燃油锅炉电气控制系统设计与制作.docx

电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第3页共57页 引言 锅炉的工作过程是根据负荷的要求，生产具有一定压力和温度的蒸气。为确保锅 炉正常运行和实现自动调节功能，必须安装相关的仪表，用于记录各种参数，如压力、 水位等，给自动化控制提供依据。早期锅炉多采用继电器控制，硬接点较多，容易氧化， 造成接触不良，使控制失灵。随着计算机和控制理论的发展，锅炉控制技术在国外发展 越来越快。据有关资料介绍，目前，国外新兴的工业锅炉上都安装有五个独立的控制系 统:燃烧控制系统、炉膛负压控制系统、给水控制系统，蒸汽温度控制系统、空气预热 器冷端温度控制系统。上世纪七十年代前，锅炉控制只注重安全性和可靠性，到 1927 年由于世界能源危机的出现和能源价格的直线上升， 各国都把节约能源和开辟能源作为 基本国策。在我国的能源消耗中，煤占 70%油占30%我国设计锅炉的热效率大多在 70%- 80%：问，锅炉的热效率降低。由于燃油的雾化不好或配风不合理， 使锅炉的热效 率降低。因而，在原油价格不断上涨的今天，对于工业锅炉的控制，就是要提高锅炉的 热效率，使锅炉在最佳工况下运行己成为人们瞩目的课题。而可编程序控制器是一种替 代继电器控制系统的新型工业自动化控制装置，具有体积小、功能强、可靠性高、操作 简单、维修方便等优点，在工业电气控制领域中得到广泛应用。本文介绍利用 PLC编程 功能实现对燃油锅炉自动化控制的方法。 1绪论 1.1 课题研究目的及意义 随着社会生产的发展，人类社会对能源的需求不断增加，我国是世界能源生产大 国，也是能源消耗大国，但人均占有量低于世界平均水平，这就使得节约能源在我国显 得尤为重要。 锅炉是一次性能源煤炭、石油、天然气转换成二次能源蒸汽量的重要动力设备。 据有关资料统计，目前我国各类工业锅炉约 25万多台，每年耗煤量占全国产量的1/3, 同时还消耗大量的石油和天然气。工业锅炉是生产过程中的重要动力设备。在石油化工 领域，他主要作用是向各生产装置提供合格的蒸汽，其控制质量的优劣不仅关系到锅炉 自身运行的效果，而且还将直接影响到相关装置生产过程的稳定性。 目前大多数锅炉在启动和运行的过程中都需要精确的实时控制，然而锅炉的控制 系统还采用继电器逻辑控制。这类系统自动化程序很低，大部分操作还是由手动来完成， 只能处理一些开关量的问题，无法处理系统的模拟量，即控制一些开关量，其电器线路 复杂，可靠性不高，不便维护。四级锅炉系统控制中，每台炉就需要一套继电器控制系 统。而采用可编程控制器设计的控制系统实现了锅炉系统的自动控制。 本课题的主要目的就是开发一套安全可靠、性能优越的燃油锅炉的控制系统，采 用PLC作为整个系统的逻辑控制单元。可编程序控制器 PLC是目前最常用的控制装置， 其最大的特点就是可靠性高、功能强大，它的高可靠性的设计非常适合在工业现场环境 下应用。它不仅能实现复杂的逻辑顺序控制，而且还能完成少量模拟量的过程控制。此 外，PLC编程简单，使用方便，现场安装调试的时间短。 1.2 燃油锅炉的简述 燃油锅炉是指燃料使用燃油的锅炉，包括柴油，废油等油料的锅炉。其中使用的燃 油是一种液体燃料，它的沸点总是低于着火点，所以燃油的燃烧总是在气态下进行的。 燃油经雾化后的油粒喷进炉膛以后，被炉内高温烟气所加热，进行气化，气化后的油气 和周围空气中的氧相遇，形成火焰。 燃烧产生的热量有一部分传给油粒，使油粒不断气化和燃烧，直到燃烬。油粒直 径越小，油粒的燃烧愈快。同样，油粒燃烧所需的氧能及时地供给， 油粒的燃烧也愈快。 1.2.1燃油锅炉系统工艺 燃油锅炉控制系统是由PLC来控制燃油锅炉的起动、停止、出现异常情况时能暂 停且异常情况消失后能自动按起燃顺序重新工作的。它是由燃油预热器、喷油泵、喷油 口、鼓风机、点火变压器、瓦斯阀、压力蒸汽开关、进水阀、排水阀、上下水位开关等 组成，如图1所示。 图1燃油锅炉结构示意图 燃油经燃油预热器预热，由喷油泵经喷油口打入锅炉进行燃烧。燃烧时，鼓风机 送风一喷油口喷油一点火变压器接通（子火燃烧）一瓦斯阀打开（母火燃烧）一将燃油 点燃。点火完毕后，关闭子火与母火，继续送风和喷油，使燃烧持续。与此同时，燃烧 过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预 热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。锅炉的进水和排水分别由进水阀和 排水阀执行，上、下水位分别由水位上限、下限阀检测，蒸汽压力由蒸汽压力阀检测。 1.2.2燃油锅炉基本组成部分 锅炉的机组组成部分包括锅炉本体和辅助设备两大部分。