1、基于PLC控制的电锅炉控制系统连云港职业技术学院毕 业 设 计题 目：基于PLC控制的工业锅炉控制系统 作 者： XX 学号： XXXXXXXX 院 、 系： 机电工程学院 专业班级： 电气自动化091 指导教师： XXX 副教授（校内） XX 工程师（校外） 2012年 5 月 29 日基于PLC控制的工业锅炉控制系统摘要锅炉是特种压力容器设备，它是化工、发电、供热、炼油和制糖等工业及民用部门必不可少的重要的动力设备。随着计算机控制技术的飞速发展和广泛应用，锅炉的控制系统和方式越来越引起人们的重视，而且对控制系统的要求越来越高，工业锅炉实现自动控制可以将锅炉的水位、温度、压力等参数控制在规定
2、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。本论文通过对工业锅炉电气系统主回路进行分析，计算出电动机、断路器、交流接触器、继电器、变送器、电缆线等主要电器的参数后，再选择了相应电器的型号及具体数据。然后相应设计出工业锅炉的压力控制系统、水位控制系统。在综合考虑系统的精度、效率以及经济性等的因素之后，最终确定以PLC为控制核心。本毕业设计过程包括工业锅炉电气控制系统程序，用计算机绘制电气主电路图和PLC外围接线图等。关键词：工业锅炉 ；水位控制；压力控制； PLCBased on the PLC control in industrial boiler control sys
3、temAbstractBoiler is a special pressure vessel equipment, it is chemical, power generation, heating, oil and sugar and other industrial and civil departments indispensable important power equipment. Along with the computer control technology of the rapid development and extensive application of the
4、boiler control system, and the way people pay more and more attention, but also to the control system of the increasingly high demand, industrial electric heating boiler automatic control of boiler water level, can be temperature, pressure and other parameters control in the specified range, and can
5、 automatically adapt load change, so that the boiler safe and economic operation.The present paper through to the industrial boiler electrical system main circuit analysis, calculate the motor, AC contactor, breaker, relay, transmitter, cable and other electrical parameters, and then select the corr
6、esponding electric models and specific data. Then the corresponding design of industrial boiler pressure control system, water level control system. Considering the system precision, efficiency and economy and other factors, finally determined with PLC as the control core.This graduation design proc
7、ess including electric boiler electric control system for computer aided drawing program, the main electrical circuit diagram and PLC external wiring diagram.Key Words: industrial boiler; water level control; pressure control; PLC第一章 文献综述随着计算机和控制理论的发展，锅炉控制技术6在国外发展越来越快。据有关资料介绍，目前，国外新兴的工业锅炉上都安装有五个独立的控
8、制系统:燃烧控制系统、炉膛负压控制系统、给水控制系统，蒸汽温度控制系统、空气预热器冷端温度控制系统。上世纪七十年代前，锅炉控制只注重安全性和可靠性，到1927年由于世界能源危机的出现和能源价格的直线上升，各国都把节约能源和开辟能源作为基本国策。在我国的能源消耗中，煤占70%，油占30%.我国设计锅炉的热效率大多在70%一80%之间，锅炉的热效率降低.由于电热的雾化不好或配风不合理，使锅炉的热效率降低。因而，在原油价格不断上涨的今天，对于工业锅炉的控制，就是要提高锅炉的热效率，使锅炉在最佳工况下运行己成为人们瞩目的课题。锅炉是特种压力容器设备3，它是化工、发电、供热、炼油和制糖等工业及民用部门必
