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锅炉综合自动控制系统设计论文

分类号：

TP29编号：

BY15478810/11/212-0702

沈阳化工大学

本科毕业论文

题目：

锅炉综合自动控制系统设计

院系：

信息工程学院

专业：

自动化

班级：

0702

学生姓名：

白静

指导教师：

郭小萍

论文提交日期：

2011年6月24日

论文答辩日期：

2011年6月28日

摘要

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。

目前，我国燃烧供热所用的锅炉的燃烧效率还相当低，而且也使得锅炉的燃烧不充分，而造成大气污染加重，所以这就迫切要求我们的锅炉技术得到提高，设计出一套热效率高、节能、环保、安全的锅炉控制系统。

因此，进行锅炉过程控制系统设计具有重要的实际意义。

该论文在参考文献的基础上，首先介绍了课题研究意义，基础理论知识，其中包括PLC相关的理论以及过程控制系统的理论，描述了锅炉燃烧、水位控制系统的工作原理。

然后分析了锅炉控制系统的控制任务及控制目标，设计了相应的控制系统，主要包括锅炉汽包水位控制系统、燃烧控制系统以及蒸汽温度控制系统，并且选择了满足要求的控制方案。

在有了基础理论后，找控制系统中I/O点,详细分析I/O点的类型、数量等。

根据I/O点，对PLC进行选型，再根据所选的PLC，对I/O点的地址进行分配。

最后进行软件设计。

绘制程序流程图，然后设计梯形图，最后在S7-200的编程软件上实现。

关键词：

锅炉;水位控制;燃烧控制;蒸汽温度控制;可编程序控制器

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmodernindustry,theenergyutilizationratioofthedemandishigherandhigher,aswillaenergyintotwotimestheenergyofoneoftheimportantequipment,theboilercontrolandmanagementthendemandishigherandhigher.Atpresent,China'sburningheatingboilercombustionefficiencyusedisratherlow,butalsomaketheboilercombustionisnotfull,andcauseairpollutionisaggravating,soitisurgentrequirementofourboilertechnologyimprovements,designasetofhighthermalefficiency,energysaving,environmentalprotection,safetyofboilercontrolsystem.Therefore,intheprocesscontrolsystemdesignofboilerisimportantpracticalsignificance.

Thispaperonthebasisofthereferences,firstintroducedtheresearchsignificance,thebasicknowledge,includingPLCrelatedtheoryandthetheoryofprocesscontrolsystem,describestheboilercombustion,waterlevelcontrolsystemprincipleofwork.Andthenanalyzestheboilercontrolsystemofthecontrollingtasksandcontroltarget,therelevantcontrolsystemdesign,includingtheboilerdrumwaterlevelcontrolsystem,thecombustioncontrolsystemandsteamtemperaturecontrolsystem,andselectthemeettherequirementsofcontrolplan.LookforcontrolsystemI/Opoint.AccordingtotheI/Opoints,theselectionofPLC,againaccordingtotheselectedPLC,theI/Oaddressforthedistributionofthepoints.Designthesoftware.Drawprogramflowcharts,andthendesignladderdiagrams,thelastinthes7-200programmingsoftwarerealization.

Keywords:

boiler;Waterlevelcontrol;Burningcontrol;Steamtemperaturecontrol;Programmablecontroller

第一章绪论

1.1锅炉控制系统设计目的及意义

目前，相当多的锅炉仍旧在采用传统方式控制，主要依靠操作员手工来完成，这样就要求锅炉操作员时刻都要在现场监控锅炉运行情况，并且要对整个锅炉系统的运行过程以及过程中各个环节的相互影响都有相当深刻的了解，能够根据现场实际情况及时调整各个相关参数以达到工艺要求。

其过程复杂，而且还凸显了很多弊端。

操作容易导致安全事故，而且参数控制不够准确及时，而导致能源和资源的浪费严重，另外运行维护成本也高，劳动效率低下。

随着科学技术的飞速发展，带动社会生产的发展，人类对能源的需求不断增加，世界上发达国家为了解决能源紧张而带给各行业的冲击，都努力在开发能源的同时，致力于节能新方法的研究。

