基于基于施耐德PLC的供热控制系统设计论文

目录第一章绪论 (1)1.1供热锅炉控制系统现状 (1)1.2燃煤锅炉自动控制的发展历史 (2)1.3课题意义 (3)第二章锅炉供热系统组成分析 (4)2.1锅炉供热系统组成及其分类 (4)2.1.1锅炉分类 (4)2.1.2锅炉结构 (5)2.4热网系统组成 (6)2.5热用户组成 (6)第三章供热锅炉控制系统分析与总体方案设计 (8)3.1供热锅炉控制系统分析 (8)3.1.1供热锅炉控制系统功能 (8)3.1.2供热锅炉控制的特点分析 (8)3.2供热锅炉系统控制原理分析 (9)3.2.1温度调节 (9)3.2.2燃烧效率分析 (10)3.2.3压力调节 (11)3.3总体设计方案 (11)第四章可编程序控制器及变频器应用技术分析 (13)4.1PLC的主要功能和特点 (13)4.2PLC的硬件组成 (14)4.3变频器技术分析 (15)4.4PLC的I/O点数分析 (17)第五章控制系统硬件原理图设计与器件选择 (19)5.1PLC模块选择 (19)5.2温度传感器的选择 (24)第六章控制系统应用程序设计 (28)6.1编程软件介绍 (28)6.1.1硬件平台 (28)6.1.2编程语言 (28)6.1.3程序的元素 (28)6.1.4功能块库 (28)6.2控制程序设计 (30)第七章总结与展望 (35)参考文献 (36)致谢 (37)第一章绪论1.1供热锅炉控制系统现状锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。

它所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。

随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，作为全厂动力和热源的锅炉，办向着大容量、高参数、高效率发展。

为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要[1] 。

燃煤锅炉是工业生产和集中供热过程中重要的动力设备。

锅炉能耗巨大，每年的耗煤量超过3亿吨，占我国原煤产量的三分之一，提高其生产效率不仅具有客观的经济效益，还有重要的环保意义。

但是我国目前运行的大多数锅炉系统控制水平不高，效率普遍偏低于国家标准，操作工人水平参差不齐，经常是凭感觉和经验去操作，长期使锅炉处在能耗高、环境污染严重的生产状态。

据有关资料显示，世界85%的人口正陆续进入工业化阶段，全球性的人口、资源、环境矛盾尖锐，使我国的现代化面临严峻的挑战，即使国际市场能够弥补中国资源的不足，生态和环境破坏的沉重代价也难以承受[2]。

随着经济的迅猛发展，自动化控制水平越来越高，用户对锅炉控制系统的工作效率要求也越来越高，为了提高锅炉的工作效率，较少对环境的污染问题，所以利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。

其优越性主要在于：首先，通过对锅炉燃烧过程进行有效控制，使燃烧在合理的空燃比条件下进行，可以提高燃烧效率。

由于工业锅炉耗煤量大，燃烧热效率每提高１％都会产生巨大的经济效益[3][4]。

其次，锅炉控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面使运行参数在ＣＲＴ上的集中监测，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。

随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，工业锅炉的微机控制必将得到更加广泛的应用。

锅炉作为重要的动力设备，其控制的基本要求是供给合格的蒸汽，使锅炉蒸发量适应负荷的需要。

为此，生产过程的各个主要参数必须严格控制。

锅炉设备是一个多输入、多输出的复杂控制对象，这些输入变量与输出变量之间是相互关联的。

如果蒸汽负荷发生变化，必将引起汽包水位、蒸汽压力和蒸汽温度等的变化；燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、蒸汽温度、炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、蒸汽温度等亦有影响；所以锅炉设备是多输入，多输出且相互关联的控制对象[5][6]。

1.2燃煤锅炉自动控制的发展历史燃煤锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数、控制参数和扰动参数，它们之间相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都给锅炉的控制增加了难度。

锅炉控制技术的发展经.历了几个历史阶段[7][8][9]。

1.手动阶段在六十年代以前，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的自动化观念还比较淡薄，这段时期的锅炉一般采用手动的控制方式，即操作工人通过经验决定送风、给水、引风、给煤的多少，通过手动操作器等方式来达到控制锅炉的目的。

这样就要求司炉人员必须有丰富的经验，增加了工人的劳动强度，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效率运行。

2.自动化单元组合仪表控制阶段随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经开发并广泛应用了全自动工业锅炉控制技术。

60年代前期，我国工业锅炉的控制技术开始发展，60年代后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，70年代后期己经研制了一些工业锅炉的自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉控制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。

但是，由于采用单元组合仪表靠硬件来实现控制功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些简单的控制算法，不能实现一些较先进的算法和控制技术，控制效果仍然不理想。

基于PLC的锅炉供热控制系统的设计3.采用微机测控阶段随着电子技术的发展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单板机、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我国的广泛应用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。

运用计算机技术，开发出高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统日益得到重视。

80年代后期至今，国内己经陆续出现了各种各样的锅炉微机测控系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。

4.分散控制阶段分散控制系统(DCS)亦称集成控制系统，其本质是采用分散控制和集中管理的设计思想，分而自治和综合协调的设计，采用层次化的体系结构，从下到上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。

