1、基于PLC的燃油鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要目前燃油鍋爐的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)燃油鍋爐的科學(xué)研究也越來越多。為解決我國燃油鍋爐產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀存在的主要問題，采用PLC等控制技術(shù)和設(shè)備對(duì)我國燃油鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)改造。FX2N系列PLC改造的燃油鍋爐控制系統(tǒng)，根據(jù)自動(dòng)控制基本原理實(shí)現(xiàn)了鍋爐更高效率和更高可靠性的啟動(dòng)、停止、暫停和異常處理；在此控制系統(tǒng)中對(duì)鍋爐燃燒各項(xiàng)參數(shù)等可進(jìn)行高效檢測、校正和調(diào)節(jié)；其中鍋爐水位、壓力等參數(shù)控制亦可由PLC實(shí)現(xiàn)控制。首先是對(duì)燃油鍋爐基本結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)行原理進(jìn)行研究和分析；主要研究WNS型臥式燃油鍋爐，根據(jù)燃油鍋爐控制系統(tǒng)的工藝要求設(shè)計(jì)控制方案；設(shè)置好具體參數(shù)，進(jìn)行PLC的I/O

2、口的估算和分配，選擇三菱FX2N系列PLC作為控制系統(tǒng)核心，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)外部接線圖，并對(duì)其它組成部件如變頻器、電機(jī)等進(jìn)行選擇；最后根據(jù)系統(tǒng)流程圖進(jìn)行主電路接線圖的設(shè)計(jì)，完成梯形圖，最后進(jìn)行程序的校驗(yàn)和仿真。關(guān)鍵詞： PLC, 燃油鍋爐, 汽包水位 Design of the boiler burner control system based on plcAbstract The application of fuel boiler is more and more extensive, scientific study of the oil-fired boiler is als

3、o 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 t

4、he 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 reali

5、ze 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 paramete

6、rs, 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 diagr

7、am for the system flow chart, complete ladder diagram, verification and simulation step procedure.Key words：PLC, fuel boiler, the drum water levelii目 錄第一章 緒論11.1 課題研究的背景及意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3本設(shè)計(jì)研究的意圖21.4 本文所做工作2第二章 鍋爐燃燒的分析32.1 燃油鍋爐的基本組成部分32.2 鍋爐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)32.3燃油鍋爐的工作過程42.4設(shè)計(jì)方法5第三章 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)63.1 燃油鍋爐系統(tǒng)控制要求63

8、.2 燃燒過程、水位高低控制63.3 燃油鍋爐系統(tǒng)工藝流程73.4 確定燃油鍋爐的設(shè)計(jì)方案73.5 工藝參數(shù)控制83.6 總體設(shè)計(jì)思路9第四章 硬件選擇及設(shè)計(jì)114.1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟114.2 PLC機(jī)型的選擇124.2.1 PLC容量估算134.2.2 其它器件的選型144.2.3系統(tǒng)的I/O接口以及硬件接線圖144.3鍋爐水位控制圖174.4系統(tǒng)主電路接線圖184.5電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制選型194.5.1 電機(jī)及噴油泵的選型194.5.2 變頻器選型194.5.3 檢測元件選型19第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)205.1 系統(tǒng)流程圖205.2系統(tǒng)控制的梯形圖215.2.1起動(dòng)215.2.2 停

9、止215.2.3 異常自動(dòng)關(guān)火225.2.4鍋爐水位控制225.3 系統(tǒng)總梯形圖235.3.1系統(tǒng)運(yùn)行控制235.3.2系統(tǒng)水位運(yùn)行控制25第六章 結(jié)論296.1 成果評(píng)價(jià)296.2 作用意義296.3 應(yīng)用范圍和前景296.4 需要進(jìn)一步改進(jìn)之處29參考文獻(xiàn)30謝辭31附錄322第一章 緒論環(huán)境和能源問題是全球關(guān)注焦點(diǎn)，我國能源結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不相稱,能源結(jié)構(gòu)影響國民經(jīng)濟(jì)和生活。我國在九十年代末進(jìn)行過鍋爐產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模改造雖引進(jìn)部分先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品但并未徹底解決問題，傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)和消費(fèi)模式并未改變，使得污染有日益嚴(yán)峻的趨勢。這就需要我們重新審視我國的能源結(jié)構(gòu)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)和借鑒西方先進(jìn)國家的有

10、益做法，調(diào)整我國鍋爐產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備和工藝，同時(shí)要結(jié)合國情努力改造我國鍋爐產(chǎn)業(yè)的設(shè)備和控制方法，減少污染的排放?；诖藶榱吮Ｗo(hù)我們的環(huán)境為了造福后代，同時(shí)踐行國家節(jié)能減排戰(zhàn)略，作為科研人員要大力研發(fā)節(jié)能降污染的技術(shù)和產(chǎn)品，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品和設(shè)備進(jìn)行研究改造，站在工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的戰(zhàn)略角度采用適當(dāng)先進(jìn)技術(shù)改造工業(yè)鍋爐和眾多燃油鍋爐產(chǎn)品。主要研發(fā)以燃油、天然氣為燃料的燃油或燃?xì)忮仩t，用改良的新產(chǎn)品替代陳舊落后產(chǎn)能的舊設(shè)備，此舉也符合國家節(jié)能減排戰(zhàn)略要求，替換高耗能、污染重的鍋爐更是現(xiàn)實(shí)的需要。1.1 課題研究的背景及意義當(dāng)今世界范圍內(nèi)，燃油鍋爐因燃燒效率高、易于控制、利于節(jié)能減排等眾多優(yōu)勢已被眾多企

