基于FX3U的電加熱鍋爐控制系統(tǒng)設計

1、前 言電加熱鍋爐是近幾年逐漸應用廣泛的供熱方式，它是一種清潔、安全、髙效的生產(chǎn)設備,廣泛應用于工業(yè)領域以及人們生活的各方面，因此，對鍋爐的啟停和運轉實時控制是應用過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。之前DCS是國內(nèi)大多場所鍋爐系統(tǒng)主要控制方式，這是因為鍋爐系統(tǒng)儀表信號比較多，采用這個系統(tǒng)性價比較好，但隨著電子技術不斷的發(fā)展，PLC用于回路調(diào)用和組態(tài)畫面的功用越來越完善，在儀表控制方面功能也不斷加深，而且可編程序邏輯控制器具有很多的技術優(yōu)勢，比如可靠性高、抗干擾能力強、功能豐富，對電源質(zhì)量要求較低，因此PLC在過程工業(yè)中擁有良好的應用前景。為了增加電加熱鍋爐使用范圍，本文從PLC的程序開發(fā)體系和PLC控制軟件

2、設計出發(fā)，進行深入的鉆研和探討，從而升高并擴大PLC控制器的利用水平和使用的范圍，最大程度提高鍋爐的應用，滿足發(fā)展要求。 第1章 概述1.1 課題研究意義現(xiàn)在人們的環(huán)保意識不斷提高，為了能節(jié)能，使用電加熱鍋爐的人越來越多了，它的經(jīng)濟性、安全性及比較高的自動化程度已被認同。電加熱鍋爐已經(jīng)成為工業(yè)以及民用供熱、熱水和洗浴等場所的首選設備，它有無污染、熱效率高、無燃料運輸和儲備煩瑣等優(yōu)點【1】?，F(xiàn)在使用的大多數(shù)電加熱鍋爐控制系統(tǒng)的設計還不夠完善，因此需要一種新的、高性能的電加熱鍋爐控制系統(tǒng)取代原來的控制系統(tǒng)，用來完善原有的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在生產(chǎn)線控制大部分是用繼電器、接觸器控制為主的裝置。應用繼電器電路

3、構成的控制系統(tǒng)不斷的出現(xiàn)問題，其可靠性比較差,而本文采用的是用PLC替代原有的控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)可以大大減小控制設備的外部接線，使控制系統(tǒng)設計和建造的周期縮短。同時維護也變得更加容易起來。更重要的是其可靠性比較高。1.1.1電加熱鍋爐的應用電加熱鍋爐是最近幾年逐漸興起的供熱方式，它是將電能轉化成熱能，具有安全無污染的優(yōu)點【2】。不同的規(guī)格適合你不同的用途以及不同需要。熱效率非常高，使鍋爐能在很短的時間內(nèi)迅速提升溫度，即使在補水過程中也不會有溫度和壓力的波動，在某些程度上成了改變中國能源環(huán)境的關鍵。電加熱蒸汽鍋爐廣泛用在醫(yī)院，學校，紡織廠，服裝廠，服裝超市，制衣廠，干洗店，飯店，酒店，食品

4、廠，建材廠，美容院，洗浴中心，桑拿房，賓館等各場所。 1.1.2 采用電加熱鍋爐控制的意義 此文主要闡述了一種改進型的加熱爐對象和工藝流程，采用PLC控制裝置設計了鍋爐控制系統(tǒng)，使加熱爐的恒溫和點火實現(xiàn)了自動控制，進而使加熱爐實現(xiàn)全自動化的控制。這種加熱爐可以廣泛【3】應用在鋁廠、鋼廠等金屬冶煉、金屬加工行業(yè)和化工行業(yè)。工業(yè)生產(chǎn)中大部分應用電阻加熱爐溫度控制，傳統(tǒng)的采用全通和全斷簡單控制方法，很難保證爐溫控制精度。據(jù)電加熱爐恒溫控制特點和要求，本文主要研究了由PLC控制，三相可控硅供電的高精度恒溫控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)爐溫調(diào)控方便、可靠、精度高，而且具有通用性和良好運行穩(wěn)定性【4】。本次設計以工業(yè)中

