3目錄TOC\o"1-3"\h\u9942燃油鍋爐自動化控制PLC系統(tǒng)的設(shè)計案例 1146771.1設(shè)計思路 1247091.2PLC可編程控制器原理分析 3238361.2.1PLC功能原理分析 398101.2.2特殊功能模塊原理分析 334351.3主電路設(shè)計 4207021.1.1主電路控制設(shè)計 465261.1.2主電路控制程序設(shè)計 5202621.4水位自動控制系統(tǒng)設(shè)計 6261761.4.1液位繼電器原理 611951.4.2水位自動控制主接線設(shè)計 667671.4.3水位控制程序設(shè)計 7290641.5壓力自動控制系統(tǒng)設(shè)計 883861.5.1壓力變送器原理 8154771.5.2伺服電動機概述 9226321.5.3壓力自動控制主接線設(shè)計 9137841.5.4壓力控制程序設(shè)計 10200591.6保護設(shè)計 11256711.6.1過流保護設(shè)計 11282451.6.2電源欠壓保護設(shè)計 111.1設(shè)計思路本次設(shè)計采用PLC可編程控制器對燃油蒸汽鍋爐實現(xiàn)自動控制。PLC運行可靠且不易受到外界因素的干擾，同時編程簡單、適用性強、功能齊全，于眾的自動化控制系統(tǒng)中起核心控制作用。本次對燃油鍋爐系統(tǒng)的設(shè)計主要以以FX2N-64MR型PLC為核心，控制燃油鍋爐的啟動與停止，控制鍋爐的水位和蒸汽壓力值在安全范圍內(nèi)波動，以及實現(xiàn)保護部分的控制設(shè)計。燃油鍋爐的工作離不開電機的控制。電機的種類很多，其中三相交流異步電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、經(jīng)濟、過載能力強，方便安裝與維護。多個自動化控制領(lǐng)域都采用交流異步電動機進行控制。燃油鍋爐系統(tǒng)的主電機選用的是交流異步電動機。燃油鍋爐的主電機采用Y-D啟動方式。電機啟動時，啟動電流一般可達到電機額定電流的4~7倍，啟動電流過大，會影響電機的使用壽命，還會使電源電壓產(chǎn)生波動，影響同一供電網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的正常工作。因此，對于較大的電機需進行降壓啟動。Y-D啟動時，定子繞組先Y形連接，此時每相承受的電壓為220V，電機先以低速轉(zhuǎn)動起來，后改為三角形連接，此時每項承受的電壓為380V，電機全速啟動[2]。這種啟動方式在一定程度上避免了直接啟動的弊端。Y-D啟動的接線方式如圖3-1所示。圖3-1Y-D降壓啟動接線圖燃油鍋爐的保護部分有電機過流保護和電源欠壓保護，過流保護部分采用電流互感器和電流變送器對線路電流大小進行檢測，出現(xiàn)過流時PLC控制水泵、鼓風機、引風機和油泵電機停機，相應(yīng)的聲光報警系統(tǒng)發(fā)出報警，保證鍋爐系統(tǒng)和工作人員的安全。電源欠壓部分保護可通過低壓斷路器來實現(xiàn)（空氣開關(guān)）。水位控制部分，采用液位繼電器檢測鍋爐水位，PLC根據(jù)輸入的水位信號信息輸出相應(yīng)的輸出信號，控制水泵2正反轉(zhuǎn)動作，像鍋爐補水或排水，從而實現(xiàn)鍋爐水位控制。壓力控制部分，采用壓力變送器檢測鍋爐汽包壓力，將采集的壓力信息輸入PLC中，由PLC控制輸出信，使相應(yīng)電氣設(shè)備動作以控制蒸汽壓力保持在安全范圍內(nèi)。我選擇的設(shè)計對象為10噸的燃油蒸汽鍋爐，鍋爐型號為：WNS10-1.25-Y。