基于PLC的热力公司换热站控制系统

第 1 页 共 28 页 目录目录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 1 集中供暖的发展概 述 1 1 1 1 国外集中供暖发展概 况 1 1 1 2 国内集中供暖发展概 况 1 1 2 换热站的简介及运行现 状 2 1 3 课题的来源及意 义 2 第二章第二章 换热站控制方换热站控制方 案案 4 4 2 1 换热站的简 介 第 2 页 共 28 页 4 2 2 换热站的构 成 4 2 3 系统总体方案设计思 路 5 2 4 该方案要实现的控制功 能 5 第三章第三章 换热站组成及工作原换热站组成及工作原 理理 8 8 3 1 换热站组 成 8 3 1 1 换热 器 8 3 1 2 循环水 泵 9 第 3 页 共 28 页 3 1 3 阀 门 10 3 1 4 温度计 压力 表 10 3 2 换热站工作原 理 10 第四章第四章 PLCPLC S7 200S7 200 的介的介 绍绍 12 12 4 1 PLC S7 200 的硬件介 绍 12 4 2 S7 200PLC 系统硬件组 成 12 4 2 1 CPU 主 机 12 4 2 2 I O 模 第 4 页 共 28 页 块 13 4 2 3 功能模 块 13 4 2 4 通信模 块 13 4 2 5 人机接 口 13 4 2 6 工业软 件 13 4 3 S7 200PLC 扩展模 块 13 第五章第五章 控制系统总体方案设控制系统总体方案设 计计 1616 5 1 换热站的控制调 节 第 5 页 共 28 页 16 5 2 温度的调节控 制 16 5 3 循环水流量的调节控 制 17 5 4 压力的调节控 制 18 5 5 换热站总体控制系统方 案 19 5 5 1 换热站控制系统设 计 19 5 5 2 控制系统硬件总体框架如 图 19 5 5 3 换热站控制系统电气 图 19 第六章第六章 结结 论论 第 6 页 共 28 页 21 21 参考文参考文 献献 22 22 第一章第一章 绪论绪论 1 1 集中供暖的发展概述 集中供暖是在十九世纪末期 伴随经济的发展和科学技术的进步 在集中供暖 技术的基础上发展起来的 它利用热水或蒸汽作为热媒 由集中的热源向一个城市 或较大区域供应热能 集中供暖不仅为城市提供稳定 可靠的热源 改善人民生活 而且与传统的分散供热相比 能节约能源和减少污染 具有明显的经济效益和社会 效益 1 1 1 国外集中供暖发展概况国外集中供暖发展概况 集中供暖方式始于 1877 年 当时在美国纽约 建立了第一个区域锅炉房向附近 14 家用户供热 20 世纪初期 一些工业发达的国家 开始利用发电厂内汽轮机的排 气 供给生产和生活用热 其后逐渐成为现代化的热电厂 在上世纪中 特别是二 次世界大战以后 西方一些发达国家的城镇集中供暖事业得到迅速发展 原苏联和东欧国家的集中供暖事业长期以来是实行以积极发展热电厂为主的发 展政策 原苏联集中供暖规模 居世界首位 地处寒冷气候的北欧国家 如瑞典 丹麦 芬兰等国家 在第二次世界大战以后集中供暖事业发展迅速 城市集中供暖 普及率都较高 据 1982 年资料 如瑞典首都斯德哥尔摩市 集中供暖普及率为 35 丹麦集中供暖系统遍及全国城镇 向全国 1 3 以上的居民供暖和热水供应 第 7 页 共 28 页 第二次世界大战后德国在废墟中进行重建工作 为发展集中供暖提供了有力的 条件 目前除柏林 汉堡 慕尼黑等城市已有规模较大的集中供暖系统外 在鲁尔 地区和莱茵河下游 还建立了联结几个城市的城际供暖系统 在一些工业发达较早的国家中 如美 英 法等国家 早期多以锅炉房供暖来 发展集中供暖事业 锅炉房供暖占较大比例 不过这些国家已非常重视发展热电联 产的集中供暖方式 1 1 2 国内集中供暖发展概况国内集中供暖发展概况 我国城市集中供暖真正起步是在 50 年代开始的 党的十一届三中全会以后 特 别是国务院 1986 年下发 关于加强城市集中供热管理工作的报告 对我国的集中 供暖事业的发展起到了极大的推动作用 虽然我国这些年来集中供暖事业取得了迅速发展 但是和国外相比 我国目前 采暖系统相当落后 具体体现在供暖质量差 即室温冷热不均 系统效率低下 不 仅多耗成倍能量 而且用户不能自行调节室温 