5、電加熱爐為原型，以實驗室中電加熱爐為實際被控對象，采用PID控制算法對溫度進行控制。提出了一種適合于電加熱爐對象特點的控制算法，并且以PLC為核心，組成了電加熱爐自適應控制系統(tǒng)，控制精度，可靠性穩(wěn)定性指標均遠遠高過常規(guī)儀表組成的系統(tǒng)。本文用PLC控制容易實現(xiàn)鍋爐控制、并且有造價低，程序易于調(diào)試、一部分出現(xiàn)故障不會影響其他部分的工作、維修方便等各優(yōu)點。1.2 研究現(xiàn)狀國內(nèi)的電加熱爐控制有四個發(fā)展過程【5】： 第一階段：手動控制、溫度儀表顯示處在發(fā)展初期的電加熱鍋爐控制采用了溫度儀表來顯示溫度，人工操作達到逐級投節(jié)以及溫度調(diào)節(jié)的目的。還有一種形式就是無論功率有多大，均分為三個投切組，一組為手動，另

6、一組是用溫控儀表控制。第一階段是手動控制方式，它的自動化水平十分低，控制效果非常差。 第二階段：順序控制器或PLC程控器，溫度儀表參與控制。 人們把人工手動投切改成了用順序控制器或者PLC程控器去完成【6】逐級投切，使鍋爐控制大概可以實現(xiàn)自動化。為了實現(xiàn)逐級投切的自動化，廠家采用了PLC作為程控器，或者研究了電子順序控制器后，不僅可以實現(xiàn)了逐級投切自動化，還可以定時啟動以及停止鍋爐。然而因為仍然使用了溫控儀表去進行全功率的溫控，動作頻繁，控制的效果十分差，更甚會產(chǎn)生控制振蕩。 第三階段：PLC控制是為了滿足市場對電熱鍋爐的自動化更高的要求，有一小部分廠家開發(fā)研究了全PLC控制系統(tǒng)【7】，全PL

7、C控制就是不止使用了PLC主機，還加入了溫度輸入模塊和顯示單元，在硬件上合成了完整的控制系統(tǒng) 。使用廠家編制的程序，全PLC控制會達到所有電加熱鍋爐的自動化要求，而且有良好的人機界面。它的缺點就是成本十分高，應用方面十分窄，控制程序的優(yōu)勢劣勢直接與編程人員的專業(yè)水平有很大關系，還需要專業(yè)人員來現(xiàn)場改變現(xiàn)場布置。 第四階段：電腦控制用電熱鍋爐專用電腦代替通用的PLC，更代替了溫控表。它擁有全PLC控制的所有優(yōu)點，克服了全PLC控制的所有缺點，可產(chǎn)品化，成本低，易與各種電熱鍋爐配套，參數(shù)可以由操作人員去現(xiàn)場進行設置和解決。因此電加熱鍋爐專用電腦控制器已經(jīng)被普遍利用。1.3 論文的主要工作此文講的是

8、電熱爐PLC系統(tǒng)的總體方案，從技術上分析設備的控制系統(tǒng)、溫度控制器、發(fā)熱元件等的選擇。把PLC作為核心，構成電熱爐適應的控制系統(tǒng)，它的控制精度，可靠性，穩(wěn)定性等都遠遠超過常規(guī)儀表組成的系統(tǒng)。在實際的應用中，采用PID功能指令進行編程，對溫度實現(xiàn)滿意的控制效果設計。本項目采用三菱FX2N系列PLC【8】，結合了模糊控制、易控組態(tài)軟件等等，組成了一個比較完整的綜合性PLC模擬控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鍋爐的有效控制，并且提高了整個系統(tǒng)的性價比。第2章 控制方案2.1 電加熱鍋爐的控制原理分析本文研究的電加熱鍋爐為開水鍋爐，主要用于學校，醫(yī)院，招待所，駕校，居民區(qū)，工廠等場合，也適用于環(huán)境優(yōu)美的風景區(qū)，旅游

9、區(qū)等事業(yè)單位。從適用的環(huán)境考慮，鍋爐應實現(xiàn)全自動運行，自動補水，自動保溫，低水位加熱保護，漏電保護。開水鍋爐裝配是由微電腦控制器【9】，電加熱管，把電磁閥作為補水裝置，控制器經(jīng)過設定后，鍋爐就開始全自動工作，自來水首先把鍋爐蓄滿，之后電加熱管開始加熱，然后爐水達到了設定溫度100度后，控制鍋爐進水的電磁閥打開，自來水從下部進入鍋爐，開水從上部的出水口推入保溫水箱，保溫水箱可以持續(xù)大量供應熱水。此外，保溫水箱的頂部設有水溫控制探針，低于設定的水位自動補水，高于設定水位自動停止補水，一直保持水箱里的開水滿而不溢。使用開水鍋爐專用的微電腦控制器，全中文大屏幕帶背光液晶顯示屏，把鍋爐的運行狀態(tài)、電磁閥

