plc在供暖锅炉控制系统中的应用设计

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www.88doc88.com论文（设计）题目PLC在供暖锅炉控制系统中的应用学生姓名：所在院系：机电学院所学专业：应用电子技术教育导师姓名：完成时间：www.yanziedu.com www.88doc88.com摘要本文是基于PLC的水暖锅炉控制应用的设计，主要采用温度传感器来采集锅炉水温信号，用水位传感器来采集锅炉水位信号，用变频器来控制循环泵的转速，并把这些信号通过模数转换送给PLC(ProgrammableLogicController),与PLC内部设定的参数进行比较，以判断是否需要进行相应的操作，从而实现PLC的自动控制的目的。其中在温度控制中，根据温度传感器检测的室外温度和出回水温度差，对温度进行控制，现室内温度的恒定;在补水泵控制中，用高亮二极管和光敏三极管配对使用检测水位既准确又无污染，避免了水资源的浪费；在循环泵控制中，用两台循环泵工作，当其中一台出现故障时，报警系统发出报警信号，PLC接收到信号后另一台循环泵自动工作。该系统精度高，具有良好的人机交互功能，采用PLC控制供暖锅炉具有可靠性高，抗干扰能力强、控制系统简单易懂、维修方便等优点。关键词：可编程控制器（PLC），传感器，变频器，报警，自动控制www.yanziedu.com www.88doc88.comAPPLICATIONOFPLCINHEATINGBOILERCONTROLLEDSYSTEMAbstract：ThetextbasescontrollerofPLCwaterheatingofaboiler,whichmostlyadoptstemperaturetransducertocollectsignalofboilerwatertemperature,adoptsw-aterleveltransducertocollectsignalofboilerwaterlevel,makesuseoftransducerc-ontrollingrotatespeedofcirculationpumpandsendsthesignalstoPLC(Programm-ableLogicController)withmodulusdiversion.Then,thesignalscomparewithpara-meterofenactmentinsideofPLC,inordertojudgewhetherPLCneedtoputuprele-vantoperation,andthatrealizeauto-controlofPLC.Therearefourpartsinthedesignwhichmakeupoftheboilertemperaturecontroller,thewaterpumpcontroller,thecir-culatepumpcontrollerandthedealingwithtrouble.Inboilertemperaturecontroller,thenumericalvalueoftemperaturemayrandomlychangeaccordingasthedifferents-eason.Ifituseinthesmallerarea,itcanadjustatanymomentaccordingtorequirem-ent.Inthewaterpumpcontroller,itusemorelightnessdiodeandphotosensitivedyna-trontomeasurewaterlevel.Thismethodisnotonlyprecisebutalsocleanlyandavoi-dingwasteresource.Inthecirculatepumpcontroller,therearetwocirculatepump,ifoneisintrouble,thealarmislighttheotherswillbeautoworkingwhenitreceivesth-esignal.ThedesignadoptPLCtocontrol,itishigherdependabilityandbiggerconve-nienceevenifitalsonaturalworkingintheverybadlyenvironmentandhavemanyf-unctionsofthecomputer.Thecontrollersystemissimpleandconveniencetomend.Keywords:ProgrammableLogicController(PLC),sensor,transducer,alarm,Aut-o-controlwww.yanziedu.com www.88doc88.com目录1绪论52系统设计方案52.1系统具体设计方案52.2系统工作原理63系统硬件部分配置73.1PLC的配置73.2变频器配置73.3电动调节阀配置83.4手动阀配置83.5传感器配置83.6通讯接口93.7配电器94系统的具体设计与实现94.1温度控制部分104.2补水控制部分104.3循环泵部分114.4手动/自动切换部分124.5报警与保护125系统软件的实现135.1I/O口的分配135.2初始化子程序部分146结束语16谢辞16参考文献16www.yanziedu.com www.88doc88.com1绪论20世纪60年代，供暖锅炉控制的过程主要是继电器控制系统，但继电器控制存在着很多的缺陷。