基于PLC鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),基于,plc,鍋爐,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告 題目 基于PLC鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 信息科學(xué)與工程學(xué)院（系）電氣工程及其自動(dòng)化 專業(yè) 班 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 開題日期： 年 月 日 開 題 報(bào) 告 一、論文題目。 基于PLC鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二、課題研究的來源和實(shí)際意義。 隨著工業(yè)的快速發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)也隨之占據(jù)著及其重要的地位。無論是職工過萬的大型企業(yè)還是百人的小型企業(yè)自動(dòng)化無處不在。而對(duì)于企業(yè)內(nèi)的鍋爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制是其中一項(xiàng)重要的課題。因?yàn)檫@一控制不僅直接涉及到鍋爐運(yùn)行的效能，而且更關(guān)系到鍋爐運(yùn)行的安全性和可靠行。 鍋爐按其用途分為：電站鍋爐、工業(yè)鍋爐、生活鍋爐、機(jī)車船舶鍋爐。而按燃料分為：燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、原子能鍋爐。以繼電—接觸器為主的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代船舶對(duì)其鍋爐控制的越來越高、越來越復(fù)雜的要求，這一領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)化已勢(shì)在必行，而應(yīng)用在當(dāng)前工業(yè)過程控制領(lǐng)域中引人注目的可編程控制器（PLC）又是使其計(jì)算機(jī)化的最簡(jiǎn)便和可靠途徑。本文采用PLC控制器進(jìn)行了對(duì)鍋爐的控制設(shè)計(jì)。 鍋爐微計(jì)算機(jī)控制，是近年來開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，我國現(xiàn)有中、小型鍋爐30多萬臺(tái)，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的1/3，目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費(fèi)大、環(huán)境污染等嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。提高熱效率，降低耗煤量，用微機(jī)進(jìn)行控制是一件具有深遠(yuǎn)意義的工作。 三、題目主要內(nèi)容及預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)。 本設(shè)計(jì)針對(duì)機(jī)車船舶鍋爐，鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽主要供主副機(jī)暖機(jī)，燃油加熱，日常生活用汽，故對(duì)蒸汽品質(zhì)要求不高，采用多位控制實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐蒸汽壓力的控制。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括： （1）應(yīng)用可編程序控制器作為鍋爐控制器，對(duì)鍋爐給水，點(diǎn)火程序，風(fēng)油調(diào)節(jié)和蒸汽壓力進(jìn)行自動(dòng)控制。 （2） 根據(jù)船舶輔助鍋爐的主要控制量蒸汽壓力和鍋爐汽包水位進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)建摸，用計(jì)算機(jī)建立簡(jiǎn)單的鍋爐模型。 （3）建立基于VB的鍋爐模型與PLC控制器組成的控制系統(tǒng)，并驗(yàn)證鍋爐控制器的可行性和有效性。 （注）開題報(bào)告要點(diǎn)：1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目的來源，理論或?qū)嶋H應(yīng)用意義。2、題目主要內(nèi)容及預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)。3、擬采用哪些方法及手段。4、完成題目所需要的實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)條件。5、完成題目的工作計(jì)劃等。 （開題報(bào)告不夠用時(shí)可另附同格式A4紙） 1 開 題 報(bào) 告 目標(biāo)： 作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。采用微計(jì)算機(jī)控制，能對(duì)鍋爐進(jìn)行過程的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等多項(xiàng)功能。 四、采用的方法和手段。 第一步、分析材料確定各種條件。 第二步、確定設(shè)計(jì)所用的鍋爐。 根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)的規(guī)定確定設(shè)計(jì)所用鍋爐的用途，出口介質(zhì)的狀態(tài)和所需的燃料。并做出簡(jiǎn)單模型。 第三步、確定控制器的類型。 擬定幾種控制器進(jìn)行比較，選出一種作為鍋爐的控制器。 第四步、確定控制鍋爐的幾個(gè)方面。 根據(jù)實(shí)際要求對(duì)鍋爐給水，點(diǎn)火程序，風(fēng)油調(diào)節(jié)和蒸汽壓力及報(bào)警和保護(hù)環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)控制。 第五步、對(duì)所確定控制的方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。 第六步、對(duì)鍋爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)包括I/O點(diǎn)數(shù)分配，PLC外圍接線控制電路，PLC的控制程序設(shè)計(jì)。 第七步、建立鍋爐VB模型。 第八步、實(shí)現(xiàn)模型與PLC的通訊。 2 開 題 報(bào) 告 五、完成本次論文的工作計(jì)劃 第一周：查閱、收集與研究課題有關(guān)資料； 第二周：寫畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告，進(jìn)行開題答辯； 第三周：確定課題研究的總體方案； 第四周：確定設(shè)計(jì)所用的鍋爐。 第五周：確定控制器的類型。 第六周：確定控制鍋爐的幾個(gè)方面。 第七、八周：對(duì)所確定控制的方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。 第九、十周：對(duì)鍋爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 第十一、十二周：建立鍋爐VB模型。 第十三、十四周：實(shí)現(xiàn)模型與PLC的通訊。 第十五周：畢業(yè)論文說明書的編輯； 第十六周：畢業(yè)論文說明書打印、裝訂； 第十七周：答辯； 3  查閱資料、文獻(xiàn)目錄 [1] 陳心銘 等. 船舶蒸汽鍋爐. 北京：人民交通出版社，1983 [2] 高才蘋. 船舶輔助鍋爐及自動(dòng)控制. 北京：人民交通出版社，1983 [3] 周萬珍 高鴻斌. PLC分析及設(shè)計(jì)及應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，2004 [4] 廖常初. PLC編程及應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 [5] 張亮明 夏杜鵑. 工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.1987 [6] 肖田元 張燕云 等.系統(tǒng)仿真導(dǎo)論. 北京:清華大學(xué)出版社.2001 [7] 孫優(yōu)賢 孫紅. 鍋爐設(shè)備的自動(dòng)調(diào)節(jié).北京：化學(xué)工業(yè)出版社.1982 [8] 柯銘. 基于PLC的電廠中壓鍋爐燃料安全系統(tǒng)控制設(shè)計(jì). 大眾科技. 2006年07期 [9] 袁任光. 可編程程序控制器手冊(cè). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 2002 [10] 徐文澄. 西北電力技術(shù) . 西北電力試驗(yàn)研究院. 2006 [11] 田麗平. 可編程控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 北京： 電子工業(yè)出版社，2000 [12] 張良儀. 工業(yè)鍋爐微機(jī)控制 上海 上海交通大學(xué)出版社. 1993 [13] 張進(jìn)秋. 可編程控制器原理及應(yīng)用實(shí)例 機(jī)械工業(yè)出版社 3 指導(dǎo)教師意見： (對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見和對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的預(yù)測(cè)) 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 教研室意見： 教研室主任簽字： 年 月 日 4 開 題 須 知 一、學(xué)生要認(rèn)真填寫開題報(bào)告。