锅炉自动控制系统设计毕业论文.doc

本科生毕业设计（论文）锅炉自动控制系统设计毕业论文目录第1章 绪论11.1选题背景及意义11.2锅炉控制技术的研究现状及发展21.2.1国内外研究现状21.2.2 控制技术的发展趋势2第2章 锅炉的基本构造及其工作原理42.1 概述42.2 锅炉的基本构造42.3 锅炉的工作原理及工作过程52.3.1 燃料的燃烧过程62.3.2 烟气向水的传热过程62.3.3 水的汽化过程6第3章 锅炉控制系统及其选择的控制方式83.1 蒸汽温度控制系统83.2 蒸汽压力控制系统83.3 汽包液位控制系统93.4 炉膛负压控制系统103.5 串级控制系统的参数整定113.6 串级控制系统的控制算法12第4章 锅炉自动控制系统的硬件设计144.1总体设计思路144.2系统结构144.3 控制器选型及配置154.4 I/O地址分配表164.5 系统主电路的设计184.6系统控制电路的设计194.7 补水泵控制系统224.8 给水泵控制系统244.9通信网络配置254.10变频器的选型254.11传感器的选型274.12 其它器件的选型29第5章 锅炉自动控制系统的软件设计315.1 PLC控制流程图315.2组态软件设计特点375.3 锅炉监控系统的软件结构385.4界面设计395.3 PLC控制程序3954第1章 绪论1.1选题背景及意义由于我国总的能源特征是“富煤、少油、有气，拥有丰富的煤炭资源，到2000年已探明的煤炭储量达1145亿吨。煤炭因其储量大和价格相对稳定，在本世纪50年内，在我国的一次能源构成中仍将占主导地位。由此可见，在未来相当长的一段时期内，燃煤工业锅炉仍将是我国工业锅炉的主导产品。这与目前国外的情况相差很大。如：日本燃煤工业锅炉仅占总数的1，美国和西欧国家约占13(石油危机后燃煤工业锅炉略有增加)，俄罗斯燃煤工业锅炉较多，约占40。工业锅炉是我国主要的热能动力设备，使用面广，需求量大，在工业生产和军民生活中扮演重要角色。据不完全统计，我国现有中、小锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的三分之一以上，堪称大耗能动力设备。随着国民经济的不断发展和人民生活的不断改善，锅炉台数还在不断增加。作为能源转换的重要设备，其工作情况的好坏直接关系到能源的利用率高低。目前我国中、小型锅炉以燃煤链条锅炉为主，燃料主要是煤炭，而且锅炉房管理水平不高，一直沿用间断运行方式，锅炉技术含量低，锅炉的自动化控制技术落后，处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态，尤其是燃煤排放的C02气体所引起的温室效应，早己引起国际关注。为了将我国建设成资源节约型、环境友好型社会，工业锅炉的节能降耗、减少污染物生成和排放具有重大意义。近几年随着加入世贸组织以及中国经济的飞速发展，如何提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，改善环境是每个部门乃至每个公民关心的大事。为此对工业锅炉推广应用各种新技术、新工艺、新管理是实现节能降耗、减少污染的重要途径。其中实现锅炉的自动化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。具体来讲，实现锅炉自动化控制的意义在于：(1)提高锅炉运行的安全性；(2)提高锅炉运行的经济性；(3)改善劳动条件；(4)减少运行人员，提高劳动生产率。今后，随着工业锅炉市场技术竞争的日趋激烈，锅炉自动控制系统的好坏己成为决定锅炉性能的重要砝码。研究与开发功能完备、性能可靠的锅炉自动控制系统，是适应锅炉生产发展需要，具有广阔的发展前景与研究价值。1.2锅炉控制技术的研究现状及发展 1.2.1国内外研究现状 工业锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数，控制参数和扰动参数，它们之间相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都为锅炉的控制增加了难度。过去，我国工业锅炉(特别是燃煤锅炉)产品设计和制造往往是重锅炉本体而轻燃烧和控制设备，很多锅炉所配置的运行监测仪表不全，尤其缺少显示锅炉经济运行参数的仪表。因此，运行人员在调整锅炉时，往往由于缺少数据，不能对锅炉的运行状况随时做出准确判断并实行相应的运行调整，使锅炉处于最佳工况运行。控制水平很低，很多锅炉仍为位式或开环控制，没有实现连续闭环控 制，不能根据外界变化调节锅炉运行状态，无法使锅炉运行较快地适应工况的变动和处于持续稳定状态，锅炉运行效率的保证和提高受到了限制。80年代中后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制以来，锅炉的计算机控制得到了很大的发展。