基于PLC的锅炉控制系统的设计

摘 要随着时代的发展自动控制逐步代替了人工控制，其中PLC自动控制得到广泛使用。在本次设计的课题中如果用人工手动控制的话又费是又费力操作还很复杂，但如果使用PLC来控制不仅使得效率大幅度提高且减少了事故发生的概率且不会因为元器件过于昂贵从而影响收益。PLC控制的整个过程是分段进行的从而不容易发生事故，而计算机又有着较快的反映能力从而减少了步与步之间的时间提高了效率。当系统开始工作，锅炉开始取水到达规定水位，锅炉开始加热。若低于规定温度和水位开始重新加水加热。加热同时开始送煤并鼓风机开始工作。锅炉停止工作，可以切换到排污清洗阶段。若锅炉超过规定限制温度锅炉开始自动报警，并采取相应措施。 自动水位控制系统广泛应用于各种高楼建筑物和学校供水锅炉中，有很广的发展前途，而且非常贴近人们的生活，但是目前也有一些建筑在供水系统中还存在着不足，当用水高峰期时会使水压过低，给用户的用水带来了不便。这就需要改进，增加液位传感器实时检测水位，控制补水量，保证用户的正常用水。本次研究把PLC和变频器作为控制的核心系统，对自动水位控制系统进行智能化的控制。很好地锻炼了学生计算机语言，将计算机语言融会贯通于实际设计中去。关键字：PLC 锅炉 水位 温度 自动控制 压力目 录第1章 绪论.11.1 锅炉的控制技术.11.2 锅炉的控制技术介绍 .2 1.2.1 锅炉的基本运行过程2 1.2.2 系统的检测信号及锅炉的控制任务3 1.2.3 PLC控制系统结构 .3第2章 基于PLC的锅炉控制系统的设计方案.42.1 可编程控制器概况. .42.2 PLC的结构及基本配置.5 2.2.1 CPU的构成.5 2.2.2 I/O模块.6 2.2.3 电源模块.6 2.2.4 底板或机架.6 2.2.5 PLC 的外部设备.6 2.2.6 PLC的通信联网.6第3章 传感器.73.1 传感器的定义.73.2 设计中使用到的传感器.9 3.2.1 温度传感器.9 3.2.2 液位传感器.11第4章 PLC程序设计.144.1 原理方框图144.2 输入输出地址154.3 plc外部接线图.174.4 梯形图功能分布.18致谢.22参考文献.23第1章 绪论1.1锅炉的控制技术锅炉是一种利用燃料中的化学能将水加热成为热水、水蒸汽的一种能源转化设备。它可以通过燃烧煤、油、气等燃料生产热水和蒸汽，来满足各方面的用途。首先，锅炉生产的蒸汽可以通过汽轮机将过热蒸汽中的内能转化为机械能，汽轮机再带动电动机将机械能转化为电能，这就是火力发电的一个最基本的过程。虽然近年来绿色能源、可再生能源发展速度加快，水电站、风力电站、核电站逐渐具有一定规模，但是由于它们初期投资较大，并且受到地理位置环境的限制，所以当前火力发电仍是全球发电的最主要的形式。电站锅炉也是锅炉最主要的一种应用方式。锅炉生产的蒸汽作为动力源不仅可以用来发电，也可直接用在船舶、机车上作为驱动力来源。不过，目前船舶驱动装置中，只有大型船舶仍使用汽轮机驱动，中小型船舶已经基本使用燃气轮机进行驱动；而机车更是基本淘汰了蒸汽机驱动，而使用更加方便洁净的电机驱动。其次，锅炉生产出的热水和热蒸汽可以供应给居民和工厂作为房屋供暖，以及工业生产需要。各种工业，如制药、有机化学制剂、造纸、酿造、水泥众多产业等都需要热气热水的供应，为了更方便的进行生产，上述各类型厂家会搭建自己的小型工业锅炉专门为自己的生产提供热水热气，这是目前除电厂锅炉外工业锅炉存在的另一个主要形式。而这些工业生产锅炉相比起电厂锅炉都有规模小，数量大，参数低，效率差等特点，改造需求最为强烈。锅炉是发电厂及其它工业企业中最普遍的动力设备之一，它的功能是把燃料中的贮能，通过燃烧转化成热能，以蒸汽或热水的形式输向各种设备。目前，国内大多数工业锅炉都是人工控制的，或简单的仪表单回路调节系统，燃料浪费很大。工业锅炉作为一个设备总体，有许多被控制量与控制量，扰动因数也很多，许多参数之间明显地存在着复杂的耦合关系。对于工业锅炉这个复杂的系统，由于其内部能量转换机理过于复杂，采用常规的方式进行控制，难以达到理想的控制效果，因此，必须采用智能控制方式控制，才能获得最佳控制效果。锅炉参数是表示锅炉性能的主要指标，包括锅炉容量、蒸汽压力、蒸汽温度、给水温度等。锅炉容量可用额定蒸发量或最大连续蒸发量来表示。额定蒸发量是在规定的出口压力、温度和效率下，单位时间内连续生产的蒸汽量。最大连续蒸发量是在规定的出口压力、温度下，单位时间内能最大连续生产的蒸汽量。蒸汽参数包括锅炉的蒸汽压力和温度，通常是指过热器、再热器出口处的过热蒸汽压力和温度如没有过热器和再热器，即指锅炉出口处的饱和蒸汽压力和温度。给水温度是指省煤器的进水温度，无省煤器时即指锅筒进水温度。锅炉可按照不同的方法进行分类。