1、基于 PLC 的锅炉燃烧控制系统设计 1 绪论 1.1 锅炉燃烧控制项目的背景 改革开放以来，我国经济社会快速发展，生产力水平不断提高，在生产中， 锅炉起着十分重要的作用，尤其是在火力发电中发挥重要作用的工业锅炉，是 提供能源动力的主要设备之一。锅炉产生的蒸汽可以作为蒸馏，干燥，反应， 加热等各过程的热源，另外也可以作为动力源驱动动力设备。工业过程中对于 锅炉燃烧控制系统的要求是非常高的，要求锅炉燃烧控制系统必须满足控制精 度高，响应速度快 1。 作为一个非常复杂的设备，锅炉同时具有了数十个包括了扰动、测量、控 制在内的参数，参数之间有着复杂的关系，并且相互关联 2。而锅炉燃烧过程 中的效率问
2、题、安全问题一直是大众关注的重要方面。 1.2 锅炉燃烧控制的发展历史 对于锅炉燃烧的控制，已经经历了四个阶段 35 (1）手动控制阶段 因为 20 世纪 60 年代以前，电力电子技术和自动化技术还没有得到完全发 展，技术尚不成熟，因此，这个时期工业人员的自动化意识不强，锅炉燃烧的 控制方式一般多采用纯手动的方法。这种控制方法，要求进行控制的操作工人 依靠他们的经验决定送风量，引风量，给煤量的多少，然后利用手动的操作工 具等操控锅炉，该方法控制的程度完全取决于操作工人的经验。因此，要求操 作工人必须具有非常丰富的经验，这样无疑大大提高了操作工人的劳动强度， 由十人的主观意识，所以事故率非常大，
3、同时，也不能保证锅炉高效稳定的运 行。 （2）仪器继电器控制阶段 随着科技的不断进步，自动化技术以及电力电子技术快速提高，国内外以 继电器为基础的自动化仪表工业锅炉控制系统也得到发展，并且广泛应用于实 际生产过程。在上个世纪 60 年代前期，我国锅炉的控制系统开始得到迅速发 展;到了 60 年代的中后期，我国引进了国外全自动的燃油锅炉的控制系统；到 了上个世纪的 70 年代末，我国逐渐自主研发了一些工业锅炉的自动化仪器， 同时，在工业锅炉的控制系统方面也在逐步推广应用自动化技术。在仪表继电 器控制阶段，锅炉的热效率得到了提高，并且大幅度的降低了锅炉的事故率。 但是，利用仪表继电器，需要依靠硬件
4、实现控制功能，这样可靠性比较低，同 时精度比较低仅仅能够完成比较简单的控制，不能实现先进控制技术和算法， 控制的效果依然达不到要求。 （3）计算机控制阶段 电子技术的迅猛发展，成本低、可靠性强、集成度高的微机、工控机和 PLC 系统等被广泛应用于工业的生产过程，同时，也为锅炉燃烧控制系统的发 展提供了一个新的途径。自本世纪 80 年代末，中国已经陆续出现了各式各样、 种类繁多的锅炉微机控制系统，该系统大大提高了工业锅炉运行效率。计算机 控制时期，依靠计算机技术可开发自动化程度高的工业锅炉系统，该系统相比 仪表继电器控制系统，性能得到了非常大的提高，但是受环境和外界干扰的影 响较大，因此，还不是
5、特别的完善。 （4）智能控制阶段 现代控制理论的发展及其在各个行业领域的广泛应用，同时，诸如 IPC，PAC ，智能变频器，现场显示设备，各种数据采集卡板等控制领域硬件 的迅猛发展，使得锅炉控制系统发展到了智能控制时期。智能控制系统主要包 括了自学习控制系统，模糊控制系统，基于人工神经网络控制系统，防人智能 控制系统等控制系统，以及同传统的控制形式相结合的控制方案，譬如以神经 网络参数自整定为基础的 PID 控制系统以及模糊 PID 控制系统等。在智能控制 时期，传统控制系统和控制算法不能解决的问题，得到了有效解决，对工业生 产的过程控制提出了一个新的方向，同时具有非常好的效果，但是，智能控制
6、 的算法比较复杂，并且要求速度非常高的主控制器。 目前，我国工业锅炉，特别是电力行业的锅炉，多数处于微机控制阶段， 同时增加了改进的智能控制算法，根据控制系统中微机的作用不同，可以分为 以下几个控制形式 69： （1）数据的采集，检测和指导通过微机进行操作，在这种形式下，控制 器仅仅对系统进行了数据采集，尽管在内部仍然运行着一定的控制算法，但是 输出并没有控制元件起作用，只是对操作人员的操作起着指导的作用。目前， 这种控制系统在我国锅炉控制领域内已经非常少见，一般用在流量小于 10t/h 的非工业的小型锅炉上； (2）微机不但进行数据的采集，同时担负着控制的作用。这种形式里，控 制器一方面实现
7、了数据的采集，同时输出直接可以作用在系统的电磁阀，继电 器，变频器等控制元器件上，这种形式的控制实际上是一种闭环控制，即常规 意义上的自动化。此形式虽然实现了控制的自动化，但是缺乏监测，无法进行 控制效果反馈。因此，在此状况下，会出现操作人员因不了解自动控制的效果， 不能根据控制的效果进行适当的手动控制或者一些紧急停炉的操作，而造成事 故或危害的发生。故这种形式的控制应用的范围也是有限的，当前也就部分中 小型锅炉采用; （3）微机同时起着监控、数据采集和控制二重作用，形式大多采用分布 式控制系统，即分级控制系统。下位机和上位机两部分构成了系统的微机。 图 1-1 分级控制系统简要结构图 Fig
8、ure 1-1 Hierarchical control system summary structure 在上图中，一般采用单片机，PAC, PLC 等作为下位机， IPC(即工业计算 机)作为上位机。由图中可以看到，下位机与上位机担负着不同的作用，数据 的采集，控制程序的执行，输出控制等任务都是由下位机实现的；整个系统的 记录，检测，报警灯等任务则是由上位机利用组态软件进行实现。利用这种形 式能够实现网络化，可以同时对多台锅炉进行监控，因此，实现了真正意义上 的管控一体化的目标，是我国工业生产过程中的广泛应用的控制形式。 1.3 锅炉燃烧控制项目研究的意义 国家“十二五规划”明确提出了节能
