鍋爐供熱控制系統(tǒng)PLC的設(shè)計(jì)

1、第一章 緒論1.1鍋爐的作用及供熱控制系統(tǒng)現(xiàn)狀1.1.1 鍋爐的作用 鍋爐及鍋爐房是供熱系統(tǒng)中熱源產(chǎn)生的主要設(shè)備。 鍋爐是化工、石化、冶金、輕紡、造紙等工礦企業(yè)主要?jiǎng)恿C(jī)供熱設(shè)備。 鍋爐是能源工業(yè)發(fā)展的主要組成部分。1.1.2 供熱系統(tǒng)現(xiàn)狀鍋爐是化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要的動(dòng)力設(shè)備。它所產(chǎn)生的高壓蒸汽，既可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、大型泵類的驅(qū)動(dòng)透平的動(dòng)力源，又可作為蒸餾、化學(xué)反應(yīng)、干燥和蒸發(fā)等過程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)設(shè)備的不斷創(chuàng)新，作為全場(chǎng)動(dòng)力和熱源的鍋爐，也向著大容量、高參數(shù)、高效率發(fā)展。為了確保安全，穩(wěn)定生產(chǎn)，鍋爐設(shè)備的控制系統(tǒng)就顯得愈加重要。隨著經(jīng)濟(jì)的

2、迅猛發(fā)展，自動(dòng)化控制水平越來越高，用戶對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)的工作效率要求也越來越高，為了提高鍋爐的工作效率，較少對(duì)環(huán)境的污染問題，所以理由計(jì)算機(jī)與組態(tài)軟件技術(shù)隊(duì)鍋爐生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制有著重要的意義。其優(yōu)越主要在于：首先，通過對(duì)鍋爐燃燒過程進(jìn)行有效控制，使燃燒在合理的條件下進(jìn)行，可以提高燃料效率。由于工業(yè)鼓了耗煤量大，燃煤熱效率每提高百分之一都會(huì)生產(chǎn)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。其次，鍋爐控制過程的自動(dòng)化處理以及監(jiān)控軟件良好的人際界面使運(yùn)行參數(shù)在CRT上的集中監(jiān)測(cè)，操作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時(shí)修改運(yùn)行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)性、安全性。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)有的普及、可

3、靠性的提高及交個(gè)的小降，工業(yè)鍋爐的危機(jī)控制必將得到更廣泛的應(yīng)用。鍋爐作為重要的動(dòng)力設(shè)備，其控制的基本要求是供給合格的蒸汽，使鍋爐蒸發(fā)量適應(yīng)符合的要求。為此，生產(chǎn)過程的各個(gè)主要參數(shù)必須嚴(yán)格控制。鍋爐設(shè)備是一個(gè)多輸入、多輸出的復(fù)雜控制對(duì)象，這些輸入變量與輸出變量之間是相互關(guān)聯(lián)的。如果蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化，必將引起汽包水位、蒸汽壓力和蒸汽溫度等的變化；燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時(shí)還會(huì)影響汽包水位、蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓；給水量的變化不儀影響汽包水位，而且對(duì)蒸汽壓力、蒸汽溫度等亦有影響；所以鍋爐設(shè)備是多輸入，多輸出且相互關(guān)聯(lián)的控制對(duì)象。12燃煤鍋爐自動(dòng)控制的發(fā)展歷史燃煤鍋爐是一個(gè)比較復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備，有幾

4、十個(gè)測(cè)量參數(shù)、控制參數(shù)和擾動(dòng)參數(shù)，它們之問相互作用，相互影響，存在明顯的或不明顯的復(fù)雜因果關(guān)系，而且測(cè)控參數(shù)也經(jīng)常變化，存在一定的非線性特性，這一切都給鍋爐的控制增加了難度。1純手動(dòng)階段在六十年代以前，由于自動(dòng)化技術(shù)與電子技術(shù)發(fā)展不成熟，人們的自動(dòng)化觀念還比較淡薄，這段時(shí)期的鍋爐一般采用純手動(dòng)的控制方式，即操作工人通過經(jīng)驗(yàn)決定送風(fēng)、給水、引風(fēng)、給煤的多少，通過手動(dòng)操作器等方式來達(dá)到控制鍋爐的目的。這樣就要求司爐人員必須有豐富的經(jīng)驗(yàn)，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，事故率高，更談不上保證鍋爐的高效率運(yùn)行。2自動(dòng)化單元組合儀表控制階段隨著自動(dòng)化技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外己經(jīng)丌發(fā)并廣泛應(yīng)用了全自動(dòng)工業(yè)鍋爐控制

