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基于PLC的燃油锅炉控制系统设计基于PLC的燃油锅炉控制系统设计 摘 要 目前燃油锅炉的应用越来越广泛，对燃油锅炉的科学研究也越来越多。为解决我国燃油锅炉产业现状存在的主要问题，采用PLC等控制技术和设备对我国燃油锅炉控制系统进行适当改造。FX2N系列PLC改造的燃油锅炉控制系统，根据自动控制基本原理实现了锅炉更高效率和更高可靠性的启动、停止、暂停和异常处理；在此控制系统中对锅炉燃烧各项参数等可进行高效检测、校正和调节；其中锅炉水位、压力等参数控制亦可由PLC实现控制。 首先是对燃油锅炉基本结构组成和运行原理进行研究和分析；主要研究WNS型卧式燃油锅炉，根据燃油锅炉控制系统的工艺要求设计控制方案；设置好具体参数，进行PLC的I/O口的估算和分配，选择三菱FX2N系列PLC作为控制系统核心，在此基础上设计出控制系统外部接线图，并对其它组成部件如变频器、电机等进行选择；最后根据系统流程图进行主电路接线图的设计，完成梯形图，最后进行程序的校验和仿真。 关键词： PLC, 燃油锅炉, 汽包水位 Design of the boiler burner control system based on plc Abstract The application of fuel boiler is more and more extensive, scientific study of the oil-fired boiler is also more and more. In order to solve the current problems of fuel boiler industry in China, using PLC control technology and equipment appropriate modification of control system of fuel boiler in china. Fuel boiler control system of FX2N series PLC transformation, according to the basic principle of the automatic control of boiler high efficiency and high reliability of the start, stop, pause and exception handling; the boiler combustion parameters can effectively detect, correction and adjustment in the control system of boiler water level; wherein, parameters such as pressure control can realize control by PLC. The first is the research and Analysis on the basic structure of fuel boiler components and operating principle; the main research WNS horizontal oil-fired boiler, according to the process control system of fuel boiler design requirements of control scheme; set up specific parameters, estimation and allocation of PLC I/O port, select the Mitsubishi FX2N series PLC as the core of control system, based on the control system design of external wiring diagram, and other components such as the inverter, motor selection; finally, according to the design of main circuit wiring diagram for the system flow chart, complete ladder diagram, verification and simulation step procedure. Key words：PLC, fuel boiler, the drum water level ii 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景及意义 . 