PLC在供暖锅炉控制系统中的应用

摘要本文是基于 PLC 的水暖锅炉控制应用的设计，主要采用温度传感器来采集锅炉水温信号，用水位传感器来采集锅炉水位信号，用变频器来控制循环泵的转速，并把这些信号通过模数 转换送给 PLC(Programmable Logic Controller),与 PLC内部设定的参数进行比较，以判断是否需要进行相应的操作，从而实现 PLC 的自动控制的目的。其中在温度控制中，根据温度传感器 检测的室外温度和出回水温度差，对温度进行控制，现室内温度的恒定;在补水泵控制中，用高亮二极管和光敏三极管配对使用检测水位既准确又无污染，避免了水资源的浪费；在循环泵控制中，用两台循环泵工作，当其中一台出现故障时 ，报警系统发出报警信号，PLC 接收到信号后另一台循环泵自动工作。该系统精度高，具有良好的人机交互功能，采用 PLC 控制供暖锅 炉具有可靠性高，抗干 扰 能力强、控制系 统简单易懂、维修方便等优点。关键词：可编程控制器（PLC）， 传感器，变频器，报 警，自动控制 AbstractThe text bases controller of PLC water heating of a boiler, which mostly adopts temperature transducer to collect signal of boiler water temperature, adopts w- ater level transducer to collect signal of boiler water level, makes use of transducer c- ontrolling rotate speed of circulation pump and sends the signals to PLC ( Programm- able Logic Controller) with modulus diversion. Then, the signals compare with para- meter of enactment inside of PLC, in order to judge whether PLC need to put up rele- vant operation, and that realize auto-control of PLC. There are four parts in the design which make up of the boiler temperature controller, the water pump controller, the cir- culate pump controller and the dealing with trouble .In boiler temperature controller , the numerical value of temperature may randomly change according as the different s- eason .If it use in the smaller area, it can adjust at any moment according to requirem- ent .In the water pump controller, it use more lightness diode and photosensitive dyna- tron to measure water level. This method is not only precise but also cleanly and avoi- ding waste resource .In the circulate pump controller, there are two circulate pump, if one is in trouble, the alarm is light the others will be auto working when it receives th- e signal .The design adopt