基于PLC控制的电锅炉控制系统.doc

连云港职业技术学院 毕毕 业业 设设 计计 题目 基于 PLC 控制的工业锅炉控制系统 作者 XX 学 号 XXXXXXXX 院 系 机电工程学院 专业班级 电气自动化 091 指导教师 XXX 副教授 校内 XX 工程师 校外 2012 年 5 月 29 日 连云港职业技术学院 毕业设计 I 基于 PLC 控制的工业锅炉控制系统 摘要 锅炉是特种压力容器设备 它是化工 发电 供热 炼油和制糖等工业及民用部 门必不可少的重要的动力设备 随着计算机控制技术的飞速发展和广泛应用 锅炉的 控制系统和方式越来越引起人们的重视 而且对控制系统的要求越来越高 工业锅炉 实现自动控制可以将锅炉的水位 温度 压力等参数控制在规定的范围内 并能自动 适应负荷的变化 从而使锅炉安全可靠经济的运行 本论文通过对工业锅炉电气系统主回路进行分析 计算出电动机 断路器 交流 接触器 继电器 变送器 电缆线等主要电器的参数后 再选择了相应电器的型号及 具体数据 然后相应设计出工业锅炉的压力控制系统 水位控制系统 在综合考虑系 统的精度 效率以及经济性等的因素之后 最终确定以 PLC 为控制核心 本毕业设计过程包括工业锅炉电气控制系统程序 用计算机绘制电气主电路图和 PLC 外围接线图等 关键词关键词 工业锅炉 水位控制 压力控制 PLC 连云港职业技术学院 毕业设计 II Based on the PLC control in industrial boiler control system Abstract Boiler is a special pressure vessel equipment it is chemical power generation heating oil and sugar and other industrial and civil departments indispensable important power equipment Along with the computer control technology of the rapid development and extensive application of the boiler control system and the way people pay more and more attention but also to the control system of the increasingly high demand industrial electric heating boiler automatic control of boiler water level can be temperature pressure and other parameters control in the specified range and can automatically adapt load change so that the boiler safe and economic operation The present paper through to the industrial boiler electrical system main circuit analysis calculate the motor AC contactor breaker relay transmitter cable and other electrical parameters and then select the corresponding electric models and specific data Then the corresponding design of industrial boiler pressure control system water level control system Considering the system precision efficiency and economy and other factors finally determined with PLC as the control core This graduation design process including electric boiler electric control system for computer aided drawing program the main electrical circuit diagram and PLC external wiring diagram Key Words industrial boiler water level control pressure control PLC 连云港职业技术学院 毕业设计 目 录 摘要 I ABSTRACT II 第一章 文献综述 1 1 1 课题研究目的 1 1 2 工业锅炉的概述 2 1 2 1 锅炉的基本构造 2 1 2 2 锅炉的基本组成 2 1 2 3 锅炉的工作原理 3 1 3 锅炉自动控制的发展 3 1 4 本文的研究方向 4 第二章 技术方案的选择 5 2 1 方案论证 5 2 1 1 方案 1 5 2 1 2 方案 2 5 2 1 3 方案 3 5 2 2 方案选择 5 