11、業(yè)所接納、采用，成為傳統(tǒng)舊鍋爐的首選替代品而深受歡迎。隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的迅速升級(jí)，鍋爐產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入了快速發(fā)展期，雖然燃油鍋爐的應(yīng)用越來越普及，鍋爐的燃燒效率和控制水平也得到不斷地提高，但是就目前情況而言仍存在很多問題。21世紀(jì)我國能源短缺問題更突出，能源問題已經(jīng)成為我國工業(yè)化進(jìn)程的“瓶頸”，大力推行節(jié)能減排是國家勢在必行的強(qiáng)大戰(zhàn)略，適合時(shí)宜地進(jìn)行鍋爐的改造使鍋爐高效安全運(yùn)行，切實(shí)提高我國燃油鍋爐燃燒控制自動(dòng)化程度是我國燃油鍋爐未來發(fā)展的重要趨勢。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自20世紀(jì)70年代以來，隨著可編程控制器（PLC）的出現(xiàn)和在各種工業(yè)現(xiàn)場的大量應(yīng)用以及各種先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展特別是

12、智能控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，燃油鍋爐控制水平大為改善，其運(yùn)行效率得到大幅提高。國內(nèi)外燃油鍋爐發(fā)展迅速，美日、西歐等國技術(shù)遙遙領(lǐng)先。燃油鍋爐應(yīng)用雖廣，但我國總體水平不高，同先進(jìn)國家比仍有較大差距。我國總體水平相當(dāng)西方國家20世紀(jì)80年代。我國燃油鍋爐現(xiàn)狀存在問題：（1）可控對(duì)象主要為開關(guān)量設(shè)備，精確連續(xù)調(diào)節(jié)困難；（2）控制方案不合理，控制器一旦故障，一般的做法是斷電處理，人工操作；（3）未完全實(shí)現(xiàn)燃油鍋爐的自動(dòng)控制，控制水平受限，可靠性較低。1.3本設(shè)計(jì)研究的意圖（1）采用PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)主控器，開關(guān)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)精確連續(xù)調(diào)節(jié)，提高燃油鍋爐效率；（2）設(shè)計(jì)方案適合在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下應(yīng)用。能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的

13、邏輯、過程控制，控制器減少故障，減少斷電故障；（3）據(jù)統(tǒng)計(jì)一臺(tái)2.8MW的鍋爐，若效率提高1，相當(dāng)年省煤200噸，約人民幣50000元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。對(duì)燃油鍋爐進(jìn)行改造，可將鍋爐熱效率提高5。使鍋爐達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，減少煙氣，減少污染。1.4 本文所做工作本設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：（1）對(duì)燃油鍋爐系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和基本原理的研究和分析；（2）根據(jù)對(duì)燃油鍋爐燃燒效率和控制水平的工藝控制要求擬確定控制方案；（3）按控制要求進(jìn)行PLC選型、I/O口分配，設(shè)計(jì)外部接線圖；（4）完成主電路圖的設(shè)計(jì)；（5）設(shè)計(jì)出系統(tǒng)流程圖，進(jìn)行梯形圖設(shè)計(jì)并仿真。第二章 鍋爐燃燒的分析2.1 燃油鍋爐的基本組成部分燃油鍋爐主

14、要組成及作用1：預(yù)熱器：將燃油預(yù)熱到適當(dāng)溫度以達(dá)良好汽化狀態(tài)；汽包：鍋筒、沸水管構(gòu)成，鍋爐主要被控部分；爐膛：燃油燃燒并放出熱能的設(shè)備；引風(fēng)設(shè)備：引風(fēng)機(jī)；送風(fēng)設(shè)備：鼓風(fēng)機(jī)和風(fēng)道組成；燃料供給設(shè)備：主要由油槍和油管組成。下面是燃油鍋爐的實(shí)物圖。圖2-1 燃油鍋爐實(shí)物圖2.2 鍋爐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)鍋爐水位的控制部分，主要由以下部分構(gòu)成，鍋爐、水泵、水箱最后連接工業(yè)設(shè)備或者用戶。水經(jīng)補(bǔ)水箱進(jìn)入水泵，水泵由電機(jī)控制，控制鍋爐水位的調(diào)節(jié)，鍋爐經(jīng)循環(huán)水泵連接工業(yè)設(shè)備或者用戶，回水回流進(jìn)補(bǔ)水箱，補(bǔ)水箱內(nèi)有水量檢測裝置，在補(bǔ)水箱內(nèi)進(jìn)行水量的調(diào)價(jià)校正，鍋爐運(yùn)行時(shí)，爐內(nèi)的檢測傳感器檢測水位，將信號(hào)輸出，比較，調(diào)節(jié)，以穩(wěn)

