畢業(yè)論文范文——基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、摘要隨著時代的發(fā)展自動控制逐步代替了人工控制，其中plc自動控制得到廣泛使用。在 本次設(shè)計的課題中如果用人工手動控制的話乂費是乂費力操作還很復(fù)雜，但如果使用plc 來控制不僅使得效率大幅度提高且減少了事故發(fā)生的概率且不會因為元器件過于昂貴從 而影響收益。plc控制的整個過程是分段進(jìn)行的從而不容易發(fā)生事故，而計算機(jī)又有著較 快的反映能力從而減少了步與步之間的時間提高了效率。當(dāng)系統(tǒng)開始工作，鍋爐開始取水到達(dá)規(guī)定水位，鍋爐開始加熱。若低于規(guī)定溫度和水 位開始重新加水加熱。加熱同時開始送煤并鼓風(fēng)機(jī)開始工作。鍋爐停止工作，可以切換到 排污清洗階段。若鍋爐超過規(guī)定限制溫度鍋爐開始自動報警，并采取相應(yīng)措施。

2、自動水位控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種高樓建筑物和學(xué)校供水鍋爐屮，有很廣的發(fā)展前 途，而且非常貼近人們的生活，但是目前也有一些建筑在供水系統(tǒng)中還存在著不足，當(dāng)用 水高峰期時會使水壓過低，給用戶的用水帶來了不便。這就需要改進(jìn)，增加液位傳感器實 時檢測水位，控制補水量，保證用戶的正常用水。本次研究把plc和變頻器作為控制的核 心系統(tǒng)，對自動水位控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化的控制。很好地鍛煉了學(xué)生計算機(jī)語言，將計算 機(jī)語言融會貫通于實際設(shè)計中去。關(guān)鍵字：plc鍋爐水位溫度自動控制壓力第1章緒論1.1鍋爐的控制技術(shù)鍋爐是一種利用燃料中的化學(xué)能將水加熱成為熱水、水蒸汽的一種能源轉(zhuǎn)化設(shè) 備。它可以通過燃燒煤、油、氣等燃料生

3、產(chǎn)熱水和蒸汽，來滿足各方面的用途。首先，鍋爐生產(chǎn)的蒸汽可以通過汽輪機(jī)將過熱蒸汽中的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，汽輪 機(jī)再帶動電動機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這就是火力發(fā)電的一個最基木的過程。雖然近 年來綠色能源、可再生能源發(fā)展速度加快，水電站、風(fēng)力電站、核電站逐漸具有一定 規(guī)模，但是由于它們初期投資較大，并且受到地理位置環(huán)境的限制，所以當(dāng)前火力發(fā) 電仍是全球發(fā)電的最主要的形式。電站鍋爐也是鍋爐最主要的一種應(yīng)用方式。鍋爐生產(chǎn)的蒸汽作為動力源不僅可以用來發(fā)電，也可直接用在船舶、機(jī)車上作為 驅(qū)動力來源。不過，目前船舶驅(qū)動裝置中，只有大型船舶仍使用汽輪機(jī)驅(qū)動，中小型 船舶已經(jīng)基木使用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行驅(qū)動；而機(jī)車更是基木淘

4、汰了蒸汽機(jī)驅(qū)動，而使用更 加方便潔凈的電機(jī)驅(qū)動。其次，鍋爐生產(chǎn)出的熱水和熱蒸汽可以供應(yīng)給居民和工廠作為房屋供暖，以及工 業(yè)生產(chǎn)需要。各種工業(yè)，如制藥、有機(jī)化學(xué)制劑、造紙、釀造、水泥眾多產(chǎn)業(yè)等都需 要熱氣熱水的供應(yīng)，為了更方便的進(jìn)行生產(chǎn)，上述各類型廠家會搭建自己的小型工業(yè) 鍋爐專門為自己的牛產(chǎn)提供熱水熱氣，這是目前除電廠鍋爐外工業(yè)鍋爐存在的另一個 主要形式。而這些工業(yè)生產(chǎn)鍋爐相比起屯廠鍋爐都有規(guī)模小，數(shù)量大，參數(shù)低，效率 差等特點，改造需求最為強(qiáng)烈。鍋爐是發(fā)電廠及其它工業(yè)企業(yè)中最普遍的動力設(shè)備之一，它的功能是把燃料中的貯 能，通過燃燒轉(zhuǎn)化成熱能，以蒸汽或熱水的形式輸向各種設(shè)備。fi前，國內(nèi)大多數(shù)

5、工業(yè)鍋 爐都是人工控制的，或簡單的儀表單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，燃料浪費很大。工業(yè)鍋爐作為一個設(shè) 備總體，有許多被控制量與控制量，擾動因數(shù)也很多，許多參數(shù)之間明顯地存在著復(fù)雜的 耦合關(guān)系。對于工業(yè)鍋爐這個復(fù)雜的系統(tǒng)，由于其內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換機(jī)理過于復(fù)雜，采用常規(guī) 的方式進(jìn)行控制，難以達(dá)到理想的控制效果，因此，必須采用智能控制方式控制，才能獲 得最佳控制效果。鍋爐參數(shù)是表示鍋爐性能的主要指標(biāo)，包括鍋爐容量、蒸汽壓力、蒸汽溫度、給水溫 度等。鍋爐容量可用額定蒸發(fā)量或最大連續(xù)蒸發(fā)量來表示。額定蒸發(fā)量是在規(guī)定的出口壓 力、溫度和效率下，單位時間內(nèi)連續(xù)生產(chǎn)的蒸汽量。最大連續(xù)蒸發(fā)量是在規(guī)定的岀口壓力、 溫度下，單位時間內(nèi)

