1、燃油锅炉燃烧过程的PLC控制摘 要锅炉是一次性能源煤炭石油天然气转换成二次能源蒸汽量的重要动力设备。据有关数据统计，目前我国有各类工业锅炉约25万多台。每年耗煤量占全国产量的1/3，同时还消耗大量的石油和天然气。工业锅炉是生产过程中重要的动力设备。在石油化工领域，它的主要作用是向生产装置提供所需要的合格蒸汽，其控制质量的优劣不仅关系到锅炉自身运行的效果，而且还将直接影响道相关装置生产过程的稳定性。现代燃油燃烧机多为自动控制的燃烧机，一般采用工业程序控制器、火焰检测器以及温度传感器等组成自动控制系统。燃油锅炉和建筑物自备发电机随着城市发展而越来越多地应用。以前使用燃煤锅炉由于其在燃烧时产生大量的
2、CO2和粉尘污染环境而逐渐被淘汰，相对应的用燃油锅炉来代替燃煤锅炉已被广泛用于宾馆、大型商场等建筑。由PLC组成的燃油锅炉控制系统适用于配用各种进口及国产燃烧器的燃油锅炉，对锅炉实行全自动控制，包括锅炉水位、蒸汽压力、燃烧系统的参数检测、指示、报警、调节等进行控制。目前，自动控制技术尤其是锅炉控制技术在国内外得到广泛的应用和要求。时滞效应始终困扰着其实际应用，为此人们发明了多种控制方法来解决时滞问题，例如比例控制方式、PID控制方式、模糊控制方式等。本文将针对一种燃油锅炉控制方式进行学习，并设计一个用三菱系列的可编程序控制器（Program Logic Control, PLC）对燃油锅炉控制
3、的项目。其控制过程主要是将采样的数据通过可编程序控制器预先编好的程序进行控制，通过观测燃烧锅炉加热过程中的燃烧、水温、压力与水位等输出，实现对燃油锅炉加热过程的自动控制。本文介绍了一种利用PLC（FX）的燃油锅炉控制，并且叙述了燃油锅炉的基本原理、PLC的基本原理、PLC的工程设计步骤。并由PLC来控制燃油锅炉的起动、停止、出现异常情况时能暂停且异常情况消失后能自动按起燃顺序重新工作的；并且对硬件部分和软件部分的设计做了详细的说明。本设计可以对燃烧机燃烧 火焰状况进行及时调节，既可以单调油门、还可以油门联动，进行风、油比例调整。具有手动/自动控制功能，并能与计算机进行实时通信。适用于各种工业锅
4、炉。适用燃料为：柴油、重油、渣油及各种气体燃料，并可单燃油、单燃气、油气混燃。关键词：可编程序控制器 燃油锅炉 控制系统1 PLC的概述1.1可编程控制器的基本结构PLC由中央处理单元、存储器、输入输出单元、电源、编程器五部分组成。其结构框图如图1所示。图1 可编程控制器的基本结构图1）中央处理单元（简称CPU）CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的
5、状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。2）存储器（RAM、ROM）存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器;存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储器称为数据存储器。常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。掉电时，可有效地保持存储的信息。EPROM、EEPROM都是只读存储器。用
6、这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。3）输入输出单元（I/O单元）I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。4）电源PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用
7、的为24VAC）。5）编程器编程器是PLC的最重要外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。1.2可编程控制器的工作原理最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的： 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。 PLC的CPU则采用顺序
8、逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 1）扫描技术 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周
9、期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图2。 图2 PLC的扫描周期图输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描
