基于PLC的热水供应控制系统设计.docx
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基于PLC的热水供应控制系统设计
毕业设计说明书
题目:
基于PLC的热水供应控
制系统设计
院(系):
机电工程学院
专业:
机械设计制造及自动化
学生姓名:
何冠霖
学号:
1101110614
指导教师单位:
机电工程学院
姓名:
郭中玲
职称:
高级工程师
题目类型:
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发
2014年12月27日
摘要
本课题设计研究的主要方向改变传统的人工控制锅炉操作,适用于生活、工业环境,加入PLC设计热水供应的自动化控制够能满足基本控制功能,有效的节约了劳动力。
按照设计要求完成系统控制流程图,控制系统电气原理图和外部使用接线图。
当前,国内工厂使用的都是需要人工操作控制锅炉,设备简陋,存在许多弊端。
工业锅炉是一个整体的设备,有许多的控制变量和控制变量,干扰因素也很多,很明显,修改系统复杂的参数是非常复杂的事。
改造庞大复杂的工业锅炉控制系统,按照之前的的控制方法,是达不到理想的控制效果。
于是,加入可编程序控制器设计控制系统,配合PID控制算法,能使当前工业锅炉控制系统才能获得最佳控制效果,以达到优化技术指标,提高经济效益,提高生产率、节约能源、改善劳动条件等。
关键词:
可编程控制器;工业锅炉;自动控制;PID控制;
Abstract
ThistopicdesignmaindirectionofPLCprogrammablecontrollerelectricheatingwaterboilertemperatureforautomaticcontrol,pointsoutthekeyPLCismainlydesignedcanmeetbasiccontrolfunction,clearsystemeachworkingprocedure,forsystemI/OdistributionandPLCselection,designrequirementsaccordingtosystemdesignrenderingsystemcontrolladderdiagram,drawoutofthecontrolsystemelectricaldiagramandthewiringdiagram.
Atpresent,thedomesticmostindustrialboilerareartificiallycontrolled,orsimpleinstrumentsingle-loopregulationsystem,fuelwastegreatly.Industrialboilerasadeviceoverall,therearemanycontrolledquantityandcontrolquantity,disturbancefactorarealsomany,manybetweentheparametersobviouslyexistcomplexcoupled.Forindustrialboilerthiscomplexsystem,duetoitsinternalenergyconversionmechanismoverlycomplex,theconventionalway,difficulttoachieveidealcontroleffect,therefore,mustbeusingintelligentcontrolmodecontrol,canobtaintheoptimalcontroleffect.Adoptingadvancedcontrolalgorithm,inordertoachieveoptimizationtechniqueindex,improvingeconomicefficiency,improvelaborproductivity,energysaving,improveworkingconditions.
Keywords:
PLC;Industrialboiler;Automaticcontrol;temperature;
1绪论
1.1引言
锅炉是企业生产必备以及国民经济的主要加热设备之一。
各类生产需要的热源和我国北方冬天的取暖都是锅炉转换蒸汽像各需求点供应。
各类产业的生产性质不相同存在一定的范围差别,规模大小也不相同,所以有所需的汽锅容量,蒸汽的参数,构造,机能方面也不尽相似。
为了提高锅炉热效率和高压力,高温度,高技能的发展,仅仅需要把生产工艺提高其余的因素都不会影响锅炉的产能,锅炉容量选择也不需要很大,所转换的热量不需要太高的压力及温度。
