蒸汽锅炉控制系统.docx
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蒸汽锅炉控制系统
石家庄铁道大学四方学院毕业设计
蒸汽锅炉控制系统设计
TheDesignofControlSystemof
SteamBoiler
2013届电气工程系
专业电气工程及其自动化
学号20096678
学生姓名段卫东
指导教师李文娟
完成日期2013年5月27日
学生姓名
段卫东
学号
20096678
班级
方0910-6
专业
电气工程及其自动化
毕业设计题目
蒸汽锅炉控制系统设计
指导教师姓名
李文娟
指导教师职称
讲师
评定成绩
指导教师
得分
评阅人
得分
答辩小组组长
得分
成绩：
院长（主任）签字：
年月日
毕业设计成绩单
毕业设计任务书
题 目
蒸汽锅炉控制系统设计
学生姓名
段卫东
学号
20096678
班级
方0910-6
专业
电气工程及其自动化
承担指导任务单位
电气工程系
导师
姓名
李文娟
导师
职称
讲师
一、主要内容
锅炉的各个辅机以气压、水位等为参数，按程序自动的起停，使锅炉实现自动运行。
当选用手动时，锅炉各辅机按操作者的操作运行，可达到远距离操作、监控、显示、记录锅炉的运行状况。
二、基本要求
控制台设有气压超压报警，水位过高、过低报警，报警时有灯光显示、铃声报警并用，设有警铃自动复位，并且自动关断燃烧系统辅机。
三、主要技术指标（或研究方法）
1.设计应贯彻最新国家标准；
2.根据控制选择PLC型号，分配I/O端口；
3.设计I/O电路，选择电器元件；
4.绘制电气控制系统图，梯形图，绘制用户程序短语表并模拟调试；
5.编制元件清单；
6.编写设计、使用说明书。
四、应收集的资料及参考文献
[1]《小型可编程序控制器原理与实践》 辽宁科技出版社
[2]《可编程控制器应用技术》 机械工业出版社
[3]《建筑电气控制技术》窦晓霞高等教育出版社
[4]《现代建筑电气控制技术应用》陈志新机械工业出版社
五、进度计划
第1周—第2周：
收集资料，完成开题报告；
第3周—第4周：
分析、确定方案；
第5周—第7周：
系统软、硬件设计；
第8周：
中期检查；
第9周—第12周：
模拟调试；
第13周—第14周：
论文审核定稿；
第15周-第16周：
答辩；
教研室主任签字
时间
年月日
本科毕业设计开题报告
题目
蒸汽锅炉控制系统设计
姓名
段卫东
学号
20096678
班级
0910-6
专业
电气工程及其自动化
一、研究目的和意义
在当今各种工业企业的动力设备中，锅炉仍然是一重要的组成部分。
作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理随之要求越来越高。
锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是使燃烧热量适应负荷的需要，同时还要保证锅炉安全经济运行。
对给定出水温度的情况，则需要调节鼓风量与给油量的比例，使锅炉运行在最佳燃烧状态。
同时应使炉膛内存在一定的负压，以维持锅炉热效率、避免炉膛过热向外喷火，保证了人员的安全和环境卫生。
近几年来，我国城市燃油供热结构发生很大变化，改良锅炉的控制系统产生了必然的推动作用。
现在，一般燃气锅炉的设计效率均能达到90%左右，但在实际运行中，由于外界环境温度不断变化，需要的供热量也因而变化，如果不调整锅炉控制系统，往往会造成供热量不足或过量，造成能源浪费。
在这样一种背景下，有必要对锅炉的控制系统进行实时调节，提高能源利用率。
目前，世界各国都存在能源短缺的问题，我国能源问题更为突出，因此，如何使锅炉高效、安全运行是锅炉控制系统的重点。
二、国内外发展情况
国内：
目前供暖的锅炉在启停和运行的过程中都需要精确的实时控制，大多数锅炉系统的控制还采用继电器逻辑控制。
这类系统自动化程序很低，大部分操作还是由手动来完成，只能处理一些开关量问题，无法处理系统的模拟量，即使控制一些开关量，其电气线路复杂，可靠性不高，不便维护，实际锅炉系统控制中每台炉就需要一套继电器控制系统。
锅炉原来采用的是常规测量指示仪表，反应缓慢，无人机界面功能，基本不具备自动调节与控制功能。
此外由于系统的逐渐老化，使得机组在运行中存在很多隐患，威胁机组的运行安全，热工人员的维护工作难度越来越大。
国外：
目前国外的锅炉控制系统应用着许多高科技，自动化程度高，计算机、电子技术、通讯技术的高速发展，都应用于控制系统中，自动化水平也发生着新的变化。
现代锅炉控制系统已经逐渐抛弃了传统的基于模拟技术的控制器，而转向采用大规模集成电路为主，基于数字技术的数字控制器。