1 1.2国内外研究现状 . 1 1.3本设计研究的意图 . 2 1.4 本文所做工作 . 2 第二章 锅炉燃烧的分析 . 3 2.1 燃油锅炉的基本组成部分 . 3 2.2 锅炉系统的结构 . 3 2.3燃油锅炉的工作过程 . 4 2.4设计方法 . 5 第三章 锅炉燃烧控制系统的设计 . 6 3.1 燃油锅炉系统控制要求 . 6 3.2 燃烧过程、水位高低控制 . 6 3.3 燃油锅炉系统工艺流程 . 7 3.4 确定燃油锅炉的设计方案 . 7 3.5 工艺参数控制 . 8 3.6 总体设计思路 . 9 第四章 硬件选择及设计 . 11 4.1 PLC控制系统的设计步骤 . 11 4.2 PLC机型的选择 . 12 4.2.1 PLC容量估算 . 13 4.2.2 其它器件的选型 . 14 4.2.3系统的I/O接口以及硬件接线图 . 14 4.3锅炉水位控制图 . 17 4.4系统主电路接线图 . 18 I 4.5电机及驱动控制选型 . 19 4.5.1 电机及喷油泵的选型 . 19 4.5.2 变频器选型 . 19 4.5.3 检测元件选型 . 19 第五章 系统软件设计 . 20 5.1 系统流程图 . 20 5.2系统控制的梯形图 . 21 5.2.1起动 . 21 5.2.2 停止 . 21 5.2.3 异常自动关火 . 22 5.2.4锅炉水位控制 . 22 5.3 系统总梯形图 . 23 5.3.1系统运行控制 . 23 5.3.2系统水位运行控制 . 25 第六章 结论 . 29 6.1 成果评价 . 29 6.2 作用意义 . 29 6.3 应用范围和前景 . 29 6.4 需要进一步改进之处 . 29 参考文献 . 30 谢辞 . 错误！未定义书签。 附录 . 31 II 第一章 绪论 环境和能源问题是全球关注焦点，我国能源结构和经济发展不相称,能源结构影响国民经济和生活。我国在九十年代末进行过锅炉产业的大规模改造虽引进部分先进技术和产品但并未彻底解决问题，传统的能源结构和消费模式并未改变，使得污染有日益严峻的趋势。这就需要我们重新审视我国的能源结构和消费结构，学习和借鉴西方先进国家的有益做法，调整我国锅炉产业结构，引进先进设备和工艺，同时要结合国情努力改造我国锅炉产业的设备和控制方法，减少污染的排放。基于此为了保护我们的环境为了造福后代，同时践行国家节能减排战略，作为科研人员要大力研发节能降污染的技术和产品，对现有产品和设备进行研究改造，站在工业化和产业化的战略角度采用适当先进技术改造工业锅炉和众多燃油锅炉产品。主要研发以燃油、天然气为燃料的燃油或燃气锅炉，用改良的新产品替代陈旧落后产能的旧设备，此举也符合国家节能减排战略要求，替换高耗能、污染重的锅炉更是现实的需要。 1.1 课题研究的背景及意义 当今世界范围内，燃油锅炉因燃烧效率高、易于控制、利于节能减排等众多优势已被众多企业所接纳、采用，成为传统旧锅炉的首选替代品而深受欢迎。 随着我国工业化进程的加快，产业结构的迅速升级，锅炉产业也进入了快速发展期，虽然燃油锅炉的应用越来越普及，锅炉的燃烧效率和控制水平也得到不断地提高，但是就目前情况而言仍存在很多问题。21世纪我国能源短缺问题更突出，能源问题已经成为我国工业化进程的“瓶颈”，大力推行节能减排是国家势在必行的强大战略，适合时宜地进行锅炉的改造使锅炉高效安全运行，切实提高我国燃油锅炉燃烧控制自动化程度是我国燃油锅炉未来发展的重要趋势。 1.2国内外研究现状 自20世纪XX年代以来，随着可编程控制器的出现和在各种工业现场的大量应用以及各种先进控制技术的发展特别是智能控制技术的广泛应用，燃油锅炉控制水平大为改善，其运行效率得到大幅提高。国内外燃油锅炉发展迅速，美日、1 西欧等国技术遥遥领先。燃油锅炉应用虽广，但我国总体水平不高，同先进国家比仍有较大差距。我国总体水平相当西方国家20世纪XX年代。 我国燃油锅炉现状存在问题： 可控对象主要为开关量设备，精确连续调节困难； 控制方案不合理，控制器一旦故障，一般的做法是断电处理，人工操作； 未完全实现燃油锅炉的自动控制，控制水平受限，可靠性较低。 