燃油锅炉电气控制系统设计与制作

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引言

锅炉的工作过程是根据负荷的要求，生产具有一定压力和温度的蒸气。为确保锅炉正常运行和实现自动调节功能，必须安装相关的仪表，用于记录各种参数，如压力、水位等，给自动化控制提供依据。早期锅炉多采用继电器控制，硬接点较多，容易氧化，造成接触不良，使控制失灵。随着计算机和控制理论的发展，锅炉控制技术在国外发展越来越快。据有关资料介绍，目前，国外新兴的工业锅炉上都安装有五个独立的控制系统:燃烧控制系统、炉膛负压控制系统、给水控制系统，蒸汽温度控制系统、空气预热器冷端温度控制系统。上世纪七十年代前，锅炉控制只注重安全性和可靠性，到1927年由于世界能源危机的出现和能源价格的直线上升，各国都把节约能源和开辟能源作为基本国策。在我国的能源消耗中，煤占70%，油占30%。我国设计锅炉的热效率大多在70%一80%之间，锅炉的热效率降低。由于燃油的雾化不好或配风不合理，使锅炉的热效率降低。因而，在原油价格不断上涨的今天，对于工业锅炉的控制，就是要提高锅炉的热效率，使锅炉在最佳工况下运行己成为人们瞩目的课题。而可编程序控制器是一种替代继电器控制系统的新型工业自动化控制装置，具有体积小、功能强、可靠性高、操作简单、维修方便等优点，在工业电气控制领域中得到广泛应用。本文介绍利用PLC编程功能实现对燃油锅炉自动化控制的方法。

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1 绪论

1.1 课题研究目的及意义

随着社会生产的发展，人类社会对能源的需求不断增加，我国是世界能源生产大国，也是能源消耗大国，但人均占有量低于世界平均水平，这就使得节约能源在我国显得尤为重要。

锅炉是一次性能源煤炭、石油、天然气转换成二次能源蒸汽量的重要动力设备。据有关资料统计，目前我国各类工业锅炉约25万多台，每年耗煤量占全国产量的1/3，同时还消耗大量的石油和天然气。工业锅炉是生产过程中的重要动力设备。在石油化工领域，他主要作用是向各生产装置提供合格的蒸汽，其控制质量的优劣不仅关系到锅炉自身运行的效果，而且还将直接影响到相关装置生产过程的稳定性。

目前大多数锅炉在启动和运行的过程中都需要精确的实时控制，然而锅炉的控制系统还采用继电器逻辑控制。这类系统自动化程序很低，大部分操作还是由手动来完成，只能处理一些开关量的问题，无法处理系统的模拟量，即控制一些开关量，其电器线路复杂，可靠性不高，不便维护。四级锅炉系统控制中，每台炉就需要一套继电器控制系统。而采用可编程控制器设计的控制系统实现了锅炉系统的自动控制。

本课题的主要目的就是开发一套安全可靠、性能优越的燃油锅炉的控制系统，采用PLC作为整个系统的逻辑控制单元。可编程序控制器PLC是目前最常用的控制装置，其最大的特点就是可靠性高、功能强大，它的高可靠性的设计非常适合在工业现场环境下应用。它不仅能实现复杂的逻辑顺序控制，而且还能完成少量模拟量的过程控制。此外，PLC编程简单，使用方便，现场安装调试的时间短。 1.2燃油锅炉的简述

燃油锅炉是指燃料使用燃油的锅炉,包括柴油,废油等油料的锅炉。其中使用的燃油是一种液体燃料，它的沸点总是低于着火点，所以燃油的燃烧总是在气态下进行的。燃油经雾化后的油粒喷进炉膛以后，被炉内高温烟气所加热，进行气化，气化后的油气和周围空气中的氧相遇，形成火焰。

燃烧产生的热量有一部分传给油粒，使油粒不断气化和燃烧，直到燃烬。油粒直径越小，油粒的燃烧愈快。同样，油粒燃烧所需的氧能及时地供给，油粒的燃烧也愈快。 1.2.1 燃油锅炉系统工艺

燃油锅炉控制系统是由PLC 来控制燃油锅炉的起动、停止、出现异常情况时能暂停且异常情况消失后能自动按起燃顺序重新工作的。它是由燃油预热器、喷油泵、喷油口、鼓风机、点火变压器、瓦斯阀、压力蒸汽开关、进水阀、排水阀、上下水位开关等组成, 如图1 所示。

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燃油经燃油预热器预热，由喷油泵经喷油口打入锅炉进行燃烧。燃烧时，鼓风机送风→喷油口喷油→点火变压器接通（子火燃烧）→瓦斯阀打开（母火燃烧）→将燃油点燃。点火完毕后，关闭子火与母火，继续送风和喷油，使燃烧持续。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。锅炉的进水和排水分别由进水阀和排水阀执行，上、下水位分别由水位上限、下限阀检测，蒸汽压力由蒸汽压力阀检测。 1.2.2 燃油锅炉基本组成部分

锅炉的机组组成部分包括锅炉本体和辅助设备两大部分。本体部分包括炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器、再热器等；辅助设备包括送风机、引风机、给水泵等。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。

炉膛：又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。

锅筒：是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排

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除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件；中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。锅筒上还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。

燃烧器：是锅炉燃烧设备的主要组成部分，它的作用是把燃油和燃烧所需的空气送入炉膛，并组织合理的气流结构，使燃料能迅速地着火，稳定地燃烧。它具有多级多嘴送风导向结构，这种结构经过特殊设计，能在短时间内使燃油产生高温涡流，具有高效节能，完全燃烧，热利用率高等优点，并且能够消除烟尘，改善工作条件，减轻劳动强度，是节能环保的理想产品.

水冷壁：作用是吸收炉内辐射热，将水加热成饱和蒸汽。

省煤器：是利用烟气余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。 过热器：是将饱和蒸汽加热成具有一定温度的过热蒸汽，提高蒸汽的焓值，从而增加蒸汽的做功能力。

空气预热器:是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气换热器。

再热器：是将汽轮机高压缸的排汽再一次加热，使其温度与过热汽温相等或者相近，然后再送到中。低压缸膨胀做功。

引风设备 :包括引风机，烟囱，烟道几部分，用它将锅炉中的烟气连续排除。 送风设备 :由送风机和风道组成，用它来供应燃料燃烧所需要的空气。 给水设备 :由给水泵和给水管路所组成。给水泵系用来克服给水管路与省煤器的阻力与省锅筒的压力，把给水送入锅筒。

水处理设备:其作用为降低给水硬度和清除水中杂质，以防止在锅炉受热面上结水垢和腐蚀，从而提高锅炉经济性和安全性。

燃料供给设备:包括供油管路和油枪等。 1.2.3 锅炉的工作过程

锅炉最基本的组成是气锅和炉子两部分。燃料在炉子里进行燃烧，将其化学能转化为热能，高温的燃料产物——热气通过气锅受热面将热量传递给气锅内温度较低的水，水被加热进而沸腾气化，生成蒸汽，蒸汽通过蒸汽母管输送给用户。所以锅炉的工作概括起来应包括三个同时进行的过程:燃料的燃烧过程，烟气向水的传热过程和水的汽化过程。先简要叙述如下:

(1)燃料的燃烧过程

燃油锅炉的燃烧过程，具有一定温度和压力的燃料油通过油嘴喷入炉膛被雾化成细小的

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油滴，然后吸收炉内热量，表面逐渐气化成油气，与进入炉膛内的空气混合，形成可燃混合物。然后对燃料进行预热后点火使其燃烧。要使燃料量，空气量和复合蒸汽量有一一对应的关系，这就要根据所需要的负荷蒸汽量，来控制燃料量和送风量，同时还要通过引风设备控制炉膛负压。

(2)烟气向水的传热过程

由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高。在炉膛的四周高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热，将热量传递给管内工质，管内工质经过对流方式进行换热，然后烟气受引风机、烟囱的引力而向炉膛的上方流动，经过蒸汽过热器、省煤器、空气预热器最后以经济的低烟温排出锅炉。

