基于PLC的锅炉控制系统设计.docx
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基于PLC的锅炉控制系统设计
实习报告
题目基于PLC的燃油锅炉控制系统设计
学生姓名：
学号:
专业班级:
指导教师:
职称:
二O一二年八月二十四日
实习任务书
组内学生姓名
王鹏、历丽、赵冰冰、李佳欣、孙会鸿
人数
5人
系部名称
电气与信息
工程学院
专业
电气工程及其自
动化
班级、学
号
电气09-1
指导教师姓
名
徐鹿眉、王希
凤
职称
教授
从事专业
电气工程及其
自动化
题目名称
基于PLC的燃油锅炉控制系统设计
一、工程实践的目的、意义
通过对燃油锅炉PLC控制的程序设计，使我懂得了锅炉一直在发展，随着
对控制精度和对环境的要求越来越高，传统的继电器控制不能满足要求，燃煤锅炉也渐渐不再适应现代发展的需要。
燃油锅炉替代燃煤锅炉是发展的结果。
本次工程实践，收获很多，既完成了设计任务，又学的了很多新知识。
当然，个人的设计或多或少总存在一些不足和缺陷，只有在不断学习使用和在别人的帮助指点下，才能不断改进缺陷和不足。
整个设计过程比较复杂，在设计中反映出个人知识的不足，需要学习更多的知识以弥补不足。
二、工程实践的主要内容、技术要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、工作量要求等）
用PLC控制燃油锅炉的自动控制，保证其安全、可靠、稳定地按着预期的设计方案工作。
基于PLC的燃油锅炉控制系统技术要求如下:
（1）按下起动按钮，燃油首先通过燃油预热器预热，1min后，接通点火变
压器，打幵瓦斯阀门，同时由鼓风机送风，持续3S后，喷油泵喷油，持续3S
后，点火变压器和瓦斯阀门同时关闭。
（2）按下停止按钮，燃油预热器关闭，喷油泵关闭，鼓风机继续送风持续15S后送风停止。
（3）锅炉燃烧过程中，当出现异常情况时（即蒸汽压力超过允许值或水位
通过上限或低于下限L能自动关K;异常情况消失后，又能自动接起燃烧程序重新点火燃烧。
（4）锅炉水位控制，锅炉工作起动后，当水位低于下限时，进水阀打幵,
排水阀关闭，当水位高于上限时，排水阀打幵，进水阀关闭。
⑸当水温低于90度时，喷油电机以较大转速运行；当水温高于90度时,
输出，喷油电机减速运行；当油温高于设定值25度时，喷油机才能喷油。
二、工程实践完成后应提父的成果
由PLC组成的燃油锅炉控制系统。
对锅炉实行全自动控制，包括锅炉水位、
PLC控制软件,
蒸汽压力、燃烧系统的参数检测、指示、调节等进行控制。
设计成功地实现对燃油锅炉控制系统的仿真。
四、工程实践的工作进度安排
答辩
（1天）
五、主要参考资料
[1]沈雅琴.[J].上海航天,1997年02期.
[2]殷红彩，葛立峰.一种多输出直流稳压电源的设计[J].传感器世界,
2006,12（9）,22-26.
[3]
孙强,曹跃龙，薛延学，高立芳.[J].西安理工大学学报,1998年04期.
