1、 本科毕业设计（论文） 基于海为 PLC 锅炉脱硫除尘 自动控制系统设计 李文峥 燕 山 大 学 里仁学院 2016 年 6月 本科毕业设计（论文） 基于海为 PLC 锅炉脱硫除尘自动控制系统设计 学 院： 里仁学院 专 业： 测控技术与仪器 学生 姓名： 李文峥 学 号： 121203021057 指导 教师： 韩勇 答辩 日期： 2016年 6月 19 日 燕山大学毕业设计 (论文 )任务书 学院：里仁学院 系级教学单位： 电气工程 系 学 号 121203021057 学生 姓名 李文峥 专 业 班 级 检测 12-2 题 目 题目名称 基于海为 PLC 锅炉脱硫除尘自动控制系统的设计
2、题目性质 1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）； 理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）。 2.文管类（ ）； 3.外语类（ ）； 4.艺术类（ ）。 题目类型 1.毕业设计（ ） 2.论文（ ） 题目来源 科研课题（ ） 生产实际（ ） 自选题目（ ） 主 要 内 容 1、论文以实际生产中锅炉脱硫除尘项目为背景，查阅现代工业自动化控制方式，明确项目自动控制的控制要求和控制方式。 2、掌握海为 PLC 的程序编程方法，以 PLC 为控制核心编写程序。 3、掌握工控机电脑组态画面设计，可在工控机中对锅炉脱硫除尘项目实现自动化控制。 4、锅炉脱硫除尘自动控制系统实际运
3、行效果说明。 基 本 要 求 海为 PLC 程序编写、组态王组态画面设计、 PID 自动控制算法、海为PLC 远程通讯模块应用。 撰写论文 1 本（不少于 2 万字，字迹工整、语言流畅、图表规范），标准A0 图纸一张。 参 考 资 料 1、 电力电子技术（第四版） 3、 IEEE transactions on Power Electronics 4、 IEEE transactions on Industry Application 5、 电工技术学报、中国电机工程学报、电力电子技术 、 电气传动 等 周 次 1 4 周 5 7 周 7 9 周 9 16 周 17 18 周 应 完 成 的
4、内 容 查阅资料，学习理论知识。了解 工程 概况、 自动控制原理及系统构成 。 根据控制要求， PLC 程序编写，调试。 组态王组态画面设计，调试。 控制柜和电力柜配 置，现场仪表接线，整个自动控制系统调试。 整理 锅炉脱硫除尘自动控制系统数据 ，撰写论文 。 指导教师： 职称：教授 2016 年 3 月 7 日 系级教学单位审批： 年 月 日 摘要 I 摘要 随着近年来国家加强环境治理工作的进行，锅炉烟气进行脱硫和除尘成为国家强制要求的标准 ，锅炉烟气脱硫和除尘系统具有很高的复杂性，其对控制系统的要求往往很高。 目前 使用 PLC 控制 锅炉脱硫除尘系统 已经成为一种较先进，应用越来越广泛的
5、一种控制设备。它具有可靠性极高、能经受恶劣环境的考验 、功能齐全、性价比高等特点。 本文针对 晨光生物科技集团 15t/h 锅炉烟气脱硫控制系统 进行设计 ，采用了海为可编程控制器 实现对系统内的电机和阀门进行自动控制 ， 并且设计了上位机用来进行总体控制及数据交互， 上位机采用北京亚控公司组态王 KINGVIEW 6.53 工业控制软件， 最终实现对脱硫和除尘系统的监控。 关键词 锅炉 脱硫 除尘 PLC 自动控制系统 组态王监控 燕山大学里仁学院本科生毕业设计 (论文 ) II Abstract Recently, the station has paid more attention o
