燃煤锅炉自动控制系统设计学士学位论文.docx

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燃煤锅炉自动控制系统设计学士学位论文

本科毕业设计论文

题目燃煤锅炉自动控制系统设计

专业名称机械设计制造及其自动化

学生姓名马锋

指导教师韦平顺

毕业时间2015年6月

设计

论文

毕业任务书

一、题目

燃煤锅炉自动控制系统设计

二、指导思想和目的要求

选题来源：

从前人的理论总结基础上派生、外延与升华出来的设想一定程度上减轻或解放大量劳动力的课题研究。

研究内容：

通过PLC及相关自动化控制器件实现燃煤锅炉的自动化控制。

研究方法上的要求：

所有设想及实践均要以生产实际情况为准。

期望实现的研究目标：

可以实现燃煤锅炉自动控制，减轻人工的劳动强度。

三、主要技术指标

1.输入/输出点数

可编程控制器的I/O点数指外部输入、输出端子数量的总和。

它是描述的PLC大小的一个重要的参数。

2.存储容量

PLC的存储器由系统程序存储器，用户程序存储器和数据存储器三部分组成。

PLC存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标。

3.扫描速度

可编程控制器采用循环扫描方式工作，完成1次扫描所需的时间叫做扫描周期。

影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型。

PLC中CPU的类型、机器字长等直接影响PLC运算精度和运行速度。

4.指令系统

指令系统是指PLC所有指令的总和。

可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。

用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。

四、进度和要求

第1周至第2周

确定题目，查阅资料撰写并上交任务书及开题报告

第3周至第4周

系统相关技术和工具的撰写

第5周至第6周

对系统进行分析

第7周至第8周

对系统进行设计

第9周至第10周

系统各个功能实现及测试

第11周至第12周

完成毕业设计（论文）撰写，将最终版本提交指导教师进行评阅

第13周至第14周

根据指导老师意见修改并完成毕业设计，装订成册，上交作品

第15周至第16周

毕业设计答辩的准备及完成

五、主要参考书及参考资料

[1]王阿根.电气可编程控制原理与应用[M].北京：

清华大学出版社，2010.1

[2]常斗南.可编程序控制器原理应用试验[M].北京：

机械工业出版社，1998，8

[3]赵明，许寥.工厂电气控制设备[M].北京：

机械工业出版社，2004，5

[4]边春元.S7-300\400PLC原理于实际应用开发指南[M].机械工业出版社，2007

[5]裘旭东，徐健丰.基于PLC的XA62W型万能升降台铣床的技术改造［J］.煤矿机械，2007，28（12）：

150～152

[6]李明，徐向东.用容错技术提高锅炉控制系统的可靠性[J].清华大学学报，1999，（39）3，88-91

[7]王永平，陈建华.基于S7—200PLC的高性能电热锅炉控制系统[J].仪表技术与传感器，2002，（3）26-28

学生__________指导教师__________系主任___________

摘要

锅炉是国民经济中主要的供热设备之一。

电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等工业和民用采暖都需要锅炉供给大量的蒸汽。

各种工业的生产性质与规模不同，工业和民用采暖的规模大小不尽相同。

锅炉是供热之源，锅炉及其设备的任务在于安全，可靠，有效把燃料的化学能转化成热能，进而将热能传递给水，以生产热水和蒸汽。

为了生产工艺有特殊要求外，所生产的热水不需要过高温的压力和温度，容量也无需很大。

随着现代工业技术的飞速发展，对能源利用率的要求越来越高。

锅炉作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一，其控制和管理的水平也日趋提高。

但在我国，大部分锅炉还采用仪表和继电器控制，甚至人工操作，已无法满足生产需求。

因此，对锅炉控制系统采用先进的控制技术，不仅能够保证安全生产，而且能够节能增效，具有很好的市场发展空间和投资收益前景。

本论文的主要方向就是采用PLC对工业锅炉进行控制。

介绍了工业锅炉的系统组成及选择的控制系统，在设计中主要通过两块温控表分别对环境温度和锅炉回水温度进行检测。

设计中最为核心的器件是PLC温度-开关量反馈给PLC，PLC控制锅炉的引风机、鼓风机、送煤机、炉渣输送传送带、炉膛拨炉渣叉子和刮板、锅炉的上水阀、热水输送泵等；PLC监测启停按钮是否按下、环境温度和锅炉回水温度、锅炉的水位（分高、中、低）等。