锅炉是我国石油、化工、发电等工业生产过程中必不可少的设备，其产物蒸汽不但可以作为蒸馏、干燥、反应、加热等过程的热源，并可以作为驱动设备的动力源。

根据不完全统计，我国共有各类锅炉近40万台，每年的耗煤量达3亿多l吨，占我国原煤产量的三分之一。

由于煤质变化大，设备陈旧，不仅工人劳动条件差，劳动强度大，而且锅炉热效率低。

因此，在满足工艺要求的前提下，为了提高锅炉的效率，低能源消耗，把工人从繁重的劳动中解放出来，促进文明生产，锅炉实现自动控制是一个急待解决的问题[1]。

据有关资料统计，一台10t/h的锅炉,若提高热效率1%，每年就能节约煤200吨左右，约合人民币20000多元，济效益是很明显的。

又如对燃煤锅炉进行改进，实行自动控制，在不需要人工干预的情况下，随时调整给水量、燃料量、送风量及引风量，维持水位、蒸汽压力、蒸汽温度及负压的恒定，有可能将锅炉的热效率提高5%以上。

另外，使锅炉达到经济燃烧状态，还可以减少烟气中的含尘量，减少空气污染。

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。

PLC的出现，使人们摆脱了常规仪表的局限性，为锅炉的自动控制注入了新的活力，使得一些先进的控制方法得以实现。

PLC是目前最常用的装置，其最大特点就是可靠性高、功能强大，他的高可靠性的设计非常适合在工业现场环境下应用。

此外，PLC编程简单，使用方便，现场调试时间短。

为此，本课题通过PLC来对整个锅炉作业过程进行实时监控，配置控制与管理系统，实现自动控制[2]。

总结国内外锅炉控制经验，结合实际，设计出适合锅炉的控制硬件系统，并实现先进控制算法，提高锅炉的自动化水平，以及效率，合理利用资源，达到锅炉控制系统安全、节能、环保运行。

这具有重要的经济效益和深远的社会效益。

1.2锅炉控制系统的国内外发展状况

1.2.1锅炉自动控制的国内外现状

锅炉的自动控制经历了三、四十年代单参数仪表控制，四、五十年代单元组合仪表、综合参数仪表控制，直到六十年代兴起的计算机过程控制几个阶段。

尤其是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不断增强，价格的大幅度下降，使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。

在欧美和日本等发达国家，石油和天然气己成为第一能源，占能源消费的60%左右，燃油和燃气锅炉己逐步取代燃煤锅炉，风机和水泵等电机的变频控制己相当成熟。

自20世纪90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，锅炉控制水平大大提高，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采用了现代控制理论中最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。

在我国，锅炉的控制大致经历了四个阶段[3]：

（1）手动阶段

在六十年代以前，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的自动化观念还比较淡薄，这段时期的锅炉一般采用纯手动的控制方式，即操作工人通过经验决定送风、给水、引风、给煤的多少，通过手动操作器等方式来达到控制锅炉的目的。

这样就要求司炉人员必须有丰富的经验，增加了工人的劳动强度，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效率运行。

（2）自动化单元组合仪表控制阶段

随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经开发并广泛应用了全自动工业锅炉控制技术。

60年代前期，我国工业锅炉的控制技术开始发展，60年代后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，70年代后期己经研制了一些工业锅炉自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉控制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。

但是，由于采用单元组合仪表靠硬件来实现控制功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些简单的控制算法，不能实现一些较先进的算法和控制技术，控制效果仍然不理想。

（3）采用微机测控阶段

随着电子技术的发展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我国的广泛应用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。

运用计算机技术，开发出高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统日益得到重视。

80年代后期至今，国内己经陆续出现了各种各样的锅炉微机检测系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。

