基于PLC的换热站控制系统设计说明书

吉林化工学院信控学院专业综合设计说明书基于PLC的换热站控制学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职 称： 起止日期：2016.8.292016.9.18 吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology专业综合设计任务书一、设计题目 换热站控制系统设计二、适用专业 测控技术与仪器专业三、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。 2016.9.42016.9.11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指导教师评语：2016年 月 日成绩指导教师(签字)：目 录专业综合设计任务书I第一章 绪论1第二章 换热站的介绍及设计简介22.1 换热站的简介22.2 换热站控制系统的构成与工艺流程图22.3 换热站控制系统的组成22.3.1 换热器22.3.2循环水泵32.3.3 阀门32.3.4 温度计、压力表32.3.5 PLC S7-30032.4 系统总体设计方案思路42.5 该方案要实现的控制功能4第三章 换热站控制系统硬件设计53.1 IO点表与PLC的选型53.1.1 I/O点表的确定53.1.2 PLC的选型63.2 PLC的接线图63.2.1 开关量输入63.2.2 开关量输出73.2.3 模拟量输入73.2.4 模拟量输出83.2.5主回路8第四章 换热站控制系统下位机设计104.1 压力信号数值转换104.2 温度信号数值转换104.3 PID控制104.4 实型-整型的转换114.5 循环泵控制程序124.6 补水泵控制程序134.7 补水箱水位控制程序134.8二次回水补水控制程序14第五章 换热站控制系统上位机设计155.1 WinCC软件的简介155.2 WinCC 组态软件的使用155.2.1 创建新项目155.2.2 与下位机仿真连接165.2.3 创建连接变量165.2.4 画面的建立17第六章 系统的调试196.1 运行下位机系统196.1.1 打开仿真器196.1.2 下载程序196.1.3 运行结果206.2 运行上位机系统206.2.1 打开上位机206.2.2 运行结果21实习总结22参考文献23- I -吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书第一章 绪论可编程控制器（PLC）在国内各行各业的应用极其广泛，随着科技的发展，plc的开发与应用把各国的工业推向自动化、智能化。强大的抗干扰能力使它在工业方面取代了微型计算机，方便的软件编程使他代替了继电器的繁杂连线，PLC的灵活、方便，效率高使它走进人们的各个生活领域。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。在传统的供热模式下，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，人工调节必然存在较大偏差，只能够根据经验达到粗调节，不能够使居民室内温度恒定。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。换热站是十九世纪末期，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。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。第二章 换热站的介绍及设计简介2.1 换热站的简介换热站按供热形式分直供站和间供站，前者是电厂直接供用户，温度高，控制难，浪费热能。是最初电厂余热福利供热的产物。后来开始收费，才有热力公司。随着商品经济发展，热商品化，热力公司开始提高供热质量，才有间供站，这属于集中供热。还有锅炉供热，省掉电厂环节，但是效率低，污染大已近淘汰。集中供热是发展方向，间供站为主。2.2 换热站控制系统的构成与工艺流程图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。换热站与热用户的连接方式为间接连接方式，即一次供水与二次供水分开，如图所示：图2-1 地热低区控制系统工艺流程图2.3 换热站控制系统的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。2.3.1 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。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。2.3.2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。2.3.3 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。2.3.4 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。