【《基于PLC的导热油电加热控制系统设计》7300字（论文）】

目录页共48页第一章引言1.1课题来源及研究意义防爆加热器这种新型电加热产品吸取了90年代后期西方发达制造国家的基础技术，通过改进发展起来的。它应用广泛，用于石油，化工，电力等各行各业。它的发展取代了传统落后的蒸汽加热，燃油加热，恒功率加热等方法。大大提高了生产效率，填补了国内的工业生产空白，并在国际上遥遥领先。它有使用寿命长无环境污染能量传输效率高的优点，是一款非常良好的现代化电加热产品。1.2导热油电加热撬块系统的优势（1）有很好的节省能源功效：导热油电加热器利用自身高阻值合金的结构特点，结合热应变特性，可以自动调整发热功率和实时监控工艺设计温度，大大减小超温误差引起的能量损耗，从而达到了节能低碳的作用，而传统的电加热器没有这个功效。（2）使用的领域十分广泛：防爆电加热器大量用于加热气体和液体，如：氟化氢、氢气、氮气，原油、导热油、海水、甲苯等。（3）可以使用较长的时间，主要取决于以下两种因素：a、利用自身高组织合金材料的特点，有效地减小了原件超温发热的现象，并在表面设置过热保护装置，在电气控制部分配合的条件下，可以更加有效的限制发热元件的表面超温现象，特别适用于大功率的加热器。b、电热元件的表面热负荷较于国内传统的电热元件表面热负荷小了很多，比国家允许安全值更高。这是因为电热丝的直径和电热管的外径的表面热负荷越小，约不容易产生结垢、结焦的现象，从而大大增加了电加热器的使用年限。1.3主要研究内容电加热系统成撬块供应,撬块内配套相应的导热油泵、管路、仪表、阀门，加热系统工作时，由常温的导热油作为热媒体，通过导热油泵加压送入电加热器容器内，通过电加热器时采用流体热力学原理，它均匀地带走发热元件表面散发的大量热量，同时升高自身温度，最后在电加热系统内部进行闭路加热导热油,待导热油的温度上升到工艺温度后,打开加热系统进出口的高温阀门,送到用热设备,经用热设备卸热后,通过导热油泵,进入加热器，然后吸收热量,再传递给用热设备,就这样不断的重复，一个自动电加热循环系统就形成了，达到所需的工艺要求。下图1-1为加热器的工作原理图（可根据用户要求，不经过内部闭路循环，直接加热输送到用热设备）图1-1加热器工作原理图1.4方案选择1.4.1SCR电力调整器（可控硅）-4~20mAPID自整定控制（1）自动调整PLC内部的PID算法向SCR发送4-20mA的模拟量信号，从而控制SCR输出功率的大小，达到精准控制温度的合理性的要求。（2）控制便利

通过组合PLC的输出的模拟量信号与可控硅变流。以弱电控制强电，进行连续，可变和安全的控制。1.4.2PLC控制简单的闭环过程控制中，使用了SIMATIC

S7-1200所提供的三种带自动调节功能的PID控制回路。闭环运动控制SIMATICS7-1200控制器中提供了8路闭环运动控制。可以和Profinet/Profibus的伺服驱动器相互连接，或者模拟量驱动。下面是它们的优势。（1）安装易上手中小型自动化系统，完全可以利用小型定制SIMATIC

S7—1200可编程控制器满足其需求。在研发过程中特地考虑了系统、控制器、人机界面和软件整合的便利性。SIMATIC

S7-1200，只需要进行一次接线，因为其硬件都配备了可拆卸的端子板，所以它有效的节省了安装和调试过程中所需要的人力和时间。最重要的是，它操作简便，使组装硬件的过程变得更加简单。（2）控制速度快布尔运算执行速度：0.08us/指令移动字执行速度：1.0us/指令实数数学运算执行加法速度：1.78us/指令速度快，同步精准，满足设备控制需求，无延时，无抖动现象（3）抗干扰能力强PLC是当代大规模和超大规模集成电路的技术使用，故其生产工艺更加严格，制造工艺更加精细，先进的抗干扰技术也被其使用于内部电路。数字量信号在0.5KM需采用屏蔽电缆，0.3KM内采用非屏蔽。模拟量信号>100米屏蔽双绞线。所以拥有很高的抗干扰能力和可靠性。所以，本课题采用PLC控制。

