基于PLC的船用辅锅炉燃烧控制系统设计.docx

专科毕业设计（论文）设计题目： 基于PLC的船用辅锅炉燃烧控制系统 摘要可编程序控制器（ PLC）作为现代工业控制的四大支柱之一，而且具有体积小，编程简单，组装灵活，可靠性高及抗干扰能力强等优点，非常适合于在恶劣的工作环境下使用，被认为是工业上的无故障产品，将替代传统继电接触器控制系统设备成为自动化控制系统的主要控制设备。本文将主要介绍PLC在船用辅锅炉燃烧控制系统中的应用。关键词 可编程序控制器 船用辅锅炉 燃烧控制Abstract目录1 引言12 可编程序控制器概述12.1 PLC的产生、定义、分类12.1.1 PLC的产生12.1.2 PLC的定义12.1.3 PLC的分类22.2 PLC的基本结构22.2.1 PLC的硬件组成22.2.2 PLC的软件组成32.3 PLC的特点及主要功能32.4 PLC的应用领域及发展趋势33 锅炉概述43.1 锅炉的定义43.2 锅炉的重要性43.3 锅炉的分类43.4 锅炉的基本构造及工作过程43.4.1 锅炉的基本构造43.4.2 锅炉的工作过程54 船用辅锅炉的燃烧控制系统54.1 PLC系统在锅炉燃烧控制系统中的控制要求54.2 PLC选型及输入/输出端口的设计64.2.1 PLC的选型64.2.2 输入/输出点的设计64.3 PLC控制燃烧系统梯形图74.4 PLC 控制锅炉燃烧系统过程分析7结论11致谢12参考文献131 引言可编程控制器（PLC）作为传统继电接触控制系统的替代产品，已广泛应用于工业控制的各个领域，由于它可通过软件来改变过程，而且具有体积小，编程简单，组装灵活，可靠性高及抗干扰能力强等优点，非常适合于在恶劣的工作环境下使用，被公认为是工业上的无故障产品。因此，为了提高船用辅锅炉控制安全及减少船员的工作量和提高工作效率，从而提高经济效益，所以在船用辅锅炉燃烧自动控制系统中，PLC控制替代传统辅锅炉燃烧自动控制系统是一种必然。2 可编程序控制器概述2.1 PLC的产生、定义、分类2.1.1 PLC的产生在20世纪60年代，随着继电器控制系统逐渐的不能从容适应市场的要求，人们要求用新的控制装置取代继电器控制系统，这时第一台PLC诞生，这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、寿命长等优点，很快在工业领域得到广泛推广和应用。随着微处理器的出现，以及大规模、超大规模集成电路的迅猛发展，通信技术的不断进步，PLC迅速发展，其发展过程大致可以分为：数字电路构成的雏形PLC阶段、微处理器构成的实用产品阶段、大规模应用的成熟产品阶段、通用网络产品阶段。2.1.2 PLC的定义可编程序控制器的定义是：“可编程序控制器是一种数字数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用可编程序的存储器，用于在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算与算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备都按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”2.1.3 PLC的分类PLC产品种非常多，根据其结构形式分类，我们可以将PLC大概分成整体式、叠装式和模块式三类。按照功能分类，根据其控制性能，可将PLC分为低档PLC、中档PLC和高档PLC三类。按照I/O点数分类，根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。2.2 PLC的基本结构PLC采用了3C技术（Computer、Control、Communication），与计算机系统有着类似的组成结构。主要由CPU模块、输入/输出模块、电源和编程装置等组成。PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。2.2.1 PLC的硬件组成从广义上说，PLC是一种工业控制计算机，但比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的、专用的适用于控制要求的编程语言。所以它与计算机控制系统十分相似，同样具有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等。中央处理单元（CPU ，Central Processing Unit） 中央处理单元是PLC的核心部分，微处理器是PLC的运算和控制中心，由它实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分工作。