基于PLC和组态软件锅炉水处理监控界面设计

摘 要介绍了集工业控制计算机、MCGS 组态软件、PLC(可编程控制器)、变频器于一体的自动监控系统在锅炉水处理中的应用与研究。此系统通过对锅炉水压力控制，锅 炉水水位控制以及冷水箱水位控制， 实现了数据的集中管理、自动控制、故障检测等多方面功能，为锅 炉的连续、 稳定、安全运行提供了保证。 关键词：MCGS 组态软件，PLC， 变频器，数据采集与控制，比例积分微分(PID)Boiler Water Processing Automatic Monitoring and Controlling System Based on Configuration Software and PLCAbstractThis thesis mainly introduced the automatic monitoring system of dealing with the boiler water which integrates industrial control computer，MCGS configuration software，PLC and transducer as a wholeWith the control of the press 、the level of boiler water and the level of the cold tank ,this kind of system Can implement such functions , collective man agement of data，automatic control，troubleshooting and so on，which guaranteed the continuous，steady and safe running of the boiler Keywords：MCGS Configuration Software, PLC Tranducer Data Collection and Control Proportional Plus Integral Plus Derivative(PID)目 录1 前言12 监控系统工艺流程12.1 锅炉给水压力控制22.2 除氧水箱水位控制22.3 软水箱水位控制42.4 数据的采集与控制63 监控系统硬件配置74 监控系统软件配置 74.1 MCGS 组态软件 74.2 编程软件94.3 通信 125 监控系统主要功能126 结束语12致谢13参考文献1411 前言 计算机监控系统是采用集中监测、集中控制、集中显示、集中管理、集中保存的系统，融合了较先进的自 动化技术、 计算机技术 、通 讯技术、故障诊断技术和软件技术，广泛应用在化工、供暖、机械、供水、水处理等多个领域，在工业生产中发挥越来越显著的作用。在满足锅炉连续、安全、 稳定的前提下，本文介绍了集工业控制计算机、组态软 件、 PLC（可编程控制器）、变频器于一体的锅炉水处理自动监控系统。随着现代技术的不断提高，水处理技术在用水 过程中也得到了迅猛发展，目前已成为提高锅炉热 效率的关键。做好锅炉水处理，就要实现三个基本 要求：即防止蒸汽夹带、结垢、腐蚀。蒸汽夹带、 结垢、腐蚀严格来说是很难绝对避免的，它们会相互影 响、相互作用，所以水处理时必须统一考虑。只有炉外处理和炉内处理有机结合，才能保证锅 炉在高质 量下运行。炉外处理的主要方法为树脂软化及热除氧气,一般以药剂实现。使用的药剂有五种：阻垢剂、淤渣 、分散剂、除氧剂、消泡 剂和蒸汽系统保 护剂。由于水 处理工艺比 较复杂，所以 选用 自动监控系统进行集中监测、集中控制、集中显示、集中管理、集中保存 ， 融合较先进的自动化技术、计算机技术、通信技术、故障诊断技术 和软件技术。在满足锅炉连续、安全、稳定的前提下，用工业控制计算机、 组态软件、PLC (可编程控制器)、变频器于一体的自动监控系统，实现对锅炉水处理的有效监控。2 监控系统工艺流程 锅炉水处理自动监控系统包括：锅炉给水压力的控制、除氧水箱水位的控制，软水箱水位的控制和数据的采集与控制。