第二章PLC简介和导热油电加热系统概述2.1PLC的简介在工业生产进程中，通过观察逻辑值的状态再进行下一步动作，并利用逻辑关系进行电保护开关值的顺序控制。然而，传统的继电器检测器系统具有明显的缺点，例如难以实现大量、复杂的布线、低速操作速度、可靠性低、复杂的控制，因此产生了可编程逻辑控制器PLC。PLC具备计算机控制（完美的功能、良好的柔软性和良好的普遍性）和继电器控制（简单理解、使用方便和便宜）的优点。那个有方便的程序设计。不仅完成逻辑运算、序列控制、定时、计数、算术运算，还具有数字或模拟量的I/O控制功能。

从上个世纪80年代到90年代，PLC的使用次数一日千里，年增长率从30%到40%。迄今为止，世界200多家制造商生产了超过300种PLC产品，其中PLC产品被用于汽车、谷物加工、药店、矿业和造纸等多个行业。2.1.1PLC的产生和发展西门子控制器系统可以根据应用的具体要求和预算进行灵活组合，是一个完整的基于PLC的控制器组合。中小型自动化系统，完全可以利用小型定制SIMATIC

S7—1200可编程控制器满足其需求。在研发过程中，考虑了系统、控制器、人机界面和软件的统筹协调和相辅相成。2.1.2西门子1200系列产品目前西门子1200系列产品，见下表2.1所示：表2.1西门子1200系列产品CPU1211C1211CPUAC/DC/Rly1211CPUDC/DC/DC1211CPUDC/DC/RlyCPU1212C1212CPUAC/DC/Rly1212CPUDC/DC/DC1212CPUDC/DC/RlyCPU1214C1214CPUAC/DC/Rly1214CPUDC/DC/DC1214CPUDC/DC/RlyCPU1215C1215CPUAC/DC/Rly1215CPUDC/DC/DC1215CPUDC/DC/RlyCPU1217C1217CPUAC/DC/Rly1217CPUDC/DC/DC1217CPUDC/DC/Rly2.1.3PLC的基本结构PLC的种类不胜枚举，但是构成却如出一辙，都是主要由电源、CPU、存储器和I/O接口电路等组成。PLC的基本结构见下图2-1所示。图2-1PLC基本结构图（1）电源220VAC电源或者24VDC电源常被PLC大量使用，PLC内部还有开关电源，它为PLC的中央处理器CPU、存储器等一些电路提供5V、12V或24V的DC电源，使PLC能正常的工作。本课题采用PLC：功耗14W，电压范围：85—264VAC继电器输入/输出：DC24V最大：30VDC（2）中央处理器控制器、寄存器和运算器共同组成了中央处理器。中央处理器是PLC不可缺失的部件，输入信号的采集、用户程序的执行、都是由它执行，并且可以接连不断的刷新系统的输出。（3）存储器PLC系统程序和用户程序都存储在存储器中，PLC存储器基本上都是可擦写的，这方便修改。100KB工作存储器（故障安全型125KB）/4MB装载存储器，可用专用SD卡扩展/10KB保持性存储器（4）I/O接口PLC与外部设备进行信息的交换，通过了I/O接口，PLC的中央处理器接收开关量或传感器的输入信号；外部电器进行通断电，是因为接收了输出接口电路对外部原件进行控制而发出的驱动外部执行元件信号。板载数字I/O:Input14/Output10模拟量板载：AI22.2导热油电加热系统概述2.2.1电气控制柜（1）电加热器系统采用1台电气控制柜控制，控制柜安装在低压配电室。（2）电加热器采用可控硅控制，无极调功控制，随时控制电加热器的升温速率。（3）控制柜盘面带有电压、电流指示，触摸屏显示，PLC控制及电源指示、工作指示、故障指示；（4）具有常规的电气保护，如：短路保护、过载保护、超温保护。图2-2为电气控制柜外观图。图2-2电气控制柜外观图2.2.2PLC控制通过PLC内部PID运算后输出4～20mA的电流信号至可控硅触发器来调节可控硅的输出，从而使电加热器输出功率随出口温度的变化而自动调整。2.2.3报警控制在电加热器内的电热管表面选择4个具有代表性的过热保护测温点，内部测温元件为PT100热电阻。PLC通过接收所测量到的温度信号，在电加热器出现超温报警时，利用PLC的连锁停止电加热器的工作，并同时发出报警信号。2.2.4联锁保护电气控制系统设有压力、流量、液位、温度等参数的联锁保护，确保电加热器在安全状态下工作。一旦其中任何一项参数出现报警，电控系统将立即停止电加热器工作，同时发出相应的报警信号。在膨胀槽上装有带远传信号的液位计，不仅可显示当前液位而且当槽内介质液位过低时可以发出报警信号。2.2.5人机界面本设备通过触摸屏设置介质的目标温度，报警参数，以及监测介质的温度的变化。同时监测设备的故障报警信息。2.2.6介质循环控制通过注油泵与导热油泵实现介质在容器内保持特定的液位以及在管道内的充分循环。

