基于PLC的燃油锅炉控制系统设计Word文档下载推荐.docx

1、指导教师： 杨保香 职 称： 讲师年 月 日毕业设计（论文）进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。基于PLC的锅炉点火自控系统的设计【摘 要】 随着我国工业的不断发展，能源消费日益增大，环境污染日益恶化。而锅炉是重要的能源转换设备，由于燃煤锅炉对环境的污染严重，使得高效清洁的燃油锅炉得到了很大的发展。鉴于燃油锅炉所用燃料的快速爆发性及负荷的多变性，燃油炉采用自动控制。燃油锅炉自动控制的任务主要是维持锅炉的水位、温度、压力、烟气含氧量等物理参数在设定的范围内，并能自动适应负荷的变化，从而使锅炉安全

2、可靠经济的运行。论文首先介绍了燃油锅炉的组成结构、生产过程及系统工艺。在分析燃油锅炉对象的动态特性的基础上，对燃油锅炉的燃烧控制系统，进行了研究，并实现锅炉的远程监控。并对其的点火进行自控系统的设计，整个系统采用了三菱编程软件使系统控制灵活、方便。关键词 燃油锅炉 燃烧器 PLC引 言 随着我国经济的日益发展和人民生活水平的不断提高，能源消费日益增大，环境污染日益恶化;而人们环境保护意识的不断增强以及对改善环境的呼声，促使政府加大力度以强制性政策来引导能源消费结构向洁净和节能型能源转变。受以上因素的影响，燃油作为高效清洁的能源，越来越受到企事业的青睐，污染严重的燃煤锅炉亦加快了向燃油炉转变的步

3、伐，从而使燃油锅炉得到了很大发展。 鉴于燃油锅炉所用燃料的快速爆发性及负荷的多变性，燃油炉应采用自动控制。燃油锅炉自动控制的任务主要是维持锅炉的水位、温度、压力、烟气含氧量等物理参数在规定的范围内，并能自动适应负荷的变化，从而使锅炉安全可靠经济的运行。燃烧器是燃油锅炉的关键设备，国内目前的锅炉企业一般都引用进口的燃烧器以及它们的控制系统。国内企业本身却对这方面的技术研究较少。因此本课题的主要目的就是开发一套安全可靠、性能优越的燃油锅炉的控制系统，采用PLC作为整个系统的逻辑控制单元。可编程序控制器PLC是目前最常用的控制装置，其最大的特点就是可靠性高、功能强大，它的高可靠性的设计非常适合在工业

4、现场环境下应用。它不仅能实现复杂的逻辑顺序控制，而且还能完成少量程控制。此外，PLC编程简单，使用方便，现场安装调试时间短。此外，PLC编程简单，使用方便，现场安装调试的时间短。1 绪论1.1锅炉自动控制系统简述锅炉，主要包括“锅”和“炉”两部分。“锅”是指锅炉中盛水或蒸汽的承压部分。它的作用是吸收炉中燃料放出来的热量，把水加热到一定的温度和压力.“炉”是指锅炉中燃料燃烧的部分，它的作用是尽量地把燃料内的热能全部释放出来，传递给锅内物质燃油锅炉控制系统的性能优劣，直接影响燃油锅炉的性能及使用，其报警及保护系统直接影响燃油锅炉的安全性及可靠性。因此，一套优良的燃油锅炉控制系统对燃油锅炉的生产者及

5、使用者都具有极为重要的意义。在本课题中，燃油锅炉的控制系统主要包括燃烧器控制、锅炉水位控制以及油泵恒压供油控制三大部分。1.1.1燃烧器控制程序燃烧器是燃油锅炉的关键设备，它应该具备效率高、稳定着火、安全性好等特点。燃烧器主要由燃烧装置和控制装置两大部分组成。燃烧装置包括:点火装置、鼓风机、燃油泵、电磁阀、燃烧喷嘴等。控制装置主要是程序控制器。燃油锅炉程序控制主要有以下几点:（1）吹扫程序在燃烧启动前，燃烧器应对锅炉炉膛预吹扫一段时间（通常为36秒左右），即风门执行器将风门由小向大打开，在风门最大位置对锅炉炉膛进行预吹扫。 （3）安全运行连锁保护程序风压安全检测在预吹扫过程和整个燃烧运行过程中

