全套毕业设计基于PLC的锅炉实时监控控制系统设计.doc
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1、编号无锡太湖学院毕业设计(论文)题目: 基于PLC的锅炉实时监控 控制系统设计 信机 系 机械工程及自动化 专业学 号: 0923174学生姓名: 曹 律 指导教师: 潘国锋 (职称:副教授 ) (职称: )2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计(论文)诚 信 承 诺 书本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文) 基于PLC的锅炉实时监控控制系统设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果,其内容除了在毕业设计(论文)中特别加以标注引用,表示致谢的内容外,本毕业设计(论文)不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级: 机械94 学 号: 0923174 作者姓名: 201
2、3 年 5 月 25 日无锡太湖学院信 机系 机械工程及自动化 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题:1、题目基于PLC的锅炉实时监控控制设计 2、专题 二、课题来源及选题依据 锅炉作为我国最重要的能源转换之一,对我们的生产、生活都有着很大程度的影响,直接体现在我国南方的火力发电厂和北方供热采暖系统中。早期的锅炉都采用继电器接触器控制,随着时代的发展和科技的进步,缺点和弊端不断体现出来,这种老式的控制方式已不能适应大规模的生产活动。 PLC技术已经被运用在新的科技控制领域中,其高度的灵活性和智能操控技术对现代工控技术有着巨大影响,因此使用PLC控制技术对锅炉控制系统的优化改造能实
3、现该生产行业的重大革新。 三、本设计(论文或其他)应达到的要求: 根据国内外锅炉的发展现状,对锅炉控制系统提出设计方案; 设计锅炉控制系统的控制方案,完成对锅炉系统的控制; 设计锅炉控制所需的硬件,完成控制系统的硬件设计及接线图; 设计锅炉控制的PLC程序,完成软件梯形图; 根据设计说明书的撰写,完成一篇外文资料及相应翻译。 四、接受任务学生: 机械94 班 姓名 曹 律 五、开始及完成日期:自2012年11月12日 至2013年5月25日六、设计(论文)指导(或顾问):指导教师签名 签名 签名 教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名2012年11月12日摘 要 在工业迅速发展的推动
4、下,我国的经济水平得到了大幅的提升。锅炉作为最重要的动力机械设备起着不可替代的作用,因此锅炉有着巨大的发展前景,但是我国锅炉的燃烧效率较低,也就使得锅炉的供能不够高效。 本设计结合PLC控制技术对这一问题进行了重点的研究。采用现代计算机技术对锅炉进行优化控制,从而大大提高其燃烧效率,节约一次能源,减少所产生的环境污染,对社会经济和环境质量的提高有很大的意义。通过对锅炉各个部分控制要求的研究,结合参考文献和实际情况设计锅炉的自动控制系统。所研究设计的控制系统可以对锅炉进行集中监测、控制、管理。集中体现在对锅炉燃烧控制、水位汽包控制、过热蒸汽温度控制以及安全系统的控制设计。 本设计采用S7-300
5、 PLC为核心控制器,同时结合变频器技术、传感器与检测技术以及以太网技术将所有设备构成一个整体,并与其他操作设备建立起良好的通信,对锅炉进行集散控制。通过STEP 7编程软件对PLC进行软件编程,构成对锅炉的实时监控系统。关键词:锅炉;PLC;控制;STEP 7Abstract With the rapid development of industry, the level of economy has been greatly improved in China. Boilers as the most important power machinery equipment play an
6、 irreplaceable role. Therefore, boilers have great prospects. However, in China it is not enough to supply energy because of the low combustion efficiency of boilers. This design focuses on the issue with the PLC control technology. To raise its combustion efficiency, save primary energy sources and
