热水锅炉毕业设计.docx

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热水锅炉毕业设计

摘要

本设计要求供暖系统保持24小时运行，并且减少工人的劳动强度就必须使热水锅炉自动运行，从而需要设计一套适合要求的自动控制系统，保证热水锅炉的鼓风机、给煤机及循环水泵的自动运行，并能实现温度控制、自动报警、停机计时、自动恢复等功能。

整个系统由上位机和PLC和执行设备三大部分构成。

PLC实现的宏观调控，而变频器则执行微观调控，两者紧密结合，共同完成系统的变频控制任务。

克服了传统供暖方式中自动化程度不高、能耗严重、可靠性低等缺点。

在整个控制系统过程中，为了增加安全性，防止发生温度超限导致热水锅炉爆炸，采用一台PLC负责正常的热水锅炉控制以及热水锅炉温度控制。

要求当测量温度底于设定温度时，风机运转，一定时间后给煤机自动运行。

测量温度达到设定温度后，风机，煤机同时停止，此时水温逐渐降低，低于设定温度后，风机自动运转，同样一定时间后煤机自动运转。

水泵在水温超过另一设定点时自动运转。

主要采用PLC实现自动燃煤热水锅炉控制系统中直流风机、煤机及水泵的自动控制，采用变频，实现节能运行。

关键词：

可编程控制器；变频器；上位机；

Abstract

Tomaketobeprovidedforwarmsystemtokeeptocirculatefor24hours,andreducetheworker'slaborstrength,ithavetomakethehotwaterboilerautomaticalycirculate,needtobedesignthusasetofinkeeping

withrequestofautomaticcontrolsystem,promisethedrumbreezemachine

ofhotwaterboilerandgivecoalmachineandcirculationwaterpumpofautocirculate,andcancarryoutatemperaturecontrolandautomaticalyreporttothepolice,shutdowntoaccounthour,autoinstaurationetc.The

wholesystemfromplaceofhonorseveralisthreegreatlypartofcomposingswiththePLCandtheperformaneeequipments.PLCrealization

ofmacroviewadjusttocontrol,butthefrequencychangemachinethen

carryoutatinyviewtoadjusttocontrol,bothareclosetocombine,

commoncompletionthefrequencychangecontrolmissionof

system.Overcameatraditiontoprovidetheautomationdegreeinthewarm

waynothigh,canconsumethelowetc.weaknessoftheseverity,

credibility.

Inthewholecontrolsystemprocess,forthesakeoftheincrement

safety,preventfromoccurreneethetemperaturesuperlimittocausethehotwaterboilerexplode,adoptasetPLCtoberesponsibleforcontrolnormalhotwaterboilerandcontrolhotwaterboilertemperature.Requesttobreezeluckturn,aftersometimegivethecoalmachineautomaticallycirculateswhenthemeasuretemperatureisbelowthesettingtemperature,Afterthemeasuretemperatureattainsenactmenttemperature,breezemachine,the

coalmachinestopsinthemeantime,thewatertemperaturelowersgradually

atthistime,whenitislowafterenactmenttemperature,breezemachineautomaticallyrevoIving,equallyaftersometimethecoalmachineautomaticallyrevolves.Waterpumpoperatautomaticlywhenthewatertemperaturemorehighthananotheranenactmentpoint.Mainadoptionthe

PLCtocarryoutautomaticcoal-firedhotwaterboilercontrolsystemtheautomaticcontrolofdirectcurrentbreezemachine,coalmachineandwaterpumpinthesystem,Usethefrequencychangemachinetocarryout

economyenergymovement.