跟着现代制造的成长,锅炉在工业生产的个个领域中的应用逐渐普及,是发展企业、国民经济的首要热工配置。
在现代建筑施工中,对能源的需求是非常大的,但是,中国在能源使用效率值很低,因此,提高锅炉热效率,有效的节约能源利用率,具有十分重要的现实意义。
此外,锅炉燃烧使用燃料是否可以在当地获取,节省燃料运输的花费,燃烧产生的废气要处理好粉尘,达到燃烧的环保标准,提高经营管理水平,可以降低人工劳动强度。
随着工业的不断改革创新,锅炉结合计算机操作这项新技术得到发展。
工业锅炉数量大,分布广,中国现有的小锅炉,约300000个单位,每年中国煤产量有1/3是消耗在锅炉燃烧方面,当前,大多数产业汽锅仍然处在高能耗、不节约能源、环境污染严重的生产状况。
因此,提高热效率,提高自动化水平和防止环境污染,降低煤耗和电耗,是重要的因素需要在工业锅炉的设计考虑。
计算机控制的使用是一个重要的工作。
本课题设计改变传统工业锅炉控制,达到减少能源消耗的问题,结合先进控制算法与计算机控制,把锅炉设计成具有自动控制功能,对生产需要的热源进行加热和供应,成为现在多环境可以合理使用的节能产品。
1.2研究背景现状
我国有很多生产锅炉的企业,设备种类多,产品没有形成规模出产。
2001超过1000吨的蒸汽产量企业只有18所,这是一个生产总量37613吨蒸汽锅炉,其中全国总产量的44%是工业锅炉。
国内有732家中小企业处于比较落后情况,锅炉年产量平均低于50蒸吨,从统计的数据可以看到企业锅炉产量集中度不高。
在大多数企业中只有一百左右的企业能自己设计供热设备,大部分的生产企业基本没有技术开发能力。
许多小型和中型企业难于开发和生产新型锅炉,甚至一些企业存在的问题较多,面临倒闭。
10年来工业锅炉产物因为受各种因素的影响呈现了许多新的转变。
1991年锅炉容量≤4t/h的企业所占的百分比为60%,到2001年同规格的锅炉所占百分比减少到30%,几乎缩小1/2。
相反,容量大于等于10t/h锅炉的比例由之前的25%增长到54%,企业更换大容量的锅炉在增长。
下表是各种类型锅炉的占有量比例表
锅炉类型
比例
时间
燃煤锅炉
石油和天然气锅炉
循环流化床汽锅
水火管锅炉
内燃式锅炉
1991
90%
6%
3%
45%
4%
2001
81%
15%
10%
21%
10%
国民经济的成长速度以及投资规模等因素不仅刺激了企业锅炉市场的发展,普通产品质量持续改进为高性能的产品。
2010年后,工业锅炉将改造约7万蒸吨,再加上更新使用的,从需求的角度看,约为100000~12000000吨蒸汽是每一年的工业锅炉的需求量。
随着时间的发展大中城市企业将会淘汰小容量燃煤汽锅,选用清洁燃烧方式的锅炉会迅速的加入到各个企业的供热设备中运用,燃气锅炉的发展有提高。
加热使用的生活废物和生物质的锅炉市场需求量较大,蓄热式电热锅炉的使用市场将再次拓宽。
企业锅炉产物发展的趋向是高效、节能、低污染,达到这种效果需要选用清洁燃料和干净燃烧技术,逐步向高端锅炉市场开展。
1.3研究的内容
本课题研究的内容使用PLC对电热锅炉进行控制,实现温度的系统自动化控制及手动控制,使其达到现实各种操作控制的需要、使更多的劳动免于人的介入、使体系更加稳定可靠。
具体研究工作从以下方面展开:
1)确定锅炉的类型,各传感器的作用。
2)按工序,绘制系统的工艺流程图。
3)PLC类别选择以及I/O分配。
4)设计程序,满足各控制要求。
5)绘制电气原理图、外部接线图等。
6)依据设计要求调试系统成功。
电热水锅炉控制流程图如图1.3所示
图1.3控制系统流程图
1.4电热水锅炉系统的简介
电热水锅炉系统的本质构造组成比较简单。
电热管选用三个电热管组成一组,构成三角形法连接,电热管的一端罩有接管,安装在法兰盘上与外部电气设备结合。
电热管组最外层覆盖电热护罩,锅炉内是待加热流体,不需要布置管路。
简化设有进水口,热水(或蒸汽)出口,安全阀,压力表,交换机。
电热水锅炉系统与金属管加热,加热管消耗电能直接转化为内能。
采用科学耗能方式将电能量转化为热能的利用,转换过程比直接燃烧所需要的成本低,燃料还需要的空气助燃,并且不会产生转换废料污染环境,达到环保的目的。
许多品种的电锅炉,加热元件的分类按照分工形成有电阻式,电极式和电隔膜式三种。
电阻式加热器的外壳由金属材料组成具有良好高阻抗性的管形电热元件,内部是电热丝和氧化续材料,接通电源加热丝加热,产生的热量通过导热材料把温度传递,这样冷水转换成为热水或者蒸汽。
问题是提高锅炉容量取决于管状电热元件的数量来实现的,并根据操作数调整锅炉负荷。
电极式加热元件采用两个电极插进水中直接将电能转变为热能。
