畢 業(yè) 設 計（論 文）
設計(論文)題目： 工業(yè)鍋爐溫度控制系統(tǒng)設計
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V
目錄
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
第一章 緒論 1
1.1國內(nèi)外鍋爐溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況 1
1.2國內(nèi)外PLC發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3研究的意義 2
第二章 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的總體介紹 3
2.1鍋爐的工藝流程 3
2.2鍋爐的工作過程 4
2.3鍋爐的自動調(diào)節(jié)任務 4
2.4本章小結(jié) 5
第三章 控制系統(tǒng)硬件選用與設計 6
3.1PLC控制系統(tǒng)的硬件選擇 6
3.1.1CPU的選擇 6
3.1.2 S7-300 電源模塊的選擇 6
3.1.3 輸入輸出模塊的選擇 7
3.1.4鍋爐控制系統(tǒng)硬件組態(tài) 7
3.2 I/O點數(shù)設計 8
3.3硬件電路接線圖設計 9
3.3.1PLC控制柜供電回路接線 10
3.3.2PLC接線圖設計 11
3.4傳感器的選擇和應用 12
3.4.1溫度傳感器的選擇 12
3.4.2壓力傳感器的選擇 13
3.5本章小結(jié) 13
第四章 控制系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn) 14
4.1系統(tǒng)控制軟件設計 14
4.1.1PLC軟件介紹 14
4.1.2PLC特點 14
4.1.3西門子編程軟件簡介 14
4.2控制系統(tǒng)下位機程序設計 15
4.2.1控制程序的任務要求 15
4.2.2控制程序的編寫 17
4.3本章小結(jié) 22
第五章 總結(jié) 23
參考文獻 24
附錄一 25
附錄二 26
IV
摘要
工業(yè)鍋爐溫度控制系統(tǒng)設計
摘 要
鍋爐是一種工業(yè)上較為常見的動力設備，人工操控的鍋爐能源浪費嚴重且事故發(fā)生頻繁，因此對于工業(yè)鍋爐自動化控制的研究具有很大的意義。
本文利用可編程控制器設計了鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)包括硬件選擇與軟件設計等部分。首先，講解鍋爐的工作方式，考慮干擾鍋爐出水溫度、回水溫度、蒸汽流量的各個因素。例如：燃料量多則出水溫度高，就可以通過自動調(diào)節(jié)燃料閥或者爐排轉(zhuǎn)速來控制燃料輸送，從而達到自動控制的目的。硬件選擇時，考慮電路大小、機架數(shù)量來確定硬件組態(tài)各模塊的型號，通過各個被測量測量范圍來選擇傳感器的型號。設計合理的電路接線圖，從而保證后續(xù)編程更方便，并且利于故障修復。軟件設計時，根據(jù)接線圖編輯程序，運行程序來控制鍋爐的出水溫度、給水量、回水溫度以及蒸汽壓力等。設計了系統(tǒng)啟?？刂啤缶B鎖。
關鍵詞：鍋爐 PLC 硬件電路 控制程序
Temperature control system of industrial boiler
Abstract
On an industrial boiler is more common power equipment, artificial manipulation of boiler energy waste and serious accidents frequently, so it has great important to learn of industrial automation regulate of boiler.
In this paper, the use of programmable controllers planed temperature control system of the boiler, the system consist of a choice of CPU and software design and other components. From the boiler process, boiler water temperature, return water temperature, steam flow of the various factors to consider the influence. Example: Influence of the measure of fuel water temperature, it can be adjusted automatically by object grate speed or the fuel valve to control fuel delivery, so as to achieve automatic control. Hardware options, consider the size of the circuit, the number of frames to determine the hardware configuration of each module type to select the type of sensor is measured by the respective measuring range. Designed circuit wiring diagram, so as to ensure the follow-up program is more convenient and conducive to repair the fault. Software design, according to the wiring diagram editing program to realize the boiler water temperature to the automatic control of water, return water temperature and steam pressure and the like. The design of the system start-stop control, alarm chain.