温控表将检测的温度值送到LED显示器，,并以开关量的形式送到PLC。

各部分的工作状态用指示灯来显示。

整个系统的软件编程就是梯形图语言对实现其控制功能。

整个系统结构紧凑，简单可靠，操作灵活，功能强大，性能价格比高，在较好的满足了现代生产能和科研的需要，大大减轻了人工劳动强度。

关键字：

锅炉，PLC，温控表,LED显示器

Abstract

Boileristhenationaleconomyoneofthemainheatingequipment.Electrical,mechanical,metallurgical,chemical,textile,paper,foodandotherindustrialandcommercialheatingneedstosupplyalotofsteamboilers.Variousindustriesofdifferentnatureandscaleofproduction,industrialandcivilvarythesizeofheating.Boileristhesourceofheat,boileranditsequipment'smissionissafe,reliableandeffectiveconversionofthefuel'schemicalenergyintoheatenergy,thustheheattransferwatertoproducehotwaterandsteam.Inordertohaveaspecialproductionprocessrequirements,theproductionofhotwaterwithoutthepressureandtemperature,capacity,andwithoutgreat.

Withtherapiddevelopmentofmodernindustrialtechnology,energyefficiencyhavebecomeincreasinglydemanding.Theboilerastheprimaryenergyintosecondaryenergyisoneoftheimportantequipment,thecontrolandmanagementlevelsisrising.ButinChina,mostoftheboileralsousesinstrumentsandrelays,orevenmanually,beenunabletomeetproductionneeds.Therefore,theboilercontrolsystemusesadvancedcontroltechnology,notonlytoensuresafetyinproduction,butalsoenergyefficiency,withgoodmarketprospectsfordevelopmentandinvestmentincome.

ThemaindirectionofthispaperistheuseofPLCcontrolforindustrialboilers.Describesthecompositionofindustrialboilersystemsandthechoiceofcontrolsystem,mainlyinthedesignwaterleveldetection,temperaturedetection,pressuretesting,waterpumpauto/manualcontrolseveralcomponentstoachievetheautomaticboilercontrolsystem.MCGSconfigurationsoftwaredesignandusingthemonitorscreen.

KEYWORD:

boiler，PLC，LED

第1章前言

1.1选题背景及意义

由于我国总的能源特征是“富煤、少油、有气"，拥有丰富的煤炭资源，到2000年已探明的煤炭储量达1145亿吨。

煤炭因其储量大和价格相对稳定，在本世纪50年内，在我国的一次能源构成中仍将占主导地位。

由此可见，在未来相当长的一段时期内，燃煤工业锅炉仍将是我国工业锅炉的主导产品。

这与目前国外的情况相差很大。

如：

日本燃煤工业锅炉仅占总数的1％，美国和西欧国家约占1％～3％（石油危机后燃煤工业锅炉略有增加），俄罗斯燃煤工业锅炉较多，约占40％。

工业锅炉是我国主要的热能动力设备，使用面广，需求量大，在工业生产和军民生活中扮演重要角色。

据不完全统计，我国现有中、小锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的三分之一以上，堪称大耗能动力设备。

随着国民经济的不断发展和人民生活的不断改善，锅炉台数还在不断增加。

作为能源转换的重要设备，其工作情况的好坏直接关系到能源的利用率高低。

目前我国中、小型锅炉以燃煤链条锅炉为主，燃料主要是煤炭，而且锅炉房管理水平不高，一直沿用间断运行方式，锅炉技术含量低，锅炉的自动化控制技术落后，处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态，尤其是燃煤排放的C02气体所引起的温室效应，早己引起国际关注。