它利用布线组成各种逻辑来实现各种控制，需要使用大量机械触点，可靠性不高，当改进生产设备时要改变大量的硬件接线，甚至重新布置系统，耗费大量的人力物力，花费很多时间。它的功能只能限制于一般的布线逻辑定时并且体积一般比较庞大、生产周期长。在目前应用的锅炉供暖循环和补水系统中,大都存在着能耗大、稳定性不高、操作劳动强度大的问题,造成了极大的资源浪费。针对这一系列问题,采用PLC控制的变频调速系统对其进行改造,对循环泵、补水泵进行自动控制,稳定性得到很大提高,节能效果显著，并且循环泵电机实现软启动,补水泵电机实现软启、软停,减少了对电器和机械的冲击,延长了其使用寿命,有效地减少了维护量。PLC在供暖锅炉的控制有着十分重要的作用，它有通用性强、安装简单、维修方便、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。2系统设计方案2.1系统具体设计方案加热模块温度检测模块水位检测模块加水模块显示模块循环模块图1系统框图PLC本系统的主要组成部分有:温度和水位控制部分功能,循环控制部分,故障报警部分。组成框图如图1所示。循环泵部分,循环系统有2台75kW循环泵,互为备用只能分别通过自耦变压器投入运行,即能进行台数控制;并且现场的操作人员往往对循环系统的理解有一定误区,甚至在每个采暖期的10月下旬和来年的4月上旬的白天压火停炉期间仍投入1台或数台循环泵工频运行,造成巨大的电能浪费。循环系统的作用就是将锅炉燃烧系统产生的热量传递出去,锅炉若不产生热量也就没有循环的必要。若使循环系统的功率投入多少能随锅炉产生的热量多少进行动态闭环调节,www.yanziedu.com www.88doc88.com必将有良好的节能效果。补水部分,补水系统有2台7.5kW补水泵,互为备用,根据水位传感器检测到的水位确定PLC给执行怎样做,这样控制精度高并且使系统更安全、可靠。温度控制部分,当室外温度低于设定的值时，需要开气引风机和加快循环泵的转速，否则不需要；当水温在设定范围内，自动运行。当水温不在设定范围内，需要开引风机和加煤，这样可节省不必要的浪费。2.2系统工作原理现场工作站框图为现场工作提供了极大的便利条件。框图如图2所示。模拟量输入开关量输入A/DD/A可编程控制器（PLC）模拟量输出开关量输出人机界面图2工作站框图在循环系统中,锅炉出水温度和回水温度的差称为锅炉温差,温差升高,表明锅炉产生的热量增多,需要循环泵将热量及时送给供暖负荷;反之,锅炉温差降低,表明锅炉燃烧系统产生的热量减少,循环泵的出力也应随之减小,以避免能源浪费。对循环泵通过PID调节完成恒温差的闭环控制.以锅炉的实际温差作为PID的反馈,以目标温差作为PID的给定,PID的输出作为变频泵的频率运行信号。循环泵的转速及运行台数随锅炉燃烧系统产生的温差而动态闭环调节。在锅炉燃烧的初始阶段因出回水温差为0,即给定值大于反馈值,循环泵不运行,随着锅炉产生热量的增加,出回水温差增加,当其超过给定温差值时,循环泵开始工作。当循环泵1出现故障时，出回水温差特别大，循环故障报警,循环泵2投入使用。在补水系统中,选择1台泵进行调速,另1台备用,当水位传感器检测到下限水位，开启补水泵；检测到上限水位，关闭补水泵；检测到下下限水位，系统报警；检测到上上限水位，系统报警。当补水泵1出现故障时，报警系统报警,补水泵2投入使用。在温度控制中，用温度传感器检测室外温度，将温度值送入PLC，来判断是否需要供暖。用锅炉内的温度传感器检测的温度值即水温与PLC内部设定值比较，www.yanziedu.com www.88doc88.com当在设定的温度范围以内，则不需要开引风机和加煤；当温度不在设定的范围之内，就需要开引风机和加煤，来达到加热水温的目的。3系统硬件部分配置整个供暖控制系统由可编程序控制器(PLC)、变频器1台、传感器9台（室外温度、出水温度、回水温度、锅炉水温、下下限水位、下限水位、上限水位、上上限水位、锅炉压力）、2台循环电机和2台补水电机、引风机、送煤机等设备组成。3.1PLC的配置本系统采用了松下公司的FPO系列PLC，由于它的模块化设计为适应具体的应用提供了极大的灵活性，便于扩展功能，有效的提高了系统的经济性。FPO-C32的主要功能有：◆快速的中央处理运算能力，极丰富的编程指令集，操作便捷，易于掌握。◆强大的通讯能力，丰富的扩展模块，系统设计与调试周期短。