2.3.5 PLC S7-300可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：电源可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去中央处理单元(CPU)中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。输入输出接口电路1现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。2现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。功能模块如计数、定位等功能模块。2.4 系统总体设计方案思路换热站控制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。PLC可以根据室外温度传感器测量的室外温度对一次供气量进行控制，以达到对二次供水温度进行控制，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。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。2.5 该方案要实现的控制功能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：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。第三章 换热站控制系统硬件设计3.1 IO点表与PLC的选型3.1.1 I/O点表的确定I/O点表的意思是现场需要采集的点数，分开关量输入、输出，模拟量输入、输出。以此来配置PLC需要多少I/O模块。事先把点表定义好也是给后面写程序提供方便的。表3-1 I/O点表序号IO标识中文说明IO类型PLC地址备注量程1V102补水阀启动DOQ0.02P201循环泵启动DII0.03P201循环泵停止DII0.14P201循环泵故障DII0.25P201循环泵运行DII0.36P201循环泵启动DOQ0.17P202补水泵启动DII0.48P202补水泵停止DII0,59P202补水泵故障DII0.610P202补水泵运行DII0.711P202补水泵启动DOQ0.212V101调节阀开度反馈AIPIW2562线制，4-20mA13P201循环泵频率反馈AIPIW2582线制，4-20mA14PT101一次网进水压力AIPIW2602线制，4-20mA0-1.6MPa15PT201二次网回水压力AIPIW2622线制，4-20mA0-1.6MPa16PT202二次网供水压力AIPIW2642线制，4-20mA0-1.6MPa17LT补水箱液位AIPIW2660-5m18TT101一次网进水温度AIPIW268热电阻3线制接法19TT201二次网回水温度AIPIW270热电阻3线制接法20TT202二次网供水温度AIPIW272热电阻3线制接法21V101调节阀开度控制AOPQW28822P201循环泵频率控制AOPQW2903.1.2 PLC的选型不同型号的PLC的结构形式、性能、容量、质量系统、编程方式和价格等各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理的选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。表3-2 PLC的选型序号型号名称数量备注16ES7 331-1KF02-0AB0模拟量输入模块(8路)126ES7 332-5HF00-0AB0模拟输出模块(8路)136ES7 307-1EA01-0AA0电源模块(5A)146ES7 315-2EH14-0AB0CPU315-PN/DP, 128K内存156ES7 953-8LG11-0AA0SIMATIC Micro内存卡64KByte(MMC)166ES7 392-1AJ00-0AA020针前连接器276ES7 392-1AM00-0AA040针前连接器286ES7 390-1AE80-0AA0导轨(480mm)19控制柜8006002200110继电器1611开关电源24V/150W112柜内附材（信号线、端子排、线槽等）若干3.2 PLC的接线图3.2.1 开关量输入信号从+24V流出，从各输入端口流入，控制循环泵和补水泵的运行。图3-1 开关量输入cad图3.2.2 开关量输出信号从外接电源+24V的“+”端流入开关量输出模块的“L+”端，从各输出端口流出，最后流入“com”端口，控制补水阀、循环泵、补水泵的启动线圈。图3-2 开关量输出CAD图3.2.3 模拟量输入将各传感器采集来的模拟量信号转变成数字量信号，以供PLC进行存储和运算等操作。图3-3 模拟量输入CAD图3.2.4 模拟量输出将PLC运算后的数字信号转变成模拟信号，输出到各控制器件，完成软件对硬件的控制操作。图3-4 模拟量输出CAD图3.2.5 电器控制原理当总开关闭合，控制系统开始供电，电源指示灯L0亮，指示电源正常供电。