锅炉燃烧自动控制系统毕业设计

第1章前言

1.1课题的背景和意义

锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的。工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。目前，工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。

1.2 锅炉控制系统的总体流程

根据设计要求将整个锅炉运行控制的全过程分成多个阶段：运行参数的初始化过程，在这个过程中调用系统启动的函数；燃烧室中燃烧器的控制过程；废液输送泵、酸碱液喷嘴、风机等执行机构的控制；通信过程；故障的处理过程；模拟量信号的采集过程。锅炉燃烧自动控制系统流程图如图1-1所示。

PLC控制锅炉的工艺流程

1.启动：按一定的时间间隔起燃。起燃顺序是：燃油预热---间隔1分钟----送风，子火燃烧，母火燃烧-间隔5秒钟-----子火，母火同时关闭。

2.停止：停止燃烧时，要求：燃油预热关闭，喷油关闭，送风（将废气，杂质吹去）-------间隔20秒----送风停止（清炉停止)。

3.异常状况自动关火：燃油燃烧过程中，当出现异常状况时（即蒸汽压力超过允许值或水位超过上限，或水位低于下限），能自动关火进行清炉；异常状况消失后，又能自动按起燃程序重新点火起燃。即：异常状况----燃油预热关闭，喷油关闭，送风----间隔20秒----清炉停止-----异常状况消失------起燃。

4.锅炉

水位控制：锅炉工作启动后，当水位低于下限时，进水阀打开，排水阀关闭。当水位高于上限时，排水阀打开，进水阀关闭。

图1-1锅炉燃烧自动控制系统流程图

1.3 设计的主要工作

通过PLC与上位机之间的通信对锅炉燃烧进行监控，把锅炉仪表上的信息及时进行采集，然后经过PLC进行数据和图象处理，再通过通信协议和串口通信端口把信息传送到上位机中，上位机把反映出来的数据和图象再与参数进行调适，

并发送到PLC，PLC再对锅炉进行调节，达到及时监控的目的。

主要工作是对通信模块、通信协议、通信格式、通信端口、通信硬软件以及通信程序进行设计。

第2章通信模块设计

2.1通信模式

通信模块作为上位机和PLC交换数据的平台，具有十分重要的作用。通信模块的设计主要包括几个方面：

1、串口初始化。串口初始化包括设置通信协议、输入输出缓冲区大小等内容。

2、数据的接收和发送以及校验。上位机首先发出命令给PLC，PLC从串口输出缓冲区内接收数据，然后PLC自动发送一个响应帧，上位机检测到输入缓冲区的数据开始接收数据。命令帧的格式为站号、读/写操作类型、发送数据、校验码、结束字符。响应帧的格式为站号、接收数据、校验码、结束字符。为了保证通信数据的正确性，上位机对接收到的数据需要进行校验，校验是通过一个BCC 校验函数来进行。BCC校验码就是将要传送的字符串的ASCII码以字节为单位作异或运算，并将异或运算结果作为指令的一部分传送出去。

3、数据转换。由于PLC在发送数据时，有些模拟量数据，如管网压力和电机转速，采用的是二进制的形式，在计算机接受到数据之后必须进行转换，方能正确显示。

4、错误处理和报警。对于传输过程中可能出现的各种错误，需要采取相应的

处理措施，不可恢复的严重错误必须报警

5、BCC校验程序（Verify）

将接收到的数据进行异或和校验

通过对上位机和PLC之间的串行通信的方式以及接口标准的研究，确定了本控制系统中的通信子系统所使用的通信标准和接口。通信协议是保证串行通信的稳定性和可靠性的重要环节。通信模块能够准确、快速的完成通信任务，达到了预期的目标.