锅炉水处理系统的工艺流程简图如图1： 钠离子交换器冷凝水箱软水管 软水箱除氧水箱软水泵锅炉给水泵软水冷凝水 冷凝水泵图 1 水处理工艺简图22.1 锅炉给水压力的控制 锅炉给水压力的控制采用水泵变频恒压供水，通过安装在出水管网上的压力变送器，把管网压力信号变成 420mA 的标准信号送入 PLC（可编程控制器），PLC 通过 PID 程序运算后，输出转速信号送给变频器，由 变频器控制水泵电机的转速，调节水泵的供水量，使供水管网上的 压力保持在给定的压力值上。当用水量超过或少于运行泵的供水量时，通过 PLC 控制切换进行加泵或减泵，即根据用水量的多少由 PLC 控制工作泵的数量增减以及变频器对运行泵的转速调节，实现恒压供水的目的。变频恒压供水原理图如图 2： 图 2 变频恒压供水原理图恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入具有压力显示的 PID 调节器运算处理后，输出模拟信号给变频器，利用变频器的两个可编程的继电器输出口RO1，RO2，将信号传给 PLC，从而 PLC 判断是否加泵还是切泵。用变频器来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著。系 统的优点是启动平稳，启动电流可限制在额定电流以内，从而避免了启动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等使用寿命；可以消除启动和停机时的水锤效应.2.2 除氧水箱水位的控制 除氧水箱水位的控制采用水泵变频与工频供水，通过安装在除氧水箱上的差压变送器，把水箱水位信号 转变成 420mA 的标准信号送入 PLC，PLC 通过PLC 变频器 水泵变频器信号水位信号压力变送器给定水压 水压3PID 程序运算后，得出输出信号给变频器，由 变频器控制电机的转速， 调节水箱给水量，使除氧水箱的水位保持在给定的水位上。 给除氧水箱供水还包括冷凝水箱水位的控制，当冷凝水箱水位高时，启 动冷凝水泵，当冷凝水箱水位低 时，停止冷凝水泵，防止冷凝水箱出现溢流现象，减少水源浪费。根据除氧水箱水位的高低，由 PLC 控制软水泵 和冷凝水泵数量及变频器对软水泵的转速调节， 实现恒水位供水。恒水位变频控制原理图如图 3： 电机PID 调节器 变频器 除氧水箱差压变送器给定值除氧水箱水位图 3 恒水位变频控制原理系统采用一台变频器拖动 2 台电动机的起动、运行与调速，其中两台大机(75kW)和两台小机(55kW)分别采用循环使用的方式运行。PLC 上接工控计算机，水位传感器采样水池水位信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PLC 的模糊模 块,PLC 根据 这两个信号经模糊运算， 发出指令， 对水泵电机进行工频和变频之间的切换。PLC 上接工控计算机，上位机装有监控软件，对恒水位供水系统进行监测控制。系统工作过程:根据现场生产的实际情况，一般只需开动一台大泵和一台小泵，就能 满足生产需要，小机工频运行作恒速泵使用，大机变频运行作变量泵；因此可以采用一大一小搭配的分组方式进行设计，即把 1#水泵电机（50kW ）和 2#水泵电机（75kW ）为一组。分析自动控制系统的机组的工作 过程,可分为以下三个工作状态：1#电机变频起动；1#电机工频运行，2#电机变频运行；2#电机单独变频运行。一般情况下，水泵电机都 处于这三种工作状态之中，当源水的水位发生变化时，管网压力也就随之变化，三种工作状态就要发生相应转换，因此这三种工作状态对应着三个切换过程。1 切换过程1#电机变频起动，频率达到 50Hz,1#电机切换到工频运行，2#电机变频运4行。系统开始工作时，水池水位低于设定水位下限 hl，按下相应的按钮,选择机组运行，在 PLC 可编程控制器控制下，1#电机先接至 变频器输出端，接着接通变频器 FWD 端，变频器对拖 动 1#泵的电动机采用软起动，1#电机起动，运行一段时间后，随着运行频率的增加，当变频器输出频率增至工频 f0（即 50Hz），可编程控制器发出指令，接通变频器 BX 端，变频器 FWD 端断开， 1#电机自变频器输出端断开， 1#电机切换至工 频运行。 1#电机工频运行后, 1#泵工作在工频状态。接着，2#电机接至变频器输出端,接通变频器 FWD 端，变频器 BX 端断开,2#电机开始软起动，运行一段时间后， 2#水泵电机工作在变频状态。从而 实现 1#水泵由变频切换至工频电网运行，2#水泵接入变频器并启动运行，在系统调节下变频器输出频率不断增加，直到水池水位达到设定值为止。