PLC to control, it is higher dependability and bigger conve- nience even if it also natural working in the very badly environment and have many f- unctions of the computer. The controller system is simple and convenience to mend. Key words: Programmable Logic Controller (PLC), sensor, transducer, alarm, Aut- o-control目录1 绪论 .52 系统设计方案 .52.1 系统具体设计方案 .52.2 系统工作原理 .63 系统硬件部分配置 .73.1 PLC 的配置 .73.2 变频器配置 .73.3 电动调节阀配置 .83.4 手动阀配置 .83.5 传感器配置 .83.6 通讯接口 .93.7 配电器 .94 系统的具体设计与实现 .94.1 温度控制部分 .104.2 补水控制部分 .104.3 循环泵部分 .114.4 手动/ 自动切换部分 .124.5 报警与保护 .125 系统软件的实现 .135.1 I/O 口的分配 .135.2 初始化子程序部分 .146 结束语 .16谢辞 .16参考文献 .161 绪论20 世纪 60 年代，供暖锅炉控制的过程主要是继电器控制系统，但继电器控制存在着很多的缺陷。它利用布线组成各种逻辑来实现各种控制，需要使用大量机械触点，可靠性不高，当改进生产设备时要改变大量的硬件接线，甚至重新布置系统，耗 费大量的人力物力，花费很多时间。它的功能只能限制于一般的布 线逻辑定时并且体积一般比较庞大、生产周期长。在目前应用的锅炉供暖循环和补水系统中,大都存在着能耗大、稳定性不高、操作劳动强度大的问题,造成了极大的资源浪费。针对这一系列问题,采用PLC 控制的变频调速系统对其进行改造,对循环泵、补水泵进行自动控制,稳定性得到很大提高,节能效果显著，并且循环泵电机实现软启动,补水泵电机实现软启、软停,减少了对电器和机械的冲击,延长了其使用寿命,有效地减少了维护量。PLC在供暖锅炉的控制有着十分重要的作用，它有通用性强、安装简单、 维修方便、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。2 系统设计方案2.1 系统具体设计方案本系统的主要组成部分有:温度和水位控制部分功能 ,循环控制部分, 故障报警部分。组成框图如图1所示。循环泵部分,循环系统有2 台75 kW 循环泵,互为备用只能分别通过自耦变压器投入运行,即能进行台数控制;并且现场的操作人 员往往对循环系统的理解有一定误区,甚至在每个采暖期的10 月下旬和来年的4 月上旬的白天压火停炉期间仍投入1 台或数台循环泵工频运行,造成巨大的电能浪费。 循环系统的作用就是将锅炉燃烧系统产生的热量传递出去,锅炉若不产生热量也就没有循环的必要。若使循环系统的功率投入多少能随锅炉产生的热量多少进行动态闭环调节,必将有良好的节能效果。 补水部分,补水系统有2 台7. 5 kW补水泵,互为备用,根据水位传感器检测到的水位确定PLC 给执行怎 样做 ,这样控制精度高并且使系统更安全、可靠。温度控制部分,当室外温度低于设定的值时，需要开气引风机和加快循环泵的转速，否 则不需要；当水温在设定范围内，自 动运行。当水温不在设定范围内，需要开引风机和加煤，这样 可节省不必要的浪费。加热模块温度检测模块水位检测模块加水模块显示模块循环模块图 1 系统框图PLC2.2 系统工作原理现场工作站框图为现场工作提供了极大的便利条件。框图如图 2 所示。在循环系统中,锅炉出水温度和回水温度的差称为锅炉温差,温差升高,表明锅炉产生的热量增多,需要循环泵将热量及时送给供暖负荷;反之,锅炉温差降低,表明锅炉燃烧系统产生的热量减少,循环泵的出力也应随之减小,以避免能源浪费。对循环泵通过PID 调节完成恒温差的闭环控制.以锅炉的实际温差作为PID 的反馈,以目标温差作为PID 的给定,PID 的输出作为变频泵的频率运行信号。 