燃油锅炉燃烧过程的PLC控制

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1、目录I摘 要 II1 PLC的概述11.1可编程控制器的基本结构11.2可编程控制器的工作原理22锅炉控制系统概况72.1燃油锅炉结构示意图72.2燃油锅炉工作原理72.3控制要求83总体方案的确定93.1 PLC控制系统与继电器控制系统的比较93.2 PLC控制系统与微型计算机控制系统的比较93.3控制系统总体框架设计104 PLC的选型及硬件电路的设计 124.1 I/O地址分配124.2设计PLC的外部接线124.3主控制电路的设计134.4外部电路设计、器件选择135软件的设计155.1程序设计流程图155.2梯形图及基本逻辑指令编程156燃油锅炉控制系统的抗干扰措施206.1硬件抗干

2、扰措施206.2软件抗干扰措施227总结与展望23致谢24参考文献25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25万多台。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要的合格蒸汽，其控制质量的优劣不仅关系到锅炉 自身运行的效果，而且还将直接影响道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。燃油锅炉和建筑物自备发电机随着城市发展而越来越多

3、地应用。以前使用燃煤锅炉 由于其在燃烧时产生大量的。02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宾馆、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、报警、调节等进行控制。目前，自动控制技术尤其是锅炉控制技术在国内外得到广泛的应用和要求。时滞效 应始终困扰着其实际应用，为此人们发明了多种控制方法来解决时滞问题，例如比例控 制方式、PID控制方式、模糊控制方式等。本文将针对一种燃油锅炉控制方式进行学习， 并设计一个用三菱系列的可编程序控制器(Pro

4、gram Logic Control, PLC)对燃油锅炉控 制的项目。其控制过程主要是将采样的数据通过可编程序控制器预先编好的程序进行控 制，通过观测燃烧锅炉加热过程中的燃烧、水温、压力与水位等输出，实现对燃油锅炉 加热过程的自动控制。本文介绍了一种利用PLC(FX)的燃油锅炉控制，并且叙述了燃油锅炉的基本原 理、PLC的基本原理、PLC的工程设计步骤。并由PLC来控制燃油锅炉的起动、停止、 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；并且对硬件部 分和软件部分的设计做了详细的说明。本设计可以对燃烧机燃烧 火焰状况进行及时调节，既可以单调油门、还可以油门 联动，进行风、油

5、比例调整。具有手动自动控制功能，并能与计算机进行实时通信。适 用于各种工业锅炉。适用燃料为：柴油、重油、渣油及各种气体燃料，并可单燃油、单 燃气、油气混燃。关键词：可编程序控制器燃油锅炉控制系统1 PLC的概述1.1可编程控制器的基本结构PLC由中央处理单元、存储器、输入输出单元、电源、编程器五部分组成。其结构框图如图1所示。图1 可编程控制器的基本结构图1）中央处理单元（简称CPU）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、控制及状态总线 构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。CPU是PLC的核心，起神经 中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系

6、统程序赋予的功能接收并存贮 用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的 寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。2）存储器（RAM、ROM）存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。存放系统软件的存储器称为 系统程序存储器;存放应用软件的存储器称为用户程序存储器;存放工作数据的存储器称 为数据存储器。常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROMo RAM是一种可进行读写 操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便 地修改。RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用

7、锂电池 做备用电源。掉电时，可有效地保持存储的信息。EPROM、EEPROM都是只读存储器。 用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。3）输入输出单元（NO单元）I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O单元有良 好的电隔离和滤波作用。接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高 电压型和低电压型，电压型和电流型。4）电源PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内 部工作电压。PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为

8、 输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直 流电源（常用的为24VAC）。5）编程器编程器是PLC的最重要外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还 可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。除此以外，在个人计算机 上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。利用微机作为编程 器，可以直接编制并显示梯形图。1.2可编程控制器的工作原理最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这 两者的运行方式是不相同的：继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或 断电，该

9、继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪 个位置上都会立即同时动作。 PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或 逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即 动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各 类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于 100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。 这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就 没有什么区别了。1）扫描技术当

10、PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行 和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的 CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图2。第11个扫描周期毓出刷新第(11-1)个输出刷新H用户程序执行扫描周期输入采样图2 PLC的扫描周期图 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。 在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数 据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该

11、脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周 期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。 在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先 左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的 结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在 用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他 输出点和软设备在I/O映象区或

12、系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化， 而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯 形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一 个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象 区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时， 才是PLC的真正输出。比较下二个程序的异同：程序1:%11%M11%M1_| If-L1 1%M3_| II-、1%M3I-k11程序2：这两段程序执行的结果完全一样，但在PLC中

13、执行的过程却不一样。程序1只用 一次扫描周期，就可完成对M4的刷新；程序2要用四次扫描周期，才能完成对M4 的刷新。这两个例子说明：同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另 外，也可以看到：采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的 结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者 之间就没有什么区别了。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图3所示，即一个扫描周期 等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。图3 PLC扫描过程组成图2) PLC的I/O响应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其

14、可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光 电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机 的运行方式(扫描技术)。以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满 的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变 所需的时间。其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间分别如图4、图5所示：最短I/O响应时间：第血-1)个 扫描周期V第个扫描周期第(nH)个V扫描周期输出刷甄输入采样k闻户程序执行输出刷新输入采样最短I/O响应时

15、图4最短响应时间图最 长I/O响应时间:第n个扫描周期第口+1个扫描周期输入采样用户程序执行输出刷新输入采样用户程序执行输出刷新最长I/O响应时图5最长响应时间图2锅炉控制系统概况2.1燃油锅炉结构示意图燃油锅炉控制系统是由PLC来控制燃油锅炉的起动、停止、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。它是由燃油预热器、喷油泵、喷油 口、鼓风机、点火变压器、瓦斯阀、压力蒸汽开关、进水阀、排水阀、上下水位开关等 组成，如图6所示。图6燃油锅炉结构示意图燃油经燃油预热器预热，由喷油泵经喷油口打入锅炉进行燃烧。燃烧时，鼓风机送 风，喷油口喷油，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， 使燃烧持续。锅炉的进水和排水分别由进水阀和排水阀执行，上、下水位分别由上限、 下限水位开关检测，蒸汽压力由蒸汽压力开关检测，蒸汽压力由蒸汽压力开关检测。2.2燃油锅炉工作原理燃油锅炉的工作原理就是锅炉的燃料以柴油或重油为主通过电动控制将和锅炉炉 体燃烧室连