【《燃油锅炉的单片机控制系统设计案例》15000字（论文）】

第页燃油锅炉的单片机控制系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u41571绪论 1132361.1课题研究背景与意义 149101.2燃油锅炉发展现状 139201.3燃油锅炉发展前景 288771.5课题设计要求 228131.5本章小结 2321962燃油锅炉的结构与原理分析 3106172.1燃油锅炉的组成 3175862.2燃油锅炉的工作原理 4227012.2.1燃油锅炉的启动过程 4270652.2.2燃油锅炉的水位控制 455852.3.3燃油锅炉的蒸汽压力控制 4248982.3本章小结 519053燃油锅炉自动化控制系统设计 6215843.1设计思路 6257613.2PLC可编程控制器原理分析 7285013.2.1PLC功能原理分析 7314723.2.2特殊功能模块原理分析 7309533.3主电路设计 8288873.3.1主电路控制设计 8304453.3.2主电路控制程序设计 942803.4水位自动控制系统设计 1077173.4.1液位继电器原理 1022093.4.2水位自动控制主接线设计 10264513.4.3水位控制程序设计 11116403.5压力自动控制系统设计 12159473.5.1压力变送器原理 1210833.5.2伺服电动机概述 1388673.5.3压力自动控制主接线设计 13108653.5.4压力控制程序设计 1438183.6保护设计 15161343.6.1过流保护设计 15252263.6.2电源欠压保护设计 15141193.7本章小结 16112004主要电气设备的参数计算及选型 1799454.1主电机的型号参数计算及选型 17231194.2交流接触器的参数计算及选型 188604.3断路器的参数计算及选型 19268434.4热继电器的参数计算及选型 20219154.5电缆线的选型 21148644.6电流互感器的选型 22177264.7电流变送器、压力变送器的选型 2240944.7.1电流变送器 22268984.7.2电压变送器 23305434.8本章小结 23286405模拟样机的设计、制作与调试 2433985.1模拟样机功能设计 2433185.2模拟样机的制作 25324295.2.1模拟样机的PLC程序设计 25117515.2.2电气元件的安装与接线 26202375.3模拟样机的调试 28274665.3.1线路通断检测 28130445.3.2程序的仿真与下载 29298305.3.3模拟样总调试 29238235.3.4调试结果总结 30304445.4本章小结 30238996自我评价 31170687结论 3317514参考文献： 3529446附录1：燃油锅炉PLC接线图 3624699附录2：燃油锅炉电机主接线图 3726925附录3：燃油锅炉模拟样机PLC控制程序 381绪论锅炉设备的自动控制系统可以很好地保证生产过程中的安全与稳定，对提高生产效率也有很大的帮助。而且现在处处提倡节能减排，绿色发展，使用燃油锅炉对锅炉行业的绿色发展有很重要的意义。随着科技的发展，PLC的功能更加完善，它可以满足多种自动控制系统的要求，被运用于我国多个行业领域。燃油锅炉的自动控制除了可以代替人工工作内容以外，还能很灵活的检测锅炉工作过程，出现对任何异常情况可及时作出正确反应，保证系统可靠运行。面对当前我国的资源和环境境况，广泛推崇使用燃油锅炉代替现有的燃煤锅炉，推进对燃油锅炉的使用范围，是一个不错的选择。节能与与环保是不容忽视的问题。科学技术的不断发展，使自动化系统的发展越来越好，燃油锅炉的自动化系统被设计得越来越完善，逐渐避免了锅炉系统原的一些弊端，能更好的适应国家工业发展的需求。燃油锅炉自动化控制系统的设计，在节能减排上有着非常重要的意义。2燃油锅炉的结构与原理分析2.1燃油锅炉的组成燃油锅炉的组成分为主体部分和辅助部分。主体部分是由燃烧器和锅炉本体组成的。油燃烧总是首先把燃料油雾化成200~250μm的油雾液滴，以扩大油的蒸发表面积，提高油的蒸发速度，实现油蒸汽的燃烧[1]。