Key words: Boiler； PLC； hardware circuit； control program
IV
第一章 緒論
第一章 緒論
1.1國內(nèi)外鍋爐溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況
工業(yè)鍋爐是一個非常復雜的工業(yè)設備，為了實現(xiàn)對鍋爐的控制，需要測量幾十個參數(shù)，包括各臺鍋爐的出水溫度、回水溫度、給煤量、鼓風等。他們之間相互影響，存在各種復雜的因果關系，并且經(jīng)常變化，增加了鍋爐控制的難度。
1960年之前，鍋爐控制全靠人力，操作工人通過手動操作的方式來控制鍋爐，因此對工人要求高，必須具有豐富的操作經(jīng)驗，憑借感覺來確定鼓風機轉(zhuǎn)速、引風量、煤供給量以及給水泵的給水速度。不僅會使工人壓力大增，還會讓工人更加勞累，因此鍋爐運行效率低，事故多發(fā)。
隨著電子技術和自動化技術的發(fā)展，國外科研團首先設計了鍋爐自動化控制系統(tǒng)。1991年，我國科研人員開始研究自動化控制技術應用于工業(yè)鍋爐，并且向國外引進先進的全自動化工業(yè)鍋爐控制技術，在70年代后期開發(fā)出一些工業(yè)鍋爐的自動化測量儀器后，把自動化技術正式使用在工業(yè)鍋爐溫度控制系統(tǒng)領域。雖然熱效率有所提高，事故也變少了，但是因為儀表精度不高，控制效果依舊不太理想。
隨著科技的發(fā)展,價錢便宜的PLC、單片機和工控專業(yè)計算機持續(xù)被研制，并且在我國全面應用,使得鍋爐控制領域的研究獲得新的方向。致力于運用計算機技術,開發(fā)出可靠性高、效率高的工業(yè)控制系統(tǒng)。80年代后期至今,各種各樣的鍋爐PLC、單片機控制系統(tǒng)在國內(nèi)出現(xiàn)并應用,提高了鍋爐運行的穩(wěn)定性，但受環(huán)境影響較大。
目前集成控制系統(tǒng)應用最為廣泛，大部分用PLC進行設計，不僅具有很高的穩(wěn)定性，而且便宜，速度塊。
1.2國內(nèi)外PLC發(fā)展現(xiàn)狀
可編程序控制器是一種計算機，這種計算機可以實現(xiàn)工業(yè)上的各種自動化任務并能和其他計算機通信。如今plc技術已經(jīng)非常好，不但自動化控制功能更加槍大、更加穩(wěn)定，而且能量消耗少，體積進一步縮小，成本下降，故障維修更加方便。目前，PLC產(chǎn)品功能日趨完善，是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的重要支柱。
隨著PLC應用范圍更廣，功能變強大，質(zhì)量價格比更高。為了適應各大企業(yè)的需要，PLC產(chǎn)品向著兩極發(fā)展，一極向速度更快、體積更小、性能更強的方向發(fā)展，以適應小型自動控制的需要。另外同時發(fā)展容量打，速度快，多功能技術強大的大型PLC。使得PLC產(chǎn)品能控制大規(guī)模的自動化系統(tǒng)。
隨著更先進計算機的出現(xiàn)，PLC技術同時進步?，F(xiàn)在，世界上生產(chǎn)PLC的廠家數(shù)不勝數(shù)，著名的有A-B公司、西門子公司、三菱等。我國從1974年左右開始厭舊PLC，1977年研制成功，目前約有1200多家公司生產(chǎn)PLC。
1.3研究的意義
工業(yè)鍋爐是一種可用于化工、發(fā)電、供氣等工業(yè)生產(chǎn)的重要動力設備。鍋爐工作汽化得到的蒸汽既可以輸送給用戶用來取暖、通風，也可以當做工業(yè)上加熱、消毒、烘烤、蒸煮等過程的熱量。隨著科學技術以及國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，各家工廠生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)擴大，使用新的工業(yè)設備，工業(yè)鍋爐給全廠設備提供能量，機組亦向著高參數(shù)大容量方向發(fā)展。因此鍋爐控制系統(tǒng)的工作效率是確保安全，穩(wěn)定生產(chǎn)的重要保證。
我國以燃煤鍋爐為主，每年消耗的煤炭占到我國煤炭產(chǎn)量的三分之一。由于我國鍋爐控制系統(tǒng)水平不高，操作工之間能力差距大，鍋爐長期處在高能耗的狀態(tài)，導致效率普遍偏低。低下的工作效率不僅浪費煤，而且煙氣會嚴重污染環(huán)境，制約社會和經(jīng)濟發(fā)展。這些對于我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施造成了難以承受的打擊。
