基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要隨著時(shí)代的發(fā)展自動(dòng)控制逐步代替了人工控制，其中PLC自動(dòng)控制得到廣泛使用。在本次設(shè)計(jì)的課題中如果用人工手動(dòng)控制的話又費(fèi)是又費(fèi)力操作還很復(fù)雜，但如果使用PLC來(lái)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(huì)因?yàn)樵骷^(guò)于昂貴從而影響收益。PLC控制的整個(gè)過(guò)程是分段進(jìn)行的從而不容易發(fā)生事故，而計(jì)算機(jī)又有著較快的反映能力從而減少了步與步之間的時(shí)間提高了效率。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作，鍋爐開(kāi)始取水到達(dá)規(guī)定水位，鍋爐開(kāi)始加熱。若低于規(guī)定溫度和水位開(kāi)始重新加水加熱。加熱同時(shí)開(kāi)始送煤并鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)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(guò)規(guī)定限制溫度鍋爐開(kāi)始自動(dòng)報(bào)警，并采取相應(yīng)措施。 自動(dòng)水位控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種高樓建筑物和學(xué)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(dāng)用水高峰期時(shí)會(huì)使水壓過(guò)低，給用戶的用水帶來(lái)了不便。這就需要改進(jìn)，增加液位傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)水位，控制補(bǔ)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(duì)自動(dòng)水位控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化的控制。很好地鍛煉了學(xué)生計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，將計(jì)算機(jī)語(yǔ)言融會(huì)貫通于實(shí)際設(shè)計(jì)中去。關(guān)鍵字：PLC 鍋爐 水位 溫度 自動(dòng)控制 壓力目 錄第1章 緒論.11.1 鍋爐的控制技術(shù).11.2 鍋爐的控制技術(shù)介紹 .2 1.2.1 鍋爐的基本運(yùn)行過(guò)程2 1.2.2 系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)及鍋爐的控制任務(wù)3 1.2.3 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .3第2章 基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.42.1 可編程控制器概況. .42.2 PLC的結(jié)構(gòu)及基本配置.5 2.2.1 CPU的構(gòu)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(jī)架.6 2.2.5 PLC 的外部設(shè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì).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(xiàn).23第1章 緒論1.1鍋爐的控制技術(shù)鍋爐是一種利用燃料中的化學(xué)能將水加熱成為熱水、水蒸汽的一種能源轉(zhuǎn)化設(shè)備。它可以通過(guò)燃燒煤、油、氣等燃料生產(chǎn)熱水和蒸汽，來(lái)滿足各方面的用途。首先，鍋爐生產(chǎn)的蒸汽可以通過(guò)汽輪機(jī)將過(guò)熱蒸汽中的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，汽輪機(jī)再帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這就是火力發(fā)電的一個(gè)最基本的過(guò)程。雖然近年來(lái)綠色能源、可再生能源發(fā)展速度加快，水電站、風(fēng)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(dāng)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(yīng)用方式。鍋爐生產(chǎn)的蒸汽作為動(dòng)力源不僅可以用來(lái)發(fā)電，也可直接用在船舶、機(jī)車上作為驅(qū)動(dòng)力來(lái)源。不過(guò)，目前船舶驅(qū)動(dòng)裝置中，只有大型船舶仍使用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，中小型船舶已經(jīng)基本使用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；而機(jī)車更是基本淘汰了蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)，而使用更加方便潔凈的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其次，鍋爐生產(chǎn)出的熱水和熱蒸汽可以供應(yīng)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(jī)化學(xué)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(yīng)，為了更方便的進(jìn)行生產(chǎn)，上述各類型廠家會(huì)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(gè)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(diǎn)，改造需求最為強(qiáng)烈。鍋爐是發(fā)電廠及其它工業(yè)企業(yè)中最普遍的動(dòng)力設(shè)備之一，它的功能是把燃料中的貯能，通過(guò)燃燒轉(zhuǎn)化成熱能，以蒸汽或熱水的形式輸向各種設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)工業(yè)鍋爐都是人工控制的，或簡(jiǎn)單的儀表單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，燃料浪費(fèi)很大。工業(yè)鍋爐作為一個(gè)設(shè)備總體，有許多被控制量與控制量，擾動(dòng)因數(shù)也很多，許多參數(shù)之間明顯地存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系。