基于西门子S7-200PLC的燃气蒸汽锅炉控制系统

XXX高校本科毕业论文题目：基于S7-200PLC的燃气蒸汽锅炉限制系统院系：专业：班级：学生姓名：指导老师：论文提交日期：2014年x月x日 论文答辩日期：2014年x月x日摘要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，其限制和管理随之要求越来越高。目前，我国燃烧供热所用的锅炉的燃烧效率还相当低，而且也使得锅炉的燃烧不充分，而造成大气污染加重，所以这就迫切要求我们的锅炉技术得到提高，设计出一套热效率高、节能、环保、平安的锅炉限制系统。因此，进行锅炉过程限制系统设计具有重要的实际意义。该论文在参考文献的基础上，首先介绍了课题探讨意义，基础理论学问，其中包括PLC相关的理论以及过程限制系统的理论，描述了锅炉燃烧、水位限制系统的工作原理。然后分析了锅炉限制系统的限制任务及限制目标，设计了相应的限制系统，主要包括锅炉汽包水位限制系统、燃烧限制系统以及蒸汽温度限制系统，并且选择了满意要求的限制方案。在有了基础理论后，找限制系统中I/O点,具体分析I/O点的类型、数量等。依据I/O点，对PLC进行选型，再依据所选的PLC，对I/O点的地址进行安排。最终进行软件设计。绘制程序流程图，然后设计梯形图，最终在S7-200的编程软件上实现。关键词：锅炉;水位限制;燃烧限制;蒸汽温度限制;可编程序限制器AbstractWiththerapiddevelopmentofmodernindustry,theenergyutilizationratioofthedemandishigherandhigher,aswillaenergyintotwotimestheenergyofoneoftheimportantequipment,theboilercontrolandmanagementthendemandishigherandhigher.Atpresent,China'sburningheatingboilercombustionefficiencyusedisratherlow,butalsomaketheboilercombustionisnotfull,andcauseairpollutionisaggravating,soitisurgentrequirementofourboilertechnologyimprovements,designasetofhighthermalefficiency,energysaving,environmentalprotection,safetyofboilercontrolsystem.Therefore,intheprocesscontrolsystemdesignofboilerisimportantpracticalsignificance.Thispaperonthebasisofthereferences,firstintroducedtheresearchsignificance,thebasicknowledge,includingPLCrelatedtheoryandthetheoryofprocesscontrolsystem,describestheboilercombustion,waterlevelcontrolsystemprincipleofwork.Andthenanalyzestheboilercontrolsystemofthecontrollingtasksandcontroltarget,therelevantcontrolsystemdesign,includingtheboilerdrumwaterlevelcontrolsystem,thecombustioncontrolsystemandsteamtemperaturecontrolsystem,andselectthemeettherequirementsofcontrolplan.LookforcontrolsystemI/Opoint.AccordingtotheI/Opoints,theselectionofPLC,againaccordingtotheselectedPLC,theI/Oaddressforthedistributionofthepoints.Designthesoftware.Drawprogramflowcharts,andthendesignladderdiagrams,thelastinthes7-200programmingsoftwarerealization.Keywords:boiler;Waterlevelcontrol;Burningcontrol;Steamtemperaturecontrol;Programmablecontroller目录第一章绪论 11.1锅炉限制系统设计目的及意义 11.2锅炉限制系统的国内外发展状况 21.2.1锅炉自动限制的国内外现状 21.2.2锅炉自动限制的发展前景 31.3本文主要内容及论文结构 41.3.1论文主要内容 41.3.2论文结构 5其次章基础理论学问 62.1PLC介绍 62.1.1PLC的基本概念 62.1.2PLC的基本结构 62.1.3PLC的工作原理 72.1.4PLC的编程语言 82.1.5PLC的程序结构 92.1.6PLC在限制系统中编程的步骤 102.2过程限制系统简介 112.2.1过程限制系统的发展 112.2.2简洁限制系统 122.2.3困难限制系统 122.2.4PID限制简介 15第三章锅炉综合限制系统设计 183.1背景介绍 183.1.1工艺及装置介绍 183.1.2锅炉限制任务 203.1.3锅炉限制方案 203.2选型 233.2.1I/O点分布 233.2.2PLC选型 253.2.3I/O地址安排 263.3软件编程 283.3.1程序流程图 283.3.2梯形图 32第四章结论 36参考文献 37致谢 38第一章绪论1.1锅炉限制系统设计目的及意义目前，相当多的锅炉照旧在采纳传统方式限制，主要依靠操作员手工来完成，这样就要求锅炉操作员时刻都要在现场监控锅炉运行状况，并且要对整个锅炉系统的运行过程以及过程中各个环节的相互影响都有相当深刻的了解，能够依据现场实际状况刚好调整各个相关参数以达到工艺要求。其过程困难，而且还凸显了很多弊端。操作简洁导致平安事故，而且参数限制不够精确刚好，而导致能源和资源的奢侈严峻，另外运行维护成本也高，劳动效率低下。