15、定水位在穩(wěn)定范圍內(nèi)。燃油鍋爐水控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示?；厮I(yè)設(shè)備補(bǔ)水箱補(bǔ)水泵鼓風(fēng)機(jī)循環(huán)水泵鍋爐自來水圖2-2 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3燃油鍋爐的工作過程根據(jù)系統(tǒng)的控制要求可得運(yùn)行框圖，如圖2-3。繼續(xù)關(guān)閉異常情況消失啟動(dòng)啟動(dòng)啟動(dòng)X1燃油預(yù)熱子火燃燒母火燃燒噴油送風(fēng)清爐完成停止X2異常情況水位低于下限出水閥進(jìn)水閥水位高于上限關(guān)閉燃燒過程中關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉繼續(xù)圖2-3 系統(tǒng)運(yùn)行框圖燃油鍋爐的工作過程分析：（1）啟動(dòng)：吹掃-打火-點(diǎn)火-火焰監(jiān)測；（2）正常啟動(dòng)：監(jiān)測火焰-負(fù)荷運(yùn)行-溫度監(jiān)測-啟停轉(zhuǎn)換-自動(dòng)負(fù)荷調(diào)整； （3）正常停止：切斷燃料-吹掃-程序復(fù)原。 2.4設(shè)計(jì)方法（1）溫度、液位數(shù)據(jù)采集

16、2用PLC的A/D擴(kuò)展模塊MAD01進(jìn)行。測輸出一個(gè)0-10V線性溫度電壓,通過設(shè)置PLC的擴(kuò)展A/D模塊，把電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，程序周期讀取，所讀信號(hào)與設(shè)定值比較。（2）數(shù)據(jù)處理用日本三菱公司生產(chǎn)的PLC，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和儲(chǔ)存。采集的溫度信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較。（3）PLC和被控設(shè)備控制系統(tǒng)1）據(jù)工藝過程分析控制要求；2）根據(jù)要求確定所需設(shè)備，選定PLC型號(hào)、分配PLC的I/O點(diǎn)、設(shè)計(jì)連接圖；3）進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)；4）編制梯形圖，編程器將程序鍵入到PLC中；5）運(yùn)行程序，校驗(yàn)。計(jì)算機(jī)PLCA/D轉(zhuǎn)換模塊變送器熱電阻/熱電偶加熱器電壓調(diào)整器圖2-4 系統(tǒng)框圖第三章 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)燃油鍋爐自

17、動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括兩部分3：一、鍋爐燃燒過程（即運(yùn)行）自動(dòng)控制；二、鍋爐水位（汽包液位）自動(dòng)控制。3.1 燃油鍋爐系統(tǒng)控制要求（1）燃油鍋爐控制要求1) 燃油預(yù)熱器進(jìn)行燃油預(yù)熱，起動(dòng)啟動(dòng)按鈕，接點(diǎn)火器，開瓦斯閥，噴油泵噴油； 2) 在停止過程中，按停止按鈕，油罐關(guān)閉，預(yù)熱器關(guān)，噴油泵關(guān)； 3) 燃燒中，出現(xiàn)異常（即蒸汽壓力超過設(shè)定允許值或水位過高或過低）就能關(guān)K；異常情況消失后，燃油鍋爐系統(tǒng)返回開始，系統(tǒng)可重新運(yùn)行；4) 進(jìn)行水位控制，水位低于下限（高于上限），進(jìn)水閥開（關(guān)）。（2）鍋爐系統(tǒng)示意圖如圖3-1所示4。圖3-1 燃油鍋爐系統(tǒng)組成示意圖3.2 燃燒過程、水位高低控制燃油經(jīng)燃油預(yù)熱器預(yù)

18、熱，接點(diǎn)火變壓器，變壓器工作，可燃油霧即被高壓電火花點(diǎn)燃。鍋爐的瓦斯閥門被打開，鼓風(fēng)機(jī)抽風(fēng)送風(fēng)，噴油泵電機(jī)工作經(jīng)噴油槍噴油，點(diǎn)火變壓器關(guān)閉，瓦斯閥門關(guān)閉。 水位太高，蒸汽大量帶水，降低燃燒品質(zhì)；水位偏低，鍋膛各部溫差較大，形成熱應(yīng)力，極限情況出現(xiàn)崩裂；水位過低，則易發(fā)生缺水事故。鍋爐負(fù)荷變化，鍋爐水位相應(yīng)快速變化，據(jù)此須用自動(dòng)控制維持水位。3.3 燃油鍋爐系統(tǒng)工藝流程工藝流程圖如圖3-2所示。啟動(dòng)燃燒預(yù)熱鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)打開瓦斯閥門接通點(diǎn)火變壓器噴油泵噴油關(guān)閉瓦斯閥門關(guān)閉點(diǎn)火變壓器異常情況消失后出現(xiàn)異常按下停止按鈕噴油泵關(guān)閉自動(dòng)關(guān)K燃燒預(yù)熱器關(guān)閉燃燒鼓風(fēng)機(jī)繼續(xù)送風(fēng)持續(xù)15s后停止啟動(dòng)進(jìn)水閥關(guān)閉排水閥