對(duì)于工業(yè)鍋爐這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由于其內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換機(jī)理過(guò)于復(fù)雜，采用常規(guī)的方式進(jìn)行控制，難以達(dá)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(biāo)，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(lái)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(shí)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(shí)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(guò)熱器、再熱器出口處的過(guò)熱蒸汽壓力和溫度如沒(méi)有過(guò)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(jìn)水溫度，無(wú)省煤器時(shí)即指鍋筒進(jìn)水溫度。鍋爐可按照不同的方法進(jìn)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(jī)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(dòng)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(qiáng)制循環(huán)鍋爐)、直流鍋爐和復(fù)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(jìn)入省煤器，進(jìn)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(jìn)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(dá)鍋筒中，由汽水分離裝置使水、汽分離。分離出來(lái)的飽和蒸汽由鍋筒上部流往過(guò)熱器，繼續(xù)吸熱成為一定溫度的過(guò)熱蒸汽（目前大多300MW、600MW機(jī)組主汽溫度約為540左右），然后送往汽輪機(jī)。在燃燒和煙風(fēng)系統(tǒng)方面，送風(fēng)機(jī)將空氣送入空氣預(yù)熱器加熱到一定溫度。在磨煤機(jī)中被磨成一定細(xì)度的煤粉，由來(lái)自空氣預(yù)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(guò)熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器后，再經(jīng)過(guò)除塵裝置，除去其中的飛灰，最后由引風(fēng)機(jī)送往煙囪排向大氣。1.2鍋爐的控制技術(shù)介紹 1.2.1 鍋爐的基本運(yùn)行過(guò)程鍋爐的作用是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并利用熱能加熱鍋?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(guò)熱蒸汽，供汽輪機(jī)使用。現(xiàn)在火力發(fā)電廠的鍋爐容量大、參數(shù)高、技術(shù)復(fù)雜、機(jī)械化和自動(dòng)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(shuō)，鍋爐是主要工作過(guò)程就燃料的燃燒、熱量的傳遞、水的加熱與汽化和蒸汽的過(guò)熱等。鍋爐是個(gè)較復(fù)雜的調(diào)節(jié)對(duì)象，為保證提供合格的蒸汽以適應(yīng)負(fù)荷的需要，生產(chǎn)過(guò)程各主要工藝參數(shù)必須加以嚴(yán)格控制。主要調(diào)節(jié)項(xiàng)目有;負(fù)荷、鍋爐給水、燃燒量、減溫水、送風(fēng)等。主要輸出量是:汽包水位、蒸汽壓力、過(guò)熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過(guò)剩空氣等。這些輸入量與輸出量之間是互相制約的，例如，蒸汽負(fù)荷變化時(shí)，必然會(huì)引起汽包水位、蒸汽壓力和過(guò)熱蒸汽溫度的變化;燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時(shí)還會(huì)影響汽包水位、過(guò)熱蒸汽溫度、空氣量和爐膛負(fù)壓等。對(duì)于這樣復(fù)雜的對(duì)象，工程處理上作了一些簡(jiǎn)化，將鍋爐控制系統(tǒng)劃分為若干個(gè)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(yīng)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(guò)熱器出口溫度在允許范圍之內(nèi)，并保證管壁溫度不超過(guò)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(yīng)蒸汽負(fù)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(jì)燃燒;使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保持爐膛負(fù)壓穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)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(cè)信號(hào)及鍋爐的控制任務(wù)鍋爐設(shè)備的檢測(cè)信號(hào)包括: 蒸汽流量、汽包水位、汽包蒸汽壓力、加水量、爐膛負(fù)壓、鼓風(fēng)量、煙氣含氧量過(guò)濾、當(dāng)已知檢測(cè)信號(hào)的情況下，鍋爐的控制任務(wù)是:在用戶蒸汽機(jī)需要的情況下，PLC控制加水閥、輸煤量、鼓風(fēng)量與引風(fēng)量，使保持鍋爐汽包水位穩(wěn)定，蒸汽壓力穩(wěn)定，爐膛負(fù)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(jié)構(gòu)PLC控制系統(tǒng)的組成PLC控制的結(jié)構(gòu)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(jī)、手/自動(dòng)切換操作器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及閥、滑差電機(jī)等部分組成，一次儀表將鍋爐的溫度、壓力，流量，氧量，轉(zhuǎn)速等熱工參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓、電流或電阻值輸入PLC。手/自動(dòng)切換操作部分:手動(dòng)時(shí)由操作人員手動(dòng)控制，用操作器控制滑差電機(jī)及閥等，自動(dòng)時(shí)由PLC發(fā)出控制信號(hào)經(jīng)執(zhí)行部分進(jìn)行自動(dòng)操作。PLC對(duì)整個(gè)鍋爐的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)、報(bào)警、控制，以保證鍋爐正?？