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1、毕业设计基于PLC控制的电热锅炉汇总电热锅炉是把电能转化为热能，把水加热至有压力的热水或蒸汽（饱和蒸汽）的一种电力设备。电热锅炉无需炉膛、烟道和烟囱，同样无需储存燃料的空间，很大程度上减少了常规燃煤锅炉使用产生的污染。电热锅炉具有低污染，低噪声，体积小，安装使用便利，自动化程度高，安全可靠，热效率高达98%以上等特点，电热属于一种绿色环保产品。一些国家在20世纪70年代后期到80年代初期就已经开始研究设计电热锅炉。中国在80年代中期，开始设计电热锅炉产品，到了90年代中期，许多公司将电热锅炉用来采暖、中央空调和热水供应。1 绪论1.1电热锅炉的介绍在当今社会，电加热锅炉的使用领域已经越来越广泛

2、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。而该设计所使用的是以PLC来取代原有的控制系统。

3、控制系统的要求：补水泵和循环泵交替使用，互为备用；缺相报警，水泵停止运行；循环泵主/备用泵能手动选择。1.2 电热锅炉的分类电热锅炉就是以电为能量来加热的锅炉，即使用清洁的电能转化为热能，从而把常温水加热为高温度热水或具有压力蒸汽的热能电气设备。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。电开水锅炉配置微电脑控制器、陶瓷电热管，采用电磁阀作为补水装置配合水位电极、感温探头全自动工作，连续大量供应饮用开水，广泛适用于政府机关、企业、工厂、医院、学校、宾馆 、酒店等企事业单

4、位使用。 电蓄热开水锅炉配置微电脑控制器、陶瓷电热管，采用电磁阀作为补水装置配合水位电极、感温探头利用夜间（低谷电）时间全自动工作，可以在白天（用电高峰期）大量供应饮用开水，广泛适用于政府机关、企业、工厂、医院、学校、宾馆 、酒店等企事业单位使用。 电热蒸汽锅炉将水加热产生蒸汽的电锅炉，又名电热蒸汽发生器。按结构分为立式和卧式两种锅炉。 按产生的蒸汽压力分为低压、中压、高压三种规格锅 炉。0.4MPa及以下工作压力的电热锅炉称为低压电 锅炉，主要用于生活供热。0.71 MPa的电热燕汽锅 炉称为中压电锅炉，可供生活、生产用汽。1.6 MPa以 上的电热蒸汽锅炉称为高压电锅炉，现多用于试验室。

5、由于承压指标不同，在使用选型方面要注惫区分。中国生产的定型电热蒸汽锅炉的最大出力为Zt/h，最高工 作压力为1.6 MPa. 电热热水锅炉将水加热提供热水的电锅炉。 电热热水锅炉在结构上也分立式和卧式两种。随着锅炉 功率的增加，电热热水锅炉有双头和单头之分。加热电功率在360 kw及以下的卧式电热热水锅炉，大多做成单头，加热电功率大于360 kw的电热热水锅炉，一 般做成双头电锅炉。热水温度小于95的电热热水锅 炉，常用于供应开水或洗浴的场所。1.3电热锅炉的主要部件电热锅炉的主要部件有：加热管、控制器、水泵等。2 可编程控制器（PLC）简介2.1 PLC的基本概念可编程控制器实质是一种专用于

6、工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图2.1所示：图2.1 可编程控制器控制系统示意图（1）中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是可编程控制器的控制中枢。它按照可编程控制器系统程序具备的功能收取并储存从编程器输入的程序和数据；检验电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，还可以诊断用户程序中出现的的语法错误。当可编程控制器工作时，最开始它以扫描的方式接收使用场所各输入设备的状态和数据，并各自存入I/O映象区，接着从用户程序储存器里逐条读取用户的程序，对命令进行解释后再按照指令规定的算数运算或执行逻辑结果输入数据寄存器内或I/O映象区。直到所有的用户程序执行结束之后，循

7、环运行，直到运行停止。（2）存储器可编程控制器常用的存储器类型RAM这是一种读/写存储器(随机存储器)，速度快，用锂电池供电。EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）可擦除只读储存器。具有断电保持功能EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除的只读存储器。（3）输入/输出模块输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备及过程的连接接口。传感输出的开关量或模拟量、限位开关、按钮开关以及行程开关等输入信号，送人可编程控制器都需经过输入模块。PLC中央处理器只能处理