随着科学技术的飞速发展，带动社会生产的发展，人类对能源的需求不断增加，世界上发达国家为了解决能源惊慌而带给各行业的冲击，都努力在开发能源的同时，致力于节能新方法的探讨。锅炉是我国石油、化工、发电等工业生产过程中必不行少的设备，其产物蒸汽不但可以作为蒸馏、干燥、反应、加热等过程的热源，并且作为驱动设备的动力源。在满意工艺要求的前提下，为了提高锅炉的效率，低能源消耗，把工人从繁重的劳动中解放出来，促进文明生产，锅炉实现自动限制是一个急待解决的问题[1]。随着能源问题的突出，企业现代化管理水平的提高，还有环保意识的增加，作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其限制和管理的要求越来越高，现在的企业中的小型锅炉的限制技术不提高将难以适应生产的须要。因此，这就须要在锅炉限制技术上进行变革，须要设计一种性价比合理的、运用和维护便利的新型工业锅炉限制系统。PLC的出现，使人们摆脱了常规仪表的局限性，为锅炉的自动限制注入了新的活力，使得一些先进的限制方法得以实现。PLC是目前最常用的装置，其最大特点就是牢靠性高、功能强大，他的高牢靠性的设计特别适合在工业现场环境下应用。此外，PLC编程简洁，运用便利，现场调试时间短。为此，本课题通过PLC来对整个锅炉作业过程进行实时监控，配置限制与管理系统，实现自动限制[2]。总结国内外锅炉限制阅历，结合实际，设计出适合锅炉的限制硬件系统，并实现先进限制算法，提高锅炉的自动化水平，以及效率，合理利用资源，达到锅炉限制系统平安、节能、环保运行。这具有重要的经济效益和深远的社会效益。1.2锅炉限制系统的国内外发展状况锅炉自动限制的国内外现状锅炉的自动限制经验了三、四十年头单参数仪表限制，四、五十年头单元组合仪表、综合参数仪表限制，直到六十年头兴起的计算机过程限制几个阶段。尤其是近一、二十年来，随着先进限制理论和计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不断增加，价格的大幅度下降，使锅炉应用计算机限制很快得到了普及和应用。在欧美和日本等发达国家，石油和自然气己成为第一能源，占能源消费的60%左右，燃油和燃气锅炉己逐步取代燃煤锅炉，风机和水泵等电机的变频限制己相当成熟。自20世纪90年头以来，随着超大型可编程限制器的出现和模糊限制、自适应限制等智能限制算法的发展以及智能限制器的应用，锅炉限制水平大大提高，锅炉的限制己基本实现了计算机自动限制，在限制方法上都采纳了现代限制理论中最优限制、多变量频域、模糊限制等方法，因此，锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳，而且削减了对环境的污染。在我国，锅炉的限制大致经验了四个阶段[3]：(1)手动阶段在六十年头以前，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的自动化观念还比较淡薄，这段时期的锅炉一般采纳纯手动的限制方式，即操作工人通过阅历确定送风、给水、引风、给煤的多少，通过手动操作器等方式来达到限制锅炉的目的。这样就要求司炉人员必需有丰富的阅历，增加了工人的劳动强度，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效率运行。(2)自动化单元组合仪表限制阶段随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经开发并广泛应用了全自动工业锅炉限制技术。60年头前期，我国工业锅炉的限制技术起先发展，60年头后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的限制技术，70年头后期己经研制了一些工业锅炉自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉限制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。但是，由于采纳单元组合仪表靠硬件来实现限制功能，牢靠性低，精度不高，而且只能完成一些简洁的限制算法，不能实现一些较先进的算法和限制技术，限制效果仍旧不志向。(3)采纳微机测控阶段随着电子技术的发展，高集成度、高牢靠性、价格低廉的微型计算机、单片机、工业专用限制计算机的出现以及在我国的广泛应用，为锅炉限制领域开拓了一片广袤的天地。运用计算机技术，开发出高效率、高牢靠性、全自动的微机工业测控系统日益得到重视。80年头后期至今，国内己经接连出现了各种各样的锅炉微机检测系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。(4)智能限制的广泛应用阶段由于现代限制理论的发展以及在各方面的应用，解决了传统限制理论难以解决的问题，给工业过程限制带来了崭新的应用前景，并取得了前所未有的效果，成为目前正在快速发展的一个领域。各种形式的限制系统、智能限制器不断地开发和利用。锅炉自动限制的发展前景现代过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋困难，对生态环境的影响也日益突出，这些都对限制提出了越来越高的要求。不仅如此，生产的平安性和牢靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动限制水平的重要指标。因此，仅用常规仪表己不能满意现代化企业的限制要求。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程敏捷以及有很强的通信实力等特点，已在过程限制中得到特别广泛的应用。锅炉作为一种典型的生产过程，其自动限制水平已随着过程计算机系统的发展而发展。从当前的趋势看，在大型企业中，过程限制计算机正成为一种把限制和管理融为一体的综合自动化系统。自动化技术，信息技术和各种工业生产技术的基础上，通过计算机系统将工厂全部生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统有机的集成起来，形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成当前限制领域的一个重要探讨方向。在限制技术方面，近年来，为了获得更好的限制性能，把基于数学模型的限制技术和基于阅历学问的限制技术相结合的集成限制技术受到了重视，获得了较广泛的探讨[4]。