2.2通信协议

FX系列PLC与计算机的通信模式有两种:

· PLC与计算机采用专有协议(dedicated protocol)通信，这种方式无须编写梯形

图，计算机直接读写PLC;

·PLC与计算机无协议通信，这种方式需要编写梯形图，并使用串行数据传送指令RS

图2-1 无协议通信梯形图

该指令为使用RS-232C及RS-485功能扩展板及特殊适配器进行发送接收串行数据的指令。

2.3通信格式

通信格式设置D8120除了适用于RS指令外，还适用于计算机链接通信。

图2-2 通信格式链接

RS指令收发信息的程序

RS指令指定PLC发送数据的起始地址与元件数以及接收数据存储用起始地址与可以接收的最大数据字数。

图2-3 RS指令收发信息程序

发送请求M8122：

RS指令的驱动输入X010变为ON状态时，PLC就进入接收等待状态。在接收等待状态或接收完成状态时，用脉冲指令置位M8122，就开始发送从D200开始的DO长度的数据，发送结束时M8122自动复位。

接收完成M8123：

接收完成标志M8123 ON后，请先把接收数据传送到其他储存地址后，再对M8123进行复位。

M8123复位后，则再次进入接收等待状态。M8123的复位如前面所述，请由程序执行。RS指令的驱动输入X010进入ON状态后，可编程控制器变为接收等待状态。

用（DI）=0执行RS指令时，则M8123（执行完成标志）将不动作，也不进入接收等待状态。从这个状态想成为接收等待状态，请使（DI）≥1之后，再对M8123进行ON→OFF操作。

该指令为使用RS-232C及RS-485功能模块及特殊适配器进行发送接收串行数据的指令。

数据的传送格式可以通过特殊数据寄存器设定。RS指令驱动时，即使改变设定，实际上也不接受。

FX1S和FX2N PLC是采用半双工方式进行通信。

RX2N、FX2NC和FX2N PLC，都是采用全双工方式进行通信。

2.4 通信硬件描述

PLC与PC机之间实现通道，可使二者互补功能上的不足，PLC用于控制方面，而PC机在图形显示、数据处理、打印报表以及中文显示等方面有很强的功能。因此，各PLC制造厂家纷纷开发了适用于本公司的各种型号PLC与PC机通信的接口模块。三菱公司开发的FX-232AW接口模块用于FX2系列PLC与计算机通信。还有与以太网连接的接口模块AJ71E71、与MAP网连接的接口模块AJ71M51-S1、与FAIS MAP网连接的接口模块AJ71M51M1等。不同的通信方式，有着不同的成本价格和不同的适用范围。在此介绍一种通过PC机的RS-232口与PLC进行通信的实现方法。

FX2系列PLC的编程接口采用RS-422标准，而计算机的串行口采用RS-232标准。因此，作为实现PLC计算机通信的接口电路，必须将RS-422标准转换成RS-232标准。

RS-232与RS-422标准在信号的传送、逻辑电平均不相同。

RS-232采用单端接收器和单端发送器，只用一根信号线来传送信息，并且根据该信号线上电平相对于公共的信号地电平的大小来决定逻辑的“1”（-3～-15V）和“0”（+3～+15V）；

RS-422标准是一种以平衡方式传输的标准，即双端发送和双端接收，根据两条传输线之间的电位差值来决定逻辑状态。RS-422电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载和接收器组成。它通过平衡发送器和差动接收器将逻辑电平和电位差之间进行转换（+2V表示“0”，-2V表示“1”）

选用MAXIM公司的MAX202实现RS-232与TTL之间的电平转换。MAX202内部有电压倍增电路和转换电路，仅需+5V电源就可工作，使用十分方便；选用MAX490实现RS-485与TTL之间的转换。每片MAX490有一对发送器/接收器，由于通信采用全双工方式，故需两片MAX490，另外只需外接4只电容即可。

将RS-232的RS、CS短接，这样对计算机发送数据来说，PLC总是处于就绪状态。也就是说，计算机在任何时候都可以将数据送到PLC内。又由于DR、ER 交叉连接，因此，对计算机接收数据来说，必须等待至PLC处于准备就绪状态。

2.5 通信软件描述

FX2系列PLC与计算机之间的通信采用RS-232标准，其传输速率固定为9600bps，数据以帧为单位发送和接收。一个多字符帧由力所示的五部分组成，其中和校验值是将命令码ETX之间的的呢字符的ASCII码（十六进制数）相加，取得所得和的最低二位数。STX和ETX分别表示该字符帧的起始标起和结束标志。 FX2系列与计算机之间的通信是以主机发出的初始命令，PLC对其作出响应的方式进行通信的。共有0、1、7、8四种命令，上位机实现对PLC的读写和强行置位。通过ENQ、ACK和NAK，上位机协调与PLC的通信应答。