8、标准电平的信息，但是输入到模块的信号种类繁多。因此将这些信号转化为PLC能够处理和接受的数字信号也是输入模块的一个重要功能。输出模块往往是用来接收CPU处理过的数字信号，把信号转换成现场执行部件所能接受的控制信号，以驱动如电磁阀、电机等执行机构。PLC有多种输入/输出模块，包括数字量输入/输出模块和模拟量输出/输入模块。这些模块又包括电流和电压、交流和直流的不同分类，不同分类参数等级也不同，主要有模拟量输出/输入模块和数字量输出/输入模块，部件上往往都设置有用来输入接线的端子排，这些模块上都带有电平转换、信号锁存、滤波电路来滤除信号的噪声和便于可编程控制器处理内部信号。数字量输入模块比模拟量输

9、入模块多了光电祸合电路，可以让可编程控制器隔离外部电路，以提高可编程控制器的抗干扰能力。数字量输出有可控硅输出、继电器输出和晶体管输出3种方式。实现数字量与模拟量之间的转换即D/A或A/D转换由模拟量输入/输出模块来执行。（4）扩展模块当一个可编程控制器中心单元的I/0点数不够时，就要对系统进行扩展。随着PLC在工控中的广泛应用和快速发展，各PLC制造厂家已开发出一系列的智能接口模块，使PLC的功能更加强大和完善。（5）电源PLC中的电源一般有3类： +5V、15V：锂电池及其充电电源。考虑到系统光电隔离器的使用以及可靠性，不同类型的电源其地线也不同。目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特

10、殊功能模板不断涌现。2.3 PLC控制系统设计的基本原则和步骤2.3.1 PLC控制系统设计的基本原则1充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。2在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。3保证控制系统安全可靠。4应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、IO点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。2.3.2 PLC控制系统的控制原理 最初研究制造的可编程控制器主要用来替代传统的由接触器继电器构成的控制装置，但这两者的运行方式是截然不同的。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即假设该继电器的线圈通断电，那该继电器每一

11、个触点（包括其常闭触点或常开触点）在控制线路上都会同时动作。可编程控制器的中央处理器扫描用户程序则采用顺序逻辑的运行方式。但为了消除2者之间不同的运行方式而造成的差异，并且继电器控制装置触点的动作时间通常在100ms以上，而可编程控制器扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，可编程控制器采以与一般计算机不同的方式运行扫描技术。在对I/O口响应速度要求不高的场合，可编程控制器与继电器控制装置的处理结果就没有什么区别了。当可编程控制器开始工作后，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，可编程控制器的中央处理器以

12、一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如图2.2所示：图2.2 可编程控制器扫描周期图一般来说，可编程控制器的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。如图2.3所示图2.3 可编程控制器扫描周期示意图2.3.3 PLC程序设计的一般步骤1绘制系统的功能图。2设计梯形图程序。3根据梯形图编写指令表程序。4对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。PLC控制系统的设计步骤可参考图 2.4 ： 图2.4 PLC控制系统的设计步骤3控制系统方案设计3.1系统技

13、术要求对系统技术要求如下:（1）对温度控制范围：入水温度65C；出水温度85C。（2）对锅炉控制的基本要求: 加热管自动加减投入数量；自动检测循环水量并补充循环水；可根据室外气温的变化自动调节出（回）水温度；自动检测调节炉体内水温和气压；自动报警报警，电加热管停止加热；循环泵主/备用泵可选择；补水泵交替运行，互为备用；所有水泵均具有过载、短路、缺相保护功能；缺相报警，水泵停止运行；3.2电热锅炉的设计方案及工作原理基于PLC控制电热锅炉系统是由电热锅炉、可编程控制器、传感器和水泵机组组成一个完整的锅炉供热系统，该系统的原理框图如图3.1所示。图3.1原理框图锅炉首次使用时，通过补水泵往锅炉内注

14、水，自来水管接有软水装置，将自来水软化成锅炉内使用热量传递的软水。当锅炉内液位符合使用标准时，由液位传感器发出信号到PLC控制器，开始进行加热。此时温度传感器I（入水口水温）和温度传感器O（出水口水温）偏差较大（出水口水温要求85C），故同时使用四根加热管进行迅速加热。当炉内温度达到供暖要求后自动关闭两根加热管，以做到低能耗运行。当春秋季供暖需求低时，出水温度与入水口温度偏差量小，基本值为65C（I）和85C（O），为避免电能浪费，只需使用一根加热管进行加热。而冬天出水温度与入水温度偏差量大，基本值为85C（O）和50C（I），正常工作为两根加热管，入水口温度低于50C时使用第三根加热管进行加