(3)水的汽化过程

水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。经过处理的水经过泵加压，先经过省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物。容重大的工质往下流入下锅筒，容重小的工质则向上流入上锅筒，蒸汽产生的过程是借助于上锅筒内装设的汽水分离设备，以及在锅筒本身空间中的重力分离作用，使汽水混合物得以分离。 1.3 锅炉自动控制的发展

锅炉控制系统的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由手动到自动的过程。60年代，锅炉的控制还只是实行人工操作，锅炉的燃烧完全是凭司炉工人的经验，几乎谈不到自动控制。而锅炉设备采用手动操作，则有如下缺点。

(1) 蒸汽负荷小波动时，燃料量不随负荷变化，造成蒸汽不稳定，增加了燃料消耗。

(2)手动误差大;风、燃料配比控制不能自调，热效率低。

到了70 -80年代，逐步出现了由常规检测仪表和调节仪表构成的模拟控制系统，它具有可靠性高，成本低，易于操作和维护等优点，在大、中、小工业企业中得到了广泛应用，解决了不少自动化方面的问题。

用常规仪表控制，也有一定的局限性，主要表现在:

(1)难以实现复杂的控制规律。如最优控制、自适应控制、模糊控制、人工智能控制等。

(2)用常规仪表难于实现集中监测且操作管理水平低。 (3)改变控制方案比较困难。 (4)一次性投资大，成本高。

到了90年代，随着微型计算机技术的发展，计算机在工业锅炉的自动测试和控制方面的技术也日趋成熟。利用微机代替常规仪表实现对工业锅炉的控制己越来越多地被生产厂家采用。锅炉采用微机控制不仅可实现锅炉运行的自动调节，锅炉运行的安全性也大为提高。同时可以大大减轻工作人员劳动强度，改善工作环境，而且可以使锅炉热

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效率最佳，节约燃料4%-5%。锅炉采用微机控制系统一般有如下特点:

(1)计算机具有分时操作能力，可以实现一机多控。

(2)计算机的逻辑判断能力和存贮能力使它能够根据工况变化，做出正确判断，选择最合理最有利的控制方案。

(3)计算机控制系统能够实现多种的控制算法。 (4)高速性，高精度性。

进入21世纪以来，人类进入了一个以知识经济为特征的信息时代，检测技术、计算机技术和通讯技术一起构成现代信息的三大基础。21世纪第一个10年的热点必将是传感、执行与检测。锅炉自动化控制系统作为传感、执行与检测技术的一个应用方面也必将跨入数字化、网络化和智能化时代。而且，对于大规模锅炉群控，检测技术、计算机技术和通讯技术的结合在一起，形成锅炉控制系统的集成化管理、网络化控制，这将是锅炉控制系统发展的又一个里程碑。而在锅炉控制理论方面，也有许多优秀的控制理论相继出现。最为典型的是PID控制，即比例、积分和微分控制。后来，模糊控制理论得到长足发展，目前己经很好地应用在锅炉控制系统上。工业组态软件的应用使软件功能性增强，内容丰富，具有良好的人机界面，更加方便了操作人员。 1.4 本文的主要研究内容

本系统在进行实际调研和广泛收集相关资料的基础上，设计燃油锅炉电气系统，主要电机采用Y-D起动控制，并且设计了电机过流保护：运行中当电机电流大于额定电流的1.05倍时产生过流跳闸,同时产生声光报警信号。论文中对燃油锅炉电气系统主回路进行详细的计算，分析并选择电动机、断路器、交流接触器、继电器、互感器、电缆线等主要电器的功率、型号、等级等具体数据，并进行布线、安装、调试。设计短路保护、燃油锅炉压力自动控制系统、水位自动控制系统，当水位到达低水位时产生声光报警，危险水位整个锅炉停机。设计电源电压欠压保护及过压保护：当电源电压小于额定电压的0.75倍时，电气控制系统产生欠压保护，同时发出声光报警信号；当电源电压大于额定电压的1.15倍时，电气控制系统产生过压保护，同时发出声光报警信号。整个电气控制系统采用PLC来控制，在毕设过程中编制了燃油锅炉电气控制系统程序清单并且制作了燃油锅炉电气系统模拟样机。

2 系统方案的论证、选择及设计思路

2.1 方案论证 2.1.1方案1

采用可编程控制器控制。可编程序控制器简称PLC ,是采用微电脑技术制造的通用自动控制设备。经过长时间的发展和完善，PLC的编程概念和控制思想已为广大的自动化行业人员所熟悉，可以说在目前它已成为任何其他工业控制器都无法与之相提并论的巨大知识资源。PLC主要具有逻辑运行的功能，可以代替继电器进行开关控制、具有定时控制功能、计数控制功能、步进控制功能、A/D、D/A转换功能（对模拟量控制）、

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数据处理功能、通信、联网功能，并配置了较强的监控功能。这些功能造就了PLC的旺盛生命力。PLC具有一下优点：

(1)高可靠性。 (2)编程简单，使用方便。

(3)可采用梯形图编程方式，与实际继电器控制电路非常接近，一般电气工作者很容易接受。

(4)能在恶劣的工业环境工作。 (5)扩充方便，组合灵活。

PLC 是控制技术和计算机技术的结晶,但是对于熟悉机电控制技术的工程人员来说,在使用PLC时没有必要完全了解计算机的深层次投术问题,只需要把PLC 看作机电控制技术人员熟悉的继电器、计时器和计数器的集合即可,所以PLC 的实际使用简单方便,适应普通的机电控制技术人员。

PLC 的主要功能:

PLC 的主要功能有: ①条件控制, PLC 具有逻辑运算功能, 它设置了“与”(AND) 、“或”(OR) 、“非”(NOT) 等逻辑运算指令,能处理继电器接点的串联、并联、串并联以及并串联等各种连接; ②限时控制,PLC 具有定时控制功能,它可以提供若干个定时器,并设置了定时指令,调用修改灵活方便; ③计数控制,PLC 具有计数控制功能,它可以提供若干个计数器,设置了计数指令,计数器的计数值可以在运行时读出,也可以在运行时修改; ④步进控制, PLC具有步进控制功能,可以在一道工序完成后,再进行下一步工序,并且设置了移位寄存器; ⑤“模数”和“数模”转换功能,有些PLC 具有“模数”(A/D) 和“数模”(D/A) 转换功能,能完成对模拟量的控制和调节; ⑥通信和联网:有些PLC 采用了通信技术,可以进行远程的I/0 控制,即PLC 之间同位链接或由一台计算机和若干台PLC 可以构成“集中管理,分散控制”的分布式控制网络。 2.1.2方案2

采用继电器控制。继电器控制逻辑自20世纪20 年代问世以来,一直是机电顺序控制的主流,由于它的结构简单,使用方便,价格低廉,所以使用范围甚广。其缺点是动作速度慢,可靠性差,采用微电脑技术的PLC 的出现,使得继电器控制逻辑更加逊色, PLC与继电器控制系统的比较如下： (1) 控制方式：

继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。

PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。 (2) 控制速度

继电器控制逻辑是依触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点

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有抖动现象。

PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。

(3) 延时控制

继电器控制系统是时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。

PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。 2.1.3方案3

采用单片机控制。PLC适合工业场合，单片机更多的适应民用场合，因其可靠性、稳定性较PLC有一定差距，但是综合成本低，适合大批量使用，而PLC不行，PLC更多适用于较大的工程或者需要非标准设计场合。PLC是一个带有CPU、存储器、I/O、系统软件和支持系统的专用面向过程控制的计算机控制系统。单片机是一个带CPU、内存的裸计算机。PLC系统复杂，价格高，但只要编写简单的用户程序就可以直接在工业上应用。单片机功能灵活，但开发应用都要从底层做起，功能由开发者水平决定，应用也不只是在过程控制。 2.2方案选择