由于锅炉生产过程是缓慢的，而计算机的运算过程是相当快的，所以计算机在完成系统限制功能的基础上还可以利用软件来代替很多仪表单元（如函数发生器、加减器、微分器、限幅报警器、滤波器等），从而既削减投资又削减故障率。计算机限制还可以把很多必要的参数（如压力，流量、温度等）定时打印出来，使管理更现代化、科学化。计算机参加锅炉的限制还能够对运行系统进行各种在线测试，使锅炉以较高的效率进行，这样能节约能源，也为提高限制精度和完善锅炉结构指出了改进的方向。假如计算机发展到智能计算机系统，也就是接近人的计算机系统。这种计算机假如应用到工业锅炉生产上，那么锅炉生产的管理睬更完善，能源的利用会更加合理，更加充分。到那时，工业锅炉的限制将会出现更新的局面。计算机在工业锅炉上的应用是很有发展前途的。因此，锅炉的自动限制当前正朝着多学科结合的计算机技术的应用，管理限制一体化的趋势发展。1.3本文主要内容及论文结构论文主要内容论文首先介绍了工业锅炉的组成及工作过程，对整个生产工艺进行了概述。锅炉设备是一个困难的限制对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、送风和引风等。主要输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。这些输入变量与输出变量之间相互关联，构成了锅炉主要的限制系统。1.锅炉汽包水位限制系统。采纳三冲量限制系统，即蒸汽流量、给水流量、汽包水位三个冲量作为输入量，给水调整阀作为限制变量，来限制汽包水位。2.锅炉燃烧限制系统。在燃烧限制系统的三个子系统中，通常通过调整燃料量维持蒸汽压力的恒定，调整送风量以保证燃烧的经济性，调整引风量维持炉膛负压的稳定。在设计完限制方案的基础上，本系统采纳PLC限制，对PLC进行硬、软件的设计。最终对系统实现自动限制。1.3.2论文结构论文的第一章，主要介绍了课题的探讨目的及意义，对锅炉综合限制系统的国内外发展状况进行了介绍。论文的其次章，主要介绍了本设计涉及到的一些基础学问及理论，包括可编程限制器以及过程限制等的一些学问。论文的第三章，首先介绍了锅炉的工艺流程及装置，对整个工艺进行了说明，其次介绍了主要的限制系统及限制方案，在此基础上进行硬件选型，最终依据前面的工作，进行软件设计。论文的第四章，结论，即对整个设计总结，包括优缺点，以及展望等。其次章基础理论学问2.1PLC介绍2.1.1PLC的基本概念可编程逻辑限制器(ProgrammableLogicController)简称PLC，它是采纳可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、依次限制、定时、计数和计算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，限制各种类型的机械或生产过程。是工业限制的核心部分[5]。早期的可编程限制器主要用来代替继电器实现逻辑限制，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化限制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。现在的PLC己不只是开关量限制，其功能远远超出了依次限制、逻辑限制的范围，具备了模拟量限制、过程限制以及远程通信等强大功能。总之，可编程限制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动实力。但可编程限制器产品不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需依据实际须要进行选用配置，其软件需依据限制要求进行设计编制。2.1.2PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业限制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为[6]：a、电源PLC的电源在整个系统中起着特别重要的作用。假如没有一个良好的、牢靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也特别重视。一般沟通电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不实行其它措施而将PLC干脆连接到沟通电网上去。b、中心处理单元(CPU)中心处理单元(CPU)是PLC的限制中枢。它依据PLC系统程序赐予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过吩咐说明后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等全部的用户程序执行完毕之后，最终将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。c、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。d、输入输出接口电路一是现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路组成，作用PLC与现场限制的接口界面的输入通道。二是现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断恳求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的限制信号。e、功能模块如计数、定位等功能模块。f、通信模块如以太网、RS485等通讯模块2.1.3PLC的工作原理PLC的工作原理可用一句话概括，即扫描的工作模式。有周期性、批处理的特点。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以肯定的扫描速度重复执行上述三个阶段。(1)输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入全部输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变更，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会变更。