基于PLC的鍋爐點(diǎn)火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王洪林

摘 要 伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，鍋爐點(diǎn)火也受到很多工業(yè)所使用，因?yàn)樗某霈F(xiàn)大大提高了工作效率和使用安全。本課程設(shè)計(jì)是以鍋爐點(diǎn)火系統(tǒng)為整個(gè)設(shè)計(jì)的研究對(duì)象，利用PLC能夠很好地控制點(diǎn)火系統(tǒng)完成進(jìn)油槍、進(jìn)點(diǎn)火槍、開(kāi)吹掃閥、關(guān)吹掃閥、退油槍、退點(diǎn)火槍等等一系列動(dòng)作。根據(jù)這些要求要做一套完整的工作流程，首先利用西門子 S7-300作為下位機(jī)來(lái)編寫(xiě)程序，通過(guò)延時(shí)通電定時(shí)器定時(shí)點(diǎn)火器點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)了火焰值達(dá)到一定值時(shí)能自動(dòng)報(bào)警并且顯示成功與失敗，成功后會(huì)自動(dòng)退點(diǎn)火槍退油槍。

關(guān)鍵詞 鍋爐點(diǎn)火 PLC 組態(tài)王 SIMATIC S7-300

中圖分類號(hào)：TK32;TK223.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）07-0001-11

1 簡(jiǎn)介

1.1 課題背景及意義

火力發(fā)電廠的鍋爐點(diǎn)火控制系統(tǒng)過(guò)去多采用平時(shí)常見(jiàn)的繼電器和其他元器件構(gòu)成閉合電路實(shí)行操控。整個(gè)體系里用到了很多的中間繼電器、時(shí)間繼電器，使得所操控的體系看上去不是很簡(jiǎn)單。也是因?yàn)橹虚g環(huán)節(jié)比較多，致使控制系統(tǒng)的故障點(diǎn)也較多。程序運(yùn)行時(shí)，利用上位機(jī)組態(tài)王完成模擬仿真，上位機(jī)和下位機(jī)通訊連接后觀察畫(huà)面整個(gè)過(guò)程，并且跟進(jìn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化情況，從而進(jìn)行修改和補(bǔ)充。這樣既能保障點(diǎn)火過(guò)程中人員的安全，也可以大大提高生產(chǎn)效率、質(zhì)量和減少人員勞動(dòng)的強(qiáng)度，從而更好地運(yùn)用到更多的工業(yè)生產(chǎn)中，提高了環(huán)境的保護(hù)作用。伴隨著PLC在較多領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，它也更好地發(fā)揮自己的特點(diǎn)：在價(jià)錢上面公平公正、操作上面簡(jiǎn)單上手、性能上面穩(wěn)定可靠、編程上面簡(jiǎn)單易懂，這也讓它在自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大作用，深受絕大多數(shù)用戶喜愛(ài)。本文以鍋爐其中一個(gè)角的點(diǎn)火控制為例子，集中探討PLC在鍋爐點(diǎn)火控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。[1]

研究鍋爐點(diǎn)火主要有以下幾方面的意義：

1.節(jié)約工業(yè)生產(chǎn)本錢，提高智能化。機(jī)器勞動(dòng)取代人工勞動(dòng)，一臺(tái)機(jī)器工作可以代替幾個(gè)人工勞動(dòng)，既可以節(jié)約時(shí)間，又能完成相應(yīng)的量，大大地節(jié)約了生產(chǎn)所消耗的費(fèi)用，從而使得工業(yè)更加智能化。

2.提升工業(yè)生產(chǎn)效率。假如鍋爐某一角點(diǎn)火需20秒，使用本次設(shè)計(jì)的整個(gè)體系能夠?qū)r(shí)間管控到15秒左右，點(diǎn)火效率得到很大的提升，方便工業(yè)生產(chǎn)。

3.保障工人人生安全。特別是火力發(fā)電廠在點(diǎn)火時(shí)具有一定的危險(xiǎn)性，也更容易出意外事故，而使用本設(shè)計(jì)鍋爐點(diǎn)火系統(tǒng)來(lái)替代點(diǎn)火員工，可以讓員工的生命安全得到相應(yīng)的保障，也就不會(huì)出現(xiàn)類似的安全事故了。

1.2 鍋爐點(diǎn)火控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

鍋爐點(diǎn)火及焚燒系統(tǒng)普遍用于火力發(fā)電、工業(yè)窯爐、渣滓發(fā)電等范疇，因?yàn)閲?guó)家倡導(dǎo)加強(qiáng)儉約、反對(duì)靡費(fèi)、縮小排放，新添加的設(shè)施須要采納配置節(jié)能點(diǎn)火設(shè)備及焚燒系統(tǒng)，以前固有的設(shè)備也需要進(jìn)行節(jié)能點(diǎn)火及燃燒系統(tǒng)改造，在市場(chǎng)空間中占比很大。同時(shí)，也是因?yàn)閲?guó)內(nèi)技術(shù)比國(guó)外技術(shù)強(qiáng)，隨著全球能源危機(jī)的層層加深，在國(guó)外市場(chǎng)擁有很大的后勁。

