电热器控制系统的设计 毕业论文.doc

题目:电热器控制系统的设计 专业: 机械制造与自动化 班级: 机械制造与自动化 学号: 姓名: 指导老师: 2011 年 5 月 摘 要随着社会的不断发展，人们已经越来越离不开电了。不管在什么领域，从事着什么项目，电都和我们密不可分，并且电的需求也越来越大。当今社会，人们凭借着自己的智慧，把电能转变成其他各种形式的能量。但这又离不开一个完善的控制系统，人们究竟是怎么安全可靠的完成电能到其他形式能量的转换的喃？这里我们主要来研究电热器控制系统的设计，本课题通过三相电热器控制plc控制系统来对电热器进行研究，来使人们更加深刻的了解电热器及其控制系统，使人们以后能更加方便安全的使用电热器。 关键字:电热器 能量 plc控制系统目录第一章 电热器的介绍.1.1 电热器的概念及发展.1.2 电热器相关常识. 1.2.1 电热器的的分类. 1.2.2 电热器的热能的计算. 1.2.3 电热器热效应参数. 1.2.4 电热管.1.3 三相电热器的工艺分析.第二章 三相电热器控制plc控制系统设计.2.1 三相电热器控制程序流程图设计.2.2 三相电热器控制程序设计思路.第三张 三相电热器控制plc监控系统设计. 3.1 plc介绍. 3.1.1 plc概念. 3.1.2 plc结构. 3.1.3 plc的工作原理.3.2 plc与上位监控软件通讯.3.3 上位监控系统组态设计.3.4 三相电热器控制plc监控系统梯形图.结论与体会.致辞.参考.附录.前言近年来随着科技的飞速发展，plc的应用不断走向深入，同时带动着工业控制的日新月异的更新。由于plc自身的优势和特点，在工业控制中plc以得到广泛运用，包括机械、化工、电力、建筑等众多领域，应用范围也在不断扩大。三相电热器控制系统是plc的一种应用。主要运用plc所具备的继电器、计数器及特殊继电器的功能来实现的的，并运用模拟的方式来检测系统的可行性。而在plc控制程序中注重的是互锁的实现、定时器和计数器组成的有限震荡实现灯的闪烁。程序中可分为两方面的控制：第一，点动即用xoo5的开关状态实现对电热器的点动控制；第二，启动即用x001、x002和x004来实现对电热器的启动和停止。 第一章 电热器的介绍1.1 电热器的概念及发展电热器：电热器(heater-type thermistor): 用导体制成具有一定电热性的元件， 电热是导体的一种基本性质,与通电导体的尺寸、材料、粗细程度有关. 作用:主要职能就是把电能转化为热能。电阻式电热器是利用导体的电阻来产生热量来加热的，由于电流通过导体，导体对电流的阻碍作用，而电流要克服导体的阻力要做功，因为能的转化是靠做功来量度的，所以电流做多少功，就有多少电能转化成热能。这就是电阻式电热器的加热原理电热器的发展：电加热是将电能转换为热能的过程。自从发现电源通过导线可以发生热效应之后，世界上就许多发明家从事于各种电热电器的研究与制造。电热的发展及普及应用也与其它行业一样，遵循着这样一个规律：从先进的国家逐步推广到世界各国；从城市逐步发展到农村；由集体使用发展到家庭、再到个人；产品由低档发展到高档。十九世纪处于萌芽阶段的电热电器大都是拙劣的，最早出现是用于生活的电热电器，1893年电慰斗的雏型首在美国出现并使用，接着到1909年出现电灶的使用，那是在炉灶中放置电加热器，也就是说加热从柴禾转移到电气，即从电能转变为热能。但是真正电热电器工业的急速发展，却是在用作电热元件的镍铬合金的发明之后。1910年美国首先研制成功用镍铬合金电热丝制作的电慰斗，这就从根本上改善了电慰斗结构，使用慰斗迅速得到普及。到1925年在日本出现在锅中安装电热元件的产品，成为现代电饭锅的原形。在这阶段工业上也出现实验室用电炉，熔胶炉、暖气器等电热产品。1910年至1925年是电热电器历史上的大发展阶段，在家庭和工业方面，电热电器各种品种的出现和普及应用都得到了急速的发展，而尤以家庭方面为甚。所以镍铬合金的发明是奠定了电热电器工业发展的基础。1.2 电热器相关常识. 电热元件（电热器）是以金属管为外壳（包括不锈钢、紫铜管），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。电热元件1.2.1 电热器的分类电热器分两类:(1) 纯电阻类,通电的目的只用于发热,如电暖气电热水器等.(2) 非纯电阻类:通电后电能转化为机械能同时线圈散热,如电风扇等带电动机的电器电阻。 1.2.2 电热器的热能计算电热器(1)若是纯电阻电路:因为它几乎是纯电阻电路，所以公式为p=vi。v是电压，i是电流。功率主要是和电阻率有密切联系的。一般来说，同材质的电热丝，直径越大，电阻越小，功率也越大。也就是说绕成线圈后，线圈的大小和形状对功率没有太大的影响。(2)若是非纯电阻电路:1、首先需要确定升温时间（h）和温度差（度），多长时间从多少度升到多少度,这个参数很重要。如果时间要求很短，那要求的加热功率可能就很大，浪费能源；如果时间长了，设备的准备时间就长，需要一个平衡点。2、主体设备内空气的体积（立方米），包括管道，估算一下。3、空气比重1.16（kg/m3），比热0.24kcal/kg.4、还有加热效率，一般0.50.6。按下列公式计算：加热功率（kw）=（体积x比重x比热x温度差）/（860x升温时间x效率）。物体电热能计算公式：电热 q=i2rt=iut=pt ，其中，电压符号u， 电流符号i ，电阻符号r ，r叫做物体的电阻系数或是电阻率，它与物体的材料有关，在数值上等于单位长度、单位面积的物体在20时所具有的电阻值。