基于PLC的锅炉燃烧控制系统空燃比控制的WinCC组态和PLC设计毕业设计论文.docx
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基于PLC的锅炉燃烧控制系统空燃比控制的WinCC组态和PLC设计毕业设计论文
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基于PLC的锅炉燃烧控制系统
——空燃比控制的WinCC组态和PLC设计
摘要
在当今各种工业企业的动力设备中，锅炉仍然是一重要的组成部分。
随着现代化工业的飞速发展，对能源利用率的要求越来越高，作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理随之要求越来越高。
但在我们国家，除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术外，绝大多数中小企业所用的锅炉，如10T/h、20T/h锅炉，大部分还在采用仪表/继电器控制，甚至还是人工操作，已无法满足要求。
本文采用基于SIEMENSS7-300（PLC）的方式对锅炉的燃烧过程进行控制，简化了系统，提高了设备的可靠性和稳定性，同时也大幅度地提高了燃烧能的热效率。
本文通过对锅炉燃烧工艺进行分析和研究，过几种控制系统的优缺点进行比较，设计出锅炉燃烧过程的最佳控制系统。
设计中以组态软件WinCC为开发工具，开发了系统的监视与控制画面，使系统具备了对现场过程数据的动态监视功能、历史数据的归档功能、异常信号的报警功能以及现场操作的指导功能。
下位机采用Step7编程软件，将复杂的自动化任务分解为独立的功能块，方便了主程序的调用，也方便了程序的修改。
关键词:
锅炉；交叉限幅；WinCC；step7；
ControlsystemoftheboilercombustionbasedbyPLC
——WinCCconfigurationofair-fuelratiocontrolandplcdesign
Abstract
Intoday'sindustrialenterprisesinavarietyofpowerequipment,theboilerisstillanimportantcomponent.Withtherapiddevelopmentofmodernindustriesonenergyefficiency，thathavebecomeincreasinglydemanding.Boilerequipmentasoneoftheimportantequipmentthatmaketheprimaryenergyintosecondaryenergy,anditssubsequentcontrolandmanagementhavebecomeincreasinglydemanding.However,inourcountry,inadditiontoanumberoflargeandmedium-sizedboilerstocontroltheuseofadvancedtechnology,usedbythevastmajorityofsmallandmedium-sizedboilers,suchas10T/h,20T/hboilers,mostarestillusinginstrument/relaycontrol,evencontrolbypeople.Ithasbeenunabletomeettherequirements.
Inthispaper,basedontheSIEMENSS7-300（PLC）useittocontrolthebilerofcombustionprocessnotonlysimplifiesthecontrolsystem,improvedequipmentreliabilityandstability,butalsosignificantlyimprovedthethermalefficiencyofcombustionenergy.Basedontheboilercombustionprocessanalysisandresearch,Bycomparingseverlcontrolsystem’sadvantagesanddisadvantagesdesignthebestboilercombustioncontrolsystem.
InthisdesignPCusedbySIEMENSWinCCconfigurationsoftwareforthedevelopmentoftools,designedtomonitorandcontrolsystemofthescreen,allowingthesystemtohavetheprocessofon-sitesurveillancefunctionofthedynamicdata,historicaldataarchivingfeatures,abnormalsignalofthealarmfunction,on-siteguidancetotheoperationoffunctionsandsoon.under-bitmachineusedbyStep7programmingsoftware.Itputcomplextaskdecomposedintoindependentfunctionalblocks,ConvenientforthemainprogramcallsandconvenientforModified.
