基于PLC鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計

基于PLC鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計,基于,plc,鍋爐,控制系統(tǒng),設(shè)計 摘 要 隨著船舶輪機技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展，船舶的自動化程度越來越高，對船舶輔助鍋爐系統(tǒng)的自動控制是其中一項重要課題，因為這一控制不僅直接涉及到鍋爐運行的效能，而且更關(guān)系到鍋爐運行的安全性和可靠行。 以繼電—接觸器為主的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代船舶對其鍋爐控制的越來越高、越來越復(fù)雜的要求，這一領(lǐng)域的計算機化已勢在必行，而應(yīng)用在當(dāng)前工業(yè)過程控制領(lǐng)域中引人注目的可編程控制器（PLC）又是使其計算機化的最簡便和可靠途徑。本文采用PLC控制器進行了船舶輔助鍋爐的控制設(shè)計。文章首先介紹了船舶輔助鍋爐自動控制的總體概述和可編程控制器（德國西門子可編程控制器S7-200）的基本工作原理，詳細介紹了船舶燃油輔助鍋爐的典型系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，著重對采用S7-200控制的燃油輔助鍋爐進行了PLC編程，其中對蒸汽壓力采用多位控制。為了實現(xiàn)控制功能的驗證，對輔助鍋爐進行了數(shù)學(xué)建模，并采用VB軟件制作了鍋爐模型，通過編程使之與PLC進行通訊，用PLC控制器執(zhí)行對鍋爐模型的控制。此外，這種PLC與模型結(jié)合的控制方式在PLC的實驗教學(xué)中，也不失為一種很具參考價值的教學(xué)手段。 關(guān)鍵字： 船舶輔助鍋爐 自動控制 可編程控制器 鍋爐模型 ABSTRACT Along with the technical development of maritime engine automatization, the automation degree of the ships is more and more high. The control of marine boiler system on board is a important question for discussion of technology and automatization technology. The reason is that the control count for much with efficiency and reliability of boiler. The old control system mainly using relay and contact now can’t meet the high and complicated requirements of modern ship to control its boiler. It is imperative under the situation to use computer for ship control on board modern ship. The applying of programmable controller( PLC) in the current industry process control realm is the most simple and dependable path that makes its Computerized. This text namely adopt the PLC to implement the control design of the marine boiler. First,the paper introduce the automation summarizer of marine boiler and the basic principle of PLC(SIEMENS PLC S7-200 of Germany). Following, the paper introduce a typical boiler system of shipping. On this base, the paper pay more attention to making control programme of S7-200 for oil auxiliary boiler. In order to validate the function of control programme , a simple mathe mold is set up and a boiler model is manufactured by using VB software , and the model can communicate with PLC through programming ,then PLC controller can control the boiler model. Besides, In PLC experiment teaching, the way that this kind of model combines with the PLC is also a kind of teaching means that has the reference value. Keywords： marine auxiliary boiler autocontrol PLC boiler model 目 錄 1 概述………………………………………………………………………………….… ..1 1.1 船舶輔助鍋爐自動控制概述…………………………..…………………….…. 1 1.2 船舶鍋爐的PLC控制方式概述……………………………….………………...1 1.3 編程控制器工作原理……………………………………………………………..2 1.4 本選題設(shè)計主要完成的內(nèi)容…………………………………………………. …3 2 鍋爐系統(tǒng)描述…………………………………………………………………….