图2-4 通信帧程序

如传送的命令有错误，PLC返回NAK信号，本次操作失败，重新进行。

为了保证主机与PLC的通信准确无误，上位机也必须按通信协议进行和校。如接收的信息有误，则重新读取。如重复3次仍不行，则显示错误信息主机还可向PLC写数据，进行单点的强近置位和复位。

2.6 PLC与计算机的通信端口连接

FX系列PLC的编程接口采用RS-422标准，而计算机的串行口采用RS-232C 标准，因此采用接口模块FX-232AW将RS-422标准转换为RS-232C标准。如图所示，计算机、PLC与FX-232AW之间采用反馈与交叉相结合的连接图

引脚2、3:将引脚2、3交叉互连，使PLC与上位机之间能发送和接收数据。引脚4、5:将引脚4、5反馈短接，对计算机发送数据来说，PLC总是处于数据准备就绪状态，计算机在任何时候都可以将数据送到PLC中。引脚6、20:将引脚6、20交叉互连，对计算机来说就必须检测PLC是否处于准备就绪状态，即检测引脚6是否为高电平。当引脚6为高电平时，表示PLC准备就绪，可以接收数据，这时计算机就可以向PLC发送数据了;反之，当引脚6为低电平时，PLC与计算机则不能通信。

在现场PC-PLC之间通信线路的设计中，对于PC与PLC之间距离较短的系统，常直接采用简单易用的RS-232来进行点到点的连接，而对于PC与PLC之间有着较长距离的通信，一般均采用RS-485链路协议进行总线多站形式的连接。为了让所设计的协议能够透明地在这两种连接方式下使用，以使通信程序在应用上具有较高的灵活性，在所设计的协议中实现了简单的传输层功能，做到了将硬件接口方式与软件逻辑接口相独立。在设计PC-PLC通信协议时，所要达到的基本目标是：①具有尽可能高的实时性；②具有高可靠性和稳定性；③具有传输层功能；

④简单易用并具有可扩展性。为了让通信程序在工业生产环境下具有很高的可靠性和稳定性，不仅需要在进行协议设计时充分考虑纠错问题，还需要通信程序自

身具有很强的出错处理能力，能够具有一定智能地处理通信过程中所遇到的各种出错情况。

2.7 通信程序的结构

如上所述，在现场PC-PLC之间通信线路的设计中，有用RS-232来进行点到点的连接，也有采用RS-485链路协议进行多站之间访问的总线形式的连接。在通信程序的设计中，为了让同一个通信程序适用于这两种情况，在设计中实现了让通信程序能够自动识别这两种连接方式的功能。

在PLC加电后首先对通信端口及通信状态进行初始化操作，然后检测端口状态，当端口准备就绪后启动通信处理。在通信处理时，对应于协议的上两层结构，相应地将其分为两层进行处理：网络层处理层；数据处理（应用）

图2-6 通信网络程序

通过网络层的处理，对数据的进行拆包或打包，得到源站发送的数据信息或在发送的数据上加入网络信息。同时也可以得到网络的通信方式，达到自动识别不同连接方式的功能。

在应用层的处理中，通信程序与控制程序的数据交换采用了数据表的形式，使通信程序能脱离具体的控制程序。编制出一个较为通用的通信程序。

2.7.1 接收程序结构

通过对通信端口的检测，当接收到一组数据时首先进行头尾检测，当检测到一组具有开始符和结束符的完整的数据时，首先进行站号判断，确定是否是发给本站的数据，并确定发送数据的源站号，以便对数据进行相应地处理及发送相应的应答信息。同时也进行通信号的判断，以防重复接收。在站号检测结束后，再进行通信数据校验，并进行相应处理。控制字的判断与处理主要进行以下的判断：①通信方式；②是否需要应答；③是否是请求重发；④通信控制命令。