因此，假如输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必需大于一个扫描周期，才能保证在任何状况下，该输入均能被读入。(2)用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的依次依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的限制线路，并按先左后右、先上后下的依次对由触点构成的限制线路进行逻辑运算，然后依据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。(3)输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU依据I/O映象区内对应的状态和数据刷新全部的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。一般来说，PLC的扫描周期还包括自诊断、通信等，即一个扫描周期等于自诊断、通信、输入采样、用户程序执行、输出刷新等全部时间总和。2.1.4PLC的编程语言以西门子PLC的编程语言为例，说明一下，各种编程语言的异同。(1)依次功能图这是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编程依次限制的程序（如：机械手限制程序）。编写时，工艺过程被划分为若干个依次出现的步，每步中包括限制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来限制，特殊适合于生产制造过程。(2)梯形图这是运用最多的PLC编程语言。因与继电器电路很相像，具有直观易懂的特点，很简洁被熟识继电器限制的电气人员所驾驭，特殊适合于数字量逻辑限制。梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令构成。触点代表逻辑输入条件，线圈代表逻辑运算结果，常用来限制指示灯，开关和内部的标记位等。指令框用来表示定时器、计数器或数学运算等附加指令。(3)语句表是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。语句表适合于阅历丰富的程序员运用，可以实现某些梯形图不能实现的功能。(4)功能块图功能块图运用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示限制逻辑，一些困难的功能用指令框表示，适合于有数字电路基础的编程人员运用。功能块图用类似于与门、或门的框图来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框用“导线”连在一起，信号自左向右。(5)结构文本结构化文本（ST）是为IEC61131－3标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它实现困难的数学运算，编写的程序特别简洁和紧凑。2.1.5PLC的程序结构西门子的CPU的限制程序由主程序、子程序和中断程序组成。(1)主程序主程序是程序的主体，每个项目都必需并且只能有一个主程序。在主程序中可以调用子程序和中断程序。主程序通过指令限制整个应用程序的执行，每个扫描周期都要执行一次主程序。(2)子程序子程序是可选的，仅在被其他程序调用时执行。同一个子程序可以在不同的地方被多次调用。运用子程序可以简化程序代码和削减扫描时间。设计的好的子程序简洁移植到别的项目中去。(3)中断程序中断程序用来刚好处理与用户程序的执行时序无关的操作，或者不能事先预料何时发生的中断事务。因为不能预知何时会出现中断事务，所以不允许中断程序改写可能在其他程序中运用的存储器。2.1.6PLC在限制系统中编程的步骤(1)细致阅读产品说明书[7]第一步看起来很简洁，因此会被很多设备工程师认为是奢侈时间而忽视。细致阅读说明书，首先要阅读平安守则，知道哪些机构可能会对人造成损害，哪些机构最简洁发生撞击，当发生危急时如何解决。这是很重要的一步。(2)编程软件中进行硬件配置，找出I/O点。在编程前，首先要找到须要限制的I/O点，对其进行具体分析，编程依据实际PLC的类型建立硬件配置以及相应的通讯配置，将I/O地址进行安排。(3)编写程序流程图在进行PLC软件编程之前，肯定要先写出程序的流程图。一个完整的程序，应当包括主程序、停止程序、急停程序、复位程序等部分，假如软件允许，应当将各个程序按“块”的形式编写，即一个程序是一个块，最终将每个块按需求来调用即可。(4)软件中编写程序确保流程没有问题后，便可以在软件中编写程序了。编写程序时依据程序流程图来编写。(5)调试程序 一般调试程序，可以分成两个方面：a、假如条件允许，可以先用软件的仿真功能做测试。b、传到PLC中进行在线的调试。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化消遣等各个行业。过程限制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环限制。作为工业限制计算机，PLC能编制各种各样的限制算法程序，完成闭环限制。PID调整是一般闭环限制系统中用得较多的调整方法。大中型PLC都有PID模块，目前很多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。此外，PLC牢靠性高、功能强大，他的高牢靠性的设计特别适合在工业现场环境下应用。由此可看出，PLC在工业限制中已经起到了特别重要的作用。2.2过程限制系统简介过程限制系统的发展随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越困难，为满意优质、高产、低消耗，以及平安生产、爱护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程限制的任务也愈来愈繁重。过程限制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年头，过程限制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年头，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程限制已起先过渡到集中监视、操作和限制。