基于plc的锅炉燃烧控制系统——空燃比控制的wincc组态和plc设计(编辑修改稿)

基于plc的锅炉燃烧控制系统——空燃比控制的wincc组态和plc设计(编辑修改稿)内容摘要：

(如BASIC， PASCALC)等 ； 包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成 ； 特殊接口允许默写器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等 ； 外部设备改进了操作员界面技术，系统文档功能成为了 PLC 的标准功能； 硬件改进，使得 PLC 的产品系列丰富和发展，使 PLC 从最小的只有 10 个UO 点的微型 PLC 到可以达到 8000 点的大型 PLC。 这些产品系列，用普通系统和编程外部设备，可以组成局域网，并与办公网络相连。 整个 PLC 的产品系列概念对于用户来说，是一个非常介于成本地控制系统概念。 PLC 软件上与硬件发展相似， PLC 的软件业取得了巨大的进展，大大强化了 PLC 的功能 : PLC 引入了面向对象的编程工具，并且根据国际电器工程委员会的IEC611313 的标准形成了多种语言 ； 小型 PLC 也提供强大的编程指令，并且因此延伸了应用领域 ； 高级语言，如 BASIC， C 在某些控制器模块中己经可以实现，在与外部通信和处理数据时提供了更大的编程灵活性 ； 梯形图逻辑中可以实现高级的工能块指令，可以使用户用简单的编程方法实内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 4 现复杂的软件功能 ； 诊断和错误检测功能也从简单的系统控制器的故障诊断扩大到对所控制的机器和设备的诊断 ； 浮点算数可以进行控 制应用在计量、平衡和统计等所设计的复杂计算 ； 数据处理指令的到简化和改进，可以进行设计大量数据存储、跟踪和存取的复杂控制，数据采集与处理功能。 PLC 己经比原来复杂了很多，但是 对操作员来说，今天的高功能的 PLC 与 30 年前的 PLC 一样那么容易操作，甚至更为简单。 PLC 的特点： (1)可靠性高，抗干扰能力强。 (2)适应能力强，应用灵活。 (3)编程方便，易于使用。 (4)控制系统设计、安装、调试方便。 (5)维修方便、维修工作量小。 (6)功能完善。 西门子工业控制网络技术简介 本研究针对的是 WINCC 组态软 件及 SIMATIC PLC 都是西门子公司的产品。 系统应用的是西门子公司的控制系统解决方案。 所以下面介绍一下西门的工业控制网络技术。 西门子工业控制网络根据总线分为 4 种网络结构 ： 1). ASi总线 ： 其接口符合开放的国际标准 EN5O295，用于现场小数据量传送 (开关量 )。 拥有规范的主一主通信协议以及设备的连接方式，保证不同厂商此规范设备的产品兼容性。 2). EIB 总线 ： 全称为 European Installation Bus，是专门针对智能建筑领域的现场总线标准。 具有分布、开放、灵活、互操作的特点。 总线上 智能化元件可通过编程改变的功能，即能独立进行开关、控制、监视等工作，也能根据要求进行多元件组合。 与传统方式相比有更强的功能和更高的灵活性。 协议开放可令不同厂商开发兼容产品。 3). PROFIBUS 现场总线 ： 对应国际标准 IEC6ll58 TypeⅢ 中标准，定义了串行总线的技术特征。 相关的技术特点前面已经有所说明。 PROFIBUS 总线适用于工厂自 动化、过程自动化以及交通、发电输配电等领域。 4). 工业以太网 PROFI:基于 (Ethe)是国际标准 IEC61158 的重要内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 5 组成部分。 相关技术发 展 如同上文提到的 SIEMENS 工业控制网络系统集合了越来越多的技术，随着电子、通信行业以及控制理论的研究发展，这样的工业控制系统呈现出向巨系统更具复杂程度的方向发展。 但是另一方面，系统 用户的操作控制将会简化呈现出脱离控制实际，进行对象化控制的方向发展。 这样的系统自动化程度更高，操作更加简化。 而就具体的技术而言，现场总线正朝着扁平化，一体化的方向发展，通过一个总线实现各种功能。 采用一线制将现场设备、车间及设备以及工厂及设备统一连接。 这样的技术具有广阔的市场前景，不但降低了设计周期便于维护 管理，而且更方便进行改造和系统升级，但是目前实施起来还有很多难度。 随着通信、电子业的进一步的发展将更好的进行实际应用。 目前， PLC 控制系统包含有更加丰富的内容，上层的上位机监控界面，与工业以太网或因特网的连接，在工控机实现软件对系统的仿真模拟等。 