煽康剡\(yùn)行。除此以外為保證鍋爐運(yùn)行的安全，在進(jìn)行PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數(shù)應(yīng)設(shè)置常規(guī)儀表及常規(guī)報(bào)警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報(bào)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(shè)計(jì)2.1 可編程控制器概況可編程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，簡(jiǎn)稱PC）。與個(gè)人計(jì)算機(jī)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(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來(lái)取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）頒布了對(duì)PLC的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來(lái)在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)?？梢灶A(yù)料：在工業(yè)控制領(lǐng)域中，PLC控制技術(shù)的應(yīng)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(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，系統(tǒng)程序提供運(yùn)行平臺(tái)，同時(shí)，還為PLC程序可靠運(yùn)行及信息與信息轉(zhuǎn)換進(jìn)行必要的公共處理。用戶程序由用戶按控制要求設(shè)計(jì)。用可編程控制器實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個(gè)變換予以物理實(shí)現(xiàn)。入出變換 、物理實(shí)現(xiàn)可以說(shuō)是PLC實(shí)施控制的兩個(gè)基本點(diǎn)。而入出變換實(shí)際上就是信息處理，信息處理當(dāng)今最常用的是微處理機(jī)技術(shù)，PLC也是用它，并使其專用化，應(yīng)用與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。至于物理實(shí)現(xiàn)，正是它與普通微機(jī)相區(qū)別之點(diǎn)，普通微機(jī)多只考慮信息本身，別的不多考慮，而PLC要考慮實(shí)際的控制需要。物理實(shí)現(xiàn)要求PLC的輸入，應(yīng)當(dāng)排除干擾信號(hào)適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，能為實(shí)際控制系統(tǒng)方便使用。這就要求I/O電路專門設(shè)計(jì)。根據(jù)PLC實(shí)施控制的基本點(diǎn)的分析，PLC采用了典型的計(jì)算結(jié)構(gòu)。主要是由CPU、RAM、ROM和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路組成。隨著PLC應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，PLC的定義也在不斷完善中。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在1987年2月頒布的可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式，模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制器系統(tǒng)連成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先進(jìn)的系列。他擁有武以匹及的速度、高級(jí)的功能、邏輯選件以及定位控制的特點(diǎn)，F(xiàn)X2N是從16到256路輸入/輸出的多種應(yīng)用的選擇方案。由于FX2N系列具備如下特點(diǎn)：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(jiǎn)單、令人放心的高性能、高速運(yùn)算、使用于多種特殊用途、外部機(jī)器通訊簡(jiǎn)單化、共同的外部設(shè)備。最大范圍的包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)、程式執(zhí)行更快、全面補(bǔ)充了通信功能、適合世界各國(guó)不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠自動(dòng)化應(yīng)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(jié)構(gòu)圖2.2 PLC的結(jié)構(gòu)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(duì)箱體式PLC，有一塊CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當(dāng)然按CPU性能分成若干型號(hào)，并按I/O點(diǎn)數(shù)又有若干規(guī)格。對(duì)模塊式PLC，有CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架。無(wú)任哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都屬于總線式開(kāi)放型結(jié)構(gòu)，其I/O能力可按用戶需要進(jìn)行擴(kuò)展與組合。 2.2.1 CPU的構(gòu)成 PLC中的CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺(tái)PLC至少有一個(gè)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(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)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(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路，與通用計(jì)算機(jī)一樣，主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，還有外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。它確定了進(jìn)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(chǔ)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(hào)控制。CPU的運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。