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是非常常見的控制參數(shù)，鍋爐的溫度控制也是工業(yè)生產(chǎn)中常見的控制問題。對溫度進行控制可以提高鍋爐安全性和生產(chǎn)效率，同時還能節(jié)約能源。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，一臺10T每小時規(guī)格的鍋爐，每提升1%的效率，每年可以節(jié)約煤200噸左右，具有明顯的經(jīng)濟收益。因此設計一種工業(yè)鍋爐溫度控制系統(tǒng)對于環(huán)境保護以及提高國民經(jīng)濟具有重要意義。
2
第二章 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的總體介紹
第二章 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的總體介紹
2.1鍋爐的工藝流程
雖然鍋爐各種各樣,但其工藝流程大同小異,蒸汽發(fā)生系統(tǒng)基本相同。工業(yè)鍋爐工作部分由給水泵，水管，鍋筒，省煤器組成，燃料和空氣以一定比例混合燃燒產(chǎn)生高溫煙氣把熱量傳到循環(huán)水管，傳熱并產(chǎn)生蒸汽，最后經(jīng)過熱器，變成過熱蒸汽供給生產(chǎn)使用。
圖 2.1 燃煤鍋爐工藝流程圖
1． 給水泵：用來提高壓力，克服水管阻力，向汽包輸水。
2． 汽包：也叫鍋筒，是鍋爐中的核心元件。汽水混合物進入汽包，經(jīng)過煙氣加熱汽化產(chǎn)生飽和蒸汽。鍋筒中裝有汽水分離裝置，用來分離蒸汽，得到干度較大的飽和蒸汽。汽包是保證鍋爐能夠安全運行的關鍵。
3． 爐膛：是鍋爐供燃料燃燒的空間，爐膛的作用是保證燃料充分燃燒。把煤倒入煤斗掉在爐內(nèi)爐排上，電機啟動爐排把煤送入爐膛燃燒，得到高溫煙氣，高溫煙氣再將熱量傳遞給水后，從煙囪排除。
4． 鼓風機：將燃燒所需的空氣送到爐排下方
5． 引風機：將鍋爐中的煙氣送往煙囪，排入大氣，使爐膛正常燃燒,防止爐膛爆炸。
6． 省煤器：燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，加熱水之后在排出之前仍具有較高熱量，利用余熱預熱給水泵送入汽包的冷水。
7． 空氣預熱器：爐膛排出的煙氣經(jīng)過省煤器之后進入空氣預熱器，加熱被鼓風機吹進鍋爐里的空氣，提高熱效率。
2.2鍋爐的工作過程
首先，工人把煤添到煤斗里滾落入爐排上，爐排轉(zhuǎn)動將煤送入鍋爐爐膛燃燒，鼓風機把煤燃燒需要的空氣送至爐排下面。分別通過爐排和鼓風機轉(zhuǎn)速，使空氣和燃料成比例燃燒，同時用引風機將廢氣排往大氣控制爐膛負壓。煤充分燃燒之后剩下的煤渣通過爐排送往出渣機。經(jīng)過上述燃燒過程得到大量熱量，使鍋爐內(nèi)溫度升高，得到高溫煙氣。煙氣與爐膛中水管接觸傳熱，把熱量傳給水管中的冷水。由于下方不斷送入冷空氣，高溫煙氣在傳遞熱量的同時向上方流動，之后，煙氣將被送至煙囪，進入大氣。由于這時的煙氣仍有較高余熱，所以在煙氣進入煙囪之前的位置，安裝省煤器和空氣加熱裝置，加熱冷水和空氣，使得煙氣以較低溫度排出，節(jié)約能源。冷水通過給水泵加壓，流過省煤器進入鍋筒。在汽包下方的水靠近高溫煙氣受熱較多，使得上方的冷水向下流動，下方的水流入上汽包，利用上汽包中的汽水分離設備及汽包中的重力作用分離汽水混合物。
2.3鍋爐的自動調(diào)節(jié)任務
鍋爐用于生產(chǎn)一定溫度和壓力的熱水和蒸汽，因此為了保證鍋爐正常效率地運行，需要完成空氣供給，出水溫度，蒸汽流量等自動調(diào)節(jié)任務。
1． 出水溫度控制：出水溫度受給煤量、鼓風、引風量的影響。為了保證鍋爐的出水溫度，就需要控制調(diào)節(jié)給煤量的多少。在煤斗輸煤量不變的情況下，通過控制爐排轉(zhuǎn)速來控制給煤量?？刂棋仩t出水溫度及其重要，但由于人工控制存在較大誤差，工作量大，因此采用微機控制是最好選擇。在計算機里提前存入所有室外溫度下標準出水溫度和標準出水、回水溫度差圖線，計算機結(jié)合室外溫度，從標準出水曲線圖上查出鍋爐的出水溫度給定值，計算機比較鍋爐當前出水溫度和給定值的偏差，自動控制調(diào)節(jié)爐排轉(zhuǎn)速使當前出水溫度達到標準值。
2． 空氣供給控制：也就是控制鼓風量，根據(jù)給煤量給定送入鍋爐的空氣量，保證燃料完全燃燒，提高經(jīng)濟效益。
3． 蒸汽壓力控制：蒸汽壓力升高表明鍋爐蒸發(fā)量過多，造成經(jīng)濟浪費；反之表明負荷的蒸汽消耗量大，鍋爐蒸發(fā)量不足。蒸汽壓力過高會降低管道等設備壽命，壓力過低則無法提供負荷所要求的蒸汽。因此需要控制蒸汽壓力，保證鍋爐經(jīng)濟化生產(chǎn)。通過適當調(diào)節(jié)給煤量控制蒸汽壓力。
4． 汽包水位控制：汽包水位過低過高都會極大的妨礙鍋爐運作，汽包水位過高，會妨礙汽包中的蒸汽和熱水分離，造成蒸汽不夠干燥的后果。使得過熱蒸汽溫度下降變快，鍋爐容易毀壞，降低安全性和經(jīng)濟效益。
汽包水位過低，表示汽包內(nèi)水汽化速度很快，向汽包輸水的速度跟不上，只要汽包里的水全部用完，會造成鍋爐爆炸。
因此調(diào)節(jié)給水泵閥門控制汽包水位基本不變是本次給水回路設計的關鍵。
5． 回水壓力控制：壓力過高由加熱膨脹等原因造成，會引起管道破裂，可以通過開啟電磁閥進行泄壓來降低壓力；壓力過低由管道泄漏等原因引起，會導致供暖不足，可以通過開啟補水閥對系統(tǒng)補水來提高壓力。
6． 爐膛壓力控制：壓力過大會造成漏風過多，損失大量高溫煙氣。因此要控制送風量和引風量大小，保證鍋爐運行時爐膛為負壓狀態(tài)。
由上述分析可知，鍋爐中的各種參數(shù)互相關聯(lián)。因此，當鍋爐的運行受到干擾導致某一參數(shù)變化時，鍋爐的自動控制系統(tǒng)要調(diào)節(jié)所有能產(chǎn)生影響的變量，使其具有一定調(diào)節(jié)精度。這種控制方式實現(xiàn)起來太過困難。又由于各個參數(shù)之間的聯(lián)系有大有小，例如出水溫度受燃料輸送影響大，基本不受引風量影響，所以可以設置多個調(diào)節(jié)系統(tǒng)，分別控制鍋爐的多個調(diào)節(jié)對象。這種方法簡單而實際。