在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯時(shí)學(xué)生須向答辯委員會(huì)（或答辯小組）提交開題報(bào)告，作為答辯評(píng)分的參考材料，沒有開題報(bào)告不能參加答辯。如果丟失要及時(shí)辦理補(bǔ)交手續(xù)。學(xué)生畢業(yè)后，開題報(bào)告與學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）一并存檔備案。 二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目一經(jīng)確定，指導(dǎo)教師要給學(xué)生下達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書，學(xué)生根據(jù)任務(wù)書的要求進(jìn)行開題，一般安排在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）正式開始的第二周至第三周進(jìn)行。 三、開題報(bào)告的審查由各專業(yè)教研室主持，每個(gè)學(xué)生的報(bào)告時(shí)間為10—15分鐘。開題通過后學(xué)生才能正式獲得畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的資格。 四、學(xué)生要充分理解畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目的內(nèi)容和要求，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下制定切實(shí)可行的工作計(jì)劃，并且要具備進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所要求的實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)（調(diào)研）條件。 五、學(xué)生要按照指導(dǎo)教師所下達(dá)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書的要求，認(rèn)真進(jìn)行文獻(xiàn)資料的檢索、搜集和查閱，并做好記錄。 六、開題審查不合格的學(xué)生，必須在一周內(nèi)重新進(jìn)行開題。 摘 要 隨著船舶輪機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，船舶的自動(dòng)化程度越來越高，對(duì)船舶輔助鍋爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制是其中一項(xiàng)重要課題，因?yàn)檫@一控制不僅直接涉及到鍋爐運(yùn)行的效能，而且更關(guān)系到鍋爐運(yùn)行的安全性和可靠行。 以繼電—接觸器為主的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代船舶對(duì)其鍋爐控制的越來越高、越來越復(fù)雜的要求，這一領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)化已勢(shì)在必行，而應(yīng)用在當(dāng)前工業(yè)過程控制領(lǐng)域中引人注目的可編程控制器（PLC）又是使其計(jì)算機(jī)化的最簡(jiǎn)便和可靠途徑。本文采用PLC控制器進(jìn)行了船舶輔助鍋爐的控制設(shè)計(jì)。文章首先介紹了船舶輔助鍋爐自動(dòng)控制的總體概述和可編程控制器（德國西門子可編程控制器S7-200）的基本工作原理，詳細(xì)介紹了船舶燃油輔助鍋爐的典型系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，著重對(duì)采用S7-200控制的燃油輔助鍋爐進(jìn)行了PLC編程，其中對(duì)蒸汽壓力采用多位控制。為了實(shí)現(xiàn)控制功能的驗(yàn)證，對(duì)輔助鍋爐進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，并采用VB軟件制作了鍋爐模型，通過編程使之與PLC進(jìn)行通訊，用PLC控制器執(zhí)行對(duì)鍋爐模型的控制。此外，這種PLC與模型結(jié)合的控制方式在PLC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，也不失為一種很具參考價(jià)值的教學(xué)手段。 關(guān)鍵字： 船舶輔助鍋爐 自動(dòng)控制 可編程控制器 鍋爐模型 ABSTRACT Along with the technical development of maritime engine automatization, the automation degree of the ships is more and more high. The control of marine boiler system on board is a important question for discussion of technology and automatization technology. The reason is that the control count for much with efficiency and reliability of boiler. The old control system mainly using relay and contact now can’t meet the high and complicated requirements of modern ship to control its boiler. It is imperative under the situation to use computer for ship control on board modern ship. The applying of programmable controller( PLC) in the current industry process control realm is the most simple and dependable path that makes its Computerized. This text namely adopt the PLC to implement the control design of the marine boiler. First,the paper introduce the automation summarizer of marine boiler and the basic principle of PLC(SIEMENS PLC S7-200 of Germany). Following, the paper introduce a typical boiler system of shipping. On this base, the paper pay more attention to making control programme of S7-200 for oil auxiliary boiler. In order to validate the function of control programme , a simple mathe mold is set up and a boiler model is manufactured by using VB software , and the model can communicate with PLC through programming ,then PLC controller can control the boiler model. Besides, In PLC experiment teaching, the way that this kind of model combines with the PLC is also a kind of teaching means that has the reference value. Keywords： marine auxiliary boiler autocontrol PLC boiler model 目 錄 1 概述………………………………………………………………………………….… ..1 1.1 船舶輔助鍋爐自動(dòng)控制概述…………………………..…………………….…. 1 1.2 船舶鍋爐的PLC控制方式概述……………………………….………………...1 1.3 編程控制器工作原理……………………………………………………………..2 1.4 本選題設(shè)計(jì)主要完成的內(nèi)容…………………………………………………. …3 2 鍋爐系統(tǒng)描述…………………………………………………………………….……….4 2.1 鍋爐的基本組成……………………………………………………….……………4 2.1.1 鍋爐本體…………………………………….... ……………………………4 2.1.2 輔助系統(tǒng)介紹……………………………………………………………….5 2.2 鍋爐系統(tǒng)的控制要求與設(shè)計(jì)…………………………………………………..… ..5 2.2.1 鍋爐水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)………………………………………………………..5 2.2.2 蒸汽壓力的自動(dòng)控制………………………………………………………..7 2.2.3 燃燒程序的自動(dòng)控制………………………………………………………..7 2.2.4 警報(bào)及保護(hù)環(huán)節(jié)……………………………………………………………..9 3 燃油輔鍋爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………………10 3.1 概要……………………………………................ ………………………..…...........10 3.2 I/O點(diǎn)數(shù)分配……………………………………...... …………………………........12 3.3 PLC外圍接線控制電路…………………………………………………………..….14 3.4 PLC的控制程序設(shè)計(jì)………………………………………………………………...18 4 燃油輔鍋爐VB模型設(shè)計(jì)……………………………………………………………….…..25 4.1 燃油輔鍋爐數(shù)學(xué)建模分析…………………………………………………………....25 4.1.1 汽包水位模型建立…………………………………………………….…....25 4.1.2 蒸汽壓力調(diào)節(jié)對(duì)象模型建立………………………………………….…....26 4.1.3 模型仿真的處理方法………………………………………………….…....27 4.2　基于VB的鍋爐模型建立……………………………………………………………...29 4.3 S7-200 PLC通訊概述………………………………………………………………....30 4.4 模型與PLC通訊的實(shí)現(xiàn)……………………………………………………………….31 5 結(jié)論……………………………………............... ……………………………………...........32 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………….…………….…….…..33 4 摘 要 隨著船舶輪機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，船舶的自動(dòng)化程度越來越高，對(duì)船舶輔助鍋爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制是其中一項(xiàng)重要課題，因?yàn)檫@一控制不僅直接涉及到鍋爐運(yùn)行的效能，而且更關(guān)系到鍋爐運(yùn)行的安全性和可靠行。 以繼電—接觸器為主的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代船舶對(duì)其鍋爐控制的越來越高、越來越復(fù)雜的要求，這一領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)化已勢(shì)在必行，而應(yīng)用在當(dāng)前工業(yè)過程控制領(lǐng)域中引人注目的可編程控制器（PLC）又是使其計(jì)算機(jī)化的最簡(jiǎn)便和可靠途徑。本文采用PLC控制器進(jìn)行了船舶輔助鍋爐的控制設(shè)計(jì)。文章首先介紹了船舶輔助鍋爐自動(dòng)控制的總體概述和可編程控制器（德國西門子可編程控制器S7-200）的基本工作原理，詳細(xì)介紹了船舶燃油輔助鍋爐的典型系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，著重對(duì)采用S7-200控制的燃油輔助鍋爐進(jìn)行了PLC編程，其中對(duì)蒸汽壓力采用多位控制。為了實(shí)現(xiàn)控制功能的驗(yàn)證，對(duì)輔助鍋爐進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，并采用VB軟件制作了鍋爐模型，通過編程使之與PLC進(jìn)行通訊，用PLC控制器執(zhí)行對(duì)鍋爐模型的控制。此外，這種PLC與模型結(jié)合的控制方式在PLC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，也不失為一種很具參考價(jià)值的教學(xué)手段。 關(guān)鍵字： 船舶輔助鍋爐 自動(dòng)控制 可編程控制器 鍋爐模型 ABSTRACT Along with the technical development of maritime engine automatization, the automation degree of the ships is more and more high. The control of marine boiler system on board is a important question for discussion of technology and automatization technology. The reason is that the control count for much with efficiency and reliability of boiler. The old control system mainly using relay and contact now can’t meet the high and complicated requirements of modern ship to control its boiler. It is imperative under the situation to use computer for ship control on board modern ship. The applying of programmable controller( PLC) in the current industry process control realm is the most simple and dependable path that makes its Computerized. This text namely adopt the PLC to implement the control design of the marine boiler. First,the paper introduce the automation summarizer of marine boiler and the basic principle of PLC(SIEMENS PLC S7-200 of Germany). Following, the paper introduce a typical boiler system of shipping. On this base, the paper pay more attention to making control programme of S7-200 for oil auxiliary boiler. In order to validate the function of control programme , a simple mathe mold is set up and a boiler model is manufactured by using VB software , and the model can communicate with PLC through programming ,then PLC controller can control the boiler model. Besides, In PLC experiment teaching, the way that this kind of model combines with the PLC is also a kind of teaching means that has the reference value. Keywords： marine auxiliary boiler autocontrol PLC boiler model 目 錄 1 概述………………………………………………………………………………….… ..1 1.1 船舶輔助鍋爐自動(dòng)控制概述…………………………..…………………….…. 1 1.2 船舶鍋爐的PLC控制方式概述……………………………….………………...1 1.3 編程控制器工作原理……………………………………………………………..2 1.4 本選題設(shè)計(jì)主要完成的內(nèi)容…………………………………………………. …3 2 鍋爐系統(tǒng)描述…………………………………………………………………….……….4 2.1 鍋爐的基本組成……………………………………………………….……………4 2.1.1 鍋爐本體…………………………………….... ……………………………4 2.1.2 輔助系統(tǒng)介紹……………………………………………………………….5 2.2 鍋爐系統(tǒng)的控制要求與設(shè)計(jì)…………………………………………………..… ..5 2.2.1 鍋爐水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)………………………………………………………..5 2.2.2 蒸汽壓力的自動(dòng)控制………………………………………………………..7 2.2.3 燃燒程序的自動(dòng)控制………………………………………………………..7 2.2.4 警報(bào)及保護(hù)環(huán)節(jié)……………………………………………………………..9 3 燃油輔鍋爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………………10 3.1 概要……………………………………................ ………………………..…...........10 3.2 I/O點(diǎn)數(shù)分配……………………………………...... …………………………........12 3.3 PLC外圍接線控制電路…………………………………………………………..….14 3.4 PLC的控制程序設(shè)計(jì)………………………………………………………………...18 4 燃油輔鍋爐VB模型設(shè)計(jì)……………………………………………………………….…..25 4.1 燃油輔鍋爐數(shù)學(xué)建模分析…………………………………………………………....25 4.1.1 汽包水位模型建立…………………………………………………….…....25 4.1.2 蒸汽壓力調(diào)節(jié)對(duì)象模型建立………………………………………….