2 3 程序的设计思路 6 第三章 PLC 基础知识 8 3 1 PLC 的概述 8 3 2 PLC 的组成 8 3 3 PLC 的工作过程 8 3 4 FX2N 4AD 模拟转换器 9 第四章 设计工业锅炉电气控制系统 12 4 1 锅炉的电气控制系统的介绍 12 4 1 1 锅炉自动控制的任务 12 4 1 2 程序控制 12 连云港职业技术学院 毕业设计 4 1 3 锅炉保护装置 13 4 2 锅炉主要电气设备的计算及选择 13 4 2 1 电动机的选择 13 4 2 2 热继电器的选择 13 4 2 3 接触器的选择 14 4 2 4 断路器的选择 14 4 2 5 电缆线的选择 15 4 3 水位控制系统及压力控制系统的设计 15 4 3 1 工业锅炉水位控制系统 15 4 3 2 工业锅炉压力控制系统 18 4 4 电源欠压 过压及电机的过流保护的设计 22 4 4 1 电压变送器 23 4 4 2 电流变送器及电流互感器 23 4 4 3 欠压 过压 过流保护的实现 24 第五章 结论 27 谢 辞 28 参考文献 29 附 录 1 30 附 录 2 31 附 录 3 32 连云港职业技术学院 毕业设计 1 第一章 文献综述 随着计算机和控制理论的发展 锅炉控制技术 6 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 一80 之间 锅 炉的热效率降低 由于电热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 锅炉是特种压力容器设备 3 它是化工 发电 供热 炼油和制糖等工业及民用部门必不可少的重要的动力设备 随着计算机 控制技术的飞速发展和广泛应用 锅炉的控制系统和方式越来越引起人们的重视 而 且对控制系统的要求越来越高 任何一种优质的锅炉如果没有相对应的控制装置 则 无法完全体现锅炉的优点 控制系统的水平已经成为衡量锅炉好坏的一个至关重要的 指标 在实际运行中 控制的方式及控制运行的程度是保证锅炉高效运行的必要保证 如果没有先进的控制 锅炉的高效率就无从谈起 随着控制理论的发展 对锅炉的控 制方法也层出不穷 其中PLC控制得到了很大的发展 PLC编程简单 使用方便 现场 安装调试的时间短 因此其控制理论在锅炉控制中受到了越来越多的重视 1 11 1 课题研究目的课题研究目的 随着生产的发展 锅炉日益广泛的应用于工业生产的各个领域 成为发展国民经 济的重要热工设备之一 在现代化的建设中 能源的需求是非常大的 然而我国的能 源利用率极低 所以提高锅炉的热效率 具有极为重要的实际意义 随着计算机控制 技术的飞速发展和广泛应用 锅炉的控制系统和方式越来越引起人们的重视 而且对 控制系统的要求越来越高 任何一种优质的锅炉如果没有相对应的控制装置 则无法 完全体现锅炉的优点 控制系统的水平已经成为衡量锅炉好坏的一个至关重要的指标 工业锅炉自动控制的任务主要是维持锅炉的水位 压力等物理参数在规定的范围内 并能自动适应负荷的变化 从而使锅炉安全可靠经济的运行 本课题的主要目的就是 开发一套安全可靠 性能优越的锅炉的控制系统 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 连云港职业技术学院 毕业设计 2 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 21 2 工业锅炉的工业锅炉的概述概述 锅炉 主要包括 锅 和 炉 两部分 16 锅 是指锅炉中盛水或蒸汽的承压 部分 吸热的部分称为锅 它的作用是吸收炉中燃料放出来的热量 把水加热到一定 的温度和压力 炉 是指锅炉中燃料燃烧的部分 产生热量的部分称为炉 它的作 用是尽量地把燃料内的热能全部释放出来 传递给锅内物质 锅炉设备中 例如过热 器 省煤器等吸热的部分可以看成是锅 而炉膛 燃烧器 燃油泵 送 引风机可以 看成是炉 1 2 1 锅炉的基本构造 锅炉工艺流程图见下图所示 图1 1 锅炉工艺流程图 由上图可知 燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧 生成的热量传递给蒸汽 发生系统 产生饱和蒸汽D5 然后经过热器 形成一定汽温的过热蒸汽 汇集至蒸汽 母管 过热蒸汽 经负荷设备调节阀供给生产负荷设备用 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 连云港职业技术学院 毕业设计 3 1 2 2 锅炉的基本组成 工业锅炉主要由下列几部分构成 气锅 由上下锅筒和三簇沸水管组成 水在管内受管外烟气加热 在管簇内发生 自然的循环流动作为连接沸水管之用并逐渐汽化 产生的饱和蒸汽聚集在上锅筒里边 下锅筒同时储存水和水垢 炉子 是使燃料充分燃烧并放出热能的设备 由供油系统和油枪组成 过热器 是将气锅产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器 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 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 为保证锅炉的正常工作 锅炉还必须有一些辅助设备 包括以下几部分 