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1、天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书1绪绪 论论1.本课题解决的问题能源是人类社会和经济发展的基本条件之一，我国过去基本上依赖单一能源维持国民经济增长，能源的消费结构长期以来一直跟不上我国国民经济的发展和人民生活水平的提高。我国能源生产和消费的主要特点是以煤为主。供暖热源热效率低，燃烧产生大量SO2、CO2、NOX 和烟尘，成为北方城市冬季大气主要污染源之一。在燃煤热源的各种供暖方式中，因为大型燃煤锅炉便于集中处理烟尘、灰渣污染物，锅炉效率高于小型燃煤锅炉，故一般公认采用大型集中锅炉房的城市集中供暖优于分散锅炉房供暖，单户煤炉采暖最差。这种以煤为主的能源结构带来的问题是防止污染的费用日
2、益增加;其次，对铁路运输也造成了压力。据预测，到2020年我国能源需求量将至少增加108t 标准煤。因此，如何减少煤炭资源的消耗及不断开发可再生能源已经成为我国解决能源矛盾的主要方向。同时，随着经济和科学技术的发展，特别是人类对生活质量和生存环境要求的日益增加，许多城市已逐渐用天然气替代煤作为供暖燃料。与燃煤相比，燃烧天然气 CO2排放可减少52%，NOX 可减少45%，无 SO2排放和灰渣产生；燃气锅炉效率高，大、中小型的锅炉效率区别不大；锅炉燃烧过程和出力易于调节控制。因此，在环保要求高的城市采暖供热中，燃煤锅炉房或燃煤炉灶将严格限制使用，取而代之的是燃气锅炉自动控制供热系统。由于天然气等
3、是清洁燃料，这种采暖系统的环境污染远小于燃煤系统。近几年来，我国城市燃气结构发生很大变化,陕北天然气已经进入京津,渤海天然气已经上岸, 尤其西气东输工程的实施,更为燃气锅炉的应用起到了推动作用。现在,一般燃气锅炉的设计效率均能达到90%左右,但在实际运行中, 由于外界环境温度不断变化,需要的供热量也因而变化,如果不调整燃气燃烧量往往会造成供热量不足或过量,造成能源浪费。因此有必要对燃气锅炉的燃气供应进行自动控制和实时调节,提高能源利用率。目前,世界各国都存在能源短缺的问题,我国能源问题更为突出,因此, 如何使锅炉高效和安全运行是锅炉自动控制系统的重点。2.本课题研究的方法和手段针对生产过程的控
4、制需要,本课题设计了一种为满足安全生产以及具有自动防护的多功能燃气锅炉供热自动控制系统，通过采用 PLC (S7-200)作为控制核心, 变频调速技术为基础，以人机界面作为监视和控制中心，由 PLC 自带的 PID 模块、变频器，燃料控制阀组和在线监测传感器组成的闭环控制系统，实现燃气供热系统自动控制系统的自动控制。本课题主要从点火系统，恒压供水系统，大小火控制系统进行设计和分析，通过特殊温度模块，对出水温度与回水温度进行采集和转换，集合 PLC 的 PID 指令，运用 PLC(S7-200)进行编程控制，进行燃烧器大小火的控制，从而实现燃气燃烧的精确控制，实现燃气锅炉供热系统的自动控制。本文
5、举出了此燃气供热系统自动控制系统的工作流程图和软硬件的设计，其中包括梯形图的天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书2设计、I/O 地址表、电气原理图和 PLC 接线图的设计以及相应的控制程序和系统调试。其次还对点火系统中燃气锅炉控制的现状及发展趋势进行了相应的讲述，对恒压供水系统中的变频技术进行了部分的讲解，还列举了燃气供热系统中的防爆防燃以及发生的故障后采取的措施解决，完成了整个燃气供热系统能够达到的可靠性高、自动化程度高、使用方便、操作简单、控制灵活等要求，实现了燃气供热系统的自动控制。研究的步骤如下： 第一步：认真阅读“毕业设计任务书” ，充分理解控制要求。第二步：熟悉并了解燃气供