（4）智能控制的广泛应用阶段

由于现代控制理论的发展以及在各方面的应用，解决了传统控制理论难以解决的问题，给工业过程控制带来了崭新的应用前景，并取得了前所未有的效果，成为目前正在迅速发展的一个领域。

各种形式的控制系统、智能控制器不断地开发和利用。

1.2.2锅炉自动控制的发展前景

现代过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，对生态环境的影响也日益突出，这些都对控制提出了越来越高的要求。

不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。

因此，仅用常规仪表己不能满足现代化企业的控制要求。

由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点，已在过程控制中得到十分广泛的应用。

锅炉作为一种典型的生产过程，其自动控制水平已随着过程计算机系统的发展而发展。

从当前的趋势看，在大型企业中，过程控制计算机正成为一种把控制和管理融为一体的综合自动化系统。

自动化技术，信息技术和各种工业生产技术的基础上，通过计算机系统将工厂全部生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统有机的集成起来，形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成当前控制领域的一个重要研究方向。

在控制技术方面，近年来，为了获得更好的控制性能，把基于数学模型的控制技术和基于经验知识的控制技术相结合的集成控制技术受到了重视，获得了较广泛的研究[4]。

由于锅炉生产过程是缓慢的，而计算机的运算过程是相当快的，所以计算机在完成系统控制功能的基础上还可以利用软件来代替许多仪表单元（如函数发生器、加减器、微分器、限幅报警器、滤波器等），从而既减少投资又减少故障率。

计算机控制还可以把许多必要的参数（如压力，流量、温度等）定时打印出来，使管理更现代化、科学化。

计算机参与锅炉的控制还能够对运行系统进行各种在线测试，使锅炉以较高的效率进行，这样能节约能源，也为提高控制精度和完善锅炉结构指出了改进的方向。

如果计算机发展到智能计算机系统，也就是接近人的计算机系统。

这种计算机如果应用到工业锅炉生产上，那么锅炉生产的管理会更完善，能源的利用会更加合理，更加充分。

到那时，工业锅炉的控制将会出现更新的局面。

计算机在工业锅炉上的应用是很有发展前途的。

因此，锅炉的自动控制当前正朝着多学科结合的计算机技术的应用，管理控制一体化的趋势发展。

1.3本文主要内容及论文结构

1.3.1论文主要内容

论文首先介绍了工业锅炉的组成及工作过程，对整个生产工艺进行了概述。

锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。

主要输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。

这些输入变量与输出变量之间相互关联，构成了锅炉主要的控制系统。

1.锅炉汽包水位控制系统。

采用三冲量控制系统，即蒸汽流量、给水流量、汽包水位三个冲量作为输入量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包水位。

2.锅炉燃烧控制系统。

在燃烧控制系统的三个子系统中，通常通过调节燃料量维持蒸汽压力的恒定，调节送风量以保证燃烧的经济性，调节引风量维持炉膛负压的稳定。

3.过热蒸汽温度控制系统。

过热蒸汽温度是锅炉生产工艺的重要参数，过热蒸汽温度控制的任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定温度，形成过热蒸汽。

在设计完控制方案的基础上，本系统采用PLC控制，对PLC进行硬、软件的设计。

最后对系统实现自动控制。

1.3.2论文结构

论文的第一章，主要介绍了课题的研究目的及意义，对锅炉综合控制系统的国内外发展情况进行了介绍。

论文的第二章，主要介绍了本设计涉及到的一些基础知识及理论，包括可编程控制器以及过程控制等的一些知识。

论文的第三章，首先介绍了锅炉的工艺流程及装置，对整个工艺进行了说明，其次介绍了主要的控制系统及控制方案，在此基础上进行硬件选型，最后根据前面的工作，进行软件设计。

论文的第四章，结论，即对整个设计总结，包括优缺点，以及展望等。

第二章基础理论知识

2.1PLC介绍

2.1.1PLC的基本概念

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，它是采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和计算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