至90年代，锅炉的自动化控制已成为一个热门领域，利用单片机、可编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，己逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，并向新建炉体配套的方向发展，许多新的控制方法，诸如最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等自动控制的最新成果也在锅炉自动控制中得到了尝试和应用。但由于控制技术单一，或控制算法的建模往往不能反映真实的锅炉状况，导致在工程实践中并不怎么成功，不能产生很好的经济效益，挫伤了用户在工业锅炉上用计算机进行控制的积极性。因此提高锅炉控制技术水平成为提高锅炉效率的重要手段之一。 如今在国外，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上大都采用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率较高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。 目前，锅炉控制的难点主要集中在汽包水位控制和燃烧过程控制，而锅炉各种控制策略的研究工作也主要围绕这两个方面展开。虽然国内外控制科学与工程领域的学者对工业锅炉的控制策略作出了深入的研究，取得了一些成果，但仍存在一些问题。1.2.2 控制技术的发展趋势 现代过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，对生态环境的影响也日益突出，这些都对控制提出了越来越高的要求。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此，仅用常规仪表己不能满足现代化企业的控制要求。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点，已在过程控制中得到十分广泛的应用。锅炉作为一种典型的生产过程，其自动控制水平已随着过程计算机系统的发展而发展。 从目前的趋势看，在大型企业中，过程控制计算机正成为一种把控制和管理融为一体的综合自动化系统。它是在自动化技术，信息技术和各种工业生产技术的基础上，通过计算机和网络系统将整个单位全部生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统有机的集成起来，形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成为当前控制领域的一个重要研究方向。现在，欧美大中型企业的过程控制领域中，PLC锅炉自动控制系统占有统治地位。PLC锅炉自动控制系统被广泛应用于冶金、电力、钢铁、化工等连续过程控制的工业领域，系统从几百个点到上万个点的规模不等。而国内的许多企业也开始纷纷采用PLC系统进行控制，摆脱了过去依靠人力在仪表盘前监控、操作的落后手段，应用PLC锅炉自动控制系统对提高国内工业自动化水平有着非常积极的意义。在控制技术方面，近年来，为了获得更好的控制性能，把基于数学模型的控制技术和基于经验知识的控制技术相结合的集成控制技术受到了重视，获得了广泛的研究。 因此，锅炉的自动控制当前正朝着多学科结合的计算机技术的应用，管理控制一体化的趋势发展。第2章 锅炉的基本构造及其工作原理2.1 概述随着生产的发展，锅炉日益广泛的应用于工业生产的各个领域，成为发展国民经济的重要热工设备之一。在现代化的建设中，能源的需求是非常大的，然而我国的能源利用率极低，所以提高锅炉的热效率，具有极为重要的实际意义。2.2 锅炉的基本构造 锅炉是一种产生蒸汽或热水的热交换设备。它通过燃料的燃烧释放大量热能，并通过热传递把能量传递给水，把水变成蒸汽或热水，蒸汽或热水直接供给工业和生活中所需要的热能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能有效的转化为蒸汽的热能。 锅炉的主要设备包括汽锅、炉子、炉膛、锅筒、水冷壁、过热器、省煤器、燃烧热备、引风设备、送风设备、给水设备、空气预热器、水处理设备、燃烧供给设备以及除灰除尘设备等。 汽锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而管簇内发生自然地循环流动，并逐渐气化，产生的饱和蒸汽积聚在上锅筒里面。 炉子：是使燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。 炉膛：保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积达到规定的数值。 