15、热，以确保供暖效果最佳。其原理图如图3.2所示：图3.2原理图3.3热传感器的工作原理及作用 本系统中采用三个传感器，分别是温度传感器I，温度传感器O和液位传感器。 温度传感器I为入水口温度传感器，装在锅炉进水口，用以观测进水口温度，与温度传感器O所观测温度相对比，反映供热系统的状况，及时调整锅炉功率，保证供暖循环系统正常有效的工作。感应信号通过线路传送给PLC进行控制动作。 温度传感器O为出水口温度传感器，装在锅炉出水口，用以检测果如出水温度。温度传感器O检测温度，直接传送给PLC进行处理，防止出水温度过高或者过低。当出水口温度过高时，系统减少加热管使用数量，以降低出水温度，反之则增加加热管

16、数量，使之保持恒定。 液位传感器置于锅炉内侧，用来测量锅炉炉体内的水位位置。当锅炉内水位低于正常工作水位时，传递数据发送给PLC控制补水泵进行补水，以防止出现烧干现象。当锅炉内水位过高时发出信号PLC自动排放多于水量，知道满足正常工作水位。4器件选型4.1 PLC及拓展模块的选取可编程控制器及有关设备应是标准的、集成的，有利于与工业控制系统形成一个整体，有利于扩充其功能的原则选型。 机型的选择（1）可编程控制器的类型可编程控制器分为很多种。从使用角度出发，通常可根据控制功能或I/O点数选型。 （2）输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。对于输出模块，首先需考虑选用模块的类

17、型，继电器输出模块使用电压范围广、响应时间较长；可控硅输出模块响应时间短适用于开关频繁、电感性、低功率因数负荷场合，但过载能力弱。 （3）经济性的考虑选择可编程控制器时，性价比非常重要。在考虑经济性的同时，也许考虑可操作性、可扩展性、投入产出比等各种因素，并选出最合适的产品。I/O点数直接影响到价格，每增加一块I/O卡件都将增加相应的费用。本方案中共需使用数字输入触点10个模拟输入触点2个数字输出触点20个。其中数字输入部分按钮开关8个，浮球开关2个，软启动器故障输入2个；模拟输入部分温度传感器2个；数字输出部分蝶阀8个，软启动器控制4个，机组中间继电器2个，水泵4个，故障指示灯1个。根据设计

18、需求配套使用如下模块。4.1.1 S7-200 CPU224S7-200 系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。5种基本单元外观布置大致相同。接线端子位于面板的上下两侧，这是连接输入输出器件及电源用的端子。为了方便接线，CPU224机型采用可插拔整体端子；用于通信的RS-485接口在机身的左下部。前盖下还设有模式选择开关，具有RUN/STOP,TERM三种工作状态。CPU在RUN状态下执行完整的扫描过程，在STOP状态下则可以与装置STEP7-WIN编程软件的计算机通信，以下载和上载应用程序。TERM状态是一种暂态，可以在编程环境下将TERM转化为RUN或

19、STOP状态，在调试程序时很有用处。TERM状态还和机器的特殊标志位SM0.7有关，可以用于自由口通信时的控制。模拟电位器也装在前盖下，可用于定时期的外设定及脉冲输出等场合。S7-200 CPU224型参数如表4.1：表4.1 S7-200 CPU224型参数技术规范CPU 224集成的数字量输入/ 输出14 入/10 出最大可扩展的数字量输入/ 输出范围168 点最大可扩展的模拟量输入/ 输出范围168 点用户程序区8 KB数据存储区8 KB编程软件Step 7-Micro/WIN布尔量运算执行时间0.22 s标志寄存器/ 计数器/ 定时器256/256/256可连接的扩展模块数量 (最大)

20、7 个4.1.2 EM231 2 CHANNEL RTD ANALOG热电偶、热电阻扩展模块是连接热电偶及热电阻的专用模拟量模块。EM231热电偶模块可用于J、K、E、N、S、T和R型热电偶，用户用模块下方的DIP开关来选择热电偶的类型。 热电阻的接线方式有2线、3线和4线三种。4线方式的精度最高，因为受接线误差的影响，2线方式的精度最低。EM231热电阻模块可通过DIP开关来选择热电阻的类型、接线方式，测量单位和开路故障的方向。连接到同一个扩展模块上的热电阻必须是相同类型的。4.1.3 EM 222 8 RELAY数字量扩展模块用来增加基本单元输入输出口数量，以满足不同的控制需要，节约投资费

