基于西门子S7-200PLC的燃气蒸汽锅炉控制系统

XXX大学

本科毕业论文

题 目：基于S7-200PLC的燃气蒸汽锅炉控制系统

院 系： 专 业： 班 级： 学生姓名： 指导教师：

论文提交日期：2014年 x月 x日

论文答辩日期：2014年 x月 x日

摘要

随着现代化工业的飞速发展，对能源利用率的要求越来越高，作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理随之要求越来越高。目前，我国燃烧供热所用的锅炉的燃烧效率还相当低，而且也使得锅炉的燃烧不充分，而造成大气污染加重，所以这就迫切要求我们的锅炉技术得到提高，设计出一套热效率高、节能、环保、安全的锅炉控制系统。因此，进行锅炉过程控制系统设计具有重要的实际意义。

该论文在参考文献的基础上，首先介绍了课题研究意义，基础理论知识，其中包括PLC相关的理论以及过程控制系统的理论，描述了锅炉燃烧、水位控制系统的工作原理。然后分析了锅炉控制系统的控制任务及控制目标，设计了相应的控制系统，主要包括锅炉汽包水位控制系统、燃烧控制系统以及蒸汽温度控制系统，并且选择了满足要求的控制方案。在有了基础理论后，找控制系统中I/O点,详细分析I/O点的类型、数量等。根据I/O点，对PLC进行选型，再根据所选的PLC，对I/O点的地址进行分配。最后进行软件设计。绘制程序流程图，然后设计梯形图，最后在S7-200的编程软件上实现。

关键词：锅炉;水位控制;燃烧控制;蒸汽温度控制;可编程序控制器

Abstract

With the rapid development of modern industry, the energy utilization ratio of the demand is higher and higher, as will a energy into two times the energy of one of the important equipment, the boiler control and management then demand is higher and higher. At present, China's burning heating boiler combustion efficiency used is rather low, but also make the boiler combustion is not full, and cause air pollution is aggravating, so it is urgent requirement of our boiler technology improvements, design a set of high thermal efficiency, energy saving, environmental protection, safety of boiler control system. Therefore, in the process control system design of boiler is important practical significance.

This paper on the basis of the references, first introduced the research significance, the basic knowledge, including PLC related theory and the theory of process control system, describes the boiler combustion, water level control system principle of work. And then analyzes the boiler control system of the controlling tasks and control target, the relevant control system design, including the boiler drum water level control system, the combustion control system and steam temperature control system, and select the meet the requirements of control plan .Look for control system I/O point. According to the I/O points, the selection of PLC, again according to the selected PLC, the I/O address for the distribution of the points. Design the

software. Draw program flow charts, and then design ladder diagrams, the last in the s7-200 programming software realization.

Key words: boiler; Water level control; Burning control; Steam temperature control; Programmable controller

目 录

第一章 绪论 .............................................................................................. 1 1.1 锅炉控制系统设计目的及意义 ................................................... 1 1.2 锅炉控制系统的国内外发展状况 ............................................... 2 1.2.1 锅炉自动控制的国内外现状 .............................................. 2 1.2.2 锅炉自动控制的发展前景 .................................................. 3 1.3 本文主要内容及论文结构 ........................................................... 4 1.3.1 论文主要内容 ...................................................................... 4 1.3.2 论文结构 .............................................................................. 5 第二章 基础理论知识 .............................................................................. 6 2.1 PLC介绍 ....................................................................................... 6 2.1.1 PLC的基本概念 .................................................................. 6 2.1.2 PLC的基本结构 .................................................................. 6 2.1.3 PLC的工作原理 .................................................................. 7 2.1.4 PLC的编程语言 .................................................................. 8 2.1.5 PLC的程序结构 .................................................................. 9 2.1.6 PLC在控制系统中编程的步骤 ........................................ 10 2.2 过程控制系统简介 ..................................................................... 11 2.2.1 过程控制系统的发展 ........................................................ 11 2.2.2 简单控制系统 .................................................................... 12 2.2.3 复杂控制系统 .................................................................... 12

2.2.4 PID控制简介 ..................................................................... 15 第三章 锅炉综合控制系统设计 ............................................................ 18 3.1 背景介绍 ..................................................................................... 18 3.1.1 工艺及装置介绍 ................................................................ 18 3.1.2 锅炉控制任务 .................................................................... 19 3.1.3 锅炉控制方案 .................................................................... 20 3.2 选型 ............................................................................................. 22 3.2.1 I/O点分布 .......................................................................... 22 3.2.2 PLC选型 ............................................................................ 24 3.2.3 I/O地址分配 ...................................................................... 25 3.3 软件编程 ..................................................................................... 27 3.3.1 程序流程图 ........................................................................ 27 3.3.2 梯形图 ................................................................................ 29 第四章 结论 ............................................................................................ 36 参考文献 .................................................................................................. 37 致谢 .......................................................................................................... 38