6、能最大連續(xù)生產(chǎn)的蒸汽量。蒸汽參數(shù)包括鍋爐的蒸汽壓力和溫度，通常是指過熱器、再熱器出口處的過熱蒸汽壓 力和溫度如沒有過熱器和再熱器，即指鍋爐出口處的飽和蒸汽壓力和溫度。給水溫度是指 省煤器的進(jìn)水溫度，無省煤器時即指鍋筒進(jìn)水溫度。鍋爐可按照不同的方法進(jìn)行分類。鍋爐按用途可分為工業(yè)鍋爐、電站鍋爐、船用鍋爐 和機(jī)車鍋爐等；按鍋爐出口壓力可分為低壓、屮壓、高壓、超高壓、亞臨界壓力、超臨界 壓力等鍋爐；鍋爐按水和煙氣的流動路徑可分為火筒鍋爐、火管鍋爐和水管鍋爐，其中火 筒鍋爐和火管鍋爐又合稱為鍋殼鍋爐；按循環(huán)方式可分為自然循環(huán)鍋爐、輔助循環(huán)鍋爐（即 強(qiáng)制循環(huán)鍋爐）、直流鍋爐和復(fù)合循環(huán)鍋爐；按燃燒方式，鍋爐

7、分為室燃爐、層燃爐和沸 騰爐等。在水汽系統(tǒng)方面，給水在加熱器中加熱到一定溫度后，經(jīng)給水管道進(jìn)入省煤器，進(jìn)一 步加熱以后送入鍋筒，與鍋水混合后沿下降管下行至水冷壁進(jìn)口集箱。水在水冷壁管內(nèi)吸 收爐膛輻射熱形成汽水混合物經(jīng)上升管到達(dá)鍋筒中，由汽水分離裝置使水、汽分離。分離 出來的飽和蒸汽由鍋筒上部流往過熱器，繼續(xù)吸熱成為一定溫度的過熱蒸汽（目前人多 300mw、600mw機(jī)組主汽溫度約為540°c左右），然后送往汽輪機(jī)。在燃燒和煙風(fēng)系統(tǒng)方面，送風(fēng)機(jī)將空氣送入空氣預(yù)熱器加熱到一定溫度。在磨煤機(jī)中 被磨成一定細(xì)度的煤粉，由來自空氣預(yù)熱器的一部分熱空氣攜帶經(jīng)燃燒器噴入爐膛。燃燒 器噴岀的煤粉與空

8、氣混合物在爐膛中與其余的熱空氣混合燃燒，放出大量熱量。燃燒后的 熱煙氣順序流經(jīng)爐膛、凝渣管束、過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器后，再經(jīng)過除塵裝置，除 去其中的飛灰，最后由引風(fēng)機(jī)送往煙囪排向大氣。1.2鍋爐的控制技術(shù)介紹1.2.1鍋爐的基本運行過程鍋爐的作用是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并利用熱能加熱鍋?nèi)的水使z成為具有足 夠數(shù)量和一定質(zhì)量（汽溫、汽壓）的過熱蒸汽，供汽輪機(jī)使用?，F(xiàn)在火力發(fā)電廠的鍋爐容 量大、參數(shù)高、技術(shù)復(fù)雜、機(jī)械化和自動化水平高，所以燃料主要是煤，并且煤在燃燒之 前先制成煤粉，然后送入鍋爐在爐膛中燃燒放熱。概括地說，鍋爐是主要工作過程就燃料 的燃燒、熱量的傳遞、水的加熱與汽化和蒸汽的過

9、熱等。鍋爐是個較復(fù)雜的調(diào)節(jié)對象，為保證提供合格的蒸汽以適應(yīng)負(fù)荷的需要，牛產(chǎn)過程各 主要工藝參數(shù)必須加以嚴(yán)格控制。主要調(diào)節(jié)項口有;負(fù)荷、鍋爐給水、燃燒量、減溫水、送 風(fēng)等。主要輸出量是:汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過剩空氣等。這些 輸入量與輸出量之間是互相制約的，例如，蒸汽負(fù)荷變化吋，必然會引起汽包水位、蒸汽 壓力和過熱蒸汽溫度的變化;燃料量的變化不僅彫響蒸汽壓力，同時還會影響汽包水位、過 熱蒸汽溫度、空氣量和爐膛負(fù)壓等。對于這樣復(fù)雜的對象，工程處理上作了一些簡化，將 鍋爐控制系統(tǒng)劃分為若干個調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主要的調(diào)節(jié)系統(tǒng)有：(a) 水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)被調(diào)量是汽包水位，調(diào)節(jié)量是給水流量，它主

