换热站控制系统设计

换热站控制系统设计 吉林化工学院信控学院专业综合设计说明书 换热站控制系统设计 学生学号 学生姓名 专业班级 指导教师 职 称 起止日期 2016 08 29 2016 09 18 吉林化工学院 Jilin Institute of Chemical Technology 换热站控制系统设计 专专业业综综合合设设计计任任务务书书 一 设计题目一 设计题目 换热站控制系统设计 二 适用专业二 适用专业 测控技术与仪器专业 三 设计目的三 设计目的 1 了解换热机组工艺流程 2 了解温度 压力 液位及流量等工艺参数的信号测量及传输方法 3 掌握 PLC 各种典型信号 二线制 四线制变送器及热电阻 热电偶 接线方法 4 掌握 PID 控制算法及其在 PLC 中的编程和离线仿真及调试方法 5 熟悉自控工程实践设计及应用的一般步骤和实现方法 四 设计任务及要求四 设计任务及要求 某换热站工艺流程如下图所示 一次网进水由热水锅炉加热 经板式换热器与二次网进行换热后再返 回锅炉 二次网循环水由循环泵 P201 加压后进行换热器 加热后进入管网对居民住户进行循环供热 控制要求 1 二次网供水温度 PID 控制 通过一次网调节阀 V101 进行供水温度定值控制 2 二次网供水压力 PID 控制 通过循环泵调频进行供水压力定值控制 3 补水箱水位限值控制 水箱水位小于低限时开补水阀 大于高限时关补水阀 4 二次网回水压力限值控制 回水压力小于低限时启动补水泵 大于高限时停泵 5 连锁控制 选做 水箱水位小于低低限时 补水泵禁止运行 二次网回水压力小于低低限时 循 环泵禁止运行 6 流量 热量累计 选做 增加一次网流量和回水温度仪表 实现流量和热量累计 五 设计内容五 设计内容 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 I 1 总结 IO 点表 并进行 PLC 系统选型 2 设计控制系统 IO 信号接线图纸 3 按上述控制要求编写和设计 PLC 控制程序 4 设计上位机操作画面 包括工艺流程画面 操作画面 趋势及报警等画面 5 撰写设计说明书 六 设计时间及进度安排六 设计时间及进度安排 设计时间共三周 具体安排如下表 周次设 计 内 容设计时间 第一周 熟悉工艺流程和控制要求 总结 IO 点表 查找相关设 计资料 进行 PLC 系统选型 循环泵和补水泵电气控制原 理设计 选做 仪表选型 选做 IO 信号接线设计 基 本 PLC 程序设计 掌握二 四线制及热电阻接线方法 掌 握信号传输与变换直线转换计算 2016 8 29 2016 9 4 第二周 PLC 程序设计 操作画面设计 趋势图和报警画面设 计 选做 仿真调试 学习 PID 控制器基本工作原理 掌 握控制系统离线仿真调试方法 2016 9 4 2016 9 11 第三周 完善程序和画面 撰写专业综合设计说明书 2016 9 11 2016 9 18 七 指导教师评语及学生成绩七 指导教师评语及学生成绩 指导教师评语 2016 年 月 日 成绩指导教师 签字 换热站控制系统设计 II 目 录 第1 章 摘要 1 第2 章 换热站系统的工艺 2 2 1 换热站系统的构成 2 2 2 系统的工艺流程 2 2 3 系统的功能及控制要求 2 第3 章 系统硬件选型 4 3 1 PLC 的选型 4 3 2 I O 点表 4 3 3 电源选型 4 3 4 CPU 选型 5 3 5 数字量输入输出模块选型 5 3 6 硬件选型表 5 第4 章 换热站的接线设计 6 4 1 主回路和二次回路 6 4 2 数字量输入 输出回路 6 4 3 模拟量输入 输出回路 7 第5 章 下位机控制系统设计 8 5 1 分析控制要求 8 5 2 硬件组态 8 5 3 编辑符号表 8 5 4 编辑下位机梯形图程序 9 第6 章 上位机监控画面设计 13 6 1 Wincc 组态软件简介 13 6 2 Wincc 组态软件使用 13 6 3 变量的链接 14 6 4 画面的建立 15 6 5 液位报警画面的建立 17 6 6 变量记录与温度历史趋势 17 6 7 压力实时趋势 18 6 8 PID 仿真调节画面 19 结 论 20 参考文献 21 换热站控制系统设计 0 第 1 章 摘要 随着大规模集成电路和微处理器在 PLC 中的应用 使 PLC 的功能不断得到 增强 产品得到飞速发展 由于 PLC 具有通用性强 使用方便 