基于PLC的工业锅炉控制系统设计及MCGS组态仿真
摘要: 传统式燃气锅炉在降低上存在精度不够、人工成本高、燃料浪费比较严重、安全风险比较严重等诸多问题。伴随着技术的快速发展和互联网技术的普及,能够利用计算机网络完成天然气加温锅炉的自动控制。因此,为了提高燃气加热锅炉的安全性和经济性优势,有必要设计一种计算机化的自动控制系统来实现锅炉加热的自动运行。通过分析我国燃气采暖锅炉的发展现状和特点,提出利用工业以太网技术解决现有燃气锅炉自动化程度低的问题。为了实现供暖要求,大家提出了一种电子计算机监控系统方案,该方案融合了西门子S7-300PLC、PROFINET和PROFIBUS-DP总线,并且在此基础上进行了硬件软件设计。其中包括主控制器、执行机构和传感器等硬件电路以及人机界面等软件系统。采用IPC+PLC+ET200M分站的硬件方案,我们对现场设备和PLC重要模块进行了精心的筛选,并成功完成了电路的设计;系统软件层面主要包含数据采集操纵单元、执行机构推动单元、人机交互界面等功能模块。手机软件一部分选用组态王软件设计了上位电子计算机监管程序,选用STEP 7 V5.5撰写PLC控制程序,与此同时选用MCGS置入版设计触摸显示屏程序。该系统实现了远程实时监测、数据采集、控制及报警等功能。经过实际运行验证,本次设计的控制系统表现出极高的控制精度和卓越的安全性,完美地满足了供暖需求。
关键词:燃气锅炉；S7-300PLC；监控系统
Design of Industrial Boiler Control System Based on PLC
Abstract:Traditional gas-fired boilers have some problems, such as low precision, low energy consumption, low fuel consumption and low safety. The computer used for automatic control of gas-fired boilers is helpful to improve the safety and economy of boiler operation. According to the heating requirements, a computer monitoring system combining Siemens S7-300 PLC and PROFIBUS-DP bus is designed, and the hardware and software design of IPC+PLC+ET200M is completed on this basis. From the field equipment selection, important PLC module and circuit design, the software part uses Kingview software to design computer monitoring program, step 7 V5.5 to write PLC control program, and embedded version MCGS to design touch screen program (the actual operation shows that the control system is designed to meet the requirements of heating and cooling).
Keywords： gas boiler; S7-300PLC;monitoring system.
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究意义 2
1.3论文研究内容 3
第二章 燃气供暖锅炉控制系统方案设计 5
2.1控制系统设计原则 5
2.2控制系统硬件架构 5
2.3控制系统软件架构 7
第三章 燃气供暖锅炉控制系统硬件设计 9
3.1控制系统硬件组成 9
3.2控制系统硬件选型 10
3.2.1上位机硬件选型 10
3.2.2 PLC模块选型 12
3.2.3触摸屏选型 16
3.2.4传感器选型 17
3.3控制系统硬件连接 20
3.3.1电气主电路图 20
3.3.2 I/O地址分配表 21
3.3.3 控制系统硬件接线 22
3.4现场控制柜设计 25
3.4.1控制面板设置 25
3.4.2模块安装 27
第四章 燃气供暖锅炉控制系统软件设计 28
4.1 PLC程序设计 28
4.1.1 PLC硬件组态及通信 28
