蒸汽锅炉控制系统.doc
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鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 第V页
基于西门子S7-300的40t蒸汽锅炉控制系统
摘要
随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，以及人们生活水平的不断提高，对城市生活供暖的用户数量和供暖质量提出了越来越高的要求。
目前，我国大部分地区冬季生活供暖仍然以锅炉供暖为主，锅炉房自动控制系统配置相对落后，风机和水泵等电机的控制主要依赖值班人员的手工操作，控制过程繁琐，耗电耗煤，而且手动控制无法对锅炉供水温度和管网压力变化及时做出适当的反应。
本文设计了一套基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统。
该控制系统由可编程控制器、变频器、风机和水泵电机、传感器、以及控制柜等构成。
系统主要包括四个控制回路：
锅炉汽包水位控制回路、水温控制回路、炉排控制回路和炉膛负压控制回路。
系统通过变频器控制电动机的启动、运行和调速。
系统以西门子S7-300可编程控制器为下位机。
下位机控制程序采用西门子公司的STEP7编程软件设计，主要完成模拟量信号的处理，水位、温度和压力信号的PID控制等功能，并接收上位机的控制指令以完成风机启/停控制、参数设定、循环泵控制和补水泵控制。
本文设计的变频控制系统实现了锅炉燃烧过程的自动控制，有效地降低了能耗，提高了生产管理水平。
系统安装维护方便，运行稳定、可靠。
系统整体设计合理，功能齐全，实现了预期的目标。
关键词：
锅炉控制，变频调速技术，PLC，PID
ForSiemensS7-30040TonsSteamBoilerControlSystem
Abstract
Withtherapiddevelopmentofsocialeconomyandtheincreasinglyimprovedlivingstandardofpeople,thescaleofcityconstructionisunprecedentedlyexpanded,arousingurgentrequirementforhigh-qualitylivingheatingsystemtomeetthesustaininglyincreasedneed.Inthemajorityofourcountry,however,mostcurrentlivingheatingsystemsforwinterusearerelativelystillout-of-dateboilerheatingsystem,inwhich,thecorepart,namely,thecontrolofoperatingfansinstokeholdandwaterpumpsisstillmanualandthereforehardtorealizereal-timeadjustmentaccordingtochangingpressureinthepipesandtemperatureofwatersupplied.Consequently,thisfussymanualcontrolinevitablyleadstounnecessaryhugewasteofcoalandelectricalpower.
Inthispaper,aheatingboilercontrolsystembasedonPLCandvariablefrequencyspeed-regulatingtechnologyisdesigned.ThecontrolsystemismadeupofPLC,transducers,electromotorunitsofpumpsandfans,sensorsandcontroltanks,etc.Intheprogramcontrolsystemisconsistedbyfourloopsthatisthewaterlevelcontrolloop,thewatertemperaturecontrolloop,theboilersbeltcontrolloopandthehearthpressurecontrolloop.Itcancontrolelectromotorstarting,runningandtimingbymeansoftransducers.ThehardwaresystemadoptsaSiemensS7-300PLCasthelowercontrolsystem（LCS）.ThecontrolsoftwareofLCSdesignedwithSTEP7（SiemensPLCsoftwaretoolbox）ismainlyusedtodealwithfunctionssuchasprocessinganalogsignals,PIDcontrolofwaterlevel、temperatureandpressure,andacceptingcontrolinstructionsfromtheuppersupervisorysystem（USS）torealizestarting/stoppingofelectromotors,settingofanalogparametersandcontrolofwaterpumps.
Thefrequencycontrolsystemproposednotonlycanrealizeautomaticcontrolofboilerburningprocessefficiently,havinggreatlyreducedenergyconsumption,andinthemeantimeeffectivelyimprovedthelevelofboilercontrolmanagement,butalsohasmanyadvantagessuchasstableandreliablerunning,flexibleoperation,etc.Thewholedesignisfeasibleandreliableandreachtheexpectedobjective..