众多的厂商提供了解决方案， SIEMENS 在上位机系统上提供了 SIMATIC 组态软件和 WinCC复杂控制仿真软件。 组态软件 WinCC 是一个集成的人机界面 (HMI)系统和监控管理系统，它结合西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和 Microsoft PC 软件技术的强大 功能的产物。 应用上位机组态监控软件为用户提供了直观的界面，使用户对于现场有更佳理解，更有效的使用、控制整个系统。 同时，软件的应用有效缩短了对于上位机监控层面的复杂设计过程。 PLC 系统中提供的这些功能，使得使用者或第三方更容易将自身的要求或设计融入到整个系统中。 但是，这些软件上也应该引进更多先进的软件设计理念技术，使得未来系统的更加复杂但是应用起来却更加方便。 PLC 控制系统提供接口连入工业以太网、因特网形成了更为复杂的工业控制系统，但却更为开放和有效。 以 PLC 系统为基础的新一代工业控制系统将拥有底层设备，中层 的 PLC 控制单元、现场总线、上位机监控，上层工 业以太网 、内部局域网或管理层网络、因特网。 微型化、网络化、 PC 化和开放性是 PLC 未来发展的主要方向。 在基于 PLC自动化的早期， PLC 体积大而且价格昂贵。 但在最近几年，微型 PLC(小于 32 I/O)内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 6 已经出现，价格只有几百欧元。 随着软 PLC(Soft PLC)控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软 PLC 组态软件和 PCbased 的市场份额将逐步得到增长。 同时， PLC 作为过程控制领域已打主力，同样以面向 Ethe 技术的扩展为最大的发展趋势之一。 现在越来越多的 PLC 供应商开始提供 Ethe 接口。 可以相信，PLC 将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业 PC 的控制系统。 本论文研究内容 应用 SIMATIC WINCC 与 PLC 相结合综合控制 现场设备、执行器、控制仪表以及上位机，这样组成了高速、实时、可靠的 TIA(Totally Integreted Automation)全集成自动化控制系统。 以 S7 系列 PLC 为核心的 TIA 技术有助于企业实现生产力最大化、获得更高的产品质量、降低项目成本。 而且本系统安装维护升级费用减少，也可以自由选择不同厂商，不同品牌的 现场设备实现系统集成的最优化。 上述的现代控制系统应用范围广，与传统控制系统相比可以进一步提高生产效率，降低生产运营成本。 所以根据市场需求研究更加先进的自动化控制系统有利于发挥工业网络控制优势并有利于促进国民经济的进一步发展。 本论文 研究 SIEMENS PLC S7300 的硬件模块和接口 以及编程软件 STEP 7； 研究 全集成自动的概念以及 应用和 WINCC 组态 ； 以 锅炉燃烧控制 为例，研究最终的系 统整合，搭建成具有一定开放系统特性的基本系统， 包括 PLC 控制系统设计、上位机管理和监控系统设计； 通过学习各种资 料，分析 SIEMENS PLC 与 上位机 WinCC 的组态模式。 分析锅炉燃烧 控制过程，实现 SIMATIC WinCC 上位机组态，完成 PLC 控制系统的设计。 本章小结 本章阐述了论文的研究的课题的意义，简单介绍了 SIEMENS 工业控制系统，WinCC 上位机 组态 软件 和 PLC 技术， 叙述了 西门工业控制网络技术的背景知识。 阐述说明了本文研究的内容、方法和实现的目的。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 7 第二章 控制 系统 整体设计和信号检测 电厂发电工艺的概述 火 力发电的三大主机是锅炉、汽轮机、发电机。 锅炉用燃料燃烧放出的热能将水加热成一定 压力和温度的蒸汽，然后蒸汽沿管道进入汽轮机膨胀做功，带动发电机一起高速旋转，从而发电。 下图所示是火力发电基本工艺流程：首先由黄河水来的水经水处理车间处理后由给水泵经省煤器送往锅炉，加热到一定温度的过热蒸汽后送往汽轮机带动发电机发电。 在这个过程中 实质上是四个能量形态的转换过程，首先 燃气或煤粉 的化学能经过燃烧转变为热能，这个过程在蒸汽锅炉或燃汽机的燃烧室内完成；再是热能转变为机械能，这个过程在蒸汽机或燃汽轮机完成；最后通过发电机将机械能转变成电能。 锅炉是电厂最重要的能量转换设备之一。 在现实生活中有许多发电形式 ，例如风力、水力、核能以及潮汐能发电等。 在众多发电形式中火力发电仍是我国主要的发电形式约占 70%— 80%。 