5、技術(shù)。60年代自訂期，我國(guó)工業(yè)鍋爐的控制技術(shù)丌始發(fā)展，60年代后期我國(guó)引進(jìn)了國(guó)外的全自動(dòng)燃油工業(yè)鍋爐的控制技術(shù)，70年代后期己經(jīng)研制了一些工業(yè)鍋爐的自動(dòng)化儀表，正式將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)鍋爐控制領(lǐng)域，因而熱效率有所提高，事故率也有所下降。但是，由于采用單元組合儀表靠硬件來實(shí)現(xiàn)控制功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些簡(jiǎn)單的控制算法，不能實(shí)現(xiàn)一些較先進(jìn)的算法和控制技術(shù)，控制效果仍然不理想。3采用微機(jī)測(cè)控階段隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高集成度、高可靠性、價(jià)格低廉的微型計(jì)算機(jī)、單板機(jī)、單片機(jī)、工業(yè)專用控制計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及在我固的廣泛應(yīng)用，為鍋爐控制領(lǐng)域開辟了一片廣闊的天地。運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，開發(fā)出高效率

6、、高可靠性、全自動(dòng)的微機(jī)工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)同益得到重視。80年代后期至今，國(guó)內(nèi)己經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了各種各樣的鍋爐微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，明顯地改善了鍋爐的運(yùn)行狀況，但還不夠完善，并對(duì)環(huán)境和抗干擾要求較高。4分散控制階段分散控制系統(tǒng)(DCS)也稱集成控制系統(tǒng)，其本質(zhì)是采用分散控制和集中管理的設(shè)計(jì)思想，分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)，采用層次化的體系結(jié)構(gòu)，從下到上依此分為直接控制層、操作監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層和決策管理層。DCS是以多臺(tái)DDC計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，集分散型控制系統(tǒng)。目前分散控制系統(tǒng)大多采用可編程控制器(PLC)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工控機(jī)機(jī)PLC的組合，不但系統(tǒng)體積小、可靠性高，而且造價(jià)較低，得到了廣大用戶的青睞。1.3鍋爐運(yùn)行

7、的基本理論 1.燃料化學(xué)能妝花為熱能燃燒學(xué) 燃料產(chǎn)物：高溫?zé)煔?2.高溫?zé)煔庀蛩艧醾鳠釋W(xué) 輻射放熱：水冷壁等；對(duì)流放熱：對(duì)流管束等 3.水吸熱：氣液兩相流（水循環(huán)） 爐內(nèi)放熱：煤粉+空氣混合燃燒（氣固兩相流） 油霧+空氣混合燃燒（氣液兩相流） 煙氣丟受熱面的流動(dòng)沖刷第二章 鍋爐供熱控制系統(tǒng)的總體介紹21鍋爐供熱控制系統(tǒng)的組成目前我國(guó)的供熱系統(tǒng)主要以燃煤鍋爐為主體。而鍋爐按照供熱性質(zhì)來分，可以分為熱水爐和蒸汽爐兩種。下面是供熱控制系統(tǒng)的組成。該系統(tǒng)現(xiàn)有兩臺(tái)20T/H的熱水爐、一臺(tái)10T/H的熱水爐、一臺(tái)6TH的蒸汽爐以及5個(gè)換熱站組成。整個(gè)供熱控制系統(tǒng)可以分為一次網(wǎng)部分和二次網(wǎng)兩個(gè)部分組成。一

8、次網(wǎng)主要是冷水經(jīng)鍋爐加熱并傳送到換熱站以自訂的一次側(cè)部分；而二次網(wǎng)則是在換熱站中經(jīng)過熱交換，熱水給用戶供熱，并返回?fù)Q熱站的部分。22交流電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)介紹傳統(tǒng)的給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)都是采用定速泵和風(fēng)機(jī)，以改變調(diào)節(jié)閥門開度來改變給水流量和風(fēng)量。這種調(diào)節(jié)方式的缺點(diǎn)是給水泵消耗功率大，調(diào)節(jié)閥門承受的壓力大，容易造成調(diào)節(jié)閥門的迅速磨損。為了節(jié)約能源，目前在大型鍋爐中廣泛采用變頻調(diào)節(jié)，變頻調(diào)整是一種高效的交流調(diào)整方法，它利用變頻器實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的無級(jí)變速，鍋爐控制采用變頻調(diào)整是節(jié)能的有效途徑鍋爐的應(yīng)用面很廣，應(yīng)用量也很大。在化工、煉油、發(fā)電、造紙、制糖、化纖、紡織、印染等工業(yè)部門，鍋爐是必不可少