70年头，出现了过程限制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机限制系统。80年头，过程限制系统起先与过程信息系统相结合，具有更多的功能。在现代工业限制中，过程限制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年头就已有应用。过程限制技术发展至今日,在限制方式上经验了从人工限制到自动限制两个发展时期。在自动限制时期内，过程限制系统又经验了三个发展阶段,它们是:分散限制阶段,集中限制阶段和集散限制阶段。几十年来，工业过程限制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构困难的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中,过程限制技术对于提高产品质量以及节约能源等均起着特别重要的作用。目前，过程限制正朝高级阶段发展，不论是从过程限制的历史和现状看，还是从过程限制发展的必要性、可能性来看，过程限制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能限制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、安排、调度、管理和限制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化[8]。工业生产过程限制是现代工业自动化的一个重要领域。它是限制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表等学问相结合的一门综合性应用学科，理论性、综合性和实践性都很强。简洁限制系统简洁限制系统指的是单输入-单输出的线性限制系统，是限制系统的基本形式。其特点是结构简洁，而且具有相当广泛的适应性。在计算机限制已占主流的今日，即使在高水平的自动限制设计中，简洁限制系统仍占限制回路的绝大多数。力求简洁、牢靠、经济与保证限制效果是限制系统设计的基本准则。简洁限制系统由检测变送单元、限制器、执行器和被控对象组成。检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。限制器用于将检测变送单元的输出信号与设定值信号进行比较，按肯定的限制规律对其偏差进行运算，运算结果输出到执行器。执行器是限制系统回路中的最终元件，干脆用于限制操作变量变更。被控对象是须要限制的设备。设定值被控变量设定值被控变量限制器执行器限制器执行器被控对象测量变送－图2.1单回路限制系统方框图困难限制系统随着生产的发展、工艺的革新必定导致对操作条件的要求更加严格，变量间的相关关系更加困难，为适应生产发展的须要，产生了困难限制系统。在特定条件下，采纳困难限制系统对提高限制品质，扩大自动化应用范围起着关键性作用。在单回路限制系统的基础上，再增加计算环节、限制环节或者其他环节的限制系统称为困难限制系统。常用的困难限制系统有串级限制系统、比值限制系统、匀称限制系统、分程限制系统、选择限制系统、前馈限制系统等等。以下介绍前馈限制系统、串级限制系统、比值限制系统，具体介绍如下所示[9]。(1)前馈限制系统前馈限制的基本原理就是测量进入过程的干扰量（包括外界干扰和设定值变更），并依据干扰的测量产生合适的限制作用来变更限制量，使被控变量维持在设定值上。它是当扰动产生以后，被控变量还未变更以前，依据扰动作用的大小进行限制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。主要是针对易测的干扰，目的是在干扰还未影响被控变量之前就把干扰歼灭。图2.2前馈限制系统方框图其中，是干扰对被控变量的传递函数；是操作变量对被控变量的传递函数；是前馈限制器的传递函数。﹦﹣／前馈限制系统的主要特点有：a、前馈限制是基于不变性原理工作的，比反馈限制刚好、有效；b、前馈限制是属于“开环”限制系统；c、前馈限制运用的是“专用”限制器，又称前馈补偿装置；d、一种前馈作用只能克服一种干扰。前馈限制主要用于下列场合：a、干扰幅值大而频繁，对被控变量影响猛烈，单纯反馈限制达不到要求时；b、主要干扰是可测不行控的变量；c、对象的限制通道滞后大，反馈限制不刚好，限制质量差时，可采纳前馈-反限制系统，以提高限制质量。(2)串级限制系统采纳不只一个限制器，且限制器间相互串接，一个限制器的输出作为另一个限制器的设定值的系统，称为串级限制系统。前一个调整器称为主调整器，它所检测和限制的变量称主变量（主被控参数）；后一个调整器称为副调整器，它所检测和限制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的协助变量。整个系统包括两个限制回路，主回路和副回路。副回路由检测变送、副调整器、调整阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调整器、副调整器、调整阀、副过程和主过程构成。串级限制系统的工作过程：当扰动发生时，破坏了稳定状态，调整器进行工作。依据扰动施加点的位置不同，分状况进行分析：a、扰动作用于副回路；b、扰动作用于主回路；c、扰动同时作用于副回路和主回路。分析可以看到，在串级限制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调整器具有“粗调”的作用，主调整器具有“细调”的作用，从而使其限制品质得到进一步提高。y－y－－图2.3串级限制系统方框图串级限制系统的工业应用：a、用于克服被控过程较大的容量滞后；b、用于克服被控过程的纯滞后；c、用于抑制变更猛烈幅度大的扰动；d、用于克服被控过程的非线性。串级限制系统特点：a、从在系统结构来看，串级限制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个限制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。b、在串级限制中有主、副两个变量。c、串级限制系统由于副回路的引入，改善了对象特性，使限制过程加快，提高限制质量。d、串级限制系统由于增加了副回路，因此具有肯定的自适应实力，可用于负荷和操作条件有较大变更的场合。