在功能上 发达国家通常室内温度 保持 22 摄氏度 我国仅为 16 摄氏度 而且我国的供暖质量很差 室温冷热不均 系统热效率低下 大多数地方没有采取按户计费 用户也不能自行设定和调节室温 等等 我国城市集中供暖目前存在的能源浪费主要来源与 建筑的保暖隔热和气密 性能差 采暖系统相当落后 造成结果是 低效率 我国供暖采暖系统普遍存在低 负荷 低效率运行 实际供暖面积平均只有设备能力的 40 左右 管网输送效率低 管道泄漏和偷水现象严重 缺乏控制手段 我国供暖系统只有简单的调节手段 水 力水平失调 垂直失调严重 没有恒温装置 供热不足和过度时 没有有效的调节 手段 缺乏计量手段 采暖系统一般不设热表 没有计量收费造成用户不会主动去 节能 没有计量也造成了管理运行人员没有具体数量上的依据来运行管理 换热站 的发展为改变了之前供热系统的众多缺陷 1 21 2 换热站的简介及运行现状换热站的简介及运行现状 换热站与锅炉房是根本不同的 锅炉房是用燃料把水 或其他介质 加热到具 有一定参数的地方 而换热站是为了把锅炉房生产的高温热水 高于 100C 转换成 能够直接给用户供热的热水 低于 100C 锅炉房是生产地 其主要设备有 锅炉 鼓风机 引风机 循环泵 和各种辅助设备 上煤机 除渣机 等 其中锅炉是主 体 而换热站是个中转站 现在换热站的主要换热方式有 换热板 混水等 说白 第 8 页 共 28 页 了换热站就像一个大的过水热 唯一不同的是它很大 它们都属于供热系统的一部分 又各自具有不同的功能 其工艺流程是 锅炉房 高温热水 换热站 低温热水 用户 低温热水 换热站 低温热水 锅炉房 通常换热站内部设备可分为两个部分 即采暖系统和民用生活系统 目前我国 换热站大部分没有民用热水设施 今后随着国民经济的发展 人民生活水平的提高 在换热站内应该普及生活热水系统 来提高集中供暖的效益 换热站的主要设备有 离心水泵 汽 水换热器 热水储水箱 过滤器 补水泵调节阀热媒参数调节和检测 仪表 防止用户热水供应装置生锈和结垢的设备等 换热站内还安装有热量表以及 调节供热量的自动调节装置 但是目前来说大部分换热站还不能实现全自动化无人 值守 大部分缺乏控制手段 耗能严重造成资源的许多不必要的浪费 1 31 3 课题的来源及意义课题的来源及意义 随着国民经济的不断发展 人们对供暖质量的需求也在逐步提高 在传统供热 模式下 为满足供热需求 换热站内设备运行参数多为人工调节 随着室外温度及 热负荷的不断改变 不断的人工调节二次供水温度以保证用户室内能够维持恒定的 温度 在这种情况下 人工手动调节必然存在着较大偏差 只能够根据经验达到粗 调节 不能够 居民对室内温度恒定 为了改变这一情况 多年以来供热行业一直在 探讨开发能充分适应热负荷不断变化的细调节运行方式 以适应热负荷变化较大 调节频率较高对系统平衡能力的需求 满足热用户的合理需求 达到经济运行目的 目前 由微机监控换热站从技术上满足了这种需求 其原理是通过变送器远程 采集系统运行数据 经有线或者无线方式将信号传递到控制中心进行中央监控 同 时将控制信号以组态模式实时反馈 控制电控执行机构进行系统调节 实现对二次 供 回水温度的合理控制和处理突发事故 无人值守换热站具有以下特点 运行人 员少 人员培训时间段 界面人格化 且能只管的监控换热站的运行情况 可以科 学的根据天气情况及负荷变化通过适时反馈自动进行蒸汽流量细调节 降低直接成 本 既可以循环监控各换热站的运行参数 又能抽调某个换热站的运行状态 保证 了系统监控实时性 可以设定系统临界参数 系统异常时在控制中心实现报警 在 必要时能及时的将控制信号自动反馈到电动执行机构 处理突然事故 保证了系统 的安全性 第 9 页 共 28 页 从理论上 通过计算机技术 PLC 传感器数据通讯技术和测控技术 需做到 换热站在整个运行期间无需人员巡视时可行的 但是相应的硬件设施投入相对过大 因此从企业经济效益角度出发 应以远程监控影像安全运行参数为主 辅以人员巡 查 达到无人值守的目的 本课题来源于平安小区换热站的控制与技术 如何随时 了解换热站的工作情况和有关信息 并根据这些信息和室外温度对换热站进行及时 调控 使供暖系统始终在一个最佳工况下运行 从而获得良好的经济效益和社会效 益 这就是本课题的研究目的所在 第二章第二章 