…....26 4.1.3 模型仿真的處理方法………………………………………………….…....27 4.2　基于VB的鍋爐模型建立……………………………………………………………...29 4.3 S7-200 PLC通訊概述………………………………………………………………....30 4.4 模型與PLC通訊的實(shí)現(xiàn)……………………………………………………………….31 5 結(jié)論……………………………………............... ……………………………………...........32 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………….…………….…….…..33  34 1 概 述 1.1 船舶輔助鍋爐自動(dòng)控制概述 在現(xiàn)代船舶中，機(jī)艙自動(dòng)化程度越來越高，特別是對(duì)無人值班機(jī)艙，輔助鍋爐的全自動(dòng)化控制更是不可缺少的，它是機(jī)艙自動(dòng)控制的一個(gè)組成部分。本設(shè)計(jì)針對(duì)船舶輔助鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽主要供主副機(jī)暖機(jī)，燃油加熱，日常生活用汽，故對(duì)蒸汽品質(zhì)要求不高，采用多位控制實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐蒸汽壓力的控制。 船舶輔助鍋爐的自動(dòng)控制通常包括自動(dòng)調(diào)節(jié)，程序控制，安全保護(hù)，自動(dòng)連鎖和參數(shù)檢測(cè)等內(nèi)容。鍋爐工作過程中的自動(dòng)調(diào)節(jié)是使蒸汽壓力、水位等被控參數(shù)在額定工況下均能維持所要求的規(guī)定值，包括燃燒過程和給水過程的自動(dòng)調(diào)節(jié)。程序控制是指在操作指令的作用下按照規(guī)定的操作程序自動(dòng)完成鍋爐的起動(dòng)和停爐過程。安全保護(hù)主要是在鍋爐的某個(gè)工作過程處于異常狀態(tài)，危及鍋爐安全運(yùn)行時(shí)進(jìn)行必要的操作使鍋爐停止運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警。自動(dòng)連鎖是當(dāng)鍋爐的某個(gè)設(shè)備發(fā)生誤操作或故障時(shí)，能自動(dòng)阻止有關(guān)設(shè)備的運(yùn)行，避免事故的擴(kuò)大。如當(dāng)鍋爐的鼓風(fēng)機(jī)發(fā)生故障停止工作時(shí)，燃燒器能自動(dòng)停止噴油。為了使鍋爐運(yùn)行安全可靠，鍋爐控制系統(tǒng)中設(shè)置監(jiān)控環(huán)節(jié)，對(duì)鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽溫度、水位、燃油壓力、燃油溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。 1.2 船舶鍋爐的PLC控制方式概述 我國從60年代開始從事鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制工作，早期船舶鍋爐的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常采用氣動(dòng)、電動(dòng)或液動(dòng)式。到90年代開始出現(xiàn)以可編程控制器為核心的輔助鍋爐自動(dòng)控制裝置，雖然可編程控制器問世時(shí)間不長(zhǎng)，但已步入成熟階段。 可編程控制器（Programmable Controller,簡(jiǎn)稱PLC）是一種應(yīng)用微電子技術(shù)的通用型工業(yè)控制設(shè)備。它具備在內(nèi)部存儲(chǔ)指令的可編程序存儲(chǔ)器，允許用戶通過自己編制簡(jiǎn)單程序的手段來設(shè)置控制功能，從而滿足對(duì)被控生產(chǎn)過程的不同要求。按照美國電氣制造商協(xié)會(huì)(NEMA)的定義，可編程控制器是一種數(shù)字式電子儀器，其可編程存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)某些邏輯，定時(shí)，記數(shù)和四則運(yùn)算等特殊功能的指令，用以控制機(jī)械和生產(chǎn)過程。 發(fā)展至今，可編程控制器以其安裝簡(jiǎn)單，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，和價(jià)格低廉等特點(diǎn)迅速成為國外生產(chǎn)過程擴(kuò)展領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛發(fā)展趨勢(shì)最強(qiáng)的產(chǎn)品，它不但已占領(lǐng)了繼電器系統(tǒng)和常規(guī)電子系統(tǒng)的廣大市場(chǎng)，還與現(xiàn)代專用微計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。在我國很多工作部門中，可編程控制器都得到了廣泛的應(yīng)用，在船舶上的使用也已經(jīng)相當(dāng)普遍，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益并正在迅速推廣。 在工業(yè)控制歷史上曾長(zhǎng)期占統(tǒng)治地位的繼電-接觸器系統(tǒng)以及常規(guī)電子邏輯系統(tǒng)都是通過硬件布線方式來實(shí)現(xiàn)不同的控制功能的，除了元件多，可靠性低外，也使用戶很難改變控制過程且系統(tǒng)使用范圍限制，生產(chǎn)批量小而成本高。常見的微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如單片機(jī)系統(tǒng)，通過程序來實(shí)現(xiàn)控制功能，但這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建立要用繁瑣的機(jī)器指令編程，制作各種專用接口，故使一般技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)起來比較困難。而可編程控制器它靠存儲(chǔ)程序控制，適應(yīng)力強(qiáng)，加上其模塊化結(jié)構(gòu)，也具有很強(qiáng)的靈活性。其編程語言簡(jiǎn)單易學(xué)，除了具有邏輯判斷，定時(shí)和計(jì)數(shù)等基本功能外，還具有算術(shù)運(yùn)算及PID閉環(huán)調(diào)節(jié)等模擬量控制功能，控制規(guī)?？梢詮膸资畟€(gè)輸入/輸出點(diǎn)至上萬點(diǎn)，即可控制單個(gè)設(shè)備又可對(duì)多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行群控，它還可以互相與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)形成分散控制系統(tǒng)，集中管理的集散局部網(wǎng)絡(luò)。另外，它能適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的高溫、振動(dòng)、電源不穩(wěn)等惡劣使用環(huán)境。 當(dāng)前PLC的研制和應(yīng)用已進(jìn)入成熟階段。一方面PLC繼續(xù)向采用單片機(jī)的價(jià)格低廉的超小型機(jī)方向發(fā)展，另一方面則采用多微機(jī)和并行處理技術(shù)，大大提高了實(shí)時(shí)控制速度和處理能力，大型、多功能的集散式網(wǎng)絡(luò)和PLC高級(jí)語言的發(fā)展極為迅速，各生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的PLC通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)調(diào)度管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，使過程控制及生產(chǎn)調(diào)度都可實(shí)現(xiàn)高程度的最大化和自動(dòng)化。 1.3 可編程控制器工作原理 下面對(duì)可編程序控制器的工作原理做簡(jiǎn)要介紹。可編程序控制器工作的基本原理是建立在計(jì)算機(jī)工作原理基礎(chǔ)上的。通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，其工作過程主要分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新，一直循環(huán)掃描工作。第一步，輸入采樣，在這個(gè)過程中，可編程序控制器按掃描方式讀入可編程序控制器所有端子上的輸入信號(hào)，并將這些輸入信號(hào)存于輸入映像區(qū)。，在本工作周期的執(zhí)行和輸出過程中，輸入映像區(qū)內(nèi)的內(nèi)容不會(huì)隨實(shí)際信號(hào)的變化而變化。第二步，執(zhí)行掃描，在執(zhí)行用戶程序的掃描過程中，可編程序控制器對(duì)用戶以梯形圖方式編寫的程序按從上到下，從左到右的順序逐一掃描各指令，然后從輸入映像區(qū)取出相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)或從輸出映像區(qū)讀取有關(guān)數(shù)據(jù)，然后做由程序確定的邏輯運(yùn)算或其他數(shù)字運(yùn)算，然后隨運(yùn)算結(jié)果存人確定的輸出映像區(qū)有關(guān)單元，但這個(gè)結(jié)果在整個(gè)程序未執(zhí)行完畢前不會(huì)送到輸出端口上。第三步，輸出掃描，在執(zhí)行完所有用戶程序后，可編程序控制器將輸出映像區(qū)中的內(nèi)容同時(shí)送到輸出鎖存器中，然后由鎖存器經(jīng)功率放大后去驅(qū)動(dòng)繼電器的線圈，最后使輸出端子上的信號(hào)變?yōu)楸敬喂ぷ髦芷谶\(yùn)行結(jié)果的實(shí)際輸出。 