【《燃油锅炉自动化控制PLC系统的设计案例》6100字】

3目录TOC\o"1-3"\h\u9942燃油锅炉自动化控制PLC系统的设计案例 1146771.1设计思路 1247091.2PLC可编程控制器原理分析 3238361.2.1PLC功能原理分析 398101.2.2特殊功能模块原理分析 334351.3主电路设计 4207021.1.1主电路控制设计 465261.1.2主电路控制程序设计 5202621.4水位自动控制系统设计 6261761.4.1液位继电器原理 611951.4.2水位自动控制主接线设计 667671.4.3水位控制程序设计 7290641.5压力自动控制系统设计 883861.5.1压力变送器原理 8154771.5.2伺服电动机概述 9226321.5.3压力自动控制主接线设计 9137841.5.4压力控制程序设计 10200591.6保护设计 11256711.6.1过流保护设计 11282451.6.2电源欠压保护设计 111.1设计思路本次设计采用PLC可编程控制器对燃油蒸汽锅炉实现自动控制。PLC运行可靠且不易受到外界因素的干扰，同时编程简单、适用性强、功能齐全，于众的自动化控制系统中起核心控制作用。本次对燃油锅炉系统的设计主要以以FX2N-64MR型PLC为核心，控制燃油锅炉的启动与停止，控制锅炉的水位和蒸汽压力值在安全范围内波动，以及实现保护部分的控制设计。燃油锅炉的工作离不开电机的控制。电机的种类很多，其中三相交流异步电动机的结构简单、运行可靠、经济、过载能力强，方便安装与维护。多个自动化控制领域都采用交流异步电动机进行控制。燃油锅炉系统的主电机选用的是交流异步电动机。燃油锅炉的主电机采用Y-D启动方式。电机启动时，启动电流一般可达到电机额定电流的4~7倍，启动电流过大，会影响电机的使用寿命，还会使电源电压产生波动，影响同一供电网络中其他设备的正常工作。因此，对于较大的电机需进行降压启动。Y-D启动时，定子绕组先Y形连接，此时每相承受的电压为220V，电机先以低速转动起来，后改为三角形连接，此时每项承受的电压为380V，电机全速启动[2]。这种启动方式在一定程度上避免了直接启动的弊端。Y-D启动的接线方式如图3-1所示。图3-1Y-D降压启动接线图燃油锅炉的保护部分有电机过流保护和电源欠压保护，过流保护部分采用电流互感器和电流变送器对线路电流大小进行检测，出现过流时PLC控制水泵、鼓风机、引风机和油泵电机停机，相应的声光报警系统发出报警，保证锅炉系统和工作人员的安全。电源欠压部分保护可通过低压断路器来实现（空气开关）。水位控制部分，采用液位继电器检测锅炉水位，PLC根据输入的水位信号信息输出相应的输出信号，控制水泵2正反转动作，像锅炉补水或排水，从而实现锅炉水位控制。压力控制部分，采用压力变送器检测锅炉汽包压力，将采集的压力信息输入PLC中，由PLC控制输出信，使相应电气设备动作以控制蒸汽压力保持在安全范围内。我选择的设计对象为10吨的燃油蒸汽锅炉，锅炉型号为：WNS10-1.25-Y。锅炉的技术参数为：额定蒸发量：10吨/小时额定蒸汽压力：1.25Mpa额定蒸汽温度：194℃给水温度：20℃设计热效率：100.1%设计燃油：轻油燃料消耗量：66.5.18Kg/h最大运输尺寸（L×W×H）：7.1×1.1×1.6（m）1.2PLC可编程控制器原理分析1.2.1PLC功能原理分析PLC因其可靠性高，操作方便、编译简单、功能齐全、体积小等特点被广泛用于工业等多个领域，可实现开关逻辑控制、运动控制等多种控制方式。PLC的硬件结构主要由内部CPU、ROM和RAM两大存储器、多个I/O接口、内部电源和外部设备组成。CPU读取内部程序指令，扫描输入接口信息，根据程序指令对读取的输入接口信息进行逻辑处理，处理结果由输出端口输出，控制外部设备执行相应动作。