6、n environmental protecting. Desulfurization and dust removal of boiler flue gas must meet the standard that the government has set. The system of desulfurization and dust removal is quite complicated, especially controlling system. PLC system of desulfurization and dust removal are advanced and much
7、 applied devices for controlling. Its features are reliable, endurable, functional and practicable. This thesis aims at the system of 15t/h boiler gas desulfurization and dust removal in chenguang Biotech Group Co. which is based on Haiwall PlC, KINGVIEW 6.53 control software. It makes it possible o
8、f controlling the system of desulfurization and dust removal. Keywords： PLC;boiler;dedusting;desulfurization; King View III 目录 摘要 . I 第 1 章 绪论 .5 1.1 课题背景 .5 1.2 锅炉脱硫除尘工艺 .5 1.3 自动控制在锅炉脱硫除尘工艺的应用 .6 1.4 PLC 与继电器控制系统的发展 .7 1.4.1 继电器控制系统的发展 .7 1.4.2 PLC 控制系统的发展 .7 1.4.3 海为系列 PLC 的简介 .9 1.5 研究课题的目的意义与发展
9、前景 .8 1.6 本文研究的主要内容 .8 第 2 章 自动控制在脱硫除尘工艺的应用 .10 2.1 脱硫除尘工艺介绍 .10 2.2 锅炉脱硫除尘电气控制要求 .10 2.3 本章小结 .13 第 3 章 PLC 控制系统设计 .14 3.1 PLC 控制系统的设计步骤 .14 3.2 PLC 控制系统的硬件设计 .17 3.3 除尘系统电机控制 .19 3.3.1 电机连锁启停控制 .19 3.3.2 电机的基本工作原理 .19 3.4 模拟量和数字量转化 .20 3.5 三台循环池水泵轮流运行程序 .21 3.6 地坑泵的自动控制 .24 3.7 脱硫塔除雾器自动冲洗 .25 3.8
10、脱硫塔进出口温度自动控制 .27 3.9 碱液泵自动调节 .28 3.10 袋式除尘器脉冲阀控制 .29 第 4 章 PID 控制器的设计 .32 4.1 PID 算法简介 .32 4.2 压力模糊 PID 控制的确立 .33 燕山大学里仁学院本科生毕业设计 (论文 ) IV 4.3 控制系统结构设计 .34 4.3.1 模糊控制器的变量 .35 4.3.2 论域、量化因子、 比例因子 .36 4.3.3 精确量的模糊化 .36 4.3.4 模糊推理及模糊控制规则 .37 4.3.5 反模糊化 .39 4.4 模糊 PID 算法在本工程中的应用 .39 4.4.1 压力 PID 控制 .39
11、4.4.2 锅炉压力自控 PLC 程序 .41 4.5 本章总结 .43 第 5 章控制系统的人机界面设计 .44 5.1 组态王简介 .44 5.2 组态系统的设计 .45 5.2.1 组态王与海为 PLC 通讯方式的设定 .45 5.2.2 定义组态王的数据变量 .45 5.2.3 锅炉除尘监控系统的画面制作 .48 5.2.4 报警界面 .49 5.2.5 报表 .51 5.2.6 历史曲线 .53 5.3 本章小结 .53 结论 .55 参考文献 .56 致谢 .57 第 1 章 绪论 5 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 伴随我国国民经济的飞速发展，工业燃煤锅炉制造业取得了长远的进