适应面广 可 靠性高 抗干扰能力强 编程简单等特点 因此 PLC 在工业自动化控制特别是 顺序控制中的地位 在可预见的将来 是无法取代的 备受国内外工程技术人 员和工业界厂商的极大关注 通过 PLC 和上位机对二次网供水管道的压力和二次网回水管道的压力进行 自动监控 同时在 PLC 中采用 PID 算法 从而可以通过控制循环泵和补水泵的 转速来实现恒压控制 同时也通过对二次网供水温度的自动监控 从而通过控 制一次网进水处的调节阀开度来实现恒温控制 实现了换热站系统的自动运行 与人机交互 文中介绍了一种基于 PLC 和 WINCC 的温度自动控制系统方案 针对过程控 制装置中的换热站供水温度控制系统 通过介绍系统软硬件构成及其特点 论 述了 PLC 和 WINCC 如何实现温度监控 实践证明 该系统具有良好的人机界面 能方便地在线修改参数 实现对整个换热系统工艺流程的控制 系统上位机采 用西门子 WINCC 工程组态软件 实现系统启动和停止的控制 参数设定 报警 组态 历史数据查询 报表打印等功能 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 1 第 2 章 换热站系统的工艺 2 1 换热站系统的构成 1 换热站就地监控系统 以 S7 300 控制器为核心 现场的温度 压力 流量 热量 液位 阀门开度 变频器频率 泵的起停状态等传到控制器 由 其进行判断和处理 从而实现现场的就地控制 2 现场仪表和执行机构 包括压力 温度 液位 流量 热量等传感器 和变送器 阀门执行器等执行机构 3 通讯系统 以远程数据网络传输介质 实现中心控制室和换热站就地 监控系统的通讯 以双绞线 以太网 为传输介质 实现中控室内部工作站与 厂区办公管理系统通讯 2 2 系统的工艺流程 某换热站工艺流程如下图所示 一次网进水由热水锅炉加热 经板式换热 器与二次网进行换热后再返回锅炉 二次网循环水由循环泵 P201 加压后进行换 热器 加热后进入管网对居民住户进行循环供热 图 2 1 换热站工艺流程图 2 3 系统的功能及控制要求 本系统的功能可分为监视功能和控制功能 本系统的功能可分为监视功能和控制功能 1 监视功能主要包括 数据处理和数据显示两部分 2 控制功能主要包括 对循环泵及补水泵的控制 以及一次网调节阀开 度和二次网补水阀启停的控制 控制要求 控制要求 换热站控制系统设计 2 1 二次网供水温度 PID 控制 对二次网供水温度实时监控 通过对二 次网供水温度的 PID 运算 调节一次网调节阀 V101 的开度 从而进行供水温 度定值控制 2 二次网供水压力 PID 控制 对二次网供水压力实时监控 通过对二 次网供水压力的 PID 运算 控制变频器输出频率 间接地控制水泵的转速 从 而进行供水压力的定值控制 3 补水箱水位限值控制 通过液位变送器对水位实时监测 水当箱水 位小于低限时开补水阀 大于高限时关补水阀 4 二次网回水压力限值控制 通过压力变送器对二次网回水压力实时 监测 当回水压力小于低限时启动补水泵 大于高限时停泵 5 连锁控制 水箱水位小于低低限时 补水泵禁止运行 二次网回水 压力小于低低限时 循环泵禁止运行 6 流量 热量累计 增加一次网流量和回水温度仪表 实现流量和热量 累计 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 3 第 3 章 系统硬件选型 3 1 PLC 的选型 在本控制系统中 所需的开关量输入为 6 点 分别为补水泵的启动 停止 运行 故障和循环泵的运行 故障 所需的开关量输出为 2 点 分别为补水泵 启动 补水阀启动 考虑到系统的可扩展性和维修方便性 选择模块式 PLC S7 300 PLC 一般包括 CPU 中央处理单元 存储器 输入输出接口 电 源等 3 2 I O 点表 表 3 1 IO 点表 序号IO 标识中文说明IO 类型PLC 地址量程 1V101 调节阀开度控制 AOPQW2880 100 2V101 调节阀开度反馈 AIPIW2560 100 3V102 补水阀启动 DOQ0 0 4P201 循环泵频率控制 AOPQW2900 50HZ 5P201 循环泵频率反馈 AIPIW2580 50HZ 8P201 循环泵故障 DII0 2 9P201 循环泵运行 DII0 3 10P201 循环泵启动 DOQ0 1 11P202 补水泵启动 DII0 4 12P202 