9、的重要的動(dòng)力設(shè)備。鍋爐風(fēng)機(jī)一般按滿足鍋爐最大負(fù)荷設(shè)計(jì)選型，而一常工作卻在額定負(fù)荷的70左右，因此，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的裕量較大，節(jié)電潛力很大。鍋爐風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)常用風(fēng)門控制，即增加管路阻力，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，其效率低、能耗大，大量電能被白白浪費(fèi)掉，采用變頻調(diào)整調(diào)節(jié)風(fēng)量，不需要風(fēng)門，管路阻力減少，系統(tǒng)所需風(fēng)量減少，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以降低，由于電機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此耗電量大幅度下降，節(jié)能效果是十分顯著的。2.3 燃煤鍋爐的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程2.3.1 燃煤鍋爐的組成鍋爐安熱療種類分，大致有燃油鍋爐、燃煤鍋爐和燃?xì)忮仩t。所有這些鍋爐，雖然燃料及其供給方式不同，但其結(jié)構(gòu)大同小異，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和蒸汽處理系

10、統(tǒng)是基本相同的。由以下幾部分組成：1汽包：由上下鍋筒和沸水管組成。水在管內(nèi)受管外煙氣加熱，因而在管簇內(nèi)發(fā)生自然循環(huán)流動(dòng)，并逐漸汽化，產(chǎn)生的飽和蒸汽聚集在鍋筒罩面。為了得到干度比較大的飽和蒸汽，在上鍋筒中還裝有汽水分離設(shè)備，下鍋筒做為連接沸水管之用，同時(shí)儲(chǔ)存水和水垢。2爐膛：是使燃料充分燃燒并放出熱能的設(shè)備。煤由煤斗落在轉(zhuǎn)動(dòng)的鏈條爐蓖上，進(jìn)入爐內(nèi)燃燒。燃燒所需要的空氣由爐排下面的風(fēng)箱送入，燃盡的殘?jiān)粻t蓖帶到除灰口，落入灰斗中。得到加熱的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過各個(gè)受熱面，將熱量傳遞給水后，經(jīng)由煙囪排至大氣。3省煤器：燃煤鍋爐爐膛排除的煙氣具有較高的溫度，利用其熱量可以加熱進(jìn)入汽包的冷水，一般省煤器由蛇

11、形管組成。4空氣預(yù)熱器：繼續(xù)利用離丌省煤器后的煙氣余熱，加熱燃料燃燒所需要的空氣的換熱器。熱空氣可以強(qiáng)化爐內(nèi)燃燒過程，提高鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性，提高鍋爐熱效率。5引風(fēng)設(shè)備：包括引風(fēng)機(jī)、煙囪、煙道幾部分，將鍋爐中的煙氣連續(xù)排出，保持爐膛的負(fù)壓燃燒正常。6鼓風(fēng)設(shè)備：由鼓風(fēng)送風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、風(fēng)箱組成，供應(yīng)燃料燃燒所需要的空氣。7給水設(shè)備：由給水泵和給水管組成。給水泵用來克服給水管路和省煤器的流動(dòng)阻力和鍋爐的壓力，把水送入汽包中。8水處理設(shè)備：用來清除水中雜質(zhì)和降低給水硬度，防止鍋爐受熱面上結(jié)水垢或腐蝕鍋爐，從而提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性。9燃料供給設(shè)備：由運(yùn)煤設(shè)備、原煤倉和儲(chǔ)煤斗等設(shè)備組成，保證鍋爐所需燃料的

12、供應(yīng)。10除灰除塵設(shè)備：分別為收集鍋爐灰渣并運(yùn)往存狄場(chǎng)地及除去煙氣中灰粒的設(shè)備，以減少對(duì)周圍環(huán)境的污染。232燃煤鍋爐的工作過程鍋爐最基本的組成是汽鍋和爐子兩大部分。燃料在爐子罩進(jìn)行燃燒，將其化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，高溫的燃燒產(chǎn)物一煙氣通過汽鍋受熱面將熱能傳遞給汽鍋內(nèi)溫度較低的水，水被加熱進(jìn)而沸騰汽化，生成蒸汽。以某高校鍋爐房的鍋爐為例，其工作概括起來應(yīng)包括三個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程：1燃料的燃燒過程：燃料煤加到煤斗中，借助于自重下落在爐排面上，爐排靠電動(dòng)機(jī)通過變速齒輪減速后由鏈條來帶動(dòng)，將燃料煤帶入爐內(nèi)。新煤入爐，經(jīng)預(yù)熱階段后開始著火，揮發(fā)物燃燒，同時(shí)焦炭也逐漸燃燒。燃料一面燃燒，一面向后移動(dòng)。燃燒所需要