2.4本章小結(jié)
本章首先介紹了工業(yè)鍋爐蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的組成以及各部分的作用，詳細地介紹了鍋爐的工藝流程及其工作過程，最后分析并完成蒸汽流量控制、空氣供給控制、壓力控制、出水溫度控制等自動調(diào)節(jié)任務等。
13
第三章 控制系統(tǒng)硬件選用與設計
第三章 控制系統(tǒng)硬件選用與設計
本設計控制系統(tǒng)包含壓力變送器、溫度傳感器、西門子PLC作為控制器、帶WINCC的PC機作為上位機。
3.1PLC控制系統(tǒng)的硬件選擇
本設計采用西門子S7-300PLC，S7-300是西門子公司生產(chǎn)的可編程控制器系列產(chǎn)品的一個類型，因為它的?？旎Y(jié)構(gòu)、性價比高、抗震能力強、電磁兼容性好等優(yōu)點，所以得到大部分工廠的認可。
S7-300是模塊式PLC，由電源、CPU、輸入輸出和編程計算機等組成，各種部件裝在機架上，通過CPU模塊與計算機或其他設備相連。
圖3.1 PLC控制系統(tǒng)示意圖
3.1.1CPU的選擇
CPU模塊式本系統(tǒng)核心，選擇時需要考慮本次設計用到的程序塊數(shù)量以及PROFIBUS-DP接口使用情況。S7-300系列的PLC有CPU312、CPU314、CPU319等類型，本設計需要能用于執(zhí)行規(guī)模較大并且對執(zhí)行速度較快的程序進行高速處理的類型，又由于314?？炜梢赃M行分布式配置，適用于雙機架，所以可以滿足鍋爐控制的要求。
3.1.2 S7-300 電源模塊的選擇
PLC所用電源一般為AC220V或DC24V，選擇電源模塊時需要考慮機架數(shù)量以及輸入輸出負荷要求，電源模塊把輸入的交流120V電壓轉(zhuǎn)換為直流24V電壓和直流5V電壓給PLC機架上的模塊供電，給S7-300使用并且給直流24V的電路供電。要求線路上輸出給S7-300上的所有元件使用的總電流低于或者等于1.2A，并且所選電源模塊的輸出功率必須比CPU模塊、各種輸入輸出模塊、接口模塊等總消耗功率之和大,外加預留約30%的余量。綜上考慮選擇ps301 5A電源模塊。
3.1.3 輸入輸出模塊的選擇
輸入輸出模塊統(tǒng)稱為信號模塊。信號模快相當于系統(tǒng)的手、耳、口、鼻，是與外部鍋爐設備以及CPU硬件設備連接的橋梁。
輸入模塊顧名思義其作用是用來收集輸入信號，數(shù)字量輸入膜塊和模擬量輸入膜塊分別接收不同的數(shù)據(jù)。數(shù)字量輸入膜塊收集從各種開關、數(shù)字開關、選擇開關、光電開關、按鈕、壓力繼電器等元件傳來的輸入數(shù)據(jù);而模擬量輸入模塊則用來接收各種變送器、測速發(fā)電動機和變位器提供的不斷改變的虛擬信號。
模擬量輸入模塊分三種， 8AI* 16位模塊、8AI* 12位模塊、2AI* 12位模塊。它的轉(zhuǎn)換原理應用微分方法，精度由積分的時間決定?？梢赃B接pt100和鉑銠熱電偶等多種不同的信號，輸入的測量范偉大。每兩個輸入通道組成一個通道組，然后按照通道組隨便選擇測量數(shù)據(jù)的方式。模塊上連接直流24V的負載電源，作用是保護模塊。對于傳感器和熱電阻的輸入擁有短路保護功能。在本系統(tǒng)中，選擇第二種模塊。
模擬量輸出模塊分三種，分別是4A0* 16位模塊、2A0* 12位模塊和4A0* 12位模塊。用2限制回路連接，輸出精確度比3線制回路低。所以采用3線回路，傳感器一端連接到R-，另一端連接到Qn和R+。 SM332能對電壓輸出進行短路檢查，對電流輸出進行短路保護。在本系統(tǒng)中選用第三種模塊。
數(shù)字量輸入、輸出模塊有兩種類型用于選擇。一種是16點輸出和16點輸入的模塊，擁有多個共工端。另一類是8點輸入和8點輸出。輸入、輸出的額定電壓相同為24V，輸出電流不能超過O.5A，每個機架的電流不能超過4A。輸入電路和輸出電路通過特殊器件與備辦總線相連，庶出電路為晶體館型，能夠保護電路。用于連接各種開關、電磁鐵、繼電器、電動機、指示燈。我選擇使用的是16點輸入的數(shù)字量輸入摸塊和16點輸出的數(shù)字量輸出摸塊。
3.1.4鍋爐控制系統(tǒng)硬件組態(tài)
綜上選擇好所有模塊之后，構(gòu)成2個機架，一臺主要機架一臺額外機架，上面分別安裝一個PLC。機架配置如下圖所示：
圖3.2 第0號機架圖
第0號機架上有11個模塊，從左到右依次是ps301，CPU，接口模塊，8個模擬量輸入模塊。
圖3.3 第1號機架圖
第一號機架圖上含10個模塊，從左到右依次是PS301，CPU，接口模塊，5個模擬量輸出摸塊，以及數(shù)字量輸入、輸出模塊各一個。
3.2 I/O點數(shù)設計
為了方便設計PLC接線以及程序編輯，I/O點數(shù)的分配至關重要。根據(jù)I/O分配表進行編程等工作可以大幅減少工作量，意味著出錯率更低。
本系統(tǒng)I/O分配表如下：
表3.1 輸入分配表
（一）輸入：
序號
名稱
輸入點
序號
名稱
輸入點
1
急停
I0.1
13
出水壓力低
I1.5
2
就地遠程
I0.2
14
燃煤開關
I2.2
3
OFF水位極低
I0.3
15
爐膛負壓
I2.5
4
循環(huán)水泵
I0.4
16
閥零位偏差
I2.6
5
水位極高
I0.5
17
風機過載
I2.7
6
停爐
I0.6
18
浮球水位低
I2.8
7
啟動-復位
I0.7
19
壓力傳感器
I2.9
8
鼓風機運行
