基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统的设计

本科毕业设计（论文）摘 要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。该控制系统由可编程控制器、变频器、风机和水泵电机组、传感器、工控机以及控制柜等构成。系统通过变频器控制电动机的启动、运行和调速系统采用北京亚控公司的组态王软件设计，主要完成系统操作界面设计，实现系统启停控制、参数设定、报警联动、历史数据查询、报表打印等功能。控制程序采用松下公司的 FP-WIN2.4 编程软件设计，主要完成模拟量信号的采集、处理，炉膛负压、风煤比最佳值、蒸汽压力等温度和压力信号的 PID 控制等功能，并接收上位机的控制指令以完成风机启停控制、参数设定、循环泵控制和补水泵控制。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，有效地降低了能耗，提高了生产管理水平。系统安装维护方便，运行稳定、可靠，监控软件功能齐全，人机界面友好，使用方便。关键词：锅炉控制；变频调速技术；PLC本科毕业设计（论文）ABSTRACTThis article is designed based on PLC and Inverter of the boiler control system. The control system consists of PLC, frequency converter, fan, pump power units, sensors, industrial computer and control cabinet composition. Systems through the inverter to control the motor start, run and speed control system controlled by Beijing Asias Design Configuration software, completed for the system user interface design, implementation, system on / off control, parameter setting, alarm linkage, historical data query, report etc. Control program with Panasonic FP-WIN2.4 programming software design, Completed for analog signal acquisition, processing, furnace pressure, the wind than the best value of coal, steam pressure, temperature and pressure signals of the PID control function, and receives the control instruction PC to complete the fan on / off control, parameter setting, circulation pump control and up water pump control.This design of the inverter control system for automatic control of the boiler combustion process, effectively reduce energy consumption and improve the production management level. System installation and maintenance easy, stable and reliable，monitoring software functional and friendly interface, easy to use.Keywords: Boiler control, frequency conversion technology, PLC本科毕业设计（论文）目 录摘 要 .I目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 锅炉控制的现状 .11.2 供暖锅炉控制的国内外研究现状 .21.3 锅炉控制的特点和难点 .3第二章 系统设计方案 .42.1 设计目的和要求 .42.2 供暖锅炉系统框图 .42.3 PLC 控制系统的选用 .52.4 变频调速在供暖锅炉控制中的应用 .52.5 系统功能分析 .72.6 控制系统整体设计思路 .72.7 控制系统结构 .8第三章 系统硬件设计 .93.1 PLC 特点 .93.2 PLC 的选型 .93.3 PLC 的配置 .103.3.1 PLC 的开关量 I/O 口 .103.3.2 PLC 的模拟量 I/O 口 .123.4 变频器的配置 .123.5 传感器与变送器 .143.5.1 压力变送器工作原理 .143.5.2 压力变送器选型 .143.5.3 温度传感器选型 .14第四章 系统的具体设计与实现 .174.1 补水泵控制部分 .174.2 循环泵控制部分 .174.3 鼓风机控制部分 .194.4 水位控制系统 .194.5 温度控制系统 .204.6 压力控制系统 .214.7 自动报警 .21本科毕业设计（论文）第五章 PID 控制原理 .23第六章 程序设计 .266.1 主程序设计 .266.2 子程序设计 .26结 论 .33致 谢 .34参考文献 .35本科毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1 锅炉控制的现状随着城市建设的迅速发展，我国北方地区冬季城市集中供暖成为城市现代化必然采取的步骤。