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清除水中杂质 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 锅炉生产中所需要的温度 压力 流量 液位等检测仪表及各种自动控制装置 1 2 3 锅炉的工作原理 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 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 1 31 3 锅炉自动控制的发展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 连云港职业技术学院 毕业设计 4 的经验 几乎谈不到自动控制 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 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 41 4 本文的研究本文的研究方向方向 本系统在广泛收集资料的基础上 设计工业锅炉电气系统 主要电机采用 Y 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 论文中对工业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 电缆线等主要电器的功率 型号 等级等具体数据 并计算得出最佳型号 设计短路保护 电热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 连云港职业技术学院 毕业设计 5 第二章 技术方案的选择 2 12 1 方案论证方案论证 2 1 1 方案 1 采用 PLC 控制 经过长时间的发展和完善 PLC 的编程概念 4 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 PLC 是控制技术和计算机技术 11 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 2 1 2 方案 2 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 有一定差距 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 13 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 1 3 方案 3 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 连云港职业技术学院 毕业设计 6 2 22 2 方案选择方案选择 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 9 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 PLC 来完成对工业锅炉电气控 制系统的设计 2 32 3 程序的设计思路程序的设计思路 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 3 见图 2 1 详细程序梯形图见附录 3 连云港职业技术学院 毕业设计 7 图 2 1 系统流程图 连云港职业技术学院 毕业设计 8 第三章 PLC 基础知识 3 13 1 PLCPLC 的概述的概述 1987 年 2 月国际电工委员会 IEC 颁布了草案 8 对可编程序控制器有了明确的 概念 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为工业环境下应用而设 计 它采用了可编程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作指令 并通过数字量和模拟量的输入和输出 控制各种类型机 械的生产过程 而外围设备 都应按易于与工业系统联成一个整体 易于扩充其功能 的原则设计 上述定义明确强调了 PLC 直接应用于工业环境 必须具有较强的抗干扰能力 广 泛的适应能力和应用范围 使区别于一般微机控制系统的一个重要特征 3 23 2 PLCPLC 的组成的组成 PLC 实质上是一种工业控制计算机 15 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 图 3 1 PLC 结构图 3 33 3 PLCPLC 的工作过程的工作过程 PLC 的工作过程是一个不断循环的顺序扫描工作方式 每一次扫描所用的时间称为 连云港职业技术学院 毕业设计 9 扫描周期或工作周期 CPU 从第一条指令开始 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 10 上电处理 扫描过程 出错处理 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 如图 3 2 所示 图 3 2 PLC 工作过程 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 43 4 FX2N 