锅炉按用途可分为工业锅炉、电站锅炉、船用锅炉和机车锅炉等；按锅炉出口压力可分为低压、中压、高压、超高压、亚临界压力、超临界压力等锅炉；锅炉按水和烟气的流动路径可分为火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉，其中火筒锅炉和火管锅炉又合称为锅壳锅炉；按循环方式可分为自然循环锅炉、辅助循环锅炉(即强制循环锅炉)、直流锅炉和复合循环锅炉；按燃烧方式，锅炉分为室燃炉、层燃炉和沸腾炉等。在水汽系统方面，给水在加热器中加热到一定温度后，经给水管道进入省煤器，进一步加热以后送入锅筒，与锅水混合后沿下降管下行至水冷壁进口集箱。水在水冷壁管内吸收炉膛辐射热形成汽水混合物经上升管到达锅筒中，由汽水分离装置使水、汽分离。分离出来的饱和蒸汽由锅筒上部流往过热器，继续吸热成为一定温度的过热蒸汽（目前大多300MW、600MW机组主汽温度约为540左右），然后送往汽轮机。在燃烧和烟风系统方面，送风机将空气送入空气预热器加热到一定温度。在磨煤机中被磨成一定细度的煤粉，由来自空气预热器的一部分热空气携带经燃烧器喷入炉膛。燃烧器喷出的煤粉与空气混合物在炉膛中与其余的热空气混合燃烧，放出大量热量。燃烧后的热烟气顺序流经炉膛、凝渣管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经过除尘装置，除去其中的飞灰，最后由引风机送往烟囱排向大气。1.2锅炉的控制技术介绍 1.2.1 锅炉的基本运行过程锅炉的作用是将燃料的化学能转变为热能，并利用热能加热锅内的水使之成为具有足够数量和一定质量（汽温、汽压）的过热蒸汽，供汽轮机使用。现在火力发电厂的锅炉容量大、参数高、技术复杂、机械化和自动化水平高，所以燃料主要是煤，并且煤在燃烧之前先制成煤粉，然后送入锅炉在炉膛中燃烧放热。概括地说，锅炉是主要工作过程就燃料的燃烧、热量的传递、水的加热与汽化和蒸汽的过热等。锅炉是个较复杂的调节对象，为保证提供合格的蒸汽以适应负荷的需要，生产过程各主要工艺参数必须加以严格控制。主要调节项目有;负荷、锅炉给水、燃烧量、减温水、送风等。主要输出量是:汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气等。这些输入量与输出量之间是互相制约的，例如，蒸汽负荷变化时，必然会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度的变化;燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、空气量和炉膛负压等。对于这样复杂的对象，工程处理上作了一些简化，将锅炉控制系统划分为若干个调节系统。主要的调节系统有:(a) 水位调节系统被调量是汽包水位，调节量是给水流量，它主要考虑汽包内部物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在工艺允许范围内。(b) 温度调节系统维持过热器出口温度在允许范围之内，并保证管壁温度不超过允许工作温度。(c) 燃烧调节系统使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要;使燃料量与空气量之间保持一定比例，以保证经济燃烧;使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压稳定。本设计讨论锅炉水位调节系统、燃烧调节系统及温度调节系统。 1.2.2 系统的检测信号及锅炉的控制任务锅炉设备的检测信号包括: 蒸汽流量、汽包水位、汽包蒸汽压力、加水量、炉膛负压、鼓风量、烟气含氧量过滤、当已知检测信号的情况下，锅炉的控制任务是:在用户蒸汽机需要的情况下，PLC控制加水阀、输煤量、鼓风量与引风量，使保持锅炉汽包水位稳定，蒸汽压力稳定，炉膛负压稳定，烟气稳定，使燃料能量最充分地燃烧，以取得最大的热效率。 1.2.3 PLC控制系统结构PLC控制系统的组成PLC控制的结构如图所示。使用的是日本三菱公司的FX系列可编程控制器。图1-1 锅炉控制系统锅炉控制系统由锅炉本体，一次仪表、微机、手/自动切换操作器、执行机构及阀、滑差电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力，流量，氧量，转速等热工参数转换成电压、电流或电阻值输入PLC。手/自动切换操作部分:手动时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机及阀等，自动时由PLC发出控制信号经执行部分进行自动操作。PLC对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制，以保证锅炉正常可靠地运行。