毕业设计（论文）-基于PLC的工业锅炉设计改造.doc

基于基于 PLCPLC 的工业锅炉设计改造的工业锅炉设计改造 摘要摘要 本文设计了一套基于本文设计了一套基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统。和变频调速技术的供暖锅炉控制系统。 该控制系统由可编程控制器、变频器、鼓风机和水泵电机、传感器该控制系统由可编程控制器、变频器、鼓风机和水泵电机、传感器 等构成。系统通过变频器控制电动机的启动、运行和调速。等构成。系统通过变频器控制电动机的启动、运行和调速。 该设计以西门子该设计以西门子S7-200系列可编程控制器为核心，一方面通过操系列可编程控制器为核心，一方面通过操 作台与作台与PLC通讯，接收管理者的控制命令。另一方面与各变频器进通讯，接收管理者的控制命令。另一方面与各变频器进 行通信，分别对鼓风机、循环泵和补水泵等进行启停控制和电机的行通信，分别对鼓风机、循环泵和补水泵等进行启停控制和电机的 转速设定，转速设定，操作人员也随时可以通过操作台，了解现操作人员也随时可以通过操作台，了解现场每台锅炉的场每台锅炉的 运行状况，对风机、水泵等电机进行启停控制。控制系统的设计采运行状况，对风机、水泵等电机进行启停控制。控制系统的设计采 用比例积分的用比例积分的PID控制。控制。 关键词关键词：锅炉控制，变频器，锅炉控制，变频器，PLC ，PID The design of heating boiler auto control reformation system base on PLC technology Abstract In this Paper,a heating boiler control system based on PLC and variable frequency Speed-regulating technology is designed. The control system is made up of PLC,transducers,electromotor units of Pumps and fans, sensors, etc. It can control electromotor starting,running and timing by means of transducers. The design is based on Siemens S7-200 series programmable controller as the core; on the one hand through the console it can communicate with the PLC, to receive control commands from managers. On the other hand it communicate with the variable frequency Speed-regulating, to fulfilled such as starting and stopping pump motor control and speed settings, the operator at console can find out at the scene of the operation of each boiler to fans, pumps and other motor control to start and stop. at any time. Key words：boiler control, variable frequency Speed-regulating, PLC technology 目目 录录 1 绪论1 2 供暖锅炉改造设计思路1 2.1 供暖锅炉改造设计要求.1 2.2 锅炉系统的结构.2 2.3 整体方案选择.2 3 变频调速在供暖锅炉控制中的应用3 3.1 变频调速基本原理.3 3.2 变频调速在供暖锅炉系统中的应用.4 4 锅炉控制系统总体设计4 4.1 系统功能分析4 4.2 总体设计思路.5 4.3 系统结构.5 5 系统硬件设计6 5.1 可编程控制器 PLC 的选型.6 5.2 PLC 配置.6 5.3 I/O 接线8 5.4 变频器配置.8 5.5 传感器与变送器.9 5.5.1 压力变送器工作原理10 5.5.2 压力变送器选型10 5.5.3 温度传感器选型10 6 系统构成11 6.1 补水泵控制系统.11 6.2 循环泵控制系统.13 6.3 燃烧控制系统.14 7 PID 控制原理15 8 程序设计18 8.1 主程序设计.14 8.2 子程序设计.14 9 结束语26 致谢26 参考文献26 1 绪论 锅炉是供热设备中最普遍的动力设备之一，它的功能是把燃料 中的贮能，通过燃烧转化成热能，以蒸汽或热水的形式输向各种设 备。目前，大多数锅炉都是人工控制的，或简单的仪表单回路调节 系统，燃料浪费很大。锅炉作为一个设备总体，有许多被控制量与 控制量，许多参数之间明显地存在着复杂的关系。对于锅炉这个复 杂的系统，由于其内部能量转换机理过于复杂，采用常规的方式进 行控制，难以达到理想的控制效果，因此，必须采用智能控制方式 控制，才能获得最佳控制效果。 可编程逻辑控制器(PLC)既能代替传统的继电器接触器控制系统,又 具有扩展各种输入输出模块,如A/D模块、热电偶热电阻模块,构成多 功能控制系统。现代PLC集成度高、功能强、抗干扰能力强、组态 灵活、工作稳定。