PLC的程序有两种形式，一种是指令表程序，另一种是梯形图程序，两种程序可相互转换并且一一对应。PLC拥有多个基本指令与特定功能指令，运用这些指令编写程序可满足所需所有控制要求的控制要求。FX2N-64MR型PLC是本次设计的控制核心，输入接口有32个，输出接口也有32个。内部继电器属于接点开关型，输出信号可以控制各种高低压信号，可以直接通过PLC输出来驱动灯负载，驱动单相马达，而不再需要借助外部继电器中转。本次设计中PLC的输出主要用来驱动灯、声光报警系统和220V交流接触器.1.2.2特殊功能模块原理分析PLC的特殊功能模块包括模拟量输入输出模块、通讯模块等[2]，这些特殊功能模块可解决一些主机I/O无法解决的实际工程问题，使PLC功能更加完善，扩大其使用范围。在本次燃油锅炉系统设计中，运用了PLC的模拟输入模块（AD），选用的数模转换模块型号为FX2N-4AD。因此，这里通过FX2N-4AD数模转换器为例进行介绍。FX2N-4AD数模转换器的输入通道一共有4个，即CH1、CH2、CH3和CH4。电压和电流模拟量由这四个通道输入AD模块，4个通道可同时使用。工作时电压/电流模拟量由输入通道输入转换器，转换器将模拟量转化为12位二进制数形式的数字量，通过拓展总线传给PLC主机，再由主机进行分析并作出并给予相应输出。表3-1FX2N-4AD技术指标表项目电压输入电流输入模拟量输入范围直流：-10V~10V直流：-20mA~20mA数字量输出范围-2048~2047（以16位二进制补码方式存储）分辨率5mA20μA综合精度±1%外接输入电源24（1±10%）V，55mA，可由PLC基本单元或拓展单元内部供电：5V，30mA模拟量用电源-10V~10V-4mA~20m或-20mA~20mA1.3主电路设计1.1.1主电路控制设计燃油蒸汽锅炉的主电路包括，鼓风机电机、引风机电机、水泵1电机、水泵2电机、油泵电机和伺服电机。鼓风机电机、引风机电机、水泵1和2电机采用Y-D启动方式，油泵电机直接启动。采用空气开关进行电源欠压保护。主电路接线图见附录2。图3-2鼓风机、引风机、水泵1主接线图锅炉启动时，由PLC可编程控制器控制进行启动控制，先启动水泵1、引风机、鼓风机和油泵，水泵2与伺服电机不启动。当需要对锅炉中的水位与汽包中的蒸汽压力进行控制时，水泵2与伺服电机才进行相应的动作。交流接触器KM1、KM2和KM3控制鼓风机Y-D启动和停止，KM4、KM5和KM6控制引风机Y-D启动和停止，KM7、KM8和KM9控制水泵1Y-D启动和停止，KM16控制油泵电机直接启动与停止。本次设计的对象为10吨燃油锅炉电机，经过查阅相关资料发现，一般10吨锅炉的油泵电机不会超过10KW，因此可以直接启动。鼓风机、引风机、水泵1、油泵按顺序启动，防止多台电机同时启动时流过电源线路的电流过大而跳闸。水位控制系统主要控制水泵2，以水泵2的正反转来控制锅炉水位，交流接触器KM10、KM11和KM12控制水泵2Y-D启动，启动为正传，KM11、KM12和KM13控制水泵2反转，当断开KM10闭合KM13时，水泵2由正转变为反转。压力控制系统主要控制伺服电机，控制伺服电机正反转来控制回油量，从而控制锅炉蒸汽压力。闭合KM16断开KM17伺服电机正转，反之伺服电机反转。1.1.2主电路控制程序设计锅炉的自动控制通过PLC内部程序实现，控制程序则根据设计要求和PLC外部接线进行编写。PLC左边输入端接按钮，按下按钮控制输入端口接，右边输出端接交流接触器线圈、指示灯和声光报警指示灯，PLC内部程序根据扫描到的输入信息控制输出端口输出控制信号，让接于输出端口的电气设备动作。PLC外部接线图见附录1。图3-3主电机的PLC外部接线图当按下电源总启动按钮SB1时X000闭合，Y020输出，电源信号灯亮，系统总启动，按下SB2系统总停，X001闭合，Y020停止输出，电源信号灯熄灭。