13、的空氣是由送風(fēng)機(jī)送入爐體的風(fēng)倉，向上通過爐排到達(dá)燃燒燃料層。風(fēng)量和燃料量要成比例，進(jìn)行充分燃燒，形成高溫?zé)煔?。燃料燃燒剩下的灰渣，在爐排末端翻過除渣板后排入灰斗。燃燒過程進(jìn)行得完善與否，是鍋爐正常工作的根本條件。要使燃料量、空氣量和負(fù)荷蒸汽量有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這就是根據(jù)所需要的負(fù)荷蒸汽量來控制燃料量和送風(fēng)量，同時(shí)還要通過引風(fēng)設(shè)備控制爐膛負(fù)壓。該過程的特點(diǎn)是時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)問都比較大，而且隨著媒質(zhì)、煤種及風(fēng)量的改變，這兩個(gè)參數(shù)將有很大的變化。2煙氣向水(汽)等的傳熱過程：燃料燃燒所放出的熱量使得爐內(nèi)溫度很高，高溫?zé)煔馀c布置在爐膛四周墻面上的水管進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射傳熱。煙氣將熱量傳遞給管內(nèi)的水后，由于

14、引風(fēng)機(jī)和煙囪的引力作用而向爐膛上方流動(dòng)。沿途降低溫度的煙氣最后進(jìn)入尾部煙道，經(jīng)省煤器和空氣預(yù)熱器進(jìn)行熱交換，以較低的溫度排出鍋爐。3水的汽化過程：對(duì)于蒸汽爐來說，經(jīng)過處理的水由泵加壓，先流經(jīng)省煤器而得到預(yù)熱，然后進(jìn)入汽鍋。鍋爐工作時(shí)，汽鍋中的工作介質(zhì)是處于飽和狀態(tài)下的汽水混合物，它們位于煙氣溫度較低的對(duì)流管束中。由于受熱較少，汽水混合物的容重較大；而處于煙氣溫度較高區(qū)的水冷壁和對(duì)流管束受熱多，其相應(yīng)工質(zhì)的容重?。哼@樣，容重大的工質(zhì)向下流入下鍋筒，而容重較小的工質(zhì)則向上流入上鍋筒，形成水的自然循環(huán)。由于上鍋筒內(nèi)的汽水分離設(shè)備和鍋筒本身空間J內(nèi)的重力分離作用，使汽水混合物得以分離。24燃煤鍋爐的自

15、動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)燃煤鍋爐的任務(wù)是根據(jù)負(fù)荷要求，生產(chǎn)具有一定參數(shù)(壓力和溫度)的蒸汽和熱水。為了滿足負(fù)荷設(shè)備的要求，保證鍋爐本身運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，它主要要實(shí)現(xiàn)下列自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)：1出水溫度控制：出水溫度控制同路即鍋爐的爐排控制回路，它通過調(diào)節(jié)爐排轉(zhuǎn)速即調(diào)節(jié)給煤量的多少來調(diào)節(jié)鍋爐的出水溫度。鍋爐出水溫度是熱水鍋爐的最重要的參數(shù)，采用微機(jī)控制可有效克服人工控制的缺陷微機(jī)內(nèi)預(yù)存有各種室外溫度下的標(biāo)準(zhǔn)供水溫度及標(biāo)準(zhǔn)供水、回水溫度差曲線，微機(jī)首先根據(jù)當(dāng)?shù)氖彝鉁囟燃耙欢螘r(shí)問的室外溫度變化情況推算出室外溫度的變化趨勢(shì)，再由標(biāo)準(zhǔn)供水曲線上查得當(dāng)前訂鍋爐的出水溫度標(biāo)準(zhǔn)值，作為出水溫度控制回路的給定值。微機(jī)根據(jù)鍋爐當(dāng)前

16、出水溫度與給定值的偏差大小，通過內(nèi)部的控制算法調(diào)節(jié)爐排轉(zhuǎn)速大小，使鍋爐出水溫度逐漸達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。2回水壓力控制：回水壓力主要是指在一次網(wǎng)循環(huán)過程中，被加熱的水在換熱站中完成熱交換，將熱量交換給二次網(wǎng)以后的低溫水返回鍋爐中，在網(wǎng)管中的壓力?；厮畨毫Φ淖詣?dòng)控制的目標(biāo)是為了保證系統(tǒng)管道的安全性，通過控制補(bǔ)水泵和變頻閥對(duì)回水壓力進(jìn)行控制。加熱引起的熱膨脹作用，使管道內(nèi)壓力逐漸身高，到升高一定值時(shí)，開啟安全閥對(duì)系統(tǒng)泄壓，避免由于管道壓力過高引起的管道破裂或者損壞；在循環(huán)過程中，由于在管道中的泄漏情況，使的管道內(nèi)壓力逐漸降低，使的系統(tǒng)壓力不足，影響供暖效果，需要開啟補(bǔ)水泵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水，以提高系統(tǒng)的回水壓力

