plc锅炉控制系统设计
摘 要锅炉是重要的热能动力设备，但锅炉带来的环境污染、产能落后、效率低下等多方面问题日益突出。因此，将锅炉控制系统升级改造成为环保、高效、节能的系统是必然的发展趋势。锅炉系统复杂而庞大，本论文设计中详细介绍了锅炉的工作过程，明确了使用PLC来设计锅炉的控制系统，经多方比较后选用了性能高、价格适中的SIEMENS S7-300系列PLC作为控制器，在硬件设计方面，PLC模块配置如下：电源模块选用PS307(2A)；CPU选用CPU313-2 DP ；数字量输入模块选用SM321(DI 32*24VDC)；数字量输出模块选用SM322（DO 16*AC120V/230V）；模拟量输入模块选用SM331（AI 8*12Bit）；模拟量输出模块选用SM332（AO 8*12Bit）。在软件设计方面，利用STEP 7进行锅炉控制系统程序的编写、硬件组态和仿真。选定了锅炉控制中的三个常见重要的参数：汽包水位、炉膛负压和蒸汽压力作为论文中的控制量。其中，汽包水位调节较为复杂，存在“虚假水位”的危害：扩大了给水量和蒸汽量之间的不平衡，必然导致水位控制的动态特性变差。经查找资料后，确定采用PID调节来克服。本论文设计针对于调节汽包水位、蒸汽压力和炉膛负压在规定限定值内，达到锅炉的高效低耗燃烧，是为了确保锅炉有条不紊运行的重要条件。
目 录
第一章 绪论 1
1.1选题背景及意义 1
1.2国内锅炉控制的发展 1
1.3国内外锅炉控制系统的现状 2
第二章 蒸汽锅炉工作过程 3
2.1锅炉介绍 3
2.2锅炉的工作过程 4
2.2.1炉内过程 4
2.2.2锅内过程 5
2.3锅炉的自动调节任务 6
第三章 蒸汽锅炉控制系统的软件设计 7
3.1蒸汽锅炉控制系统的扰动因素 7
3.2蒸汽锅炉控制系统的软件流程图 7
3.2.1汽包水位调节控制要求 7
3.2.2炉膛负压调节控制要求 9
3.2.3蒸汽压力调节 10
第四章 锅炉控制系统硬件设计 12
4.1 PLC介绍 12
4.2 PLC的选型 1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2
4.3 PLC模块的配置 13
4.4锅炉控制的硬件框架图 14
第五章 STEP7编程及仿真 15
5.1 STEP7简介 15
5.2 硬件组态 16
5.3程序的总体结构 16
5.4仿真 18
5.4.1炉膛负压调节 18
5.4.2锅炉蒸汽压力调节 19
5.4.3锅炉汽包水位调节 20
5.4.4综合仿真 21
结束语 22
致 谢 23
参考文献 24
附件 25
第一章 绪论
1.1选题背景及意义
锅炉是我国火力发电厂的三大设备之一，它在工业生产和军民生活中起着不可替代的作用。单单从数据来看，锅炉的使用量最多的就是我国，光是每年超过大半数的原煤产量就是被锅炉所消耗的，绝对可将其称之为大耗能动力设备了。随着大力发展国民经济，现在人们的环保意识日趋强化，锅炉带来的环境污染是渐渐深入人心。锅炉最主要的功能就是能源转换，它的工作情况的优劣会直接牵扯到能源利用率的高与低。就从目前来看，燃煤链条锅炉是最为常见的一种，煤炭作为主要燃料来被使用。研究表明，导致锅炉管理水平低下、技术含量无法提升且自动化控制技术不理想，致使生产环境是浪费现象突出、环境污染严重。燃烧煤所释放的污染物，如二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮和烟尘等，是影响我国大气的主要源。因此，为了达成环境友好型、资源节约型的社会目标，工业锅炉的高效运行、降耗减排将成为近几年的奋斗目标。
总的概括来说，达成锅炉系统自动化控制其最突出的目的是为了：
提高锅炉运行的安全性；
提高锅炉运行的经济性；
改善劳动条件；
减少运行人员，提高劳动生产率。
将锅炉控制系统采用PLC来控制，其控制效果显著提升，不仅人工投入量大大减少，还降低了事故率的发生。在倡导以人为本可持续发展的今天，具有深刻而重要的意义。
1.2国内锅炉控制的发展
随着19世纪蒸汽机时代的开始，科技的力量在各种领域内开始发酵。锅炉从刚起步阶段的手动控制也逐步发展到了如今日新月异的自动控制阶段。