4ADFX2N 4AD 模拟转换器模拟转换器 1 特点 提供 12 位高精度分辨率 4 通道电压输入 10V 10V 或 电流输入 20 20mA 每一通道都可以指定电压或电流输入 FX2N 最多可连 接 8 台 FX2N 4AD 的性能指标如表 3 1 所示 表 3 1 FX2N 4AD 的性能指标 电压输入 电流输入项 目 根据是电流输入还是电压输入 使用端子有不同 连云港职业技术学院 毕业设计 10 模拟量输入范围DC 10 10V 输入电阻 200K 绝对最大电压输入 V15 DC 20 20mA 输入电阻 250 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 A 20mA 1 1000 综合精确度 相对于最大值 1 转换速度15ms 1 4 通道 高速转换方式为 6ms 1 4 通道 隔离方式光电隔离及采用 DC AC 转换器使输入和 PLC 电源间隔离 模拟量用电源DC24 110 V55mA 输入输出占有点 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 14 的基本单元与 FX2N 4AD 之间的数据通信是由 FROM TO 指令来 执行的 FROM 是基本单元从 FX2N 4AD 读数据的指令 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 的缓冲寄存器 BFM 进行的操作 缓冲区 由 32 个 16 位的寄存器组成 编号为 BFM 0 31 FX2N 4AD BFM 分配表如表 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 HOOO0 最低位数字控制通道 1 最高位控制通道 4 其中 O 0 时设定输入范围 10 10V O 1 时设定输 入范围 4 20mA O 2 时设定输入范围 20 20mA O 3 时关闭该通道 1通道 1 2通道 2 3通道 3 4通道 4 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 5通道 1 6通道 2 7通道 3 8通道 4 采样输入的平均值 9通道 1 10通道 2 11通道 3 采样输入的前值 连云港职业技术学院 毕业设计 11 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 b7b6b5b4b3b2b1b0 22零点和增益的调节 G4O4G3O3G2O2G1O1 23零点值 24增益值 需要调整的输入通道由 BFM 22 的 G O 增益 零点 位 的状态指定 例如 若 BFM 22 的 G1 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 错误状态信息 29 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 FROM 指令读入 FX2N 4AD 的为 K2010 31 没使用 连云港职业技术学院 毕业设计 12 第四章 设计工业锅炉电气控制系统 4 14 1 锅炉的电气控制系统的介绍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 甚至会发生满水事故 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 1 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 电热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 则可以进行电热 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 可电热雾 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 连云港职业技术学院 毕业设计 13 4 1 3 锅炉保护装置 工业锅炉的水位 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 24 2 锅炉主要电气设备的计算及选择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 我选择 Y 系列电动机 7 作为电热锅炉的主 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 其功率范围 11 200KW 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 4 2 1 电动机的选择 根据本次毕业设计要求 我设计一个 15t 工业锅炉 通过查找相关数据及文献资 料 我选择三相异步电动机作为锅炉的主要电机 其功率型号为 引风机电机 型号 Y225M 4 额定功率 45KW 额定电流 84 2A 额定转速 N P N I 1480r min N n 鼓风机电机 型号 Y180L 4 额定功率 22KW 额定电流 42 5A 额定转速 N P N I 1470r min N n 水泵电机 型号 Y180M 4 额定功率 18 5KW 