17、。3汽包水位控制：鍋爐汽包水位自動(dòng)控制的目標(biāo)就是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量并維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)。汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)，是一個(gè)非常重要的被控變量，維持汽包水位在一定的范圍內(nèi)足保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件。4蒸汽壓力控制：蒸汽壓力是衡量蒸汽供求關(guān)系是否平衡的重要指標(biāo)，是蒸汽的重要工藝參數(shù)。壓力過高，會(huì)加速會(huì)屬的蠕變；壓力太低，不能提供負(fù)荷符合要求的蒸汽。在鍋爐運(yùn)行過程中，蒸汽壓力降低，表明負(fù)荷的蒸汽消耗量大于鍋爐的蒸發(fā)量；蒸汽壓力升高，說明負(fù)荷的蒸汽消耗量小于鍋爐的蒸發(fā)量。因此，控制蒸汽壓力，是安全生產(chǎn)的需要，是維持負(fù)荷正常工作的需要，也是保證燃燒經(jīng)濟(jì)性的需型。鍋爐蒸汽壓力的變化是

18、由于熱平衡失調(diào)引起的而影響熱平衡的因素主要是燃燒熱和蒸汽熱，燃燒熱的波動(dòng)引起的熱平衡失調(diào)稱為“內(nèi)擾”，而蒸汽熱波動(dòng)引起的熱平衡失調(diào)為“外擾”，為了克服內(nèi)外擾對(duì)蒸汽壓力的影響，在各個(gè)基本的單爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)中，輸入到鍋爐的燃燒熱必須跟隨蒸汽熱的變化而變化以盡量保持熱量平衡同時(shí)根據(jù)蒸汽壓力與給定值的偏差適當(dāng)增減燃料量以增加或減少蒸汽壓力。5爐膛壓力控制：燃燒過程中，應(yīng)使引風(fēng)量和送風(fēng)量相適應(yīng)。鍋爐正常運(yùn)行中，爐膛壓力應(yīng)保持在微負(fù)壓狀態(tài)下。負(fù)壓過大，漏風(fēng)嚴(yán)重，總的風(fēng)量增加，煙氣熱量損失增大，不利于安全生產(chǎn)和環(huán)境衛(wèi)生。6爐排轉(zhuǎn)速控制：鍋爐燃燒過程，用戶需要的蒸汽量和蒸汽壓力都不是不變的，用汽量有一個(gè)高

19、峰和低谷消耗時(shí)期，為了能滿足用戶不同時(shí)段的用汽需求，給煤量的多少也要隨之改變，即要控制爐排轉(zhuǎn)速，調(diào)整燃燒給煤量。7維持經(jīng)濟(jì)燃燒：要使鍋爐燃燒過程工作在最佳工況，提高鍋爐的效率和經(jīng)濟(jì)性，關(guān)鍵問題是空氣和燃料維持適當(dāng)比例。要使得燃燒過程中不出現(xiàn)燃料燃燒不充分而導(dǎo)致一氧化碳和冒黑煙的現(xiàn)象，這就需要快速而精確地對(duì)燃燒進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使空氣和燃料呈現(xiàn)最佳的配比。第三章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)31 PLC軟件介紹PLC軟件既有制造廠家提供的系統(tǒng)程序，又有用戶自行開發(fā)的應(yīng)用程序。系統(tǒng)程序?yàn)橛脩舫绦虻呢l(fā)提供運(yùn)行平臺(tái)，同時(shí)，還為PLC程序的可靠運(yùn)行及信號(hào)與信息轉(zhuǎn)換進(jìn)行必要的處理。用戶程序由用戶按具體的控制系統(tǒng)要求進(jìn)行設(shè)

20、計(jì)。311模塊式PIC的基本結(jié)構(gòu)可編程邏輯控制器實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，可編程邏輯控制器其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：一、電源 可編程邏輯控制器的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此，可編程邏輯控制器的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去 二、中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/

21、O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高可編程邏輯控制器的可靠性，近年來對(duì)大型可編程邏輯控制器還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 三、存儲(chǔ)器

22、 存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。 存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。 四、輸入輸出接口電路 1現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是可編程邏輯控制器與現(xiàn)場(chǎng)控制的接口界面的輸入通道。 2現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成，作用可編程邏輯控制器通過現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。 五、功能模塊 如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊。 六、通信模塊312 PLC的特點(diǎn)1編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)：梯形圖是使用得最多的PLC的編程語言，其電路符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器電路原理圖相似，提醒圖語言形象直觀，易學(xué)易懂。2功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高：一臺(tái)小型PLC