PLC通常采用的微处理器主要有通用微处理器、单片机、位片式微处理器。存储器（Memory） 存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM；另一种是只读存储器ROM,PROM,EPROM和EEPROM。在PLC中，存储器主要用来存放系统程序、用户程序及工作数据。具体包括含有系统程序存储器和用户程序存储器。输入、输出单元（Input/Output Unit） 输入/输出单元通常也称I/O单元模块，是PLC的CPU与工业现场输入、输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，主要类型有：数字量（开关量）输入/输出、模拟量输入/输出。电源 PLC中一般配有开关式稳压电源（5V DC）为内部电路供电。编程装置 编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可以在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。2.2.2 PLC的软件组成PLC的软件包括系统软件和用户程序。其中，系统软件主要包括系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块及其调用程序。而用户程序包括梯形图语言、语句表语言、逻辑图语言、功能表图语言。2.3 PLC的特点及主要功能PLC的主要特点有：可靠性高，抗干扰能力强；编程方便，易于使用；功能强，扩展能力强，性价比高；硬件配套齐全，适应性强，应用灵活；PLC控制系统设计、安装、调试方便；维修方便，维修工作量小；体积小，质量轻，能耗低，易于实现机电一体化。PLC的主要功能有：开关量逻辑控制功能；模拟量控制功能；定时、定位、计数功能；闭环过程控制功能；步进控制功能；数据处理功能；运动控制功能；扩展功能；网络通信功能；监控功能。2.4 PLC的应用领域及发展趋势PLC的应用领域 PLC是一种很有特色和发展前途的新型工业控制装置，它不仅可以取代传统的继电器逻辑控制系统，使硬件“软”化，并使工业控制装置具有运算、计数、定时、通信和联网等功能；还可以用于输入/输出点数较多、控制要求较复杂的工业场合。目前，在各行各业得到了非常广泛的应用。如电力工业、冶金工业、机械工业、汽车工业、公共事业、交通行业等。随着其性价比的不断提高，PLC的应用范围将进一步不断扩大，现将其应用领域简要概括如下：顺序控制（逻辑控制）、运动控制、过程控制、数据处理、通信和联网。 PLC的发展趋势 随着计算机网络的发展，可编程序控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。PLC在以下几个方面会有很大突破：向高速、打容量方向发展；向超大型、超小型方向发展；智能模块应运而生，联网通信能力不断加强；故障的检测和处理能力不断增强；编程语言丰富多样。3 锅炉概述3.1 锅炉的定义在我们日常生活中有很多可以把化学能、风能、太阳能等能源转变为动力或其他能源的装备，比如燃油发点机、太阳能电池、风车等。其中有一种设备可以把化学能转变为热能，它就是锅炉。锅炉是一种承受一定工作压力地能量转换设备。其任务就是有效地把燃料中的化学能转换为热能，从而产生出一定数量和质量(温度和压力)的蒸汽。3.2 锅炉的重要性锅炉在日常生活和生产中，主要提供热量和动力。锅炉是供热系统中热源产生的主要设备；锅炉是化工、石化、冶金、轻纺、造纸等工矿企业主要动力及供热设备；锅炉是能源工业发展的主要组成部分火力发电站三大主机之一；锅炉设备在节能、环保等科技改造及研究方面具有重要地位。3.3 锅炉的分类锅炉的分类有很多种，例如按用途、使用燃料、载热工质、受热面管内流动工质、燃烧室内压力、锅炉容量、出口介质等很多种类，我们在这里只介绍其中几种。按用途可分为：电站锅炉、工业锅炉、动力锅炉。按使用燃料可分为：燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、废气锅炉、太阳能锅炉和其它燃料（木材、垃圾等）锅炉。按载热工质可分为：蒸汽锅炉、热水锅炉、有机热载体（导热油）锅炉。按受热面管内流动工质可分为：水管锅炉、火管锅炉、水火管锅炉。3.4 锅炉的基本构造及工作过程3.4.1 锅炉的基本构造构成锅炉的基本组成部分称为锅炉本体，是由汽锅、炉子及安全附件组成；其它的部件包括锅炉金属钢架及平台楼梯等。其中汽锅是锅炉本体中汽水系统，高温燃烧产物烟气通过受热面将热量传递给汽锅内温度较低的水，水被加热，沸腾汽化，生成蒸汽。炉子是锅炉本体中燃烧设备，燃烧将燃料的化学能转化为热能。安全附件包括水位计、压力表、安全阀。