换热站控制方案换热站控制方案 2 1 换热站的简介换热站的简介 换热站和热水管网是连接热源和热用户的重要环节 在整个供暖系统中具有举 足轻重的作用 换热站是指连接于一次网与二次网并装有与用户连接的相关设备 仪表和控制 设备的机房 它用于调整和保持热媒参数 压力 温度和流量 是供热 用热达到 安全经济运行 是热量交换 热量分配一集系统监控 调节的枢纽 换热站一般由汽水换热器组成的换热系统 循环水泵组成的循环系统 补水泵 组成的补水系统来构成 在控制过程中 需要采集大量的物理量 如压力 温度 流量等模拟量参数 需要通过 PLC 对这些参数进行实时采集和处理 换热站的自动 控制 即实现整个进气和供水过程的全自动控制 2 2 换热站的构成换热站的构成 第 10 页 共 28 页 换热站控制系统由以下 3 部分组成 1 测量仪表及变送器 用于对换热站的运行参数及室内外温度进行测量 主要 包括一二次供水温度 室内外温度 二次侧供水流量 一二次压力等测量传感器 2 执行机构 对于换热站运行的个调节机构进行电动调节 主要由变频器和泵 电机组成 3 PLC 和工控机 用对于换热站运行的自动控制和运行参数进行监测控制 记 录 统计 报警 报表打印等 换热站控制系统主要对二次侧供水温度进行自动控制 最终使室温达到要求 系统由 PLC 作为底层的 DDC 控制器 先进的工业控制机作为上位机 并配备彩色 显示器 打印机 网络通信卡等高品质的硬件设备 具有系统控制算法 组态等先 进供暖的软件 可使系统实时地显示换热站运行情况 实时地反映出按需供热 以 适应供暖符合的变化 同时使换热站运行达到最佳工况 并可在恶劣环境下长期 稳定 可靠的运行 通常换热站内部设备可分为两大部分 即采暖系统和民用生活热水系统 目前 我国换热站大部分没有民用热水设施 今后随着人民生活水平的提高在换热站内应 增加生活热水系统来提高集中供暖的效益 换热站的主要设备有 水 水 汽 水 换热器 过滤器 补水箱 补水泵 循环水泵 调节阀 热媒参数调节和检 测仪表 防止用户热水供应装置生锈和结垢的设备等 换热站内还安装有热量表及 调节供热量的自动调节装置 2 3 系统总体方案设计思路系统总体方案设计思路 集中供热系统的控制是一个多层次的复杂控制系统 由换热站控制柜和检测控 制系统构成 控制柜完成循环水泵系统和补水系统的控制功能 具有手动和自动运 行模式 也有工频和变频运行模式 PLC 可以根据室外温度传感器测量的室外温度对一次供汽量进行控制 以达到 对二次供水温度进行控制 以达到节省能源 提高供热质量的目的 PLC 通过压力 传感器和变频器来实现对二次供水压力的控制 当一台补水泵无法通过变频补水达 到所要求的压力时 控制器可使另一台备用泵以工频的方式进行补水 最终实现更 加智能化得恒定补水控制 换热站的运行程序独立存在于其控制系统 PLC 内 能够脱离上位机监控管理软 第 11 页 共 28 页 件而独立运行 其运行可以通过中央控制室上位机监控管理系统来观察并实施调整 各个换热站独立工作的同时 利用通讯系统将运行状态数据传给监控管理系统供参 考 同时接受监控管理软件进行的运行参数调整 2 4 该方案要实现的控制功能该方案要实现的控制功能 本方案包括以下基本控制功能 1 运行参数检测功能 该热交换站主要监测内容有一次热媒侧供回水温度 二 次热水流量 二次供回水温度 供回水压差 室内外温度 供热水泵工作 故障及 手动 自动转换状态等 并进行信号处理后在彩色显示器上显示 同时还显示运行模 拟图 主要工艺参数的变化曲线等画面 换热站监控系统主要检测内容又一次热媒 侧供回水温度 二次热水流量 二次供回水温度 供回水压差 室内外温度 供热 水泵工作 故障及手动 自动转换状态等 1 系统可以自动进行故障诊断 并在监控画面上显示各工况参数并控制设备运 行状态 2 根据本地的气候条件以及供热对象的特性 给出一条室外温度与二次供水温 度之间的对应曲线 控制器可以通过这条曲线根据室外温度传感器测量的室外温度 对一次供汽量进行控制 以达到对二次供水温度进行控制 以达到节省能源 提高 供热质量的目的 3 在系统中增加晚间节能的设置 根据需要设置晚间供热温度 自控系统通过 加入时间日程表的控制 实现一天当中不同时刻对应不同的温度 4 PLC 通过压力传感器和变频器来实现对二次供水压力的控制 