進(jìn)入十二五之后，增強(qiáng)儉約動(dòng)力、縮小排放也受到國(guó)家政策和企業(yè)的重視，這也為許多節(jié)能的鍋爐點(diǎn)火產(chǎn)品提供了一個(gè)很好的時(shí)機(jī)。我國(guó)在鍋爐節(jié)油點(diǎn)火系統(tǒng)中一直走在國(guó)際的前沿，也是由于這些年的科學(xué)和國(guó)力迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)鍋爐點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)備在整個(gè)市場(chǎng)中占比程度非常高，這個(gè)行業(yè)的企業(yè)多數(shù)把產(chǎn)品提供給國(guó)內(nèi)的鍋爐廠家，賣給國(guó)外的產(chǎn)品大多都是按套出售，目前鍋爐點(diǎn)火控制產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)分布很少，在市場(chǎng)上也存在很大的競(jìng)爭(zhēng)力。[2]

1.3 設(shè)計(jì)的主要工作

1.網(wǎng)上搜索相應(yīng)的文獻(xiàn)和資料，深入了解鍋爐點(diǎn)火控制系統(tǒng)的起源和發(fā)展趨勢(shì)，并且分析在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀。

2.對(duì)一整套鍋爐點(diǎn)火系統(tǒng)控制方案和它在操作上所用到的硬件設(shè)施做一個(gè)完整概括和仔細(xì)的文字說(shuō)明，另外還需要對(duì)鍋爐點(diǎn)火系統(tǒng)硬件和軟件的型號(hào)大小做一個(gè)具體詳細(xì)的介紹。

3.PLC在選型上要做相應(yīng)的分析概括，要在兩方面進(jìn)行主要分析，一方面是硬件方面的結(jié)構(gòu)，另一方面是軟件方面的結(jié)構(gòu)，然后再對(duì)比將PLC做核心控制合適還是將其他控制器做核心控制合適，最后確定最合適的中央控制器。

4.軟件的選擇有以下幾個(gè)方面，先確定系統(tǒng)框架圖，然后選擇最合適的軟件型號(hào)，再通過(guò)程序軟件編寫(xiě)相應(yīng)的PLC梯形圖程序和組態(tài)仿真對(duì)應(yīng)的圖，最后用組態(tài)王軟件進(jìn)行模擬操作和監(jiān)視，并且在人機(jī)界面對(duì)軟件進(jìn)行仿真，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期的結(jié)果是否一樣。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)工作流程

此設(shè)計(jì)是以鍋爐點(diǎn)火系統(tǒng)為研究目標(biāo)，PLC是整個(gè)系統(tǒng)中的中央控制器，控制點(diǎn)火完成以下動(dòng)作：按次程序?yàn)檫M(jìn)油槍、進(jìn)點(diǎn)火槍、開(kāi)吹掃閥、吹掃15秒、關(guān)吹掃閥、開(kāi)油閥，同時(shí)點(diǎn)火器打火15秒、判別火焰能否著火，火焰數(shù)值大于60，顯示點(diǎn)火順利，并退點(diǎn)火槍;點(diǎn)火不成功，則顯示失利。點(diǎn)火失敗后按次程序?yàn)殛P(guān)油閥、開(kāi)吹掃閥吹掃15秒、關(guān)吹掃閥、退油槍、退點(diǎn)火槍，閥門及推進(jìn)器方位開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)核心開(kāi)關(guān)完成。

2.2 系統(tǒng)的基本功能

利用西門子，組態(tài)軟件組態(tài)王及核心的相干電壓很低的電器，聯(lián)結(jié)成管制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)要求，編寫(xiě)相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的性能，組態(tài)人機(jī)界面，可以通過(guò)模擬仿真。具體要求：

1.通過(guò)要求構(gòu)建畫(huà)面模板，在模板畫(huà)面中顯現(xiàn)“鍋爐點(diǎn)火模擬名目”和“日期時(shí)鐘”兩個(gè)模塊。