（2）切换过程由 1#电机工频运行，2#电机变频运行转变为 2#电机单独变频运行状态。当水压增加时，2#水泵电机在 变频器作用下， 变频器输 出频率下降， 电机转速下降，水泵输出流量减少，当变频 器输出频率下降到指定值 fmin，电机转速下降到指定值，水管水压高于设定水压 上限 Ph 时（2#电机 f=fmin,PPh）,在 PLC 可编程控制器控制下，1#水泵电机从工 频断开， 2#水泵继续在 变频器拖动下变频运行。（3）切换过程由 2#电机变频运行转变为 2#电机变频停止，1#电机变频运行状态。当水量再次增加时，2#电动机工作在 调速运行状态，当 变频 器输出频率增至工频 f0（即50Hz），水池水位低于设定水位上限 H 时，接通变频 器 BX 端，变频器 FWD 端断开，2#电 机自变频器输出端断开； 1#电机接至变频器输出端；接通变频器 FWD端,与此同时变频器 BX 端断开,1#电机开始软起动 。控制系统又回到初始工作状态，开始新一轮循环。在 PLC 程序 设计中，必须认真考虑这三个切换过 程，才能保 证系统在一个工作周期内实现正常切换与运行。1#和 2#机组工作过程流程图 4 所示。2.3 软水箱水位的控制 软水箱水位的控制采用电磁阀控制，通过安装在软水水箱上的差压变送器，把水箱水位信号变成 420mA 的标准信号送入 PLC，PLC 通过 PID 运算后输出控制信号，当软水水位低时，增加 电磁阀开度，当 软 水水位高时，可减少电磁阀开度。恒水位电磁阀控制原理图如图 5： 2.4 数据的采集与控制 5对锅炉水处理系统数据的采集与处理采用计算机数据在线采集和自动控制系统，一般包括自动检测、自动保护和自动控制等方面的内容。例如自动控制系开始 1#变频启动1#变频运行1#电 机工频运行f=50HZ？1#机机机机f=50HZ机 ？1#工频和 2#交换1#工 频 停机，2#变频 运行2#工 频 运行，1#变频 运行2#电机 ffmin，压力 ppk2#电机 ffmin，压力 ppkNYY NNY图 4 机组工作流程图6电 磁阀PID 调节 器 伺服放 大器 软水水箱差压变送器给定值软 水水箱水位图 5 恒水位电磁阀控制原理统能自动地排除各种干扰因素对工艺参数的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证实验维持在最佳或正常的工艺操作状态。一个完整的数据在线采集和自动控制系统由硬件和软件组成。本系统硬件包括 PLC、标准外部设备、输入输出通道、接口、运行操作台、被控对象等，它的核心是 CPU。CPU 与存储器和输入输出电路部件的连接需要一个接口来实现。前者称为存储器接口，后者称为 I/O 接口。存储器通常是在 CPU 的同步控制下工作的，其接口电路及相应的控制比较简单； 而 PLC 与外界的各种联系与控制均是通 过 I/O 接口来实现的，I/O 设备 品种繁多，其相应的 I/O 电路也各不相同，以实现各类信息和命令的顺利传送。软件通常分为系统软件和应用软件两大部分。系统软件一般由计算机生产厂家提供，有一定的通用性。应用软件是为执行具体任务而编制的，一般由用户自行建立，至于使用哪一种语言来编制程序，取决于整个系统的要求和软件配制情况,本系统主要采用汇编语言进行编程。被测对象 传感器 转换设备PLC图 6 数据采集流程图在被测对象上安装一传感器或变送器，通过传感器或变送器可以获取参数信号，这 些信号经过转换之后就成 为标准的电信号，通过这些信号可以识别、分析并控制该系统，水处理自 动控制系统需要检测和控制的工艺参数主要有：压力、流量、液位、转 速、 阀门开度、水泵的运行/停止、阀门 的开/关、变频器的运行/停止等,压力变送器等系统共有模拟量输入 11 路, 模拟量输出 4 路，数字量输入 40路,数字量输出 20 路。PLC 包括 许多的特殊功能模 块，而模 拟量模块则是其中的7一种。它包括数模转换模块和模数转换模块。例如数模转换模块可将一定的数字量转换成对应的模拟量(电压或电流)输出，这种转换具有较高的精度。 在设计一个控制系统或对一个已有的设备进行改造时，常常会需要对电机的速度进行控制，利用 PLC 的模拟量控制模块的输出来对变频器实现速度控制则是一个经济而又简便的方法。 3 监控系统硬件配置 系统的控制过程中有对压力、水位、流量等量的闭环控制。