Keywords：
boilercontrol,variablefrequencyspeed-regulatingtechnology,PLC,PID
目录
摘要 I
ABSTRACT II
1绪论 1
1.1引言 1
1.2蒸汽锅炉设备的基本结构 1
1.2.1蒸汽锅炉本体 1
1.2.2辅助设备 2
1.3蒸汽锅炉的工作过程 3
1.3.1燃料燃烧与通风系统 3
1.3.2汽-水系统 3
1.4控制要求 3
1.4.1控制汽包水位 4
1.4.2控制蒸汽温度 4
1.4.3控制炉膛压力 4
1.4.4控制燃烧系统 5
1.4.5控制鼓风引风量 5
2PLC硬件设计 6
2.1PLC的发展历程 6
2.2PLC特点 6
2.3S7-300简介 8
2.4系统组成 8
3软件设计 10
3.1S7-300编程软件简介 10
3.2控制系统软件设计 11
3.2.1控制算法的选择 11
3.2.2STEP7中的PID功能块 12
3.2.3主程序设计 12
3.2.4子程序设计 13
结论 19
致谢 20
参考文献 21
附录A （S7-300-PLCMODULESPECIFICATION） 22
附录B （S7-300模板规范手册） 30
附录C （蒸汽锅炉控制系统原程序） 36
鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 第52页
1绪论
1.1引言
供暖锅炉控制系统属于过程控制系统，其控制的目标是控制锅炉燃烧过程中的水位、炉膛负压等参数，使锅炉燃烧工况良好，保证设备运行安全，满足用户的供热要求。
目前，大多数供暖用锅炉的设计，管理和使用还处于七八十年代水平，炉温不高,燃烧不充分，控制与使用自动化程度不高。
这样不仅在管理上和运转上浪费大量人力物力，而且还为安全生产带来隐患。
如今，交流电机的调速技术日趋完善和成熟，采用变频调速器可以改变电源的频率，进而调整水泵的转速，实现对水位的控制；调节鼓引风机的转速，实现风量的调节，达到锅炉负压自动调节控制的目的；同时可使电机实际功率随锅炉负荷的变化（即风机风量的变化）而变化，达到低负荷、低消耗运行的目的。
本系统正是顺应了这种趋势针对供暖蒸汽锅炉而设计的。
1.2蒸汽锅炉设备的基本结构
常见的蒸汽锅炉系统如图1.1所示。
锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。
锅炉中的炉膛、炉筒、燃烧器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。
锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和炉筒。
1.2.1蒸汽锅炉本体
1、炉膛其横截面一般为正方形或矩形。
燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。
在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热。
2、炉筒接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。
炉筒整体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。
炉筒的主要功能是作为省煤器、汽化受热面和蒸汽过热器的联接枢纽；内部布置锅内设备，进行汽水分离过程；作为联接多排并列管子的结合体以构成管束受热面；作为自然循环回路的组成部分；贮存锅水，形成一定的蓄热能力。
3、蒸汽过热器是一种辅助受热面，有许多蛇形钢管组成。
饱和蒸汽流经它继续
受热而变为过热蒸汽。
图1.1锅炉控控制系统硬件组成图
4、省煤器实际上是一个给水预热器。
它由开鳍片的铸铁管组装而成，也可用钢管制作。
锅炉给水先流经省煤器，因为吸收烟气余热，可有效地降低锅炉排烟温度，故节约燃料。
5、空气预热器是利用排烟的余热加热入炉空气的装置，其整个结构为数量众多的钢管制成的管箱组合体。
燃烧所需的空气在管外流过时受到管内烟气加热，以改善燃烧条件。
1.2.2辅助设备
辅助设备是为了维持锅炉的正常运行而设置的，他包括给水设备、通风设备、燃料供应和除灰设备以及仪表和控制设备等，它们分别由相应的管路或机械、电子装置与锅炉本体相连接，构成各自的工作系统。
1、给水设备由水处理装置、水箱和给水泵等组成，水处理装置是用来除去水中杂质，保证给水品质，经处理的锅炉给水是借助给水泵提高压力后流经省煤器送入炉筒。
2、通风设备包括鼓风机、引风机和烟囱等，其作用是向炉子供应燃烧所需的空气和将烟气引出排出至大气。
在炉膛前克服各项阻力，将空气送入炉膛的风机，称为鼓风机。
在炉膛后克服各项阻力将烟气排入烟囱的，称为引风机。
鼓风机输送的是常温空气，其鼓风量应满足燃料完全燃烧的需要。
引风机输送的是高温烟气，温度高，体积膨胀，容量就加大，因此引风量约为鼓风机的1.5~2.5倍，并且它的轴是在高温烟气中工作，所以整个轴及轴承的温度也升高了，由于轴承经受不了高温，因此必需在引风机轴承座处装置冷却水管对其进行冷却。
另外，烟气带有的烟尘对金属与研磨侵蚀的作用，所以要用较厚和耐磨的钢材来制作引风机。
3、燃料供应及除灰设备是为了输运燃料和排除灰渣而设置的。
对于需要将燃料预先加工的锅炉，还应包括诸如破碎、磨煤等燃料制备设备。
