基于PLC的燃油锅炉控制系统设计实习报告

实习报告
题目：基于PLC的燃油锅炉控制系统设计学生姓名：
学号：
院系名称：电气与信息工程学院
专业班级：
指导教师：
职称：
二○一二年八月二十四日
实习任务书
目录
第1章引言 (1)
1.1 PLC控制燃油锅炉的目的和意义
1.2 PLC控制燃油锅炉的设计内容
1.3 预期实现的目标
第2章系统总体设计方案 (2)
2.1 燃油锅炉的基本组成部分
2.2 燃油锅炉的工作过程
2.3 燃油锅炉系统控制要求
2.4 燃油锅炉控制系统
2.4.1 燃烧过程控制 (3)
2.4.2 水位高低控制 (4)
2.5 燃油锅炉系统工艺流程
2.6 确定燃油锅炉的设计方案
第3章控制系统硬件设计 (6)
3.1 PLC总述
3.1.1 PLC工作原理 (6)
3.1.2 PLC系统选型 (6)
3.1.3 I/O地址分配 (8)
3.1.4 PLC主机图 (9)
3.1.5扩展模块选型 (9)
3.2 电机及驱动控制选型
3.2.1 电机及喷油泵的选型 (11)
3.2.2 变频器选型 (11)
3.2.3 电机主线路 (11)
3.3 检测元件选型
3.4 低压电器选型
3.4.1 继电器选型 (13)
3.4.2 断路器选型 (13)
3.4.3 熔断器选型 (13)
3.5 系统电源设计
第4章控制系统软件设计 (14)
4.1 控制程序流程图
4.2 控制程序设计
4.3 显示操作界面设计
4.4 程序调试
结束语 (19)
实习体会 (20)
参考文献 (20)
附录 (20)
第1章引言
1.1 PLC控制燃油锅炉的目的和意义
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。

据有关数据统计，目前我国有各类工业锅炉约25万。

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重要的动力设备。

在石油化工领域，它的主要作用是向生产装置提供所需的合格蒸汽，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。

燃油锅炉随着城市的发展而越来越多地被应用。

以前使用燃煤锅炉由于其在燃烧时产生大量的CO2和粉尘污染环境而逐渐被淘汰，相对应的用燃油锅炉来代替燃煤锅炉已被广泛用于酒店、大型商场等建筑。

由PLC组成的燃油锅炉控制系统适用于配用各种进口及国产燃烧器的燃油锅炉，对锅炉实行全自动控制，包括锅炉水位、蒸汽压力、燃烧系统的参数检测、指示、调节等进行控制。

1.2 PLC控制燃油锅炉的设计内容
本设计采用可编程序控制器PLC控制燃油锅炉的稳定可靠运行。

通过PLC的选型和扩展电机及驱动控制、检测元件选型、低压电器选型、电源设计完成燃油锅炉的硬件设计部分。

通过组态软件以及仿真软件的模拟和调试完成燃油锅炉的软件设计。

1.3 预期实现的目标
实现燃油锅炉的自动控制，不但能很好的控制锅炉的水位和蒸汽压力等参数，还能很方便的加水和排水，基于PLC的控制很容易实现工业化。

我国目前运行的很多锅炉控制系统自动化水平不高、安全性低，工作效率普遍低于国家标准，因此实现燃油锅炉的自动控制对能源消耗来说很重要。

第2章系统总体设计方案
2.1 燃油锅炉的基本组成部分
燃油锅炉主要组成部分：
燃油预热器：锅炉启动前，将锅炉燃烧用的燃油加热到适当温度以达到良好雾化，保证锅炉的正常燃烧。

汽包：由上下锅筒和三簇沸水管组成，水在管内受管外烟气加热，在管簇内发生自然的循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在上锅筒里边。