除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行PLC系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及常规报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故。第2章 基于PLC的锅炉控制系统的设计2.1 可编程控制器概况可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，简称PC）。与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。用可编程控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。入出变换 、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点。而入出变换实际上就是信息处理，信息处理当今最常用的是微处理机技术，PLC也是用它，并使其专用化，应用与工业现场。至于物理实现，正是它与普通微机相区别之点，普通微机多只考虑信息本身，别的不多考虑，而PLC要考虑实际的控制需要。物理实现要求PLC的输入，应当排除干扰信号适应于工业现场。输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用。这就要求I/O电路专门设计。根据PLC实施控制的基本点的分析，PLC采用了典型的计算结构。主要是由CPU、RAM、ROM和专门设计的输入输出接口电路组成。随着PLC应用领域的不断拓宽，PLC的定义也在不断完善中。国际电工委员会（IEC）在1987年2月颁布的可编程序控制器标准草案的第三稿中将PLC定义为：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，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的指令，并通过数字式，模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。他拥有武以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制的特点，FX2N是从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。由于FX2N系列具备如下特点：系统配置既固定又灵活、备有可自由选择，丰富的品种、编程简单、令人放心的高性能、高速运算、使用于多种特殊用途、外部机器通讯简单化、共同的外部设备。最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。它的外形图如图2-1所示。图2-1 FX2N外形结构图2.2 PLC的结构及基本配置 一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。 2.2.1 CPU的构成 PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。 2.2.2 I/O模块PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 2.2.3 电源模块有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。 2.2.4 底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 2.2.5 PLC 的外部设备外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类：(a)编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。(b)监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。(c)存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。(d)输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。 2.2.6 PLC的通信联网PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。第3章 传感器3.1 传感器的定义在工程技术领域中，通常将能够把被测量（如被测物理量，化学量，生物量等）的信息转换成与之有确定关系的电量输出的装置，称为传感器。