10、梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排
11、在其上面的程序起作用。 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。 比较下二个程序的异同： 程序1：程序2：这两段程序执行的结果完全一样，但在PLC中执行的过程却不一样。程序1只用一次扫描周期，就可完成对%M4的刷新； 程序2要用四次扫描周期，才能完成对%M4的刷新。这两个例子说明：同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，也可以看到：采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所
12、占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图3所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。图3 PLC扫描过程组成图2）PLC的I/O响应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O
13、响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间分别如图4、图5所示：最短I/O响应时间：图4 最短响应时间图最长I/O响应时间：图5 最长响应时间图2 锅炉控制系统概况2.1燃油锅炉结构示意图燃油锅炉控制系统是由PLC来控制燃油锅炉的起动、停止、出现异常情况时能暂停且异常情况消失后能自动按起燃顺序重新工作的。它是由燃油预热器、喷油泵、喷油口、鼓风机、点火变压器、瓦斯阀、压力蒸汽开关、进水阀、排水阀、上下水位开关等组成，如图6所示。图6 燃油锅炉结构示意图燃油经燃油预热器预热，由喷油泵经喷油口打入锅炉进行燃烧。燃烧时，鼓
14、风机送风，喷油口喷油，点火变压器接通（子火燃烧），瓦斯阀打开（母火燃烧），将燃油点燃，使燃烧持续。锅炉的进水和排水分别由进水阀和排水阀执行，上、下水位分别由上限、下限水位开关检测，蒸汽压力由蒸汽压力开关检测，蒸汽压力由蒸汽压力开关检测。2.2燃油锅炉工作原理 燃油锅炉的工作原理就是锅炉的燃料以柴油或重油为主通过电动控制将和锅炉炉体燃烧室连接的喷油嘴点燃。燃油锅炉是利用燃油产生热能来工作的,使燃油能达到全自动燃烧的目的,必须使用燃油燃烧器,这个燃烧器有几大部件组成,一是风机,产生足够的氧气助燃,二是油泵及油嘴,油泵与风机电机联动产生高压油,约十二公斤每立方厘米,油嘴将此高压油形成雾状喷出,高压包
15、产生十千伏的高压在点火电极产生电火花点燃此油雾,正常的燃烧形成,其中还有一些附属设备如电眼,用来监控燃烧是否正常,电磁阀用来开闭油路,伺服马达控制风门的开度来调节风量大小,程控盒做为燃烧器的大脑来控制所有部件按顺序工作.2.3控制要求.启动：该锅炉的燃烧按一定时间间隔顺序起燃。其起燃顺序为：.停止：停止燃烧时，要求：.异常状况自动关火：锅炉燃烧过程中，当出现异常状况时（即蒸汽压力超过允许值，或水位超过上限，或水位低于下限），能自动关火进行清炉；异常状况消失后，又能自动按起燃程序重新点火燃烧，即：.锅炉水位控制：锅炉工作启动后，当水位低于下限时，进水阀打开，排水阀关闭。当水位高于上限时，排水阀打
16、开，进水阀关闭。3 总体方案的确定3.1PLC控制系统与继电器控制系统的比较1）功能强，性能价格比高 一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的相比，具有很高的性能价格比。可篇程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。 2）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流
17、接触器。 3）可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 4）系统的设计、安装、调试工作量少 PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少
18、得多。 5）编程方法简单 梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。 做为工业锅炉的控制，对控制的要求相当严格，并且控制系统的抗干扰能力也显得相当重要。综合上述三种方案，最终选择采用PLC控制方案。3.2PLC控制系统与微型计算机控制系统的比较1）应用范围：微机除了用在控制领域外，还大量用于科学计算、数据处理