10、要考慮汽包內(nèi)部物料平衡，使給水量適 應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在工藝允許范圍內(nèi)。(b) 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)維持過熱器出口溫度在允許范圍之內(nèi)，并保證管壁溫度不超過允許工作溫度。(c) 燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需耍;使燃料量與空氣量之間保持一定比例， 以保證經(jīng)濟(jì)燃燒;使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保持爐膛負(fù)壓穩(wěn)定。本設(shè)計討論鍋爐水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)、燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)及溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。122系統(tǒng)的檢測信號及鍋爐的控制任務(wù)鍋爐設(shè)備的檢測信號包括：蒸汽流量、汽包水位、汽包蒸汽壓力、加水量、爐膛負(fù)壓、 鼓風(fēng)量、煙氣含氧量過濾、當(dāng)已知檢測信號的情況下，鍋爐的控制任務(wù)是:在用戶蒸汽機(jī)需 要的情況下，plc控

11、制加水閥、輸煤量、鼓風(fēng)量與引風(fēng)量，使保持鍋爐汽包水位穩(wěn)定，蒸 汽壓力穩(wěn)定，爐膛負(fù)壓穩(wěn)定，煙氣穩(wěn)定，使燃料能量最充分地燃燒，以取得最大的熱效率。1.2.3 plc控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)plc控制系統(tǒng)的組成plc控制的結(jié)構(gòu)如圖所示。使用的是日本三菱公司的fx系列可編程控制器。圖1-1鍋爐控制系統(tǒng)鍋爐控制系統(tǒng)由鍋爐本體，一次儀表、微機(jī)、手/自動切換操作器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及閥、滑 差電機(jī)等部分組成，一次儀表將鍋爐的溫度、壓力，流量，氧量，轉(zhuǎn)速等熱工參數(shù)轉(zhuǎn)換成 電壓、電流或電阻值輸入plco手/自動切換操作部分:手動時由操作人員手動控制，用操 作器控制滑差電機(jī)及閥等，自動時由plc發(fā)出控制信號經(jīng)執(zhí)行部分進(jìn)行自動操作。p

12、lc對 整個鍋爐的運行進(jìn)行監(jiān)測、報警、控制，以保證鍋爐正?？煽康剡\行。除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進(jìn)行plc系統(tǒng)設(shè)計時，對鍋爐水位、鍋爐汽包壓 力等重要參數(shù)應(yīng)設(shè)置常規(guī)儀表及常規(guī)報警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報 警裝置，這是必不可少的，以免鍋爐發(fā)生重大事故。第2章基于plc的鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計2.1可編程控制器概況可編程控制器（programmable controller,簡稱pc）。與個人計算機(jī)的pc 相區(qū)別，用plc表示。plc是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù) 和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記

13、時、 計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國際電工委員會（iec）頒布了對plc的規(guī) 定：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采 用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運 算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功 能的原則設(shè)計。plc具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特 點?？梢灶A(yù)料：在工業(yè)控制領(lǐng)域中，plc控制技術(shù)的應(yīng)用必將形成世界潮流。plc程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)

14、程序，又有用戶自己開發(fā)的應(yīng)用程序，系統(tǒng)程序提供運 行平臺，同時，還為plc程序可靠運行及信息與信息轉(zhuǎn)換進(jìn)行必要的公共處理。用戶程序 由用戶按控制要求設(shè)計。用可編程控制器實施控制，其實質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變 換，并將這個變換予以物理實現(xiàn)。入出變換、物理實現(xiàn)可以說是plc實施控制的兩個基 本點。而入岀變換實際上就是信息處理，信息處理當(dāng)今最常用的是微處理機(jī)技術(shù)，plc也 是用它，并使其專用化，應(yīng)用與工業(yè)現(xiàn)場。至于物理實現(xiàn)，正是它與普通微機(jī)相區(qū)別之點, 普通微機(jī)多只考慮信息本身，別的不多考慮，而plc要考慮實際的控制需要。物理實現(xiàn)要 求plc的輸入，應(yīng)當(dāng)排除干擾信號適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場。輸出應(yīng)放大到工

15、業(yè)控制的水平，能為 實際控制系統(tǒng)方便使用。這就要求i/o電路專門設(shè)計。根據(jù)plc實施控制的基木點的分析, plc釆用了典型的計算結(jié)構(gòu)。主要是由cpu、ram、rom和專門設(shè)計的輸入輸出接口電 路組成。隨著plc應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，plc的定義也在不斷完善中。國際電工委員會（iec） 在1987年2月頒布的可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案的第三稿屮將plc定義為:“可編程序控制 器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存 儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令, 并通過數(shù)字式，模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删?/p>

16、程控制器及 其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制器系統(tǒng)連成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。fx2n系列是fx系列plc家族中最先進(jìn)的系列。他擁有武以匹及的速度、高級的功 能、邏輯選件以及定位控制的特點，fx2n是從16到256路輸入/輸出的多種應(yīng)用的選擇 方案。由于fx2n系列具備如下特點：系統(tǒng)配置既固定乂靈活、備有可自由選擇，豐富的 品種、編程簡單、令人放心的高性能、高速運算、使用于多種特殊用途、外部機(jī)器通訊簡 單化、共同的外部設(shè)備。最大范圍的包容了標(biāo)準(zhǔn)特點、程式執(zhí)行更快、全而補充了通信功 能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠 自動化應(yīng)用提供最大的靈