Keyword:

Programmablecontroller;converter;upcomputer;

摘要-1-

第1章绪论5

1.1选题背景6

1.2热水锅楼的基本构造7

1.3热水锅楼的工作原理及过程.7

1.4选题依据8

第2章设计内容与要求11

2.1课题设计的要求11

2.2设计的主要内容11

2.3系统主要功能和技术指标12

第3章系统方案设计13

3.1方案选择15

3.2系统原理与组成15

3.2.1系统框图设计15

3.2.2系统原理分析16

第4章系统的硬件设计18

4.1系统硬件分析18

4.2控制原理图设计与器件选型18

4.2.1主电路设计与选型19

4.2.2PLC的选型与端子接线图设计26

4.3PLC中的PID34

4.3.1PID控制原理框图设计34

4.3.2PID的参数设置35

第5章系统的软件设计38

5.1系统软件分析38

5.2软件流程图设计43

5.3软件编制43

第6章上位机组态界面44

6.1组态软件选择44

6.2组态过程和界面设计47

6.2.1组态思想47

6.2.2组态界面设计48

结论54

参考文献55

英文资料与翻译56

致谢70

附录1元件清单71

附录2软件梯形图73

第一章绪论

1.1课题背景

随着城市建设的迅速发展，我国北方地区冬季城市集中供暖成为城市现代化必然采取的步骤。

而供暖面积的不断扩大，使如何科学有效地控制和管理供暖系统，提高供暖的经济效益和社会效益，成为急需解决的重要课题。

在供暖系统中，热水锅炉房供暖所占比例很大，据对我国北方地区29个大中城市近3.5亿平方米的供暖调查，热水锅炉供暖占84%，热力供暖占12%，其他供暖占4%o在今后相当长的时间内，集中热力供暖是发展趋势，但无法取代热水锅炉供暖的主流地位。

热水锅炉是消耗能源、产生大气污染、事关生产与生活和安全的重要设备，它在国民经济整个能源消耗中占有相当大的比重。

目前我国供暖热水锅炉以燃煤链条热水锅炉为主，燃用的主要是中、低质煤，而且热水锅炉房管理水平不高，一直沿用间断运行方式，热水锅炉技术含量低，热水锅炉的自动化控制技术落后，造成了严重的能源浪费和环境污染。

据统计，我国目前拥有工业热水锅炉50万台，每年消耗的燃煤占全国原煤产量的三分之一，约4亿吨。

热水锅炉每年排放烟尘约620万吨，SO2约510万吨，此外还有大量的NO2等有害气体，成为我国大气煤烟型污染的主要来源之一，尤其是燃煤排放的CO2气体所引起的温室效应，早己引起国际关注。

目前，热水锅炉房基本上采用集中盘上手控，只实现控制参数的显示和部分控制等，对风机、给煤机和水泵等无法自动控制，使得热水锅炉运行效率低、能耗大、环境差、工人劳动强度大。

因此，对热水锅炉所用的鼓风机、引风机、给煤电机、循环泵以等设备进行PLC和IPC控制系统和热水锅炉电机的变频改造十分必要。

由于供暖热水锅炉系统中的风机、水泵负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比，采用交流变频调速控制风机、水泵流量代替传统阀门、挡板控制流量，可以大大节省该类负载的驱动电机的耗电量，.达到节能的目的，如果普遍采用交流变频调速，平均节电率在30%左右。

用变频器启动风机、水泵等电动机，由于变频器内部具有矢量转矩控制技术，保证了电机良好的启动性能，实现电机软启动，有效地限制了电机的启动电流，明显降低电机启动噪声。

同时，电机的软启动避免了频繁的工频启动对风机、水泵等大电机的冲击，有效地保护设备，延长设备使用寿命。

热水锅炉的PLC和IPC自动控制使热水锅炉始终处于最佳工作状态，提高了热水锅炉的运行效率和燃煤的燃烧效果，不仅节约燃煤，也减少了烟尘和有害气体的排放，具有较好的环保效果。

同时，计算机控制系统通过各种传感器检测热水锅炉温度、水温、流量等参数，传送至PLC和仪表盘，并实现温度和水温等参数的自动控制，工人在计算机控制站就可以全面了解热水热水锅炉房各部分的运行情况，大大改善了工人的工作条件，提高了自动化程度和管理水平。

因此，采用热水锅炉的计算机控制和变频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，具有显著的经济效益和社会效益。