通过将PLC 控制与继电器、单片机等控制进行区别比较, 可以看出,PLC 是一种更适合用于工业自动化控制的微电脑,它具有结构简单,抗干扰能力强,环境适应范围广,控制可靠性高,易于学习和掌握,控制逻辑修改容易,调试方便等优点,正好符合锅炉控制需要安全可靠、性能优越的要求，因此在本次毕设中用它来完成对燃油锅炉电气控制系统的设计。 2.3程序的设计思路

PLC的编程语言有梯形图语言；助记符语言；流程图（SFC）语言。本系统设计的思路是先弄清楚锅炉的工作过程，然后按照锅炉工作要求画出整个系统的大概流程示意图，最后再使用梯形图语言编程序。系统流程见图2-1，详细程序梯形图见附录3。

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开 始 总电路接通 燃油预热 引风机启动 鼓风机启动 点 火 喷 油 压力正常？ 伺服电机转动 水位偏低？ 水泵电机1启动 水位偏高？ 排 水 水泵电机1坏？ 水泵电机2启动 水位危险？ 停机结束 图2 程序流程图

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3 可编程控制器

3.1 可编程控制器的分类

目前，在中国市场最具竞争力的PLC有西门子和三菱公司。 三菱公司的产品有：

Q系列 、QnA系类、AnS 系列、A系列，此四种系列为模块式大型PLC，最大容量为8K点；FX 系列为小型PLC，单元式，单机最大容量为256点。

西门子公司产品有：

S7-200为微型PLC，单机最大容量为256点；S7-300为小到中型PLC单机最大容量为11K点；S7-400为大到超大型PLC，单机可组态点数过万点。

根据本设计的要求以及学校提供的可试验条件，选择使用三菱FX2N系列PLC。 3.2 可编程序控制器的组成及各部分的作用 3.2.1 PLC的基本组成

PLC实质上是一种工业控制计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程想连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故PLC与计算机的组成十分相似。从硬件结构看，它也有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口、电源等。如图3-1所示。

输入接口 编 可编程控制器 程 编程器 器 单板机 电源 接 口

扩展 输出 存储器及 接口 接口 后备电池

图 3-1 PLC结构图

PLC的输入/输出示意图如图3-2所示：

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图3-2 输入∕输出示意图

3.2.2 PLC各组成部分的作用

(1)中央处理器CPU

与一般的计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC进行工作，起主要任务有：控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像存储器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进行运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按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存储器的内容，再经过输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

(2)存储器

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。

系统存储器用来存放由PLC生产厂商编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分，第一部分为系统管理程序，它主管控制PLC的运行，使整个PLC按部就班的工作；第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再有CPU执行这些指令；第三部分为标准程序模块与系统调用，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序。

(3)输入/输出接口

它是PLC与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触头、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来模拟量输入信号。输出接口用来连接被控对象中各种执行元件。

(4)电源

小型整体式可编程序控制器内部有一个开关式稳压电源。此电源一方面可为CPU板、I/O板及扩展单元提供工作电源；另一方面可为外部输入元件提供电源。

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(5)外部设备

编程器:它的作用是为用户进行程序的编制、编辑、调试和监视;盒式磁带机:用以记录程序或信息。打印机:用以打印程序或制表;EPROM写入器:用以将程序写入到用户EPROM中;高分辨率大屏幕彩色图形监控系统:用以显示或监视有关部分的运行状况。 3.3 PLC的工作过程及特点 3.3.1 PLC的工作过程

PLC的工作过程是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫所用的时间称为扫

描周期或工作周期。CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。

PLC的工作过程可分为三部分：

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工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。

第二部分是扫描过程。PLC上电处理完成以后进入扫描过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。

第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码，当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。

当PLC处于正常工作时，它将不断重复的扫描工作过程，如果我们对远程I/O特殊模块和其他通信服务暂不考虑，这样扫描过程就只剩下了“输入采样”，“程序执行”、“输出刷新”三部分。

(1)输入采样阶段 PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。

(2)程序执行阶段 根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器“读入”对应元件映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。

(3)输出刷新阶段 在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的

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状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。

3.3.2 PLC的特点

PLC具有逻辑运算功能，可以实现各种通断控制。

①定时控制

②计数控制 它为用户提供几十个甚至上千个计时器，其计时时间设定值，既可以由用户设定，也可以由操作人员在工业现场通过人—机对话装置实时设定。

③步进控制

④PID控制 PLC可以解模拟量输入和输出模拟量信号。通常采用专门的PID控制模块来实现。

⑤数据处理 ⑥通信和联网

PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活，方便的优点而设计制造和发展的，这就使得PLC具有其他控制器所无法相比的特点。 3.4 FX2N-4AD模拟转换器

(1)特点：① 提供12位高精度分辨率 ② 4通道电压输入（-10V～+10V）或电流输入（-20～20mA）。③ 每一通道都可以指定电压或电流输入。④ FX2N最多可连接8台。⑤ FX2N-4AD的性能指标如表3-1所示

表3-1 FX2N-4AD的性能指标

项 目 电压输入 电流输入 根据是电流输入还是电压输入，使用端子有不同 200KΩ）绝对最大电压输入绝对最大输入?30mA ?15V 数字输出范围 分辨率 综合精确度 转换速度 隔离方式 模拟量用电源 带符号位12位二进制 5mV(10V×1/2000) 20μA(20mA×1/1000) ?1%（相对于最大值） 15ms×（1～4）通道（高速转换方式为6ms×（1～4）通道） 光电隔离及采用DC/AC转换器使输入和PLC电源间隔离 DC24（1?10%）V55mA 模拟量输入范围 DC-10～+10V（输入电阻DC-20～20mA（输入电阻250Ω）输入输出占有点 程序上为8点（计输入或输出点均可） 数 有PLC供电的消耗功率为5V 30mA (2)FX2N-4AD的缓冲寄存器（BFM）分配

可编程序控制器的基本单元与FX2N-4AD之间的数据通信是由FROM/TO指令来执行

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的。FROM是基本单元从FX2N-4AD读数据的指令。TO是基本单元将数据写到FX2N-4AD的指令。实际上读写操作都是对FX2N-4AD的缓冲寄存器BFM进行的操作。缓冲区由32个16位的寄存器组成，编号为BFM#0～#31，FX2N-4AD BFM分配表如表3-2所示。

表3-2 FX2N-4AD BFM分配表

BFM #0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13～#14 #15 #16～#19 #20 #21 #22 内 容 初始化通道，表示HOOO0，缺省值为HOOO0。最低位数字控制通道1，最高位控制通道4。其中，O=0时设定输入范围-10～+10V；O=1时设定输入范围+4～+20mA；O=2时设定输入范围-20～20mA；O=3时关闭该通道 通道1 通道2 通道3 通道4 通道1 通道2 通道3 通道4 通道1 通道2 通道3 通道4 没使用 转换速度的选择：置“0”时为15ms/通道，置“1”时为6ms/通道 没使用 置1时，设定值均回复到缺省设定值。置“0”时，设定不改变 增益和零点的设计值调整是否可改动：（b0,b1）置（1，0），则禁止改动。置1允许改动。零点：数字量输出为0时的输入值。增益：数字输出为+1000时的输入值。 零点和增益的调节 G4 O4 G3 O3 G2 O2 #23 零点值 G1 O1 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 采样输入的前值 采样输入的平均值 各通道平均值取样次数的指定。取样次数范围从1到4096，若设定该值范围时按缺省设定值8次处理 需要调整的输入通道由BFM#22的G-O（增益-零点）位的 电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 15页 共57 页

状态指定。例如，若BFM#22的G1、O1位置为1，则BFM#23#24 #25～#28 #29 #30 #31

增益值 和24的设定值即可送入通道1的增益和零点寄存器。各通道的增益和零点既可统一调整，也可独立调整。 没使用 错误状态信息 b15 b1 4 b1 3 b12 b11 b10 bbbbbbbbbb9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 特殊功能模块的识别码，PLC可用FROM指令读入。FX2N-4AD的为K2010 没使用 4 设计燃油锅炉电气控制系统