17、活性和控制能力。它的外形圖如圖2-1所示。圖2-1 fx2n外形結(jié)構(gòu)圖2. 2 plc的結(jié)構(gòu)及基本配置一般講，plc分為箱體式和模塊式兩種。但它們的組成是相同的，對箱體式plc, 有一塊cpu板、i/o板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當(dāng)然按cpu性能分成若干型號，并 按i/o點數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式plc,有cpu模塊、i/o模塊、內(nèi)存、電源模塊、底 板或機(jī)架。無任哪種結(jié)構(gòu)類型的plc,都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其i/o能力可按用戶需 要進(jìn)行擴(kuò)展與組合。2.2.1 cpu的構(gòu)成plc中的cpu是plc的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺plc至少有一個cpu,它 按plc的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯

18、用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式釆集由現(xiàn)場輸入 裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同吋，診斷電源和plc內(nèi)部電路的工作 狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進(jìn)入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分 析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)牛相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路，與通用計算機(jī)一 樣，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們z間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成， 還有外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。它確定了進(jìn)行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。 內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是plc不可缺少的組成單元。cpu的控制器控制cpu工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由 震蕩信號控制。cp

19、u的運算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。cpu的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。cpu雖然劃分為以上兒個部分，但plc中的cpu芯片實際上就是微處理器，由于電 路的高度集成，對cpu內(nèi)部的詳細(xì)分析已無必要，我們只要弄清它在plc中的功能與性 能，能正確地使用它就夠了。cpu模塊的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的種種顯示、種種接口及設(shè)定或控制開關(guān)。一 般講，cpu模塊總要有相應(yīng)的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。箱體式 plc的主箱體也有這些顯示。它的總線接口，用于接i/o模板或底板，有內(nèi)存接口，用于 安裝內(nèi)存，有外設(shè)口，用于接外部設(shè)備，有的還

20、有通訊口，用于進(jìn)行通訊。cpu模塊上還 有許多設(shè)定開關(guān)，用以對plc作設(shè)定，如設(shè)定起始工作方式、內(nèi)存區(qū)等。222 i/o模塊plc的對外功能，主要是通過各種i/o接口模塊與外界聯(lián)系的，按i/o點數(shù)確定模塊 規(guī)格及數(shù)量，i/o模塊可多可少，但其最大數(shù)受cpu所能管理的基本配置的能力，即受最 大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。i/o模塊集成了 plc的i/o電路，其輸入暫存器反映輸入信號 狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。2.2.3電源模塊有些plc中的電源，是與cpu模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為plc 各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24v的工作電源。電源以 其輸入類

21、型有：交流電源，加的為交流220vac或110vac,直流電源，加的為直流電壓, 常用的為24v。2.2.4底板或機(jī)架大多數(shù)模塊式plc使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使 cpu能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。2.2.5 plc的外部設(shè)備外部設(shè)備是plc系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類：(a) 編程設(shè)備：有簡易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控 plc及plc所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程器是plc開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運行、檢查維護(hù)不 可缺少的器件，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。(b) 監(jiān)控設(shè)備：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視

22、器。直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。(c) 存儲設(shè)備：有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器，用于永久性地存儲用戶數(shù) 據(jù)，使用戶程序不丟失，如eprom、eeprom寫入器等。(d) 輸入輸出設(shè)備：用于接收信號或輸出信號，一般有條碼讀人器，輸入模擬量的電位 器，打印機(jī)等。2.2.6 plc的通信聯(lián)網(wǎng)plc具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使plc與plc之間、plc與上位計算機(jī)以及其他智能 設(shè)備z間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集屮控制?，F(xiàn)在幾乎所有的plc 新產(chǎn)品都有通信聯(lián)網(wǎng)功能，它和計算機(jī)一樣具有rs-232接口，通過雙絞線、同軸電纜或 光纜，可以在幾公里甚至幾十公里的范圍內(nèi)交換信息。當(dāng)然

23、，plcz間的通訊網(wǎng)絡(luò)是各廠家專用的，plc與計算機(jī)z間的通訊，一些生產(chǎn)廠 家采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，并向標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議靠攏，這將使不同機(jī)型的plc之間、plc與計算 機(jī)之間可以方便地進(jìn)行通訊與聯(lián)網(wǎng)。對于一個自動化工程(特別是屮大規(guī)?？刂葡到y(tǒng))來講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首先， 網(wǎng)絡(luò)必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展；其次，針對不同網(wǎng)絡(luò) 層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議、機(jī)制 的前提下進(jìn)行；再次綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題，確定 不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。第3章傳感器3.1傳感器的定義在工程技術(shù)領(lǐng)域中，通常將能夠把被測