23、內(nèi)有成百卜千個(gè)可供用戶使用的編程元件，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性價(jià)比。通過通信聯(lián)網(wǎng)，PLC可以實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。3硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)：PLC已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，使用能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。4可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)：PLC使用了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，平均無故障時(shí)間達(dá)到數(shù)萬小時(shí)以上，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，PLC已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。5系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量下：PLC使用軟件功能取代了

24、繼電器控制系統(tǒng)中大量的中問繼電器、時(shí)問繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中，一般通過修改程序就呵以解決發(fā)現(xiàn)的問題，系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)問比繼電器系統(tǒng)少得多。6維修工作量小，維修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障診斷功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程軟件提供的信息，方便地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速的排除故障。7體積小，功耗低：對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使用PLC后，可以減少大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，小型PLC的體積僅相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的大小，因此可以將開關(guān)柜的體積縮小

25、到原來的12110。32控制系統(tǒng)所用功能塊為支持結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，STEP 7將用戶程序分類歸并為不同的塊，根據(jù)程序要求，選用OB、FB、FC等邏輯塊，而DB或DI則用來存儲(chǔ)程序所需的數(shù)據(jù)。在某高校鍋爐控制程序中使用了下列幾種類型的塊：1組織塊(OB)：OB決定本系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)；2系統(tǒng)功能塊(SFB)和系統(tǒng)功能(SFC)：SFB和SFC集成在S7CPU中可以用來訪問一些重要的系統(tǒng)功能。3功能塊(FB)：FB是帶“存儲(chǔ)區(qū)域”的塊，可以自己編程這個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域；4功能(FC)：FC中是經(jīng)常使用的功能的程序；背景數(shù)據(jù)塊(背景DB)：當(dāng)一個(gè)FBSFB被調(diào)用時(shí)，背景DB與該塊相關(guān)聯(lián)，它們可以在編譯過程中自動(dòng)生

26、成；5數(shù)據(jù)塊(DB)：DB是用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)域，除了指定一個(gè)功能塊的數(shù)據(jù)，還可以定義可以被任何塊使用的共享數(shù)據(jù)。(1)組織塊及其優(yōu)先級(jí)：組織塊是操作系統(tǒng)和程序的接El。它有操作系統(tǒng)調(diào)用并控制循環(huán)和中斷驅(qū)動(dòng)的程序的執(zhí)行以及可編程控制器如何啟動(dòng)。它們還處理對(duì)錯(cuò)誤的響應(yīng)，通過編程組織塊可指定CPU的反應(yīng)。組織塊決定各個(gè)程序部分執(zhí)行的順序。一個(gè)OB的執(zhí)行可以被另一個(gè)OB的調(diào)用而中斷。那個(gè)OB可以中斷另一個(gè)OB由它的優(yōu)先級(jí)決定，高優(yōu)先級(jí)的OB可以中斷低優(yōu)先級(jí)的OB，其中用于主程序循環(huán)的OB 1優(yōu)先級(jí)最高，背景OB優(yōu)先級(jí)最低。如果被操作系統(tǒng)調(diào)用的OB多于一個(gè)，最高優(yōu)先級(jí)的OB最先執(zhí)行，其他OB根據(jù)

27、優(yōu)先級(jí)依次進(jìn)行。(2)功能(FC)：FC是“無存儲(chǔ)區(qū)”的邏輯塊。FC的臨時(shí)變量存儲(chǔ)在局域數(shù)據(jù)堆棧中，當(dāng)FC執(zhí)行結(jié)束后，這些數(shù)據(jù)丟失了。要將這些數(shù)據(jù)永久存儲(chǔ)，F(xiàn)C也可以使用共享數(shù)據(jù)塊。由于FC沒有自己的存儲(chǔ)區(qū)，所以必須為它指定實(shí)際參數(shù)，不能為一個(gè)FC的局域數(shù)據(jù)分配初始值。(3)功能塊(FB)：功能塊是具有“存儲(chǔ)功能”的塊，用數(shù)據(jù)塊作為功能塊的存儲(chǔ)器。傳遞給功能塊的參數(shù)和靜念變量存儲(chǔ)在背景塊中。臨時(shí)變量存在本地?cái)?shù)據(jù)堆棧中。當(dāng)功能塊執(zhí)行結(jié)束時(shí)，存在背景塊中的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，但存在本地堆棧中的數(shù)據(jù)將丟失。功能塊使得對(duì)于經(jīng)常使用的功能、復(fù)雜功能的編程變得容易。由兩部分組成，一部分是每個(gè)FB的變量聲明表，生

