基于FX3U的电加热锅炉控制系统设计设计Word下载.docx
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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，易与各种电热锅炉配套，参数可以由操作人员去现场进行设置和解决。
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，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；
4．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。
2.3.2I/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2-2FX2N-2AD外部接线图
图2-3FX2N-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0.1-0.13-0.15。
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220V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，220V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
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-50°
C—100°
C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】是：
YJDGH-3KW，适用在电锅炉等场合，规格参数是6KW380V31.5A。
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。
图2-5锅炉过程控制系统结构
第3章硬件设计
3.1PLC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3-1IO地址分配图
IN
编号
OUT
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3-2PLC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。
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3-4所示CDLM016L采用标准的16脚接口【11】,仿真时隐藏了背光正极和背光负极两个引脚。
它通过D0-D8位数据端来与PLC进行数据和指令传输,在显示屏上显示的内容是设定的温度值，电路图如图3-5所示。
图3-5显示电路图
3.5温度检测电路
在PLC控制系统中，温度检测是把温度转化成模拟量【12】，在转化成数字量送至PLC中，它是电加热锅炉控制系统中的一个很重要的环节。
基本结构如图3-6所示，电路图如图3-7所示。
温度传感器信号放大器A/DPLC
图3-5温度检测基本结构
图3-7温度检测电路图
第4章软件设计
软件设计包括对锅炉液位和温度的控制设计。
锅炉采集程序中间元件表如图4-1所示，采集程序如图4-2所示。
表4-1锅炉采集程序的中间元件表
图4-2锅炉采集程序
4.1液位控制设计
在对锅炉液位控制过程中，通过采集液位值，与设计值对比，判断液位的高低，进而通过电磁阀调节。
控制流程图如图4-3所示。
PID控制中间元器件如表4-4所示，对应的梯形图如图4-5所示.
系统初始化
获取设定值
获取当前液位
进水电动阀阀位检测
开中断
进水电动阀开度=MV进水电动阀开度=0
出水电动阀开度=0MV判断出水电动阀开度=MV
进水电动阀开度=0
出水电动阀开度=0
进水电动阀控制
出水电动阀控制
中断初始化
|SV-PV|≦DLNPI（正动作）
Y（PV-SV）
PID（正动作）
（PV-SV）
计算MV
返回主程序
图4-3锅炉液位控制流程图
表4-4控制程序的中间元件
中间元件
功能
D1
当前液位
D4
给定值
D5
偏差
D6
阈值DL
D160
PID参数首地址
D167
PID指令在定时器中断使用时需清零
D350
PID或PD输出量
D500
PD控制参数首地址
D507
PD指令在定时器中断使用时需清零
M8056
为ON时，禁止执行相应中断
图4-5PID控制程序
4.2温度控制设计
在温度控制过程中，当水温过低时，通过继电器控制增加加热管的使用，温度超过高限时，停炉并报警，出水温度超过中限时，减少一部分加热管的使用，按照基于PLC的控制程序设计办法，通过编程实现温度控制，其控制流程图如图4-6所示。
IO分配如表4-7所示，控制程序如图4-8所示。
开始
系统初始化
设置系统运行参数
模拟量采集
出水温度是否Y停炉并报警
超过高限