锅筒：使自然循环锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。（需指出，直流锅炉内无锅筒。） 水冷壁：主要是辐射受热面，保护炉壁的作用。 过热器：是将气锅所产生的饱和真气急需加热为过热蒸汽的换热器。过热器一般都装在炉膛出口。 省煤器：是利用余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。采用省煤器后，降低了排烟温度，提高了锅炉效率，节省了燃料。同时，由于提高了进入气饱的给水温度，减少了因温差而引起的汽包壁的热适应力，从而延长了汽包的使用寿命。 燃烧设备：将燃料和燃烧所需的空气送入炉膛并使燃料着火稳定，充分燃烧. 引风设备：包括引风机、烟道和烟囱等几部分。用它将锅炉中的烟气连续排出。 送风设备：包括有鼓风机和分道组成。用它来供应燃料所需的空气。 给水设备：由水泵和给水管组成。 空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气，是一个换热器。省煤器出口烟温度高，装上空气预热器后，可以进一步降低排烟温度，也可以改善燃料着火和燃烧条件，降低不完全燃烧所造成的损失，提高锅炉机组的效率。 水处理设备：其作用是为清除水中的杂质和降低给水温度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀。 燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料供应。除灰尘设备：是手机锅炉灰渣并运往储灰场地的设备。此外，除了保证锅炉的正常工作和安全，蒸汽锅炉还必须装设安全阀、水位表、高低水位报警器、压力表、主气阀、排污阀和止污阀等,还有用来消除受热面上积灰的吹灰器，以提高锅炉运行的经济性。图2.1为锅炉控制系统硬件组成图汽包煤斗锅炉引风机鼓风机锅炉给水阀给水调节阀省煤器蒸汽出口空气预热器除尘器汽水分界面炉排烟囱图2.1锅炉控制系统硬件组成图2.3 锅炉的工作原理及工作过程锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。它通过没有或燃气等燃料的燃烧释放化学能，并通过传热过程将能量传递给水，使水转变为蒸汽，蒸汽直接供给工业生产中所需的热能，或通过蒸汽动力机转变为电能，或通过汽轮电机转变为电能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效地转变为蒸汽的热能。因此，近代锅炉亦成为蒸汽发生器。 锅炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程，烟气向水的传热过程，水的汽化过程。2.3.1 燃料的燃烧过程 燃料煤加到煤斗中并落在炉排上，电机通过减速机、链条带动炉排转动，将燃料煤带入炉内。燃料煤一边燃烧一边向后移动，燃烧所需要的空气由鼓风机送入炉排中间的风箱后，向上通过炉排到达燃料燃烧层。风量和燃料量成比例(风煤比)，以便进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料煤燃烧剩下的灰渣，在炉排末端通过除渣板后排入灰斗,这一整个过程称为燃烧过程。 2.3.2 烟气向水的传热过程 由于燃料的燃烧放热，炉膛内温度很高。在炉膛四周墙面上都布置着一排水管，称为水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热，将热量传递给管内的水。继而烟气受引风机、烟囱的引力向炉膛上方流动。烟气经出烟窗(炉膛出口)并通过防渣管后就冲刷蒸汽过热器(蒸汽过热器是一组垂直放置的蛇形管受热面，使汽锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而过热)。烟气流经过热器后又经过接在上、下炉筒间的对流管束，使烟气冲刷管束，再次以对流换热方式将热量传递给管束内的水。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热器内的水进行热交换后，较低温度的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。省煤器实际上就是给水预热器，它和空气预热器一样，都设置在锅炉尾部烟道中，以降低排烟温度，提高锅炉效率，从而节省燃料。 2.3.3 水的汽化过程 水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。经过 除氧等处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作 时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物。