为了将我国建设成资源节约型、环境友好型社会，工业锅炉的节能降耗、减少污染物生成和排放具有重大意义。

为此对工业锅炉推广应用各种新技术、新工艺、新管理是实现节能降耗、减少污染的重要途径。

其中实现锅炉的自动化控制不仅可大大节约能源，促进环保，而且可以提高生产自动化水平。

具体来讲，实现锅炉自动化控制的意义在于：

（1）提高锅炉运行的安全性；

（2）提高锅炉运行的经济性；

（3）改善劳动条件；

（4）减少运行人员，提高劳动生产率。

今后，随着工业锅炉市场技术竞争的日趋激烈，锅炉自动控制系统的好坏己成为决定锅炉性能的重要砝码。

研究与开发功能完备、性能可靠的锅炉自动控制系统，是适应锅炉生产发展需要，具有广阔的发展前景与研究价值。

第2章锅炉的基本构造及其工作原理

2.1概述

随着生产的发展，锅炉日益广泛的应用于工业生产的各个领域，成为发展国民经济的重要热工设备之一。

在现代化的建设中，能源的需求是非常大的，然而我国的能源利用率极低，所以提高锅炉的热效率，具有极为重要的实际意义。

2.2锅炉的基本构造

锅炉是一种产生蒸汽或热水的热交换设备。

它通过燃料的燃烧释放大量热能，并通过热传递把能量传递给水，把水变成蒸汽或热水，蒸汽或热水直接供给工业和生活中所需要的热能。

所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能有效的转化为蒸汽的热能。

锅炉的主要设备包括汽锅、炉子、炉膛、锅筒、水冷壁、过热器、省煤器、燃烧热备、引风设备、送风设备、给水设备、空气预热器、水处理设备、燃烧供给设备以及除灰除尘设备等。

汽锅：

由上下锅筒和三簇沸水管组成。

水在管内受管外烟气加热，因而管簇内发生自然地循环流动，并逐渐气化，产生的饱和蒸汽积聚在上锅筒里面。

炉子：

是使燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。

炉膛：

保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积达到规定的数值。

锅筒：

使自然循环锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。

（需指出，直流锅炉内无锅筒。

）

水冷壁：

主要是辐射受热面，保护炉壁的作用。

过热器：

是将气锅所产生的饱和真气急需加热为过热蒸汽的换热器。

过热器一般都装在炉膛出口。

省煤器：

是利用余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。

采用省煤器后，降低了排烟温度，提高了锅炉效率，节省了燃料。

同时，由于提高了进入气饱的给水温度，减少了因温差而引起的汽包壁的热适应力，从而延长了汽包的使用寿命。

燃烧设备：

将燃料和燃烧所需的空气送入炉膛并使燃料着火稳定，充分燃烧.

引风设备：

包括引风机、烟道和烟囱等几部分。

用它将锅炉中的烟气连续排出。

送风设备：

包括有鼓风机和分道组成。

用它来供应燃料所需的空气。

给水设备：

由水泵和给水管组成。

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，是一个换热器。

省煤器出口烟温度高，装上空气预热器后，可以进一步降低排烟温度，也可以改善燃料着火和燃烧条件，降低不完全燃烧所造成的损失，提高锅炉机组的效率。

水处理设备：

其作用是为清除水中的杂质和降低给水温度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀。

燃料供给设备：

由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料供应。

除灰尘设备：

是锅炉灰渣并运往储灰场地的设备。

此外，除了保证锅炉的正常工作和安全，蒸汽锅炉还必须装设安全阀、水位表、高低水位报警器、压力表、主气阀、排污阀和止污阀等,还有用来消除受热面上积灰的吹灰器，以提高锅炉运行的经济性。

图2.1为锅炉控制系统硬件组成图

蒸汽调节阀

图2.1锅炉控制系统硬件组成图

2.3锅炉的工作原理及工作过程

锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。

它通过没有或燃气等燃料的燃烧释放化学能，并通过传热过程将能量传递给水，使水转变为蒸汽，蒸汽直接供给工业生产中所需的热能，或通过蒸汽动力机转变为电能，或通过汽轮电机转变为电能。