9、减排的目标，即到 2015 年，单位 GDP 二氧化碳排放降低 17%；单位 GDP 能耗下降 16%；非化石能源占一次能 源消费比重提高 3.1 个百分点，从 8.3%到 11.4%；主要污染物排放总量减少 8 到 10%的目标。 据研究表明，我国工业锅炉每年耗用原煤约占年总产量的 1/3 ，排放 CO2 达 6 亿多吨，排放 SO2 500 600 万吨，占全国排放总量的 21 % 。这 些都与我国节能减排的政策相悖，不仅消耗了大量的能源，而且容易造成环境 污染。而由于客观条件的限制，在工业生产中大规模淘汰工业锅炉显然是不太 现实的。锅炉的控制系统在锅炉的燃烧过程当中具有十分重要的意义。一
10、个好 的控制系统，能够在保障安全的同时，尽可能地提高燃烧效率，节约能源。 1.4 本文要研究的内容 本文首先研究锅炉燃烧控制系统的整体方案，之后分蒸汽压力控制和燃料 与空气比值控制系统、烟气含氧量的闭环控制系统、炉膛负压控制系统、防止 回火的连锁控制系统、防止脱火的选择控制系统以及燃料量限速控制系统进行 讨论。然后对 MCGS 和三菱 PLC 进行介绍，并用之实现锅炉燃烧系统的控制。 2 方案讨论 锅炉燃烧过程的控制任务有很多，主要有以下几个： 1、使锅炉出口蒸汽压力稳定； 2、保证燃料燃烧良好，促进燃烧过程的经济运行； 3、保持炉膛负压不变； 4、维持燃烧嘴的背压，保障系统安全。 2.1 蒸
11、汽压力控制 保持锅炉出口蒸汽压力稳定，是锅炉燃烧系统最基本的任务之一。当负荷 变化时，可以通过调节燃料量使之稳定。蒸汽压力对象有两个主要干扰量：燃 料量和蒸汽负荷。当两者的变动都较小时，可以采用利用蒸汽压力来调节燃料 量的单回路控制系统。而当燃料量波动较大时，可以采用利用蒸汽压力来调节 燃料流量的串级控制系统。蒸汽负荷变化的时候，燃料流量也会随之变动，因 此燃料流量为主流量，如图 2-1 图 2-1 方案一 Figure 2-1 Option One 2.2 燃烧过程的经济运行 要使燃烧过程经济运行，就是要使进入的空气中含氧量充分，能够是燃料 充分燃烧。但是，如果进入的空气太多，多余的空气会大
12、量的吸热，造成大量 的热损失，也不利于燃料经济地燃烧。因此，可以根据燃料燃烧的方程式，来 确定需氧量的大小，同时根据含氧量来确定送风量的流速。方案主要有以下两 种： 图 2-2 方案一 Figure 2-2 Option One 图 2-3 方案二 Figure 2-3 Option II 其中，方案一包括以蒸汽压力为主被控变量、以燃料量为副被控变量的串 级控制系统，以及以燃料量为主动量、以送风量为从动量的比值控制系统。方 案一能够确保燃料量与空气量的比值关系，当燃料量变化时，送风量能够跟踪 燃料量的变化，但送入的空气量滞后于燃料量的变化。方案二包括以蒸汽压力 为主被控变量、以燃料量为副被控变
13、量的串级控制系统，以及以蒸汽压力为主 被控变量、以送风量为副被控变量的串级控制系统。此方案中，燃料量与送风 量的比值关系是通过燃料控制器和送风调节器的正确动作间接保证的，该方案 能够保证蒸汽压力恒定。本文选择第二种控制方案。 2.3 燃烧过程中烟道含氧量的闭环控制 在整个生产过程中保证最经济地燃烧，必须是的燃料和空气流量保证最优 比值。而烟气含氧量的闭环控制系统就可以保证锅炉最经济地燃烧。这是一个 以烟道中氧含量为控制目标的燃烧流量与空气流量的变比值控制系统 10。 然而，上述烟气含量的闭环控制系统虽然能够保证燃料和空气的比值关系， 但是并不能保证燃料的完全燃烧控制，其原因如要有以下三点： (
14、1)燃料量和空气流量的最优比值是一个变量，它随着系统负荷的变化而变 化； (2)燃料的成分在不同的工况下有可能并不相同，这就影响了系统的判断； (3)对两流量的测量可能因为多种原因而并不是很准确。 以上几个因素都会不同程度地影响到燃料的不完全燃烧或空气的过量，造 成锅炉的热效应下降，这主要是因为燃料流量和空气流量之间是定比值造成的。 因此，可以用烟气中的含氧量这个指标来闭环修正两流量的比值。 设烟气中的含氧量为 AO。根据燃料燃烧的反应方程式，可以计算出完全 燃烧时所需的氧气含量，进而得到所需的空气量，称为理论空气量，设为 QT。而在实际生产过程中，由于燃料和空气不完全混合等原因，燃料完全燃
15、烧所需的空气量大于理论空气量，设为 QP。QP-QT 为燃烧过程中的过剩空气 量。适量的过剩空气量能够保证燃料量完全燃烧，但是当过剩空气量增多时， 一方面会吸收热量，使炉膛的温度降低，另一方面也会使烟气损失增加。因此， 过剩空气量对不同的燃料也有一个最优值，以满足最经济燃烧的要求。图示如 下： 图 2-4 过剩空气量与能量损失的关系 Figure 2-4 Amounts of excess air and energy loss 由图 2-4，总能量损失=不完全燃烧的损失+ 烟气热损失。当过剩空气量从 最小开始增大时，燃料逐渐趋向完全燃烧，不完全燃烧的损失逐步减小，而与 此同时，烟气的热损失由