……….4 2.1 鍋爐的基本組成……………………………………………………….……………4 2.1.1 鍋爐本體…………………………………….... ……………………………4 2.1.2 輔助系統(tǒng)介紹……………………………………………………………….5 2.2 鍋爐系統(tǒng)的控制要求與設(shè)計…………………………………………………..… ..5 2.2.1 鍋爐水位的自動調(diào)節(jié)………………………………………………………..5 2.2.2 蒸汽壓力的自動控制………………………………………………………..7 2.2.3 燃燒程序的自動控制………………………………………………………..7 2.2.4 警報及保護環(huán)節(jié)……………………………………………………………..9 3 燃油輔鍋爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)計……………………………………………………………10 3.1 概要……………………………………................ ………………………..…...........10 3.2 I/O點數(shù)分配……………………………………...... …………………………........12 3.3 PLC外圍接線控制電路…………………………………………………………..….14 3.4 PLC的控制程序設(shè)計………………………………………………………………...18 4 燃油輔鍋爐VB模型設(shè)計……………………………………………………………….…..25 4.1 燃油輔鍋爐數(shù)學(xué)建模分析…………………………………………………………....25 4.1.1 汽包水位模型建立…………………………………………………….…....25 4.1.2 蒸汽壓力調(diào)節(jié)對象模型建立………………………………………….…....26 4.1.3 模型仿真的處理方法………………………………………………….…....27 4.2　基于VB的鍋爐模型建立……………………………………………………………...29 4.3 S7-200 PLC通訊概述………………………………………………………………....30 4.4 模型與PLC通訊的實現(xiàn)……………………………………………………………….31 5 結(jié)論……………………………………............... ……………………………………...........32 參考文獻……………………………………………………………….…………….…….…..33  34 1 概 述 1.1 船舶輔助鍋爐自動控制概述 在現(xiàn)代船舶中，機艙自動化程度越來越高，特別是對無人值班機艙，輔助鍋爐的全自動化控制更是不可缺少的，它是機艙自動控制的一個組成部分。本設(shè)計針對船舶輔助鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽主要供主副機暖機，燃油加熱，日常生活用汽，故對蒸汽品質(zhì)要求不高，采用多位控制實現(xiàn)對鍋爐蒸汽壓力的控制。 船舶輔助鍋爐的自動控制通常包括自動調(diào)節(jié)，程序控制，安全保護，自動連鎖和參數(shù)檢測等內(nèi)容。鍋爐工作過程中的自動調(diào)節(jié)是使蒸汽壓力、水位等被控參數(shù)在額定工況下均能維持所要求的規(guī)定值，包括燃燒過程和給水過程的自動調(diào)節(jié)。程序控制是指在操作指令的作用下按照規(guī)定的操作程序自動完成鍋爐的起動和停爐過程。安全保護主要是在鍋爐的某個工作過程處于異常狀態(tài)，危及鍋爐安全運行時進行必要的操作使鍋爐停止運行，同時發(fā)出相應(yīng)的聲光報警。自動連鎖是當(dāng)鍋爐的某個設(shè)備發(fā)生誤操作或故障時，能自動阻止有關(guān)設(shè)備的運行，避免事故的擴大。如當(dāng)鍋爐的鼓風(fēng)機發(fā)生故障停止工作時，燃燒器能自動停止噴油。為了使鍋爐運行安全可靠，鍋爐控制系統(tǒng)中設(shè)置監(jiān)控環(huán)節(jié)，對鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽溫度、水位、燃油壓力、燃油溫度等參數(shù)進行監(jiān)控。 1.2 船舶鍋爐的PLC控制方式概述 我國從60年代開始從事鍋爐自動控制系統(tǒng)的研制工作，早期船舶鍋爐的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常采用氣動、電動或液動式。到90年代開始出現(xiàn)以可編程控制器為核心的輔助鍋爐自動控制裝置，雖然可編程控制器問世時間不長，但已步入成熟階段。 可編程控制器（Programmable Controller,簡稱PLC）是一種應(yīng)用微電子技術(shù)的通用型工業(yè)控制設(shè)備。它具備在內(nèi)部存儲指令的可編程序存儲器，允許用戶通過自己編制簡單程序的手段來設(shè)置控制功能，從而滿足對被控生產(chǎn)過程的不同要求。按照美國電氣制造商協(xié)會(NEMA)的定義，可編程控制器是一種數(shù)字式電子儀器，其可編程存儲器可存儲某些邏輯，定時，記數(shù)和四則運算等特殊功能的指令，用以控制機械和生產(chǎn)過程。 發(fā)展至今，可編程控制器以其安裝簡單，使用方便，適應(yīng)性強，和價格低廉等特點迅速成為國外生產(chǎn)過程擴展領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛發(fā)展趨勢最強的產(chǎn)品，它不但已占領(lǐng)了繼電器系統(tǒng)和常規(guī)電子系統(tǒng)的廣大市場，還與現(xiàn)代專用微計算機控制系統(tǒng)展開了激烈的競爭。在我國很多工作部門中，可編程控制器都得到了廣泛的應(yīng)用，在船舶上的使用也已經(jīng)相當(dāng)普遍，取得了顯著的經(jīng)濟效益并正在迅速推廣。 