杨靖，雷声勇.基于PID算法的S7-200PLC锅炉水温控制系统[J].机
王永华，《现代电气控制及PLC应用技术》，北京，北京航空航天出版
社,2007六、备注
指导教师签字:
教研室主任签字:
20
实习体会
第1章引
PLC控制燃油锅炉的目的和意义
锅炉是一次性能源煤炭、石油、天然气转换成二次能源蒸汽量的重要动力设备。
据有关数据统计，目前我国有各类工业锅炉约25万。
每年耗煤量占全国产量的1/3，同时还消耗大量的石油和天然气。
工业锅炉是生产过程中重要的动力设备。
在石油化工领域，它的主要作用是向生产装置提供所需的合格蒸汽，其控制质量的优劣不仅关系到锅炉自身运行的效果，而且还将直接影响到相关装置生产过程的稳定性。
现代燃油燃烧机多为自动控制的燃烧机，一般采用工业程序控制器、火焰检测器以及温度传感器等组成自动控制系统。
燃油锅炉随着城市的发展而越来越多地被应用。
以前使用燃煤锅炉由于其在燃烧
时产生大量的C02和粉尘污染环境而逐渐被淘汰，相对应的用燃油锅炉来代替燃煤锅炉已被广泛用于酒店、大型商场等建筑。
由PLC组成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，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、调节等进行控制。
PLC控制燃油锅炉的设计内容
本设计采用可编程序控制器PLC控制燃油锅炉的稳定可靠运行。
通过PLC的选型和扩展电机及驱动控制、检测元件选型、低压电器选型、电源设计完成燃油锅炉的硬件设计部分。
通过组态软件以及仿真软件的模拟和调试完成燃油锅炉的软件设计。
预期实现的目标
实现燃油锅炉的自动控制，不但能很好的控制锅炉的水位和蒸汽压力等参数，还
能很方便的加水和排水，基于PLC的控制很容易实现工业化。
我国目前运行的很多锅炉控制系统自动化水平不高、安全性低，工作效率普遍低于国家标准，因此实现燃油锅炉的自动控制对能源消耗来说很重要。
第2章系统总体设计方案
燃油锅炉的基本组成部分
燃油锅炉主要组成部分：
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。
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。
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。
燃油锅炉的工作过程
锅炉工作时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。
燃料在燃烧时，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。
燃油锅炉系统控制要求
由PLC组成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，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、调节等进行控制。
1.燃油锅炉控制要求
（1）按下起动按钮，燃油首先通过燃油预热器预热，1min后，接通点火变压器，打开瓦斯阀门，同时由鼓风机送风，持续3S后，喷油泵喷油，持续3S后，点火变压器和瓦斯阀门同时关闭。
（2）按下停止按钮，燃油预热器关闭，喷油泵关闭，鼓风机继续送风持续15S后
送风停止。
（3）锅炉燃烧过程中，当出现异常情况时（即蒸汽压力超过允许值或水位通过上限或低于下限L能自动关K;异常情况消失后，又能自动接起燃烧程序重新点火燃烧。
（4）锅炉水位控制，锅炉工作起动后，当水位低于下限时，进水阀打开，排水阀关闭，当水位高于上限时，排水阀打开，进水阀关闭。
2.燃油锅炉的系统示意图如图所示。
图燃油锅炉系统示意图
燃油锅炉控制系统
优良的燃油锅炉控制系统对燃油锅炉的应用有着极为重要的意义。
燃油锅炉的控制系统主要包括燃烧器控制、锅炉水位控制等。
2.4.1燃烧过程控制
燃烧装置包括：
鼓风机、油泵、引风机、点火装置、喷油电磁阀等。
在燃烧启动前，燃油首先通过燃油预热器预热后，接通点火变压器，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。
打开瓦斯阀门，同时由鼓风机送风，一段时间后，喷油泵喷油，持续一段时间后，点火变压器和瓦斯阀门同时关闭。
按下停止按钮，燃油预热器关闭，喷油泵关闭，鼓风机继续送风一段时间后送风停止。
2.4.2水位高低控制
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。
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。
燃油锅炉系统工艺流程
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供热系统。
燃油锅炉控制系统工艺流程图如图所示。
图燃油锅炉控制系统工艺流程图
确定燃油锅炉的设计方案