燃料燃烧得越充分，转化为热量的效率也就越高。锅炉主体部分则包括燃烧室（炉膛）、水冷壁、锅筒、汽包、过热器、省煤器、空气预热器、炉墙等部分组成。燃油锅炉的正常运行还需要辅助设备的加入，其中包括把水送入锅炉内进行加热的水泵；向燃烧室内送入风，为燃烧提供足够氧气的鼓风机；把燃烧产生的烟雾和杂质颗粒排除燃烧室的引风；向燃烧室送入燃油的油泵。燃油锅炉的点火装置也是辅助设备之一。由点火变压器和瓦斯阀控制燃油锅炉的点火过程。燃油锅炉燃烧的燃料主要是燃油，一般为柴油、机油、煤油等。使用燃油锅炉应注意油的雾化，风与油的配比，同时加强油的过滤，防止杂质堵塞喷嘴[1]。图2-1燃油锅炉结构图燃油在锅炉燃烧室燃烧，产生的热量使炉内温度升高，锅炉中的水被高温加热变为水蒸气，由蒸汽出口引出进行利用。在这个过程中，锅炉内的蒸汽压力会随着炉内蒸汽量的而变化，此时就需要控制蒸汽压力值在一定范围内，以保证产生的蒸汽质量。锅炉内的水泵会不断向锅炉注水，同时锅炉内的水也会因化为蒸汽而不断消耗。2.2燃油锅炉的工作原理2.2.1燃油锅炉的启动过程燃油锅炉可分为燃油热水锅炉或燃油蒸汽锅炉。无论是热水锅炉还是蒸汽锅炉，都是以燃油为燃料进行燃烧，给锅炉内的水进行加热，实质上就是进行了能量转换，将燃油的能量燃烧的热量。不同的是燃油热水锅炉输出的是热水，而燃油蒸汽锅炉输出的则是蒸汽。燃油锅炉在启动前需要先进行扫风。打开燃烧室的烟道挡板和风道挡板，以引入新鲜空气和排除燃烧室内的残存可燃气体与杂质。扫风时先由大风向燃烧室内扫风，然后改为小风扫风。扫风结束后方可进行锅炉的启动操作。先启动鼓风机和引风机，两者分别向燃烧室（炉膛）进行送风和引风工作，为燃烧过程提供足够的氧气和排出燃烧产生的烟雾，引风机排出的烟雾需经过处理净化后方可排出。启动油泵向燃烧器送燃油。燃油需先经过预热器预热，预热后由油泵送入燃烧器，燃烧器将燃油雾化后喷入燃烧室进行燃烧。当鼓风机、引风机和油泵成功启动后，打开瓦斯阀，由点火变压器接通进行点火，燃烧室进入正常燃烧，锅炉正常燃烧后关闭点火。鼓风机、引风机和油泵成功启动后，接通点火变压器，打开瓦斯阀，由点火变压器产生电火花点燃进行引燃。燃烧时先子火后母火，当燃油成功燃烧后关闭子火母火。点火成功后锅炉进入正常燃烧状态。锅炉停机步骤为：先关闭燃油预热器，再关闭油泵停止喷油，然后让鼓风机与引风机继续工作一段时间进行清炉，清炉结束后关闭鼓风机与引风机，关闭水泵，锅炉停机。当锅炉发生异常情况时，按照正常停机步骤停机，异常情况排出后，锅炉重新起燃。2.2.2燃油锅炉的水位控制燃油锅炉内的水位由两个量决定，一个是水泵向锅炉的注水量：水泵把水送入锅炉中，锅筒内水位升高，这与所选用水泵电机的功率大小有关；一个是锅炉能内水的汽化量：锅炉内的水因被加热化为水蒸气而减少，水位下降，这则与锅炉燃烧室内的燃烧强度有关。当注水量与水的汽化量达到平衡时，炉内水位保持不变，当两者不平衡时，炉内水位将发生变化，此时就可能出现低水位、高水位和危险水位的情况。当达到低水位时，需要加大对锅炉的给水量，达到高水位时则排水，达到危险水位时，会影响锅炉工作的安全性，因此需要声光报警，整个锅炉停机，当水位恢复至标准水位时，再重新启动锅炉。2.3.3燃油锅炉的蒸汽压力控制蒸汽压力是锅炉的重要参数之一，蒸汽压力达不到要求值会严重影响锅炉的工作质量。锅炉产生的蒸汽大部分会汇于汽包中，在整个工作过程中需时刻检测汽包中的蒸汽压力，压力过大会有安全隐患，压力不足则会影响产品质量，也会造成较大的损耗，因此需要将汽包内的蒸汽压力值控制在一定数值范围内，保证锅炉安全高效运行。影响蒸汽压力的主要因素是燃烧室内的燃烧强度，即燃烧产生的热量，而燃烧强度由风机的送风量和燃料的多少决定，但最主要的影响因素还是燃油的喷油量。因此一般可通过控制喷入燃烧室的燃油量的多少来控制蒸汽压力。压力达到上线值时，减少燃料量，压力达到下限值时，增加燃油量。2.3本章小结本章主要对燃油锅炉系统的结构组成进行介绍，详细分析了燃油锅炉的工作过程以及水位控制与压力控制的原理，为下文设计燃油锅炉自动控制系统做准备。