10、的工作狀態(tài)、電熱管的工作狀態(tài)、爐水的溫度、水位的狀態(tài)、當前的時間、報警信息記錄等情況，很直觀的顯示出來。鍋爐結構圖如下圖2-1所示。圖2-1 鍋爐系統(tǒng)結構圖2.2電加熱鍋爐的控制要求對鍋爐控制的基本要求【10】：1電加熱管“梯式”加（減）載，循環(huán)投切；2具有出水定時（回水）控制或顯示功能；3具有定時控制功能；4具有手動/自動控制選擇功能；5缺相報警，電加熱管停止加熱；6故障停機后，手動復位；為了確保配水和出水的均勻，在進出水口裝有孔板。在進水管道上有顯示壓力以及溫度的壓力表和雙金屬溫度計。在出水一側裝有安全閥，排氣閥，壓力（溫度）變送器和壓力（溫度）的就地顯示儀表。另外還設有控制鍋水水質(zhì)的排污

11、裝置和維修用的頭孔，手孔裝置。2.3設備選型設計2.3.1 控制器的選擇FX2N系列具有很大范圍的包容特點【7】，編成簡單，很高的運算速度等優(yōu)點，根據(jù)設計需求，CPU選用FX2N-32MR，IO總數(shù)為32，輸入點數(shù)16，類型為漏型，輸出點數(shù)為16，類型為繼電器，尺寸為150*87*90。 2.3.2 I/O 模塊的選擇此文選用三菱FX3U系列PLC，而FX3U與FX2N規(guī)模配置大致一樣。模擬量輸入輸出模塊采用的是FX2N-2AD和FX2N-2DA。FX2N-2AD的外部接線圖如圖2-2所示，F(xiàn)X2N-2DA的外部接線圖如圖2-3所示。圖 2-2 FX2N-2AD 外部接線圖 圖 2-3 FX2

12、N-2DA 外部接線圖2.3.3 繼電器選型本文設計的電熱鍋爐應有過載保護，所以用到了熱繼電器。熱繼電器是推動機構動作的一種保護電器【9】，雙金屬片式熱繼電器是電力系統(tǒng)中應用最廣泛的元件，它的工作原理是利用電流流過發(fā)熱元件生成的熱量讓檢測元件受熱彎曲9，因為發(fā)熱元件有熱慣性，所以在電路中不能用在瞬時過載保護。在此選用的是JR20-10配CJ21-10，熱元件號為2R，整定電流范圍是0.1-0.13-0.15。2.3.4 電源選擇本系統(tǒng)所需電源有220V交流電、直流5V電源和低壓交流電，因此電源電路里需要安裝變壓器、整流裝置和穩(wěn)壓芯片等。變壓器是把交流220 V電壓變成為所需電壓值,然后通過交流

13、電壓整流電路為脈動直流電壓，調(diào)節(jié)電路是用來維持輸出直流電壓的穩(wěn)定【10】。使用二極管橋式整流器整流設備，使用7805芯片,把電容電壓穩(wěn)定在5V，控制電路、測量電路和動態(tài)執(zhí)行弱電電路中使用的一部分。此外，220 V交流電或在加熱電阻的兩端電壓，通過控制雙向晶閘管導通和截止日期來控制加熱電阻的力量。低壓交流電電壓互感器二次側，也就是說,通過過零檢測電路的交流，零控制在每一個采樣周期的雙向可控硅導電正弦波的方法調(diào)整加熱功率。2.3.5 溫度傳感器的選擇溫度傳感器裝在鍋爐的出水口，用來檢測鍋爐的出水溫度，檢測完之后送給PLC進行處理，防止水溫過高或過低。在這里選用型號【6】：WZC 測溫的范圍是 -5

14、0C100C 允許誤差為-+（0.30+0.005）%2.3.6 液位傳感器的選擇把液位傳感器安裝在鍋爐的內(nèi)側，用來檢測鍋爐的水位。當鍋爐內(nèi)的水位低于設定水位時，把數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC進而控制電動閥進行補水，防止出現(xiàn)燒干現(xiàn)象。當鍋爐內(nèi)水位過高時， PLC控制自動排放多的水量，直到達到正常水位值。2.3.7 電加熱管的選擇電加熱要選取導熱快，經(jīng)久耐用的種類，在本文中選用的型號【7】是：YJDGH-3KW，適用在電鍋爐等場合，規(guī)格參數(shù)是6KW 380V 31.5A。2.4總體方案基于PLC控制系統(tǒng)設計方案，鍋爐控制系統(tǒng)的結構設計如圖2-5所示。設計的重點內(nèi)容為：用三菱FX2N系列PLC作為核心控制器，

