基于PLC的锅炉系统设计

目 录摘要 .关键词 .Abstract .Keyword .引言 .1 电热锅炉 .1.1 电热锅炉简介 .1.2 电热锅炉爆管原因及防范 .1.3 电压功率设定 .2 PLC .2.1 PLC简介 .2.2 PLC的基本结构 .2.3 PLC的工作方式 .2.4 PLC扫描周期 .2.5 PLC的特点 .2.6 SIEMENS S7-200 .2.7 程序设计 .2.8 程序模拟调试 .2.9 西门子 PLC硬件实施 .2.10 西门子 PLC联机调试 .3 电热锅炉供热系统 .3.1 系统控制要求 .3.2 水压调节循环系统 .3.3 加热管控制系统 .3.4 报警系统 .4 总结 .参考文献 .附录 A.附录 B.附录 C.致谢 .基于 PLC 的电热锅炉供热系统设计摘要： 本篇论文主要介绍了一种基于 PLC技术的电热锅炉供热系统软件的设计，该电热锅炉由补水泵、循环泵、电加热管和传感器等元件组成，程序部分用 STEP7软件调试运行。本产品通过自动、手动、定时控制三种方式控制锅炉加热，给予用户更多的选择，并具有缺相、超温、超压等全面保护措施。该电热锅炉可实时采集出水温度、回水温度以及压力大小，并进行智能控制。实验证明，本论文所设计的电热锅炉系统工作稳定可靠，智能化程度较高，自主性强，对各种要求适应能力强，是一种实用的设计方法，可满足一般用户的要求，具有较高的推广价值。关键词：PLC；电热锅炉；实时监控Design of Electric boiler heating system based on PLCAbstract:This paper mainly introduced an electric boiler heating system software design based on the PLC technology, this electric heating boiler was consisted by a water pump, a circulating pump, electric heating tubes and sensors, the program part was debugged and ran by STEP7 software. To give users more choices this product has three ways to control the heating boiler: automatic, manual and timing control, and have comprehensive protection measures as lack phases, over-temperature, over-pressure and so on. The electric boiler can collect real-time water temperature, return-water temperature and the amount of water pressure, by an intelligent-control way. Experimental results shows that this electric boiler system design is stable and reliable, highly intelligence, independent and strong, adaptable to a variety of requirements, this is a practical design approach, will satisfies the general requirements of the users, and has a highly promotional value.Keyword: PLC; Electric Boiler; Real-time monitoring引言随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，以及人们生活水平的不断提高，对城市生活供暖的用户数量和供暖质量提出了越来越高的要求。在当今社会，电加热锅炉的使用领域已经越来越广泛了。它的经济性，安全性和较高的自动化程度越来越受到人们的认同。可是电加热锅炉的性能优劣充分的反映了电热锅炉的质量好坏。电加热锅炉已逐渐进入人民的生活，成为洗浴，供热等场所的首选设备。目前电热锅炉的控制系统多采用以微处理器为核心的 PLC 控制技术，既提高产品的自动化程度又增加了锅炉的控制精度。现在使用的大部分电加热锅炉控制系统的设计还不完善，因此需要设计一种全新的、自动化程度较高的电加热锅炉控制系统来代替和完善以前的控制系统。现在工业生产所使用的控制器大多数是用继电器、接触器为主的控制装置。使用继电器电路组成的控制系统出现的误操作较多，其可靠性不好。结合现状,本论文供暖锅炉监控系统，设计了一套基于 PLC 和变频调速技术的供暖锅炉控制系统，以 PLC 来取代原有的控制系统。 该控制系统采用西门子公司的 STEP7 编程软件设计，主要完成模拟量信号的处理，温度和压力信号的 PID 控制等功能，完成风机启/ 停控制、参数设定、循环泵控制和其余电动机的控制，系统通过变频器控制电动机的启动、运行和调速。本文设计的变频控制系统实现了锅炉燃烧过程的自动控制，系统运行稳定、可靠。采用锅炉的计算机控制和变频控制不仅可大大节约能源，促进环保，而且可以提高生产自动化水平，具有显著的经济效益和社会效益。1 电热锅炉1.1 电热锅炉简介电热锅炉也称电加热锅炉、电锅炉，电热锅炉是将电能转化为热能，利用电阻发热或电磁感应发热，通过锅炉的换热部位把热媒水或有机热载体（导热油）加热到一定参数（温度、压力）时，向外输出具有额定工质的一种热能机械设备。它无需炉膛、烟道和烟囱，也无需储存燃料的场地，极大地减少了常规燃煤锅炉带来的污染。电热锅炉具有无污染、无噪声、占地面积小、安装使用方便、全自动、安全可靠、热效率高达 98%以上等特点，是一种环保产品。电热锅炉的主要部件有：控制器、水泵、加热管等。电热锅炉分为两大类：LDR(WDR)电热蒸汽锅炉和 CLDZ(CWDZ)电热热水锅炉及 KS-D电开水锅炉。其中电开水锅炉又分为 KS-D电开水锅炉和 XKS-D电蓄热开水锅炉。