在传统工业的现代化改造中发挥着越来越重要的 作用。 供暖锅炉，是连接用户极为重要的功能性环节，不仅其工作的 安全性、可靠性直接影响到等前级产热设备的安全性及供热质量， 提高其工作效能，还具有十分重大的节能意义。目前供暖锅炉大都 采用人工监控，一方面浪费人力；另一方面在出现事故隐患时，操 作人员难以及时发现，很容易造成运行中设备的事故。 该设计对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正 常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系 统设计时，对锅炉水位、锅炉压力等重要参数应设置常规仪表及报 警装置，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故。 系统由可编程逻辑控制器( PLC)、变频器组成，能完成对给水、 鼓风等进行自动控制，使锅炉的水位、蒸汽压力保持在规定的数值 上，以保证锅炉的安全运行，达到降低能耗、提高供气质量的目的， 同时对运行参数如压力、温度等进行显示，还可对水位、压力、炉 温等参数越限时报警，发出声光信号。 由于PLC具有输入输出光电隔离、停电保护、自诊断等功能， 所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工业现场中，故障率低。 PLC编程简单，易于通信和联网，用于水暖锅炉控制能提高性能价 格比，如果从长远观点看，其寿命长，故障率低，易于维修，所以 选用1。 2 供暖锅炉改造设计思路 2.1 供暖锅炉改造设计要求 (1)PLC容量和性能要与任务相适应，PLC运行速度要满足实时 控制的要求 (2)要确定PLC的型号、需要的传感器和变频器的型号、PLC硬 件接线图和梯形图 (3)要有PLC的I/O接口地址分配表 (4)系统具有手动/自动转换、在线监控及在现场调试、驱动电机 过热保护 2.2 锅炉系统的结构 锅炉控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、补水 箱、循环水泵、补水泵等部分组成。补水箱内的水由两路提供。一 路是来自用户网通过热交换形成的冷凝水。一路是来自自来水管的 自来水。当回水不足以维持供热所需的水时。启动补水泵，用补水 箱内的水，加入到锅炉。 用 户 回水 补水箱补水泵 鼓风机 循环 水泵 锅 炉 自来水 图1 总体系统结构图 2.3 整体方案选择 以往供暖锅炉系统中带有循环泵、补水泵等水泵类的设备，通 常是根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流 设备进行流量、压力、水位等信号的控制。 这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破 坏，还加速了阀体的磨损，严重时损坏设备而影响生产。目前，风 机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动 电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿 命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现 泵损坏同时电机也被烧毁的现象。 对于如何供暖锅炉的基本功能和它存在的缺陷等问题提出两种 改造方案。 第一种就是利用单片机进行控制中心的，但是由于单片机工作 状态的不稳定性，抗干扰能力比较差。所以不在此处选用。 第二种就是用可编程控制器PLC进行改造，把原来的继电接触 式电控系统改造为PLC控制。不仅可以消除掉它原来存在的所有缺 陷，而且增加了故障检修功能，可以在发生故障的部位进行报警。 第二个方案用可编程控制器PLC对原来的继电接触式电控系统 进行技术改造，改造后可以减少强电元气件数目，而且增加了一些 故障自诊断功能。提高了系统的稳定性，可靠性，安全性。使电气 控制系统的工作更加灵活，更容易维修，更能适应经常变动的工艺 条件。因此我们选择第二种方案。 3 变频调速在供暖锅炉控制中的应用 3.1 变频调速基本原理 目前，随着大规模集成电路和微电子技术的发展，变频调速技 术已经发展为一项成熟的交流调速技术。变频调速器作为该技术的 主要应用产品经过几代技术更新，己日趋完善，能够适应较为恶劣 的工业生产环境，目能提供较为完善的控制功能，能满足各种生产 设备异步电动机调速的要求。变频调速技术的基本原理是根据电机 转速与工作电源输入频率成正比的关系水泵多配用交流异步电机拖 动，当电机转速降低时，既可节约能量，经济效益十分显著。由异 步电动机的转速公式： (1)pSfSnn/ )1 (60)1 ( 0 式中， 异步电动机的同步转速r/min；n 异步电动机转子的转速r/min； 0 n 电动机的磁极对数；p 电源频率，电动机定子电压频率；f 转速差； S (2)%100 0 0 n nn s 由公式可见改变电动机极对数P、改变转速差S及改变电源频率f 都可以改变转速。通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速 的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，集 电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。 实现调频调压的电路有两种：交-直-交变频器，交-交变频器见 图2。