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创建时间:01-08

基于PLC(FX)的燃油锅炉控制系统


燃油锅炉控制系统设计文献综述
一  引言
可编程控制器(PLC)是以计算机技术为核心的通用自动化控制装置。它功能强,可靠性高,编程简单,使用方便,体积小巧。近年来在工业生产中得到广泛的应用,被誉为当代工业自动化的主要支柱之一。 基于PLC的特点,PLC应用广泛,如开关量、逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理和通信联网。在工业发达国家其应用以扩展到楼宇自动化,家庭自动化,商业,公用事业,测试设备和农业领域。为了更好的满足社会生产需要,可编程控制器呈以下发展趋势: 
向高性能、高速度、大容量发展
大力发展微型可编程序控制器,不断增强可编程序控制器的功能
可编程序控制器编程语言的标准化,IEC(国际电工委员会)颁布的可编程序控制器标准(IEC1131)第3部分是其编程标准语言
可编程序控制器与其他工业控制产品相互融合,如个人计算机、集散控制系统以及计算机数控(CNC)的融合
大力开发智能型I/O系统
可编程序控制器与现场总线相结合
近年来,我国工业迅速发展,国民经济空前繁荣。但是也带来了一系列的问题,譬如对空气的污染。因此,做好空气处理工作迫在眉睫。其中,燃煤对空气的污染成为主要组成部分,近几年来,燃油锅炉的不断改进,使这个问题得到了一定的改善。根据对燃油锅炉的相关控制要求要求,本次燃油锅炉自动控制系统采用可编程控制器实现控制。前面主要介绍了燃油锅炉的特点和发展趋势,后几章介绍了PLC的具体设计。设计分为输入部分、输出部分设计,实现对现场控制,以及PLC与PC机之间的通信以更好的实现人机对话界面
二  PLC的概述、三菱PLC简述
1  PLC的概述
可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。
随着PLC的功能进一步增强,应用范围越来越广泛。PLC的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强,不再局限于逻辑控制的应用,而越来越应用于过程控制方面,有人统计,除石化过程等个别领域,PLC均有成功能应用,PLC在相当多的应用取代了昂贵的DCS,从而使原来PLC(顺序控制)+DCS(过程控制)的模式变成PLC+IPC模式。
随着电气设备日新月异的发展,尤其是电子计算机的迅速发展,工业生产自动化控制系统中所用设备也发生了深刻的变化,可编程序控制器(PLC)就是这种变革中的产物。
进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且,为了进一步提高PLC的处理速度,各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
它们所具有的特点有:
(1)微处理器及EPROM、EAROM、CMOSROM等LSI电路用在PLC中,而且向微处理器发展,使PLC的功能和处理速度大大增强;
(2)具有通信功能和远程I/O能力;
(3)增加了多种特殊功能,如浮点数运算、平方、三角函数、相关数、查表、列表、脉宽调制变换等;
 (4)自诊断功能及容错技术发展迅速。
  本课题设计中采用的是三菱PLC(FX)实现对燃油锅炉的控制。
2  三菱PLC(FX)的简述
FX2、FX1、FX2c系列是三菱公司近年来推出的高性能小型可编程序控制器,FX0、FX0s、FX0N和FX2N系列是微机可编程序控制器。
三菱PLC(FX)有各种不同性能档次,可编程序控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。
1.    CPU模块
CPU模块主要由微处理器和储存器组成。
2.    I/O模块
输入模块和输出模块简称为I/O模块。输出模块用来接受和采集信号,输入信号有两类:一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号;另一类  是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。
3.    编程器
    编程器除了用来输入和编辑用户程序外,还可以用来监视可编程序控制器运行时各种编程序元件的工作状态。
    编程序可以永久地连接在可编程序控制器上,将编程序取下来后系统也可以运行。一般只在程序输入、调试和检修时使用编程器,一台编程器可供多台可编程序控制器公用。 
 4.电源
可编程序控制器使用220V交流电源或22V直流电源。可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的电路供电。某些可编程序控制器可以为输入电路和外部电子检测装置提供24V直流电源,驱动现场执行机构的直流电源一般由用户提供。
三菱PLC具有以下显著特点:(1)体积极小的微型可编程序控制器;(2)先进美观的外部结构;(3)提供多种系列供用户选用;(4)模块化结构,适合密集安装;(5)灵活多变的系统配置;(6)模块和I/O模块可供选择;(7)功能强,使用方便。
