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1、中北大学2013届毕业设计说明书基于PLC的锅炉监控系统的设计摘 要本文介绍了以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。本文分别就燃煤锅炉的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造燃煤锅炉的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。关键词：燃煤锅炉的控制系统，温度控制，串级控制，PLC，PIDPLC-based boiler con
2、trol systemDesignABSTRACT This paper introduces the boiler is controlled object to the boiler outlet water main parameter to be controlled to within the furnace temperature was deputy accused of parameters to the furnace resistance wire voltage of the control parameters, PLC as controller, constitut
3、e the boiler temperature cascade level control system; using PID algorithm, using PLC ladder programming language programming, automatic control of the boiler temperature. This paper on the coal-fired boiler control system works, temperature transmitters selection, PLC configuration, the configurati
4、on software program design and other aspects to elaborate. Through the transformation of coal-fired boiler control system has fast response, good stability, high reliability, control accuracy and good features, the industrial control has practical significance.Key words:Coal-fired boilers control sy
5、stem，temperature control，cascade control PLC ，PID目录1 绪论11.1 课题背景及研究目的和意义11.2 国内外研究现状11.3 项目研究内容22 锅炉控制系统总体设计42.1 燃煤锅炉的组成42.2 燃煤锅炉的工作过程42.3 系统功能分析52.4 控制方案的设计62.5 控制系统结构72.6 电路的保护83 PLC控制系统的硬件设计103.1 可编程控制器基础103.1.1 PLC概述103.1.2 PLC的历史103.1.3 现今的PLC123.1.4 PLC的设计标准133.2 可编程控制器的产生和应用153.2.1 可编程控制器的组成和
6、工作原理153.2.2 可编程控制器的分类及特点173.3 组态软件的基础183.3.1 组态的定义183.3.2 组态王软件的特点183.3.3 组态王软件仿真的基本方法193.4 PLC控制系统设计的基本原则和步骤193.4.1 PLC控制系统设计的基本原则193.4.2 PLC控制系统设计的一般步骤193.4.3 PLC程序设计的一般步骤203.4.2 PLC控制系统设计的一般步骤193.4.3 PLC程序设计的一般步骤203.5 PLC的选型和硬件配置223.5.1 PLC型号的选择223.5.2 温度传感器223.6 系统整体设计方案与电气接线图223.7 PLC控制器的设计233.
7、8 控制系统数学模型的建立234 PLC控制系统的软件设计254.1 PLC程序设计常用方法254.2 编程软件FPWIN-GR概述25 4.3 梯形图254.4 文本显示图30参考文献32致谢331 绪论1.1 课题背景及研究目的和意义燃煤锅炉的应用领域相当广泛，燃煤锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前燃煤锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。PLC的快速发展发生在上世纪80年代至90年代中期。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发展。PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上
8、取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 燃煤锅炉是机电一体化的产品，具有运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。加上目前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。燃煤锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的温度，保证恒温供水。PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周
9、期ts、比例系数 Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。因而,PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。1.2 国内外研究现状自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、
10、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点：（1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。（2）能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。（3）能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。（4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。（5）温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。（6）温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁
11、棒性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期的水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟。 随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然
12、发展的趋势。1.3 项目研究内容以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。可编程逻辑控制器（PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛的应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。PLC技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和
13、参数的整定、人机界面的设计等。论文通过对松下公司的FP系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字信号送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为0-10mA的电流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率。对于监控画面，利用亚控公司的组态软件组态王。串级系统是由调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作
14、用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。2 锅炉控制系统总体设计2.1 燃煤锅炉的组成锅炉按燃烧种类分，大致有燃油锅炉、燃煤锅炉和燃气锅炉。所有这些锅炉，虽然燃料及其供给方式 不同，但其结构大同小异。本系统所用的锅炉是以煤为燃料，它有以下几部分构成：1、炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。煤由煤斗落在转动链条炉蓖上，进入炉内燃烧。燃烧所需要的
15、空气由炉排下面的风箱送入，燃尽的残渣被炉蓖带到除灰口，落入灰斗中。得到加热的高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水后，经过烟囱排至大气。2省煤器：燃煤锅炉炉膛排除的烟气具有较高的温度，利用其热量可以加热进入汽包的冷水，一般省煤器由蛇形管组成。3空气预热器：继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气的换热器。热空气可以强化炉内燃烧过程，提高锅炉燃烧的经济性，提高锅炉热效率。4引风设备：包括引风机、烟囱、烟道几部分，将锅炉中的烟气连续排出，保持炉膛的负压燃烧正常。5鼓风设备：由鼓风机、送风机、风道、风箱组成，供应燃料燃烧所需要的空气。6给水设备：由给水泵和给水管组成。给水泵用来克服给水管路和省煤器的流动阻力和锅炉的压力，把水送入汽包中。7水处理设备：用来清除水中杂质和降低给水硬度，防止锅炉受热面上结水垢或腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和安全性。8燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料的供应。9除灰除尘设备：分别为收集锅炉灰渣并运往存狄场地及除去烟气中灰粒的设备，以减少对周围环境的污染。