4.1 锅炉的电气控制系统的介绍 4.1.1锅炉自动控制的任务

锅炉自动控制的任务主要是维持锅炉的水位、温度、压力等物理参数在设定的范围内，并能自动适应负荷的变化，从而使锅炉安全可靠经济地运行。

(1)保持锅炉水位在规定的范围 蒸汽锅炉水位的高低，关系着汽水分离的速度和产生蒸汽的质量，对锅炉的安全运行极为重要。水位太高时，会使蒸汽大量带水，降低蒸汽品质，甚至会发生满水事故。水位偏低，会造成锅筒各部位的温度偏差，形成热应力，极限情况下会出现裂纹。水位过低，则容易发生缺水事故。在负荷变化时，锅炉水位也会快速变化，因此必须采用自动控制来维持水位在规定的范围内。

(2)保持汽压的稳定 锅炉汽压的变化，实际上反映了锅炉负荷的变化。当蒸汽量多于外界需求时，锅炉的汽压会上升;反之，锅炉的汽压就下降。汽压偏高，会影响锅炉的安全运行，加速金属材料的蠕变。汽压偏低，说明锅炉不能满足生产需要。因此，维持汽压稳定是安全生产和正常运行的需要。 4.1.2程序控制

程序控制是完成锅炉起动、停止以及正常工作等一系列操作自动化进行的过程，只有前一个条件满足，才能进行下一个动作。燃油锅炉程序控制主要有以下几点:

(1)检查锅炉水位、压力等看其是否正常，如果水位压力都正常，则可以进行燃油预热。接下来是先打开引风机，让其在燃烧前对锅炉炉膛预吹扫，接着打开鼓风机，往锅炉里送燃烧时需要的空气。

(2)自动点火 程序在吹扫及阀门密封性、供气压力检测完成后，风门执行器带动风门关小到设定的点火位置，点火变压器投入工作，当点火电磁阀打开后，可燃油雾立即被高压电火花点燃产生点火火焰。

电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 16页 共57 页

(3)安全运行 锅炉压力对其至关重要。压力正常与否直接影响整个锅炉的效率。当锅炉压力过低时，应该增大调节阀的开度，使出油量变大；反之，当压力过高时，应减小调节阀的开度，使出油量变小，从而减小压力，以保证锅炉的正常运行。

(4)停炉、熄火保护程序当水位达到危险水位时，要使整个锅炉停机同时要有声光报警信号。 4.1.3锅炉保护装置

燃油锅炉的水位、压力、温度应不超过允许值，这是锅炉安全运行必不可少的条件。用油作燃料的锅炉，在点火、燃烧、熄火等过程中，还必须实行程序控制和熄火保护。以防止发生炉膛爆炸事故。对锅炉的控制和保护是通过对锅炉辅机的控制来实现的。因而，锅炉必须有水位、压力、温度、火焰及辅机等多方面的电气控制保护装置。本课题设计锅炉水位自动控制保护装置。水位控制要求高、低水位声光报警，危险水位整个锅炉停机。并且设计电源欠压及过压保护。 4.2 锅炉主要电气设备的计算及选择

首先选择电动机。经过查阅资料对比，我决定选择Y系列电动机作为燃油锅炉的主要起动电机。Y系列电动机适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的一般场所和无特殊要求的机械如:金属切削机床、泵、风机、运输机械、搅拌机、农业机械和食品机械等，由于电动机有较好的起动性能，因此也适用于某些对起动转矩有较高要求的机械，如压缩机等。 其功率范围：11-200KW 电动机中心高H160-315。Y系列（IP44）电动机是我国统一设计的系列产品。具有体积小、重量轻、电气性能良好、经济指标先进等优点，而且结构牢固、使用方便，易于维修、是当前中国最先进的异步电动机、为农业及工矿企业广泛采用的电力拖动设备。

表4-1 电机的型号参数：

功（率千型号 电流 功率因转速转/分 效率% 素 中） Y801-4 Y802-4 Y90S-4 Y90L-4 1.5 2.0 2.7 3.7 1390 1390 1400 1400 1420 1420 1440 73 74.5 78 79 81 82.5 84.5 0.76 0.76 0.78 0.79 0.82 0.81 0.82 2.4 2.3 2.3 2.3 2.2 2.2 2.2 6 6 2.3 2.3 380V（A） （r/min） （n） （COS 瓦） （KW） 同步转速1500转/分(4极)50 Hz 0.55 0.75 1.1 1.5 2.2 3 4 6.5 2.3 6.5 2.3 7.0 2.3 7.0 2.3 7.0 2.3 Y100L1-4 5.0 Y100L2-4 6.8 Y112M-4 8.8 电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 17页 共57 页

5.5 7.5 11 15 18.5 22 30 37 45 55 75 90 110 132 160 200

Y132S-4 11.6 Y132M-4 15.4 Y160M-4 22.6 Y160L-4 30.3 Y180M-4 35.9 Y180L-4 42.5 Y200L-4 56.8 Y225S-4 69.8 Y225M-4 84.2 Y250M-4 102.5 Y280S-4 139.7 Y280M-4 164.3 Y315S-4 201.9 Y315M-4 139.7 Y315L1-4 289 Y315L2-4 361.3 1440 1440 1460 1460 1470 1470 1470 1480 1480 1480 1480 1480 1480 1480 1480 1480 85.5 85.5 88 88.5 91 91.5 92.2 91.8 92.3 92.6 92.7 93.5 93.5 94 94.5 94.5 0.84 0.84 0.84 0.85 0.86 0.86 0.87 0.87 0.88 0.88 0.88 0.89 0.89 0.89 0.89 0.89 2.2 2.2 2.2 2.2 2.0 2.0 2.0 1.9 1.9 2.0 1.9 1.9 1.8 1.8 1.8 1.8 7.0 2.3 7.0 2.3 7.0 2.3 7.0 2.3 7.0 2.2 7.0 2.2 7.0 2.2 7.0 2.2 7.0 2.2 7.0 2.2 7.0 2.2 7.0 2.2 6.8 2.2 6.8 2.2 6.8 2.2 6.8 2.2 表4-2 JR20系列双金属片式热继电器主要技术数据

产品型号 额定电额定电热元件压/v 流/A 代号 1R 2R JR20-10 10 ?? 14R 15R 1U JR20-63 660 63 2U 3U ?? 1w JR20-160 160 2w 3w 4w 整定电流范围/A 0.1~0.13~0.15 0.15~0.19~0.23 ?? 7~8.6~10 8.6~10`11.6 16~20~24 24~30~36 36~42~48 ?? 33~40~47 47~55~63 63~74~84 84~92~100 CJ20-100.160 基本型 L型 G型 CJ20-40.63 CJ20-10 安装特配用的CJ20征 交流接触器 电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 18页 共57 页

表4-3 DZ15系列塑料外壳式断路器主要技术参数如下

型号 DZ15-40/1 DZ15-40/2 DZ15-40/3 DZ15-40/4 DZ15-63/1 DZ15-63/2 DZ15-63/3 DZ15-63/4 DZ15-100/3 DZ15-100/4 100 380 63 380 220 40 380 壳架额定电流/A 额定电压/V 220 极数 1 2 3 4 1 2 3 4 3 4 80.100 10.16.20 25.32.40 50.63 6.10.16.20 25.32.40 脱扣器额定电流/A 4.2.1 电动机的选择

根据本次毕业设计要求，设计一个10t燃油锅炉。通过我上网查阅资料和在图书馆找资料得到的相关信息，参照上表一，我选择三相异步电动机作为锅炉的主要电机，其功率型号为：