19、水位低于下限水位高于上限啟動(dòng)排水閥關(guān)閉進(jìn)水閥圖3-2 燃油鍋爐運(yùn)行工藝流程圖3.4 確定燃油鍋爐的設(shè)計(jì)方案可編程序控制器（PLC）是鍋爐燃燒過程的主要控制器5，各個(gè)部件經(jīng)綜合控制，實(shí)現(xiàn)鍋爐工作過程和水位、壓力控制。PLC運(yùn)行過程中經(jīng)傳感器將檢測到的溫度、壓力、水位、煙氣含量、噴油量等等反饋到PLC作為信號(hào)輸入，通過比較和校正將信號(hào)輸出，控制執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)水位等過程，通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量控制6。設(shè)計(jì)的燃油鍋爐燃燒控制系統(tǒng)主要由可編程序控制器PLC和鍋爐各部件組成。系統(tǒng)原理框圖如圖3-3所示。PLC變頻器電機(jī)執(zhí)行器件傳感器檢測開關(guān)顯示器圖3-3 燃油鍋爐系統(tǒng)原理框圖3.

20、5 工藝參數(shù)控制（1） 給水自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)7經(jīng)查閱相關(guān)資料，給水量隨給水壓力變動(dòng)、給水閥開度改動(dòng)等從而發(fā)生擾動(dòng)，本系統(tǒng)中由于給水量給出的反饋，擾動(dòng)可以被迅速消除，給水量保持穩(wěn)定。鍋爐蒸汽量以前饋方式加入，解決“假水位”而引起的調(diào)節(jié)器誤動(dòng)，使水位控制精度大為提高，動(dòng)態(tài)輸入響應(yīng)變好。給水系統(tǒng)控制框圖如圖3-4所示。-H蒸汽流量液位調(diào)節(jié)器汽包+/-給水閥給水流量流量變送器液位變送器圖3-4 給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖（2）爐膛負(fù)壓的控制爐膛負(fù)壓的大小或者擾動(dòng)主要是受鼓風(fēng)量和引風(fēng)量的影響，主要通過控制引風(fēng)量的大小可進(jìn)行爐膛負(fù)壓控制，爐膛負(fù)壓為輔助被控對(duì)象。爐膛負(fù)壓控制，設(shè)定值輸入，經(jīng)調(diào)節(jié)，輸出給變頻器，變

21、頻器通過改變頻率控制引風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，引風(fēng)量得到調(diào)節(jié)進(jìn)而爐膛壓力也會(huì)變化，經(jīng)壓力傳感器檢測反饋到設(shè)定值8，進(jìn)行比較對(duì)設(shè)定值進(jìn)行修正。本控制系統(tǒng)框圖如圖3-5所示。P-PID變頻器爐膛引風(fēng)機(jī)壓力變送器P給定值圖3-5 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)方塊圖3.6 總體設(shè)計(jì)思路總體設(shè)計(jì)思路是針對(duì)當(dāng)前我國流行的臥式內(nèi)燃油鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出的基于PLC的燃油鍋爐運(yùn)行、水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過PLC來控制鍋爐的啟動(dòng)、停止、暫停和異常情況處理；通過PLC實(shí)現(xiàn)鍋爐的水位的自動(dòng)控制。該自動(dòng)控制系統(tǒng)以三菱FX2N系列可編程控制器為主控制器、上下位機(jī)采用高可靠性的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸轉(zhuǎn)換

22、，通過顯示器借助圖形數(shù)字軟件完成數(shù)據(jù)顯示工作，從而了實(shí)現(xiàn)燃油鍋爐燃燒系統(tǒng)各部件的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制，通過這種控制改造其控制水平和硬件可靠性都得到很大提高。通過PLC實(shí)現(xiàn)燃油鍋爐燃燒系統(tǒng)的各部控制，用PLC來實(shí)現(xiàn)燃油鍋爐燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，控制鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，提高了效率。從可靠性、經(jīng)濟(jì)性考慮，采用PLC控制方案最優(yōu)，既能很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)的精確控制。本課題采用PLC控制方式對(duì)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器，在檢測過程中將汽包水位、爐膛負(fù)壓、給水流量、蒸汽流量等模擬信號(hào)溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸入給PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過PLC的信號(hào)數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過模擬量輸入

23、模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，處理后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)PLC的D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出，控制器輸出轉(zhuǎn)化為0-10mA的電流信號(hào)給電壓調(diào)整器來調(diào)節(jié)輸出功率將控制信號(hào)傳給給水閥和變頻器，變頻器接收信號(hào)后再變換電壓和頻率從而控制引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，控制引風(fēng)量的大小，對(duì)燃燒過程進(jìn)行了有效控制9。PLC可以直接控制某些開關(guān)量。分析鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。主要研究汽包水位、爐膛負(fù)壓、汽包壓力等，系統(tǒng)運(yùn)行前，汽包為空。如圖3-6所示。上位機(jī)PLCA/D模塊D/A模塊開關(guān)量控制爐膛負(fù)壓給水閥汽包水位蒸汽流量給水流量變頻器引風(fēng)機(jī)圖3-6 燃燒控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖第四章 硬件選擇及設(shè)計(jì)PLC工作過程可用圖4-

