基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)的設計

摘 要隨著時代的發(fā)展自動控制逐步代替了人工控制，其中PLC自動控制得到廣泛使用。在本次設計的課題中如果用人工手動控制的話又費是又費力操作還很復雜，但如果使用PLC來控制不僅使得效率大幅度提高且減少了事故發(fā)生的概率且不會因為元器件過于昂貴從而影響收益。PLC控制的整個過程是分段進行的從而不容易發(fā)生事故，而計算機又有著較快的反映能力從而減少了步與步之間的時間提高了效率。當系統(tǒng)開始工作，鍋爐開始取水到達規(guī)定水位，鍋爐開始加熱。若低于規(guī)定溫度和水位開始重新加水加熱。加熱同時開始送煤并鼓風機開始工作。鍋爐停止工作，可以切換到排污清洗階段。若鍋爐超過規(guī)定限制溫度鍋爐開始自動報警，并采取相應措施。 自動水位控制系統(tǒng)廣泛應用于各種高樓建筑物和學校供水鍋爐中，有很廣的發(fā)展前途，而且非常貼近人們的生活，但是目前也有一些建筑在供水系統(tǒng)中還存在著不足，當用水高峰期時會使水壓過低，給用戶的用水帶來了不便。這就需要改進，增加液位傳感器實時檢測水位，控制補水量，保證用戶的正常用水。本次研究把PLC和變頻器作為控制的核心系統(tǒng)，對自動水位控制系統(tǒng)進行智能化的控制。很好地鍛煉了學生計算機語言，將計算機語言融會貫通于實際設計中去。關鍵字：PLC 鍋爐 水位 溫度 自動控制 壓力目 錄第1章 緒論.11.1 鍋爐的控制技術.11.2 鍋爐的控制技術介紹 .2 1.2.1 鍋爐的基本運行過程2 1.2.2 系統(tǒng)的檢測信號及鍋爐的控制任務3 1.2.3 PLC控制系統(tǒng)結構 .3第2章 基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)的設計方案.42.1 可編程控制器概況. .42.2 PLC的結構及基本配置.5 2.2.1 CPU的構成.5 2.2.2 I/O模塊.6 2.2.3 電源模塊.6 2.2.4 底板或機架.6 2.2.5 PLC 的外部設備.6 2.2.6 PLC的通信聯(lián)網(wǎng).6第3章 傳感器.73.1 傳感器的定義.73.2 設計中使用到的傳感器.9 3.2.1 溫度傳感器.9 3.2.2 液位傳感器.11第4章 PLC程序設計.144.1 原理方框圖144.2 輸入輸出地址154.3 plc外部接線圖.174.4 梯形圖功能分布.18致謝.22參考文獻.23第1章 緒論1.1鍋爐的控制技術鍋爐是一種利用燃料中的化學能將水加熱成為熱水、水蒸汽的一種能源轉化設備。它可以通過燃燒煤、油、氣等燃料生產(chǎn)熱水和蒸汽，來滿足各方面的用途。首先，鍋爐生產(chǎn)的蒸汽可以通過汽輪機將過熱蒸汽中的內(nèi)能轉化為機械能，汽輪機再帶動電動機將機械能轉化為電能，這就是火力發(fā)電的一個最基本的過程。雖然近年來綠色能源、可再生能源發(fā)展速度加快，水電站、風力電站、核電站逐漸具有一定規(guī)模，但是由于它們初期投資較大，并且受到地理位置環(huán)境的限制，所以當前火力發(fā)電仍是全球發(fā)電的最主要的形式。電站鍋爐也是鍋爐最主要的一種應用方式。鍋爐生產(chǎn)的蒸汽作為動力源不僅可以用來發(fā)電，也可直接用在船舶、機車上作為驅動力來源。不過，目前船舶驅動裝置中，只有大型船舶仍使用汽輪機驅動，中小型船舶已經(jīng)基本使用燃氣輪機進行驅動；而機車更是基本淘汰了蒸汽機驅動，而使用更加方便潔凈的電機驅動。其次，鍋爐生產(chǎn)出的熱水和熱蒸汽可以供應給居民和工廠作為房屋供暖，以及工業(yè)生產(chǎn)需要。各種工業(yè)，如制藥、有機化學制劑、造紙、釀造、水泥眾多產(chǎn)業(yè)等都需要熱氣熱水的供應，為了更方便的進行生產(chǎn)，上述各類型廠家會搭建自己的小型工業(yè)鍋爐專門為自己的生產(chǎn)提供熱水熱氣，這是目前除電廠鍋爐外工業(yè)鍋爐存在的另一個主要形式。而這些工業(yè)生產(chǎn)鍋爐相比起電廠鍋爐都有規(guī)模小，數(shù)量大，參數(shù)低，效率差等特點，改造需求最為強烈。鍋爐是發(fā)電廠及其它工業(yè)企業(yè)中最普遍的動力設備之一，它的功能是把燃料中的貯能，通過燃燒轉化成熱能，以蒸汽或熱水的形式輸向各種設備。目前，國內(nèi)大多數(shù)工業(yè)鍋爐都是人工控制的，或簡單的儀表單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，燃料浪費很大。工業(yè)鍋爐作為一個設備總體，有許多被控制量與控制量，擾動因數(shù)也很多，許多參數(shù)之間明顯地存在著復雜的耦合關系。對于工業(yè)鍋爐這個復雜的系統(tǒng)，由于其內(nèi)部能量轉換機理過于復雜，采用常規(guī)的方式進行控制，難以達到理想的控制效果，因此，必須采用智能控制方式控制，才能獲得最佳控制效果。鍋爐參數(shù)是表示鍋爐性能的主要指標，包括鍋爐容量、蒸汽壓力、蒸汽溫度、給水溫度等。鍋爐容量可用額定蒸發(fā)量或最大連續(xù)蒸發(fā)量來表示。額定蒸發(fā)量是在規(guī)定的出口壓力、溫度和效率下，單位時間內(nèi)連續(xù)生產(chǎn)的蒸汽量。