第一章 绪论

第一章 绪论

1.1 锅炉控制系统设计目的及意义

目前，相当多的锅炉仍旧在采用传统方式控制，主要依靠操作员手工来完成，这样就要求锅炉操作员时刻都要在现场监控锅炉运行情况，并且要对整个锅炉系统的运行过程以及过程中各个环节的相互影响都有相当深刻的了解，能够根据现场实际情况及时调整各个相关参数以达到工艺要求。其过程复杂，而且还凸显了很多弊端。操作容易导致安全事故，而且参数控制不够准确及时，而导致能源和资源的浪费严重，另外运行维护成本也高，劳动效率低下。

随着科学技术的飞速发展，带动社会生产的发展，人类对能源的需求不断增加，世界上发达国家为了解决能源紧张而带给各行业的冲击，都努力在开发能源的同时，致力于节能新方法的研究。

锅炉是我国石油、化工、发电等工业生产过程中必不可少的设备，其产物蒸汽不但可以作为蒸馏、干燥、反应、加热等过程的热源，并且作为驱动设备的动力源。在满足工艺要求的前提下，为了提高锅炉的效率，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[1]。

随着能源问题的突出，企业现代化管理水平的提高，还有环保意识的增强，作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理的要求越来越高，现在的企业中的小型锅炉的控制技术不提高将难以适应生产的需要。因此，这就需要在锅炉控制技术上进行变革，需要设计一种性价比合理的、使用和维护方便的新型工业锅炉控制系统。

PLC的出现，使人们摆脱了常规仪表的局限性，为锅炉的自动控制注入了新的活力，使得一些先进的控制方法得以实现。PLC是目前最常用的装置，其最大特点就是可靠性高、功能强大，他的高可靠性的设计非常适合在工业现场环境下应用。此外，PLC编程简单，使用方便，现场调试时间短。为此，本课题通过PLC来对整个锅炉作业过程进行实时监控，配置控制与管理系统，实现自动控制[2]。

总结国内外锅炉控制经验，结合实际，设计出适合锅炉的控制硬件系统，并实现先进控制算法，提高锅炉的自动化水平，以及效率，合理利用资源，达到锅炉控

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第一章 绪论

制系统安全、节能、环保运行。这具有重要的经济效益和深远的社会效益。

1.2 锅炉控制系统的国内外发展状况

1.2.1 锅炉自动控制的国内外现状

锅炉的自动控制经历了三、四十年代单参数仪表控制，四、五十年代单元组合仪表、综合参数仪表控制，直到六十年代兴起的计算机过程控制几个阶段。尤其是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不断增强，价格的大幅度下降，使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。

在欧美和日本等发达国家，石油和天然气己成为第一能源，占能源消费的60%左右，燃油和燃气锅炉己逐步取代燃煤锅炉，风机和水泵等电机的变频控制己相当成熟。自20世纪90年代以来，随着超大型可编程控制器的出现和模糊控制、自适应控制等智能控制算法的发展以及智能控制器的应用，锅炉控制水平大大提高，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采用了现代控制理论中最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。

在我国，锅炉的控制大致经历了四个阶段[3]： (1) 手动阶段

在六十年代以前，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的自动化观念还比较淡薄，这段时期的锅炉一般采用纯手动的控制方式，即操作工人通过经验决定送风、给水、引风、给煤的多少，通过手动操作器等方式来达到控制锅炉的目的。这样就要求司炉人员必须有丰富的经验，增加了工人的劳动强度，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效率运行。

(2) 自动化单元组合仪表控制阶段

随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经开发并广泛应用了全自动工业锅炉控制技术。60年代前期，我国工业锅炉的控制技术开始发展，60年代后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，70年代后期己经研制了一些工业锅炉自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉控制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。但是，由于采用单元组合仪表靠硬件来实现控制功能，可靠性

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第一章 绪论

低，精度不高，而且只能完成一些简单的控制算法，不能实现一些较先进的算法和控制技术，控制效果仍然不理想。

(3) 采用微机测控阶段

随着电子技术的发展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我国的广泛应用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。运用计算机技术，开发出高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统日益得到重视。80年代后期至今，国内己经陆续出现了各种各样的锅炉微机检测系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。

(4) 智能控制的广泛应用阶段

由于现代控制理论的发展以及在各方面的应用，解决了传统控制理论难以解决的问题，给工业过程控制带来了崭新的应用前景，并取得了前所未有的效果，成为目前正在迅速发展的一个领域。各种形式的控制系统、智能控制器不断地开发和利用。

1.2.2 锅炉自动控制的发展前景

现代过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，对生态环境的影响也日益突出，这些都对控制提出了越来越高的要求。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此，仅用常规仪表己不能满足现代化企业的控制要求。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点，已在过程控制中得到十分广泛的应用。锅炉作为一种典型的生产过程，其自动控制水平已随着过程计算机系统的发展而发展。

