基于PLC的锅炉系统设计

1、目 录摘要关键词AbstractKeyword引言1 电热锅炉1.1 电热锅炉简介1.2 电热锅炉爆管原因及防范1.3 电压功率设定2 PLC2.1 PLC简介2.2 PLC的基本结构2.3 PLC的工作方式2.4 PLC扫描周期2.5 PLC的特点2.6 SIEMENS S7-2002.7 程序设计2.8 程序模拟调试2.9 西门子PLC硬件实施2.10 西门子PLC联机调试3 电热锅炉供热系统3.1 系统控制要求3.2 水压调节循环系统3.3 加热管控制系统3.4 报警系统4 总结参考文献附录A附录B附录C致谢基于PLC的电热锅炉供热系统设计摘要：本篇论文主要介绍了一种基于PLC

2、技术的电热锅炉供热系统软件的设计，该电热锅炉由补水泵、循环泵、电加热管和传感器等元件组成，程序部分用STEP7软件调试运行。本产品通过自动、手动、定时控制三种方式控制锅炉加热，给予用户更多的选择，并具有缺相、超温、超压等全面保护措施。该电热锅炉可实时采集出水温度、回水温度以及压力大小，并进行智能控制。实验证明，本论文所设计的电热锅炉系统工作稳定可靠，智能化程度较高，自主性强，对各种要求适应能力强，是一种实用的设计方法，可满足一般用户的要求，具有较高的推广价值。关键词：PLC；电热锅炉；实时监控Design of Electric boiler heating system based on P

3、LCAbstract:This paper mainly introduced an electric boiler heating system software design based on the PLC technology, this electric heating boiler was consisted by a water pump, a circulating pump, electric heating tubes and sensors, the program part was debugged and ran by STEP7 software. To give

4、users more choices this product has three ways to control the heating boiler: automatic, manual and timing control, and have comprehensive protection measures as lack phases, over-temperature, over-pressure and so on. The electric boiler can collect real-time water temperature, return-water temperat

5、ure and the amount of water pressure, by an intelligent-control way. Experimental results shows that this electric boiler system design is stable and reliable, highly intelligence, independent and strong, adaptable to a variety of requirements, this is a practical design approach, will satisfies the

6、 general requirements of the users, and has a highly promotional value.Keyword: PLC; Electric Boiler; Real-time monitoring引言随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，以及人们生活水平的不断提高，对城市生活供暖的用户数量和供暖质量提出了越来越高的要求。在当今社会，电加热锅炉的使用领域已经越来越广泛了。它的经济性，安全性和较高的自动化程度越来越受到人们的认同。可是电加热锅炉的性能优劣充分的反映了电热锅炉的质量好坏。电加热锅炉已逐渐进入人民的生活，成为洗浴，供热等场所的首

7、选设备。目前电热锅炉的控制系统多采用以微处理器为核心的PLC控制技术，既提高产品的自动化程度又增加了锅炉的控制精度。现在使用的大部分电加热锅炉控制系统的设计还不完善，因此需要设计一种全新的、自动化程度较高的电加热锅炉控制系统来代替和完善以前的控制系统。现在工业生产所使用的控制器大多数是用继电器、接触器为主的控制装置。使用继电器电路组成的控制系统出现的误操作较多，其可靠性不好。结合现状,本论文供暖锅炉监控系统，设计了一套基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统，以PLC来取代原有的控制系统。 该控制系统采用西门子公司的STEP7编程软件设计，主要完成模拟量信号的处理，温度和压力信号的

8、PID控制等功能，完成风机启/停控制、参数设定、循环泵控制和其余电动机的控制，系统通过变频器控制电动机的启动、运行和调速。本文设计的变频控制系统实现了锅炉燃烧过程的自动控制，系统运行稳定、可靠。采用锅炉的计算机控制和变频控制不仅可大大节约能源，促进环保，而且可以提高生产自动化水平，具有显著的经济效益和社会效益。1 电热锅炉1.1 电热锅炉简介电热锅炉也称电加热锅炉、电锅炉，电热锅炉是将电能转化为热能，利用电阻发热或电磁感应发热，通过锅炉的换热部位把热媒水或有机热载体（导热油）加热到一定参数（温度、压力）时，向外输出具有额定工质的一种热能机械设备。它无需炉膛、烟道和烟囱，也无需储存燃料的场地，极