1.3本设计研究的意图 采用PLC作为整个控制系统主控器，开关量设备实现精确连续调节，提高燃油锅炉效率； 设计方案适合在工业现场环境下应用。能实现复杂的逻辑、过程控制，控制器减少故障，减少断电故障； 据统计一台2.8MW的锅炉，若效率提高1，相当年省煤200吨，约人民币50000元，经济效益明显。对燃油锅炉进行改造，可将锅炉热效率提高5。使锅炉达到经济运行状态，减少烟气，减少污染。 1.4 本文所做工作 本设计主要包括以下几个方面： 对燃油锅炉系统基本结构和基本原理的研究和分析； 根据对燃油锅炉燃烧效率和控制水平的工艺控制要求拟确定控制方案； 按控制要求进行PLC选型、I/O口分配，设计外部接线图； 完成主电路图的设计； 设计出系统流程图，进行梯形图设计并仿真。 2 第二章 锅炉燃烧的分析 2.1 燃油锅炉的基本组成部分 燃油锅炉主要组成及作用1： 预热器：将燃油预热到适当温度以达良好汽化状态； 汽包：锅筒、沸水管构成，锅炉主要被控部分； 炉膛：燃油燃烧并放出热能的设备； 引风设备：引风机； 送风设备：鼓风机和风道组成； 燃料供给设备：主要由油枪和油管组成。 下面是燃油锅炉的实物图。 图2-1 燃油锅炉实物图 2.2 锅炉系统的结构 锅炉水位的控制部分，主要由以下部分构成，锅炉、水泵、水箱最后连接工业设备或者用户。水经补水箱进入水泵，水泵由电机控制，控制锅炉水位的调节，锅炉经循环水泵连接工业设备或者用户，回水回流进补水箱，补水箱内有水量检测装置，在补水箱内进行水量的调价校正，锅炉运行时，炉内的检测传感器检测水位，将信号输出，比较，调节，以稳定水位在稳定范围内。燃油锅炉水控系统的结构框图如图2-2所示。 3 自来水 补水箱 补水泵 锅 炉 循环 水泵 工 业 设 备 鼓风机 回水 图2-2 总体系统结构图 2.3燃油锅炉的工作过程 根据系统的控制要求可得运行框图，如图2-3。 水位高于启动 上限 异常情况 停止X2 关闭 关闭 关闭 关闭 启动X1 燃油预热 子火燃烧 母火燃烧 喷油 送风 清炉完成 异常情况消失 继续 继续 水位低于启动 下限 进水阀 关闭 出水阀 燃烧过程中 4 图2-3 系统运行框图 燃油锅炉的工作过程分析： 启动：吹扫-打火-点火-火焰监测； 正常启动：监测火焰-负荷运行-温度监测-启停转换-自动负荷调整； 正常停止：切断燃料-吹扫-程序复原。 2.4设计方法 温度、液位数据采集2 用PLC的A/D扩展模块MAD01进行。测输出一个0-10V线性温度电压,通过设置PLC的扩展A/D模块，把电压转换成数字量，程序周期读取，所读信号与设定值比较。 数据处理 用日本三菱公司生产的PLC，负责数据处理和储存。采集的温度信号与设定值进行比较。 PLC和被控设备控制系统 1）据工艺过程分析控制要求； 2）根据要求确定所需设备，选定PLC型号、分配PLC的I/O点、设计连接图； 3）进行PLC程序设计； 4）编制梯形图，编程器将程序键入到PLC中； 5）运行程序，校验。 计算机 PLC A/D转换模块 变送器 热电阻/热电偶 电压调整器 加热器 图2-4 系统框图 5 第三章 锅炉燃烧控制系统的设计 燃油锅炉自动控制系统主要包括两部分3：一、锅炉燃烧过程自动控制；二、锅炉水位自动控制。 3.1 燃油锅炉系统控制要求 燃油锅炉控制要求 1) 燃油预热器进行燃油预热，起动启动按钮，接点火器，开瓦斯阀，喷油泵喷油； 2) 在停止过程中，按停止按钮，油罐关闭，预热器关，喷油泵关； 3) 燃烧中，出现异常就能关K；异常情况消失后，燃油锅炉系统返回开始，系统可重新运行； 4) 进行水位控制，水位低于下限，进水阀开。 锅炉系统示意图如图3-1所示4。 图3-1 燃油锅炉系统组成示意图 3.2 燃烧过程、水位高低控制 燃油经燃油预热器预热，接点火变压器，变压器工作，可燃油雾即被高压电火花点燃。锅炉的瓦斯阀门被打开，鼓风机抽风送风，喷油泵电机工作经喷油枪喷油，6 点火变压器关闭，瓦斯阀门关闭。 水位太高，蒸汽大量带水，降低燃烧品质；水位偏低，锅膛各部温差较大，形成热应力，极限情况出现崩裂；水位过低，则易发生缺水事故。锅炉负荷变化，锅炉水位相应快速变化，据此须用自动控制维持水位。 3.3 燃油锅炉系统工艺流程 工艺流程图如图3-2所示。 启动 燃烧预热 接通点火变压器 打开瓦斯阀门 鼓风机送风 异常情况消失后 自动关K 燃烧预热器关闭 喷油泵关闭 鼓风机继续送风持续15s后停止 启动进水阀关闭排水阀 水位低于下限 出现异常 喷油泵喷油 关闭瓦斯阀门 关闭点火变压器 燃烧 按下停止按钮 启动排水阀关闭进水阀 水位高于上限 图3-2 燃油锅炉运行工艺流程图 3.4 确定燃油锅炉的设计方案 可编程序控制器是锅炉燃烧过程的主要控制器5，各个部件经综合控制，7 实现锅炉工作过程和水位、压力控制。