数据处理（应用层）的目的是取出数据并以一定的格式存入通信数据表中传递给控制程序。

2.7.2 发送程序结构

当有数据需要传送给上位机或其她设备时，将启动发送程序。

首先进行端口检测及发送权的判断，是否允许发送。

然后从通信数据表中取出数据，同时根据要求设置控制字、通信序号、目的站号和源站（本站）号，再计算通信校验码CRC。并根据协议要求将它们合并成一组数据。

最后在这组数据上加入开始符和结束符，形成完整的发送数据，传入发送缓冲区，由PLC厂家所提供的底层通信协议将数据发出

第3章通信程序本部分程序由图1-图13组成。

网络2实现通信的初始化过程，网络2的梯形图如图3-1所示网络1和网络2的代码如下：

BEGIN

网络1

∥ SBR 0

网络2

LDB= VB100，1 ∥读指令

A M0.3 ∥BCC正确

ATH VB120，VB110，10

FILL 16#3030，VW152，8 ∥将发送缓冲区清零MOVW 21,VB149 ∥置发送字节数

网络3负责计算效验和，网络3的梯形图如图3-2所示。

网络3的实现代码如下：

网络3∥计算效验和

LDB=VB100，1

A MO.3

MOVD VB152，AC1 ∥指向发送缓冲区头MOVB 0，VB106 ∥初始化发送BCC

网络4的梯形图如图3-3所示。

网络4的实现代码如下：

网络4

LDB= VB100，1

A MO.3

ROR AC0，+0，+15 ∥开始计算BCC

网络5的梯形图如图3-4所示。

网络5的实现代码如下：

网络5

LD SM0.0

XORB ﹡AC1，VB106

网络6的梯形图如图3-5所示。

网络6的实现代码如下：

网络6

LD SM0.0

INCD AC1

网络7、8实现数据的发送过程。网络7、8的梯形图如图3-6所示。

网络7、8的实现代码如下：

网络7

NEXT

LD M0.3

AB= VB100.1

HTA VB106，VB168，2 ∥将BCC HTA XMT VB149，0 ∥开始发送

R MO.3，1

网络9实现数据的接收过程。网络9的梯形图如图3-7所示。

以下是网络9的实现代码：

网络9

LDB= VB100，2 ∥计算机写数据

A M0.3 ∥BCC正确

ATH VB120，VB110，10 ∥分离出PLC区地址信息及字节数ATH VB130，﹡VD110，VB114 ∥将数据直接转换到直接地址

XMT VB195，0 ∥返回给计算机3，6，5

R M0.3，1

网络10实现的是通信错误的反馈过程。网络10的梯形图如图3-8所示。

网络10的实现代码如下：

网络10

LD M0.4 ∥计算机来的数据BCC错误返回给计算机3，7，5 XMT VB191，0

T MO.4，1

网络11

∥RET

END＿SUBROUTINE＿BLOCK

参考文献

[1] 钟肇新,彭侃. 可编程控制器原理及应用. 广州:华南理工大学出版社,1999－17；

[2] 陈振学 PLC与智能从站之间的数据通讯仪器与测控 2003（9），32－34；

[3] 史国生.电气控制与可编程控制器技术.化学工业出版社，2005.4

[4] 钟肇新范建东.可编程控制器原理及应用.华南理工大学出版社，2003.5

[5] 丁伟. 可编程控制器在工业控制中的应用. 化学工业出版社，2004.7

[6] 廖常初编著．可编程序控制器应用技术[M]．重庆：重庆大学出版社，2001，

[7] 李树雄，李全利.可编程序控制器原理及应用教程.北京航空航天大学出版社，2003.9

结束语

通过一个多月的时间完成了锅炉燃烧自动控制系统的通信设计。在设计中我学到了许多知识，对锅炉燃烧自动控制系统中的通信有了更深一步的认识，同时也对PLC与上位机之间的通信是怎样实现也更加的熟悉。对通信系统的组成，原理、PLC与PC机之间实现通道、通信协议、端口连接，通信过程以及编程有了初步的了解。在设计过程对Word的运用更加的熟练。

致谢

在即将毕业之际，毕业设计已接近尾声，我想借此机会对关心和支持我的所有人表示感谢！

三年来，我认真地学习了专业课程基础知识，具有一定的设计理论基础和独立设计能力，由于毕业设计的课题是一种整体性的，系统性的设计，我真的是很努力地在做，但还是感到力不从心，因而这次设计在深度和广度上都有一定的局限性，不过，我认为还是提高了认识，学到了东西。所以我要感谢所有的任课老师，是你们们的教育和培养，才使我学有所获。

特别要感谢我的指导老师陆秀令老师，在他的悉心指导下，一次又一次的纠正错误，我才得以完成毕业设计。另外，在整个设计的过程中，还得到了同组其他同学的真诚帮助，在此一并表示感谢！