纯手动阶段是刚起步阶段的锅炉最为常见的方式，单单只靠锅炉工人操作经验来实现控制锅炉。这种控制方法极大程度上增加了工人们的劳动强度，同时也提升了事故率的出现 。
随着自动化、电子技术的发展，仪表控制系统开始被运动到锅炉控制当中。其优点是使锅炉事故率明显得到了改善。但是，仪表控制系统并不完美，它存在致命的缺点，它的缺点是维修硬件的难度并且控制效果差强人意。
随着计算机技术的发展，计算机控制技术变得日益进步，开始在工业领域内得到普遍的使用，为工业锅炉的控制技术书写了新的篇章。锅炉的自动控制开始实现，安全隐患逐渐得以控制，工人们的劳动强度得到了舒缓，有效地改善了工作环境。
随着信息时代的到来，锅炉控制系统发展的又一个里程碑被铸就，融合计算机技术、通讯技术和检测技术，达成了锅炉控制系统的集成化、网络化的管理控制，获得了意料之外的效果和史无前例的创新。
1.3国内外锅炉控制系统的现状
在国内，多半锅炉的控制技术水平程度并不高，这就导致了锅炉热效率普遍低于国家标准。除了一些大中型锅炉采用了DCS、FCS等先进控制技术，使锅炉的控制效果良好，也保障了锅炉安全可靠地运行。但绝大部分的小型锅炉依旧使用的控制方式是仪表，这造成大量人力的投入，这就使得工人们的工作环境脏差乱，他们的劳动强度不减反增，而且锅炉的热效率不达标，资源浪费的现象还很严重。大型锅炉的控制系统成本较高是造成这一状态的主要原因，这对一些中小企业来说无法承受。渐渐开始，人们对能源问题越来越加以关注，企业部门的环保意识和肩负的责任感也越来越重视，这就使得锅炉自动控制水平和管理的要求越来越自律严格。
而在外国，工业锅炉从70年代迅猛发展，90年代铸就巅峰，相比之下我国才刚刚有所进步。其锅炉控制在某种程度上就是计算机自动控制。更厉害的是，在控制方法上大都使用最优控制方法，所以，锅炉的热效率提升显著、系统运行平稳，而且减少了环境污染。
第二章 蒸汽锅炉工作过程
2.1锅炉介绍
在工业生产过程中，锅炉是主力设备亦是热能动力装置，它主要的工作过程是燃烧燃料煤产生的热能递给水，让水汽化成为蒸汽，这些蒸汽是带有压力和温度的。锅炉是相当复杂的，就本文重点介绍的是工业锅炉，它是按其用途划分出来的一种锅炉类型，其用于工业生产、采暖等方面，其所产的蒸汽是过热蒸汽、饱和蒸汽，或者是热水。再将工业锅炉细分，蒸汽锅炉是按其出口介质是蒸汽来划分出来的。
图 21 蒸汽锅炉结构图
2.2锅炉的工作过程
2.2.1炉内过程
炉内进行的主要是燃烧反应，是锅炉系统的一个基本的反应。第一步燃料煤会被添入到煤斗中，使其均匀地掉落在炉排上，要使炉排转动起来须靠减速机和链条的共同作用，输送中的燃料煤会被磨制成粉状，再由一次风机将其送入炉膛内燃烧。由鼓风机送入常温下的空气，将这部分空气先导入空气预热器内升温，再和炉膛内的煤粉一起燃烧。
目 录
第一章 绪论 1
1.1选题背景及意义 1
1.2国内锅炉控制的发展 1
1.3国内外锅炉控制系统的现状 2
第二章 蒸汽锅炉工作过程 3
2.1锅炉介绍 3
2.2锅炉的工作过程 4
2.2.1炉内过程 4
2.2.2锅内过程 5
2.3锅炉的自动调节任务 6
第三章 蒸汽锅炉控制系统的软件设计 7
3.1蒸汽锅炉控制系统的扰动因素 7
3.2蒸汽锅炉控制系统的软件流程图 7
3.2.1汽包水位调节控制要求 7
3.2.2炉膛负压调节控制要求 9
3.2.3蒸汽压力调节 10
第四章 锅炉控制系统硬件设计 12
4.1 PLC介绍 12
4.2 PLC的选型 1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2
4.3 PLC模块的配置 13
4.4锅炉控制的硬件框架图 14
第五章 STEP7编程及仿真 15
5.1 STEP7简介 15
5.2 硬件组态 16
5.3程序的总体结构 16
5.4仿真 18
5.4.1炉膛负压调节 18
5.4.2锅炉蒸汽压力调节 19
5.4.3锅炉汽包水位调节 20
5.4.4综合仿真 21
结束语 22
致 谢 23
参考文献 24
附件 25
第一章 绪论
1.1选题背景及意义