在本课题中我们使用的可编程序控制器是三菱的PLC(FX), 在三菱PLC(FX)系列中,FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微机可编程序控制器。它的基本指令执行时间高到0.08us每条指令,远远超过了很多大型可编程序控制器。用户存储器容量可扩展到16K步,最大可扩展到256个I/O点,有5种模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、4种位置控制模块、多种RS-232C/RS-422/RS-485窜行通信模块或功能扩展板,位置控制和联网通信等功能。
三  燃油锅炉控制系统的简述
燃油锅炉控制系统适用于各种热处理、窑炉,温度的自动PID控制和记录。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。炉是指锅炉中燃料的部分,他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,为了保证锅炉安全运行,锅炉还配有以下系统:
(1)燃料系统;
(2)水温系统;
(3)压力系统;
(4)水位系统。
燃油经预热器预热,由喷油泵经喷油口打入锅炉进行燃烧。燃烧时,鼓风机送风;喷油口喷油;点火变压器接通(子火燃烧);(母火燃烧),将燃油点燃。点火完毕,关闭子火与母火,继续送风、喷油,使燃烧持续。锅炉的进水和排水分别由进水阀和排水阀来执行。上、下水位分别由上限和下限水位开关来检测。蒸汽压力由蒸汽压力开关来检测。
主要技术性能
(1)锅炉水位
本控制箱由电极传感器送进的水位信号直接连于PLC输入端,由PLC内部继电器实现对水位自动控制,外部照样能手动进水,并且由程序实现低水位自动保护和声光报警。
(2)燃烧条件
A.燃烧条件   
下列情况之一存在则不能开始燃烧或中断燃烧:
①PLC电源隔断:自动空气开关QF3动作;蒸汽超压;燃烧器限位开关动作。
②锅炉水位过低
③不能检测到火焰信号
B.负荷调节及保护
本控制系统能根据锅炉出力(蒸汽压力)高低对燃烧进行自动调节,维持正常蒸汽压力,当超压时,发出声光报警同时自动停机,直到压力下降到一定值,自动重新启动。
综上所述,在控制复杂、数据处理量大的电控系统中,使用大型PLC实现其控制任务,在控制精度、安全性、维护量以及性能价格比方面都是首选方案。
燃油锅炉控制系统特点:
(1) 温度控制精度高:控制精度高(±2℃以内),非常适合多路温度采集控制应用。
(2)操作直观、方便:系统的启动/停止及实测燃油锅炉的温度、压力和水位的测量值,并实测一目了然。
(3)布线简单,容易选择I/O模块:PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要,PLC相应有许多种I/O接口模块,包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入及模拟量输出模块,可以根据实际需要进行选择使用。
本课题采用三菱PLC(FX)来控制燃油锅炉加热过程中的燃烧、水温、压力与水位等控制,实现对燃油锅炉加热过程的自动控制;在燃油锅炉设计过程中,对锅炉水位控制,由电极传感器送进的水位信号直接连于PLC输入端,由PLC内部继电器实现对水位自动控制,外部照样能手动进水,并且由程序实现低水位自动保护和声光报警。对燃油燃烧控制,当PLC电源回路上以及程序启动回路中的所有接点均处于接通位置,才能启动燃烧。即锅炉不超压、限位不动作、锅炉水位正常。在启动后,PLC按照预先设置的程序进行燃烧器的风门、点火、燃烧控制,并根据负荷进行燃烧的自动调节。
对水位控制而言,由PLC内部完成,以程序实现。以控制水泵的根据锅炉的水位自动启停;当水位危低时,系统会切断整个回路,须排除故障后重新启动。至于对于燃油锅炉的压力控制,本控制系统能根据锅炉出力(蒸汽压力)高低对燃烧进行自动调节,维持正常蒸汽压力,当超压时,发出声光报警同时自动停机,直到压力下降到一定值,自动重新启动。
四  燃油的燃烧特点
     燃油是一种液体燃料,它的沸点总是低于着火点,所以燃油的燃烧总是在气态下进行的。燃油经雾化后的油粒喷进炉膛以后,被炉内高温烟气所加热,进行气化,气化后的油气和周围空气中的氧相遇,形成火焰。燃烧产生的热量有一部分传给油粒,使油粒不断气化和燃烧,直到燃烬。油粒直径越小,油粒的燃烧愈快。同样,油粒燃烧所需的氧能及时地供给,油粒的燃烧也愈快。因此要强化油的燃烧必须做到以下几点:
1、提高雾化质量,减小油粒直径;
2、增大空气与油粒的相对速度;
3、合理配风。
五  燃油锅炉的发展趋势
随着我国改革开放的不断深化全国各地经济建设的迅速发展,城市高层民用建筑的快速崛起,国家对环保工作提出更高要求,油气资源的大力开发,燃油燃气锅炉应用逐年上升。综观最近几年燃油燃气锅炉的发展炮,我们可以总结出未来的发展趋势如下: 
1、锅炉的高效率。
2、结构简单。 
3、使用简易配套的辅机。
4、全智能化自动控制并配有多级保护系统。
5、配备燃烧器(送风机)和烟道消音系统,降低锅炉运行的噪音。
6、应装备自动加药装置,水处理装置。