引风机电机：型号Y225M-4，额定功率

nNPN=45KW，额定电流

IN=84.2A，额定转速

=1480r/min。

PI主鼓风机电机： 型号 Y180L-4，额定功率N=22KW，额定电流N=42.5A，额定转速nN=1470r/min。

PIn副鼓风机电机：型号Y160M-4，额定功率N=11KW，额定电流N=22.6A，额定转速N=1460

r/min。

PI水泵电机、备用水泵电机：型号Y180M-4，额定功率N=18.5KW，额定电流N=35.9A，

n额定转速N=1470r/min。

PI喷油泵电机：型号Y100L2-4，额定功率N=3KW，额定电流N=6.8A，额定转速nN=1420r/min。

PIn除氧泵电机：型号Y160M-4，额定功率N=11KW，额定电流N=22.6A，额定转速N=1460

r/min。

喷油泵电机：型号Y100L2-4，额定功率nN=1420r/min。

PN=3KW，额定电流

IN=6.8A，额定转速

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4.2.2 热继电器的选择

用热继电器的目的是为了发挥电动机的过载能力，保证电动机的正常启动和运转，当电动机一旦出现长时间过载时能自动切断电路。热继电器在电路中是做三相电动机的过载保护用。

(1)类型选择：

一般情况下，可选用两相结构的热继电器，但当三相电压的均衡性较差，工作环境恶劣或无人看管的电动机，宜选用三相结构的热继电器。对于三角形接线的电动机，应选用带断相保护装置的热继电器。 (2)热继电器额定电流选择：

热继电器的额定电流应大于电动机额定电流。然后根据该额定电流来选择热继电器的型号。

(3)热元件额定电流的选择和整定：

热元件的额定电流应略大于电动机额定电流。当电动机启动电流为其额定电流的6倍及启动时间不超过5S时，热无件的整定电流调节到等于电动机的额定电流；当电动机的启动时间较长、拖动冲击性负载或不允许停车时，热元件整定电流调节到电动机额定电流的1.1-1.15倍。这里选择1.15倍。

I引风机电机： IFR1 = N×1.15A=84.2×1.15A=96.83A

I主鼓风机电机： IFR2 = N×1.15A=42.5×1.15A=48.88A

I副风机电机： IFR3 = N×1.15A=22.6×1.15A=25.99A

I水泵电机： IFR4 = N×1.15A=35.9×1.15A=41.29A

I备用泵电机： IFR5 = N×1.15A=35.9×1.15A=41.29A

I喷油泵电机： IFR6 = N×1.15A=6.8×1.15A=7.82A

4.2.3接触器的选择

(1)选择接触器的类型：

根据电路中负载电流的种类选择。这里的控制系统中是交流负载，直流电动机或直流负载的容量较小，所以选用交流接触器来控制，但触点的额定电流应选得大一些。

(2)选择接触器主触头的额定电压应等于或大于负载的额定电压。

(3)选择接触器主触头的额定电流：被选用接触器主触头的额定电流应不小于负载电路的额定电流。也可根据所控制的电动机最大功率进行选择。

(4)根据控制电路要求确定吸引线圈工作电压和辅助触点容量如果控制线路比较简单，所用接触器的数量较少，则交流接触器线圈的额定电压一般直接选用380V或220V。

综上所述，根据表二我选择的主要电机的热继电器及其接触器如下： 引风机电机： 热继电器：JR20-160 接触器：CJ20-100.160

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主鼓风机电机： 热继电器：JR20-160 接触器：CJ20-100.160 副风机电机： 热继电器：JR20-63 接触器：CJ20-40.63 水泵电机： 热继电器：JR20-63 接触器：CJ20-40.63 备用泵电机： 热继电器：JR20-63 接触器：CJ20-40.63 喷油泵电机： 热继电器：JR20-10 接触器：CJ20-10 主要电路接触器KM0选择CJ20-100.160。 4.2.4 断路器

低压断路器有DZ系列和DW系列等。DZ5系列为小电流系列，其额定电流为10～50A；DZ15系列为大电流系列，其额定电流等级有100A、250A和600A三种。它在电路中可以起短路保护作用。

低压断路器的动作原理如图7—5所示。电磁脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件均串连在被保护的三相电路中，欠压脱扣器线圈并联在电路中。按下闭合按钮，搭钩钩住锁链，触头闭合，接通电源。在正常工作时，电磁脱扣器的衔铁不吸合；当电路发生短路时，线圈通过非常大的电流，于是衔铁吸合，顶开搭钩，在弹簧的作用下触头分断,切断了电源.当电动机发生过载时,双金属片受热弯曲，同样可顶开搭钩，切断电源。当电路电压消失或电压下降到某一数值时，欠压脱扣器的吸力消失或减小，在弹簧作用下，顶开搭钩，切断电源。

低压断路器可按以下条件选用：

(1)低压断路器的额定电压和额定电流应不小于电路正常工作电压和电流。 (2)热脱扣器的整定电流应与所控制的电动机的额定电流或负载的额定电流一致。 (3)电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流应大于负载电路正常工作时的峰值电流。

图4-1 低压断路器

a）原理图 b）符号

1—主弹簧 2—主触头三副 3—锁链 4—搭钩 5—电磁脱扣器 6—杠杆 7—双金属片 8—热元件

根据设计要求，我们选择DZ15系列断路器。DZ15系列塑壳断路器适用于交流50Hz、

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380V或直流220V及以下的配电线路中用来分配电能和保护线路及电源设备的过载、欠电压和短路，以及在正常工作条件下不频繁分断和接通线路之用。 根据表三所示，我选择的低压断路器如下： 引风机电机： DZ15-100/4 主鼓风机电机： DZ15-63/4 副风机电机： DZ15-63/4 水泵电机： DZ15-63/4 备用泵电机： DZ15-63/4 喷油泵电机： DZ15-40/4

4.2.5 电缆线的选择

直接启动的电机进行设计选择电缆时，可以是选用一根三芯电缆，并且电缆的截面积可以直接根据电机的额定电流进行选择；而Y-Δ启动的电机在进行设计选择电缆时，最少需要两根三芯电缆，并且每根电缆的截面都应该是相同的。

电缆线的选择如下表4-4：

导线截面积 2（mm） 0.75 1.0 1.5 2.5 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 150 空气敷设长期允许载流量（A） 橡皮绝缘电线 铜芯 18 21 27 33 45 58 85 110 145 180 230 285 345 400 470 铝芯 19 27 35 45 65 85 110 138 175 220 265 310 380 BX、BXF、BXR BLX、BLXF 聚氯乙烯绝缘电线 铜芯 BV、BVR 16 19 24 32 42 55 75 105 138 170 215 265 325 375 430 铝芯 BLV 18 25 32 42 59 80 105 130 165 205 250 285 325 电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 22页 共57 页

185 240 300 400 500 630

截 面（mm2） 540 660 770 940 1100 1250 420 510 600 730 850 980 490 380 3根单芯（A） 25℃ 30℃ 15 21 27 37 48 63 78 100 126 154 177 11 14 20 28 35 48 63 84 102 35℃ 14 19 25 34 44 58 72 93 116 142 164 10 13 19 25 32 44 58 77 95 40℃ 13 18 22 31 41 53 66 85 106 130 150 9 12 17 23 30 41 53 71 87 管径（mm） 支线 20 20 20 32 32 40 40 50 50 63 63 16 16 20 20 20 32 32 40 40 干线 32 40 40 50 50 63 63 32 40 40 50 BLXF、 铝芯 BLXF、 铜芯 2.5 4 6 17 23 29 40 52 68 84 108 135 165 190 12 16 22 30 38 52 68 90 110 BLX、10 16 25 35 50 70 95 120 1 2.5 2.5 4 BLX、6 10 16 25 35 电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 23页 共57 页

50 70 95 120 140 175 215 250 130 163 201 233 121 151 185 216 110 138 170 197 50 50 63 63 50 63 63 由图可得到各个电机的电缆线： 引风机电机： BLX-3×70平方 主鼓风机电机： BLX-3×16平方 副风机电机： BLX-3×10平方 水泵电机： BLX-3×16平方 备用泵电机： BLX-3×16平方 喷油泵电机： BLX-3×2.5平方