4.1.2符号表 30
4.1.3控制主程序设计 31
4.1.4控制系统子程序设计 33
4.1.5软件设计主流程图 38
4.1.6 启动与预热程序设计 39
4.1.7 停止程序设计 40
4.1.8 异常情况关火与自恢复程序设计 41
4.2触摸屏编程设计 42
4.2.1 MCGS与PLC的通信配置 42
4.2.2 建立实时数据库 43
4.2.3控制画面设计 44
第五章 监控系统设计及调试 45
5.1上位监控计算机设计 45
5.1.1组态通讯配置 45
5.1.2组态王变量添加 47
5.2 人机交互界面设计 48
5.2.1主监控画面设计 49
5.2.2报警画面 50
5.2.3历史报表 51
5.2.4状态曲线 52
5.3 系统调试 52
结论 54
参考文献 55
第一章 绪论
1.1课题研究背景
18世纪见证了锅炉供暖的开端,其基本功能是由炉膛点燃天然气、煤等化合物,把它转化为热能从而产生有机化学媒介,如水蒸气、高温水等,完成能量转换。伴随着科学技术水准的不断提高和社会经济发展市场需求的不断扩大,加热炉在我国得到广泛应用,并发挥了很重要的作用。最初广泛使用的燃煤锅炉以燃煤为燃料,但由于排放的气体通常污染性高,随着国内外空气防护意识的不断提高,燃气锅炉逐渐成为人们关注的焦点。燃气锅炉在中国发展较晚,与燃煤锅炉相比存在较大差距。随着时间的推移,燃气锅炉由于其更清洁的排放、更容易储存的燃料和更高的热效率,逐渐用污染和复杂的排放取代燃煤锅炉。燃气锅炉做为一种新型的供热设备,在我国得到广泛应用。伴随着计算机技术和自动控制科技的广泛应用,天然气锅炉的加温过程已经逐渐转为自动控制,但是,在现阶段的自动控制过程中也存在一些不容忽视的考验。
（1）该控制方案的精度存在一定的缺陷
在锅炉供热过程中，由于参数多，燃烧加热的复杂性和时变性，以及水汽化纯滞后过程也增加了建立高精度数学模型的难度。为了提高供热质量，必须控制蒸汽压力，以确保整个加热过程符合设计要求。因此，目前的控制系统在控制蒸汽压力方面存在精度不足的问题，这将对加热质量产生不利影响。
（2）该句话的保密性存在缺陷
在锅炉加热过程中,由于工作环境的高温高压,使用的管道、容器等有爆炸的潜在危险。这使得整个过程非常繁琐。锅炉是一种易燃易爆机器设备,一旦出事故,会造成极大的后果和损失,乃至威胁生命。锅炉爆炸的主要原因是锅炉内部水分不足,导致锅炉桶内温度过高,炉膛点火前通风不足,蒸气压超过锅炉极限。当锅炉发生火灾时,火焰会迅速从锅筒底部蔓延到整个炉壁,导致环境空气温度急剧上升,形成高温舌,引起燃烧和爆炸。现有的控制系统无法及时发现这种情况,这可能导致锅炉爆炸时的安全隐患。
（3）存储数据的能力不足
因为锅炉自动控制系统在规模性运行环节中没法存放工作压力、温度等相关信息,管理人员难以获得详尽的历史数据,因而没法及时纠正参数和机器设备,从而影响锅炉取暖的运行实际效果。
为保证燃气锅炉在燃烧过程中的安全和加热质量,应设计更全面的自动控制和监控系统,以提高燃料利用效率,确保加热过程的安全。
1.2课题研究意义
伴随着世界各国学者对锅炉供暖操纵的不断推进研究,天然气供暖锅炉已经成为广泛采用的供暖方法,本研究以PROFINET、PROFIBUS-DP总线技术和BP神经元网络优化算法为载体,制定了一套高效率自动化技术、安全可靠的锅炉供暖控制系统,起着至关重要的作用:
（1）实现更为精准的管控
为了应对锅炉加热过程中频繁的假水位，控制系统用于精确控制蒸汽机的液位，以确保液体水平在可接受的范围内。同时根据锅炉的实际运行情况和供暖需求，设计了新的蒸汽压力自动调节系统，可对进出水流、水温等各种信号进行自动控制。针对锅炉供热大负荷振荡、现场环境过度干扰、实现精确压力控制的难度等问题，我们改进了传统的PID控制模式，增加了BP神经网络来调整 PID控制参数，并进行了仿真研究，实现更精确的蒸汽压力控制。
（2）提升了自动化的水平
因为燃气供暖锅炉生产流程繁杂,供暖室仪表盘诸多,关键设备各种各样参数调整并记录工作强度太大,因而本项目设计了一系列燃气供暖锅炉控制系统,配备计算机化操纵智能管理系统,并结合现代工业生产组态组态王,搭建互动式人机对战操作面板,可以对全部控制系统进行全方位实时监控系统。节省很多人力资源管理,操作过程还可以在操作室实现快速自动化,进而保证全部操作过程的效率。
（3）提升生产过程的安全性
在整个锅炉供热系统中,炉膛内存有蒸汽工作压力太高、水位太高、负压太大等多种因素,都有可能导致锅炉爆炸的危险性。因而,大家定制的自动控制系统可提前在现场预警超标主要参数,便于工作人员及早发现与处理,进而确保全部生产过程的安全性。
1.3论文研究内容