2.創(chuàng)建兩個(gè)組態(tài)畫(huà)面，分別命名為主畫(huà)面和體系畫(huà)面，它們兩之間能進(jìn)行畫(huà)面切換。

3.在系統(tǒng)畫(huà)面中繪畫(huà)出鍋爐點(diǎn)火的系統(tǒng)圖。

4.爐膛火焰的模擬量一般是0～100進(jìn)行設(shè)定。

5.經(jīng)過(guò)核心的開(kāi)關(guān)及信號(hào)的操作，模擬鍋爐的點(diǎn)火過(guò)程中各個(gè)閥門及推進(jìn)器的形態(tài)，以鍋爐一個(gè)角為研究對(duì)象，編寫(xiě)程序，按次順序?yàn)檫M(jìn)油槍—進(jìn)點(diǎn)火槍—開(kāi)吹掃閥—吹掃15秒—關(guān)吹掃閥—開(kāi)油閥，同時(shí)點(diǎn)火器打火15秒—判別火焰能否著火，火焰數(shù)值大于60，顯示點(diǎn)火成功，并退點(diǎn)火槍;點(diǎn)火不順利，則顯示點(diǎn)火失敗。點(diǎn)火失利后程序順序?yàn)殛P(guān)油閥—開(kāi)吹掃閥吹掃15秒—關(guān)吹掃閥—退油槍—退點(diǎn)火槍，閥門及推進(jìn)器的位置開(kāi)關(guān)通過(guò)核心開(kāi)關(guān)完成，在人機(jī)界面上動(dòng)畫(huà)展現(xiàn)。[3]

6.鍋爐中的火焰和數(shù)值都可以用動(dòng)畫(huà)展現(xiàn)出來(lái)，動(dòng)畫(huà)中的火焰數(shù)值會(huì)由棒狀刻度標(biāo)記下來(lái)，并且用數(shù)字顯示出來(lái)。

7.想要顯現(xiàn)通暢的爐膛火焰動(dòng)畫(huà)圖，利用PLC計(jì)數(shù)器編寫(xiě)相應(yīng)的程序，最后再將PLC與組態(tài)王軟件做好通訊連接。

8.組態(tài)若爐膛火焰的刻度值低于25時(shí)出現(xiàn)一個(gè)燃燒不充分的報(bào)警。

9.創(chuàng)建一個(gè)組態(tài)報(bào)警畫(huà)面，并能完成體系畫(huà)面之間的切換。

10.用組態(tài)編輯一個(gè)重要用戶和一個(gè)子用戶名分別為“user”和“user0”，“user”包含“user0”， “user0”的密碼為“123”。“user”重要用戶的權(quán)責(zé)為操控和“輸入爐膛火焰設(shè)定值”。最后在系統(tǒng)畫(huà)面中的爐膛火焰設(shè)置安全權(quán)限。普通用戶是不可以自行設(shè)置爐膛火焰的設(shè)定值，只有用戶“user”和用戶“user0”能夠自行設(shè)定。

11.創(chuàng)建一個(gè)用戶視圖畫(huà)面，明確該用戶名作登錄按鈕與撤銷按鈕，能顯現(xiàn)當(dāng)前用戶名，并能與系統(tǒng)畫(huà)面之間切換。

12.創(chuàng)建組態(tài)趨勢(shì)視圖畫(huà)面，能很好地展現(xiàn)爐膛火焰的數(shù)值和數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線，并能與體系畫(huà)面之間切換。

2.3 系統(tǒng)控制方案選擇與論證

控制方案是在整個(gè)點(diǎn)火控制體系中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，在選取這一塊時(shí)一定要仔細(xì)考慮。由于控制方案的好壞不僅影響整個(gè)體系的質(zhì)量問(wèn)題，也會(huì)受到價(jià)格上面的限制?，F(xiàn)在許多生產(chǎn)線除了要保證質(zhì)量之外還要考慮其各方面是否合理。對(duì)點(diǎn)火控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以采用以下方案。

2.3.1 采用繼電器直接操作

利用繼電器直接操作有它的優(yōu)勢(shì)也有它很大的缺陷，也是由于硬件接線占整個(gè)接線的很大一部分，常常采用繼電器觸點(diǎn)的開(kāi)和閉協(xié)同延時(shí)繼電器等來(lái)實(shí)行管制。缺陷是線路比較繁瑣，占地面積比較大，一旦完成后想要做出改變那是非常難的。如果在操作方面需求高、操控線路繁瑣的話不建議采用這個(gè)，如果操作系統(tǒng)線路比較簡(jiǎn)易的話就可以采用這個(gè)。[4]

2.3.2 采用單片機(jī)操作

利用單面機(jī)操作有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是直接忽視掉繁瑣的硬件電路，如果有其他功能實(shí)現(xiàn)可以在電路板上直接嵌入少許的硬件電路，從而完成相應(yīng)的功能，全部過(guò)程由所編寫(xiě)的軟件程序來(lái)全權(quán)操作。單片機(jī)的ROM會(huì)把用戶所寫(xiě)的全部程序存儲(chǔ)下來(lái)，不會(huì)因?yàn)橥饨绛h(huán)境所影響。但它也有一定的缺陷：在性能穩(wěn)固性上面不是很好，而且在一些極端惡劣的環(huán)境中很難運(yùn)行。

