1、毕业设计文献综述 电气工程及其自动化 基于 PLC 的燃油锅炉电气控制系统设计 1.前言 锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或者有机热载体。 用油做燃料的锅炉叫燃油锅炉，燃油锅炉的使用是油的开发利用的一种重要方法。 燃油锅炉工作过程中涉及到的理论知识：（ 1）燃烧学（ 2）传热学（ 3）流体力学和工程热力学 GX Developer 是 三菱 PLC 的编程 软件 。适用于 Q、 QnU、 QS、 QnA、 AnS、 AnA、FX 等全系列 可编程控制器 。支持梯形图、指令表、 SFC、 ST
2、 及 FB、 Label 语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写 PLC 程序功能。 2.发展现状 能源是人类社会和经济发展的基本条件之一，我国过去基本上依赖单一能源维持国民经济增长，能源的消费结构长期以来一直跟不上我国国民经济的发展和人民生 活水平的提高。我国能源生产和消费的主要特点是以煤炭为主。一次能源生产的年平均增长率为 2010年全国原煤产量约 32亿吨，比 2005年增长了 1.5倍， 十一五 期间原煤产量以 6-7%的平均增速增长； 2010年发电装机容量突破 9.5亿千瓦， 十一五 五年间扩建了 4亿多千瓦，是过去 50年装机容量的总和；同时，
3、 十一五 期间石油、天然气产量稳定在 1.8-1.9亿吨之间，海外资源合作有突破性进展，国内炼油能力突破 5亿吨。 ”这种以煤为主的能源结构带来的问题是防止污染的费用日益增长；其次，对铁路运输业造成了压力。据预测，到 2020年我国能源需求量将至少增加810 t 标志煤。因此，如何减少煤炭资源的消耗及不断开发可再生能源已经成为我国解决能源矛盾的主要方向。但是由于可再生能源，如太阳能、生物能、地热能等本身条件的限制，至少在 21世纪前半叶，我国能源结构将不会做出很大改变。同时，随着经济和科学技术的发展，特别是人类对生活质量和生存环境要求的日益增加，油作为优质洁净的燃料和原料，越来越引起人们的重视
4、。因此，加快油的开发利用时缓解我国能源供需矛盾和优化能源结 构的一项重要措施。 随着我国改革开发的不断深化，全国各地经济建设的迅速发展，城市高层民1 用建筑的快速崛起，国家队环保工作提出更高要求，尤其资源的大力开发，燃油锅炉应用逐年上升，并且自动化程度越来越高，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、全自动的危机工业测控系统日益得到重视。 80年后期至今，国内已陆续出现了各种各样的锅炉微机测控系统。明显改善了锅炉的运行状况， 但还不够完善，并对
5、环境和抗干扰要求较高。基于 PLC 的锅炉控制系统是一种优秀的微机控制系统。自从 20世纪 60年代末第一台 PLC 问世以来，已很快被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工业等各个领域。 PLC 是采用微电脑技术制造的通用的自动控制设备，它具有高可靠性，能适应工业现场的高温，冲击震动等恶劣环境，广泛应用于机械设备、生产流水线和生产过程的自动控制。 PLC 主要具有逻辑运行功能，可以代替继电器进行开关控制、具有定时控制的功能、记数控制功能、步进控制功能， A/D、 D/A转换功能，数据处理功能，通信，联网功能，并配置了 较强的监控功能。 2006年，大连海事大学 为解决航海教育中大型油船燃油锅操作培
6、训的问题 ,以大型油船燃油锅炉自动控制系统为对象 ,利用在自动化领域广泛使用并得到各国船级社认可的 S7-300可编程序控制器 ,使用 STEP7 V5.3编程软件 ,开发了基于 PLC 的大型油船燃油锅炉仿真系统 ,实现了大型油船燃油锅炉的各种控制功能的仿真 ,仿真控制曲线符合实际。硬件的设计和软件的开发能有效地代替真实锅炉进行操作培训。 3.燃油锅炉结构 燃油锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器 、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。 炉膛又称燃烧室，是供燃料
7、燃烧的空间。炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛涅燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷管。锅筒是自然循环和多次枪战循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联结循环回 路并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。 4.锅炉工作过程相对应的理论 燃油锅炉工作过程中涉及到的理论知识：（ 1）燃烧学（ 2）传热学（ 3）流体力 学和工程热力学 2 燃烧学 燃料迅速氧化，放出热量并产生可见火焰的物理化学过程。燃烧时必须同时有燃料和氧化剂 ， 燃料是燃油，氧化剂是空气中的氧。 传热学 传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种 。 热传导是指在不涉及物质转移的情况
8、下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。工程上广泛遇到的对流换热，是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果。决定换热强度 的主要因素是对流的运动情况。热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在 0.1 100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。辐射和吸
9、收所综合导致的热量转移称为 辐射换热 。实际传热过程一般都不是单一的传热方式，如火焰对炉壁的传热，就是辐射、对流和传导的综合，而不同的传热方式则遵循不同的传热规律。为了分析方便，人们在传热研究中把三种 传热方式分解开来，然后再加以综合。 流体 力学 流体力学 是研究流体 (液体和 气体 )的力学运动规律及其应用的学科。主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学 分支 。流体力学是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止状态和 运动状态 ，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。在生活、环保、 科学技术