转换过程中水温升高能量几乎没有亏损。
电极加热式锅炉工作相当安全,锅炉内水位过低或者没有水,电极之间不形成环流,没有电源通过,锅炉自动停止运行,不会产生干烧现象。
近年来新的采暖技术——电热膜采暖技术发展起来,电阻丝加热的电热转换效率远远不及于电热膜采暖。
电热膜采暖是在半导体表面喷涂搪瓷钢板,称谓微球电热材料(金属氧化物),热效率高。
这种材料具有寿命长,使用范围更大,有效抵制电流冲击,牢固的附着于基体,在极端环境下也不会受到冷热激变破坏能力的影响,适用于原料品种多,设备简单。
本次设计经综合考虑选用电阻式的电热锅炉。
电热水锅炉是经济,节能,安全,高效,使用故障率低,维护方便的锅炉,采用新的电加热技术和先进水平控制系统完成的。
电热水锅炉特点
(1)全自动智能控制;
(2)工作方式灵活,自由切换手动或自动模式;
(3)可建立锅炉自动启日期、运行时段,可以提高设备使用寿命;
(4)PID自动温度(压力)控制,但当负载变化时保证自动启停供水泵、循环泵;也可手动控制;
(5)异常情况发生时,自动报警;
(6)锅炉选用框架嵌入式结构,精致靓丽;
(7)无运行噪声,无污染,热效率高;
(8)整体结构紧凑占地面积小;
(9)锅炉恒温材料,热量不会散发,热效率大于98%。
2可编程序控制器(PLC)简介
可编程序控制器(ProgrammbleController)简称PC或PLC。
它的发展基于电器控制技术和计算机技术的基础,以微处理器为中心,把自动化技术、计算机技术、通讯技术结合起来并逐步发展的新式工业控制装置。
当前,PLC已经在各类生产机械和生产过程的自动控制当中被普遍应用,行成最重要、最普及、使用场合最多的工业控制装置的一种,被世界公认为是现代工业自动化的三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一[3]。
1987年国际电工委员会(IEC)颁布了可编程控制器标准草案第三稿。
在草案中对可编程控制器定义如下:
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器,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,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其相关外围设备,都应按易于与工业系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计[1]。
定义突出强调了PLC直接应用于工业环境,必须要有很强的抗干扰能力、适应性强和应用范围广,这是一般的微机控制系统的重要特性之间的差异。
同时,还强调了PLC用软件方式实现的“可编程”与传统控制装置中通过硬件或硬件接线的变更来改变程序的本质区别[1]。
2.1PLC的基本组成
可编程序控制器种类构造不一,不影响组成的基本原理,它们的核心结构包含微处理器,要想使用PLC控制硬件工作更要靠软件编程两者相互结合来实现其动作功能,定义为新型的工业控制计算机。
(1)PLC的硬件结构如图2.1所示
主机
微处理器(CPU)——控制器的核心
存储器(RAM、ROM)
输入、输出(I/O部份)——现场设备与CPU的连接必须使用接口电路。
电源部件——由PLC电源单元的内部电路供应
整体结构的PLC——四部分装在同一机壳内。
PLC模块式构造——单独封装,称为模块,通过机架和总线连接而成
用户可按需求进行I/O口的扩展和组合(扩展机)。
此外,用户程序还必须使用编程器写进规定的存储器内。
图2.1PLC硬件结构
1中央控制处理单元(CPU)
CPU的类型多种多样,常见的几类CPU芯片:
(1)通用微处理器,如Intel公司的8086,80186到Pentium系列芯片;
(2)单片微处理器,如Intel公司的MCS51/96系列单片机;
(3)位片式微处理器,如AMD2900系列位片式微处理器[12]。
②存储器
可编程序控制器配有选用存储器还有用户存储器。
系统存储器:
存放系统管理程序,只读存储器的实现[11]。
用户存储器:
用户编制的控制程序,存储方式一般用RAM实现或固化到只读存储器中[13]。
③输入输出接口
功用:
PLC控制器按照用户输入输出设置,将各输入量转换成PLC内部电平信号使PLC运算处理,完成处理再将电信号转换为输出信号变换成用户所要求指令动作来驱动外部负载的工作[13]。
对输入输出应当具有抗干扰能力强的优点;输入输出电量(开关量、模拟量、直流量、交流量)的采集具有自动匹配功能[13]。
I/O接口的形式:
用户应根据输入和输出接口的选择信号来确定适当类型。