从当前的趋势看，在大型企业中，过程控制计算机正成为一种把控制和管理融为一体的综合自动化系统。自动化技术，信息技术和各种工业生产技术的基础上，通过计算机系统将工厂全部生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统有机的集成起来，形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成当前控制领域的一个重要研究方向。在控制技术方面，近年来，为了获得更好的控制性能，把基于数学模型的控制技术和基于经验知识的控制技术相结合的集成控制技术受到了重视，获得了较广泛的研

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第一章 绪论

究[4]。

由于锅炉生产过程是缓慢的，而计算机的运算过程是相当快的，所以计算机在完成系统控制功能的基础上还可以利用软件来代替许多仪表单元（如函数发生器、加减器、微分器、限幅报警器、滤波器等），从而既减少投资又减少故障率。计算机控制还可以把许多必要的参数（如压力，流量、温度等）定时打印出来，使管理更现代化、科学化。计算机参与锅炉的控制还能够对运行系统进行各种在线测试，使锅炉以较高的效率进行，这样能节约能源，也为提高控制精度和完善锅炉结构指出了改进的方向。如果计算机发展到智能计算机系统，也就是接近人的计算机系统。这种计算机如果应用到工业锅炉生产上，那么锅炉生产的管理会更完善，能源的利用会更加合理，更加充分。到那时，工业锅炉的控制将会出现更新的局面。计算机在工业锅炉上的应用是很有发展前途的。

因此，锅炉的自动控制当前正朝着多学科结合的计算机技术的应用，管理控制

一体化的趋势发展。

1.3 本文主要内容及论文结构

1.3.1 论文主要内容

论文首先介绍了工业锅炉的组成及工作过程，对整个生产工艺进行了概述。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、送风和引风等。主要输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。这些输入变量与输出变量之间相互关联，构成了锅炉主要的控制系统。

1.锅炉汽包水位控制系统。采用三冲量控制系统，即蒸汽流量、给水流量、汽包水位三个冲量作为输入量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包水位。

2.锅炉燃烧控制系统。在燃烧控制系统的三个子系统中，通常通过调节燃料量维持蒸汽压力的恒定，调节送风量以保证燃烧的经济性，调节引风量维持炉膛负压的稳定。

在设计完控制方案的基础上，本系统采用PLC控制，对PLC进行硬、软件的设计。最后对系统实现自动控制。

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第一章 绪论

1.3.2 论文结构

论文的第一章，主要介绍了课题的研究目的及意义，对锅炉综合控制系统的国内外发展情况进行了介绍。

论文的第二章，主要介绍了本设计涉及到的一些基础知识及理论，包括可编程控制器以及过程控制等的一些知识。

论文的第三章，首先介绍了锅炉的工艺流程及装置，对整个工艺进行了说明，其次介绍了主要的控制系统及控制方案，在此基础上进行硬件选型，最后根据前面的工作，进行软件设计。

论文的第四章，结论，即对整个设计总结，包括优缺点，以及展望等。

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第二章 基础理论知识

第二章 基础理论知识

2.1 PLC介绍

2.1.1 PLC的基本概念

可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC，它是采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和计算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分[5]。

早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。现在的PLC己不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。

总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

2.1.2 PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

a、电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

b、中央处理单元(CPU)

[6]

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第二章 基础理论知识

中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

c、存储器

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。 d、输入输出接口电路

一是现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路组成，作用PLC与现场控制的接口界面的输入通道。二是现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

e、功能模块

如计数、定位等功能模块。 f、通信模块

如以太网、RS485等通讯模块

2.1.3 PLC的工作原理

PLC的工作原理可用一句话概括，即扫描的工作模式。有周期性、批处理的特点。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。

(1) 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映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行

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第二章 基础理论知识

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。

(2) 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。

(3) 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。

一般来说，PLC的扫描周期还包括自诊断、通信等，即一个扫描周期等于自诊断、通信、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间总和。

2.1.4 PLC的编程语言

以西门子PLC的编程语言为例，说明一下，各种编程语言的异同。 (1) 顺序功能图

这是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编程顺序控制的程序（如：机械手控制程序）。编写时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。

(2) 梯形图

这是使用最多的PLC编程语言。因与继电器电路很相似，具有直观易懂的特点，很容易被熟悉继电器控制的电气人员所掌握，特别适合于数字量逻辑控制。梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令构成。触点代表逻辑输入条件，线圈代表逻辑运算结果，常用来控制指示灯，开关和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计

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第二章 基础理论知识

数器或数学运算等附加指令。

(3) 语句表

是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。语句表适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些梯形图不能实现的功能。

(4) 功能块图

功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑，一些复杂的功能用指令框表示，适合于有数字电路基础的编程人员使用。功能块图用类似于与门、或门的框图来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框用“导线”连在一起，信号自左向右。

(5) 结构文本

结构化文本（ST）是为IEC61131－3标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。

2.1.5 PLC的程序结构

西门子的CPU的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。 (1) 主程序

主程序是程序的主体，每个项目都必须并且只能有一个主程序。在主程序中可以调用子程序和中断程序。主程序通过指令控制整个应用程序的执行，每个扫描周期都要执行一次主程序。 (2) 子程序