本体部分包括炉膛、锅 筒、燃烧器、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器、再热器等；辅助设备包括送风机、 引风机、给水泵等。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。 炉膛：又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃 烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃 烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧 劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧 的圆筒形炉膛称为旋风炉。 锅筒：是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路, 并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排 电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第8页共57页 除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机 中。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。锅筒内部装置包括汽水分 离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从 水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉 常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件；中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离 器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。锅筒上还装有水位 表、安全阀等监测和保护设施。 燃烧器：是锅炉燃烧设备的主要组成部分，它的作用是把燃油和燃烧所需的空气 送入炉膛，并组织合理的气流结构，使燃料能迅速地着火，稳定地燃烧。它具有多级多 嘴送风导向结构，这种结构经过特殊设计，能在短时间内使燃油产生高温涡流，具有高 效节能，完全燃烧，热利用率高等优点，并且能够消除烟尘，改善工作条件，减轻劳动 强度，是节能环保的理想产品. 水冷壁：作用是吸收炉内辐射热，将水加热成饱和蒸汽。 省煤器：是利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。 过热器：是将饱和蒸汽加热成具有一定温度的过热蒸汽，提高蒸汽的始值，从而 增加蒸汽的做功能力。 空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气换 热器。 再热器：是将汽轮机高压缸的排汽再一次加热，使其温度与过热汽温相等或者相 近，然后再送到中。低压缸膨胀做功。 引风设备：包括引风机，烟囱，烟道几部分，用它将锅炉中的烟气连续排除。 送风设备：由送风机和风道组成，用它来供应燃料燃烧所需要的空气。 给水设备：由给水泵和给水管路所组成。给水泵系用来克服给水管路与省煤器的 阻力与省锅筒的压力，把给水送入锅筒。 水处理设备：其作用为降低给水硬度和消除水中杂质， 以防止在锅炉受热面上结水 垢和腐蚀，从而提高锅炉经济性和安全性。 燃料供给设备：包括供油管路和油枪等。 1.2.3锅炉的工作过程 锅炉最基本的组成是气锅和炉子两部分。燃料在炉子里进行燃烧，将其化学能转 化为热能，高温的燃料产物一一热气通过气锅受热面将热量传递给气锅内温度较低的 水，水被加热进而沸腾气化，生成蒸汽，蒸汽通过蒸汽母管输送给用户。所以锅炉的工 作概括起来应包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程，烟气向水的传热过程和水的 汽化过程。先简要叙述如下： (1)燃料的燃烧过程 燃油锅炉的燃烧过程，具有一定温度和压力的燃料油通过油嘴喷入炉膛被雾化成细小的 油滴，然后吸收炉内热量，表面逐渐气化成油气，与进入炉膛内的空气混合，形成可燃 混合物。然后对燃料进行预热后点火使其燃烧。要使燃料量，空气量和复合蒸汽量有一 一对应的关系，这就要根据所需要的负荷蒸汽量，来控制燃料量和送风量，同时还要通 过引风设备控制炉膛负压。 (2)烟气向水的传热过程 由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高。