第三章基于PLC的加热系统的自动控制系统硬件设计3.1传感器设计本课题需要用到传感器监测介质温度/流量/压力的控制。固定于特定管道处的传感器向PLC发送4-20mA的电流信号，从而实时监测报告管道内的介质变化。PLC通过对该信号的处理做出相应的连锁保护和控制。传感器的接线图见下图3-1所示：图3-1温度传感器接线图3.2开关电源设计由于本设备中，变送器、PLC与触摸屏需要24V直流供电，因此我们需要用到开关电源，开关电源是将交流220V的电转变为直流24V的电源元器件，本设计中选用明纬EDR-120-24型号的开关电源，它可以稳定输出直流24V电压3.3介质自动循环控制设计本设计自动循环控制设计采用油泵与传感器通过PLC实现自动控制，见下图3-2油泵的电气原理图。断路器采用电机保护器并有断路器的OFF的检测，通过断路器辅助触点，油泵异常检测的辅助触点向PLC发送开关信号，实现对油泵主回路的监测。图3-2油泵电气原理图3.4触摸屏设计本设计采用西门子KT900型号触摸屏，触摸屏是一种人机交互的装置，在本课题中，触摸屏通过向PLC发送数据，实现设备运行参数的设置见下表3-1所示，并可以实时监测到设备的运行状态，介质的温度变化，以及设备故障报警的详细信息。西门子设备具有自己的profinet通讯协议，通过网线与CPU实现快速的数据交换。见下图3-3所示：图3-3西门子KT900型号触摸屏型号表3-1西门子KT900型号触摸屏产品特性尺寸9.0分辨率800*480用户内存12Mb画面数500变量20483.5PLC设计本课题基于西门子PLC设计，它具有软元件注释、梯形图注释、指令提示等功能，还拥有完善的监控模式：梯形图监控、自由监控、软元件监控。S7-1214C具有16个输入点，10个输出点，以及一路模拟量输入，最多可外接八个信号模块，此次设计采用了两个数字量输入输出模块，以及两个模拟量输入输出模块。见下图3-4——图3-8所示图3-4PLC外部接线图1图3-5PLC外部接线图2图3-6PLC外部接线图3图3-7PLC外部接线图4图3-8PLC外部接线图5