有人机界面功能控制起来可直接观看系统运行状态，采用高度集成化电路模块维护更加便捷，增加更多的安全系数使系统运行更稳定。
三、研究/设计的目标：
将锅炉控制系统的继电和仪表控制部分，和保护部分在设计的控制系统功能中用PLC来实现。
利用PLC的逻辑功能来代替原有制系统中繁多的继电器、要求锅炉的控制系统具有完善的自动检测、自动程序控制、自动保护等功能。
使锅炉控制系统更安全、简洁，满足外部对负荷的需求。
并保证锅炉本体的安全经济运行。
四、设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）：
1.分析锅炉控制系统现状及发展趋势，研究国内外先进技术应用与锅炉控制。
2.根据预实现的功能设计装置硬件的总体框图：
3.装置的硬件电路组成实现及PLC的选取。
本着低功耗、高速度、驱动能力强大、价格低的原则选择可编程控制器。
4.控制系统装置的软件设计。
5.根据当前锅炉控制系统的需要实现的功能：
五、方案的可行性分析：
本方案应用了可编程控制器（PLC）,给出了系统硬件的构成，通过PLC实现了锅炉的各种控制调节功能，是控制系统实现了自动化，减小了工人的劳动强度。
锅炉的各个辅机以气压、水位等为参数，按照编制的程序，使锅炉实现自动运行。
当选用手动时，锅炉各辅机脱离自动运行状态按操作者的操作运行，这样可以实现远距离操作、监控、显示、记录锅炉的运行状况，控制台设有气压超压报警，水位过高、过低报警，报警时有灯光显示、铃声报警，设有警铃止鸣，并且自动关断燃烧系统辅机。
指导教师签字
时间
年月日
摘 要
在当今各种工业企业的动力设备中，锅炉仍然是一重要的组成部分。
随着现代化工业的飞速发展，对能源利用率的要求越来越高，作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理随之要求越来越高。
但在我们国家，除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术外，绝大多数中小企业所用的锅炉，如10T/h、20T/h锅炉，大部分还在采用仪表/继电器控制，甚至还是人工操作，已无法满足要求。
据此，本文针对一台10T/h工业锅炉，提出了一套PLC的控制系统方案。
本文以一台10T/h锅炉的PLC控制系统为背景，理论与实践相结合，详细阐述了集PLC技术，伺服电动机技术，通信技术于一体的先进控制技术在该锅炉控制系统中的应用。
在该系统中，应用了三菱公司的FX2N系列PLC，根据锅炉的控制特点，分析系统的控制要求，实现喷油自动调节，送风自动调节，引风自动调节，水泵给水的自动调节，根据系统控制要求分析系统所需的PLC配置，以及备控量的I/O点数及I/O口分配，查阅FX2N使用手册在理论上分析确定PLC的组成及使用事项，并用其编程软件GXDeveloper设计锅炉控制的梯形图、PLC通信网络，实现锅炉的水位控制、燃烧过程自动控制、蒸汽压力自动控制等功能。
锅炉的各个辅机以气压、水位等为参数，按程序自动的起停，使锅炉实现自动运行。
当选用手动时，锅炉各辅机按操作者的操作运行，可达到远距离操作、监控、显示、记录锅炉的运行状况，设有气压超压报警，报警时有灯光显示，并且自动关断燃料系统辅机。
关键词:
锅炉 电机 PLC
Abstract
Nowadaystheboilersarestillanimportantcomponentamongvariouspowerequipmentsinindustrialenterprises.Alongwiththefastdevelopmentofmodemindustry，highefficientenergyutilizationispursuedmoreandmore.AndtheboilerareakindofPrimaryequipmentsforconvertingrawenergyintosecondaryenergy，sotheircontrolandsupervisionisveryimportantforpromotingenergyutilizationefficiency.Butinourcountry，onlysomebigandmedium-sizedboilershaveadopted.Advancedcontroltechnique.Mostboilersbeingusedbymediumandsmallenterprises，suchas10T/hand20T/hboilers，arecontrolledbymete/relays，orevenmanually.