在炉膛的四周高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射 换热，将热量传递给管内工质，管内工质经过对流方式进行换热，然后烟气受引风机、 烟囱的引力而向炉膛的上方流动，经过蒸汽过热器、省煤器、空气预热器最后以经济的 低烟温排出锅炉。 (3)水的汽化过程 水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。经过处理的水经 过泵加压，先经过省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作时，汽锅中的工作介质 是处于饱和状态下的汽水混合物。容重大的工质往下流入下锅筒，容重小的工质则向上 流入上锅筒，蒸汽产生的过程是借助于上锅筒内装设的汽水分离设备，以及在锅筒本身 空间中的重力分离作用，使汽水混合物得以分离 。 1.3 锅炉自动控制的发展 锅炉控制系统的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由手动到自 动的过程。60年代，锅炉的控制还只是实行人工操作，锅炉的燃烧完全是凭司炉工人的 经验，几乎谈不到自动控制。而锅炉设备采用手动操作，则有如下缺点。 (1)蒸汽负荷小波动时，燃料量不随负荷变化，造成蒸汽不稳定，增加了燃料消 耗。 (2)手动误差大；风、燃料配比控制不能自调，热效率低。 到了 70 -80年代，逐步出现了由常规检测仪表和调节仪表构成的模拟控制系统， 它具有可靠性高，成本低，易于操作和维护等优点，在大、中、小工业企业中得到了广 泛应用，解决了不少自动化方面的问题。 用常规仪表控制，也有一定的局限性，主要表现在 ： (1)难以实现复杂的控制规律。如最优控制、自适应控制、模糊控制、人工智能控 制等。 (2)用常规仪表难于实现集中监测且操作管理水平低。 (3)改变控制方案比较困难。 (4) 一次性投资大，成本高。 到了 90年代，随着微型计算机技术的发展，计算机在工业锅炉的自动测试和控制 方面的技术也日趋成熟。利用微机代替常规仪表实现对工业锅炉的控制己越来越多地被 生产厂家采用。锅炉采用微机控制不仅可实现锅炉运行的自动调节，锅炉运行的安全性 也大为提高。同时可以大大减轻工作人员劳动强度，改善工作环境，而且可以使锅炉热 效率最佳，节约燃料4%-5%锅炉采用微机控制系统一般有如下特点： (1)计算机具有分时操作能力，可以实现一机多控。 (2)计算机的逻辑判断能力和存贮能力使它能够根据工况变化， 做出正确判断，选 择最合理最有利的控制方案。 (3)计算机控制系统能够实现多种的控制算法。 (4)高速性，高精度性。 进入21世纪以来，人类进入了一个以知识经济为特征的信息时代，检测技术、计 算机技术和通讯技术一起构成现代信息的三大基础。 21世纪第一个10年的热点必将是 传感、执行与检测。锅炉自动化控制系统作为传感、执行与检测技术的一个应用方面也 必将跨入数字化、网络化和智能化时代。而且，对于大规模锅炉群控，检测技术、计算 机技术和通讯技术的结合在一起，形成锅炉控制系统的集成化管理、网络化控制，这将 是锅炉控制系统发展的又一个里程碑。而在锅炉控制理论方面，也有许多优秀的控制理 论相继出现。最为典型的是 PID控制，即比例、积分和微分控制。后来，模糊控制理论 得到长足发展，目前己经很好地应用在锅炉控制系统上。工业组态软件的应用使软件功 能性增强，内容丰富，具有良好的人机界面，更加方便了操作人员。 1.4 本文的主要研究内容 本系统在进行实际调研和广泛收集相关资料的基础上，设计燃油锅炉电气系统， 主要电机采用Y-D起动控制，并且设计了电机过流保护：运行中当电机电流大于额定电 流的1.05倍时产生过流跳闸，同时产生声光报警信号。论文中对燃油锅炉电气系统主回 路进行详细的计算，分析并选择电动机、断路器、交流接触器、继电器、互感器、电缆 线等主要电器的功率、型号、等级等具体数据，并进行布线、安装、调试。设计短路保 护、燃油锅炉压力自动控制系统、水位自动控制系统，当水位到达低水位时产生声光报 警，危险水位整个锅炉停机。设计电源电压欠压保护及过压保护：当电源电压小于额定 电压的0.75倍时，电气控制系统产生欠压保护，同时发出声光报警信号；当电源电压 大于额定电压的1.15倍时，电气控制系统产生过压保护，同时发出声光报警信号。整 个电气控制系统采用PLC来控制，在毕设过程中编制了燃油锅炉电气控制系统程序清单 并且制作了燃油锅炉电气系统模拟样机。 2系统方案的论证、选择及设计思路 2.1 方案论证 2.1.1 方案1 采用可编程控制器控制。可编程序控制器简称 PLC ,是采用微电脑技术制造的通 用自动控制设备。