9、大地减少了常规燃煤锅炉带来的污染。电热锅炉具有无污染、无噪声、占地面积小、安装使用方便、全自动、安全可靠、热效率高达98%以上等特点，是一种环保产品。电热锅炉的主要部件有：控制器、水泵、加热管等。电热锅炉分为两大类：LDR(WDR)电热蒸汽锅炉和CLDZ(CWDZ)电热热水锅炉及KS-D电开水锅炉。其中电开水锅炉又分为KS-D电开水锅炉和XKS-D电蓄热开水锅炉。电热蒸汽锅炉广泛应用于工业生产及企事业单位以满足生产、生活所需蒸汽。电热热水锅炉广泛应用于化工、炼油厂辅助热源及高级宾馆饭店、写字楼、学校、科研楼、医院门诊病房等建筑的采暖、空调、热水供应及生活热水1。1.2 电热锅炉爆管原因及防范电

10、热锅炉爆管容易造成人员伤害甚至火灾，因此其安全性必须放在首位，了解爆管原因，防范于未然，是设计电热锅炉控制系统的必要步骤。在加热管使用过程中，电压不稳定，如电压增高同时电流会增大导致加热管击穿，因此，控制系统应含有超压保护功能。温度过高，加热管表面结垢，达到一定的承受，散热不好，也会造成加热管击穿,因此，控制系统还需含有超温保护功能。而加热管使用过程中脱水也会造成加热管击穿，所以要设计水箱压力下限保护。1.3 电压功率设定为使电炉工作更加稳定，应严格按照JB/T2379-93 标准设计电加热管、电加热器。额定电压±5%公差，极限电压+10%，超过极限电压运行会大大降低加热管使用寿命甚

11、至击穿电加热管；额定功率+5%-10%.，所以应将供电电压控制在400V以内，以提高加热管寿命，防止击穿。2 PLC2.1 PLC简介PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。IEC于1987年对可编程控制器下的定义是：PLC( Programmable Logic Controller)，可编程逻辑控制器，一种数字

12、运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令；并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程2。PLC的通信链路可分为有线和无线两种，有线的数据链路有RS-485等，无线的数据链路有MDS数传电台等。2.2 PLC的基本结构PLC实质上是一种专门用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：（1）电源PLC的电源在整个系统中起着一个非常重要的作用。如果没有一个良好的，电力系统不能可靠地正常工作，所以厂家对PLC的电源设计和制造非常重视。一般交流电压波动在

13、+10%(+15%）范围内，可以不采取其他措施，将PLC直接连接到AC线上去。（2）中央处理单元（CPU)中央处理单元（CPU）是PLC的中央控制，一般由控制器、运算器和寄存器组成。其主要任务是控制用户程序和数据的接收和储存；用扫描的方式通过I / O接口来接收现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后安指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制制表打印或数据通信等功能。为了进一步提高

14、PLC的可靠性，对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。（3） 存储器 PLC使用的存储器类型有三种：ROM、RAM、EEPROM。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。（4） 输入/输出接口电路。 输入/输出接口单元包含两部分：一部分是与被控设备连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成， PLC通过现场输出接口电路

15、向现场的执行部件输出相应的控制信号。（5）功能模块如计数、定位等功能模块。（6）通信模块为了实现“人-机”或“机-机”之间的对话，有些PLC配有一定的通信接口。2.3 PLC的工作方式 PLC工作的整个过程可分为三部分。第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定，系统通信参数配置及其他出初始化处理等。第二部分是扫描过程。其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。（1）输入采样阶段 在输入采样阶段，