12、步。但是在工业制造业高速发展的今天，我们也付出了沉重的资源和环境代价。在我国经济的高速发展进程中，能源利用率低、消费结构不合理、供需矛盾加剧等问题日益突出，生态 环境恶化 与经济发展的矛盾加剧，在很大程度上制约了经济 持续快速健康发展。鉴于此，本文是以实际的锅炉脱硫除尘项目为毕业设计的背景，为满足锅炉脱硫除尘电气控制，做的一套基于海为 PLC 的锅炉脱硫除尘自动控制系统。该系统设计的锅炉 烟筒 不会冒出黑烟，能够净化细小灰尘和二氧化硫，使各项指标都达到国家的环保标准。 德国学术界和产业界提出了“工业 4.0”，我国也提出了“中国制造 2025”， PLC是“工业 4.0”和“中国制造 2025
13、”中的一个主力军 ，它的改革程度直接影响着工业 4.0的浪潮和“中国制造 2025”的进程。中国经济转型趋势不可阻挡，而中游的制造业在我国经济中的占比又较高，来自发达国家“再工业化”和其他发展中国家成本优势的“前堵后追”，使得重建中国工业新优势显得至关重要。“工业 4.0”和“中国制造 2025”由此具备较强烈的现实意义，其中工业自动化控制更是核心。 当今市场上的高级 PLC 模块主要是：分立式和模拟式元件。这些元件占据了大部分的电路板空间，这也成了工程师们不容忽视的问题，对于微型 PLC 和嵌入式控制器更为重要 错误 !未找到引用源。 。只有凭借跨 PLC 平台设计、更高的集成度，才能发挥出
14、“工业 4.0”的优势。随着 PLC 在工业中的应用越来越广泛，使它能够处理更多输入信息、更宽字节以及更为复杂的指令集。 21 世纪以来， PLC 在模拟和传感器技术领域的进步更好地帮助制造商发挥其在计算资源方面的优势，甚至工厂内部和云端。工业 4.0 代表了将智能化与广泛的检测范围、分布式控制以及可靠、无缝连接整合在一起的愿景。 国产 PLC 技术在多年的市场考验中不断摸索成长已经趋于成熟，目前广泛应用于各个行 业。随着“中国制造 2025”规划的出台，制造业面临转型升级的形势，逐步实现工业自动化智能化生产，提高生产效率，降低生产成本，只有这样才能在国际竞争的大潮中立于不败之地，在此大背景下
15、国产 PLC 势必将迎来发展的新阶段。 1.2 锅炉脱硫除尘工艺 锅炉尾气中存在大量的硫和粉尘，未经处理的锅炉尾气排放到大气中造成酸雨和雾霾，所以对锅炉尾气进行脱硫和除尘是十分必要的，同时也是国家强制要求的。常用的锅炉烟气除尘方法有麻石除尘、陶瓷多管除尘、袋式除尘、旋风除尘等。常用的脱硫方燕山大学里仁学院本科生毕业设计 (论文 ) 法主要有双碱法（氢氧化钠和氢氧化钙）、单减法（液 碱）、氧化镁脱硫等。传统的烟气处理采用麻石除尘，不进行脱硫处理，并且全靠人工控制，运行不稳定，处理效果差，已无法达到国家最新的锅炉尾气排放标准的要求。 本项目采用的工艺为旋风除尘和袋式除尘法，脱硫工艺采用氧化镁湿法回
16、收工艺。改造后的脱硫除尘系统，高温的锅炉烟气先经过省煤器，一方面加热进锅炉软化水，另一方面通过重力分离去除大颗粒烟尘。然后进入旋风除尘器，利用离心力除去大颗粒烟尘同时降低烟气温度，避免较高的烟气温度损坏布袋除尘器。再然后经过布袋除尘，处理掉直径大于 10 微米的烟尘，随后进入脱硫塔底部，和上部喷淋下 来的碱液逆流接触，中和掉尾气中的二氧化硫并除去剩余烟尘，最后再经过脱硫塔除顶部的雾器除去尾气中的 PM2.5 颗粒和未中和的三氧化硫。该套系统采用 PLC 设计，完成整个系统的过程控制，达到无人化操作效果，各项指标优于国家标准。 1 5 T 锅 炉 烟 道 旋 风 除 尘 器 袋 式 除 尘 器锅