24、1所示表示。 圖4-1 可編程控制器運(yùn)行框圖4.1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟（1） PLC設(shè)計(jì)可按以下進(jìn)行10：1）分析運(yùn)行過程，制定控制方案； 2）確定I/O設(shè)備,根據(jù)控制要求,確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)；3）選擇PLC機(jī)型、容量、I/O模塊；4）分配PLC的I/O，確定輸入輸出設(shè)備型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量；5）設(shè)計(jì)硬件，進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)。（2）PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟可參考圖4-2 ：評(píng)估控制任務(wù)PLC機(jī)型的選擇控制流程的設(shè)計(jì)控制柜設(shè)計(jì)及布線PLC安裝程序設(shè)計(jì)程序檢查、調(diào)試模擬運(yùn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試是否滿足要求投入使用程序備份修改軟、硬件圖4-2 PLC控制設(shè)計(jì)步驟4.2 PLC機(jī)型的選擇FX2N系列的PLC

25、是日本三菱公司開發(fā)的一款優(yōu)秀的PLC,功能強(qiáng)大，其特點(diǎn)是11：（1）FX2N系列的PLC基本單元有16點(diǎn)、32點(diǎn)、64點(diǎn)和96點(diǎn)四種，可擴(kuò)展256點(diǎn)，有很強(qiáng)通信功能；（2）FX2N系列PLC的系統(tǒng)配置靈活，除可選用不同的子系列，還可選用多種基本單元、拓展單元和擴(kuò)展模塊，組成不同I/O點(diǎn)控制系統(tǒng)；（3）FX2N系列有許多特殊功能模塊如輸入輸出模塊、溫度調(diào)節(jié)模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊等；（4）體積小，功能強(qiáng)，使用方便，程序語言簡單易學(xué)。4.2.1 PLC容量估算主要有兩方面：一、I/O點(diǎn)數(shù)；二、存儲(chǔ)器容量。（1）I/O點(diǎn)數(shù)的估算12 查閱三菱FX2N系列PLC的說明，該型號(hào)PLC的I/O量，在產(chǎn)品說明書

26、上可以查的到，在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上應(yīng)該加上10%-15%的余量。（2）存儲(chǔ)器容量估算占用PLC存儲(chǔ)器的內(nèi)存統(tǒng)計(jì)量大致如下：輸入信號(hào)（量）所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)=輸入的點(diǎn)數(shù)×10；輸出信號(hào)（量）所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)=輸出的點(diǎn)數(shù)×8；模擬信號(hào)（量）所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)=通道數(shù)×100；通信接口所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)=接口數(shù)×300；綜合考慮上述一些選擇要求以及對(duì)PLC產(chǎn)品的熟悉程度，最后選擇日本三菱的FX2N系列PLC作為系統(tǒng)控制的機(jī)型。（3）基本參數(shù)該控制系統(tǒng)共有5個(gè)輸入（啟動(dòng)X1、停止X2、蒸汽壓力X3、水位上限X4、水位下限X5），7個(gè)輸出（預(yù)熱Y1、送風(fēng)Y2、子火Y3、母火Y4、噴油

27、Y5、進(jìn)水閥Y6、出水閥Y7），輸入/輸出（I/O）口的總點(diǎn)數(shù)為12，根據(jù)三菱FX2N系列PLC的說明，得知該型號(hào)PLC的I/O量，在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上應(yīng)該加上10%-15%的余量?？紤]到該系統(tǒng)的控制要求精度不是很高和對(duì)成本的控制，最后選擇FX2-24MR機(jī)型（12個(gè)輸入點(diǎn)，12個(gè)輸出點(diǎn)）作為該系統(tǒng)的PLC機(jī)型。信號(hào)有模擬量和開關(guān)量兩種，本文采用開關(guān)量信號(hào)13。如表4-1所示。表 4-1 FX2N系列PLC機(jī)的主要技術(shù)性能項(xiàng)目性能指標(biāo)編程方式梯形圖，步進(jìn)順控指令基本指令執(zhí)行時(shí)間0.74µs/步容量/存儲(chǔ)器2K步RAM繼電器（輸入）24V DC，7mA輸出繼電器繼電器250V AC 、30V

28、 DC、2A輔助繼電器通用型500點(diǎn)（M0-M499）狀態(tài)元件初始化用10點(diǎn)（S0-S9）用于初始狀態(tài)通用型490點(diǎn)（S10-S499）定時(shí)器0.1s（100ms）200點(diǎn)（T0-T99），0.1-3279.7S1ms（積算）4點(diǎn)（T246-T249），0.00132.767S，電池后備100ms（積算）6點(diǎn)（T250-T255），0.13276.7S，電池后備加計(jì)數(shù)器100點(diǎn)，1-32767S高速計(jì)數(shù)器6點(diǎn)（C235-C256）電池后備變址寄存器2點(diǎn)（V ，Z ）嵌套指標(biāo)N0-N7（8點(diǎn)）4.2.2 其它器件的選型壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器，輸出420mA，根據(jù)工藝參數(shù)選擇合適量程。