下锅筒作为连接沸水管之用，同时储存水和水垢。

炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备，由供油系统和油枪组成。

引风设备：包括引风机，烟囱，烟道几部分，用它将锅炉中的烟气连续排除。

送风设备：由鼓风机和风道组成，用它来供应燃料燃烧所需要的空气。

燃料供给设备：包括供油管路和油枪等。

2.2 燃油锅炉的工作过程
锅炉工作时燃料在炉膛内进行燃烧，将其化学能转化为热能，高温的燃烧产物—烟气通过汽包受热面将热能传递给汽包内温度较低的水，水被加热进而沸腾汽化，生成蒸汽。

燃料在燃烧时，油由油泵从储油罐中抽出，经燃油预热器预热，由喷油电磁阀经喷油口打入锅炉进行燃烧。

燃烧时，鼓风机送风，喷油电磁阀喷油，点火变压器接通（子火燃烧），瓦斯阀打开（母火燃烧），将燃油点燃。

点火完毕后，关闭点火，继续送风、喷油，使燃烧持续。

2.3 燃油锅炉系统控制要求
由PLC组成的燃油锅炉控制系统适用于配用各种进口及国产燃烧器的燃油锅炉，对锅炉实行全自动控制，包括锅炉水位、蒸汽压力、燃烧系统的参数检测、指示、调节等进行控制。

1. 燃油锅炉控制要求
(1) 按下起动按钮，燃油首先通过燃油预热器预热，1min后，接通点火变压器，打开瓦斯阀门，同时由鼓风机送风，持续3S后，喷油泵喷油，持续3S后，点火变压器和瓦斯阀门同时关闭。

(2) 按下停止按钮，燃油预热器关闭，喷油泵关闭，鼓风机继续送风持续15S后送风停止。

(3) 锅炉燃烧过程中，当出现异常情况时（即蒸汽压力超过允许值或水位通过上限或低于下限L能自动关K；异常情况消失后，又能自动接起燃烧程序重新点火燃烧。

(4) 锅炉水位控制，锅炉工作起动后，当水位低于下限时，进水阀打开，排水阀关闭，当水位高于上限时，排水阀打开，进水阀关闭。

2. 燃油锅炉的系统示意图如图2.1所示。

图2.1 燃油锅炉系统示意图
2.4 燃油锅炉控制系统
优良的燃油锅炉控制系统对燃油锅炉的应用有着极为重要的意义。

燃油锅炉的控制系统主要包括燃烧器控制、锅炉水位控制等。

2.4.1 燃烧过程控制
燃烧装置包括：鼓风机、油泵、引风机、点火装置、喷油电磁阀等。

在燃烧启动前，燃油首先通过燃油预热器预热后，接通点火变压器，点火变压器投入工作，当点火变压器打开后，可燃油雾立即被高压电火花点燃产生点火火焰。

打开瓦斯阀门，同时由鼓风机送风，一段时间后，喷油泵喷油，持续一段时间后，点火变压器和瓦斯阀门同时关闭。

按下停止按钮，燃油预热器关闭，喷油泵关闭，鼓风机继续送风一段时间后送风停止。

2.4.2 水位高低控制
锅炉水位的高低对锅炉的安全运行极为重要。

水位太高，会使蒸汽大量带水，降低品质，甚至会发生满水事故。

水位偏低，会造成锅筒各部分的温度偏差，形成热应力，极限情况下会出现裂纹。

水位过低，则容易发生缺水事故。

在负荷变化时，锅炉水位也会快速变化，因此必须采用自动控制来维持水位在规定的范围内。

维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标。

2.5 燃油锅炉系统工艺流程
燃油锅炉控制系统是由PLC来控制燃油锅炉的起动、停止以及出现异常情况时能暂停且异常情况消失后能自动按起燃顺序重新工作的供热系统。

燃油锅炉控制系统工艺流程图如图2.2所示。

图2.2 燃油锅炉控制系统工艺流程图
2.6 确定燃油锅炉的设计方案
可编程序控制器PLC作为锅炉控制器，通过对燃油预热器、喷油电磁阀、点火变压器、瓦斯阀、鼓风机、油泵和进水阀、出水阀等部件的控制，实现燃油锅炉的给水、点火程序、风油调节和蒸汽压力的自动控制。