而供暖面积的不断扩大，使如何科学有效地控制和管理供暖系统，提高供暖的经济效益和社会效益，成为急需解决的重要课题。在供暖系统中，锅炉房供暖所占比例很大，据对我国北方地区 29 个大中城市近 3.5 亿平方米的供暖调查，锅炉供暖占 84%,热力供暖占 12，其他供暖占 4%。在今后相当长的时间内，集中热力供暖是发展趋势，但无法取代锅炉供暖的主流地位。锅炉是消耗能源、产生大气污染、事关生产与生活和安全的重要设备，它在国民经济整个能源消耗中占有相当大的比重。目前我国供暖锅炉以燃煤链条锅炉为主，燃用的主要是中、低质煤，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，造成了严重的能源浪费和环境污染。据统计，我国目前拥有工业锅炉 50 万台，每年消耗的燃煤占全国原煤产量的三分之一，约 4 亿吨。锅炉每年排放烟尘约 620 万吨，此外还有大量的等有害气体约 510 万吨，成为我国大气煤烟型污染的主要来源之一，尤其是燃煤排放的气体所引起的温室效应，早己引起国际关注。目前，该锅炉房都有计算机监控系统一套。该套计算机监控系统与原非计算机监控的人工控制系统并列运行。锅炉房控制采用常规集中盘控和计算机控制相结合的控制方式。但由于鼓风机、引风机、炉排电机、补水泵以及循环泵均采用工频配电，手动控制，都没有引入锅炉自动控制系统，锅炉房基本上采用集中盘上手控。只实现控制参数的显示和部分控制等，对炉膛负压、炉膛温度、出水温度、出水压力、回水温度、锅筒压力等无法自动控制，使得锅炉运行效率低、能耗大、环境差、工人劳动强度大。因此，对现有 6 台锅炉所用的鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵以及补水泵等设备进行计算机控制系统和锅炉电机的变频改造十分必要。由于供暖锅炉系统中的风机、水泵负载转矩与转速的平方成正比，袖功率与转速的立方成正比，采用交流变频调速控制风机、水泵流量代替传统阀门、挡板控制流量，可以大大节省该类负载的驱动电机的耗电量，达到节能的目的，如果普遍采用交流变频调速，平均节电率在 30%左右。用变频器启动风机、水泵等电动机，由于变频器内部具有矢量转矩控制技术，保证了电机良好的启动本科毕业设计（论文）隆能，实现电机软启动，有效地限制了电机的启动电流，明显降低电机启动噪声。同时，电机的软启动避免了频繁的工频启动对风机、水泵等大电机的冲击，有效地保护设备，延长设备使用寿命。锅炉的计算机控制使锅炉始终处于最佳工作状态，提高了锅炉的运行效率和燃煤的燃烧效果，不仅节约燃煤，也减少了烟尘和有害气体的排放，具有较好的环保效果。同时，计算机控制系统通过各种传感器检测锅炉温度、压力、流量等参数，传送至微机和仪表盘，并实现温度和压力等参数的白动控制，工人在计算机控制室就可以全面了解锅炉房各部分的运行清况，大大改善了工人的工作条件，提高了白动化程度和管理水平。因此，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，而且可日提高生产白动化水平，具有显著的经济效益和社会效益。1.2 供暖锅炉控制的国内外研究现状当前，节能与环保己成为人类社会面临的两大课题。我国的锅炉目前以探为主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一，燃用的主要是中、低质煤，工业污染十分严重，而且锅炉设备陈旧，生产效率和自动化程度低，进一步加重了环境污染的程度。在欧美和日本等发达国家，石油和天然气己成为第一能源，占能源消费的60%左右，燃油和燃气锅炉的已逐步取代燃煤锅炉，对风机和水泵等电机的变频控制已相当成熟。自 20 世纪 90 年代以来，随着超大型可编程控制器的出现和模糊控制白舌应乎拿制等智能控制算法的发展以及智能控制器的应用，锅炉控制水平大大提高，己实现优化控制。国内对锅炉控制的研究起步较晚，始于 80 年代初期。国内研究锅炉控制比较成熟的企业有上海杜比公司、南京仁泰公司等。此外还有一些科研院校联合企业开发的各种智能锅炉控制系统，如清华大学动力工程与控制学院为亚运村北辰供热厂热水锅炉的改造开发的锅炉控制系统，采用“一控四”方案，即一台主机控制四台锅炉。尽管对锅炉控制的研究和推广已取得了很大的进展，但仍然存在一些问题：1.大多数现有的锅炉控制系统可控制的主要还是开关量设备，如风机、炉排和水泵的开关或者阀门控制。不能对它们精确连续调节，使控制手段单一，控制精度低。2锅炉控制系统的控制方案不够合理，锅炉控制器（计算机或可编程控制器一旦出现故障，只能采取系统断电处理，进行人工操作。若锅炉系统中的传感器、变送器等设备出现故障时，温度、压力等参数就无法达到设定值。本科毕业设计（论文）3我国白 70 年代末开始，锅炉的微机控制逐渐成熟起来，但主要实现仪表显示、报表打印等功能，并未实现锅炉自动控制，下位机主要以单片机为主，控制水平有限，可靠性不够高。1.3 锅炉控制的特点和难点锅炉作为能源转换的重要设备之一，对其进行控制有其白身的一些特点和难点现归纳如下：1.从控制理论的角度分析热水锅炉，它是一个多变量、非线性、分布参数的和带时延的复杂对象，它有多个被控变量（温度、炉膛负压等）和调节变量（煤量，鼓风量和引风量等）相互之间存在交叉影响，例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化，而当改变任一个调节量时，也会影响到其它几个被调量。因此，理想的锅炉控制系统应该是多回路的调节系统，这样，当锅炉受到某一扰动后，同时协调的动作，改变其调节量，使所有的被调量都具有一定的调节精度。