6、都在工作，当风压低于设定值时，燃烧器程控器进入自锁状态，中止燃烧器运行。（4）阀门密封性检测保护程序在每次起动点火前阀门检漏装置都要自动进行检测，当阀门存在漏气时将锁定燃烧器控制。（5）停炉、熄火保护程序当点火火焰建立后，火焰探测器开始工作，当检测到有点火火焰后，将进行第一次火焰探测（燃烧火焰），在探测有火焰后程序控制器完成点火程序，燃烧器进入负荷调节。不论任何一次如没有探测到火焰，程控器应该自锁并中断供气，同时停炉并报警。1.2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

7、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）汽负荷中小波动时，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。 （

8、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

9、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。

10、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。1.3认识可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，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。1.3.1 PLC的发展和市场情况1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。在以改变几

11、何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械加工

12、及生产线方面的应用，还需要加大投入。我国市场上流行的有如下几家PLC产品： 施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品； 罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、MicroLogix、ControlLogix等产品； 西门子公司的产品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列产品； GE公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。PLC的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有调查表明，PLC配套的机电一体化产品的比例占42%，采用继电器、接触器控制尚有24%。所以说，需要应

13、用PLC的场合还很多，在我国就更是如此了。从技术创新的角度看，我国大中型企业还要大力发展CIMS，在机械制造厂要形成FMS柔性制造系统，PLC是基础，所以PLC市场是广阔的。PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我们下面重点阐述几个问题，并研究其发展趋势。1.3.2 PLC的硬件和软件PLC在90年代已经形成微、些 中、大、巨型多种PLC。按I/O点数分，可分为：微型PLC： 32I/O，小型PLC：256I/O，中型PLC：1024I/O，大型PLC：4096I/O ，巨型PLC：8195I/O。PLC控制器本身的硬件采用

14、积木式结构，各厂家产品结构大同小异。以日本欧姆龙C200HE为例，为总线模板框式结构，基本框架（CPU母板）上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板；如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板；另一种方法是配备远程I/O从站等。为了完成控制策略，为了替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块（或子程序），称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用。指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。细分一般PLC的指令系统有：基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指

15、令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些指令多是类似汇编语言。另外PLC还提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便。1.4三菱PLC简介三菱PLC是三菱电机在大连生产的主力产品。三菱PLC在中国市场常见的有以下型号：FR-FX1N FR-FX1S FR-FX2N FR-FX3U FR-FX2NC FR-A FR-Q。1.4.1 FR-FX2N系列PLCFX2N系列PLC是三菱旗下的一款PLC,其特点是：（1）系统配置既固定又灵活在基本单元上连接单元或扩展，可进行16256点的灵活输入出组合。（2）在基本单

16、元、扩展单元上可分别连接扩展模块还可连接FXon系列扩展模块。（3）编程简单，应用指令中有多个可使用的简单指令。（4）高速处理指令，输入过滤器常数可变，中断输入处理，直接输入等。（5）数据处理，数据检索，数据排列，三角子函数运算，平方根，浮点小数运算等。（6）特殊用途，脉冲输出（20KHZ/DC5V,10KHZ/DC12V24V）脉宽调制，PID控制指令等。（7）外部设备相互通信，串行数据传送，ACCII code印刷，HEXASCII变换，校验码等。（8）时计控制，内置时钟的数据比较、加法、减法，读出、写入等。（9）令人放心的高性能，程序容量.内置8000步RAM（可输入注释）可使用存储盒，

17、最大可扩充至16K步。2燃油锅炉工艺系统分析2.1燃油锅炉系统工艺燃油锅炉工艺流程图如图2-1所示。图2-1燃油锅炉工艺流程图由图2-1可知，燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。然后经过热器，形成一定汽温的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为PM的过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷设备用。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，最后引风机送往烟囱，排入大气。2.2燃油锅炉基本组成部分燃油锅炉主要由下列几部分构成: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，在管簇内发

18、生自然的循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在上锅筒里边。下锅筒作为连接沸水管之用。同时储存水和水垢。炉子:是使燃料充分燃烧并放出热能的设备，由供油系统和油枪组成。过热器:是将气锅产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。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。 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的换热器。为保证锅炉的正常工作，锅炉还必须有一些辅助设备，包括以下几部分: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