当一台补水泵 无法通过变频补水达到所要求的压力时 控制器可使另一台备用泵以工频的方式进 行补水 最终实现更加智能化得恒定补水控制 5 当前可编程控制器是专业为工业环境下应用而设计的工业控制计算机 已成 为电气控制系统中应用最为广泛的核心位置 他不仅能实现法杖的逻辑控制 还能 完成各种顺序或定时的闭环控制功能 并且抗干扰能力强 可靠性高稳定性好 体 积小 能在恶劣环境下长时间不间断运行 6 在换热站的控制系统中还附加了安防系统的功能 在监测环境温度湿度的同 时 还可检测门窗 电源 电压 电流 地面水分 设备温度等安防信息 出现意 外时 系统自动远程报警 达到无人值守基站的防护标准 7 换热站控制系统的调 第 12 页 共 28 页 节系统采用 PID 调节控制 确保了进气和供水温度 压力准确稳定 使换热站温度 达到用户的要求 并对其故障实现实时报警和连锁启停切换控制 2 控制功能 1 供水温度的自动控制 根据装设在热水出水管处的温度传感器检测的温度 值与设定值的偏差 自动调节二次侧供热水泵的频率 实现水泵的变频调节 实际 使用中当高温水侧流量变化时 出口温度就降低 用一般反馈由于存在较大的惯性 滞后可能使供水温度产生较大的动态偏差 为此在系统中应加入流量前馈补偿信号 2 供回水压差控制 测量供回水压差控制其旁通阀的开度 以维持压差设定 值 3 当供热泵停止运行时 一次热媒电动调节阀自动关闭 4 根据装设在热水出水管处得温度传感器检测的温度值与设定值的偏差 自 动调节二次侧供热水泵的频率 实现水泵的变频调节 实际使用中当温度水侧流量 减小时 出口温度就降低 采用一般反馈由于存在较大的惯性滞后 可能使供水温 度产生较大的动态偏差 因此在系统中应加入流量前馈补偿信号 另外由于供水温 度的设定值主要由室内温度来确定 因此还需要对室内温度进行控制 找一个标准 房间作为被调对象进行室内温度的调节 其设定温度约为 18 度 从而通过测定满足 室内温度的换热站出水温度和回水温度及流量 并通过计算获得较为准确的跟踪实 际情况的热负荷 达到按需供热的目的 3 报警功能 系统将对运行参数越限 运行故障和设备故障报警并发出相应 的报警信号 4 丰富的实时管理功能 操作人员可方便地在线修改各受控输出的设定值 越 限报警值和故障报警值 维修人员可方便地调整内部参数 使之适应系统的大幅度 调整 如更换仪表 执行机构等 第 13 页 共 28 页 第第三三章章 换热站换热站组成组成及工作原理及工作原理 3 1 换热站组成换热站组成 换热站由换热器 循环泵 补水泵 变频器 流量计 水泵 进气阀 减压阀 自动排气阀 止回阀 温度表 压力表等组成 下面就来逐一介绍它们在换热站中 所起的作用 3 1 1 换热器换热器 换热器是换热站结构中一个最为重要的部分 它是连接一次管网和二次管网的 中间环节 它的主要功能是将一次管网的蒸汽和循环水混合 加热循环水送至用户 换热站种类很多 换热器按照传递原理可以分为一下几种形式 1 直接接触式换热器 利用冷热流体直接接触 彼此混合进行换热的换热器 这类换热器具有传热效率高 单位体积的传热面积大 设备结构简单 价格便宜等 优点 缺点是仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合 第 14 页 共 28 页 2 蓄热式换热器 借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交换接触 把 热量从热流体传递给冷流体的换热器 这类换热器具有结构紧凑价格便宜 单位体 积面积大的优点 适合于汽 汽热交换的场所 3 间壁式换热器 利用间壁将进行热交换的冷热两种流体隔开 互不接触 热 量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器 间壁式换热器是工业生产中应用最为 广泛的换热器 4 中间载热体式换热器 把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来 的换热器 工业中 最为常见的是管壳式换热器 板式换热器以及其他的各种紧凑 高效的新型换热器 该结构采用的调节方式是一次侧采用量调节方式 二次侧采用分阶段改变流量 的质调节方式 并且采用变频调速技术调节补水泵对系统进行补水定压 