17、 炉 引 风 机高 效 旋 流 除 尘 脱 硫 塔烟 囱 高 空 外 排循 环 池 （ P H = 9 )上 水回 水图 1-1 锅炉脱硫除尘工艺流程图 脱硫工作过程： 1、引风机将除尘后的锅炉烟气送入 SO2 吸收塔，经多层喷淋与脱硫吸收剂（氧化镁浆液）充分接触达到除去烟气中 SO2 的目的。 2、脱硫后的烟气经喷淋塔上方的除雾器除去烟气中的 PM2.5 和三氧化 硫，再经直排烟囱达标排放。 3、 SO2 吸收塔塔底生成的硫酸镁由排出泵排除，经一级浓缩沉降，二级脱水器（板框压滤机）去除杂质后直接排放。 1.3 自动控制在锅炉脱硫除尘工艺的应用 本方案设计重点考虑优化生产工艺自动控制又保证锅炉
18、的正常运行，鉴于此，利用PID 控制来实现锅炉压力来控制变频器速率，以此达到锅炉蒸汽压力自动控制和净化烟气的目的。 由于在工业实际中锅炉的运行环境十分复杂，锅炉蒸汽的压力总是会受到某些干扰的影响，所以必须对蒸汽的压力加以控制，确保在一定范围内得到相对恒定的蒸汽压力。影响蒸汽压力的主要因素是 给煤量以及给风量、水量、蒸汽流量以及引风量等 错误 !未找到引用源。 。如果锅炉内压力过低，将会降低蒸汽质量，达不到设定的压力要求，此时需要根据设定压力与输出压力的差值来调节变频器频率，使得炉内压力增大，以达到设定要第 1 章 绪论 7 求。反之，如果锅炉内压力过高，超过了设定的压力值，此时同样需要依据设定
19、的压力值与输出的压力值之差来调节变频器的频率，降低炉内压力值以达到设定要求。 1.4 PLC 与继电器控制系统的发展 1.4.1 继电器控制系统的发展 基于继电 器的控制系统在 PLC 面世之前被广泛的应用于工业生产的各个领域，并且取得了相当好的使用效果。输入输出电路、控制电路以及生产现场设备构成了继电器控制系统。其中输入电路部分包括行程开关、限位开关、继电器、按钮等，用于传输系统的信号；输出电路部分由接触器、各种电磁阀、电动机、泵等执行机构构成，用于对现场的设备进行控制 错误 !未找到引用源。 。以往的控制系统控制核心是用继电器来控制电路，现场的继电器、阀门、开关等电子元件通过导线连接起来对
20、工业现场发 布控制指令 错误 !未找到引用源。 。基于继电器的控制系统在以前的工业生产中曾经扮起着不可替代的作用，随着工业控制的复杂化，继电器系统已经无法满足社会的要求。因为继电器控制系统控制固定的动作顺序或生产工艺比较单一，为了达到控制要求必须要对工艺进行开发调整，不能再运用以前的控制系统，但是要花费很长的时间进行改造。 虽然继电器在很多方面上难以达到我们的要求，并不意味着社会就这样淘汰继电器的发展，相反在小型的控制系统中考虑到成本的问题以及生产工艺 要求不严格的前提下继电器系统还是占一定的地位，而且某些特定的安全系统（如停电、人身防护）必须有专门的继电器来完成。因此 PLC 和继电器往往是
21、相辅相成的。欧美一些国家在某些特定功能的继电器研究上面仍然花费了大量物力和财力，我们相信这样是值得的。 1.4.2 PLC 控制系统的发展 可编程控制器又可以被称为 可编程逻辑控制器 ，简称 PC。几十年前可编程控制器凭借其强大的功能代替了传统模式的继电器控制，近几十年来，伴随着时代的进步，科技的迅猛飞跃，可编程控制器与计算机的完美结合使其广泛的应用于工业领域，作为一种应用于工业领域新型的控制装置其功能已不仅仅是简单的逻辑控制。由于计算机的简称也为 PC，在应用时人们常常将两者混淆，因此后来相关学者为了与计算机简称相区别将该控制器简称为 PLC。自从美国的研究人员成功的设计研发了第一台 PLC 以后，近些年来，各国相继展开 PLC 相关方面的研究，例如 德国 、美国、中国都研制了多款可编程序控制器。这些控制器的品质上等，性能稳定、价格合理、适应性极强，得到了使用者的高度评价。 随着控制系统的复杂化，越来越多的人们开始普遍把更加智能化的可编程控制器作为自动控制系统的控 制器。可编程逻辑控制器是由 1968 年美国汽车公司提出并且应用在