子程序是可选的，仅在被其他程序调用时执行。同一个子程序可以在不同的地方被多次调用。使用子程序可以简化程序代码和减少扫描时间。设计的好的子程序容易移植到别的项目中去。 (3) 中断程序

中断程序用来及时处理与用户程序的执行时序无关的操作，或者不能事先预测何时发生的中断事件。因为不能预知何时会出现中断事件，所以不允许中断程序改写可能在其他程序中使用的存储器。

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第二章 基础理论知识

2.1.6 PLC在控制系统中编程的步骤

(1) 仔细阅读产品说明书[7]

第一步看起来很简单，因此会被很多设备工程师认为是浪费时间而忽略。仔细阅读说明书，首先要阅读安全守则，知道哪些机构可能会对人造成伤害，哪些机构最容易发生撞击，当发生危险时如何解决。这是很重要的一步。

(2) 编程软件中进行硬件配置，找出I/O点。

在编程前，首先要找到需要控制的I/O点，对其进行具体分析，编程根据实际PLC的类型建立硬件配置以及相应的通讯配置，将I/O地址进行分配。

(3) 编写程序流程图

在进行PLC软件编程之前，一定要先写出程序的流程图。一个完整的程序，应该包括主程序、停止程序、急停程序、复位程序等部分，如果软件允许，应该将各个程序按“块”的形式编写，即一个程序是一个块，最终将每个块按需求来调用即可。

(4) 软件中编写程序

确保流程没有问题后，便可以在软件中编写程序了。编写程序时按照程序流程图来编写。

(5) 调试程序

一般调试程序，可以分成两个方面：

a、如果条件允许，可以先用软件的仿真功能做测试。 b、传到PLC中进行在线的调试。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。此外，PLC可靠性高、功能强大，他的高可靠性的设计非常适合在工业现场环境下应用。由此可看出，PLC在工业控制中已经起到了非常重要的作用。

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第二章 基础理论知识

2.2 过程控制系统简介

2.2.1 过程控制系统的发展

随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功

能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。

过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。

在现代工业控制中，过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是:分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中,过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。

目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化[8]。

工业生产过程控制是现代工业自动化的一个重要领域。它是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表等知识相结合的一门综合性应用学科，理论性、综合性和实践性都很强。

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第二章 基础理论知识

2.2.2 简单控制系统

简单控制系统指的是单输入-单输出的线性控制系统，是控制系统的基本形式。其特点是结构简单，而且具有相当广泛的适应性。在计算机控制已占主流的今天，即使在高水平的自动控制设计中，简单控制系统仍占控制回路的绝大多数。力求简单、可靠、经济与保证控制效果是控制系统设计的基本准则。

简单控制系统由检测变送单元、控制器、执行器和被控对象组成。检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。控制器用于将检测变送单元的输出信号与设定值信号进行比较，按一定的控制规律对其偏差进行运算，运算结果输出到执行器。执行器是控制系统回路中的最终元件，直接用于控制操作变量变化。被控对象是需要控制的设备。

设定值 控制器 － 测量变送 执行器 被控对象 被控变量 图2.1 单回路控制系统方框图

2.2.3 复杂控制系统

随着生产的发展、工艺的革新必然导致对操作条件的要求更加严格，变量间的相关关系更加复杂，为适应生产发展的需要，产生了复杂控制系统。在特定条件下，采用复杂控制系统对提高控制品质，扩大自动化应用范围起着关键性作用。在单回路控制系统的基础上，再增加计算环节、控制环节或者其他环节的控制系统称为复杂控制系统。

常用的复杂控制系统有串级控制系统、比值控制系统、均匀控制系统、分程控制系统、选择控制系统、前馈控制系统等等。

以下介绍前馈控制系统、串级控制系统、比值控制系统，具体介绍如下所示[9]。

(1) 前馈控制系统

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第二章 基础理论知识

前馈控制的基本原理就是测量进入过程的干扰量（包括外界干扰和设定值变化），并根据干扰的测量产生合适的控制作用来改变控制量，使被控变量维持在设定值上。它是当扰动产生以后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。主要是针对易测的干扰，目的是在干扰还未影响被控变量之前就把干扰消灭。

F(S) Gpd(s)Y(S) Gff(s)Gpcs ) (

图2.2 前馈控制系统方框图

其中，Gpd是干扰对被控变量的传递函数； （s）是操作变量对被控变量的传递函数； Gpc（s）是前馈控制器的传递函数。 G（ffs） G（﹦﹣Gpd／Gpc （s）（s）ffs）前馈控制系统的主要特点有：

a、前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效；b、前馈控制是属于“开环”控制系统；c、前馈控制使用的是“专用”控制器，又称前馈补偿装置；d、一种前馈作用只能克服一种干扰。

前馈控制主要用于下列场合：

a、干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈控制达不到要求时；b、 主要干扰是可测不可控的变量；c、对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈-反控制系统，以提高控制质量。