鍋爐的技術(shù)參數(shù)為：額定蒸發(fā)量：10噸/小時額定蒸汽壓力：1.25Mpa額定蒸汽溫度：194℃給水溫度：20℃設(shè)計熱效率：100.1%設(shè)計燃油：輕油燃料消耗量：66.5.18Kg/h最大運輸尺寸（L×W×H）：7.1×1.1×1.6（m）1.2PLC可編程控制器原理分析1.2.1PLC功能原理分析PLC因其可靠性高，操作方便、編譯簡單、功能齊全、體積小等特點被廣泛用于工業(yè)等多個領(lǐng)域，可實現(xiàn)開關(guān)邏輯控制、運動控制等多種控制方式。PLC的硬件結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)部CPU、ROM和RAM兩大存儲器、多個I/O接口、內(nèi)部電源和外部設(shè)備組成。CPU讀取內(nèi)部程序指令，掃描輸入接口信息，根據(jù)程序指令對讀取的輸入接口信息進行邏輯處理，處理結(jié)果由輸出端口輸出，控制外部設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動作。PLC的程序有兩種形式，一種是指令表程序，另一種是梯形圖程序，兩種程序可相互轉(zhuǎn)換并且一一對應(yīng)。PLC擁有多個基本指令與特定功能指令，運用這些指令編寫程序可滿足所需所有控制要求的控制要求。FX2N-64MR型PLC是本次設(shè)計的控制核心，輸入接口有32個，輸出接口也有32個。內(nèi)部繼電器屬于接點開關(guān)型，輸出信號可以控制各種高低壓信號，可以直接通過PLC輸出來驅(qū)動燈負載，驅(qū)動單相馬達，而不再需要借助外部繼電器中轉(zhuǎn)。本次設(shè)計中PLC的輸出主要用來驅(qū)動燈、聲光報警系統(tǒng)和220V交流接觸器.1.2.2特殊功能模塊原理分析PLC的特殊功能模塊包括模擬量輸入輸出模塊、通訊模塊等[2]，這些特殊功能模塊可解決一些主機I/O無法解決的實際工程問題，使PLC功能更加完善，擴大其使用范圍。在本次燃油鍋爐系統(tǒng)設(shè)計中，運用了PLC的模擬輸入模塊（AD），選用的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊型號為FX2N-4AD。因此，這里通過FX2N-4AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器為例進行介紹。FX2N-4AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入通道一共有4個，即CH1、CH2、CH3和CH4。電壓和電流模擬量由這四個通道輸入AD模塊，4個通道可同時使用。工作時電壓/電流模擬量由輸入通道輸入轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)化為12位二進制數(shù)形式的數(shù)字量，通過拓展總線傳給PLC主機，再由主機進行分析并作出并給予相應(yīng)輸出。表3-1FX2N-4AD技術(shù)指標表項目電壓輸入電流輸入模擬量輸入范圍直流：-10V~10V直流：-20mA~20mA數(shù)字量輸出范圍-2048~2047（以16位二進制補碼方式存儲）分辨率5mA20μA綜合精度±1%外接輸入電源24（1±10%）V，55mA，可由PLC基本單元或拓展單元內(nèi)部供電：5V，30mA模擬量用電源-10V~10V-4mA~20m或-20mA~20mA1.3主電路設(shè)計1.1.1主電路控制設(shè)計燃油蒸汽鍋爐的主電路包括，鼓風機電機、引風機電機、水泵1電機、水泵2電機、油泵電機和伺服電機。鼓風機電機、引風機電機、水泵1和2電機采用Y-D啟動方式，油泵電機直接啟動。采用空氣開關(guān)進行電源欠壓保護。主電路接線圖見附錄2。圖3-2鼓風機、引風機、水泵1主接線圖鍋爐啟動時，由PLC可編程控制器控制進行啟動控制，先啟動水泵1、引風機、鼓風機和油泵，水泵2與伺服電機不啟動。當需要對鍋爐中的水位與汽包中的蒸汽壓力進行控制時，水泵2與伺服電機才進行相應(yīng)的動作。