(3)比值限制系统在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常须要两种或两种以上的物料保持肯定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。实现两个或两个以上参数符合肯定比例关系的限制系统，称为比值限制系统。a、主物料，也称主动量：处于主导地位的物料，在要保持肯定比例关系的物料中，起着主导作用。一般是较珍贵、稀有、用量少的定为主物料。b.从物料，也称从动量：按主物料进行配比，随主物料的变更而成比例地变更的物料。一般把易控、便宜、用量较多的定为从物料。比值限制系统可分为：开环比值限制系统，单闭环比值限制系统，双闭环比值限制系统，变比值限制系统，串级和比值限制组合的系统等。其中，单闭环比值限制系统使两种物料的比值较为精确，实施较便利，所以得到了广泛的应用。以下以单闭环比值限制系统为例，介绍比值限制系统。――――－检测变送2检测变送1限制器执行器流量对象比值器图2.4单闭环比值限制系统方框图单闭环比值限制系统的四种工作状况[10]：a、当在系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。b、当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变更时，可通过副流量的闭合回路调整副物料流量使之复原到原设定值，保证比值肯定。c、当主物料流量受到扰动，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成比例变更，依据给定值的变更，发出限制吩咐，以变更调整阀的开度，使副流量跟随主流量变更，从而保证原设定的比值不变。d、当主、副物料流量同时受到扰动变更时，调整器在调整副物料流量使之维持原设定值的同时，系统又依据主流量产生新的给定值，变更调整阀的开度，使主、副物料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。PID限制简介当今的自动限制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关切的变量，与期望值相比较，用这个误差订正调整限制系统的响应。在工程实际中，应用最广的调整器限制规律为比例、积分、微分限制，简称PID限制，又称PID调整。PID限制器以其结构简洁、稳定性好、工作牢靠、调整便利而成为工业限制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全驾驭，或得不到精确的数学模型时，限制理论的其它技术难以采纳时，系统限制器的结构和参数必需依靠阅历和现场调试来确定，这时应用PID限制技术最为便利。PID限制，实际中也有PI和PD限制。PID限制器就是依据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出限制量进行限制。(1)PID限制原理PID限制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其限制规律为[11]＝[++]式中：为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数a、比例（P）限制比例限制是一种最简洁的限制方式。其限制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例限制时系统输出存在稳态误差。不过对于那些允许余差存在，限制要求不高的场合，这时可以采纳纯比例限制。b、积分（I）限制在积分限制中，限制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。在比例限制中存在误差，为了消退误差，限制器中必需引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动限制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，可消退余差。但积分作用也有缺点，即积分饱和，因此运用积分时要考虑。c、微分（D）限制在微分限制中，限制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变更率）成正比关系。自动限制系统在克服误差的调整过程中可能会出现振荡甚至失稳。其缘由是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变更总是落后于误差的变更。解决的方法是使抑制误差的作用的变更“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应当是零。这就是说，在限制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前须要增加的是“微分项”，它能预料误差变更的趋势，所以对有较大惯性或滞后的被控对象，要加“微分项”，这样能改善系统在调整过程中的动态特性。(2)PID限制的参数整定PID限制器的参数整定是限制系统设计的核心内容。它是依据被控过程的特性确定PID限制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID限制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定限制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以干脆用，还必需通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依靠工程阅历，干脆在限制系统的试验中进行，且方法简洁、易于驾驭，在工程实际中被广泛采纳。PID限制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。两种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后依据工程阅历公式对限制器参数进行整定。但无论采纳哪一种方法所得到的限制器参数，都须要在实际运行中进行最终调整与完善。现在一般采纳的是临界比例法。