24、量(如被測物理量，化學(xué)量，牛物量等)的信 息轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的電量輸出的裝置，稱為傳感器。傳感器的重要性集中體現(xiàn)在它 是實現(xiàn)自動檢測與自動控制的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始信息(信號或參數(shù))進(jìn)行 精確，可靠的測量，就無法實現(xiàn)從信號的提取，轉(zhuǎn)換，處理到生產(chǎn)過程的自動化。一個復(fù) 雜的系統(tǒng)工程是如此，一臺普通的家用電器也是如此。隨z計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和大面 面積普及，傳感器在新技術(shù)中的地位和作用將更為突出。傳感器的開發(fā)與應(yīng)用速度落后于 計算機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用速度的現(xiàn)狀已成為微型計算機(jī)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的一大障礙；許多具 有競爭力的產(chǎn)品的開發(fā)和技術(shù)改造，都離不開傳感器技術(shù)的支持，因此，研制開發(fā)大批急

25、 需的傳感器件以適應(yīng)當(dāng)今科技發(fā)展和普及的要求，已成定局?？茖W(xué)合理的應(yīng)用傳感器技術(shù) 為人類服務(wù)，已刻不容緩。信息處理技術(shù)取得的進(jìn)展以及微處理器和計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器的 開發(fā)方而有相應(yīng)的進(jìn)展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著 這些系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來越重要。傳感器 已成為自動化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個結(jié)構(gòu)組成，其重要性變 得越來越明顯。最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信 號的器件。國際電工委員會(iec: international electrotechnical

26、committee)的定義為："傳感 器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號按照gopel等的 說法是傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信 息處理(模擬或數(shù)字)能力的傳感器二傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信 號輸入的第一道關(guān)口。圖3-1傳感器系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)的原則框圖示于，進(jìn)入傳感器的信號幅度是很小的，而且混雜有干擾信號 和噪聲。為了方便隨后的處理過程，首先要將信號整形成具有最佳特性的波形，有時還需 要將信號線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況 下，這些電路的一部分是和傳感器部件

27、直接相鄰的。成形后的信號隨后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號， 并輸入到微處理器。俄羅斯學(xué)者認(rèn)為傳感器應(yīng)是由二部分組成的，即直接感知被測量信號的敏感元件部分 和初始處理信號的電路部分。按這種理解，傳感器還包含了信號成形器的電路部分。傳感器系統(tǒng)的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的 能量。有兩類傳感器：有源的和無源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉(zhuǎn)變成列一種, 不需要外接的能源或激勵源(參閱圖3-2)轍人曲傳 is 2*fms榆人洌(b)圖3-2傳感器原理有源(a)和無源(b)傳感器的信號流程無源傳感器不能直接轉(zhuǎn)換能量形式，但它能控制從 另一-輸入端輸入的能量或激勵能(參閱圖l2(b)

28、傳感器承擔(dān)將某個對象或過程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)量的工作。其“對象”可以是固體、 液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)(即過程)的。對象特性被轉(zhuǎn)換量 化后可以通過多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學(xué)性質(zhì)的。按照 其工作原理，傳感器將對象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測定的電學(xué)量，然后將此電信號分離 出來，送入傳感器系統(tǒng)加以評測或標(biāo)示。各種物理效應(yīng)和工作機(jī)理被用于制作不同功能的傳感器。傳感器可以直接接觸被測量 對象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機(jī)制和效應(yīng)類型不斷增加，其包含的處理過程h 益完善。常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：光敏傳感器視覺聲敏傳感器聽覺(3)氣敏

29、傳感器嗅覺 (4)化學(xué)傳感器味覺(5)壓敏、溫敏、流體傳感器觸覺與當(dāng)代的傳感器相比，人類的感覺能力好得多，但也有一些傳感辭比人的感覺功能優(yōu) 越，例如人類沒有能力感知紫外或紅外線輻射，感覺不到電磁場、無色無味的氣體等。對傳感器設(shè)定了許多技術(shù)要求，有一些是對所有類型傳感器都適用的，也有只對特定 類型傳感器適用的特殊要求。針對傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)在不同場合均需要的基木要求 是：(1) 高靈敏度抗干擾的穩(wěn)定性(對噪聲不敏感)線性容易調(diào)節(jié)(校準(zhǔn)簡易)(2) 高精度高可靠性無遲滯性工作壽命長(耐用性)(3) 可重復(fù)性 抗老化 高響應(yīng)速率抗環(huán)境影響(熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力(4) 選擇性安

30、全性(傳感器應(yīng)是無污染的)互換性 低成木(5) 寬測量范圉 小尺寸、重量輕和高強(qiáng)度寬工作溫度范圉3.2設(shè)計中使用到的傳感器3. 2. 1溫度傳感器與壓力一樣，溫度也是過程控制中最重要的測量變量之一。例如在冷卻回路中，溫度 監(jiān)測不僅用來確保產(chǎn)品質(zhì)量，還用來保證系統(tǒng)安全。過程工業(yè)往往利用熱能進(jìn)行控制，所 以，根據(jù)應(yīng)用需要選擇理想的溫度傳感器，可實現(xiàn)既定測量目的并確保最佳測量效果。當(dāng) 然，對過程工藝的熟悉和預(yù)見可能出現(xiàn)的不確定擾動也是很重要的。a. 冷、熱是如何定義的？我們可以通過身體的感知器官感覺并分辨溫度差。然而，我們往往只能定義物體是冷 是熱，卻不能將這種感覺量化。溫度的涵義到底是什么呢？溫度

