燃油锅炉电气控制系统设计与制作汇总Word下载.docx
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此外，PLC编程简单，使用方便，现场安装调试的时间短。
1.2燃油锅炉的简述
燃油锅炉是指燃料使用燃油的锅炉,包括柴油,废油等油料的锅炉。
其中使用的燃油是一种液体燃料，它的沸点总是低于着火点，所以燃油的燃烧总是在气态下进行的。
燃油经雾化后的油粒喷进炉膛以后，被炉内高温烟气所加热，进行气化，气化后的油气和周围空气中的氧相遇，形成火焰。
燃烧产生的热量有一部分传给油粒，使油粒不断气化和燃烧，直到燃烬。
油粒直径越小，油粒的燃烧愈快。
同样，油粒燃烧所需的氧能及时地供给，油粒的燃烧也愈快。
1.2.1燃油锅炉系统工艺
燃油锅炉控制系统是由PLC来控制燃油锅炉的起动、停止、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。
它是由燃油预热器、喷油泵、喷油口、鼓风机、点火变压器、瓦斯阀、压力蒸汽开关、进水阀、排水阀、上下水位开关等组成,如图1所示。
燃油经燃油预热器预热，由喷油泵经喷油口打入锅炉进行燃烧。
燃烧时，鼓风机送风→喷油口喷油→点火变压器接通（子火燃烧）→瓦斯阀打开（母火燃烧）→将燃油点燃。
点火完毕后，关闭子火与母火，继续送风和喷油，使燃烧持续。
与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。
锅炉的进水和排水分别由进水阀和排水阀执行，上、下水位分别由水位上限、下限阀检测，蒸汽压力由蒸汽压力阀检测。
1.2.2燃油锅炉基本组成部分
锅炉的机组组成部分包括锅炉本体和辅助设备两大部分。
本体部分包括炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器、再热器等；
辅助设备包括送风机、引风机、给水泵等。
锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。
炉膛：
又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。
将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；
将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；
空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；
利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。
锅筒：
是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。
主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。
锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。
锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。
其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。
中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件；
中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。
锅筒上还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。
燃烧器：
是锅炉燃烧设备的主要组成部分，它的作用是把燃油和燃烧所需的空气送入炉膛，并组织合理的气流结构，使燃料能迅速地着火，稳定地燃烧。
它具有多级多嘴送风导向结构，这种结构经过特殊设计，能在短时间内使燃油产生高温涡流，具有高效节能，完全燃烧，热利用率高等优点，并且能够消除烟尘，改善工作条件，减轻劳动强度，是节能环保的理想产品.
水冷壁：
作用是吸收炉内辐射热，将水加热成饱和蒸汽。
省煤器：
是利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。
过热器：
是将饱和蒸汽加热成具有一定温度的过热蒸汽，提高蒸汽的焓值，从而增加蒸汽的做功能力。
空气预热器:
是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气换热器。
再热器：
是将汽轮机高压缸的排汽再一次加热，使其温度与过热汽温相等或者相近，然后再送到中。
低压缸膨胀做功。
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:
由送风机和风道组成，用它来供应燃料燃烧所需要的空气。
给水设备:
由给水泵和给水管路所组成。
给水泵系用来克服给水管路与省煤器的阻力与省锅筒的压力，把给水送入锅筒。
水处理设备:
其作用为降低给水硬度和清除水中杂质，以防止在锅炉受热面上结水垢和腐蚀，从而提高锅炉经济性和安全性。
燃料供给设备:
包括供油管路和油枪等。
1.2.3锅炉的工作过程
锅炉最基本的组成是气锅和炉子两部分。
燃料在炉子里进行燃烧，将其化学能转化为热能，高温的燃料产物——热气通过气锅受热面将热量传递给气锅内温度较低的水，水被加热进而沸腾气化，生成蒸汽，蒸汽通过蒸汽母管输送给用户。
所以锅炉的工作概括起来应包括三个同时进行的过程:
燃料的燃烧过程，烟气向水的传热过程和水的汽化过程。
先简要叙述如下:
（1）燃料的燃烧过程