本系统的 控制部分采用 PLC 可编程控制器进行计算及控制各传感元件和执行器 实现对换热 站的自动调节 该改造方案主要是结合换热站的实际情况 通过对环境温度 二次供水温度及 压力的监测 实现对一次侧的供汽量和二次循环水供水温度 流量的自动调节以适 应热用户的实际需求 同时对二次管网系统进行自动补水定压以维持其的稳定性 3 1 2 循环水泵循环水泵 换热站的水利循环以及补水定压都需要水泵 水泵的种类很多 按工作原理分 为 1 叶片式水泵 它对流体的压送是靠装有叶片的叶轮的高速旋转完成的 包括 离心泵 轴流泵 混流泵的等 2 容积式水泵 它对液体的压送是靠泵体工作室的容积的改变完成的 如活塞 式往复泵 转子泵等 3 其他类型 上述的两种泵 如螺旋泵 射流泵 水锤泵 水轮泵以及气升泵 等 他们都是利用高速液流的动能来输送液体的 变频调速原理变频调速原理 通过流体力学的基本定律可知 循环泵属平方转矩负载 其 n 转速 Q 流量 H 压力 以及 P 轴功率 具有如下关系 Q n H n2 P n3 即 流量与转速成正比 压力与转速的平方成正比 轴功率与 第 15 页 共 28 页 转速的立方成正比 可以看出改变电机转速可以调节循环泵的流量的方法 要比采 用阀门调节更为节能经济 设备运行工况也将得到明显改善 电机的转速与工作电 源输入频率成正比 即 n 60 f 1 s p 式中 n f s p 分别表示转速 输入频率 电机转差率 电机磁极对数 由于 s p 对某一电机是固定值 因此通 过改变电动机工作电源频率能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 对循环水系统进行变频的改造正是基于以上原理 改造后的系统 将室外温度 系统供回水压差及回水温度作为输入参数 加上 PLC 控制器处理下达变频调速指令 通过变频器适时适量地控制循环泵电机的转速来调节循环泵的输出流量 满足供暖 负荷要求 这就使电机在整个负荷和变化过程当中的能量消耗降到最小程度 再有 应用变频器还能提高系统的功率因数 减少电机的无功损耗 并提高供电效率和供 电质量 综上所述 不难看出 对供暖换热系统进行变频节能控制能够带来巨大的 节能效果 对系统进行变频控制时 为确保安全可靠性 保证系统可以方便地在工 频和变频两种运行状态下进行切换 3 1 3 阀门阀门 换热站中用到进气阀 减压阀 自动排气阀 止回阀等 自动排气阀是用来排 出管道中蒸汽冷凝水 进气阀用来调节蒸汽量 减压阀是用来调节减少蒸汽的压力 止回阀是为了防止系统中的水倒流 3 1 4 温度计 压力表温度计 压力表 换热站中采用温度计 压力计来测量进气 出气 供水 出水温度和压力 给 其运行调节提供依据 3 2 换热站工作原理换热站工作原理 换热站的工作原理为热源提供的蒸汽在换热器中与循环水相混合 加热循环水 并经供水管道输送到用户 再把用过的热水经回水管道通过循环水泵回收到换热器 第 16 页 共 28 页 中加热循环使用 利用供 回水温差产生的热量给用户供暖 该结构采用的调节方式是一次侧采用量调节方式 二次侧采用分阶段改变流量 的质调节方式 并且采用变频调速技术调节补水泵对系统进行补水定压 本系统的 控制部分采用 PLC 可编程控制器进行计算及控制各传感元件和执行器 实现对换热 站的自动调节 以热水和蒸汽为载能体 通过管网为一个区域的所有热用户供热 通常是由一 个和多个供热设备集中供热 例如供热锅炉 热电联产装置 温泉地热 低温供热 核反应堆的热源及工业余热等 集中供热系统是由热源 热用户和热网三部分组成 热源负责制备热媒 热力网负责热媒的输送 热用户是指用热场所 集中供热系统 的热用户有供暖 通风 热水供应 空气调节及生产工艺等用热系统 由于供热系统中热用户的热负荷并不是恒定的 如供暖通风热负荷随室外气象 条件变化 热水供应和生产工艺用热随使用条件等因素变化 要保证供热质量 满 足各热用户要求 并使热能的制备和输送合理 就要对供热系统进行运行调节一一 也就是供热调节 在城市集中热水供热系统中 供暖热负荷是系统最主要的热负荷 甚至是唯一 的热负荷 因此 在供热系统中 通常按照供暖热负荷随室外温度的变化规律 作 为供热调节的依据 供热调节的目的 在于使供暖用户的散热设备的放热量与用户 热负荷的变化规律相适应 以防止供暖热用户出现温度过高或过低 