3燃油锅炉自动化控制系统设计3.1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）：7.1×3.1×3.6（m）3.2PLC可编程控制器原理分析3.2.1PLC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.3.2.2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~20mA3.3主电路设计3.3.1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。3.3.2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。3.4水位自动控制系统设计3.4.1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。3.4.2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。3.4.3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。3.5压力自动控制系统设计3.5.1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。3.5.2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。3.5.3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。3.5.4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行比较，比较结果由PLC内部3个连续继电器接通来表示。PLC根据比较结果控制Y014和Y015是否输出，从而控制伺服电机正反转。要注意的是，在编写比较指令之前需用ZRST指令对比较结果进行清零或清除。3.6保护设计3.6.1过流保护设计电机在工作过程中，可能会因为负荷过大等原因，导致实际流过电机的电流大于额定电流，对电机造成损害，甚至可能会引起火灾。因此往往会设计电机的过流保护，避免电机过流时造成严重危害。应注意的一点是，过流保护在设计时要躲过电机启动的最大电流动作，以免电机启动引起保护误动。图3-11电流互感器图形符号本次设计通过电流互感器、电流变送器、FX2N-64MR型PLC和FX2N-4AD转换器来实现电机的过流保护。电流互感器接于电机电源进线端，将主线路上的电流转化为小电流，电流变送器则检测电流互感器二次侧的电流，将其转化为AD转换器可接受的小电流，并输入AD转换器，AD转换器将电流模拟量转化位数字量输入PLC中，PLC识别该数字信号，通过比较指令与事先设置好的电机额定电流的1.1倍数值进行比较，大于设定值，则PLC输出信号控制水泵、鼓风机、引风机和油泵电机停机，同时输出声光报警信号。3.6.2电源欠压保护设计当线路电压不稳定、大型设备启动时电流过大等原因引起电源电压下降至额定额电压以下，且低于额定电压一定值时，就会出现电源欠压现象，需设置电源欠压保护，切除电源，避免造成更严重的危害和损失。图3-12空气开关（低压断路器）图形符号本次设计中，将空气开关接于三相电源线路，对主电路三相电源进行电压保护。空气开关又称低压断路器，其操作简单，安全可靠，且可重复多次使用，目前在多个场合普遍使用空气开关对线路进行保护。3.7本章小结本章主要内容是对燃油锅炉自动控制系统的具体设计。包括对主电路接线的设计、控制回路的设计和PLC程序的设计和保护部分的设计。其中还加入了对PLC可编程控制、AD模块、电流互感器、电流变送器、电压变送器、液位继电器、伺服电动机的简单介绍。4主要电气设备的参数计算及选型4.1主电机的型号参数计算及选型电机型号的选择尤为重要，应根据需驱动的负载来选择合适的电机容量，若所选电力功率过大，投资不经济，且电机将长期运行于欠载状态，电机的工作效率和功率因数都会比较低；若所选电机功率过小，电机将长期工作于过载状态，严重影响电机的使用寿命。交流异步电动机选择时应注意：电机的机械特性需根据负荷特性进行选择，以达到生产要求。