21、用。EM222 8 relay 由两组每组4个继电器输出口组成。4.2 电热锅炉用电热管电加热管主要产品有：电热热炉、高密度单端加热管、锅炉用电热管、烘箱用电热管、翅片电加热管、汽车电加热器、电热管、电力电加热器、防爆电加热器、合成电加热器、贮罐电加热器、高温陶瓷电加热器、分子筛电加热器、循环式电加热器、哈夫式电加热器、履带式电加热器、热水电加热器、流体循环式电加热器。 1）电加热管性能：电加热管是以金属管为外壳，沿管内中心轴向均布螺旋电热合金丝（镍铬，铁铬合金）其空隙填充压实具有良好绝缘导热性能的氧化镁砂，管口两端用硅胶或陶瓷密封，这种金属铠装电热元件可以加热空气，金属模具和各种液体。 2）

22、电加热管结构：电加热管是以金属管为外壳，沿管内中心轴向均布螺旋电热合金丝（镍铬，铁铬合金）其空隙填充压实具有良好绝缘导热性能的氧化镁砂，管口两端用硅胶或陶瓷密封，这种金属铠装电热元件可以加热空气，金属模具和各种液体。 3）电加热管使用：电加热管是专门将电能转化为热能的电器元件,由于其价格便宜，使用方便,安装方便,无污染,被广泛使用在各种加热场合,电加热管的使用寿命都很长，一般设计使用寿命有10000多小时 4）电加热管用途 电加热器的分类：烘箱用散热片电加热器，桑拿浴电加热器 ，蒸饭机水箱用电加热器 ，紧固件安装电热锅炉用电加热器，法兰安装电热锅炉用电加热器，空气电加热器 ，液体电加热器 ，锅

23、炉电加热器等等。 型号：YJDGH-3KW 适用范围：电锅炉电热管规格参数：6KW 380V 31.5A特点：a.使用于各种规格电锅炉，蒸汽发生器。b.采用优质导热铜管，加大铜管接触面，导热快，经久耐用。c.铝制法兰，安装简易，密封性能好。d.接线处有绝缘防护盖，确保使用安全。e.各种规格尺寸，适用于其他品牌，且适用于订制锅炉。4.3 软水装置 软化水装置从控制上分为时间控制型和流量控制型;从结构上分为单阀单罐型、单阀双罐型、双阀双罐型和多阀多罐型几种形式。双罐（多罐）软化水处理系统采用一（多）备一（多）用多个罐，设备可连续供水，技术成熟，操作简便，大型控制阀均采用无铅黄铜阀体，符合卫生标准，

24、TEFLON涂层，活塞减小了阻力，延长了使用寿命，运行可靠。LZC组合式锅炉软化水装置，是专门为中小型锅炉配套而设计的组合装置，技术参数如下：1）原水硬度：6mmol/L 2）出水硬度：0.03mmol/L3）工作压力：0.30.5Mp4）工作温度：5-495）原水浊度：5NTU6）系统水耗：27）再生盐耗：120-180克/摩尔8）工作电源：220V/50HZ9）出水量：0.5-100T/H4.4 温度传感器温度传感器是把冷端(与仪表相接的两端)，与热端(要求测量的温度端)之间的温度差异转化为电动势(电压)的温度传感器。例如，温度传感器两端均处于20度环境温度下，现在热端加热，要求仪表测量出

25、加热端的温度。显然，这时热端(加热处)和冷端(接二次仪表的两端)有温度差，此温度差就会产生对应的电动势(电压)，相应的也会产生电流，因所产生的热电势(电压)大小与测量温度呈一定的比例关系，仪表将温度差产生的电压大小转化为温度，假设转化后为70度，此温度值就会出现在仪表上。即由温度差电动势(电压)温度的过程。 由于温度传感器传感器的冷端温度经常发生变化，而温度传感器测量温度时要求其冷端温度保持不变，其热电势(电压)大小才能与测量温度呈一定的比例关系，如果冷端的环境温度变化，将严重影响测量的准确性。所以二次仪表应对温度传感器的这种误差作自动补偿。例如，冷端的温度为度，所测出对应测量端的温度为度，但

26、由于冷端温度的变化(因为温度环境一般不可能为恒温)，由度降低至度，温度差就变大了，那么相对应的测量端的温度就会相应的变化为，影响了测量值的准确性。为保证测量值不变，二次仪表就应对冷端自动补偿度，将其维持在原来的度，使之测量值保持在度，以此来保证测量值的准确性及稳定性。 若热端要测量的温度环境和二次仪表距离很远，那温度传感器温度传感器跟二次仪表之间的连接线则必须使用温度传感器专用补偿导线，补偿导线是具有与所匹配的温度传感器的热电势(电压)的标称值(直接标明的国家规定的标准值)相同的一对带有绝缘层的导线，用它们连接温度传感器与测量装置。补偿导线又分延长型和补偿型。 应注意的是：使用温度传感器补偿导