而在工 业控制中，计算机、 PLC 能编制各种各 样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前 许多小型 PLC 也具有此功能模 块 。本 锅炉水处理自动监控系 统主要由研华工控机、 S7-226PLC、EM221、EM235、变频器、伺服放大器、电磁阀、压力变送器、差压变送器、孔板、数显仪 表、 RS485/RS232 转换器、 PC/PPI 电缆、控制柜、继电器、水泵等组成。 该自动监控系统硬件配置图如图 5：上位机采用研华工业控制计算机，具有性能稳定配置高、抗干扰能力强、 配套齐全，功能完善，适用性强、等优点，主要实现整个系统的数据监视和参数设定工作。下位机采用西门子公司的 S7 - 200 系列的 S7-226 可编程控制器(Micro PLC)，它具有功能强大、可靠性高、 维护方便且抗干 扰能力强、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造、体 积小，重量轻，能耗低等多方面优点，本系统主要采用它作为数据采集、控制回路、自动顺序操作和数据运算的功能。压力信号 压力变送器流量信号水位信号转速信号运行信号差压变送器差压变送器变频器继电器伺服放大器 电磁阀数显表工控机输入端子 PLC扩展模块显示器继电器变频器水泵打印机输出端图 7 水处理自动控制原理图8变频器采用芬兰 Vacon 公司的 Vacon-NX 系列变频器，具有 调速性能好、保护电机， 节能效果显著、运行工艺安全可靠等多项优 点，具体参数在 变频调试时根据电机具体情况设定。 压力、流量、水位信号采用昌晖仪表采集、 显示，仪表通过 RS485 电缆采集通过 RS485/RS232 转换后进入上位机显示。 转速及阀 位信号采用 PLC 模拟量模块采集，经 PC/PPI 电缆传输由上位机显示。 4 监控系统软件配置 组态软件集成了图形技术，人机界面技术，数据库技术，控制技 术，网络与通信技术，使控制系统开发人员不必依靠某种具体的计算机语言，只需通过可视化的组态方式，就可完成监控软件设计，降低了 监控画面开发难度。 组态软件拥有丰富的工具箱、图库和操作向导，使开 发人员避免了软件设计中许多重复性的开发工作，可提高开发效率，缩短开发周期，已成 为监 控系统主要的软件开发工具之一。目前组态软件有多种成熟产品，除了通用组态软件外，还有一些专用组态软件，用于组态特定的控制系统。 本监控系统采用 Windows 2000 操作系统， MCGS组态软件及其在此软件基础上自主开发的锅炉水处理自动监控系统，STEP 7-Micro/WIN32 3.2 版编程软 件以及水处理 PLC 编程程序。 4.1 MCGS 组态软件 考虑对现场数据的采集处理,以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案的要求，本系统采用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的 MCGS (Monitor and Control Generated System ,通用监控系统) ，它是用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件。它能够在基于 Microsoft 的各种 32 位 Windows 平台上运行 , ,在自动化领域有着广泛的应用。 MCGS 系统包括组态环境和运行环境两个部分。其具体的组态过程包括系统菜单和系统参数组态、设备 构件组态、用 户界面组态 、实时数据对象组态和运行策略组态。其具体的组态 窗口如图 8，运行数 显窗口如图 9： 9图 8 组态软件组态窗口 图 9 运行中的“数显窗”界面 4.2 编程软件 10本系统采用 STEP 7-Micro/WIN32 3.2 版编程软件编程，关键是 PLC 程序的合理性与可行性，电机控制程序包括启动子程序和运行子程序，运行子程序又包括参与调节子程序和电机切换子程序，电机切换子程序又包括加电机子程序和减电机子程序；模拟量程序包括模拟量数据采集，传送，输出， PID 调节等。