CPU的寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU雖然劃分為以上幾個(gè)部分，但PLC中的CPU芯片實(shí)際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對(duì)CPU內(nèi)部的詳細(xì)分析已無(wú)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(shè)定或控制開(kāi)關(guān)。一般講，CPU模塊總要有相應(yīng)的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運(yùn)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(shè)口，用于接外部設(shè)備，有的還有通訊口，用于進(jìn)行通訊。CPU模塊上還有許多設(shè)定開(kāi)關(guān)，用以對(duì)PLC作設(shè)定，如設(shè)定起始工作方式、內(nèi)存區(qū)等。 2.2.2 I/O模塊PLC的對(duì)外功能，主要是通過(guò)各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點(diǎn)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(jī)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(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)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(kāi)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(shí)，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(jī)架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問(wèn)底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。 2.2.5 PLC 的外部設(shè)備外部設(shè)備是PLC系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類：(a)編程設(shè)備：有簡(jiǎn)易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)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(kāi)發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，但它不直接參與現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行。(b)監(jiān)控設(shè)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(guò)畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。(c)存儲(chǔ)設(shè)備：有存儲(chǔ)卡、存儲(chǔ)磁帶、軟磁盤或只讀存儲(chǔ)器，用于永久性地存儲(chǔ)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(shè)備：用于接收信號(hào)或輸出信號(hào)，一般有條碼讀人器，輸入模擬量的電位器，打印機(jī)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(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制?，F(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(jì)算機(jī)一樣具有RS-232接口，通過(guò)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(dāng)然，PLC之間的通訊網(wǎng)絡(luò)是各廠家專用的，PLC與計(jì)算機(jī)之間的通訊，一些生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，并向標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議靠攏，這將使不同機(jī)型的PLC之間、PLC與計(jì)算機(jī)之間可以方便地進(jìn)行通訊與聯(lián)網(wǎng)。對(duì)于一個(gè)自動(dòng)化工程(特別是中大規(guī)?？刂葡到y(tǒng))來(lái)講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開(kāi)放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來(lái)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展；其次，針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議、機(jī)制的前提下進(jìn)行；再次綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適用性等具體問(wèn)題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。第3章 傳感器3.1 傳感器的定義在工程技術(shù)領(lǐng)域中，通常將能夠把被測(cè)量（如被測(cè)物理量，化學(xué)量，生物量等）的信息轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。如果沒(méi)有傳感器對(duì)原始信息（信號(hào)或參數(shù)）進(jìn)行精確，可靠的測(cè)量，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)從信號(hào)的提取，轉(zhuǎn)換，處理到生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程是如此，一臺(tái)普通的家用電器也是如此。隨之計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和大面面積普及，傳感器在新技術(shù)中的地位和作用將更為突出。傳感器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用速度落后于計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用速度的現(xiàn)狀已成為微型計(jì)算機(jī)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的一大障礙；許多具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和技術(shù)改造，都離不開(kāi)傳感器技術(shù)的支持，因此，研制開(kāi)發(fā)大批急需的傳感器件以適應(yīng)當(dāng)今科技發(fā)展和普及的要求，已成定局?？