上面是交-直-交变频器，下面是交-交变频器。 整流器滤 波逆变器 滤波 逆变器 直流 u1f1 交流 VV VF 交流 u2f2 交流 u1f1 交流 图2 变频器种类 (1)交-直-交变频器 它是由三个环节组成：可控硅整流电路，其作用是将电压、定 频率的交流电路变为电压可调的直流电；可控硅逆变电路，其作用 是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电；滤波环节， 它在整流电路和逆变电路之间，一般是利用无电源电容或电抗器对 整流后的电压或电流进行滤波。 (2)交-交变频器 它是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流电通过 变频电路同时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出， 交-交变频器由于直接交换，减少换流电路，减少损耗，效率高，波 型好，但调速范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用2。 3. 2 变频调速在供暖锅炉系统中的应用 由于变频调速可以实现电机无级调速，具有异步电机调压调速 和串级调速无可比拟的优越性，在锅炉系统中得到广泛的应用。变 频调速在供热锅炉系统中主要应用在风机调速和水泵调速。 4 锅炉控制系统总体设计 4. 1 系统功能分析 u2f2 VVVF 本文针对锅炉进行变频改造，设计一套基于变频调速技术的锅 炉系统。根据要求，并结合锅炉控制的发展趋势，本系统具备如下 功能： (1)远程/就地控制 系统具有远程控制和就地控制两种控制功能。通过操作台和可 编程控制器对锅炉系统中的鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵和 补水泵实现远程控制。同时，也可直接操作变频控制柜，实现就地 控制。 (2)单动/联动模式 本系统工作在单动/联动两种工作模式下。单动和联动模式下均 可实现远程/就地控制和参数设定，但单动模式下，需人工根据气候、 负荷的变化设定鼓风机、循环泵和补水泵等电机的转速，相当于 “开环控制”；联动模式下，操作人员只需根据室内温度和室外温 度的变化设定锅炉的出水温度和炉膛负压等参数，系统自动地调节 电机的转速，减少了人工干预，提高了自动化水平。 (3)检测功能 系统通过安装在锅炉现场的各类传感器，可检测出水温度、回 水温度、出水流量、回水压力、出水压力、补水流量、循环水泵 压力等参数，并可以将这些数据通过变送器传送到可编程控制器处 理，所有参数均可在操作台显示上显示出来。 (4)超温超压报警 按规定，锅炉控制系统必须包含超温超压报警功能，当系统中 的温度、压力等信号超过上下限时，必须提示报警信息，对某些重 要参数，还设置了报警联动功能，即超限时停炉或停泵处理。 4.2 总体设计思路 针对锅炉房的现状，本系统对锅炉房的鼓风机、循环泵、补水 泵等设备进行变频改造。每台鼓风机配置一台变频器，共2台。对于 4台循环泵，给其中两台容量较大的电机配置两台变频器，另外容量 较小的电机不配备变频器，作为备用。对于4台补水泵，也配置两台 变频器，给其中两台容量较大的电机配置两台变频器，另外容量较 小的电机不配备变频器。所有变频器均安装在变频控制柜内，置于 变频控制室，操作变频控制柜的面板，可实现就地控制。 PLC采用西门子公司S7-200系列PLC，通过1/O模块控制控制柜 内所有断路器、接触器和继电器等开关设备，以实现远程控制。如 果PLC系统出现故障，可直接在控制柜上通过控制面板进行启/停控 制，原有的手动控制部分(操作台部分)均予保留，一旦变频控制系 统出现故障，可自动或手动转为原有的手动方式控制，从而可避免 造成供暖中断，切实保证供暖正常。 4.3 系统结构 本系统属于热水锅炉供暖系统，主要通过热水循环给用户供暖， 一般分为燃烧控制系统、循环泵控制系统和补水泵控制系统。本系 统采用集中控制，分为三部分，系统结构框图如图3所示。 西门子 S7-200 系列可编程控制器 电气控制回 路（带变频 器） 电气控制回 路（带变频 器） 电气控制回 路（带变频 器） 1#-2#鼓风 机 1#-4#循环泵 1#-4#补水 泵 锅炉本体 传感器与变送器 图3 系统结构框图 5 系统硬件设计 5.1 可编程控制器PLC的选型 由于供暖锅炉自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用 德国Siemens公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉， 具有较高的性能/价格比，广泛适用于一些小型控制系统。Siemens 公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令， 且通信协议简单等优点。 根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定 的预留量，为以后新设备的介入或设备调整留有余地，因此选用的 S7-200型PLC的主模块为CPU224XPCN，其开关量输出(DQ)为10点， 输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入为14点，输入形式为 +24V直流输入。由于实际的开关量输出有26点，所以需要扩展，扩 展模块选择的是1个EM223CN型模块，该模块有16个开关量输出点， 输出形式为AC220V继电器输出，开关量输入为16点，输入形式为 +24V直流输入。 