16、PLC首先以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内，此时输入映像寄存器被刷新。接着系统进入用户程序执行阶段。在此阶段和输出刷新阶段中，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。所以，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序执行用户程序（梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行

17、逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使

18、用立即I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟普通输入有些区别。（3）输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态一起转存到输出锁存器中，通过一定方式集中输出，最后经过输出端子驱动外部负载。这时，才是PLC的真正输出。在下一个输出刷新阶段开始之前，输出锁存器的状态不会改变，相应输出端子的状态也不会改变。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查。概括而言，PLC是按集中输入、集中输出、周期性循环扫描的方式进行工作的4。2.4 PLC扫描周期扫描周

19、期T=（输入一点的时间*输入端子数）+（指令执行速度*指令的条数）+（输出一点的时间*输出端子书）+故障诊断时间+通讯时间从上式可看出，扫描周期已经决定了CPU执行的速度、执行每条指令所占用的时间以及程序中指令条数的多少。指令执行所需的时间和用户程序的长短、指令的种类和CPU执行速度是有很大关系，一般来说，一个扫描的过程中，故障诊断时间，通信时间，输入采样和输出刷新所占的时间较少，执行的时间占了绝大部分。2.5 PLC的特点PLC具有以下鲜明的特点。（1）可靠性高。可靠性是用户的首要要求，因而PLC的生产厂家都着力于提高可靠性的指标。目前各生产厂家生产的PLC，其平均无故障时间都大大超过IEC

20、规定的10万小时。而且规模较大、要求较高的系统还可以采用表决系统，再进一步提高系统的可靠性。（2）编程方便，易学易用。PLC是面向工矿企业的工控设备，接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。PLC编程大多采用类似继电器控制电路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（Sequential Function Chart），使编程更简单方便。（3）控制功能极强。除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上

21、位机通信，通过远程模块可以控制远方设备。因此，PLC几乎是全能的工业控制计算机。（4）功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。现代PLC所具有的功能及其各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组成不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。（5）安装简单，容易维修，扩展及与外部联接极为方便。PLC可以在各种工业环境下直接运行，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，写入程序即可运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运

22、行情况和查找故障。PLC还有强大的自检功能，这为它的维修提供了方便。（6）抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型，环境要求低。隔离和滤波，是抗干扰的两大主要措施。对PLC的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。另外使输入/输出接口电路的电源彼此独立，以免电源之间的干扰。正确的选择接地地点和完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。为适应工作现场的恶劣环境，还采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构。通过以上措施，保证了PLC能在恶劣环境中可靠工作，使平均故障间隔时间长，故障修复时间短。这是PLC产品的市场生存价值3。2.6 SIEMENS

23、0;S7-200SIEMENS S7-200是西门子公司生产的具有很高的性能价格比的微型可编程序控制器（PLC）。由于它具有结构小巧、运行速度高、价格低廉以及多功能和多用途等特点，在专用机械设备（包装机、打包机、卷扬机）、食品加工工业（搅拌机、切割机、轧碎混合器）、农业（挤奶和饲养机械设备、牛奶冷却罐）、电子装配线、木工机械等行业中得到了广泛的应用。 S7-200 PLC在机械结构方面有以下特点：（1）它的塑料外壳既紧凑又坚固；（2）易于接线和操作方便，在接线端前带有面罩保护；（3）PLC上设计有专用的DIN导轨安装机构和安装孔，可以垂直方向或水平方向安装在标准的DIN导轨

24、上或直接安装在控制柜底板上；（4）备有专用的接线端子排供用户选择。S7-200 PLC电气结构上的特点：（1）电气安全标准：S7-200 PLC在电气上符合VDE、VL、CSA和ISO 9001中有关安全方面的标准；（2）可维护性：在S7-200的CPU中配有EEPROM，可永久性地存储用户程序和其它重要的系统参数。此外它还安有大容量的电容器，供长时间地存储所有的数据使用，而不再需要另外安装需要维护的后备电池；（3）内置可直接与传感器/负载相连的直流24V驱动电源，输出电流可达180mA或400mA。如果输出电流大于这个范围，可选购其它电源模块（选件）；（4）为适应不同的应用场合，每种CPU有