根据负载大小选择电机的额定功率根据线路电源大小选择电机的额定电压电机的工作环境也是考虑因素之一三相交流异步电动机的额定功率计算公式为：4-1由公式4-1可得出交流异步电动机额定电流计算公式：4-2燃油锅炉的水泵、鼓风机、引风机和油泵都选用三相交流异步电动机。Y系列交流异步电动机适用于驱动没有特殊要求的设备，如机床、泵、风机等，有效力高、节能经济、安全可靠等优点。而10吨燃油锅炉所用鼓风机的电机功率一般为21KW左右，引风机的功率一般为45KW左右，比鼓风机功率稍大一些。水泵电机功率一般为18KW左右，本次设计使用两台水泵，且水泵2会作为水泵电机1故障时的备用电机，因此两台水泵会选用相同功率。油泵电机一般为3KW左右。根据Y系列电机参数表对电机型号进行选择。表4-1电机型号选择结果锅炉电机电机型号额定功率（KW）额定电流（A）转速（r/min）效率（%）功率因素cosφ鼓风机Y180L-42242.5147091.50.86引风机Y225M-44584.2148092.30.88水泵1Y180M-418.535.91470910.86水泵2Y180M-418.535.91470910.86油泵Y100L2-436.8142082.50.81鼓风机额定电流：；引风机额定电流：；水泵1、水泵2额定电流：；油泵额定电流：。4.2交流接触器的参数计算及选型在本次设计中，交流接触器主要用于控制三相交流异步电动机启停和正反转，属于三相负荷，交流接触器选择原则为：根据负载的性质进行选择，接触器的电压等级要按照负载电压等级进行选择。交流接触器的额定电流不能小于负载的实际电流。本次设计的负载为电机，故交流接触器的额定电流不能小于所驱动负载的启动电流。要满足线路短路时的热稳定和动稳定校验。交流接触器的额定电流要比负荷的额定电流大，一般大1.25倍左右。可根据电机的额定电流计算出交流接触器的额定电流。计算公式如下：（4-3）鼓风机的交流接触器KM1、KM2、KM3额定电流计算：引风机的交流接触器KM4、KM5、KM6额定电流计算水泵1、2的交流接触器KM7、KM8、KM9、KM10、KM12、KM13的额定电流计算：油泵的交流接触器KM14的额定电流计算：图4-2交流接触器选型指南CJ2010产品型号额定电流代号交流接触器10、46、25、40、63、100、160、250、400、630根据交流接触器额定的计算结果，结合图4-1的交流接触器选型指南，对交流接触器型号进行选择，结果汇总于表4-3。表4-3交流接触器选型结果表名称鼓风机的交流接触器引风机的交流接触器水泵1、2的交流接触器油泵的交流接触器接触器型号CJ20-100CJ20-160CJ20-40CJ20-104.3断路器的参数计算及选型低压断路器（也称空气开关）用于电路的接通和分断，会对线路起保护作用，主要是短路保护、电源欠压保护、过载保护等。它的型号选择一般要满足以下要求：额定电压要根据线路额定电压等级进行选择，不能低于线路的额定电压。额定电流要根据负载额定电流进行选则，不能低于负载的额定电流。燃油锅炉系统工作交流50HZ、380V电源，控制线路为220V。查阅相关资料得到，DZ15系列塑壳断路器适用该燃油锅炉的主电路控制系统。DZ15系列断路器能很好的实现线路的电能分配，线路保护以及控制线路通断。选择断路器时，断路器额定电流一般需大于线路电流的1.2~2倍，本次设计中选用1.5倍计算断路器额定电流计算公式为：（4-4）鼓风机断路器QF1的额定电流计算：引风机断路器QF2的额定电流计算：水泵1、2断路器QF3、QF4的额定电流计算：油泵断路器QF5的额定电流计算：表4-4DZ10系列断路器型号及参数表型号壳架等级额定电流额定工作电压（V）额定频率（Hz）DCAC额定电流220VTms380VcosφDZ10-100100交流3805010560.715、20、30、40、50、60、80、100DZ10-100100交流38050105100.5DZ10-100100交流38050105120.3DZ10-250250交流380502010200.3100、120、140、170、220DZ10-600600交流380502515250.25表