第四章导热油电加热自动控制系统PLC软件设计4.1PLC软件控制逻辑系统出口温度控制先启动注油泵给系统注满油，然后启动循环泵，待系统内导热油充分循环后启动电加热器开始加热，此时将加热系统出口管路上的温度传感器所测得的温度信号传送至电气柜内的PLC，通过PLC内部PID运算后输出4～20mA的电流信号至可控硅触发器来调节可控硅的输出，从而使电加热器输出功率随出口温度的变化而自动调整。所有参数设置均在触摸屏上设置，PLC变送一路温度信号至DCS监控。4.2电热管表面温度控制在电加热器内的电热管表面选择4个具有代表性的过热保护测温点，内部测温元件为PT100热电阻。PLC通过接收所测量到的温度信号，在电加热器出现超温报警时，利用PLC的连锁停止电加热器的工作，并同时发出报警信号。4.3联锁保护电气控制系统设有压力、流量、液位、温度等参数的联锁保护，确保电加热器在安全状态下工作。一旦其中任何一项参数出现报警，电控系统将立即停止电加热器工作，同时发出相应的报警信号，提醒操作人员注意并及时排除故障。（1）出口温度、电热管温度联锁。（2）系统压力联锁保护：在系统出口管路上装有接点式压力表，当系统压力超高时联锁停止电加热器。（3）膨胀槽液位保护：在膨胀槽上装有带远传信号的液位计，不仅可显示当前液位而且当槽内介质液位过低时可以发出报警信号。（4）循环泵联锁保护：循环泵先运行5分钟后启动电加热器，确保整个管路系统中均充满导热油；电加热器完全停止加热后10分钟,热油温度低于80℃，关闭循环泵，防止先停导循环泵后导致热油停留在系统内产生结焦现象。即在未启动循环泵的情况下，相对应的加热器不投入工作，在加热器工作一段时间后，停止时，不要马上停止循环泵，而让泵继续循环一段时间以带走加热器内部热量，以免加热器内残余的热量引起导热油高温，引起积碳。4.4PLC编程设计本课题PLC程序可以划分为几部分子程序实现（1）导热油泵运行程序。见下图4-1所示图4-1 导热油泵运行程序图4-2功能块展开控制程序图4-3导热油泵的运行程序导热油泵自动运行程序由自己编写的控制逻辑功能块进行控制，图3-2，为功能块展开后的控制逻辑，见上图3-3所示导热油泵的运行信号由手自动运行命令，切换命令，安全条件和安全运行条件互相连锁控制安全可靠。（2）传感器数据转换程序见图4-4所示：图4-4传感器数据转换程序此程序段将PLC接受到的模拟量信号经过特定的公式转换使接收到的信号转换为实际监测值。从而对设备进行有效的控制。（3）故障复位程序见图4-5所示：图4-5故障复位程序通过将同一性质的报警信号进行归类、编写成统一的报警功能控制的功能块，当触发报警信号时，报警信号保持只有当故障排除之后按下复位按钮才可解除报警。控制逻辑见图4-6所示。