X000与X001之间是互锁关系。所有电机的启动按钮，都在SB1按下的前提下才有效，按下SB2电源总停按钮后，所有电机停机。按下SB1后，再按下鼓风机启动按钮SB3，鼓风机启动。此时X002闭合，Y000和Y001同时输出，分别控制KM1和KM2闭合，此时为鼓风机Y启动。Y001输出的同时，定时器T0开始定时，定时3秒（K30）后Y002输出Y001复位，控制KM3闭合，KM2断开，电机由星形接法换为三角形接法，同时Y021有输出，鼓风机指示灯亮起。Y001与Y002为互锁关系，防止同时闭合电机短路。按下SB4后Y000、Y002和Y021复位，KM1和KM3断开、鼓风机指示灯熄灭，鼓风机停机。引风机与水泵1的启动方式与鼓风机相同，都是Y-D启动，且都是启动后一直处于工作状态，因此控制程序编写方式类似，不再一一赘述。按下油泵启动按钮SB9，油泵直接启动，X008常开闭合，Y014、Y023输出，控制KM14闭合，油泵指示灯亮起。按下SB10，Y014和Y023复位，KM14断开，油泵指示灯熄灭，油泵停机。水泵1、鼓风机、引风机、油泵电机启动成功后，按下点火按钮SB11，X011常开闭合，Y025有输出，控制点火变压器接通，瓦斯阀打开，锅炉点火。设置内部定时器T1定时5秒（K30），定时结束点火关闭，Y025复位。按下SB2按钮，锅炉停机，所有输入和输出复位。1.4水位自动控制系统设计1.4.1液位继电器原理液位继电器用于检测与控制水位的高低。主要利用的是液体的导电性。当液面达到需测试的高度时，控制回路由于水的导电性而接通，此时电源被接通形成回路，继电器动作，控制执行机构进行相应动作，达到自动控制的作用。自动控制系统一般由传感器、逻辑控制机构和执行机构组成，而液位继电器液位自动控制系统中充当传感器部分，液位的变化使液位继电器接通，向下位机传递液位信息，控制执行机构动作。本次设计采用液位继电器检测锅炉水位。液位继电器根据液位变化接通与断开，将其与PLC相连，控制PLC输入端口的通断，以此来控制输入不同的液位信息。PLC根据扫描到的液位信息，给予不同的输出，控制水泵2工作。1.4.2水位自动控制主接线设计锅炉水位允许在较大范围变动，因此在我采用水泵2的正反转来进行补水和排水操作，以此控制燃油锅炉的水位。水泵作为循环水泵，启动后一直处于工作状态向锅炉给水。当水泵1的给水量与炉内水的汽化量不平衡造成水位变动时，由水泵2进行相应的补水和排水。若水泵1出现故障停机时，水泵2可作为备用电机向锅炉给水。图3-4水泵1、2主接线水泵1与水泵2都采用Y-D降压启动方式启动。水泵1在锅炉启动时启动，先闭合交流接触器KM7与KM8（Y启动），电机低速转动起来后断开KM8，闭合KM9（三角启动），水泵1电机以额定转速工作。水泵2仅在需要进行水位控制时启动。当锅炉水位达到水位下限时，报警系统报警，水泵2启动，与水泵1一样采用Y-D降压启动方式，交流接触器KM10、KM11与KM12控制水泵2电机启动正转，向锅炉补水。当水位达到高水位时，需断开KM10，闭合KM13，水泵2反转排水。当锅炉水位达到危险水时，整个锅炉停机，待水位恢复正常后锅炉重新启动。1.4.3水位控制程序设计PLC内部程序，按照扫描到的不同水位信息，进行相应的输出，控制水泵2启停和正反转，实现水位自动控制。(a)（b）(c)图3-5水位控制部分PLC外部接线图当水位达到上限时，X012常开闭合，Y010和Y011输出，定时3秒后Y011复位，Y012接通，电机Y-D启动完成。Y011和1012之间是互锁关系。接触器KM11、KM12和KM13按Y-D启动方式闭合，启动后KM11和KM13闭合，KM12断开，水泵2正转排水。