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1、前 言电加热锅炉是近几年逐渐应用广泛的供热方式，它是一种清洁、安全、髙效的生产设备,广泛应用于工业领域以及人们生活的各方面，因此，对锅炉的启停和运转实时控制是应用过程中不可缺少的环节。之前 DCS 是国内大多场所锅炉系统主要控制方式，这是因为锅炉系统仪表信号比较多，采用这个系统性价比较好，但随着电子技术不断的发展，PLC 用于回路调用和组态画面的功用越来越完善，在仪表控制方面功能也不断加深，而且可编程序逻辑控制器具有很多的技术优势，比如可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富，对电源质量要求较低，因此 PLC 在过程工业中拥有良好的应用前景。为了增加电加热锅炉使用范围，本文从 PLC 的程序开发体系和
2、 PLC 控制软件设计出发，进行深入的钻研和探讨，从而升高并扩大PLC 控制器的利用水平和使用的范围，最大程度提高锅炉的应用，满足发展要求。2第 1 章 概述1.1 课题研究意义现在人们的环保意识不断提高，为了能节能，使用电加热锅炉的人越来越多了，它的经济性、安全性及比较高的自动化程度已被认同。电加热锅炉已经成为工业以及民用供热、热水和洗浴等场所的首选设备，它有无污染、热效率高、无燃料运输和储备烦琐等优点【1】。现在使用的大多数电加热锅炉控制系统的设计还不够完善，因此需要一种新的、高性能的电加热锅炉控制系统取代原来的控制系统，用来完善原有的控制系统。现在生产线控制大部分是用继电器、接触器控制为
3、主的装置。应用继电器电路构成的控制系统不断的出现问题，其可靠性比较差,而本文采用的是用 PLC 替代原有的控制系统。PLC 控制系统可以大大减小控制设备的外部接线，使控制系统设计和建造的周期缩短。同时维护也变得更加容易起来。更重要的是其可靠性比较高。1.1.1 电加热锅炉的应用电加热锅炉是最近几年逐渐兴起的供热方式，它是将电能转化成热能，具有安全无污染的优点【2】。不同的规格适合你不同的用途以及不同需要。热效率非常高，使锅炉能在很短的时间内迅速提升温度，即使在补水过程中也不会有温度和压力的波动，在某些程度上成了改变中国能源环境的关键。电加热蒸汽锅炉广泛用在医院，学校，纺织厂，服装厂，服装超市，
4、制衣厂，干洗店，饭店，酒店，食品厂，建材厂，美容院，洗浴中心，桑拿房，宾馆等各场所。1.1.2 采用电加热锅炉控制的意义此文主要阐述了一种改进型的加热炉对象和工艺流程，采用 PLC 控制装置设计了锅炉控制系统，使加热炉的恒温和点火实现了自动控制，进而使加热炉实现全自动化的控制。这种加热炉可以广泛【3】应用在铝厂、钢厂等金属冶炼、金属加工行业和化工行业。工业生产中大部分应用电阻加热炉温度控制，传统的采用3全通和全断简单控制方法，很难保证炉温控制精度。据电加热炉恒温控制特点和要求，本文主要研究了由 PLC 控制，三相可控硅供电的高精度恒温控制系统。此系统炉温调控方便、可靠、精度高，而且具有通用性和
5、良好运行稳定性【4】。本次设计以工业中电加热炉为原型，以实验室中电加热炉为实际被控对象，采用PID 控制算法对温度进行控制。提出了一种适合于电加热炉对象特点的控制算法，并且以 PLC 为核心，组成了电加热炉自适应控制系统，控制精度，可靠性稳定性指标均远远高过常规仪表组成的系统。本文用 PLC 控制容易实现锅炉控制、并且有造价低，程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便等各优点。1.2 研究现状国内的电加热炉控制有四个发展过程【5】： 第一阶段：手动控制、温度仪表显示处在发展初期的电加热锅炉控制采用了温度仪表来显示温度，人工操作达到逐级投节以及温度调节的目的。还有一种形式就是