(2) 串级控制系统

采用不只一个控制器，且控制器间相互串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值的系统，称为串级控制系统。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数）；后一个调节器称为副调节器，

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第二章 基础理论知识

它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。

串级控制系统的工作过程：

当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分情况进行分析：a、扰动作用于副回路；b、扰动作用于主回路；c、扰动同时作用于副回路和主回路。分析可以看到，在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。

SP Y － GC1(S)GC2(S) GV(S) GP2(S) GP1(S)－ GM2(S) GM1(S) 图2.3串级控制系统方框图

串级控制系统的工业应用：

a、用于克服被控过程较大的容量滞后；b、用于克服被控过程的纯滞后；c、用于抑制变化剧烈幅度大的扰动；d、用于克服被控过程的非线性。

串级控制系统特点：

a、从在系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。b、在串级控制中有主、副两个变量。c、串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象特性，使控制过程加快，提高控制质量。d、串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。

(3) 比值控制系统

在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物

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第二章 基础理论知识

料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。

a、主物料，也称主动量：处于主导地位的物料，在要保持一定比例关系的物料中，起着主导作用。一般是较贵重、稀有、用量少的定为主物料。

b.从物料，也称从动量：按主物料进行配比，随主物料的变化而成比例地变化的物料。一般把易控、便宜、用量较多的定为从物料。

比值控制系统可分为：开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统，变比值控制系统，串级和比值控制组合的系统等。其中，单闭环比值控制系统使两种物料的比值较为精确，实施较方便，所以得到了广泛的应用。以下以单闭环比值控制系统为例，介绍比值控制系统。 Q2 比值器 － 检测变送2 控制器 执行器 流量对象 Q1 检测变送1 图2.4单闭环比值控制系统方框图

单闭环比值控制系统的四种工作情况[10]：

a、当在系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。b、当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料流量使之恢复到原设定值，保证比值一定。c、当主物料流量受到扰动，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成比例变化，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量变化，从而保证原设定的比值不变。d、当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设定值的同时，系统又根据主流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。

2.2.4 PID控制简介

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测

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第二章 基础理论知识

量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。

在工程实际中，应用最广的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。

(1) PID控制原理

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其控制规律为[11]

+u?t?＝KP[e（t）1TI?e(t)dt+TDde(t)] dt式中：KP----为比例系数； TI-----为积分时间常数； TD-----为微分时间常数

a、比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。不过对于那些允许余差存在，控制要求不高的场合，这时可以采用纯比例控制。

b、积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。在比例控制中存在误差，为了消除误差，控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，可消除余差。但积分作用也有缺点，即积分饱和，因此使用积分时要考虑。

c、微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失

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第二章 基础理论知识

稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，所以对有较大惯性或滞后的被控对象，要加“微分项”，这样能改善系统在调节过程中的动态特性。 (2) PID控制的参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。两种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：a、首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；b、仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；c、在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数[12]。

PID参数的预置是相辅相成的,运行现场应根据实际情况进行具体分析，使其参数间互相协调，经过反复的调试、修改，从而找到最适合控制系统的数值。

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第三章 锅炉综合控制系统设计

第三章 锅炉综合控制系统设计

3.1 背景介绍

3.1.1 工艺及装置介绍

图3.1工艺设备图

一般的锅炉结构主要由以下几部分组成[13]：

(1) 汽锅:由上下锅筒和沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而在管簇内发生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在锅筒里面。为了得到干度比较大的饱和蒸汽，在上锅筒中还装有汽水分离设备，下锅筒作为连接沸水管之用，同时储存水和水垢。

(2) 炉膛:是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。燃料由传送设备直接送入炉内燃烧。所需的空气由鼓风机送入，燃烧后产生的高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水以后，由烟囱排到大气中。

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第三章 锅炉综合控制系统设计

(3) 引风设备:包括引风机、烟囱、烟道几部分，将锅炉中的烟气连续排出。

(4) 送风设备:由送风机和风道组成，供应燃料燃烧所需要的空气。 (5) 给水设备:由给水泵和给水管组成。给水泵用来克服给水管路的流动阻力和锅炉的压力，把水送入锅筒。

(6) 水处理设备:用来清除水中杂质和降低给水硬度，防止锅炉受热面上结水垢或腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和安全性。

(7) 燃料供给设备:燃气阀、燃烧机等设备组成，保证锅炉所需燃料的供应。

图3.2锅炉工作流程示意图

由上面的锅炉工作流程示意图可以看出，燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。

3.1.2 锅炉控制任务

燃煤蒸汽锅炉的生产任务是根据负荷设备的要求，生产具有一定参数（压力及温度）的蒸汽，为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工业锅炉控制主要有下列自动调节任务[15]：

(1) 保持汽包水位在设定范围，汽包水位是锅炉正常运行的主要标，关系着汽

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第三章 锅炉综合控制系统设计

水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要参数。对于汽包水位的调节，调节参数可以选用给水阀的开度。