9、不可少的重要的动力设备。随着计算机控制技术的飞速发展和广泛应用，锅炉的控制系统和方式越来越引起人们的重视，而且对控制系统的要求越来越高，任何一种优质的锅炉如果没有相对应的控制装置，则无法完全体现锅炉的优点，控制系统的水平已经成为衡量锅炉好坏的一个至关重要的指标。在实际运行中，控制的方式及控制运行的程度是保证锅炉高效运行的必要保证，如果没有先进的控制，锅炉的高效率就无从谈起。随着控制理论的发展，对锅炉的控制方法也层出不穷，其中PLC控制得到了很大的发展。PLC编程简单，使用方便，现场安装调试的时间短，因此其控制理论在锅炉控制中受到了越来越多的重视。1.1 课题研究目的随着生产的发展，锅炉日益广泛
10、的应用于工业生产的各个领域，成为发展国民经济的重要热工设备之一。在现代化的建设中，能源的需求是非常大的，然而我国的能源利用率极低，所以提高锅炉的热效率，具有极为重要的实际意义。随着计算机控制技术的飞速发展和广泛应用，锅炉的控制系统和方式越来越引起人们的重视，而且对控制系统的要求越来越高，任何一种优质的锅炉如果没有相对应的控制装置，则无法完全体现锅炉的优点，控制系统的水平已经成为衡量锅炉好坏的一个至关重要的指标。工业锅炉自动控制的任务主要是维持锅炉的水位、压力等物理参数在规定的范围内，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。本课题的主要目的就是开发一套安全可靠、性能优越的锅炉的控制
11、系统，采用PLC作为整个系统的逻辑控制单元。可编程序控制器PLC是目前最常用的控制装置，其最大的特点就是可靠性高、功能强大，它的高可靠性的设计非常适合在工业现场环境下应用。它不仅能实现复杂的逻辑顺序控制，而且还能完成少量模拟量的过程控制。此外，PLC编程简单，使用方便，现场安装调试的时间短。1.2 工业锅炉的概述锅炉，主要包括“锅”和“炉”两部分16。“锅”是指锅炉中盛水或蒸汽的承压部分，吸热的部分称为锅。它的作用是吸收炉中燃料放出来的热量，把水加热到一定的温度和压力。“炉”是指锅炉中燃料燃烧的部分，产生热量的部分称为炉。它的作用是尽量地把燃料内的热能全部释放出来，传递给锅内物质。锅炉设备中，
12、例如过热器、省煤器等吸热的部分可以看成是锅；而炉膛、燃烧器、燃油泵，送、引风机可以看成是炉。1.2.1锅炉的基本构造锅炉工艺流程图见下图所示：图1-1 锅炉工艺流程图由上图可知，燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽D5。然后经过热器，形成一定汽温的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。1.2.2锅炉的基本组成工业锅炉主要由下列几部分构成：气锅: 由上下锅筒和三簇沸水管组成，水在管内受
13、管外烟气加热，在管簇内发生自然的循环流动作为连接沸水管之用并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在上锅筒里边。下锅筒同时储存水和水垢。炉子: 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。过热器: 是将气锅产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。省煤器: 是利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。空气预热器:是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气换热器。为保证锅炉的正常工作，锅炉还必须有一些辅助设备，包括以下几部分: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 :由送风机和风道组成，用它来供应燃料燃烧所需要的空气。给水设备
14、 :由给水泵和给水管路所组成。给水泵系用来克服给水管路与省煤器的阻力与省锅筒的压力，把给水送入锅筒。水处理设备:其作用为降低给水硬度和清除水中杂质，以防止在锅炉受热面上结水垢和腐蚀，从而提高锅炉经济性和安全性。燃料供给设备:包括供油管路和油枪等。锅炉生产中所需要的温度、压力、流量、液位等检测仪表及各种自动控制装置。1.2.3 锅炉的工作原理锅炉最基本的组成是气锅和炉子两部分。燃料在炉子里进行燃烧，将其化学能转化为热能，高温的燃料产物热气通过气锅受热面将热量传递给气锅内温度较低的水，水被加热进而沸腾气化，生成蒸汽，蒸汽通过蒸汽母管输送给用户。所以锅炉的工作概括起来应包括三个同时进行的过程:燃料的
15、燃烧过程，烟气向水的传热过程和水的汽化过程。1.3 锅炉自动控制的发展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。60年代，锅炉的控制还只是实行人工操作，锅炉的燃烧完全是凭司炉工人的经验，几乎谈不到自动控制。技术的发展，计算机在工业锅炉的自动测试和控制方面的技术也日趋成熟。利用微机代替常规仪表实现对工业锅炉的控制己越来越多地被生产厂家采用。锅炉采用微机控制不仅可实现锅炉运行的自动调节，锅炉运行的安全性也大为提高。同时可以大大减轻工作人员劳动强度，改善工作环境，而且可以使锅炉热效率最佳，节约燃料4%-5%。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