6、无论功率有多大，均分为三个投切组，一组为手动，另一组是用温控仪表控制。第一阶段是手动控制方式，它的自动化水平十分低，控制效果非常差。 第二阶段：顺序控制器或 PLC 程控器，温度仪表参与控制。 人们把人工手动投切改成了用顺序控制器或者 PLC 程控器去完成【6】逐级投切，使锅炉控制大概可以实现自动化。为了实现逐级投切的自动化，厂家采用了 PLC作为程控器，或者研究了电子顺序控制器后，不仅可以实现了逐级投切自动化，还可以定时启动以及停止锅炉。然而因为仍然使用了温控仪表去进行全功率的温控，动作频繁，控制的效果十分差，更甚会产生控制振荡。 第三阶段：PLC 控制是为了满足市场对电热锅炉的自动化更高的
7、要求，有一小部分厂家开发研究了全 PLC 控制系统【7】，全 PLC 控制就是不止使用了 PLC 主机，还加入了温度输入模块和显示单元，在硬件上合成了完整的控制系统 。使用厂家编制的程序，全 PLC 控制会达到所有电加热锅炉的自动化要求，而且有良好的人机界面。它的缺点就是成本十分高，应用方面十分窄，控制程序的优势劣势直接与编程人员的专业水平有很大关系，还需要专业人员来现场改变现场布置。 第四阶段：电脑控制用电热锅炉专用电脑代替通用的 PLC，更代替了温控表。它拥有全 PLC 控制的所有优点，克服了全 PLC 控制的所有缺点，可产品化，成本低，4易与各种电热锅炉配套，参数可以由操作人员去现场进行
8、设置和解决。因此电加热锅炉专用电脑控制器已经被普遍利用。1.3 论文的主要工作此文讲的是电热炉 PLC 系统的总体方案，从技术上分析设备的控制系统、温度控制器、发热元件等的选择。把 PLC 作为核心，构成电热炉适应的控制系统，它的控制精度，可靠性，稳定性等都远远超过常规仪表组成的系统。在实际的应用中，采用 PID 功能指令进行编程，对温度实现满意的控制效果设计。本项目采用三菱 FX2N 系列 PLC【8】，结合了模糊控制、易控组态软件等等，组成了一个比较完整的综合性 PLC 模拟控制系统，实现了对锅炉的有效控制，并且提高了整个系统的性价比。第 2 章 控制方案2.1 电加热锅炉的控制原理分析本
9、文研究的电加热锅炉为开水锅炉，主要用于学校，医院，招待所，驾校，居民区，工厂等场合，也适用于环境优美的风景区，旅游区等事业单位。从适用的环境考虑，锅炉应实现全自动运行，自动补水，自动保温，低水位加热保护，5漏电保护。开水锅炉装配是由微电脑控制器【9】，电加热管，把电磁阀作为补水装置，控制器经过设定后，锅炉就开始全自动工作，自来水首先把锅炉蓄满，之后电加热管开始加热，然后炉水达到了设定温度 100 度后，控制锅炉进水的电磁阀打开，自来水从下部进入锅炉，开水从上部的出水口推入保温水箱，保温水箱可以持续大量供应热水。此外，保温水箱的顶部设有水温控制探针，低于设定的水位自动补水，高于设定水位自动停止补
10、水，一直保持水箱里的开水满而不溢。使用开水锅炉专用的微电脑控制器，全中文大屏幕带背光液晶显示屏，把锅炉的运行状态、电磁阀的工作状态、电热管的工作状态、炉水的温度、水位的状态、当前的时间、报警信息记录等情况，很直观的显示出来。锅炉结构图如下图2-1 所示。图 2-1 锅炉系统结构图2.2 电加热锅炉的控制要求对锅炉控制的基本要求【10】：1电加热管“梯式”加（减）载，循环投切； 2具有出水定时（回水）控制或显示功能；3具有定时控制功能； 64具有手动/自动控制选择功能； 5缺相报警，电加热管停止加热；6故障停机后，手动复位；为了确保配水和出水的均匀，在进出水口装有孔板。在进水管道上有显示压力以及
11、温度的压力表和双金属温度计。在出水一侧装有安全阀，排气阀，压力（温度）变送器和压力（温度）的就地显示仪表。另外还设有控制锅水水质的排污装置和维修用的头孔，手孔装置。2.3 设备选型设计2.3.1 控制器的选择FX2N 系列具有很大范围的包容特点【7】，编成简单，很高的运算速度等优点，根据设计需求，CPU 选用 FX2N-32MR，IO 总数为 32，输入点数 16，类型为漏型，输出点数为 16，类型为继电器，尺寸为 150*87*90。 2.3.2 I/O 模块的选择此文选用三菱 FX3U 系列 PLC，而 FX3U 与 FX2N 规模配置大致一样。模拟量输入输出模块采用的是 FX2N-2AD