1.4 本選題設(shè)計(jì)主要完成的內(nèi)容 （1） 應(yīng)用可編程序控制器作為鍋爐控制器，對(duì)鍋爐給水，點(diǎn)火程序，風(fēng)油調(diào)節(jié)和蒸汽壓力 進(jìn)行自動(dòng)控制。 （2） 根據(jù)船舶輔助鍋爐的主要控制量蒸汽壓力和鍋爐汽包水位進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)建摸，用計(jì)算機(jī)建立簡(jiǎn)單的船舶鍋爐模型。 （3） 建立基于VB的鍋爐模型與PLC控制器組成的控制系統(tǒng)，并驗(yàn)證鍋爐控制器的可行性和有效性。 2 鍋爐系統(tǒng)描述 2.1 鍋爐的基本組成 為了達(dá)到對(duì)鍋爐自動(dòng)運(yùn)行的PLC控制，有必要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，下面以船上常用的立式橫煙管鍋爐為例，介紹鍋爐的基本組成及工作原理。 圖2.1 立式橫煙管鍋爐示意圖 2.1.1 鍋爐本體 鍋爐本體是由鍋殼、封頭、爐膽、燃燒室、出煙口、煙管、燃燒器等組成。爐膽是燃油進(jìn)行霧化燃燒的場(chǎng)所，它的作用是提供足夠的空間使燃油得以充分的燃燒。同時(shí)，使燃燒發(fā)生的熱量不散失到鍋爐外面去。爐膽與燃燒室相通，燃燒室與煙箱之間設(shè)有兩塊鋼板，鋼板之間有數(shù)十根水平煙管。煙管與爐膽將整個(gè)鍋爐分成互相隔絕的空間，里面是煙氣，而外面則充滿著爐水。燃燒器的油頭向爐膛噴油，同時(shí)由鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)門將空氣送入爐內(nèi)助燃。油點(diǎn)著后在爐膽中燃燒，高溫火焰與煙氣中的熱量主要通過輻射方式經(jīng)爐膽壁傳給爐水。未燃燒完的油和煙氣經(jīng)出煙口向上流至燃燒室繼續(xù)燃燒，然后順煙管流至煙箱，最后從煙囪排入大氣。由此可見，煙管鍋爐中的爐膽、燃燒室和煙管都是蒸發(fā)受熱面，由爐水包圍，而煙氣則在其中流過，這就是煙管鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 2.1.2 輔助系統(tǒng)介紹 （1）、燃燒裝置。輔助燃油鍋爐的燃燒裝置包括油頭、調(diào)風(fēng)機(jī)構(gòu)和燃油系統(tǒng)。油頭是將燃油霧化，調(diào)風(fēng)機(jī)構(gòu)是將助燃空氣導(dǎo)入爐膛中。燃油系統(tǒng)是將燃油從油艙中抽到日用油柜，再從日用油柜中抽出進(jìn)行加熱、加壓、過濾最后送到油頭進(jìn)行霧化。 （2）、給水系統(tǒng)。給水系統(tǒng)包括補(bǔ)充鍋爐水所必需的給水管路，給水加熱器，給水泵，給水調(diào)節(jié)閥等組成。為防止鍋爐失水，應(yīng)有兩套給水設(shè)備，其中一套備用。并且給水泵應(yīng)兩臺(tái)一組。 （3）、通風(fēng)系統(tǒng)。其作用是將外界空氣送入爐膛中供燃料燃燒，將煙氣排出鍋爐，包括配風(fēng)等機(jī)構(gòu)。 （4）、汽水系統(tǒng)。汽水系統(tǒng)包括管路上的各種儀表及裝置，蒸汽管路及管路上的各種閥門，凝水疏水管路，排污管路，鍋爐附件和自動(dòng)控制設(shè)備，檢測(cè)儀表，如水位表、蒸汽壓力表、風(fēng)壓計(jì)、CO2指示儀等。 2.2 鍋爐系統(tǒng)的控制要求與設(shè)計(jì) 船用鍋爐系統(tǒng)控制要求是確保其安全可靠性，提高其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。輔助鍋爐的系統(tǒng)控制可分為四部分，即水位自動(dòng)調(diào)節(jié)，蒸汽壓力自動(dòng)控制，燃燒程序控制以及警報(bào)和保護(hù)環(huán)節(jié)。下面分別對(duì)每部分進(jìn)行具體介紹。 　　2.2.1 鍋爐水位的自動(dòng)調(diào)節(jié) 鍋爐的工作水位在安全水位以上，是燃燒系統(tǒng)自動(dòng)點(diǎn)火起動(dòng)的必要條件。鍋爐的工作水位降至最低水位時(shí)，水泵自動(dòng)起動(dòng)補(bǔ)水，升至最高水位時(shí)水泵自動(dòng)停止補(bǔ)水，水位降到極限低水位時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)系統(tǒng)停止工作。水位傳感器一般有浮子式水位調(diào)節(jié)器、電極式水位傳感器以及參考水位罐水位檢測(cè)裝置三種，本設(shè)計(jì)采用參考水位罐水位檢測(cè)裝置調(diào)節(jié)，如下圖所示。2 1 測(cè)量水位管 3JY 2JY 1JY 鍋爐 參考水位罐 參考水位管 差壓變送器 電氣控制屏 380V 24V 紅燈 3JY2 JY 2JY1 1JY1 3JY1 JY 綠燈 1CJ2 JY 手動(dòng) 220V 1CJ 2CJ M2 M 111 給水泵 油泵 1CJ1 2CJ1 自動(dòng) K 變壓器 圖2.2 鍋爐水位控制示意圖 參考水位罐上端通過截止閥與鍋爐汽空間相通，其下端有測(cè)量水位管和參考水位管通過截止閥分別接在差壓變送器的正負(fù)壓室，測(cè)量水位管通過截止閥與鍋爐水空間相通。參考水位罐內(nèi)的水位是鍋爐最高水位設(shè)定值，調(diào)整參考水位可以使之與鍋爐允許的最高水位一致。如1，2液面壓力相等，則差壓邊送器承受兩邊管的壓力和1、2的水位相一致，所以水位壓差就是鍋爐最高水位與實(shí)際水位的差值。差壓變送器將水位差壓信號(hào)換成0.02-0.1Mpa的氣壓信號(hào)輸出，送給壓力繼電器1JY、2JY、3JY。自動(dòng)補(bǔ)水時(shí)，壓力較大使1JY動(dòng)作，此時(shí)2JY的常開觸點(diǎn)2JY1已閉和，中間繼電器JY動(dòng)作，并自保。隨后壓力差減小，1JY斷開，直到2JY也斷開，停止補(bǔ)水。直到水位降到使1JY動(dòng)作，又開始補(bǔ)水。如果出現(xiàn)某種故障，水位未能上升，則水位到達(dá)極限低水位時(shí)，3JY動(dòng)作，常開觸點(diǎn)3JY2閉合，發(fā)出紅燈報(bào)警，同時(shí)3JY1斷開，2CJ失電，油泵停止工作。此外需要手動(dòng)補(bǔ)水是，只要將開關(guān)K打到手動(dòng)位置。 2.2.2 蒸汽壓力的自動(dòng)控制 鍋爐汽壓穩(wěn)定的前提是必須保持蒸發(fā)量和送汽量的平衡。燃燒過程自動(dòng)調(diào)節(jié)的主要任務(wù)是使鍋爐汽壓維持在規(guī)定值或在規(guī)定的允許范圍內(nèi)，同時(shí)為了保持燃燒的良好，必須使供風(fēng)量與供油量相適應(yīng)。 對(duì)于船舶輔助鍋爐，實(shí)船上多采用雙位控制，就是汽壓上升至設(shè)定值上限時(shí)，停止燃燒；而汽壓下降至設(shè)定值的下限時(shí)，點(diǎn)火燃燒。而采用雙位控制系統(tǒng)，鍋爐的點(diǎn)火和熄火比較頻繁。為了彌補(bǔ)雙位自動(dòng)控制系統(tǒng)只有最大和零兩種輸出的不足，本設(shè)計(jì)采用三位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。除了只負(fù)責(zé)點(diǎn)火的點(diǎn)火油頭外，另外有兩個(gè)負(fù)責(zé)燃燒的油頭。當(dāng)汽壓低于高火燃燒壓力點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)油頭同時(shí)噴油燃燒，當(dāng)壓力上升到低火壓力值時(shí)，關(guān)閉一個(gè)油頭，如果負(fù)荷比較小，壓力繼續(xù)上升到壓力上限值時(shí)，自動(dòng)切斷噴油頭，同時(shí)風(fēng)機(jī)后掃風(fēng)后停爐；如果壓力下降，則降至高火燃燒壓力點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)噴油頭又同時(shí)噴油燃燒。停爐后當(dāng)壓力下降到低限值時(shí)自動(dòng)點(diǎn)火燃燒。 2.2.3 燃燒程序的自動(dòng)控制 本設(shè)計(jì)正常運(yùn)行的程序描述如下： （1）接通總電源，風(fēng)機(jī)、燃油泵、給水泵待電工作。 （2）控制電源接通，控制回路及PLC通電。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，燃油泵和風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，燃油開始循環(huán)，同時(shí)PLC根據(jù)檢測(cè)輸入的水位，重油溫度等信號(hào)，控制給水泵，電加熱器是否工作。 （3）當(dāng)水位與重油溫度在正常范圍，同時(shí)蒸汽低壓開關(guān)閉合，自動(dòng)點(diǎn)火程序開始。首先進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)約40s。 （4）預(yù)掃風(fēng)結(jié)束，點(diǎn)火變壓器通電產(chǎn)生高壓，3s內(nèi)進(jìn)行預(yù)點(diǎn)火，43s時(shí)點(diǎn)火電磁閥通電，開始噴油點(diǎn)火。 （5）7s內(nèi)，若火焰檢測(cè)成功，則切斷點(diǎn)火變壓器；50s時(shí)，1號(hào)、2號(hào)噴油電磁閥通電，點(diǎn)火油頭與之同時(shí)工作4s，即54s時(shí)，點(diǎn)火電磁閥失電，轉(zhuǎn)入正常燃燒階段。若7s內(nèi)，火焰檢測(cè)不成功，則切斷油路和點(diǎn)火變壓器，后掃風(fēng)45s之后停爐，進(jìn)行故障排除。 （6）正常燃燒階段根據(jù)蒸汽壓力的自動(dòng)控制進(jìn)行自動(dòng)的停爐和再一次的點(diǎn)火燃燒。 （7）正常的停爐，先切換到輕油燃燒一會(huì)，之后切斷油路，后掃風(fēng)45s后停風(fēng)機(jī)、燃油泵。