AnadvancedboilercontroltechniquecomposedofPLC，inverter，andcommunicationaredetaillydescribedwithrespecttheoryandapplicationinthispaper，whichisbasedontwoPLCcontrolsystemsof10T/hboilersincertainplant.Automaticcontrolfortheboilershasbeenrealized，suchasthreeimpulsecontrolforthewaterlevel，burningProcesscontrol，vaporpressurecontrol.Moreover，anamicableman-machineinterface，automaticstorageofimportantboilerrundata.EachboilerinthesystemiscontrolledbyonePLCrespectively.Theautomaticcontrolofpublicfacilitiessuchasdeoxidizationequipmentisalsorealizedinthesystem.
Eachauxiliaryboilerpressure,waterlevelastheparameters,accordingtotheprocedureautomaticstart-stop,automaticoperationoftheboiler.Whenthemanual,theauxiliaryboilerinoperationtheoperator,canachievetheremoteoperation,control,display,recordtheboileroperationcondition,withpressureoverpressurealarm,alarmlightdisplay,andautomaticallyshutoffthefuelsystem.
Keywords:
Boiler Motor PLC
目 录
第1章 绪 论1
1.1 课题研究的目的意义1
1.2 国内外研究现状1
1.2.1 国内研究现状1
1.2.2 国外研究现状2
1.3 课题研究内容2
第2章 锅炉控制系统的总体设计3
2.１ 可编程控制器介绍3
2.1.1 可编程控制器的概述3
2.1.2 可编程控制器的基本结构3
2.1.3 可编程控制器的特点及应用4
2.2 PLC控制系统设计的基本原则和步骤5
2.2.1 PLC控制系统设计的基本原则6
2.2.2 PLC控制系统设计的一般步骤6
2.3 组态王的基础8
2.3.１ 组态软件概述8
2.3.2 组态王的特点9
2.3.3 组态软件在国内外的发展9
2.3.4 组态王的使用12
2.4 系统控制要求12
2.5 程序控制13
2.6 锅炉保护装置13
2.7 系统设计思想14
2.7.1 燃油锅炉水位控制系统14
2.7.2 燃油锅炉压力控制系统16
第3章 系统硬件组成18
3.１ 电动机的选择18
3.2 接触器的选择19
3.3 断路器20
3.4 三相异步电动机的起动方法21
3.5 所需传感器选择24
3.6 系统接地25
3.7 系统运行方式25
第4章 系统软件设计26
4.1 PLC程序设计方法26
4.1.１ 图解法编程26
4.1.2 经验法编程27
4.1.3 计算机辅助设计编程27
4.2 编程软件FX2N的介绍27
4.2.1 FX系列介绍27
4.2.2 FX2N系列介绍27
4.3 控制程序流程图28
4.4 PLC软件设计29
4.4.1 程序的调试29
第5章 组态王软件监控设计31
5.１ 新建工程31
5.2 设备定义32
5.3 变量定义33
5.4 画面绘制35
5.5 动画连接及程序编写35
5.5.1 动画连接35
5.5.2 程序编写36
5.6 配置系统38
5.7 运行与调试38
第6章 结论与展望40
6.1 结论40
6.2 展望40
附录43
附录A43
附录B51
附录C56
第1章 绪 论
1.1 课题研究的目的意义
目前在我们国内，锅炉仍然是各种工业企业的动力设备中重要的组成部分。
但是，除了一些大中型锅炉采用了先进的控制技术，如DCS,FCS，一般的小型锅炉的控制仍较落后，仍在使用仪表、继电器作为主要的控制手段（如DDZ-II或III型系列仪表），需要过多的人为参与，不仅工作人员的工作条件差，劳动强度大，而且锅炉的热效率很低，资源浪费严重。
即使现在的仪表不少已趋智能化，在锅炉上也实现了自动或半自动控制，但是，由于其不菲的价格、缺乏管理功能等种种原因，其应用受到很大限制。
另外，当今的大部分中小企业使用的锅炉容量普遍在20T/h以下，锅炉只有两三台，企业根据其经济的承受能力，一般都不可能选用价格昂贵的大型控制系统。
这也是我们小型锅炉的控制技术水平不高的重要因素之一。
但是，随着能源问题的突出，企业现代化管理水平的提高，还有环保意识的增强，作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理的要求越来越高，现在的企业中的小型锅炉的控制技术不提高将难以适应生产的需要。
因此，这就需要在锅炉控制技术上进行变革，需要设计一种性价比合理的、使用和维护方便的新型工业锅炉控制系统。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
目前供暖的锅炉在启停和运行的过程中都需要精确的实时控制，大多数锅炉系统的控制还采用继电器逻辑控制。
这类系统自动化程序很低，大部分操作还是由手动来完成，只能处理一些开关量问题，无法处理系统的模拟量，即使控制一些开关量，其电气线路复杂，可靠性不高，不便维护，实际锅炉系统控制中每台炉就需要一套继电器控制系统。