此外，为了方便的将管网压力信号、电机频率信号和同相比较 信号传输给PLC。经比较计算后转换为相应的控制信号，选择了 EM235CN模拟量扩展模块。该模块有4个模拟输入(AIW)，1个模拟 输出(AQW)信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成了 A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长(16bit)的数字信号； 输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长(16bit)的数 字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可以针对不同的标准 输入信号，通过DIP开关进行设置。 系统 PLC的选型包括一个CPU224CN主模块，1个EM223CN扩 展模块，3个EM235模拟量扩展模块。如此PLC总共有30个数字信号 输入，26个数字信号输出，以及4个模拟输入信号，4个模拟输出信 号。输入和输出均有余量，可以满足日后系统扩充的要求3。 表1 S7-200的规格 规格 系列连 接 方 法 工作电 压 输入类 型 输出 类型 程序 容量 I/O 点型号 主控 单元 S7-200端 子 型 220V AC 24VDC继电 器 12K24 点 14I/10O CPU 224XP CN 数字 量扩 展单 S7-200 端 子 型 24VDC 24VDC继电 器 32 点 16I/16O EM223 CN 元 模拟 量扩 展单 元 S7-200 端 子 型 24VDC5 点 4I/1OEM235 CN 5.2 PLC配置 5.2.1 PLC的开关量输入、输出点 PLC的输入、输出点数的确定根据控制系统设计要求和所需控 制的现场设备数量加以确定。系统采用分组运行的方式，把l#水泵 电机和2#水泵电机组成第一组；把3#水泵电机和4#水泵电机组成第 二组。两组采用循环使用的方式运行，自动控制系统可以根据运行 时间的长短来调整选择不同的机组运行。要求控制的现场设备有两 台电机接触器的动作，变频器的控制端子，热继电器输入及报警。 PLC输入输出端口地址的分配如下表2所示。 表2 I/O分配 I名称输入O名称输出 I0.0SB1手动/自动/停止选 择 Q0.0KM11#补水泵变频 运行 I0.1SB2补水泵电机启动 按钮 Q0.1KM21#补水泵工频 运行 I0.2SB3补水泵电机停止 按钮 Q0.2KM32#补水泵运行 I0.3SB4手动/自动/停止选 择 Q0.3KM43#补水泵变频 运行 I0.4SB5循环水泵电机启 动按钮 Q0.4KM53#补水泵工频 运行 I0.5SB6循环水泵电机停 止按钮 Q0.5KM64#补水泵运行 I0.6SB7手动/自动/停止选 择 Q0.6KM71#循环水泵变 频运行 I0.7SB8鼓风机启动按钮Q0.7KM81#循环水泵工 频运行 I1.0SB9鼓风机停止按钮Q1.0KM92#循环水泵运 行 I1.1FR1-4补水泵电机过载 输入 Q1.1KM10 3#循环水泵变 频运行 I1.2FR5-8循环水泵电机过 载输入 Q2.0KM11 3#循环水泵工 频运行 I1.3FR9-10鼓风机电机过载 输入 Q2.1KM12 4#循环水泵运 行 I1.4BP11#变频器故障输 入 Q2.2KM13 1#鼓风机运行 I1.5BP22#变频器故障输 入 Q2.3KM14 2#鼓风机运行 I2.0BP33#变频器 故障输入 Q2.4HL1补水泵电机过 载指示 I2.1BP44#变频器故障输 入 Q2.5HL2循环水泵电机 过载指示 I2.2BP55#变频器故障输 入 Q2.6HL3鼓风机电机过 载指示 I2.3BP66#变频器故障输 入 Q2.7DL电铃报警 AIW0循环水出口温度Q3.0KA11#变频器启动 /停止切换 AIW1循环水出口压力Q3.1KA22#变频器启动 /停止切换 AIW2补水出口温度Q3.2KA33#变频器启动 /停止切换 AIW3补水出口压力Q3.3KA44#变频器启动 /停止切换 Q3.4KA55#变频器启动 /停止切换 Q3.5KA66#变频器启动 /停止切换 AQW0循环水出口温度AQW2变频器频率调 节输入口 AQW1循环水出口压力 (1)输入端口 自动控制系统PLC的输入端口包括机组启动/停止按钮，另外 PLC输入端口还包括电动机的热保护继电器输入，输入形式是热继 电器的常闭触点。和变频器故障输入信号。 (2)输出端口 PLC的输出端口包括电机交流接触器的动作，分别对应变频/工 频两个工作状态， PLC与这些交流接触器的连接是通过中间继电器 来实现的，可以实现控制系统中的强电和弱电之间的隔离，保护 PLC设备，增强系统工作的可靠性。 对于变频器，需要一个中间继电器来控制变频器的通断，来实 现变频器的运行和停止；此外，对于电动机的热保护继电器输入， 报警指示输出既需要3个端口显示哪一部分电机故障，也需要一个输 出端子进行蜂鸣器报警输出。 5.2.2 PLC的模拟量输入、输出点 自动控制系统PLC的模拟输入端口包括压力传感器检测的管网 压力信号，压力信号是以标准电流信号4-20mA进行传输的；温度传 感器检测的管网温度信号。变频器反馈的电机频率信号，电机频率 信号是0-10V的电压信号。 5.3 I/O接线 I/O接线图如附录1所示。 