燃油锅炉的燃烧过程，具有一定温度和压力的燃料油通过油嘴喷入炉膛被雾化成细小的油滴，然后吸收炉内热量，表面逐渐气化成油气，与进入炉膛内的空气混合，形成可燃混合物。
然后对燃料进行预热后点火使其燃烧。
要使燃料量，空气量和复合蒸汽量有一一对应的关系，这就要根据所需要的负荷蒸汽量，来控制燃料量和送风量，同时还要通过引风设备控制炉膛负压。
（2）烟气向水的传热过程
由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高。
在炉膛的四周高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热，将热量传递给管内工质，管内工质经过对流方式进行换热，然后烟气受引风机、烟囱的引力而向炉膛的上方流动，经过蒸汽过热器、省煤器、空气预热器最后以经济的低烟温排出锅炉。
（3）水的汽化过程
水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。
经过处理的水经过泵加压，先经过省煤器而得到预热，然后进入汽锅。
锅炉工作时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物。
容重大的工质往下流入下锅筒，容重小的工质则向上流入上锅筒，蒸汽产生的过程是借助于上锅筒内装设的汽水分离设备，以及在锅筒本身空间中的重力分离作用，使汽水混合物得以分离。
1.3锅炉自动控制的发展
锅炉控制系统的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由手动到自动的过程。
60年代，锅炉的控制还只是实行人工操作，锅炉的燃烧完全是凭司炉工人的经验，几乎谈不到自动控制。
而锅炉设备采用手动操作，则有如下缺点。
（1）蒸汽负荷小波动时，燃料量不随负荷变化，造成蒸汽不稳定，增加了燃料消耗。
（2）手动误差大;
风、燃料配比控制不能自调，热效率低。
到了70-80年代，逐步出现了由常规检测仪表和调节仪表构成的模拟控制系统，它具有可靠性高，成本低，易于操作和维护等优点，在大、中、小工业企业中得到了广泛应用，解决了不少自动化方面的问题。
用常规仪表控制，也有一定的局限性，主要表现在:
（1）难以实现复杂的控制规律。
如最优控制、自适应控制、模糊控制、人工智能控制等。
（2）用常规仪表难于实现集中监测且操作管理水平低。
（3）改变控制方案比较困难。
（4）一次性投资大，成本高。
到了90年代，随着微型计算机技术的发展，计算机在工业锅炉的自动测试和控制方面的技术也日趋成熟。
利用微机代替常规仪表实现对工业锅炉的控制己越来越多地被生产厂家采用。
锅炉采用微机控制不仅可实现锅炉运行的自动调节，锅炉运行的安全性也大为提高。
同时可以大大减轻工作人员劳动强度，改善工作环境，而且可以使锅炉热效率最佳，节约燃料4%-5%。
锅炉采用微机控制系统一般有如下特点:
（1）计算机具有分时操作能力，可以实现一机多控。
（2）计算机的逻辑判断能力和存贮能力使它能够根据工况变化，做出正确判断，选择最合理最有利的控制方案。
（3）计算机控制系统能够实现多种的控制算法。
（4）高速性，高精度性。
进入21世纪以来，人类进入了一个以知识经济为特征的信息时代，检测技术、计算机技术和通讯技术一起构成现代信息的三大基础。
21世纪第一个10年的热点必将是传感、执行与检测。
锅炉自动化控制系统作为传感、执行与检测技术的一个应用方面也必将跨入数字化、网络化和智能化时代。
而且，对于大规模锅炉群控，检测技术、计算机技术和通讯技术的结合在一起，形成锅炉控制系统的集成化管理、网络化控制，这将是锅炉控制系统发展的又一个里程碑。
而在锅炉控制理论方面，也有许多优秀的控制理论相继出现。
最为典型的是PID控制，即比例、积分和微分控制。
后来，模糊控制理论得到长足发展，目前己经很好地应用在锅炉控制系统上。
工业组态软件的应用使软件功能性增强，内容丰富，具有良好的人机界面，更加方便了操作人员。
1.4本文的主要研究内容
本系统在进行实际调研和广泛收集相关资料的基础上，设计燃油锅炉电气系统，主要电机采用Y-D起动控制，并且设计了电机过流保护：
运行中当电机电流大于额定电流的1.05倍时产生过流跳闸,同时产生声光报警信号。
论文中对燃油锅炉电气系统主回路进行详细的计算，分析并选择电动机、断路器、交流接触器、继电器、互感器、电缆线等主要电器的功率、型号、等级等具体数据，并进行布线、安装、调试。
设计短路保护、燃油锅炉压力自动控制系统、水位自动控制系统，当水位到达低水位时产生声光报警，危险水位整个锅炉停机。
设计电源电压欠压保护及过压保护：
当电源电压小于额定电压的0.75倍时，电气控制系统产生欠压保护，同时发出声光报警信号；
当电源电压大于额定电压的1.15倍时，电气控制系统产生过压保护，同时发出声光报警信号。
整个电气控制系统采用PLC来控制，在毕设过程中编制了燃油锅炉电气控制系统程序清单并且制作了燃油锅炉电气系统模拟样机。
2系统方案的论证、选择及设计思路
2.1方案论证
2.1.1方案1
采用可编程控制器控制。
可编程序控制器简称PLC,是采用微电脑技术制造的通用自动控制设备。
经过长时间的发展和完善，PLC的编程概念和控制思想已为广大的自动化行业人员所熟悉，可以说在目前它已成为任何其他工业控制器都无法与之相提并论的巨大知识资源。
PLC主要具有逻辑运行的功能，可以代替继电器进行开关控制、具有定时控制功能、计数控制功能、步进控制功能、A/D、D/A转换功能（对模拟量控制）、数据处理功能、通信、联网功能，并配置了较强的监控功能。
这些功能造就了PLC的旺盛生命力。
PLC具有一下优点：
（1）高可靠性。
（2）编程简单，使用方便。
（3）可采用梯形图编程方式，与实际继电器控制电路非常接近，一般电气工作者很容易接受。
（4）能在恶劣的工业环境工作。
（5）扩充方便，组合灵活。