10、及工程中具有重要的应用价值。 流体力学中研究得最多的流体是 水 和 空气 。它的主要基础是 牛顿运动定律 和 质量守恒定律 ，常常还要用到 热力学 知识，有时还用到宏观 电动力学 的基本定律、本构方程和 物理学 、 化学 的基础知识。 流体力学有一些基本 假设 ，基本假设以方程的形式表示。例如，在三维的不可压缩流体中，质量守恒的假设的方程 如下：在任意封闭曲面（例如球体）中，由曲面进入封闭曲面内的质量速率，需和由曲面离开封闭曲面内的质量速率相等。（换句话说，曲面内的质量为定值，曲面外的质量也是定值）以上方程可以用曲面上的积分式表示。流体力学假设所有流体满足以下的假设： 质量守恒 ,动量守恒 ,
11、 连续体假设 ,在流体力学中常会假设流体是不可压缩流体，也就是流体的密度为一定值。液体可以算是不可压缩流体，气体则不是。有时也会假设3 流体的黏度为零，此时流体即为非粘性流体。气体常常可视为非粘性流体。若流体黏度不为零，而且流体被容器包围（如管子），则在边界处流 体的速度为零。 工程热力学 通过对 热力系统 、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究，改进和完善热力发动机、制冷机和 热泵 的工作循环，提高热能利用率和热功转换效率 。 为此，必须以 热力 学 基本定律为依据，探讨各种热力过程的特性；研究气体和液体的热物理性质，以及蒸发和凝结等相变规律；研究溶液特性也是分析某些类型制
12、冷机所必需的。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过程，溶解吸收或解吸等物理化学过程，这就又涉及 化学热力学 方面的基本知识。 5.基于 PLC 的仿真 可编程控制器（ PLC）是一种通用的控制微机，广泛应用于工业生产的各个领域，是实现工业控制首选的控制器。然而，传统的 PLC 控 制系统设计和调试均离不开硬件 PLC，如果能利用计算机构造一个虚拟的 PLC，模拟实现其功能，即利用计算机仿真 PLC，则会给 PLC 控制系统的开发带来极大地便利。 GX Developer 有很多特点。 1. 软件的共 通化 GX Developer 能够制作 Q 系列， QnA系列， A 系列（包括运动控制
13、（ SCPU） ,FX 系列的数据 ,能够转换成 GPPQ,GPPA 格式的文档。 此外，选择 FX 系列的情况下，还能变换成 FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文档。 2. 利用 Windows 的优越性，使操作性飞跃上升能够将 Excel,Word 等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。 3. 程序的标准化 (1) 标号编程 用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。 用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。 (2) 功能块（以下，略称作 FB） FB 是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。把开发
14、顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发 变得容易。此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。 (3) 宏 只要在任意的回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。 4. 能够简单设定和其他站点的链接 由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。 5. 能够用各种方法和可编程控制器 CPU 连接 (1) 经由串行通讯口 (2) 经由 USB (3) 经由 MELSECNET/10(H) 计算机插板 (4) 经由MELSECNET( )计算机插板
15、(5) 经由 CC-Link 计算机插板 (6) 经由 Ethernet 计算机插板 4 (7) 经由 CPU计算机插板 (8) 经由 AF 计算机插板 6. 丰富的调试功能 (1) 由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。 (a) 没有必要再和可编程控制器连接。 (b) 没有必要制作条使用的顺序程序。 (2) 在帮助中有 CPU 错误，特殊继电器 /特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器 /特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。 (3) 数据制作中发生错误 况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短。 6.小
16、结 通过查阅资料和老师的指导，我了解了燃油锅炉的重要意义，熟悉了燃油锅炉的工程过程及其想对应的理论知识，掌握了 PLC 仿真技术，明白了燃油锅炉的发展现状。 7.参考文献 01冯俊凯 ,沈幼庭 ,杨瑞昌 .锅炉原理及计算 M.北京 :科学出版社 ,2003. 02丁立新 ,王金枝 ,程新华 ,王树群 .电厂锅炉原理 M.北京 :中国电力出版社 ,2007. 03李加护 .锅炉原理课程设计指导书 M.北京 :中国电力出版社 ,2004. 04沈维道 ,蒋智敏 ,童钧耕 .工程热力学 M.西安 :西安交通大学出版社 ,1998. 05杨世铭 .传热学 M.北京 :高等教育出版社 ,1998. 06Jimenez-Mateos JM,Quintero LC ,Fuel,1996. 07AR Day,The development of a dynamic model to simulate boiler controls, Building Serv.Eng.Res.Technol.2007.
