基于PLC与组态软件的船舶锅炉监控系统毕业设计论文.doc

船用锅炉是远洋运输船舶必备的辅助设备之一。锅炉产生的蒸汽主要用来加热燃油、加热滑油、主机暖缸、驱动其它辅助机械以及生活杂用等。目前，经济全球化和一体化的飞速发展促进了船舶也朝大型和超大型方向发展，因此对锅炉蒸发量的要求将越来越大。与此同时，对锅炉经济性和安全性的要求也将越来越局。近年来，随着自控技术的飞速发展，船舶自动化控制系统也越来越完善。本文应用可编程控制器(PLC)硬件接口技术和组态王软件开发技术来实现船舶辅锅炉计算机监控。系统构成主要包括PLC模块、PLC扩展模块和软件设计等。系统采用西门子公司的57一200系列PLC和北京亚控科技发展有限公司开发的组态王6.52软件。文章首先对船舶辅锅炉的自动控制系统进行阐述，明确锅炉自动控制系统的各个组成部分以及各个部分的控制对象和控制目标，简要分析其发展现状。其次文章对可编程序控制器和组态王软件进行分析，明确它们的工作原理和结构，分析它们的功能，确定把可编程序控制器和组态王软件应用于船舶锅炉的自动控制系统完全可行并能取得完美的监控效果。本文对船用锅炉的点火时序自动控制系统、水位自动控制系统、蒸汽压力自动控制系统、安全报警和手动控制系统进行了比较深入的研究。根据辅锅炉自动控制系统的特点，构建了船舶辅锅炉监控系统结构的组成和控制方案。文章对系统的输入、输出进行设计，同时对输入输出信号的采集与转换进行分析。在明确西门子57一ZOOPLC工作原理和开发特点的基础上，设计了锅炉点火时序控制程序、锅炉水位自动控制程序、蒸汽压力自动控制程序以及锅炉的安全保护程序等。最后在组态王软件中设计监控图形画面，根据对船舶辅锅炉的现场考察，合理布置设备画面，设计的画面尽量符合工业现场的要求。同时，在组态王中建立数据库、设置通一讯参数、编写命令语言和配置运行系统等。最后，通过组态王与PLC建立连接，实现了船用辅锅炉的计算机监控系统。关键词:船舶辅助锅炉;可编程序控制器;组态王软件;自动控制目录第1章绪论.11.1船用锅炉自动控制概述.11.2船用锅炉系统发展现状.21.3本文研究的主要内容.3第2章可编程序控制器及其工作原理.52.1可编程序控制器简介.52.1.1可编程序控制器的基本概念.52.1.2可编程序控制器的特点.52.1.3可编程控制器的应用.72.1.4可编程控制器的发展趋势.72.2可编程序控制器的结构.82.2.1CPU的构成.92.2.2FO模块.102.2.3电源模块.102.2.4底板或机架.102.2.5PLC的外部设备.102.2.6PLC的通信联网.H2.3可编程序控制器的工作原理.n2.3.1可编程序控制器的工作过程.，.n2.3.2可编程序控制器对输入/输出的处理规则.122.3.3PLC的扫描周期及滞后响应.，.13第3章组态王软件简介.143.1组态王软件6.51的主要功能.143.1.1工程管理.，.143.1.2画面制作系统.，.143.1.3报警和事件系统.巧3.1.4报表系统.巧3.1.5控件.153.1.6OPC.153.1.7通讯系统.163.1.8安全系统.163.1.9网络功能.163.1.10冗余系统.16目录3.2组态王开发的一般过程.163.2.1创建组态画面.163.2.2定义Fo设备.，.，二，.173.2.3构造数据库.173.2.4建立动画连接.173.2.5运行和调试，.18第4章船用燃油辅锅炉及其自动控制.194.1船用辅锅炉.194.2船舶辅锅炉的自动点火控制与安全保护.194.2.1点火时序控制.194.2.2安全保护系统.204.3船舶辅锅炉水位控制系统.204.3.1单冲量水位控制.，.，.，.，二，二214.3.2双冲量水位控制.234.3.3三冲量水位控制.254.4船舶辅锅炉蒸汽压力控制系统，.，.，.264.4.1蒸汽压力双位控制.、.274.4.2蒸汽压力多位控制.284.4.3蒸汽压力定值控制.284.5船舶辅锅炉手动控制系统.29第5章基于PLC与组态王的船舶锅炉监控系统设计.315.1系统输入输出设计.315.1.1数字量输入输出设计.，.，.，.315.1.2模拟量输入输出设计.:.犯5.1.3输入输出信号的采集与转换.，.325.2系统硬件组成.，.345.2.1组态王上位机系统.345.2.2PLC及其扩展模块选型.，.345.2.2.1西门子57一200系列PLC.355.2.2.2PLC扩展模块.365.2.3组态王与西门子57一200的通信.365.2.3.1组态王的通讯机制.365.2.3.2组态王与57一200的PPI通信方式.375.3PLC软件设计.38目录5.3.1PID功能预置，.385.3.2变量地址分配.