基于PLC的工艺锅炉控制系统开题报告

论文（设计）名称: 基于PLC的工业锅炉控制系统设计

1.选题的目的、意义及国内外对本课题涉及问题的研究现状

目的及意义：

锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。它所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，作为全厂动力和热源的锅炉，办向着大容量、高参数、高效率发展。为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。 燃煤锅炉是工业生产和集中供热过程中重要的动力设备。锅炉能耗巨大，每年的耗煤量超过3亿吨，占我国原煤产量的三分之一，提高其生产效率不仅具有客观的经济效益，还有重要的环保意义。

但是我国目自矿运行的大多数锅炉系统控制水平不高，效率普遍偏低于国家标准，操作工人水平参差不齐，经常是凭感觉和经验去操作，长期使锅炉处在能耗高、环境污染严重的生产状态。由于煤质变化大，设备陈旧，不仅工人劳动条件差，劳动强度大，而且锅炉热效率低。因此，在满足工艺要求的前提下，为了提高锅炉的热效率，降低能源消耗，把工人从繁重的劳动中解放出来，促进文明生产，锅炉实现自动控制是一个急待解决的问题。据有关资料统计一台10T／h的锅炉，若能提高效率1％，每年就能节省煤200吨左右，约合人民币50000多元，经济效益是很明显的。又如对燃煤锅炉进行改进，实行自动控制，在不需要人工干预的情况下，随时调整给水量、燃料量、送风量及引风量，维持水位、蒸汽压力、蒸汽温度及负压的恒定，就有可能将锅炉的热效率提高5％以上。另外，使锅炉达到经济燃烧状态，还可以减少烟气中的含尘量，减少空气污染。本课题根据该校园的实际情况，设计的集成自动化系统将现场的锅炉控制运行和管理有机的良好结合，实现锅炉系统的安全高效运行。

从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使

用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。据有关资料显示，世界85％的人口正陆续进入工业化阶段，全球性的人口、资源、环境矛盾尖锐，使我国的现代化面临严峻的挑战，即使国际市场能够弥补中国资源的不足，生态和环境破坏的沉重代价也难以承受。 随着经济的迅猛发展，自动化控制水平越来越高，用户对锅炉控制系统的工作效率要求也越来越高，为了提高锅炉的工作效率，较少对环境的污染问题，所以利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。

国内外研究现状：

工业锅炉是重要的热能动力设备。自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。

目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高。同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

根据不完全统计，我国共有各类锅炉近40万台，每年的耗煤量达3亿多吨， 占我国原煤产量的三分之一。我国已成为世界上生产和使用工业锅炉最多的国家。由于我国能源结构的特殊性，我国的工业锅炉以燃煤为主，每年约燃用全国原煤产量的三分之一。因此，工业锅炉也是我国煤烟型大气污染的主要污染源之一，提高我国工业锅炉的能源利用率，降低其污染物的排放，已成为迫切需要解决的重要问题。

当前国内许多地方的锅炉控制系统主要是采用分布式控制系统DCS(Distributed Control

System)[2]。这是由于锅炉系统的仪表信号较多．采用此系统性价比相对较好，但随着PLC技术的不断发展．PLC在仪表控制方面的功能已经不断强化。用于回路调节和组态画面的功能不断完善．而且PLC的抗干扰能力也很强．对电源的质量要求比较低。

温度控制系统大致可分别用3种方式实现：一种是用仪器仪表来控制温度，这种方法控制的精度不高。另一种是基于单片机进行PID控制，然而单片机控制的DDC 系统软硬件设计较为复杂, 特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处, 而PLC 在这方面却是公认的最佳选择。随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能。因此本设计选用西门子S7-300PLC来控制加热炉的温度。

基于PLC在工业控制系统中的良好应用．本文将西门子S7—300PLC用于集中供热锅炉控制系统。整个系统的工作原理为：从控制现场传感器送来的4.20 mA或0.5 v的标准信号经过信号调理模块送到现场控制单元(PLC)．经过智能运算后形成控制信号．控制信号再经过信号调理模块返送到现场执行单元(电磁阀)。各个控制单元通过以太网相连．将需要监控的信号送入上位机，实现人机交互和远程控制。

2．本课题主要研究方法、研究手段和需要重点研究的问题及解决的思路

课题研究的方法和手段：

针对目前供暖锅炉控制的现状，本文的设计要求：

随着我国工业化进程的迅速发展，自动控制系统已渐渐应用到锅炉系统，结束了以往锅炉系统全部用人工或简单的电气控制的落后局面，减轻过路监控人员的劳动强度，避免人为疏忽而造成的事故的发生，提高锅炉系统的效率。锅炉燃烧控制系统采用PLC和变频器，实现锅炉燃烧节能的优化控制。通过锅炉引风和鼓风系统的闭环控制来实时调节烟气氧含量和炉膛负压，使锅炉系统的空燃比达到最优，烟气氧含量保持在一个合理的范围内，从而实现锅炉燃烧过程的自动控制。