但这种调节十分复杂，要实现这样的控制比较困难，目前限据锅炉的运行经验，实际解决锅炉自动调节任务的方法是将锅炉当作几个相对独工的调节系统，可以适当简化自动调节问题。这必然要求锅炉控制采用多回路的调节系统。2.从控制任务来看，供热锅炉最终保证用户供暖需求，随着室外温度的变化使锅炉回水温度按供暖曲线变化，由于回水温度控制回路滞后时间比较长，其起作用的效果至少要等 2 个小时才能得到， （这主要取决于水循环速度和小区供热面积） ，其滞后时间与 PID 时间常数相比很大，这样大的滞后必然会帝来系统的大的超调，采用常规的 PID 控制，系统很难稳定。本科毕业设计（论文）第二章 系统设计方案2.1 设计目的和要求（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 供暖锅炉系统框图 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。补水箱自来水补水泵 锅炉循环泵用户鼓风机回 水 图 2-1 总体系统结构图本科毕业设计（论文）2.3 PLC 控制系统的选用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呢个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成 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器件数目，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。2.4 变频调速在供暖锅炉控制中的应用由于变频调整可以实现电机无级调整，具有异步电机高压调速在和串级调速无可比拟的优越性，在锅炉系统中得到广泛应用。变频调整在供热锅炉系统中主要应用在风机高速和水泵高速。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，已日趋完善，能够适应较为恶劣的工业生产环境，目前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动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:本科毕业设计（论文）psfsn)1(60)(0（2.1）式中，n 异步电机的同步速度 r/min;异步电机转子转速 r/min;P 电动机磁极对数；F 电源频率，电动机定子电压额定频率；S 转速差；%10ns（2.2）由公式可见改变电动机极对数 P，改变转速 S 及改变电源频率 f 都可以改变车速。通过改变电动机工电源频率达到改变电动机转速的目的。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，微电脑控制技术于一身的综合性电器产品。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 2-2） ，上面是交-直-交变频器，下面是交-交变频器。整流器 滤 波直流逆变器交流 交流u1f1u2f2VV VF滤波 逆变器交流u1f1VVVF交流u2f2图 2-2 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，其作用是交换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）交交逆变器本科毕业设计（论文）它是由两种反并联的整流电路组成，直拉将电网的交流电通过变频器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，波形好，但调整范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用。2.5 系统功能分析本方会对锅炉进行变频改造，设计一套基于变频调整技术的锅炉系统。根据要求，并结合锅炉控制的发展要、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，但单动模式下需要人工根据气候，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的出水温度和炉膛负压等参数，系统自动地电机的转速，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，并可以将这些通过谈判器传递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系统功能，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，还设置报警联动功能，即超限时停炉或停泵处理。2.6 控制系统整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，共两台，对于四台循环泵，给其 中两台容量较大的电机本国两台器，另外容量较小的电机不配备变频器，作为备用，对于四台补水泵，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，另外两台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。本科毕业设计（论文）PLC 采用西门子公司 S7200 系列 PLC，通过 I/O 模拟控制柜内所有断路器、接触器和器等开关设备，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。原有的手动部分（操作台部分）均予保留，一旦变频器控制系统出现故障，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。