，.435.3.3锅炉点火时序控制设计.455.3.4锅炉水位自动控制系统设计.515.3.5锅炉蒸汽压力自动控制系统设计.565.3.6锅炉安全保护控制设计.，.615.4组态王软件设计.615.4.1设计图形界面.，.615.4.2定义外部设备.625.4.3构造数据库.625.4.4定义动画连接.，.，645.4.5编写命令语言.，.，.645.4.6设置通讯.，.655.4.7设计组态王运行系统.，.665.4.8安全管理系统.，.66论.，.67考文献.，.一，.、.68读学位期间公开发表论文.71谢.，.72究生履历.73价基于PLC与组态软件的船舶锅炉监控系统第1章绪论1.1舟合用锅炉自动控制概述锅炉是船舶动力装置中最早实现自动控制的设备之一，它包括水位自动控制、燃烧自动控制、锅炉点火及燃烧时序控制等。水位自动控制的目的是保持锅炉的正常水位，即控制给水泵的启停或给水阀的开度，从而控制给水量，使锅炉的给水量与锅炉的蒸发量相当，以适应锅炉负荷的变化。对于柴油机货船辅锅炉，它的蒸发量小、蒸汽压力低，一般采用双位自动控制21，即当锅炉水位达到水位下限时，自动启动给水泵向锅炉供水;当水位达到上限水位时，自动停止给水泵的工作。因此，这种锅炉工作时水位在一定范围内波动而不会稳定在某一给定值上。在大型的油轮上，辅锅炉的蒸发量一般很大，汽压较高，它要求水位稳定在给定值上。所以，控制给水一般通过改变调节阀的开度来实现，即根据水位的偏差信号来控制给水调节阀的开度，从而使给水量适合蒸汽流量的变化。锅炉的燃烧自动控制系统中，蒸汽压力是被控量12。在单冲量控制系统中，控制器根据汽压的高低自动改变进入炉膛的燃油量和送风量，维持锅炉汽压恒定或在允许范围内波动，并维持一定的风油比，以保证获得较高的经济效益。对于货轮辅锅炉，燃烧控制系统要求简单、可靠，而且对锅炉的经济性要求不是很严格，因此大多数采用双位控制;在油轮辅锅炉中，要求汽压稳定，同时对锅炉的经济性要求也比较高，这就要求控制系统在不同的负荷下保证一个最佳的风油比，所以通常采用比例积分控制。油轮的燃烧自动控制系统通常由二个回路组成。其中一个回路根据汽压的偏差信号经比例积分调节器来控制燃油调节阀的开度，即改变向炉膛的喷油量。喷油量的改变必须同时改变送风量，所以另一个回路就是根据燃油量的多少来改变送风量，以达到最佳的风油比，从而获得较高的经济效益。辅锅炉点火及燃烧时序控制是指给锅炉一个启动信号后，系统按时序的先后顺序进行预扫风、预点火、喷油点火、点火成功后对锅炉进行预热、接着转入正常燃烧的负荷控制阶段，同时对锅炉进行一系列的安全保护【3一5。一般情况下，辅锅炉的点火及燃烧时序控制包括以下步骤:(1)起动前的准备第1章绪论检查是否具备起动条件，比如手动燃油速闭阀是否打开，燃油阀是否关闭，锅炉水位是否正常，燃油压力和温度是否在正常的范围内等。(2)预扫风为了防止锅炉内残余的油气在点火时发生冷爆，在点火前应进行预扫风。预扫风过程应起动风机和燃油泵，使燃油在锅炉外打循环，将风门开到最大，以大风量吹去残余油气。预扫风时间根据锅炉的结构形式不同而异，一般在20一605之间。(3)点火预扫风完毕后，打开电磁阀使点火油头投入工作，同时打开点火变压器，点燃从点火油头喷出的轻油，然后点燃工作油头。(4)预热点火成功后，进入预热阶段，使锅炉缓慢的加热至一定的汽压。(5)正常燃烧锅炉预热到一定的压力后，进入正常燃烧阶段，此时，控制系统根据锅炉的负荷调整喷入炉膛的燃油量，与此同时，控制送风量。(6)自动保护锅炉自动化系统的另一个重要任务就是对锅炉进行自动保护。自动保护包括安全保护和自动连锁。对于全自动化的锅炉，为达到锅炉安全可靠的运行和无人管理的目的，当锅炉在点火、升汽以及正常运行的过程中产生异常情况时，要求相应的元件能检测到故障产生的原因，并自动停止锅炉的运行和发出声光报誉，这就是安全保护的任务。锅炉的安全保护一般包括危险低水位自动保护、蒸汽压力过高自动保护、异常媳火自动保护、油压过低自动保护、油温过高或过低自动保护和低风压自动保护等。自动连锁是指当某些特定的条件成立后，才能对一些设备进行操作，比如只有当风机运转建立起风压以后，才允许开动燃油泵和开启燃油电磁阀。1.2船用锅炉系统发展现状船舶辅助锅炉作为船舶动力装置中最早实现自动控制的设备之一t6.”，控制系统已经逐步完善。20世纪90年代以后，新造大型船舶的锅炉控制系统大都采用微基于PLC与组态软件的船舶锅炉监控系统处理器为核心单元，但目前还有为数不少的船舶仍用凸轮时序控制器及多回路继电器控制系统。