16、于过剩空气量的增大而逐渐增大。当不完全燃烧的损 失的减小量大于燃气热损失的增加量时，总能量损失是减小的，在 0%20%的 范围内，成为最高效率区。此时，总能量损失最小。但是，随着过剩空气量的 增加，燃料已经完全燃烧，不完全燃烧的损失降为零，如果继续增加过剩空气 量，就会造成烟气热损失的继续增加，从而使得总能量损失增加。 过剩空气量常用过剩空气吸收 来表示，它等于实际空气量 QP 和理论空 气量 QT 的比值，即 = QPT 是衡量经济燃烧的一种指标。而 很难直接测量，但是据研究表明， 与烟气中的氧含量 AO 之间存在一种函数关系，即 = 21AO 将 与 AO 之间的函数关系用图例表示出来，就
17、如下图: 图 2-5 过剩空气量与氧含量 AO、CO 及锅炉效率的关系 Figure 2-5 The relationship of the excess amount of air and oxygen content of the AO, CO, and boiler efficiency 由图 2-5 可以看出，当过剩空气量增加时，CO 含量下降，说明燃料趋向 于充分燃烧，锅炉的效率提升。当过剩空气量在 15%20%时，锅炉效率达到 最大值，此时烟气含氧量在 2.7%3.5%之间。因此，当 在 1.151.20 的范围 内时，烟气含氧量 AO 的最优值为 2.1%3.5%，此时的锅炉最有
18、效率。 因此，应该将烟气含氧量闭环控制系统原来的定比值改为变比值。其实现 可以用氧化锆氧量仪表检测烟气中的含氧量，通过含氧量的变化来推知过剩空 气量的变化，从而达到控制空气量与燃料量比值的目的。保持两量的最优比， 保证锅炉燃烧最经济，热效率最高。给出的设计方案如下： 图 2-6 烟气中含氧量的闭环控制方案 Figure 2-6 Flue gas oxygen content of the closed-loop control scheme 正常情况下，烟气中氧含量的闭环控制方案是蒸汽压力对燃料流量的串级 控制系统和燃料流量对空气流量的比值控制系统的叠加。蒸汽压力控制器 PC 是反作用的。当蒸
19、汽压力下降时（如因负荷增加） ，压力控制器输出增加，从 而提高了燃料流量控制器的设定值。但如果空气量不足，则会造成燃烧不完全。 为此，设有低限选择器 FY1，它只允许两个信号中较小的通过，这样可保 证燃料量只有在空气量足够的情况下才能加大。压力控制器的输出信号将先通 过高限选择器 FY2 来加大空气流量，保证在增加燃料流量之前先把控制量加 大，使燃烧完全。当蒸汽压力上升时，压力控制器输出减小，降低了燃料量控 制器的设定值，在减燃料量的同时，通过比值控制系统，自动减少空气流量。 其中比值由含氧量控制器输出。该系统不仅能够保证在稳定工况下空气和燃料 的最佳比值，而且在动态过程中也能够尽量维持空气、
20、燃料配比在最佳值附近， 因此具有良好的经济和社会效益 11。 2.4 炉膛负压控制系统 炉膛内应该保持一定的负压，来防止炉膛内火焰或者烟气的外喷。炉膛负 压控制系统，就是把炉膛内压力始终保持在微负压状态。系统的被控变量是炉 膛压力。当负荷变化不大时，可以采用单回路控制系统。 当锅炉负荷变化较大时，蒸汽压力的变化也较大。这时就应该引入蒸汽压 力的前馈信号，保持炉膛压力的稳定。 图 2-7 锅炉负荷变化时的前馈- 反馈控制系统 Figure 2-7 Boiler load changes feedforward - feedback control system 当送风量变化时，引风量只有在炉膛负
21、压产生偏差时，才由引风调节器去 调节。这样引风量的变化就落后于送风量，必然会造成炉膛负压的较大波动。 因此应该引入送风量的前馈信号。图示如下： 图 2-8 送风量变化的前馈- 反馈控制系统 Figure 2-8 Air volume changes in feedforward - feedback control system 3 人机界面 3.1 MCGS 组态软件简介 MCGS(Monitor and Control Generated System，通用监控系统)是一套用于 快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，可稳定运行于 Windows95/98/NT 操作系统，集动画显示、流程
22、控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传 输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外 众多数据采集与输出设备，广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、 机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加工业、 水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域。 MCGS 具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出 特点，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。 MCGS 组态软件由组态环境和运行环境两个系统组成，两部分互相独立， 又紧密相关。如图 3-1、3-2 所示： 图 3-1 MCGS 整体结构 Figure 3-1 the i