在工業(yè)控制歷史上曾長期占統(tǒng)治地位的繼電-接觸器系統(tǒng)以及常規(guī)電子邏輯系統(tǒng)都是通過硬件布線方式來實現(xiàn)不同的控制功能的，除了元件多，可靠性低外，也使用戶很難改變控制過程且系統(tǒng)使用范圍限制，生產(chǎn)批量小而成本高。常見的微計算機系統(tǒng)，如單片機系統(tǒng)，通過程序來實現(xiàn)控制功能，但這種系統(tǒng)的設(shè)計和建立要用繁瑣的機器指令編程，制作各種專用接口，故使一般技術(shù)人員實現(xiàn)起來比較困難。而可編程控制器它靠存儲程序控制，適應(yīng)力強，加上其模塊化結(jié)構(gòu)，也具有很強的靈活性。其編程語言簡單易學(xué)，除了具有邏輯判斷，定時和計數(shù)等基本功能外，還具有算術(shù)運算及PID閉環(huán)調(diào)節(jié)等模擬量控制功能，控制規(guī)?？梢詮膸资畟€輸入/輸出點至上萬點，即可控制單個設(shè)備又可對多臺設(shè)備進行群控，它還可以互相與上位機聯(lián)網(wǎng)形成分散控制系統(tǒng)，集中管理的集散局部網(wǎng)絡(luò)。另外，它能適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的高溫、振動、電源不穩(wěn)等惡劣使用環(huán)境。 當(dāng)前PLC的研制和應(yīng)用已進入成熟階段。一方面PLC繼續(xù)向采用單片機的價格低廉的超小型機方向發(fā)展，另一方面則采用多微機和并行處理技術(shù)，大大提高了實時控制速度和處理能力，大型、多功能的集散式網(wǎng)絡(luò)和PLC高級語言的發(fā)展極為迅速，各生產(chǎn)現(xiàn)場的PLC通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)調(diào)度管理計算機系統(tǒng)相連，使過程控制及生產(chǎn)調(diào)度都可實現(xiàn)高程度的最大化和自動化。 1.3 可編程控制器工作原理 下面對可編程序控制器的工作原理做簡要介紹?？删幊绦蚩刂破鞴ぷ鞯幕驹硎墙⒃谟嬎銠C工作原理基礎(chǔ)上的。通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，其工作過程主要分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新，一直循環(huán)掃描工作。第一步，輸入采樣，在這個過程中，可編程序控制器按掃描方式讀入可編程序控制器所有端子上的輸入信號，并將這些輸入信號存于輸入映像區(qū)。，在本工作周期的執(zhí)行和輸出過程中，輸入映像區(qū)內(nèi)的內(nèi)容不會隨實際信號的變化而變化。第二步，執(zhí)行掃描，在執(zhí)行用戶程序的掃描過程中，可編程序控制器對用戶以梯形圖方式編寫的程序按從上到下，從左到右的順序逐一掃描各指令，然后從輸入映像區(qū)取出相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)或從輸出映像區(qū)讀取有關(guān)數(shù)據(jù)，然后做由程序確定的邏輯運算或其他數(shù)字運算，然后隨運算結(jié)果存人確定的輸出映像區(qū)有關(guān)單元，但這個結(jié)果在整個程序未執(zhí)行完畢前不會送到輸出端口上。第三步，輸出掃描，在執(zhí)行完所有用戶程序后，可編程序控制器將輸出映像區(qū)中的內(nèi)容同時送到輸出鎖存器中，然后由鎖存器經(jīng)功率放大后去驅(qū)動繼電器的線圈，最后使輸出端子上的信號變?yōu)楸敬喂ぷ髦芷谶\行結(jié)果的實際輸出。 1.4 本選題設(shè)計主要完成的內(nèi)容 （1） 應(yīng)用可編程序控制器作為鍋爐控制器，對鍋爐給水，點火程序，風(fēng)油調(diào)節(jié)和蒸汽壓力 進行自動控制。 （2） 根據(jù)船舶輔助鍋爐的主要控制量蒸汽壓力和鍋爐汽包水位進行簡單數(shù)學(xué)建摸，用計算機建立簡單的船舶鍋爐模型。 （3） 建立基于VB的鍋爐模型與PLC控制器組成的控制系統(tǒng)，并驗證鍋爐控制器的可行性和有效性。 2 鍋爐系統(tǒng)描述 2.1 鍋爐的基本組成 為了達到對鍋爐自動運行的PLC控制，有必要對控制對象進行系統(tǒng)認識，下面以船上常用的立式橫煙管鍋爐為例，介紹鍋爐的基本組成及工作原理。 圖2.1 立式橫煙管鍋爐示意圖 2.1.1 鍋爐本體 鍋爐本體是由鍋殼、封頭、爐膽、燃燒室、出煙口、煙管、燃燒器等組成。爐膽是燃油進行霧化燃燒的場所，它的作用是提供足夠的空間使燃油得以充分的燃燒。同時，使燃燒發(fā)生的熱量不散失到鍋爐外面去。爐膽與燃燒室相通，燃燒室與煙箱之間設(shè)有兩塊鋼板，鋼板之間有數(shù)十根水平煙管。煙管與爐膽將整個鍋爐分成互相隔絕的空間，里面是煙氣，而外面則充滿著爐水。燃燒器的油頭向爐膛噴油，同時由鼓風(fēng)機經(jīng)風(fēng)門將空氣送入爐內(nèi)助燃。油點著后在爐膽中燃燒，高溫火焰與煙氣中的熱量主要通過輻射方式經(jīng)爐膽壁傳給爐水。未燃燒完的油和煙氣經(jīng)出煙口向上流至燃燒室繼續(xù)燃燒，然后順煙管流至煙箱，最后從煙囪排入大氣。由此可見，煙管鍋爐中的爐膽、燃燒室和煙管都是蒸發(fā)受熱面，由爐水包圍，而煙氣則在其中流過，這就是煙管鍋爐的結(jié)構(gòu)特點。 2.1.2 輔助系統(tǒng)介紹 （1）、燃燒裝置。輔助燃油鍋爐的燃燒裝置包括油頭、調(diào)風(fēng)機構(gòu)和燃油系統(tǒng)。油頭是將燃油霧化，調(diào)風(fēng)機構(gòu)是將助燃空氣導(dǎo)入爐膛中。燃油系統(tǒng)是將燃油從油艙中抽到日用油柜，再從日用油柜中抽出進行加熱、加壓、過濾最后送到油頭進行霧化。 （2）、給水系統(tǒng)。給水系統(tǒng)包括補充鍋爐水所必需的給水管路，給水加熱器，給水泵，給水調(diào)節(jié)閥等組成。