基于PLC的温度与液位自动控制系统的设计
摘要：锅炉是工业生产以及民用供热的重要设备之一，随着近代工业的迅速发展，规模逐步扩大，锅炉适应社会的发展趋势，跟上潮流的步伐中愈加方便。在工业发展过程中，有必要进行大容量、高效率、节能减排的改革。为了在国际环境中实现安全、可靠和节能，锅炉的自动控制变得尤为重要。
本文主要介绍的是利用PLC的自动控制技术，对锅炉的温度及水位进行实时监控以及控制。锅炉的自动控制是大势所趋，所以必须克服重重困难来实现。以达到大容量、高效率、节能减排改革的实现。
关键词：温度及液位控制系统；锅炉；PLC；
Deign of Automatic Control System for the Temperature and Liquid level Based on PLC
Abstract: Boilers are one of the important equipment for industrial production and civil heating. With the rapid development of modern industry, the scale has gradually expanded, and boilers are adapting to the trend of social development; It is more and more convenient to follow the pace of the trend. In the course of industrial development, it is necessary to reform in the direction of large capacity, high efficiency, and energy conservation and emission reduction. And in order to implement safety, reliability and energy conservation in the international environment, the automatic control of boilers becomes particularly important.
This paper mainly introduces the use of PLC automatic control technology, the boiler temperature and water level for real-time monitoring and control. The automatic control of boiler is the general trend, so it must overcome many difficulties to achieve. In order to achieve large capacity, high efficiency, energy conservation and emission reduction reforms.
一、引言
1.1课题来源及研究意义
锅炉在众多行业中都是重要的供热设备。在工业以及民用等行业取暖都得需要锅炉来供热，由于各行业的需求与规模的不同，使工业以及民用需要的供热规模也不同，所以每个公司、每个行业需要锅炉的容量、结构、性能以及参数都不同。
锅炉作为重要的供热之源，其任务为安全、可靠、较高效的将燃料的能量转化为热能。
随着国内外生产的迅速发展，该设备逐步广泛的开始运用于工农民等行业，成为了国内外经济迅速发展的重要的供热设备之一。在国内外经济迅速发展的今天；在全球提倡节能减排的现在。我国要求工业以及农业的生产总值翻两番，但能源仅能翻一番。所以我们必须提高转化效率；提高有效使用率，以适应节能减排的国际大环境，提高我国的国际市场上的市场占有率。
显然，在面对如此重要，大量的供热设备，如何提高能源转化效率、怎样进行挖掘该设备的潜力。尤为重要的实际意义就此诞生了。此外如何在节能减排，控制污染的国际大环境下，如何开发采用多种不同的燃料；如何在保证甚至提升锅炉在安全性、可靠性的前提下，提高工作管理效率，降低工作强度等也就有了极其重要的实际意义。