最大連續(xù)蒸發(fā)量是在規(guī)定的出口壓力、溫度下，單位時間內(nèi)能最大連續(xù)生產(chǎn)的蒸汽量。蒸汽參數(shù)包括鍋爐的蒸汽壓力和溫度，通常是指過熱器、再熱器出口處的過熱蒸汽壓力和溫度如沒有過熱器和再熱器，即指鍋爐出口處的飽和蒸汽壓力和溫度。給水溫度是指省煤器的進水溫度，無省煤器時即指鍋筒進水溫度。鍋爐可按照不同的方法進行分類。鍋爐按用途可分為工業(yè)鍋爐、電站鍋爐、船用鍋爐和機車鍋爐等；按鍋爐出口壓力可分為低壓、中壓、高壓、超高壓、亞臨界壓力、超臨界壓力等鍋爐；鍋爐按水和煙氣的流動路徑可分為火筒鍋爐、火管鍋爐和水管鍋爐，其中火筒鍋爐和火管鍋爐又合稱為鍋殼鍋爐；按循環(huán)方式可分為自然循環(huán)鍋爐、輔助循環(huán)鍋爐(即強制循環(huán)鍋爐)、直流鍋爐和復合循環(huán)鍋爐；按燃燒方式，鍋爐分為室燃爐、層燃爐和沸騰爐等。在水汽系統(tǒng)方面，給水在加熱器中加熱到一定溫度后，經(jīng)給水管道進入省煤器，進一步加熱以后送入鍋筒，與鍋水混合后沿下降管下行至水冷壁進口集箱。水在水冷壁管內(nèi)吸收爐膛輻射熱形成汽水混合物經(jīng)上升管到達鍋筒中，由汽水分離裝置使水、汽分離。分離出來的飽和蒸汽由鍋筒上部流往過熱器，繼續(xù)吸熱成為一定溫度的過熱蒸汽（目前大多300MW、600MW機組主汽溫度約為540左右），然后送往汽輪機。在燃燒和煙風系統(tǒng)方面，送風機將空氣送入空氣預熱器加熱到一定溫度。在磨煤機中被磨成一定細度的煤粉，由來自空氣預熱器的一部分熱空氣攜帶經(jīng)燃燒器噴入爐膛。燃燒器噴出的煤粉與空氣混合物在爐膛中與其余的熱空氣混合燃燒，放出大量熱量。燃燒后的熱煙氣順序流經(jīng)爐膛、凝渣管束、過熱器、省煤器和空氣預熱器后，再經(jīng)過除塵裝置，除去其中的飛灰，最后由引風機送往煙囪排向大氣。1.2鍋爐的控制技術介紹 1.2.1 鍋爐的基本運行過程鍋爐的作用是將燃料的化學能轉變?yōu)闊崮埽⒗脽崮芗訜徨亙?nèi)的水使之成為具有足夠數(shù)量和一定質(zhì)量（汽溫、汽壓）的過熱蒸汽，供汽輪機使用?，F(xiàn)在火力發(fā)電廠的鍋爐容量大、參數(shù)高、技術復雜、機械化和自動化水平高，所以燃料主要是煤，并且煤在燃燒之前先制成煤粉，然后送入鍋爐在爐膛中燃燒放熱。概括地說，鍋爐是主要工作過程就燃料的燃燒、熱量的傳遞、水的加熱與汽化和蒸汽的過熱等。鍋爐是個較復雜的調(diào)節(jié)對象，為保證提供合格的蒸汽以適應負荷的需要，生產(chǎn)過程各主要工藝參數(shù)必須加以嚴格控制。主要調(diào)節(jié)項目有;負荷、鍋爐給水、燃燒量、減溫水、送風等。主要輸出量是:汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負壓、過?？諝獾?。這些輸入量與輸出量之間是互相制約的，例如，蒸汽負荷變化時，必然會引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度的變化;燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時還會影響汽包水位、過熱蒸汽溫度、空氣量和爐膛負壓等。對于這樣復雜的對象，工程處理上作了一些簡化，將鍋爐控制系統(tǒng)劃分為若干個調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主要的調(diào)節(jié)系統(tǒng)有:(a) 水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)被調(diào)量是汽包水位，調(diào)節(jié)量是給水流量，它主要考慮汽包內(nèi)部物料平衡，使給水量適應鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在工藝允許范圍內(nèi)。(b) 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)維持過熱器出口溫度在允許范圍之內(nèi)，并保證管壁溫度不超過允許工作溫度。(c) 燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應蒸汽負荷的需要;使燃料量與空氣量之間保持一定比例，以保證經(jīng)濟燃燒;使引風量與送風量相適應，以保持爐膛負壓穩(wěn)定。本設計討論鍋爐水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)、燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)及溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 1.2.2 系統(tǒng)的檢測信號及鍋爐的控制任務鍋爐設備的檢測信號包括: 蒸汽流量、汽包水位、汽包蒸汽壓力、加水量、爐膛負壓、鼓風量、煙氣含氧量過濾、當已知檢測信號的情況下，鍋爐的控制任務是:在用戶蒸汽機需要的情況下，PLC控制加水閥、輸煤量、鼓風量與引風量，使保持鍋爐汽包水位穩(wěn)定，蒸汽壓力穩(wěn)定，爐膛負壓穩(wěn)定，煙氣穩(wěn)定，使燃料能量最充分地燃燒，以取得最大的熱效率。 