常见导体的电阻率 常见导体的电阻率材料20时的电阻率（m）银0.016 铜0.0172 金0.022 铝0.029 锌0.059 铁0.0978 铅0.206汞0.958 碳25康铜（54%铜，46%镍）0.50 锰铜（86%铜，12%锰，2%镍）0.431.2.3 电热器热效应参数电介质中出现的热电效应(见热电性)的逆效应。热电体的温度变化时其极化强度会发生变化；另一方面如果在绝热条件下施加外电场来改变热电体的极化强度，则其温度亦会发生变化；后者称为电热效应，类似于顺磁体的绝热去磁（见磁热效应）。绝热去磁是获得1k以下低温的重要方法,利用绝热去极化也可以获得致冷,目前用氯化钾或氧化铷晶体掺杂，可获得由1k附近到mk级致冷。 与绝热去磁相比，绝热去极化因为不需要强磁场而只需电场，在技术设备上要简单得多。由热力学知在绝热条件下施加于电介质的外电场改变e时,其温度变化limt0（s）t=0式中p为热电系数矢量，为电场等于零时单位体积电介质的热容量。在低温下随t3减小很快,因此借助于绝热去极化获得低温的方法十分有效。常用材料有srtio3、玻璃陶瓷及有机热电体如pvf及pvf2等。对于铁电体,当其电滞回线具有较窄的形状，回线面积较小时能产生较大的电热效应，这类材料电热效应都很小。例如：srtio3玻璃陶瓷，在10k时，e为20kvcm时，可获得30mk的致冷。其实极化率与温度有关的所有电介质都存在电热效应。现在初步证明，有可能利用铁电体的电热效应得到功率密度很高的热电换能，例如在60赫的电频率下，功率密度达106兆瓦米2。1.2.4 电热管金属管状电加热器元件（电热管），是在金属管中放入电热元件，并在空隙部分紧密填充有良好耐热性、导热性和绝缘性的结晶氧化镁粉，在经其它工艺处理而成。它具有结构简单，机械强度高、热效率高、安全可靠、安装简便、使用寿命长等特点。广泛适用于各种硝石槽、水槽、油槽、酸碱槽、易熔金属熔化炉、空气加热炉、干燥炉、干燥箱、热压模等装置。为什么摸通电的电热丝时感觉不到有电？当然我不是直接摸发热的电热丝。电饭锅上的电热板原理大致相同，而锅胆本身是金属做的，与电热板直接接触。 在正常情况下，如果不是电热锅其它的元件漏电，赤手摸锅胆感觉不到有电。而我用手摇发电机做过尝试，这个手摇发电机的功率较大，能电得人手麻痹。可是，在两个极之间接上一根金属线后，发电，再摸这根金属线就感觉不到有电了。如何验证优质电热器。 验证电热管优劣最直观的方法是：先将电热管表面擦净，然后接通交流220v电源，在空气中干烧，表面发红后断电，待电热管完全冷却后，用餐巾纸擦拭，白纸上应无黑色氧化粉末（未与空气中的氧气反应），说明为优质电热管。碳纤维发热体是本世纪最具有竞争力的高科技材料，它的出现在电热领域掀起了一场新的革命，碳纤维发热体替代金属发热体将成为一种必然的趋势。 电热管1.3 三相电热器工艺分析电加热器是一种消耗电能转换为热能，来对需加热物料进行加热。在工作中低温流体介质通过管道在压力作用下进入其输入口，沿着电加热容器内部特定换热流道，运用流体热力学原理设计的路径，带走电热元件工作中所产生的高温热能量，使被加热介质温度升高，电加热器出口得到工艺要求的高温介质。电加热器内部控制系统依据输出口的温度传感器信号自动调节电加热器输出功率，使输出口的介质温度均匀；当发热元件超温时，发热元件的独立的过热保护装置立即切断加热电源，避免加热物料超温引起结焦、变质、碳化，严重时导致发热元件烧坏，有效延长电加热器使用寿命。三相电的最大用途是驱动电热器。如果是单相或者两项交流电构不成稳定的具有固定旋转方向的旋转磁场，四相、五相甚至更多的相当然好，但费用昂贵不经济，那就只有选三相交流电了。三相电的产生是因为其能为电电热器带来较好的性能。三相并不是产生旋转磁场的最小相数，两个在空间上垂直，在相位上差90度的交流线圈同样可以产生旋转磁场，但这会造成电机极距下线圈无法均布，从而不但降低了电机容量，还会产生主磁场的严重崎变。三相供电系统具有很多优点，为各国广泛采用。在发电方面，相同尺寸的三相发电机比单相发电机的功率大，在三相负载相同的情况下，有利于电热器的工作；在传输方面，三相系统比单相系统节省传输线，三相变压器比单相变压器经济三相电应是工厂用的三相动力线，是三根火线，火线之间的电压是380v，而每根火线与零线是220v,也就是我们用的市电。三根火线相位不同，相差120度。第二章 三相电热器控制plc控制系统设计2.1 三相电热器控制程序流程图设计开始 判断coscos切在1位置cos切在2位置按键选择pb5按下是否风扇停止运转，电热器断电pl4动作按pbl，风扇运转mcl、pll闪烁，pl4熄灭。5秒后pll闪烁5次，pll亮，此时方可按pb2，电热器导电mc2、pl2动作按pb4时电热器断电，15秒后pll闪烁15次，风扇停止运转，pl4亮风扇运转mcl、pll动作，电热器导电mc2、pl2动作，pl4熄灭结束2.2 三相电热器控制程序设计思路1控制电路如图2-2所示。2cos切在1的位置。 (1) 按住pb5，风扇运转mcl、pll动作，电热器导电mc2、pl2动作，pl4熄灭。 (2) 放开pb5，风扇停止运转，电热器断电pl4动作。 (3) 此时按pbl、pb2、pb4均无作用。3cos切在2的位置。 (1) 按pbl，风扇运转mcl、pll闪烁，pl4熄灭。5秒后pll闪烁5次，pll亮，此时方可按pb2，电热器导电mc2、pl2动作。 (2) 按pb4时电热器断电，15秒后pll闪烁15次，风扇停止运转，pl4亮。 (3) 此时按pb5没有作用。