25、三种使用不同电源和电压的类型，相应的输入和输出的结构和电压也可以是不同的；（5）本机上带有输入输出点：CPU 212具有8个输入点和6个输出点，CPU 214和CPU 215具有14个输入点和10个输出点，CPU 216具有24个输入点和16个输出点；（6）灵活的中断输入：S7-200的CPU可以极快的速度来响应中断请求信号的上升沿或下降沿；（7）机内配有高速计数器，以适应对机外高速信号的计数要求。其中CPU 212带有一个计数频率最高可达2KHz的加或减的计数器，而CPU 214216还带有两个独立的计数频率最高可达7KHz的高速计数器，每个计数器可用程序复位或使能，并可设置成加法或减法计数

26、或相位差90°的两个脉冲序列；（8）便于扩展：为系统备有专用的数字扩展模板（EM），可以很方便地对系统的输入和输出点作扩展；（9）备有专用的仿真器（选件），以便用户在现场输入用户程序，并对用户程序作调试和仿真；（10）模拟电位器外部设定：S7-200的面板上有一个（CPU 212）或二个（CPU 214CPU 216）模拟型电位器，用户可利用它们作连续型的定时时间设定等工作；图2-1是说明S7-200系统基本工作原理的结构框图。S7-200的CPU从整体上看有下述四部分：（1）输入部分：主要用于接收现场的控制信号。（2）输出部分：主要用于向现场输出具有足够的驱动能力的控制信号。（3）

27、程序存储器：用于存放用户程序。（4）处理器：它是S7-200系统中的核心，它控制着整个S7-200系统作有序的工作。处理器周期性地执行扫描程序：首先它读入所有输入端上各控制信号的状态，并把读入的状态存入过程输入映象区（PII）。然后，处理器在内部计数器、位存储器和定时器的控制下逐行扫描用户程度，并执行有关的运算或操作，得到当时应有的控制信号（状态）；最后处理器将处理所得到的结果（控制信号）输出到过程输出映象区（PIQ）中，并在周期的末尾，将输出映象区中的信号同时输出到它们的输出端。如此周而复始，S7-200实现对现场过程的控制。 输入0 1 PII 0位存储器计时器计数器 循环执行 用户程序

28、读输入 程序处理 写输出计数器中断处理程序时间或过程中断 处理器 程序存储器0 1 PIQ 0 输出图2-1 S7-200系统基本工作原理2.7 程序设计根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计西门子PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容：（1）初始化程序。在西门子PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。（

29、2）检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。（3）保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。2.8 程序模拟调试程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。（1）硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强；（2）软件模拟法是在西门子PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供

30、现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。2.9 西门子PLC硬件实施硬件实施方面主要是进行控制柜等硬件的设计及现场施工，主要内容有：设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图；设计系统各部分之间的电气互连图；根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此西门子PLC控制系统的设计周期可大大缩短。2.10 西门子PLC联机调试联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从西门子PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件

31、和程序作调整。通常只需修改部分程序即可。全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。3 电热锅炉供热系统图3-1所示为一台电锅炉供热系统工作原理图。锅炉首次使用时，通过补水泵往锅炉内注水，自来水管接有软水装置，将自来水软化成锅炉内使用热量传递的软水。当锅炉内液位符合使用标准时，由液压传感器发出信号到PLC控制器，开始进行加热。同时，PLC根据传感器传送来的数据，确定电加热管投入的数量。而锅炉提供的热量，通过循环泵传送到供热系统。不经过软化的水，易于结垢。由于蒸汽不断蒸发，锅炉内水的钙、镁、杂质浓度非常高是自然水的 30