16、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的结合在一起，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。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足发展，目前己经很好地应用在锅炉控制系统上。工业组态软件的应用使软件功能性增强，内容丰富，具有良好的人机界面，更加方
17、便了操作人员。1.4 本文的研究方向本系统在广泛收集资料的基础上，设计工业锅炉电气系统，主要电机采用Y-起动控制，并且设计了电机过流保护，运行中当电机电流大于额定电流的1.05倍时产生过流跳闸,同时产生声光报警信号。论文中对工业锅炉电气系统主回路进行详细的计算，分析并选择电动机、断路器、交流接触器、继电器、电缆线等主要电器的功率、型号、等级等具体数据，并计算得出最佳型号。设计短路保护、电热锅炉压力自动控制系统、水位自动控制系统，当水位到达低水位时产生声光报警，危险水位整个锅炉停机。设计电源电压欠压保护及过压保护，当电源电压小于额定电压的0.75倍时，电气控制系统产生欠压保护，同时发出声光报警信
18、号；当电源电压大于额定电压的1.15倍时，电气控制系统产生过压保护，同时发出声光报警信号。整个电气控制系统采用PLC来控制。第二章 技术方案的选择2.1 方案论证2.1.1方案1采用PLC控制,经过长时间的发展和完善，PLC的编程概念4和控制思想已为广大的自动化行业人员所熟悉，可以说在目前它已成为任何其他工业控制器都无法与之相提并论的巨大知识资源。PLC主要具有逻辑运行的功能，可以代替继电器进行开关控制、具有定时控制功能、计数控制功能、步进控制功能、A/D、D/A转换功能（对模拟量控制）、数据处理功能、通信、联网功能，并配置了较强的监控功能。这些功能造就了PLC的旺盛生命力。PLC 是控制技术
19、和计算机技术11的结晶,但是对于熟悉机电控制技术的工程人员来说,在使用PLC时没有必要完全了解计算机的深层次投术问题,只需要把PLC 看作机电控制技术人员熟悉的继电器、计时器和计数器的集合即可,所以PLC 的实际使用简单方便,适应普通的机电控制技术人员。2.1.2方案2采用单片机控制。PLC适合工业场合，单片机更多的适应民用场合，因其可靠性、稳定性较PLC有一定差距，但是综合成本低，适合大批量使用，而PLC不行，PLC更多适用于较大的工程或者需要非标准设计场合。PLC是一个带有CPU、存储器、I/O、系统软件和支持系统的专用面向过程控制的计算机控制系统。单片机是一个带CPU、内存的裸计算机。P
20、LC13系统复杂，价格高，但只要编写简单的用户程序就可以直接在工业上应用。单片机功能灵活，但开发应用都要从底层做起，功能由开发者水平决定，应用也不只是在过程控制。2.1.3方案3采用继电器控制。继电器控制逻辑自20世纪20 年代问世以来,一直是机电顺序控制的主流,由于它的结构简单,使用方便,价格低廉,所以使用范围甚广。其缺点是动作速度慢,可靠性差,采用微电脑技术的PLC 的出现,使得继电器控制逻辑更加逊色。 PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。2.2方案选择通过将PLC 控制与继电器、单片机等控制进行区别比较, 可以看出,PLC 9是一
21、种更适合用于工业自动化控制的微电脑,它具有结构简单,抗干扰能力强,环境适应范围广,控制可靠性高,易于学习和掌握,控制逻辑修改容易,调试方便等优点,正好符合锅炉控制需要安全可靠、性能优越的要求，因此在本次毕设中用PLC来完成对工业锅炉电气控制系统的设计。2.3程序的设计思路PLC的编程语言有梯形图语言；助记符语言；流程图（SFC）语言。本系统设计的思路是先弄清楚锅炉的工作过程，然后按照锅炉工作要求画出整个系统的大概流程示意图，最后再使用梯形图语言编程序。系统流程3见图2-1，详细程序梯形图见附录3。图2-1 系统流程图第三章 PLC基础知识3.1 PLC的概述1987年2月国际电工委员会（IEC
22、）颁布了草案8，对可编程序控制器有了明确的概念：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。而外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”上述定义明确强调了PLC直接应用于工业环境，必须具有较强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围，使区别于一般微机控制系统的一个重要特征。3.2 PLC的组成PLC实质上是一种工业控制计算机15，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程想连接的接
23、口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故PLC与计算机的组成十分相似。从硬件结构看，它也有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口、电源等。如图3-1所示: 图3-1 PLC结构图3.3 PLC的工作过程PLC的工作过程是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。PLC的工作过程可分为三部分10：上电处理，扫描过程，出错处理。当PLC处于正常工作时，它将不断重复的扫描工作过程，如果我们对远程I/O特殊模块和其他通信