位于烟温较低区段的对 流管束，因受热较弱，汽水的容重较大；而位于烟气高温区的水冷壁和对流管束， 因受热强烈，相应水的容重较小，因而容重大的往下流入下锅筒，而容重小的则 向上流入上锅筒，形成了水的自然循环。 蒸汽产生的过程是借助上炉筒内装设的汽水分离设备，以及在锅筒本身空间 中的重力分离作用，使汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒项部引出后进入蒸汽 过热器，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部分的水中。以上就是一般锅炉工作的过程，一个锅炉进行工作，其主要任务是：（1) 要使锅炉出口蒸汽压力稳定；（2）保证燃烧过程的经济性；（3） 保持锅炉负压稳定，通常我们是炉膛负压保持在微负压（-1080Pa）。第3章 锅炉控制系统及其选择的控制方式3.1 蒸汽温度控制系统因为锅炉的运行环境不可能使理想的状态，蒸汽的温度总是会受到某些干扰的影响，所以必须对蒸汽的温度加以控制，以在一定范围内得到温度相对恒定的蒸汽。影响蒸汽温度的主要因素是给煤量以及给风量。另外，影响蒸汽温度的因素还有给水量、蒸汽流量以及引风量等，又考虑到了控制系统相应的快速性，我们又将给水量和蒸汽流量作为蒸汽温度控制的前馈量构成前馈控制系统。即采用前馈比值串级控制系统对蒸汽温度进行控制，其控制系统的结构框图见图3.1所示。蒸汽温度控制器给煤控制器给煤调节器给煤执行器给煤量给煤量检测，变送器比值控制器蒸汽温度给风控制器给风调节器给风执行器给风量给风量检测，变送器蒸汽温度检测，变送器图3.1 蒸汽温度控制系统结构框图3.2 蒸汽压力控制系统 如果锅炉内压力过低，将会降低蒸汽质量；反之，如果锅炉内压力过高，有可能导致爆炸等安全事故的发生。所以必须保证锅炉的压力处于一个适中的范围，即必须对锅炉压力加以控制。上述蒸汽温度控制系统在控制蒸汽温度的同时就直接影响了蒸汽压力。 压力控制系统分为安全压力控制系统和超压控制系统。安全压力控制系统是锅炉压力在安全压力范围之内的控制系统，其主要完成的功能是在安全的基础上对压力进行调节，使压力维持在一定的范围内，以得到需要的蒸汽压力，保证蒸汽质量；超压控制系统是锅炉压力超压时所采用的压力控制系统，其主要完成的功能是当压力超出某一压力上限的设定值时，迅速打开安全阀，使压力迅速降低，直到降到安全范围内后又迅速关闭安全阀。其中安全压力控制系统采用串级控制，而超压控制系统采用单回路控制，所以蒸汽压力控制系统采用串级控制，而超压控制系统采用单回路控制，所以蒸汽压力控制系统是综合的控制系统，从某种意义上讲，可以将其归入分成控制系统一类，其结构框图见图3.2所示蒸汽压力控制器蒸汽压力设定值蒸汽流量控制器蒸汽流量调节器蒸汽流量执行器蒸汽流量蒸汽压力蒸汽流量检测，变送器蒸汽流量检测，变送器安全阀图3.2蒸汽压力控制系统3.3 汽包液位控制系统如果汽包液位过高，可能会影响蒸汽质量，甚至会导致水满溢出等安全事故；反之，如果汽包液位过低，锅炉很可能会被烧坏，甚至导致爆炸等安全事故。能够影响汽包液位的主要有两大变量，那就是给水量和蒸汽流量，在其他条件不变的情况下，蒸汽流量越大，液位越低，而给水量越大则液位越高，反之则越低。其中蒸汽流量是由工业的需要所决定的，给水的主要作用就是用以维持汽包液位的，所以我们选择给水量作为操纵量对汽包液位进行控制，又因为考虑到系统相应的平稳性和快速性，除采用串级控制外，还将蒸汽流量引入前馈通道，对系统进行前馈-反馈串级控制，其控制系统的结构框图如图3.3所示。汽包液位控制器汽包液位设定值给水控制器给水调节器给水执行器给水量汽包液位给水量检测，变送器汽包液位检测，变送器蒸发流量图3.3汽包液位控制系统结构图3.4 炉膛负压控制系统炉膛负压是反映燃烧工况稳定与否的重要参数，是运行中要控制和监视的重要参数之一。炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生相应变化。在原锅炉控制系统中，如果烟囱挡板开度过大，则会使炉膛负压增加，造成空气大量进入炉内，热效率降低，同时也增加了引风机的功耗。而且负压过大容易使炉管氧化爆皮而减少炉管寿命。负压过小或者正压则是由于烟囱挡板开度过小或锅炉超负荷运转，使炉膛产生正压，锅炉闷烧，甚至向外喷火，容易发生不安全现象。 影响炉膛压力的主要变量有给煤量、给风量以及抽风量等，而其中给煤量和给风量是由蒸汽温度、压力以及蒸汽量等因素决定的，所以要想保持炉膛压力在一定范围内保持不变就只有改变抽风量，亦即通过调节抽风量以达到控制炉膛压力的目的。另外，又因为考虑到系统相应的快速性，同时，又因为给风量和给风量成一定的比例关系，为了提高控制品质以及简化控制系统的结构，我们将且尽将给煤量引入前馈参与了炉膛压力的控制。炉膛负压控制系统采用了前馈串级控制，其结构框图见图3.4所示。