛应用于各个领域[4]。

随着改革开放的深入和对环保的重视以及合理利用资源，开发中小容量的燃油锅炉的趋势越来越明显，燃油锅炉的产量将显著增加。

燃油锅炉控制系统的性能优劣，直接影响燃油锅炉的性能及使用，其报警及保护系统直接影响燃油锅炉的安全性及可靠性[5]。

因此，一套优良的燃油锅炉控制系统对燃油锅炉的生产者及使用者都具有极为重要的意义。

随着计算机控制系统的发展和成熟，国外发达国家的锅炉已经应用了成熟的DCS或FCS产品，并取得了良好的效果[6]。

锅炉控制系统的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由手动到自动的过程。

在六十年代以前，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的自动化观念还比较淡薄，这段时期的锅炉一般采用纯手动的控制方式。

即操作工人通过经验决定送风、给水、引风、给料的多少，通过手动操作器等方式来达到控制锅炉的目的。

这样就要求司炉人员必须有丰富的经验，增加了工人的劳动强度，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效率运行。

随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经开发并广泛应用了全自动工业锅炉控制技术。

60年代前期，我国工业锅炉的控制技术开始发展，60年代后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，70年代后期己经研制了一些工业锅炉的自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉控制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。

但是，由于采用单元组合仪表靠硬件来实现控制功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些简单的控制算法，不能实现一些较先进的算法和控制技术，控制效果仍然不理想。

随着电子技术的发展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单板机、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我国的广泛应用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。

运用计算机技术，开发出高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统日益得到重视[7]。

80年代后期至今，国内己经陆续出现了各种各样的锅炉微机测控系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。

进入21世纪以来，人类进入了一个以知识经济为特征的信息时代，检测技术、计算机技术和通讯技术一起构成现代信息的三大基础。

21世纪第一个10年的热点必将是传感、执行与检测。

锅炉自动化控制系统作为传感、执行与检测技术的一个应用方面也必将跨入数字化、网络化和智能化的时代。

而且，对于大规模锅炉群控，检测技术、计算机技术和通讯技术结合在一起，形成锅炉控制系统的集成化管理、网络化控制，这将是锅炉控制系统发展的又一个里程碑[8]。

而在锅炉控制理论方面，也有许多优秀的控制理论相继出现。

最为典型的是PID控制，即比例、积分和微分控制。

后来，模糊控制理论得到长期发展，目前已经很好地应用在锅炉控制系统上。

目前分散控制系统大多采用进行系统设计，PLC是采用微电脑技术制造的通用的自动控制设备，它具有高可靠性，能适应工业现场的高温，冲击震动等恶劣环境，广泛应用于机械设备、生产流水线和生产过程的自动控制。

PLC工控机PLC的组合，不但系统体积小、可靠性高，而且造价较低，得到了广大用户的青睐[9]。

随着经济的迅猛发展，自动化控制水平越来越高，用户对锅炉控制系统的工作效率要求也越来越高。

为了提高锅炉的工作效率，减少对环境的污染，所以利用计算机与组态软件技术对锅炉进行自动控制有着重要的意义[10]。

组态软件提供了丰富的图像显示、数据库处理、对象连接等数据管理功能，为使用者提供了极大的方便，而且因其方便的界面设计而使参数显示及图形动画变得非常容易。

但组态软件本身并不具备控制组态功能，因此往往用在上位机上，控制功能仍需要可编程序控制器下位机来实现。

近年来PLC和组态软件在锅炉控制系统中的综合应用得到了很大的发展，轻松的解决了画面设计和与PLC通信的问题，可以很容易的生成人机界面的画面，还可以实现某些动画功能[11]。

锅炉控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面使运行参数在触摸屏上集中监测，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修改运行参数，有效地减少了工人的疲劳和失误，提高了生产过程的实时性和安全性。

1.3研究设想及方法

采用可编程序控制器PLC作为锅炉控制器进行燃油锅炉控制系统设计，实现燃油锅炉的全自动控制。

首先确定燃油锅炉的控制对象，以控制对象为依据设计燃油锅炉的总体结构和运行方式，接着进行控制系统的硬件设计和软件设计。

硬件设计中分别对主电路和辅助电路进行设计；软件系统设计中先对组态软件控制系统操作界面及系统主程序和功能子程序进行设计，然后对控制系统程序进行模拟和调试。

1.4预期成果及意义

提高燃油锅炉的效率，使锅炉达到经济燃烧状态。

基于PLC的燃油锅炉控制系统将现场的锅炉控制运行和管理有机的良好结合，实现了节能降耗，减轻了劳动强度，提高了锅炉控制系统的自动化水平。

该系统代表了我国中小型锅炉现场集成自动化系统的发展方向和较高的管理水平，对提高国民经济效益，促进国家工业发展有着重要的作用和意义。

第2章系统整体方案设计

2.1燃油锅炉结构分析

随着对环保要求的不断提高，燃油锅炉逐渐走进人们的生活，其结构示意图如图2.1所示。

图2.1燃油锅炉结构示意图

燃油锅炉主要由以下几部分组成[12]：

汽包：

由上下锅筒和三簇沸水管组成，水在管内受管外烟气加热，在管簇内发生自然的循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在上锅筒里边。