图4-6控制逻辑程序

第五章导热油电加热自动控制系统触摸屏设计5.1软件结构触摸屏软件结构见下图5-1所示：图5-1触摸屏软件结构（1）工程区：用于创建、删除、复制和剪切图片和窗口的区域；（2）画面编辑区：进行工程画面制作的平台；（3）菜单栏：共有7组菜单，包括文件、编辑、查看、帮助、部件、工具、视图；（4）工具栏：包含了图形调整、显示器、状态、部件、Stand、画图、操作、缩放、等工具栏操作；（5）状态栏：显示了人机界面型号、PLC口连接设备以及下载口连接设备显示信息等。5.2主程序设计触摸屏需设计八个界面，主要分为三类界面：设备实时运转监控画面，运行参数设置界面和故障报警详细浏览界面。设备实时运转监控画面：可直观清晰的监测和了解设备当前运行状况，见下图5-2所示：图5-2设备实时运转监控画面运行参数设置界面：通过设置报警保护的参数（见下图5-3）和设备正常运行的参数（见下图5-4）来实现设备合理有效的控制。图5-3报警保护参数设置界面图5-4设备运行的参数故障报警详细浏览界面见下图5-5：可详细的了解故障原因及故障内容，便于设备的保护与维修。图5-5故障报警界面结论结论导热油电加热自动控制系统应用很广泛，通过可编程控制技术与人机交互界面结合，实现了整个控制系统可靠的高精度的控制与直观的、形象的设备实时监控。PLC的控制取代了庞大的继电器和接触器控制，同时也实现了数据处理的功能，使得设计更加方便快捷。本设计针对课题的任务达到了预期目标。下面是本课题要做的主要工作：（1）阐述了防爆加热器的优势，并详细介绍了PLC的控制逻辑和设备的连锁保护。（2）介绍了本设备需要的硬件设施。（3）研究了西门子PLC与人机界面的编程方法和指令系统。（4）完成了导热油电加热系统的硬件和软件设计。（5）完成了主要软件功能模块的程序编写。本装置的设计结合了各个部分，统筹协调，共同完成了450KW导热油电加热橇块系统的配方数据，数据可靠且用于现实。在实际生产中，可以根据实际情况进行调试，它取代了传统且落后的蒸汽加热和燃油加热，恒功率加热，大大提升了生产的效率。经过本次的毕业设计，我进行了大量的思考和查阅资料，也询问了我的许多同学和前辈，我的专业技能素质得到了很大的提升，同时也锻炼了我思考问题和解决实际问题的能力，大大的培养了我严谨务实的工作作风。本装置的设计还存在一些不足之处，如:由于不能现场去进行调试查看学习，很多的数据和情况并不能反应实际情况，因此在实际操作下可能会发生一系列的小问题。参考文献参考文献[1]陈耿彪.气、液、电控制技术【M】.北京：机械工业出版社，2011.[2]徐洁.电子测量与仪器【M】.2版.北京：机械工业出版社，2008[3]曹建林.电工学【M】.北京：高等教育出版社，2004[4]廖常初.PLC编程及应用．机械工业出版社，2002,8(3):82-85.[5]张运刚，宋小春.从入门到精通—西门子工业网络通信实践．北京人民邮电出版社,2007,24(13):182-189.[6]吴明亮，蔡夕忠．可编程控制器实训教程．化学工业出版社,2005,9(3):97.[7]刘敏.可编程控制器技术.机械工业出版社,2001,13(1):36.[8]常斗南.可编程控制器原理、应用、实验.机械工业出版社，2003,8(4):88-92.[6]王国海.可编程序控制器及其应用．中国劳动社会保障出版社,2006,7(2):76-81.[9]李全利.可编程序控制器及其网络系统的综合应用技术．机械工业出版社，2005,12(5):124-127.[10]汤自春．PLC原理及应用技术．高等教育出版社,2006,3(2):15-25,41-46.[11]高鸿斌.PLC分析与设计应用．电子工业出版社，2004,6(5):61-67.[12]孙振强．可编程控制器原理及应用教程[M].2版．北京:清华大学出版社.2008:41-44.[13]钟肇新．可编程控制器原理及应用[M]．广州:华南理工大学出版社.1988.[14]赵玉安.姚大鹏．无线热释电红外传感器[J]．电子制作．2005.12(2):15-16.[15]刘露萍．触摸屏在PLC工业控制中的应用[J]．科学咨询:下旬，XX(2):72-72.[16]刘燕.触摸屏与PLC的通信与连接[.自动化与仪器仪表，XX(4)：36-37.[17]Cheded.Al-Mulla.Controlofafour-levelelevatorsystemusingaprogrammablelogiccontroller.InternationalJournalofElectricalEngineeringEducation.,2003.[18]HMIDAUB,HAMDIU,MOUNIRS.Designofwirelesspoweranddatatransmissioncircuitsforim-Plantablcbiomicrosystcm[J].Biotechnology,2007,6(2):153-164.[19]M.Paredes,M.