(2) 维持蒸汽压力在预定值，蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽锅炉的重要工艺参数。控制蒸汽压力，是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。

(3) 维持锅炉燃烧的经济性，必须使空气和燃料维持适当的比例，使锅炉燃烧过程工作在最佳工况下，使锅炉热效率最高，达到节能降耗的目的。

(4) 维持炉膛负压在一定范围内，炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。要使蒸汽压力、炉膛负压和燃烧经济性指标保持在允许范围内。

3.1.3 锅炉控制方案

为了实现上述调节任务，将锅炉设备控制划为若干控制系统。主要控制系统如下[16]：

a、 锅炉汽包水位控制系统，被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在工艺允许的范围内。

b、 锅炉燃烧控制系统，有三个被控量，蒸汽压力、烟气成分和炉膛负压。其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证经济燃烧，提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持锅炉负压在一定的范围内。操纵变量也有三个，即燃料量、送风量、和引风量。

(1) 锅炉汽包液位控制

汽包液位是锅炉运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量，维持汽包液位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件[17]。

a.如果液位过低，则由于汽包内水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又很快，因而汽包内的水量变化速度很快，如果不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸。b.液位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液的现象，会使管壁结垢导致破坏，影响运行的安全和经济性。

在汽包液位控制中有单冲量、双冲量和三冲量控制方案，由于单冲量控制系统

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第三章 锅炉综合控制系统设计

不能克服假水位带来的控制问题，双冲量控制系统还有不能做到静态补偿以及不能对给水系统干扰及时克服两个的弱点。因此在实际应用中汽包液位控制系统都采用三冲量控制系统。即蒸汽流量、给水流量、汽包液位三个冲量作为输入量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包液位[18]。

DGMD(S) PS RLC(S)GHD(S) WFC(S) HGHW(S) ∑ GP2(S) － PCPW－ GMW(S) GMH(S) 图3.3 三冲量控制系统方框图

(2) 锅炉燃烧控制系统

锅炉燃烧控制系统的基本任务是保证锅炉经济、安全运行的同时使燃料燃烧所产生的热量适应水温负荷的需求。在燃烧控制系统的三个子系统中，通常通过调节燃料量维持蒸汽压力的恒定，调节送风量以保证燃烧的经济性，调节引风量维持炉膛负压的稳定。本系统由蒸汽压力控制天然气的阀门开度，燃料量对锅炉系统负荷变化较大，本系统在汽包压力控制回路中引入蒸汽流量作为前馈信号。为保证燃料充分燃烧，送风量应该与燃料量作协调变化。汽包压力调节器的输出信号作为前馈信号被引至送风副调节器。送风调节采用串级控制方式，其主调节信号为送风压力，副调节器信号是燃料量，调节器的输出通过控制变频器达到调节电机转速的目的。锅炉引风控制的控制目标是保证炉膛压力稳定，为了使引风机能快速跟随送风量的变化，将送风调节器的输出信号引入引风调节器，作为前馈信号[19]。

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第三章 锅炉综合控制系统设计

汽包液位 液位变送器 蒸汽流量 差压变送器 送风压力 差压变送器 炉膛负压 压力变送器 主调节器 调节器 副调节器 调节器 变频器 变频器 变频器

图3.4 锅炉燃烧控制系统框图

3.2 选型

3.2.1 I/O点分布

(1) 锅炉给水：

本系统有两台给水泵，其中一台正常使用，另一台备用。

表3.1 给水I/O点分布 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

控制内容 给水流量 汽包液位 给水泵运行 给水泵运行故障 给水泵启动 给水泵停止 汽包高水位上限Ⅱ 汽包高水位上限Ⅰ 汽包低水位下限Ⅱ 汽包低水位下限Ⅰ 给水流量调节