1开关量输入接口电路如图2.2所示
所有的输入接口全部采取了抗干扰技术。
PLC需要运用光耦合隔离外部输入信号,组合RC滤波电路,消除抖动和外部噪声输入。
通常有三种供电类型:
直流12至24伏输入、交流100至120付输入还有交流200至240伏输入和交直流12至24伏输入[13]。
直流输入模块供电电源通常由PLC内部使用的直流24V电源供应,电信号输入电流一般小于10mA。
使用者增加交流输入模块需要对其供电。
图2.2直流输入接口
2开关量输出接口电路如图2.3所示
有三种模式:
即晶体管输出、继电器输出以及晶闸管输出。
用户应当提供触发和关断的电源,输出电流小于2A才能使用。
图2.3交直流继电器输出型输出口
输出端子的两种接法:
a)隔离式
每个输出端形成一个独立的回路,没有公共端点。
b)汇点式
输入输出使用的公共点是唯一的。
假若分成若干组,那么每一组内包含一个独立的公共点,各组之间包含的公共点需要相互隔离。
每个点使用相同电压类型和电压等级相同,每个组可以分别使用不同电压类型甚至是等级不相同的负载形式。
④电源
PLC可以使用工频220伏电,或者直流24伏。
⑤外围设备:
编程器、打印机、演示板等
手持编程器的作用是可以让操作者把程序输入PLC存储器,检查、修改程序;监视PLC的工作状态也可以由编程器完成。
⑥用户输入输出设备
控制启动和检测元件是用户输入器件,它们包括了各种开关、传感器、按钮等元件,接触器、电磁阀、指示灯等用户输出使用控制部件。
2.1.1可编程序控制的工作原理
(1)PLC基础工作形式:
运行和停止模式两类。
①操作方式分为:
内部处理,通信操作,输入处理,输出处理,对五个阶段的实施步骤[13]。
②停止模式:
运行在停止模式下,PLC只对内部处理和通信服务两种模式下工作的内容做出的反应。
(2)PLC工作过程:
①内部处理阶段:
PLC检查CPU模块是不是正常,复位监视定时器,上一条操作指令工作内容是不是完成等。
②通信服务阶段:
PLC运行时需要内部智能模块通信、反映编程器输入的命令,更新编程器的显示内容等。
③输入处理阶段:
输入处理也叫输入采样,工作过程是在映象寄存器中存入读取的信息,按先后顺序读取全部有连接的输入端子的通断状态,当映像寄存器有输入时里面原有内容被覆盖。
④程序处理阶段:
梯形图程序进行逐句扫描是遵循先上后下,先左后右的步序进行的,输入映像寄存器中的采样结果与扫描的程序进行逻辑运算,再把运算结果存入映像寄存器。
程序运行中出现程序跳转指令时,跳转条件满足跳转时程序运行跳转地址的程序。
⑤输出刷新阶段:
程序处理完毕,系统刷新输出映象寄存器,把各点刷新的状态转存到输出锁存器里,输出端接受CPU的信号驱动外部负载。
PLC运行模式就是周而复始的循环重复上述五个阶段,我们把运行模式称为循环扫描工作方式。
(3)PLC工作方式与特征:
集中采样、集中输出、周期性循环扫描,“串行”工作方式
①扫描周期:
PLC扫描工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式,扫描工作所用的时间称为扫描周期或工作周期[13]。
PLC工作正常时,扫描周期所用时间长短由CPU的运算速率决定,与I/O点的运用数量有关,与用户应用程序的内容大小及编程方式等均有影响。
正常用PLC读取1K内容的指令用到的时间表示工作的扫描速度,正常的扫描速度范围是1~10ms/K。
②输出滞后是由于PLC的外部输入信号产生转变,导致输出信号发生转变需要使用的时间间隔。
导致输出滞后的原因是输入模块的滤波时间、扫描方式所使用的时间发生延迟导致的滞后,也有可能是输出模块的滞后引起。
③因为PLC工作方式为集中采样,在程序工作处理阶段,输入映象寄存器中的内容不受输入发生了变化而收到影响产生变化,CPU结束了指令的运算,接收下一条指令输入采样阶段才会改变。
④PLC工作顺序为串行工作,梯形图顺序以及步数导致PLC的工作结果不同。
使用继电器控制系统“并行”工作的方式有本质的区别。
PLC防止了触点的临界竞争,减少复杂的互锁电路。
2.1.2可编程序控制器的特点
可编程序控制器具有许多独特优点,PLC技术高速发展,现代工业自动化技术的客观需要。
工业领域中影响生产的可靠性、安全、灵活、方便、经济等方面的难题都是可以使用PLC解决。
(1)可靠性高、抗干扰能力强
PLC基本特性有可靠性高、抗干扰能力强的优点,PLC的超高可靠性是因为许多的硬件和软件都具有抵抗干扰措施,无故障时间长。
①硬件部分I/O通道选用光电隔离,采用这种方法可以准确地抑制外部干扰源影响,降低对PLC的影响;高频干扰的解除以及抑制方法是采用多种形式的滤波对供电电源及线路滤波,CPU及重要的部分需要良好的导电、导磁材料制造,使之具有很强的抗干扰能力。