2.7 控制系统结构本系统属于热水锅炉供水系统，主要通过热水循环给用户供暖，一般分为燃烧控制系统，徃泵控制系统和补水泵控制系统。本系统采用集中控制，分为三总价，系统结构框如图 2-3 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#-2#循环泵 1#-2#补水泵传感器与变送器锅 炉 本 体图 2-3 系统结构图本科毕业设计（论文）第三章 系统硬件设计3.1 PLC 特点（1）可靠性高,抗干扰能力强高可靠性是电气控制设各的关键性能。PLC 由于采用现代大规模隽成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点己减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。（2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，己经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。（3）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设各外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设各经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（4）体积小，重量轻，能耗低以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm,重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小，很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备.本科毕业设计（论文）3.2 PLC 的选型由于供暖锅炉自动控制系统控制设备相对，因此 PLC 选用德国 Siemens 公司的 S7200 型 PLC 的结构紧凑，价格你说，具有较高的性价比，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，考虑考虑 PLC 端子要有一定的预留量，为以后新设备的介入功设备调整留有余地，因此选用 S7200 型 PLC 模块为CPU224XPCN，其中开关输出为 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，为了方便的将管网信号、电机频率信号传输给 PLC，经比较计算后转换为相应信号，选择了 EM235CN 模拟量扩展模块。该模块有 4 个模拟量输入（AIW） ，一个模拟输出（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 转换，标准输入信号能够转换成一个字长（16Bit)的数字信号；输出信号输出端口时能够自动完成 D/A 转换，一个字长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 选型包括 1 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 个模拟量输入信号，4 个模拟输出信号，输入和输出均有余量，可以满足日后扩展的要求。表 3-1 S7-200 的规格规 格 型号系列 连接方法 工作电压 输入类型 输出类型 程序容量 I/O 点主控单元 S7-200 端子口220V AC 24VDC 继电器 12K 14I/10O CPU224CN数字量扩展单元 S7-200 端子口 24VDC 24VDC 继电器 16I/16O EM223CN模拟量扩展单元 S7-200 端子口 24VDC 4I/1O EM235CN本科毕业设计（论文）3.3 PLC 的配置3.3.1 PLC 的开关量 I/O 口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，系统采用分组运行方式，把 1#水泵电机和 2#水泵电机组成第一组 rcn3#水泵和 4#水泵组成第二组。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系统有两台电机接触器的动作，变频器的控制端子执继电器输入及报警。PLC输入输出端口韩真真的分配如表 3-2 所示。表 3-2 I/O 分配本科毕业设计（论文）（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。I 名称 输入 O 名称 输出I0.0 SB1 手动/自动/停止选择 Q0.0 KM1 1#补水泵变频运行I0.1 SB2 补水泵电机启动按钮 Q0.1 KM2 1#补水泵工频运行I0.2 SB3 补水泵电机停止按钮 Q0.2 KM3 2#补水泵运行I0.3 SB4 手动/自动/停止选择 Q0.3 KM4 3#补水泵变频运行I0.4 SB5 循环水泵电机启动按钮 Q0.4 KM5 3#补水泵工频运行I0.5 SB6 循环水泵电机停止按钮 Q0.5 KM6 4#补水泵运行I0.6 SB7 手动/自动/停止选择 Q0.6 KM7 1#循环水泵变频运行I0.7 SB8 鼓风机启动按钮 Q0.7 KM8 1#循环水泵工频运行I1.0 SB9 鼓风机停止按钮 Q1.0 KM9 2#循环水泵运行I1.1 FR1-4 补水泵电机过载输入 Q1.1 KM10 3#循环水泵变频运行I1.2 FR5-8 循环水泵电机过载输入 Q2.0 KM11 3#循环水泵工频运行I1.3 FR9-10 鼓风机电机过载输入 Q2.1 