交流接觸器KM1、KM2和KM3控制鼓風機Y-D啟動和停止，KM4、KM5和KM6控制引風機Y-D啟動和停止，KM7、KM8和KM9控制水泵1Y-D啟動和停止，KM16控制油泵電機直接啟動與停止。本次設(shè)計的對象為10噸燃油鍋爐電機，經(jīng)過查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，一般10噸鍋爐的油泵電機不會超過10KW，因此可以直接啟動。鼓風機、引風機、水泵1、油泵按順序啟動，防止多臺電機同時啟動時流過電源線路的電流過大而跳閘。水位控制系統(tǒng)主要控制水泵2，以水泵2的正反轉(zhuǎn)來控制鍋爐水位，交流接觸器KM10、KM11和KM12控制水泵2Y-D啟動，啟動為正傳，KM11、KM12和KM13控制水泵2反轉(zhuǎn)，當斷開KM10閉合KM13時，水泵2由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)。壓力控制系統(tǒng)主要控制伺服電機，控制伺服電機正反轉(zhuǎn)來控制回油量，從而控制鍋爐蒸汽壓力。閉合KM16斷開KM17伺服電機正轉(zhuǎn)，反之伺服電機反轉(zhuǎn)。1.1.2主電路控制程序設(shè)計鍋爐的自動控制通過PLC內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)，控制程序則根據(jù)設(shè)計要求和PLC外部接線進行編寫。PLC左邊輸入端接按鈕，按下按鈕控制輸入端口接，右邊輸出端接交流接觸器線圈、指示燈和聲光報警指示燈，PLC內(nèi)部程序根據(jù)掃描到的輸入信息控制輸出端口輸出控制信號，讓接于輸出端口的電氣設(shè)備動作。PLC外部接線圖見附錄1。圖3-3主電機的PLC外部接線圖當按下電源總啟動按鈕SB1時X000閉合，Y020輸出，電源信號燈亮，系統(tǒng)總啟動，按下SB2系統(tǒng)總停，X001閉合，Y020停止輸出，電源信號燈熄滅。X000與X001之間是互鎖關(guān)系。所有電機的啟動按鈕，都在SB1按下的前提下才有效，按下SB2電源總停按鈕后，所有電機停機。按下SB1后，再按下鼓風機啟動按鈕SB3，鼓風機啟動。此時X002閉合，Y000和Y001同時輸出，分別控制KM1和KM2閉合，此時為鼓風機Y啟動。Y001輸出的同時，定時器T0開始定時，定時3秒（K30）后Y002輸出Y001復(fù)位，控制KM3閉合，KM2斷開，電機由星形接法換為三角形接法，同時Y021有輸出，鼓風機指示燈亮起。Y001與Y002為互鎖關(guān)系，防止同時閉合電機短路。按下SB4后Y000、Y002和Y021復(fù)位，KM1和KM3斷開、鼓風機指示燈熄滅，鼓風機停機。引風機與水泵1的啟動方式與鼓風機相同，都是Y-D啟動，且都是啟動后一直處于工作狀態(tài)，因此控制程序編寫方式類似，不再一一贅述。按下油泵啟動按鈕SB9，油泵直接啟動，X008常開閉合，Y014、Y023輸出，控制KM14閉合，油泵指示燈亮起。按下SB10，Y014和Y023復(fù)位，KM14斷開，油泵指示燈熄滅，油泵停機。水泵1、鼓風機、引風機、油泵電機啟動成功后，按下點火按鈕SB11，X011常開閉合，Y025有輸出，控制點火變壓器接通，瓦斯閥打開，鍋爐點火。設(shè)置內(nèi)部定時器T1定時5秒（K30），定時結(jié)束點火關(guān)閉，Y025復(fù)位。按下SB2按鈕，鍋爐停機，所有輸入和輸出復(fù)位。1.4水位自動控制系統(tǒng)設(shè)計1.4.1液位繼電器原理液位繼電器用于檢測與控制水位的高低。主要利用的是液體的導(dǎo)電性。當液面達到需測試的高度時，控制回路由于水的導(dǎo)電性而接通，此時電源被接通形成回路，繼電器動作，控制執(zhí)行機構(gòu)進行相應(yīng)動作，達到自動控制的作用。自動控制系統(tǒng)一般由傳感器、邏輯控制機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)組成，而液位繼電器液位自動控制系統(tǒng)中充當傳感器部分，液位的變化使液位繼電器接通，向下位機傳遞液位信息，控制執(zhí)行機構(gòu)動作。