I1.0
20
9
燃燒反饋
I1.1
21
10
停止給煤
I1.2
11
溫度傳感器
I1.3
12
出水壓力高
I1.4
OFF（變量）：ON時該輸入代表的變量未發(fā)生
表3.2輸出分配表
（二）輸出
序號
名稱
輸出點
序號
名稱
輸出點
1
報警鈴
Q0.0
2
鍋爐啟停
Q0.1
3
二段火_風門加
Q0.2
4
三段火_風門減
Q0.3
5
風機開
Q0.4
6
風機后掃
Q0.5
7
循環(huán)泵啟動
Q0.6
8
燃燒器故障復位
Q0.7
9
燃燒器待機運行
Q1.0
10
循環(huán)泵變頻器復位
Q1.1
3.3硬件電路接線圖設計
在確定了自動控制要達到的控制要求并且硬件配置和I/O分配完成后,接著就開始設計PLC接線圖。PLC接線圖作用是讓我們能夠有條理地連接各種硬件設備，并且給編寫程序及故障檢查提供方便。
一般而言，電氣控制柜布置要能防電磁等干擾，所以像PLC這些等會受電氣干擾的裝置，要和接觸器、機電器、扁平器等隔開，增加穩(wěn)定性和抗干擾性。西門子PLC控制柜里一般都裝著各類開關、變頻器、繼電器、PLC,變壓器和接線排等。本系統(tǒng)空置柜分為PLC控制柜和電氣柜。動力柜如圖所示：
圖3.4 動力柜內(nèi)部接線圖
3.3.1PLC控制柜供電回路接線
控制柜供電回路的作用是給PLC和繼電器供電，使各個控制設備得意正常運行。原理是通過控制斷路器通斷來供電。
圖3.5 PLC控制系統(tǒng)供電主回路
3.3.2PLC接線圖設計
數(shù)字量輸入模塊接線的作用是用于現(xiàn)場輸入元件的控制，要求僅需開關觸點。為該模塊提供的輸入電壓為直流24V。
數(shù)字量輸出模塊接線作用是驅(qū)動繼電器、接觸器等負載。原理是把PLC內(nèi)部信號轉(zhuǎn)化成外部所需信號。接線圖如下：
圖3.6 PLC接線圖
3.4傳感器的選擇和應用
3.4.1溫度傳感器的選擇
本設計溫度傳感器作用主要是測量鍋爐的出水溫度及回水溫度，其次測量爐膛內(nèi)的溫度，以保證安全。溫度傳感器原理是通過把測量到的溫度變化轉(zhuǎn)化成電量變化來測量溫度，其中用的最多的是熱電偶傳感器和熱電阻傳感器。熱電偶將溫度變化轉(zhuǎn)化為電勢變化，測量范圍廣；熱電阻傳感器感受溫度，通過傳感器電阻變化測出數(shù)據(jù)，具有測量準確，數(shù)據(jù)穩(wěn)定的特點。
由于水溫最高100℃，而爐膛內(nèi)溫度較高，查下表：
表3.2 溫度傳感器測量范圍表
選擇pt100熱電阻溫度傳感器測量鍋爐出水溫度和回水溫度。選擇鉑銠熱電偶溫度傳感器測量爐膛溫度。
Pt100熱電阻溫度傳感器工作原理：溫度不同時它的阻值是固定的，并且阻值隨溫度上升而成比例上升。
熱電偶溫度傳感器工作原理：把2種不同的導電材料a和b分2邊粘在一起形成閉合回路，一端接觸被測物體，傳熱溫度升高，與另一端產(chǎn)生溫差，就會產(chǎn)生電動勢，因此在電路中的電流就會變化，通過電流大小來側(cè)量溫度。
3.4.2壓力傳感器的選擇
本設計壓力傳感器用于測量液位和蒸汽流量。壓力傳感器多種多樣，這里選擇廣泛用在工業(yè)領域的壓阻式壓力傳感器，它的測量精度高，價格便宜。壓阻式壓力傳感器利用電阻應變片進行測量，一般先把它粘合被測的物體上，物體受到壓力發(fā)生形變時，使它同時發(fā)生形變，導致它阻值改變，使得加在電阻上的電壓變化，根據(jù)電壓測量得到數(shù)據(jù)。本次設計選用STP壓力傳感器。
3.5本章小結(jié)
本章對鍋爐控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成進行研究，（1）設計合適的主控單元PLC（2）選擇合適的控制系統(tǒng)硬件組態(tài)模塊（3）設計合理的傳感器，包括溫度傳感器、壓力傳感器。（4）設計I/O分配和PLC接線
第四章 控制系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)
第四章 控制系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)
4.1系統(tǒng)控制軟件設計
4.1.1PLC軟件介紹
PLC軟件中都含有制造廠商所提供的默認程序，用戶也可以自己編寫程序。軟件程序可以給用戶編寫程序提供運行菜單，另外，還對PLC程序運行的可靠性以及信號與信息轉(zhuǎn)換進行處理。用戶程序就是使用者按自己的想法自己編寫的程序，本文所說的PLC軟件設計就是指自己編寫控制系統(tǒng)程序。
4.1.2PLC特點
PLC具有編程方法簡單易懂，功能全面、實惠、穩(wěn)定性高、抗干擾能力優(yōu)秀、使用簡單、能耗低等特點。一臺小型PLC可以完成極其復雜的控制功能，具有較高性價比，配備有各種各樣的硬件裝置，方便用戶組成各種規(guī)模、功能的系統(tǒng)。PLC壽命很長，幾乎不會損壞，平均無故障時間達上萬小時。PLC的執(zhí)行元件或者輸入裝置壞掉后，可以通過編程軟件的程序信息，輕松查明故障原因。
4.1.3西門子編程軟件簡介
STEP7是用來編程的基準軟件集，其中包括SIMATIC管理器、觸摸屏、模擬器、符號編輯器等應用工具。
SIMATIC管理器管理這自動化控制程序的所有數(shù)據(jù)，該管理器可以初始化數(shù)據(jù)、設定參數(shù)、新建project、編寫程序、調(diào)試程序等功能。
符號管理器用來管理所有共享符號，給我們用到的輸入輸出信號用符號表示并注釋。具有分類功能，且用符號管理器生成的符號表，所有其他工具也可以使用。