可编程序控制器PLC作为锅炉控制器，通过对燃油预热器、喷油电磁阀、点火变压器、瓦斯阀、鼓风机、油泵和进水阀、出水阀等部件的控制，实现燃油锅炉的给水、点火程序、风油调节和蒸汽压力的自动控制。
采用压力传感器和温度传感器对水温、汽温、炉温进行检测，并通过PLC实现自动调节，维持它们在规定的范围内。
燃油锅炉控制系统由燃油预热器、点火变压器、瓦斯阀、引风机、油泵、进水阀、
出水阀、水位上限开关、水位下限开关、各种检测仪表及监控设备组成。
系统原理框图如图所示。
图燃油锅炉系统原理框图
第3章控制系统硬件设计
PLC总述3.1.1PLC工作原理
PLC是一种工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算机工作原理的基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。
CPU是以分时操作方式来处理各项任
务的，所以它属于串行工作方式。
PLC工作的整个过程可分为三部分：
第一部分是上电处理。
机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，
I/O模块配置检查，停电保持范围设定，系统通信参数配置及其他初始化处理等。
第二部分是扫描过程。
PLC上电处理阶段完成以后进入扫描工作过程。
第三部分是出错处理。
PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码；当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描便
停止。
PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。
每一次扫描所用的时间称作扫描周期或工作周期。
在一个扫描周期中，PLC—般将完成部分或全
部的以下操作：
读输入T处理通信请求T执行逻辑控制程序-写输出执行-CPU自诊断。
PLC就是这样周而复始的循环这些动作过程一直到关机。
当PLC上电后，处于正常运行时，它将不断重复扫描过程，并不断循环重复下去。
分析上述扫描过程，如果不考虑远程的服务要求，这样扫描过程就只有“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段了。
这三个阶段是PLC工作过程的中心内容，
也就是PLC的工作原理。
3.1.2PLC系统选型
燃油锅炉系统设计选择了西门子模块化中小型PLC系统S7-200,它能满足系统性
能要求的应用，应用领域相当广泛。
其模块化、易于实现分布、易于用户掌握等特点使得S7-200成为各种中小型性能要求控制任务的首选。
S7-200系列具有的多种性能的CPU和丰富的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。
当任务规模扩大时，可随时使用附加的模块对PLC进行扩展。
西门子S7-200所具备的高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，使其具有更高的工业环境适应性。
此外，S7-200系列PLC还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便等优点。
与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能控制PLC有条不紊的进行工作。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制和状态总线构成。
CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有
关电路，内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU的主要任
务是控制用户程序和数据接收与存储；用扫描的方式通过I/O接口接收现场信号的状
态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和
编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。
PLC产品的种类繁多。
PLC的型号不同，对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同，适用的场合也各有侧重。
因此，合理选用PLC
对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。
选择时应主要考虑到合理的结构型式，安装方式的选择，相应的功能要求，响应速度要求，系统可靠性的要求，机型尽量统一等因素。
PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。
通常PLC的输入类型可以是直流、交流或交直流，使用最多的是直流信号输入PLC。