是工业控制的核心部分[5]。

早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。

现在的PLC己不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。

总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。

它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。

但可编程控制器产品不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

2.1.2PLC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[6]：

a、电源　　

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

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。

b、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。

c、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。

d、输入输出接口电路

一是现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路组成，作用PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

二是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。

e、功能模块

如计数、定位等功能模块。

f、通信模块

如以太网、RS485等通讯模块

2.1.3PLC的工作原理

PLC的工作原理可用一句话概括，即扫描的工作模式。

有周期性、批处理的特点。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

（3）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

一般来说，PLC的扫描周期还包括自诊断、通信等，即一个扫描周期等于自诊断、通信、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间总和。

2.1.4PLC的编程语言

以西门子PLC的编程语言为例，说明一下，各种编程语言的异同。

（1）顺序功能图

这是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编程顺序控制的程序（如：

机械手控制程序）。

编写时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。

（2）梯形图

这是使用最多的PLC编程语言。

因与继电器电路很相似，具有直观易懂的特点，很容易被熟悉继电器控制的电气人员所掌握，特别适合于数字量逻辑控制。

梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令构成。

触点代表逻辑输入条件，线圈代表逻辑运算结果，常用来控制指示灯，开关和内部的标志位等。

指令框用来表示定时器、计数器或数学运算等附加指令。

（3）语句表

是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。

语句表适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些梯形图不能实现的功能。

（4）功能块图

功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑，一些复杂的功能用指令框表示，适合于有数字电路基础的编程人员使用。

功能块图用类似于与门、或门的框图来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框用“导线”连在一起，信号自左向右。

（5）结构文本

结构化文本（ST）是为IEC61131－3标准创建的一种专用的高级编程语言。

与梯形图相比，它实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。

2.1.5PLC的程序结构

西门子的CPU的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。

（1）主程序

主程序是程序的主体，每个项目都必须并且只能有一个主程序。

在主程序中可以调用子程序和中断程序。

主程序通过指令控制整个应用程序的执行，每个扫描周期都要执行一次主程序。

（2）子程序

子程序是可选的，仅在被其他程序调用时执行。

同一个子程序可以在不同的地方被多次调用。

使用子程序可以简化程序代码和减少扫描时间。

设计的好的子程序容易移植到别的项目中去。

（3）中断程序

中断程序用来及时处理与用户程序的执行时序无关的操作，或者不能事先预测何时发生的中断事件。

因为不能预知何时会出现中断事件，所以不允许中断程序改写可能在其他程序中使用的存储器。

2.1.6PLC在控制系统中编程的步骤

（1）仔细阅读产品说明书[7]

第一步看起来很简单，因此会被很多设备工程师认为是浪费时间而忽略。

仔细阅读说明书，首先要阅读安全守则，知道哪些机构可能会对人造成伤害，哪些机构最容易发生撞击，当发生危险时如何解决。

这是很重要的一步。

（2）编程软件中进行硬件配置，找出I/O点。

在编程前，首先要找到需要控制的I/O点，对其进行具体分析，编程根据实际PLC的类型建立硬件配置以及相应的通讯配置，将I/O地址进行分配。

（3）编写程序流程图

在进行PLC软件编程之前，一定要先写出程序的流程图。

一个完整的程序，应该包括主程序、停止程序、急停程序、复位程序等部分，如果软件允许，应该将各个程序按“块”的形式编写，即一个程序是一个块，最终将每个块按需求来调用即可。

（4）软件中编写程序

确保流程没有问题后，便可以在软件中编写程序了。

编写程序时按照程序流程图来编写。

（5）调试程序

一般调试程序，可以分成两个方面：

a、如果条件允许，可以先用软件的仿真功能做测试。

b、传到PLC中进行在线的调试。

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。

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。

此外，PLC可靠性高、功能强大，他的高可靠性的设计非常适合在工业现场环境下应用。

由此可看出，PLC在工业控制中已经起到了非常重要的作用