1、南华大学船山学院毕业设计（论文）第 1 页，共 33 页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
2、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。而
3、该设计所使用的是以 PLC 来取代原有的控制系统。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、南华大学船山学院毕业设计（论文）第 2 页，
4、共 33 页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 MP
5、a 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。 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
6、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：南华大学船山学院毕业设计（论文）第 3 页，共 33 页图 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
7、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
8、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 能够处理和接受的南华大学船山学院毕业设计（论文）第 4 页，共 33 页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
9、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
10、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
11、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南华大学船山学院毕业设计（论文）第 5 页，共 33 页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
12、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
13、户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。如图 2.3 所示上电RUN自诊断通讯输入采样用户程序执行输出刷新故障图 2.3 可编程控制器扫描周期示意图南华大学船山学院毕业设计（论文）第 6 页，共 33 页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南华大学船山学院毕业设计（论文）第 7 页，共 33 页3 控制系统方案设计3.1 系统技术要求对系统
14、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
15、内注水，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（入水南华大学船山学院毕业设计（论文）第 8 页，共 33 页口水温）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（
16、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，及时调整锅炉南华大学船山学院毕业设计（论文）第 9 页，共 33 页功率，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
17、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。南华大学船山学院毕业设计（论文）第 10 页，共 33 页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
18、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
19、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