循环泵的转速及运行台数随锅炉燃烧系统产生的温差而动态闭环调节。在锅炉燃烧的初始阶段因出回水温差为0 ,即给定值大于反馈值,循环泵不运行,随着锅炉产生热量的增加,出回水温差增加,当其超过给定温差值时,循环泵开始工作。当循环泵1出现故障时，出回水温差特 别大，循 环故障报警,循 环泵2投入使用。 在补水系统中,选择 1 台泵进行调速,另 1 台备用,当水位传感器检测到下限水位，开启补水泵；检测到上限水位，关闭补水泵；检测 到下下限水位，系 统报警；检测到上上限水位，系统报 警。当 补水泵 1 出现故障 时， 报警系统报警,补水泵 2投入使用。在温度控制中，用温度传感器检测室外温度，将温度值送入PLC ，来判断是否需要供暖。用锅炉内的温度 传感器检测的温度值即水温与PLC内部设定值比较，当在设定的温度范围以内，则不需要开引风机和加煤；当温度不在设定的范围之内，就需要开引风机和加煤，来达到加热水温的目的。图 2 工作站框图模拟量输入开关量输入A/ D D/A 可编程控制器（PLC）模拟量输出开关量输出人机界面3 系统硬件部分配置整个供暖控制系统由可编程序控制器( PLC) 、变频器 1 台、传感器 9 台（室外温度、出水温度、回水温度、锅炉水温、下下限水位、下限水位、上限水位、上上限水位、锅炉压力）、2 台循环电机和 2 台补水电 机、引 风机、送煤机等设备组成。3.1 PLC 的配置本系统采用了松下公司的 FPO 系列 PLC，由于它的模块化设计为适应具体的应用提供了极大的灵活性，便于扩展功能，有效的提高了系统的经济性。FPO-C32 的主要功能有：快速的中央处理运算能力，极丰富的编程指令集，操作便捷，易于掌握。强大的通讯能力，丰富的扩展模块，系 统设计与调试周期短。FPO-C32 CPU 集成了丰富的内置功能：高速计数器输入，短暂脉冲捕捉功能，高速脉冲输出。I/O 硬件中断事件，特殊功能相关的中断功能。支持多种生产工艺配方，数据记录。此外，FPO-C32 还支持一下功能：用户自定义的库指令，便于模块化程序，完善的密码和知识产权保护功能。可调整的数字量和模拟量的输入滤波。定义数字量和模拟量在 STOP（停止）时的状态，多种数据保护设置。一个可由用户定义的 LED 状态指示灯。3.2 变频器配置在本系统中选用 ABB 公司的 ACS600 变频器。ACS600 变频器具有很宽的功率范围（2.23000kw）可以满足本设计的要求 75kw 和 7.5kw，优良的速度控制和转矩控制，并具有完整的保护功能以及灵活的编程能力 1。其重要特性如下：无与伦比的电机速度及转矩控制，电机辨识运行及速度自我微调功能。内置 PID 控制器，降低了您的投资成本。工具软件对传动的全方位支持,Drives Size 选型软 件，Drives Builder 工程设计软件，Drives Window 传动调试软件, Drives Link 利用 Windows 监视传动，Drives Support 服务专家。ACS 600 Single Drive 能在几毫秒内测出电机的实际转 速和状态，所以在任何状态下都能立即起动，无起动延时。零转速下，不需速度反馈就能提供电机满转矩。ACS 600 Single Drive 能够提供可控且平稳的最大起 动转矩。可达到 200%的额定转矩。不需特殊硬件的磁通制动模式可以提供最大的制动力矩。在磁通优化模式下，电机磁通自动适应于不同的负载以提高效率同时降低电机的噪音，变频器和电机的总效率可提高 1%-10%。具有标量控制（SCALAR CONTROL）和 IR 补偿功能。DTC 直接转矩控制，从零速开始不使用电机轴上的脉冲码盘反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。开环转矩阶跃上升时间小于 5 毫秒，而不带速度传感器的磁通矢量控制变频器的开环转矩阶跃上升时间却多于 100 毫秒，ACS 600 变频器是无与伦比的。3.3 电动调节阀配置电动调节阀选用西门子的 VVF592。该电动调解阀的额定冲程 20mm 的法兰二通阀 PN25，适用于开路或 闭路中的低压热水，生活热水，高压热水，热油，饱和或过热蒸汽，介质温度： 1-220OC。