4.2.6 三相异步电动机的起动方法

三相异步电动机的介绍：

这次毕业设计所用到的主要电动机是三相异步电机。三相异步电动机由定子和转子两大部件及其他附件组成。

定子：定子是由机座，定子铁心和定子绕组三部分组成。机座是电动机的主要支架，用来固定定子铁心和支持端盖，一般由铸铁制成。为了减少铁心中的能量损耗，铁心是由一定厚度圆环状，内圆冲有嵌放放定绕组的下线槽。互相绝缘的硅钢片叠成的。定子绕组是用漆包线或纱包线绕制而成的，三相绕组在电动机内部可接成三角形方式，为了改变接线的方便，三相绕组的6个接线端子，从内部引线接到电动机定子外面的接线板上。

转子：转子是由转子铁心和转子绕组组成，轴是用中碳钢制造的。转子铁心是0.35～0.5mm厚圆形硅钢片叠压而成的，靠近边缘均匀的冲有用来嵌放转子绕组的线槽。

笼型转子各线槽内绕组和两端短路还连同风叶一起，同铝铸成一个整体，实际就是转子的绕组。绕线型转子的绕组和定子绕组的形成基本上相同。三相绕组的尾端连在一起星形联结，而三个始端则连接在三个铜集电环上。环与环之间以及环与轴之间互相绝缘。

电机的起动方法有直接启动、减压启动与软启动等。

1、直接起动

直接起动，也就是全压起动，是一种最简单的起动方式。起动时，通过一些直接起动设备，把全部电源电压（即全压）直接加到电动机的定子绕组，显然，这时起动电

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流较大，可达额定电流的4～7倍，根据对国产电动机的实际测量，某些电动机甚至可达到8～12倍。对于经常起动的电动机，过大的起动电流将造成电动机的发热，影响电动机的寿命；同时电动机绕组在电动力的作用下，会发生变形，可能造成短路而烧坏电动机。过大的起动电流还会使线路压降增大，造成电网电压显著下降而影响接在同一电网的其它电动机的正常工作。所以，一般规定，异步电动机的功率低于7.5KW时允许直接起动，如果大于7.5KW，一般用降压起动。

2、减压起动

(1)电阻减压或电抗减压起动

电动机起动过程中，在定子电路串联电阻或电抗，起动电流在电阻或电抗将产生压降，降低了电动机定子绕组上的电压，起动电流也从而得到减少。

(2)自耦补偿起动

自耦补偿起动是利用自耦变压器降低到电动机定子绕组的电压，以减小起动电流。它适用于容量较大的低压电动机作减压起动用，应用比较广泛，有手动和自动控制线路。不过它的体积比较大，质量也比较大，价格比较高。

(3)星形-三角形起动

星形-三角形起动也是一种降压启动，使用这种方法起动的电动机，在运行时连接成三角形的，而且每相绕组引出两个出线端，三相共引出六个出线端。在起动时，先将三相定子绕组连成星形，待转速接近稳定时再改为连接成三角形。这样，起动时连接成星形的定子绕组电压与电流都只是三角形的1/1.732，由于三角形连接时绕组内的电流是线路电流的1/3，而星形连接时两者相等的。因此连接成星形起动时的线路电流只有连接成三角形直接起动时线路电流的1/3，所以这种起动方式只适用于空载或轻载起动。

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图4-2 星三角减压启动

(4)延边三角形起动

延边三角形起动法是利用电动机引出的九个出线端（即每相定子绕组多引出一个出线端）的一种连接法，能达到减压起动的目的。

3、软起动

软起动是一种无级别能平滑起动的，有五种起动方法。 (1)限流或恒流起动方法。 (2)斜坡电压起动法 (3)转矩控制起动法

(4)转矩加脉冲突跳控制起动法 (5)电压控制起动法

表4-5 三相异步电动机起动方式的比较 起 动 方 比 式 较 项 目 定子串电阻 自耦变压器 星—三角起动 延边三角

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起动电流 起动转矩 适用范围 IQ= KIN TQ = K2IN 适用于起动次数不太多，电动机容量不大 I1=K2IN TQ = K2IN 适用于比较大容量的电动机 IY=1/3I△ TY=1/3T△ 只适用于正常运行为三角形联结的电动机 a=1:1 IQ=1/2 IN TQ=1/2TN 只适用于能这样联结的电动机 起动转矩比星—三角方式大，接线复杂 电路简单，价价格较贵，体特点 格低廉，电阻积大，起动转只能在空载或消耗功率大，矩较大，不能轻载下起动 起动转矩较小 频繁起动 根据实际要求，在锅炉里使用的主要电机都是轻载起动的电机，所以在这里选择的起动方式是，小电机为直接起动，大电机为星形-三角形起动。即除了喷油泵电机采用直接起动外，其他电机都用星形-三角形起动方式。 4.3 水位控制系统及压力控制系统的设计 4.3.1燃油锅炉水位控制系统

燃油锅炉控制系统中，水位的控制至关重要。蒸汽锅炉需要一定的蒸汽空间，水位要控制在一定的高度。所以对锅炉的水位要有及时的控制。当燃油锅炉的水位过低时，燃油锅炉的给水泵打开，向锅炉中进水；当到达危险水位时，燃油锅炉停止运行，当燃油锅炉的水位过高时，给水泵停止运行并且排水。为了保证锅炉的安全运行，必须设计有一备一用两个给水泵。

图4-2为一备一用两水泵电机星—三角起动主电路图：

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图4-3 一备一用两水泵电机星—三角起动主电路图

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一备一用两水泵电机采用星-三角起动方式，其继电器控制线路如图4-3所示：

图4-4 水泵电机继电器控制图

按下起动按钮SB2，KM1线圈得电，其主触点闭合，水泵电机1接通，水泵电机2断开。同时KM3线圈和时间继电器KT线圈得电，他们的触头闭合，水泵电机1Y起动。当时间继电器定时时间到时，其常开触头闭合，常闭触头断开，KM3线圈失电，水泵电机1D起动。如果水泵电机1出故障，则起动水泵电机2，过程和前面一样。由于传统的继电器控制动作速度慢,可靠性差，所以我们采用动作速度快，可靠性高的PLC来控制水泵的起停及运作过程。

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燃油锅炉水位控制系统的PLC外围接线原理图设计如下：

图4-5 燃油锅炉水位控制系统的PLC外围接线原理图

相应的程序为:

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当水位下限到达时，X003接通，水泵电机1接通得电，先是Y起动，经过5秒定时后自动变为D起动。以此同时，串接在水泵电机2线路上的常闭触头Y001断开，水泵电机2不工作。如果水泵电机1出故障，则其断开的常闭触头Y001恢复闭合，水泵电机2自动投入工作。过程也是先为Y起动，后为D运行。 4.3.2燃油锅炉压力控制系统

压力是锅炉的重要参量，压力控制的精度直接决定锅炉的效率。压力太高和太低都将影响锅炉的正常运行，甚至有可能照成锅炉烧坏。因此燃油锅炉对压力的要求很高，最好是能恒压运行。直接影响锅炉压力因素有很多，其中最主要的是喷油嘴的进油量和鼓风机的鼓风量。因此要通过压力的检测来控制燃油量和风量，反过去控制锅炉压力。本课设用伺服电机的正反转来控制喷油嘴的进油量。其控制过程是自动完成的。工作时，安装在管网上的压力变送器将实测的管网压力反馈到PLC，与预先设定的给定压力进行比较，将结果转换成开关量后输出控制继电器线圈的通与断，从而给伺服电机一个转动的信号以驱动伺服电机正反转。伺服电机转动控制调节阀的开度，从而控制进油量的大小，以保持管网压力与给定压力值的一致，实现恒压供油。

(1)压力控制系统相关硬件介绍 ①3051压力变送器

工作原理：工作时，高、低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传递给灌充液，接着灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上。传感膜片是一个张紧的弹性元件，其位移随所受压而变化（对于GP表压变送器，大气压如同施加在传感膜片的低压侧一