DCS是以多台DDC计算机为基础，集分散型控制系统。

目前分散控制系统大多采用可编程控制器(PLC)进行系统设计，工控机与PLC的组合，不但系统体积小、可靠性高，而且造价较低，得到了广大用户的青睐。

1.3课题意义从1978年改革以来，我国年均经济增长率达9%以上，目前已经是世界第六大经济体和第三大贸易国，中国兴起成为了当今世界的热门话题。

随着科学技术的飞速发展，带动社会生产的发展，人类对能源的需求不断增加，世界上发达国家为了解决能源紧张而带给各行业的冲击，都努力在开发能源的同时，致力于节能新方法的研究。

根据不完全统计，我国共有各类锅炉近40万台，每年的耗煤量达3亿多吨，占我国原煤产量的三分之一[2]。

由于煤质变化大，设备陈旧，不仅工人劳动条件差，劳动强度大，而且锅炉热效率低。

因此，在满足工艺要求的前提下，为了提高锅炉的热效率，降低能源消耗，把工人从繁重的劳动中解放出来，促进文明生产，锅炉实现自动控制是一个急待解决的问题。

据有关资料统计一台10T/h的锅炉，若能提高效率1%，每年就能节省煤200吨左右，约合人民币50000多元经济效益是很明显的[3]。

又如对燃煤锅炉进行改进，实行自动控制，在不需要人工干预的情况下，随时调整给水量、燃料量、送风量及引风量，维持水位、蒸汽压力、蒸汽温度及负压的恒定，就有可能将锅炉的热效率提高5%以上。

另外，使锅炉达到经济燃烧状态，还可以减少烟气中的含尘量，减少空气污染。

本课题根据该校园的实际情况，设计的集成自动化系统将现场的锅炉控制运行和管理有机的良好结合，实现锅炉系统的安全高效运行。

该系统代表了我国中小型锅炉现场集成自动化系统的发展方向和较高的管理水平，它不仅是一项科研任务，而且是把理论与实践结合起来，开发出的一个真正的产品，对于提高国民经济效益，促进国家农业生产发展都有着重要的作用和意义。

我国北方供热所用的原料主要是煤炭，随着煤炭资源越来越少和许多城市的空气质量的不断恶化，而其他能源还没有得到很好的发展。

主要能源供应还是以煤炭为主，而煤炭资源大量开采煤炭所带来的地壳改变，使许多地方都有土地塌陷而带来了许多危险！而且现在国家也提倡低碳生活。

所以本设计很好的响应了国家的政策具有一定的实际意义。

（1）节省资金，减少污染。

燃煤供热系统的设计得当，可以一定程度降低燃煤消耗。

（2）性能稳定可靠，安全智能。

燃煤供热系统的设计得当，可以实现高度的智能化和可靠性，提高安全。

（3）提高生产效率，推动燃煤的发展。

燃煤供热系统的设计得当使用了高热效率的锅炉、低污染燃烧机、安全可靠的调节系统，提高效率。

第二章锅炉供热系统组成分析本章主要介绍的内容为供热锅炉的结构及分类，供热锅炉、用户端和热网各自在整个系统中所发挥的作用及它们是如何协调工作。

2.1 锅炉供热系统组成及其分类锅炉供热系统组要由三部分组成：即热源、热网和热用户。

热源又称热力的生产，主要是指生产和制备一定参数（温度、压力）热媒的锅炉房。

热网是输送热媒的室外供热管路系统，是热源与热用户连接的纽带，起着输送和分配热源的作用。

热用户是指直接使用或消耗热能的室内采暖设备。

2.1.1 锅炉分类1.按燃烧方式可分为4种(1)层燃炉:原煤经破碎成粒径为25~40毫米的碎块后，用炉前煤斗的煤闸板或给煤机平铺在链条炉排上作层状燃烧。

层燃炉优点是附属设备少,制造、安装简便,易于运行操作。

适用于中小容量锅炉。

这种锅炉的缺点为煤的燃烧不完全，炉渣和飞灰中可燃物含量多，锅炉效率一般为75~85％。

通常要烧较好的煤。

(2)室燃炉：又称煤粉炉。

原煤经筛选、破碎和研磨成大部分粒径小于0.1毫米的煤粉后,经燃烧器喷入炉膛作悬浮状燃烧。

煤粉喷入炉膛后能很快着火，烟气能达到1500℃左右的高温。

但煤粉和周围气体间的相对运动很微弱，煤粉在较大的炉膛内停留约2~3秒才能基本上烧完，故煤粉炉的炉膛容积常比同蒸发量的层燃炉炉膛约大一倍。

这种锅炉的优点为能燃烧各种煤且燃烧较完全，所以锅炉容量可做得很大，适用于大、中型及特大型锅炉。

锅炉效率一般可达90~92％。

其缺点为附属机械多，自动化水平要求高，锅炉给水须经过处理，基建投资大。

(3)旋风炉：将粒径小于10毫米的碎煤粒或粗煤粉先在前置式旋风筒内作旋风状燃烧，所产生的高温烟气再进入主炉膛（冷却室）内进行辐射换热。

旋风炉的优点为炉膛容积热强度高，炉子的尺寸小；过剩空气系数小（仅为1.05~1.10），可以降低排烟热的损失；燃用粗煤粉可简化制粉设备；排渣率高,飞灰浓度低,提高烟气速度加强对流受热面的传热。

其缺点是适用煤种受灰的熔点和渣的粘滞性的限制；锅炉负荷变动范围较小；不能快速启停；由于炉内温度可达2000℃左右，有害气体NO排放量大,对大气污染较严重。