采用压力传感器和温度传感器对水温、汽温、炉温进行检测，并通过PLC实现自动调节，维持它们在规定的范围内。

燃油锅炉控制系统由燃油预热器、点火变压器、瓦斯阀、引风机、油泵、进水阀、出水阀、水位上限开关、水位下限开关、各种检测仪表及监控设备组成。

系统原理框图如图2.3所示。

图2.3 燃油锅炉系统原理框图
第3章控制系统硬件设计
3.1 PLC总述
3.1.1 PLC工作原理
PLC是一种工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算机工作原理的基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。

CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，所以它属于串行工作方式。

PLC工作的整个过程可分为三部分：
第一部分是上电处理。

机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定，系统通信参数配置及其他初始化处理等。

第二部分是扫描过程。

PLC上电处理阶段完成以后进入扫描工作过程。

第三部分是出错处理。

PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码；当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描便停止。

PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。

每一次扫描所用的时间称作扫描周期或工作周期。

在一个扫描周期中，PLC一般将完成部分或全部的以下操作：
读输入→处理通信请求→执行逻辑控制程序→写输出执行→CPU自诊断。

PLC就是这样周而复始的循环这些动作过程一直到关机。

当PLC上电后，处于正常运行时，它将不断重复扫描过程，并不断循环重复下去。

分析上述扫描过程，如果不考虑远程的服务要求，这样扫描过程就只有“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段了。

这三个阶段是PLC工作过程的中心内容，也就是PLC的工作原理。

3.1.2 PLC系统选型
燃油锅炉系统设计选择了西门子模块化中小型PLC系统S7-200，它能满足系统性能要求的应用，应用领域相当广泛。

其模块化、易于实现分布、易于用户掌握等特点使得S7-200成为各种中小型性能要求控制任务的首选。

S7-200系列具有的多种性能的CPU和丰富的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。

当任务规模扩大时，可随时使用附加的模块对PLC进行扩展。

西门子S7-200所具备的高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，使其具有更高的工业环境适应性。

此外，S7-200系列PLC还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便等优点。

与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋
予的功能控制PLC有条不紊的进行工作。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制和状态总线构成。

CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路，内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU的主要任务是控制用户程序和数据接收与存储；用扫描的方式通过I/O接口接收现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

PLC产品的种类繁多。

PLC的型号不同，对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同，适用的场合也各有侧重。

因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

PLC的选择主要应从PLC 的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。

PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。

选择时应主要考虑到合理的结构型式，安装方式的选择,相应的功能要求，响应速度要求，系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。

PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。

通常PLC的输入类型可以是直流、交流或交直流，使用最多的是直流信号输入PLC。

输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC自身的电源提供。

表3-1 S7-200系列PLC CPU型号表
通过对燃油锅炉控制系统控制要求的分析可知，系统共有开关量输入点5点，开关量输出点7点，所以选用CPU224，它可以扩展7个模块能够满足控制要求。

CPU224的外围接线图如图3.1所示。

图3-1 CPU224外围接线图
3.1.3 I/O地址分配
根据燃油锅炉控制系统的控制要求，I/O通道地址分配如表3-2和3-3所示。

表3-2 输入输出信号代码和地址编号
表3.2模拟量输入输出信号代码和地址编号表
3.1.4 PLC主机图
系统所选PLC型号的主机图
图3.2 PLC主机图
3.1.5扩展模块选型
3.2 电机及驱动控制选型
3.2.1 电机及喷油泵的选型
所选用的锅炉为SZS20-1.25-Y型燃油锅炉。