Keywords:
boiler；Limitingcross；WINCC；step7；
第一章引言
1.1背景简介
自上世纪40年代以来，工业控制系统开始了逐步发展成熟的步伐。
当时采用只具备简单测控功能的现场基地式仪表，即第一代过程控制系统（气动控制系统或PCS）。
气动控制系统一直沿用到20世纪60年代才结束其主导地位，而目前在类似防爆等特殊场合下仍发挥着不可替代的作用。
开始应用4-20mA模拟信号标准的第二代控制系统（模拟控制系统或ACS）标志着控制系统的又一次飞跃。
但是由于不同的传感器和执行器信号的定义有所不同，大量仪表的信号标准难以规范，这样限制了控制系统的规模和性能，降低了系统集成度。
随着数字计算机在测量、模拟和逻辑控制领域被广泛使用，从而产生了集中控制系统，即第三代过程控制系统（CCS）。
采用单片机、PLC或微机作为控制器传输数字信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统抗干扰能力易于根据全局情况进行控制计算和判断。
在控制方式、控制实际的选择上可以同意调度和安排。
但集中式计算机控制系统存在可靠性问题，一旦作为控制中心的计算机发生故障，将导致生产全面瘫痪。
为了改善CCS的缺陷，第四代过程控制系统（DCS）应运而生。
它采用集中管理，分散控制的方法，有力地克服了集中式数字控制系统对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。
因此DCS系统在电力、石油、化工等重要领域得到普遍应用。
但是，出于垄断经营的目的各大系统集成厂商采用各自封闭的控制通信模式，不同场设设备能以实现通信与信息连接。
因此，DCS成为一种封闭转用的、不具有大范围可操作性分布式控制系统。
电子信息技术的飞速发展又给自动化工业控制系统带来了深刻的变革。
逐步形成了现在的以网络集成自动化为基础的企业信息系统。
它具有开放、数字化、容易进行数据交换的特点。
它利用现场总线连接智能现场设备和自动化系统形成数字式、双向传输、多分支结构网络特色的自动控制系统。
这样，现场总线成为当今3C（Computer、Control、Communication）发展的结合点，也是过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术发展的交汇点，而且是信息技术、网络技术的发展在控制领域的集中体现，是信息技术、网络技术延伸到现场的必然结果。
因此，现场总线控制系统及时一个开放的通信网络，又是一种分布式控制系统，它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上作为控制节点的职能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化控制系统。
它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化控制系统得到越来越广泛的应用。
本文主要是研究上位机组态监控技术与PLC技术。
通过PROFIBUS现场总线连接还可以达到TIA全集成自动化的标准，下面将简要介绍一下相关技术背景。
1.1.1PLC技术
PLC英文全名为ProgrammablelogicController，即可编程控制器可以执行包括逻辑运算、顺序控制、时序计数以及算术运算等程序。
他用一串指令形式存放在存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产过程进行控制。
一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些I/O模块，这些模块被插在一块背板上。
如果配置增加可能会包括一个操作员界面、监控计算机、通信模块、软件以及一些可选的特殊功能模块。
可编程控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其他的项目中去。
现在，尽管PLC的功能，如运行数度、接口种类、数据处理能力己经获得了很大的提高，但PLC一直保持了最初设计的原则，那就是简单之上的原则。
1968年，通用汽车公司确立了第一个可编程逻辑控制器的标准，目的在于替代既复杂又昂贵的继电器控制系统。
该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在工业环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。
到1969年，第一个PLC诞生。
当时称为可编程控制器，英文称为Programmablecontroner，缩写为PC。
由于第一代PLC是为了取代继电器，因此，采用采用了梯形图语言作为编程方式，形成了工厂的编程标准。
这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术发展得大门。
在很短时间内，PLC就迅速扩展到食品、饮料、金属加工、制造等多个行业。
PLC通常根据CPU所带的FO点数的规模分为微行PLC、小型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。
PLC的技术不断发展取得了很大的成就，PLC控制系统应用的原来越广泛。
