基于PLC的锅炉系统设计.docx

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基于PLC的锅炉系统设计

基于PLC的电热锅炉供热系统设计

摘要：

本篇论文主要介绍了一种基于PLC技术的电热锅炉供热系统软件的设计，该电热锅炉由补水泵、循环泵、电加热管和传感器等元件组成，程序部分用STEP7软件调试运行。

本产品通过自动、手动、定时控制三种方式控制锅炉加热，给予用户更多的选择，并具有缺相、超温、超压等全面保护措施。

该电热锅炉可实时采集出水温度、回水温度以及压力大小，并进行智能控制。

实验证明，本论文所设计的电热锅炉系统工作稳定可靠，智能化程度较高，自主性强，对各种要求适应能力强，是一种实用的设计方法，可满足一般用户的要求，具有较高的推广价值。

关键词：

PLC；电热锅炉；实时监控

DesignofElectricboilerheatingsystembasedonPLC

Abstract:

ThispapermainlyintroducedanelectricboilerheatingsystemsoftwaredesignbasedonthePLCtechnology,thiselectricheatingboilerwasconsistedbyawaterpump,acirculatingpump,electricheatingtubesandsensors,theprogrampartwasdebuggedandranbySTEP7software.Togiveusersmorechoicesthisproducthasthreewaystocontroltheheatingboiler:

automatic,manualandtimingcontrol,andhavecomprehensiveprotectionmeasuresaslackphases,over-temperature,over-pressureandsoon.Theelectricboilercancollectreal-timewatertemperature,return-watertemperatureandtheamountofwaterpressure,byanintelligent-controlway.Experimentalresultsshowsthatthiselectricboilersystemdesignisstableandreliable,highlyintelligence,independentandstrong,adaptabletoavarietyofrequirements,thisisapracticaldesignapproach,willsatisfiesthegeneralrequirementsoftheusers,andhasahighlypromotionalvalue.

Keyword:

PLC;ElectricBoiler;Real-timemonitoring

引言

随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，以及人们生活水平的不断提高，对城市生活供暖的用户数量和供暖质量提出了越来越高的要求。

在当今社会，电加热锅炉的使用领域已经越来越广泛了。

它的经济性，安全性和较高的自动化程度越来越受到人们的认同。

可是电加热锅炉的性能优劣充分的反映了电热锅炉的质量好坏。

电加热锅炉已逐渐进入人民的生活，成为洗浴，供热等场所的首选设备。

目前电热锅炉的控制系统多采用以微处理器为核心的PLC控制技术，既提高产品的自动化程度又增加了锅炉的控制精度。

现在使用的大部分电加热锅炉控制系统的设计还不完善，因此需要设计一种全新的、自动化程度较高的电加热锅炉控制系统来代替和完善以前的控制系统。

现在工业生产所使用的控制器大多数是用继电器、接触器为主的控制装置。

使用继电器电路组成的控制系统出现的误操作较多，其可靠性不好。

结合现状,本论文供暖锅炉监控系统，设计了一套基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统，以PLC来取代原有的控制系统。

该控制系统采用西门子公司的STEP7编程软件设计，主要完成模拟量信号的处理，温度和压力信号的PID控制等功能，完成风机启/停控制、参数设定、循环泵控制和其余电动机的控制，系统通过变频器控制电动机的启动、运行和调速。

本文设计的变频控制系统实现了锅炉燃烧过程的自动控制，系统运行稳定、可靠。

采用锅炉的计算机控制和变频控制不仅可大大节约能源，促进环保，而且可以提高生产自动化水平，具有显著的经济效益和社会效益。

1电热锅炉

1.1电热锅炉简介

电热锅炉也称电加热锅炉、电锅炉，电热锅炉是将电能转化为热能，利用电阻发热或电磁感应发热，通过锅炉的换热部位把热媒水或有机热载体（导热油）加热到一定参数（温度、压力）时，向外输出具有额定工质的一种热能机械设备。

它无需炉膛、烟道和烟囱，也无需储存燃料的场地，极大地减少了常规燃煤锅炉带来的污染。

电热锅炉具有无污染、无噪声、占地面积小、安装使用方便、全自动、安全可靠、热效率高达98%以上等特点，是一种环保产品。

电热锅炉的主要部件有：

控制器、水泵、加热管等。

电热锅炉分为两大类：

LDR（WDR）电热蒸汽锅炉和CLDZ（CWDZ）电热热水锅炉及KS-D电开水锅炉。

其中电开水锅炉又分为KS-D电开水锅炉和XKS-D电蓄热开水锅炉。

电热蒸汽锅炉广泛应用于工业生产及企事业单位以满足生产、生活所需蒸汽。

电热热水锅炉广泛应用于化工、炼油厂辅助热源及高级宾馆饭店、写字楼、学校、科研楼、医院门诊病房等建筑的采暖、空调、热水供应及生活热水[1]。

1.2电热锅炉爆管原因及防范

电热锅炉爆管容易造成人员伤害甚至火灾，因此其安全性必须放在首位，了解爆管原因，防范于未然，是设计电热锅炉控制系统的必要步骤。

在加热管使用过程中，电压不稳定，如电压增高同时电流会增大导致加热管击穿，因此，控制系统应含有超压保护功能。

温度过高，加热管表面结垢，达到一定的承受，散热不好，也会造成加热管击穿,因此，控制系统还需含有超温保护功能。

而加热管使用过程中脱水也会造成加热管击穿，所以要设计水箱压力下限保护。

1.3电压功率设定

为使电炉工作更加稳定，应严格按照JB/T2379-93标准设计电加热管、电加热器。

额定电压±5%公差，极限电压+10%，超过极限电压运行会大大降低加热管使用寿命甚至击穿电加热管；额定功率+5%～-10%.，所以应将供电电压控制在400V以内，以提高加热管寿命，防止击穿。

2PLC

2.1PLC简介

PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

IEC于1987年对可编程控制器下的定义是：

PLC（ProgrammableLogicController），可编程逻辑控制器，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；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令；并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程[2]。

PLC的通信链路可分为有线和无线两种，有线的数据链路有RS-485等，无线的数据链路有MDS数传电台等。

2.2PLC的基本结构

PLC实质上是一种专门用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

（1）电源

PLC的电源在整个系统中起着一个非常重要的作用。

如果没有一个良好的，电力系统不能可靠地正常工作，所以厂家对PLC的电源设计和制造非常重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其他措施，将PLC直接连接到AC线上去。

（2）中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的中央控制，一般由控制器、运算器和寄存器组成。

其主要任务是控制用户程序和数据的接收和储存；用扫描的方式通过I/O接口来接收现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后安指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制制表打印或数据通信等功能。

为了进一步提高PLC的可靠性，对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

（3）存储器

PLC使用的存储器类型有三种：

ROM、RAM、EEPROM。

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

（4）输入/输出接口电路。

输入/输出接口单元包含两部分：

一部分是与被控设备连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。

现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

（5）功能模块

如计数、定位等功能模块。

（6）通信模块

为了实现“人-机”或“机-机”之间的对话，有些PLC配有一定的通信接口。

2.3PLC的工作方式

PLC工作的整个过程可分为三部分。

第一部分是上电处理。

机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定，系统通信参数配置及其他出初始化处理等。

第二部分是扫描过程。

其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC首先以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内，此时输入映像寄存器被刷新。

接着系统进入用户程序执行阶段。

在此阶段和输出刷新阶段中，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

所以，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序执行用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用立即I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存