N
出水温度是否Y投入或者切除
超过中限一部分加热管
锅炉缺水Y停炉并报警
系统急停Y停炉并报警
N
结束
图4-8锅炉温度控制流程图
表4-7IO表
图4-8控制程序梯形图
第5章锅炉过程控制系统的调试
系统的调试是整个设计中相当重要的环节，各部分设计完成后，在实际运行过程里要不停调试修改，确定设计的合理正确性，从而满足系统的控制需求。
具体调试过程有：
硬件设备调试、软件程序调试【12】。
5.1硬件设备调试
在调试中，首先要排除排除明显的硬件故障，尤其是电源故障，才能安全地和仿真器连接，进行调试。
硬件电路故障及解决方法如下：
1）开路、短路：
由于设计的错误，或者画图过程中粗心造成的故障。
解决方法：
画原理图的时候要认真检查校正。
2）元器件损坏：
由于对元器件的不熟悉，使用不当而造成的元器件的损坏。
在设计过程中，要明确各个元器件的使用规格要求，按要求正确使用。
3）电源故障：
电源故障就是通电后，没有正常供电，造成元器件的损坏，从而不能正常工作。
造成电源的故障的原因有：
电压值不符和设计的需求，各档电源之间的短路，变压器功率不足，内阻大，负载能力差等【13】。
电源必须单独调试好以后才能加到系统的各个部件中。
本设计中就出现电源故障经过一个稳压电路才使其正常工作。
控制系统实验设备硬件平台如图5-1所示
图5-1控制系统实验设备硬件平台
5.2软件调试
PLC调试由程序模拟调试以及程序现场调试两部分组成【14】。
1）程序的模拟调试
把编写的程序写到PLC，先逐一检查，纠正写作错误。
用户程序的模拟调试一般是在实验室进行的，对实际的输入信号模拟是通过切换开关和按钮进行的，PLC上的发光二极管用来显示输出量的通断状态【15】，通常不采用实际的PLC的负载（如接触器、电磁阀等）。
根据功能表图，在适当的时候使用开关或按钮来模拟真实的反馈信号，例如限位开关触点的接通或断开。
顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行与规定功能图是否一致，即实现了转换条件，步的活动状态是否发生正确的变化，每个步驱动的负载变化是否是相对应的。
各种可能的情况在调试时应进行充分考虑。
该系统的所有工作方式的不同，选择在每个分支函数表的顺序，所有可能的发展路径应逐一检查，不能省略任一支路。
发现了问题，我们应该及时的对梯形图和PLC程序进行修改，直到输入与输出量之间的关系可以完全符合可能的情况下的要求。
模拟调试时，如果某些计数器/定时器的程序设定值太大，为了缩短调试时间，可以减少他们的写入实际设定值。
2）程序的现场调试
系统的综合调试是在各个模块程序的调试完成之后进行的。
把PLC安装在控制现场，然后进行联机总调试，在调试过程中，系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题【13】，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题将会暴漏出来，然后对这些漏网之鱼加以解决，以提高设计的精确性。
在这个过程中，调试若是达不到要求，就适当调整下对应的硬件或软件部分，一般情况下只需要修改程序就能达到调整的目的了。
全部调试都完成后，再经过一段时间的考核验证，就能投入到实际的运行了。
把程序下载到PLC中，经过PID整定运算，可以得到液位以及温度的控制曲线图，分别如下图6-2,6-3所示。
监控系统调试如图6-4所示.
图6-1锅炉液位控制曲线图
图6-2锅炉温度控制曲线图
图6-4监控系统调试
结论
传统的电阻加热锅炉主要采用的是简单位式恒温控制系统,对于加热电阻的控制只有全通与全断这两种状态，所以温度控制精度不高。
完整的电加热锅炉的控制系统必须具备两个能力，那就是对控制参数进行动态的自整定与自适应的能力，这样才能达到较高的温控精度。
此次的设计以实际生活中的电加热锅炉为前提，用实验室的电加热炉进行实际操作实践。
这种电加热锅炉的自适应控制系统以PLC为控制系统的核心，与常规的仪表系统相比，其温控精度高，可靠性好，稳定性强。
系统针对温度控制过程中的一系列动态特点，通过PLC进行非线性计算，通过改变占空比来实现对电加热功率的动态控制，这样可以使得到具有一定自整定和自适应能力的控制系统，从而达到提高温控精度的实际目的。
系统设计时，为了能够提高其通用性，热电偶、可控硅、PLC接口都是必须考虑的方面。
由于设计历时较短、设计试验设备简陋，因此整个电加热炉的控制系统在设计建模时一定程度的被简化了，并且对于一些次要的因素细节缺乏较为深入的研究。
所以距离该控制系统运用到实际的工业生产使用中，仍有待于进一步的研究分析。
相信，随着理论研究的进一步发展以及与生产实际相结合的进一步完善。
随着微电子技术与3C技术的不断发展，国内在温度控制调节器的研究上拥有长足的进步，并出现了一系列的能够对温控系统和相关企业设备的改造进行服务的温度调节器。
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