1.2.3 PLC控制系統(tǒng)結構PLC控制系統(tǒng)的組成PLC控制的結構如圖所示。使用的是日本三菱公司的FX系列可編程控制器。圖1-1 鍋爐控制系統(tǒng)鍋爐控制系統(tǒng)由鍋爐本體，一次儀表、微機、手/自動切換操作器、執(zhí)行機構及閥、滑差電機等部分組成，一次儀表將鍋爐的溫度、壓力，流量，氧量，轉速等熱工參數(shù)轉換成電壓、電流或電阻值輸入PLC。手/自動切換操作部分:手動時由操作人員手動控制，用操作器控制滑差電機及閥等，自動時由PLC發(fā)出控制信號經(jīng)執(zhí)行部分進行自動操作。PLC對整個鍋爐的運行進行監(jiān)測、報警、控制，以保證鍋爐正?？煽康剡\行。除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進行PLC系統(tǒng)設計時，對鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數(shù)應設置常規(guī)儀表及常規(guī)報警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報警裝置，這是必不可少的，以免鍋爐發(fā)生重大事故。第2章 基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)的設計2.1 可編程控制器概況可編程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，簡稱PC）。與個人計算機的PC相區(qū)別，用PLC表示。PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國際電工委員會（IEC）頒布了對PLC的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點?？梢灶A料：在工業(yè)控制領域中，PLC控制技術的應用必將形成世界潮流。PLC程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序，又有用戶自己開發(fā)的應用程序，系統(tǒng)程序提供運行平臺，同時，還為PLC程序可靠運行及信息與信息轉換進行必要的公共處理。用戶程序由用戶按控制要求設計。用可編程控制器實施控制，其實質(zhì)是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換予以物理實現(xiàn)。入出變換 、物理實現(xiàn)可以說是PLC實施控制的兩個基本點。而入出變換實際上就是信息處理，信息處理當今最常用的是微處理機技術，PLC也是用它，并使其專用化，應用與工業(yè)現(xiàn)場。至于物理實現(xiàn)，正是它與普通微機相區(qū)別之點，普通微機多只考慮信息本身，別的不多考慮，而PLC要考慮實際的控制需要。物理實現(xiàn)要求PLC的輸入，應當排除干擾信號適應于工業(yè)現(xiàn)場。輸出應放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用。這就要求I/O電路專門設計。根據(jù)PLC實施控制的基本點的分析，PLC采用了典型的計算結構。主要是由CPU、RAM、ROM和專門設計的輸入輸出接口電路組成。隨著PLC應用領域的不斷拓寬，PLC的定義也在不斷完善中。國際電工委員會（IEC）在1987年2月頒布的可編程序控制器標準草案的第三稿中將PLC定義為：“可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式，模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制器系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。他擁有武以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制的特點，F(xiàn)X2N是從16到256路輸入/輸出的多種應用的選擇方案。由于FX2N系列具備如下特點：系統(tǒng)配置既固定又靈活、備有可自由選擇，豐富的品種、編程簡單、令人放心的高性能、高速運算、使用于多種特殊用途、外部機器通訊簡單化、共同的外部設備。最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。它的外形圖如圖2-1所示。圖2-1 FX2N外形結構圖2.2 PLC的結構及基本配置 一般講，PLC分為箱體式和模塊式兩種。但它們的組成是相同的，對箱體式PLC，有一塊CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當然按CPU性能分成若干型號，并按I/O點數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式PLC，有CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架。無任哪種結構類型的PLC，都屬于總線式開放型結構，其I/O能力可按用戶需要進行擴展與組合。 