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样）。AP绝压变送器，低压侧始终保持一个参考压力。传感膜片的最大位移量为0.004英寸（0.1毫米），且位移量与压力成正比。两侧的电容极板检测传感膜片的位置。传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流，电压或数字HART（高速可寻址远程发送器数据公路）输出信号。

本论文要求设计的锅炉的容量为10吨，根据要求我选择锅炉型号为WNS10--1.25--Y(Q),其参数如下： 额定蒸发量:10t/h； 额定蒸汽压力:1.25MPa； 额定蒸汽温度:194℃。

选择符合其的压力变送器型号为3051PG。 3051PG型压力变送器主要技术参数如下： 量程：0~0.062Pa~13.8MPa 综合精度：0.05%

输出信号：4～20mA;1～5V;0.8～3.2V 供电电压：6~12V DC 膜片耐温：300℃

②伺服电机

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。伺服电动 机不仅具有起动和停止的伺服性，而且具有转速的大小和方向的可控性。伺服电动机的控制方法有三种：一是幅值控制，即保持控制电压的相位不变，仅仅改变其幅值来进行控制；二是相位控制，即保持控制电压的幅值不变，仅仅改变其相位来进行控制；三是幅-相控制，即同时改变控制电压的幅值和相位来进行控制。

交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同。在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组UF和控制绕组UC。UF接一恒定交流电压，利用施加到UC上的交流电压或相位的变化，达到控制电动机运行的目的。交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格（要求分别小于10％～15％和小于15％～25％）等特点。

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图4-6为交流伺服电机的电气原理图：

如上图所示，当任意一个绕组所加的电压反相时（电压倒相或两个断头换接），则流过该绕组的电流也反相，因而旋转磁场的转向改变，这样电机的转向也发生改变，因此就可以控制伺服电机使其反转。

图4-7 伺服电机主电路图

当接触器触头KM14得电闭合时，伺服电机得到一个正转的控制信号，就相应的正转起来，以便控制油泵调节阀的开度，使其开度变小，减小调节阀的出油量。类似的，当接触器触头KM15得电闭合时，伺服电机反转，增大油泵调节阀的开度，增大出油量。直到压力恢复正常时，伺服电机不再动作，以达恒压供油的目的。伺服电机转过的角度由PLC编程来控制，更改程序设置即可改变旋转的角度。

(2)压力控制系统原理图设计

用传统的继电器控制燃油锅炉压力系统的线路图4-7所示：

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图4-8 继电器控制燃油锅炉压力系统的线路图

先合上引风机的起动按钮SB2，起动引风机，先是Y型联结，稳定运行后变为D联结；接着起动鼓风机，起动顺序和引风机一样；最后起动喷油泵电机，油泵电机为直接起动方式。

鉴于燃油锅炉的组成和控制要求，继电器控制的精度达不到要求，所以我们运用PLC及相关器件设计如图4-8所示锅炉压力控制电路原理图：

图4-9 锅炉压力控制电路原理图

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锅炉的采样压力经过压力变送器降压变成电压后送进PLC的A/D模块，经过A/D转换后跟正常的压力设定值比较，如果采样压力大于设定值，则PLC要输出一个信号给接触器线圈M14，伺服电机得到一个正转的信号，开始正转以控制调节阀的开度，使出油量变小一点；反之则PLC输出一个信号给接触器线圈M15，从而伺服电机得到一个反转的信号，开始反转以控制调节阀的开度，使出油量变大一点，以达到控制压力在一定范围的目的，实现恒压供油。

因为我选择的锅炉型号为WNS10--1.25--Y(Q),即：额定蒸发量:10t/h；额定蒸汽压力:1.25MPa。选择的压力传感器型号为3051PG，其量程：0~0.062Pa~13.8MPa，输出信号选：1～5V。所以1.25*5/13.8=0.45V。即锅炉内压力超过0.45V和低于0.45V都为不正常，要起动伺服电机来控制压力，使之正常。 其相应的程序为：

压力变送时FX2N-4AD模拟转换器选择1号通道，则程序初始化为H3330，其中前面

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的三个3表示通道2、3和通道4关闭，最后一个0表示通道1通。且选择的设定输入范围是-10～ +10V。对输入时的初始化为K0，上面梯形图表示由BFM#30中读出在“0”位置的特殊功能模块的ID号，保存在主单元的D2中。比较该值以检查模块是否是FX2N-4AD，如果是则M6变为ON。然后是程序的初始化，将H3330写入FX2N-4AD的BFM#0，建立模拟输入通道CH1。将20写入BFM#1，将CH1的平均采样数设为20。然后FX2N-4AD 的操作状态由BFM#29中读出，并作为FX2N主单元的位元件输出。如果操作FX2N-4AD没有错误，则读取BFM#5的平均数据送D3，接着与算好的正常压力值比较。如果锅炉中压力大于正常值，M211接通，伺服电机正转；反之则M209接通，伺服电机反转。上式中的K90的计算根据FX2N-4AD的分辨率及模拟量输入范围可得：

2000*0.45/10=90 即K90

4.4 电源欠压、过压及电机的过流保护的设计

在本次毕业设计中，主要电机的过流，电源的欠压、过压保护的控制是采用FX2N的扩充模块FX2N-4AD转换器来实现的。其过程为先将线路电压或电流分别送入电压变送器或电流变送器，经过降压处理，再送入FX2N-4AD转换器中，对模拟信号进行数字化处理，用程序对电压或电流的采样值与设定值进行自动比较控制PLC的输出。当电压大于设定值的1.15倍时，PLC输出，产生过压保护，即过压报警灯亮，过压报警器响；当电压小于设定值的0.75倍时，PLC输出，产生欠压保护，即欠压报警灯亮，欠压报警器响。同样也设定电机额定电流的一个标准值，与参考值比较，当电流大于设定值的1.05倍时产生过流跳闸，同时产生声光报警信号。

4.4.1电压变送器

三相交流电压变送器是一种将交流电压转换成按比例输出的与负载无关的直流电流或电压的装置，广泛的应用在电力、石化、油田、冶金、自控等各个需要电量测量的行业。

在这里选择了PAS-U3交流电压变送器。其型号用PAS-U3-V6-P5-O4， U3代表的是三相交流电，V6代表输入电压范围为0～500V，P5代表加AC220V电源，O4代表的是输出范围为0～5V。

4.4.2电流变送器及电流互感器

电流互感器它的工作原理和变压器相似。它的特点是： (1)一次线圈串联在电路中，并且匝数很少，因此，一次线圈中的电流完全取决于被测电路的负荷电流．而与二次电流无关；(2)电流互感器二次线圈所接仪表和继电器的电流线圈阻抗都很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路状态下运行。电流互感器一、二次额定电流之比，称为电流互感器的额定互感比：KN=I1n/I2n因为一次线圈额定电流I1n己标准化，二次线圈额定

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电流I2n统一为5(1或0.5)安，所以电流互感器额定互感比亦已标准化。KN还可以近似地表示为互感器一、二次线圈的匝数比，即KN=N2/N1式中N1、N2为一、二线圈的匝数。电流互感器的作用就是用于测量比较大的电流。当电流超过一定数值时，电度表和其它测量仪表应经电流互感器接入电路，使测量仪表及工作人员避免与大电流回路直接接触，从而保证仪表及人身的安全。在仪表制造方面也易做到标准化，且可利用互感器任意扩大测量范围，仪表的准确度也容易提高。LA-10Q电流互感器为半封闭式浇绝缘，户内型产品.适用于交流50Hz，10KV及以下线路中，供电流,电能功率测量以及继电保护用。我选用额定电流为100/5的LA-10Q型电流互感器，即它的匝数比为KN=N2/N1=1/20。 我选择LA-10Q型电流互感器和D2 PTC1 AC电流变送器。 表4-6为本设计所选的电流变送器型号参数:

表4-6 电流变送器型号参数

型号及规格 辅助供电电压 耗电 输入值 I in V in 信号输出NO 响应时间 输入/输出隔离 温度

4.4.3欠压、过压、过流保护的实现

先将线路电压或电流送入三相交流变送器，对电压和电流进行转换，根据上面的选择输入电压范围为0～500V，输出电压为0～5V。例如，设定电网的额定电压为380V，根据要求，其过压时的电压为额定电压的1.15倍，欠压时的电压为额定电压的0.75倍，所以过压时电压UN1=380V×1.15=437V，欠压时电压UN2=380×0.75=285V，经过三相交流变送器后，其U'N1=4.37V，U'N2=2.85V。即输入FX2N-4AD模拟转换器的过压电压为4.37V，欠压为2.85V。而电流变送器输入电流范围为0～5A ，输出电压选0～5V。本设计中共用到五个电机，要求每个电机都要设计其过流保护，在这里我选择一个电机作为代表设计它的过流保护，其他电机的过流保护可以用类似的方法设计。对引风机来说，

D2 PTC1 AC电流变送器 110/240 V AC,±20% 24/48/110/220 V DC ±20% 3.5VA-AC.4VA-DC 0 -1 A AC/0-5 A AC N.A. 单（可选择双输出） 小于500毫秒 直流电 0oC至+55oC DC输出（单/双） 0-1mA,0-5mA,0-10mA,0-20mA, 4-20mA,0-5V,0-10V 电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 37页 共57 页

他的额定电流为84.2A，根据要求，其过电流时的电流为额定值的1.05倍，所以过电流I1=84.2×1.05=88.4A，经过三相交流互感器后I2=88.4*5/100=4.42A,再经过交流变压器变压，这里选择输入为0-5A,输出为0-5V的交流变送器，经过变送器后输入FX2N-4AD模拟转换器的过流转化为4.42V的电压。

电压变送时FX2N-4AD模拟转换器选择2号通道，则程序初始化为H3303，其中前面的两个3表示通道3和通道4关闭，中间一位0表示通道2通，最后一个3表示通道1关闭。且选择的设定输入范围是-10～ +10V。电流变送时FX2N-4AD模拟转换器选择3号通道，则程序初始化为H3033，选择的设定输入范围是-10～ +10V。对输入时的初始化为K0，对电源欠压、过压及引风机过流保护的程序如下：

上面梯形图表示由BFM#30中读出在“0”位置的特殊功能模块的ID号，保存在主单元的D4中。比较该值以检查模块是否是FX2N-4AD，如果是则M1变为ON。然后是程序的初始化，将H3003写入FX2N-4AD的BFM#0，建立模拟输入通道（CH2和CH3）。将4

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写入BFM#2和BFM#3，将CH2，CH3的平均采样数设为4。然后FX2N-4AD的操作状态由BFM#29中读出，并作为FX2N主单元的位元件输出。如果操作FX2N-4AD没有错误，则读取BFM#6、BFM#7的平均数据送D0、D1。然后与过压、过流及欠压值分别进行比较，根据结果输出相应的报警信号。上式中的K570、K874和K884的计算根据FX2N-4AD的分辨率及模拟量输入范围可得：

2000?4.37 过压时 ?874，即是K874

10 欠压时 过流时

，即是K570

2000?4.42?884 ，即是K884

105 系统的安装与调试 5.1 系统模拟样机的安装

本设计包括一个模拟样机的制作及安装过程，即安装主电路和PLC外围接线电路。在选择设备、设计整个系统的工作完成后，我就按照自己设计的系统主电路安装锅炉模拟样机。在一个空的电气柜里把锅炉系统要用到的主电路设备及控制电路设备都安装上。比如说主电路的刀开关、断路器、接触器等。锅炉主要功能是用PLC来实现的，因此在电气柜里还要把PLC及其A/D模块装上。因为设备有限，所以我只安装了锅炉主要电机中的两个给水泵电机还有PLC及其A/D模块。在安装电气柜之前，我首先要进行整体布置，即画好安装图，设计好哪个设备应该装在哪个位置，以免安装时出现位置不够或者太拥挤太凌乱的现象。安装主电路时，要达到线路美观的效果，所以我把所有引线都拉成直线或者弯成直角，再安装线盒，把接线都放到线盒里面封起来，这样看其来就没有那么乱，同时因为接的线比较多，所以要把每根线都标好号码，这样接线时就不会弄乱，而且整个电气柜看起来也比较美观。在整个电气柜的安装过程中，我通过自己布线，安装，不仅更深一步的掌握了电气柜的安装技巧，而且更重要的是整个安装过程磨练了我的意志，增强了我的动手能力。以前除了做实验，很少有机会自己动手安装那么多电气元件，现在经过这段时间的边安装边学习，我想以后在工作中我将不再觉得安装电气元件是一件难事，这将给我的工作和生活都带来很大的方便。

5.2 模拟样机的调试

在模拟样机安装完成后，首先要进行的是样机的调试。在调试样机之前，应先用摇表检查电动机的定子，转子以及外壳的绝缘情况是否良好。因为电动机需要的是380V的电压，而摇表摇动时能发出500V的电压，所以足够电机的检测用，因此选择摇表来检测电动机的绝缘情况，三相异步电动机的绝缘阻值为0.38兆欧姆。接着检查主电路的接线，看其是否有短接现象。在电路接通前可以用万用表来检查断路器和接触器线圈

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以及电机接线处的接线柱间的电阻，看其是否为无穷大，如果不是则其接线就可能短路了。检测完毕就可以调试样机了。样机的调试过程为先断开断路器，再合上刀开关，最后再合上断路器，因为刀开关没有灭弧能力，断路器有很强的灭弧能力，可以在线路不正常时切断线路，所以合上刀开关前必须确保电路是断开的。同样如果电路出现异常时，不能直接断开刀开关，而要先断开断路器，否则可能会出现整个电路烧坏的危险。模拟样机的调试还有一个重要环节。那就是PLC的调试。PLC的调试除了接线处的检查外，主要是程序的调试。 5.3程序的调试

在程序的调试过程中，当有信号输入时，相应的输出端口没信号输出，但把该程序的时间继电器换成另一个后，却能正常输出，这有可能是PLC的内部继电器已损坏。当同一个输入条件，却在有些地方有输出，而有些地方没有输出，比如同一个报警灯，在高水位时能亮，而低水位却没有反应，那问题可能是接的支路太多了，所以不必分开接，可以几个输入并接在一起，然后共用一个输出。水泵电机的1#泵和2#泵应该是互锁的，即当1#泵工作时，2#泵是停止的，只有当1#泵出现故障停止工作了才自动起动2#泵。还有压力只有不正常时伺服电机才工作，否则不起动伺服电机。经过对程序的调试，已基本验证了程序中设置的功能，并与实际要求相符合，达到设计的目的。

整个系统调试完毕后，本设计中的要求都基本得到了实现，即整个系统基本实现了水位、压力自动控制还有电源欠压、过压以及电机过流保护的功能。到此，我成功完成了本次毕业设计。

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6 结论

锅炉燃烧系统是一个复杂的动态过程，具有很强的非线性、紧耦合、大滞后、强干扰，传统的控制方法很难使之达到理想的控制效果和较高的自动投运率。因此，对锅炉应用先进控制使其安全经济运行，达到节能和改善环境等目的，将具有深刻的意义。

本设计中锅炉控制系统将PLC引入控制方案，由于PLC具有控制能力强、操作方便灵活、可靠性高等特点，在工业生产自动化过程中，显示出较大的优越性。它不仅可以取代传统的继电接触控制系统，还可构成复杂的控制网络。利用FX2N型对一台燃油锅炉的控制系统改造，实现了自动控制功能。从运行情况看，它操作简单、运行稳定、故障少、安全性能好，改变了人工操作的麻烦，降低了劳动强度，提高了工作效率。

另外由于我知识和能力有限，本论文尚有许多有待改进与提高的不足之处，希望老师批评指正。

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