5.4 变频器配置 近20年来，以功率晶体管GTR为逆变功率器件、8位微处理器为 控制核心的、按压频比u/f控制原理实现异步电动机调速的变频器， 在性能和品种上出现了巨大的技术进步。 5.4.1 变频器输入输出接口 本系统选用的变频器为ABB公司的Acs60l系统，针对本系统的 应用情况，可将变频器端子上的信号分为： 1 输入信号： (1)控制变频器运行的启停信号DI1PLC的KA1。 (2)变频器的压力反馈信号A12口接远传压力表的反馈信号。 (3)R.S.T为电源输入。 PERST PEUVW DI1 +24V AI2+ AI2- PLC 接电机 KA1 变频器内置 PID 2 输出信号： (1)RO1：为数字量输出口，变频器内部出现故障时，进行指示。 (2)RO2：为数字量输出口，变频器运行指示。 (3)RO3：为数字量输出口，变频器停止运行指示。 (4)U、V、W为接三相异步电动机。 3通讯：本变频器完成与上位机的频率、电流、电压、压力、故 障状况，给定等参数进行通讯，通过CH0、CH1口实现。 整个变频器端子示意图如图4。 图4 变频器接线图 在此控制系统中，整个信息的反馈是靠压力变送器，在PLC的 配合下通过反馈回的压力信号来调整当前调速泵的转速。 变频器和PLC的联系，是靠硬件电器来联接的，具体参数的联 系都是与上位机的通讯来实现的，选用的s7-200PLC和Asc601变频器 均有内置的Rs485接口。变频器和PLC的联系如图5所示。 变频器 PID 压力传感器 变频器内置 水泵电机 出口压力 PLC 设定值 图 5 变频器接线原理图 5.5 传感器与变送器 这一部分是控制系统的底层，主要完成现场数据的采集、预处 理和变送等工作。这些数据主要包括锅炉的出水温度、出水压力、 以及总出水温度、总出水压力、总回水压力等。变送器将采集的温 度、压力等物理量转换成电压或电流信号并传送给可编程控制器进 行数据处理。 5.5.1 压力变送器工作原理 PMC 系列压力变送器采用了先进的电子陶瓷技术、厚膜电子技 术、SMT 技术和 PFM 信号传输技术，测量元件内无中介液体,是 完全固体的。其工作原理是：介质压力直接作用于陶瓷膜片,使测量 膜片产生偏移。膜片位移产生的电容量,由与其直接连接的电子部件 检测、放大和转换为 020mA DC 的标准信号输出。 5.5.2 压力变送器选型 压力检测元件采用 E+H 公司的 PMC133 型压力变送器。 PMC133 型压力变送器相对压力的最大测量范围为 040MPa , 最 小测量范围为 01kPa , 更换测量元件可以改变压力测量范围。变 送器由 WYJ 稳压电源供给 12.530VDC 电压,能够准确地将出水口 的压力信号线性地转换成 420mA DC 标准信号。 5.5.3 温度传感器选型 用 DS18B20 实现多点温度检测，这种测量方法需要温度传感器 的精度高,体积小,测量电路简单,而且能够在高温下工作。所以我们 选用美国 DALLAS 公司生产的数字输出 IC 温度传感器 DS18B20 , 其特性如下： 独特的单线接口方式：DS18B20 与微处理器连接时仅需要一条 口线就可以实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯 在使用中不需要任何外围元件 可用数据线供电,电压范围：+3.0+5.5V 测温范围：-55+125 通过编程可实现 912 位的数字读数方式,分辨率可达 0.0625 12 位精度的最大转换时间为 750 ms 用户可自设定非易失性的报警上下限值 支持多点组网功能,多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上, 实现多点测温 负压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正 常工作 每个 DS18B20 都分配了一个独一无二的 64 位序列码,允许多 个 DS18B20 上工作在同一条一线总线上,从而减少了系统传感器接 口。DS18B20 有两种封装模式：3 脚和 8 脚封装,其中 3 脚封装比 较常用,我们选用 3 脚 TO-92 小体积封装。 用DS18B20 为温度传感器有许多优点,但实际应用的时候,由于 DS18B20 采用的是1-Wire 总线协议方式,即在一根数据线实现数据 的双向传输,因此,对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。 单总线访问DS18B20 时的一线工作协议流程：初始化总线上所 有器件对ROM 发操作指令发存储器操作指令数据处 理。操作过程的工作时序包括初始化时序,读时序和写时序。 在接入系统之前,先用读序列号的程序读出每个DS18B20 的序 列号,然后每个序列号分别对应系统中的编号1n ,读的时候把要读 的那个DS18B20挂在总线上, 读完后再换另一个, 同时记录每个 DS18B20 的序列号。系统运行时,初始化完成后,匹配序列号,然后读 对应传感器的温度值,读完后,匹配下一个序列号,再读对应传感器的 温度值,直到读完总线上所有的传感器,接着再读下一轮。 DS18B20 可通过两种方式供电：寄生电源方式和外加电源工作 方式。寄生电源方式不需外加电源,当总线(信号线) 为高时稳定电源 的提供是通过单线上的上拉电阻实现,总线信号为低时则由其内部的 电容供电,在此种方式下VDD接地。外加电源工作方式需要外加电源 正负极分别接引脚VDD及GND 。 