补水泵停止 DII0 5 13P202 补水泵故障 DII0 6 14P202 补水泵运行 DII0 7 15P202 补水泵启动 DOQ0 2 16PT101 一次网进水压力 AIPIW2600 1 0Mpa 17TT101 一次网进水温度 AIPIW262 18PT201 二次网回水压力 AIPIW2640 1 0Mpa 19TT201 二次网回水温度 AIPIW266 20PT202 二次网供水压力 AIPIW2680 1 0Mpa 21PT202 二次网供水温度 AIPIW270 22LT 补水箱水位 AIPIW2720 5m 3 3 电源选型 24V 直流传感器电源可以作为 CPU 本机和数字量扩展模块的输入 扩展模 块 如模拟量模块 的供电电源以及外部传感器电源使用 如果容量不能满足 所有需求 则必须增加外部 24V 直流电源 此系统选用 PS307 5A 型号为 6ES7 换热站控制系统设计 4 307 1EAO1 0AA0 3 4 CPU 选型 300PLC 中 CPU 作为整个控制系统的核心 主要有运算器 控制器 寄存器 及实现它们之间联系的地址总线 数据总线和控制总线构成 此外还有外围芯 片 总线接口及有关电路 由于本系统的设计中用到了变频器 考虑到变频器 与 PLC 的 PROFIBUS 通讯 所以选择 CPU 6ES7 315 2EH14 0AB0 3 5 数字量输入输出模块选型 输入模块和输出模块通常称为 I O 模块或 I O 单元 PLC 的对外功能主 要是通过各种 I O 接口模块与外界联系而实现的 输入模块和输出模块是 PLC 与现场 I O 装置或设备之间的连接部件 起着 PLC 与外部设备之间传递信息 的作用 通常 I O 模块上还有状态显示和 I O 接线端子排 以便于连接和监 视 由于所需的开关量输入为 6 点 所需的开关量输出为 2 点 所以选择 16 点 输入的 DI 模块和 16 点输出的 DO 模块即可 多余的 I O 点用来备用和扩展 因 此选择数字量输入型号为 6ES7 321 1BH00 0AA0 数字量输出型号为 6ES7 322 1BH00 0AA0 由于所需的模拟量输入为 9 路 所需的开关量输出为 2 路 所以选择两个 8 路输入的 DI 模块和一个 8 路输出的 DO 模块即可 多余的用来备用和扩展 因此选择模拟量输入型号为 6ES7 331 1KF02 0AB0 数字量输出型号为 6ES7 332 5HF00 0AB0 3 6 硬件选型表 为使系统安全可靠的运行 在进行硬件结构设计时 应充分了解各硬件设 备的工作原理 以便选择合适的型号 如表 3 2 所示 表 3 2 硬件选型表 序列符号名称型号 规格个数 1CPUCPU6ES7 315 2EH14 0AB01 2PS 电源模块 5A 6ES7 307 1EA01 0AA01 3DI 数字量输入模块 16 位 6ES7 321 1BH00 0AA01 4DO 数字量输出模块 16 位 6ES7 322 1BH00 0AA01 5AI 模拟量输入模块 8 路 6ES7 331 1KF02 0AB02 6AO 模拟量输出模块 8 路 6ES7 332 5HF00 0AB01 7QS 三相空气开关 1 8FU 熔断器 1 9KM 交流接触器 CJX2 092 10KH 热继电器 AC380V2 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 5 11KA 继电器 MY4N J4 13SB 按钮 LA586 14SA 转换开关 LA391 第 4 章 换热站的接线设计 4 1 主回路和二次回路 补水泵和循环泵都是由三项 380V 电压供电 经总空开 QS1 供电 通过交流 接触器 KM1 控制补水泵的启停 通过 KM2 控制变频器的启停 通过控制变频器 的频率来控制循环泵的转速 二次回路中包括 本地的手动操作和远程 PLC 控制 手动控制时 即按下 SB1 交流接触器吸合 使补水泵启动 按下按钮 SB2 交流接触器断开 补水泵 停止工作 循环泵的控制同理 远程控制时由 PLC 程序进行处理 通过 Q 点输 出给中间继电器 从而控制泵的启停 图 4 1 主控制回路图 4 2 二次回路 换热站控制系统设计 6 4 2 数字量输入 输出回路 数字量输入信号主要包括 补水泵启动信号 I0 0 停止信号 I0 1 以及补 水泵反馈信号运行及故障 