经过长时间的发展和完善， PLC的编程概念和控制思想已为广大的自 动化行业人员所熟悉，可以说在目前它已成为任何其他工业控制器都无法与之相提并论 的巨大知识资源。PLC主要具有逻辑运行的功能，可以代替继电器进行开关控制、具有 定时控制功能、计数控制功能、步进控制功能、 A/D、D/A转换功能(对模拟量控制)、 数据处理功能、通信、联网功能，并配置了较强的监控功能。这些功能造就了 PLC的旺 盛生命力。PLCM有一下优点： (1)高可靠性。 (2)编程简单，使用方便。 (3)可采用梯形图编程方式，与实际继电器控制电路非常接近，一般电气工作者很 容易接受。 (4)能在恶劣的工业环境工作。 (5)扩充方便，组合灵活。 PLC是控制技术和计算机技术的结晶，但是对于熟悉机电控制技术的工程人员来 说,在使用PLC时没有必要完全了解计算机的深层次投术问题，只需要把PLC看作机电 控制技术人员熟悉的继电器、计时器和计数器的集合即可 ，所以PLC的实际使用简单方 便，适应普通的机电控制技术人员。 PLC的主要功能： PLC的主要功能有：①条件控制，PLC具有逻辑运算功能，它设置了 “与” (AND)、“或"(OR)、“非"(NOT)等逻辑运算指令，能处理继电器接点的串联、并联、 申并联以及并串联等各种连接；②限时控制，PLC具有定时控制功能，它可以提供若干 个定时器，并设置了定时指令，调用修改灵活方便；③计数控制，PLC具有计数控制功能 它可以提供若干个计数器，设置了计数指令，计数器的计数值可以在运行时读出，也可以 在运行时修改；④步进控制，PLC具有步进控制功能，可以在一道工序完成后，再进行下 一步工序，并且设置了移位寄存器；⑤“模数”和“数模”转换功能，有些PLC具有“模 数"(A/D)和“数模"(D/A)转换功能，能完成对模拟量的控制和调节；⑥通信和联网： 有些PLC采用了通信技术，可以进行远程的I/O控制，即PLC之间同位链接或由一台计 算机和若干台PLC可以构成“集中管理，分散控制”的分布式控制网络。 2.1.2 方案2 采用继电器控制。继电器控制逻辑自20世纪20年代问世以来，一直是机电顺序控 制的主流，由于它的结构简单，使用方便，价格低廉，所以使用范围甚广。其缺点是动作速 度慢，可靠性差，采用微电脑技术的PLC的出现，使得继电器控制逻辑更加逊色，PLC与 继电器控制系统的比较如下： (1)控制方式： 继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联及延 时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。 PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中， 要改变控制逻辑，只 需改变程序即可，称软接线。 (2)控制速度 继电器控制逻辑是依触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点 电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第10页共57页 有抖动现象。 PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖 动。 （3） 延时控制 继电器控制系统是时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度 不高，受环境影响大，调整时间困难。 PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间 方便，不受环境影响。 2.1.3方案3 采用单片机控制。PLC适合工业场合，单片机更多的适应民用场合，因其可靠性、 稳定性较PLC＜一定差距，但是综合成本低，适合大批量使用，而 PLC不行，PLC更多 适用于较大的工程或者需要非标准设计场合。 PLC是一个带有CPU存储器、I/O、系统 软件和支持系统的专用面向过程控制的计算机控制系统。单片机是一个带 CPU内存的 裸计算机。PLC系统复杂，价格高，但只要编写简单的用户程序就可以直接在工业上应 用。单片机功能灵活，但开发应用都要从底层做起，功能由开发者水平决定，应用也不 只是在过程控制。 2.2 方案选择 通过将PLC控制与继电器、单片机等控制进行区别比较，可以看出，PLC是一种更 适合用于工业自动化控制的微电脑，它具有结构简单，抗干扰能力强，环境适应范围广， 控制可靠性高，易于学习和掌握，控制逻辑修改容易，调试方便等优点，正好符合锅炉控 制需要安全可靠、性能优越的要求，因此在本次毕设中用它来完成对燃油锅炉电气控制 系统的设计。 2.3 程序的设计思路 PLC的编程语言有梯形图语言；助记符语言；流程图（SFC语言。