数量 1 1 2 2 2 2 1 1 1 1 1

I/O类型 AI AI DO DI DI DI HMI HMI HMI HMI AO

备注 涡街流量计 液位变送器

泵 热继电器 按钮 按钮 设定值 设定值 设定值 设定值 电动调节阀

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第三章 锅炉综合控制系统设计

(2) 燃烧控制：

本锅炉由燃烧控制系统进行燃气的压力、流量检测、安全保护、点火控制、负荷调节等。

表3.2 燃烧I/O点分布 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

控制内容 燃烧机控制 燃烧机故障 燃气压力低 燃气压力高 燃气泄露 燃烧机运行 负荷增大 负荷减小 燃气压力 燃气流量

数量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

I/O类型 DO DI DI DI DI DI DO DO AI AI

备注 程控器 程控器 压力开关 压力开关 检漏仪 程控程 伺服电机 伺服电机 压力变送器 流量计

(3) 送风和引风：

引风机和送风机均为交流电机，并且引风机和送风机要求速度可以调节，所以要加入变频控制。

表3.3 送风引风I/O点分布 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

控制内容 送风压力 送风机启动 送风机停止 送风机运行 送风机运行故障 送风调节 引风机启动 引风机停止 引风机运行 引风机运行故障 引风调节

数量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

I/O类型 AI DI DI DO DI AO DI DI DO DI AO

备注 压力变送器 按钮 按钮 电机 热继电器 变频器 按钮 按钮 电机 热继电器 变频器

(4) 炉膛：

表3.4 炉膛I/O点分布 序号 1 2

控制内容 炉膛温度 炉膛负压

数量 1 1

I/O类型 AI AI

备注 热电偶 差压变送器

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第三章 锅炉综合控制系统设计

(5) 蒸汽：

表3.5 蒸汽I/O点分布 序号 1 2 3 4

控制内容 蒸汽温度 蒸汽压力 蒸汽流量 压力保护

数量 1 1 1 1

I/O类型 AI AI AI DI

备注 热电偶 压力变送器 涡街流量计 压力控制器

3.2.2 PLC选型

根据以上的I/O点分布，总结出，系统有18个数字量输入（DI），7个数字量输出（DO），10个模拟量输入（AI），3个模拟量输出（AO）。

根据各种I/O点的数量以及类型，选择西门子公司的S7-200。具体模块选择如下：

(1) 中央处理器CPU 224 订货号：6ES7 214-1AD23-0XB0

本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。

(2) 1个数字量输入模块EM221 订货号：6ES7 221-1BF22-0XA0 本系统有18个数字量输入，由于CPU224自带14输入/10输出的数字量，因此还需要其他的数字量输入模块，EM221 CN 具有8路的数字量DC输入，所以选择EM221 来进行扩展，从而满足要求。

(3) 1个模拟量输入模块EM231 订货号：6ES7 231-7PD22-0XA0 本系统有2个温度需要用热电偶来测量，所以选择EM 231热电偶模块，EM 231热电偶模块提供一个方便的、隔离的接口，用于七种热电偶类型：J，K，E，N，S，T，和R型。EM 231热电偶模块具有4路的模拟量输入，因此用一个输入模块EM231 即可满足要求。

(4) 1个模拟量输入模块EM231 订货号：6ES7 231-0HF22-0XA0 本系统有10个模拟量输入模块，其中有2个热电偶输入，用EM 231热电偶模

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第三章 锅炉综合控制系统设计

块来输入，还有8个模拟量输入，还需要扩展其他的模拟量输入模块。6ES7 6ES7 231-0HF22-0XA0 的EM231模拟量输入模块具有8路的模拟量输入。

在本系统中一共用了2个模拟量输入模块来达到系统要求。

(5) 1个模拟量输出模块EM232 订货号：6ES7 232-0HD22-0XA0 本系统有3个模拟量输出，6ES7 232-0HD22-0XA0 的模拟量输出模块EM232具有4路的模拟量输出，输出的信号可以是电压也可以使电流信号，其输入与PLC具有隔离。

中央处理器CPU 224可以扩展7个模块，在本系统中扩展了4个模块，既符合了处理器的的要求，也达到了系统的要求。

3.2.3 I/O地址分配

以上已经把系统控制所需的I/O点罗列出来，并且具体的把I/O的类型、控制内容、数量等进行了详细的说明。另外，根据罗列的I/O点，对PLC进行了选型，对系统所需扩展的模块也进行了选择。

前面所做的工作都是为了后面的软件编程，而在编程前还需要完成I/O地址的分配。只有将I/O的地址分配好，才能编好程序。

具体I/O地址分配如下：

(1) 中央处理器CPU 224模块（14DI/10DO）

表3.6 CPU模块I/O地址分配 I/O点 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4

参数名称 1＃给水泵启动 1＃给水泵停止 1＃给水泵运行故障 2＃给水泵启动 2＃给水泵停止 2＃给水泵运行故障

燃气压力高 燃气压力低 燃气泄露 燃烧机故障 燃烧机运行 送风机启动 送风机停止

I/O点 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6

参数名称 1＃给水泵运行 2＃给水泵运行 燃烧机控制 负荷增大 负荷减小 送风机运行 引风机运行

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第三章 锅炉综合控制系统设计

I1.5 送风机故障

(2) 数字量输入模块EM221(8路DI)

表3.7 EM221（8路）模块I/O地址分配

I/O点 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3

参数名称 引风机启动 引风机停止 引风机运行故障 压力保护

(3) 模拟量输入模块EM231（4路AI）

表3.8 EM231（4路）模块I/O地址分配

I/O点 AIWO AIW2

参数名称 炉膛温度 蒸汽温度

(4) 模拟量输入模块EM231(8路AI)