2.3.3 采用PLC操作

使用PLC操作也是由于它有諸多優(yōu)勢(shì)：在性能上穩(wěn)固性很好、器件設(shè)施方面很全面，并且程序簡(jiǎn)單容易理解，操作起來(lái)非常的容易，PLC操控是許多工業(yè)產(chǎn)業(yè)不二之選。以西門子生產(chǎn)的S7系列PLC舉例，它能在沒(méi)有發(fā)生故障的時(shí)候工作很長(zhǎng)時(shí)間，很多外接設(shè)備越來(lái)越系統(tǒng)化和模塊化，程序的使用和語(yǔ)言梯形圖在使用方面也是相當(dāng)?shù)谋憷?，新手也能很快的上手，不?huì)有太大的困難。

單片機(jī)在某些方面沒(méi)有PLC好，因?yàn)閱纹瑱C(jī)在一些極端惡劣的環(huán)境中會(huì)受到很多不確定要素的影響，如遇到粉塵、噪音、輻射等，在此之外單片機(jī)還受電源的限制，在沒(méi)有電源的情況下單片機(jī)是無(wú)法進(jìn)行工作的。經(jīng)過(guò)一系列的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)比較其差別，從而確定操作需求，這就需要它操控速率要快、靈敏性強(qiáng)、安全性能高、在惡劣的環(huán)境中也能進(jìn)行工作，操作簡(jiǎn)單容易上手，在發(fā)生故障時(shí)便于修理和整改，根據(jù)以上要求，選擇PLC來(lái)操作，它不僅在體積上優(yōu)于繼電器，也在功能與操作上簡(jiǎn)單于單片機(jī)，這就是為什么選擇用PLC來(lái)操作的原因。

3 PLC的概述

3.1 PLC國(guó)內(nèi)外發(fā)展

初期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器，由于各方面的優(yōu)勢(shì)，把當(dāng)時(shí)比較流行的繼電器所替代。伴隨著國(guó)際技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的許多性能都勝過(guò)了邏輯操控領(lǐng)域，這也讓它在工業(yè)生產(chǎn)上面起著非常重要的作用，因此它也被人們稱作可編程控制器，英文縮寫(xiě)PLC。也是防止與個(gè)人計(jì)算機(jī)產(chǎn)生混淆，才命名為PLC，PLC是由美國(guó)數(shù)字化設(shè)備公司發(fā)明的，也是由于其可靠性高、編程簡(jiǎn)單、組態(tài)靈活、I/O功能模塊齊全，能很好的完成工業(yè)上的制造，受到多個(gè)國(guó)家的青睞，例如美國(guó)、日本、德國(guó)。[5]

20世紀(jì)PLC經(jīng)過(guò)了三個(gè)重大進(jìn)程：第一進(jìn)程是在20世紀(jì)60年代前后。那個(gè)時(shí)候的PLC是繼電器的代替品。合成一些具有一定數(shù)量的電路，在外圍電路上添加許多預(yù)防措施從而提升它的抵抗外部擾動(dòng)的能力;第二進(jìn)程為20世紀(jì)70年代前后。當(dāng)時(shí)就把微處理器當(dāng)做核心，添加了許多邏輯功能。在早期原有的層面上加入了獨(dú)特的功能模塊等，這樣就使PLC應(yīng)用非常廣泛;第三進(jìn)程為20世紀(jì)80年代到今。由于集成電路的突飛猛進(jìn)也讓PLC的知名度在國(guó)際市場(chǎng)上赫赫有名。制造商還研發(fā)出特定的芯片，致使PLC功能越來(lái)越強(qiáng)大。

國(guó)內(nèi)PLC的運(yùn)用也是在新中國(guó)改革開(kāi)放后開(kāi)始的。最早期還是從外國(guó)的工業(yè)設(shè)備才逐漸了解到一些PLC的知識(shí)和應(yīng)用，之后國(guó)內(nèi)大大小小的企業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)線上逐漸增大PLC的使用。

3.2 PLC的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

PLC的發(fā)明就是用來(lái)便利工業(yè)上的操作，促進(jìn)生產(chǎn)線的效率，它和微型計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)上沒(méi)什么區(qū)別，其主要構(gòu)造是電源、中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊這幾部分。具體如下：

1.固定電源：PLC的電源是整個(gè)系統(tǒng)中缺一不可的器件。假如沒(méi)有一個(gè)優(yōu)良的、靠譜的電源系統(tǒng)是不能正常運(yùn)行的，也是因?yàn)檫@樣PLC的生產(chǎn)商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造非常重視。交流電壓控制在±10%—15%范圍內(nèi)浮動(dòng)，可以不利用其他設(shè)施，直接將PLC連接到交流電網(wǎng)上去。[6]