茖W(xué)合理的應(yīng)用傳感器技術(shù)為人類服務(wù)，已刻不容緩。 信息處理技術(shù)取得的進(jìn)展以及微處理器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開(kāi)發(fā)方面有相應(yīng)的進(jìn)展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測(cè)量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來(lái)越重要。傳感器已成為自動(dòng)化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)組成，其重要性變得越來(lái)越明顯。最廣義地來(lái)說(shuō)，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC: International Electrotechnical Committee)的定義為：“傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說(shuō)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(gè)組成部分，它是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。圖3-1傳感器系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)的原則框圖示于，進(jìn)入傳感器的信號(hào)幅度是很小的，而且混雜有干擾信號(hào)和噪聲。為了方便隨后的處理過(guò)程，首先要將信號(hào)整形成具有最佳特性的波形，有時(shí)還需要將信號(hào)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(hào)隨后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸入到微處理器。俄羅斯學(xué)者認(rèn)為傳感器應(yīng)是由二部分組成的，即直接感知被測(cè)量信號(hào)的敏感元件部分和初始處理信號(hào)的電路部分。按這種理解，傳感器還包含了信號(hào)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(zhuǎn)換成另一種形式的能量。有兩類傳感器：有源的和無(wú)源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉(zhuǎn)變成另一種，不需要外接的能源或激勵(lì)源(參閱圖3-2) 圖3-2傳感器原理有源(a)和無(wú)源(b)傳感器的信號(hào)流程無(wú)源傳感器不能直接轉(zhuǎn)換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵(lì)能(參閱圖1-2(b) 傳感器承擔(dān)將某個(gè)對(duì)象或過(guò)程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)量的工作。其“對(duì)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(dòng)態(tài)(即過(guò)程)的。對(duì)象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過(guò)多種方式檢測(cè)。對(duì)象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學(xué)性質(zhì)的。按照其工作原理，傳感器將對(duì)象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測(cè)定的電學(xué)量，然后將此電信號(hào)分離出來(lái)，送入傳感器系統(tǒng)加以評(píng)測(cè)或標(biāo)示。 各種物理效應(yīng)和工作機(jī)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(cè)量對(duì)象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機(jī)制和效應(yīng)類型不斷增加，其包含的處理過(guò)程日益完善。常將傳感器的功能與人類5大感覺(jué)器官相比擬： (1)光敏傳感器視覺(jué)(2) 聲敏傳感器聽(tīng)覺(jué)(3)氣敏傳感器嗅覺(jué) (4)化學(xué)傳感器味覺(jué) (5)壓敏、溫敏、流體傳感器觸覺(jué)與當(dāng)代的傳感器相比，人類的感覺(jué)能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺(jué)功能優(yōu)越，例如人類沒(méi)有能力感知紫外或紅外線輻射，感覺(jué)不到電磁場(chǎng)、無(wú)色無(wú)味的氣體等。對(duì)傳感器設(shè)定了許多技術(shù)要求，有一些是對(duì)所有類型傳感器都適用的，也有只對(duì)特定類型傳感器適用的特殊要求。針對(duì)傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)合均需要的基本要求是： (1)高靈敏度抗干擾的穩(wěn)定性(對(duì)噪聲不敏感)線性容易調(diào)節(jié)(校準(zhǔn)簡(jiǎn)易) (2)高精度高可靠性 無(wú)遲滯性工作壽命長(zhǎng)(耐用性) (3)可重復(fù)性抗老化 高響應(yīng)速率抗環(huán)境影響(熱、振動(dòng)、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力 (4)選擇性安全性(傳感器應(yīng)是無(wú)污染的) 互換性低成本 (5)寬測(cè)量范圍小尺寸、重量輕和高強(qiáng)度 寬工作溫度范圍3.2 設(shè)計(jì)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(guò)程控制中最重要的測(cè)量變量之一。例如在冷卻回路中，溫度監(jiān)測(cè)不僅用來(lái)確保產(chǎn)品質(zhì)量，還用來(lái)保證系統(tǒng)安全。過(guò)程工業(yè)往往利用熱能進(jìn)行控制，所以，根據(jù)應(yīng)用需要選擇理想的溫度傳感器，可實(shí)現(xiàn)既定測(cè)量目的并確保最佳測(cè)量效果。當(dāng)然，對(duì)過(guò)程工藝的熟悉和預(yù)見(jiàn)可能出現(xiàn)的不確定擾動(dòng)也是很重要的。A. 冷、熱是如何定義的？我們可以通過(guò)身體的感知器官感覺(jué)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(jué)量化。溫度的涵義到底是什么呢？溫度，即表示某物質(zhì)每個(gè)粒子的平均動(dòng)能。要通過(guò)這種能量來(lái)量化溫度首先要定義溫標(biāo)，需要確定與某種材料溫度相關(guān)的某個(gè)定點(diǎn)。最常見(jiàn)的定點(diǎn)是絕對(duì)零度即0K，以及水三相點(diǎn)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)并存的點(diǎn)）273.16K。