KM12 4#循环水泵运行I1.4 BP1 1#变频器故障输入 Q2.2 KM13 1#鼓风机运行I1.5 BP2 2#变频器故障输入 Q2.3 KM14 2#鼓风机运行I2.0 BP3 3#变频器故障输入 Q2.4 HL1 补水泵电机过载指示I2.1 BP4 4#变频器故障输入 Q2.5 HL2 循环水泵电机过载指示I2.2 BP5 5#变频器故障输入 Q2.6 HL3 鼓风机电机过载指示I2.3 BP6 6#变频器故障输入 Q2.7 DL 电铃报警AIW0 循环水出口温度 Q3.0 KA1 1#变频器启动/停止切换AIW1 循环水出口压力 Q3.1 KA2 2#变频器启动/停止切换AIW2 补水出口温度 Q3.2 KA3 3#变频器启动/停止切换AIW3 补水出口压力 Q3.3 KA4 4#变频器启动/停止切换Q3.4 KA5 5#变频器启动/停止切换Q3.5 KA6 6#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 循环水出口压力本科毕业设计（论文）（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/工频两个工人状态，PLC 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原、魏孟新，也需要一个输出端子进行蜂鸣器报警输出。3.3.2 PLC 的模拟量 I/O 口自动控制系统 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 420mA 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 010V 的电压信号。3.4 变频器的配置近 20 年来，以功率晶体管 GTR 为逆变器件、8 位微处理器为核心的、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。变频器 I/O 接口本系统选用的变频器为 ABB 公司的 cs601 系统，针对系统的应用情况可将变频器端口上的信号分为：1 输入信号：控制变频器运行的启停信号 DIIPLC 的 KA1。变频器压力反馈信号 A12 口接远传压力表反馈信号。R.S.T 为电源输入。2 输出信号：（1）RO1：为数字输出口，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。本科毕业设计（论文）整个变频器端子示意图如图 3-1.图 3-1 变频器接线图在此控制系统中，整个信息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整泵的转速。变频器和 PLC 的系，是靠硬件电器的，具体参数的联系都是与上位机的通讯来实现的，选用的 S7200PLC 和 Asc601 变频器均有内置的 Rs485 接口。变频器和 PLC 联系如图 3-2 所示。图 3-2 变频器接线原理图PID变频器内置PIDPLC水泵电机设定值压力传感器出口压力3.5 传感器与变送器这一部分是控制系统的底层，主要完成现场数据采集，预处理和变送等工作，这一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。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。本科毕业设计（论文）3.5.1 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，由与其直接的电子 部件检测，放大转换为 020mA 的倍输出。3.5.2 压力变送器选型压力检测元件采用 E+H 完成那个人 PMC133 型压力变送器，PMC133 型号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 标准和信号。3.5.3 温度传感器选型用 DS18B20 实现多点检测，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，所以我们选用美国的 DALLAS 公司生产的数字输出 IC 温度传感器 DS18B20,其特性如下：（1） 独特的单线接口方式：DS18B20 与微处理器连接时公需要一条口线就可以实现微处理器与 DS18B20r 双向通讯；（2）在使用中不需要任何外围元件；（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0+5.5V；（4）测温范围：-55+125 摄氏度；（5）12 位精度的最大转换时间为 750ms；（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值；（7）支持多点组网功能，多个 DS18B20sk 以并联在唯一的三线上，实现多点测温；（8）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 有两种封装本科毕业设计（论文）模式：3 脚和 8 脚封装，其是 3 脚封装比较常用，我们选 3 脚 TO92 小体积封装。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，选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，直接读完总线上所有的传感器，接着读下一轮。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，总线倍为低时刚由其内部电容供电，在此种方式下 VDD 接地，外加电源方式需要外加电源正负极分别接引脚 VDD 及。