12、 和 FX2N-2DA。FX2N-2AD 的外部接线图如图 2-2 所示，FX2N-2DA 的外部接线图如图 2-3 所示。图 2-2 FX2N-2AD 外部接线图7图 2-3 FX2N-2DA 外部接线图2.3.3 继电器选型本文设计的电热锅炉应有过载保护，所以用到了热继电器。热继电器是推动机构动作的一种保护电器【9】，双金属片式热继电器是电力系统中应用最广泛的元件，它的工作原理是利用电流流过发热元件生成的热量让检测元件受热弯曲9，因为发热元件有热惯性，所以在电路中不能用在瞬时过载保护。在此选用的是JR20-10 配 CJ21-10，热元件号为 2R，整定电流范围是 0.1-0.13-0.1
13、5。2.3.4 电源选择本系统所需电源有 220V 交流电、直流 5V 电源和低压交流电，因此电源电路里需要安装变压器、整流装置和稳压芯片等。变压器是把交流 220 V 电压变成为所需电压值,然后通过交流电压整流电路为脉动直流电压，调节电路是用来维持输出直流电压的稳定【10】。使用二极管桥式整流器整流设备，使用 7805 芯片,把电容电压稳定在 5V，控制电路、测量电路和动态执行弱电电路中使用的一部分。此外，220 V 交流电或在加热电阻的两端电压，通过控制双向晶闸管导通和截止日期来控制加热电阻的力量。低压交流电电压互感器二次侧，也就是说,通过过零检测电路的交流，零控制在每一个采样周期的双向可
14、控硅导电正弦波的方法调整加热功率。2.3.5 温度传感器的选择8温度传感器装在锅炉的出水口，用来检测锅炉的出水温度，检测完之后送给PLC 进行处理，防止水温过高或过低。在这里选用型号【6】：WZC 测温的范围是 -50C100C 允许误差为-+（0.30+0.005）%2.3.6 液位传感器的选择把液位传感器安装在锅炉的内侧，用来检测锅炉的水位。当锅炉内的水位低于设定水位时，把数据发送给 PLC 进而控制电动阀进行补水，防止出现烧干现象。当锅炉内水位过高时， PLC 控制自动排放多的水量，直到达到正常水位值。2.3.7 电加热管的选择电加热要选取导热快，经久耐用的种类，在本文中选用的型号【7】
15、是：YJDGH-3KW，适用在电锅炉等场合，规格参数是 6KW 380V 31.5A。2.4 总体方案基于 PLC 控制系统设计方案，锅炉控制系统的结构设计如图 2-5 所示。设计的重点内容为：用三菱 FX2N 系列 PLC 作为核心控制器，采用配套的 A/D、D/A特殊模块构成 PLC 模拟控制单元，用来实现锅炉的自动控制管理，显示屏上显示锅炉的运情况，水的温度等信息，水没有烧开时，启动继电器工作继续加热，烧开后，减少加热管的使用，水位低时，利用电磁阀自动补水。在完成全部锅炉控制系统的控制功能基础上，可以把设计的 I/O 口的模入模出单元应用到系统当中，用来改善它的功能进而提高整体的性价比。
16、9图 2-5 锅炉过程控制系统结构洛阳理工学院毕业设计（论文）10第 3 章 硬件设计3.1 PLC 控制系统的硬件配置在电加热锅炉的控制系统中，采用了 FX2N-32MR-001，它的 IO 分配图如表3-1 所示，控制原理接线图如图 3-2 所示。表 3-1 IO 地址分配图IN编号OUT编号系统开X10高温指示灯Y1系统关X15数据显示Y2-Y5数据显示片段Y6-Y9图 3-2 PLC 控制原理接线图3.2 复位电路复位电路是由一个开关 SB12 完成功能的，当按下开关 SB12 的时候，系统启动，正常工作运行，当断开开关 SB12 的时候，系统停止运行，不执行任务。洛阳理工学院毕业设计（论文）11设计电路图如图 3-3 所示。图 3-3 复位电路图3.3 键盘电路键盘的设计用了3个按键，其中KEY1用来调整整个功能的设定，KEY2用来增加设定值，KEY3用来减少设定值。把这三个端口分别和P1.5、P1.6、P1.7相互连接，电路图如图3-4所示。图 3-4 键盘电路图3.4 显示电路本次设计选用LCDLM016L液晶显示屏作为系统的显示器件，如图3