所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效地转变为蒸汽的热能。

因此，近代锅炉亦成为蒸汽发生器。

锅炉的工作过程概括起来应该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，水的汽化过程。

第3章燃煤锅炉控制系统及其选择的控制方式

3.1蒸汽温度控制系统

因为锅炉的运行环境不可能使理想的状态，蒸汽的温度总是会受到某些干扰的影响，所以必须对蒸汽的温度加以控制，以在一定范围内得到温度相对恒定的蒸汽。

影响蒸汽温度的主要因素是给煤量以及给风量。

另外，影响蒸汽温度的因素还有给水量、蒸汽流量以及引风量等，又考虑到了控制系统相应的快速性，我们又将给水量和蒸汽流量作为蒸汽温度控制的前馈量构成前馈控制系统。

即采用前馈比值串级控制系统对蒸汽温度进行控制，其控制系统的结构框图见图3.1所示。

图3.1蒸汽温度控制系统结构框图

3.2蒸汽压力控制系统

如果锅炉内压力过低，将会降低蒸汽质量；反之，如果锅炉内压力过高，有可能导致爆炸等安全事故的发生。

所以必须保证锅炉的压力处于一个适中的范围，即必须对锅炉压力加以控制。

上述蒸汽温度控制系统在控制蒸汽温度的同时就直接影响了蒸汽压力。

压力控制系统分为安全压力控制系统和超压控制系统。

安全压力控制系统是锅炉压力在安全压力范围之内的控制系统，其主要完成的功能是在安全的基础上对压力进行调节，使压力维持在一定的范围内，以得到需要的蒸汽压力，保证蒸汽质量；超压控制系统是锅炉压力超压时所采用的压力控制系统，其主要完成的功能是当压力超出某一压力上限的设定值时，迅速打开安全阀，使压力迅速降低，直到降到安全范围内后又迅速关闭安全阀。

其中安全压力控制系统采用串级控制，而超压控制系统采用单回路控制，所以蒸汽压力控制系统采用串级控制，而超压控制系统采用单回路控制，所以蒸汽压力控制系统是综合的控制系统，从某种意义上讲，可以将其归入分成控制系统一类，其结构框图见图3.2所示

图3.2蒸汽压力控制系统

3.3汽包液位控制系统

如果汽包液位过高，可能会影响蒸汽质量，甚至会导致水满溢出等安全事故；反之，如果汽包液位过低，锅炉很可能会被烧坏，甚至导致爆炸等安全事故。

能够影响汽包液位的主要有两大变量，那就是给水量和蒸汽流量，在其他条件不变的情况下，蒸汽流量越大，液位越低，而给水量越大则液位越高，反之则越低。

其中蒸汽流量是由工业的需要所决定的，给水的主要作用就是用以维持汽包液位的，所以我们选择给水量作为操纵量对汽包液位进行控制，又因为考虑到系统相应的平稳性和快速性，除采用串级控制外，还将蒸汽流量引入前馈通道，

对系统进行前馈-反馈串级控制，其控制系统的结构框图如图3.3所示。

图3.3汽包液位控制系统结构图

3.4炉膛负压控制系统

炉膛负压是反映燃烧工况稳定与否的重要参数，是运行中要控制和监视的重要参数之一。

炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生相应变化。

在原锅炉控制系统中，如果烟囱挡板开度过大，则会使炉膛负压增加，造成空气大量进入炉内，热效率降低，同时也增加了引风机的功耗。

而且负压过大容易使炉管氧化爆皮而减少炉管寿命。

负压过小或者正压则是由于烟囱挡板开度过小或锅炉超负荷运转，使炉膛产生正压，锅炉闷烧，甚至向外喷火，容易发生不安全现象。

影响炉膛压力的主要变量有给煤量、给风量以及抽风量等，而其中给煤量和给风量是由蒸汽温度、压力以及蒸汽量等因素决定的，所以要想保持炉膛压力在一定范围内保持不变就只有改变抽风量，亦即通过调节抽风量以达到控制炉膛压力的目的。

另外，又因为考虑到系统相应的快速性，同时，又因为给风量和给风量成一定的比例关系，为了提高控制品质以及简化控制系统的结构，我们将且尽将给煤量引入前馈参与了炉膛压力的控制。

炉膛负压控制系统采用了前馈串级控制，其结构框图见图3.4所示。

图3.4炉膛负压控制系统结构框图

3.5串级控制系统的参数整定

串级控制系统从整体上来看是定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度。

但副回路是随动系统，要求副参数能准确、快速地跟随主控制器输出地变化。

主、副回路的原理不一样，对主、副参数的要求也不同，通过正确的参数整定，可取得理想的控制效果。

串级控制系统主、副控制器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。

这里采用两步整定法。

两步整定法就是让系统处于串级工作状态，第一步按单回路控制系统整定副控制器参数，第二步把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍按单回路对主控制器进行一次参数整定。

一个设计合理的串级控制系统，其主、副回路中被控过程的时间常数应有适当的匹配关系，一般为

。

主回路的工作周期远大于副回路的工作周期，主、副回路间的动态关联较小。

两步整定法的整定步骤如下：

（1）在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主、副控制器均为比例作用的条件下，先将主控制器的比例度

