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1、中北大学 2013 届毕业 设计说明书第 1 页 共 38 页目目 录录1 绪论 .11.1 锅炉的定义及发展现状 .11.2 PLC 控制燃油锅炉的目的和意义.41.3 PLC 控制燃油锅炉的设计内容.41.4 预期实现的目标 .42 系统总体设计方案 .52.1 燃油锅炉控制系统基本组成部分 .52.2 燃油锅炉的工作过程 .52.3 燃油锅炉工艺控制要求 .63 燃油锅炉控制系统的硬件设计 .83.1 PLC 机型的选择及各硬件性能指标分析.83.1.1 方法 1. 按以下条件选择机型.83.1.2 方法 2.93.1.3 PLC 容量估算.103.2 燃油锅炉的控制过程分析 .133.
2、3 燃油锅炉的运行流程图设计 .133.4 系统的 I/O 接口以及硬件接线图设计 .153.5 系统供电电源设计 .154 燃油锅炉控制系统的软件设计 .174.1 控制系统各部分控制的梯形图 .174.1.1 起动 .174.1.2 停止 .184.1.3 异常状况自动关火 .194.1.4 锅炉水位控制 .204.2 基于 PLC 的燃油锅炉控制系统总梯形图 .204.3 对系统控制总梯形图的分析 .234.4 系统的示警电路分析 .24中北大学 2013 届毕业 设计说明书第 2 页 共 38 页5 燃油锅炉控制系统程序调试结果 .255.1 程序调试过程 .255.2 程序调试时序图
3、 .276 总 结 .29附录 指令表 .30参 考 文 献 .34致 谢 .35中北大学 2013 届毕业 设计说明书第 3 页 共 38 页1 1 绪论绪论随着科技的不断进步，自动化技术以及电力电子技术快速提高，国内外以继电器为基础的自动化仪表工业锅炉控制系统也得到发展，并且广泛应用于实际生产过程。在上个世纪 60 年代前期，我国锅炉的控制系统开始得到迅速发展;到了 60 年代的中后期，我国引进了国外全自动的燃油锅炉的控制系统；到了上个世纪的 70 年代末，我国逐渐自主研发了一些工业锅炉的自动化仪器，同时，在工业锅炉的控制系统方面也在逐步推广应用自动化技术。PLC 是采用微电脑技术制造的通
4、用的自动控制设备，它具有高可靠性，能适应工业现场的高温，冲击震动等恶劣环境，广泛应用于机械设备、生产流水线和生产过程的自动控制。经过长时间的发展和完善，PLC 主要具有逻辑运行功能，可以代替继电器进行开关控制、具有定时控制的功能、记数控制功能、步进控制功能，A/D、D/A 转换功能，数据处理功能，通信，联网功能，并配置了较强的监控功能。这些功能造就了 PLC 的旺盛生命力。到现在已出现越来越多的新 PLC 产品：如三菱 FX2N 系列 PLC、三菱 FX2NC 系列 PLC、三菱 FX1N 系列 PLC、松下 FP2 松下电工可编程控制器(PLC)、三菱 A/Q 系列 PLC、横河 FA-MA
5、 系列 PLC 等一系列新产品最初的工厂自动化控制主要是以继电器回路控制占主导地位，这种控制具有体积大，耗电多，寿命短，可靠性差以及运行速度慢等缺点，而可编程序控制器具有体积小，可靠性高，耗电少等优点，在设计中可简化设计结构，降低成本，可实现数据的传输和监控。由 PLC 组成的燃油锅炉控制系统适用于配用各种进口以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、报警、调节等进行控制，具有效率高、节约能源、高可靠性的安全系统，符合环保要求，完善的智能控制等优点。1.11.1 锅炉的定义及发展现状锅炉的定义及发展现状锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水
6、加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为中北大学 2013 届毕业 设计说明书第 4 页 共 38 页热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，又叫蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。锅炉承受高温高压，安全问题十分重要。即使是小型锅炉，一旦发生爆炸，后果也十分严重。因此，对锅炉的材料选用、设计计
7、算、制造和检验等都制订有严格的法规。18 世纪上半叶，英国煤矿使用的蒸汽机，包括瓦特的初期蒸汽机在内，所用的蒸汽压力等于大气压力。18 世纪后半叶改用高于大气压力的蒸汽。19 世纪，常用的蒸汽压力提高到 0.8 兆帕左右。与此相适应，最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后来改用卧式锅壳，在锅壳下方砖砌炉体中烧火。随着锅炉越做越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。开始只装一只火筒，称为单火筒锅炉或康尼许锅炉，后来加到两个火筒，称为双火筒锅炉或兰开夏锅炉。1830 年左右，在掌握了优质钢管的
8、生产和胀管技术之后出现了火管锅炉。一些火管装在锅壳中，构成锅炉的主要受热面，火(烟气)在管内流过。在锅壳的存水线以下装上尽量多的火管，称为卧式外燃回火管锅炉。它的金属耗量较低，但需要很大的砌体。19 世纪中叶，出现了水管锅炉。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。初期的水管锅炉只用直水管，直水管锅炉的压力和容量都受到限制。二十世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造工艺和水处理技术的
9、发展，出现了弯水管式锅炉。开始是采用多锅筒式。随着水冷壁、过热器和省煤器的应用，以及锅筒内部汽、水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。以前的火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉都属于自然循环锅炉，水汽在上升、下降管路中因受热情况不同，造成密度差而产生自然流动。在发展自然循环锅炉的同时，中北大学 2013 届毕业 设计说明书第 5 页 共 38 页从 30 年代开始应用直流锅炉，40 年代开始应用辅助循环锅炉。第二次世界大战以后，这两种型式的锅炉得到较快发展，因为当时发电机组要求高温高压和大容量。发展这两种锅炉的目的是缩小或不用锅筒，可以采用小直径管
10、子作受热面，可以比较自由地布置受热面。随着自动控制和水处理技术的进步，它们渐趋成熟。在超临界压力时，直流锅炉是唯一可以采用的一种锅炉，70 年代最大的单台容量是 27 兆帕压力配 1300 兆瓦发电机组。后来又发展了由辅助循环锅炉和直流锅炉复合而成的复合循环锅炉。在锅炉的发展过程中，燃料种类对炉膛和燃烧设备有很大的影响。因此，不但要求发展各种炉型来适应不同燃料的燃烧特点，而且还要提高燃烧效率以节约能源。此外，炉膛和燃烧设备的技术改进还要求尽量减少锅炉排烟中的污染物(硫氧化物和氮氧化物)早年的锅壳锅炉采用固定炉排，多燃用优质煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管锅炉出现后开始采用机械化炉排，其
11、中链条炉排得到了广泛的应用。炉排下送风从不分段的“统仓风”发展成分段送风。早期炉膛低矮，燃烧效率低。后来人们认识到炉膛容积和结构在燃烧中的作用，将炉膛造高，并采用炉拱和二次风，从而提高了燃烧效率。早年制造的煤粉炉采用了 U 形火焰。燃烧器喷出的煤粉气流在炉膛中先下降，再转弯上升。后来又出现了前墙布置的旋流式燃烧器，火焰在炉膛中形成形火炬。随着锅炉容量增大，旋流式燃烧器的数目也开始增加，可以布置在两侧墙，也可以布置在前后墙。1930 年左右出现了布置在炉膛四角且大多成切圆燃烧方式的直流燃烧器。第二次世界大战后，石油价廉，许多国家开始广泛采用燃油锅炉。燃油锅炉的自动化程度容易提高。70 年代石油提价后，