定點(diǎn)值的確定使繪制溫度的直線圖成為可能。其它定點(diǎn)值離上述點(diǎn)很遠(yuǎn)，例如氖的三相點(diǎn)是24.5561K，銀的凝固點(diǎn)是1234.93K。這些定點(diǎn)值在最新版的國(guó)際溫標(biāo)（1990年版）(ITS-90)中確定。 B. 正確測(cè)量溫度測(cè)量溫度的方法有多種，從簡(jiǎn)單的二極管到高精度的熱噪聲溫度計(jì)。溫度計(jì)可以分為兩類：第一類溫度計(jì)和第二類溫度計(jì)。第一類為不需要用其他溫度測(cè)量設(shè)備做預(yù)先校準(zhǔn)的溫度計(jì)。他們都是通過(guò)測(cè)量物理量，計(jì)算物理量和溫度間的關(guān)系來(lái)確定溫度的。例如氣體溫度計(jì)、熱噪聲溫度計(jì)和應(yīng)用測(cè)量黑體輻射的溫度測(cè)量設(shè)備。這些溫度傳感器常常用于專門的實(shí)驗(yàn)室，使用起來(lái)相當(dāng)復(fù)雜并且往往價(jià)格昂貴。第二類溫度計(jì)則需要校準(zhǔn)。工業(yè)上主要使用的是第二類溫度計(jì)。特別是熱電阻或熱電偶溫度傳感器使用最為廣泛。當(dāng)安裝溫度傳感器時(shí)，需要了解一些簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)原理：溫度傳感器主要測(cè)量的是它自身的溫度。所以傳感器必須盡可能靠近測(cè)量物安裝并盡可能地避免環(huán)境影響，因?yàn)闇y(cè)量地點(diǎn)的干擾可能會(huì)使溫度測(cè)量結(jié)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(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量值。如果傳感器安裝在保護(hù)套管中，也就意味著它遠(yuǎn)離了真實(shí)的測(cè)量點(diǎn)，溫度傳感器靈敏度會(huì)降低，測(cè)量值可能與真實(shí)值出現(xiàn)背離。C. 要測(cè)量原理基于精確性和易于進(jìn)一步處理測(cè)量信號(hào)的要求，下列測(cè)量原理十分適用于工業(yè)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)：(a) 熱電阻溫度計(jì)熱電阻溫度計(jì)通過(guò)熱電阻測(cè)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(lái)制作溫度傳感器。電阻溫度計(jì)分為正溫度系數(shù)（PTC）型和負(fù)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)的線性特性，溫度值可以很容易地通過(guò)多項(xiàng)式估算出來(lái)。一般地說(shuō)，電阻溫度計(jì)測(cè)量范圍為-250至1000。標(biāo)準(zhǔn)的鉑電阻是主要的檢測(cè)器件，Pt100在0時(shí)為100，可用于精確測(cè)量高達(dá)850的溫度。(b) 熱電偶溫度計(jì)一個(gè)熱電偶由兩個(gè)不同的金屬或半導(dǎo)體連接而成?；谌惪诵?yīng)，若接合處的溫度發(fā)生變化，則會(huì)在不同金屬間將產(chǎn)生電勢(shì)差。所形成的電勢(shì)差取決于溫度，溫度差值對(duì)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(cè)得。如果要測(cè)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(cè)量的。根據(jù)熱電原理，熱端的溫度可計(jì)算確定。熱電偶幾乎都用于1000及以上的溫度測(cè)量。D. 定義誤差限額是指測(cè)量系統(tǒng)在特殊環(huán)境中工作所能保證得出的測(cè)量值與真實(shí)值的最大差值，故測(cè)量誤差不能超過(guò)誤差限額。重復(fù)精度重復(fù)精度指多次相同操作測(cè)量值和真實(shí)值間的最大差值。辨析率測(cè)量設(shè)備可測(cè)量到的最小的增量。2線制2線制熱電阻配線簡(jiǎn)單，但要帶進(jìn)引線電阻的附加誤差。因此不適用于制造A級(jí)精度的熱電阻，且在使用時(shí)引線及導(dǎo)線都不宜過(guò)長(zhǎng)。3線制3線制可以消除引線電阻的影響，測(cè)量精度高于2線制。作為過(guò)程檢測(cè)元件，其應(yīng)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(dǎo)線阻值相同時(shí)，還可以消除該電阻的影響。高精度測(cè)量應(yīng)采用4線制。E. 自身發(fā)熱影響為了能夠測(cè)量熱電阻傳感器的輸出信號(hào)，一定有電流通過(guò)傳感器。這個(gè)測(cè)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(gè)1mA的測(cè)量電流，這樣傳感器不會(huì)產(chǎn)生額外的熱量，可提供一個(gè)最真實(shí)的測(cè)量值。F. 本設(shè)計(jì)中使用的是Pt100溫度傳感器電阻式溫度檢測(cè)器(RTD,Resistance Temperature Detector)一種物質(zhì)材料作成的電阻,它會(huì)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(fù)電阻系數(shù)。大部分電阻式溫度檢測(cè)器是以金屬作成的,其中以白金(Pt)作成的電阻式溫度檢測(cè)器,最為穩(wěn)定耐酸堿、不會(huì)變質(zhì)、相當(dāng)線性.,最受工業(yè)界采用。PT100溫度感測(cè)器是一種以白金(Pt)作成的電阻式溫度檢測(cè)器,屬于正電阻系數(shù),其電阻和溫度變化的關(guān)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(cè)器,又稱為PT100。1：Vo=2.55mA 100(1+0.00392T)=0.255+T/1000 。 2：量測(cè)Vo時(shí),不可分出任何電流,否則量測(cè)值會(huì)不準(zhǔn)。電路分析由于一般電源供應(yīng)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(cè)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(wú)限大,同時(shí)又放大10倍,使得運(yùn)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(dòng)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(hào):它在實(shí)際應(yīng)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(shí)候就是只需要一塊pt100的集成電路，要注意的是這個(gè)集成電路采集的不是電流信號(hào)是電阻值，pt100的集成電路（需要一個(gè)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(guò)簡(jiǎn)單的+-*/計(jì)算就可以得到相應(yīng)的溫度值（這樣的形式可以同時(shí)采集多路），還有一種就是單獨(dú)的一個(gè)pt100溫度傳感器（工作電源是24VDC），產(chǎn)生一個(gè)4-20MA的電流，然后再通過(guò)一個(gè)4-20MA電流電路板把4-20MA的電流變?yōu)?