PLC是控制技术和计算机技术的结晶,但是对于熟悉机电控制技术的工程人员来说,在使用PLC时没有必要完全了解计算机的深层次投术问题,只需要把PLC看作机电控制技术人员熟悉的继电器、计时器和计数器的集合即可,所以PLC的实际使用简单方便,适应普通的机电控制技术人员。
PLC的主要功能:
PLC的主要功能有:
①条件控制,PLC具有逻辑运算功能,它设置了“与”（AND）、“或”（OR）、“非”（NOT）等逻辑运算指令,能处理继电器接点的串联、并联、串并联以及并串联等各种连接;
②限时控制,PLC具有定时控制功能,它可以提供若干个定时器,并设置了定时指令,调用修改灵活方便;
③计数控制,PLC具有计数控制功能,它可以提供若干个计数器,设置了计数指令,计数器的计数值可以在运行时读出,也可以在运行时修改;
④步进控制,PLC具有步进控制功能,可以在一道工序完成后,再进行下一步工序,并且设置了移位寄存器;
⑤“模数”和“数模”转换功能,有些PLC具有“模数”（A/D）和“数模”（D/A）转换功能,能完成对模拟量的控制和调节;
⑥通信和联网:
有些PLC采用了通信技术,可以进行远程的I/0控制,即PLC之间同位链接或由一台计算机和若干台PLC可以构成“集中管理,分散控制”的分布式控制网络。
2.1.2方案2
采用继电器控制。
继电器控制逻辑自20世纪20年代问世以来,一直是机电顺序控制的主流,由于它的结构简单,使用方便,价格低廉,所以使用范围甚广。
其缺点是动作速度慢,可靠性差,采用微电脑技术的PLC的出现,使得继电器控制逻辑更加逊色,PLC与继电器控制系统的比较如下：
（1）控制方式：
继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。
PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。
（2）控制速度
继电器控制逻辑是依触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。
PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。
（3）延时控制
继电器控制系统是时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。
PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。
2.1.3方案3
采用单片机控制。
PLC适合工业场合，单片机更多的适应民用场合，因其可靠性、稳定性较PLC有一定差距，但是综合成本低，适合大批量使用，而PLC不行，PLC更多适用于较大的工程或者需要非标准设计场合。
PLC是一个带有CPU、存储器、I/O、系统软件和支持系统的专用面向过程控制的计算机控制系统。
单片机是一个带CPU、内存的裸计算机。
PLC系统复杂，价格高，但只要编写简单的用户程序就可以直接在工业上应用。
单片机功能灵活，但开发应用都要从底层做起，功能由开发者水平决定，应用也不只是在过程控制。
2.2方案选择
通过将PLC控制与继电器、单片机等控制进行区别比较,可以看出,PLC是一种更适合用于工业自动化控制的微电脑,它具有结构简单,抗干扰能力强,环境适应范围广,控制可靠性高,易于学习和掌握,控制逻辑修改容易,调试方便等优点,正好符合锅炉控制需要安全可靠、性能优越的要求，因此在本次毕设中用它来完成对燃油锅炉电气控制系统的设计。
2.3程序的设计思路
PLC的编程语言有梯形图语言；
助记符语言；
流程图（SFC）语言。
本系统设计的思路是先弄清楚锅炉的工作过程，然后按照锅炉工作要求画出整个系统的大概流程示意图，最后再使用梯形图语言编程序。
系统流程见图2-1，详细程序梯形图见附录3。
图2程序流程图
3可编程控制器
3.1可编程控制器的分类
目前，在中国市场最具竞争力的PLC有西门子和三菱公司。
三菱公司的产品有：
Q系列、QnA系类、AnS系列、A系列，此四种系列为模块式大型PLC，最大容量为8K点；
FX系列为小型PLC，单元式，单机最大容量为256点。
西门子公司产品有：
S7-200为微型PLC，单机最大容量为256点；
S7-300为小到中型PLC单机最大容量为11K点；
S7-400为大到超大型PLC，单机可组态点数过万点。
根据本设计的要求以及学校提供的可试验条件，选择使用三菱FX2N系列PLC。
3.2可编程序控制器的组成及各部分的作用
3.2.1PLC的基本组成
PLC实质上是一种工业控制计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程想连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故PLC与计算机的组成十分相似。
从硬件结构看，它也有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口、电源等。
如图3-1所示。
输入接口
编可编程控制器
程
编程器器单板机电源
接
口
扩展输出存储器及
接口接口后备电池
图3-1PLC结构图
PLC的输入/输出示意图如图3-2所示：
图3-2输入∕输出示意图
3.2.2PLC各组成部分的作用
（1）中央处理器CPU
与一般的计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC进行工作，起主要任务有：
控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；
用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像存储器或数据存储器中；
诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；