19、。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。锅炉生产中所需要的温度压力，流量，液位等检测仪表及各种自动控制装置。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，高温的燃料产物一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

20、汽化过程。先简要叙述如下:（1）燃料的燃烧过程工业锅炉的燃烧过程，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。可燃混合物继续吸热升温，达到燃点着火燃烧。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。强烈的辐射换热，后烟气受引风机、将热量传递给管内工质，在炉膛的四周高温烟气与水冷壁进行管内工质经过对流方式进行换热，然烟囱的引力而向炉膛的上方流动，经过蒸汽过热

21、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。2.4工业锅炉的自动调节任务工业锅炉的生产任务是根据负荷设备的要求，生产具有一定参数（压力和温度）的蒸汽和热水。为满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工业锅炉主要有下

22、列自动调节任务:（1）保持汽包水位在规定的范围内锅炉汽包水位高度，关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量， 安全生产的重要参数。变化速度必然很快，要使锅炉的蒸发量随时适应负荷设备的需要量，也是确保安汽包水位的稍不注意就容易造成汽包满水，无论满水或缺水都会造成事故。因此，必须对汽包水位进行自动调节，将水位严格控制在规定的范围之内。（2）稳定蒸汽温度过热蒸汽的温度是生产工艺确定的重要参数，蒸汽温度过高会烧坏过热器水管，对负荷设备的安全运行带来不利因素。蒸汽温度过低会直接影响负荷设备的使用，对汽轮机来说，会影响它的效率，一般情况，进汽温度每降低50C，效率降低1%。因此，从安全生产和技术经济指标上看，

23、必须对蒸汽的温度进行自动调节，使蒸汽温度保持在额定值范围之内。（3）控制蒸汽压力的稳定蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。蒸汽压力过高或过低，对于金属导管和负荷设备都是不利的。在锅炉运行过程中，蒸汽压力降低，表明负荷设备的蒸汽消耗量大于锅炉的蒸发量;蒸汽压力（4）维持经济燃烧要使锅炉燃烧过程出现最佳工况，提高锅炉的效率和经济性，必须使空气和燃料维持适当的比例。对于燃油锅炉，现代的运行水平可以将燃烧室里的自由氧控制在0.5-1%之内，即过剩空气为2.4-5%左右。将过剩空气降低到近于理想水平而又不出现CO和冒黑烟，这就需要快速而精确地对燃烧过程进行自动调节，使空气

24、和油呈现最佳配比。根据锅炉的主要调节任务，本课题将研究锅炉的燃烧控制。主要控制系统包括:锅炉燃烧控制系统。其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为受控变量）;使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证最经济燃烧（常以烟气成分为受控变量），提高锅炉的燃烧效率;使引风量与送风量相适应，以保持锅炉负压在一定的范围内。为达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃料量、送风量和引风量。3燃油锅炉燃烧自动控制系统3.1锅炉自动控制3.1.1锅炉自动控制的任务锅炉自动控制的任务主要是维持锅炉的水位、温度、压力、烟气含氧量等物理参数在设定的范围内，并能自动适应负荷的变化，从而使锅炉

25、安全可靠经济地运行。 （1）保持锅炉水位在规定的范围蒸汽锅炉水位的高低，关系着汽水分离的速度和产生蒸汽的质量，对锅炉的安全运行极为重要。水位太高时，会使蒸汽大量带水，降低蒸汽品质，甚至会发生满水事故。水位偏低，会造成锅筒各部位的温度偏差，形成热应力，极限情况下会出现裂纹。水位过低，则容易发生缺水事故。在负荷变化时，锅炉水位也会快速变化，因此必须采用自动控制来维持水位在规定的范围内。（2）保持汽压的稳定锅炉汽压的变化，实际上反映了锅炉负荷的变化。当蒸汽量多于外界需求时，锅炉的汽压会上升;反之，锅炉的汽压就下降。汽压偏高，会影响锅炉的安全运行，加速金属材料的蠕变。汽压偏低，说明锅炉不能满足生产需要