饱 和蒸 汽烟气过 热 器 减 温 器 过 热 器过 热蒸 汽汽 轮 机 发 电 机省 煤 器空 气 预热 器省 煤 器空 气 预热 器电 网引 风 机除 尘 器 烟 囱送 风 机冷空气给 水 泵给水液 包炉 膛热 空 气燃 气热 水 送 液 包热 空 气 送 炉 膛烟气排出 图 电厂发电工艺框图及设备 锅炉 简介 锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成。 “锅”就是锅炉的汽水系统，有省煤内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 8 器、汽包、下降管、水冷壁、过热器及再热器等设备组成。 它的任务是使水吸热蒸发，最后变成一定参数的过热蒸汽。 其过程是：给水由给水泵打入省煤器以后，逐渐吸热，温度升高的给水进入汽包，经由下降管进入水冷壁中循环吸热，并蒸发为饱和蒸汽 ；饱和蒸汽在汽包中经分离、清洗后，引入过热器，逐渐过热到规定温度，成为合格的过热蒸汽，然后送往汽轮机；过热蒸汽在汽轮机高压缸中膨胀做功后，汽温、汽压均下降，在高压缸出口由导管将蒸汽引入锅炉再热器中第二次过热为高温再热蒸汽，然后再送往汽轮机中、高压缸中继续做功。 “炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膛、烟道、喷燃器及空气预热器等组成。 其 工作过程是：送风机将空气送入空气预热器中吸收烟气中的热量并送进热风道，然后分成两股：一股送给制粉系统作为一次风携带煤粉送入喷燃器，另一股作为二次风直接送往喷燃器。 煤粉与一、二次风经喷燃 器喷入炉膛进行燃烧放热，并将热量以辐射方式传给炉膛四周的水冷壁等辐射受热面；燃烧过程中产生的高温烟气沿烟道流经过热器、再热器、省煤器及空气预热 器等设备， 热量主要以对流方式传给它们。 在传热过程中，烟气温度不断降低，经除尘后，最后由引风机送入烟囱，排入大气。 从燃烧方式看，国内现有的 300、 600MW 级锅炉主要有三种技术形式：第一种是四角切圆燃烧方式，第二种是对冲燃烧方式，第三种是 W 型燃烧方式。 四角切圆式燃烧锅炉多数采用摆动式燃烧器调节再热汽温，也可采用烟气挡板和其他调温方式。 而对冲燃烧锅炉采用旋流式燃烧器，多 数采用烟气挡板调节再热汽温。 从循环方式看，主要有四种形式：自然循环、控制循环、复合循环或低倍率循环方式。 四角燃烧锅炉的循环方式趋于多样化，上述四种形式都占相当数量。 而对冲燃烧锅炉，多数采用自然循环方式。 从受热面系统来看，对于采用摆动式燃烧器调温的锅炉，除了水平烟道和尾部烟道的贴墙管过热器外，烟道中的主受热面系统布置大致形成了两种形式：一种是过热器和再热器都采用辐射 +对流式的系统，再热器采用对流式系统；另一种是过热器采用辐射 +对流式的系统，再热器采用对流式系统。 从锅炉形式看，有 U 型布置、塔形布置形式、 W 型火焰布置形式。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 9 燃烧控制系统 的 任务 设计锅炉燃烧自动 控制系统 的目的是控制燃烧过程 ， 使燃料燃烧所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的需求 ， 同时保证锅炉的安全经济运行。 锅炉燃烧过程自动控制主要包括 以下 控制内容 ：。 机组在不同的负荷控制方式下，燃烧系统的任务是不一样的，但总体来说，都是要满足主控系统输出的炉主控指令。 在汽轮机跟随方式下，燃烧系统主要是保证机组 实发功率等于负荷要求值；在锅炉跟随方式下，主要是保证主蒸汽的压力等于给定值；在协调方式下，两个参数都要兼顾。 风燃比。 为了实现经济燃烧 ,必须相应地调节送风量 ， 使送风量 (单位时间内送入炉膛的空气重量 )与燃料量相适应。 燃烧过程的经济与否可以从过剩空气系数是否合适来衡量 ， 过剩空气系数通常可用烟气中的含氧量来间接表示 ，也可通过使风量与燃料量成一定比例的方法实现经济燃烧。 控制送风量也是为了实现安全运行 ， 若风量相对于燃料量太少的话 ， 亦可能导致熄火事故。 炉膛压力是否在允许的范围内变化，关系 到锅炉的安全经济运行。 在正常工作时，炉膛压力要为微负压，通常为 20Pa， 为了保持炉膛压力在要求的范围内 ， 引风量 (单位时间内从炉膛引出的烟气重量 )必须与送风量相适应。 炉膛压力的高低也关系着锅炉的安全、经济运行。 炉膛压力过低 ， 会使大量的冷风 进 入炉膛 ， 将会增大引风机的负荷和排烟损失 ，可能使燃烧恶化，燃烧损失增大，甚至会燃烧不稳定或灭火， 炉膛压力太低甚至会引起内爆 ； 反之 ，炉膛压力高且高出大气压力时 ，炉膛内火焰和高温烟气就会向外面泄露， 使烟气冒出 ， 不仅会影响环境卫生 ， 甚至。