29、汽包壓力表帶有上限和上上限開關(guān)，當(dāng)指針指向上限位置時(shí)，上限開關(guān)自動(dòng)接通，當(dāng)指針指向上上限位置時(shí)，上上限開關(guān)自動(dòng)接通。4.2.3系統(tǒng)的I/O接口以及硬件接線圖由前面所述可知該系統(tǒng)有5個(gè)輸入，7個(gè)輸出，如表4-2所示。表 4-2系統(tǒng)輸入、輸出示意輸入輸出啟動(dòng)X1燃油預(yù)熱Y1停止X2鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)Y2蒸汽壓力X3點(diǎn)火變壓器（子火）Y3上限水位X4瓦斯閥（母火）Y4下限水位X5噴油口噴油Y5進(jìn)水閥Y6出水閥Y7由上表以及所選機(jī)型FX2-24MR可的該系統(tǒng)的硬件接線圖，如圖4-3系統(tǒng)硬件接線圖所示。蒸汽壓力啟動(dòng)停止下限位上限位電源預(yù)熱送風(fēng)子火母火出水閥進(jìn)水閥噴油Y6Y5Com2Y4Y3Y2Y1Com1Y7X

30、5X4X3X2X1ComNL220V ACFX2N-24MR圖4-3 系統(tǒng)硬件接線圖針對(duì)燃油鍋爐的實(shí)際情況，我們采用220V交流，簡單不需添加變壓器，普通電網(wǎng)就能提供。系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)如圖4-4所示。隔離變壓器交流穩(wěn)壓器或UPS系統(tǒng)電源開關(guān)LNPE電源開關(guān)PSLNPECPUI/OPSLNPEI/O圖4-4 系統(tǒng)供電電路在圖中，系統(tǒng)總電源通過總開關(guān)接入PLC，總開關(guān)實(shí)現(xiàn)整個(gè)電源系統(tǒng)的控制，交流220V電源通過電源開關(guān)接入隔離變壓器。4.3鍋爐水位控制圖開始啟動(dòng)循環(huán)泵啟動(dòng)1#變頻器啟動(dòng)1#變頻器壓力不足否切換到工頻運(yùn)行啟動(dòng)另一臺(tái)泵壓力過大停止一臺(tái)泵另一臺(tái)切換到變頻運(yùn)行壓力控制PID確定變頻器頻率結(jié)束2

31、#變頻器是否啟動(dòng)水泵是否是否圖4-5 循環(huán)泵控制流程圖下圖4-6所示為循環(huán)泵電氣控制圖：圖4-6 循環(huán)泵系統(tǒng)電氣控制圖4.4系統(tǒng)主電路接線圖鍋爐燃燒控制系統(tǒng)主電路圖如圖4-7所示，下圖中所示M1、M2、M3、M4分別為爐排電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、給水泵。圖4-7 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的主電路圖4.5電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制選型4.5.1 電機(jī)及噴油泵的選型本課題選用的WNS型燃?xì)忮仩t。進(jìn)行油泵的選型。鼓風(fēng)機(jī)為Y90L-4-1，功率為2.5KW；噴油泵功率為2.5KW，額定電壓為380V，型號(hào)為Y90L-6。4.5.2 變頻器選型本設(shè)計(jì)采用的變頻器是三菱公司研發(fā)的FR-A740型號(hào)14，該變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)速率精度

32、高、調(diào)節(jié)平滑、簡單易行、操作方便且其功率小，耗能小。變頻器外部接線圖如圖4-8所示。0-5VWVU電動(dòng)機(jī)UVW圖4-8 變頻器外部接線示意圖4.5.3 檢測元件選型溫度檢測傳感器K型熱電偶，型號(hào)為WZP-230，測溫范圍-2001200度，電壓DC24V，采用一般供電電壓，環(huán)境溫度080；測量蒸汽溫度、水溫和燃油溫度的熱電偶型號(hào)均相同，均為WZP-230型熱電偶，測溫范圍-2001200，供電電壓DC24V，環(huán)境溫度080用鉑熱電阻。第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 系統(tǒng)流程圖YYNNYN啟動(dòng)開給水泵H>Hx？開爐排電機(jī)鼓風(fēng)機(jī)點(diǎn)火H、L1、L2PLC給水閥P1引風(fēng)機(jī)變頻器PLCP2>Ps

33、？開放氣閥P2>Pss？聲光報(bào)警停止?fàn)t排電機(jī)、給水泵、引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)圖5-1 鍋爐控制流程圖運(yùn)行過程：按啟動(dòng)按鈕，開給水泵，汽包加水，汽包水位H檢測，若汽包水位H不高于汽包水位下限，繼續(xù)給加水，系統(tǒng)循環(huán)，到汽包水位高于H下；若汽包水位H高于汽包水位下限H下時(shí)，開爐排電機(jī)、引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)，點(diǎn)火。若汽包壓力P不高于汽包壓力上限P上，返回，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行；若汽包壓力P高于汽包壓力上限P上，打開放氣閥，打開放氣閥，汽包壓力P小于汽包壓力P上上，系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行；打開放氣閥后，汽包壓力高于汽包壓力P上上，各設(shè)備均停止，同時(shí)報(bào)警。燃油鍋爐如圖5-1所示。系統(tǒng)，然后 系統(tǒng)方塊圖普及中，212121212