2.2.1 CPU的構成 PLC中的CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路，與通用計算機一樣，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構成，還有外圍芯片、總線接口及有關電路。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。CPU的運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。CPU的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。CPU雖然劃分為以上幾個部分，但PLC中的CPU芯片實際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對CPU內(nèi)部的詳細分析已無必要，我們只要弄清它在PLC中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。CPU模塊的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的種種顯示、種種接口及設定或控制開關。一般講，CPU模塊總要有相應的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。箱體式PLC的主箱體也有這些顯示。它的總線接口，用于接I/O模板或底板，有內(nèi)存接口，用于安裝內(nèi)存，有外設口，用于接外部設備，有的還有通訊口，用于進行通訊。CPU模塊上還有許多設定開關，用以對PLC作設定，如設定起始工作方式、內(nèi)存區(qū)等。 2.2.2 I/O模塊PLC的對外功能，主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。 2.2.3 電源模塊有些PLC中的電源，是與CPU模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源以其輸入類型有：交流電源，加的為交流220VAC或110VAC，直流電源，加的為直流電壓，常用的為24V。 2.2.4 底板或機架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。 2.2.5 PLC 的外部設備外部設備是PLC系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類：(a)編程設備：有簡易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程器是PLC開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。(b)監(jiān)控設備：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器。直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。(c)存儲設備：有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器，用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如EPROM、EEPROM寫入器等。(d)輸入輸出設備：用于接收信號或輸出信號，一般有條碼讀人器，輸入模擬量的電位器，打印機等。 2.2.6 PLC的通信聯(lián)網(wǎng)PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。現(xiàn)在幾乎所有的PLC新產(chǎn)品都有通信聯(lián)網(wǎng)功能，它和計算機一樣具有RS-232接口，通過雙絞線、同軸電纜或光纜，可以在幾公里甚至幾十公里的范圍內(nèi)交換信息。當然，PLC之間的通訊網(wǎng)絡是各廠家專用的，PLC與計算機之間的通訊，一些生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標準總線，并向標準通訊協(xié)議靠攏，這將使不同機型的PLC之間、PLC與計算機之間可以方便地進行通訊與聯(lián)網(wǎng)。對于一個自動化工程(特別是中大規(guī)模控制系統(tǒng))來講，選擇網(wǎng)絡非常重要的。首先，網(wǎng)絡必須是開放的，以方便不同設備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴展；其次，針對不同網(wǎng)絡層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡標準的協(xié)議、機制的前提下進行；再次綜合考慮系統(tǒng)成本、設備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡標準。第3章 傳感器3.1 傳感器的定義在工程技術領域中，通常將能夠把被測量（如被測物理量，化學量，生物量等）的信息轉換成與之有確定關系的電量輸出的裝置，稱為傳感器。