当按下SB1按钮时，循环泵控制线圈吸合，循环泵开始工作，并完成自锁，持续运行，循环泵运行指示灯L1亮，指示循环泵正常运行。当热继电器断电保护时，常闭触点断开，循环泵停止运行，L1灭，常开触点闭合，循环泵故障指示灯L2亮，指示循环泵故障，；当按下SB2按钮时，补水泵控制线圈吸合，补水泵开始工作，并完成自锁，持续运行，补水泵运行指示灯L3亮，指示补水泵正常运行。当热继电器断电保护时，常闭触点断开，补水泵停止运行，L3灭，常开触点闭合，补水泵故障指示灯L4亮，指示补水泵故障。图3-5 主回路CAD图图3-6 控制回路CAD图第四章 换热站控制系统下位机设计4.1 压力信号数值转换将采集来的压力和液位信号利用FC105进行整型值-实型值的转换公式：OUT = (FLOAT (IN) - K1)/(K2 - K1) * (HI_LIM - O_LIM) + LO_LIM常数K1和K2根据输入值是BIPOLAR还是UNIPOLAR设置BIPOLAR：假定输入整型值介于-27648与27648之间，因此K1 = -27648.0，K2 = +27648.0UNIPOLAR：假定输入整型值介于0和27648之间，因此K1 = 0.0，K2 = +27648.图4-1 压力信号数值转换4.2 温度信号数值转换对采集来的温度信号进行整型-长整型-浮点数的转换，然后进行浮点数运算。将采集来的参数除以10，就是实际温度。图4-2 温度信号数值转换4.3 PID控制利用PID通过持续的输入和输出变量来控制工艺过程。可以使用连续控制器作为PID固定设定值控制器或在多循环控制中作为层叠、混料或比率控制器。该控制器的功能基于使用模拟信号的采样控制器的PID控制算法，必要时可以通过加入脉冲发生器阶段进行扩展，为使用成比例执行机构的两个或三个步骤控制器生成脉冲持续时间调制输出信号。图4-3 PID控制器4.4 实型-整型的转换将实型值利用FC106进行实型-整型的转换公式：OUT = (IN - O_LIM)/(HI_LIM - O_LIM) * (K2 - K1) + K1，并根据输入值是BIPOLAR还是UNIPOLAR设置常数K1和K2。BIPOLAR：假定输出整型值介于-27648和27648之间，因此，K1 = -27648.0，K2 = +27648.0UNIPOLAR：假定输出整型值介于0和27648之间，因此，K1 = 0.0，K2 = +27648.0图4-4 实型-整型转换4.5 循环泵控制程序利用“启-保-停”程序控制循环泵的启停，并用指示灯指示循环泵运行状态。图4-5 循环泵控制4.6 补水泵控制程序利用“启-保-停”程序控制补水泵的启停，并用指示灯指示补水泵运行状态。图4-6 补水泵控制4.7 补水箱水位控制程序当补水箱液位小于0.5m时开启补水阀，当液位大于4.5m时关闭补水阀。图4-7 补水箱水位控制4.8二次回水补水控制程序当二次回水压力不足0.3MPa时开启补水泵，当压力高于1.0MPa时关闭补水阀。图4-8 二次回水补水控制第五章 换热站控制系统上位机设计5.1 WinCC软件的简介SIMATIC WinCC(Windows Control Center)-视窗控制中心，它是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。一方面，是其高水平的创新，它使用户在早期就认识到即将到来的发展趋势并予以实现；另一方面，是其基于标准的长期产品策略，可确保用户的投资利益。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。5.2 WinCC 组态软件的使用5.2.1 创建新项目第一步，新建单用户项目，如图5-1所示。第二步，选择存储位置，项目命名后完成创建。图5-1 新建单用户项目5.2.2 与下位机仿真连接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4-2。图5-2 添加驱动程序5.2.3 创建连接变量右键MPI添加新的驱动链接，建立与下位机实现通讯仿真的变量，根据下位机的符号表，依次建立变量，建立结果如下图5-3。图5-3 变量建立5.2.4 画面的建立在图形编辑器下，分别建立所需要的画面，此系统需要一个用户登陆画面，一个工艺流程画面。画面显示如下图5-4、5-5。图5-4 用户登录界面图5-5 工艺流程界面第六章 系统的调试6.1 运行下位机系统6.1.1 打开仿真器点击打开仿真器，插入要观察的变量如图6-1所示图6-1 仿真器6.1.2 下载程序将程序下载到仿真器中，如图6-2所示图6-2 下载程序6.1.3 运行结果点击RUN-P按钮，运行系统，输入数据，观察各数据情况，如图6-3所示图6-3 下位机系统运行结果6.2 运行上位机系统6.2.1 打开上位机打开WinCC软件，进入图形编辑窗口，点击运行系统，如图6-4所示图6-4 上位机系统的运行6.2.2 运行结果待画面加载完毕后，观察上位机数据显示，如图6-5所示图6-5 上位机运行结果实习总结本次设计是基于PLC的换热站控制，首先非常感谢曹老师对我的指导与帮助。在设计