PLC运行过程中经传感器将检测到的温度、压力、水位、烟气含量、喷油量等等反馈到PLC作为信号输入，通过比较和校正将信号输出，控制执行器，从而实现调节水位等过程，通过变频器调节电机转速，控制风量，实现风量控制6。 设计的燃油锅炉燃烧控制系统主要由可编程序控制器PLC和锅炉各部件组成。 系统原理框图如图3-3所示。 变频器 电机 传感器 显示器 PLC 执行器件 检测开关 图3-3 燃油锅炉系统原理框图 3.5 工艺参数控制 给水自动调节控制系统7 经查阅相关资料，给水量随给水压力变动、给水阀开度改动等从而发生扰动，本系统中由于给水量给出的反馈，扰动可以被迅速消除，给水量保持稳定。锅炉蒸汽量以前馈方式加入，解决“假水位”而引起的调节器误动，使水位控制精度大为提高，动态输入响应变好。给水系统控制框图如图3-4所示。 - 蒸汽流量 液位调节器 +/- 给水阀 汽包 H 给水流量 流量变送器 液位变送器 图3-4 给水调节系统控制框图 8 炉膛负压的控制 炉膛负压的大小或者扰动主要是受鼓风量和引风量的影响，主要通过控制引风量的大小可进行炉膛负压控制，炉膛负压为辅助被控对象。炉膛负压控制，设定值输入，经调节，输出给变频器，变频器通过改变频率控制引风机的电机转速，引风量得到调节进而炉膛压力也会变化，经压力传感器检测反馈到设定值8，进行比较对设定值进行修正。本控制系统框图如图3-5所示。 P给定 值 PID - 变频器 引风机 炉膛 P 压力变送器 图3-5 炉膛负压控制系统方块图 3.6 总体设计思路 总体设计思路是针对当前我国流行的卧式内燃油锅炉燃烧控制系统，设计出的基于PLC的燃油锅炉运行、水位自动控制系统。通过PLC来控制锅炉的启动、停止、暂停和异常情况处理；通过PLC实现锅炉的水位的自动控制。该自动控制系统以三菱FX2N系列可编程控制器为主控制器、上下位机采用高可靠性的工业控制计算机进行信号传输和数据交换，实现数据的采集和传输转换，通过显示器借助图形数字软件完成数据显示工作，从而了实现燃油锅炉燃烧系统各部件的数据采集和自动控制，通过这种控制改造其控制水平和硬件可靠性都得到很大提高。 通过PLC实现燃油锅炉燃烧系统的各部控制，用PLC来实现燃油锅炉燃烧系统的自动调节控制，控制锅炉的运行状态，提高了效率。 从可靠性、经济性考虑，采用PLC控制方案最优，既能很方便的实现对锅炉燃烧系统的精确控制。本课题采用PLC控制方式对锅炉燃烧控制系统进行调节。 压力传感器、流量传感器、液位传感器，在检测过程中将汽包水位、炉膛负压、给水流量、蒸汽流量等模拟信号温度转化为电压信号输入给PLC的A/D转换模块，经过PLC的信号数据处理，经过模拟量输入模块转换成数字信号送到PLC中进行PID调9 节，处理后的数字信号经PLC的D/A转换模块输出，控制器输出转化为0-10mA的电流信号给电压调整器来调节输出功率将控制信号传给给水阀和变频器，变频器接收信号后再变换电压和频率从而控制引风机转速，控制引风量的大小，对燃烧过程进行了有效控制9。PLC可以直接控制某些开关量。分析锅炉燃烧控制系统的结构图如下图所示。主要研究汽包水位、炉膛负压、汽包压力等，系统运行前，汽包为空。如图3-6所示。 开关量控制 变频器 PLC A/D模块 D/A模块 上位机 汽包水位炉膛负压给水流量蒸汽流量给水阀引风机图3-6 燃烧控制系统的结构图 10 第四章 硬件选择及设计 PLC工作过程可用图4-1所示表示。 图4-1 可编程控制器运行框图 4.1 PLC控制系统的设计步骤 PLC设计可按以下进行10： 1）分析运行过程，制定控制方案； 2）确定I/O设备,根据控制要求,确定PLC的I/O点数； 11 3）选择PLC机型、容量、I/O模块； 4）分配PLC的I/O，确定输入输出设备型号、规格、数量； 5）设计硬件，进行PLC程序设计。 PLC控制系统的设计步骤可参考图4-2 ： 评估控制任务 PLC机型的选择 控制流程的设计 控制柜设计及布线 程序设计 程序检查、调试 PLC安装 模拟运行 联机调试 修改软、硬件 是否满足要求 程序备份 投入使用 图4-2 PLC控制设计步骤 4.2 PLC机型的选择 FX2N系列的PLC是日本三菱公司开发的一款优秀的PLC,功能强大，其特点是11： 12 FX2N系列的PLC基本单元有16点、32点、64点和96点四种，可扩展256点，有很强通信功能； FX2N系列PLC的系统配置灵活，除可选用不同的子系列，还可选用多种基本单元、拓展单元和扩展模块，组成不同I/O点控制系统； FX2N系列有许多特殊功能模块如输入输出模块、温度调节模块、高速计数器模块等； 体积小，功能强，使用方便，程序语言简单易学。 