过去，PLC使用与离散过程控制，如开关、顺序运动执行等场所，但随着PLC的功能越来越强大，PLC也开始进入过程自动化领域。
PLC硬件上一系列进展，包括:
采用新的先见的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间；
小型的、低成本的PLC，可以代替四到十个继电器，现在获得更大的发展动力；
高密度的I/O系统，以低成本提供了节省空间的接口；
基于微处理器的智能I/O接口扩展了分布式控制能力，典型的接口如PID，网络，CAN总线，现场总线，ASCⅡ通信，定位，主机通信模块，语言模块（如BASIC，PASCALC）等；
包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成；
特殊接口允许默写器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等；
外部设备改进了操作员界面技术，系统文档功能成为了PLC的标准功能；
硬件改进，使得PLC的产品系列丰富和发展，使PLC从最小的只有10个UO点的微型PLC到可以达到8000点的大型PLC。
这些产品系列，用普通系统和编程外部设备，可以组成局域网，并与办公网络相连。
整个PLC的产品系列概念对于用户来说，是一个非常介于成本地控制系统概念。
PLC软件上与硬件发展相似，PLC的软件业取得了巨大的进展，大大强化了PLC的功能:
PLC引入了面向对象的编程工具，并且根据国际电器工程委员会的IEC61131-3的标准形成了多种语言；
小型PLC也提供强大的编程指令，并且因此延伸了应用领域；
高级语言，如BASIC，C在某些控制器模块中己经可以实现，在与外部通信和处理数据时提供了更大的编程灵活性；
梯形图逻辑中可以实现高级的工能块指令，可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能；
诊断和错误检测功能也从简单的系统控制器的故障诊断扩大到对所控制的机器和设备的诊断；
浮点算数可以进行控制应用在计量、平衡和统计等所设计的复杂计算；数据处理指令的到简化和改进，可以进行设计大量数据存储、跟踪和存取的复杂控制，数据采集与处理功能。
PLC己经比原来复杂了很多，但是对操作员来说，今天的高功能的PLC与30年前的PLC一样那么容易操作，甚至更为简单。
PLC的特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
（2）适应能力强，应用灵活。
（3）编程方便，易于使用。
（4）控制系统设计、安装、调试方便。
（5）维修方便、维修工作量小。
（6）功能完善。
1.1.2西门子工业控制网络技术简介
本研究针对的是WINCC组态软件及SIMATICPLC都是西门子公司的产品。
系统应用的是西门子公司的控制系统解决方案。
所以下面介绍一下西门的工业控制网络技术。
西门子工业控制网络根据总线分为4种网络结构：
1）.AS-i总线：
其接口符合开放的国际标准EN5O295，用于现场小数据量传送（开关量）。
拥有规范的主一主通信协议以及设备的连接方式，保证不同厂商此规范设备的产品兼容性。
2）.EIB总线：
全称为EuropeanInstallationBus，是专门针对智能建筑领域的现场总线标准。
具有分布、开放、灵活、互操作的特点。
总线上智能化元件可通过编程改变的功能，即能独立进行开关、控制、监视等工作，也能根据要求进行多元件组合。
与传统方式相比有更强的功能和更高的灵活性。
协议开放可令不同厂商开发兼容产品。
3）.PROFIBUS现场总线：
对应国际标准IEC6ll58TypeⅢ中标准，定义了串行总线的技术特征。
相关的技术特点前面已经有所说明。
PROFIBUS总线适用于工厂自动化、过程自动化以及交通、发电输配电等领域。
4）.工业以太网PROFInet:
基于IEEE802.3（Ethenet）是国际标准IEC61158的重要组成部分。
1.2相关技术发展
如同上文提到的SIEMENS工业控制网络系统集合了越来越多的技术，随着电子、通信行业以及控制理论的研究发展，这样的工业控制系统呈现出向巨系统更具复杂程度的方向发展。
但是另一方面，系统用户的操作控制将会简化呈现出脱离控制实际，进行对象化控制的方向发展。
这样的系统自动化程度更高，操作更加简化。
而就具体的技术而言，现场总线正朝着扁平化，一体化的方向发展，通过一个总线实现各种功能。
采用一线制将现场设备、车间及设备以及工厂及设备统一连接。
这样的技术具有广阔的市场前景，不但降低了设计周期便于维护管理，而且更方便进行改造和系统升级，但是目前实施起来还有很多难度。
随着通信、电子业的进一步的发展将更好的进行实际应用。
目前，PLC控制系统包含有更加丰富的内容，上层的上位机监控界面，与工业以太网或因特网的连接，在工控机实现软件对系统的仿真模拟等。
众多的厂商提供了解决方案，SIEMENS在上位机系统上提供了SIMATIC组态软件和WinCC复杂控制仿真软件。
组态软件WinCC是一个集成的人机界面（HMI）系统和监控管理系统，它结合西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和MicrosoftPC软件技术的强大功能的产物。
应用上位机组态监控软件为用户提供了直观的界面，使用户对于现场有更佳理解，更有效的使用、控制整个系统。
同时，软件的应用有效缩短了对于上位机监控层面的复杂设计过程。