6、热自动控制工艺过程并画出工艺流程图。 第三步：掌握锅炉自动控制系统的工作原理。第四步：编制燃气供热自动控制系统的控制程序。第五步：选择燃气供热自动控制系统所用元件。第六步：列出程序框图列出所有电器元件名细表。第七步：列出可编程控制器的 I/O 表。第八步：画出整个控制系统的硬件接线图。第九步：列出梯形图第十步：编制燃气供热自动控制系统控制功能说明书 3.本题研究的目的和意义锅炉设备中，吸热的部分称为锅，产热的部分称为炉。锅炉按锅炉燃烧的燃料的不同，可分为：燃煤炉、燃油炉和燃气炉。燃气锅炉的控制系统，既要完成前两种锅炉的正常控制，又有与其不同的地方。其中最主要的部分就是燃料的不同，燃气锅炉的燃料
7、的来源是企业生产的副产品，由于各个部门的生产状况和协调关系等因素，使得燃料的成分质量、燃料的热值和所用气体的压力等各项参数都有一定的不确定性。在燃气锅炉控制系统的设计和应用上，导致了该系统需要考虑更多的生产状态和突发事件。某些系统在设计时虽然采用了 DCS 或PLC 控制系统，但是在实际应用中，却常常是将其作为常规调节的一种辅助监控手段，只不过给监视带来了一定的方便，自动控制的投运率都很低。目前在实际应用中，现场设备能够投入自动运行的也很少，主要原因有两个方面：一是由于现场设备达不到自动运行所必须的基本要求；另一方面是管理人员对自动控制原理和系统的设计认识不够；并且各个公司的操作人员已经习惯了
8、以前的手动操作，对投入自动运行缺乏信心，致使锅炉的燃烧控制一直处于手动运行状态。近年来，锅炉控制有了很快的发展，它有效与微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。所以，提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。我们必须高度重视燃气锅炉的自动化控制系统，认真研究该系统的控制特性保证企业生产过程中的可靠性和稳定性。先进的控制系统已经开始逐渐应用到整个锅炉控制系统中，而作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测
9、、自动控制等多项功能。燃气锅炉主要是用来燃烧企业生产的剩余燃料，减少环境污染，提高企业的生产效益实现锅炉的自动化控制就可以使得公司企业不用投入太多的资金，也能保证锅炉能够安全、稳定天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书3运行。第一章 燃气供热自动控制系统设计的要求1.1 燃气供热自动控制系统设计的控制要求1.1.1 燃气供热自动控制系统设计的控制要求本设计内容的主要控制系统是对锅炉的智能控制，它结合国内燃油、燃气锅炉控制自动化的各种需要和具体应用现状，采用现代电脑控制技术的新型控制器、其可靠性高、自动化程度高、使用方便、操作简单、功能丰富、控制灵活、安全可靠等特点。本设计的基本操作方法有
10、：1风机控制按风机手动，这时燃烧器马达转起，1 分钟左右后按风机自动，这时燃烧器马达停止，按风机所示旋转方向检查燃烧器马达正反转，注意燃烧器工作时，风机控制一定按自动位置（各位置有相应指示灯） 。2炉启动控制炉启动也分手动和自动两种，手动状态可以在锅炉不报警前提下（超温、超压、极限低水位、排烟温度超温等） ，按手动键启动燃烧器。自动状态可以根据锅炉的水温和压力自动调节燃烧器的起停，热水锅炉根据出水温度的上下限来控制燃烧器的起停，当实际温度超过上限温度设定值时，燃烧器自动停止，当实际温度低于下限温度设定值时，燃烧器自动起动。蒸汽锅炉根据压力来控制燃烧器的起停，压力是通过压力控制器和电接点压力表人
11、工设定，当锅炉压力超过设定压力的上限值时，燃烧器自动停止，当温度压力低于设定压力的下限时，燃烧器自动启动。在任何条件下按停止键都可以停止燃烧器。3温度控制控制面板上分别显示锅炉的出水温度和回水温度，同时又有上下限选择键和实测键，按实测键则该灯亮，表示数码管显示当前实际测的温度，亦可以根据实际情况来选择出水和回水温度的上下选择键，一般情况下可设出水温度上下限在 80 95 之间，回水温度上下限可设在 70 55 之间（仅供参考） ，注意出水温度的上限一定不能超过锅炉出水额定温度。上下限选择键可以通过拨码器置数，实测键可单独设置不参与控制。4大小火控制大小火控制有三个键分别是自动、大火、小火，自动