炉膛负压控制器炉膛负压设定值引凤控制器引凤调节器引凤执行器引凤量炉膛负压引凤量检测，变送器炉膛负压检测，变送器给煤量图3.4炉膛负压控制系统结构框图3.5 串级控制系统的参数整定串级控制系统从整体上来看是定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度。但副回路是随动系统，要求副参数能准确、快速地跟随主控制器输出地变化。主、副回路的原理不一样，对主、副参数的要求也不同，通过正确的参数整定，可取得理想的控制效果。串级控制系统主、副控制器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。这里采用两步整定法。两步整定法就是让系统处于串级工作状态，第一步按单回路控制系统整定副控制器参数，第二步把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍按单回路对主控制器进行一次参数整定。一个设计合理的串级控制系统，其主、副回路中被控过程的时间常数应有适当的匹配关系，一般为。主回路的工作周期远大于副回路的工作周期，主、副回路间的动态关联较小。两步整定法的整定步骤如下：（1）在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主、副控制器均为比例作用的条件下，先将主控制器的比例度置于100%刻度上，然后由大到小逐渐降低副控制器的比例度，直到得到副回路过渡过程衰减比为4：1的比例度，过渡过程的振荡周期为。（2）在副控制器的比例度的条件下，逐步降低主控制器的比例度，直到同样得到主回路过渡过程衰减比为4：1的比例度，过渡过程的振荡周期为。（3）按以求得的、和、的值，结合已选定的控制规律，按表2-1衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副控制器的整定参数值。（4）按照“先副回路，后主回路”的顺序，将计算出的参数值设置到控制器上，做一些扰动实验，观察过渡过程曲线，作适当的参数调整，直到控制品质最佳为止。表3.1 衰减曲线法整定参数计算表 整定参数 控制规律P（%）TiTdPPsPI1.2Ps0.5TsPID0.8Ps0.3Ts0.1Ts3.6 串级控制系统的控制算法一、 模拟PID控制规律的离散化表3.2 模拟PID控制规律的离散化形式模拟形式离散化形式二、 数字P、PID控制器的差分方程PID控制： （1） （2） (3) (4)P控制 （5）三、 PID控制器的类型1、选用位置型控制 （6）2、 PID位置型控制示意图PID位置算法调节阀 被控对象r（t）c（t）图3.5 PID位置型控制示意图3、位置型PID算法的程序流程1)位置型的递推形式 （7）2)位置型PID算法的程序流程只需在增量型PID算法的程序流程基础上增加一次加运算u(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。计算e(n)计算计算计算+计算计算计算+u（n-1）e(n-1)到e(n-2)e(n)到e(n-1)u(n)到u(n-1)返回图3.6 位置型PID算法的程序流程图第4章 锅炉自动控制系统的硬件设计4.1总体设计思路锅炉自动控制系统中的风机和水泵通过变频器来调节电机的转速，通过工控机和可编程控制器对锅炉系统中的鼓风机、引风机、炉排电机、循环水泵实现控制。控制系统以两台工业控制机作为上位机，以PLC(可编程控制器)为下位机。上位机采用高可靠性的工业控制计算机，通过监控软件完成人机界面及故障报警功能，下位机采用西门子公司S7-200可编程控制器，实现锅炉燃烧系统和管网系统的自动控制，控制水平和硬件可靠性大大提高。4.2系统结构本系统采用集中控制，分为三层，系统结构框图如图4.1所示:主控机西门子S7-200系列可编程序控制器及扩展模块辅控机变频器电气控制回路传感器与变送器1#引风机变频器电气控制回路2#鼓风机传感器与变送器变频器电气控制回路传感器与变频器3# 、4#循环泵变频器电气控制回路传感器与变频器5# 、6#补水泵 图4.1 锅炉控制系统结构示意图管理层: 系统采用两台工控机作为上位机，其中一台作为主控机，另一台为辅控机，构成双机冗余系统。通过MPI多点接口与下位机PLC进行通讯，对现场锅炉的运行进行集中监控、统一调度，实现对锅炉的远程控制。操作人员也随时可以通过计算机，了解现场每台锅炉的运行状况，并对风机、水泵等电机进行启停控制和参数设定。另一方面，关于锅炉运行及网管系统的各种历史数据，则存储在计算机的数据库中。在需要的时候，可以在计算机显示器上显示，或由打印机打印出来。现场控制层: 该层以西门子S7-200系列可编程控制器为核心，一方面通过MPI多点接口与上位机通讯，接收上位机管理层的控制命令。