根据系统控制要求、工作环境和所用锅炉的型号，进行油泵的选型。

所选用的鼓风机为Y90L-4-1.5KW风机。

转速为1400r/min，风量为（5012-12230）m3/h，电机功率为1.5KW。

所选用的喷油泵电动机功率为1.5KW，转速为1400r/min，额定电压为380V，型号为Y90L-4。

3.2.2 变频器选型
在电动机的各种调速方式中，变频调速传动占有极其重要的地位，有强大的生命力。

这类传动系统功率有回路简单、功率因数高、输出谐波小、启动平稳、调速范围宽等优点。

变频器大多运行在恶劣的电磁环境，且作为电力电子设备，内部由电子元件、微处理芯片等组成，会受到外界的电磁干扰。

另外，变频器的输入和输出侧的电压、电流含有高次谐波。

当变频器运行时，既要防止外界的电磁干扰又要防止变频器干扰外界其他设备，即所谓的电磁兼容性。

在选择变频器时的几点注意事项：根据负载特性选择变频器。

选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。

另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。

因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10％而温升会增加20％左右。

所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。

本设计选用的变频器为西门子MM440。

MM440是一种集多种功能于一体的变频器，其恒定转矩控制方式的额定功率范围为120KW-200KW，可变转矩控制方式的额定功率可达250KW，它适用于电动机需要调速的各种场合。

可通过数字操作面板或通过远程操作器方式修改其内置参数，即可满足各种调速场合的要求。

3.2.3 电机主线路
两台电动机分别为MA1驱动鼓风机工作、MA2驱动喷油泵工作。

接触器QA1、QA2分别控制MA1、MA2的运行；QA10、QA20分别为变频器和两台电动机主电路的隔离开关，隔离开关重要作用是隔离电源，以保证其它电气设备的安全检修。

由于它没有专门的灭弧装置，所以不能带负荷操作。

但是它可以用来通断一定的小电流，如切合电压互感器和避雷针回路等。

隔离开关在结构上有一个显著的特点，就是它具有明显可见的断开间隙。

油泵变频器MM400，通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的
目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

如图3.5所示为电机控制系统主电路。

图3.3 电机主接线图
3.3 检测元件选型
本设计选用的热电偶温度传感器均为K型热电偶，其中测量炉膛温度的热电偶型号为WZP-230，测温范围-200～500度，供电电压DC24V，环境温度0～60℃；测量蒸汽温度、水温和燃油温度的热电偶型号相同，均为WZP-230型热电偶，测温范围-200～500℃，供电电压DC24V，环境温度0～60℃。

pt100是铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。

PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。

3.4 低压电器选型
3.4.1 继电器选型
3.4.2 断路器选型
低压断路器也称作自动开关或空气开关，是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的开关电器和保护电器，它集控制和多种保护功能于一身。

除了能完成接通和分断电路外，还能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，也可以用于不频繁地启动电动机。