本系统选用外加电源工作方式,采用此种方式能增强DS18B20的 抗干扰能力,保证工作的稳定性。 我们采用外加电源的工作方式,在同一条总线上同时挂接135个 DS18B20 可以稳定,准确的测量温度值。能够满足我们实际检测的 要求。在实际的工程应用中,由于DS18B20 要放在水里测量温度,我 们用圆柱状的不锈钢的传感器外壳套在DS18B20 上对其进行密封, 以防止进水短路,同时可以增加它的耐压,耐腐蚀性能。当某个 DS18B20损坏后,我们把好的DS18B20 先读出其序列号,再换接到系 统中。 以18B20为核心组成的多点温度检测系统见图6。 GND DQ VCC R1 5.1K VCC 图 6 18B20 组成的多点温度检测系统 6 系统构成 6.1 补水泵控制系统 6.1.1 补水泵系统方案图 报警部分显示部分 PLC 控制器 水位传感器变频器电控部分 保护部分 补水 泵 压力给定 至锅炉 压力变送器 M 补水箱 图 7 补水系统方案图 在硬件系统设计中，采用2台变频器，其中1#,3#水泵电机有变 频/工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变 频器输出电源相联，变频器输入电源前面接入一个空气开关，来实 现电机、变频器的接通，空气开关的容量依据电机的额定电流来确 定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择4。 在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问 题。在整个控制系统中，所有控制电机、阀门接触器的动作，都是 按照PLC的程序逻辑来完成的。 为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连 接，而是通过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。在PLC输出 端口和交流接触器之间引入中间继电器，其目的是为了实现系统中 的强电和弱电之间的隔离，保护系统，延长系统的使用寿命，增强 系统工作的可靠性。 由于每台电机的工作电流都在几百安以上，为了显示电机当前 的工作电流，必须在每台电机三相输入电源前面都接入两个电流互 感器，电流互感器和热继电器、两个电流表连接，如图8所示。 图8是电流互感器的接线图，两个电流表一个安装在控制柜上， 另一个安装在操作台上，可以方便地观察电机的三相工作电流，便 于工作人员监测电机的工作状态，同时热继电器可以实现对电动机 的过热保护。 A1A2 M 图 8 电流互感器的接线图 补水泵有三台，1#、2#、3#。其中 1#和 3#补水泵配有变频器。 当 1#补水泵采用变频控制启动后仍不能满足要求时，让 1#补水泵工 作于工频同时启动 2#补水泵，2#补水泵采用工频控制。以此类推启 动 3#。 1#补水泵 FR1 PE QF1 KM1 变频器 KM2 QF2QF3 KM3 2#补水泵 PE 3#补水泵 FR3 PE QF4 KM4 变频器 KM5 QF5 FR2 图 9 补水泵系统电气控制图 变频器主电路电源输入端子(R, S, T)经过空气开关与三相电源连 接，变频器主电路输出端子(U, V, W)经接触器接至三相电动机上， 当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子(U, V, W)的任意两 相。特别是对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频 电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则 在变频/工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成 功。 控制电路之中存在电路之间互锁的问题，由于控制系统是实现 分组的组内自动循环，所以电路的自锁包括组内互锁和组间互锁。 组内互锁是指同一组中电动机的互锁，组间互锁是指不同机组之间 电动机的互锁。在实现组内互锁的时候，严禁出现一台电动机同时 接在工频电源和变频电源的情况，同时要求变频器始终只与一台电 动机相连，而且当大容量电动机变频工作的时候，小容量电动机要 么是工频工作运行，要么是停止工作。 所以在大容量电动机变频工作的时候，要自动切断小容量电动 机的变频控制电路。控制电路的组间互锁是通过输入按钮，控制 PLC 的输入端口来实现的，当选择一组机组运行时，按下另一组起 动按钮则为无效操作。 控制电路中还必须考虑系统电机和阀门的当前工作状态指示灯 的设计，为了节省 PLC 的输出端口，在电路中可以采用 PLC 输出 端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和 阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。 6.2 循环泵控制系统 循环泵控制系统有 4 台循环泵，本系统配置两台变频器，另外 一台作为备用。每台循环泵均通过变频器启动，并根据负荷的变化 切换到工频运行，变频器启动下一台循环泵，依次类推，最后其中 一台循环泵变频运行，其他工作循环泵工频运行，剩下循环泵处于 停止状态作为备用。系统的电气控制图如图 10 所示。 