②PLC选用扫描工作方式,减少了因外界环境干扰引起软件方面的故障;PLC系统程序中具有故障检测和自诊断功能,可以完成故障的检测以及判断系统硬件电路是否存在错误;外界干扰引起故障由时,能立刻将正在运行的重要信息实行封存,防止错误产生,直到外界环境正常,继续原本进行的工作。
(2)编程简单、使用方便
当前,大多数PLC操作者使用最广泛的编程指令是梯形图,它具有直观简洁容易理解的好处,是操作者和用户广泛采用面向生产,适用于开关量的编程语言。
布局直观,广大工程技术人员更容易掌握这种编程方法。
生产现场可以更改程序来改变生产流程使用。
使用方便、灵活。
编程器的使用方便,操作起来灵活。
两个优点让PLC获得普及采用和推广发展的主要原因之一。
(3)功能完善、通用性强
目前PLC可以加入一系列的模块,PLC的种类和各种硬件设备供客户选择,各种要求的控制系统都能满足。
(4)设计安装简单、维护方便
以往电气控制系统的硬件部分被PLC使用软件取代,以往的控制柜的设计和安装接线工作量相当繁琐。
用户程序都可在软件中仿真或者检查模拟调试,这样可以减小应用设计和调试周期。
由于PLC故障发生率极低,并且PLC拥有强大的内部自动诊断功能,假若发生故障,维护极其容易。
如果连接了GXDeveloper,在程序发生故障的地方会有相应的提示,程序暂停。
由用户在提示处自行检查。
(5)体积小、重量轻、能耗低
因为PLC由各种集成模块组成,一些电路也设计进模块里,所以达到结构紧凑、体积小、低功耗的特点。
2.1.3可编程序控制器应用领域
目前,在国内外已广泛应用PLC工作在各行各业,PLC性能的提高价格却在不断降低,致使其使用率持续增长应用领域不断扩大。
从使用类型,利用PLC可归纳如下方面:
(1)开关量逻辑控制
以往的单机控制慢慢减少,自动线控制等传统继电器控制已经慢慢退出工业生产,现代生产都是使用PLC的基本逻辑运算、计数等功能辅助逻辑控制。
广泛应用于机床,装配线,以及需要使用自动控制的方面。
(2)运动控制
拖动步进电机或伺服电机需要使用的单轴或者多轴位置控制模块已经被设计到PLC内部。
如对各种进行运动控制的机械设备都能用PLC功能完成。
(3)过程控制
各种各样的PLC都加入模拟量输入输出功能,其中大、中型PLC为了工业环境使用突出其优越的工业控制,添加了PID运算控制功能还有多路模拟量I/O模块。
使用PLC可以对模拟量进行控制,加入PID整个系统构成闭环控制。
如今PID控制已经广泛的使用在闭环位置控制和速度控制等设计方面。
(4)数据处理
现代的PLC功能加入了数学运算,数据传输,分析和处理使用通信接口发送给其他智能设备的数据。
(5)通信联网
可编程序控制器的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备之间的通信。
2.1.4FX2N-4AD模数转化模块
FX2N-4AD模拟量特殊模块将来自铂温度传感器的输入信号放大,把放大后的信号转变成12位的可读数据,传送到CPU中。
读分辨率是0.2℃~0.3℃/0.36℉~0.54℉。
通过FX2N-4AD软件控制调整采集的数据输入和参数设置;通过TO/FROM应用指令来完成,在程序中占用2个输入输出点,一台FX2N可连接多达8个FX2N-4AD模块。
2.1.5FX2N-2DA模拟量输出模块
模拟输出模块式Fuzzy-PID复合控制(以下简称Fuzzy-PID复合控制)将用于12位数字的值转换为2位的模拟量输出(输出电压和电流输出),输送到可编程控制器中。
FX2N和FX2NC系列的可编程控制器都有一个连接共同点,FX2N-4DA可连接到FXON。
根据连接的方法,模拟量可以选择电压输出还是电流输出。
在这一点上,这是一套以两种常见的模拟输出通道。
两路模拟输出通道可以接受0~10VDC,0~5VDC,4~20mA输出。
在电压为0V到10V范围的分辨率达到2.5mV电流4µA(4到20mA)。
数字量与模拟量的转换特征可以通过人工相互调整转换。
模拟输出模块连接PLC时可以由用户自行分配需要使用的8个点。
模拟量与PLC进行数据传输交换时有特有的指令,向以连接的PLC进行数据传输也是使用FROM/TO指令。
3电热水锅炉温度控制系的设计方案
电热水锅炉温度本身会发生不断变化、而影响其转变的因素又比较多、及其复杂的非线性变量,电热水锅炉温度控制系统是一个非线性系统,在设计方面不能准确的建立精确的数学
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