3.4.3 熔断器选型
熔断器基于电流热效应原理和发热元件热熔断原理设计，具有一定的瞬时动作性，用于电路的短路保护和严重过载保护。

使用时串接于被保护的电路中，当电路发生短路故障时，熔断器中的熔体被瞬时熔断而分断电路，起到保护作用。

表3.5 系统元件明细
3.5 系统电源设计
可编程序控制器一般使用市电（220V，50Hz）。

电网的冲击、频率的波动将直接影响到可编程序控制器系统实时控制的精度和可靠性，有时电网的冲击，可给系统带来毁灭性的破坏。

为了提高系统的可靠性和抗干扰性能，在对可编程序控制器的供电系统设计中采用隔离变压器，这样可以隔离掉供电电源中的各种干扰信号，从而提高了系统的抗干扰性能。

对于S7-200 PLC的供电电源，采用一个独立的开关，它能够同时切断CPU、输入电路和输出电路的所有供电，并用断路器过电流保护装置来限制供电线路中的电流。

每个S7-200 CPU模块均提供一个24V直流传感器电源和一个5V直流电源。

24V 直流传感器电源可以作为CPU主机、数字量扩展模块的输入、模拟量扩展模块的供电电源以及外部传感器电源使用。

如果容量不能满足所有需求，则必须增加外部24V直流电源。

此时外部直流电源不能与模块的传感器电源并联使用，以防止两个电源电位的不平衡造成对电源的破坏；但为了加强电子噪声保护，这两个电源的公共端(M)应该
连在一起。

当S7-200 CPU与扩展模块连接时，CPU模块为扩展模块提供5V直流电源。

如果扩展模块的5V直流电源需求超过CPU模块5V直流电源的容量，则必须减少扩展模块的数量。

第4章控制系统软件设计
4.1 控制程序流程图
软件设计中采用分模块设计,简洁明了，各模块流程图如下。

否
图4.1 主程序流程图
图4.2 点火子程序流程图
图4.3 停机子程序流程图
4.2 控制程序设计
程序设计作为PLC控制系统重要的组成部分，发挥着至关重要的作用。

编写程序的方法很多，常用的有图解法编程、经验法编程和计算机辅助设计编程[20]。

在本设计中采用的是计算机辅助设计编程方法。

计算机辅助设计是通过PLC编程软件在计算机上进行程序设计、编程、仿真和在线调试等。

用STEP7-Micro/WIN V4.0将程序编辑好后，编译导出，用S7-200仿真软件进行模拟调试。

首先在S7-200仿真软件中配置设计中所用的各种模块，然后将程序载入，切换到运行模式进行调试。

按下起动按钮，燃油首先通过燃油预热器预热，1min后，接通点火变压器，打开瓦斯阀门，同时由鼓风机送风，持续3S后，喷油泵喷油，持续3S后，点火变压器和瓦斯阀门同时关闭。

按下停止按钮，燃油预热器关闭，喷油泵关闭，鼓风机继续送风持续15S后送风停止。

锅炉燃烧过程中，当出现异常情况时（即蒸汽压力超过允许值或水位通过上限或低于下限L能自动关K；异常情况消失后，又能自动接起燃烧程序重新点火燃烧。

锅炉水位控制，锅炉工作起动后，当水位低于下限时，进水阀打开，排水阀关闭，当水位高于上限时，排水阀打开，进水阀关闭。

4.3 显示操作界面设计
图4.4 显示操作界面
4.4 程序调试
程序主要调试图如下所示。

图4.5 锅炉正常运行，水温低于90°时仿真截图此时锅炉正常运行，但水温低于90度，喷油电机以一较大的转速喷油。

图4.6锅炉正常运行，水温高于90°时仿真截图当水温慢慢升高，例如升高到93度。

由于大于设定的90度，此时Q0.7动作，喷油电机以较低的转速进行喷油。

图4.7 油温低于25°时仿真截图
当油温的温度达不到25度时，喷油电机不运行，Q0.4无输出。

直到油温预热到25度以上时，喷油机才可以喷油。

图4.5 蒸汽压力超过允许值时仿真截图
当出现异常情况时，如蒸汽压力超出允许值，此时锅炉停止运行，如上图所示，当异常情况消失后，锅炉可自动重新启动燃烧。

结束语
实习体会
参考文献
[3].殷红彩，葛立峰.一种多输出直流稳压电源的设计[J].传感器世界，2006，12(9)，22-26. 王永华.《现代电气控制及PLC应用技术》.北京:北京航空航天出版社,2007.
[11].胡学林.《可编程控制器教程（基础篇）》.北京:电子工业出版社，2004.
[12].陈建明.《电气控制与PLC应用》.北京:电子工业出版社，2006.
[13].西门子（中国）有限公司.《深入浅出西门子S7-200PLC》.北京:北京航空航天出版社,2003.
[14].吕卫阳.《PLC工程应用实例解析》.北京:中国电力出版社,2007.
[15].张万忠.《可编程控制器入门与应用实例（西门子S7-200系列）》.北京:中国电力出版社，2005. 基于PID算法的S7-200 PLC锅炉水温控制系统
附录
梯形图程序
语句表。