31、，即表示某物質(zhì)每個粒子的平均動能。要通過這種能 量來量化溫度首先要定義溫標(biāo)，需要確定與某種材料溫度相關(guān)的某個定點。最常見的定點 是絕對零度即0k,以及水三相點(固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)并存的點)273.16ko定點值的確定 使繪制溫度的直線圖成為可能。其它定點值離上述點很遠(yuǎn)，例如氛的三相點是24.5561 k, 銀的凝同點是1234.93ko這些定點值在最新版的國際溫標(biāo)(1990年版)(its-90)中確 定。b. 正確測量溫度測量溫度的方法有多種，從簡單的二極管到高精度的熱噪聲溫度計。溫度計可以分為兩類：第一類溫度計和第二類溫度計。第一類為不需要用其他溫度測量設(shè)備做預(yù)先校準(zhǔn)的溫度計。他們都是通過測量

32、物理 量，計算物理量和溫度間的關(guān)系來確定溫度的。例如氣體溫度計、熱噪聲溫度計和應(yīng)用測 量黑體輻射的溫度測量設(shè)備。這些溫度傳感器常常用于專門的實驗室，使用起來相當(dāng)復(fù)雜 并且往往價格昂貴。第二類溫度計則需要校準(zhǔn)。工業(yè)上主要使用的是第二類溫度計。特別是熱電阻或熱電 偶溫度傳感器使用最為廣泛。當(dāng)安裝溫度傳感器時，需要了解一些簡單的基礎(chǔ)原理：溫度 傳感器主要測量的是它自身的溫度。所以傳感器必須盡可能靠近測量物安裝并盡可能地避 免環(huán)境影響，因為測量地點的干擾可能會使溫度測量結(jié)果出現(xiàn)一些偏差。環(huán)境溫度和介質(zhì) 溫度較大的差異也可能會導(dǎo)致錯誤的測量值。如果傳感器安裝在保護(hù)套管屮，也就意味著 它遠(yuǎn)離了真實的測量點

33、，溫度傳感器靈敏度會降低，測量值可能與真實值岀現(xiàn)背離。c. 要測量原理基于精確性和易于進(jìn)一步處理測量信號的要求，下列測量原理十分適用于工業(yè)環(huán)境溫 度監(jiān)測：(a) 熱電阻溫度計熱電阻溫度計通過熱電阻測量溫度。純金屬，特別是貴金屬有最大的阻值變化率，適 合用來制作溫度傳感器。電阻溫度計分為正溫度系數(shù)(ptc)型和負(fù)溫度系數(shù)(ntc)型, 正溫度系數(shù)型即阻值隨溫度的上升而增加，負(fù)溫度系數(shù)型則是阻值隨溫度的上升而減少。 如果電阻呈標(biāo)準(zhǔn)的線性特性，溫度值可以很容易地通過多項式估算出來。一般地說，電阻 溫度計測量范圍為250°c至1000°co標(biāo)準(zhǔn)的鉗電阻是主要的檢測器件，ptloo在

34、0°c時為 100 Ω,可用于精確測量高達(dá)850°c的溫度。(b) 熱電偶溫度計一個熱電偶由兩個不同的金屬或半導(dǎo)體連接而成?；谌惪诵?yīng)，若接合處的溫度 發(fā)生變化，則會在不同金屬間將產(chǎn)生電勢差。所形成的電勢差取決于溫度，溫度差值對于 不同金屈的變化量也不同。溫度差可在熱端和冷端的接合處測得。如果要測熱端的溫度， 則冷端溫度必須己知，而冷端的溫度是由其他的溫度傳感器測量的。根據(jù)熱電原理，熱端 的溫度可計算確定。熱電偶幾乎都用于1000°c及以上的溫度測量。d. 定義誤差限額是指測量系統(tǒng)在特殊環(huán)境中工作所能保證得出的測量值與真實值的最大差 值，故

35、測量誤差不能超過誤差限額。重復(fù)精度重復(fù)精度指多次相同操作測量值和真實值間的最大差值。辨析率測量設(shè)備可測量到的最小的增量。2線制2線制熱電阻配線簡單，但要帶進(jìn)引線電阻的附加誤差。因此不適用于制造a級精度 的熱電阻，且在使用時引線及導(dǎo)線都不宜過長。3線制3線制可以消除引線電阻的影響，測量精度高于2線制。作為過程檢測元件，其應(yīng)用 最廣。4線制4線制不僅可以消除引線電阻的影響，而且在連接導(dǎo)線阻值相同時，還可以消除該電 阻的影響。高精度測量應(yīng)采用4線制。e. 自身發(fā)熱影響為了能夠測量熱電阻傳感器的輸出信號，一定有電流通過傳感器。這個測量電流消耗 能量并產(chǎn)生熱量，使溫度升高。人多數(shù)情況下，制造商提供一個1