23、nteger configuration of MCGS 图 3-2 组态的生成与运行 Figure 3-2 creating and function of configuration 3.2 MCGS 的工程构成 MCGS 组态软件工程有五大组成部分。 MCGS 组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数 据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作， 具有不同的特性。 图 3-3 MCGS 工程的构成 Figure 3-3 the constitutes of MCGS project 3.2.1 主控窗口 主控窗口是工程的主窗口或主框架。在主控窗口
24、中可以放置一个设备窗口 和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包 括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口， 设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。 3.2.2 设备窗口 设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与 控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。 3.2.3 用户窗口 用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示 画面、报警输出、数据与曲线图表等。 3.2.4 实时数据库 实时数据库是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将 MCGS 工程的 各个部分
25、连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数 据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。 3.2.5 运行策略 运行策略窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序 （ifthen 脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时 器、配方操作、多媒体输出等。 3.3 组建 MCGS 工程 3.3.1 工程项目系统分析 分析锅炉燃烧控制的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流 程和测控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集 及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备 连接的，哪些变量是软件内部用来传递
26、数据及动画显示的。 3.3.2 工程立项搭建框架 定义工程、封面窗口和启动窗口的名称，指定存盘数据库文件的名称以及 存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，就在 MCGS 组态环境中， 建立了由五部分组成的工程结构框架。 3.3.3 设计菜单基本体系 为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控 窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步搭建菜单的框架，第二步对各 级菜单命令进行功能组态。 3.3.4 制作动画显示画面 动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。首先通过 MCGS 组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内画出锅炉控制系 统的画面。然
27、后设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性 的连接关系，作为动画图形的驱动源。 3.3.5 编写控制流程程序 在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种 策略块，由这些策略块实现各种人机交互操作。 3.3.6 编写程序调试工程 利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。 3.3.7 连接设备驱动程序 在设备窗口内选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变 量的数据处理方式，完成设备属性的设置。 3.4 人机界面 MCGS 的设计 3.4.1 工程分析 通过上两章对锅炉燃烧控制的分析和设计，整体上对工程的结构、流程、 需实现的功能及