共有三種軟件編程語言，他們是標準軟件包的集成部分。首先，梯形圖是一種用圖形來表達的編程語言，當電信號通過各個部位和輸出線圈時，梯形圖能夠通過電信號在元件和線圈中的運動表示出來。其次，語句表是編程語言的文字表達方式，一個用語句表編寫的程序在執(zhí)行時會按照每條程序依次執(zhí)行，為了簡化編程而擴展了一些高級語言結(jié)構(gòu)。最后一種編程語言叫功能塊圖，是以圖形的方式來表達程序，基本使用邏輯電路的邏輯圖來表達編輯，便于描述復雜的控制功能，容易查漏補缺。本設計使用到梯形圖和語句表2種編程方式。
在編程之前，需要結(jié)合實際進行硬件組態(tài)，該功能為設計項目的參數(shù)賦值，在做參數(shù)設置的時候，所有可設參數(shù)都用對話框來設置。CPU啟動時自動完成向硬件傳送參數(shù)設定值，也就是指模板可以互相交換且不需要設置新的參數(shù)。
4.2控制系統(tǒng)下位機程序設計
4.2.1控制程序的任務要求
設計的程序要滿足課題任務的內(nèi)容和要求，本畢業(yè)設計課題要求對鍋爐的給煤量、鼓風、出水溫度、回水溫度等參數(shù)進行控制，逐一編寫各個控制任務的程序。
本設計將動態(tài)控制策略和穩(wěn)定控制策略相結(jié)合，融合2種控制策略的優(yōu)點。穩(wěn)定控制策略是指在不同的時間段，控制出水溫度為某個固定值。比如在上午7點到12點，控制出水溫度為T1，在下午12點到5點，則要求控制出水溫度為T2.這種控制策略比較簡單。而動態(tài)控制策略是根據(jù)室外溫度變化等外界因素，來調(diào)節(jié)控制出水溫度，需要針對室外溫度的變化及時作出反應，因此動態(tài)控制策略較為困難麻煩。
按照程序的設計要求，在PLC通電之后，首先要進行初始化操作，為正常啟動做準備。初始化程序包括把一些數(shù)據(jù)區(qū)清零，對一些輸出位復位或置位，對定時器和累加器進行初始化操作等。接著采集模擬量，對出水溫度、回水溫度、流量等被控參數(shù)按照一定時間間隔采集數(shù)據(jù)，然后調(diào)用表度化程序?qū)ζ溥M行表度化處理，將采集到的實際數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成PLC使用的數(shù)據(jù)。接下來對系統(tǒng)中各個控制回路的參數(shù)進行監(jiān)測控制。最后在各種程序中，保護和連鎖是必不可少的，所以要啟動報警控制程序，對系統(tǒng)參數(shù)是否超過安全限制進行監(jiān)控?？刂瞥绦蛄鞒虉D如下：
圖4.1 系統(tǒng)控制流程圖
4.2.2控制程序的編寫
1.模擬量采集
西門子S7-300PLC中的模擬量模塊可以隨意組合來配合所有所需要的I/O點數(shù)量，操作簡單，組裝方便。本課題所用的電留傳感器、電壓傳感器和電阻都可作為傳感器和該模塊連在一起。分辨率可調(diào)范圍廣，分別用在各種不同的時間。模塊把故障信號和各種報警信號發(fā)送到PLC中的CPU中，并用LED燈光顯示。S7-300PLC模擬量采集后的標準化，轉(zhuǎn)化它時要細想極性、測量范圍、模擬量、通路、分辨率、每個通道的最大轉(zhuǎn)換時間。A/D轉(zhuǎn)換把鍋爐運行過程中收集得到的模擬信號轉(zhuǎn)換成可供PLC使用的數(shù)字信號，用于提供有效數(shù)據(jù)，提供各種控制對象的變化，以便于PLC對被控對象進行監(jiān)測控制。
出水溫度采樣
LD Always_On:SM0.0
= L60.0
LD 秒0D2脈沖:M0.6
= L63.7
LD L60.0
CALL Sample_average:SBR10, L63.7, 10, 2, 模入2_出水溫度:AIW6, A2_max出水溫度:VD2516, A2_min出水溫度:VD2520, A2_sum出水溫度:VD2524, A2_actiones出水溫度:VW2528, A2_numbers出水溫度:VW2530, LB2_出水溫度:VW1002, 采樣結(jié)束_A2:M16.1, 傳感壞_檢出水溫:M24.1
回水溫度采樣
LD Always_On:SM0.0
= L60.0
LD 秒0D2脈沖:M0.6
= L63.7
LD L60.0
CALL Sample_average:SBR10, L63.7, 10, 2, 模入3_回水溫度:AIW8, A3_max回水溫度:VD2532, A3_min回水溫度:VD2536, A3_sum回水溫度:VD2540, A3_actiones回水溫度:VW2544, A3_numbers回水溫度:VW2546, LB3_回水溫度:VW1004, 采樣結(jié)束_A3:M16.2, 傳感壞_檢回水溫:M24.2
2.模擬量處理的刻度化
為了方便直觀地在編程或者控制的時候給系統(tǒng)參數(shù)設值，就要使PLC里所用的數(shù)據(jù)和鍋爐中的實際數(shù)值進行相應的轉(zhuǎn)換。以本系統(tǒng)中鍋爐為例，可以使得到的出水、回水溫度等數(shù)據(jù)變換成實際數(shù)據(jù)。這樣就可以根據(jù)之前所收集的物理量不同，靈活地調(diào)節(jié)測量范圍，提高精準度。
模擬量的刻度化用于A/D轉(zhuǎn)換后，把輸入控制器的相應數(shù)值，轉(zhuǎn)換成方便整理的實際數(shù)據(jù)。
出水溫度工程轉(zhuǎn)換
LD Always_On:SM0.0
CALL Scale_I_to_I:SBR31, LB2_出水溫度:VW1002, S2_2出水溫采樣高:VW510, S2_1出水溫采樣低:VW508, S2_4出水溫工程高:VW514, S2_3出水溫工程低:VW512, A2_出水溫度:VW1130
AW<= A2_出水溫度:VW1130, S2_3出水溫工程低:VW512
MOVW S2_3出水溫工程低:VW512, A2_出水溫度:VW1130