传感器的重要性集中体现在它是实现自动检测与自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始信息（信号或参数）进行精确，可靠的测量，就无法实现从信号的提取，转换，处理到生产过程的自动化。一个复杂的系统工程是如此，一台普通的家用电器也是如此。随之计算机技术的飞速发展和大面面积普及，传感器在新技术中的地位和作用将更为突出。传感器的开发与应用速度落后于计算机的开发与应用速度的现状已成为微型计算机进一步发展和应用的一大障碍；许多具有竞争力的产品的开发和技术改造，都离不开传感器技术的支持，因此，研制开发大批急需的传感器件以适应当今科技发展和普及的要求，已成定局。科学合理的应用传感器技术为人类服务，已刻不容缓。 信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC: International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。图3-1传感器系统传感器系统的原则框图示于，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。俄罗斯学者认为传感器应是由二部分组成的，即直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解，传感器还包含了信号成形器的电路部分。 传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源(参阅图3-2) 图3-2传感器原理有源(a)和无源(b)传感器的信号流程无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能(参阅图1-2(b) 传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。 各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触。用于传感器的工作机制和效应类型不断增加，其包含的处理过程日益完善。常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟： (1)光敏传感器视觉(2) 声敏传感器听觉(3)气敏传感器嗅觉 (4)化学传感器味觉 (5)压敏、温敏、流体传感器触觉与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的，也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是： (1)高灵敏度抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)线性容易调节(校准简易) (2)高精度高可靠性 无迟滞性工作寿命长(耐用性) (3)可重复性抗老化 高响应速率抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力 (4)选择性安全性(传感器应是无污染的) 互换性低成本 (5)宽测量范围小尺寸、重量轻和高强度 宽工作温度范围3.2 设计中使用到的传感器 3.2.1 温度传感器与压力一样，温度也是过程控制中最重要的测量变量之一。例如在冷却回路中，温度监测不仅用来确保产品质量，还用来保证系统安全。过程工业往往利用热能进行控制，所以，根据应用需要选择理想的温度传感器，可实现既定测量目的并确保最佳测量效果。当然，对过程工艺的熟悉和预见可能出现的不确定扰动也是很重要的。A. 冷、热是如何定义的？我们可以通过身体的感知器官感觉并分辨温度差。然而，我们往往只能定义物体是冷是热，却不能将这种感觉量化。温度的涵义到底是什么呢？温度，即表示某物质每个粒子的平均动能。要通过这种能量来量化温度首先要定义温标，需要确定与某种材料温度相关的某个定点。最常见的定点是绝对零度即0K，以及水三相点（固态、液态、气态并存的点）273.16K。定点值的确定使绘制温度的直线图成为可能。其它定点值离上述点很远，例如氖的三相点是24.5561K，银的凝固点是1234.93K。这些定点值在最新版的国际温标（1990年版）(ITS-90)中确定。 B. 正确测量温度测量温度的方法有多种，从简单的二极管到高精度的热噪声温度计。温度计可以分为两类：第一类温度计和第二类温度计。第一类为不需要用其他温度测量设备做预先校准的温度计。他们都是通过测量物理量，计算物理量和温度间的关系来确定温度的。例如气体温度计、热噪声温度计和应用测量黑体辐射的温度测量设备。