本次設(shè)計采用液位繼電器檢測鍋爐水位。液位繼電器根據(jù)液位變化接通與斷開，將其與PLC相連，控制PLC輸入端口的通斷，以此來控制輸入不同的液位信息。PLC根據(jù)掃描到的液位信息，給予不同的輸出，控制水泵2工作。1.4.2水位自動控制主接線設(shè)計鍋爐水位允許在較大范圍變動，因此在我采用水泵2的正反轉(zhuǎn)來進行補水和排水操作，以此控制燃油鍋爐的水位。水泵作為循環(huán)水泵，啟動后一直處于工作狀態(tài)向鍋爐給水。當水泵1的給水量與爐內(nèi)水的汽化量不平衡造成水位變動時，由水泵2進行相應(yīng)的補水和排水。若水泵1出現(xiàn)故障停機時，水泵2可作為備用電機向鍋爐給水。圖3-4水泵1、2主接線水泵1與水泵2都采用Y-D降壓啟動方式啟動。水泵1在鍋爐啟動時啟動，先閉合交流接觸器KM7與KM8（Y啟動），電機低速轉(zhuǎn)動起來后斷開KM8，閉合KM9（三角啟動），水泵1電機以額定轉(zhuǎn)速工作。水泵2僅在需要進行水位控制時啟動。當鍋爐水位達到水位下限時，報警系統(tǒng)報警，水泵2啟動，與水泵1一樣采用Y-D降壓啟動方式，交流接觸器KM10、KM11與KM12控制水泵2電機啟動正轉(zhuǎn)，向鍋爐補水。當水位達到高水位時，需斷開KM10，閉合KM13，水泵2反轉(zhuǎn)排水。當鍋爐水位達到危險水時，整個鍋爐停機，待水位恢復(fù)正常后鍋爐重新啟動。1.4.3水位控制程序設(shè)計PLC內(nèi)部程序，按照掃描到的不同水位信息，進行相應(yīng)的輸出，控制水泵2啟停和正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)水位自動控制。(a)（b）(c)圖3-5水位控制部分PLC外部接線圖當水位達到上限時，X012常開閉合，Y010和Y011輸出，定時3秒后Y011復(fù)位，Y012接通，電機Y-D啟動完成。Y011和1012之間是互鎖關(guān)系。接觸器KM11、KM12和KM13按Y-D啟動方式閉合，啟動后KM11和KM13閉合，KM12斷開，水泵2正轉(zhuǎn)排水。當水位達到下限時，由Y010和Y011輸出，定時3秒后Y011復(fù)位，Y013接通，電機Y-D啟動完成?？刂芀M11、KM12和KM13實現(xiàn)水泵2反轉(zhuǎn)加水，程序控制方式與正轉(zhuǎn)相同，另外Y027有輸出，低水位聲光報警。當水位達到危險水位，X014常開閉合，Y028輸出，危險水位聲光報警響起，同時控制電機啟動運行的輸出復(fù)位，鍋爐急停。水位恢復(fù)正常值后，鍋爐重新啟動。1.5壓力自動控制系統(tǒng)設(shè)計1.5.1壓力變送器原理壓力變送器是自動控制系統(tǒng)中常見的傳感器設(shè)備，用于壓力檢測，主要將被測壓力值轉(zhuǎn)化為一點范圍內(nèi)的直流電壓或電流值，輸出給測量儀器進行壓力檢測，也可輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器，換為數(shù)字量信號進行處理。圖3-6壓力變送器工作原理圖變送器普遍的輸出發(fā)范圍有0~10V、0~20mA、4~20mA等，工業(yè)上使用得比較多的是4~20mA。一般根據(jù)被測壓力值的大小和對輸出信號的要求進行選擇。在本次設(shè)計中，壓力控制器用于檢測鍋爐汽包內(nèi)蒸汽壓力的大小，將其轉(zhuǎn)化數(shù)字量信息輸入給FX2N-4AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器。1.5.2伺服電動機概述伺服電動機有兩類，一種是交流伺服電動機，一種是直流伺服電動機。