28、如何实现这些功能有了详细的了解，下面为具体的框架组成。 （一） 工程框架 8 个用户窗口：锅炉燃烧过程控制、PID 参数、实时曲线、历史曲线、实 验接线图、数据报表、报警显示。 4 个主菜单：系统管理、通讯状态、清除设置、帮助。 1 个子菜单：操作说明。 5 个策略：启动策略、退出策略、数据显示、报警数据、历史数据。 数据对象：燃料流量调节阀、风量流量调节阀、温度、压力、流量上限、 温度上限、压力上限、流量下限、温度下限、压力下限。 （二） 图形制作 锅炉燃烧计算机控制系统窗口： 调节阀、流量传感器、温度传感器：由对象元件库引入； 温度、流量控制：通过输入框输入实现；显示通过标签构件实现； P
29、ID 设定和给定值，通过标签、输入框构件实现。 实时曲线窗口：实时曲线，通过实时曲线构件实现。 历史曲线窗口:历史曲线,通过历史曲线构件实现。 报警显示窗口：报警数据，通过报警显示构件实现。 流程控制：通过循环策略中的脚本程序策略块实现。 安全机制:过用户权限管理、工程安全管理、脚本程序实现。 3.4.2 工程建立 在 MCGS 组态平台上，单击“ 用户窗口”，在“用户窗口”中单击“ 新建窗口” 按钮，则产生新“ 窗口 0”，选中 “窗口 0”，单击“窗口属性”，进入“ 用户窗口属 性设置”，将 “窗口名称”改为：锅炉燃烧控制；将“ 窗口标题” 改为：锅炉燃烧控 制；在“窗口位置 ”中选中 “
30、最大化显示”，其它不变，单击 “确认”点击“ 保存”按 钮，工程创建完毕。按上述操作建立“PID 参数”、“ 实时曲线” 、“历史曲线”、 “数据报表”、“ 报警显示”等用户窗口。 3.4.3 锅炉燃烧控制系统流程图和相关窗口画面 图 3-4 锅炉燃烧控制系统流程 Figure 3-4 Boiler combustion control system processes 操作界面图 3-5 所示： 图 3-5 用户窗口操作界面 Figure 3-5 User-window user interface 图 3-6 PID 参数窗口 Figure 3-6 PID parameters windo
31、w 图 3-7 通讯状态窗口 Figure 3-7 Communication status window 3.4.4 定义数据对象 实时数据库是 MCGS 工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成 实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。 定义数据对象的内容主要包括:指定数据变量的名称、类型、初始值和数 值范围，确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和 保存期限等。 数据对象进行分析： 温度 T 数值型 指标温度的变化 燃料流量 F 数值型 燃料流量的变化 空气流量 F 数值型 空气流量的变化 调节阀 V 数值型 控制流量的进入 通讯状态
32、COMM 开关型 与 PLC 通讯 温度测量值 PV 数值型 测量温度 温度设定值 SV 数值型 设定温度 温度比例增益 P2 数值型 设定比例 温度微分时间 D22 数值型 设定微分 温度积分时间 I22 数值型 设定积分 流量比例增益 P1 数值型 设定比例 流量微分时间 D11 数值型 设定微分 流量积分时间 I11 数值型 设定积分 定义如图 3-8 所示： 图 3-8 实时数据库 Figure 3-8 Real time databank 下面以数据对象“燃料流量”为例，介绍一下定义数据对象的步骤： （1）单击工作台中的“实时数据库”窗口标签，进入实时数据库窗口页。 （2）单击“新增
33、对象 ”按钮，在窗口的数据对象列表中，增加新的数据对 象，系统缺省定义的名称为“Data1 ”、 “Data2”、 “Data3”等（多次点击该按钮， 则可增加多个数据对象） 。 （3）选中对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据 对象属性设置”窗口。 （4）将对象名称改为：燃料流量 F；对象类型选择：数据型；在对象内 容注释输入框内输入：“燃料流量的变化” ，单击“确认” 。 按照此步骤，根据上面列表，设置其他数据对象。 3.4.5 建立动画连接和设备连接 由图形对象搭制而成的图形画面是静止不动的，需要对这些图形对象进行 动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控
34、的目的。 MCGS 实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中 的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。在系统运行过程中，图 形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集值驱动，从而实现了图形的 动画效果。 MCGS 组态软件提供了大量的工控领域常用的设备驱动程序 （1）在“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。 （2）点击工具条中的“工具箱”图标，打开“设备工具箱”。 （3）单击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮，弹出窗口： （4）在可选设备列表中，双击“通用设备”。 （5）双击“串口通讯设备”，在下方出现串口通讯设备图标。 （6）双击三菱 FX2N 设备图标，即