电热蒸汽锅炉广泛应用于工业生产及企事业单位以满足生产、生活所需蒸汽。电热热水锅炉广泛应用于化工、炼油厂辅助热源及高级宾馆饭店、写字楼、学校、科研楼、医院门诊病房等建筑的采暖、空调、热水供应及生活热水 1。1.2 电热锅炉爆管原因及防范电热锅炉爆管容易造成人员伤害甚至火灾，因此其安全性必须放在首位，了解爆管原因，防范于未然，是设计电热锅炉控制系统的必要步骤。在加热管使用过程中，电压不稳定，如电压增高同时电流会增大导致加热管击穿，因此，控制系统应含有超压保护功能。温度过高，加热管表面结垢，达到一定的承受，散热不好，也会造成加热管击穿,因此，控制系统还需含有超温保护功能。而加热管使用过程中脱水也会造成加热管击穿，所以要设计水箱压力下限保护。1.3 电压功率设定为使电炉工作更加稳定，应严格按照 JB/T2379-93 标准设计电加热管、电加热器。额定电压5%公差，极限电压+10%，超过极限电压运行会大大降低加热管使用寿命甚至击穿电加热管；额定功率+5%-10%.，所以应将供电电压控制在 400V以内，以提高加热管寿命，防止击穿。2 PLC2.1 PLC 简介PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。IEC于 1987年对可编程控制器下的定义是：PLC( Programmable Logic Controller)，可编程逻辑控制器，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；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令；并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程 2。PLC的通信链路可分为有线和无线两种，有线的数据链路有 RS-485等，无线的数据链路有 MDS数传电台等。2.2 PLC 的基本结构PLC实质上是一种专门用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：（1）电源PLC的电源在整个系统中起着一个非常重要的作用。如果没有一个良好的，电力系统不能可靠地正常工作，所以厂家对 PLC的电源设计和制造非常重视。一般交流电压波动在+10%(+15%）范围内，可以不采取其他措施，将 PLC直接连接到 AC线上去。（2）中央处理单元（CPU)中央处理单元（CPU）是 PLC的中央控制，一般由控制器、运算器和寄存器组成。其主要任务是控制用户程序和数据的接收和储存；用扫描的方式通过 I / O接口来接收现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断 PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC 进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后安指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制制表打印或数据通信等功能。为了进一步提高 PLC的可靠性，对大型 PLC还采用双 CPU构成冗余系统，或采用三 CPU的表决式系统。这样，即使某个 CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。（3）存储器PLC使用的存储器类型有三种：ROM、RAM、EEPROM。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。（4）输入/输出接口电路。输入/输出接口单元包含两部分：一部分是与被控设备连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，是 PLC与现场控制的接口界面的输入通道。现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成， PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。（5）功能模块如计数、定位等功能模块。（6）通信模块为了实现“人-机”或“机-机”之间的对话，有些 PLC配有一定的通信接口。2.3 PLC 的工作方式PLC工作的整个过程可分为三部分。第一部分是上电处理。机器上电后对 PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定，系统通信参数配置及其他出初始化处理等。第二部分是扫描过程。其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的 CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。（1）输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 首先以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O映象区中的相应的单元内，此时输入映像寄存器被刷新。接着系统进入用户程序执行阶段。在此阶段和输出刷新阶段中，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。所以，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序执行用户程序（梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O映象区或系统 RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即 I/O指令则可以直接存取 I/O点。即使用立即I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从 I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟普通输入有些区别。（3）输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态一起转存到输出锁存器中，通过一定方式集中输出，最后经过输出端子驱动外部负载。