这些控制系统经多年的使用，线路、元器件老化，可靠性变差，特别是那些为数众多的触点开关，在恶劣的环境下反复使用后表面磨损、氧化，有些触点甚至己发生严重的机械变形，导电性能及接触可靠性降低，经常造成各继电器的误动作，影响锅炉的正常工作，甚至烧毁电器设备，造成事故。目前应用较多的控制器有单片机及可编程控制器(PLC)，由于单片机的开发和应用需要专业人员，抗干扰能力较差，维护也比较困难，因此在船舶设备技术改造方面的应用受到限制。PLC是专为工业现场环境开发的控制单元，不但具有很强的抗干扰能力及负载驱动能力，而且简单易学、维护方便。随着PLC控制技术的发展，其控制能力越来越完善，不仅在逻辑控制方面有优势，而且在位置伺服控制、PID调节、网络通信等方面也具有强大的功能，并逐步成为工业现场控制的主流产品，所以其在船舶设备上的应用己日益广泛。机舱辅助设备自动化是轮机自动化的重要组成部分。随着船舶电气技术的发展，船舶的自动化成度越来越高。船舶锅炉若以微机控制，可以使执行过程更加精确，减少继电器等机械控制中的机械滞后性和设备老化问题。并且微机控制可精确的控制空燃比，从而减少浪费，节约燃油等。使用计算机监控还可以实时的监视和记录设备运行过程中的参数，从而更加准确的确定设备的状况。1.3本文研究的主要内容船舶辅助锅炉作为远洋运输船舶必备的辅机之一，在内燃机动力装置船舶中，主要用来加热燃油、滑油，主机暖缸，驱动辅助机械及生活杂用等。锅炉对船舶的安全运行起着非常重要作用。在收集丰富资料的基础上，通过调研和分析，掌握了国内、国际船舶动力装置发展的现状和方向。同时，在详细研究了辅助锅炉的结构、工作原理的基础上，应用目前广泛使用的PLC和组态王软件对船舶辅锅炉计算机监控系统进行了分析和设计。具体安排如下:第1章简单介绍船舶辅锅炉自动控制系统的各个组成部分以及锅炉自动控制系统的现状与发展。第2章详细分析了可编程序控制器的结构及工作原理、性能特点、应用范围第1章绪论以及发展趋势等。第3章阐述组态王软件的功能、特点和组态王开发过程的主要步骤。第4章对船舶辅锅炉的结构和控制原理进行分析，包括锅炉的自动点火过程、锅炉的水位控制系统、蒸汽压力控制系统、锅炉的安全保护系统和手动控制系统。第5章详细叙述了应用PLC与组态王软件实现船舶辅锅炉计算机监控系统的设计过程，包括锅炉控制系统的输入输出设计、PLC及其扩展模块的选型、输入输出口的分配、PLC程序控制设计以及组态王监控软件的设计等。结果表明，应用PLC和组态王软件设计的船舶锅炉监控系统性能稳定可靠，该监控系统对提高船舶锅炉的自动控制，具有一定的参考和实用价值。基于PLC与组态软件的船舶锅炉监控系统第2章可编程序控制器及其工作原理2.1可编程序控制器简介2.1.1可编程序控制器的基本概念可编程序控制器(PLC)，是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程8.”。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。可编程序控制器一直在发展中，国际电工学会(IEC)于1987年2月对PLC作了如下定义:可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。2.1.2可编程序控制器的特点PLC发展如此迅速的原因在于它具有一些其它控制系统所不及的一些特点。(1)可靠性可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间缩短，因此可靠性得到提高。可编程控制器采用一系列可靠性设计方法进行设计，例如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警，运行信息显示和信息保护及恢复等。可编程控制器的硬件设计方面采用了一系列提高第2章可编程序控制器及其l_作原理可靠性的措施，例如，采用可靠性高的工业级元件，采用先进的电子加工工艺制造，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等。存储器内容的保护，采用看门狗和自诊断措施，便于维修和设计等。(2)易操作性对PLC的操作包括程序的输入和程序更改操作，大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改操作。现在PLC的编程器大部分可以用电脑直接进行，更改程序也可根据所需地址编号、继电器编号或接点号等直接进行搜索或按顺序寻找，然后可以在线或离线更改。PLC有多种程序设计语言可以使用，编程过程简单易学。