下锅筒作为连接沸水管之用，同时储存水和水垢。

燃油预热器：

锅炉启动前，将锅炉燃烧用的燃油加热到适当温度以达到良好雾化，保证锅炉的正常燃烧。

炉膛：

是使燃料充分燃烧并放出热能的设备，由供油系统和油枪组成。

引风设备：

包括引风机，烟囱，烟道几部分，用它将锅炉中的烟气连续排除。

送风设备：

由鼓风机和风道组成，用它来供应燃料燃烧所需要的空气。

燃料供给设备：

包括供油管路和油枪等。

2.2燃油锅炉工作过程

锅炉最基本的组成部分是汽包和炉膛两大部分。

燃料在炉膛内进行燃烧，将其化学能转化为热能，高温的燃烧产物—烟气通过汽包受热面将热能传递给汽包内温度较低的水，水被加热进而沸腾汽化，生成蒸汽。

1、燃料的燃烧过程

燃油由油泵从储油罐中抽出，经燃油预热器预热，由喷油电磁阀经喷油口打入锅炉进行燃烧。

燃烧时，鼓风机送风，喷油电磁阀喷油，点火变压器接通（子火燃烧），瓦斯阀打开（母火燃烧），将燃油点燃。

点火完毕后，关闭点火，继续送风、喷油，使燃烧持续。

2、烟气向水（汽）等的传热过程

由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高，高温烟气与布置在炉膛四周墙面上的水管进行强烈的辐射传热，将热量传递给管内工质。

烟气将热量传递给管内的水后，由于引风机和烟囱的引力作用而向炉膛上方流动。

沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，排出锅炉。

3、水的汽化过程

水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。

锅炉工作时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物，它们位于烟气温度较低的对流管束中。

由于受热较少，汽水混合物的容重较大；而处于烟气温度较高区的水冷壁和对流管束受热多，其相应工质的容重小。

这样，容重大的工质向下流入下锅筒，而容重较小的工质则向上流入上锅筒，形成水的自然循环。

由于上锅筒内的汽水分离设备和锅筒本身空间内的重力分离作用，使汽水混合物得以分离。

2.3燃油锅炉控制系统

燃油锅炉控制系统的性能优劣，直接影响燃油锅炉的性能及使用，其报警及保护系统直接影响燃油锅炉的安全性及可靠性。

因此，一套优良的燃油锅炉控制系统对燃油锅炉的生产者及使用者都具有极为重要的意义。

在本设计中，燃油锅炉的控制系统主要包括燃烧器控制、锅炉水位控制、油泵恒压供油控制以及炉温PID控制三大部分。

2.3.1燃烧控制系统

燃烧器是燃油锅炉的关键设备，它应该具备效率高、稳定着火、安全性好等特点。

燃烧器主要由燃烧装置和控制装置两大部分组成。

燃烧装置包括：

鼓风机、油泵、点火装置、引风机、喷油电磁阀等。

控制装置主要是程序控制器。

燃油锅炉程序控制主要有以下几点：

（1）吹扫程序

在燃烧启动前，燃烧器应对锅炉炉膛预吹扫一段时间（通常30秒左右），即风门执行器将风门由小向大打开，在风门最大位置对锅炉炉膛进行预吹扫。

（2）自动点火程序

在吹扫及阀门密封性、供气压力检测完成后，风门执行器带动风门关小到设定的点火位置，点火变压器投入工作，当点火变压器打开后，可燃油雾立即被高压电火花点燃产生点火火焰。