4热继电器(thry)动作时，风扇停止运转，电热器断电，pl4亮，bz响，pl3闪烁on05s，off05s 。5热继电器先复位，警报同前bz响、pl3闪烁，按pb3，bz停响，pl3熄灭。6先按pb3时，bz停响，pl3亮；热继电器复位，pl3熄灭。第3章 三相电热器控制plc监控系统设计3.1 plc的介绍3.1.1 plc的概念早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(programmable logic controller,plc)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称pc。但是为了避免与个人计算机(personal computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称plc,plc自1966年美国数据设备公司（dec）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。3.1.2 plc结构plc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，基本构成为： a、电源 plc的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此plc的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将plc直接连接到交流电网上去 b. 中央处理单元(cpu) 中央处理单元(cpu)是plc的控制中枢。它按照plc系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、i/o以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当plc投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入i/o映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入i/o映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将i/o映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高plc的可靠性，近年来对大型plc还采用双cpu构成冗余系统，或采用三cpu的表决式系统。这样，即使某个cpu出现故障，整个系统仍能正常运行。 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 d、输入输出接口电路 1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是plc与现场控制的接口界面的输入通道。 2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用plc通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块。 f、通信模块 如以太网、rs485、profibus-dp通讯模块等。3.1.3 plc的工作原理一. 扫描技术 当plc投入运行后，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，plc的cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，plc以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入i/o映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，plc总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统ram存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i/o映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在i/o映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在i/o映象区或系统ram存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即i/o指令则可以直接存取i/o点。即使用i/o指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从i/o模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，plc就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照i/o映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是plc的真正输出。 3.2 plc与上位监控软件通讯上位机是指人可以直接发出操控命令的计算机，一般是pc,屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是plc/单片机之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般模拟量），转化成数字信号反馈给上位机。