输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC自身的电源提供。
表3-1S7-200系列PLCCPI型号表
通过对燃油锅炉控制系统控制要求的分析可知，系统共有开关量输入点5点，开
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU224XF
CPU226
CPU226XM
程序存储区
4096B
4096B
8192B
12288B
16384B
24576B
数据存储区
2048B
2048B
8192B
10240B
10240B
20480B
本机I/O
6入4出
8入6出
14入10出
14入10出
24入16出
24入16出
扩展模块数
0
2
7
7
7
7
关量输出点7点，所以选用CPU224它可以扩展7个模块能够满足控制要求。
CPU224的外围接线图如图所示。
图3-1CPU224外围接线图
3.1.3I/O地址分配
根据燃油锅炉控制系统的控制要求，I/O通道地址分配如表3-2和3-3所示。
序号
功能信号
々祐
Z4、7a'
丄山hL厶门r
名称
启动按钮AQW4
代码
给变频器信号
工地^址^编号
-i
启动按钮vr
/甘丄业知
SFI
停止按钮
水位上限开关
DTE
丿水位上限丿丨丿J
BGI
水位下限开人蒸汽压力开关
dG2BP
k、19—la丿J八丿J
BP
DD
热继电器
BB
IXI-d
燃油预热器继电器鼓风机接触器
1
CA4
鼓丿风机接触器
片J才赤厂LHa厶应十耳旦
QAIizro
点人变压器继电器片甘匚网
KF2
nALk
瓦斯阀
[J卉J|+r-Qfirhr7^
MIBIh/ino
喷油器电磁阀
IVIB2
h/inQ
水阀
IVIB3
出水阀
IVIB4
喷油器低转速电"表阀
模拟量输入输出信号代码和地址编号表
号
2
3.1.4PLC主机图
系统所选PLC型号的主机图
图PLC主机图
3.1.5扩展模块选型
系统采用西门子S7-200模拟量编程。
EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现
了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。
本次设计选择常用的EM235乍为扩展模块。
数字量输入/输出模块支持：
连接控制系统的数字量过程信号，向过程控制系统输出数字量控制信号，为CPU的本机I/O提供更多的数字量输入/输出，数字量输入/输出模块转换，来自过程的外部数字信号电平转换成S7-200内部信号电平，将S7-200的内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平。
表EM235的常用技术参数
模拟量输入特性
模拟量输入点数
4
输入范围
电压（单极性）0〜10V0〜5V0〜1V
0〜500mVC〜100mVC〜50mV
电压（双极性）±10V±5V±±1V
±500mV±250mV±100mV±50mV
±25mV
电流0〜20mA
数据字格式
双极性全量程范围-32000〜+32000
单极性全量程范围0〜32000
分辨率
12位A/D转换器
模拟量输出特性
模拟量输出点数
1
信号范围
电压输出±10V
电流输出0〜20mA
数据字格式
电压-32000〜+32000
电流0〜32000
分辨率电流
电压12位
电流11位
电机及驱动控制选型
321电机及喷油泵的选型
所选用的锅炉为型燃油锅炉。
根据系统控制要求、工作环境和所用锅炉的型号，
进行油泵的选型。
所选用的鼓风机为风机。
转速为1400r/min，风量为（5012-12230）
m/h，电机功率为。
所选用的喷油泵电动机功率为，转速为1400r/min，额定电压为380V,型号为
Y90L-4。
3.2.2变频器选型
在电动机的各种调速方式中，变频调速传动占有极其重要的地位，有强大的生命力。
这类传动系统功率有回路简单、功率因数高、输出谐波小、启动平稳、调速范围宽等优点。
变频器大多运行在恶劣的电磁环境，且作为电力电子设备，内部由电子元件、微处理芯片等组成，会受到外界的电磁干扰。
另外，变频器的输入和输出侧的电压、电流含有高次谐波。
当变频器运行时，既要防止外界的电磁干扰又要防止变频器干扰外界其他设备，即所谓的电磁兼容性。
在选择变频器时的几点注意事项：
根据负载特性选择变频器。
选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。
另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率
因数和效率变坏。
因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10%而温升会增加20%左右。
所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。
本设计选用的变频器为西门子MM440MM44是一种集多种功能于一体的变频器，其恒定转矩控制方式的额定功率范围为120KW-200KVV可变转矩控制方式的额定功率