35、可将其添加到右侧选定设备列表中。 3.4.6 报表输出 在工程应用中，大多数监控系统需要对设备采集的数据进行存盘，统计分 析，并根据实际情况打印出数据报表。所谓数据报表就是根据实际需要以一定 格式将统计分析后的数据记录显示和打印出来，如：实时数据报表、历史数据 报表（班报表、日报表、月报表等） 。数据报表在工控系统中是必不可少的一 部分，是数据显示、查询、分析、统计、打印的最终体现，是整个工控系统的 最终结果输出；数据报表是对生产过程中系统监控对象的状态的综合记录和规 律总结。 利用利用历史表格动画构件实现历史报表: 历史表格构件是基于“Windows 下的窗口”和“所见即所得”机制的，用 户
36、可以在窗口上利用历史表格构件强大的格式编辑功能配合 MCGS 的画图功 能做出各种精美的报表。 3.4.7 模拟调试 利用 MCGS 提供的内部模拟模块进行各部分功能仿真，不断的调试和各 种属性的修改，组态运行达到了工程的要求。 通过以上各用户窗口组态画面的设计及内部数据对象的定义,锅炉燃烧计算 机控制系统人机界面 MCGS 组态设计完毕。 4 PLC 程序设计 4.1 可编程控制器简介 12 4.1.1 PLC 的由来 和发展 在 60 年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装 置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安 装。随着生产的发展，汽车型
37、号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置 就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期 的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在 1969 年公开招标，要求用 新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：1. 编程方便， 现场可修改程序；2. 维修方便，采用模块化结构；3. 可靠性高于继电器控制 装置；4. 体积小于继电器控制装置；5. 数据可直接送入管理计算机；6. 成本 可与继电器控制装置竞争；7. 输入可以是交流 115V；8. 输出为交流 115V，2A 以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9. 在扩展时，原系统只要很 小变更；10. 用户程序
38、存储器容量至少能扩展到 4K。 1968 年，美国最大的汽车制造厂家通用汽车公司（GM 公司）提出设想。 1969 年，美国数字设备公司研制出了世界上第一台，型号为 PDP-14。我 们可以把 PLC 产品分为五代： 第一代：从第一台可编程控制器诞生到 20 世纪 70 年代初期。其特点是： CPU 由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。 第二代：20 世纪 70 年代初期到 70 年代末期。其特点是：CPU 采用微处 理器，存储器采用 EPROM。 第三代：20 世纪 70 年代末期到 80 年代中期。其特点是：CPU 采用 8 位 和 16 位微处理器，有些还采用多微处理器结构，存储
39、器采用 EPROM、EAROM、CMOSRAM 等。 第四代：20 世纪 80 年代中期到 90 年代中期。PC 全面使用 8 位、16 位微 处理芯片的位片式芯片，处理速度也达到 1us/步。 第五代：20 世纪 90 年代中期至今。PC 使用 16 位和 32 位的微处理器芯片， 有的已使用 RISC 芯片。 目前，世界上有几百个厂家生产 PLC，较有名的：美国：AB 通用电气、 莫迪康 公司；日本：三菱、富士、欧姆龙、松下 4.1.2 PLC 的特点 可编程序控制器专为在工业环境下应用而设计，以用户需要为主，采用了 先进的微型计算机技术，所以具有以下几个显著特点： （一）可靠性高，抗干扰
40、能力强 （二）通用性强，控制程序可变，使用方便 （三）功能强，适应面广 （四）编程简单，容易掌握 （五）减少了控制系统的设计及施工的工作量 （六）体积小、重量轻、功耗低、维护方便 4.1.3 PLC 的功能 (一) 逻辑控制 (二) 定时控制 (三) 计数控制 (四) 步进(顺序)控制 (五) PID 控制 (六) 数据控制 (七) 通信和联网 (八) 其它 PLC 还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制 模块，CRT 模块 。 可以采用三 CPU 构成表决式系统，使机器的可靠性更高。 4.2 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
41、与微型计算 机相同，如图所示： 图 4-1 PLC 的硬件基本结构图 Figure 4-1 PLC hardware basic structure 4.2.1 中央处理单元(CPU) 13 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 映像 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