循环泵运行和故障 数字量输出信号主要包括 变 频器的启动命令 Q0 1 补水泵的启动命令 Q0 2 以及补水阀的启动命令 Q0 0 图 4 3 数字量输入输出回路 4 3 模拟量输入 输出回路 模拟量输入主要包括扩 一次网进水压力及温度 二次网供水压力及温度 二次网回水压力及温度 变频器频率反馈 以及调节阀开度反馈 模拟量输出 主要包括 调节阀来读的控制 以及比拼其频率的控制 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 7 图 4 4 模拟量输入输出回路 第 5 章 下位机控制系统设计 5 1 分析控制要求 通过分析控制任务要求 本系统要对温度 压力 变频器和调节阀的反馈 量进行采集 对变频器和调节阀的 PID 调节 以及简单的离散逻辑控制 所以 为了使程序更清晰 编程时调用了多个功能块 其中温度采集 FC1 逻辑控制 FC2 压力采集 FC3 变频器和调剂发反馈 FC4 液位采集 FC5 以及模拟量输 出 FC6 所以设计程序时 OB1 中只对子程序进行调用 其中的 PID 要在 OB35 中 进行调节 5 2 硬件组态 根据选型在 SIMATIC300 站点进行硬件组态 如图 5 1 所示 换热站控制系统设计 8 图 5 1 硬件组态 5 3 编辑符号表 定义符号地址 为相应的 I O 点编辑符号 如图 5 2 所示 图 5 2 符号表 5 4 编辑下位机梯形图程序 根据工作过程编辑梯形图 1 利用 FC105 将由模拟量采集模块采集并转换为 0 27648 的数字 量转换为实际的压力值 程序如下 图 5 3 压力采集 2 将模拟量采集的温度值 进行由整形到长整形的变换 再有长整形转 变为浮点数 最后进行浮点数的运算 即将采集值除以 10 得到实际的温度值 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 9 图 5 4 温度采集 3 将 PID 运算之后的值送到 FC106 中 经过 FC106 的转换将实际的频率 转换为 0 27648 的数字量 再由模拟量输出模块将这个数字量转换为模拟信 号输出 图 5 5 模拟量输出 4 对进水阀的控制分为 通过上微机操作画面手动控制 和自动控制 换热站控制系统设计 10 图 5 6 进水阀启动停止控制 通过对补水箱水位的实时监控 将采集的液位值与设定的液位值上限进行 较 如果采集值大于设定值则关闭进水阀 同理将采集的液位值与设定的液位 下限比较 如果采集值小于设定值则打开进水阀 图 5 7 液位控制 5 对进水泵的控制分为 通过上位机画面手动控制 和通过按钮启停 和自动控制 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 11 图 5 8 补水泵启动停止控制 通过对二次网回水压力的实时监控 将采集的压力值与设定的压力值上限 进行较 如果采集值大于设定值则关闭补水泵 同理将采集的压力值与设定的 压力下限比较 如果采集值小于设定值则打开补水泵 图 5 9 压力控制 6 二次网供水压力和温度的 PID 调节 PID 调节要用到 PID 调节块 FB41 将由 FC105 转换后的压力 温度值直接送给 FB41 的过程值 PV 然后将 FB41 的输出值送给 FC106 FC106 转换后经模拟量输出模块作用到变频器和调 节阀上 调节过程只需给定一个设定值 SP 通过调解比例和积分 可将输出值 调节到 SP 换热站控制系统设计 12 如图为一个 PID 仿真程序 图 5 10 PID 控制 第 6 章 上位机监控画面设计 6 1 Wincc 组态软件简介 西门子视窗控制中心 SIMATIC WinCC Windows Control Center 是 HMI SCADA 软件中的后起之秀 1996 年进入世界工控组态软件市场 当年就被 美国 Control Engineering 杂志评为最佳 HMI 软件 以最短的时间发展成第三 个在世界范围内成功的 SCADA 系统 而在欧洲 它无可争议的成为第一 WinCC 基本系统是很多应用程序的核心 它包含以下九大部件 1 变量管理器 变量管理器 tag management 管理 WinCC 中所使用的外部变量 内部变 量和通讯驱动程序 2 图形编辑器 图形编辑器 graphics designer 用于设计各种图形画面 3 报警记录 报警记录 