置于100%刻度上，然后由大到小逐渐降低副控制器的比例度

，直到得到副回路过渡过程衰减比为4：

1的比例度

，过渡过程的振荡周期为

。

（2）在副控制器的比例度

的条件下，逐步降低主控制器的比例度

，直到同样得到主回路过渡过程衰减比为4：

1的比例度

，过渡过程的振荡周期为

。

（3）按以求得的

、

和

、

的值，结合已选定的控制规律，按表2-1衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副控制器的整定参数值。

（4）按照“先副回路，后主回路”的顺序，将计算出的参数值设置到控制器上，做一些扰动实验，观察过渡过程曲线，作适当的参数调整，直到控制品质最佳为止。

表3.1衰减曲线法整定参数计算表

整定参数

控制规律

P（%）

Ti

Td

P

Ps

－

－

PI

1.2Ps

0.5Ts

－

PID

0.8Ps

0.3Ts

0.1Ts

第4章锅炉自动控制系统的硬件设计

4.1总体设计思路

锅炉自动控制系统中的风机和水泵通过变频器来调节电机的转速，通过工控机和可编程控制器对锅炉系统中的鼓风机、引风机、炉排电机、循环水泵实现控制。

控制系统以两台工业控制机作为上位机，以PLC（可编程控制器）为下位机。

上位机采用高可靠性的工业控制计算机，通过监控软件完成人机界面及故障报警功能，下位机采用西门子公司S7-200可编程控制器，实现锅炉燃烧系统和管网系统的自动控制，控制水平和硬件可靠性大大提高。

4.2系统结构

本系统采用集中控制，分为三层，系统结构框图如图4.1所示:

图4.1锅炉控制系统结构示意图

管理层:

系统采用两台工控机作为上位机，其中一台作为主控机，另一台为辅控机，构成双机冗余系统。

通过MPI多点接口与下位机PLC进行通讯，对现场锅炉的运行进行集中监控、统一调度，实现对锅炉的远程控制。

操作人员也随时可以通过计算机，了解现场每台锅炉的运行状况，并对风机、水泵等电机进行启停控制和参数设定。

另一方面，关于锅炉运行及网管系统的各种历史数据，则存储在计算机的数据库中。

在需要的时候，可以在计算机显示器上显示，或由打印机打印出来。

现场控制层:

该层以西门子S7-200系列可编程控制器为核心，一方面通过MPI多点接口与上位机通讯，接收上位机管理层的控制命令。

另一方面运用RS-485总线与各变频器进行通信，分别对鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵和补水泵等进行启停控制和电机的转速设定，一旦电机启动完毕，即使PLC与上位机通讯故障，系统仍能正常运行。

现场数据采集与变送层:

这一层是集散控制系统的最底层，主要完成现场数据的采集、预处理和变送等工作。

这些数据主要包括锅炉的出水温度、出水压力、锅筒压力、炉膛温度、炉膛压力以及总出水温度、总出水压力、总回水压力等。

变送器将采集的温度、压力等物理量转换成电压或电流信号并传送给可编程控制器进行数据处理。

4.3控制器选型及配置

采用西门子S7-200系列可编程控制器。

图4.2S7-200实物图

一、PLC系统配置

根据系统控制要求，综合考虑系统对PLC运算能力的要求等因素，选用西门子的S7-200系列PLC，CPU模块选用CPU226。

S7-200系列可编程控制器是模块化结构设计，各个单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。

系统组成:

（1）电源负载模块：

用于将SIMATICS7-200连接到直流24V和交流220V两种供电电源电压，输出类型有晶体管和继电器两种输出方式，它与CPU模块和其他信号模块之间通过电缆连接。

（2）中央处理单元（CPU226）：

本机集成24输入/16输出，I/O共计40点，和CPU224相比，程序存储容量扩大了一杯，数据存储容量增加到10KB，它具有2个通信口，通信能力大大增强。

它可用于点数较多，要求较高的小型或中型控制系统。

（3）I/O扩展模块：

对于I/O点数不够的情况没就必须增加I/O扩展模块，对I/O点数进行补充。

本机选用1个EM222（4点）作为数字量的扩展。

1个EM235，1个EM232作为模拟量的扩展。

图4.3模块连接方式

（4）PROFIBUS-DP模块EM227：

通过该模块可以把S7-200PLC连接到PROFIBUS-DP网络中，从而使其作为DP网络中的一个从站。

4.4I/O地址分配表

PLC输入、输出点数的确定根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。

（1）PLC的开关输入端口包括系统的启动、停止按钮，电机启动、停止按钮，手动/自动按钮、变频器故障及检修复位、以及变频器工频