26、。因此，维持汽压稳定是安全生产和正常运行的需要。（3）烟道出口排烟温度控制排烟温度超过正常值时，说明锅炉缺水或烟气短路，这些都对锅炉安全运行产生威胁，都是事故的先兆。不论什么原因造成排烟温度超过正常值时，烟气保护装置都会自动报警、停炉并锁定，此时锅炉不能起动，只有当排烟温度超出正常值原因被查明并处理后，方可重新起动，因而确保锅炉在绝对安全的条件下万无一失的运行。（4）烟气含氧量的控制烟气含氧量高，说明送风量大，会带走锅炉的热量;烟气含氧量低，说明燃烧不充分。因此，必须使烟气含氧量维持在最佳值，在这样的情况下，才能保证燃烧的经济性。（5）热水锅炉出水温度的控制出水温度是燃烧系统控制对象的主要被调

27、量，引起其变化的因素很多，如燃料量、送风量、用户负荷、外界环境温度等。出水温度过高，容易引起汽化，导致发生事故;出水温度太低，满足不了供热需求。所以，要控制在一定的范围之内。根据外界环境温度将锅炉出水温度进行调整，使出水温度根据外界温度的变化来自动调节，符合一定的节能曲线，以达到节能运行的目的。3.1.2程序控制程序控制是完成锅炉起动、停止以及正常工作等一系列操作自动化进行的过程，只有前一个条件满足，才能进行下一个动作。燃油、燃气锅炉程序控制主要有以下几点:（1）炉膛吹扫程序在燃烧起动前，燃烧器应对锅炉炉膛预吹扫，即风门执行器将风门由小向大打开，在风门最大位置对锅炉炉膛进行预吹扫。（2）自动点

28、火程序在吹扫及阀门密封性、供气压力检测完成后，风门执行器带动风门关小到设定的点火位置，点火变压器投入工作，当点火电磁阀打开后，可燃油雾立即被高压电火花点燃产生点火火焰。（3）安全运行连锁保护程序风压安全检测在预吹扫过程和整个燃烧运行过程中都在工作，当风压低于设定值时，燃烧器程控器进入自锁状态，中止燃烧器运行。（4）阀门密封性检测保护程序在每次起动点火前阀门检漏装置都要自动进行检测，当阀门存在漏气时将锁定燃烧器程控器。 （5）停炉、熄火保护程序当点火火焰建立后，火焰探测器开始工作，当探测到有点火火焰后，将进行第一次火焰探测（燃烧火焰），在探测有火焰后程控器完成点火程序，燃烧器进入负荷调节。不论任

29、何一次如没有探测到火焰，程控器将自锁并中断供气，同时停炉并有声光报警。3.1.3点火及火焰监测保护装置火焰监测保护装置主要有紫外线探头、光敏电阻、电离棒等。燃烧器一般都设置有火焰监测器，以便随时监测炉膛内燃烧情况和点火是否成功，当点火程序失败或可燃油雾不良或风油量比例不当等导致熄火时，火焰监测器光敏管中的光电转换器无光信号，燃烧器程序控制器几秒钟内既可切断电路，关闭进油电磁阀，并发出声光报警信号，同时锅炉停止运行。再次起动前，必须检查故障及熄火原因，手动复位后方可重新起动。3.1.4锅炉辅机设备的控制保护装置（1）断电自锁保护装置运行中的锅炉，在电源突然中断情况下，锅炉自控系统能使整台锅炉停运

30、并自锁。若电源恢复，锅炉则不能自动点火，即使按起动按钮也不能起动。必须按控制面板上的“复位”按钮解除自锁，再按起动按钮才能点火，以防止锅炉自动燃烧。（2）燃烧器打开保护装置一般进口燃烧器均安装有安全装置，这个安全装置与起动电源互相联锁，当燃烧器打开检修时，由于安全装置的存在，操作人员不小心按下起动按钮时，或者燃烧器安装位置不正确时，或者燃烧器固定螺栓未固定到规定位置上，锅炉均不能起动。3.2燃油燃烧器自动控制燃油锅炉存在着炉膛冷爆的可能。冷炉起动时由于炉膛内油雾的大量积聚，在锅炉起动时，有时点火时发生“璞璞”声。严重时会引起炉膛爆炸，造成设备的破坏和人员伤亡。所以，燃烧器必须设有点火和停机的程序控制和多种安全联锁保护装置。3.2.1燃油锅炉的起动、停止程序锅炉在实施点火启动之前，必须具备