回水溫度工程轉(zhuǎn)換
LD Always_On:SM0.0
CALL Scale_I_to_I:SBR31, LB3_回水溫度:VW1004, S3_2回水溫采樣高:VW518, S3_1回水溫采樣低:VW516, S3_4回水溫工程高:VW522, S3_3回水溫工程低:VW520, A3_回水溫度:VW1132
AW<= A3_回水溫度:VW1132, S3_3回水溫工程低:VW520
MOVW S3_3回水溫工程低:VW520, A3_回水溫度:VW1132
工程轉(zhuǎn)換計算
根據(jù)公式Output = (Input - osl)*(osh - osl ) / (ish - isl ) + osl
LD Always_On:SM0.0
ITD #Input:LW0, LD20
DTR LD20, LD20
ITD #Ish:LW2, LD24
DTR LD24, LD24
ITD #Isl:LW4, LD28
DTR LD28, LD28
ITD #Osh:LW6, LD32
DTR LD32, LD32
ITD #Osl:LW8, LD36
DTR LD36, LD36
LD Always_On:SM0.0
MOVR LD24, LD40
-R LD28, LD40
MOVR LD32, LD44
-R LD36, LD44
MOVR LD20, LD48
-R LD28, LD48
MOVR LD44, LD52
/R LD40, LD52
*R LD48, LD52
+R LD36, LD52
ROUND LD52, LD52
DTI LD52, #Output:LW10
3.回路控制程序
回路控制是鍋爐控制系統(tǒng)中的核心部分，是鍋爐安全運行的必要保障。本控制系統(tǒng)包含燃料控制、風機風量控制、出水溫度控制等，達到對系統(tǒng)溫度進行調(diào)節(jié)控制的要求。
出水溫度控制回路就是對燃料流量的控制，它通過調(diào)節(jié)爐排轉(zhuǎn)速或者油閥閥門大小即調(diào)節(jié)燃料輸送的多少從而調(diào)節(jié)鍋爐的出水溫度。出水溫度作為熱水鍋爐最重要的參數(shù)，極大地影響鍋爐穩(wěn)定和安全，采用PLC控制可以高效地戰(zhàn)勝人工操控的缺點.系統(tǒng)比較鍋爐當前出水溫度和給定值的大小，通過內(nèi)部的控制算法控制燃料供給來調(diào)節(jié)火焰大小，使鍋爐出水溫度逐漸達到給定值。
出水溫差計算：
LD Always_On:SM0.0
MOVB 0, PD101_出水溫定時PID計數(shù):VB1601
MOVW C204_實際出水溫目標設置:VW1546, PD102_出水溫查Ei_W:VW1602
-I C201_實際被控溫度:VW1540, PD102_出水溫查Ei_W:VW1602
ITD PD102_出水溫查Ei_W:VW1602, PD103_出水溫查Ei_D:VD1604
S 出水溫Ei數(shù)據(jù)就緒:M2.2, 1
目標溫度控制：
LD Always_On:SM0.0
LPS
MOVW A2_出水溫度:VW1130, C201_實際被控溫度:VW1540
AN XZ4_天氣溫度補償:V90.3
MOVW #目標溫度:LW2, C204_實際出水溫目標設置:VW1546
LPP
A XZ4_天氣溫度補償:V90.3
MOVW LW0, C204_實際出水溫目標設置:VW1546
+I #目標溫度:LW2, C204_實際出水溫目標設置:VW1546
新的目標溫度控制：
LD Always_On:SM0.0
MOVW C204_實際出水溫目標設置:VW1546, C202_實際出水溫度低設置:VW1542
-I SZ21_出水溫度低差:VW340, C202_實際出水溫度低設置:VW1542
MOVW C204_實際出水溫目標設置:VW1546, C203_實際轉(zhuǎn)中火溫度設置:VW1544
-I SZ22_出水溫度低差2:VW342, C203_實際轉(zhuǎn)中火溫度設置:VW1544
MOVW C204_實際出水溫目標設置:VW1546, C205_實際出水溫度高設置:VW1548
+I SZ24_出水溫度高差:VW346, C205_實際出水溫度高設置:VW1548
給水控制回路:給水泵把經(jīng)過簡單處理的冷水經(jīng)過省煤器送進鍋爐的汽包里，省煤器利用給汽保中水加熱之后擁有剩余熱量的煙氣使鍋爐的給水預熱，用以節(jié)約一定的能源，水在汽包里被加熱變成蒸汽輸出，汽包中的水位需要保持在一定范圍內(nèi)。在給水泵后安裝控制器，用于控制給水開關，通過控制給水開關開口大小就能控制給水的多少，從而穩(wěn)定鍋爐汽包水位，保證鍋爐的水位平衡。水位控制示意圖:
圖4.2 水位控制示意圖
LD BZT_工作時間段:V1.7
ON XZ3_時間分段控制:V90.2
O XZ6_不停給水泵:V90.5
A BZ9_停機_運行:V2.0
A 系統(tǒng)初始化:T37
AN PK3_給水泵手動:V70.2
= XHB1_自動工作:V5.0
鼓風控制:煤燃燒需要氧氣，煤越多火越大，氧氣需求就越多，鼓風控制就是控制空氣供給來實現(xiàn)燃料充分燃燒。因此這里設計回路時設計成與燃料量成正比例關系的比值控制回路。控制結(jié)構(gòu)圖:
圖4.3 鼓風控制結(jié)構(gòu)圖
蒸汽壓力控制:由于鍋爐中燃料供給量改變之后，要過一段時間，蒸汽壓力才會隨之變化，所以鍋爐壓力控制回路有很大的滯后，同時鍋爐壓力控制回路還受到燃料種類，質(zhì)量甚至室外溫度條件等眾多因素的影響，和給水，汽水分離等都有關聯(lián)，因此該回路無法精確控制。我們要控制該回路的蒸汽壓力大小，壓力越大，蒸汽產(chǎn)量越大，用戶負荷要求決定需要的蒸汽流量，主要就是通過給煤速度來控制，鼓風機轉(zhuǎn)速必須和爐排轉(zhuǎn)速一致，否則氧氣不足，無效燃料增多，火勢不變，不能達到效果。本系統(tǒng)結(jié)合pid控制算法和反饋的蒸汽流量大小控制爐排轉(zhuǎn)速，控制程序結(jié)構(gòu)圖：