可达250KVy它适用于电动机需要调速的各种场合。
可通过数字操作面板或通过远程操作器方式修改其内置参数，即可满足各种调速场合的要求。
3.2.3电机主线路
两台电动机分别为MA1驱动鼓风机工作、MA2驱动喷油泵工作。
接触器QA1QA2分别控制MA1MA2的运行；QA10QA20分别为变频器和两台电动机主电路的隔离开关，隔离开关重要作用是隔离电源，以保证其它电气设备的安全检修。
由于它没有专门的灭弧装置，所以不能带负荷操作。
但是它可以用来通断一定的小电流，如切合电压互感器和避雷针回路等。
隔离开关在结构上有一个显着的特点，就是它具有明显可见的断开间隙。
油泵变频器MM400通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，
变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
如图所示为电机控制系统主电路。
电机主接线图
图
检测元件选型
K型热电偶，其中测量炉膛温度的热电偶型供电电压DC24V环境温度0〜60C；测量蒸均为WZP-230型热电偶，测温范围-200〜
本设计选用的热电偶温度传感器均为
号为WZP-230测温范围-200〜500度，
汽温度、水温和燃油温度的热电偶型号相同，
500r，供电电压DC24V环境温度0〜60^0pt100是铂热电阻，简称为：
PT100铂电
阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。
PT后的100即表示它在0C时阻值为100欧
姆，在100C时它的阻值约为欧姆。
它的工业原理：
当PT100在0摄氏度的时候他的
阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。
低压电器选型341继电器选型
在控制电路中起信号传递、放大、切换和逻辑控制等作用的继电器称作中间继电
器。
它属于电压继电器的一种，主要用于扩展触点数量，实现逻辑控制。
本设计中用
到的继电器为正泰JZ7系列中间继电器，型号为JZ7-62，额定工作电压220V,额定工
作电流,5A。
3.4.2断路器选型
低压断路器也称作自动开关或空气开关，是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的开关电器和保护电器，它集控制和多种保护功能于一身。
除了能完成接通和分断电路外，还能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，也可以用于不频繁地启动电动机。
据选型原则，选用正泰系列断路器，型号为DZ473P16A,额定工作电压AC380V额定工作电流16A。
3.4.3熔断器选型
熔断器基于电流热效应原理和发热元件热熔断原理设计，具有一定的瞬时动作性，
用于电路的短路保护和严重过载保护。
使用时串接于被保护的电路中，当电路发生短路故障时，熔断器中的熔体被瞬时熔断而分断电路，起到保护作用。
根据负载类型，选用正泰系列熔断器，型号为RL1-15,额定电流5A,额定电压
380V。
表系统元件明细
代号
名称
型号
规格
数量
MA1
三相异步电动机
Y90L-4
380V,,
1400r/min,
1
MA2
二相异步电动机
Y90L-4
380V,,
1400r/min,
1
FA
熔断器
RL1-15
380V,16A
6
B1
温度传感器
WZP-230
-200〜500r
2
QA0
低压断路器
DZ473P16A
380V,16A
2
BB
热继电器
LR2-D1312C
—8A
1
系统电源设计
可编程序控制器一般使用市电（220V,50Hz）。
电网的冲击、频率的波动将直接影响到可编程序控制器系统实时控制的精度和可靠性，有时电网的冲击，可给系统带来毁灭性的破坏。
为了提高系统的可靠性和抗干扰性能，在对可编程序控制器的供电系统设计中采用隔离变压器，这样可以隔离掉供电电源中的各种干扰信号，从而提高了系统的抗干扰性能。
对于S7-200PLC的供电电源，采用一个独立的开关，它能够同时切断CPU输入电路和输出电路的所有供电，并用断路器过电流保护装置来限制供
电线路中的电流。
每个S7-200CPU模块均提供一个24V直流传感器电源和一个5V直流电源。
24V直流传感器电源可以作为CPU主机、数字量扩展模块的输入、模拟量扩展模块的供电电源以及外部传感器电源使用。
如果容量不能满足所有需求，则必须增加外部24V直
流电源。
此时外部直流电源不能与模块的传感器电源并联使用，以防止两个电源电位的不平衡造成对电源的破坏；但为了加强电子噪声保护，这两个电源的公共端（M）应该连在一起。
当S7-200CPU与扩展模块连接时，CPU莫块为扩展模块提供5V直流电源。
如果扩展模块的5V直流电源需求超过CPU莫块5V直流电源的容量，则必须减少扩展模块
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