在甘肃某公司供热项目的背景下,制定了安全可靠的天然气锅炉控制系统软件,配备计算机化控制智能管理系统,同时结合现代工业组态,实时监控系统全部加热炉供热系统的控制全过程。通过对系统的软硬件结构、控制策略和实施方法的研究分析,最终实现了供热锅炉的自动控制方案,提高了供热效率和安全性。本文将分为涵盖广泛主题和主题的章节:
第一章:绪论。在目前燃气锅炉科学研究的大环境下,本课题的研究内容具备积极的意义,因为它为有关领域的进一步发展提供了强有力的支撑。
第二章:探讨燃气供暖锅炉控制系统的方案设计。对整个燃气供暖锅炉的生产流程展开了简述,详细介绍了关键控制需要机器设备,并依据控制系统软件的需要,对I/O等级展开了统计分析,最后设计方案出了一份详细的控制计划方案,以保证关键回路的高效运行。
第三章:探讨燃气供暖锅炉控制系统的硬件设计方案。阐述全部燃气供暖锅炉整个系统的关键实际操作原理,并依据操纵每日任务开展硬件型号选择,呈现关键性能参数,最终实现整个系统硬件接线方法和控制柜设计方案。
第四章:大家提出了一套手机软件方案,用于控制燃气供暖锅炉的运行。系统硬件主要包括现场总线控制单元,数据采集和执行机构,温度控制器以及压力控制器等部分。编写上位监控计算机程序时,使用的是组态王6.55软件;STEP7V5.5编程软件被运用于下位机控制程序的编写之中;采用MCGS嵌入版V7.7,对触控屏幕开展界面设计,以提升用户体验。为了确保系统的正常运行,我们对其软硬件进行了精细的调试和优化。
参考文献
[1] 任天翔. 基于 PLC 的燃气锅炉供暖控制系统设计开发[D]. 华北电力大学(北京), 2016.
[2] 周忠臣. 基于 PLC 的锅炉自动化监控系统的设计与实现[D]. 北京工业大学, 2018.
[3] 赵金凤. 热水锅炉计算机控制研究—锅炉燃烧系统的智能控制[D]. 内蒙古科技大学, 2009.
[4] 李明. 试分析新形势下电厂锅炉应用在热能动力的发展前景[J]. 中国高新区, 2018(2): 142.
[5] 周建新, 樊征兵, 司风琪等. 电站锅炉燃烧优化技术研究发展综述[J]. 锅炉技术, 2008(5): 35-38+44.
[6] 夏淑貌. 燃煤工业锅炉节能环保现状及发展趋势[J]. 煤炭加工与综合利用, 2017(10): 5-8.
[7] E.B.Priyanka, C.Maheswari, B.Meenakshipriya. Parameter monitoring and control during
petrol transportantion using PLC based PID controller[J]. Journal of Applied Research and
Technology, 2016, 14(2): 126-131.
[8] 王明松，马鸿雁. 基于组态王的变电站运行状态在线监控系统设计与应用[J]. 电工技术学报, 2015, 30(S1): 484-489.
[9] Fridman E, Seuret A, Richard J. Robust sampled-data stabilization of linear system:an input delay approach[J]. Automatica, 2004, 40(8): 1441-1446.
[10] 石磊,邱兵涛. 基于DCS的煤气燃烧锅炉控制系统的讴计[J]. 洛阳师范学院报，2014:11.
[11] 刘鑫. 锅炉自动化控制的电气设计[J]. 机电信息，2013，21：137-138.
[12] 张志耀. CFB锅炉SNCR烟气脱硝的撬装化电气自动控制分析[J]. 科技创新与生产力,2015,09：71-72+75.
[13] 周峰. 工业蒸汽锅炉自动化控制分析[J]. 黑龙江科技信息,2014：27,12.
[14] 赵浙勇. 浅析工业蒸汽锅炉自动化控制系统[J]. 科技展望,2016：21,73.
[15] 朱伟联. 浅谈电锅炉的加热控制技术与电气设计[J]. 才智,2012:18,49-50.
[16] 周永恒，谭华. 工业锅炉的自动化控制研究[J]. 广西轻工业，2007:1.
[17] 冯卫. 中小型锅炉的计算控制[J]. 科技资讯，2007:8.
[18] 李忠虎,王俊伟,李银琪. 220t煤气锅炉控制方案的优化[J]. 化工自动化，2012:3
[19] 刘忠，陈华丽。 基于工控机的锅炉控制系统的讴计不应用[J].化工自动化，2012:4
[20] 牛培峰. 大型国产循环流化床锅炉燃烧过程智能控制系统应用研究[J]. 中国电机工程学报, 2000(12): 63-67+72.