换热站是供热网路与热用户的连接场所 在其内安装有与用户连接的有关设备 管道 阀门 仪表和控制装置 它的作用是根据热网工况和不同的条件 采用不同 的连接方式 将热网输送的热媒加以调节 转换 向热用户系统分配热量以满足用 户的需求 同时还应根据需要 进行集中计量 检测供热热媒的参数和数量 根据规 模和设置地点不同 换热站又可分为首站 区域换热站 集中换热站和用户换热站 热力输配网络控制的重点是换热站的控制 换热站主要完成从供热一次网到二次网的热量交换 置换出的二次网的热水温 度一般在 40 65 之间 换热站监控系统可对热网的温度 压力 流量 开关量 等进行信号采集测量 控制 远传 实时监控一次网 二次网温度 压力 流量 循环泵 补水泵运行状态 及水箱液位等各个参数信息 进而对供热过程进行有效 的监测和控制 在供热期间可按室外温度调节二次网供回水温度 可手动 自动切 第 17 页 共 28 页 换 达到按需供热 实现气候补偿节能控制 也可以进行分时分区节能控制 实现 供热全网热量平衡及节约能源 该方案主要是结合换热站的实际情况 通过对环境温度 二次供水温度及压力 的监测 实现对一次侧的供汽量和二次循环水供水温度 流量的自动调节以适应热 用户的实际需求 同时对二次管网系统进行自动补水定压以维持其的稳定性 第四章第四章 PLC S7 200 的介绍的介绍 4 14 1 PLCPLC S7 200S7 200 的硬件介绍的硬件介绍 S7 200 系列 PLC 是 SIEMENS 公司推出的一种小型 PLC 它具有紧凑的结构 良 好的扩展性能 丰富的指令功能 低廉的价格 极高的可靠性 强大的通信能力等 已成为现代工业各种小型控制工程的理想控制器 适用于各行各业 各种场合中的 检测 监测及控制的自动化 S7 200 的 STEP7 Micro WIM32 编程软件可以方便地 在 Windows 环境下对 PLC 编程 调试 监视和控制 使得 PLC 的编程更加方便 快 捷 S7 200 系列的强大功能使其无论在独立运行中 或相连成网络皆能实现复杂控 第 18 页 共 28 页 制功能 因此 S7 200 系列具有极高的性能 价格比 4 24 2 S7 200PLCS7 200PLC 系统硬件组成系统硬件组成 S7 200 系列 PLC 包含了一个单独的 CPU 主机和各种可选择的扩展模块 可以十 分方便地组成不同模块的控制器 也可以方便地组成 PLC PLC 网络和 PLC 微机网络 完成规模更大的工程 S7 200 PLC 系统硬件组成如图 4 1 所示 图 4 1 PLC 系统组成 4 2 14 2 1 CPUCPU 主机主机 CPU 主机又称作 CPU 模块 也称为本机 CPU 主机本身就是一个完整的控制系统 可以单独完成一定的控制任务 该模块的主要功能是 采集的输入信号通过中央处 理器运算后 将生成结果传给输出装置 然后输出点输出控制信号 驱动外部负载 做出处理 S7 200 PLC 主机型号有 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224XP CPU226 CPU226XM 等 CPU224XP 为 CPU224 的改进型 CPU226XM 为 CPU226 的增强型 功能有所加强 其中 CPU224 集成了 14 点输入 10 点输出 共有 24 点数字量 I O 2 个模拟量电位器 最大可扩展 35AI AO 点 1 个 RS 485 通信 编程口 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出 具有 PID 控制器 6 路高速计数器 30 kHz 它具有强大的模拟量处理能力 因此是 S7 200 系列产品 中使用最多的 CPU226 集成了 24 点输入 16 点输出 共有 40 点数字量 I O 2 个 模拟量电位器 最多可扩展 35AI AO 点 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出 具有 PID 控制器 6 路高速计数器 30 kHz 与 CPU224 相比 增加了通信口数量 2 个 RS 485 通信 编程口 它主要用于点数较多 要求较高的小型或中性控制系统 工业软件 