2.處理器（CPU）：CPU作為一個(gè)系統(tǒng)的控制核心，他不僅是能根據(jù)自身所帶的功能來(lái)儲(chǔ)存和處理數(shù)據(jù)，還可以檢查系統(tǒng)各個(gè)硬件在工作時(shí)出現(xiàn)的狀態(tài)變化，從而來(lái)判斷是哪一塊程序出現(xiàn)了語(yǔ)法問(wèn)題。PLC的工作形式是以掃描的形式進(jìn)行的，在掃描的時(shí)候能夠讀取到輸入裝置的數(shù)據(jù)和狀態(tài)情況，再把這些數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到內(nèi)部寄存器當(dāng)中，然后把用戶存儲(chǔ)器中的程序每條讀取出來(lái)并且按照規(guī)定命令解釋，最后將內(nèi)部寄存器的INPUT狀態(tài)傳送到相應(yīng)的INPUT裝置，根據(jù)這個(gè)工作形式重復(fù)工作，直到停止運(yùn)行為止。

3.存儲(chǔ)單元：存儲(chǔ)單元是儲(chǔ)存系統(tǒng)軟件的，也是整個(gè)系統(tǒng)比較重要的一部分。

4.輸入輸出接口電路：輸入接口是由兩部分組成，分別為光耦合和微機(jī)輸入接口電路，是PLC和接口界面共同的輸入通道。輸出接口是由三部分組成，分別為輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路組成，它的作用是將接口電路向動(dòng)作部件OUTPUT對(duì)應(yīng)的操控信號(hào)。

5.功能模塊：功能模塊有計(jì)數(shù)模塊、定位模塊等。

6.通信模塊：通信模塊由幾部分組成，分別是局域網(wǎng)、RS485和Profibus-DP通訊模塊等組成。也是為了防止故障發(fā)生，特意增加PLC的牢靠性，通常采用雙CPU或者三CPU系統(tǒng)，這樣如果一個(gè)CPU在工作時(shí)發(fā)生故障，也能正常工作，不會(huì)影響其他部件，這樣解決了CPU的故障問(wèn)題。[7]

如今PLC在國(guó)際市場(chǎng)上受到普遍使用，應(yīng)用情況大致如下：

1.開(kāi)關(guān)量的邏輯操控。開(kāi)關(guān)量的邏輯操縱是PLC用得最多的，它以自身優(yōu)勢(shì)打敗了許多邏輯操控，它的優(yōu)點(diǎn)是有選擇性的操控，能操控一臺(tái)設(shè)施也可以同時(shí)操控好幾臺(tái)完成流水線任務(wù)，像一些機(jī)床、生產(chǎn)線、電鍍等都用的上。

2.模擬量操控。像氣壓、液位、速率這些模擬量時(shí)時(shí)刻刻在發(fā)生改變的，想要控制這些模擬量的變化，就要完成模擬量和數(shù)字量?jī)烧咧g進(jìn)行A/D和D/A變換，只有PLC廠家出產(chǎn)成套的A/D與D/A變換模塊，這樣才能讓編程控制器來(lái)控制相應(yīng)的模擬量。

3.運(yùn)動(dòng)操控。PLC能夠操控兩種運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是圓周運(yùn)動(dòng)PLC，另一個(gè)是直線運(yùn)動(dòng)，最開(kāi)始都是用開(kāi)關(guān)量I/O模塊來(lái)連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如今直接用獨(dú)有的運(yùn)動(dòng)操縱模塊。國(guó)際上知名PLC廠家用的都是運(yùn)動(dòng)操縱性能，通常適用于電動(dòng)樓梯、人工智能機(jī)器人、機(jī)械等場(chǎng)所。[8]

4.過(guò)程操控。過(guò)程操縱是對(duì)模擬量閉環(huán)操縱，工業(yè)中PLC可以編寫(xiě)不同的算法程序來(lái)進(jìn)行閉環(huán)的控制，常見(jiàn)的PID調(diào)節(jié)是很多閉環(huán)系統(tǒng)中用的最普遍的，不管是大型中型還是小型都會(huì)有這個(gè)功能的模塊，而且啟動(dòng)獨(dú)立的子程序。過(guò)程操縱在冶煉金屬、化學(xué)工廠、熱處理、鍋爐點(diǎn)火操縱等場(chǎng)所都得到普遍使用。

5.數(shù)據(jù)處理。PLC有很多種運(yùn)算方法：矩陣、函數(shù)、邏輯運(yùn)算。它也有很多功能，像數(shù)據(jù)的傳送、轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等，這些功能可以幫助PLC完成數(shù)據(jù)的采集、分析以及處理。

6.通信及聯(lián)網(wǎng)。PLC通信分兩種：一種是PLC之間的通信，另一種是PLC和其他設(shè)備之間的通信。也是近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的非常迅速，很多工廠也實(shí)現(xiàn)智能化，在很多系統(tǒng)方面用PLC通信功能，在為生產(chǎn)提供了便利。[9]

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示。

1.上位機(jī)：本設(shè)計(jì)利用的組態(tài)王作為上位機(jī)，主要使用它完成模擬仿真，能夠直觀展現(xiàn)出設(shè)計(jì)成功情況，并且實(shí)時(shí)跟進(jìn)數(shù)據(jù)情況。