4-5DZ15系列断路器型号及参数型号壳架额定电流/A额定电压/V极数脱扣器额定电流/ADZ15-40/1DZ15-40/2DZ15-40/3DZ15-40/4402200380234DZ15-63/1DZ15-63/2DZ15-63/3DZ15-63/4632200.63380234DZ15-100/3DZ15-100/4100380380.1004根据断路器额定电流整定结果，结合表4-4和表4-5的DZ系列断路器型号参数，我对燃油锅炉自动控制系统主电路的断路器进行了型号选择，结果如下表：表4-6断路器选型结果名称型号名称型号QFDZ10-250/4QF3DZ15-63/3QF1DZ15-63/3QF4DZ15-63/3QF2DZ15-100/3QF5DZ15-40/34.4热继电器的参数计算及选型热继电器是通过其内部热元件受热形变来实现对电机电路的断路控制，电流热效应产生的热量超过其允许的最大值热继电器才会动作。热继电器的额定电流值按电机额定电流值选择，整定电流值为电机电流的0.95~1.05倍。计算公式为：（4-5）D启动的电机，热继电器按1/倍电机额定电流进行选择。计算公式为：（4-6）鼓风机线路热继电器QF1额定电压计算：引风机线路热继电器QF2额定电流计算：水泵1、2热继电器QF3、QF4额定电流计算：油泵热继电器QF5额定电流计算：图4-1JR20系列热继电器的型号及参数根据上文对热继电器电流的计算，在结合我对交流接触器的选择，我参考了图4-3中的参数，对本次设计中电机的热继电器进行了选择。选择结果如表4-5。表4-5热继电器选型结果电机名称鼓风机引风机水泵1水泵2油泵热继电器型号JR20-160JR20-160JR20-63JR20-63JR20-104.5电缆线的选型选择电缆线需根据电路连接方式和所流通电流来选择。本次设计中的电源为380V的三相电源，电机采用Y-D的接线方式，因此选择两根以上三芯电缆线。电缆线的截面积需根据线路流通的电机额定电流来确定。通过查阅相关资料，结合所选电机的额定电流，我对电缆线进行了选择，结果如下表：表4-7电缆线选择结果电机名称鼓风机引风机水泵1、2油泵电缆线型号BLX-3×16mm2BLX-3×70mm2BLX-3×16mm2BLX-3×3mm24.6电流互感器的选型电流互感器用于将线路电流降为小电流方便测量与检。因此在选择时要注意，电流互感器的额定电压必须大于装设点线路的额定电压。变比的选择应根据线路实际流过的电流与测量、检测要求进行选择。型号额定一次电流（A）准确级组合额定短时热电流（Ith）（kA）额定短时热电流（Ith）（kA）额定动稳定电流（Idyn）(kA)0.20.510P10LA-10LA-10Q30/5、50/5、100/5、75/5、50/5、200/50.5/10P105101590160300/522.540.5400/53055500/5600/5800/540721000/55090图4-8LA型电流互感器型号参数根据上文电机的额定电流的大小，电流互感器选择LA-10Q型，其二次额定电流为5A，适用于50HZ、10KV以下线路的电路测量与保护。详细参数见图4-4。4.7电流变送器、压力变送器的选型4.7.1电流变送器电流变送器接于电流互感器二次侧，将二次侧的交流电流信号转化为AD数模转换器输入电流范围内的电流或电压信号，以便进行数模转换。本次设计使用的是FX2N-4AD型数模转换器，它的输入电流范围为直流的-20mA~20mA，而上文中所选电流互感器二次侧输出电流为5A。经过查阅资料以及结合电流变送器上下两级电气设备的参数，我选择D2PTC1AC型电流变送器。4.7.2电压变送器电压变送器与电流变送器类似，将被测电压信号转化为-10V~10V范围内直流量的电压信号，输入FX2N-4AD型数模转换器中。一般压力变送器的输出为0~5V直流电压或4~20mA直流电流。我选用了PAS-U3-V5-P5-O4型三相交流电压变送器。该型号变送器原边输入电压为0~450V，供电电压为AC220V，输出为0~10V直流电压。4.8本章小结本章内容是对燃油锅炉自动控制系统主要电气设备的参数计算与选型。