本系统设计的 思路是先弄清楚锅炉的工作过程，然后按照锅炉工作要求画出整个系统的大概流程示意 图，最后再使用梯形图语言编程序。系统流程见图 2-1 ,详细程序梯形图见附录3。 图2程序流程图 3可编程控制器 3.1 可编程控制器的分类 目前，在中国市场最具竞争力的 PLC有西门子和三菱公司。 三菱公司的产品有： Q系列、Qn粽类、AnS系列、A系列，此四种系列为模块式大型 PLG最大容量为8K 点；FX系列为小型PLG单元式，单机最大容量为256点。 西门子公司产品有： S7-200为微型PLG单机最大容量为256点；S7-300为小到中型PLC单机最大容量为 11K点；S7-400为大到超大型PLG单机可组态点数过万点。 根据本设计的要求以及学校提供的可试验条件，选择使用三菱 FX2N系列PLG 3.2 可编程序控制器的组成及各部分的作用 3.2.1 PLC的基本组成 PLC实质上是一种工业控制计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过 程想连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言， 故PLC与计算机的组成十分相 似。从硬件结构看，它也有中央处理器（CPU、存储器、输入/输出接口、电源等。如 图3-1所示。 扩展 ■=,1输出 存储器及 接口 接口 后备电池 图3-1 PLC结构图 PLC的输入/输出示意图如图3-2所示: 电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第12页共57页 输入 单元 A/D D/A 可编程控制器 (FLC) 人机界面 输 出 单元 图3-2输入/输出示意图 3.2.2 PLC各组成部分的作用 (1)中央处理器CPU 与一般的计算机一样，CPU^ PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥 PLC进行工作，起主要任务有：控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用 扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像存储器或数据存储器 中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等； PLC进行运行状态后，从存 储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按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存储器的内容，再经过输出 部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。 (2)存储器 PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。 系统存储器用来存放由PLC生产厂商编写的系统程序，并固化在 ROMJ,用户不能直接 更改。它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量 的好坏，很大程度上决定了 PLC的性能，其内容主要包括三部分，第一部分为系统管理 程序，它主管控制PLC的运行，使整个PLC按部就班的工作；第二部分为用户指令解释 程序，通过用户指令解释程序，将 PLC的编程语言变为机器语言指令，再有 CPIB行这 些指令；第三部分为标准程序模块与系统调用，它包括许多不同功能的子程序及其调用 管理程序。 (3)输入/输出接口 它是PLC与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一 类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触头、接近开关、光电开关、数字拨码开关 等的开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来模拟量输入信 号。输出接口用来连接被控对象中各种执行元件。 (4)电源 小型整体式可编程序控制器内部有一个开关式稳压电源。此电源一方面可为 CPU 板、I/O板及扩展单元提供工作电源；另一方面可为外部输入元件提供电源。 (5)外部设备 编程器：它的作用是为用户进行程序的编制、 编辑、调试和监视；盒式磁带机：用以 记录程序或信息。打印机：用以打印程序或制表；EPROM写入器：用以将程序写入到用户 EPRO脚;高分辨率大屏幕彩色图形监控系统：用以显示或监视有关部分的运行状况。 