24、服务暂不考虑，这样扫描过程就只剩下了“输入采样”，“程序执行”、“输出刷新”三部分。如图3-2所示：图3-2 PLC工作过程PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活，方便的优点而设计制造和发展的，这就使得PLC具有其他控制器所无法相比的特点。3.4 FX2N-4AD模拟转换器(1)特点： 提供12位高精度分辨率 4通道电压输入（-10V+10V）或电流输入（-2020mA）。 每一通道都可以指定电压或电流输入。 FX2N最多可连接8台。 FX2N-4AD的性能指标如表3-1所示表3-1 FX2N-4AD的性能指标项 目电压输入 电流输入根据是电流输入还是电压输入，使用端子有不同模拟量输入
25、范围DC-10+10V（输入电阻200K）绝对最大电压输入VDC-2020mA（输入电阻250）绝对最大输入30mA数字输出范围带符号位12位二进制分辨率5mV(10V1/2000)20A(20mA1/1000)综合精确度 （相对于最大值）转换速度15ms（14）通道（高速转换方式为6ms（14）通道）隔离方式光电隔离及采用DC/AC转换器使输入和PLC电源间隔离模拟量用电源DC24（110%）V55mA输入输出占有点数 程序上为8点（计输入或输出点均可） 有PLC供电的消耗功率为5V 30mA(2)FX2N-4AD的缓冲寄存器（BFM）分配可编程序控制器【14】的基本单元与FX2N-4AD之
26、间的数据通信是由FROM/TO指令来执行的。FROM是基本单元从FX2N-4AD读数据的指令。TO是基本单元将数据写到FX2N-4AD的指令。实际上读写操作都是对FX2N-4AD的缓冲寄存器BFM进行的操作。缓冲区由32个16位的寄存器组成，编号为BFM#0#31，FX2N-4AD BFM分配表如表3-2所示:表3-2 FX2N-4AD BFM分配表 BFM 内 容#0 初始化通道，表示HOOO0，缺省值为HOOO0。最低位数字控制通道1，最高位控制通道4。其中，O=0时设定输入范围-10+10V；O=1时设定输入范围+4+20mA；O=2时设定输入范围-2020mA；O=3时关闭该通道#1通
27、道1 各通道平均值取样次数的指定。取样次数范围从1到4096，若设定该值范围时按缺省设定值8次处理#2通道2#3通道3#4通道4#5通道1 采样输入的平均值#6通道2#7通道3#8通道4#9通道1 采样输入的前值#10通道2#11通道3#12通道4#13#14 没使用#15 转换速度的选择：置“0”时为15ms/通道，置“1”时为6ms/通道#16#19 没使用#20置1时，设定值均回复到缺省设定值。置“0”时，设定不改变#21 增益和零点的设计值调整是否可改动：（b0,b1）置（1，0），则禁止改动。置1允许改动。零点：数字量输出为0时的输入值。增益：数字输出为+1000时的输入值。#22零
28、点和增益的调节b7b6b5b4b3b2b1b0G4O4G3O3G2O2G1O1#23零点值 需要调整的输入通道由BFM#22的G-O（增益-零点）位的状态指定。例如，若BFM#22的G1、O1位置为1，则BFM#23和24的设定值即可送入通道1的增益和零点寄存器。各通道的增益和零点既可统一调整，也可独立调整。#24增益值#25#28 没使用#29错误状态信息b15b14b13b12b11b10b9b8b7b6b5b4b3b2b1b0#30特殊功能模块的识别码，PLC可用FROM指令读入。FX2N-4AD的为K2010#31 没使用第四章 设计工业锅炉电气控制系统4.1 锅炉的电气控制系统的介绍
29、 4.1.1锅炉自动控制的任务锅炉自动控制的任务主要是维持锅炉的水位、温度、压力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地运行。(1)保持锅炉水位在规定的范围 蒸汽锅炉水位的高低，关系着汽水分离的速度和产生蒸汽的质量，对锅炉的安全运行极为重要。水位太高时，会使蒸汽大量带水，降低蒸汽品质，甚至会发生满水事故。水位偏低，会造成锅筒各部位的温度偏差，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。(2)保持汽压的稳定 锅炉汽压的变化，实际上反映了锅炉负荷的变化。当蒸汽量多
30、于外界需求时，锅炉的汽压会上升;反之，锅炉的汽压就下降。汽压偏高，会影响锅炉的安全运行，加速金属材料的蠕变。汽压偏低，说明锅炉不能满足生产需要。因此，维持汽压稳定是安全生产和正常运行的需要。4.1.2程序控制程序控制1是完成锅炉起动、停止以及正常工作等一系列操作自动化进行的过程，只有前一个条件满足，才能进行下一个动作。电热锅炉程序控制主要有以下几点:(1)检查锅炉水位、压力等看其是否正常，如果水位压力都正常，则可以进行电热预热。接下来是先打开引风机，让其在燃烧前对锅炉炉膛预吹扫，接着打开鼓风机，往锅炉里送燃烧时需要的空气。(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
31、动风门关小到设定的点火位置，点火变压器投入工作，当点火电磁阀打开后，可电热雾立即被高压电火花点燃产生点火火焰。(3)安全运行 锅炉压力对其至关重要。压力正常与否直接影响整个锅炉的效率。当锅炉压力过低时，应该增大调节阀的开度，使出油量变大；反之，当压力过高时，应减小调节阀的开度，使出油量变小，从而减小压力，以保证锅炉的正常运行。(4)停炉、熄火保护程序当水位达到危险水位时，要使整个锅炉停机同时要有声光报警信号。4.1.3锅炉保护装置工业锅炉的水位、压力、温度应不超过允许值，这是锅炉安全运行必不可少的条件。用油作燃料的锅炉，在点火、燃烧、熄火等过程中，还必须实行程序控制和熄火保护。以防止发生炉膛爆炸事故。对锅炉的控制和保护是通过对锅炉辅机的控制来实现的。因而，锅炉必须有水位、压力、温度、火焰及辅机等多方面的电气控制保护装置。本课题