由此可以看出锅炉的自动化控制就变得很重要，我们需要整理、研究、设计出一套实用、合理且较为简易的系统，使锅炉各种参数的协调性和控制精度变高，从而达到高效、节能、减排等作用。
1.2国内外技术发展与研究概况
锅炉自动化控制从上世纪的三、四十年代开始。由于当时技术限制的原因，对锅炉的研究主要表现在仪表参数的增多，但不能进行自动控制。
1.2.1 国外技术的发展现状
最早，发达国家锅炉检测和控制以组合仪表进行实现为主。伴随着计算机以及自动控制理论在全世界进行飞速发展，国际之中锅炉进行使用计算机的自动化控制逐步由趋势变为了现实。二十年来，自动化的控制理论以及计算机迅速发展，计算机性能的不断优化，性价比不断升高，使得锅炉的自动化控制得到了应用与普及。国外，锅炉在自动化控制领域的实践已经基本实现，其采用的控制方法为众多优化以及先进的理论及技术。因此，锅炉的热效率提高很多，运行更加的平稳，并且大大降低了环境污染。
1.2.2 国内技术的发展与现状
国内由于实力较为薄弱，锅炉的水平较为落后，基本停留在简易仪表控制，直到八十年代，伴随着较先进技术以及理论的引入。对我国的锅炉自动控制理论与实践发展的路途上得到了较大的技术推动与发展。步入九十年代以来，由于国内外先进的理论与技术发展速度的迅速加快。使得锅炉自动控制由曾经的不太认可，成功晋升为了一个全新的研究与发展热门领域。单片机、可编程控制器等，逐步对原有无法进行自动化控制的初级锅炉进行高级改造。迎来了众多新的控制方式的诞生，众多最新成果也在其内得到尝试与应用。但由于控制技术普遍的较为简易，不够严谨与全面，或控制算法建模不够精确，反映不够精准。导致其在实践上无法产生较好的经济回报，打击了用户支持锅炉自动化控制的积极性。
本世纪到来之后，为了改善调节锅炉的实际操作状况、适应本世纪国内外大环境中的节能与安全、降低环境污染，同时伴随着人工智能理论的飞速发展直至成熟，对于锅炉自动化控制系统的研发与应用以条件满足且必须执行了。
1.3本课题的主要研究内容
本课题主要研究采用可编程逻辑控制器（PLC）进行自动化控制锅炉的液位高度以及温度高低。用以实现锅炉的自动化控制。由于近代科技技术的飞速发展，锅炉采用软件进行实时监控与实时操作，并能使锅炉各项技术指标达到一个全新的技术高度。条件已经成熟并且以是迫在眉睫了，国际大环境中提倡的是，能源尽量达到最高利用效率，废气排放尽量降到最低。进而达到节能减排，保护环境的国际策略。
我国在此方面起步较晚，但发展较为迅速，我们需要在适应国际大环境中，尽量提高本国在市场上的占有率，进而提高国际中的话语权。
锅炉进行自动控制，可利用计算机进行的高精度精准计算，将燃料、空气等各种影响燃烧效率的因素精准控制。尽量达到能源的高效利用。能源高效利用可以减少残渣废料与废气的排放，减少对环境的污染。自动控制可以节约人工，从而从根本上降低此工作的安全隐患，提高整体该行业的安全系数。且工作效率也可实现大幅提升。锅炉的自动化控制是当前节能减排国策与保护环境的国际环境中急需发展的技术，相信在不久的未来自动化控制锅炉将广泛的大幅应用。
一、选题简介、意义
18世纪上半叶，英国煤矿使用的蒸汽机，包括瓦特的初期蒸汽机在内，所用的蒸汽压力等于大气压力。18世纪后半叶改用高于大气压力的蒸汽。19世纪，常用的蒸汽压力提高到0.8兆帕左右。20年代开始使用室燃炉，室燃炉燃烧煤粉和油。锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。它所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。燃烧控制手动调节，锅炉的燃烧控制就是依靠人工调节给煤，人工调节风门对锅炉的鼓、引风风量进行控制，实现锅炉燃烧状态控制的目的。传统的锅炉风机控制系统中，锅炉鼓风、引风控制采用接触器控制，故障率较高，影响了锅炉的正常稳定运行，制约了生产；风量调节控制靠改变风门挡板的开度来实现的(电机恒速运行)，能源浪费大；锅炉给水采用手动控制执行器控制，在用汽量波动大时，安全性不够高等。手动控制给煤量、鼓风量、引风量，不能实现最优风煤比和炉膛负压，司炉工在运行时凭经验对燃烧系统进行调节，不能保证最经济的运行并且劳动强度大；锅炉的燃烧控制系统和水位调节系统是通过对调风板和阀门对风量和给水量，进行控制来实现燃烧控制和水位控制，存在严重的节流损失；水位控制采用单冲量水位调节，水位控制不稳定，存在严重的安全隐患。近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电流交流变频技术是当今节电、改善工作流程提高产品质量和改善环境、和推动技术进步的一种主要手段。