3.3 PLC的工作过程及特点 3.3.1 PLC的工作过程 PLC的工作过程是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫所用的时间称为扫 描周期或工作周期。cPia第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结 束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫 描的。 PLC的工作过程可分为三部分： 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工作，包括硬件初 始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。 第二部分是扫描过程。PLC上电处理完成以后进入扫描过程。 先完成输入处理，其 次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当 CPUM于STO叨 式时，转入执行自诊检查。当CPUM于RUNT式时，还要完成用户程序的执行和输出处 理，再转入执行自诊断检查。 第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定 PLC自身的 动作是否正常，如CPU电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错，如检查 出异常时，CPU®板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码， 当出现致命错误时，CPUK强制为STOPT式，所有的扫描停止。 当PLC处于正常工作时，它将不断重复的扫描工作过程，如果我们对远程I/O特殊 模块和其他通信服务暂不考虑，这样扫描过程就只剩下了 “输入采样”，“程序执行”、 “输出刷新”三部分。 (1)输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状 态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入 程序执行阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信 号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入 端的新内容。 (2)程序执行阶段 根据PLC相形图程序才3描原则，PLC按先左后右，先上后下的 步序语句逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转 地址。当指令中涉及到输入、输出状态时， PLC就从输入映像寄存器中“读入”上一阶 段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器“读入”对应元件映像寄存器的当前状 态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。 (3)输出刷新阶段 在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的 电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第14页共57页 状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外 部负载。 3.3.2 PLC的特点 PLC具有逻辑运算功能，可以实现各种通断控制。 ①定时控制 ②计数控制它为用户提供几十个甚至上千个计时器，其计时时间设定值，既可以 由用户设定，也可以由操作人员在工业现场通过人一机对话装置实时设定。 ③步进控制 ④PID控制PLC可以解模拟量输入和输出模拟量信号。通常采用专门的 PID控制 模块来实现。 ⑤数据处理 ⑥通信和联网 PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活，方便的优点而设计制造和发 展的，这就使得PLC具有其他控制器所无法相比的特点。 3.4 FX2N-4AD模拟转换器 （1）特点：① 提供12位高精度分辨率 ②4通道电压输入（-10V〜+10功或 电流输入（-20〜20mA。③ 每一通道都可以指定电压或电流输入。 ④FX2N最多可连接 8台。