PLC所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求较低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息，或通过编程器和HMI屏幕的设定，直接找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间。为便于维修工作的开展，有些PLC制造商提供维修用的专用仪表或设备，提供故障维修树等维修用资料。有些厂商还提供维修用的智能卡或插件板，使维修工作变得十分方便。此外，PLC的面板和结构设计也考虑了维修的方便性，例如，对需要维修的部件设置在便于维修的位置，信号灯设置在易于观察的位置，接线端子采用便于接线和更换的类型等，这些设计使维修工作能方便地进行，大大缩短了维修时间。采用标准化元件和标准化工艺生产流水作业，使维修用备品备件简化等，也使维修工作变得方便。(3)机电一体化为了使工业生产的过程控制更平稳，更可靠，向优质、高产、低耗的方向发展，对过程控制设备和装置提出了机电一体化，即仪表、电子、计算机综合的要求，而PLC正是这一要求的产物，它是专门为工业过程而设计的控制设备，具有体积小、功能强、抗干扰性好等优点，它将机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合集成在一起，因此，它已经成为当今数控技术、工业机器人、离散制造和过程流程等领域的主要控制设备，成为工业自动化三大支柱(PLC，机器人，CAD/以M)之一。可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统，它们可以与其它系统通讯，提供产品报表，生产调度，诊断自身和设备的故障，这些技术上的改进，基于PLC与组态软件的船舶锅炉监控系统让PLC成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。2.1.3可编程控制器的应用PLC具有体积小、可靠性高、功能强、程序设计方便、通用性强、维护方便等优点，在各个行业中有着广泛的应用l0j。(1)逻辑控制利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能可实现对机床、自动生产线、电梯等的扩展。(2)位置控制较高档次的PLC具有单轴或多轴位置控制模块，可实现对步进电动机或伺服电动机的速度和加速度的控制，确保运行平滑。(3)过程控制PLC的模拟量输入输出和P工D控制，可构成闭环控制系统，可应用于冶金、化工等行业。(4)监控系统PLC能记忆某些异常情况，并可进行数据采集。操作人员还可利用监控命令进行生产过程的监控，及时调整相关参数。(5)集散控制PLC与PLC，PLC与上位机之间的联网，可构成工厂自动化网络系统。2.1.4可编程控制器的发展趋势(l)向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.lms/k步左右。PLC的扫描速度己成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司己使用了磁泡存储器或硬盘。(2)向超大型、超小型两个方向发展当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种多方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有1/0点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能非第2章可编程序控制器及其工作原理常强。小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要己开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的1/0点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要。(3)PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/0模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能工/0模块，既扩展了PLC功能，使用也灵活方便，扩大了PLC应用范围。加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类:一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段;另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般