為防止鍋爐失水，應(yīng)有兩套給水設(shè)備，其中一套備用。并且給水泵應(yīng)兩臺一組。 （3）、通風(fēng)系統(tǒng)。其作用是將外界空氣送入爐膛中供燃料燃燒，將煙氣排出鍋爐，包括配風(fēng)等機構(gòu)。 （4）、汽水系統(tǒng)。汽水系統(tǒng)包括管路上的各種儀表及裝置，蒸汽管路及管路上的各種閥門，凝水疏水管路，排污管路，鍋爐附件和自動控制設(shè)備，檢測儀表，如水位表、蒸汽壓力表、風(fēng)壓計、CO2指示儀等。 2.2 鍋爐系統(tǒng)的控制要求與設(shè)計 船用鍋爐系統(tǒng)控制要求是確保其安全可靠性，提高其運行經(jīng)濟性。輔助鍋爐的系統(tǒng)控制可分為四部分，即水位自動調(diào)節(jié)，蒸汽壓力自動控制，燃燒程序控制以及警報和保護環(huán)節(jié)。下面分別對每部分進行具體介紹。 　　2.2.1 鍋爐水位的自動調(diào)節(jié) 鍋爐的工作水位在安全水位以上，是燃燒系統(tǒng)自動點火起動的必要條件。鍋爐的工作水位降至最低水位時，水泵自動起動補水，升至最高水位時水泵自動停止補水，水位降到極限低水位時發(fā)出報警信號，同時系統(tǒng)停止工作。水位傳感器一般有浮子式水位調(diào)節(jié)器、電極式水位傳感器以及參考水位罐水位檢測裝置三種，本設(shè)計采用參考水位罐水位檢測裝置調(diào)節(jié)，如下圖所示。2 1 測量水位管 3JY 2JY 1JY 鍋爐 參考水位罐 參考水位管 差壓變送器 電氣控制屏 380V 24V 紅燈 3JY2 JY 2JY1 1JY1 3JY1 JY 綠燈 1CJ2 JY 手動 220V 1CJ 2CJ M2 M 111 給水泵 油泵 1CJ1 2CJ1 自動 K 變壓器 圖2.2 鍋爐水位控制示意圖 參考水位罐上端通過截止閥與鍋爐汽空間相通，其下端有測量水位管和參考水位管通過截止閥分別接在差壓變送器的正負壓室，測量水位管通過截止閥與鍋爐水空間相通。參考水位罐內(nèi)的水位是鍋爐最高水位設(shè)定值，調(diào)整參考水位可以使之與鍋爐允許的最高水位一致。如1，2液面壓力相等，則差壓邊送器承受兩邊管的壓力和1、2的水位相一致，所以水位壓差就是鍋爐最高水位與實際水位的差值。差壓變送器將水位差壓信號換成0.02-0.1Mpa的氣壓信號輸出，送給壓力繼電器1JY、2JY、3JY。自動補水時，壓力較大使1JY動作，此時2JY的常開觸點2JY1已閉和，中間繼電器JY動作，并自保。隨后壓力差減小，1JY斷開，直到2JY也斷開，停止補水。直到水位降到使1JY動作，又開始補水。如果出現(xiàn)某種故障，水位未能上升，則水位到達極限低水位時，3JY動作，常開觸點3JY2閉合，發(fā)出紅燈報警，同時3JY1斷開，2CJ失電，油泵停止工作。此外需要手動補水是，只要將開關(guān)K打到手動位置。 2.2.2 蒸汽壓力的自動控制 鍋爐汽壓穩(wěn)定的前提是必須保持蒸發(fā)量和送汽量的平衡。燃燒過程自動調(diào)節(jié)的主要任務(wù)是使鍋爐汽壓維持在規(guī)定值或在規(guī)定的允許范圍內(nèi)，同時為了保持燃燒的良好，必須使供風(fēng)量與供油量相適應(yīng)。 對于船舶輔助鍋爐，實船上多采用雙位控制，就是汽壓上升至設(shè)定值上限時，停止燃燒；而汽壓下降至設(shè)定值的下限時，點火燃燒。而采用雙位控制系統(tǒng)，鍋爐的點火和熄火比較頻繁。為了彌補雙位自動控制系統(tǒng)只有最大和零兩種輸出的不足，本設(shè)計采用三位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。除了只負責(zé)點火的點火油頭外，另外有兩個負責(zé)燃燒的油頭。當(dāng)汽壓低于高火燃燒壓力點時，兩個油頭同時噴油燃燒，當(dāng)壓力上升到低火壓力值時，關(guān)閉一個油頭，如果負荷比較小，壓力繼續(xù)上升到壓力上限值時，自動切斷噴油頭，同時風(fēng)機后掃風(fēng)后停爐；如果壓力下降，則降至高火燃燒壓力點時，兩個噴油頭又同時噴油燃燒。停爐后當(dāng)壓力下降到低限值時自動點火燃燒。 2.2.3 燃燒程序的自動控制 本設(shè)計正常運行的程序描述如下： （1）接通總電源，風(fēng)機、燃油泵、給水泵待電工作。 （2）控制電源接通，控制回路及PLC通電。當(dāng)按下啟動按鈕，燃油泵和風(fēng)機啟動，燃油開始循環(huán)，同時PLC根據(jù)檢測輸入的水位，重油溫度等信號，控制給水泵，電加熱器是否工作。 （3）當(dāng)水位與重油溫度在正常范圍，同時蒸汽低壓開關(guān)閉合，自動點火程序開始。首先進行預(yù)掃風(fēng)約40s。 （4）預(yù)掃風(fēng)結(jié)束，點火變壓器通電產(chǎn)生高壓，3s內(nèi)進行預(yù)點火，43s時點火電磁閥通電，開始噴油點火。 （5）7s內(nèi)，若火焰檢測成功，則切斷點火變壓器；50s時，1號、2號噴油電磁閥通電，點火油頭與之同時工作4s，即54s時，點火電磁閥失電，轉(zhuǎn)入正常燃燒階段。若7s內(nèi)，火焰檢測不成功，則切斷油路和點火變壓器，后掃風(fēng)45s之后停爐，進行故障排除。 （6）正常燃燒階段根據(jù)蒸汽壓力的自動控制進行自動的停爐和再一次的點火燃燒。 （7）正常的停爐，先切換到輕油燃燒一會，之后切斷油路，后掃風(fēng)45s后停風(fēng)機、燃油泵。切斷控制電路電源和總電源。 停爐 后掃風(fēng) 4 3 風(fēng)油控制 正常燃燒 風(fēng)門開小 風(fēng)門開大 主供油閥 點火供油閥 點火變壓器 輕油泵 風(fēng)機 系統(tǒng)輸出 時序 時間單位：秒 50 40 30 20 10 圖2.3 系統(tǒng)點火程序控制時序圖 其中火焰?zhèn)鞲衅髟谌紵绦蚩刂浦惺且粋€非常重要的環(huán)節(jié)，它是保證鍋爐可靠運行的關(guān)鍵。其用于監(jiān)測爐膛內(nèi)有無火焰，以便在鍋爐起動點不著火或正常燃燒突然熄火時的報警和執(zhí)行停爐保護程序。下面選用光敏電阻做火焰?zhèn)鞲衅鞯脑O(shè)計。