主要是根据电机的额定电流计算主要电气设备额定电流的计算，并根据计算内容进行选型。5模拟样机的设计、制作与调试5.1模拟样机功能设计本次设计中，模拟样机的制作是一个重点。由于我的能力有限，材料条件有限，模拟样机不能完全模拟整个锅炉控制过程。锅炉的启动过程中，鼓风机、引风机和水泵1都是Y-D启动投入工作，不需要改变运行状态，因此仅对鼓风机的Y-D启动和油泵电机的直接启动进行模拟。水位控制部分，仅对水泵2的正反转控制进行模拟，采用按钮模拟不同的水位。压力控制部分和过流保护部分，采用电位器模拟压力变送器和电流变送器的输出量，采用PLC内部24V作为电源进行供电。PLC的输入输出接口功能分配如下表5-1。表5-1输入端口功能分配表输入端口端口元件功能X000SB1总电源启X001SB2总电源停X003SB3鼓风机启X004SB4鼓风机停X005SB5点火X006SB6油泵启X007SB7油泵停X011SB8高水位X010SB9正常水位X012SB10低水位X013SB13危险水位表5-2部分输出端口功能分配表输出端口端口元件功能Y000灯13总电源启动Y001灯12总电源停止Y036灯1水泵1指示灯Y014KM1鼓风机启动Y015KM2鼓风机YY016KM3鼓风机DY013KM4启动油泵Y010灯4点火指示灯Y031灯14伺服电机正转Y030灯15伺服电机反转Y020KM5水泵2（正转）Y021KM6水泵2YY022KM7水泵2DY023KM8水泵2（反转）Y034灯10水泵2正转指示灯Y035灯11水泵2反转指示灯Y007报警1过流报警Y005报警3低水位报警Y006报警2危险水位报警PLC输出端接入接按钮，作为电机启动按钮、点火按钮和模拟不同的水位，输出端接鼓风机水泵2和油泵交流接触器、指示灯和声光报警指示灯。两个电位器模拟压力变送器和电流变送器两者的输出值。用一个空气开关进行电源的欠压保护。所需元件清单如表5-2所示。表5-3样机材料清单元件名称数量FX2N-64MR1台FX2N-4AD1台按钮12个绿色指示灯12个红色指示灯1个黄色指示灯1个声光报警指示灯3个220V交流接触器8个导线若干根线槽若干条电位器2个5.2模拟样机的制作5.2.1模拟样机的PLC程序设计设计好样机模拟内容后，根据设计的输入输出接口功能情况，我使用GXworks2软件进行程序编写和调试。编写程序过程中，主要注意了以下问题：输出之间的互锁关系。Y型接法的接触器与D型接法的接触器之间的互锁，电源启停之间的互锁，电机正反转之间的互锁。启动过程的先后顺序。先启动鼓风机，后启动油泵，点火必须在鼓风机与引风机启动之后，点火无效。按下电源启动键后，电机才能启动，否则启动不成功。使用PLC内部辅助继电器与数据寄存器时，注意不可重复使用。选用定时器时，注意所选定时器的定时时间设置。编写AD模块内部数据读取部分的程序时，注意AD模块初始状态的设置。每一次比较指令之后要注意对比较结果进行复位清零。编写Y-D启动部分的控制程序时，断开Y型接法的接触器与合上D型接法的接触器两个动作不能同时进行，需设置0.1秒的延时，防止电源线路短路跳闸。本次设计使用到的指令有：SET置位指令、RST复位指令、ZRST区间复位指令、CMP比较指令、TOP脉冲执行指令、FROM特殊功能模块读出指令。使用的特殊辅助继电器有：M8000、M8002。GXworks2软件编程方式，我采用了梯形图编程模式。编辑好程序后将程序进行编译，检查程序是否符合逻辑规范。在程序中加入注释方便分析和修改。编好的程序进行调试仿真成功后才能下载到PLC中。我使用GXworks2软件调试菜单中的“模拟开始/停止”功能进行程序仿真。改变按钮的当前值来模拟按下按钮操作，观察是否有对应的输出，发现问题后需要结束仿真模式，进入写入模式才可进行程序修改。模块样机详细程序见附录3。5.2.2电气元件的安装与接线安装样前先准备需用到的使用工具，如剥线钳、剪线工具、钻孔机、螺丝钉、螺丝刀、万用表等。使用交流接触器前是否正常，确定使用的交流接触器是常开接触器还是常闭接触器，使用错误会影响样机的正常运行。接线时先大致分配好PLC、元器件和线槽的排布位置。由于我选的板子是偏长方形的，因此我初步设计，板子从左到右分别是交流接触器，按钮和信号灯，PLC和AD模块，交流接触器。