表3.10 EM231(8路)模块I/O地址分配

I/O点 AIW8 AIW10 AIW12 AIW14 AIW16 AIW18 AIW20 AIW22

参数名称 给水流量 汽包液位 燃气压力 燃气流量 送风压力 炉膛负压 蒸汽压力 蒸汽流量

(5) 模拟量输出模块EM232（4路AO）

表3.11 EM232（4路）模块I/O地址分配

I/O点 AQW0 AQW2 AQW4

参数名称 电动调节阀 送风机调节 引风机调节

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第三章 锅炉综合控制系统设计

3.3 软件编程

在软件编程前，已经熟悉了整个工艺过程，并且找出了主要的控制系统以及需要控制的I/O点，对PLC以及需要扩展的模块做了选型，根据模块对I/O的地址进行了分配。要进行软件编程，在完成了前面的工作，还需要画出程序流程图，最后才能进行编程。

3.3.1 程序流程图

在本系统中主要有2个控制系统：汽包液位控制系统，燃烧控制系统。其中燃烧控制系统分为3个子系统。根据控制方案，本系统一共画了4个程序流程图。

具体程序流程图如下： (1) 汽包液位控制

汽包液位控制主要是控制液位在工艺允许的范围内。当水位超过上限Ⅱ、下限Ⅱ时，使给水泵停止；当水位低于下限Ⅰ时，打开进水阀，向其内注水；当水位高于上限Ⅰ时，打开出水阀，放水；在上限Ⅰ和下限Ⅰ时，用PID调节。

开始启动给水泵检测汽包高水位Ⅱ，低水位ⅡY停机N检测汽包高水位Ⅰ，低水位ⅠNPID自动调节Y低于Ⅰ时，注水高于Ⅰ时，放水结束 图3.6 汽包液位控制程序流程图

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第三章 锅炉综合控制系统设计

(2) 燃烧机点火控制

燃烧机点火控制是燃烧控制的一个子系统，是锅炉启动前对燃气管道及阀组进行相关安全检测，检测通过后进行点火运行。

开始阀门检漏正常泄漏气压检测正常点火异常故障报警结束

图3.7燃烧机点火控制程序流程图

(3) 引风机运行控制

引风机运行控制也是燃烧控制的一个子系统，是通过炉膛负压和送风压力来控制引风机的运行，从而控制引风量。

开始启动引风机采集炉膛负压采集送风压力PID自动调节输出引风机频率结束

图3.8引风机运行控制程序流程图

(4) 送风机运行控制

送风机运行控制还是燃烧控制的一个子系统，是通过送风压力和燃烧量来控制

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第三章 锅炉综合控制系统设计

送风机的运行，从而控制送风量。在此控制中用到了串级控制。

开始启动送风机采集送风压力采集燃烧量主PID自动调节副PID自动调节输出送风机频率结束 图3.9送风机运行控制程序流程图

3.3.2 梯形图

本系统选用西门子S7-200 的PLC。西门子S7-200PLC的编程软件是STEP 7-Micro/WIN V4.0，利用编程语言梯形图，根据程序流程图，对本系统的控制系统进行编程。具体程序如下：

(1) 汽包液位控制

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第三章 锅炉综合控制系统设计

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第三章 锅炉综合控制系统设计

图3.11汽包液位控制梯形图

(2) 燃烧控制系统

图3.12燃烧器点火控制梯形图

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第三章 锅炉综合控制系统设计

图3.13送风机运行控制梯形图

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第三章 锅炉综合控制系统设计

图3.14引风机运行控制梯形图

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沈阳化工大学学士学位论文 第四章 结论

第四章 结论

本设计以当前我国锅炉控制技术的蓬勃发展为背景，在通过对现场锅炉系统的工作原理以及工艺流程的分析基础上，确定合理的控制方案。采用先进的西门子S7-200PLC进行控制，实现自动控制。设计工作的过程中做了以下的工作：

第一阶段，详细分析了当前锅炉技术的发展状况，以及未来的发展趋势，从经济效益、社会效益以及现有技术条件方面进行了设计的可行性研究。

第二阶段，针对课题，着手理论性分析。分析了锅炉控制系统的控制任务及控制目标，设计了相应的控制系统，主要包括锅炉汽包液位控制系统、燃烧控制系统以及蒸汽温度控制系统，并且选择了满足要求的控制方案。

第三阶段，在有了基础理论后，找控制系统中I/O点,详细分析I/O点的类型、数量等。根据I/O点，对PLC进行选型，再根据所选的PLC，对I/O点的地址进行分配。

第四阶段，在完成了第三阶段的工作后，即完成了硬件设计，进行软件设计。首先画程序流程图，然后设计梯形图，最后在S7-200的编程软件上实现。

经过几个月的努力，基本上完成了本系统的设计工作。本文将传统的锅炉控制系统改进成以可编程序控制器（PLC）为核心的控制系统。把传统的模拟调节器改进成为数字调节器，通过软件来实现各种控制算法。从而实现了锅炉控制系统的自动控制。

另外，本系统还有很多发展和改进的空间。今后我们可以借助现场总线技术以及网络技术，将单一控制对象扩展到多个控制对象，扩展研究成果。总的来说，本研究对于加快我国现代锅炉控制技术以及工业过程控制自动化技术的发展有着重要的参考价值。

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