利用该方法进行PID限制器参数的整定步骤如下：a、首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；b、仅加入比例限制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，登记这时的比例放大系数和临界振荡周期；c、在肯定的限制度下通过公式计算得到PID限制器的参数[12]。PID参数的预置是相辅相成的,运行现场应依据实际状况进行具体分析，使其参数间相互协调，经过反复的调试、修改，从而找到最适合限制系统的数值。第三章锅炉综合限制系统设计3.1背景介绍工艺及装置介绍图3.1工艺设备图一般的锅炉结构主要由以下几部分组成[13]：(1)汽锅:由上下锅筒和沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而在管簇内发生自然循环流淌，并渐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在锅筒里面。为了得到干度比较大的饱和蒸汽，在上锅筒中还装有汽水分别设备，下锅筒作为连接沸水管之用，同时储存水和水垢。(2)炉膛:是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。燃料由传送设备干脆送入炉内燃烧。所需的空气由鼓风机送入，燃烧后产生的高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水以后，由烟囱排到大气中。(3)引风设备:包括引风机、烟囱、烟道几部分，将锅炉中的烟气连续排出。(4)送风设备:由送风机和风道组成，供应燃料燃烧所须要的空气。(5)给水设备:由给水泵和给水管组成。给水泵用来克服给水管路的流淌阻力和锅炉的压力，把水送入锅筒。(6)水处理设备:用来清除水中杂质和降低给水硬度，防止锅炉受热面上结水垢或腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和平安性。(7)燃料供应设备:燃气阀、燃烧机等设备组成，保证锅炉所需燃料的供应。图3.2锅炉工作流程示意图由上面的锅炉工作流程示意图可以看出，燃料和热空气按肯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。锅炉限制任务燃煤蒸汽锅炉的生产任务是依据负荷设备的要求，生产具有肯定参数（压力及温度）的蒸汽，为了满意负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的平安性和经济性，工业锅炉限制主要有下列自动调整任务[15]：(1)保持汽包水位在设定范围，汽包水位是锅炉正常运行的主要标，关系着汽水分别的速度和生产蒸汽的质量，也是确保平安生产的重要参数。对于汽包水位的调整，调整参数可以选用给水阀的开度。(2)维持蒸汽压力在预定值，蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽锅炉的重要工艺参数。限制蒸汽压力，是平安生产的须要，也是保证燃烧经济性的须要。(3)维持锅炉燃烧的经济性，必需使空气和燃料维持适当的比例，使锅炉燃烧过程工作在最佳工况下，使锅炉热效率最高，达到节能降耗的目的。(4)维持炉膛负压在肯定范围内，炉膛负压的变更，反映了引风量与送风量的不相适应。要使蒸汽压力、炉膛负压和燃烧经济性指标保持在允许范围内。锅炉限制方案为了实现上述调整任务，将锅炉设备限制划为若干限制系统。主要限制系统如下[16]：a、锅炉汽包水位限制系统，被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在工艺允许的范围内。b、锅炉燃烧限制系统，有三个被控量，蒸汽压力、烟气成分和炉膛负压。其限制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的须要；使燃料与空气量之间保持肯定的比值，以保证经济燃烧，提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持锅炉负压在肯定的范围内。操纵变量也有三个，即燃料量、送风量、和引风量。(1)锅炉汽包液位限制汽包液位是锅炉运行的主要指标，是一个特别重要的被控变量，维持汽包液位在肯定的范围内是保证锅炉平安运行的首要条件[17]。a.假如液位过低，则由于汽包内水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又很快，因而汽包内的水量变更速度很快，假如不刚好限制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸。b.液位过高会影响汽包的汽水分别，产生蒸汽带液的现象，会使管壁结垢导致破坏，影响运行的平安和经济性。在汽包液位限制中有单冲量、双冲量和三冲量限制方案，由于单冲量限制系统不能克服假水位带来的限制问题，双冲量限制系统还有不能做到静态补偿以及不能对给水系统干扰刚好克服两个的弱点。因此在实际应用中汽包液位限制系统都采纳三冲量限制系统。即蒸汽流量、给水流量、汽包液位三个冲量作为输入量，给水调整阀作为限制变量，来限制汽包液位[18]。R∑－－DHWR∑－－DHW(2)锅炉燃烧限制系统锅炉燃烧限制系统的基本任务是保证锅炉经济、平安运行的同时使燃料燃烧所产生的热量适应水温负荷的需求。在燃烧限制系统的三个子系统中，通常通过调整燃料量维持蒸汽压力的恒定，调整送风量以保证燃烧的经济性，调整引风量维持炉膛负压的稳定。本系统由蒸汽压力限制自然气的阀门开度，燃料量对锅炉系统负荷变更较大，本系统在汽包压力限制回路中引入蒸汽流量作为前馈信号。为保证燃料充分燃烧，送风量应当与燃料量作协调变更。汽包压力调整器的输出信号作为前馈信号被引至送风副调整器。送风调整采纳串级限制方式，其主调整信号为送风压力，副调整器信号是燃料量，调整器的输出通过限制变频器达到调整电机转速的目的。锅炉引风限制的限制目标是保证炉膛压力稳定，为了使引风机能快速跟随送风量的变更，将送风调整器的输出信号引入引风调整器，作为前馈信号[19]。送风机引风机炉排电机送风机引风机炉排电机差压变送器差压变送器差压变送器压力变送器主调整器调整器副调整器调整器变频器液位变送器变频器变频器汽包液位炉膛负压送风压力蒸汽流量图3.4锅炉燃烧限制系统框图3.2选型I/O点分布(1)锅炉给水：本系统有两台给水泵，其中一台正常运用，另一台备用。