此外，为了改善环境卫生和减少烟尘污染，在烟道尾部大多还装有除尘器。
4、仪表及控制设备除了水位表和安全阀等装在锅炉本体上的监察仪表和安全附件外还常装置有一系列指标、计算仪表和控制设备，如煤量计、蒸汽流量计、水表、温度计、风压计和控制设备等。
1.3蒸汽锅炉的工作过程
1.3.1燃料燃烧与通风系统
在煤场上经筛选的锅炉用煤由提升设备和带式输煤机送入储煤斗，靠自重下滑经炉前小煤斗送达炉排，借自前向后运动的炉排将它带进炉内燃烧。
燃烧所需的空气，由送风机先送往空气预热器进行预热，再经风室从炉排的通风孔隙进入煤层参与燃烧反应。
煤随着炉排边运动边燃烧，燃尽的灰渣在后端翻落于灰渣斗，最后由除灰设备排除。
燃烧生成的高温烟气，离开炉膛后以较高的流速冲刷蒸汽过热器和对流管束，然后进入尾部烟道，流经省煤器和空气预热器，此时烟气因对流放热已大量降温。
烟气中携带的飞灰，大部分由除尘器除去，比较洁净的烟气最后由引风机送入烟囱排于大气。
1.3.2汽-水系统
经过水处理设备处理的锅炉给水，由给水泵升压，通过给水管先送到省煤器预热，而后进入锅筒。
锅筒是一个汽、水共存的容器，各循环回路的汽水混合物在锅筒中汇集，借助重力作用和汽水分离装置使汽、水得以分离。
水落回水空间继续循环受热，饱和蒸汽即由蒸汽管引出。
1.4控制要求
锅炉控制系统，一般由以下几部分组成，即由一次仪表、PLC、上位机、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入PLC。
控制系统包括手动和自动操作部分，手动控制时由操作人员手动控制，用操作器控制变频器、电机等，自动控制时对PLC发出控制信号经执行部分进行自动操作。
PLC对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行可编程控制系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。
系统具有多个控制回路，可提供多个调节输出信号，通过变频器等执行器控制锅炉的炉排、鼓风、引风电机转速、汽包水位等。
达到对锅炉给煤量、输氧量、烟气流量等的控制目的，实现控制出水温度（蒸汽压力或蒸汽温度）、炉膛负压的要求。
1.4.1控制汽包水位
锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。
锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。
因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对减小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水，或者烧成干锅。
在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重是会使个别水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部爆管。
无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格控制水位在规定范围之内。
1.4.2控制蒸汽温度
过热蒸汽的温度是生产工艺确定的重要参数，蒸汽温度过高会烧坏过热器水管，对负荷设备的安全运行带来不利因素。
因为现代的蒸汽锅炉，金属强度的安全系数设计得都比较小，超温严重会使汽机或其它负荷设备膨胀过大，使汽机的轴向推力增大而发生事故。
汽温过低直接影响负荷设备的使用，对汽机来说，会影响它的效率。
因此，从安全生产和技术经济指标上看，必须保持蒸汽温度在额定值范围之内。
1.4.3控制炉膛压力
锅炉在正常运行中，炉膛压力必须保持在规定的范围之内。
如果是负压操作，则负
压偏正，局部地区容易喷火，不利于安全生产，不利于环境卫生；负压过大，漏风严重，总风量增加，烟气热损失增大，不利于经济燃烧。
由于燃烧室的空间很大，加之介质密度差产生的自升引力，使沿着炉膛向上的负压越来越大，所以保持某个高度上的负压是必要的，可行的。
1.4.4控制燃烧系统
燃烧系统的自动调节是使燃料量与空气量相适应，维持燃料量与空气量有一定的比值，以保证燃烧过程的经济性。
如果能够恰当地保持燃烧量与空气量的正确比例，就能达到最小的热量损失和最大的燃烧效率。
反之，如果比值不当，空气不足，结果导致燃料的不完全燃烧，当大部分燃料燃烧不完全时，热量损失在烟气之中，使燃烧效率降低。
所以对燃烧的控制是十分必要的。
1.4.5控制鼓风引风量
为了保证锅炉炉膛内的燃料连续不断的燃烧，必须向炉膛内供应足够量的空气，同时将燃烧产生的烟气通过受热面，烟道及除尘器等设备，最后由烟囱排入大气。
2PLC硬件设计
2.1PLC的发展历程
在工业生产过程中，存在着大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。
PLC的定义有许多种。
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
2.2PLC特点
PLC能如此迅速发展的原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点。
它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
其主要特点如下：