额定电流 35 9A 额定转速 N P N I 1470r min N n 喷油泵电机 型号 Y100L2 4 额定功率 3KW 额定电流 6 8A 额定转速 N P N I 1420r min N n 4 2 2 热继电器的选择 1 热继电器类型及电流选择 用热继电器的目的是为了发挥电动机的过载能力 2 保证电动机的正常启动和运 转 当电动机一旦出现长时间过载时能自动切断电路 热继电器在电路中是做三相电 动机的过载保护用 热继电器的额定电流应大于电动机额定电流 然后根据该额定电 连云港职业技术学院 毕业设计 14 流来选择热继电器的型号 2 热元件额定电流的选择和整定 热元件的额定电流应略大于电动机额定电流 当电动机的启动时间较长 拖动冲 击性负载或不允许停车时 热元件整定电流调节到电动机额定电流的 1 1 1 15 倍 这 里选择 1 15 倍 引风机电机 IFR3 IN 1 15A 84 2 1 15A 96 83A 鼓风机电机 IFR4 IN 1 15A 42 5 1 15A 48 88A 水泵电机 IFR1 IN 1 15A 35 9 1 15A 41 29A 喷油泵电机 IFR5 IN 1 15A 6 8 1 15A 7 82A 4 2 3 接触器的选择 1 选择接触器的类型 根据电路中负载电流的种类选择 这里的控制系统中是交流负载 直流电动机或 直流负载的容量较小 所以选用交流接触器来控制 但触点的额定电流应选得大一些 2 选择接触器主触头的额定电压应等于或大于负载的额定电压 3 选择接触器主触头的额定电流 被选用接触器主触头的额定电流应不小于负载 电路的额定电流 也可根据所控制的电动机最大功率进行选择 4 根据控制电路要求确定吸引线圈工作电压和辅助触点容量如果控制线路比较简 单 所用接触器的数量较少 则交流接触器线圈的额定电压一般直接选用 380V 或 220V 综上所述 再根据查找的相关资料 我选择的主要电机的热继电器及其接触器如 下 引风机电机 热继电器 JR20 160 接触器 CJ20 100 160 鼓风机电机 热继电器 JR20 160 接触器 CJ20 100 160 水泵电机 热继电器 JR20 63 接触器 CJ20 40 63 喷油泵电机 热继电器 JR20 10 接触器 CJ20 10 主要电路接触器 KM0 选择 CJ20 100 160 4 2 4 断路器的选择 低压断路器有 DZ 系列和 DW 系列等 DZ5 系列为小电流系列 其额定电流为 10 50A DZ15 系列为大电流系列 其额定电流等级有 100A 250A 和 600A 三种 它在 连云港职业技术学院 毕业设计 15 电路中可以起短路保护作用 根据设计要求 我选择 DZ15 系列断路器 DZ15 系列塑壳断路器适用于交流 50Hz 380V 或直流 220V 及以下的配电线路中用来分配电能和保护线路及电源设备的过 载 欠电压和短路 以及在正常工作条件下不频繁分断和接通线路之用 根据查找相关资料 我选择的低压断路器如下 引风机电机 DZ15 100 4 鼓风机电机 DZ15 63 4 水泵电机 DZ15 63 4 喷油泵电机 DZ15 40 4 4 2 5 电缆线的选择 直接启动的电机进行设计选择电缆时 可以是选用一根三芯电缆 并且电缆的截 面积可以直接根据电机的额定电流进行选择 而 Y 启动的电机在进行设计选择电缆 时 最少需要两根三芯电缆 并且每根电缆的截面都应该是相同的 每根电缆的截面 积应该根据电机额定电流的 0 6 倍来选择 引风机电机 IN 0 6A 84 2 0 6A 49 44A 鼓风机电机 IN 0 6A 42 5 0 6A 25 5A 水泵电机 IN 0 6A 35 9 0 6A 21 54A 喷油泵电机 IN 0 6A 6 8 0 6A 4 08A 总电路电流为 49 44A 25 5A 21 54A 4 08 A 100 56A 据自己查找的电缆线的有关型号参数 选择的电缆线的型号及规格如下表所示 表 4 1 电缆线型号及规格 电机引风机电机鼓风机电机水泵电机喷油泵电机 型号BVBXFBVRBVR 截面积6mm21 5mm21 5mm20 75mm2 总电路电缆线选择型号 BV 截面积 16mm2 4 34 3 水位控制系统及压力控制系统的设计水位控制系统及压力控制系统的设计 4 3 1 工业锅炉水位控制系统 工业锅炉控制系统中 水位的控制至关重要 蒸汽锅炉需要一定的蒸汽空间 水 位要控制在一定的高度 所以对锅炉的水位要有及时的控制 当电热锅炉的水位过低 时 锅炉的给水泵打开 向锅炉中进水 当到达危险水位时 锅炉停止运行 当锅炉 连云港职业技术学院 毕业设计 16 的水位过高时 给水泵停止运行并且排水 为了保证锅炉的安全运行 必须设计有一 备一用两个给水泵 连云港职业技术学院 毕业设计 17 图 4 1 为一备一用两水泵电机星 三角起动主电路图 图 4 1 一备一用两水泵电机星 三角起动主电路图 连云港职业技术学院 毕业设计 18 一备一用两水泵电机采用星 三角起动方式 其继电器控制线路如图 4 2 所示 图 4 2 水泵电机继电器控制图 连云港职业技术学院 毕业设计 19 按下起动按钮SB2 KM1线圈得电 其主触点闭合 水泵电机1接通 水泵电机 2断开 同时KM3线圈和时间继电器KT线圈得电 他们的触头闭合 水泵电机1Y起 动 当时间继电器定时时间到时 其常开触头闭合 