切斷控制電路電源和總電源。 停爐 后掃風(fēng) 4 3 風(fēng)油控制 正常燃燒 風(fēng)門開小 風(fēng)門開大 主供油閥 點(diǎn)火供油閥 點(diǎn)火變壓器 輕油泵 風(fēng)機(jī) 系統(tǒng)輸出 時(shí)序 時(shí)間單位：秒 50 40 30 20 10 圖2.3 系統(tǒng)點(diǎn)火程序控制時(shí)序圖 其中火焰?zhèn)鞲衅髟谌紵绦蚩刂浦惺且粋€(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，它是保證鍋爐可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。其用于監(jiān)測(cè)爐膛內(nèi)有無火焰，以便在鍋爐起動(dòng)點(diǎn)不著火或正常燃燒突然熄火時(shí)的報(bào)警和執(zhí)行停爐保護(hù)程序。下面選用光敏電阻做火焰?zhèn)鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)。光敏電阻的主要特性是接受光照時(shí)電阻值很小，無光照時(shí)電阻值很大?；鹧姹O(jiān)視電路原理圖如下： Rg J 圖2.3 火焰監(jiān)視原理圖 在上圖中，光敏電阻Rg被光照時(shí)有基極電流，因此集電極有電流使繼電器J動(dòng)作；無光照時(shí)，光敏電阻阻值極大，基極無電流，集電極無輸出，繼電器J因斷電而釋放。 2.2.4 警報(bào)及保護(hù)環(huán)節(jié) 在輔助鍋爐運(yùn)行過程中，為了達(dá)到安全、可靠、無人值班的目的，除了對(duì)鍋爐水位和燃燒采用自動(dòng)控制外，需要對(duì)各種危險(xiǎn)工況采取安全保護(hù)措施。本設(shè)計(jì)考慮了不同鍋爐類型主要的幾種安全保護(hù)環(huán)節(jié)，詳述如下： （1）熄火保護(hù)和報(bào)警，當(dāng)鍋爐起動(dòng)時(shí)點(diǎn)不著火或正常燃燒時(shí)突然熄火進(jìn)行保護(hù)和報(bào)警。當(dāng)鍋爐起動(dòng)、掃氣后，連續(xù)點(diǎn)火7秒，燃油若沒有點(diǎn)著或正常燃燒時(shí)突然熄火，光敏電阻感受不到火焰，控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)繼電器動(dòng)作信號(hào)，切斷油路后掃風(fēng)之后停爐，燃燒停止，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。 （2）極限低水位保護(hù)和報(bào)警。當(dāng)鍋爐水位因故低于極限低水位時(shí)，水位檢測(cè)機(jī)構(gòu)低水位電極脫水，如上文所述，控制系統(tǒng)動(dòng)作，從而切斷風(fēng)機(jī)和油泵控制回路，燃燒停止，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。 （3）重油溫度過低或過高保護(hù)和報(bào)警。燃油系統(tǒng)使用重油時(shí)，若重油溫度不能達(dá)到良好霧化的相應(yīng)溫度，或者由于加熱控制出現(xiàn)故障溫度過高從而對(duì)設(shè)備不利，需要停止燃燒，并進(jìn)行報(bào)警。 （4）蒸汽壓力超高保護(hù)和報(bào)警。當(dāng)正常燃燒蒸汽壓力控制出現(xiàn)故障，氣壓超過最高臨界線時(shí)必須停爐同時(shí)進(jìn)行報(bào)警。 （5）電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)和報(bào)警。由于電動(dòng)機(jī)或相應(yīng)的泵產(chǎn)生故障，使熱繼電器跳開，應(yīng)立即熄火停爐，以免發(fā)生事故。 （6）燃油壓力過低保護(hù)和報(bào)警。由油路壓力繼電器檢測(cè)，壓力過低不能正常噴油必須停爐，并進(jìn)行報(bào)警。 （7）爐膛風(fēng)壓過低保護(hù)和報(bào)警。由于供風(fēng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障至使?fàn)t膛風(fēng)壓過低，燃油不能正常燃燒，必須停爐同時(shí)進(jìn)行報(bào)警。 （8）出現(xiàn)任何故障報(bào)警，必須等故障排除后按報(bào)警復(fù)位按鈕才能進(jìn)行再次起動(dòng)鍋爐。 3 燃油輔鍋爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 概要 PLC的控制系統(tǒng)由硬件及PLC軟件組成。硬件設(shè)計(jì)是指硬件選型，合理選擇PLC，對(duì)提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要的作用。機(jī)型選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠、維護(hù)使用方便及最佳的性能價(jià)格比。 本文選用SEIMENS S7-200對(duì)燃油輔助鍋爐進(jìn)行控制。S7-200屬于小型SEIMENS可編程控制器，采用模塊式結(jié)構(gòu)，具有四種不同配置的CPU，本文選用CPU224模板。S7-200 PLC體積小，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。其執(zhí)行指令速度高，有豐富的指令功能，包括脈寬調(diào)制(PWM)、位控（PTO）、PID等功能。通信是S7-200PLC上的一個(gè)重要功能，它為用戶提供了很強(qiáng)的，靈活的通信功能，用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口(PPI)作9600bps的數(shù)據(jù)通信，用RS-485接口實(shí)現(xiàn)高速用戶可編程接口。S7-200CPU上已提供了一定數(shù)量的輸入和輸出接點(diǎn)，但如用戶需要多于 CPU單元I/O點(diǎn)時(shí)，可以對(duì)系統(tǒng)做必要的擴(kuò)展。其中CPU224、226最多可擴(kuò)展7個(gè)擴(kuò)展單元（開關(guān)量或模擬量）。S7-200具有三種工作模式，處于STOP模式下，PLC停止工作，可以利用編程設(shè)備向PLC裝入程序，檢查部分用戶存儲(chǔ)器內(nèi)容，改變列入的各種配置；在RUN模式下，PLC按掃描周期循環(huán)執(zhí)行用戶程序，此時(shí)不能向PLC裝入程序；在TERM模式下，PLC上的工作模式（STOP或RUN）可由編程設(shè)備通過通信方式來改變的工作模式，此多用于聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)使用。 PLC程序設(shè)計(jì)步驟一般包括以下幾步，（1）了解系統(tǒng)概況；（2）熟悉被控對(duì)象；（3）程序框圖設(shè)計(jì)；（4）編寫程序；（5）程序測(cè)試及調(diào)試。在工程中，對(duì)PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)有多種方法，包括經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、邏輯設(shè)計(jì)法、時(shí)序圖設(shè)計(jì)法、順序控制設(shè)計(jì)法等。對(duì)于本控制設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，燃燒控制可采用時(shí)序圖設(shè)計(jì)法。 根據(jù)第二章所述鍋爐控制的設(shè)計(jì)要求可以畫出控制流程圖如下： 圖3.1 鍋爐控制系統(tǒng)流程圖 3.2 I/O點(diǎn)數(shù)分配 考慮到PLC與上位機(jī)鍋爐模型相連接通信，由模型充當(dāng)實(shí)物鍋爐，輸入點(diǎn)由輸入映像存儲(chǔ)區(qū)I改用內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)區(qū)M，如果PLC要控制實(shí)物鍋爐，只需將PLC 程序中對(duì)應(yīng)M改為I，即可實(shí)現(xiàn)控制。 輸入點(diǎn)： I0.0 “起動(dòng)”按鈕 START I0.1 手動(dòng)控制方式 MANU I0.2 自動(dòng)控制方式 AUTO I0.3 “停止”按鈕 STOP I0.4 重油溫度低限 OTL(oil.temp.low) I0.5 重油溫度高限 OTH(oil.temp.high) I0.6 蒸汽壓力起動(dòng)值 PB(press.begin) I0.7 蒸汽壓力高火值 PL(press.Low) I1.0 低水位(低于閉和) WLL(water.level.low) I1.1 高水位(低于閉和) WLH(water.level.high) I1.2 蒸汽壓力低火值 PH(press.high) I1.3 蒸汽壓力停爐值 PS(press.stop) I1.4 超高壓報(bào)警檢測(cè) PHA(press.high.alam) I1.5 極限低水位報(bào)警檢測(cè) WLA(water.low.alam) I1.6 報(bào)警復(fù)位按鈕 AF I1.7 報(bào)警消音按鈕 AS I2.0 電機(jī)過載 MOL(motor.over.load) I2.1 重油低溫報(bào)警檢測(cè) OTLA(oil.temp.low.alam) I2.2 重油高溫報(bào)警檢測(cè) OTHA(oil.temp.high.alam) I2.3 手動(dòng)點(diǎn)火 IG(ignition.manual switch) I2.4 重油選擇開關(guān) HO(heavey oil switch) I2.5 輕油選擇開關(guān) LO(light oil switch) I2.6 低風(fēng)壓報(bào)警檢測(cè) WPLA(wind.press.low) I2.7 