这些温度传感器常常用于专门的实验室，使用起来相当复杂并且往往价格昂贵。第二类温度计则需要校准。工业上主要使用的是第二类温度计。特别是热电阻或热电偶温度传感器使用最为广泛。当安装温度传感器时，需要了解一些简单的基础原理：温度传感器主要测量的是它自身的温度。所以传感器必须尽可能靠近测量物安装并尽可能地避免环境影响，因为测量地点的干扰可能会使温度测量结果出现一些偏差。环境温度和介质温度较大的差异也可能会导致错误的测量值。如果传感器安装在保护套管中，也就意味着它远离了真实的测量点，温度传感器灵敏度会降低，测量值可能与真实值出现背离。C. 要测量原理基于精确性和易于进一步处理测量信号的要求，下列测量原理十分适用于工业环境温度监测：(a) 热电阻温度计热电阻温度计通过热电阻测量温度。纯金属，特别是贵金属有最大的阻值变化率，适合用来制作温度传感器。电阻温度计分为正温度系数（PTC）型和负温度系数（NTC）型，正温度系数型即阻值随温度的上升而增加，负温度系数型则是阻值随温度的上升而减少。如果电阻呈标准的线性特性，温度值可以很容易地通过多项式估算出来。一般地说，电阻温度计测量范围为-250至1000。标准的铂电阻是主要的检测器件，Pt100在0时为100，可用于精确测量高达850的温度。(b) 热电偶温度计一个热电偶由两个不同的金属或半导体连接而成。基于塞贝克效应，若接合处的温度发生变化，则会在不同金属间将产生电势差。所形成的电势差取决于温度，温度差值对于不同金属的变化量也不同。温度差可在热端和冷端的接合处测得。如果要测热端的温度，则冷端温度必须已知，而冷端的温度是由其他的温度传感器测量的。根据热电原理，热端的温度可计算确定。热电偶几乎都用于1000及以上的温度测量。D. 定义误差限额是指测量系统在特殊环境中工作所能保证得出的测量值与真实值的最大差值，故测量误差不能超过误差限额。重复精度重复精度指多次相同操作测量值和真实值间的最大差值。辨析率测量设备可测量到的最小的增量。2线制2线制热电阻配线简单，但要带进引线电阻的附加误差。因此不适用于制造A级精度的热电阻，且在使用时引线及导线都不宜过长。3线制3线制可以消除引线电阻的影响，测量精度高于2线制。作为过程检测元件，其应用最广。4线制4线制不仅可以消除引线电阻的影响，而且在连接导线阻值相同时，还可以消除该电阻的影响。高精度测量应采用4线制。E. 自身发热影响为了能够测量热电阻传感器的输出信号，一定有电流通过传感器。这个测量电流消耗能量并产生热量，使温度升高。大多数情况下，制造商提供一个1mA的测量电流，这样传感器不会产生额外的热量，可提供一个最真实的测量值。F. 本设计中使用的是Pt100温度传感器电阻式温度检测器(RTD,Resistance Temperature Detector)一种物质材料作成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟著上升就称为正电阻係数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。大部分电阻式温度检测器是以金属作成的,其中以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,最为稳定耐酸碱、不会变质、相当线性.,最受工业界采用。PT100温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+T)其中=0.00392,Ro为100(在0的电阻值),T为摄氏温度因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。1：Vo=2.55mA 100(1+0.00392T)=0.255+T/1000 。 2：量测Vo时,不可分出任何电流,否则量测值会不準。电路分析由于一般电源供应较多零件之后,电源是带杂讯的,因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件,由于7.2V齐纳二极体的作用,使得1K电阻和5K可变电阻之电压和为6.5V,靠5K可变电阻的调整可决定电晶体的射(集极)极电流,而我们须将集极电流调为2.55mA,使得量测电压V如箭头所示为0.255+T/1000。 其后的非反向放大器,输入电阻几乎无限大,同时又放大10倍,使得运算放大器输出为2.55+T/100。 6V齐纳二极体的作用如7.2V齐纳二极体的作用,我们利用它调出2.55V,因此电压追随器的输出电压V1亦为2.55V。 