系统11的程序框图如下：开始接受上位机命令数据处理与显示、传 送采集现场数据初始化故障处理是否停机停机否是图 10 控制系统程序流程图以除氧水箱水位 PID 调节程序为例： 12MAIN（主程序）：网络 1： LD SM0.1 CALL SBR_0 SBR-0（子例行程序 0）：网 络 1： LD SM0.0 MOVR 0.75, VD104 MOVR 0.25, VD112 MOVR 0.1, VD116 MOVR 30.0, VD120 MOVR 0.0, VD124 MOVB 100, SMB34 ATCH INT_0, 10 ENI INT-0（中断子程序 0）：网络 1： LD SM0.0 ITD AIW0, AC0 DTR AC0, AC0 *R 1.25, AC0 -R 8000.0, AC0 /R 32000.0, AC0 MOVR AC0, VD100 MOVR VD100, VD300 *R 400.0, VD300 网络 2： LD SM0.0 PID VB100, 0 网络 3： LD SM0.0 MOVR VD108, AC1 /R 1.25, AC1 +R 0.2, AC1 *R 32000.0, AC1 ROUND AC1, AC1 DTI AC1, AC1 13MOVW AC1, AQW0 4.3 通讯 PLC 和组态软 件具有灵活的通信与网 络功能，有多种通信驱动程序，可与多种通信协议互联，可选择多种通信方式。支持硬件的环行网、 总线网以及开放性网络结构，可从主站或任一从站对所连网络内其他站进行监控。工控机与 PLC的通讯通过 PC/PPI 电缆来完成 ,它将 S7 -200 的编程口与计算机的 RS232 口相连,具体设置是在下位机的编程环境(STEP 7 - Micro/ WIN 编程软件)和 MCGS 组态软件的设备窗口中完成的。工控机与数显仪表的通讯采用通用的RS232/RS485 转换器，具体设置在仪表和 MCGS 组态软件的设备窗口中完成的。5 监控系统主要功能 1、显示功能：工艺流程、测量值、设备运行状态、操作模式、报警等显示功能。2、报警处理和报表生成功能：记录报警发生时间、故障内容等信息,并对报警信息进行管理，系统输出的日报表，并可 查询历史报表。 3、历史趋势功能：对现场的压力、流量、水位、转速、阀门开度等以实时曲线显示，并具有历史曲线查询功能。 4、数据库存储与访问功能， 实现 Access 历史数据库在每次系统运行时的自动创建并记录，以及现场数据的存储。 5、系统参数的修改功能，可对 PID 参数进行修改，并对压力、水位设定值进行修改。 6、管理权限：实现不同级别的系统管理权限，系统操作员可以选择操作模式，查看趋势曲线及报表等。 7、电机保护功能：采用变频控制后，运行可靠，维护方便，精度高、稳定性好，对过流、欠压、过压等变频器故障均能自行诊断，并发出报警信号。8、手/自动切换功能：在 设计电路部分实现手动 、半自动、全自动方式，能实现监控系统的自动/半自动/手动操作模式间的无扰切换。 6 结束语 本文介绍的基于组态软件和 PLC 的锅炉水处理自动监控系统，利用了工控机组态软件的强大数据处理和图形表现能力，PLC 抗干扰能力强、适用于工 业现场的特点,以及变频器的调速性能，融合了 较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障 诊断技术和软 件技术，具有可靠性高、 维护容易等特点。此系统实14现了数据的集中管理、自动控制、故障 检测等多方面功能，为锅炉的连续、稳定、安全运行提供了保证。致谢时光如梭，转眼之间四年的学习生活在这次毕业设计后将画上圆满的句号。在这四年中，河南科技学院的各位领导、老 师和同学 对 我的学习给予了很大的支持和帮助，我在这里不仅体会到了学 习的乐趣，而且也感受到了集体给我的关怀，在此谨对各位表示衷心的感谢。论文结束之际，首先感谢我的指导老师，指 导老师在本次设计中给予了殷切指导，在写论文的过程中，老师给我做了全程的分析与引导。指导老师知识渊博、治学严谨。他的认真与细致让我佩服。在本次设计中我不仅受到指导老师的学风、师德的熏陶，而且他的学识和风范、关怀和教诲，将成为我永远的精神动力，并相信 这在我的人生中将会受益匪浅，同时也使自己的理论学习和实际联系得更加紧密。也更加端正了自己的工作作风和学习态度，以及工作中的持之以恒的精神。另外，在我设计期间，同组同学也给了我很多的帮助，在此我也向他 们表达我真诚的谢意。最后