傳感器的重要性集中體現(xiàn)在它是實現(xiàn)自動檢測與自動控制的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始信息（信號或參數(shù)）進行精確，可靠的測量，就無法實現(xiàn)從信號的提取，轉換，處理到生產(chǎn)過程的自動化。一個復雜的系統(tǒng)工程是如此，一臺普通的家用電器也是如此。隨之計算機技術的飛速發(fā)展和大面面積普及，傳感器在新技術中的地位和作用將更為突出。傳感器的開發(fā)與應用速度落后于計算機的開發(fā)與應用速度的現(xiàn)狀已成為微型計算機進一步發(fā)展和應用的一大障礙；許多具有競爭力的產(chǎn)品的開發(fā)和技術改造，都離不開傳感器技術的支持，因此，研制開發(fā)大批急需的傳感器件以適應當今科技發(fā)展和普及的要求，已成定局。科學合理的應用傳感器技術為人類服務，已刻不容緩。 信息處理技術取得的進展以及微處理器和計算機技術的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開發(fā)方面有相應的進展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動化系統(tǒng)和機器人技術中的關鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個結構組成，其重要性變得越來越明顯。最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會(IEC: International Electrotechnical Committee)的定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。圖3-1傳感器系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)的原則框圖示于，進入傳感器的信號幅度是很小的，而且混雜有干擾信號和噪聲。為了方便隨后的處理過程，首先要將信號整形成具有最佳特性的波形，有時還需要將信號線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號隨后轉換成數(shù)字信號，并輸入到微處理器。俄羅斯學者認為傳感器應是由二部分組成的，即直接感知被測量信號的敏感元件部分和初始處理信號的電路部分。按這種理解，傳感器還包含了信號成形器的電路部分。 傳感器系統(tǒng)的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉換成另一種形式的能量。有兩類傳感器：有源的和無源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉變成另一種，不需要外接的能源或激勵源(參閱圖3-2) 圖3-2傳感器原理有源(a)和無源(b)傳感器的信號流程無源傳感器不能直接轉換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵能(參閱圖1-2(b) 傳感器承擔將某個對象或過程的特定特性轉換成數(shù)量的工作。其“對象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)(即過程)的。對象特性被轉換量化后可以通過多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學性質(zhì)的。按照其工作原理，傳感器將對象特性或狀態(tài)參數(shù)轉換成可測定的電學量，然后將此電信號分離出來，送入傳感器系統(tǒng)加以評測或標示。 各種物理效應和工作機理被用于制作不同功能的傳感器。傳感器可以直接接觸被測量對象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機制和效應類型不斷增加，其包含的處理過程日益完善。常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬： (1)光敏傳感器視覺(2) 聲敏傳感器聽覺(3)氣敏傳感器嗅覺 (4)化學傳感器味覺 (5)壓敏、溫敏、流體傳感器觸覺與當代的傳感器相比，人類的感覺能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺功能優(yōu)越，例如人類沒有能力感知紫外或紅外線輻射，感覺不到電磁場、無色無味的氣體等。對傳感器設定了許多技術要求，有一些是對所有類型傳感器都適用的，也有只對特定類型傳感器適用的特殊要求。針對傳感器的工作原理和結構在不同場合均需要的基本要求是： (1)高靈敏度抗干擾的穩(wěn)定性(對噪聲不敏感)線性容易調(diào)節(jié)(校準簡易) (2)高精度高可靠性 無遲滯性工作壽命長(耐用性) (3)可重復性抗老化 高響應速率抗環(huán)境影響(熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力 (4)選擇性安全性(傳感器應是無污染的) 互換性低成本 (5)寬測量范圍小尺寸、重量輕和高強度 寬工作溫度范圍3.2 設計中使用到的傳感器 3.2.1 溫度傳感器與壓力一樣，溫度也是過程控制中最重要的測量變量之一。例如在冷卻回路中，溫度監(jiān)測不僅用來確保產(chǎn)品質(zhì)量，還用來保證系統(tǒng)安全。