28、命此塊的局部變量；另一部分是邏輯指令組成的程序，程序要用到變量聲明表中給出的局部數(shù)據(jù)。當(dāng)調(diào)用FB時(shí)，需要提供執(zhí)行時(shí)用到的數(shù)據(jù)或變量，將外部數(shù)據(jù)傳遞給FB，使得FB具有通用性，可被其他的塊調(diào)用，以完成多個(gè)類似的控制任務(wù)。它至少具有一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊。功能FC和FB的區(qū)別是沒有背景數(shù)據(jù)塊，其不能使用靜態(tài)變量，當(dāng)完成操作后數(shù)據(jù)不能保持。(4)共享數(shù)據(jù)塊(DB)和背景數(shù)據(jù)塊(DI)：如果某個(gè)邏輯塊(FC，F(xiàn)B或OB)被調(diào)用，則它可以臨時(shí)占用局域數(shù)據(jù)IX(L堆棧)。除了這個(gè)局域數(shù)據(jù)區(qū)，邏輯塊還可以打開一個(gè)DB形式的存儲(chǔ)區(qū)。與局域數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)不同，在DB中的數(shù)據(jù)當(dāng)DB關(guān)閉時(shí)，也就是，當(dāng)相應(yīng)的邏輯塊結(jié)束時(shí)，不

29、會(huì)被刪除。每個(gè)FB，F(xiàn)C或OB可從共享DB中讀取數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)寫入共享DB。當(dāng)該DB退出時(shí)，這些數(shù)據(jù)保持在DB中。程序所需的大量數(shù)據(jù)或變量在數(shù)據(jù)塊中，是實(shí)現(xiàn)各邏輯塊之間交換，傳遞和共享數(shù)據(jù)的重要途徑。數(shù)據(jù)塊只有變量聲明部分，沒有程序。打開數(shù)據(jù)塊時(shí)，用聲明形式：ViewDeclaration View；也可用數(shù)據(jù)顯示形式：ViewData View。可建立一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊可大可小，但CPU對(duì)數(shù)據(jù)塊及數(shù)據(jù)總量有限制。對(duì)數(shù)據(jù)塊必須遵循先定義后使用的原則，否則，將造成系統(tǒng)混亂。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式有：基本數(shù)據(jù)類型，復(fù)式數(shù)據(jù)類型和用戶數(shù)據(jù)類型。(5)系統(tǒng)功能塊(SFB)和系統(tǒng)功能(SFC)：在S7中

30、不需要每個(gè)功能都自己編程，S7CPU提供了一些已經(jīng)編號(hào)的程序塊，這些塊可在用戶程序中進(jìn)行調(diào)用。1)統(tǒng)功能塊(SFB)：系統(tǒng)功能塊時(shí)集成在S7CPU中的功能塊。SFB作為操作系統(tǒng)的一部分，不占用戶程序空問。與FB相同，SFB也是“具有存儲(chǔ)能力”的塊。用戶必須為SFB生成背景數(shù)據(jù)塊，并將其下載到CPU中作為程序的一部分。2)系統(tǒng)功能(SFC)-系統(tǒng)功能時(shí)集成在S7CPU中的預(yù)先編號(hào)程序并通過測(cè)試的功能。可在程序中直接調(diào)用SFC屬于操作系統(tǒng)的一部分，而不算做用戶程序的一部分。與FC相同，SFC是“不具有存儲(chǔ)能力”的塊。3.3 鍋爐系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)鍋爐供熱控制系統(tǒng)的控制策略包括：穩(wěn)定控制策略和動(dòng)態(tài)識(shí)別控制

31、策略等。穩(wěn)定控制策略是指整個(gè)系統(tǒng)按照時(shí)間進(jìn)行控制，對(duì)于不同的用戶和不同的時(shí)間段按照固定溫度進(jìn)供暖，比如居民區(qū)，從凌晨4點(diǎn)到上午10點(diǎn)，按照一個(gè)溫度值T1進(jìn)行供暖；在10點(diǎn)到下午4點(diǎn)左右，按照溫度值T2進(jìn)行供暖；在下午4點(diǎn)到夜問10點(diǎn)左右，按照溫度T3進(jìn)行供暖；而在此以后到凌晨，則按照T4進(jìn)行供暖。根據(jù)實(shí)際需要，其中T1，T3的值比，r2，T4的值相對(duì)較高。而對(duì)于教學(xué)樓，辦公樓等用戶，控制起來相對(duì)簡(jiǎn)單，在夜問只要采用低溫供暖即可，白天則可以采用某一個(gè)固定值進(jìn)行供暖。動(dòng)態(tài)識(shí)別控制策略是指根據(jù)外界溫度的變化，從而對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。相比較上面兩種控制策略，穩(wěn)定控制策略控制方法比較簡(jiǎn)單，但是對(duì)于室