7、 reduce the environment pollution, this paper uses modern computer technology to optimize the control of boilers, which has great impact on the socio-economic and environment quality. Through the study on the each part of control requirements combined with the references and lots of documentation, i
8、t designs an automatic control system of boilers that can be implemented on boiler for centralized monitoring, control and management. It intensively reflects on the control of boiler burning, the control of water level and bubbles, the control of superheated steam temperature and the design of safe
9、ty inspection system. The design uses S7-300 PLC as the core controller. At the same time, it applies distributed control of boilers, combined with the inverter technology, sensors and measurement technique and Ethernet technique to all the devices as a whole. And set up a good communication with ot
10、her operating equipment. Through STEP 7 programming software for upper computer software programming . It constitutes a true time monitoring and control system of boilers.Key words: boilers; Programmable Logic Controller; control; STEP 7目 录摘 要IIIAbstractIV目 录V1 绪论11.1 本课题的内容和意义11.2 锅炉技术的现状及其未来的发展前景1
11、1.2.1 锅炉技术的现状11.2.2 锅炉的发展趋势21.3 本课题的目的及要求22 锅炉系统控制方案设计32.1 锅炉运行过程简介32.1.1 锅炉结构及其工艺介绍32.1.2 锅炉的工作过程42.2 锅炉水位控制方案设计42.2.1 锅炉汽包水位控制要求42.2.2 锅炉汽包水位控制方案设计52.3 锅炉燃烧控制方案设计52.3.1 锅炉燃烧控制要求52.3.2 主蒸汽压力控制方案设计62.3.3 送风控制方案设计72.3.4 引风控制方案设计82.4 锅炉过热蒸汽温度控制方案设计82.4.1 过热蒸汽温度控制方案要求82.4.2 过热蒸汽减温器的安装设计82.5 小结93 锅炉控制系统
12、设计103.1 锅炉控制系统硬件设计103.1.1 硬件型号选定103.1.2 锅炉控制系统硬件设计123.2 锅炉系统软件设计133.3 I/O地址分配表163.4 软件编程184 锅炉控制系统仿真244.1 汽包水位控制系统整定与仿真244.2 锅炉燃烧控制系统整定与仿真254.2.1 主蒸汽压力控制回路整定与仿真254.2.2 送风控制系统整定与仿真274.2.3 引风控制系统整定与仿真285 结论与展望305.1 结论305.2 不足之处及未来展望30致 谢31参考文献321 绪论锅炉作为社会工业生产的重要设备,对经济的推动有着巨大的影响,因此对锅炉的不断优化也是现代科技发展的一个重要
13、方向。随着时代的推进、计算机技术的迅猛发展以及网络技术的迅速崛起,计算机自动控制技术已经被运用到社会生产的各个领域,因此也衍生了许多工业控制计算机。如今常用的工控机类别有:PC总线工业电脑(IPC)、可编程控制系统(PLC)、分散型控制系统(DCS)、现场总线系统(FCS)及数控系统(CNC)五种1。PLC以成熟的技术支持、高度可靠性、强抗干扰能力、小体积、高效率低能耗等特点在工业控制系统设备的行业有着很大占有率。由此可以预见,利用PLC来控制工业生产有着巨大的前景。1.1 本课题的内容和意义锅炉作为我国最重要的能源转换之一,对我们的生产、生活都有着很大程度的影响,直接体现在我国南方的火力发电
14、厂和北方供热采暖系统中。早期的锅炉都采用继电器接触器控制,随着时代的发展和科技的进步,缺点和弊端不断体现出来,这种老式的控制方式已不能适应大规模的生产活动。PLC技术已经被运用在新的控制领域中,因此使用PLC控制技术对锅炉控制系统的优化改造是本次设计的主要内容。 考虑到现存煤矿资源的储量以及社会发展的环保趋势,对锅炉监控控制方式的改革就有了一定的意义和价值。本课题的要求是通过使用PLC来实时监控锅炉的全程运作,通过计算机对锅炉控制程序进行设计,再依靠PLC实现全自动的控制系统。这样一来,既能提高操作者对锅炉的操控性,又能减少人力资源和运行成本。1.2 锅炉技术的现状及其未来的发展前景1.2.1