1、 提出控制系统方案。本文针对供暖锅炉控制系统，设计一套基于变频调速技术的锅炉监控系统。本文提出对锅炉供暖系统中的风机和水泵等通过变频器来调节点击的转速，节省了大量的电能。本系统中上位机采用高可靠性的工业控制计算机，对锅炉控制系统同一调度和监控管理，下位机采用西门子公司S7-300可编程控制器，实现锅炉燃烧系统和管网系统的自动控制，控制水平和硬件可靠性大大提高。

2、本系统的主要任务是锅炉系统的变频改造，变频调速技术是关键技术，因此本文详述变频调速技术在锅炉控制的应用，并分析变频调速应用在锅炉供暖系统带来的节能效果。

3、简述供暖锅炉的控制原理，提出供暖锅炉系统的控制模型和锅炉控制系统的总体设计。本文讨论了锅炉控制系统的设计目标、功能分析和控制方案。并详细介绍了整个系统的硬件结构和通讯配置。

4、下位机控制系统的设计。本文首先根据系统控制要求确定PLC的选型以及模块的选择；讨论PLC与上位机之间、PLC与变频器之间的通讯配置，制定通信协议；设计PLC控制程序，给出主程序、基础功能块和各子程序的设计流程图和部分梯形图程序。

5、上位机监控组态软件设计。上位机监控系统完成对整个系统的监控管理，本文选用WinCC来设计，根据用户提出的要求完成了操作界面及控制程序，实现超温超压报警联动等。

温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论，可编程控制器(PLC)是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。WINCC组态软件以Microsoft Windows平台作为操作平台，充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点。WINCC的图形编辑器提供了强大的图形库，设计人员可高效快捷地绘制出各种工艺画面，并可方便进行编辑，使采用PC机比以往使用专用机开发的工业控制系统更有通用性，减少了工控软件开发者的重复工作。另外WINCC支持丰富的动画连接如“闪烁”、“旋转”、“填充”、“移动”等，使画面生动直观。

重点研究的问题：

1.锅炉汽包水位的控制

汽包水位是锅炉安全运行的主要参数之一。水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器管内结垢，影响传热效率，严重的将其过热管爆管，水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。尤其是大型锅炉，例如，30万KW机组的锅炉蒸发量为1024t/h，而汽包容积较小，一旦给水停止，则会在十几秒内使汽包内的水全部汽化，造成严重的事故。所以对汽包水位的控制是十分重要的。

2．过热蒸汽温度的控制

大型锅炉的过热器是在接近过热器金属管的极限高温条件下工作的，金属管道强度的安全系数很小，过热蒸汽温度过高会使金属管道的强度大为降低，影响设备安全，温度过低会使热效率显著下降。所以过热蒸汽温度是有关安全和经济性的重要参数。过热蒸汽温度的自动调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，以确保机组运行的安全性和经济性。

3.锅炉燃烧过程的控制

燃烧过程自动调节系统的选择虽然与燃料的种类和供给系统、燃烧方式以及锅炉与负荷的连接方式都有关系，但是燃烧过程的自动调节任务都是一样的。归纳起来，燃烧过程调节系统有三大任务需要解决。

第一个任务是维持气压恒定。气压的变化表示锅炉蒸汽量和负荷的耗汽量不相适应，必须相应的改变燃料量，以改变锅炉的蒸汽量。

第二个任务是保证燃烧过程的经济性。当燃料量改变时，必须相应的调节送风量，使它与燃料量相配合，保证燃烧过程有较高的经济性。

第三个任务是调节引风量与送风量相配合，以保证炉膛压力不变。

3．工作方案及进度计划

1）、2012年12月20日—2012年12月30日：收集、阅读、分析资料和文献。

2）、xx年1月1日—xx年3月7日:阅读相关资料，在导师指导下完成开题报告并提交导师评阅。

3）、xx年3月8日—xx年5月1日：依据导师评阅后的开题报告，进一步理清思路，撰写论文初稿，并提交初稿交导师评阅。

4）、xx年5月1日—xx年5月14日：根据导师提出的论文修改和完善意见，在导师的指导下对论文做进一步的充实、修改与完善，并将修改稿提交导师评阅。根据导师最后提出的定稿意见做最后的完善，检查论文的格式和文字等细节，按照论文的统一格式排版并将最终的论文定稿打印、装订，同时提交论文定稿的电子版给导师。

5）、xx年5月20日-xx年5月下旬：准备参加论文答辩。

4．指导教师审核意见

同意开题。

指导教师（签字）： 年 月 日

5．学院学术委员会审查意见

学院学术委员会主任（签字）

学院（签章）

年 月 日