-5V電壓，這個(gè)不一樣的就是可以竄連一個(gè)電磁指示儀表，其他的基本一樣就不作詳細(xì)說(shuō)明了本設(shè)計(jì)中使用pt100溫度傳感器在水溫的控制，以及報(bào)警裝置中. 3.2.2 液位傳感器 A. 在能源、化工等多個(gè)領(lǐng)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(kāi)關(guān)式。而隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，規(guī)模的擴(kuò)大，在工程中液位控制的計(jì)算機(jī)控制得到越來(lái)越多的應(yīng)用。液位控制系統(tǒng)的檢測(cè)及計(jì)算機(jī)控制已成為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要方面。 液位傳感器有很多種，有側(cè)裝式磁翻柱，頂裝式磁翻柱，浮球連桿式，靜壓式液位計(jì)，浮球液位開(kāi)關(guān)等 B. 光纖傳感器與測(cè)量技術(shù)是儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向由于光纖傳感器及技術(shù)具有較其它傳感器無(wú)法比擬的特點(diǎn)，所以近幾年來(lái)，光纖傳感器與測(cè)量技術(shù)發(fā)展成為儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向，而新型光纖傳感器不外乎有以下特點(diǎn)： (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(dá)到0.2 dB/km的水平。 (b) 光纖傳感器頻帶寬，可進(jìn)行超高速測(cè)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(jìn)行非接觸式、非破壞性以及遠(yuǎn)距離測(cè)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(diǎn)。同時(shí)，它還便于與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)智能化和遠(yuǎn)距離監(jiān)控。對(duì)傳統(tǒng)的傳感器起到擴(kuò)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(wù)。正是由于光纖傳感器具有許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以解決許多傳統(tǒng)傳感器無(wú)法解決的問(wèn)題， 故自從它問(wèn)世以來(lái)，就被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通、電力、機(jī)械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。值此，將討論光纖傳感器在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用，即油庫(kù)油罐液位、溫度信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)方案。正因該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用了光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報(bào)警器.為此先對(duì)此有關(guān)的光纖傳感器技術(shù)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(dǎo)纖維、光調(diào)制機(jī)構(gòu)、光電探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)等部分組成。來(lái)自光源的光線，通過(guò)接口進(jìn)入光纖，然后將檢測(cè)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(jìn)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(cè)器兩個(gè)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(cè)對(duì)象調(diào)制或改變光纖的特性，所以只能用單模光纖。D測(cè)量用的光纖傳感技術(shù) 本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(cè)器件即光敏感元件； (b)傳輸光信號(hào)的雙芯光纖； (c)發(fā)光、受光和信號(hào)處理的接收裝置。圖 3-4所示為光纖液位傳感器的基本結(jié)構(gòu)。這種傳感器的敏感元件和傳輸信號(hào)的光纖均由玻璃纖維構(gòu)成，故有絕緣性能好和抗電磁噪聲等優(yōu)點(diǎn)。圖3-4 光纖液位傳感器的基本結(jié)構(gòu)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(lái)的光通過(guò)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(guò)，而其余的光被反射回來(lái)。當(dāng)敏感元件與液體相接觸時(shí)，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(cè)定物質(zhì)的折射率。被測(cè)物質(zhì)的折射率越大，反射光量越小。來(lái)自敏感元件的反射光，通過(guò)傳輸光纖由受光器件的光電晶體管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)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(zhǔn)，在水中則為-6-7dB，在油中為-2530dB?？蓪?duì)反射光量差別很大的水和油等進(jìn)行物質(zhì)判別。圖3-5 光纖液面探測(cè)器工作原理 (a)圓錐體測(cè)頭；(b)U型測(cè)頭;(c)棱鏡耦合用微光檢測(cè)液位的光纖液位傳感器有如下特點(diǎn)： (a) 能用于易燃、易爆物等設(shè)施中； (b) 敏感元件的尺寸小，可用于檢測(cè)微量液體； (c) 從檢測(cè)液體開(kāi)始到檢測(cè)信號(hào)輸出為止的響應(yīng)時(shí)間短； (d) 敏感元件是玻璃的，故有抗化學(xué)腐蝕性； (e) 能檢測(cè)兩種(油、水等)液體界面： (f) 價(jià)格低廉。 在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意，光纖液面?zhèn)鞲衅鞑灰擞糜跈z測(cè)粘附在敏感元件玻璃表面的物質(zhì)。如何檢測(cè)液位？ 在裝有液體的槽內(nèi)。將敏感元件安裝在液面下預(yù)定檢測(cè)的高度。