1#循环水泵 FR5 PE QF7 KM7 变频器 KM8 QF8QF9 KM9 2#循环水泵 PE 3#循环水泵 FR7 PE QF10 KM10 变频器 KM11 QF11QF12 KM12 4#循环水泵 FR8 PE FR6 图 10 循环泵系统电气控制图 6.3 鼓风机控制系统 鼓风机控制系统包括 2 台鼓风机，本文对每台鼓风机配置一个 变频控制柜，每台电机配置一台变频器。其电气控制原理相对简单。 FR9 KM13 PE QF13 变频器 FR10 PE QF14 KM14 变频器 M1M2 图 11 鼓风机电气图 7 PID控制原理 7.1 PID 算法的实现 在模拟量闭环过程控制领域内，扩展模拟量处理模块，如 EM231、EM232、EM235，根据 PLC 提供的 PID 编程功能模块，只 需设定好 PID 参数，运行 PID 控制指令，就能求得输出控制值，实 现模拟量闭环控制。 (1)PID算法 在模拟量的控制中，经常用到 PID 运算来执行 PID 回路的功能， PID 回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易。如果一个 PID 回路的输出 M(t)是时间的函数，则可以看作是比例项、积分项 和微分项三部分之和。即： （3）dtdeKcMedteKctM t /)( 0 0 以上各量都是连续量，第一项为比例项，最后一项为微分项， 中间两项为积分项。其中 P 是给定值与被控制变量之差，即回路偏 差。K 为回路的增益。 用数字计算机处理这样的控制算式，连续的算式必须周期采样 进行离散化，同时各信号也要离散化，公式如下 （4）nnsindinMP =Kc (SP -PVn)+Kc T /T(SP -PVn)+MX+Kc T /T(SP -PVn) 公式中包含9个用来控制和监视PID运算的参数，在PID指令使 用时构成回路表，回路表的格式见表3。 表3 PID回路表 参数偏移地 址 数据格式I0类 型 中断描述 过程变量 (PVn) 0双字，实数I过程变量， 0.01.0 设定值 （SPn） 4双字，实数I给定值， 0.01.0 输出值 （Mn） 8双字，实数I0输出值， 0.01.0 增益（Kc）12双字，实数I比例常数，正、 负 采样时间 （Ts） 16双字，实数I单位为秒正 数 积分时间 （Ti） 20双字，实数I单位为分钟， 正数 微分时间 （Td） 24双字，实数I单位为分钟， 正数 积分项前值 （Mx） 28双字，实数I0积分项前值， 0.01.0 过程变量前值 PVn-1 32双字，实数I0最近一次PID变 量值 (2)PID指令 使能输入有效时，该指令利用回路表中的输入信息和组态信息， 进行 PID 运算。梯形图的指令盒中有 2 个数据输入端：TBL，回路 表的起始地址，是由 VB 指定的字节型数据；指令 LOOP，回路号， 是 07 的常数。 指令格式：PID TBL， LOOP (3)PID回路号 用户程序中最多可有 8 条 PID 回路，不同的 PID 回路指令不能 使用相同的回路号，否则会产生意外的后果。 (4)数值转换及标准化 用可编程序控制器控制 PID 回路时，要把实际测量输入量、设 定值和回路表中的其他输入参数进行标准化处理，即用程序转化为 PLC 能够识别和处理的数据的标准，例如把从 AIW 采集来的 16 位 整数转化为 0.01.0 之间的标准化实数。标准化实数又分为双极性 (围绕 0.5 上下变化)和单极性(以 0.0 为起点在 0.0 和 1.0 之间的范围 内变化)两种。程序执行时把各个标准化实数量用离散化 PID 算式进 行处理，产生一个标准化的实数运算结果，这一结果同样也要用程 序将其转化为相应的 16 位整数，然后周期性将其传送到指定的 AQW，用以驱动模拟量的输出负载，实现控制。转换方法如下：应 用实例中断程序中的程序片断。 (5)选择 PID 回路类型 在大部分模拟量的控制中，使用的回路控制类型并不是比例、 积分和微分三者俱全。例如只需要比例回路或只需要比例积分回路， 通过对常量参数的设置，可以关闭不需要的控制类型。关闭积分回 路：把积分时间 n 设置为无穷大，此时虽然由于有初值 MX 使积分 项不为零，但积分作用可以忽略。关闭微分回路：把微分时间 TD 设置为 0，微分作用即可关闭。关闭比例回路：把比例增益 K 设置 为 0，则可以只保留积分和微分项。 （6）应用实例 系统使用比例积分微分控制。PID 程序如图 13 所示。设采用下 列控制参数值：K 为 0.25，T 为 01 秒，T 为 30 分钟。本供水系 统的设定值是水箱满水位的 75时的水位，过程变量是由漂浮在水 面的水位测量仪给出。输出值是进水泵的速度，可以从允许最大值 的 0变到 100。设定值可以预先设定后直接输入回路表中，过程 变量是来自水位表的单极性模拟量，回路输出值也是一个单极性模 拟量，用来控制水泵速度。这个模拟量的范围是 0.01.0，分辨率 为 1/32000(标准化)。 本文的特点是在系统中，水泵的机械惯性比较大，故系统仅采 用比例和积分控制。其增益和时间常数可以通过工程计算初步确定。 实际上还需要进一步调整，以达到最优控制效果。系统启动时，关 闭出水口，用手动控制进水泵速度，使水位达到满水位的 75，然 后打开出水口，同时水泵控制由手动方式切换到自动方式。这种切 换由一个输入的开关量控制，具体描述如下：I0.0 位控制手动到自 动方式的切换，0 代表手动，1 代表自动。 图13 PID程序 当工作在手动方式下，可以把水泵的速度(0.01.0之间的实数) 直接写入回路表中的输出寄存器(VD108)。应用PID指令控制系统时， 要注意积分作用引起的超调问题。为了避免这一现象，可以加一些 保护。