要设计一套完整的，性能良好的工业燃烧热水锅炉，首先我们就必须了解一般燃烧热水锅炉的基本构造和燃烧过程。

1.2热水锅炉的基本构造

热水锅炉是一种产生蒸汽的热交换设备。

它通过煤、油或天然汽等燃料的燃烧过程释放出化学能，并通过传热过程把能量传递给水，把水变成蒸气或热水，蒸汽或热水直接供给工业、生活等生产中所需要的热能。

所以热水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。

热水锅炉的主要设备：

气锅：

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的循环流动，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：

是自然循环热水锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。

（须指出，直流热水锅炉内无锅筒。

）

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蒸汽继续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：

是利用余热加热热水锅炉给水，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，提高了热水热水锅炉效率，节省了燃料。

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

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，烟囱，烟道几部分。

用它将热水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。

水处理设备：

其作用是为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在热水热水锅炉受热面上结水垢或腐蚀。

燃料供给设备：

由运煤设备，原煤仓和储媒斗等设备组成，保证热水锅炉所需燃料供应。

除灰除尘设备：

是收集热水锅炉灰渣并运往储灰场地的设备。

1.3热水锅炉的工作原理及过程

热水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、水的汽化过程、烟气向水的传热过程。

1.3.1燃料的燃烧过程：

首先将燃料（这里用煤）加到煤斗中，借助于重力下落在炉排面上，炉排接电动机通过变速齿轮箱减速后由链轮来带动，将燃料煤带入炉内。

燃料一面燃烧，一面向后移动，燃料所需要的空气是由风机送入炉排腹中风仓后，向上穿过炉排到达燃料层，进行燃料反应形成高温烟气。

燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗，（若是燃气式热水热水锅炉就没有这一部分了）这整个过程称为燃烧过程。

132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墙面上，都布置一排水管，俗称水冷壁。

高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热，将热量传给管内工质水。

继而烟棋手引风机，烟囱的引力尔向炉膛上方流动。

烟气出烟窗炉膛出口）并略过防渣管后，就冲刷蒸汽过热一一组垂直放置的蛇型管受热面，使气锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而得到的过热。

烟气流经过过热气后掠过胀接在上、下锅筒间的对流管束，在管束间设置了折烟墙使烟气呈“S”型形成曲折地横向冲刷，再次以对流换热的方式将热量传递给管束的工质。

沿途降低着温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热气内的工质进行热交换后，以经济的较低的烟温排出热水锅炉。

省煤器实际上同给水预热气和空气预热器一样，斗设置在热水锅炉尾部（低温）烟道，以降低排烟温度提高热水锅炉效率，从而节省了燃料。

以上就是一般热水锅炉工水的过程，一个热水锅炉进行工作，其主要任务是：

1要是热水锅炉出口蒸汽水温稳定。

2保证燃烧过程的经济性。

3保持热水锅炉负压恒定。

通常我们是炉膛负压保持在微负压（-10〜

80Pa）。

为了完成上述三项任务，我们对三个量进行控制：

燃料量，送风量，引风量。

从而使热水锅炉能正常运行。

热水锅炉是国民经济中重要的供热设备。

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热水锅炉供给大量的热水。

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也不一样，因此所需的热水锅炉容量，热工参数，结构，性能方面也不相同。

热水锅炉是供热之源，热水锅炉机器设备的任务在于安全、可靠、有效地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。

通常，我们把用于动力，发电方面的热水锅炉称之为动力热水锅炉，把用于工业及米暖方面的热水锅炉成为供热热水锅炉，又称工业热水锅炉。

为了提高热及效率，动力热水锅炉向着高压，高温和大容量方向发展。

而供热热水锅炉，除了生产工艺有特殊要求外，所生产的热水均不需要锅高温的压和温度，容量也无需很大。

随着生产的发展，热水锅炉设备日益广泛的用于工业的各个部门，成为发展国民经济的重要热工设备之一。

从量大，面广这一角度来说，除电力以外的各行业中，主要运行的始终是小型低压热水锅炉。

在我国社会主义现代化的建设中能源的增长大大落后于生产的增长。

在国民经济日趋进步的今天，国家要求工农业每年总产值翻两番，但能源只能翻一番，这就要求通过节能措施，以提高能源的有效利用，有效的弥补能源供应方面的缺口，这是一迫切的任务。

