基于PLC的锅炉控制系统设计.docx
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1、黑龙江工程学院第 1 章 引言1.1 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
2、前使用燃煤锅炉由于其在燃烧 时产生大量的 CO2 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。1.2 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。1.3 预期实现的目标
3、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。2第 2 章 系统总体设计方案2.1 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,
4、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。2.2 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(
5、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。2.3 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。黑龙江工程学院(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
6、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 2.1 所示。图 2.1 燃油锅炉系统示意图2.4 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
7、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3黑龙江工程学院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
8、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。2.5 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 2.2 所示。接通点火变压器关闭点火变压器启动燃烧预热 1min后打开瓦斯阀门3s后喷油泵喷油 3s后关闭瓦斯阀门鼓风机送风异常情况消失后自动关K出现异常燃烧预热器关闭燃烧喷油泵关闭按下停止按钮鼓风机继续送风持续15s后停止启动进水阀, 关闭排水阀水位低于下限启动排水阀,关闭进水阀水位高于上限图 2.2 燃
9、油锅炉控制系统工艺流程图72.6 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 2.3 所示。图 2.3 燃油锅炉系统原理框图第 3 章 控制系统硬件设计3.1 P
10、LC 总述3.1.1 PLC 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
11、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 一般将完成部分或全部的以下操作:读输入处理通信请求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
12、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。3.1.2 PLC 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,
13、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
14、 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
15、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 PLC CPU 型号表特性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226CPU226XM程序存储区4096B4096B8192B12288B16384
16、B24576B数据存储区2048B2048B8192B10240B10240B20480B本机 I/O6 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027777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,开黑龙江工程学院关量输出点 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 3.1 所示。图 3-1 CPU224 外围接线图3.1.3 I/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AIW0
17、温度传感器 1 输入AIW2温度传感器 2 输入10AQW4给变频器信号名称启动按钮停止按钮水位上限开关水位下限开关蒸汽压力开关热继电器燃油预热器继鼓风机接触器点火变压器继瓦斯阀喷油器电磁阀进水阀出水阀代码SF1SF2地址编号I0.0BG1I0.1BG2I0.3BPI0.4BBI0.2KF1I0.5QA1Q0.0KF2Q0.1MB1Q0.2MB2Q0.3MB3Q0.4MB4Q0.5Q0.6表 3-2 输入输出信号代码和地址编号喷油器低转速 MB5Q0.7表 3.2 模拟量输入输出信号代码和地址编号表3.1.4 PLC 主机图系统所选 PLC 型号的主机图图 3.2 PLC 主机图3.1.5 扩
18、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 作为扩展模块。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 3.4 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)010V 05V 01
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