另一方面运用RS-485总线与各变频器进行通信，分别对鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵和补水泵等进行启停控制和电机的转速设定，一旦电机启动完毕，即使PLC与上位机通讯故障，系统仍能正常运行。现场数据采集与变送层: 这一层是集散控制系统的最底层，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、锅筒压力、炉膛温度、炉膛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。4.3 控制器选型及配置采用西门子S7-200系列可编程控制器。图4.2 S7-200实物图一、PLC系统配置根据系统控制要求，综合考虑系统对PLC运算能力的要求等因素，选用西门子的S7-200系列PLC，CPU模块选用CPU226。 S7- 200系列可编程控制器是模块化结构设计，各个单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。系统组成:(1)电源负载模块：用于将SIMATIC S7-200连接到直流24V和交流220V两种供电电源电压，输出类型有晶体管和继电器两种输出方式，它与CPU模块和其他信号模块之间通过电缆连接。(2)中央处理单元(CPU226)：本机集成24输入/16输出，I/O共计40点，和CPU224相比，程序存储容量扩大了一杯，数据存储容量增加到10KB，它具有2个通信口，通信能力大大增强。它可用于点数较多，要求较高的小型或中型控制系统。(3)I/O扩展模块：对于I/O点数不够的情况没就必须增加I/O扩展模块，对I/O点数进行补充。本机选用1个EM222（4点）作为数字量的扩展。1个EM235，1个EM232作为模拟量的扩展。主机CPU226模块2EM222DO4模块3EM235AI4/AO1模块4EM232AO2图4.3 模块连接方式(4)PROFIBUS-DP 模块EM227：通过该模块可以把S7-200 PLC连接到PROFIBUS-DP网络中，从而使其作为DP网络中的一个从站。4.4 I/O地址分配表PLC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。（1）PLC的开关输入端口包括系统的启动、停止按钮，电机启动、停止按钮，手动/自动按钮、变频器故障及检修复位、以及变频器工频、变频运行信号，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开触点。其开关输入端口的分配如表4.1所示。表4.1 开关量输入分配表序号 名称文字符号端口地址1锅炉自动位SF1I0.02锅炉手动位SF2I0.13出水温度SF3I0.24室外温度SF4I0.35循环泵自动SF5I0.46循环泵手动SF6I0.57启动1号循环泵SF7I0.68启动2号循环泵SF8I0.79定时加热SF9I1.010循环泵定时按钮SF10I1.111超压保护BP1I1.212超温保护BTI1.313水箱压力上限BP2UI1.414水箱压力下限BP2LI1.515手动停止循环泵1SF11I1.716手动停止循环泵2SF12I2.017系统启停SF13I2.118警铃消除SF14I2.219循环泵1缺相KF1I2.320循环泵2缺相KF2I2.421补水泵1缺相KF3I2.522补水泵2缺相KF4I2.623引风机启停SF15I2.724鼓风机启停SF16I3.0（2）PLC的输出端口包括各种故障指示以及变频器故障给PLC的信号，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。以上的配置都留有余量，为以后的系统扩展提供方便。开关输出端口的分配表如4.2所示。表4.2 开关量输出分配表序号 名称文字符号端口地址1循环泵1号QA1Q0.02循环泵2号QA2Q0.13补水泵1号QA3Q0.24补水泵2号QA4Q0.35超温报警PG1Q0.46超压报警PG2Q0.57循环泵1号灯PG3Q0.68循环泵2号灯PG4Q0.79补水泵1号灯PG5Q1.010补水泵2号灯PG6Q1.111报警铃PB1Q1.212启动指示灯PG7Q1.313低水位-Q1.414高水位-Q1.515工频运行-Q1.616变频运行-Q1.717引风机灯PG8Q2.018鼓风机灯PG9Q2.1（3）模拟量输入输出点的分配表表4.3 模拟量输入分配表序号 名称文字符号端口地址1出水温度模拟输入-AIW02室外温度模拟输入-AIW23水位检测输入-AIW44压力检测输入-AIW6表4.4 模拟量输出分配表序号 名称文字符号端口地址1出水温度模拟输出-AQW02室外温度模拟输出-AQW23水位检测输出-AQW44压力检测输出-AQW64.5 系统主电路的设计根据本设计的要求，本系统风机和循环泵采用变频启动和调速。