交流伺服電機的原理與兩相交流異步電動機類似，定子部分會有兩個繞組，一個是勵磁繞組，主要起勵磁作用，一個是控制繞組，控制電機驅(qū)動負載轉(zhuǎn)動，兩個繞組之間有90°的相位差。當控制電壓信號的大小和極性發(fā)生改變時，電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向?qū)l(fā)生改變，從而起到調(diào)速和實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的作用。圖3-7伺服電機繞組結(jié)構(gòu)圖伺服電機常用于自動控制系統(tǒng)中，由電壓脈沖控制啟停和轉(zhuǎn)動角度，受到一個脈沖電流，就會轉(zhuǎn)動一個脈沖對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度，可以實現(xiàn)較為精確的位移控制。1.5.3壓力自動控制主接線設(shè)計燃油鍋爐壓力自動控制，需要將汽包蒸汽壓力值控制在一定范圍內(nèi)，以保證蒸汽質(zhì)量。汽包蒸汽壓力大小與燃燒的溫度有關(guān)，燃燒產(chǎn)生的熱量由燃油量和送風量都有關(guān)，但最主要的影響因數(shù)還是燃油量。因此本次設(shè)計的壓力自動控制系統(tǒng)主要通過控制噴入燃燒室的噴油量來控制蒸汽壓力。油泵將燃油收送入燃燒器，燃燒器將燃油霧化噴入鍋爐燃燒室。本次設(shè)計的鍋爐采用回油式機械霧化，燃油送入燃燒器后一部分會進入燃燒器的霧化室霧化，一部分由回油口進入回油管道，回流至油箱。回油式霧化燃燒器由于進入旋渦室的油壓基本不變，油的霧化質(zhì)量也不受影響。伺服電機通過PLC控制伺服電機正反轉(zhuǎn)來控制回油閥的開度，從而控制噴油量，以達到控制蒸汽壓力的目的。圖3-8油泵電機、伺服電機接線圖油泵在點火前采用直接啟動方式啟動，啟動時交流接觸器KM14閉合。按下QA啟動伺服電機，交流接觸器KM15和KM16分別控制伺服電機正反轉(zhuǎn)。選用壓力變送器檢測汽包蒸汽壓力值。壓力變送器將檢測到的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)?~4mA的直流信號，AD轉(zhuǎn)換器將該模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC可以識別的數(shù)字號輸入PLC中，PLC將該壓力信號與事先設(shè)定好的壓力上限和下限值進行比較。當壓力達上限值，PLC閉合KM15，伺服電機正轉(zhuǎn)，減小噴油量；壓力達下限值，閉合KM16，伺服電機反轉(zhuǎn)，增大噴油量。1.5.4壓力控制程序設(shè)計壓力控制系統(tǒng)主要由壓力變送器、AD數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、PLC和伺服電機來實現(xiàn)。PLC外部接線如圖3-9和圖3-10所示。圖3-9壓力控制部分PLC輸入接線圖3-10壓力控制部分PLC輸出接線壓力變送器將檢測到的汽包蒸汽壓力值轉(zhuǎn)化為-10V~10V范圍內(nèi)的壓力信號，將該壓力信號輸入FX2N-4AD數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的CH1通道中。AD將該壓力信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，通過數(shù)據(jù)總線輸入PLC中。FX2N-4AD的CH1通道輸入電流變送器的輸出量，CH2通道輸入壓力變送器的輸出量，CH3、CH4通道則處于關(guān)閉狀態(tài)，因此初始狀態(tài)設(shè)置為H3301。FROM指令讀取FX2N-4AD模塊中的數(shù)字量，將讀取的數(shù)字量存入到PLC內(nèi)部D0~D199的16位內(nèi)部寄存器中。CMP比較指令將存入的數(shù)字量與設(shè)定好的壓力剩下限值進