⑤FX2N-4AD的性能指标如表3-1所示 表3-1 FX2N-4AD的性能指标 项目 电压输入 电流输入 根据是电流输入还是电压输入，使用端子有不同 模拟量输入范围 DC-10〜+10V （输入电阻 200KQ ）绝对最大电压输入 ±15 V DC-2g 20mA（输入电阻 250 Q） 绝对最大输入±30mA 数字输出范围 带符号位12位二进制 分辨率 5mV(10V< 1/2000) 20 仙 A(20mA< 1/1000) 综合精确度 士1% （相对于最大值） 转换速度 15msx （1〜4）通道（身速转换方式为 6ms>^ （1〜4）通道） 隔离方式 光电隔离及米用DC/AC专换器使输入和PLC电源间隔离 模拟量用电源 DC24 (1±10% V55mA 输入输出占后点 数 程序上为8点（计输入或输出点均可） 有PLC供电的消耗功率为5V 30mA （2）FX2N-4AD的缓冲寄存器（BFM分配 可编程序控制器的基本单元与 FX2N-4A出间的数据通信是由FROM/T能令来执行 的。FROhM基本单元从FX2N-4AD卖数据的指令。TO是基本单元将数据写到FX2N-4AD 的指令。实际上读写操作都是对 FX2N-4AD勺缓冲寄存器BFM3行的操作。缓冲区由32 个16位的寄存器组成，编号为 BFM#»#31, FX2N-4AD BFW配表如表3-2所示 表 3-2 FX2N-4AD BFM分配表 BFM 内 容 #0 初始化通道，表示HOOO0缺省值为HOOQ0最低位数字控制通道1,最高 位控制通道4。其中，0=0时设定输入范围-10〜+10V; 0=1时设定输入范 围+4〜+20mA 0=2时设定输入范围-20〜20mA 0=3时关闭该通道 #1 通道1 各通道平均值取样次数的指定。取样次数范围从 1到4096, 若设定该值范围时按缺省设定值 8次处理 #2 通道2 #3 通道3 #4 通道4 #5 通道1 采样输入的平均值 #6 通道2 #7 通道3 #8 通道4 #9 通道1 采样输入的前值 #10 通道2 #11 通道3 #12 通道4 #13〜 #14 没使用 #15 转换速度的选择：置“ 0”时为15ms/通道，置“1”时为6ms/通道 #16〜 #19 没使用 #20 置1时，设定值均回复到缺省设定值。置“ 0”时，设定不改变 #21 增益和零点的设计值调整是否可改动：（b0,b1）置（1, 0）,则禁止改动。 置1允许改动。零点：数字量输出为0时的输入值。增益：数字输出为+1000 时的输入值。 #22 零点和增益的调节 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 G4 04 G3 03 G2 02 G1 01 #23 零点值 需要调整的输入通道由BFM#22勺G-0（增益-零点）位的 电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第18页共57页 #24 增益值 状态指定。例如，若BFM#22勺G幺O1位置为1,则BFM#23 和24的设定值即可送入通道1的增益和零点寄存器。各 通道的增益和零点既可统一调整，也可独立调整。 #25〜 #28 没使用 #29 错误状态信息 b1 5 b1 4 b1 3 b1 2 b1 1 b1 0 b 9 b 8 b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0 #30 特殊功能模块的识别码，PLC可用FRO版令读入。FX2N-4AD勺为K2010 #31 没使用 4设计燃油锅炉电气控制系统 4.1 锅炉的电气控制系统的介绍 4.1.1 锅炉自动控制的任务 锅炉自动控制的任务主要是维持锅炉的水位、温度、压力等物理参数在设定的范 围内，并能自动适应负荷的变化，从而使锅炉安全可靠经济地运行。 (1)保持锅炉水位在规定的范围 蒸汽锅炉水位的高低，关系着汽水分离的速度和 产生蒸汽的质量，对锅炉的安全运行极为重要。水位太高时，会使蒸汽大量带水，降低 蒸汽品质，甚至会发生涉水事故。水位偏低，会造成锅筒各部位的温度偏差，形成热应 力，极限情况下会出现裂纹。水位过低，则容易发生缺水事故。在负荷变化时，锅炉水 位也会快速变化，因此必须采用自动控制来维持水位在规定的范围内。 (2)保持汽压的稳定 锅炉汽压的变化，实际上反映了锅炉负荷的变化。当蒸汽量 多于外界需求时，锅炉的汽压会上升；反之，锅炉的汽压就下降。汽压偏高，会影响锅 炉的安全运行，加速金属材料的蠕变。汽压偏低，说明锅炉不能满足生产需要。因此， 维持汽压稳定是安全生产和正常运行的需要。 4.1.2 程序控制 程序控制是完成锅炉起动、停止以及正常工作等一系列操作自动化进行的过程， 只有前一个条件满足，才能进行下一个动作。燃油锅炉程序控制主要有以下几点 ： (1)检查锅炉水位、压力等看其是否正常，如果水位压力都正常，则可以进行燃油 预热。接下来是先打开引风机，让其在燃烧前对锅炉炉膛预吹扫，接着打开鼓风机，往 锅炉里送燃烧时需要的空气。 (2)自动点火 程序在吹扫及阀门密封性、供气压力检测完成后，风门执行器带动 风门关小到设定的点火位置，点火变压器投入工作，当点火电磁阀打开后，可燃油雾立 即被高压电火花点燃产生点火火焰。 （3）安全运行 锅炉压力对其至关重要。压力正常与否直接影响整个锅炉的效率。 当锅炉压力过低时，应该增大调节阀的开度，使出油量变大；反之，当压力过高时，应 减小调节阀的开度，使出油量变小，从而减小压力，以保证锅炉的正常运行。 （4）停炉、熄火保护程序当水位达到危险水位时，要使整个锅炉停机同时要有声光 报警信号。 4.1.3 锅炉保护装置 燃油锅炉的水位、压力、温度应不超过允许值，这是锅炉安全运行必不可少的条 件。用油作燃料的锅炉，在点火、燃烧、熄火等过程中，还必须实行程序控制和熄火保 护。以防止发生炉膛爆炸事故。对锅炉的控制和保护是通过对锅炉辅机的控制来实现的。 因而，锅炉必须有水位、压力、温度、火焰及辅机等多方面的电气控制保护装置。本课 题设计锅炉水位自动控制保护装置。水位控制要求高、低水位声光报警，危险水位整个 锅炉停机。并且设计电源欠压及过压保护。 4.2 锅炉主要电气设备的计算及选择 首先选择电动机。经过查阅资料对比，我决定选择 Y系列电动机作为燃油锅炉的 主要起动电机。Y系列电动机适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的一般场所和无特殊 要求的机械如：金属切削机床、泵、风机、运输机械、搅拌机、农业机械和食品机械等， 由于电动机有较好的起动性能，因此也适用于某些对起动转矩有较高要求的机械，如压 缩机等。 其功率范围：11-200KW 电动机中心高H160-315。Y系列（IP44）电动机是 我国统一设计的系列产品。具有体积小、重量轻、电气性能良好、经济指标先进等优点， 而且结构牢固、使用方便，易于维修、是当前中国最先进的异步电动机、为农业及工矿 企业广泛采用的电力拖动设备。 表4-1电机的型号参数: 功率 （千 瓦） （Kvy 型号 电流 380V (A) 转速转/分 （r/min ） 效率% (n) 功率因 素 （COS 中） 同步转速1500转/分（4极）50 Hz 0.55 Y801-4 1.5 1390 73 0.76 2.4 6 2.3 0.75 Y802-4 2.0 1390 74.5 0.76 2.3 6 2.3 1.1 Y90S-4 2.7 1400 78 0.78 2.3 6.5 2.3 1.5 Y90L-4 3.7 1400 79 0.79 2.3 6.5 2.3 2.2 Y100L1-4 5.0 1420 81 0.82 2.2 7.0 2.3 3 Y100L2-4 6.8 1420 82.5 0.81 2.2 7.0 2.3 4 Y112M-4 8.8 1440 84.5 0.82 2.2 7.0 2.3  5.5 Y132S-4 11.6 1440 85.5 0.84 2.2 7.0 2.3 7.5 Y132M-4 15.4 1440 85.5 0.84 2.2 7.0 2.3 11 Y160M-4 22.6 1460 88 0.84 2.2 7.0 2.3 15 Y160L-4 30.3 1460 88.5 0.85 2.2 7.0 2.3 18.5 Y180M-4 35.9 1470 91 0.86 2.0 7.0 2.2 22 Y180L-4 42.5 1470 91.5 0.86 2.0 7.0 2.2 30 Y200L-4 56.8 1470 92.2 0.87 2.0 7.0 2.2 37 Y225S-4 69.8 1480 91.8 0.87 1.9 7.0 2.2 45 Y225M-4 84.2 1480 92.3 0.88 1.9 7.0 2.2 55 Y250M-4 102.5 1480 92.6 0.88 2.0 7.0 2.2 75 Y280S-4 139.7 1480 92.7 0.88 1.9 7.0 2.2 90 Y280M-4 164.3 1480 93.5 0.89 1.9 7.0 2.2 110 Y315S-4 201.9 1480 93.5 0.89 1.8 6.8 2.2 132 Y315M-4 139.7 1480 94 0.89 1.8 6.8 2.2 160 Y315L1-4 289 1480 94.5 0.89 1.8 6.8 2.2 200 Y315L2-4 361.3 1480 94.5 0.89 1.8 6.8 2.2 表4-2 JR20系列双金属片式热继电器主要技术数据 产品型号 额定电 压/V 额定电 流/A 热元件 代号 整定电流范围/A 安装特 征 配用的CJ20 交流接触器 JR20-10 660 10 1R 0.1~0.13~0.15 CJ20-10 2R