32、50 倍，其结垢的速度超出了我们的想象，只需半年至一年，就可结垢 1 2mm 。水垢的危害极大，严重时，可引起锅炉爆裂。水垢导热性能只有金属的 0.5% 左右，在锅炉结垢后，要想达到无水垢时的热效，就要提高受热面的温度，如：炉壁温为 250 ， 当结垢 1mm 时，要达到同样的热效，壁温要提高到 650 ，此时热吸收率极低，能耗增加。 水垢主要有三大危害：减少热吸收，降低锅炉热效率，浪费燃料，从而增加锅炉运行成本；结垢导致炉壁温度成倍升高，钢材应力破坏，强度降低，严重时出现爆裂，降低了使用寿命；影响蒸汽品质，使蒸汽中含钙、镁离子、易使锅炉配件（安全阀、压力表、压力控制器等）、蒸汽器械（如熨斗等

33、）结水垢、堵塞。 使用软化水的三大理由：蒸汽（热水）锅炉安全技术监察规程规定所必须；保持热效、节约燃料、提高蒸汽品质、延长寿命；经济划算，就整个锅炉使用期来核算，软化水带来的燃料节约费用远大于投资软化水的费用。因此，要在自来水入口端设置软水箱，将自来水软化后方可注入锅炉内。 BP1 BT BTO 锅炉 EW 供热系统 循环泵 BTB 落地膨胀水箱 BP2 自来水 软水箱 补水泵 水处理图3-1 电热锅炉供热系统工作原理图本系统中采用三个传感器，分别是温度传感器BTB、温度传感器BTO和液压传感器BP。温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种

34、繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起，是把冷端(与仪表相接的两端)，与热端(要求测量的温度端)之间的温度差异转化为电动势(电压)的温度传感器。例如，温度传感器两端均处于20度环境温度下，现在热端加热，要求仪表测量出加热端的温度。显然，这时热端(加热处)和冷端(接二次仪表的两端)有温度差，此温度差就会产生对应的电动势(电压)，相应的也会产生电流，因所产生的热电势(电压)大小与测量温度呈一定的比例关系，仪表将温度差产生的电压大小转化为温度，假设转化后为70度，此温度值就会出现在仪表上，即

35、由温度差转换为电动势(电压)温度的过程。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在540微伏/之间。热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料

36、也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。由于温度传感器传感器的冷端温度经常发生变化，而温度传感器测量温度时要求其冷端温度保持不变，其热电势(电压)大小才能与测量温度呈一定的比例关系，如果冷端的环境温度变化，将严重影响测量的准确性。所以二次仪表应对温度传感器的这种误差作自动补偿。 若热端要测量的温度环境和二次仪表距离很远，那温度传感器跟二次仪表之间的连接线则必须使用温度传感器专用补偿导线，补偿导线是具有与所匹配的温度传感器的热电势(电压)的标称值(直接标明的国家规定的标准值)相同的一对带有绝缘层的导线

37、，用它们连接温度传感器与测量装置。补偿导线又分延长型和补偿型。  应注意的是：使用温度传感器补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，温度传感器的正极连接补偿导线的红色线，而负极则连接其它颜色的线。补偿导线与温度传感器连接端的温度不能超过100。温度传感器的补偿导线只能起延伸热电极的作用，使热电极的冷端移动至仪表端子上，并没有补偿冷端的作用。补偿导线补偿的是它们与温度传感器连接处的温度变化所产生的误差。由于电热锅炉不需要十分精准的设定温度值，所以选用热电偶式温度传感器。温度传感器BTB为入水口温度传感器，装在锅炉进水口，用以观测进水口温度，与温度传感器BTO所观测温度相对比

38、，反映供热系统的状况，及时调整锅炉功率，保证供热循环系统正常有效的工作。感应信号通过线路传送给PLC进行控制动作。 温度传感器BTO为出水口温度传感器，装在锅炉出水口，用以检测出水口温度。温度传感器BTO检测的温度直接传送给PLC进行处理，防止出水温度过高或者过低。当出水口温度过高时，系统减少加热管使用数量，以降低出水温度，反之则增加加热管数量，使之保持恒定。液压传感器的工作原理是压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。液体介质流过一体化传感器时，流体压力作用到安装在传