CPU 主机 人机接口 I O 模块 通信模块 功能 模块 第 19 页 共 28 页 4 2 24 2 2 I OI O 模块模块 I O 模块内部没有电源模块 不可独立工作 主要是为 CPU 主机服务 当 CPU 主机 I O 点数量不能满足控制系统的要求时 用户就可以根据需要扩展各种 I O 模 块 I O 模块包括输入模块 EM221 输出模块 EM222 和输入 输出模块 EM223 等 4 2 34 2 3 功能模块功能模块 当需要完成某种特殊功能的控制任务时 需要扩展功能模块 包括模拟量输入 模块 EM231 模拟量输出模块 EM232 模拟量输入 输出模块 EM235 热电偶温度测 量模块 EM231TC 热电阻温度测量模块 EM231RTD 等 其中 EM231 模拟量输入点数为 4 EM231TC 模拟量输入点数为 4 EM231RTD 模拟量输入点数为 2 4 2 44 2 4 通信模块通信模块 为组成各种层次的网络而扩展的专门应用于通信的模块为通信模块 4 2 54 2 5 人机接口人机接口 人机接口是近些年 PLC 发展进步的重要标志之一 可以充分和方便地利用系统 的硬件和软件资源 通过友好的界面轻松完成各种监视 调整和控制任务 人机操 作接口有文本显示器 TD200 和 TD400 触摸屏 TP170 和 TP270 等 4 2 64 2 6 工业软件工业软件 工业软件是为了更好地管理和使用上述设备而开发的与之相配套的程序 4 34 3 S7 200PLCS7 200PLC 扩展模块扩展模块 1 开关量 I 0 扩展模块 S7 200 系列 CPU 主机提供一定数量的数字量 I O 点 但在主机 I O 点数不够的 情况下 就必须使用扩展模块来增加 I O 点 开关量 I O 扩展模块一般也叫数字量 扩展模块 开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号 将信号转换成 PLC 内不接受的低电压信号 并实现 PLC 内 外信号的电气隔离 分组式的开关量 输入模块是将输入点分成若干组 每一组有一个公共端 各组之间是分隔的 开关 量输出模块是将 PLC 内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号 并实现 PLC 内外信号的电气隔离 典型的开关量输入模块和输出模块种类 1 输入扩展模块 EM221 有 2 种 8 点 DC 输入和 8 点 AC 输出 2 输出扩展模块 EM222 有 3 种 8 点 DC 晶体管输出 8 点 AC 输出和 8 点继电 器输出 第 20 页 共 28 页 3 输入 输出混合扩展模块 EM223 有 6 种 分别是 4 点 8 点 16 点 DC 输入 4 点 8 点 16 点 输出和 4 点 8 点 16 点 DC 输入 4 点 8 点 16 点 继电 器输出 对于开关量输入模块 在选择时没有特殊要求 输入端电源也可用 PLC 自带的传 感器电源 S7 200PLC 的开关量输出模块主要有继电器输出和晶体管输出两种方式 2 模拟量扩展模块 在工业控制中 压力 温度 流量和转速等输入量是模拟量 变频器 电动调 节阀和晶闸管调速装置等设备要求输出模拟量信号进行控制 CPU 主机一般只有数 字量 I O 接口 或者是仅具有少量的模拟量接口 所以就要进行模拟量输入和输出 模块的扩展才能满足控制要求 模拟量扩展模块的主要功能是数据转换 并与 PLC 内部总线相连 也有电气隔离功能 模拟量输入 A D 模块是将现场由传感器检测 产生的连续的模拟量信号转换成 PLC 内部可接受的数字量 模拟量输出 D A 模块 是将 PLC 内部的数字量转换为模拟量信号输出 模拟量扩展模块类型如下 1 模拟量输入扩展 2 模拟量输出扩展模块 EM232 3 模拟量输入 输出混合模块 EM235 EM232 的模拟量输出点数为 2 信号输出范围 10V 到 10V 电流 0 到 20MA EM231 模拟量输入点数为 4 输出阻抗大于等于 10M 最大输入电压 30V DC 最大输入电流 32MA 模拟量扩展模块的主要技术参数参见附录表 A 4 A 5 A 6 典型模拟量扩展模块的量程为 10V 到 10V 5 到 5V 和 4 到 20MA 