2.下位機(jī)：本設(shè)計(jì)利用西門子S7-300作為下位機(jī)，主要使用它編寫(xiě)程序，并且程序?qū)懲旰笈c上位機(jī)通訊連接，操作上位機(jī)進(jìn)行仿真。

3.執(zhí)行裝置：該設(shè)計(jì)利用的是兩種執(zhí)行裝置，一個(gè)是氣動(dòng)電磁閥，另一個(gè)是推進(jìn)器，只有和驅(qū)動(dòng)裝置共同使用，才能完成一整套驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火任務(wù)。

4.信號(hào)采集：該設(shè)計(jì)主要采用的信號(hào)采集裝置是磁性開(kāi)關(guān)、高能鍋爐點(diǎn)火裝置、高溫電磁閥，用該裝置能很好地觀察到火焰的數(shù)值變化情況，進(jìn)而通過(guò)現(xiàn)象來(lái)控制火焰數(shù)值的大小。

4.2 PLC的選型

明確控制系統(tǒng)方案之后，就是要選擇好所需要使用PLC的機(jī)型。選型有以下幾個(gè)要求。

4.2.1 輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算

PLC的I/O點(diǎn)數(shù)應(yīng)該有適當(dāng)?shù)囊缌?，作為輸出點(diǎn)數(shù)的估算數(shù)據(jù)。

4.2.2 存儲(chǔ)器容量估值計(jì)算

存儲(chǔ)器容量的估算是不唯一的，因?yàn)槲墨I(xiàn)有很多，并且運(yùn)用的公式也不相同，目前運(yùn)用比較普遍的方法是數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10～15倍，再加上模擬量I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，按照這個(gè)數(shù)作為內(nèi)存的總的字?jǐn)?shù)量，除此之外再按這個(gè)字?jǐn)?shù)的25%考慮多余的量。[10]

4.2.3 控制功能的選擇

該系統(tǒng)包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性。

通過(guò)上述的所有要求和功能，最終確定為西門子SIMATIC S7-300型PLC。

4.3 其他主要元件選擇

4.3.1 高能鍋爐點(diǎn)火裝置

GMGD系列高能頻點(diǎn)火裝置，只要由點(diǎn)火器、高壓導(dǎo)電桿、半導(dǎo)體高能電源、高壓電纜線組。可對(duì)重油輕油、天然氣直接進(jìn)行點(diǎn)火。本產(chǎn)品具有放電量大、能量轉(zhuǎn)換率高，工作電流小、點(diǎn)火嘴耐高溫、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。[11]

4.3.2 點(diǎn)火推進(jìn)器裝置

主要用于程序點(diǎn)火系統(tǒng)中的油槍、點(diǎn)火槍的進(jìn)退及工業(yè)電視的進(jìn)退保護(hù)（見(jiàn)圖2）。

4.3.3 燃油槍、燃?xì)鈽?/p>

GMYR系列油燃燒器和GMQR系列燃燒器主要用于電廠、化工、冶煉鍋爐加熱爐的點(diǎn)火助燃及帶粉燃燒，由油槍、組合推進(jìn)器、穩(wěn)燃罩等組成，可根據(jù)用戶的要求配置，本設(shè)備優(yōu)化組合成一體，與鍋爐本體用法蘭連接，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、性能優(yōu)越。

燃油槍：GMYQ1機(jī)械霧化、GMQ2蒸汽霧化、GMYQ3空氣霧化（見(jiàn)圖3）。

4.3.4 閥門

本實(shí)驗(yàn)的電動(dòng)球閥、氣動(dòng)球閥及電磁閥微型球閥，其特點(diǎn)的關(guān)閉速度快、耐高溫、反饋信號(hào)準(zhǔn)確，是為電站和其他工業(yè)鍋爐燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專用閥門（見(jiàn)圖4）。

4.3.5 高溫電磁閥

高溫電磁閥是一種比較特殊的電磁閥，它是先導(dǎo)直動(dòng)型的電磁閥。這種電磁閥優(yōu)點(diǎn)也比較多：它有很好的抗高溫能力，在300攝氏度以上的高溫下正常工作，而且閥芯均為不銹活塞式，特制線圈采用散熱的結(jié)構(gòu)方式，因此不用擔(dān)心燒毀，長(zhǎng)時(shí)間停止動(dòng)作重新啟動(dòng)，動(dòng)作同樣靈活;其廣泛應(yīng)用于點(diǎn)火控制系統(tǒng)、船舶重工、測(cè)試設(shè)備、加熱設(shè)備、液壓設(shè)備等（見(jiàn)圖5）。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 鍋爐點(diǎn)火控制系統(tǒng)的流程圖

見(jiàn)圖6。

5.2 PLC的I/O分配

見(jiàn)表1。

5.3 西門子S7-300可編程控制器簡(jiǎn)介

SIMATIC S7-300是一種通用型的PLC，能適合自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是在生產(chǎn)制造工程中的應(yīng)用。模塊化、無(wú)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及易于掌握等特點(diǎn)，使得S7-300在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中實(shí)施各種控制任務(wù)時(shí)，成為一種既經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案。SIMATIC S7-300的大量功能能夠支持和幫助用戶進(jìn)行編程、啟動(dòng)和維護(hù)，其主要功能是：