简言之如此，上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。在概念上，控制者和提供服务者是上位机，被控制者和被服务者是下位机，也可以理解为主机和从机的关系，但上位机和下位机是可以转换的，两机如何通讯，一般取决于下位机。tcp/ip一般是支持的。但是下位机一般具有更可靠的独有通讯协议，购买下位机时，会带一大堆手册光盘，告诉你如何使用特有协议通讯。里面会举大量例子。一般对编程人员而言一看就会，即使用新的api。多语言支持功能模块，一般同时支持数种高级语言为上位机编程。通常上位机和下位机通讯可以采用不同的通讯协议，可以有rs232的串口通讯，或者采用rs485串行通讯，当用计算机和plc通讯的时候不但可以采用传统的d形式的串行通讯，还可以采用更适合工业控制的双线的profibus-dp通讯，采用封装好的程序开发工具就可以实现plc和上位机的通讯。当然可以自己编写驱动类的接口协议控制上位机和下位机的通讯上位机基本结构3.3 上位监控系统组态设计在使用工控软件中，我们经常提到组态一词，组态英文是“configuration”，其意义究竟是什么呢？简单的讲，组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。与硬件生产相对照，组态与组装类似。如要组装一台电脑，事先提供了各种型号的主板、机箱、电源、cpu、显示器、硬盘、光驱等，我们的工作就是用这些部件拼凑成自己需要的电脑。当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥空间，因为它一般要比硬件中的“部件”更多，而且每个“部件”都很灵活，因为软部件都有内部属性，通过改变属性可以改变其规格（如大小、性状、颜色等）。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序（如使用basic、c、fortran等）来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软件几天就可以完成。组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态概念最早出现在工业计算机控制中。如dcs（集散控制系统）组态，plc（可编程控制器）梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。其实在其他行业也有组态的概念，人们只是不这么叫而已。如auto cad、photoshop、办公软件（powerpoint）都存在相似的操作，即用软件提供的工具来形成自己的作品，并以数据文件保存作品，而不是执行程序。组态形成的数据只有其制造工具或其他专用工具才能识别。但是不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。组态工具的解释引擎，要根据这些组态结果实时运行。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。虽然说组态就是不需要编写程序就能完成特定应用。但是为了提供一些灵活性，组态软件也提供了编写手段，一般都是内置编译系统，提供类basic语言，有的甚至支持vb。在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：wincc、ifix、intouch、组态王、力控、易控等。3.4 三相电热器控制plc监控系统梯形图0 71217232730m5x006 x000m102x006 m101m1x001 x006 x000y001m103m103 m5 t2 m101y001t1 k50m103 y002ti m103m2m100m2m103 m2m104y002 m5 m1 m104x002m102y002图3-1三相电热器控制plc监控系统梯形图结论与体会通过这次的课程设计，我亲身体会到三相电热器控制plc控制系统的艰辛和努力，在设计过程中，我遇到了不少困难，也有许多从未遇到的难题，但是我坚持并努力的克服了，在寻求答案的过程中我学习到了更多知识，这都是在这次课程设计中学习到的宝贵经验，相信在以后的学习生活中，我会继续运用好这种精神，让学习和工作变得更加有乐趣，也更加积极向上的学习新知识。通过这次设计实践。我学会了plc的基本编程方法，也更加了解了三相电热器控制系统，对plc的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到plc中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对plc 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。设计的过程本身就是收集知识和寻找答案的过程，这个过程中可能有时一筹莫展，有时无从下手，但是一旦找到了灵感，找到了方法，其实事情本来很简单，只是以前从来没有想到而已，所以，在以后的学习和工作中，试着尝试换一种方式，用崭新的思维重新思考下，或许就有了更大的收获。 参考文献1 张伟林.电气控制与plc应用m.北京:人民邮电出版社,2006.2 周美兰.plc电气控制与组态设计m.北京:科学出版社,2003.3 洪志育.例说plcm.北京:人民邮电出版社