基于PLC的锅炉控制系统设计

黑龙江工程学院黑龙江工程学院PAGE1PAGE1第1章引 言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。25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PLCPLC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PLC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：保证锅炉的正常燃烧。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。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成蒸汽。（子火燃烧，瓦斯阀打开（母火燃烧送风、喷油，使燃烧持续。燃油锅炉系统控制要求由PLC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。燃油锅炉控制要求1min3S3S后，点火变压器和瓦斯阀门同时关闭。黑龙江工程学院黑龙江工程学院PAGEPAGE315S送风停止。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L关闭，当水位高于上限时，排水阀打开，进水阀关闭。2.1所示。图2.1燃油锅炉系统示意图燃油锅炉控制系统制系统主要包括燃烧器控制、锅炉水位控制等。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。黑龙江工程学院黑龙江工程学院PAGE4PAGE4继续送风一段时间后送风停止。水位高低控制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。接通点火接通点火变压器关闭点火变压器启动燃烧预热1min后打开3s后喷油泵喷油3s后关闭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闭按钮鼓风机继续送风持续15s后停止关闭排水阀下限启动排水阀，关闭进水阀上限图2.2燃油锅炉控制系统工艺流程图确定燃油锅炉的设计方案PLCPLC实现自动调节，维持它们在规定的范围内。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PLC总述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CPU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。PLCPLC的动作是否正常，如检查出异常时，CPULED及异常继电器会接通，在特STOP扫描便停止。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。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PLCPLC的工作原理。PLC系统选型PLCS7-200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S7-200成为各种中小型性能要求控制任务的首选。S7-200CPUI/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，S7-200PLC还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优PLC的核心，它按PLC中系统程PLC有条不紊的进行工作。CPU主要由运算器、控制器、寄存器CPUPLCCPUI/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PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLCPLCI/OPLC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,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3-1 S7-200系列PLCCPU型号表特性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226CPU226XM程序存储区 4096B4096B8192B12288B16384B24576B数据存储区 2048B2048B8192B10240B10240B20480B本机I/O 6入4出86出14入10出14入10出24入16出2416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，开黑龙江工程学院黑龙江工程学院PAGEPAGE10关量输出点7CPU227CPU224的外围接线图如图3.1所示。图3-1CPU224外围接线图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。序号序号功能信号AIW01输入AIW22输入AQW4AQW4给变频器信号名称名称热继电器瓦斯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表喷油器低转速MB5Q0.7PLC主机图系统所选PLC型号的主机图图3.2PLC主机图扩展模块选型系统采用西门子系统采用西门子S7-200模拟量编程。EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实41EM235模块。数字量输入/CPUI/O提供更多的数字量输入/输出，数字量输入/S7-200S7-200的内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平。