PLC进行运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，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存储器的内容，再经过输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。
（2）存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
系统存储器用来存放由PLC生产厂商编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。
它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。
系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分，第一部分为系统管理程序，它主管控制PLC的运行，使整个PLC按部就班的工作；
第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再有CPU执行这些指令；
第三部分为标准程序模块与系统调用，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序。
（3）输入/输出接口
它是PLC与外界连接的接口。
输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触头、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号；
另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来模拟量输入信号。
输出接口用来连接被控对象中各种执行元件。
（4）电源
小型整体式可编程序控制器内部有一个开关式稳压电源。
此电源一方面可为CPU板、I/O板及扩展单元提供工作电源；
另一方面可为外部输入元件提供电源。
（5）外部设备
编程器:
它的作用是为用户进行程序的编制、编辑、调试和监视;
盒式磁带机:
用以记录程序或信息。
打印机:
用以打印程序或制表;
EPROM写入器:
用以将程序写入到用户EPROM中;
高分辨率大屏幕彩色图形监控系统:
用以显示或监视有关部分的运行状况。
3.3PLC的工作过程及特点
3.3.1PLC的工作过程
PLC的工作过程是一个不断循环的顺序扫描工作方式。
每一次扫所用的时间称为扫描周期或工作周期。
CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。
PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。
PLC的工作过程可分为三部分：
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工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。
第二部分是扫描过程。
PLC上电处理完成以后进入扫描过程。
先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。
当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊检查。
当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。
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CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的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，所有的扫描停止。
当PLC处于正常工作时，它将不断重复的扫描工作过程，如果我们对远程I/O特殊模块和其他通信服务暂不考虑，这样扫描过程就只剩下了“输入采样”，“程序执行”、“输出刷新”三部分。
（1）输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。
此时，输入映像寄存器被刷新。
接着，进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。
（2）程序执行阶段根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。
但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器“读入”对应元件映像寄存器的当前状态。
然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。
（3）输出刷新阶段在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。
3.3.2PLC的特点
PLC具有逻辑运算功能，可以实现各种通断控制。
定时控制
计数控制它为用户提供几十个甚至上千个计时器，其计时时间设定值，既可以由用户设定，也可以由操作人员在工业现场通过人—机对话装置实时设定。
步进控制
PID控制PLC可以解模拟量输入和输出模拟量信号。
通常采用专门的PID控制模块来实现。
数据处理
通信和联网
PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活，方便的优点而设计制造和发展的，这就使得PLC具有其
升级会员 