光敏電阻的主要特性是接受光照時電阻值很小，無光照時電阻值很大?；鹧姹O(jiān)視電路原理圖如下： Rg J 圖2.3 火焰監(jiān)視原理圖 在上圖中，光敏電阻Rg被光照時有基極電流，因此集電極有電流使繼電器J動作；無光照時，光敏電阻阻值極大，基極無電流，集電極無輸出，繼電器J因斷電而釋放。 2.2.4 警報及保護環(huán)節(jié) 在輔助鍋爐運行過程中，為了達到安全、可靠、無人值班的目的，除了對鍋爐水位和燃燒采用自動控制外，需要對各種危險工況采取安全保護措施。本設(shè)計考慮了不同鍋爐類型主要的幾種安全保護環(huán)節(jié)，詳述如下： （1）熄火保護和報警，當(dāng)鍋爐起動時點不著火或正常燃燒時突然熄火進行保護和報警。當(dāng)鍋爐起動、掃氣后，連續(xù)點火7秒，燃油若沒有點著或正常燃燒時突然熄火，光敏電阻感受不到火焰，控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)繼電器動作信號，切斷油路后掃風(fēng)之后停爐，燃燒停止，同時發(fā)出聲光報警信號。 （2）極限低水位保護和報警。當(dāng)鍋爐水位因故低于極限低水位時，水位檢測機構(gòu)低水位電極脫水，如上文所述，控制系統(tǒng)動作，從而切斷風(fēng)機和油泵控制回路，燃燒停止，同時發(fā)出聲光報警信號。 （3）重油溫度過低或過高保護和報警。燃油系統(tǒng)使用重油時，若重油溫度不能達到良好霧化的相應(yīng)溫度，或者由于加熱控制出現(xiàn)故障溫度過高從而對設(shè)備不利，需要停止燃燒，并進行報警。 （4）蒸汽壓力超高保護和報警。當(dāng)正常燃燒蒸汽壓力控制出現(xiàn)故障，氣壓超過最高臨界線時必須停爐同時進行報警。 （5）電動機過載保護和報警。由于電動機或相應(yīng)的泵產(chǎn)生故障，使熱繼電器跳開，應(yīng)立即熄火停爐，以免發(fā)生事故。 （6）燃油壓力過低保護和報警。由油路壓力繼電器檢測，壓力過低不能正常噴油必須停爐，并進行報警。 （7）爐膛風(fēng)壓過低保護和報警。由于供風(fēng)執(zhí)行機構(gòu)出現(xiàn)故障至使爐膛風(fēng)壓過低，燃油不能正常燃燒，必須停爐同時進行報警。 （8）出現(xiàn)任何故障報警，必須等故障排除后按報警復(fù)位按鈕才能進行再次起動鍋爐。 3 燃油輔鍋爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 3.1 概要 PLC的控制系統(tǒng)由硬件及PLC軟件組成。硬件設(shè)計是指硬件選型，合理選擇PLC，對提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)、經(jīng)濟指標起著重要的作用。機型選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠、維護使用方便及最佳的性能價格比。 本文選用SEIMENS S7-200對燃油輔助鍋爐進行控制。S7-200屬于小型SEIMENS可編程控制器，采用模塊式結(jié)構(gòu)，具有四種不同配置的CPU，本文選用CPU224模板。S7-200 PLC體積小，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。其執(zhí)行指令速度高，有豐富的指令功能，包括脈寬調(diào)制(PWM)、位控（PTO）、PID等功能。通信是S7-200PLC上的一個重要功能，它為用戶提供了很強的，靈活的通信功能，用點對點接口(PPI)作9600bps的數(shù)據(jù)通信，用RS-485接口實現(xiàn)高速用戶可編程接口。S7-200CPU上已提供了一定數(shù)量的輸入和輸出接點，但如用戶需要多于 CPU單元I/O點時，可以對系統(tǒng)做必要的擴展。其中CPU224、226最多可擴展7個擴展單元（開關(guān)量或模擬量）。S7-200具有三種工作模式，處于STOP模式下，PLC停止工作，可以利用編程設(shè)備向PLC裝入程序，檢查部分用戶存儲器內(nèi)容，改變列入的各種配置；在RUN模式下，PLC按掃描周期循環(huán)執(zhí)行用戶程序，此時不能向PLC裝入程序；在TERM模式下，PLC上的工作模式（STOP或RUN）可由編程設(shè)備通過通信方式來改變的工作模式，此多用于聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場調(diào)試時使用。 PLC程序設(shè)計步驟一般包括以下幾步，（1）了解系統(tǒng)概況；（2）熟悉被控對象；（3）程序框圖設(shè)計；（4）編寫程序；（5）程序測試及調(diào)試。在工程中，對PLC應(yīng)用程序的設(shè)計有多種方法，包括經(jīng)驗設(shè)計法、邏輯設(shè)計法、時序圖設(shè)計法、順序控制設(shè)計法等。對于本控制設(shè)計的特點，燃燒控制可采用時序圖設(shè)計法。 根據(jù)第二章所述鍋爐控制的設(shè)計要求可以畫出控制流程圖如下： 圖3.1 鍋爐控制系統(tǒng)流程圖 3.2 I/O點數(shù)分配 考慮到PLC與上位機鍋爐模型相連接通信，由模型充當(dāng)實物鍋爐，輸入點由輸入映像存儲區(qū)I改用內(nèi)部標志位存儲區(qū)M，如果PLC要控制實物鍋爐，只需將PLC 程序中對應(yīng)M改為I，即可實現(xiàn)控制。 