这时，才是 PLC的真正输出。在下一个输出刷新阶段开始之前，输出锁存器的状态不会改变，相应输出端子的状态也不会改变。第三部分是出错处理。PLC 每扫描一次，执行一次自诊断检查。概括而言，PLC 是按集中输入、集中输出、周期性循环扫描的方式进行工作的 4。2.4 PLC 扫描周期扫描周期 T=（输入一点的时间*输入端子数）+（指令执行速度*指令的条数）+（输出一点的时间*输出端子书）+故障诊断时间+通讯时间从上式可看出，扫描周期已经决定了 CPU执行的速度、执行每条指令所占用的时间以及程序中指令条数的多少。指令执行所需的时间和用户程序的长短、指令的种类和 CPU执行速度是有很大关系，一般来说，一个扫描的过程中，故障诊断时间，通信时间，输入采样和输出刷新所占的时间较少，执行的时间占了绝大部分。2.5 PLC 的特点PLC具有以下鲜明的特点。（1）可靠性高。可靠性是用户的首要要求，因而 PLC的生产厂家都着力于提高可靠性的指标。目前各生产厂家生产的 PLC，其平均无故障时间都大大超过 IEC规定的10万小时。而且规模较大、要求较高的系统还可以采用表决系统，再进一步提高系统的可靠性。（2）编程方便，易学易用。PLC 是面向工矿企业的工控设备，接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。PLC 编程大多采用类似继电器控制电路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（Sequential Function Chart） ，使编程更简单方便。（3）控制功能极强。除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、PID 运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远方设备。因此，PLC 几乎是全能的工业控制计算机。（4）功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。现代 PLC所具有的功能及其各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组成不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如 DDC和 DCS等，实现生产过程的综合自动化。（5）安装简单，容易维修，扩展及与外部联接极为方便。PLC 可以在各种工业环境下直接运行，只需将现场的各种设备与 PLC相应的 I/O端相连接，写入程序即可运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。PLC 还有强大的自检功能，这为它的维修提供了方便。（6）抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型，环境要求低。隔离和滤波，是抗干扰的两大主要措施。对 PLC的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。另外使输入/输出接口电路的电源彼此独立，以免电源之间的干扰。正确的选择接地地点和完善的接地系统是 PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。为适应工作现场的恶劣环境，还采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构。通过以上措施，保证了 PLC能在恶劣环境中可靠工作，使平均故障间隔时间长，故障修复时间短。这是 PLC产品的市场生存价值 3。2.6 SIEMENS S7-200SIEMENS S7-200是西门子公司生产的具有很高的性能价格比的微型可编程序控制器（PLC） 。由于它具有结构小巧、运行速度高、价格低廉以及多功能和多用途等特点，在专用机械设备（包装机、打包机、卷扬机） 、食品加工工业（搅拌机、切割机、轧碎混合器）、农业（挤奶和饲养机械设备、牛奶冷却罐） 、电子装配线、木工机械等行业中得到了广泛的应用。 S7-200 PLC在机械结构方面有以下特点：（1）它的塑料外壳既紧凑又坚固；（2）易于接线和操作方便，在接线端前带有面罩保护；（3）PLC 上设计有专用的 DIN导轨安装机构和安装孔，可以垂直方向或水平方向安装在标准的 DIN导轨上或直接安装在控制柜底板上；（4）备有专用的接线端子排供用户选择。S7-200 PLC电气结构上的特点：（1）电气安全标准：S7-200 PLC在电气上符合 VDE、VL、CSA 和 ISO 9001中有关安全方面的标准；（2）可维护性：在 S7-200的 CPU中配有 EEPROM，可永久性地存储用户程序和其它重要的系统参数。此外它还安有大容量的电容器，供长时间地存储所有的数据使用，而不再需要另外安装需要维护的后备电池；（3）内置可直接与传感器/负载相连的直流 24V驱动电源，输出电流可达 180mA或 400mA。如果输出电流大于这个范围，可选购其它电源模块（选件） ；（4）为适应不同的应用场合，每种 CPU有三种使用不同电源和电压的类型，相应的输入和输出的结构和电压也可以是不同的；（5）本机上带有输入输出点：CPU 212具有 8个输入点和 6个输出点，CPU 214和 CPU 215具有 14个输入点和 10个输出点，CPU 216 具有 24个输入点和 16个输出点；（6）灵活的中断输入：S7-200 的 CPU可以极快的速度来响应中断请求信号的上升沿或下降沿；（7）机内配有高速计数器，以适应对机外高速信号的计数要求。其中 CPU 212带有一个计数频率最高可达 2KHz的加或减的计数器，而 CPU 214216 还带有两个独立的计数频率最高可达 7KHz的高速计数器，每个计数器可用程序复位或使能，并可设置成加法或减法计数或相位差 90的两个脉冲序列；（8）便于扩展：为系统备有专用的数字扩展模板（EM） ，可以很方便地对系统的输入和输出点作扩展；（9）备有专用的仿真器（选件） ，以便用户在现场输入用户程序，并对用户程序作调试和仿真；（10）模拟电位器外部设定：S7-200 的面板上有一个（CP