3.4.2 锅炉的工作过程锅炉的工作过程基本可以概括为三个阶段：燃料的燃烧过程、烟气向水(汽等工质)的传热过程、工质(水)的加热和汽化过程蒸汽的生产过程。燃烧过程：燃料在炉内（燃烧室内）燃烧生成高温烟气，并排出灰渣的过程。由于根据燃料的不同，燃烧过程也不同，我们这里主要讨论船用辅锅炉的燃烧过程。燃油加热后通过管道输送到燃烧器雾化和空气充分混合，混合物喷入炉内燃烧，产生高温烟气，热量传导给受热面内流动工质，燃烧后烟气排出。烟气向水(汽等工质)的传热过程：高温烟气通过热对流把热量传导给水冷壁，经过水冷壁的高温烟气再通过过热器（凝渣管），然后依次是对流管束、尾部受热面、除尘器、引风机、烟囱。工质(水)的加热和汽化过程蒸汽的生产过程：这个过程很三部分，给水过程，水通过省煤器到汽锅里；水循环过程，水通过汽锅到下降管和下集箱 水冷壁，最后一个过程是汽水分离。锅炉的种类繁多，根据各种生产和生活的需求，它的功能、构造及工作过程也是不尽相同，这里我们重点研究船用辅助锅炉。4 船用辅锅炉的燃烧控制系统随着世界造船业发展，船舶将向船舶大型化、自动化，大多数船舶都以柴油机为主动力，为了保证船用燃油加热分离、生活用水、主机备车时缸套水温升温、滑油加热、以及驱动一些小型辅机，在船舶上还设有辅助锅炉。随着船舶向全自动、无人机舱方向的发展，现在船用辅助锅炉大多数都采用PLC控制方案，实现自动控制运行。4.1 PLC系统在锅炉燃烧控制系统中的控制要求在船舶的内燃机动力装置中使用的锅炉我们称为辅锅炉，船舶辅锅炉的控制系统包括锅炉水位的自动控制、锅炉点火及燃烧时的时序控制、蒸汽压力的自动控制和自动安全保护控制等，在下面的章节中我将主要研究船舶辅锅炉的点火及燃烧自动控制系统。自动控制的设计总要求是：锅炉的水位是采用电极式双位控制；火焰监视器采用光电池；锅炉气压在低负荷时采用双位控制，正常负荷时采用压力比例调节器及电动比例操作器的比例控制；危险水位、低风压、超压保护等安全保护装置；自动控制系统失灵的时候系统可转换到手动操作。在锅炉启动之前，工作人员要对锅炉做好准备工作：首先要先合上电源的总开关，观察锅炉的水位是否正常，如果不正常，调整好水位，否则不能启动锅炉；让燃油的压力、温度自动控制系统投入正常工作；把“自动手动”转换开关打到“自动”档位等。等做好这些工作之后，就可以启动锅炉了，按下启动按钮，燃烧时序控制系统投入工作，其主要功能为：预扫风、点火、负荷控制和安全保护。4.2 PLC选型及输入/输出端口的设计4.2.1 PLC的选型PLC的种类很多，综合考虑，我们选择FX2N PLC，其具有以下优点：FX2N配置灵活，除了主机单元之外，还可以扩展I/O模块，A/D模块，D/A模块以及其他特殊功能模块。我们这个系统需要I/O 40点（输出16点，输入24点），而主机选用小型化基本单元FX2N40MR。FX2N指令功能非常丰富，有各种操作指令性107条，而且其指令执行速度快。FX2N PLC可使用内部辅助继电器M、状态继电器S、定时器T、寄存器D、计数器C的功能和数量满足了系统控制的要求和需要。FX2N PLC的编程，可以用编程器，也可以在PC机上用其他的编程软件包进行编程，编程语言可使用梯形图或者指令表，还可以用PC机对系统实时进行监控。4.2.2 输入/输出点的设计船用辅锅炉PLC控制系统的输入/输出点的设计如表1所示。表1 输入/输出点的设计X000 水泵转换旋钮停止X023油泵转换按钮停止X001水泵转换旋钮自动X024油泵转换按钮自动X002水泵转换旋钮手动X025油泵转换按钮手动X003停炉开关X026手动点火按钮X004启动按钮X027光电池控制触点X005燃烧按钮停止Y000水泵X006燃烧按钮自动Y001风机X007燃烧按钮手动Y002油泵X010风压保护Y003点火变压器X011超压保护Y004回油及风量调节X012危险低水位Y005压力比例调节器X013高水位Y006燃油电磁阀X014低水位Y007熄火保护手动复位X015水泵热保护Y010水泵运行指示灯X016风机热保护Y011风机运行指示灯X017油泵热保护Y012油泵运行指示灯X020风机转换按钮停止Y013熄灯指示灯X021风机转换按钮自动Y014危险低水位指示灯X022风机转换按钮手动Y015报警器4.3 PLC控制燃烧系统梯形图锅炉的燃烧时序控制是指给锅炉一个启动信号后，能按时序的先后来自动进行预扫风、预扫风、喷油点火，点火成功之后对锅炉进行预热，然后转入正常燃烧的负荷控制阶段。同时还要对锅炉的运行进行一系列的安全保护，辅锅炉的燃烧时序控制程序梯形图如图1所示。