過程工業(yè)往往利用熱能進行控制，所以，根據(jù)應用需要選擇理想的溫度傳感器，可實現(xiàn)既定測量目的并確保最佳測量效果。當然，對過程工藝的熟悉和預見可能出現(xiàn)的不確定擾動也是很重要的。A. 冷、熱是如何定義的？我們可以通過身體的感知器官感覺并分辨溫度差。然而，我們往往只能定義物體是冷是熱，卻不能將這種感覺量化。溫度的涵義到底是什么呢？溫度，即表示某物質(zhì)每個粒子的平均動能。要通過這種能量來量化溫度首先要定義溫標，需要確定與某種材料溫度相關的某個定點。最常見的定點是絕對零度即0K，以及水三相點（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)并存的點）273.16K。定點值的確定使繪制溫度的直線圖成為可能。其它定點值離上述點很遠，例如氖的三相點是24.5561K，銀的凝固點是1234.93K。這些定點值在最新版的國際溫標（1990年版）(ITS-90)中確定。 B. 正確測量溫度測量溫度的方法有多種，從簡單的二極管到高精度的熱噪聲溫度計。溫度計可以分為兩類：第一類溫度計和第二類溫度計。第一類為不需要用其他溫度測量設備做預先校準的溫度計。他們都是通過測量物理量，計算物理量和溫度間的關系來確定溫度的。例如氣體溫度計、熱噪聲溫度計和應用測量黑體輻射的溫度測量設備。這些溫度傳感器常常用于專門的實驗室，使用起來相當復雜并且往往價格昂貴。第二類溫度計則需要校準。工業(yè)上主要使用的是第二類溫度計。特別是熱電阻或熱電偶溫度傳感器使用最為廣泛。當安裝溫度傳感器時，需要了解一些簡單的基礎原理：溫度傳感器主要測量的是它自身的溫度。所以傳感器必須盡可能靠近測量物安裝并盡可能地避免環(huán)境影響，因為測量地點的干擾可能會使溫度測量結果出現(xiàn)一些偏差。環(huán)境溫度和介質(zhì)溫度較大的差異也可能會導致錯誤的測量值。如果傳感器安裝在保護套管中，也就意味著它遠離了真實的測量點，溫度傳感器靈敏度會降低，測量值可能與真實值出現(xiàn)背離。C. 要測量原理基于精確性和易于進一步處理測量信號的要求，下列測量原理十分適用于工業(yè)環(huán)境溫度監(jiān)測：(a) 熱電阻溫度計熱電阻溫度計通過熱電阻測量溫度。純金屬，特別是貴金屬有最大的阻值變化率，適合用來制作溫度傳感器。電阻溫度計分為正溫度系數(shù)（PTC）型和負溫度系數(shù)（NTC）型，正溫度系數(shù)型即阻值隨溫度的上升而增加，負溫度系數(shù)型則是阻值隨溫度的上升而減少。如果電阻呈標準的線性特性，溫度值可以很容易地通過多項式估算出來。一般地說，電阻溫度計測量范圍為-250至1000。標準的鉑電阻是主要的檢測器件，Pt100在0時為100，可用于精確測量高達850的溫度。(b) 熱電偶溫度計一個熱電偶由兩個不同的金屬或半導體連接而成。基于塞貝克效應，若接合處的溫度發(fā)生變化，則會在不同金屬間將產(chǎn)生電勢差。所形成的電勢差取決于溫度，溫度差值對于不同金屬的變化量也不同。溫度差可在熱端和冷端的接合處測得。如果要測熱端的溫度，則冷端溫度必須已知，而冷端的溫度是由其他的溫度傳感器測量的。根據(jù)熱電原理，熱端的溫度可計算確定。熱電偶幾乎都用于1000及以上的溫度測量。D. 定義誤差限額是指測量系統(tǒng)在特殊環(huán)境中工作所能保證得出的測量值與真實值的最大差值，故測量誤差不能超過誤差限額。重復精度重復精度指多次相同操作測量值和真實值間的最大差值。辨析率測量設備可測量到的最小的增量。2線制2線制熱電阻配線簡單，但要帶進引線電阻的附加誤差。因此不適用于制造A級精度的熱電阻，且在使用時引線及導線都不宜過長。3線制3線制可以消除引線電阻的影響，測量精度高于2線制。作為過程檢測元件，其應用最廣。4線制4線制不僅可以消除引線電阻的影響，而且在連接導線阻值相同時，還可以消除該電阻的影響。高精度測量應采用4線制。E. 自身發(fā)熱影響為了能夠測量熱電阻傳感器的輸出信號，一定有電流通過傳感器。這個測量電流消耗能量并產(chǎn)生熱量，使溫度升高。大多數(shù)情況下，制造商提供一個1mA的測量電流，這樣傳感器不會產(chǎn)生額外的熱量，可提供一個最真實的測量值。F. 本設計中使用的是Pt100溫度傳感器電阻式溫度檢測器(RTD,Resistance Temperature Detector)一種物質(zhì)材料作成的電阻,它會隨溫度的上升而改變電阻值,如果它隨溫度的上升而電阻值也跟著上升就稱為正電阻係數(shù),如果它隨溫度的上升而電阻值反而下降就稱為負電阻系數(shù)。大部分電阻式溫度檢測器是以金屬作成的,其中以白金(Pt)作成的電阻式溫度檢測器,最為穩(wěn)定耐酸堿、不會變質(zhì)、相當線性.,最受工業(yè)界采用。PT100溫度感測器是一種以白金(Pt)作成的電阻式溫度檢測器,屬于正電阻系數(shù),其電阻和溫度變化的關系式如下：R=Ro(1+T)其中=0.00392,Ro為100(在0的電阻值),T為攝氏溫度因此白金作成的電阻式溫度檢測器,又稱為PT100。1：Vo=2.55mA 100(1+0.00392T)=0.255+T/1000 。 2：量測Vo時,不可分出任何電流,否則量測值會不準。