圖4.4 蒸汽流量控制示意圖
4.3本章小結(jié)
本章首先簡單介紹了編程所選軟件，及其特點。接著詳細設計了鍋爐溫度控制系統(tǒng)主程序并對各子程序的進行編寫，包含模擬量采集程序、模擬量刻度化程序、回路控制子程序。
22
第五章 總結(jié)
第五章 總結(jié)
隨著社會的發(fā)展，科技的進步，鍋爐運行控制也朝著自動化方向發(fā)展。本文針對人工控制鍋爐能源浪費的情況開發(fā)設計了基于PLC的工業(yè)鍋爐溫度控制系統(tǒng)。融合應用可編程控制器和各種傳感器，控制鍋爐在最佳狀態(tài)下運行，使得燃料合理充分燃燒，工人工作量降低。
本文所做任務如下：
分析設計任務，提出方案框架。根據(jù)本次設計所要達到的要求即對鍋爐溫度的自動控制，分析鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，得出設計所需的硬件配置以及軟件的選擇。
對應I/O分配表畫出接線圖，方便接下來的程序編寫。
簡化復雜的控制任務，設計系統(tǒng)控制程序。由于鍋爐中各個參數(shù)之間都存在一些或大或小的關聯(lián)，設計時需要考慮的東西太多太困難。因此選擇被控參數(shù)的主要影響變量來進行設計。即影響出水溫度的主要因素是燃料量，就通過控制燃料供給來控制出水溫度，同時根據(jù)比例控制鼓風。
設計啟?？刂瞥绦颍瑘缶刂瞥绦?，保障鍋爐安全運行。針對汽包水位、蒸汽壓力、爐膛壓力等因素設計鍋爐啟停以及危險報警。保證鍋爐安全運行時本設計是否成功的關鍵。
本次課題所設計的鍋爐溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對給水量、鼓風、燃料量、出水溫度、蒸汽流量等方面的自動控制，提高了控制精度，讓工人更輕松，工廠使用燃料減少。然而由于鍋爐控制滯后性很大，在精確度上仍然具有較大的提升空間，需要研究更加優(yōu)秀的控制算法。
23
參考文獻
參考文獻
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24
附錄
附錄一
輸入/輸出的分配表
（一）輸入：
序號
名稱
輸入點
序號
名稱
輸入點
1
急停
I0.1
13
出水壓力低
I1.5
2
就地遠程
I0.2
14
燃煤開關
I2.2
3
OFF水位極低
I0.3
15
爐膛負壓
I2.5
4
循環(huán)水泵
I0.4
16
閥零位偏差
I2.6
5
水位極高
I0.5
17
風機過載
I2.7
6
停爐
I0.6
18
浮球水位低
I2.8
7
啟動-復位
I0.7
19
壓力傳感器
I2.9
8
鼓風機運行
I1.0
20
9
燃燒反饋
I1.1
21
10
停止給煤
I1.2
11
溫度傳感器
I1.3
12
出水壓力高
I1.4
OFF（變量）：ON時該輸入代表的變量未發(fā)生
（二）輸出
序號
名稱
輸出點
序號
名稱
輸出點
1
報警鈴
Q0.0
2
鍋爐啟停
Q0.1
3
二段火_風門加
Q0.2
4
三段火_風門減
Q0.3
5
風機開
Q0.4
6
風機后掃
Q0.5
7
循環(huán)泵啟動
Q0.6
8
燃燒器故障復位
Q0.7
9
燃燒器待機運行
Q1.0
10
循環(huán)泵變頻器復位
Q1.1
附錄二
主程序
啟停程序
鍋爐啟停控制
LD 起爐信號延時:T47
O PA1_啟動:V60.0
O BZ9_停機_運行:V2.0
AN 停爐信號延時:T48
AN PA2_停機:V60.1
AN FK_就地遠程:V50.4
LD I_遠程啟停:I0.0
A FK_就地遠程:V50.4
OLD
A BZ7_選自動方式:V1.6
A I_急停:I0.1
AN GZ_連鎖燃燒器:V33.1
AN BZ10_風機測試:V2.1
A 系統(tǒng)初始化:T37
= BZ9_停機_運行:V2.0
報警程序
出水溫度超高報警
LDW>= C201_實際被控溫度:VW1540, SD3_出水超溫點:VW104
AN GZ_C2_出水溫度傳感:V34.6
A XZ18_A2出水溫:V92.1
TON 出水溫（A）超高延:T112, 30
A 出水溫（A）超高延:T112
S GZ_A98_出水溫超高_A:V46.6, 1
系統(tǒng)時鐘程序：
時鐘設置-月
LD Always_On:SM0.0
LPS
AW> #W_Time_M:LW3, 12
MOVW 1, #W_Time_M:LW3
LRD
AW< #W_Time_M:LW3, 1
MOVW 1, #W_Time_M:LW3
LRD
MOVW #W_Time_M:LW3, #Time_Temp:LW15
IBCD #Time_Temp:LW15
LPP
ITB #Time_Temp:LW15, #W_Temp_M:LB18
時鐘設置-日
時鐘設置-時
LD Always_On:SM0.0
LPS
AW> #W_Time_H:LW7, 23
MOVW 1, #W_Time_H:LW7
LRD
AW< #W_Time_H:LW7, 0
MOVW 1, #W_Time_H:LW7
LRD
MOVW #W_Time_H:LW7, #Time_Temp:LW15
IBCD #Time_Temp:LW15
LPP
ITB #Time_Temp:LW15, #W_Temp_H:LB20
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