锅炉是我国火力发电厂的三大设备之一，它在工业生产和军民生活中起着不可替代的作用。单单从数据来看，锅炉的使用量最多的就是我国，光是每年超过大半数的原煤产量就是被锅炉所消耗的，绝对可将其称之为大耗能动力设备了。随着大力发展国民经济，现在人们的环保意识日趋强化，锅炉带来的环境污染是渐渐深入人心。锅炉最主要的功能就是能源转换，它的工作情况的优劣会直接牵扯到能源利用率的高与低。就从目前来看，燃煤链条锅炉是最为常见的一种，煤炭作为主要燃料来被使用。研究表明，导致锅炉管理水平低下、技术含量无法提升且自动化控制技术不理想，致使生产环境是浪费现象突出、环境污染严重。燃烧煤所释放的污染物，如二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮和烟尘等，是影响我国大气的主要源。因此，为了达成环境友好型、资源节约型的社会目标，工业锅炉的高效运行、降耗减排将成为近几年的奋斗目标。
总的概括来说，达成锅炉系统自动化控制其最突出的目的是为了：
提高锅炉运行的安全性；
提高锅炉运行的经济性；
改善劳动条件；
减少运行人员，提高劳动生产率。
将锅炉控制系统采用PLC来控制，其控制效果显著提升，不仅人工投入量大大减少，还降低了事故率的发生。在倡导以人为本可持续发展的今天，具有深刻而重要的意义。
1.2国内锅炉控制的发展
随着19世纪蒸汽机时代的开始，科技的力量在各种领域内开始发酵。锅炉从刚起步阶段的手动控制也逐步发展到了如今日新月异的自动控制阶段。
纯手动阶段是刚起步阶段的锅炉最为常见的方式，单单只靠锅炉工人操作经验来实现控制锅炉。这种控制方法极大程度上增加了工人们的劳动强度，同时也提升了事故率的出现 。
随着自动化、电子技术的发展，仪表控制系统开始被运动到锅炉控制当中。其优点是使锅炉事故率明显得到了改善。但是，仪表控制系统并不完美，它存在致命的缺点，它的缺点是维修硬件的难度并且控制效果差强人意。
随着计算机技术的发展，计算机控制技术变得日益进步，开始在工业领域内得到普遍的使用，为工业锅炉的控制技术书写了新的篇章。锅炉的自动控制开始实现，安全隐患逐渐得以控制，工人们的劳动强度得到了舒缓，有效地改善了工作环境。
随着信息时代的到来，锅炉控制系统发展的又一个里程碑被铸就，融合计算机技术、通讯技术和检测技术，达成了锅炉控制系统的集成化、网络化的管理控制，获得了意料之外的效果和史无前例的创新。
1.3国内外锅炉控制系统的现状
在国内，多半锅炉的控制技术水平程度并不高，这就导致了锅炉热效率普遍低于国家标准。除了一些大中型锅炉采用了DCS、FCS等先进控制技术，使锅炉的控制效果良好，也保障了锅炉安全可靠地运行。但绝大部分的小型锅炉依旧使用的控制方式是仪表，这造成大量人力的投入，这就使得工人们的工作环境脏差乱，他们的劳动强度不减反增，而且锅炉的热效率不达标，资源浪费的现象还很严重。大型锅炉的控制系统成本较高是造成这一状态的主要原因，这对一些中小企业来说无法承受。渐渐开始，人们对能源问题越来越加以关注，企业部门的环保意识和肩负的责任感也越来越重视，这就使得锅炉自动控制水平和管理的要求越来越自律严格。
而在外国，工业锅炉从70年代迅猛发展，90年代铸就巅峰，相比之下我国才刚刚有所进步。其锅炉控制在某种程度上就是计算机自动控制。更厉害的是，在控制方法上大都使用最优控制方法，所以，锅炉的热效率提升显著、系统运行平稳，而且减少了环境污染。
第二章 蒸汽锅炉工作过程
2.1锅炉介绍
在工业生产过程中，锅炉是主力设备亦是热能动力装置，它主要的工作过程是燃烧燃料煤产生的热能递给水，让水汽化成为蒸汽，这些蒸汽是带有压力和温度的。锅炉是相当复杂的，就本文重点介绍的是工业锅炉，它是按其用途划分出来的一种锅炉类型，其用于工业生产、采暖等方面，其所产的蒸汽是过热蒸汽、饱和蒸汽，或者是热水。再将工业锅炉细分，蒸汽锅炉是按其出口介质是蒸汽来划分出来的。
图 21 蒸汽锅炉结构图
2.2锅炉的工作过程
2.2.1炉内过程
炉内进行的主要是燃烧反应，是锅炉系统的一个基本的反应。第一步燃料煤会被添入到煤斗中，使其均匀地掉落在炉排上，要使炉排转动起来须靠减速机和链条的共同作用，输送中的燃料煤会被磨制成粉状，再由一次风机将其送入炉膛内燃烧。由鼓风机送入常温下的空气，将这部分空气先导入空气预热器内升温，再和炉膛内的煤粉一起燃烧。
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