電路分析由于一般電源供應較多零件之后,電源是帶雜訊的,因此我們使用齊納二極體作為穩(wěn)壓零件,由于7.2V齊納二極體的作用,使得1K電阻和5K可變電阻之電壓和為6.5V,靠5K可變電阻的調(diào)整可決定電晶體的射(集極)極電流,而我們須將集極電流調(diào)為2.55mA,使得量測電壓V如箭頭所示為0.255+T/1000。 其后的非反向放大器,輸入電阻幾乎無限大,同時又放大10倍,使得運算放大器輸出為2.55+T/100。 6V齊納二極體的作用如7.2V齊納二極體的作用,我們利用它調(diào)出2.55V,因此電壓追隨器的輸出電壓V1亦為2.55V。 其后差動放大器之輸出為Vo=10(V2-V1)=10(2.55+T/100-2.55)=T/10,如果現(xiàn)在室溫為25,則輸出電壓為2.5V信號:它在實際應用中有二種形式：一種是不需要顯示的主要采集到plc，這樣的話在使用的時候就是只需要一塊pt100的集成電路，要注意的是這個集成電路采集的不是電流信號是電阻值，pt100的集成電路（需要一個12VDC電源提供工作電壓）直接把采集到的電阻變?yōu)?-5VDC輸入到plc，經(jīng)過簡單的+-*/計算就可以得到相應的溫度值（這樣的形式可以同時采集多路），還有一種就是單獨的一個pt100溫度傳感器（工作電源是24VDC），產(chǎn)生一個4-20MA的電流，然后再通過一個4-20MA電流電路板把4-20MA的電流變?yōu)?-5V電壓，這個不一樣的就是可以竄連一個電磁指示儀表，其他的基本一樣就不作詳細說明了本設計中使用pt100溫度傳感器在水溫的控制，以及報警裝置中. 3.2.2 液位傳感器 A. 在能源、化工等多個領域中普遍存在著各類液位控制系統(tǒng)。各種控制方式在液位控制系統(tǒng)中也層出不窮，如較常用的浮子式、磁電式和接近開關式。而隨著我國工業(yè)自動化程度的提高，規(guī)模的擴大，在工程中液位控制的計算機控制得到越來越多的應用。液位控制系統(tǒng)的檢測及計算機控制已成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要方面。 液位傳感器有很多種，有側裝式磁翻柱，頂裝式磁翻柱，浮球連桿式，靜壓式液位計，浮球液位開關等 B. 光纖傳感器與測量技術是儀器儀表領域新的發(fā)展方向由于光纖傳感器及技術具有較其它傳感器無法比擬的特點，所以近幾年來，光纖傳感器與測量技術發(fā)展成為儀器儀表領域新的發(fā)展方向，而新型光纖傳感器不外乎有以下特點： (a) 光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能，傳光損耗很小，目前損耗能達到0.2 dB/km的水平。 (b) 光纖傳感器頻帶寬，可進行超高速測量，靈敏度和線性度好。 (c) 光纖傳感器體積很小，重量輕，能在惡劣環(huán)境下進行非接觸式、非破壞性以及遠距離測量。 還具有靈敏度高、可靠性好、原材料硅資源韋富、抗電磁干擾，抗腐蝕、耐高壓、電絕緣性能好、可繞曲、防爆、頻帶寬、損耗低等特點。同時，它還便于與計算機相連，實現(xiàn)智能化和遠距離監(jiān)控。對傳統(tǒng)的傳感器起到擴展提高的作用，不少情況下能夠完成前者很難完成甚至不能完成的任務。正是由于光纖傳感器具有許多獨特優(yōu)勢，可以解決許多傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題， 故自從它問世以來，就被廣泛應用于醫(yī)療、交通、電力、機械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各個領域。值此，將討論光纖傳感器在石油化工領域應用，即油庫油罐液位、溫度信號實時監(jiān)測系統(tǒng)中的設計方案。正因該監(jiān)測系統(tǒng)應用了光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報警器.為此先對此有關的光纖傳感器技術作一介紹。C光纖傳感器組成與類型 光纖傳感器一般是由光源、接口、光導纖維、光調(diào)制機構、光電探測器和信號處理系統(tǒng)等部分組成。來自光源的光線，通過接口進入光纖，然后將檢測的參數(shù)調(diào)制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微處理器進行信息處理。概括光纖傳感器一般由三部分組成，除光纖之外，還必須有光源和光探測器兩個重要部件，如圖3-3 圖3-3 光纖傳感器組成光纖傳感器一般分為兩大類：一類是傳光型，也稱非功能型光纖傳感器；另一類是傳感型，或稱為功能型光纖傳感器。前者多數(shù)使用多模光纖，以傳輸更多的光量；而傳感型光纖傳感器，是利用被測對象調(diào)制或改變光纖的特性，所以只能用單模光纖。D測量用的光纖傳感技術 本設計中使用的液位傳感器為：光纖液位傳感器 基于全內(nèi)反射原理，可以設計成光纖液位傳感器。光纖液位傳感器由以下三部分組成： (a)接觸液體后光反射量的檢測器件即光敏感元件； (b)傳輸光信號的雙芯光纖； (c)發(fā)光、受光和信號處理的接收裝置。圖 3-4所示為光纖液位傳感器的基本結構。這種傳感器的敏感元件和傳輸信號的光纖均由玻璃纖維構成，故有絕緣性能好和抗電磁噪聲等優(yōu)點。圖3-4 光纖液位傳感器的基本結構光纖液位傳感器的工作原理如圖 3-5所示。發(fā)光器件射出來的光通過傳輸光纖送到敏感元件，在敏感元件的球面上，有一部分透過，而其余的光被反射回來。