等 可根据实际 需要选用不同等级 同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素 特模拟量输入模块 可用来直接接收传感器信号 3 温度测量模块 温度测量模块专门为检测温度而设计 温度测量模块有热电偶温度测量模块 EN231 TC 和热电阻温度测量模块 EM231RTD 4 为控制模块 EM235 位控模块是 S7 200 的特殊功能模块 它能够产生脉冲串用于步进电机或 伺服电动机的速度和位置开环控制 它与 S7 200 通过扩展的 I O 总线通信 它带有 第 21 页 共 28 页 8 个数字输出 5 通信模块 1 PROFIBUS DP 现场总线通信模块 EM277 是 PROFIBUS DP 的现场总线通信模块 用来将 CPU224 连接到 PROFIBUS DP 现场总线网络 EM277 通过 RS 485 通信接口连接到 PROFIBUS DP 网络的其他设备 上 2 AS i 接口模块 AS i 接口模块 CP243 2 是专门用于现场执行器和传感器接口的模块 并且有集 成模拟量处理和传送单元 3 工业以太网模块 工业以太网根据国际标准 IEE802 3 定义 S7 200PLC 所应用的工业以太网 模块主要有 CP243 1 和 CP243 1 IT 两种 4 调制解调器模块 调制解调器模块 EM241 可连接到模拟电话线 应用 Modbus 主 从协议实现 S7 200PLC 主机与远程 PC 机进行通信 即实现 PLC TO PC 通信 第五章第五章 控制系统总体方案设计控制系统总体方案设计 5 1 换热站的控制调节换热站的控制调节 换热站与热用户的连接方式换热站与热用户的连接方式为为间接连接方式间接连接方式 间接连接方式是指热网循环水与热用户内部采暖系统循环水相互隔绝 而其间 只限于热量交换的连接形式 从运行角度来分析 直接连接系统的水力工况和热力 工况受到热网运行工况的影响 故又称为局部系统与热力网的关联式连接 即一次供水和二次供水分开 如图所示 第 22 页 共 28 页 换热站系统对温度的调节控制就是要保证二次侧有一个恒定的与设定供水温度 控制元件是换热器一次侧的电动调节阀 该阀门控制换热器的一次供汽量 将预设 定温度作为给定值 测量温度值作为反馈值 法门的开度作为输出值 保证二次供 水温度的恒定 当换热器的二次供水温度偏离设定值时 控制调节系统就自动调整 执行器的动作 即改变电动调节阀的开度 从而改变进入换热器的一次热媒的流量 改变传送到换热器的热能 使二次的供水温度稳定在设定值附近 为了保质供热质量 采用了如图所示二次供水温度自控系统对工况进行分段质 调节 主要功能是通过对二次供水系统的温度检测 分析 结合外界干扰因素 算 出最佳供水温度 通过调节一次管网流量 使二次供水温度接近设定值 控制元件 是换热器一次水出口的控制阀 该阀门控制换热器的一次供水流量 将预设定温度 作为给定值 测量温度值作为么馈值 阀门开度作为输出值 采用 PID 算法 保证 二次供水温度的恒定 如下图所示 根据传感器检测到的实际温度值 使用下面介绍的关系模型 计 算出相应的二次供水温度设定值 根据一次供水温度情况 采用温度智能 PID 控制 器 实时调节控制一次管网的控制阀 以使实际的二次供水温度与其设定值相符 控制原理如图 控制原理如图 二次回 水温度 第 23 页 共 28 页 5 3 循环水流量的调节控制循环水流量的调节控制 由于供暖系统供暖的热负荷是随着室外温度等因素的变化而不断的变化 当室 外温度偏高时 供暖热负荷就应偏低 如果还按着设计热负荷进行供暖就会造成不 必要的浪费 针对上面出现不必要浪费的情况 对换热站二次侧采用分阶段改变流 量的质调节方式 把室外温度分成二个阶段 当室外温度高于某个设定值时 循环 水泵工频运行 当室外温度低于设定值时 循环水泵以 0 75 工频运行 此时系统的 循环水量也就相应的减小 分阶段改变流量的质调节方式的控制原理如图 1 2 所 示 调节器变频器循环水泵 压力传感器 管网压力 PLC 水泵变频器调节器 温度传感器 控制对象 换热器 PLC 控制器控制器 一次回水 控制阀 二次供水温 度设定值 二次供 水温度 第 24 页 共 28 页 5 4 压力压力的调节控制的调节控制 压力传感器将