燃油加熱手動(dòng)開關(guān) HTR I3.0 低油壓報(bào)警檢測(cè) OPLA I3.1 光電檢測(cè)火焰 FR(flame-eye relay) I3.2 風(fēng)機(jī)手動(dòng)開關(guān) FM I3.3 輕油泵手動(dòng)開關(guān) LOM I3.4 重油泵手動(dòng)開關(guān) HOM I3.5 水泵手動(dòng)開關(guān) WM I3.6 高火手動(dòng)控制開關(guān) PLM I3.7 低火手動(dòng)控制開關(guān) PHM 輸出點(diǎn)： Q0.0 1號(hào)輕油泵接觸器 1LOQ Q2.4 2號(hào)輕油泵接觸器 2LOQ Q0.1 1號(hào)重油泵接觸器 1HOQ Q2.5 2號(hào)重油泵接觸器 2HOQ Q0.2 1號(hào)水泵接觸器 1WQ Q2.6 2號(hào)水泵接觸器 2WQ Q0.3 風(fēng)機(jī)接觸器 FQ Q0.4 風(fēng)機(jī)大風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu) FHQ Q0.5 風(fēng)機(jī)小風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu) FLQ Q0.6 點(diǎn)火電磁閥 IGS Q0.7 電加熱器電磁閥 HTRS Q1.0 1號(hào)主噴油電磁閥 1-QS Q1.1 2號(hào)主噴油電磁閥 2-QS Q1.2 點(diǎn)火變壓器 IT(IGNITION TRANSFORMER) Q1.3 重油低溫報(bào)警指示燈 TLAL Q1.5 蒸汽超高壓報(bào)警指示燈 PHAL Q1.6 極限低水位報(bào)警指示燈 WLAL Q1.7 低油壓報(bào)警指示燈 PLAL Q2.0 電機(jī)過載報(bào)警指示燈 OLAL Q2.1 點(diǎn)火失敗/中途熄火報(bào)警指示燈 FRAL Q2.2 低風(fēng)壓報(bào)警指示燈 WFAL Q2.3 報(bào)警蜂鳴器 AB 3.3 PLC外圍接線控制電路 具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式的鍋爐控制面版圖如下： STA START START STO 燃燒控制 1….自動(dòng) 2….手動(dòng)高火 3….手動(dòng)低火 3 2 1 重油泵手動(dòng)開關(guān) 輕油泵手動(dòng)開關(guān) Start起動(dòng) STO auto or manu 手動(dòng)點(diǎn)火 風(fēng)機(jī)手動(dòng) STOP START STOP START STO START 手動(dòng)2號(hào)噴油電磁閥 手動(dòng)1號(hào)噴油電磁閥 STOP ON push MANU AUTO SOURCE OFF ON push stop停止 重油選擇 輕油選擇 STOP START STOP START STOP STO START 水泵手動(dòng)開關(guān) STO START 燃油加熱手動(dòng)開關(guān) 圖3.2 鍋爐的控制面板 鍋爐的控制電路如下： K-電源開關(guān)；DY-控制電源開關(guān)；1CJ、2CJ、3CJ、4CJ、5CJ 、6CJ 、7CJ -交流接觸器；FB-點(diǎn)火變壓器；(1-7)RJ-熱繼電器；；HY-火焰監(jiān)視繼電器 ITQ 8000v 風(fēng)機(jī) 7JR 7CJ 2號(hào)重油泵 6JR 6CJ 1號(hào)重油泵 5JR 5CJ DY 2號(hào)輕油泵 1號(hào)輕油泵 2號(hào)水泵 1號(hào)水泵 4JR 3JR 2JR 1JR 4CJ 3CJ 2CJ 1CJ 1CJ 2CJ 3CJ 4CJ HY 5CJ 6CJ 7CJ11 ITQ K FB X Y 1LOQ 1HOQ 1WQ FQ 2WQ 2LOQ 2HOQ IT 圖 3.3 P 2M HTR FM I3.2 1M FR OPLA WPLA LO HO IG OTHA OTLA MOL WLA PHA PS PH WLH WLL PL PB OTH OTL STOP MANU AUTO START L+ IN N I0.0 I0.3 I0.2 I0.4 I0.1 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7 I3.0 I3.1 N P AF AS I3.7 I3.6 I3.4 I3.3 PHM PLM WM HOM LOM M I3.5 I1.6 I1.7 Y OLAL PLAL WLAL PHAL TLAL IT 2-QS 1-QS HTRS IGS FLQ FHQ FQ 1WQ 1HOQ 1LOQ out Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.2 Q1.1 Q1.3 Q1.6 Q1.5 Q1.7 Q2.0 1L X X 2WQ 2HOQ N L Y AB WFAL FRAL Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5 Q2.6 2LOQ 3.4 PLC的控制程序設(shè)計(jì) Q0.1 Q0.0 I0.1 I3.4 I0.1 I3.3 I0.2 I0.2 M0.2 M0.2 網(wǎng)絡(luò)3 網(wǎng)絡(luò)2 網(wǎng)絡(luò)1 M0.2 M0.2 M0.1 I0.0 //鍋爐起動(dòng) //輕油泵控制 //重油泵控制 T37 I0.2 網(wǎng)絡(luò)9 I1.0 I0.6 M0.0 I0.2 Q0.3 I0.4 +400 網(wǎng)絡(luò)8 M0.3 T38 TON +450 PT IN 網(wǎng)絡(luò)7 M0.3 I1.3 Q0.3 M0.3 I0.2 網(wǎng)絡(luò)6 M0.4 M0.4 I0.6 Q0.3 I0.2 M0.2 網(wǎng)絡(luò)5 Q1.1 Q1.0 I0.6 T38 M0.4 M0.0 Q0.3 M0.6 I0.2 I3.2 M0.2 網(wǎng)絡(luò)4 T37 TON PT IN +30 T39 TON PT IN //風(fēng)機(jī)控制 //自動(dòng)停爐后風(fēng)機(jī)控制 //自動(dòng)停爐后掃風(fēng)控制 //自動(dòng)停爐后掃風(fēng)45秒 //預(yù)掃風(fēng)40秒 //預(yù)點(diǎn)火3秒 Q1.1 網(wǎng)絡(luò)14 Q1.1 I2.5 I2.4 I1.3 I0.2 I3.7 I3.6 Q1.0 I2.5 I2.4 Q1.0 I0.7 I0.2 I1.2 I3.6 M0.0 M0.6 I3.1 I0.1 Q1.1 T40 T41 網(wǎng)絡(luò)13 T39 網(wǎng)絡(luò)12 Q0.6 I2.3 M0.0 T39 M0.6 T44 T41 I3.1 T40 網(wǎng)絡(luò)11 I2.3 Q1.2 T40 I3.1 T37 I0.2 M0.0 網(wǎng)絡(luò)10 +70 T40 TON PT IN +40 TON PT IN +40 T44 TON PT IN //點(diǎn)火變壓器控制 //點(diǎn)火電磁閥控制 //點(diǎn)火7秒延時(shí) //主噴油電磁閥控制 M0.6 I0.3 網(wǎng)絡(luò)20 I1.6 M0.0 M0.0 M1.0 網(wǎng)絡(luò)19 M1.0 Q0.3 I2.6 M0.5 I2.1 I3.1 I2.2 I2.0 Q0.1 I3.0 I1.5 I1.4 網(wǎng)絡(luò)18 M0.7 M0.6 M0.5 Q0.3 I3.1 M1.1 網(wǎng)絡(luò)17 M1.1 M1.1 T40 I1.3 I1.6 網(wǎng)絡(luò)16 M0.7 M0.7 I4.3 Q0.3 網(wǎng)絡(luò)15 M0.6 M0.2 //正常熄火判斷 //熄火報(bào)警控制 //熄火報(bào)警控制 //報(bào)警單元 //故障阻斷 //正常停爐 Q1.5 Q1.5 I1.4 Q1.3 I2.1 Q2.2 Q2.2 I2.6 Q1.3 Q2.0 Q2.0 I2.0 Q2.1 Q2.1 M0.5 I1.6 I1.6 I1.6 I1.6 M1.0 M1.0 M1.0 M1.0 M1.0 I1.6 網(wǎng)絡(luò)27 網(wǎng)絡(luò)26 網(wǎng)絡(luò)25 網(wǎng)絡(luò)24 網(wǎng)絡(luò)23 M0.1 T42 M0.6 M0.0 網(wǎng)絡(luò)22 網(wǎng)絡(luò)21 +450 T42 TON PT IN //停爐后掃風(fēng)45秒 //停爐復(fù)位 //電機(jī)過載報(bào)警 //熄火報(bào)警 //風(fēng)壓低報(bào)警 //油溫低報(bào)警 //超高壓報(bào)警 I3.5 Q0.2 Q0.2 I1.0 I1.1 I0.2 M0.2 網(wǎng)絡(luò)32 M1.2 Q2.3 I1.6 M1.2 網(wǎng)絡(luò)31 Q1.3 Q2.3 Q1.5 Q1.6 Q1.7 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 M1.2 I1.7 網(wǎng)絡(luò)30 Q1.7 M1.0 網(wǎng)絡(luò)29 Q1.6 I1.6 I1.5 Q1.6 M1.0 網(wǎng)絡(luò)28 I3.0 Q1.7 I1.6 //極限水位報(bào)警 //油壓低報(bào)警 //報(bào)警蜂鳴器 //蜂鳴器復(fù)位 //水泵控制 Q0.4 Q0.5 Q0.3 網(wǎng)絡(luò)35 Q0.3 Q0.5 Q1.1 Q1.0 Q0.6 Q1.1 Q1.0 Q1.2 網(wǎng)絡(luò)34 網(wǎng)絡(luò)33 I2.7 Q0.7 Q0.7 I0.4 I0.5 I0.2 M0.2 //電加熱器控制 //弱風(fēng)控制 //強(qiáng)風(fēng)控制 4 燃油輔鍋爐VB模型設(shè)計(jì) 4.1　燃油輔鍋爐數(shù)學(xué)建模分析 系統(tǒng)仿真的首要任務(wù)是建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。