本系统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，的测量温度值，能够满足我们实际检测的要求，在实际的工作品应用中，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，以防止水知足，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 DS18B20 为核心组成的多点温度检测系统见图 3-3图 3-3 DS18B20 组成的多点温度检测系统本科毕业设计（论文）第四章 系统的具体设计与实现4.1 补水泵控制部分图 4-1 补水系统方案图在硬件系统中，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输出电源相连，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，所有的控制电机，阀门接触器的动作，都是按照按照 PLC 的程序逻辑来完成的。为了保护，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都阀六的动作，在 PLC 输出端口和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，增加系统工作的可靠性。4.2 循环泵控制部分循环泵控制系统由 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，其他工作循本科毕业设计（论文）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 4-2 所示。图 4-2 循环泵系统电气控制图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#、2#，有变频器控制。使锅炉内水循环达到供暖。当循环泵 1#、2#出现故障时，用备用的循环泵 3#、4#。循环泵 1#、2#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 3#、4#来替代循环泵 1#、2#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。循环框图如图 4-3 所示。图 4-3 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#、2#温度检测是否否循环泵 3#、4#工作是开始返回本科毕业设计（论文）4.3 鼓风机控制部分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。 图 4-4 鼓风机电气图4.4 水位控制系统水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管分别安装在四个不同的位置，实时对锅炉里的水位进行检测。当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开水加水；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。当一台补水泵出现故障时，系统报警，另一台备用的补水泵开始工作。水位控制流程框图如图 4-5 所示。本科毕业设计（论文）4.5 温度控制系统传感器是“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置” ，它通常由敏感元件和转换元件组成。温度传感器 DS18B20 将检测到的温度数据换算出测量温度，即水温。它与设定温度相比较，从而控制继电器的通断即（控制蒸汽电磁阀的通断）及报警系统的开闭。当水温高于设定温度时蒸汽阀关，水温刚低于设定温度时，蒸汽阀并不会立即导通，只有当水温底于设定温度 1 时，蒸汽阀才会导通，给水加热。若水温继续下降，低于设定温度 2 时，报警系统报警。温度控制部分。将检测到的温度分别为室外温度、出水温度、回水温度。它们与设定温度相比较，从而控制继电器的通断即（控制蒸汽电磁阀的通断）及报警系统的开闭。系统框图如 4-6 所示。补水泵 1 有故障吗？水位下限水位吗？开启补水泵 1 进行补水水位检测是否否补水泵 2 工作是开始返回检测水位为上限水位吗？补水泵 1 停止补水是否检测水位为上限水位吗？补水泵 2 停止补水是否图 4-5 水位控制流程图故障报警检测温度在设定值 1？开蒸汽阀检测温度在设定值 2？故障报警否是否是图 4-6 温度控制流程图）开始返回本科毕业设计（论文）4.6 压力控制系统当压力传感器检测到的压力值比设定的压力值大时，停止补水系统和关闭鼓风机。4.7 自动报警锅炉上限极限水位报警，炉内的水位到达上限极限水位时系统发出报警，指示灯亮。锅炉下限极限水位报警，炉内的水位到达下限极限水位时系统发出报警，指示灯亮。锅炉内压力过高报警，压力传感器检测到锅炉内压力高与设定值时发出报警后。循环泵故障报警，当循环泵开启后，出水与回水温度的差值很大，认为循环泵故障，报警系统报警。此部分采用声光报警以便很容易区分哪部分出现问题，便于维修人员及时进行维修。根据报警铃和灯的不同确定哪部分出现问题。本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）第五章 PID 控制原理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）是时间函数，则可以看作比例项，积分项和微分项三部分之和。即：tectct dKMedK/*00)( （5.1）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)(*/(