其后差动放大器之输出为Vo=10(V2-V1)=10(2.55+T/100-2.55)=T/10,如果现在室温为25,则输出电压为2.5V信号:它在实际应用中有二种形式：一种是不需要显示的主要采集到plc，这样的话在使用的时候就是只需要一块pt100的集成电路，要注意的是这个集成电路采集的不是电流信号是电阻值，pt100的集成电路（需要一个12VDC电源提供工作电压）直接把采集到的电阻变为1-5VDC输入到plc，经过简单的+-*/计算就可以得到相应的温度值（这样的形式可以同时采集多路），还有一种就是单独的一个pt100温度传感器（工作电源是24VDC），产生一个4-20MA的电流，然后再通过一个4-20MA电流电路板把4-20MA的电流变为1-5V电压，这个不一样的就是可以窜连一个电磁指示仪表，其他的基本一样就不作详细说明了本设计中使用pt100温度传感器在水温的控制，以及报警装置中. 3.2.2 液位传感器 A. 在能源、化工等多个领域中普遍存在着各类液位控制系统。各种控制方式在液位控制系统中也层出不穷，如较常用的浮子式、磁电式和接近开关式。而随着我国工业自动化程度的提高，规模的扩大，在工程中液位控制的计算机控制得到越来越多的应用。液位控制系统的检测及计算机控制已成为工业生产自动化的一个重要方面。 液位传感器有很多种，有侧装式磁翻柱，顶装式磁翻柱，浮球连杆式，静压式液位计，浮球液位开关等 B. 光纤传感器与测量技术是仪器仪表领域新的发展方向由于光纤传感器及技术具有较其它传感器无法比拟的特点，所以近几年来，光纤传感器与测量技术发展成为仪器仪表领域新的发展方向，而新型光纤传感器不外乎有以下特点： (a) 光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗很小，目前损耗能达到0.2 dB/km的水平。 (b) 光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。 (c) 光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。 还具有灵敏度高、可靠性好、原材料硅资源韦富、抗电磁干扰，抗腐蚀、耐高压、电绝缘性能好、可绕曲、防爆、频带宽、损耗低等特点。同时，它还便于与计算机相连，实现智能化和远距离监控。对传统的传感器起到扩展提高的作用，不少情况下能够完成前者很难完成甚至不能完成的任务。正是由于光纤传感器具有许多独特优势，可以解决许多传统传感器无法解决的问题， 故自从它问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。值此，将讨论光纤传感器在石油化工领域应用，即油库油罐液位、温度信号实时监测系统中的设计方案。正因该监测系统应用了光纤液位传感器、光纤温度传感器及光纤液位报警器.为此先对此有关的光纤传感器技术作一介绍。C光纤传感器组成与类型 光纤传感器一般是由光源、接口、光导纤维、光调制机构、光电探测器和信号处理系统等部分组成。来自光源的光线，通过接口进入光纤，然后将检测的参数调制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微处理器进行信息处理。概括光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和光探测器两个重要部件，如图3-3 图3-3 光纤传感器组成光纤传感器一般分为两大类：一类是传光型，也称非功能型光纤传感器；另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。前者多数使用多模光纤，以传输更多的光量；而传感型光纤传感器，是利用被测对象调制或改变光纤的特性，所以只能用单模光纤。D测量用的光纤传感技术 本设计中使用的液位传感器为：光纤液位传感器 基于全内反射原理，可以设计成光纤液位传感器。光纤液位传感器由以下三部分组成： (a)接触液体后光反射量的检测器件即光敏感元件； (b)传输光信号的双芯光纤； (c)发光、受光和信号处理的接收装置。图 3-4所示为光纤液位传感器的基本结构。这种传感器的敏感元件和传输信号的光纤均由玻璃纤维构成，故有绝缘性能好和抗电磁噪声等优点。图3-4 光纤液位传感器的基本结构光纤液位传感器的工作原理如图 3-5所示。发光器件射出来的光通过传输光纤送到敏感元件，在敏感元件的球面上，有一部分透过，而其余的光被反射回来。当敏感元件与液体相接触时，与空气接触相比，球面部的光透射量增大，而反射量减少。因此，由反射光量即可知道敏感元件是否接触液体。反射光量决定于敏感元件玻璃的折射率和被测定物质的折射率。被测物质的折射率越大，反射光量越小。来自敏感元件的反射光，通过传输光纤由受光器件的光电晶体管进行光电转换后输出。敏感元件的反射光量的变化，若以空气的光量为基准，在水中则为-6-7dB，在油中为-2530dB。可对反射光量差别很大的水和油等进行物质判别。