常闭触头断开 KM3线圈失电 水泵电机1D起动 如果水泵电机1出故障 则起动水泵电机2 过程和前面一样 由于传统的继电器控制动作速度慢 可靠性差 所以我们采用动作速度快 可靠性 高的PLC来控制水泵的起停及运作过程 工业锅炉水位控制系统的PLC外围接线原理图设计如图4 3 图4 3 工业锅炉水位控制系统的PLC外围接线原理图 4 3 2 工业锅炉压力控制系统 压力是锅炉的重要参量 压力控制的精度直接决定锅炉的效率 压力太高和太低 都将影响锅炉的正常运行 甚至有可能照成锅炉烧坏 因此锅炉对压力的要求很高 最好是能恒压运行 直接影响锅炉压力因素有很多 其中最主要的是喷油嘴的进油量 和鼓风机的鼓风量 因此要通过压力的检测来控制电热量和风量 反过去控制锅炉压 力 本课设用伺服电机的正反转来控制喷油嘴的进油量 其控制过程是自动完成的 工作时 安装在管网上的压力变送器将实测的管网压力反馈到 PLC 与预先设定的给定 压力进行比较 将结果转换成开关量后输出控制继电器线圈的通与断 从而给伺服电 机一个转动的信号以驱动伺服电机正反转 伺服电机转动控制调节阀的开度 从而控 制进油量的大小 以保持管网压力与给定压力值的一致 实现恒压供油 连云港职业技术学院 毕业设计 20 1 压力控制系统相关硬件介绍 3051 压力变送器 工作原理 工作时 高 低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传递给灌充液 接着灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上 传感膜片是一个张紧的弹性元件 其位移随所受压而变化 对于 GP 表压变送器 大气压如同施加在传感膜片的低压侧一 样 AP 绝压变送器 低压侧始终保持一个参考压力 传感膜片的最大位移量为 0 004 英寸 0 1 毫米 且位移量与压力成正比 两侧的电容极板检测传感膜片的位 置 传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流 电压或数字 HART 高 速可寻址远程发送器数据公路 输出信号 本论文要求设计的锅炉的容量为 15 吨 根据要求我选择锅炉型号为 WNS10 1 25 Y Q 其参数如下 额定蒸发量 15t h 额定蒸汽压力 1 25MPa 额定蒸汽温度 194 选择符合其的压力变送器型号为 3051PG 3051PG 型压力变送器主要技术参数如下 量程 0 0 062Pa 13 8MPa 综合精度 0 05 输出信号 4 20mA 1 5V 0 8 3 2V 供电电压 6 12V DC 膜片耐温 300 伺服电机 伺服电动机又称执行电动机 在自动控制系统中 用作执行元件 把所收到的电 信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出 分为直流和交流伺服电动机两大类 其主要特点是 当信号电压为零时无自转现象 转速随着转矩的增加而匀速下降 伺 服电动 机不仅具有起动和停止的伺服性 而且具有转速的大小和方向的可控性 伺 服电动机的控制方法有三种 一是幅值控制 即保持控制电压的相位不变 仅仅改变 其幅值来进行控制 二是相位控制 即保持控制电压的幅值不变 仅仅改变其相位来 进行控制 三是幅 相控制 即同时改变控制电压的幅值和相位来进行控制 交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同 在定子上有两个相空间位移 90 电角度的励磁绕组 UF 和控制绕组 UC UF 接一恒定交流电压 利用施加到 UC 上的 交流电压或相位的变化 达到控制电动机运行的目的 交流伺服电动机具有运行稳定 可控性好 响应快速 灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格 要求 分别小于 10 15 和小于 15 25 等特点 连云港职业技术学院 毕业设计 21 图 4 4 为交流伺服电机的电气原理图 如上图所示 当任意一个绕组所加的电压反相时 电压倒相或两个断头换接 则流过该绕组的电流也反相 因而旋转磁场的转向改变 这样电机的转向也发生改变 因此就可以控制伺服电机使其反转 图 4 5 伺服电机主电路图 当接触器触头 KM14 得电闭合时 伺服电机得到一个正转的控制信号 就相应的正 转起来 以便控制油泵调节阀的开度 使其开度变小 减小调节阀的出油量 类似的 当接触器触头 KM15 得电闭合时 伺服电机反转 增大油泵调节阀的开度 增大出油量 直到压力恢复正常时 伺服电机不再动作 以达恒压供油的目的 伺服电机转过的角 度由 PLC 编程来控制 更改程序设置即可改变旋转的角度 2 压力控制系统原理图设计 用传统的继电器控制工业锅炉压力系统的线路图 4 6 所示 连云港职业技术学院 毕业设计 22 图 4 6 继电器控制工业锅炉压力系统的线路图 先合上引风机的起动按钮 SB2 起动引风机 先是 Y 型联结 稳定运行后变为 D 联 结 接着起动鼓风机 起动顺序和引风机一样 最后起动喷油泵电机 油泵电机为直 接起动方式 鉴于工业锅炉的组成和控制要求 继电器控制的精度达不到要求 所以我们运用 PLC 及相关器件设计如图 4 7 所示锅炉压力控制电路原理图 连云港职业技术学院 毕业设计 23 图 4 7 锅炉压力控制电路原理图 