39、感器壳体上的不锈钢上，再经密封硅油传输到扩散硅膜片上，同时参考端的压力作用于膜片的另一侧。这样在膜片的两侧加上的压差产生一个应力，使膜片的一侧受压，另一侧受拉，一对应变片位于压缩区内，另一对应变片位于拉伸区内，将两对应变片接成一个全动态电桥，以增大输出信号。该电桥采用恒流源供电，以减小环境温度的影响。当压力改变时，桥臂阻值发生变化引起输出电压变化，经过差分归一化放大器放大转换后，再变换成相应的电流信号，该电流经非线性矫正环路补偿后，即产生输入压力信号成近似线性关系的直流420mA的标准输出信号。液压传感器BP置于锅炉内侧，用来测量锅炉炉体内的水位位置。当锅炉内水位低于正常工作水位时，传递数据发

40、送给PLC控制补水泵进行补水，以防止出现烧干现象。当锅炉内水位过高时发出信号PLC自动排放多于水量，直到满足正常工作水位。三个传感器监测到的数据通过变送器转换成PLC可用的数字信号。变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。热电偶温度变送器一般由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、V/I转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。它是将热电偶产生的热电势经冷端补偿放大后，再帽由线性电路消除热电势与温度的非

41、线性误差，最后放大转换为420mA电流输出信号。为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造成事故，变送器中还设有断电保护电路。当热电偶断丝或接解不良时，变送器会输出最大值（28mA）以使仪表切断电源。一体化温度变送器具有结构简单、节省引线、输出信号大、抗干扰能力强、线性好、显示仪表简单、固体模块抗震防潮、有反接保护和限流保护、工作可靠等优点。一体化温度变送器的输出为统一的420mA信号；可与微机系统或其它常规仪表匹配使用。也可用户要求做成防爆型或防火型测量仪表。压力变送器也称差变送器，主要由测压元件传感器、模块电路、显示表头、表壳和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准

42、的电流电压信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。压力变送器测量原理是：流程压力和参考压力分别作用于集成硅压力敏感元件的两端，其差压使硅片变形（位移很小，仅m级），以使硅片上用半导体技术制成的全动态惠斯登电桥在外部电流源驱动下输出正比于压力的mV级电压信号。由于硅材料的强性极佳，所以输出信号的线性度及变差指标均很高。工作时，压力变送器将被测物理量转换成mV级的电压信号，并送往放大倍数很高而又可以互相抵消温度漂移的差动式放大器。放大后的信号经电压电流转换变换成相应的电流信号，再经过非线性校正，最后产生与输入压力成线性对应关系的标准电流电压信号。3.1 系统控制要

43、求对锅炉控制的基本要求：（1） 电加热管“梯式”加（减）载，循环投切；（2） 具有缺相、超温、超压保护功能；（3） 具有手动、自动、定时控制选择功能；（4） 缺相报警，电热管停止加热。系统控制要求：（1） 补水泵（循环泵）交替运行，互为备用；（2） 所有水泵均具有缺相保护功能；（3） 缺相报警，水泵停止运行。现设定各I/O地址如表3-1。表3-1 输入/输出点代号及地址编号名称代号地址名称代号地址系统启动I0.0电加热管接触器1QA1Q0.0系统停止I0.1电加热管接触器2QA2Q0.1锅炉自动I0.2电加热管接触器3QA3Q0.2锅炉手动I0.3电加热管接触器4QA4Q0.3锅炉定时I0.4

44、1#循环泵接触器QA5Q0.4手选电热管1I1.12#循环泵接触器QA6Q0.5手选电热管2I1.21#补水泵接触器QA7Q0.6手选电热管3I1.32#补水泵接触器QA8Q0.7手选电热管5I1.4报警电铃PBQ1.0锅炉超温保护BTI2.0启动指示灯PG0Q1.1锅炉超压保护BP1I2.1出水温度模拟量BTOAIW0系统定压压力上限BP2UI2.2回水温度模拟量BTBAIW2系统定压压力下限BP2LI2.3出水温度I2.5缺相保护KFI2.4为保证设备运行安全，满足用户的供热要求。要对补水泵流量、循环泵流量、加热管等进行综合调节。因此，锅炉控制系统包括以下几个控制子系统：水压调节循环系统、