按钮和信号灯上下排布，AD模块接于PLC尾部。在接线完成三分之二时，我发现设计并不完善，重新添加了部分按钮与接触器，打乱了原先的排布，由于时间比较紧张，因此并未将板子拆掉重新排布安装，而是在保留原先接好的部分前提下，进行调整，将添加的部分加入样机板子。模拟样机最终排布图如图5-1所示。图5-1模拟样机排布图模拟样机接线时要注意的问题是：输入输出线与地线的颜色要区分开来，底线最好使用黑线比较明显值观。380V三相电源的每一相要采用不同颜色的线进行区分。注意把握好线的长度，保持样机的美观性。设计好走线方式，防止出现短路。接线端口需拧紧，防止松动引起接触不良的情况。220V交流接触器接线时，现阶220V线路，再接380V的线路。PLC主机位置确定好之后，将其固定在板子上，AD部分紧贴PLC主机尾部安装。接线时，先接220V线路，后接380V线路。PLC输入输出端口的其他元件接好线，然后固定好元件位置，预计好将其接到PLC端口所需的线长，尽量留出余长，然后接入PLC主机端口。元件的输入端接PLC主机的输出端口，元件的输出端接入PLC的L接口。380V线路主要接入交流接触器，空气开关一端接入380V电源，另一端接出连接交流接触器，按照主电路图连接方式接线，最后接入电机接口端子。PLC主机的L、N接口接入220V交流电，COM1~COM6端口接在一起后接入N端口。输入端元件一端接PLC的输入接口，另一端接入输入的COM端，交流接触器一端接PLC的对应输出端，另一端接输出的COM端，输出端的所有COM端都接PLC的N端。PLC内部的24V直流电源向AD模块供电，接线方式为：将AD模块的+24端口接入PLC主机的+24V端口，AD模块-24端口接入PLC的COM端口。图5-2模拟样机实物图为了达到美观性，模拟样机的所有接线都要求通过线槽走线。但由于我准备地线不够，且中途增加了模拟内容，导致板子偏小，样机的380V并未通过线槽走线，尽量保持直角走线，保证板子的观赏性。5.3模拟样机的调试5.3.1线路通断检测线路通断检测，主要检测线路是有短路或断路情况。一般出现线路短路或断路情况的原因可能是因为以下几个原因：接线端点螺丝松动，线路接触不良而断路。线路接线错误，引起线路短路。未接到对应的输入输出端口。元件输入输出端口反接。使用万用表对线路通断进行检测。将万用表拨到蜂鸣器档，红黑表笔分别接到待检测线路的两端，蜂鸣器响则线路接通良好，反之则说明线路存在断路情况，此时需要检测该线路是否有松动，是否接线正确。排除故障后再进行下一段线路的检测。对于不联通的线路，需要检测是否出现短路情况，检测方法类似，当蜂鸣器发出响声，说明两段线路存在短路。在对模拟样机线路进行检查时，发现的问题是：控制电机Y-D启动的交流接触器接线出现短路情况。主要原因是380V为三相电源，走线条数较多，对电机主电路实际接线操作不熟悉。解决办法是对照样机的主接线图，认真分析每一线路的走向，从接入电源出发到电机接线端子，一一对照主接线图走线。5.3.2程序的仿真与下载接线检测完成后，将编写调试好的程序通过下载器写入到PLC中。写入程序需注意的问题有：确定计算机是否装有驱动程序，没有驱动程序无法将程序写入PLC中。确定下载器接入电脑的COM端口名称，可以在计算机设备管理器中查看。写入程序前，注意将PLC拨运行按钮到STOP位置，写入完成后再拨到RUN位置，模拟样机才能正常运行程序。在向PLC写入程序过程中发现，PLC在掉电一段时间后再次启动，会出现程序报错的问题，经过查询了解到可能是因为PLC内部电量不足的原因。需要在程序报错时重新写入程序即可解决。5.3.3模拟样总调试向模拟样机写入程序后，运行程序调试样机。交流接触器先不接上380V三相交流电进行调试，防止出现故障时电源跳闸或样机损毁，调试方式为按下样机上的按钮观察设计的功能是否能实现。调试过程如下：根据所写的程序，电机上电后总停按钮亮起，表示样机处于停机状态。按下电源启动按钮，水泵1指示灯是否亮起。按下电机启动按钮，对应的交流接触器是由动作，动作是否为电机Y-D启动方式。按下电机停止按钮，交流接触器是否恢复。按下油泵电机启动按钮，对应的直接启动接触器是否