当水位达到下限时，由Y010和Y011输出，定时3秒后Y011复位，Y013接通，电机Y-D启动完成。控制KM11、KM12和KM13实现水泵2反转加水，程序控制方式与正转相同，另外Y027有输出，低水位声光报警。当水位达到危险水位，X014常开闭合，Y028输出，危险水位声光报警响起，同时控制电机启动运行的输出复位，锅炉急停。水位恢复正常值后，锅炉重新启动。1.5压力自动控制系统设计1.5.1压力变送器原理压力变送器是自动控制系统中常见的传感器设备，用于压力检测，主要将被测压力值转化为一点范围内的直流电压或电流值，输出给测量仪器进行压力检测，也可输出给数模转换器，换为数字量信号进行处理。图3-6压力变送器工作原理图变送器普遍的输出发范围有0~10V、0~20mA、4~20mA等，工业上使用得比较多的是4~20mA。一般根据被测压力值的大小和对输出信号的要求进行选择。在本次设计中，压力控制器用于检测锅炉汽包内蒸汽压力的大小，将其转化数字量信息输入给FX2N-4AD数模转换器。1.5.2伺服电动机概述伺服电动机有两类，一种是交流伺服电动机，一种是直流伺服电动机。交流伺服电机的原理与两相交流异步电动机类似，定子部分会有两个绕组，一个是励磁绕组，主要起励磁作用，一个是控制绕组，控制电机驱动负载转动，两个绕组之间有90°的相位差。当控制电压信号的大小和极性发生改变时，电机的转速和转向将发生改变，从而起到调速和实现正反转的作用。图3-7伺服电机绕组结构图伺服电机常用于自动控制系统中，由电压脉冲控制启停和转动角度，受到一个脉冲电流，就会转动一个脉冲对应的旋转角度，可以实现较为精确的位移控制。1.5.3压力自动控制主接线设计燃油锅炉压力自动控制，需要将汽包蒸汽压力值控制在一定范围内，以保证蒸汽质量。汽包蒸汽压力大小与燃烧的温度有关，燃烧产生的热量由燃油量和送风量都有关，但最主要的影响因数还是燃油量。因此本次设计的压力自动控制系统主要通过控制喷入燃烧室的喷油量来控制蒸汽压力。油泵将燃油收送入燃烧器，燃烧器将燃油雾化喷入锅炉燃烧室。本次设计的锅炉采用回油式机械雾化，燃油送入燃烧器后一部分会进入燃烧器的雾化室雾化，一部分由回油口进入回油管道，回流至油箱。回油式雾化燃烧器由于进入旋涡室的油压基本不变，油的雾化质量也不受影响。伺服电机通过PLC控制伺服电机正反转来控制回油阀的开度，从而控制喷油量，以达到控制蒸汽压力的目的。图3-8油泵电机、伺服电机接线图油泵在点火前采用直接启动方式启动，启动时交流接触器KM14闭合。按下QA启动伺服电机，交流接触器KM15和KM16分别控制伺服电机正反转。选用压力变送器检测汽包蒸汽压力值。压力变送器将检测到的压力转变为2~4mA的直流信号，AD转换器将该模拟信号转变为PLC可以识别的数字号输入PLC中，PLC将该压力信号与事先设定好的压力上限和下限值进行比较。当压力达上限值，PLC闭合KM15，伺服电机正转，减小喷油量；压力达下限值，闭合KM16，伺服电机反转，增大喷油量。1.5.4压力控制程序设计压力控制系统主要由压力变送器、AD数模转换模块、PLC和伺服电机来实现。PLC外部接线如图3-9和图3-10所示。图3-9压力控制部分PLC输入接线图3-10压力控制部分PLC输出接线压力变送器将检测到的汽包蒸汽压力值转化为-10V~10V范围内的压力信号，将该压力信号输入FX2N-4AD数模转换模块的CH1通道中。AD将该压力信号转换为数字量信号，通过数据总线输入PLC中。FX2N-4AD的CH1通道输入电流变送器的输出量，CH2通道输入压力变送器的输出量，CH3、CH4通道则处于关闭状态，因此初始状态设置为H3301。FROM指令读取FX2N-4AD模块中的数字量，将读取的数字量存入到PLC内部D0~D199的16位内部寄存器中。CMP比较指令将存入的数字量与设定好的压力剩下限值进