12、键指的是当回水温度的实际温度低于回水温度下限设定值时为大火燃烧，当回水温度的实际温度高于回水温度上限设定值时为小火燃烧。按大火键则大火燃烧，按小火键则小火燃烧，它不受回水温度的控制。蒸汽锅炉的大小火和热水锅炉基本相同，它的控制是通过压力来控制的，只不过压力的上下限是通过人工来调节的，注意压力的上限值不能超过天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书4锅炉额定压力。这里说明一点，大小火的控制只有在燃烧器运行时（炉起动时）才能完成。5消音键当锅炉超温、超压、极限低水位、排烟温度超温时，电控箱声光报警，此时按消音键可解除报警声音。6复位键其功能和燃烧器程序控制器的复位键相同，燃烧器故障状态下，按此
13、键可重复上一次操作。7给水泵控制给水泵控制分手动和自动两种形式，当选择手动时，按手动键时给水泵开始工作，按停止键退出工作状态。当您选择自动键时，高水位自动停泵，低水位泵自动起泵。8循环泵控制按主和备用泵选择键，相应指示灯亮，表示某泵被选中，按起动键，该泵开始工作，按停止键，该泵停止工作。燃气锅炉无循环泵控制键。9控制面板其上有和燃烧器相关的指示灯，例如点火、负荷、检漏、气压、电磁阀、固执、风机运行等，它表示燃烧器所出当前状态。1.1.2 燃气供热自动控制系统设计的流程分析锅炉的控制包括鼓风机控制、炉起动控制、温度控制、大小火控制、给水泵控制，循环泵控制，除此以外还有消音键、复位键和指示灯。启动
14、锅炉然后对主、备循环泵进行手动控制，同时可以对燃烧器和补水泵进行手动自动控制。在运行过程中可以通过温度模块对锅炉内部采集锅炉温度，通过温度传感器把采集到的温度转换成数字量传输到外部控制器中，然后根据锅炉的温度对锅炉的补水泵、燃烧器的火力进行自动控制，除此以外还要对锅炉的出口温度、锅炉水位进行检测，如有异常，也要及时的对燃烧器和补水泵进行控制。在控制过程中，有显示屏对锅炉的运转情况进行表述，其中分别包括主、备泵的循环手动按钮，燃烧器的手动按钮，补水泵的手动按钮和火力控制的手动按钮等各个部分的手动启停按钮。还包括启动指示灯，大、小火指示灯，超温、超压指示灯，主、备泵循环指示灯等显示工作状态灯。在运
15、行过程中，工作人员可根据显示器的指示了解锅炉的工作状态，也可以根据显示屏边的功能键对锅炉进行控制，在显示屏上还有报警器和蜂鸣器可以在锅炉出现故障的时候及时对工作人员进行提醒。12 燃气供热自动控制系统设计的技术要求为了适应炉内燃烧过程的需要，确保安全稳定、经济高效运行，对燃气锅炉控制系统的技术要求是：1.燃烧效率高。对于燃气燃烧器，在一定的调节范围内，燃气供应稳定均匀，燃气沿周围分布也应均匀，以增大燃气与空气的接触面积。2.燃烧所产生的火焰与炉膛结构形状相适应，火焰充满度好。火焰温度与黑度都应符合天津理工大学 2011 届本科毕业设计说明书5锅炉的要求，不应使火焰冲刷炉墙、炉底和延伸对流受热面
16、。3.配风合理，保证燃料燃烧稳定、安全。从火炬根部供给燃烧所必需的空气，要使其与气雾迅速均匀混合，保证燃烧完全，烟气中生成的有害物质（CO、NOX等）少。使气流形成一个适当的回流区，是燃料与空气处于较高的温度场中，以保证桌着火迅速，燃烧稳定。4.调风装置的阻力小。5.供水顺畅，压力稳定。6.调节幅度大，能适应调节锅炉负荷的需要。即在锅炉最低负荷至最高负荷时，燃烧器均能稳定工作，不产生回火和脱火。7.点火、着火、供水，燃烧调节等操作方便安全可靠和运行噪音小。8.故障后保护装置显示快速准确，通讯干扰小。9.系统设计结构简单、紧凑、器件轻巧、运行可靠、便于调节和修理，并易于实现各个过程的自动控制。13 燃气供热自动控制系统设计的总体结构本系统主要是用西门子PLC（S7200）作为控制器进行控制, 主要是对燃气锅炉进行控制, 包括风机、燃烧器的开关等,根据液位和压力变化对进出水口阀门的控制,以及根据锅炉内温度变化进行自动控制,利用PLC 中所带有的PID调节器进行调节, 控制锅炉内的温度, 再利用远程传输的功能,装上温度传感器,运用PLC的EM235模