1.高速的指令處理。

2.人機(jī)界面。

3.診斷功能。

4.口令保護(hù)。

SIMATIC S7-300系列PLC是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種單獨(dú)模塊之間可進(jìn)行廣泛組合和擴(kuò)展。

5.4 點(diǎn)火控制系統(tǒng)程序

5.4.1 開(kāi)始程序

按下啟動(dòng)按鈕，常閉進(jìn)油槍到位開(kāi)關(guān)通電，進(jìn)油槍開(kāi)始置位，開(kāi)始進(jìn)油。

進(jìn)點(diǎn)火槍通電后開(kāi)吹掃閥置位，開(kāi)始掃閥。

進(jìn)油槍通電后，常閉進(jìn)點(diǎn)火槍到位開(kāi)關(guān)接通，進(jìn)點(diǎn)火槍置位，開(kāi)始點(diǎn)火。

5.4.2 掃閥定時(shí)器程序

開(kāi)吹掃閥開(kāi)關(guān)接通后延時(shí)通電定時(shí)開(kāi)始工作，延時(shí)15秒后開(kāi)吹掃閥，然后開(kāi)Q0.3油閥。

開(kāi)油閥閉合后點(diǎn)火器打火置位Q0.4打火。

5.4.3 延時(shí)點(diǎn)火程序

點(diǎn)火器打火通電后通電延時(shí)定時(shí)器開(kāi)始延時(shí)，延時(shí)15秒后接通，點(diǎn)火器Q0.4打火復(fù)位。

5.4.4 點(diǎn)火判斷程序

通過(guò)觀察火焰值大小，火焰值到達(dá)60的時(shí)候則點(diǎn)火成功，點(diǎn)火成功開(kāi)關(guān)接通后，常閉退點(diǎn)火槍開(kāi)關(guān)接通，進(jìn)點(diǎn)火槍Q0.1復(fù)位。

火焰值小于60時(shí)點(diǎn)火失敗，這時(shí)點(diǎn)火失敗按鈕接通，開(kāi)油閥Q0.3置位，繼續(xù)加油。

開(kāi)油閥接Q0.3通后，開(kāi)吹掃閥Q0.2置位，繼續(xù)掃閥15秒。

開(kāi)吹掃閥接通后，延時(shí)通電定時(shí)器延時(shí)15秒，開(kāi)吹掃閥Q0.2復(fù)位，常閉退油槍到位開(kāi)關(guān)通電，進(jìn)油槍Q0.0復(fù)位，停止進(jìn)油。

進(jìn)油槍Q0.0接通后，常閉退點(diǎn)火槍到位開(kāi)關(guān)通電，進(jìn)點(diǎn)火槍Q0.1復(fù)位，停止點(diǎn)火。

6 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與仿真

6.1 軟件監(jiān)控

6.1.1 監(jiān)控軟件介紹

本設(shè)計(jì)用到的上位機(jī)是組態(tài)王，作為亞控公司一款主流軟件，也是一個(gè)多功能于一體的軟件，擁有操控、監(jiān)視、記錄、模擬等一系列操作;使用這個(gè)軟件可以實(shí)時(shí)觀察點(diǎn)火系統(tǒng)正常工作時(shí)火焰數(shù)值的變化，并且通過(guò)報(bào)警裝置提醒用戶點(diǎn)火是否成功。[12]

6.1.2 組態(tài)界面制作

1.首先是以管理員身份運(yùn)行軟件，進(jìn)入頁(yè)面后創(chuàng)建一個(gè)新的工程名，以自己論文課題名稱作為工程名稱，選擇一個(gè)空文件夾作為后期文件保存的路徑，然后簡(jiǎn)單地描述一下自己的工程，點(diǎn)擊完成，工程名稱就創(chuàng)建完畢。詳細(xì)如圖7-8。

2.工程創(chuàng)建完之后連接設(shè)備，點(diǎn)擊新建后會(huì)出現(xiàn)許多軟件公司，我們選擇西門子下面的COM，選擇下一步然后確定新IO設(shè)備，這樣就算設(shè)備添加完畢。[13-14]

3.設(shè)備連接后添加數(shù)據(jù)詞典，把設(shè)計(jì)中需要定義變量的儀器都新建變量名、變量類型、連接設(shè)備、數(shù)據(jù)類型、最大值，這些都要根據(jù)類型來(lái)建立。