4.4 PLC 控制锅炉燃烧系统过程分析（1）启动之前的准备工作：合上总电源的开关，让控制电路接通电源；通图1 燃烧控制梯形图过PLC自动和人工手动控制让锅炉的水位处于工作范围之内；将燃油控制旋钮和风机旋钮转到“手动”位置，油泵转换开关转到“停”位置，然后通过手动启动风机进行预扫风，一分钟后停止风机工作；将水泵开关、燃烧开关、风机开关和油泵开关都转到“自动”位置，准备开始自动启动。（2）燃烧的时序控制过程分为预扫风和点火两个阶段：预扫风，当按下启动按钮X004时，由于水位正常，M8有电，其常开触点闭合，T11没有电，其常闭触点闭合，M2有电，Y001得电，风机开始运转，Y002得电，油泵开始运转。但此时燃油电磁阀无电关闭，燃油从油泵排出后在管路中循环，不能进入炉内，风机对炉膛进行预扫风。由于Y004得电，压力比例调节器YBD发讯电位器的滑动触点动作，逐渐把风门关小，回油门开大，为点火做好准备。由于在40秒之前尚未点火，所以光电池感受不到火焰的光照，X027断开，M31无电，M4有电，相应的M4触点闭合，为点火变压器通电和熄火保护T2通电做好准备。点火，在预扫风40秒之后，T14闭合，燃油电磁阀Y006有电，打开油泵到喷油器的供油管路。但因为回油阀已开大，故向炉内喷油量很少。与此同时，T15也闭合，使点火变压器Y300通电，使点火电极之间产生电火花进行点火，T2通电。但是，它要在通电7秒后才能将其Y007闭合。所以，这时只要对点火进行监控，为熄火做好准备。如果在7秒内点火成功，炉内有火光，光敏电池受光照，X007闭合，M31得电，M32失电，使M4触点断开，使T2断电，其触点因为未达到闭合时间继续断开，维持M1为断电状态。到46秒时，T11断开，风压保护X010已闭合，使M2仍有电。此时正常点火时序控制结束。但是在正常工作时还会出现其它情况，具体情况如下：点火失败，如果点火时序从40 秒时开始点火，延迟时间超过7秒，光电池仍未感受到炉膛火光的照射，X007断开，M31失电，M32得电，M32得电，使M4触点一直闭合，当T2达到设定时间7秒之后，使触头T2闭合，Y007得电，其常开触点闭合，M1得电，使M2失电，将控制回路电源断开。使风机，油泵停转，电磁阀关闭，发出警报信号。再次启动，在第一次点火失败时，必须在排除故障后进行再次启动。首先将熄火保护继电器触点Y007手动复位，使其断开。只有M1断电，其常闭触点恢复闭合后，才能重新启动。中途熄火，在燃烧过程中，如果中途熄火，光电池失去火焰光照，X007断开。M31失电，M32得电M4触点闭合，所以点火变压器Y003通电，重新进行点火；同时，开始7秒时，对点火时间进行监控。若在7秒内点火成功，即转入正常燃烧；若仍未点燃，则同点火失败情况一样，使锅炉停止燃烧，并且发出熄火声光报警信号。也就是，在中途熄火后，自动点火一次，如果不成功，停炉并且发出警报。在锅炉的点火控制过程中还存在气压的自动控制和安全保护的自动和手动控制，在此就不作详细研究。当锅炉需要停炉时，可以手按停止按钮X003，M2断电，燃烧系统停止工作，并且手动调节水位至正常水位。以上为PLC在船用辅锅炉燃烧控制系统中的应用浅析。在现代工业生产中，PLC的应用越来越广泛，尤其是在自动化控制相当发达的未来，所以，掌握好PLC的相关知识尤其重要，作为一个即将登上远洋船舶的学生，我更应该充分理解和掌握其相关知识。结论 旧式的锅炉及现在部分企业使用的小锅炉，大多还采用旧式的继电器系统控制。由于继电器系统缺陷很大，导致其工作效率不高，并且安全得不到保障，随着世界PLC的告诉发展，以及其优点众多，将取代继电器应用在各个工业生产领域，本文浅析的船用辅锅炉也必然将采用PLC控制系统，以达到提高工作及生产效率，并且减轻船员的劳动强度和减少工作失误。致谢 在此，我首先要感谢马建峰导师，是其细心的指导让我完成了一篇合格的论文。是他的为我建议的论文题目，让我在接下来的时间里有了明确的目标，而且在接下来的多次交流中给了我很多建议和指导，为我的论文奠定了基调，并指明大方向，这样我才能在有限的时间里完成这篇论文。我还要感谢学校的图书管理人员，是其辛勤的工作让我有了大量的资料，使得我的论文有血有肉。其次我还要感谢学校所有为我门毕业设计操劳的领导们，你们辛苦了，真的很谢谢您。最后，我还要感谢我的家人，是他们的辛勤付出，多年的培养让我顺利毕业。参考文献1 陈清彬，轮机自动化人民交通出版社 2009年8月；2 船用锅炉，国防工业出版社 1984年9月；3 万曼影，轮机自动化 上海交通大学出版社 2007年4月；4 孙旭清，船舶电气设备 大连海事大学出版社 2007年8月；5 陈晓琴，可编程序控制器及应用 哈尔滨工业大学出版社 2009年1月；6 赵秀珍单永磊，单片微型计算机原理及应用 中国水利水电出版社 2001年8月；7 樊泉桂，锅炉原理 中国电力出版社 2008年9月1日；8 陈学俊、陈听宽，锅炉原理（下） 机械工业出版社 1990年2月；