19、、计算机通信等方面。而PLC主要应用于工业控制。2）使用环境：微机对环境要求很高，一般要在干扰小，具有一定的温度和湿度要求的机房内使用。而PLC适用于工程现场的环境。3）输入输出：微机系统的I/O设备与主机之间采用微机联系，一般不需要电气隔离。而PLC一般控制强电设备，需要电气隔离，输入输出均用“光-电”耦合，输出还采用继电器，晶闸管或大功率晶体管进行功率放大。4）程序设计：微机具有丰富的程序设计语言，例如：汇编语言、FORTRAN语言、PASCAL语言、C语言等，其语句多，语法关系复杂，要求使用者必须具备一定水平的计算机硬件和软件的知识。而PLC提供给用户的编程语句数量少，逻辑简单，易于学习
20、和掌握。5）系统功能：微机系统一般配有较强的系统软件，例如：操作系统，能进行设备管理、文件管理、存储器管理等。它还配有许多应用软件，以方便用户。而PLC一般只有简单的监控程序，能完成故障检查，用户的程序输入和修改、用户程序的执行与监视等功能。6）运算速度和存储容量：微机运算速度快，一般为微秒级。因有大量的系统软件和应用软件，故存储容量大。而PLC因接口的响应速度慢而影响数据处理速度。一般接口响应速度为2ms，PLC的巡回检查速度为每千字8ms。PLC的软件少，编程简短，故内存量少。7）价格：微机是通用机，功能完善，故价格较高。而PLC是专用机，功能较少，其价格是微机的十分之一。从以上几个方面的
21、比较可知：PLC是一种用于工业自动化控制的专用微机控制系统，结构简单，抗干扰能力强，易于学习和掌握。价格也比一般的微机系统便宜。3.3控制系统总体框架设计燃烧过程自动控制系统的方案，与锅炉的类型、运行方式及控制要求有关，对不同的情况与要求，控制系统的设计方案不一样。将单元机组燃烧过程被控对象看作是一个多变量系统，设计控制系统时，充分考虑工程实际问题，既保证符合运行人员的操作习惯，又要最大限度的实施燃烧优化控制。控制系统的总体框架如图7图7 单元机组燃烧过程控制原理图P为机组负荷热量信号。控制系统包括：滑压运行主汽压力设定值计算模块（由热力系统实验获得数据，再拟合成可用DCS折线功能块实现的曲线
22、）、负荷一送风量模糊计算模块、主蒸汽压力控制系统和送、引风控制系统等。主蒸汽压力控制系统采用常规串级PID控制结构。4 PLC的选型及硬件电路的设计4.1I/O地址分配根据控制要求，I/O通道地址分配如表1所示。表1 I/O地址分配输入设备输入点编号输出设备输出点编号启动按钮X0燃油预热Y0停止按钮X1鼓风机Y1蒸汽压力检测X2点火变压器Y2水位上限检测X3瓦斯阀Y3水位下限检测X4喷油泵Y4报警响应按钮X5进水阀Y5报警灯测试按钮X6排水阀Y6报警复位按钮X7报警Y7由上表可知，输入有8点,输出8点,I/O总数为16点。考虑适当的余量，则三菱公司FX2N系列机型FX2N-32MR-001满足
23、I/O总数，从而确定FX2N-32MR-001机型更为适合。FX2N-32MR-001基本参数：输出类型：继电器输出；运算控制方式：存储程序反复运算方式、中断命令输入输出控制方式：批处理方式(执行END指令时)，但是有IO刷新指令程序语言：继电器符号+步进梯形图方式(可用SFC表示)内置存储器容量：8 k步RAM(内置锂电池后备)，电池寿命约5年，使用RAM卡盒约3年运算处理速度：基本指令008us指令，应用指令l.52数100us指令电源：交流电源、24V直流输入类型。内置的24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。4.2设计PLC的外部接线正确选择PLC对于保证整个控制
24、系统的技术与经济性能指标起着重要的作用。选择PLC，包括机型的选择，容量的选择，I/O模块的选择，电源模块的选择等。根据被控制对象系统的要求，及PLC的输入量，输出量的类型和点数，确定出PLC的型号和硬件配置。对于整体式PLC，应该确定基本单元和扩展单元的型号;对于模块式PLC，应确定框架(或基板)的型号，及所需模板的型号和数量。PLC硬件配置确定后，应对I/O点进行分配，确定外部输入输出元件与PLC的I/O点的连接关系，完成I/O点地址定义表。分配好与各输入量和输出量相对应的元件后，设计出PLC的外部接线图，其它部分的电路原理图，接线图和安装所需要图纸，以便进行硬件装配。具体设计如下。4.3
25、主控制电路的设计图8 主控制系统外部接线图4.4外部电路设计、器件选择1)按钮开关SB按钮开关是一种结构简单，应用广泛的手动主令电器，用以接通或断开控制回路中的电流，在控制电路中发出手动指令远距离控制其他电器，再由其他电器去控制主电路或转移各种信号，也可以直接用来转换信号电路和电器联锁电路等。2)选择开关选择开关是由多组相同结构的开关元件叠装而成，可以控制多回路的一种主令电器，它由操作机构、定位装置和触点三部分组成。3)续流二极管PLC的输入端或输出输出常常接有感性元件。如果是直流感性元件，应在其两端并联续流二极管；如果是交流元件，应在其两端并联阻容电路（也称灭弧罩，有系列产品可供选择）。从而
