基于PLC的水暖锅炉控制系统改造设计

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、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。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，操作人员也随时可以通过操作台，了解现场每台锅炉的运行状况，对风机、水 泵等电机进行启停控制。关键词：锅炉控制，变频器，PLC1The design of heating boiler auto control reformation system based on PLC technologyAbstractIn 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 technology2目 录1 绪论 .12 供暖锅炉改造设计思路 .12.1 供暖锅炉改造设计要求 .12.2 锅炉系统的结构 .22.3 整体方案选择 .23 变频调速在供暖锅炉控制中的应用 .33.1 变频调速基本原理 .33.2 变频调速在供暖锅炉系统中的应用 .44 锅炉控制系统总体设计 .44.1 系统功能分析 .44.2 总体设计思路 .54.3 系统结构 .55 系统硬件设计 .65.1 可编程控制器 PLC 的选型 .65.2 PLC 配置 .65.3 I/O 接线 .85.4 变频器配置 .85.5 传感器与变送器 .95.5.1 压力变送器工作原理 .105.5.2 压力变送器选型 .105.5.3 温度传感器选型 .106 系统构成 .116.1 补水泵控制系统 .116.2 循环泵控制系统 .136.3 燃烧控制系统 .147 PID 控制原理 .158 程序设计 .188.1 主程序设计 .148.2 子程序设计 .149 结束语 .26致谢 .26参考文献 .2611 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2(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3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)pSfSn/)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)%100ns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u2f2VVVF4(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。5(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65 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 12K 24 点14I/10OCPU 224XP CN数字量扩展单元S7-200 端子型 24VDC 24VDC 继电器 32 点16I/16OEM223 CN模拟量扩展单元S7-200 端子型 24VDC 5 点4I/1O EM235 CN5.2 PLC配置5.2.1 PLC的开关量输入、输出点7PLC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I0.0 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(1)输入端口8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。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。9PE R S TPE U V WDI1+24VAI2+AI2-PLC接电机KA1变频器内置 PID3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设定值10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 0.062512 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11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。GNDDQVC CR 15 .1 KVC C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12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。13A1 A2M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F R 1P EQ F 1K M 1变频器K M 2Q F 2 Q F 3K M 32 # 补水泵P E3 # 补水泵F R 3P EQ F 4K M 4变频器K M 5Q F 5F R 2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。14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F R 5P EQ F 7K M 7变频器K M 8Q F 8 Q F 9K M 92 # 循环水泵P E3 # 循环水泵F R 7P EQ F 1 0K M 1 0变频器K M 1 1Q F 1 1 Q F 1 2K M 1 24 # 循环水泵F R 8P EF R 6图 10 循环泵系统电气控制图156.3 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。F R 9K M 1 3P EQ F 1 3变频器F R 1 0P EQ F 1 4K M 1 4变频器M 1M 2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）dteKcMedtKctM/)(00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）nnsindin=c(S-V)+cT/(SP-V)+XKcT/(SP-V)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16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17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18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