显然，面对量大，面广的供热热水锅炉，如何挖掘潜力，提高它的热效率，有着极为重要的实际意义。

此外，是热水锅炉能因地制宜的有效地燃用地方燃料，并为满足环境保护的要求而努力解决烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻劳动强度，保证热水锅炉额定输出及运行效率，安全可靠的供热等课题，所以我们利用微机控制，设计出一整套比较合理的热水锅炉运行设备。

通过加热炉热效率控制系统的调节，是燃料流量与空气流量调节回路参照各自对应的实测流量，在允许范围内变化，达到动态时，能维持燃料流量与空气流量恰当的关系，从而提高燃烧效率、节省燃料、起到节能、环保作用。

当前，节能与环保已成为人类社会面临的两大课题。

我国的热水锅炉目前以煤为主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一，燃用的主要是中、低质煤，工业污染十分严重，而且热水锅炉设备陈旧，生产效率和自动化程度低，进一步加重了环境污染的程度。

在欧美和日本等发达国家，石油和天然气已成为第一能源，占能源消费的60%左右，燃油和燃气热水锅炉的已逐步取代燃煤热水锅炉，对风机和水泵等电机的变频控制已相当成熟。

自20世纪80年代以来，随着超大型可编程控制器的出现和模糊控制、自适应控制等智能控制算法的发展以及智能控制器的应用，热水锅炉控制水平大大提高，已实现优化控制。

国内对热水锅炉控制的研究起步较晚，始于80年代初期。

国内研究热水锅炉控制比较成熟的企业有上海杜比公司、南京仁泰公司等。

此外还有一些科研院校联合企业开发的各种智能热水锅炉控制系统，如清华大学动力工程与控制学院供热厂热水锅炉的改造开发的热水锅炉控制系统采用一控四方案，即一台主机控制四台热水锅炉。

尽管对热水锅炉控制的研究和推广已取得了很大的进展，但仍然存在一些问题：

1、大多数现有的热水锅炉控制系统可控制的主要还是开关量设备，如风机、给煤机和水泵的开关或者阀门控制。

不能对它们精确连续调节，使控制手段单，控制精度低。

2、热水锅炉控制系统的控制方案不够合理，热水锅炉控制器（计算机或可编程控制器）一旦出现故障，只能采取系统断电处理，进行人工操作。

若热水锅炉系统中的传感器、变送器等设备出现故障时，温度、水温等参数就无法达到设定值。

3、我国自70年代末开始，热水锅炉的微机控制逐渐成熟起来，但主要实现仪表显示、报表打印等功能，并未实现热水锅炉自动控制，下位机主要以单片机为主，控制水平有限，可靠性不够高。

具体来讲实现热水锅炉的PLC和IPC自动控制的意义

（1）可提高热水锅炉运行的安全性、可靠性

通过实时检测装置把热水锅炉系统及周边设备的运行状态和运行参数随时报告给人和智能控制系统，由自动调节装置对系统的运行状态进行调节；智能程序自动控制装置能简化操作步骤和减少操作数量，避免误操作；保护装置能使系统运行中周边设备发生异常、运行参数如炉堂温度、排烟温度、炉堂负压、汽包水位、蒸汽水温、出水温度、出水水温超过允许值提供声光报警或自动停炉等应急自动处理。

（2）可提高热水锅炉运行的经济性

工业热水锅炉在燃烧过程中，各项技术指标都要求限定在一定范围内。

为了确保燃烧过程的稳定、可靠和经济运行，设计采用先进的变频调速技术与计算机应用技术，热水锅炉燃烧过程智能控制装置通过检测出水水温、出水温度、蒸汽水温、汽包水位、室外温度、炉膛负压、炉膛温度、排烟温度、氧含量等运行物理量，通过智能控制器及变频器控制鼓、引风机和炉排转速，改变鼓风量、引风量、给煤量，使炉膛负压、出水水温、汽包水位、出水温度、蒸汽水温控制在预定范围内，保证热水锅炉在最佳的风、煤比下燃烧，在最节能条件下运行。