輸入點： I0.0 “起動”按鈕 START I0.1 手動控制方式 MANU I0.2 自動控制方式 AUTO I0.3 “停止”按鈕 STOP I0.4 重油溫度低限 OTL(oil.temp.low) I0.5 重油溫度高限 OTH(oil.temp.high) I0.6 蒸汽壓力起動值 PB(press.begin) I0.7 蒸汽壓力高火值 PL(press.Low) I1.0 低水位(低于閉和) WLL(water.level.low) I1.1 高水位(低于閉和) WLH(water.level.high) I1.2 蒸汽壓力低火值 PH(press.high) I1.3 蒸汽壓力停爐值 PS(press.stop) I1.4 超高壓報警檢測 PHA(press.high.alam) I1.5 極限低水位報警檢測 WLA(water.low.alam) I1.6 報警復(fù)位按鈕 AF I1.7 報警消音按鈕 AS I2.0 電機過載 MOL(motor.over.load) I2.1 重油低溫報警檢測 OTLA(oil.temp.low.alam) I2.2 重油高溫報警檢測 OTHA(oil.temp.high.alam) I2.3 手動點火 IG(ignition.manual switch) I2.4 重油選擇開關(guān) HO(heavey oil switch) I2.5 輕油選擇開關(guān) LO(light oil switch) I2.6 低風(fēng)壓報警檢測 WPLA(wind.press.low) I2.7 燃油加熱手動開關(guān) HTR I3.0 低油壓報警檢測 OPLA I3.1 光電檢測火焰 FR(flame-eye relay) I3.2 風(fēng)機手動開關(guān) FM I3.3 輕油泵手動開關(guān) LOM I3.4 重油泵手動開關(guān) HOM I3.5 水泵手動開關(guān) WM I3.6 高火手動控制開關(guān) PLM I3.7 低火手動控制開關(guān) PHM 輸出點： Q0.0 1號輕油泵接觸器 1LOQ Q2.4 2號輕油泵接觸器 2LOQ Q0.1 1號重油泵接觸器 1HOQ Q2.5 2號重油泵接觸器 2HOQ Q0.2 1號水泵接觸器 1WQ Q2.6 2號水泵接觸器 2WQ Q0.3 風(fēng)機接觸器 FQ Q0.4 風(fēng)機大風(fēng)門執(zhí)行機構(gòu) FHQ Q0.5 風(fēng)機小風(fēng)門執(zhí)行機構(gòu) FLQ Q0.6 點火電磁閥 IGS Q0.7 電加熱器電磁閥 HTRS Q1.0 1號主噴油電磁閥 1-QS Q1.1 2號主噴油電磁閥 2-QS Q1.2 點火變壓器 IT(IGNITION TRANSFORMER) Q1.3 重油低溫報警指示燈 TLAL Q1.5 蒸汽超高壓報警指示燈 PHAL Q1.6 極限低水位報警指示燈 WLAL Q1.7 低油壓報警指示燈 PLAL Q2.0 電機過載報警指示燈 OLAL Q2.1 點火失敗/中途熄火報警指示燈 FRAL Q2.2 低風(fēng)壓報警指示燈 WFAL Q2.3 報警蜂鳴器 AB 3.3 PLC外圍接線控制電路 具有自動和手動兩種控制方式的鍋爐控制面版圖如下： STA START START STO 燃燒控制 1….自動 2….手動高火 3….手動低火 3 2 1 重油泵手動開關(guān) 輕油泵手動開關(guān) Start起動 STO auto or manu 手動點火 風(fēng)機手動 STOP START STOP START STO START 手動2號噴油電磁閥 手動1號噴油電磁閥 STOP ON push MANU AUTO SOURCE OFF ON push stop停止 重油選擇 輕油選擇 STOP START STOP START STOP STO START 水泵手動開關(guān) STO START 燃油加熱手動開關(guān) 圖3.2 鍋爐的控制面板 鍋爐的控制電路如下： K-電源開關(guān)；DY-控制電源開關(guān)；1CJ、2CJ、3CJ、4CJ、5CJ 、6CJ 、7CJ -交流接觸器；FB-點火變壓器；(1-7)RJ-熱繼電器；；HY-火焰監(jiān)視繼電器 ITQ 8000v 風(fēng)機 7JR 7CJ 2號重油泵 6JR 6CJ 1號重油泵 5JR 5CJ DY 2號輕油泵 1號輕油泵 2號水泵 1號水泵 4JR 3JR 2JR 1JR 4CJ 3CJ 2CJ 1CJ 1CJ 2CJ 3CJ 4CJ HY 5CJ 6CJ 7CJ11 ITQ K FB X Y 1LOQ 1HOQ 1WQ FQ 2WQ 2LOQ 2HOQ IT 圖 3.3 P 2M HTR FM I3.2 1M FR OPLA WPLA LO HO IG OTHA OTLA MOL WLA PHA PS PH WLH WLL PL PB OTH OTL STOP MANU AUTO START L+ IN N I0.0 I0.3 I0.2 I0.4 I0.1 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7 I3.0 I3.1 N P AF AS I3.7 I3.6 I3.4 I3.3 PHM PLM WM HOM LOM M I3.5 I1.6 I1.7 Y OLAL PLAL WLAL PHAL TLAL IT 2-QS 1-QS HTRS IGS FLQ FHQ FQ 1WQ 1HOQ 1LOQ out Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.2 Q1.1 Q1.3 Q1.6 Q1.5 Q1.7 Q2.0 1L X X 2WQ 2HOQ N L Y AB WFAL FRAL Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5 Q2.6 2LOQ 3.4 PLC的控制程序設(shè)計 Q0.1 Q0.0 I0.1 I3.4 I0.1 I3.3 I0.2 I0.2 M0.2 M0.2 網(wǎng)絡(luò)3 網(wǎng)絡(luò)2 網(wǎng)絡(luò)1 M0.2 M0.2 M0.1 I0.0 //鍋爐起動 //輕油泵控制 //重油泵控制 T37 I0.2 網(wǎng)絡(luò)9 I1.0 I0.6 M0.0 I0.2 Q0.3 I0.4 +400 網(wǎng)絡(luò)8 M0.3 T38 TON +450 PT IN 網(wǎng)絡(luò)7 M0.3 I1.3 Q0.3 M0.3 I0.2 網(wǎng)絡(luò)6 M0.4 M0.4 I0.6 Q0.3 I0.2 M0.2 網(wǎng)絡(luò)5 Q1.1 Q1.0 I0.6 T38 M0.4 M0.0 Q0.3 M0.6 I0.2 