4.2.1 PLC容量估算 主要有两方面：一、I/O点数；二、存储器容量。 I/O点数的估算12 查阅三菱FX2N系列PLC的说明，该型号PLC的I/O量，在产品说明书上可以查的到，在统计的基础上应该加上10%-15%的余量。 存储器容量估算 占用PLC存储器的内存统计量大致如下： 输入信号所需存储器字数=输入的点数×10； 输出信号所需存储器字数=输出的点数×8； 模拟信号所需存储器字数=通道数×100； 通信接口所需存储器字数=接口数×300； 综合考虑上述一些选择要求以及对PLC产品的熟悉程度，最后选择日本三菱的FX2N系列PLC作为系统控制的机型。 基本参数 该控制系统共有5个输入，7个输出，输入/输出口的总点数为12，根据三菱FX2N系列PLC的说明，得知该型号PLC的I/O量，在统计的基础上应该加上10%-15%的余量。考虑到该系统的控制要求精度不是很高和对成本的控制，最后选择FX2-24MR机型作为该系统的PLC机型。信号有模拟量和开关量两种，本文采用开关量信号13。如表4-1所示。 13 表 4-1 FX2N系列PLC机的主要技术性能 项目 编程方式 基本指令执行时间 容量/存储器 继电器 输出继电器 辅助继电器 状态元件 继电器 通用型 初始化用 通用型 0.1s 定时器 1ms 100ms 加计数器 高速计数器 变址寄存器 嵌套指标 性能指标 梯形图，步进顺控指令 0.74µs/步 2K步RAM 24V DC，7mA 250V AC 、30V DC、2A 500点 10点用于初始状态 490点 200点，0.1-3279.7S 4点，0.00132.767S，电池后备 6点，0.13276.7S，电池后备 100点，1-32767S 6点电池后备 2点 N0-N7 4.2.2 其它器件的选型 压力传感器、流量传感器、液位传感器，输出420mA，根据工艺参数选择合适量程。 汽包压力表带有上限和上上限开关，当指针指向上限位置时，上限开关自动接通，当指针指向上上限位置时，上上限开关自动接通。 4.2.3系统的I/O接口以及硬件接线图 由前面所述可知该系统有5个输入，7个输出，如表4-2所示。 表 4-2系统输入、输出示意 输入 启动X1 停止X2 14 输出 燃油预热Y1 鼓风机送风Y2 蒸汽压力X3 上限水位X4 下限水位X5 点火变压器Y3 瓦斯阀Y4 喷油口喷油Y5 进水阀Y6 出水阀Y7 由上表以及所选机型FX2-24MR可的该系统的硬件接线图，如图4-3系统硬件接线图所示。 下限位 上限位 蒸汽压力 停止 启动 X5 X4 Y7 Y6 Y5 Com2 Y4 Y3 Y2 Y1 Com1 母火 子火 送风 出水阀 进水阀 喷油 X3 X2 X1 Com N 220V AC L 预热 电源 图4-3 系统硬件接线图 针对燃油锅炉的实际情况，我们采用220V交流，简单不需添加变压器，普通电网就能提供。系统供电设计如图4-4所示。 15 系统电源开关 L N PE 电源开关 隔离变压器 交流稳压器或UPS PS L N PE I/O PS L N PE I/O 图4-4 系统供电电路 在图中，系统总电源通过总开关接入PLC，总开关实现整个电源系统的控制，交流220V电源通过电源开关接入隔离变压器。 16 4.3锅炉水位控制图 启动循环泵 开始 否 是 否 启动1#变 频器 2#变频器 启动1#变频器 启动水泵 否 压力不足 是 切换到工频运行 启动另一台泵 否 压力过大 是 停止一台泵 另一台切换到变频运行 压力控制PID 确定变频器频率 结束 17 图4-5 循环泵控制流程图 下图4-6所示为循环泵电气控制图： QF7QF8QF9QF10QF11QF12变频器KM7KM8KM9KM10变频器KM11KM12FR5FR6FR7FR8PEPE2#循环水泵3#循环水泵PE4#循环水泵PE1#循环水泵图4-6 循环泵系统电气控制图 4.4系统主电路接线图 锅炉燃烧控制系统主电路图如图4-7所示，下图中所示M1、M2、M3、M4分别为炉排电机、鼓风机、引风机、给水泵。 QKU380VVWQF1QF2QF3KM1KM2TSR输入控端子制FR-A740端05V