36、ma的測量電流，這樣 傳感器不會產(chǎn)生額外的熱量，可提供一個最真實的測量值。f. 木設(shè)計中使用的是ptloo溫度傳感器電阻式溫度檢測器(rtd,resistance temperature detector)種物質(zhì)材料作成的電阻,它會隨溫度的上升而改變電阻值,如果它隨溫度的上升而電阻值也跟著上升就稱為止電阻 係數(shù)，如果它隨溫度的上升而電阻值反而下降就稱為負(fù)電阻系數(shù)。大部分電阻式溫度檢測器 是以金屬作成的，其屮以口金(pt)作成的電阻式溫度檢測器,最為穩(wěn)定一耐酸堿、不會變質(zhì)、 相當(dāng)線性，最受工業(yè)界采用。pt100溫度感測器是一種以白金(pt)作成的電阻式溫度檢測器，屬于正電阻系數(shù),其電阻 和溫度變

37、化的關(guān)系式如下：r=ro(l+at)其中a=0.00392,ro為100。(在0°c的電阻值),t為攝氏溫度因此白金作成的電阻式溫度檢測器，又稱為ptiooo1： vo=2.55maxl00(l+0.00392t)=0.255+t/1000。2：量測vo時，不可分出任何電流，否則量測值會不準(zhǔn)。電路分析由于一般電源供應(yīng)較多零件之后，電源是帶雜訊的,因此我們使用齊納二極體作為穩(wěn)壓 零件，由于7.2v齊納二極體的作用，使得1k電阻和5k可變電阻之電壓和為6.5v,靠5k可變 電阻的調(diào)整可決定電晶體的射(集極)極電流，而我們須將集極電流調(diào)為2.55ma,使得量測電 壓v如箭頭所示為0.255

38、+171000。其后的非反向放大器，輸入電阻幾乎無限大，同時乂放大10倍，使得運算放大器輸出為 2.55+t/100o6v齊納二極體的作用如7.2v齊納二極體的作用，我們利用它調(diào)出2.55v,因此電壓追隨 器的輸出電壓vi亦為2.55vo其后差動放大器之輸出為vo= 10(v2-v1 )= 10(2.55+t/100-2.55)=t/10,如果現(xiàn)在室溫為 25°c,則輸出電壓為2.5v信號:它在實際應(yīng)用中有二種形式：一種是不需要顯示的主要采集到pic,這樣的話在 使用的時候就是只需要一塊pt 100的集成電路，要注意的是這個集成電路采集的不是電流 信號是電阻值，ptloo的集成電路(

39、需要一個4-12vdc電源提供工作電壓)直接把采集 到的電阻變?yōu)?-5vdc輸入到pic,經(jīng)過簡單的+*/計算就可以得到相應(yīng)的溫度值.(這樣 的形式可以同時采集多路)，還有一種就是單獨的一個ptloo溫度傳感器(工作電源是 24vdc),產(chǎn)生一個4-20ma的電流，然后再通過一個4-20ma電流電路板把4-20ma的電 流變?yōu)?5v電壓，這個不一樣的就是可以竄連一個電磁指示儀表，其他的基本一樣就不 作詳細(xì)說明了本設(shè)計中使用ptloo溫度傳感器在水溫的控制，以及報警裝置中.3. 2. 2液位傳感器a. 在能源、化工等多個領(lǐng)域中普遍存在著各類液位控制系統(tǒng)。各種控制方式在液位 控制系統(tǒng)中也層出不窮，

40、如較常用的浮子式、磁電式和接近開關(guān)式。而隨著我國工業(yè)自動 化程度的提高，規(guī)模的擴(kuò)大，在工程中液位控制的計算機(jī)控制得到越來越多的應(yīng)用。液位 控制系統(tǒng)的檢測及計算機(jī)控制己成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要方面。液位傳感器有很多種，有側(cè)裝式磁翻柱，頂裝式磁翻柱，浮球連桿式，靜壓式液位計，浮球液位開關(guān)等b. 光纖傳感器與測量技術(shù)是儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向由于光纖傳感器及技術(shù)具有較其它傳感器無法比擬的特點，所以近幾年來，光纖傳感 器與測量技術(shù)發(fā)展成為儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向，而新型光纖傳感器不外乎有以下特 點：(a) 光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能，傳光損耗很小，fi前損耗能達(dá)到0.2 db/km的 水平。(b

41、) 光纖傳感器頻帶寬，可進(jìn)行超高速測量，靈敏度和線性度好。(c) 光纖傳感器體積很小，重量輕，能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行非接觸式、非破壞性以及遠(yuǎn) 距離測量。還具有靈敏度高、可靠性好、原材料硅資源韋富、抗電磁干擾，抗腐蝕、耐高壓、電 絕緣性能好、可繞曲、防爆、頻帶寬、損耗低等特點。同時，它還便于與計算機(jī)相連，實 現(xiàn)智能化和遠(yuǎn)距離監(jiān)控。對傳統(tǒng)的傳感器起到擴(kuò)展提高的作用，不少情況下能夠完成前者 很難完成其至不能完成的任務(wù)。正是由于光纖傳感器具有許多獨特優(yōu)勢，可以解決許多傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題， 故自從它問世以來，就被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通、電力、機(jī)械、石油化工、民用建筑以及 航空航天等各個領(lǐng)域。值此，將討論