當(dāng)液面低于這一高度時(shí)，從敏感元件產(chǎn)生的反射光量就增加，根據(jù)這時(shí)，發(fā)生的信號(hào)就能檢測(cè)出液面位置。若在不同高度安裝敏感元件，則可檢測(cè)液面的高度。第4章 PLC程序設(shè)計(jì)4.1 原理方框圖輸入信號(hào)取水設(shè) 施加熱裝 置溫度報(bào) 警裝 置手動(dòng)排 污手動(dòng)清 洗PLC自動(dòng)排 污PLC自動(dòng)清 洗自動(dòng)送煤傳送帶手動(dòng)送煤傳送帶壓力報(bào) 警預(yù)備壓力報(bào) 警 圖4-1 鍋爐控制原理框圖原理：當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，鍋爐開(kāi)始加水水位200CM時(shí)停止加水，開(kāi)始加熱，水溫達(dá)到150度停止加熱，低于120度再次開(kāi)始加熱，如此反復(fù)。加熱同時(shí)鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作以工作10S停止5S反復(fù)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(yīng)指示燈亮。溫度越高傳送帶速度越慢。按下SB16切換到手動(dòng)送煤傳送帶M5、M6兩種速度手動(dòng)切換。按下SB22切換到排污階段，按下SB6等待30S如30S內(nèi)沒(méi)有使用手動(dòng)排污X7，則開(kāi)始自動(dòng)排污15S后自動(dòng)加水過(guò)20S后清洗20S。如30S內(nèi)使用手動(dòng)排污SB7則排污，加水，清洗。由手動(dòng)完成。然后自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)壓力超過(guò)規(guī)定值SB17閉合減壓閥門A打開(kāi)、減壓報(bào)警燈亮、減壓報(bào)警聲1打開(kāi)。股風(fēng)機(jī)、送煤停止工作。下降到規(guī)定大氣壓減壓閥門A關(guān)閉、減壓報(bào)警燈滅、減壓報(bào)警聲關(guān)閉。股風(fēng)機(jī)、送煤恢復(fù)工作。當(dāng)溫度超過(guò)180度SB18、SB19閉合減壓閥門B、C打開(kāi)報(bào)警聲2、3燈2、3、4加水閥門B、C打開(kāi)，加熱、股風(fēng)、送煤關(guān)閉。當(dāng)SB18、SB19溫度報(bào)警失效時(shí)SB20，SB21閉合減壓閥門B、C打開(kāi)報(bào)警聲2、3燈2、3、4加水閥門B、C打開(kāi)，加熱、股風(fēng)、送煤關(guān)閉。4.2 輸入輸出地址 表4-1 輸入輸出地址分配輸入信號(hào)輸出信號(hào)名稱輸入點(diǎn)編號(hào)名稱輸出點(diǎn)編號(hào)啟動(dòng)按鈕X1加水閥門Y1水位開(kāi)關(guān)200CMX2加熱閥門Y2溫度開(kāi)關(guān)120度X3鼓風(fēng)Y3溫度開(kāi)關(guān)150度X4自動(dòng)排污Y4水位開(kāi)關(guān)180CMX5加水Y5自動(dòng)排污X6清洗Y6手動(dòng)排污X7手動(dòng)排污Y7手動(dòng)加水X10加水Y5手動(dòng)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(bào)警燈1Y13送煤傳送帶溫度140度X14減壓報(bào)警聲1Y14送煤傳送帶溫度150度X15手動(dòng)排污指示燈Y15手動(dòng)送煤傳送帶快速X16加水指示燈Y16手動(dòng)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(jī)M1Y34壓力報(bào)警X21120度送煤指示燈Y20溫度報(bào)警1X22130度送煤電機(jī)M2Y35溫度報(bào)警2X23130度送煤指示燈Y21壓力報(bào)警1X24140度送煤電機(jī)M3Y36壓力報(bào)警2X25140度送煤指示燈Y22加熱/排污切換按鈕X26150度送煤電機(jī)M4Y37150度送煤指示燈Y23手動(dòng)送煤快速電機(jī)M5Y40手動(dòng)送煤快速指示燈Y24手動(dòng)送煤慢速電機(jī)M6Y41手動(dòng)送煤慢速指示燈Y25減壓閥門CY26減壓閥門BY27報(bào)警聲2Y30減壓報(bào)警燈2Y31減壓報(bào)警燈3Y32減壓報(bào)警燈4Y33加水閥門BY34加水閥門CY35報(bào)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(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)即將完成，本論文是在鄭暉暉老師的具體指導(dǎo)下完成的，繆老師嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的學(xué)術(shù)作風(fēng)和兢兢業(yè)業(yè)的治學(xué)態(tài)度使我受益非淺。他不僅向我傳授研究方法，還引導(dǎo)我拓展研究思路，還經(jīng)常對(duì)我的研究提出建設(shè)性的問(wèn)題，給了我深刻的啟迪，是我學(xué)習(xí)的楷模。在這里學(xué)生謹(jǐn)向老師致以最誠(chéng)摯的謝意！在這期間，老師不僅在學(xué)業(yè)上對(duì)給予我啟發(fā)和指導(dǎo)，還在生活上給予無(wú)私的關(guān)懷以及人生方向上的諄諄教導(dǎo)。我在學(xué)業(yè)和生活中取得的每一點(diǎn)成績(jī)都浸透著老師的心血和關(guān)注。未來(lái)的日子里一定會(huì)更加努力的學(xué)習(xí)，做一個(gè)對(duì)社會(huì)有用的人。參考文獻(xiàn) 1 林小峰.可編程控制器原理及應(yīng)用.北京：高等教育出版社，1994 2 田瑞庭.可編程控制器應(yīng)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994 3 張萬(wàn)忠.可編程控制器應(yīng)用技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.12 4 于慶廣.可編程控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社.2004 5 張亮明 工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制 中國(guó)建設(shè)出版社 1990 6 陜西鍋爐改造小組 鍋爐水處理及水分析 科學(xué)出版社1991 7 淄博市勞動(dòng)局 鍋爐水質(zhì)處理及分析 山東科學(xué)技術(shù)出版社 1998 8 李瑞陽(yáng) 鍋爐用水清垢及除灰 化學(xué)工業(yè)出版社 2001 9 張桂香 電氣控制與PLC實(shí)踐應(yīng)用 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 10 余瑞芬 傳感器原理 北京 航空工業(yè)出版社 1998 11 馬西秦 許振中 自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 北京 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