45、加热管控制系统以及报警系统。系统启动时，信号灯亮，同时开始采集出水回水温度，并初始切换信号。主程序图见附录A。3.2 水压调节循环系统工业锅炉属于高温、高压设备。在锅炉运行时，必须保证补水压力保持在给定恒压点附近，为确保设备安全，提高控制精度。本系统中可编程控制器根据采集到的补水压力实时数据，改变补水泵运行方式，将补水压力值控制在设定值附近。水泵是输送液体或使其增压的主要机械。它将机械能或其他能量传送给液体，使其增加能量，主要输送液体包括酸碱液、水、油、悬乳液、乳化液和液态金属等，也可输送气液混合物以及含悬浮固体物的液体。衡量水泵的技术参数有吸程、流量、水功率、轴功率、扬程、效率等；根据他们不

46、同的工作原理可分为容积水泵和叶片泵等类型。容积泵是利用工作室容积的变化来传送能量；叶片泵则是依靠回转叶片和水互相之间的作用来传送能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。 水泵开动前，先将泵和进水管灌满水，水泵运转后，在叶轮高速旋转而产生的离心力的作用下，叶轮流道里的水被甩相四周，压入蜗壳，叶轮入口形成真空，水池的水在外界大气压力下沿吸水管被吸入补充了这个空间。继而吸入的水又被叶轮甩出经蜗壳而进入出水管。由此可见，若离心泵叶轮不断旋转，则可连续吸水、压水，水便可源源不断地从低处扬到高处或远方。综上所述，离心泵是由于在叶轮的高速旋转所产生的离心力的作用下将水提向高处的，故称离心泵。本系统共

47、有两台补水泵电动机，控制水箱锅炉水压，其控制原理如下：根据系统水压的变化，控制系统工作不同状态下。开始工作时，系统水压过低， 两台补水泵同时运行；当水压升高，使补水量缓慢增加，两台补水泵仅一台运行；当水压过高，两台补水泵全部停止。此外，本系统中还有两台循环泵。可编程控制器S7200根据采集到的出水压力的实时数据，通过数字PID算法计算出循环泵的转速。作为变频器的频率给定，由变频器改变输出给循环泵电机的同步频率，从而调节了循环泵的转速，将出水压力控制在设定值附近。两台水泵电动机均由工作变频器启动，工作变频器控制一台循环泵，另一个泵工作在工频状态或处于备用状态。该泵也是循环选择，以保证两台泵利用率

48、均等。当系统用水量增加时，变频器输出频率也相应增加以增加循环泵的转速当变频器增加到最高频率时，表示当前工作的两台循环泵已不能满足系统用水的要求，此时可以通过PLC控制系统。将该台循环泵切换到工频运行，而另一台循环泵则接上变频器启动。当系统用水量再度增加，这一过程还可以重复进行。当系统用水量减少时，变频器输出频率减少，若减到设定的频率下限时，表示可以有一台水泵电机退出运行。这时，可以通过控制系统停止该台循环泵的运行，并将另一台正在工频运行的循环泵切换到变频运行，担负起调节水压的工作。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交

49、流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。变频调速器与外界的联系点基本分三部分：一是主电路接线端，包括工频电网的输入端（R，S，T）、接电机的频率、电压连续可调的输出端（U，V，W）；二是控制端子，包括外部信号控制变频调速器工作的端子、变频带调速器工作状态指示端子、变频器与微机或其他变频的通讯接口；三是操作面板包括液晶显示屏和键盘。电动机的额定频率称为变频器的基本频率，当