34、12121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121215.2系統(tǒng)控制的梯形圖根據(jù)系統(tǒng)的控制要求我們繪制出相應(yīng)的梯形圖：5.2.1起動(dòng)啟動(dòng)，按下X1，預(yù)熱Y1開始，時(shí)間T1；60S后送風(fēng)Y2啟動(dòng)并自鎖，子火Y3開始燃燒并T

35、2記時(shí)；5S后母火Y4燃燒并T3記時(shí)；5S后開始噴油Y5，Y5斷開子火Y3母火Y4，啟動(dòng)完成。根據(jù)控制要求，可繪出相應(yīng)的梯形圖，如圖5-2所示。圖5-2 系統(tǒng)啟動(dòng)梯形圖 5.2.2 停止停止，按下X1，斷預(yù)熱Y1和噴油Y5，中間繼電器M2啟動(dòng)并T4記時(shí)，M2斷開Y3子火和母火Y4，Y2繼續(xù)送風(fēng)；T4記時(shí)20S后斷開M2和送風(fēng)Y2，完成停止。根據(jù)系統(tǒng)停止的控制要求，繪制出相應(yīng)的梯形圖，如圖5-3所示。圖5-3 系統(tǒng)停止梯形圖 5.2.3 異常自動(dòng)關(guān)火緊急情況，蒸汽壓力X3超過允許值或水位X4超過上限，即X3、X4、X5有一個(gè)開始動(dòng)作，中間繼電器M1接通并自鎖，M1斷開燃油預(yù)熱Y1，子火Y3 母火

36、Y4，噴油Y5。時(shí)間繼電器T5記時(shí)，進(jìn)行清爐；20S后，繼電器T5記時(shí)完，T5斷開送風(fēng)Y2，中間繼電器M1，清爐完畢。M1常閉觸點(diǎn)恢復(fù)閉合，T5送入一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，接通燃油預(yù)熱Y1。系統(tǒng)重新起燃過程。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，繪制出相應(yīng)的梯形圖，如圖5-4所示。圖5-4 系統(tǒng)異常情況自動(dòng)關(guān)火梯形圖 5.2.4鍋爐水位控制水位低于下限，X4動(dòng)作，進(jìn)水閥Y7自鎖開始進(jìn)水，出水閥Y6斷開；到水位到達(dá)一定位置。水位高于上限，即X5動(dòng)作，出水閥Y6自鎖開始排水，進(jìn)水閥Y7被斷開。根據(jù)控制要求繪制出梯形圖，如圖5-5所示。圖5-5 系統(tǒng)水位控制梯形圖5.3 系統(tǒng)總梯形圖5.3.1系統(tǒng)運(yùn)行控制（1）控制順序表1）啟

37、動(dòng)過程（X001）輸出1：預(yù)熱（Y001）、噴油（Y005）、時(shí)間繼電器（M）T1輸出2：送風(fēng)（Y002）、子火Y003、T2（參數(shù)50）T2輸出3：母火Y004T3輸出4：噴油Y0052）停止過程（X002）：輸出繼電器（M2）輸出5：（M2常閉條件下）Y001、（M2常閉條件）Y005、子火Y003、母火Y004同時(shí)輸出5：間隔時(shí)間T4（參數(shù)200）、（T4常閉）Y002 3）異常情況下輸入：M1  蒸汽壓力輸入：X003（pressure sensor）高限水位輸入：X004（level high sensor）低限水位輸入：X005（level low sensor

38、）X3、X4、X5輸出6：M1M1控制輸出7：（M1常閉）Y001、（M1常閉）Y005、T005（參數(shù)200）T005輸出：（T5常閉）Y0024）開閥：汽包水位低X005輸出：進(jìn)水閥Y006 汽包水位高X004輸出：排水閥Y007Y006、Y007互鎖（2）梯形圖1）畫出梯形圖通過寫出以上的控制順序表，大致可以編寫最后的梯形圖了，最后得到系統(tǒng)的總梯形圖如圖5-6所示。圖5-6 系統(tǒng)總控制梯形圖2）系統(tǒng)運(yùn)行梯形圖分析1）啟動(dòng)，按下X1，預(yù)熱Y1開始，時(shí)間T1；60S后送風(fēng)Y2啟動(dòng)并自鎖，子火Y3開始燃燒并T2記時(shí)；5S后母火Y4燃燒并T3記時(shí)；5S后開始噴油Y5，Y5斷開子火Y3母火Y4，啟

39、動(dòng)完成。2）停止，按下X1，斷預(yù)熱Y1和噴油Y5，中間繼電器M2啟動(dòng)并T4記時(shí)，M2斷開Y3子火和母火Y4，Y2繼續(xù)送風(fēng)；T4記時(shí)20S后斷開M2和送風(fēng)Y2，完成停止。3）緊急情況，蒸汽壓力X3超過允許值或水位X4超過上限，即X3、X4、X5有一個(gè)開始動(dòng)作，中間繼電器M1接通并自鎖，M1斷開燃油預(yù)熱Y1，子火Y3 母火Y4，噴油Y5。時(shí)間繼電器T5記時(shí)，進(jìn)行清爐；20S后，繼電器T5記時(shí)完，T5斷開送風(fēng)Y2，中間繼電器M1，清爐完畢。M1常閉觸點(diǎn)恢復(fù)閉合，T5送入一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，接通燃油預(yù)熱Y1。系統(tǒng)重新起燃過程。4）水位控制：水位低于下限，X4動(dòng)作，進(jìn)水閥Y7自鎖開始進(jìn)水，出水閥Y6斷開；到水