其口径：DN50-DN150。3.4 手动阀配置手动调解阀采用上海良工品牌的铸钢涡轮蝶阀。3.5 传感器配置在系统中用到了温度传感器、水位传感器、 压力传感器。温度传感器：采用 PT100,它是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热阻传感器,可以工作在 -200 至 6500C 的范围。可以满足设计的要求。用光敏三极管检测水位用高亮二极管与光敏三极管 3DU 配合检测水位 2。基本特点： 精度=0.5%，长期的稳定性=0.3%/12 月。连接件和外壳为高等级不锈钢材质 1.4571。陶瓷传感器，高等级不锈钢膜片，测量范围 1400bar 。MS3 系列压力变送器，采用先进的钛/硅-蓝宝石传感器和变送器电路，产生具有压力范围广、耐磨损、抗冲击及耐腐蚀等突出特点，弥补了其他变送器的不足。能在严寒地区及高温地区 长期工作。基本特点：精度高，抗冲击力、耐振动、高稳定性、工作范围宽。 小体积、全不锈钢结构防潮防水。实用性广、安装方便。3.6 通讯接口本系统采用 RS-4222 串行 总线接口标准。它采用的是差动发送、差动接收的工作方式，发送器和接受器 仅使用+5V 电源。在通信速率、通信距离、抗共模干扰能力等方面较 RS-232 接口都有很大的提高。最远通信距离 1200 米，而且不受节点间接地电平差异的影响。而且它的价格比较便宜，能够很方便的添加到任何一个系统中，还支持比 RS-232 更长的距离、更快的速度以及更多的节点。3.7 配电器由于 CPU 的电源为 24DC，所以要用一个配电器，是 220V 的交流电压变为24DC 的直流电压。4 系统的具体设计与实现本系统的主要功能有: 检测部分功能、控制部分功能、故障报警功能。系统原理框图如图3所示。4.1 温度控制部分本系统中，采用供暖温度自动调节功，即根据室外温度变化，能自动调节给定温度。这可以用一个室外的 传感器，来采集并把它送到 PLC，并与设定的温度相比，看是否需要供暖和是否需要开气引风机和送煤。当室外温度低于某一值时，就需要开始供暖，否则就不需要了。在负载一定时， 该部分用一个温度传感器来测量水温，并把这个温度之送入 PLC，进行计算。把所得的值与给定温度通过PID 算法来控制是否需要开引风机和加煤、是否需要加大电磁阀的阀门、是否需要加快循环泵的转速。当负载发生变化时，通 过控制循 环水流过换热站的流速来实现的。用一个温度传感器来 测量回水温度和回水温度，并把这两个温度的差传给 PLC，它与出回水温度通过 PID 算法，来控制 变频 器。从而控制循环水泵达到控制水流过换热站的速度的目的。 4.2 补水控制部分出水温度 回水温度可编 程控制器 PLC循环变频器1 循环泵2 循 环泵保护、报警补水系统1 补水泵2 补水泵水温水位下限下下限和上上限水位上限图 3 原理框图用高亮二极管与光敏三极管 3DU 配合检测水位，不透明悬浮物随水位而上下移动 ，其以安装在最下面的高亮二极管和三极管为例，来说明其检测 水位的原理。实现方法如图 4 所示。当水位未到达安装位置时 ，高亮二极管发出的光就能透过玻璃管和水到达光敏三极管，此时光敏三极管就会导通；当水位到达安装位置时，不透明悬浮物就会挡住高亮二极管发出的光，此时光敏三极管不导通。当检测水位到达下测水位高低 3。 用此方法来检测水位，当水位到达下限值，自动 开启补水泵 1；当水位值到达上限值时，自 动关闭补水泵 1；当水位到达下下限值，系 统报警；当水位值 到达上限值时，系统报警。 报警系统开启，补水泵 2 开始工作。当补 水泵 1 出现故障时 即该停止补水时 图 4 水位检测实现方法图没有停止，该补水时没有补水。两台 补水泵都故障时整个系统断电，系 统停止工作。由于在现实生活中，存在从供暖管中放水的 现象，所以要设定一个补水部分，以保证管内的水量已定。以防锅炉烧干或水位太高造成压力过大使锅炉爆炸。补水是利用补水泵从储水池中把水送入循环系统。补水控制是通过锅炉内的水位的高低的变化与循环水泵的转速的快慢来控制智能模糊控制模块达到对补水泵的控制。水位控制部分的控制框图如图 5 所示。 补水泵 1 有故障吗？水位下限水位吗？