热水锅炉自动控制装置能对热水锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能，保证热水锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。

第二章

设计内容与要求

2.1课题设计的要求

传统的中小型供暖系统采用燃煤热水锅炉，整个热水锅炉运转采用手动方式，费时、费力还不节能。

要使供暖系统保持24小时运行，使热水锅炉自动运行，就必须从而需要一套自动控制装置，保证热水锅炉的鼓风机、给煤机及循环水泵的自动运行，并能实现温度控制、自动报警、停机计时、自动恢复等功能。

在整个控制过程中。

为了增加安全性防止发生温度超限导致热水锅炉爆炸，采用一台PLC负责正常的热水锅炉控制以及热水锅炉温度控制。

在具体控制中，要求当测量温度低于设定温度时，风机运转，一定时间后给煤机自动运行。

测量温度达到设定温度后，风机、煤机同时停止，此时水温逐渐降低，低于设定温度后，风机自动运转，同样一定时间后煤机自动运转。

水泵在水温超过另一设定点时自动运转。

本设计主要采用PLC实现自动燃煤热水锅炉控制中直流风机、煤机及水泵的自动控制。

另外，要求系统采用变频，实现节能运行。

2.2设计的主要内容

本课题为热水锅炉PLC和IPC自动控制系统，系统中应结合微机技术、变频技术与电机控制技术。

设计的主要内容包括以下几个方面：

1、掌握热水锅炉工程对控制、通信和上位机监控等的需求，提出综合自动化系统方案。

2、提出综合自动化系统的硬件方案和方案论证优化。

3、完成软件需求的系统分析。

4、完成软件的编制（PLC的编程与说明）。

5、绘制系统电气控制原理图、系统结构图、软件流程图和上位机监控画面。

6、按期完成毕业论文的撰写

7、充分准备，顺利完成毕业答辩

2.3系统主要功能与技术指标

1、本系统分为三个层次，一个是管理层，控制层，设备层，其中管理层有上位工控机组成，主要完成工艺流程监控，用户密码登陆，频率设定，电机启停等功能。

控制层由西门子S7-200组成，它主要实现数据采集和变频器和电机的逻辑控制，它通过RS485接口和网线与上位机的相连。

设备层由变频器、接触器、断路起、热继电起、以及各种传感器等组成。

他主要功能是执行软件设备动作和现场热工参数采集。

2、为了提高可靠性本系统设计了手动和自动两中工作模式，在手动模式下它可以单独启停风机、给煤机、循环水泵等。

在自动模式下，按以下程序执行。

1）、风机运转3min（1-10min可调）后，给煤机自动运行；

2）、循环定时输出。

测量水温升到设定温度后（出水温度75'C），风机、煤机停止工作，水泵继续运转。

停机时间达到设定时间时，循环定时器启动，即20min（0-60min可调）后风机自动运行，风机运行3min

（1-10min可调）后，煤机自动运转，风机运转8min（0-60min可调），

煤机运转5min后，煤机、风机均停止工作。

20min后继续按此规律循环；

3、本系统所要求的技术指标。

1）、风机、煤机变频运行；而水本要求软启动控制。

2）、煤机参数：

额定功率为30KW，额定电压为380V；2台

3）、风机参数：

额定功率为15KW，额定电压为380V；4台（2备2用）

4）、水泵电机参数：

额定功率为30KW，额定电压为380V；2台

5）、煤机由于某种原因卡住，电机不转时，风机、煤机全停止，并发出报警信号。

第三章系统方案设计

热水锅炉控制系统主要任务是保证热水锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。

采用PLC和IPC自动控制能对热水锅炉进行过程的自动控制、自动检测等多项功