15、采用配套的A/D、D/A特殊模塊構成PLC模擬控制單元，用來實現(xiàn)鍋爐的自動控制管理，顯示屏上顯示鍋爐的運情況，水的溫度等信息，水沒有燒開時，啟動繼電器工作繼續(xù)加熱，燒開后，減少加熱管的使用，水位低時，利用電磁閥自動補水。在完成全部鍋爐控制系統(tǒng)的控制功能基礎上，可以把設計的I/O口的模入模出單元應用到系統(tǒng)當中，用來改善它的功能進而提高整體的性價比。圖 2-5 鍋爐過程控制系統(tǒng)結構9洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）第3章 硬件設計3.1 PLC控制系統(tǒng)的硬件配置在電加熱鍋爐的控制系統(tǒng)中，采用了FX2N-32MR-001，它的IO分配圖如表3-1所示，控制原理接線圖如圖3-2所示。表3-1 IO地址分配

16、圖IN編號OUT編號系統(tǒng)開X10高溫指示燈Y1系統(tǒng)關X15數(shù)據(jù)顯示Y2-Y5數(shù)據(jù)顯示片段Y6-Y9圖3-2 PLC控制原理接線圖3.2 復位電路復位電路是由一個開關SB12完成功能的，當按下開關SB12的時候，系統(tǒng)啟動，正常工作運行，當斷開開關SB12的時候，系統(tǒng)停止運行，不執(zhí)行任務。設計電路圖如圖3-3所示。 圖3-3 復位電路圖3.3鍵盤電路鍵盤的設計用了3個按鍵，其中KEY1用來調(diào)整整個功能的設定，KEY2用來增加設定值，KEY3用來減少設定值。把這三個端口分別和P1.5、P1.6、P1.7相互連接，電路圖如圖3-4所示。圖3-4 鍵盤電路圖3.4顯示電路本次設計選用LCDLM016L液

17、晶顯示屏作為系統(tǒng)的顯示器件，如圖3-4所示CDLM016L采用標準的16腳接口【11】,仿真時隱藏了背光正極和背光負極兩個引腳。它通過D0-D8位數(shù)據(jù)端來與PLC進行數(shù)據(jù)和指令傳輸,在顯示屏上顯示的內(nèi)容是設定的溫度值，電路圖如圖3-5所示。圖3-5 顯示電路圖3.5溫度檢測電路在PLC控制系統(tǒng)中，溫度檢測是把溫度轉化成模擬量【12】，在轉化成數(shù)字量送至PLC中，它是電加熱鍋爐控制系統(tǒng)中的一個很重要的環(huán)節(jié)。基本結構如圖3-6所示，電路圖如圖3-7所示。溫度傳感器 信號放大器 A/D PLC圖3-5 溫度檢測基本結構圖3-7 溫度檢測電路圖第4章 軟件設計軟件設計包括對鍋爐液位和溫度的控制設計。鍋

18、爐采集程序中間元件表如圖4-1所示，采集程序如圖4-2所示。表4-1 鍋爐采集程序的中間元件表圖 4-2 鍋爐采集程序4.1 液位控制設計 在對鍋爐液位控制過程中，通過采集液位值，與設計值對比，判斷液位的高低，進而通過電磁閥調(diào)節(jié)?？刂屏鞒虉D如圖4-3所示。PID控制中間元器件如表4-4所示，對應的梯形圖如圖4-5所示. 系統(tǒng)初始化 獲取設定值 獲取當前液位 進水電動閥閥位檢測 開中斷進水電動閥開度=MV 進水電動閥開度=0出水電動閥開度=0 MV判斷 出水電動閥開度=MV 進水電動閥開度=0 出水電動閥開度=0 進水電動閥控制 出水電動閥控制 中斷初始化 |SV-PV|DL N PI(正動作)

19、 Y （PV-SV） PID(正動作) （PV-SV）計算MV 返回主程序圖4-3 鍋爐液位控制流程圖表 4-4 控制程序的中間元件中間元件功能D1當前液位D4給定值D5偏差D6閾值 DLD160PID 參數(shù)首地址D167PID指令在定時器中斷使用時需清零D350PID 或 PD 輸出量D500PD 控制參數(shù)首地址D507PD 指令在定時器中斷使用時需清零M8056為 ON 時，禁止執(zhí)行相應中斷圖4-5 PID 控制程序4.2 溫度控制設計在溫度控制過程中，當水溫過低時，通過繼電器控制增加加熱管的使用，溫度超過高限時，停爐并報警，出水溫度超過中限時，減少一部分加熱管的使用，按照基于PLC的控制

