基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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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^于昂貴從而影響收益。PLC控制的整個(gè)過程是分段進(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)開始工作，鍋爐開始取水到達(dá)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(shí)開始送煤并鼓風(fēng)機(jī)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(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)使水壓過低，給用戶的用水帶來了不便。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)語言，將計(jì)算機(jī)語言融會(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……………………………….……………….…….1 1.1 鍋爐的控制技術(shù)……………………………………….……1 1.2 鍋爐的控制技術(shù)介紹…………………………………… ….2 1.2.1 鍋爐的基本運(yùn)行過程………………………………………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………………..4 2.1 可編程控制器概況…………………….…………… …… .4 2.2 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………………………………….…………………7 3.1 傳感器的定義…………………………....……………….7 3.2 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)…………………………………………….14 4.1 原理方框圖…………………………………………………14 4.2 輸入輸出地址………………………………………………15 4.3 plc外部接線圖……………………………….……………17 4.4 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(jī)將過熱蒸汽中的內(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(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)力源不僅可以用來發(fā)電，也可直接用在船舶、機(jī)車上作為驅(qū)動(dòng)力來源。不過，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(jìn)水溫度，無省煤器時(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(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、過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器后，再經(jīng)過除塵裝置，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）的過熱蒸汽，供汽輪機(jī)使用?，F(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，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(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、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過?？諝獾取＿@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(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。無任哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都屬于總線式開放型結(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)和編程過程中的語法錯(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))來講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(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，就無法實(shí)現(xiàn)從信號(hào)的提取，轉(zhuǎn)換，處理到生產(chǎn)過程的自動(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。傳感器的開發(fā)與應(yīng)用速度落后于計(jì)算機(jī)的開發(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)品的開發(fā)和技術(shù)改造，都離不開傳感器技術(shù)的支持，因此，研制開發(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，其重要性變得越來越明顯。最廣義地來說，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)和無源(b)傳感器的信號(hào)流程無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)(即過程)的。對(duì)象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過多種方式檢測(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，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(xué)傳感器——味覺 (5)壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺 與當(dāng)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(chǎng)、無色無味的氣體等。 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(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)過程工藝的熟悉和預(yù)見可能出現(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(gè)粒子的平均動(dòng)能。要通過這種能量來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)。他們都是通過測(cè)量物理量，計(jì)算物理量和溫度間的關(guān)系來確定溫度的。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多項(xiàng)式估算出來。一般地說，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+αT)　其中α=0.00392,Ro為100Ω(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法比擬的特點(diǎn)，所以近幾年來，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)傳感器無法解決的問題， 故自從它問世以來，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。來自光源的光線，通過接口進(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(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(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-25—30dB?？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，鍋爐開始加水水位200CM時(shí)停止加水，開始加熱，水溫達(dá)到150度停止加熱，低于120度再次開始加熱，如此反復(fù)。加熱同時(shí)鼓風(fēng)機(jī)開始工作以工作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)沒有使用手動(dòng)排污X7，則開始自動(dòng)排污15S后自動(dòng)加水過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)壓力超過規(guī)定值SB17閉合減壓閥門A打開、減壓報(bào)警燈亮、減壓報(bào)警聲1打開。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180度SB18、SB19閉合減壓閥門B、C打開報(bào)警聲2、3燈2、3、4加水閥門B、C打開，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打開報(bào)警聲2、3燈2、3、4加水閥門B、C打開，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 水位開關(guān)200CM X2 加熱閥門 Y2 溫度開關(guān)120度 X3 鼓風(fēng) Y3 溫度開關(guān)150度 X4 自動(dòng)排污 Y4 水位開關(guān)180CM X5 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A Y12 送煤傳送帶溫度130度 X13 減壓報(bào)警燈1 Y13 送煤傳送帶溫度140度 X14 減壓報(bào)警聲1 Y14 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 X20 120度送煤電機(jī)M1 Y34 壓力報(bào)警 X21 120度送煤指示燈 Y20 溫度報(bào)警1 X22 130度送煤電機(jī)M2 Y35 溫度報(bào)警2 X23 130度送煤指示燈 Y21 壓力報(bào)警1 X24 140度送煤電機(jī)M3 Y36 壓力報(bào)警2 X25 140度送煤指示燈 Y22 加熱/排污切換按鈕 X26 150度送煤電機(jī)M4 Y37 150度送煤指示燈 Y23 手動(dòng)送煤快速電機(jī)M5 Y40 手動(dòng)送煤快速指示燈 Y24 手動(dòng)送煤慢速電機(jī)M6 Y41 手動(dòng)送煤慢速指示燈 Y25 減壓閥門C Y26 減壓閥門B Y27 報(bào)警聲2 Y30 減壓報(bào)警燈2 Y31 減壓報(bào)警燈3 Y32 減壓報(bào)警燈4 Y33 加水閥門B Y34 加水閥門C Y35 報(bào)警聲3 Y42 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 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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