变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，虽然变频器本身就有欠压、过压，过流、过载等保护功能，但是对于有工频运行的水泵电动机，还需要在工频电源下面接入相应的热继电器，来实现电机的过流过载保护。图4.4 控制系统的主回路本系统采用4台变频器连接4台电动机，其中1号变频器控制引风电机，功率为90KW，变频工作方式，电机通过一个接触器和变频器输出电源相联，3号变频器控制鼓风机，功率为37KW，变频工作方式，电机通过一个接触器与变频输出电源连接。2号变频器控制一台循环泵，4号变频器控制一台循环泵，功率都为75KW，一台作为备用，均采用变频工作方式。补水泵，炉排电机等采用工频运行方式，功率为5KW。变频器主电路电源输入端子(R, S, T)经过隔离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，如图4.2所示。按下启动按钮，系统开始工作，使接触器线圈带电并保持，从而使接触器动作，1#变频器、3#变频器接通电源，电动机变频运行。4.6系统控制电路的设计 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、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。系统要实现手动自动、欠压、过压保护，电机的故障指示，变频器的故障指示以及报警输出，模拟量的输入、输出模块。 控制电路中还必须考虑系统电机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指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机的工作状态。其控制电路图如图4.4所示。手动控制时，首先扳动转换开关SF1,使电动机启动时，按下启动按钮SF2，接触器QA1吸合并自保，电动机启动,运行指示灯PG3亮。当接触器QA1吸合时，中间继电器QA3接通，变频器STF接通，变频器启动。当变频器故障输出时，开始报警PB0铃响，报警指示灯亮。按下复位按钮SF9，中间继电器QA4接通，常闭触头SF7打开，解除报警，变频器停止运行。使电动机停止时，按下按钮SF2，接触器线圈失电，主触头SF4打开，电动机停止。自动控制时，扳动转换开关SA6，通过PLC编程控制，来完成电动机的自动控制。 图4.5 控制系统的控制回路4.7 补水泵控制系统图4.6 补水泵系统方案图为了保护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。图4.7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。图4.7 电流互感器的接线图补水泵有两台台， 1#和2#补水泵都配有变频器。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。电动机的工频运行和变频运行分别由接触器QA1、QA2、QA3、QA4控制，图4.8中VVF代表变频器。图4.8 补水泵电气控制线路图4.8 给水泵控制系统如图4.8电动机的工频运行和变频运行分别由接触器BB1、BB2控制，图4.9中VVF代表变频器。图4.9 给水泵电气控制接线图如图4.10所示，SF3为“集中/手动”状态转换开关。当转换开关置于“集中”位置时，由PLC控制给水泵的运行；当转换开关置于“手动”位置时，由机旁手动操作水泵的运行。集中运行和手动运行两种状态互为闭锁。PG1、PG2分别代表高报警和低报警。图4.10 电气控制原理图4.9通信网络配置 在系统的网络配置中，图中上位机采用两台研华工控机IPC610，构成双机冗余系统，每台工控机配置一块西门子CP5611MPI多点接口通讯卡，通过MPI接口与下位机S7-200进行通讯。下位机采用S7-200系列PLC(CPU226)，内部集成有MPI接口，用于与上位机全局通讯、PLC在线编程。配置CP340RS一422/485通讯模块，通过RS一485总线传输接口与4台三菱变频器进行通讯。 本系统中S7-200通过CP226与变频器之间的通信,通信协议设置为ASCll协议，选择自由信息报文格式，波特率9.6bps。然后按照变频器通信协议在PLC程序中组建发送数据报文，设定变频器频率，读取变频器频率、电流、电压、功率等参数。4.10变频器的选型变频器是把电压，频率固定的交流电变换成电压，频率分别可调的交流电的变换器。变频调速器与外界的联系点基本上分三部分：一是主电路接线端，包括工频电网的输入端（R，S，T），接电机的频率，电压连续可调的输出端（U，V，W）。二是控制端子，包括外部信号控制变频调速器工作的端子，变频带调速器工作状态指示端子，变频器与微机或其他变频的通讯接口。三是操作面板包括液晶显示屏和键盘。