27、线时必须注意型号相配，极性不能接错，温度传感器的正极连接补偿导线的红色线，而负极则连接剩下的颜色。补偿导线与温度传感器连接端的温度不能超过100。温度传感器的补偿导线只能起延伸热电极的作用，使热电极的冷端移动至仪表端子上。并没有补偿冷端的作用。补偿导线补偿的是它们与温度传感器连接处的温度变化所产生的误差。wzp/p系列工业用热电阻作为温度测量传感器用以直接测量或控制各种生产过程中-200C到500C范围内的液体，蒸汽和气体介质以及固体表面温度。热电阻是利用物质在温度变化时本身电阻也随着变化的特性来测量温度的。当被测介质中有温度梯度存在时，所测温度是感温元件所在范围介质中的平均温度。尽管各种热电

28、阻外形差异很大，但是他们基本结构大致相似，一般有感温元件，绝缘套，保护管和接线盒等部分组成。型号：WZC 测温范围 -50C到100C允许误差-+（0.30+0.005）ltl4.5 温度压力安全阀（T/P阀）温度/压力安全阀是一个安全装置，当系统的压力超过设定压力（3-10bar可调）和温度时，通过排水降温减压来保护热水系统。 保持因冷水进入热水容器被加热产生膨胀的安全工作压力。若水温加热到93-99度时，感温仪将顶开阀门排出热水进入冷水，降温减压。主要用在太阳能热水器、锅炉等。管道在运行过程中，水中的气体将会逸出在管道高起部位积累起来，甚至形成气阻，当管中水流发生波动时，隆起的部位形成的气

29、囊，将不断被压缩、扩张，气体压缩后所产生的压强，要比水被压缩后所产生的压强大几十倍甚至几百倍，此时管道极易发生破裂。 产品型号:100XL；品牌:威思Watts；连接形式:螺纹；公称通径:15-20 MM；温度:90C； 压力:1Pa； 公称压力:1Kg。4.6 循环泵与补水泵水泵主要是输送液体或使其增压的机械。它将机械能或其他能量传送给液体，使其增加能量，主要输送液体包括酸碱液、水、油、悬乳液、乳化液和液态金属等，也可输送气液混合物以及含悬浮固体物的液体。衡量水泵的技术参数有吸程、流量、水功率、轴功率、扬程、效率等；根据他们不同的工作原理可分为容积水泵和叶片泵等类型。容积泵是使用他们工作室容

30、积的变化来传送能量；叶片泵则是依靠回转叶片和水互相之间的作用来传送能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。水泵开动前，先将泵和进水管灌满水，水泵运转后，在叶轮高速旋转而产生的离心力的作用下，叶轮流道里的水被甩相四周，压入蜗壳，叶轮入口形成真空，水池的水在外界大气压力下沿吸水管被吸入补充了这个空间。继而吸入的水又被叶轮甩出经蜗壳而进入出水管。由此可见，若离心泵叶轮不断旋转，则可连续吸水、压水，水便可源源不断地从低处扬到高处或远方。综上所述，离心泵是由于在叶轮的高速旋转所产生的离心力的作用下，将水提相高处的，故称离心泵。4.6.1 水泵电动机的选择本电热锅炉系统共四台水泵，分别为主/备循环泵、主/备

31、补水泵。使用温度140以下。使用条件：1）进口管水压不大于3公斤厘米，不小于0.2公斤厘米。2）水质为清水，不应有纤维或固体颗粒，对热水应为软水。3）介质温度：冷水不低于。4）周围环境温度不超过+。5）电源电压为。Y系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。安装尺寸和功率等级符合IEC标准，外壳防护等级为IP44，冷却方法为IC411，连续工作制（S1）。适用于驱动无特殊要求的机械设备，如机床、泵、风机、压缩机、搅拌机、运输机械、农业机械、食品机械等。Y系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。额定电压为380V，额定频率为50Hz。功率3kW及以下为Y接法；其它功率均为接法。电动机运行地点的海拔不超过1000m；环境空气温度随季节变化，但不超过40；最低环境空气温度为-15；最湿月月平均最高相对湿度为90%；同时该月月平均最低温度不高于25。根据设计要求（交流驱动功率15KW,额定电压380V)所以选择Y160M2-2型号电动机。电动机参数如表4.2所示:表4.2 Y160M2-2电动机参数 型 号额定功率 额定电流 启动电流转速 效率 功率因数 堵转转矩堵转电流最大转矩噪