锅炉原来采用的是常规测量指示仪表，反应缓慢，无人机界面功能，基本不具备自动调节与控制功能。
此外由于系统的逐渐老化，使得机组在运行中存在很多隐患，威胁机组的运行安全，热工人员的维护工作难度越来越大。
1.2.2 国外研究现状
目前国外的锅炉控制系统应用着许多高科技，自动化程度高，计算机、电子技术、通讯技术的高速发展，都应用于控制系统中，自动化水平也发生着新的变化。
现代锅炉控制系统已经逐渐抛弃了传统的基于模拟技术的控制器，而转向采用大规模集成电路为主，基于数字技术的数字控制器。
有人机界面功能控制起来可直接观看系统运行状态，采用高度集成化电路模块维护更加便捷，增加更多的安全系数使系统运行更稳定。
1.3 课题研究内容
本文以一台l0T/h蒸汽锅炉PLC控制系统为研究对象，主要做了以下几个方面的工作：
（1）在深入了解燃油锅炉的工艺过程，以及国内蒸汽锅炉控制现状，尤其对一台l0T/h锅炉控制系统研究，讨论了PLC在锅炉控制中的应用的可行性；
（2）论述了一台l0T/h蒸汽锅炉PLC控制系统的总体结构设计；
（3）介绍了子系统的设计与实现；
（4）详细介绍了控制系统硬件、软件设计方案。
第2章 锅炉控制系统的总体设计
2.1 可编程控制器介绍
2.1.1 可编程控制器的概述
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
2.1.2 可编程控制器的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
（1）电源：
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
一般交流电压波动在+10%~+15%范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
（2）中央处理单元（CPU）：
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
（3）存储器：
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
（4）输入输出接口电路：
现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
（5）功能模块：
如计数、定位等功能模块。
（6）通信模块：
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。
2.1.3 可编程控制器的特点及应用
（1）PLC的特点
PLC可靠性高，抗干扰能力强；通用性高，使用方便；程序设计简单，易学；系统设计周期短；安装简便，调试方便，维护工作量小。
（2）PLC的应用
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：
①开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
②模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
③运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
④过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
⑤数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
2.2 PLC控制系统设计的基本原则和步骤
图3-1 PLC控制设计
明白PLC的基本工作原理和指令系统后,就可以把PLC应用到实际的工程项目中。
无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考图3-1所示的步骤。
2.2.1 PLC控制系统设计的基本原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点：
（1）完整性原则：
最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。
（2）可靠性原则：
确保计算机控制系统的可靠性。
（3）经济型原则：
力求控制系统简单、实用、合理。
（4）发展性原则：
适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。
根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑：
（1）控制规模
一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。
当控制规模较大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。
（2）工艺复杂程度
当工艺要求较复杂时,采用PLC控制具有更大的优越性。
（3）可靠性要求
目前,当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。
（4）数据处理速度
若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非常适宜。
2.2.2 PLC控制系统设计的一般步骤
PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。
所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。
整个系统的设计分以下5步进行：
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