42、/O 映像区或数据寄存器内。等所有的用户 程序执行完毕之后，最后将 I/O 映像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。 为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗 余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个 系统仍能正常运行。 4.2.2 存储器 14 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。 (一) PLC 常用的存储器类型 1. RAM (Random Access Memory) 这是一种读/写存储器(随机存储器)，其 存取速
43、度最快，由锂电池支持。 2. EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) 这是一种可擦除的 只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续 照射下可擦除存储器内容)。 3. EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) 这是一 种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修 改。 (二) PLC 存储空间的分配 虽然各种 PLC 的 CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据 PLC 的工作原 理，其存储空间一般包括以下三个区域：
44、系统程序存储区。 系统 RAM 存储区(包括 I/O 映像区和系统软设备等) 用户程序存储区 4.2.3 电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可 靠得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。 4.3 PLC 的工作原理 15 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
45、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
46、了。 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。 (一) 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 映像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 映像 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
47、读入。 (二) 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 存储区中的 对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映像区中对应位的状态；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 映像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 映像区或系统 RAM 存储区内的状 态和数据都
48、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在其上面的 程序起作用。 (三) 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 映像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。 4.4 PLC 控制系统的设计步骤 PLC 控制系统的设计步骤： (1)根据被控对象的控制要求，确定整个系统的输入、输出设备的数量，从 而确定 PLC 的 I/O 点
49、数，包括开关量 I/O、模拟量 I/O 以及特殊功能模块等。 充分估计被控对象和工厂今后发展的需要，所选的 PLC 的 I/O 点数应留有一定 的余量。另外，在性价比不大的情况下，尽可能选用同类型中功能强的新一代 PLC。 (2)确定选用的 PLC 机型。 (3)建立 I/O 分配表，绘制 PLC 控制系统的输入、输出接线图。 (4)根据控制要求绘制用户程序的流程图。 (5)编制用户程序，并借助用户程序装入 PLC 的用户程序存储器。 (6)在实验室模拟调试用户程序。 (7)进入现场联机调试用户程序。 (8)整个系统的调试工作结束后，编制技术文件。 (9)交付使用。 4.5 控制系统硬件设计 通过以上对 PLC 的了解和第一章所确定的控制方案，对锅炉燃烧控制系 统进行 PLC 的硬件设计。 4.5.1 PLC 的选择 选择三菱 FX2N-48MR 的 PLC，及其 4AD 和 4DA 模块。 4.5.2 PLC 硬件连线图 图 4-2 PLC