（3）安全运行连锁保护程序

风压安全检测在预吹扫过程和整个燃烧运行过程中都在工作，当风压低于设定值时，燃烧器程序控制器进入自锁状态，中止燃烧器运行。

（4）阀门密封性检测保护程序

在每次起动点火前阀门检测装置都要自动进行检测，当阀门存在漏气时将锁定燃烧器控制。

（5）停炉、熄火保护程序

当点火火焰建立后，火焰探测器开始工作，当检测到有点火火焰后，将进行第一次火焰探测（燃烧火焰），在探测有火焰后程序控制器完成点火程序，燃烧器进入负荷调节。

不论任何一次如没有探测到火焰，程序控制器应该自锁并中断供油，同时停炉并报警。

2.3.2水位控制系统

保持锅炉水位在规定的范围，锅炉水位的高低对锅炉的安全运行极为重要。

水位太高，会使蒸汽大量带水，降低品质，甚至会发生满水事故。

水位偏低，会造成锅筒各部分的温度偏差，形成热应力，极限情况下会出现裂纹。

水位过低，则容易发生缺水事故。

在负荷变化时，锅炉水位也会快速变化，因此必须采用自动控制来维持水位在规定的范围内[13]。

维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标。

2.3.3恒压供油控制系统

传统的供油采用日用油箱方式，设备庞大，造价高，占地多，压力控制精度低，维护工作量大。

为了提高供油系统的技术性能，彻底解决供油管路因压力波动引起的渗漏、爆裂等现象，确保供油系统的可靠性、安全性，本设计将变频调速技术应用于油泵的控制。

变频调速恒压供油系统以其独特的优势取代了原来的供油系统，该系统采用PLC∕变频器混合控制方案，并且可以通过PLC与上位机进行通讯，完成过程监测任务，采用变频器完成过程控制任务，实现系统的恒压供油，并对供油系统的油压和各油泵的工作状态进行实时监控。

本控制系统保持输油管内部压力恒定，当储油罐内缺油或因故障使管道内压力过高时，系统能及时报警并自动停止油泵的工作。

2.3.4炉温PID控制系统

本设计中，锅炉炉膛温度采用PID控制，传感器（电热偶）将检测到的温度信号转换成电压信号经过温度模块后，与设定温度值进行比较，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法进行修正，返回对应工况下的喷油电磁阀，调节喷油电磁阀的开度，增大或减少进入锅炉的燃油流量，最终使实际温度接近或等于给定值，从而实现对炉子的温度控制。

控制系统结构图如图2.2所示，方框图如图2.3所示。

图2.3中，R（S）为设定温度的拉氏变换式；E（S）为偏差的拉氏变换式；GC（S）为控制器的传递函数；GO（S）为广义对象，即控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并；

该温度控制系统是具有时滞的一阶闭环系统，传递函数为

（2.1）

式2.1中，K0为对象放大系数；

为对象时间常数；

为对象时滞。

（2.2）由阶跃响应法求得，

=0.5；

=2.5min；

=1.2min

图2.2控制系统结构图

图2.3控制系统框图

2.4燃油锅炉系统工艺

燃油锅炉控制系统是由PLC来控制燃油锅炉的起动、停止以及出现异常情况时能暂停且异常情况消失后能自动按起燃顺序重新工作的。

在工艺过程上，锅炉对控制系统有如下要求：

1、启动

按下启动按钮，启动油泵，接通燃油预热器预热燃油。

判断是否具备点火条件，条件满足30s后启动鼓风机和引风机，把风门调到最大吹扫炉膛。

30s后，预扫风结束，接通点火变压器，打开瓦斯阀，同时喷油电磁阀打开，喷入少量油。

5s后，若点火成功，喷油电磁阀正常打开继续喷油，点火变压器和瓦斯阀门同时关闭，进入正常燃烧。

2、停止

按下停止按钮，燃油预热器关闭，喷油电磁阀关闭，油泵关闭，鼓风机继续送风清炉，持续20s后送风停止，1min后引风机关闭。

3、锅炉燃烧控制

锅炉燃烧过程中，当出现异常情况时（即水蒸汽压力超过允许值3s或水位超过上限并持续5s或低于下限并持续5s），发出报警信号并能自动关火进行清炉；异常情况消失后，又能自动按起燃烧程序重新点火燃烧。

4、锅炉水位控制

锅炉启动后，当水位低于下限时，水位下限指示灯亮，进水阀打开，出水阀关闭；当水位高于上限时，水位上限指示灯亮，出水阀打开，进水阀关闭。

燃油锅炉控制系统工艺流程图如图2.4所示。

图2.4燃油锅炉控制系统工艺流程图

2.5燃油锅炉热工参数检测

依据锅炉的工艺流程及安全需要，通常要求在自动控制过程中对下列参数进行检测。

1、锅炉生产的温度检测

温度是燃油锅炉生产过程中最基本最常用的热工参数。

他一般占全部热工参数的50％左右。

依据燃油锅炉生产工艺和控制流程的要求一般有以下方面：

（1）炉膛温度的检测指示

（2）蒸汽温度的检测指示

（3）锅炉水温的检测指示

2、锅炉生产的压力测量

压力参数在生产中广泛应用，它是锅炉安全生产、经济运行、系统控制过程中的主要参数。

主要包括：

（1）汽包压力检测指示

（2）炉膛负压检测指示

3、锅炉生产的汽包水位测量

汽包水位高低是关系到蒸汽质量确保安全生产的重要参数。

满水和缺水都会造成重大的安全事故。

2.6燃油锅炉的自动调节任务

燃油锅炉的生产任务是根据负荷设备的要求，生产具有一定参数（压力和温度）的蒸汽和热水[14]。

为满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，燃油锅炉主要有下列自动调节任务：

1、保持汽包水位在规定的范围内

锅炉汽包水位高度，关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要参数。

要使锅炉的蒸发量随时适应负荷设备的需要量，汽包水位的变化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包满水，无论满水或缺水都会造成事故。

因此，必须对汽包水位进行自动调节，将水位严格控制在规定的范围之内。

2、稳