比如当过程变量达到甚至超过设定值时，可以限制输出值在 某一定范围之内。本例中的程序仅有自动控制方式的设计。其中主 程序OBI的功能是PLC首次运行时利用SM0.1调用初始化程序 SBRO。子程序SBRO的功能是形成PID的回路表，建立100ms的定时 中断，并且开中断。程序如图13所示。中断程序INT0的功能是输入 水箱的水面高度AIW0的值，并送人回路表。I0.1=1时进行PID“自 动”控制，把PID运算的输出值送到AQWO中，从而控制进水泵的 速度，以保持水箱的水面高度。 8 程序设计 8.1 主程序设计 主 程 序 锅炉起停控制 模拟量输入 循环泵控制 补水泵控制 鼓风机控制 通信控制 图 14 主程序结构 8.2 子程序设计 (1) 锅炉启/停控制 程序完成锅炉中鼓风机、引风机和炉排电机的启/停控制和远程 /就地控制的切换。每台锅炉的控制程序都相同，下面锅炉电机启/ 停控制程序梯形图，其它锅炉程序相似，此处不再重复。 图 15 锅炉启动前状态检测 锅炉起停控制程序的功能是锅炉检测，没有异常状态，输出锅 炉允许启动信号。这个条件无论是自动控制还是手动控制都需要给 到锅炉燃烧机才能启动锅炉。 (2) 锅炉启动的程序： 图 16 启动程序 锅炉启动过程是这样的： 首先、判断是自动启动还是手动启动； 第二、判断是否有启动信号，是何种启动信号（自动启动/手动 启动）； 第三、判断锅炉阀是否打开，也就是说锅炉本体是否能够形成 水循环。这样做的目的是处于安全的考虑，如果锅炉本体水流不能 循环会发生危险。 锅炉阀没有打开，那么如图 16 所示的锅炉启动前提条件必不满 足，锅炉允许启动信号不满足导致锅炉不能启动。待锅炉碟阀打开 后启动条件满足，启动程序输出启动信号； 需要注意的一点是自动启动和手动启动信号的互锁，即选择自 动控制时复位手动启动信号，选择手动控制时，复位自动启动信号。 第四、锅炉启动信号输出。 (3) 锅炉停止的程序 锅炉停止是相对于锅炉启动的一个逆向过程。看到网络 5 中代 码的作用是复位计时器和 PLC 的继电器输出。 (4) 锅炉的阀门控制 模拟量控制的阀门一般是用 420 毫安电流信号控制阀门开度， 对应的阀门开度从 0%-100%，对应 PLC 内存的数据大小从 640032000。换句话说，我们输出一个大小在 6400 与 32000 之间 的整数，即可传送到阀门一个开度在 0 到 100 之间的给定值。根据 这个原理，我们设计代码如下： 图 17 停止程序 Network 1 / 三通阀阀门设置 LD SM0.0 MOVW VW900, VW3600 /将数据传如转换数据 区，VW900 是 0100 的整数。 AENO *I +256, VW3600 /数据乘以 256 AENO MOVW VW3600, VW3602 AENO +I +6400, VW3602 /数据6400 AENO MOVW VW3602, AQW0 /输出给定值 (5) 锅炉水泵的控制 水泵分为工频控制和变频控制 工频控制就是启动和停止 2 个控制点，相对变频控制操作简单。 变频控制需要给定变频器一个频率给定值，一种方式是通信传 输，另一种方式给定模拟量值。 我们这里只介绍给定模拟量的控制方式。 Network 1 / 变频器给定 LD SM0.0 MOVW VW940, VW3600 /VW940 为频率 给定值输入，范围 050HZ AENO *I +256, VW3600 /数据乘以 256 AENO MOVW VW3600, VW3602 AENO +I +6400, VW3602 /数据6400 AENO MOVW VW3602, AQW2 /输出给定值 (6) 循环泵控制 循环泵控制程序主要实现循环泵系统中水泵电机的启/停控制、 变频器频率设定、出水压力 PID 控制等。系统根据出水压力的设定 值初步确定启动几台循环泵，每台泵都通过变频启动，切换到工频 运行，最后其中一台泵进入变频运行，其它泵工频运行。然后通过 压力 PID 控制调节变频器频率，以稳定出水压力。循环泵控制程序 的设计流程图如图 18 所示。 开始 启动循环泵 启动 1#变 频器 启动 1#变频器 压力不足 否 切换到工频运行 启动另一台泵 压力过大 停止一台泵 另一台切换到变频运行 压力控制 PID 确定变频器频率 结束 启动 2#变频 器 频器 是 4 否 启动水泵 是 否 是 否 图 18 循环泵控制流程图 (7) 补水泵控制 补水泵控制程序主要实现补水泵系统中水泵电机的启/停控制、 变频器频率设定、补水压力 PID 控制等。补水泵系统用 1#变频器拖 动 1#补水泵，2#变频器拖动 3#补水泵。运行时，系统根据回水压力 的设定值初步确定启动几台补水泵，若两台泵或者只用一台即可满 足回水压力，则只启动 1#泵系统或 3-4#泵系统(包括 2#变频器)，若 需要两台以上泵才能达到回水压力的设定值，则先用 1#变频器(或 2#变频器)启动 1-2#泵(或 3-4#泵)，切换到工频运行，然后再用 2# 变频器(或 1#变频器)拖动 3-4#泵(或 1-2#泵)，进入变频器运行。最 后通过压力 PID 控制调节变频器频率，稳定回水压力。补水泵控制 程序的设计流程图如图 19 所示。 (8) PLC 模拟量模块转换程序 程序代码 / 采样 ：这段代码主要作用是把 16 位（一个字）的数据转换 为实数类型的数据，并且启动计数器和累加器 LD SM0.0 ITD LW0, LD26 /16 整数转换为 32 位整数 DTR LD26, LD30 /32 位整数转换为实