20、程序設計辦法，通過編程實現(xiàn)溫度控制，其控制流程圖如圖4-6所示。IO分配如表4-7所示，控制程序如圖4-8所示。 開始系統(tǒng)初始化設置系統(tǒng)運行參數(shù)模擬量采集出水溫度是否 Y 停爐并報警超過高限N出水溫度是否 Y 投入或者切除超過中限 一部分加熱管N 鍋爐缺水 Y 停爐并報警 N 系統(tǒng)急停 Y 停爐并報警 N 結束圖4-8鍋爐溫度控制流程圖表4-7 IO表圖4-8 控制程序梯形圖22第5章 鍋爐過程控制系統(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)的調(diào)試是整個設計中相當重要的環(huán)節(jié)，各部分設計完成后，在實際運行過程里要不停調(diào)試修改，確定設計的合理正確性，從而滿足系統(tǒng)的控制需求。具體調(diào)試過程有：硬件設備調(diào)試、軟件程序調(diào)試【12】。5

21、.1 硬件設備調(diào)試在調(diào)試中，首先要排除排除明顯的硬件故障，尤其是電源故障，才能安全地和仿真器連接，進行調(diào)試。硬件電路故障及解決方法如下： 1）開路、短路：由于設計的錯誤，或者畫圖過程中粗心造成的故障。解決方法：畫原理圖的時候要認真檢查校正。2）元器件損壞：由于對元器件的不熟悉，使用不當而造成的元器件的損壞。解決方法：在設計過程中，要明確各個元器件的使用規(guī)格要求，按要求正確使用。3）電源故障：電源故障就是通電后，沒有正常供電，造成元器件的損壞，從而不能正常工作。造成電源的故障的原因有：電壓值不符和設計的需求，各檔電源之間的短路，變壓器功率不足，內(nèi)阻大，負載能力差等【13】。解決方法：電源必須單獨

22、調(diào)試好以后才能加到系統(tǒng)的各個部件中。本設計中就出現(xiàn)電源故障經(jīng)過一個穩(wěn)壓電路才使其正常工作?？刂葡到y(tǒng)實驗設備硬件平臺如圖 5-1所示圖5-1 控制系統(tǒng)實驗設備硬件平臺5.2 軟件調(diào)試PLC調(diào)試由程序模擬調(diào)試以及程序現(xiàn)場調(diào)試兩部分組成【14】。1) 程序的模擬調(diào)試 把編寫的程序?qū)懙絇LC，先逐一檢查，糾正寫作錯誤。用戶程序的模擬調(diào)試一般是在實驗室進行的，對實際的輸入信號模擬是通過切換開關和按鈕進行的， PLC上的發(fā)光二極管用來顯示輸出量的通斷狀態(tài)【15】，通常不采用實際的PLC的負載（如接觸器、電磁閥等）。根據(jù)功能表圖，在適當?shù)臅r候使用開關或按鈕來模擬真實的反饋信號，例如限位開關觸點的接通或斷開。

23、順序控制程序，調(diào)試程序的主要任務是檢查程序的運行與規(guī)定功能圖是否一致，即實現(xiàn)了轉換條件，步的活動狀態(tài)是否發(fā)生正確的變化，每個步驅(qū)動的負載變化是否是相對應的。各種可能的情況在調(diào)試時應進行充分考慮。該系統(tǒng)的所有工作方式的不同，選擇在每個分支函數(shù)表的順序，所有可能的發(fā)展路徑應逐一檢查，不能省略任一支路。發(fā)現(xiàn)了問題，我們應該及時的對梯形圖和PLC程序進行修改，直到輸入與輸出量之間的關系可以完全符合可能的情況下的要求。模擬調(diào)試時，如果某些計數(shù)器/定時器的程序設定值太大，為了縮短調(diào)試時間，可以減少他們的寫入實際設定值。2) 程序的現(xiàn)場調(diào)試 系統(tǒng)的綜合調(diào)試是在各個模塊程序的調(diào)試完成之后進行的。把PLC安裝在控制現(xiàn)場，然后進行聯(lián)機總調(diào)試，在調(diào)試過程中，系統(tǒng)中可能存在的傳感器、執(zhí)行器和硬接線等方面的問題【13】，以及PLC的外部接線圖和梯形圖程序設計中的問題將會暴漏出來，然后對這些漏網(wǎng)之魚加以解決，以