基于plc的锅炉监控系统的设计

基于plc的锅炉监控系统的设计内容摘要：

当室内外温度、出回水温度改变时，控制系统能随时改变电机的转速，避免电动机一直处于最大转速下运行，以控制燃烧系统，实现经济效益的最优化。 连锁控制 在锅炉控制中，为保证锅炉安全运行，在某一机构发生故障时，要有即时报警和相关保护并触发与之关联的设备实现自动连锁。 锅炉运行要求的连锁动作大体有以下几项： （ 1）鼓风电机 要求当引风电机停止、炉排电机停止、管网压力超出上限时，鼓风电机自动停止。 启动时，只有引风机运行起来后才开鼓风机。 （ 2）引风电机 要求当循环泵启动之后才启动引风机。 （ 3）炉排电机 要求当鼓风电机或引风电机发生故障时，炉排电机立即停止运行。 在正常启停时，当鼓风和引风开起来后再开炉排电机，停机时先停炉排电机。 （ 4）补水水泵 要求管网压力超出上限时，补水泵自动停止。 电路的保护 本设计采用断路器、熔断器和热继电器实现对主电路和电动机的保护。 断路器能自动的进行欠电压、失电压和短路保护，当电路发生欠电压短路的时候，断路器能够自动的断开线路，保护设备的安全；热继电器主要实现电动机的过载保护，当电动机过载的时候，热继电 器动作，通过辅助触点断开控制线路，实现对电机的保护；熔断器主要完中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 13 页 共 38 页 成短路和过电流保护，当电路中电路超过一定值的时候能够迅速的分断电路中的电器设备，以保护电器设备不被损坏。 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 14 页 共 38 页 3 PLC 控制系统的硬件设计 可编程控制器基础 PLC 概述 可编程控制器是 60 年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器 PLC（ Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器。 以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。 提出 PLC 概念的是美国 通用汽车公司。 PLC 的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。 根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内 ,使控制器和被控对象连接方便。 70 年代中期以后， PLC 已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的 PLC 已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、 PID 调节和数据通信功能。 国际电工委员会 (IEC)颁布的 可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。 它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。 目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。 可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。 ①可靠性高，抗干扰能力强； ②编程直观、简单； ③适应性好； ④功能完善，接口功能强 PLC 的历史 1968年， Richard E. Morley创造出了新一代工业控制装置可编程逻辑控制器 (PLC),现在， PLC 已经被广泛应用于工业领域，包括机械制造也、运输系统、化学过程设备、中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 15 页 共 38 页 等许多其他领域。 初期可编程控制器只是用一种类似于语言的软件逻辑于代替继电器硬件逻辑，并且使开发时间由 6 个月缩短到 6 天。 虽然计算机控制技术已经产生，但 是 PLC 控制因为它的高性能、成本低、并且对恶劣的环境有很强的适应能力而在工业控制的广泛应用中保持优势。 而且，尽管硬件的价格在逐渐下跌，据估计，根据 Frost 和 Sullivan 对 PLC 市场的调查研究表明，每年销售硬件的价格要比销售 PLC 的价格（一千五百万）至少多出八十亿美元。 PLC 的创造者Richard E. Morley 十分肯定的认为目前 PLC 市场是一个价值五十亿的工业 虽然 PLC 广泛应用于工业控制中， PLC 控制系统的程序依然和语法有关。 和软件过程一样， PLC 的软件设计也以同样的方式会遇到软件错误或危机。 Morley 在演讲中着重强调了这个方面。 如果房子建造的像软件过程一样，那么仅仅一只啄木鸟就可以摧毁文明。 特别的，PLC 程序要解决的实际问题是消除软件错误和减少老式梯形逻辑语言的花费。 尽管 PLC的硬件成本在继续下降，但是在工业控制上减少梯形逻辑的扫描时间仍然是一个问题，以至于可以用到低耗时的 PLC。 一般来说，和其他领域相比生产 PLC 的周期要短很多。 例如，在实践中， VISI 设计是一种有效的计算机辅助设计。 PLC 不需要使用目前的以软件设计为基础软件工程方法论，因为 PLC 程序要求对软件和硬件搜都要考虑到。 因此，软 件设计越来越成为花费动力。 在许多的工业设计工程中，多数人力分配给了控制系统设计和安装，并且他们被要求对 PLC 进行程序测试和错误排除。 再者， PLC 控制系统不适合设计对适应性和重构有越来越多要求的生产系统。 一个更深入的问题是在大规模的工程中软件越来越复杂，促使要有一个系统化的设计方法论。 主题的客观性是为 PLC 自动控制系统建立一个系统化的软件设计方法论。 这个设计方法论包括以状态转换模型为基础的精确的描述，这个转台转换模型是自动控制系统的抽象系统。 方法论还包括一个逐步的设计过程，并且要设置一个设计规则，这样才能 为一个成功的设计提供导向和方法。 