alarm logging 负责采集和归档报警消息 4 变量归档 变量归档 tag logging 负责处理测量值 并长期存储所记录的过程值 5 报表编辑器 报表编辑器 report designer 提供许多标准的报表 也可以设计各种格 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 13 式的报表 并可按照预定的时间进行打印 6 全局脚本 全局脚本 global script 是系统设计人员用 ANSI C 及 Visual Basic 编写的代码 以满足项目的需要 7 文本库 文本库 text library 编辑不同语言版本下的文本消息 8 用户管理器 用户管理器 user administrator 用来分配 管理和监控用户对组态和 运行系统的访问权限 9 交叉引用表 交叉引用表 cross reference 负责搜索在画面 函数 归档和消息中所 使用的变量 函数 OLE 对象和 ActiveX 控件 6 2 Wincc 组态软件使用 第一步 新建单用户项目 如图 6 1 所示 第二步 选择存储位置 项目命名后完成创建 图 6 1 新建单用户项目 在变量管理处右键添加新的驱动 找到 SIMATIC S7 Protocol Suite 添加 在属性里面选择 MPI 的地址写下 这样就能与下位机实现仿真连接 如图 6 2 换热站控制系统设计 14 图 6 2 添加驱动 6 3 变量的链接 右键 MPI 添加新的驱动链接 为了能与下位机建立连接 如图 6 3 6 4 点 击属性设置插槽号为 2 然后建立与下位机实现通讯仿真的变量 根据下位机 的符号表 一次建立变量 如果变量较多 为了方便实用也可以建立变量组 如 DI 代表数字量输入变量组 DO 代表数字量输出组 M 代表中间标志位 或者中间变量 等 然后针对不同类型的变量按照符号表就行变量的建立 建立 结果如下图 6 5 图 6 3 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 15 图 6 4 设置插槽号 图 6 5 变量建立 6 4 画面的建立 在图形编辑器下 分别建立所需的画面 此系统需要一个主界面 一个工 艺流程画面 一个报警画面 一个温度历史趋势画面 一个压力实时趋势画面 两个 PID 调节画 面画面显示如下图 6 6 图 6 6 工艺画面 换热站控制系统设计 16 现场采集的信号经过转换后进行 PID 运算 过程值和设定值进行比较 调 节 使 PID 的输出值接近或等于设定值 PID 分自动和手动两种模式 在手动 模式下 使用手动选择的值更正操作变量 自动模式下依据相关设置进行自动 调节 以 PID 温度调节画面为例 如图 6 7 所示 图 6 7 PID 压力调节 手动点击泵或阀 会弹出手动操作对话框 点击手自动切换开关 切换到 手动 通过启停按钮可以控制泵或阀的启停 图 6 8 补水泵和进水阀手动操作画面 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 17 6 5 液位报警画面的建立 首先双击打开 在栏中选中 在中勾 选添加 然后在下新建 选择要监视 的变量 此工程为补水箱液位 二次网供水温度温度 二次网供水温度压力 最后在液位 温度 压力下建立上 下限报警 当高于上限或低于下限时都会 产生报警 图 6 9 报警画面 6 6 变量记录与温度历史趋势 双击 右键单击归档向导 按照归档向导依次组态一次网进水 温度 二次网供水温度 二次网回水温度这三个变量 建立好变量记录后 组 态历史趋势如图 图 6 10 温度趋势 换热站控制系统设计 18 6 7 压力实时趋势 组态实时趋势曲线时 只要将在线变量连接组态趋势中即可 其中主要对 一次网进水压力的 二次网供水压力 二次网回水压力的组态 图 6 11 压力趋势 6 8 PID 仿真调节画面 如下图以二次网供水温度为例 手动设定一个温度值 SP 过程值 PV 会向 设定值设定值 SP 调节 通过设定比例和积分 调出合理曲线 图 6 12 PID 调节画面 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 19 结结 论论 应用 PLC 作为主控制器设计换热站控制系统 完成二次网供水恒压和恒温 的工艺 通过专业综合设计 使我们的综合素质和动手能力有所提高 能够真 正做