3.4EM235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）0～10V0～5V0～1V0～500mV0～100mV0～50mV黑龙江工程学院黑龙江工程学院PAGE11PAGE11数据字格式数据字格式分辨率模拟量输出特性模拟量输出点数信号范围（双极性±10V±5V±2.5V±1V ±500mV ±250mV±100mV±50mV ±25mV电流0～20mA双极性全量程范围-32000～+32000单极性全量程范围0～3200012位A/D转换器数据字格式1电压输出±10V电压-32000～+32000电流0～32000分辨率电流12位11位电机及驱动控制选型电机及喷油泵的选型SZS20-1.25-Y锅炉的型号，进行油泵的选型。所选用的鼓风机为Y90L-4-1.5KW风机。转速为1400r/min，风量为（5012-12230）m3/h1.5KW。Y90L-4。变频器选型干扰外界其他设备，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。1020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MM440MM440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-200KW250KW，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。电机主线路MA1驱动鼓风机工作、MA2QA1QA2MA1MA2QA20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著的特点，就是它具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3.5所示为电机控制系统主电路。黑龙江工程学院黑龙江工程学院PAGEPAGE133.3电机主接线图检测元件选型KWZP-230，测温范围-200～500DC24V0～60WZP-230500DC24V0～60℃。pt100PT100PT1000℃100100℃138.5PT1000100低压电器选型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JZ7JZ7-62220V黑龙江工程学院黑龙江工程学院PAGE14PAGE14工作电流,5A。断路器选型以用于不频繁地启动电动机。DZ473P16A，额定工作电压16A。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3.5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-4380V，1.5kw，11400r/min，3.7AMA2三相异步电动机Y90L-4380V，1.5kw，11400r/min，3.7AFA熔断器RL1-15380V，16A6B1温度传感器WZP-230-200~500℃2QA0低压断路器DZ473P16A380V，16A2BB热继电器LR2-D1312C5.5—8A1系统电源设计可编程序控制器一般使用市电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S7-200PLC的供电电源，采用一个独立的开关，它能够CPU供电线路中的电流。S7-200CPU24V5VCPU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S7-200CPU与扩展模块连接时，CPU5V直5VCPU5V直流电源的容量，则必须减少扩展模块的数量。第4章控制系统软件设计控制程序流程图是异常是否消失启动自动关是异常是否消失启动自动关 K点火子程序是否是否出现异常燃烧否否 水位否水位低于下限高于上限是是启动进水阀，关闭排水阀启动排水阀，关闭进水阀图4.1主程序流程图燃烧预热燃烧预热否燃烧预热是否成功是变压器打开鼓风机送风否以上三步是否完成是否喷油是否成功是变压器关闭图4.2点火子程序流程图燃烧燃烧否按下停止按钮是器关闭喷油泵关闭鼓风机继续送风15s后停止图4.3停机子程序流程图控制程序设计PLC控制系统重要的组成部分，发挥着至关重要的作用。编写程序的方法很多，常用的有图解法编程、经验法编程和计算机辅助设计编程计中采用的是计算机辅助设计编程方法。计算机辅助设计是通过PLC编程软件在计算机上进行程序设计、编程、仿真和在线调试等。STEP7-Micro/WINV4.0S7-200仿真软件进行S7-200切换到运行模式进行调试。3S3S后，点火变压器和瓦斯阀门同时关闭。15S停止。锅炉燃烧过程中，当出现异常情况时（LK；异常情况消失后，又能自动接起燃烧程序重新点火燃烧。当水位高于上限时，排水阀打开，进水阀关闭。黑龙江工程学院黑龙江工程学院PAGE18PAGE18显示操作界面设计图4.4显示操作界面程序调试程序主要调试图如下所示。4.590°时仿真截图此时锅炉正常运行，但水温低于90度，喷油电机以一较大的转速喷油。图4.6锅炉正常运行，水温高于90°时仿真截图9390Q0.7喷油电机以较低的转速进行喷油。4.725°时仿真截图当油温的温度达不到25度时，喷油电机不运行，Q0.4无输出。直到油温预热到25度以上时，喷油机才可以喷油。图4.5蒸汽压力超过允许值时仿真截图当异常情况消失后，锅炉可自动重新启动燃烧。结束语经过两周的实习与实践，在我们小组每一个成员共同的努力下，顺利完成了此次PLC今后继续完善燃油锅炉的功能提供了基础。黑龙江工程学院黑龙江工程学院PAGE21PAGE21实习体会PLCPLCPLC计主要是独立完成的，因此培养了我们分析问题、综合运用知识去解决问题的能力以及独立工作的能力；使我们所学的理论知识与生产实践更紧密地结合起来，是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用和检验。在作课程设计的过程中，可以综合性地运用几年内所学知识去分析、解决问题，所学知识得到疏理和运用，使自己的实践动手能力得到锻炼，增强了即将跨入社会去竞争、去创造的自信心。本课程设计是在学完可编程控制器课程之后综合利用所学可编程控制器知识完一定的基础。他们的帮助密切相关。此次实习为我今后的学习指明了方向，我会在今后的学习中继续努力！参考文献[1].朱敏.基于PLC的智能变频恒压供水系统[A].2006系统仿真技术及其应用学术交流会论文集[