锅炉的采样压力经过压力变送器降压变成电压后送进 PLC 的 A D 模块 经过 A D 转换后跟正常的压力设定值比较 如果采样压力大于设定值 则 PLC 要输出一个信号 给接触器线圈 M14 伺服电机得到一个正转的信号 开始正转以控制调节阀的开度 使 出油量变小一点 反之则 PLC 输出一个信号给接触器线圈 M15 从而伺服电机得到一个 反转的信号 开始反转以控制调节阀的开度 使出油量变大一点 以达到控制压力在 一定范围的目的 实现恒压供油 因为我选择的锅炉型号为 WNS10 1 25 Y Q 即 额定蒸发量 10t h 额定蒸汽 压力 1 25MPa 选择的压力传感器型号为 3051PG 其量程 0 0 062Pa 13 8MPa 输出 信号选 1 5V 所以 1 25 5 13 8 0 45V 即锅炉内压力超过 0 45V 和低于 0 45V 都 为不正常 要起动伺服电机来控制压力 使之正常 4 44 4 电源欠压 过压及电机的过流保护的设计电源欠压 过压及电机的过流保护的设计 在本次毕业设计中 主要电机的过流 电源的欠压 过压保护的控制是采用 FX2N 连云港职业技术学院 毕业设计 24 的扩充模块 FX2N 4AD 转换器来实现的 其过程为先将线路电压或电流分别送入电压变 送器或电流变送器 经过降压处理 再送入 FX2N 4AD 转换器中 对模拟信号进行数字 化处理 用程序对电压或电流的采样值与设定值进行自动比较控制 PLC 的输出 当电 压大于设定值的 1 15 倍时 PLC 输出 产生过压保护 即过压报警灯亮 过压报警器 响 当电压小于设定值的 0 75 倍时 PLC 输出 产生欠压保护 即欠压报警灯亮 欠 压报警器响 同样也设定电机额定电流的一个标准值 与参考值比较 当电流大于设 定值的 1 05 倍时产生过流跳闸 同时产生声光报警信号 4 4 1 电压变送器 三相交流电压变送器 12 是一种将交流电压转换成按比例输出的与负载无关的直流 电流或电压的装置 广泛的应用在电力 石化 油田 冶金 自控等各个需要电量测 量的行业 在这里选择了 PAS U3 交流电压变送器 其型号用 PAS U3 V6 P5 O4 U3 代表的 是三相交流电 V6 代表输入电压范围为 0 500V P5 代表加 AC220V 电源 O4 代表的 是输出范围为 0 5V 4 4 2 电流变送器及电流互感器 电流互感器它的工作原理和变压器相似 它的特点是 1 一次线圈串联在电路 中 并且匝数很少 因此 一次线圈中的电流完全取决于被测电路的负荷电流 而与 二次电流无关 2 电流互感器二次线圈所接仪表和继电器的电流线圈阻抗都很小 所 以正常情况下 电流互感器在近于短路状态下运行 电流互感器一 二次额定电流之 比 称为电流互感器的额定互感比 KN I1n I2n 因为一次线圈额定电流 I1n 己标准化 二次线圈额定电流 I2n 统一为 5 1 或 0 5 安 所以电流互感器额定互感比亦已标准化 KN 还可以近似地表示为互感器一 二次线圈的匝数比 即 KN N2 N1 式中 N1 N2 为一 二线圈的匝数 电流互感器的作用就是用于测量比较大的电流 当电流超过一定数值 时 电度表和其它测量仪表应经电流互感器接入电路 使测量仪表及工作人员避免与 大电流回路直接接触 从而保证仪表及人身的安全 在仪表制造方面也易做到标准化 且可利用互感器任意扩大测量范围 仪表的准确度也容易提高 LA 10Q 电流互感器为 半封闭式浇绝缘 户内型产品 适用于交流 50Hz 10KV 及以下线路中 供电流 电能功 率测量以及继电保护用 我选用额定电流为 100 5 的 LA 10Q 型电流互感器 即它的匝 数比为 KN N2 N1 1 20 我选择 LA 10Q 型电流互感器和 D2 PTC1 AC 电流变送器 连云港职业技术学院 毕业设计 25 表 4 2 为我所选的电流变送器型号参数 表 4 2 电流变送器型号参数 型号及规格 D2 PTC1 AC 电流变送器 辅助供电电压110 240 V AC 20 24 48 110 220 V DC 20 耗电3 5VA AC 4VA DC 输入值 I in0 1 A AC 0 5 A AC V inN A DC 输出 单 双 0 1mA 0 5mA 0 10mA 0 20mA 4 20mA 0 5V 0 10V 信号输出 NO单 可选择双输出 响应时间小于 500 毫秒 输入 输出隔离直流电 温度0oC 至 55oC 4 4 3 欠压 过压 过流保护的实现 先将线路电压或电流送入三相交流变送器 对电压和电流进行转换 根据上面的 选择输入电压范围为 0 500V 输出电压为 0 5V 例如 设定电网的额定电压为 380V 根据要求 其过压时的电压为额定电压的 1 15 倍 欠压时的电压为额定电压的 0 75 倍 所以过压时电压 UN 380V 1 15 437V 欠压时电压 UN 380 0 75 285V 经 过三相交流变送器后 其 U N1 4 37V U N2 2 85V 即输入 FX2N 4AD 模拟转换器的 过压电压为 4 37V 欠压为 2 85V 而电流变送器输入电流范围为 0 5A 输出电压 选 0 5V 本设计中共用到五个电机 要求每个电机都要设计其过流保护 在这里我选 择一个电机作为代表设计它的过流保护 其他电机的过流保护可以用类似的方法设计 对引风机来说 他的额定电流为 84 2A 根