42、光纖傳感器在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用，即油庫油罐液位、 溫度信號實時監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)計方案。正因該監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用了光纖液位傳感器、光纖溫度 傳感黠及光纖液位報警務(wù).為此先對此有關(guān)的光纖傳感器技術(shù)作一介紹。c. 光纖傳感器組成與類型光纖傳感器一般是由光源、接口、光導(dǎo)纖維、光調(diào)制機(jī)構(gòu)、光電探測器和信號處理系 統(tǒng)等部分組成。來自光源的光線，通過接口進(jìn)入光纖，然后將檢測的參數(shù)調(diào)制成幅度、相 位、色彩或偏振信息，最后利用微處理器進(jìn)行信息處理。概括光纖傳感器一般由三部分組 成，除光纖之外，述必須有光源和光探測器兩個重要部件，如圖33圖3-3光纖傳感器組成光纖傳感器一般分為兩大類：一類是傳光型，也稱非功能型光纖傳感器；

43、另一類是傳 感型，或稱為功能型光纖傳感器。前者多數(shù)使用多模光纖，以傳輸更多的光量；而傳感型 光纖傳感器，是利用被測對象調(diào)制或改變光纖的特性，所以只能用單模光纖。d. 測量用的光纖傳感技術(shù)本設(shè)計中使用的液位傳感器為：光纖液位傳感器基于全內(nèi)反射原理，可以設(shè)計成光纖液位傳感器。光纖液位傳感器由以下三部分組成:(a) 接觸液體后光反射量的檢測器件即光斂感元件；(b) 傳輸光信號的雙芯光纖；(c) 發(fā)光、受光和信號處理的接收裝置。圖34所示為光纖液位傳感器的基本結(jié)構(gòu)。這種傳感器的嬪感元件和傳輸信號的光纖 均由玻璃纖維構(gòu)成，故有絕緣性能好和抗電磁噪聲等優(yōu)點。圖3-4光纖液位傳感器的基本結(jié)構(gòu)光纖液位傳感器的

44、工作原理如圖35所示。發(fā)光器件射出來的光通過傳輸光纖送到敏 感元件，在敬感元件的球面上，有一部分透過，而其余的光被反射回來。當(dāng)皺感元件與液 體相接觸時，與空氣接觸相比，球面部的光透射量增大，而反射量減少。因此，由反射光 量即可知道敏感元件是否接觸液體。反射光量決定于敏感元件玻璃的折射率和被測定物質(zhì) 的折射率。被測物質(zhì)的折射率越大，反射光量越小。來自敏感元件的反射光，通過傳輸光 纖由受光器件的光電晶體管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出。敏感元件的反射光量的變化，若以空氣 的光量為基準(zhǔn)，在水中則為-67db,在油中為-2530dbo可對反射光量差別很大的水和 油等進(jìn)行物質(zhì)判別。圖3-5光纖液面探測器工作原理(a

45、)圓錐體測頭；(b)u型測頭;(c)棱鏡耦合用微光檢測液位的光纖液位傳感器有如下特點：(a) 能用于易燃、易爆物等設(shè)施中；(b) 敏感元件的尺寸小，可用于檢測微量液體；(c) 從檢測液體開始到檢測信號輸出為止的響應(yīng)時間短；(d) 敏感元件是玻璃的，故有抗化學(xué)腐蝕性；(e) 能檢測兩種(油、水等)液體界面：(d價格低廉。在實際應(yīng)用屮應(yīng)注意，光纖液面?zhèn)鞲衅鞑灰擞糜跈z測粘附在皺感元件玻璃表面的物 質(zhì)。如何檢測液位？在裝有液體的槽內(nèi)。將敏感元件安裝在液面下預(yù)定檢測的高度。當(dāng)液面低于這一高度 時，從敏感元件產(chǎn)生的反射光量就增加，根據(jù)這時，發(fā)生的信號就能檢測出液而位置。若 在不同高度安裝敏感元件，則可檢測

46、液面的高度。第4章plc程序設(shè)計4. 1原理方框圖圖41鍋爐控制原理框圖原理：當(dāng)按下啟動按鈕，鍋爐開始加水水位200cm吋停止加水，開始加熱，水溫達(dá) 到150度停止加熱，低于120度再次開始加熱，如此反復(fù)。加熱同時鼓風(fēng)機(jī)開始工作以工 作10s停止5s反復(fù)工作。送煤傳送帶在120度、130度、140度、150度，溫度下按照不 同速度工作，并有相應(yīng)指示燈亮。溫度越高傳送帶速度越慢。按下sb16切換到手動送煤 傳送帶m5、m6兩種速度手動切換。按下sb22切換到排污階段，按下sb6等待30s如 30s內(nèi)沒有使用手動排污x7,貝i開始自動排污15s后自動加水過20s后清洗20s。如30s 內(nèi)使用手動排污sb7則排污，加水，清洗。由手動完成。然后自動關(guān)閉。當(dāng)壓力超過規(guī)定 值sb17閉合減壓閥門a打開、減壓報警燈亮、減壓報警聲1打開。股風(fēng)機(jī)、送煤停止工 作。下降到規(guī)定大氣壓減壓閥門a關(guān)閉、減壓報警燈滅、減壓報警聲關(guān)閉。股風(fēng)機(jī)、