1、编程方法简单易学
梯形图是可编程序控制器使用最多的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似。
梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，可编程序控制器在执行梯形图程序时，应先用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。
2、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
可编程序控制器有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
3、系统的设计、安装、调试工作量少
可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。
这种编程方法很有规律，容易掌握。
对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比继电器系统电路图的设计时间要少很多。
可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过可编程序控制器上的发光二级管可观察输出信号的状态。
完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序可以解决，系统的调试时间比继电器系统要少得多。
4、维修工作量小，维修方便
可编程序控制器的故障率低，且有完善的自诊断和显示功能。
可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发光二级管或编程器提供的信息迅速地查明产生故障的原因，用更换模块的方法迅速地排除故障。
5、体积小，能耗低
对于复杂的控制系统，使用可编程序控制器后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型可编程序控制器的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2～1/10。
可编程序控制器的配线比继电器系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。
2.3S7-300简介
S7-300系列PLC是基于模块化结构设计的，采用DIN标准导轨安装，配置灵活、安装简单、扩展方便，各种模块可以进行广泛的组合和扩展，主要模块有中央处理单元（CPU）模块、信号（SM）模块、通信处理器（CP）模块、功能（FM）模块。
辅助模块有电源（PS）模块、接口（IM）模块等，它通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其它S7PLC相连。
其主要功能如下：
1、高速的指令处理。
0.1～0.6μs的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。
（1）浮点数运算：
用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。
（2）方便用户的参数赋值：
一个带标准用户接口的软件工具可以给所有模块进行参数赋值。
2、诊断功能。
CPU的智能化的诊断系统可连续监控系统的功能是否正常，记录错误和特殊系统事件（例如超时、模块更换等）。
3、口令保护。
多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。
S7-300的操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。
这样就防止非法删除或改写用户程序。
2.4系统组成
本文前面章节己论述了系统的控制任务，根据系统控制要求，统计出本系统对主PLC的I/O总能力要求为：
开关量输入17点，开关量输出12点，模拟量输入3通道，模拟量输出4通道。
综合考虑系统对PLC运算能力的要求等因素，选用西门子的S7-300系列PLC,CPU模块选用CPU313。
具体配置如图2.1所示
1、电源负载模块（PS307）：
用于将SIMATICS7-300连接到120/230V交流电源或24V直接电源。
它与CPU模块和其它信号模块之间电缆连接，而不是通过背板总线连接。
2、中央处理单元模块（CPU313）：
具有较大的程序存储器、低成本的解决方案，适用于对速度要求较高、程序较大的小型应用领域。
CPU内置12KB的RAM，其装载存储器为内置20KB的RAM，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量为256KB，扩展模块只能装在一个机架上，最大扩展128点数字量和32路模拟量。
表2.1模块地址示意图
序号
名称
型号
槽号
地址号
1
电源
PS30710A
1
-
2
CPU
CPU313
2
-
3
数字量输入模块
SM321DI16xAC120/230V
4
0.0～1.7
4
数字量输出模块
SM322DO16xAC120V/230V/0,5A
5
4.0～5.7
5
模拟量输入模块
SM331AI
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