40、位到達(dá)一定位置。水位高于上限，即X5動(dòng)作，出水閥Y6自鎖開始排水，進(jìn)水閥Y7被斷開。5.3.2系統(tǒng)水位運(yùn)行控制課題中將汽包水位下限H下設(shè)為10cm，上限H上設(shè)為110cm，汽包水位給定值H水給為30cm；0.1MPa為鍋爐爐膛承受的壓力，給定的壓力 P爐給為0.02 MPa。給水量L給水和蒸汽流量L蒸氣取值范圍是028 m3/h。模塊輸入為256，加上余量，輸出口選250點(diǎn)。如圖5-7所示。I/mA21141050204060110H/cm82501257550211410850I/mA數(shù)字值圖5-7 汽包水位模擬量與數(shù)字值的轉(zhuǎn)換特性曲線據(jù)圖分析H水給對(duì)應(yīng)的數(shù)字值是75，P爐給對(duì)應(yīng)的數(shù)字值是5

41、0。水位控制梯形圖如圖5-8所示。圖5-8 系統(tǒng)梯形圖34第六章 結(jié)論6.1 成果評(píng)價(jià)本燃油鍋爐控制系統(tǒng)采用PLC控制，用三菱公司的FX2N系列PLC組成的燃油鍋爐控制系統(tǒng)，根據(jù)自動(dòng)控制基本原理實(shí)現(xiàn)了鍋爐更高效率和可靠性的啟動(dòng)、停止、暫停和異常處理等；在此控制系統(tǒng)中對(duì)鍋爐燃燒各項(xiàng)參數(shù)等可進(jìn)行檢測、校正和調(diào)節(jié)；其中鍋爐水位、壓力等參數(shù)控制亦可由PLC實(shí)現(xiàn)控制，采用PLC等控制技術(shù)和設(shè)備對(duì)我國燃油鍋爐燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，提高效率和精度。燃油鍋爐運(yùn)行過程中出現(xiàn)的不能進(jìn)行精確連續(xù)控制，控制方案不合理，控制器一旦故障，一般做法是斷電處理，人工操作，未實(shí)現(xiàn)鍋爐的自動(dòng)控制，控制水平有限，可靠性不高等問題用

42、PLC編程解決以上出現(xiàn)的問題。6.2 作用意義燃油鍋爐運(yùn)行過程的控制，通過三菱的FX2N系列PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制可徹底改變落后的舊設(shè)備運(yùn)行方式，提高鍋爐運(yùn)行效率，燃料高效利用，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。減少煙氣排放量，利于節(jié)能減排，符合國家戰(zhàn)略，對(duì)環(huán)保有重要作用。6.3 應(yīng)用范圍和前景本項(xiàng)目研究的燃油鍋爐控制系統(tǒng)，借助了三菱公司的FX2N系列的PLC進(jìn)行梯形圖設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成先進(jìn)的控制設(shè)備和控制方法，具有一定代表性，研究成果具有推廣應(yīng)用價(jià)值。6.4 需要進(jìn)一步改進(jìn)之處（1）本設(shè)計(jì)雖是對(duì)鍋爐的控制系統(tǒng)的研究，但是沒有對(duì)鍋爐的基本原理進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，專業(yè)內(nèi)容還需完善。（2）本課題對(duì)系統(tǒng)通過測量，測得的結(jié)果經(jīng)P

43、LC及其功能模塊進(jìn)行處理、運(yùn)算，直接或間接控制各設(shè)備的開關(guān)和啟停，維持各變量的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)控制，但是控制精度仍需要提高。（3）本課題并未采用基于PLC的高級(jí)語言編程。（4）整體的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)還未經(jīng)過實(shí)際運(yùn)用，需要不斷完善。參考文獻(xiàn)1 陸文一. 基于PLC的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)D .上海:上海交通大學(xué),2011:23-89.2 王振. 基于PLC的鍋爐供熱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)D.遼寧: 大連海事大學(xué),2008:9-34.3 王軍. 東方W型火焰鍋爐燃燒調(diào)整方法J .西安:熱力發(fā)電,2004,32(12):38-39.4 張磊.超臨界鍋爐燃燒器系統(tǒng)的改造J.浙江:浙江電力,2010,30(12):73-74 .5 任健.鍋爐新煤種摻燒試驗(yàn)研究及前景展望J.浙江電力,2011,29(12):64-66 .6 張志強(qiáng).降低鍋爐排煙溫度方案及措施J.經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息,20008,(34):108-109. 7 曹欣.電站鍋爐運(yùn)行影響分析 J.河北:河北電力技術(shù),2011,29(6):43-45 .8 許云松 畢玉森.300MW超臨界機(jī)組鍋爐燃燒設(shè)備及其運(yùn)行性能J.中國電力:上半月,2012,(1):23-24.9 朱全利. 1000MW火力發(fā)電機(jī)組培訓(xùn)教材鍋爐設(shè)備系統(tǒng)及運(yùn)行M.北京