PLC系统中提供的这些功能，使得使用者或第三方更容易将自身的要求或设计融入到整个系统中。
但是，这些软件上也应该引进更多先进的软件设计理念技术，使得未来系统的更加复杂但是应用起来却更加方便。
PLC控制系统提供接口连入工业以太网、因特网形成了更为复杂的工业控制系统，但却更为开放和有效。
以PLC系统为基础的新一代工业控制系统将拥有底层设备，中层的PLC控制单元、现场总线、上位机监控，上层工业以太网、内部局域网或管理层网络、因特网。
微型化、网络化、PC化和开放性是PLC未来发展的主要方向。
在基于PLC自动化的早期，PLC体积大而且价格昂贵。
但在最近几年，微型PLC（小于32I/O）已经出现，价格只有几百欧元。
随着软PLC（SoftPLC）控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软PLC组态软件和PC-based的市场份额将逐步得到增长。
同时，PLC作为过程控制领域已打主力，同样以面向Ethenet技术的扩展为最大的发展趋势之一。
现在越来越多的PLC供应商开始提供Ethenet接口。
可以相信，PLC将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业PC的控制系统。
1.3本论文研究内容
应用SIMATICWINCC与PLC相结合综合控制现场设备、执行器、控制仪表以及上位机，这样组成了高速、实时、可靠的TIA（TotallyIntegretedAutomation）全集成自动化控制系统。
以S7系列PLC为核心的TIA技术有助于企业实现生产力最大化、获得更高的产品质量、降低项目成本。
而且本系统安装维护升级费用减少，也可以自由选择不同厂商，不同品牌的现场设备实现系统集成的最优化。
上述的现代控制系统应用范围广，与传统控制系统相比可以进一步提高生产效率，降低生产运营成本。
所以根据市场需求研究更加先进的自动化控制系统有利于发挥工业网络控制优势并有利于促进国民经济的进一步发展。
本论文研究SIEMENSPLCS7-300的硬件模块和接口以及编程软件STEP7；
研究全集成自动的概念以及应用和WINCC组态；
以锅炉燃烧控制为例，研究最终的系统整合，搭建成具有一定开放系统特性的基本系统，包括PLC控制系统设计、上位机管理和监控系统设计；
通过学习各种资料，分析SIEMENSPLC与上位机WinCC的组态模式;分析锅炉燃烧控制过程，实现SIMATICWinCC上位机组态，完成PLC控制系统的设计。
1.4本章小结
本章阐述了论文的研究的课题的意义，简单介绍了SIEMENS工业控制系统，WinCC上位机组态软件和PLC技术，叙述了西门工业控制网络技术的背景知识。
阐述说明了本文研究的内容、方法和实现的目的。
第二章控制系统整体设计和信号检测
2.1电厂发电工艺的概述
火力发电的三大主机是锅炉、汽轮机、发电机。
锅炉用燃料燃烧放出的热能将水加热成一定压力和温度的蒸汽，然后蒸汽沿管道进入汽轮机膨胀做功，带动发电机一起高速旋转，从而发电。
下图所示是火力发电基本工艺流程：
首先由黄河水来的水经水处理车间处理后由给水泵经省煤器送往锅炉，加热到一定温度的过热蒸汽后送往汽轮机带动发电机发电。
在这个过程中实质上是四个能量形态的转换过程，首先燃气或煤粉的化学能经过燃烧转变为热能，这个过程在蒸汽锅炉或燃汽机的燃烧室内完成；再是热能转变为机械能，这个过程在蒸汽机或燃汽轮机完成；最后通过发电机将机械能转变成电能。
锅炉是电厂最重要的能量转换设备之一。
在现实生活中有许多发电形式，例如风力、水力、核能以及潮汐能发电等。
在众多发电形式中火力发电仍是我国主要的发电形式约占70%—80%。
图2.1电厂发电工艺框图及设备
2.2锅炉简介
锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成。
“锅”就是锅炉的汽水系统，有省煤器、汽包、下降管、水冷壁、过热器及再热器等设备组成。
它的任务是使水吸热蒸发，最后变成一定参数的过热蒸汽。
其过程是：
给水由给水泵打入省煤器以后，逐渐吸热，温度升高的给水进入汽包，经由下降管进入水冷壁中循环吸热，并蒸发为饱和蒸汽；饱和蒸汽在汽包中经分离、清洗后，引入过热器，逐渐过热到规定温度，成为合格的过热蒸汽，然后送往汽轮机；过热蒸汽在汽轮机高压缸中膨胀做功后，汽温、汽压均下降，在高压缸出口由导管将蒸汽引入锅炉再热器中第二次过热为高温再热蒸汽，然后再送往汽轮机中、高压缸中继续做功。
“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膛、烟道、喷燃器及空气预热器等组成。
其工作过程是：
送风机将空气送入空气预热器中吸收烟气中的热量并送进热风道，然后分成两股：
一股送给制粉系统作为一次风携带煤粉送入喷燃器，另一股作为二次风直接送往喷燃器。
煤粉与一、二次风经喷燃器喷入炉膛进行燃烧放热，并将热量以辐射方式传给炉膛四周的水冷壁等辐射受热面；燃烧过程中产生的高温烟气沿烟道流经过热器、再热器、省煤器及空气预热器等设备，热量主要以对流方式传给它们。
在传热过程中，烟气温度不断降低，经除尘后，最后由引风机送入烟囱，排入大气。
从燃烧方式看，国内现有的300、600MW级锅炉主要有三种技术形式：
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