26、抑制电路断开时产生的电弧对PLC内部输入、输出元件的影响。其工作原理是：正常通电时，电源电压为正，二极管不通，当电源断开，电压变负时，负载上产生很大的反电动势，并联二极管可使负载间的电压等于二极管管压降，接近于零这样电路中总的电压的变化将会很少，就不易产生弧光，从而起到保护负载的作用。4)熔断器熔断器是一种用于过载与短路保护的电器，当超出限定值的电流通过熔断器的熔体是将其熔化而分断电路。具有结构简单、体积小、重量轻、使用方便、价格低廉等优点，获得广泛的使用。其工作原理是：熔断器接入电路时，熔体是串接在电路中，负载电流流经熔体，由于电流的热效应使温度上升，当电路发生过载或短路时，电流大于熔体允许
27、的正常发热电流，使熔体温度急剧上升，超过其熔点而熔断，将电路切断，有效保护电路和设备。5)时间继电器时间继电器可分为空气式时间继电器，电子式时间继电器，数字式时间继电器，但在交流电路中常采用空气式时间继电器，它是利用空气阻尼作用而达到动作延时的目的。其工作原理是：当吸引线圈通电后就将动铁心吸下，使动铁心与活塞杆之间有一段距离，在释放弹簧的作用下，活塞杆就向下移动，在伞形活塞的表面固定有一屋橡皮膜，因此当活塞身下移动时，在膜上面造成空气稀薄的空间，活塞受到下面空气的压力，不能迅速下移，当空气由进气孔进入时，活塞才逐渐下移，移动到最后位置时，杠杆使微动开关动作。6)热继电器热继电器是利用测量元件被
28、加热到一定程度而动作的一种继电器。热继电器的测量元件通常用双金属片，它是由主动层和被动层组成的。主动层材料采用较高膨胀系数的铁镍铬合金，被动层材料采用膨胀系数很小的铁镍铬合金。主动层和被动层可采用热和压力使其结合成双金属片，也可采用冷结合。因此双金属片在受热后将被动层方向弯曲。5 软件的设计5.1程序设计流程图图9 程序设计流程图5.2梯形图及基本逻辑指令编程1)根据控制要求用基本逻辑指令编制的梯形图如图10所示。图10 燃油锅炉用基本逻辑指令编制的梯形图2)基本逻辑指令编程LD X0OR M0ANI X1OUT M0LD M0ANI X2ANI X3AND X4OUT M1LD M1OUT
29、Y0OUT T0 K60AND T0OUT M2LD M2OR M3OUT Y1ANI M3OUT T1 K5ANI T2OUT Y2OUT Y3LD T1OUT Y4OUT T2 K5LD X1OR X2OR X3OR X4OR M3OUT T3 K20ANI T3OUT M3MC M0LDI X4OR Y5ANI X3OUT Y5LD X3OR Y6AND X4OUT Y6MCR M03)报警电路及其置位和复位报警电路：输入点M3为报警输入，即M3=ON要求报警。输出Y10为报警灯，Y11为报警蜂鸣器。输入X5为报警响应。X5接通后Y10报警灯从闪烁变为常亮，同时Y11报警蜂鸣器关闭。输入
30、X6为报警灯的测试信号输入。X6接通则Y10接通。定时器T4和定时器T5构成震荡电路，实现每0.5s的OFF，0.5s的ON，并且重复。(a) 梯形图LD M3ANI T5OUT T4K5LD T4OUT T5 K5LD T4OR M4 AND M3OR X6AND M3LD M3ANI M4OUT Y11（b）语句表置位：若M3和X5同时接通1s以上，则S900置1。S900置1后，即使M3和X5变为OFF，S900仍保持为1，而定时器则被复位。若M3和X5接容不满1s而又再OFF，则定时器复位。复位：当X7接通时，信号报警器S900S999中被置1的报警器复位。若同时有多个报警器被置1，则
31、将元件号最低的那个报警器复位。当X7再次接通时，下一个被置1的报警器复位。若采用连续执行型指令ANR，则按扫描周期依次逐个的将报警器复位。6 燃油锅炉控制系统的抗干扰措施PLC受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰。在实际的生产环境下，外部干扰是随机的，与系统结构无关，且干扰源是无法消除的，只能针对具体情况加以限制；内部干扰与系统结构有关，主要通过系统内交流主电路，模拟量输入信号等引起，可合理设计系统线路来削弱和抑制内部干扰和防止外部干扰。要提高PLC控制系统的可靠性，就要从多方面提高系统的抗干扰能力。6.1硬件抗干扰措施1)PLC控制系统的安装和使用环境PLC是专为工业控制设计的，一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。但是在PLC控制系统中，如果环境过于恶劣，或安装使用不当，会降低系统的可靠性。PLC使用环境温度通常在0 55范围内，应避免太阳光直接照射，安装位置应远离发热量大的器件，同时应保证有足够大的散热空间和通风条件。