I3.2 M0.2 網(wǎng)絡(luò)4 T37 TON PT IN +30 T39 TON PT IN //風(fēng)機控制 //自動停爐后風(fēng)機控制 //自動停爐后掃風(fēng)控制 //自動停爐后掃風(fēng)45秒 //預(yù)掃風(fēng)40秒 //預(yù)點火3秒 Q1.1 網(wǎng)絡(luò)14 Q1.1 I2.5 I2.4 I1.3 I0.2 I3.7 I3.6 Q1.0 I2.5 I2.4 Q1.0 I0.7 I0.2 I1.2 I3.6 M0.0 M0.6 I3.1 I0.1 Q1.1 T40 T41 網(wǎng)絡(luò)13 T39 網(wǎng)絡(luò)12 Q0.6 I2.3 M0.0 T39 M0.6 T44 T41 I3.1 T40 網(wǎng)絡(luò)11 I2.3 Q1.2 T40 I3.1 T37 I0.2 M0.0 網(wǎng)絡(luò)10 +70 T40 TON PT IN +40 TON PT IN +40 T44 TON PT IN //點火變壓器控制 //點火電磁閥控制 //點火7秒延時 //主噴油電磁閥控制 M0.6 I0.3 網(wǎng)絡(luò)20 I1.6 M0.0 M0.0 M1.0 網(wǎng)絡(luò)19 M1.0 Q0.3 I2.6 M0.5 I2.1 I3.1 I2.2 I2.0 Q0.1 I3.0 I1.5 I1.4 網(wǎng)絡(luò)18 M0.7 M0.6 M0.5 Q0.3 I3.1 M1.1 網(wǎng)絡(luò)17 M1.1 M1.1 T40 I1.3 I1.6 網(wǎng)絡(luò)16 M0.7 M0.7 I4.3 Q0.3 網(wǎng)絡(luò)15 M0.6 M0.2 //正常熄火判斷 //熄火報警控制 //熄火報警控制 //報警單元 //故障阻斷 //正常停爐 Q1.5 Q1.5 I1.4 Q1.3 I2.1 Q2.2 Q2.2 I2.6 Q1.3 Q2.0 Q2.0 I2.0 Q2.1 Q2.1 M0.5 I1.6 I1.6 I1.6 I1.6 M1.0 M1.0 M1.0 M1.0 M1.0 I1.6 網(wǎng)絡(luò)27 網(wǎng)絡(luò)26 網(wǎng)絡(luò)25 網(wǎng)絡(luò)24 網(wǎng)絡(luò)23 M0.1 T42 M0.6 M0.0 網(wǎng)絡(luò)22 網(wǎng)絡(luò)21 +450 T42 TON PT IN //停爐后掃風(fēng)45秒 //停爐復(fù)位 //電機過載報警 //熄火報警 //風(fēng)壓低報警 //油溫低報警 //超高壓報警 I3.5 Q0.2 Q0.2 I1.0 I1.1 I0.2 M0.2 網(wǎng)絡(luò)32 M1.2 Q2.3 I1.6 M1.2 網(wǎng)絡(luò)31 Q1.3 Q2.3 Q1.5 Q1.6 Q1.7 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 M1.2 I1.7 網(wǎng)絡(luò)30 Q1.7 M1.0 網(wǎng)絡(luò)29 Q1.6 I1.6 I1.5 Q1.6 M1.0 網(wǎng)絡(luò)28 I3.0 Q1.7 I1.6 //極限水位報警 //油壓低報警 //報警蜂鳴器 //蜂鳴器復(fù)位 //水泵控制 Q0.4 Q0.5 Q0.3 網(wǎng)絡(luò)35 Q0.3 Q0.5 Q1.1 Q1.0 Q0.6 Q1.1 Q1.0 Q1.2 網(wǎng)絡(luò)34 網(wǎng)絡(luò)33 I2.7 Q0.7 Q0.7 I0.4 I0.5 I0.2 M0.2 //電加熱器控制 //弱風(fēng)控制 //強風(fēng)控制 4 燃油輔鍋爐VB模型設(shè)計 4.1　燃油輔鍋爐數(shù)學(xué)建模分析 系統(tǒng)仿真的首要任務(wù)是建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。建模就是用數(shù)學(xué)的方法把系統(tǒng)的實際工作過程描述出來的過程。建模的方法有機理建模和系統(tǒng)辯識以及把兩種方法相結(jié)合的混合法。本文通過機理建模得到通用系統(tǒng)的動態(tài)微分方程，并對對象進行動態(tài)特性分析得到具體擾動下的模型。 4.1.1 汽包水位模型建立 鍋爐汽包水位的自動控制的任務(wù)是使鍋爐的給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量并維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。 鍋爐汽水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可簡化為下圖所示： 蒸汽總管 給水 引起汽包水位變化的主要擾動是給水流量的變化和蒸汽流量的變化，如果只考慮主要擾動，汽包水位的動態(tài)特性可表示為： T1T2 + T1 =(TW+KWUw)--(TD+KDUD) (4-1) 式中，h—汽包水位高度，mm TW—給水流量的時間常數(shù)，s TD—蒸汽流量的時間常數(shù)，s KW—給水流量的放大倍數(shù) KD—蒸汽流量的放大倍數(shù) =,給水流量變化量相對于最大蒸汽流量的標定值 =，蒸汽流量變化量相對于最大蒸汽流量的標定值 ，--時間常數(shù) [10] 在本文中，建模仿真的主要目的是驗證PLC控制器的有效性，故對模型進行合理簡化。假定給水時，給水流量為一定值，即不考慮給水流量在開關(guān)時的變化。 同時只要蒸汽閥打開，其蒸汽流量一定。并設(shè)汽包截面為定值。 汽包中水的變化體積 = （） (4-2) ===+ =+* (4-3) 式中： 給水流量，蒸汽流量，S汽包截面 4.1.2 蒸汽壓力調(diào)節(jié)對象模型建立 燃油調(diào)節(jié)閥 燃燒系統(tǒng) 蒸汽系統(tǒng) 蒸汽閥 圖4.1 蒸汽壓力調(diào)節(jié)對象示意圖 鍋爐燃燒系統(tǒng)自動控制的基本任務(wù)是使燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負荷的需要，同時保證經(jīng)濟燃燒和鍋爐的安全運行。 