50、频率给定信号为最大值时，变频器的给定频率，称为最高频率，在上升时间一定的情况下，最高频率决定了变频器输出频率的变化速度。上限频率与下限频率是调速控制系统所要求变频器的工作范围，它们的大小应根据实际工作情况设定。本系统中S7-200通过CP340与变频器进行通信，设置CP340参数，通信协议设置为 ASCII协议，选择自由信息报文格式，波特率9.6bps。然后按照变频器通信协议在PLC程序中组建发送数据报文，设定变频器频率，读取变频器频率、电流、电压、功率等参数。程序图见附录B。3.3 加热管控制系统在此控制系统中，电加热管“梯式”加（减）载。为使电热锅炉更加人性化，本系统有自动、手动、定时三种

51、模式，可通过按键自行选择。在有模拟量的控制系统中，经常用到PID运算来执行PID回路功能。在自动模式和定时模式中，由于硬件条件的限制无法对回路表的主要参数进行合理的设置，其中的参数是暂时设定的，在现场调试时可用STEP7Micro/WIN中的PID自整定功能为过程控制回路提供一套最优化的整定参数。设置时基中断，并进行中断事件连接。在各模拟输入接口采集数据，并在归一化处理后送入回路表，经PID处理，以输出值的大小决定电热管的投入方案，循环投切。另外，在定时模式时，以半小时为基数，根据按定时按钮的次数增加定时时间，时间到了自动停止加热。而手动模式则由操作者自行选择投入的加热管管号及根数。在S7-2

52、00 PLC中，设定值为SP，过程值为PV，系统增益只使用KC，积分时间控制积分项在整个输出结果中影响的大小，微分时间控制微分项在整个输出结果中影响的大小。具体计算公式为Mn=KC*(SPn-PVn)+KC*(TS/TI)·（SPn-PVn)+MX+KC*(TD/TS)*(SPn-PVn)-(SPn-1-PVn-1)其中MX为积分项前值，TD为微分项的比例常数（微分时间），TI为积分项的比例常数（积分时间），TS为采样周期。因设定值一般来说不常变化，所以对上式进行简化后，得出Mn=KC*(SPn-PVn)+KC*(TS/TI)·（SPn-PVn)+MX+KC*(TD/TS)

53、*(PVn-1-PVn)在本系统中，采用下列控制参数，SP为0.5，Kc为0.4，Ts为0.2s，Ti为30min，Td为15min。对工业过程控制中的连续变化参数，如温度、压力，其物理量纲不同。但不管是什么，通过相应传感器和变送器后，给最终的用户提供的都是标准信号，即420mA或15V。这些标准信号的上限对应的是测量物理量的上限，同样，这些标准信号的下限对应的是测量物理量的下限。同样对模拟量输出信号的控制，我们对控制对象（比如阀门开度）提供的也是一个420mA或15V的标准信号，当阀门的定位器接收到PLC模拟量信号输出提供的12mA的信号时，它自然会把阀门开度调节到50%的开度。当温度传感器

54、BTB（入水口水温）和温度传感器BTO（出水口水温）偏差较大（出水口水温要求85°C）时，同时使用四根加热管进行迅速加热。当炉内温度达到供热要求后自动减少加热管，以做到低能耗运行。例如：当春秋季供热需求低时，出水温度与入水口温度偏差量小，基本值为65°C（BTB）和85°C（BTO），为避免电能浪费，只需使用一根加热管进行加热。而冬天出水温度与入水温度偏差量大，基本值为85°C（BTO）和50°C（BTB），正常工作为两根加热管，入水口温度低于50°C时使用第三根加热管进行加热，以确保供热效果最佳。程序图见附录C。3.4 报警系统温度/压力安全阀是一个安全装置，当系统的压力超过设定压力（3-10bar可调）和温度时，通过排水降温减压来保护热水系统。保持因冷水进入热水容器被加热产生膨胀的安全工作压力。若水温加热到93-99度时，感温仪将顶开阀门排出热水进入冷水，降温减压。管道在运行过程中，水中的气体将会逸出在管道高起部位积累起来，甚至形成气阻，当管中水流发生波动时，隆起的部位形成的气囊，将不断被压缩、扩张，气体压缩后所产生的压强，要比水被压缩