7、配备其它监测和限制装置,至少应保证锅炉24小时无监督安全运行。
环保性能好:锅炉结构采用全封闭式,设计合理的燃烧室可使燃料得以充分的燃
烧,燃烧无异味、无噪音、无污染。体积小:采用立式火管结构,锅炉结构紧凑、体积小、占地面积小、重量轻、可在狭小空间使用。运输、搬运轻便,综合投资费用低。 
六  确定I/O设备
I/O点数是可编程序控制器的一个简单明了的性能参数,也是应用计算机最直接的参数。在选择的时候应该注意的问题:产品手册上给出的最大I/O点数含义并非完全一样,有的给出的是I/O总点数,包括输入也包括输出。有的分别给出最大输入点数和最大输出点数,要分清模拟量I/O点数和数字量I/O点数的关系。有的产品模拟量I/O点数要占数字量I/O点数,有的产品分别独立给出并且互相并无影响。控制对象较为分散,一I/O点数的余量,在系统硬件设计中要留有充分的I/O点数作为备用,这主要是基于2个方面考虑,1是系统的设计的更改,如果有不留有充分的余量,一旦系统设备调整,控制功能添加,就要全部推翻原来的设计系统,造成不必要的算是。2是手册上给出的最大I/O点数都是在理论情况下获得的参数,一旦满负荷运行,就要影响整个系统的响应速度和可靠
建议根据实际I/O点数留有15%--20%的余量。本系统有6个输入点(其中3个为按钮开关SB1—SB3,2个光电检测开光和1个蒸气压力开关)和九个输出点(其中2个灯负载,5个电磁阀,1个变压器,1个瓦斯阀),所以输入可以采用DC24V输入,输入阻抗可以达到2.7千欧姆。输出可以采用继电器输出,最大负载:电阻负载可以达到2A/点,8A/4点,8A/8点;感性负载可以达到80VA;灯负载100W。
考虑到余量,并且参照手册,选择具有32个点的继电器输出型的PLC。
七  总结
    通过对有关资料的了解,再联系自己的课题,确定了此燃油锅炉控制系统采用三菱PLC(FX2N)的控制方式,因系统燃烧起动对硬件要求都较高。总之,利用PLC控制燃油锅炉提高了系统运行的可靠性、安全性、经济性、灵活性。但还是存在一些问题如:PLC工作速度较计算机慢,输出对输入的响应有滞后现象;使用中、高档PLC要求使用者具有相当的计算机知识,这些还有待于进一步的研究。

参考文献
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[12] 余雷声. 电气控制与PLC控制应用[M]. 1版. 北京:机械工业出版社,2010,45-56
[13] 廖常初. 可编程控制器应用技术[M]. 2版. 重庆:重庆大学出版社,2011,114-136
[14] 刘祖润,胡俊达. 毕业设计指导[M]. 1版. 北京:机械工业出版社,1998,75-156

目  录
摘  要     I
Abstract    II
第1章   绪论    1
1.1 引言    1
1.2 本课题的设计内容及达到的功能    1
1.3 课题的选题背景及意义    1
第2章   PLC的概述    3
2.1 PLC的概念    3
2.2可编程序控制器的结构及工作原理    3
2.2.1可编程序控制器的基本结构    4
2.2.2可编程序控制器的工作原理    4
2.3 PLC的发展趋势    5
2.4 PLC的应用领域    6
2.4.1 PLC的控制特点    7
第3章   锅炉控制系统的设计    9
3.1锅炉控制系统系统发展    9
3.2 锅炉控制系统设计    9
     3.2.1控制要求    10
3.2.2主要技术性能    10
3.2.3控制系统功能与组成    11
第4章   硬件设计    12
4.1 PLC的选型    12
4.1.1 PLC容量选择    13
4.1.2 I/O模块的选择    13
4.1.3可编程序控制器机型统一    14
4.2 主电路控制的设计    17
4.2.1设计线路时应注意的几个原则    18
4.2.2电器元件的选择    19
4.3 控制面板的设计    23
第5章   软件的设计    25
5.1 物理结构及控制方式    25
5.2 系统简单工艺流程图    26
5.3 基本逻辑指令编程    27
第6章   燃油锅炉控制系统的抗干扰措施      31
6.1概述    31
6.2抗干扰措施    31
6.3 软件设计    31
结束语    33
参考文献    34
致谢    35

第1章  绪  论
1.1 引言
随着社会生产的发展,人类社会对能源的需求不断增加,我国是世界能源生产大国,也是能源消耗大国但人均占有量远低于世界平均水平,这就使得节约能源在我国显得尤为重要。
锅炉是一次性能源煤炭石油天然气转换成二次能源蒸汽量的重要动力设备。据有关资料统计,目前我国有各类工业锅炉约25万多台。每年耗煤量占全国产量的1/3,同时还消耗大量的石油和天然气。工业锅炉是生产过程中的重要动力设备。在石油化工领域,它的主要作用是向各生产装置提供所需要的合格蒸汽,其控制质量的优劣不仅关系到锅炉自身运行的效果,而且还将直接影响到相关装置生产过程的稳定性。现代燃油燃烧机多为自动控制式的燃烧机,一般采用工业程序控制器、火焰检测器以及温度传感器等组成自动控制系统。