當敏感元件與液體相接觸時，與空氣接觸相比，球面部的光透射量增大，而反射量減少。因此，由反射光量即可知道敏感元件是否接觸液體。反射光量決定于敏感元件玻璃的折射率和被測定物質(zhì)的折射率。被測物質(zhì)的折射率越大，反射光量越小。來自敏感元件的反射光，通過傳輸光纖由受光器件的光電晶體管進行光電轉換后輸出。敏感元件的反射光量的變化，若以空氣的光量為基準，在水中則為-6-7dB，在油中為-2530dB?？蓪Ψ瓷涔饬坎顒e很大的水和油等進行物質(zhì)判別。圖3-5 光纖液面探測器工作原理 (a)圓錐體測頭；(b)U型測頭;(c)棱鏡耦合用微光檢測液位的光纖液位傳感器有如下特點： (a) 能用于易燃、易爆物等設施中； (b) 敏感元件的尺寸小，可用于檢測微量液體； (c) 從檢測液體開始到檢測信號輸出為止的響應時間短； (d) 敏感元件是玻璃的，故有抗化學腐蝕性； (e) 能檢測兩種(油、水等)液體界面： (f) 價格低廉。 在實際應用中應注意，光纖液面?zhèn)鞲衅鞑灰擞糜跈z測粘附在敏感元件玻璃表面的物質(zhì)。如何檢測液位？ 在裝有液體的槽內(nèi)。將敏感元件安裝在液面下預定檢測的高度。當液面低于這一高度時，從敏感元件產(chǎn)生的反射光量就增加，根據(jù)這時，發(fā)生的信號就能檢測出液面位置。若在不同高度安裝敏感元件，則可檢測液面的高度。第4章 PLC程序設計4.1 原理方框圖輸入信號取水設 施加熱裝 置溫度報 警裝 置手動排 污手動清 洗PLC自動排 污PLC自動清 洗自動送煤傳送帶手動送煤傳送帶壓力報 警預備壓力報 警 圖4-1 鍋爐控制原理框圖原理：當按下啟動按鈕，鍋爐開始加水水位200CM時停止加水，開始加熱，水溫達到150度停止加熱，低于120度再次開始加熱，如此反復。加熱同時鼓風機開始工作以工作10S停止5S反復工作。送煤傳送帶在120度、130度、140度、150度，溫度下按照不同速度工作，并有相應指示燈亮。溫度越高傳送帶速度越慢。按下SB16切換到手動送煤傳送帶M5、M6兩種速度手動切換。按下SB22切換到排污階段，按下SB6等待30S如30S內(nèi)沒有使用手動排污X7，則開始自動排污15S后自動加水過20S后清洗20S。如30S內(nèi)使用手動排污SB7則排污，加水，清洗。由手動完成。然后自動關閉。當壓力超過規(guī)定值SB17閉合減壓閥門A打開、減壓報警燈亮、減壓報警聲1打開。股風機、送煤停止工作。下降到規(guī)定大氣壓減壓閥門A關閉、減壓報警燈滅、減壓報警聲關閉。股風機、送煤恢復工作。當溫度超過180度SB18、SB19閉合減壓閥門B、C打開報警聲2、3燈2、3、4加水閥門B、C打開，加熱、股風、送煤關閉。當SB18、SB19溫度報警失效時SB20，SB21閉合減壓閥門B、C打開報警聲2、3燈2、3、4加水閥門B、C打開，加熱、股風、送煤關閉。4.2 輸入輸出地址 表4-1 輸入輸出地址分配輸入信號輸出信號名稱輸入點編號名稱輸出點編號啟動按鈕X1加水閥門Y1水位開關200CMX2加熱閥門Y2溫度開關120度X3鼓風Y3溫度開關150度X4自動排污Y4水位開關180CMX5加水Y5自動排污X6清洗Y6手動排污X7手動排污Y7手動加水X10加水Y5手動清洗X11清洗Y6送煤傳送帶溫度120度X12減壓閥門AY12送煤傳送帶溫度130度X13減壓報警燈1Y13送煤傳送帶溫度140度X14減壓報警聲1Y14送煤傳送帶溫度150度X15手動排污指示燈Y15手動送煤傳送帶快速X16加水指示燈Y16手動送煤傳送帶慢速X17清洗指示燈Y17送煤傳送帶手/自切換X20120度送煤電機M1Y34壓力報警X21120度送煤指示燈Y20溫度報警1X22130度送煤電機M2Y35溫度報警2X23130度送煤指示燈Y21壓力報警1X24140度送煤電機M3Y36壓力報警2X25140度送煤指示燈Y22加熱/排污切換按鈕X26150度送煤電機M4Y37150度送煤指示燈Y23手動送煤快速電機M5Y40手動送煤快速指示燈Y24手動送煤慢速電機M6Y41手動送煤慢速指示燈Y25減壓閥門CY26減壓閥門BY27報警聲2Y30減壓報警燈2Y31減壓報警燈3Y32減壓報警燈4Y33加水閥門BY34加水閥門CY35報警聲3Y42 4.3 外部接線圖PLC外部接線圖4.3 梯形圖功能分布致謝至此，幾個月的畢業(yè)設計即將完成，本論文是在鄭暉暉老師的具體指導下完成的，繆老師嚴謹治學的學術作風和兢兢業(yè)業(yè)的治學態(tài)度使我受益非淺。他不僅向我傳授研究方法，還引導我拓展研究思路，還經(jīng)常對我的研究提出建設性的問題，給了我深刻的啟迪，是我學習的楷模。在這里學生謹向老師致以最誠摯的謝意！在這期間，老師不僅在學業(yè)上對給予我啟發(fā)和指導，還在生活上給予無私的關懷以及人生方向上的諄諄教導。我在學業(yè)和生活中取得的每一點成績都浸透著老師的心血和關注。未來的日子里一定會更加努力的學習，做一個對社會有用的人。參考文獻 1 林小峰.可編程控制器原理及應用.北京：高等教育出版社，1994 2 田瑞庭.可編程控制器應用技術.北京：機械工業(yè)出版社，1994 3 張萬忠.可編程控制器應用技術.北京：化學工業(yè)出版社，2001.12 4 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