这项研究的真正目的是找到一个减少控制软件发展过程的不稳定性的方法，也就是说，减少程序和调试时间以及他们的变化，以增强自动控制系统的适应性，并且通过调整软件使得软件可以再度使用。 这样的目的是为了克服目前程序策略的不足之处，而目前的程序策略是以个人软件开发者的经验为基础的。 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 16 页 共 38 页 现今的 PLC 从结构上分， PLC 分为固定式和模块式两种。 固定式 PLC 包括 CPU 板、 I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。 模块式 PLC 包括 CPU模块、 I/O 模块、内 存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 在使用者看来，不必要详细分析 CPU 的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。 但工作节奏由震荡信号控制。 运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。 寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度， IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 中央处理器 (CPU)是 PLC 控制器的大脑。 通常 CPU 本身就是一个微控制器。 起先是 8位微控制器例如 8051,现在发展为 16 位和 32 位微控制器。 你会发现大部分由日本制造商制造的 PLC中是日立和 Fujicu的微控制器 ,西门子的微控制器多应用在欧洲的 PLC中 ,摩托罗拉生产的微控制器则独占美国市场。 CPU 同样关注通信 , PLC 控制器 ,操作程序的执行 ,监督记忆设置的输入和输出等部分的关联性 5。 PLC 使用系统存储器（现在大部分采用闪存技术了）用于过程控制系统。 除了这个操作系统之外，它还包括一个由梯形图翻译成而进制形式 的用户程序。 快擦型存储器（ FLASH memory）的内容只有在改变用户程序的时候可以被改变。 PLC 控制器比快擦型存储器使用得更早， EPROM 存储器比快擦型存储器也更早，快擦型存储器必须用紫外线（ UV， UltraViolet Ray）灯擦除，并在编程器上进行编程。 由于快擦型存储器技术的应用，使得这个过程大大缩短了。 在应用程序开发中，通过一个串行电缆可以对程序存储器进行重新编程。 用户存储器被分成具有特殊功能的块。 一部分存储器用来存储输入和输出状态。 一个输入的实际状态存储状态存储在专用存储器位上，为 “ 1”或者“ 0”。 每一个输入和输出在存储器中都有一个相应的位。 另外一部分存储器用来存储用户程序中的变量的内容。 例如，定时器值，或者记数器值存放在存储器的这个部分。 PLC 控制器可以通过计算机（通常方式）重新编程，但是也可以通过人工编程器 9控制台）编程。 实际上，这意味着，如果你有编程所需要的软件，早期 PLC 控制器可以通过计算机进行编程。 今天的传输计算机是工厂自己对 PLC 控制器进行重新编程的理想中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 17 页 共 38 页 设备。 这对于工业企业来说是非常重要的。 一旦系统修改结束，将正确的程序重新读入PLC 控制器也是非常重要的。 定期检 查 PLC 中的程序是否改变是非常好的事情。 这有助于避免车间发生危险情况（一些汽车制造商已经建立了通信网络，可以定期检查 PLC 中的程序，以保证运行的程序都是正确的）。 几乎所有用于为 PLC 控制器编程的程序都拥有各种不同的选项，例如系统输入 /输出（ I/O 线）的强制开关，程序实时跟踪以及图表验证。 图表验证对于理解、定义失败和故障非常必要。 程序员可以添加标记，书日和输出设备名称，以及对于查找错误或者对于系统维护很有用的注释。 添加注释和标记可以使技术人员（不仅仅是开发人员）很快理解梯形图。 注释和标记甚至还可以准 确地引用零件号，如果需要更换零件的话。 这将加快由于损坏零件而引起的任何问题的修理速度。 响应的旧方法是这样的，开发系统的人必须保护这个程序，他旁边再没有人知道系统是怎样完成的。 正确的、备有证明文件的梯形图使任何技术人员都能彻底理解系统的功能。 电源是为中央处理单元提供电源的。 大部分 PLC 控制器的工作电压为 24VDC 或者220VAC。 在有些 PLC 控制器上，你可以看见作为独立模块的电源。 用户必须确定从 I/O模块取出多大电流来保证电源提供适当的电流。 不同的模块使用不同的电流量。 该电源一般不用于启动外部输入 或输出。 用户必须提供独立的电源来启动 PLC 控制器的输入和输出，因为这样可以保证 PLC 控制器的所谓“纯电源”。 使用纯电源意味着工业环境中的电源不会严重影响它。 有些较小的 PLC 控制器从与 PLC 控制器集成在一起的小电源为它们的输入提供电压源。 PLC 的设计标准 一个系统化的设计 PLC 程序的方法可以克服传统程序生产控制系统的缺点，并且在一些工业应用总有很大的不同。 自动控制系统是状态模型用公式语言或等价的语言描述的。 公式描述对被控制的系统的行为提供一个精确的描述。 可以通过分析估计看状态模型是否达到想要的 目标。 第二，为状态模型的描述提供结构描述，这个结构描述可以说明逻辑要求和如细节安全规则的限制。 第三，好的控制系统设计是对自动控制代码生成有益的 —— 一种能够产生可执行的控制软件的能力，不同的逻辑控制器可以减少程序扫描时间和执行那个时间。 特别的，这个主题与随后的部分的是有关的。 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 18 页 共 38 页 在现代制造业中，系统是用过程和结果的革新来描述的，并且因此不得不改变系统性能以快速做出反应。 因此，一个大的挑战是提供技术以限制自动控制系统对变化需要和新机会的反应，所以，设计和操作知识可以实时的被再次利用，在工业实践中提供了一个重要的竞 争面。 研究表明，在自动化系统中，程序实现的方。