32、外溫度的感知很少，無法對(duì)室外溫度的變化做出相應(yīng)的反應(yīng)；動(dòng)念控制策略控制起來比較麻煩，但是對(duì)室外溫度的變化能夠做出適時(shí)的反應(yīng)。對(duì)于上面兩種控制方法各有利弊，所以本文采用的控制策略即使將穩(wěn)定控制策略和動(dòng)念識(shí)別控制策略揉和在一起，兩種控制策略可以互相切換，既可以在平時(shí)控制起來比較方便，也可以對(duì)外界天氣的變化做出相應(yīng)的反應(yīng)，控制起來比較人性化。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的控制程序，在啟動(dòng)系統(tǒng)之后，首先進(jìn)行參數(shù)的初始化程序，分別對(duì)系統(tǒng)累加器、定時(shí)器等功能塊進(jìn)行初始化，之后進(jìn)行模擬量采集，對(duì)要求被控制的參數(shù)按照一定的時(shí)問間隔進(jìn)行采集，然后調(diào)用相應(yīng)的標(biāo)度化程序?qū)Σ杉膮?shù)進(jìn)行標(biāo)度化處理，使從外界采集到的實(shí)際工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成

33、PLC內(nèi)部可以直接使用的數(shù)據(jù)。在完成以上工作之后，各個(gè)回路調(diào)用自己相應(yīng)的控制算法對(duì)系統(tǒng)中的四個(gè)控制回路的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警控制程序，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的越限情況。按此情況循環(huán)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)控制過程。第四章 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)4.1 PLC系統(tǒng)的抗干擾性可編程控制器(PLC)在工業(yè)控制中應(yīng)用越來越廣泛，而PLC在工業(yè)控制的過程中，所在的工作環(huán)境十分復(fù)雜，各種干擾產(chǎn)生的影響不利于PLC系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力直接關(guān)系到PLC能否穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。411電磁干擾源及對(duì)系統(tǒng)的影響影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源與一般影響工業(yè)控制設(shè)備的干擾源一樣，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部

34、位，這些電荷劇烈移動(dòng)的部位就是噪聲源，即干擾源?？刂葡到y(tǒng)中電磁干擾的主要來源空間的輻射電磁場(chǎng)干擾(EMI)主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達(dá)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復(fù)雜。若PLC系統(tǒng)置于射頻場(chǎng)內(nèi)，就會(huì)收到輻射干擾，其影響主要通過兩條途徑：一是直接對(duì)PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；二是對(duì)PLC通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)大小，特別是頻率有關(guān)，一般通過設(shè)置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽進(jìn)行保護(hù)。412系統(tǒng)外引線的干擾1來自電源的干擾實(shí)踐證明，因電源引入的干擾造成PLC控制系統(tǒng)故

35、障的情況很多，可更換隔離性能更高的PLC電源來解決。PLC系統(tǒng)的幣常供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾在線路上的感應(yīng)電壓和電流。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，開關(guān)操作的浪涌、大型電力設(shè)備的起停、交直流傳動(dòng)引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。PLC電源通常采用隔離電源，但其機(jī)構(gòu)及制造工藝因素使其隔離性能并不理想。實(shí)際上，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對(duì)隔離是不可能的。2來自信號(hào)線引入的干擾與PLC系統(tǒng)連接的各類信號(hào)傳輸線，除了傳輸有效的各類信息外，總會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號(hào)儀表的供電電源竄入

36、的電網(wǎng)干擾，這往往被忽視；二是信號(hào)線受空間電磁輻射的干擾，即信號(hào)線上的外部感應(yīng)干擾，這是很嚴(yán)重的。由信號(hào)引入的干擾會(huì)引起IO信號(hào)工作異常和測(cè)量精度大大降低，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件的損傷。對(duì)于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號(hào)問相互干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動(dòng)作和死機(jī)。PLC控制系統(tǒng)因信號(hào)引入干擾造成IO模塊損壞的情況相當(dāng)嚴(yán)重。3來自接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正確的接地，即能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾：而錯(cuò)誤的接地，反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào)，會(huì)使PLC系統(tǒng)無法正常工作。PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等。接地系統(tǒng)混亂對(duì)PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)問存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點(diǎn)接地，如果電纜屏蔽層兩端都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時(shí)，地線電流