图3-5 光纤液面探测器工作原理 (a)圆锥体测头；(b)U型测头;(c)棱镜耦合用微光检测液位的光纤液位传感器有如下特点： (a) 能用于易燃、易爆物等设施中； (b) 敏感元件的尺寸小，可用于检测微量液体； (c) 从检测液体开始到检测信号输出为止的响应时间短； (d) 敏感元件是玻璃的，故有抗化学腐蚀性； (e) 能检测两种(油、水等)液体界面： (f) 价格低廉。 在实际应用中应注意，光纤液面传感器不宜用于检测粘附在敏感元件玻璃表面的物质。如何检测液位？ 在装有液体的槽内。将敏感元件安装在液面下预定检测的高度。当液面低于这一高度时，从敏感元件产生的反射光量就增加，根据这时，发生的信号就能检测出液面位置。若在不同高度安装敏感元件，则可检测液面的高度。第4章 PLC程序设计4.1 原理方框图输入信号取水设 施加热装 置温度报 警装 置手动排 污手动清 洗PLC自动排 污PLC自动清 洗自动送煤传送带手动送煤传送带压力报 警预备压力报 警 图4-1 锅炉控制原理框图原理：当按下启动按钮，锅炉开始加水水位200CM时停止加水，开始加热，水温达到150度停止加热，低于120度再次开始加热，如此反复。加热同时鼓风机开始工作以工作10S停止5S反复工作。送煤传送带在120度、130度、140度、150度，温度下按照不同速度工作，并有相应指示灯亮。温度越高传送带速度越慢。按下SB16切换到手动送煤传送带M5、M6两种速度手动切换。按下SB22切换到排污阶段，按下SB6等待30S如30S内没有使用手动排污X7，则开始自动排污15S后自动加水过20S后清洗20S。如30S内使用手动排污SB7则排污，加水，清洗。由手动完成。然后自动关闭。当压力超过规定值SB17闭合减压阀门A打开、减压报警灯亮、减压报警声1打开。股风机、送煤停止工作。下降到规定大气压减压阀门A关闭、减压报警灯灭、减压报警声关闭。股风机、送煤恢复工作。当温度超过180度SB18、SB19闭合减压阀门B、C打开报警声2、3灯2、3、4加水阀门B、C打开，加热、股风、送煤关闭。当SB18、SB19温度报警失效时SB20，SB21闭合减压阀门B、C打开报警声2、3灯2、3、4加水阀门B、C打开，加热、股风、送煤关闭。4.2 输入输出地址 表4-1 输入输出地址分配输入信号输出信号名称输入点编号名称输出点编号启动按钮X1加水阀门Y1水位开关200CMX2加热阀门Y2温度开关120度X3鼓风Y3温度开关150度X4自动排污Y4水位开关180CMX5加水Y5自动排污X6清洗Y6手动排污X7手动排污Y7手动加水X10加水Y5手动清洗X11清洗Y6送煤传送带温度120度X12减压阀门AY12送煤传送带温度130度X13减压报警灯1Y13送煤传送带温度140度X14减压报警声1Y14送煤传送带温度150度X15手动排污指示灯Y15手动送煤传送带快速X16加水指示灯Y16手动送煤传送带慢速X17清洗指示灯Y17送煤传送带手/自切换X20120度送煤电机M1Y34压力报警X21120度送煤指示灯Y20温度报警1X22130度送煤电机M2Y35温度报警2X23130度送煤指示灯Y21压力报警1X24140度送煤电机M3Y36压力报警2X25140度送煤指示灯Y22加热/排污切换按钮X26150度送煤电机M4Y37150度送煤指示灯Y23手动送煤快速电机M5Y40手动送煤快速指示灯Y24手动送煤慢速电机M6Y41手动送煤慢速指示灯Y25减压阀门CY26减压阀门BY27报警声2Y30减压报警灯2Y31减压报警灯3Y32减压报警灯4Y33加水阀门BY34加水阀门CY35报警声3Y42 4.3 外部接线图PLC外部接线图4.3 梯形图功能分布致谢至此，几个月的毕业设计即将完成，本论文是在郑晖晖老师的具体指导下完成的，缪老师严谨治学的学术作风和兢兢业业的治学态度使我受益非浅。他不仅向我传授研究方法，还引导我拓展研究思路，还经常对我的研究提出建设性的问题，给了我深刻的启迪，是我学习的楷模。在这里学生谨向老师致以最诚挚的谢意！在这期间，老师不仅在学业上对给予我启发和指导，还在生活上给予无私的关怀以及人生方向上的谆谆教导。我在学业和生活中取得的每一点成绩都浸透着老师的心血和关注。未来的日子里一定会更加努力的学习，做一个对社会有用的人。参考文献 1 林小峰.可编程控制器原理及应用.北京：高等教育出版社，1994 2 田瑞庭.可编程控制器应用技术.北京：机械工业出版社，1994 3 张万忠.可编程控制器应用技术.北京：化学工业出版社，2001.12 4 于庆广.可编程控制器原理及系统设计.北京：清华大学出版社.2004 5 张亮明 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