對于蒸汽系統(tǒng)，其吸收熱量的一部分用于把給水加熱到飽和水，另一部分用于把飽和水變成飽和蒸汽。所以，根據(jù)熱平衡定律， Q+DD= (4-4) 式中，D 鍋爐的蒸發(fā)量，Kg/S 飽和汽焓，J/Kg 飽和水焓，J/Kg 給水焓，J/Kg 鍋爐的儲水量，Kg 飽和水焓和汽包蒸汽壓力有關(guān)，即 =，微分后得到=（） (4-5) 將(4-5)代入(4-4)可得： Q=（）D+（） (4-6) 移項后得： = D + (4-7) 令=（）/（） Kg/Mpa 稱為蓄熱系數(shù)，它表示汽壓每改變一個單位（Mpa）蒸發(fā)受熱面和鍋筒所能吞吐的蒸發(fā)量，把蒸發(fā)系統(tǒng)的吸熱量用蒸汽量來表示，即吸熱量理論上所產(chǎn)生的蒸汽= (Kg/S) [7] 所以(4-7)變?yōu)椋?+，即 = =+ (4-8) 4.1.3 模型仿真的處理方法 下面介紹一種連續(xù)系統(tǒng)仿真常用的方法—龍格庫塔法。 在連續(xù)系統(tǒng)仿真中，主要的計算工作是對=的一階微分方程進行求解。因為 已知=，假設(shè)我們從跨出一步，=+h，時刻為=，對可以在附近展開成泰勒級數(shù)，只保留項，則有 =+h+ (4-9) 假設(shè)這個解可以寫成如下形式：=+（）h (4-10) = = 對式右端的函數(shù)在=，=處展開成泰勒級數(shù)，保留h項，可得 + 將，代入(4-10)式，則有 =++〔＋〕 將上式與(4-9)進行比較，可得 +=1，=1/2，=1/2 若限定=，可得其中一組解：==1/2，==1 若寫成一般遞推公式，即 =+（+） 其中，=，= 這種方法被稱為二階龍格庫塔法。在計算時只用到，即在后一步的計算中，僅僅利用前一步的計算結(jié)果，就能由初值逐步計算得到后續(xù)各時間點上的仿真值。[9] 4.2　基于VB的鍋爐模型建立 　　利用Visual Basic6.0圖形開發(fā)系統(tǒng)，可以開發(fā)出功能完善，界面友好的模型仿真系統(tǒng)。具體界面如下： 此模型以日本生產(chǎn)的DB-1841-A CPDB-40型號船用輔助鍋爐為模擬對象，該型鍋爐主要參數(shù)如下： 蒸發(fā)量　　 4000kg/h Fuel consumption 313kg/h 工作壓力　 0.6MPa　　　 Furnace volume 5.03m3 給水溫度　 60 ℃ Steam space volume 2.68m3 蒸發(fā)受熱面 52.3㎡ Water volume 7.26m3 起爐壓力0.55Mpa，低火燃燒壓力≥0.63Mpa，停爐壓力0.66Mpa， 超高壓報警壓力點0.8 Mpa。高水位660mm,低水位550mm。 　　運行程序后，按下“鍋爐模型仿真開始”按鈕，鍋爐模型與PLC建立連接。同時鍋爐面板自動設(shè)置，此時處于自動模式工作下。按下“起動”按鈕，鍋爐全自動運行。也可以進行手動控制，將“AUTO OR MANU”轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇MANU檔，再按下“起動”按鈕，將按手動方式運行。這時油泵、水泵、電加熱燃油、點火及燃燒過程均需手動控制。 為驗證報警功能的可靠性，設(shè)有五種報警的手動模擬，極限低水位報警與油溫過低報警可在手動控制下進行觀測。報警時指示燈閃爍，可按下消音按鈕，指示燈變平光，待故障排除后需按報警復(fù)位按鈕。 　　 4.3 S7-200 PLC通訊概述 S7-200 CPU支持多種通訊協(xié)議，包括點到點的協(xié)議（PPI），多點協(xié)議（MPI）及PROFIBUS協(xié)議。這些協(xié)議的結(jié)構(gòu)模型都是基于開放系統(tǒng)互連參考模型(OSI)的7層通訊結(jié)構(gòu)。PPI協(xié)議和MPI協(xié)議通過令牌環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)。令牌環(huán)網(wǎng)遵循歐洲標準EN50170中的過程現(xiàn)場總線（PROFIBUS）標準。它們都是異步、基于字符的協(xié)議，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)帶有起始位、8位數(shù)據(jù)、奇校驗和一個停止位。每組數(shù)據(jù)都包含特殊的起始和結(jié)束標志、源站地址和目的站地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)完整性檢查幾部分。只要互相的波特率相同，三個協(xié)議可在同一網(wǎng)絡(luò)上運行而不互相影響。 本設(shè)計VB模型采用PPI協(xié)議與S7-200 PLC進行通訊。PPI是一個主/從協(xié)議。在這個協(xié)議中，主站（其他CPU,SIMATIC編程器或TD200）給從站發(fā)送申請，從站進行響應(yīng)。從站不能初始化它本身，只有當(dāng)主站發(fā)出申請或查詢時，從站才響應(yīng)。在PPI協(xié)議下S7-200進行通訊時可以建立一定數(shù)目的邏輯連接，在波特率為9.6k,19.2k,187.5k三種波特率下只能建立4個邏輯連接。S7-200 CPU在RUN模式下才可以作為PPI主站。一旦進入PPI主站模式，就可以利用網(wǎng)絡(luò)讀（NETR）和網(wǎng)絡(luò)寫(NETW)指令讀寫其他CPU。作為PPI主站的S7－200CPU還可以響應(yīng)其他主站的請求。對于任何一個從站有多少個主站和它通訊，PPI協(xié)議沒有限制，但是在網(wǎng)絡(luò)中最多只能有32個主站。 　　S7-200通訊的部件包括：通訊口、PC/PPI電纜、通訊卡、以及S7-200通訊擴展模塊等。在每個S7-200的CPU上都有一個RS-485兼容的9針D型端口，由于PC計算機的串口為RS-232信號，兩