6.1.3 主畫(huà)面

新建主畫(huà)面。打開(kāi)軟件后直接從工具欄中添加一個(gè)畫(huà)圖的區(qū)域，把文本主題修改為主畫(huà)面，然后再創(chuàng)建幾個(gè)子畫(huà)面，也是為了實(shí)現(xiàn)畫(huà)面之間的進(jìn)行很好地切換，然后將左側(cè)的項(xiàng)目視圖中對(duì)應(yīng)的畫(huà)面拖入到主畫(huà)面即可，系統(tǒng)畫(huà)面如圖9。

6.1.4 系統(tǒng)畫(huà)面

系統(tǒng)畫(huà)面是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的部分，包括鍋爐組進(jìn)點(diǎn)火槍、打火裝置、閥門等組態(tài)。這些都可以在工具視圖庫(kù)中找到，如圖10。

6.1.5 模塊組態(tài)

1.電源模塊：PS 307 5A。

2.CPU模塊：CPU 315F-2P/DP。

3.輸入口模塊：DI16/DO16 24V/0.5A。

4.輸出口模塊：AI4/AO2 8/8Bit。

5.信號(hào)模塊：SM-300。

6.1.6 變量設(shè)定

雙擊項(xiàng)目視圖下的變量，進(jìn)行變量定義。與PLC相關(guān)量的變量其鏈接設(shè)為PLC，組態(tài)軟件的變量則設(shè)定為內(nèi)部變量。

6.1.7 登錄畫(huà)面

如圖11。

6.1.8 用戶登錄界面相關(guān)組件設(shè)置

用戶管理畫(huà)面主要是對(duì)用戶，管理員等口令及權(quán)限的設(shè)置。首先進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，在項(xiàng)目視圖下有運(yùn)行系統(tǒng)用戶管理，點(diǎn)開(kāi)后有組和用戶項(xiàng)，雙擊組，進(jìn)行組的設(shè)置，添加一個(gè)班組長(zhǎng)，另外在權(quán)限欄添加一個(gè)權(quán)限，改為輸入爐膛火焰設(shè)定值，然后將班組長(zhǎng)的權(quán)限設(shè)定為操作和輸入爐膛火焰設(shè)定值。[15]

雙擊用戶，添加一個(gè)新用戶，用戶名為user0，口令為123，用戶組設(shè)定為班組長(zhǎng)，將管理員Admin的密碼改為111，如圖12。

6.1.9 報(bào)警畫(huà)面

動(dòng)畫(huà)運(yùn)行時(shí)，會(huì)有一個(gè)報(bào)警器，在點(diǎn)火槍開(kāi)始點(diǎn)火時(shí)，火焰值達(dá)到60，報(bào)警器會(huì)立刻報(bào)警，并且顯示成功，然后退油槍退點(diǎn)火槍;火焰值小于25，報(bào)警器也會(huì)報(bào)警，但這時(shí)的顯示是失敗，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開(kāi)進(jìn)油槍、進(jìn)點(diǎn)火槍，直到成功為止。

6.1.10 趨勢(shì)視圖畫(huà)面

趨勢(shì)視圖畫(huà)面是顯示點(diǎn)火過(guò)程中火焰在每個(gè)階段的數(shù)值，用圖直觀的展現(xiàn)出來(lái)，然后根據(jù)火焰值升降來(lái)分析系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，如圖13。

7 總結(jié)及展望

本設(shè)計(jì)對(duì)鍋爐點(diǎn)火系統(tǒng)的背景、意義、發(fā)展前景、硬件和軟件的選型做了一個(gè)詳細(xì)的介紹說(shuō)明，也是用最通俗的語(yǔ)言表達(dá)出整個(gè)設(shè)計(jì)流程以及所用的器件。在使用這些器件之前都會(huì)收集大量的資料來(lái)考證本設(shè)計(jì)是否能用，完成這項(xiàng)任務(wù)后就確定軟件，軟件需要用到的也就兩個(gè)，一個(gè)是寫(xiě)程序的軟件，另一個(gè)就是上位機(jī)軟件，寫(xiě)程序的軟件我選擇了西門子SIMATIC S7-300，上位機(jī)軟件選擇的是組態(tài)王，是一個(gè)集多功能于一體的上位機(jī)軟件。SIMATIC S7-300和組態(tài)王聯(lián)合操作，從而使得效果能夠達(dá)到很好地一致性。[16-17]

鍋爐點(diǎn)火在未來(lái)工業(yè)上擁有很好的前景，因?yàn)樗捎玫氖荘LC做中央控制部分，加上組態(tài)王上位機(jī)操控著相應(yīng)的命令，還能實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面動(dòng)態(tài)情況，簡(jiǎn)化了很多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得工作人員很容易操控，并且出現(xiàn)故障時(shí)也能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在哪里，對(duì)于一些工業(yè)生產(chǎn)有很大的幫助，這也是它在將來(lái)發(fā)展的方向，因?yàn)閲?guó)家在大力發(fā)展工業(yè)這一塊，相信這種方便且實(shí)用的系統(tǒng)會(huì)得到更多產(chǎn)業(yè)發(fā)展下去。

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