表3.1给水I/O点分布序号限制内容数量I/O类型备注1给水流量1AI涡街流量计2汽包液位1AI液位变送器3给水泵运行2DO泵4给水泵运行故障2DI热继电器5给水泵启动2DI按钮6给水泵停止2DI按钮7汽包高水位上限Ⅱ1HMI设定值8汽包高水位上限Ⅰ1HMI设定值9汽包低水位下限Ⅱ1HMI设定值10汽包低水位下限Ⅰ1HMI设定值11给水流量调整1AO电动调整阀(2)燃烧限制：本锅炉由燃烧限制系统进行燃气的压力、流量检测、平安爱护、点火限制、负荷调整等。表3.2燃烧I/O点分布序号限制内容数量I/O类型备注1燃烧机限制1DO程控器2燃烧机故障1DI程控器3燃气压力低1DI压力开关4燃气压力高1DI压力开关5燃气泄露1DI检漏仪6燃烧机运行1DI程控程7负荷增大1DO伺服电机8负荷减小1DO伺服电机9燃气压力1AI压力变送器10燃气流量1AI流量计(3)送风和引风：引风机和送风机均为沟通电机，并且引风机和送风机要求速度可以调整，所以要加入变频限制。表3.3送风引风I/O点分布序号限制内容数量I/O类型备注1送风压力1AI压力变送器2送风机启动1DI按钮3送风机停止1DI按钮4送风机运行1DO电机5送风机运行故障1DI热继电器6送风调整1AO变频器7引风机启动1DI按钮8引风机停止1DI按钮9引风机运行1DO电机10引风机运行故障1DI热继电器11引风调整1AO变频器(4)炉膛：表3.4炉膛I/O点分布序号限制内容数量I/O类型备注1炉膛温度1AI热电偶2炉膛负压1AI差压变送器(5)蒸汽：表3.5蒸汽I/O点分布序号限制内容数量I/O类型备注1蒸汽温度1AI热电偶2蒸汽压力1AI压力变送器3蒸汽流量1AI涡街流量计4压力爱护1DI压力限制器PLC选型依据以上的I/O点分布，总结出，系统有18个数字量输入（DI），7个数字量输出（DO），10个模拟量输入（AI），3个模拟量输出（AO）。依据各种I/O点的数量以及类型，选择西门子公司的S7-200。具体模块选择如下：(1)中心处理器CPU224订货号：6ES7214-1AD23-0XB0本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID限制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯实力。I/O端子排可很简洁地整体拆卸，是具有较强限制实力的限制器。(2)1个数字量输入模块EM221订货号：6ES7221-1BF22-0XA0本系统有18个数字量输入，由于CPU224自带14输入/10输出的数字量，因此还须要其他的数字量输入模块，EM221CN具有8路的数字量DC输入，所以选择EM221来进行扩展，从而满意要求。(3)1个模拟量输入模块EM231订货号：6ES7231-7PD22-0XA0本系统有2个温度须要用热电偶来测量，所以选择EM231热电偶模块，EM231热电偶模块供应一个便利的、隔离的接口，用于七种热电偶类型：J，K，E，N，S，T，和R型。EM231热电偶模块具有4路的模拟量输入，因此用一个输入模块EM231即可满意要求。(4)1个模拟量输入模块EM231订货号：6ES7231-0HF22-0XA0本系统有10个模拟量输入模块，其中有2个热电偶输入，用EM231热电偶模块来输入，还有8个模拟量输入，还须要扩展其他的模拟量输入模块。6ES76ES7231-0HF22-0XA0的EM231模拟量输入模块具有8路的模拟量输入。在本系统中一共用了2个模拟量输入模块来达到系统要求。(5)1个模拟量输出模块EM232订货号：6ES7232-0HD22-0XA0本系统有3个模拟量输出，6ES7232-0HD22-0XA0的模拟量输出模块EM232具有4路的模拟量输出，输出的信号可以是电压也可以使电流信号，其输入与PLC具有隔离。中心处理器CPU224可以扩展7个模块，在本系统中扩展了4个模块，既符合了处理器的的要求，也达到了系统的要求。I/O地址安排以上已经把系统限制所需的I/O点排列出来，并且具体的把I/O的类型、限制内容、数量等进行了具体的说明。另外，依据排列的I/O点，对PLC进行了选型，对系统所需扩展的模块也进行了选择。前面所做的工作都是为了后面的软件编程，而在编程前还须要完成I/O地址的安排。只有将I/O的地址安排好，才能编好程序。具体I/O地址安排如下：(1)中心处理器CPU224模块（14DI/10DO）表3.6CPU模块I/O地址安排I/O点参数名称I/O点参数名称I0.01＃给水泵启动Q0.01＃给水泵运行I0.11＃给水泵停止Q0.12＃给水泵运行I0.21＃给水泵运行故障Q0.2燃烧机限制I0.32＃给水泵启动Q0.3负荷增大I0.42＃给水泵停止Q0.4负荷减小I0.52＃给水泵运行故障Q0.5送风机运行I0.6燃气压力高Q0.6引风机运行I0.7燃气压力低I1.0燃气泄露I1.1燃烧机故障I1.2燃烧机运行I1.3送风机启动I1.4送风机停止I1.5送风机故障(2)数字量输入模块EM221(8路DI)表3.7EM221（8路）模块I/O地址安排I/O点参数名称I2.0引风机启动I2.1引风机停止I2.2引风机运行故障I2.3压力爱护(3)模拟量输入模块EM231（4路AI）表3.8EM231（4路）模块I/O地址安排I/O点参数名称AIWO炉膛温度AIW2蒸汽温度(4)模拟量输入模块EM231(8路AI)表3.10EM231(8路)模块I/O地址安排I/O点参数名称AIW8给水流量AIW10汽包液位AIW12燃气压力AIW14燃气流量AIW16送风压力AIW18炉膛负压AIW20蒸汽压力AIW22蒸汽流量(5)模拟量输出模块EM232（4路AO）表3.11EM232（4路）模块I/O地址安排I/O点参数名称AQW0电动调整阀AQW2送风机调整AQW4引风机调整3.3软件编程在软件编程前，已经熟识了整个工艺过程，并且找出了主要的限制系统以及须要限制的I/O点，对PLC以及须要扩展的模块做了选型，依据模块对I/O的地址进行了安排。要进行软件编程，在完成了前面的工作，还须要画出程序流程图，最终才能进行编程。程序流程图在本系统中主要有2个限制系统：汽包液位限制系统，燃烧限制系统。其中燃烧限制系统分为3个子系统。依据限制方案，本系统一共画了4个程序流程图。具体程序流程图如下：(1)汽包液位限制汽包液位限制主要是限制液位在工艺允许的范围内。当水位超过上限Ⅱ、下限Ⅱ时，使给水泵停止；当水位低于下限Ⅰ时，打开进水阀，向其内注水；当水位高于上限Ⅰ时，打开出水阀