二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）
（一）主要内容：
本课题是基于PLC的温度及水位控制系统设计，该系统能实现温度以及水位的自动控制，需要实现以下功能：
1、控制一台或几台锅炉正常工作：可以随时监控每台锅炉的温度以及水位高度，预计加热时间，阈值报警功能。
2、LED显示温度，水位高度以及预计加热时间：每台锅炉均采用LED数码管显示温度，水位高度以及预计加热时间。
（二）解决的问题：
在锅炉状况出现以下四种特殊情况时，可以通过按键操作进入特殊情况：
（1）手动停止加热；
（2）手动停止进水；
（3）手动加热；
（4）手动进水：当特殊情况结束时，按键操作进入正常状态。
（三）预期目标：
（1）可以根据生产的需要对液位进行设定，当液位低于设定限位时自动启动水泵进行加液，当液位到达设定值时停泵，操作人员可以随时可改变上限阈值，并达到阈值报警的功能；
（2）系统温度正常值控制在10度~100度之间，可通过触摸屏设置水温。当水温低于设定值时，进行加热，达到设定值时，停止加热；
（3）采用温度传感器实时测量水温，并将其显示在触摸屏上；
（4）完成温度及水位控制系统原理图设计；
（5）完成温度及水位控制系统程序设计。
（四）研究步骤、方法及措施：
对数据库进行检索，收集基于数字电路的温度及水位控制系统设计酌相关资料，并对资料进行归纳分析处理，设计方案，为设计做铺垫。
三、设计（论文）体系、结构（大纲）
第一部分 引言
1.1课题来源及研究意义
1.2国内外技术发展与研究概况
1.3本课题的主要研究内容
第二部分 PLC的简介
2.1可编程逻辑控制器的介绍
2.2 可编程逻辑控制器的分类
第三部分 PLC结构及硬件配置
3.1 PLC及CPU选型
3.2 PLC的I/O地址分配表
3.3系统硬件配置
3.4温度测量及报警
3.5液位测量及报警
第四部分 控制系统的软件设计
4.1 PLC的编程
4.2人机交互界面
第五部分 控制系统调试
第六部分结论
参考文献
致谢
参考文献
1．PLC与触摸屏应用技术/吴萍，刘文新主编。—北京：电子工业出版社，2018.1.
2．S7—200PLC基础及应用/王东署编著。—北京：中国电力出版社，2013.2.
3．PLC电气控制系统设计及应用/庞科旺，袁文华编著。—北京，中国电力出版社，2014.9.
4．PLC原理及应用技术项目教程/陈经艳，余良英主编；丁辉，何丽阳参编。—天津：天津大学出版社，2015.5.
5．深入浅出西门子S7—200 SMART PLC/西门子（中国）有限公司编著。——2版。——北京：北京航空大学出版社，2018.8.
6．PLC应用技术：附微课视频/黄中玉主编。——2版。——北京：人民邮电出版社，2018.9.
7．现场总线及系统集成/郭琼主编。—北京：机械工业出版社，2018.3.
8．电气CAD技术/董国增主编。—北京：机械工业出版社，2006.8.
9．PLC与变频器 从入门到精通/岂兴明编著。—北京：人民邮电出版社，2019.2.
10．PLC原理及工程应用设计/刘爱帮编著。—北京：北京航空航天大学出版社，2019.1.
11．PLC及传感器技术/卢美鸿，李正伟主编。—苏州：苏州大学出版社。2018.12.
12．PLC电气控制技术/张宏伟，王新环主编。—徐州：中国矿业大学出版社有限责任公司。2018.9.
13．PLC与触摸屏、变频器、组态软件应用一本通/韩相争编著。—北京：化学工业出版社，2018.11.
14．PLC综合应用技术/童克波主编（第三版）。—大连：大连理工大学出版社，2018.6.
15．PLC应用技术/周建清，王金娟主编（第二版）。—北京：机械工业出版社，2018.9.