建模就是用數(shù)學(xué)的方法把系統(tǒng)的實(shí)際工作過程描述出來的過程。建模的方法有機(jī)理建模和系統(tǒng)辯識(shí)以及把兩種方法相結(jié)合的混合法。本文通過機(jī)理建模得到通用系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)微分方程，并對(duì)對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析得到具體擾動(dòng)下的模型。 4.1.1 汽包水位模型建立 鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制的任務(wù)是使鍋爐的給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量并維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。 鍋爐汽水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為下圖所示： 蒸汽總管 給水 引起汽包水位變化的主要擾動(dòng)是給水流量的變化和蒸汽流量的變化，如果只考慮主要擾動(dòng)，汽包水位的動(dòng)態(tài)特性可表示為： T1T2 + T1 =(TW+KWUw)--(TD+KDUD) (4-1) 式中，h—汽包水位高度，mm TW—給水流量的時(shí)間常數(shù)，s TD—蒸汽流量的時(shí)間常數(shù)，s KW—給水流量的放大倍數(shù) KD—蒸汽流量的放大倍數(shù) =,給水流量變化量相對(duì)于最大蒸汽流量的標(biāo)定值 =，蒸汽流量變化量相對(duì)于最大蒸汽流量的標(biāo)定值 ，--時(shí)間常數(shù) [10] 在本文中，建模仿真的主要目的是驗(yàn)證PLC控制器的有效性，故對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。假定給水時(shí)，給水流量為一定值，即不考慮給水流量在開關(guān)時(shí)的變化。 同時(shí)只要蒸汽閥打開，其蒸汽流量一定。并設(shè)汽包截面為定值。 汽包中水的變化體積 = （） (4-2) ===+ =+* (4-3) 式中： 給水流量，蒸汽流量，S汽包截面 4.1.2 蒸汽壓力調(diào)節(jié)對(duì)象模型建立 燃油調(diào)節(jié)閥 燃燒系統(tǒng) 蒸汽系統(tǒng) 蒸汽閥 圖4.1 蒸汽壓力調(diào)節(jié)對(duì)象示意圖 鍋爐燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制的基本任務(wù)是使燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，同時(shí)保證經(jīng)濟(jì)燃燒和鍋爐的安全運(yùn)行。 對(duì)于蒸汽系統(tǒng)，其吸收熱量的一部分用于把給水加熱到飽和水，另一部分用于把飽和水變成飽和蒸汽。所以，根據(jù)熱平衡定律， Q+DD= (4-4) 式中，D 鍋爐的蒸發(fā)量，Kg/S 飽和汽焓，J/Kg 飽和水焓，J/Kg 給水焓，J/Kg 鍋爐的儲(chǔ)水量，Kg 飽和水焓和汽包蒸汽壓力有關(guān)，即 =，微分后得到=（） (4-5) 將(4-5)代入(4-4)可得： Q=（）D+（） (4-6) 移項(xiàng)后得： = D + (4-7) 令=（）/（） Kg/Mpa 稱為蓄熱系數(shù)，它表示汽壓每改變一個(gè)單位（Mpa）蒸發(fā)受熱面和鍋筒所能吞吐的蒸發(fā)量，把蒸發(fā)系統(tǒng)的吸熱量用蒸汽量來表示，即吸熱量理論上所產(chǎn)生的蒸汽= (Kg/S) [7] 所以(4-7)變?yōu)椋?+，即 = =+ (4-8) 4.1.3 模型仿真的處理方法 下面介紹一種連續(xù)系統(tǒng)仿真常用的方法—龍格庫塔法。 在連續(xù)系統(tǒng)仿真中，主要的計(jì)算工作是對(duì)=的一階微分方程進(jìn)行求解。因?yàn)? 已知=，假設(shè)我們從跨出一步，=+h，時(shí)刻為=，對(duì)可以在附近展開成泰勒級(jí)數(shù)，只保留項(xiàng)，則有 =+h+ (4-9) 假設(shè)這個(gè)解可以寫成如下形式：=+（）h (4-10) = = 對(duì)式右端的函數(shù)在=，=處展開成泰勒級(jí)數(shù)，保留h項(xiàng)，可得 + 將，代入(4-10)式，則有 =++〔＋〕 將上式與(4-9)進(jìn)行比較，可得 +=1，=1/2，=1/2 若限定=，可得其中一組解：==1/2，==1 若寫成一般遞推公式，即 =+（+） 其中，=，= 這種方法被稱為二階龍格庫塔法。在計(jì)算時(shí)只用到，即在后一步的計(jì)算中，僅僅利用前一步的計(jì)算結(jié)果，就能由初值逐步計(jì)算得到后續(xù)各時(shí)間點(diǎn)上的仿真值。[9] 4.2　基于VB的鍋爐模型建立 　　利用Visual Basic6.0圖形開發(fā)系統(tǒng)，可以開發(fā)出功能完善，界面友好的模型仿真系統(tǒng)。具體界面如下： 此模型以日本生產(chǎn)的DB-1841-A CPDB-40型號(hào)船用輔助鍋爐為模擬對(duì)象，該型鍋爐主要參數(shù)如下： 蒸發(fā)量　　 4000kg/h Fuel consumption 313kg/h 工作壓力　 0.6MPa　　　 Furnace volume 5.03m3 給水溫度　 60 ℃ Steam space volume 2.68m3 蒸發(fā)受熱面 52.3㎡ Water volume 7.26m3 起爐壓力0.55Mpa，低火燃燒壓力≥0.63Mpa，停爐壓力0.66Mpa， 超高壓報(bào)警壓力點(diǎn)0.8 Mpa。高水位660mm,低水位550mm。 　　運(yùn)行程序后，按下“鍋爐模型仿真開始”按鈕，鍋爐模型與PLC建立連接。同時(shí)鍋爐面板自動(dòng)設(shè)置，此時(shí)處于自動(dòng)模式工作下。按下“起動(dòng)”按鈕，鍋爐全自動(dòng)運(yùn)行。也可以進(jìn)行手動(dòng)控制，將“AUTO OR MANU”轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇MANU檔，再按下“起動(dòng)”按鈕，將按手動(dòng)方式運(yùn)行。這時(shí)油泵、水泵、電加熱燃油、點(diǎn)火及燃燒過程均需手動(dòng)控制。 為驗(yàn)證報(bào)警功能的可靠性，設(shè)有五種報(bào)警的手動(dòng)模擬，極限低水位報(bào)警與油溫過低報(bào)警可在手動(dòng)控制下進(jìn)行觀測(cè)。報(bào)警時(shí)指示燈閃爍，可按下消音按鈕，指示燈變平光，待故障排除后需按報(bào)警復(fù)位按鈕。 　　 4.3 S7-200 PLC通訊概述 S7-200 CPU支持多種通訊協(xié)議，包括點(diǎn)到點(diǎn)的協(xié)議（PPI），多點(diǎn)協(xié)議（MPI）及PROFIBUS協(xié)議。這些協(xié)議的結(jié)構(gòu)模型都是基于開放系統(tǒng)互連參考模型(OSI)的7層通訊結(jié)構(gòu)。PPI協(xié)議和MPI協(xié)議通過令牌環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。令牌環(huán)網(wǎng)遵循歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170中的過程現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS）標(biāo)準(zhǔn)。它們都是異步、基于字符的協(xié)議，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)帶有起始位、8位數(shù)據(jù)、奇校驗(yàn)和一個(gè)停止位。每組數(shù)據(jù)都包含特殊的起始和結(jié)束標(biāo)志、源站地址和目的站地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)完整性檢查幾部分。只要互相的波特率相同，三個(gè)協(xié)議可在同一網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行而不互相影響。 本設(shè)計(jì)VB模型采用PPI協(xié)議與S7-200 PLC進(jìn)行通訊。PPI是一個(gè)主/從協(xié)議。在這個(gè)協(xié)議中，主站（其他CPU,SIMATIC編程器或TD200）給從站發(fā)送申請(qǐng)，從站進(jìn)行響應(yīng)。從站不能初始化它本身，只有當(dāng)主站發(fā)出申請(qǐng)或查詢時(shí)，從站才響應(yīng)。在PPI協(xié)議下S7-200進(jìn)行通訊時(shí)可以建立一定數(shù)目的邏輯連接，在波特率為9.6k,19.2k,187.5k三種波特率下只能建立4個(gè)邏輯連接。S7-200 CPU在RUN模式下才可以作為PPI主站。一旦進(jìn)入PPI主站模式，就可以利用網(wǎng)絡(luò)讀（NETR）和網(wǎng)絡(luò)寫(NETW)指令讀寫其他CPU。作為PPI主站的S7－200CPU還可以響應(yīng)其他主站的請(qǐng)求。對(duì)于任何一個(gè)從站有多少個(gè)主站和它通訊，PPI協(xié)議沒有限制，但是在網(wǎng)絡(luò)中最多只能有32個(gè)主站。 　　S7-200通訊的部件包括：通訊口、PC/PPI電纜、通訊卡、以及S7-200通訊擴(kuò)展模塊等。在每個(gè)S7-200的CPU上都有一個(gè)RS-485兼容的9針D型端口，由于PC計(jì)算機(jī)的串口為RS-232信號(hào)，兩