15、 锅炉技术的现状 传统的工业锅炉大多采用的是继电器接触器控制,给水、鼓风、引风等基本的控制部分均为现场手动控制,其控制系统一般由输入电路、控制电路、输出电路和生产现场这四分部分组成。在以往传统的锅炉生产环节中,老式控制系统运用很普遍,但是随着科技的进步,企业生产量得到扩大,这种控制调节方式在面对逐渐严格和多样化的生产工艺要求时,已经无法起到相应的精确控制,越来越显得落后。老式的手动控制方式不但在操作性方面不够便捷人性化,而且在锅炉运行时会持续高的能耗,转化效率极低,此外在监测的方法上,系统的监测控制不够完善,往往会使整个锅炉系统运行在安全隐患中。对于重要的控制量一旦超过规定范围,又无法及时调整
16、,对周边操作人员的人身安全会构成很大威胁。我国的锅炉工业和国外相比发展的较晚。虽然我国工业经过了几十年的发展,生产水平有了很大的提高,但以往的锅炉都以煤矿为主要能源,在早期锅炉生产的影响下,很多企业无法采用天然气等新能源来替代煤矿作为主要能源。从全球来看,国内的控制技术落后于国外,国外的控制技术先进,其自动化控制程度相当完善,而国内的锅炉控制单元大多采用常规的控制仪表,和世界的先进水平相差较大。1.2.2 锅炉的发展趋势锅炉的经济性、先进性、安全性、环保性决定了该设备的好坏及其控制系统的优劣。从经济性上来讲,要求锅炉的能耗小,维护成本低,自动化控制程度高。从锅炉的技术上讲,整个全自动控制系统要
17、采用高效率、高质量的控制元件来保证,依靠微机技术智能化控制,优化每个调节量,提高节能效果。从安全性方面上讲,锅炉控制系统的各个部分能够单独控制,但又相互联系,遇到紧急故障时可以单独停止以保证现场的操作人员的安全。从环保性方面上讲,通过计算机的调节管理,减少锅炉及其他系统设备对环境的污染,尤其是对大气和水质的要求。1.3 本课题的目的及要求PLC自动化控制系统有着很高的优越性,对于不同的生产环境只需改变内部的程序,控制系统就能做相应的调整,作出针对性改变,无需改变外部设备的选用和排布,体现出此类控制系统的良好适用性,有较强的经济和现实价值。 本设计综合运用串级控制、比值控制以及前馈控制等控制方式
18、,实现了燃料量控制调节主蒸汽压力,送风量控制调节烟气含量以及引风量控制炉膛负压的要求,并有效克服了彼此间的干扰。并根据课题要求设计出相应的硬件控制系统,采用相应编程软件在PLC中编写出能实现控制系统的梯形图程序。 2 锅炉系统控制方案设计 燃煤蒸汽锅炉的工作原理为生产出符合压力和温度要求的水蒸汽,以满足负载设备的生产要求,同时还要保证整个生产的经济性和安全性。实现锅炉实时监控的重点在于保持汽包水位在设定范围、维持蒸汽压力处于规定范围、保证锅炉的燃烧效率及确保炉膛负压在给定范围。2.1 锅炉运行过程简介2.1.1 锅炉结构及其工艺介绍锅炉是一种生产蒸汽或热水的换热设备。它由本体、附属设备及附件仪
19、表组成。本体主要有“锅”和“炉”两部分组成。在常见的锅炉设备中,链条炉排锅炉的结构紧凑、系统成熟、性能稳定等特点,使得它被运用的尤为广泛。“锅”和“炉”两部分组成了锅炉,锅为汽水系统,炉为燃烧系统。汽水系统的作用是有效吸收燃料放出的热量,将水加热成为水蒸汽。液体被给水电机送到省煤器和汽包,接着进入下降管、水冷壁,水在水冷壁中加热后成为汽水混合物又回到汽包并经过汽、水分离,分离出的水继续进入下降管循环,饱和蒸汽则离开汽包进入过热器系统2。饱和蒸汽经过热器升温后,通过主蒸汽管道送入汽轮机进行最终的生产运作。图2.1 “锅”的结构示意图燃烧系统主要任务是使燃料在炉内良好燃烧,放出热量。它由炉膛、烟道
20、、燃烧器、空气预热器等组成。此外,锅炉本体还包括用来构成封闭炉膛和烟道的炉墙,以及用来支撑设备的构架。图2.2 “炉”的结构示意图2.1.2 锅炉的工作过程煤矿传送带把燃煤送至煤斗,通过磨机磨煤后由空气管进入的热空气进行粗细分离,分离出不符合要求的粗煤被返回至煤磨机,合格的细煤粉存到煤粉仓库,按炉膛燃烧的需求量送至炉膛,粗细分离产生的粉尘与一部分热空气被排粉机通过输送管道送至炉膛,经过燃烧器后参与炉膛的燃烧。煤粉在炉膛内迅速燃烧后放出大量热,使炉膛的温度达到上千摄氏度或更高的温度。炉膛四周内壁布置着许多水冷壁,炉膛上方布置着过热器等受热面。过热器的作用是吸收炉膛内的热量,降低火焰温度,保护炉墙
21、不被烧坏。此外为了防止熔化的煤灰黏在烟道等受热面上,烟气向上流动到达炉膛上面的出烟口时,烟气温度必须低于煤灰的熔点。最后,燃烧产生的废气经除尘器、引风机等过滤大量飞灰后通过烟囱排入大气。 2.2 锅炉水位控制方案设计2.2.1 锅炉汽包水位控制要求汽包水位在锅炉的运行过程中起着十分重要的作用,决定着锅炉的工作质量。汽包水位作为锅炉安全运行的前提条件,如果太低则会破坏锅炉的水循环,引发水冷壁管破裂和锅体干烧等现象,如果汽包受此影响损坏,还会引发爆炸;水位过高会使得汽水混合物无法正常分离,产生“带水”蒸汽,引起过热管壁结垢,而且这种不合格的水蒸汽不满足生产的要求,会使相关负载设备的传动叶片损坏。整
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