开启补水泵 1 进行补水水位检测YNN补水泵 2 工作Y开始返回检测水位为上限水位吗？补水泵 1 停止补水YN检测水位为上限水位吗？补水泵 2 停止补水YN图 5 补水控制框图故障报警4.3 循环泵部分循环泵部分的子程序部分当出水温度和回水温度在规定范围之内，开启循环泵 1，有 变频器控制循环泵 的转速，使 锅炉内水循 环达到供暖。当循 环泵 1 出现故障时，用备用的循环泵 2。循 环泵 1 出现故障即是出水温度与回水温度的差值非常大即设定的最大温差时，循环泵故障报警，改用循环泵 2 来替代循环泵 1工作。被替代的泵在循环顺 序中可以自动跳过,顺沿循环。在循环泵投入或切除的转换过程中需要 PLC 对变频 器的运行参数进行控制,同时为了增加系统的稳定性,避免频繁投切循环泵,在转换过程中要有一段时间间隙。温差为给定停止循环泵。循环泵 控制梯形图如下。循环框图如图 6 所示 4。4.4 手动/ 自动切换部分图 6 循环控制流程图 循环泵有故障吗？温差为设定值吗？开启循环泵1温度检测YNN循环泵 2 工作Y开始返回对原系统的控制电路进行改造时,保留原系统的手动控制功能,以备变频调速系统出故障时使用.在控制台上设有手动/ 自动选择 的万能转换开关。系统在启动时，不能用自动控制，所以设置一个手动控制功能。当采用手动控制时，电动调节阀处于全开状态，PLC不再起控制作用而相当于一个接口。入汽流量有手 动控制阀门来控制。设定值、当开关置于自动位置时系 统的启动控制权在PLC ,置于手动位置时,利用原系统进行手动控制。4.5 报警与保护补水失灵报警，再补水过程中，设定一个时间延迟程序，如果在实际中补水泵在这个时间内仍未工作，即循环水泵的转速和水位都未发生变化，就要报警。 未补水报警，当水位到达下下限水位时，系 统认为没有补水，开启 报警系统，开启补水泵。未停止补水报警，当水位到达上上限水位时，系 统认为没有关闭补水泵，开启报警系统，关闭补水泵。 循环泵故障报警，开启循环泵后，一定 时间内出水温度和回水温读的差值很大，认为 此循环泵故障报警，开启另一台循环泵。当然，对于以上报警都设定为声、光 报警。5 系统软件的实现在PLC 的主程序中含 10 个子程序,大致可以分为4 大部分:初始化部分、循环泵部分， 补水泵部分，温度控制部分和故障 报警部分。其程序流程如图7所示。5.1 I/O 口的分配表 1 I/O 口分配表输入口分配 输出口分配X0 SB1 室外温度设置 Y0 引风机X1 SB2 出回水温度差设置 2 Y1 循环泵 1X2 SB3 取消报警 Y2 循环泵 2X3 SB4 压力设置 Y3 补水泵 1X4 下下限水位 Y4 补水泵 2X5 下限水位 Y5 故障报警铃X6 上限水位 Y6 报警灯X7 上上限水位 Y7 送煤机X8 室外温度采集X9 压力采集XA 出水温度采集状 态及 PID 初始化模拟量处理子程序温度控制部分子程序循环系统控制子程序补水泵选择子程序故障诊断与报警处理图7 程序流程图开始XB 入水温度采集系统选用日本松下的FPO-C32可编程序控制器,压力传感器选用电阻远传压力表，温度传感器选用PT100,测得的温度电压信号 5V送到PLC 的 A/D 模块。接线图如图8所示。图 8 PLC 接线图5.2 初始化子程序部分循环泵子程序部分，循环泵部分的子程序部分当出水温度和回水温度在规定范围之内，开启循环泵1 ，有 变频器控制循环泵的 转速，使 锅炉内水循环达到供暖。循环泵 控制梯形图如9 所示。图 9 循环泵控制梯形图补水泵子程序，主要完成对补水泵的选择、 对水位高低时的处理即何时需要开启补水泵进行补水和何时需要关闭补水泵停止补水。补水部分梯形图如10所示。图 10 补水部分梯形图温度控制部分，当室外温度低于设定的值时，需要开启引风机和加快循环泵的转速，否 则就不需要；当温度传感器检测到水温的值在设定范围内，自动运行。当检测到的水温的值不在设定范围内，需要开引风机和加煤，使水加热。从而保持室温的恒定。温度控制部分梯形图如图11所示。图 11 温度控制部分梯形图故障报警子程序，根据接触器和变频器输出的各种运行状态参数,判断系统循环泵1是否发生故障，从而确定循环泵2的工作模式；锅炉内水位的变化来确定补水泵1是否