一、变频器频率范围的设定1、基本频率与最高频率电动机的额定频率称为变频器的基本频率，当频率给定信号为最大值时，变频器的给定频率，称为最高频率，在上升时间一定的情况下，最高频率决定了变频器输出频率的变化速度。2、上限频率与下限频率上限频率与下限频率是调速控制系统所要求变频器的工作范围，它们的大小应根据实际工作情况设定。二、变频器及其型号根据设计题目要求，按照电动机的额定功率，最大使用电机容量，本设计选用三菱FR-F540(L)-SFR-F540L-S系列变频器节能型、一般负载适用FRF500（L）1. 功率范围：75900KW（3相380V，FRF540（L）系列）。2采用最佳励磁控制方式，实现更高节能运行。3内置PID，变频器/工频切换和可以实现多泵循环运行功能。4柔性PWM，实现更低噪音运行。5内置RS485通信口。675KW以上随机带DC电抗器。表4.5 FR-F540L-S系列技术规格FR-F540L-S系列型号FR-F540L-CH400VS75KS90KS110KS132KS160KS185KS220KS250KS315KS400K适用电机容量（KW)(注1）轻载变转矩7590110132160185220250315400可变转矩7590110110132160185220280375输出额定电流（A）轻载变转矩144180216260302360432477610750可变转矩144180214216260302360432547722过载能力（注3）轻载变转矩110% 60s秒 (反时限特性)可变转矩120% 60秒 ,150% 0.5秒 (反时限特性)电压（注4）三相，380V至480V电源额定输入交流电压/频率三相，380V至480V 50Hz/60Hz交流电压允许波动范围323至528V 50Hz/60Hz频率允许波动范围5%电源容（KVA)(注5）轻载变转矩110137165198230274329363464571变转矩110137165165198230274329417550保护结构开放型（IP00）冷却方式强制风冷大约重量（kg)415766666668120120220235(注)：1.表示适用电机容量是以使用三菱标准4极电机时的最大适用容量。2.额定输出容量是指,输出电压为200V级时，220V时的容量；输出电压为400V级时，440V时的容量。 3.过载能力是以过电流与变频器的额定电流之比的百分数(%)表示的。反复使用时，必须等待变频器和电机降到100%负荷时的温度以下。 4.最大输出电压不能大于电源电压，在电源电压以下可以任意设定最大输出电压。 5.电源容量随着电源侧的阻抗(包括输入电抗器和电线)的值而变化。 本设计所选变频器的型号：基本型号最大使用电机容量（KW）输出额定电流（A）电压等级（v）FR-F540L-90K-CH90180400FR-F540L-37K-CH3770400FR-F540L-75K-CH75144400FR-F540L-75K-CH751444004.11传感器的选型一、温度传感器的选型1.温度传感器选用镍铬-镍硅热电偶。这种热电偶分度号为“K”。它的正极是镍铬合金，负极为镍硅。温度测量范围为-2001200.其特点是测温范围很宽，热电动势与温度关系很近似线性，热电动势大及价格极低。缺点是热电动势的稳定性较B型或S型热电偶插，且负极有明显的导磁性。在使用热电偶进行测温时，只有将冷端的温度恒定，热端电动势才是热端温度的单值函数。由于热电偶的分度表是以冷端温度为零时作出的，因此，在使用时要正确地反映热端温度，必须使冷端温度恒定为零。这样就需要进行一些补偿措施。1) 冷端恒温法 2) 补偿导线法3) 计算修正法4) 电桥补偿法其中，电桥补偿法的连接电路如图4.11所示R2R3I1I2IR4eR1RcmUR5图4.11 电桥补偿法连接电路二、压力传感器的选型本设计中采用CYB-20S普通型压力传感器。CYB-20S系列压力变送器使用CYB-10S压力传感器为敏感元件,和电子线路做成一体化结构，输出为420mA、05V标准信号, 适合工业自动化系统配套。CYB-20S为圆柱型全不锈钢结构，体积小，零点和灵敏度可从外部直接调整，使用方便。三、液位传感器的选型本设计采用光电传感器OPG-01，该光电传感器包含一个红外LED和光接收器。从LED的光直接到达传感器顶端的棱镜，当没有液体存在时，LED中的光在棱镜中被反射到接受器。当上升的液体侵入棱镜时，光被折射到液体中，只有少许或无光到达接受器。感应这个变化，接受器开动了单元中的电动开关，外部报警或控制电路从而工作。4.12 其它器件的选型1.引风机Y5-48型锅炉离心引风机，是为适应然用各种煤质并配有消烟除尘装置的（120吨小时）工业锅炉而联全设计的最高全压效率达90.5的锅炉引风机，凡进气条件相当，性能双相适应者均可选用，但最高温度不得超过期2