本系统可以对燃烧机燃烧火焰状况进行适时调节,既可单调风门、也可以单独调整油门、还可以风油门联动,进行风、油比例调整。具有手动/自动控制功能,并能与计算机进行实时通信。适用于各种工业锅炉。适用燃料为:柴油、重油、渣油、及各种气体燃料,并可单烧油、单烧气、油气混烧。
1.2 本课题的设计内容及达到的功能
基于PLC(FX)对燃油锅炉加热过程中的燃烧,水温,压力与水位等控制,实现对燃油锅炉加热过程的自动控制。
(1)设计出FX2N控制水流量,温度,水位,压力与燃油燃烧过程等相关控制程序。
(2)设计出FX2N硬件按线图与控制台板。
1.3 课题的选题背景及意义
本课题是在目前我国工业自动化燃油锅炉程度还不是太普遍,大多数的燃油锅炉还是手工劳动的一种现代化改进。特别是在这种对人体有极大危害的行业,迫切需要这种改变。
由于PLC具有以下优点:
(1)可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样,整个系统将极高的可靠性。
(2)配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了各种规模的系列化产品,可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
(3)易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC是面向工矿企业的工控设备。它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。
(4)系统的设计,工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时日常维护也变得容易起来,更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。
正是在这种需要下产生了基于PLC的燃油锅炉的控制系统,其结果是使人
体远离这些有腐蚀性的燃油,提高了车间工效,促进了生产自动化,减轻了
劳动强度。
设计燃油锅炉的意义在于:1)提高产品质量。2)减轻工人劳动强度,适当降低操作技术水平。3)提高劳动生产率,减少在制品数量,加速资金周转。4)缩减生产面积,节约能源消耗,降低产品成本。
第2章  PLC的概述
2.1  PLC的概念
可编程控制器(Programmable Logic Controller,简称PLC),是1种数字运算操作的电子系统,是在20世纪60年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器,其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,取代各种类型的机械或生产过程的继电器控制系统。可编程序控制器及其有关设备,都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。
现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求,迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。
在中国,大约从1974年、1975年在北京和上海开始开发采用位片式微处理芯片的可编程顺序控制器,并有所应用。但一直未能形成批量生产。在改革开放刚起步的1979年,在当时的机械部仪表局的推动下,开始从美国MODICON引进584的PLC,并首先在电站的辅机如输煤、除灰除渣、水处理系统以及水泥厂等控制系统中成功应用,从而大大推动了PLC在我国工业的大规模运用。遗憾的是,花了很大一笔外汇的这个项目并不曾形成良性的有后续的发展。
PLC在中国已经形成了规模巨大的应用市场,但并末建立批量生产、有持续开发发展能力的PLC制造业。
应指出的是:在国内,PLC的应用水平还是不低的,自主设计、系统集成和现场投运的能力,可以说与国际主流水平同步;PLC的应用领域也很广泛,覆盖冶金、电力、化工、石油化工、机械、轻工、电子、电工、建材水泥等工业,以及现代农业机械和其它应用。近年来环保工业也有广泛应用,发展势头很猛;在国内有一支庞大的PLC销售、服务、应用、系统集成队伍,遍布全国大部分地区。
有充足的理由说,PLC在中国已成为工业控制的一种适用技术。因此,PLC以及PLC的国际标准IEC61131—3的发展,无可争辩地成了十分令人关注的事情。
容、易于组网,以真正方便用户,实现工厂生产的自动化。
2.2 可编程序控制器的结构及工作原理
可编程序控制器(Programmable Controller)简称PC,是近代在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业自动控制装置,它是按照用户控制要求编写的程序来工作的。和继电——接触器控制相比较,继电——接触器控制是将各自独立的器件及触点以固定接线方式来实现控制要求,而

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