FPO-C32CPU集成了丰富的内置功能：◆高速计数器输入，短暂脉冲捕捉功能，高速脉冲输出。◆I/O硬件中断事件，特殊功能相关的中断功能。◆支持多种生产工艺配方，数据记录。此外，FPO-C32还支持一下功能：◆用户自定义的库指令，便于模块化程序，完善的密码和知识产权保护功能。◆可调整的数字量和模拟量的输入滤波。◆定义数字量和模拟量在STOP（停止）时的状态，多种数据保护设置。◆一个可由用户定义的LED状态指示灯。3.2变频器配置　　在本系统中选用ABB公司的ACS600变频器。ACS600变频器具有很宽的功率范围（2.2—3000kw）可以满足本设计的要求75kw和7.5kw，优良的速度控制和转矩控制，并具有完整的保护功能以及灵活的编程能力[1]。其重要特性如下：◆无与伦比的电机速度及转矩控制，电机辨识运行及速度自我微调功能。◆内置PID控制器，降低了您的投资成本。◆工具软件对传动的全方位支持,DrivesSize选型软件，DrivesBuilder工程设计软件，DrivesWindow传动调试软件,DrivesLink利用Windows监视传动，DrivesSupport服务专家。www.yanziedu.com www.88doc88.com◆ACS600SingleDrive能在几毫秒内测出电机的实际转速和状态，所以在任何状态下都能立即起动，无起动延时。◆零转速下，不需速度反馈就能提供电机满转矩。◆ACS600SingleDrive能够提供可控且平稳的最大起动转矩。可达到200%的额定转矩。◆不需特殊硬件的磁通制动模式可以提供最大的制动力矩。◆在磁通优化模式下，电机磁通自动适应于不同的负载以提高效率同时降低电机的噪音，变频器和电机的总效率可提高1%-10%。◆具有标量控制（SCALARCONTROL）和IR补偿功能。◆DTC直接转矩控制，从零速开始不使用电机轴上的脉冲码盘反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。◆开环转矩阶跃上升时间小于5毫秒，而不带速度传感器的磁通矢量控制变频器的开环转矩阶跃上升时间却多于100毫秒，ACS600变频器是无与伦比的。3.3电动调节阀配置电动调节阀选用西门子的VVF592。该电动调解阀的额定冲程20mm的法兰二通阀PN25，适用于开路或闭路中的低压热水，生活热水，高压热水，热油，饱和或过热蒸汽，介质温度：1-220OC。其口径：DN50-DN150。3.4手动阀配置手动调解阀采用上海良工品牌的铸钢涡轮蝶阀。3.5传感器配置在系统中用到了温度传感器、水位传感器、压力传感器。温度传感器：采用PT100,它是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热阻传感器,可以工作在-200至6500C的范围。可以满足设计的要求。用光敏三极管检测水位用高亮二极管与光敏三极管3DU配合检测水位[2]。基本特点：◆精度<=0.5%，长期的稳定性<=0.3%/12月。◆连接件和外壳为高等级不锈钢材质1.4571。◆陶瓷传感器，高等级不锈钢膜片，测量范围1～400bar。MS3系列压力变送器，采用先进的钛/硅-蓝宝石传感器和变送器电路，产生具有压力范围广、耐磨损、抗冲击及耐腐蚀等突出特点，弥补了其他变送器的不足。能在严寒地区及高温地区长期工作。www.yanziedu.com www.88doc88.com基本特点：◆精度高，抗冲击力、耐振动、高稳定性、工作范围宽。◆小体积、全不锈钢结构防潮防水。◆实用性广、安装方便。3.6通讯接口本系统采用RS-4222串行总线接口标准。它采用的是差动发送、差动接收的工作方式，发送器和接受器仅使用+5V电源。在通信速率、通信距离、抗共模干扰能力等方面较RS-232接口都有很大的提高。最远通信距离1200米，而且不受节点间接地电平差异的影响。而且它的价格比较便宜，能够很方便的添加到任何一个系统中，还支持比RS-232更长的距离、更快的速度以及更多的节点。3.7配电器由于CPU的电源为24DC，所以要用一个配电器，是220V的交流电压变为24DC的直流电压。4系统的具体设计与实现出水温度回水温度可编程控制器PLC循环变频器1循环泵2循环泵保护、报警补水系统1补水泵2补水泵水温水位下限下下限和上上限水位上限图3原理框图本系统的主要功能有:检测部分功能、控制部分功能、故障报警功能。系统原理框图如图3所示。www.yanziedu.com www.88doc88.com4.1温度控制部分本系统中，采用供暖温度自动调节功，即根据室外温度变化，能自动调节给定温度。这可以用一个室外的传感器，来采集并把它送到PLC，并与设定的温度相比，看是否需要供暖和是否需要开气引风机和送煤。当室外温度低于某一值时，就需要开始供暖，否则就不需要了。在负载一定时，该部分用一个温度传感器来测量水温，并把这个温度之送入PLC，进行计算。把所得的值与给定温度通过PID算法来控制是否需要开引风机和加煤、是否需要加大电磁阀的阀门、是否需要加快循环泵的转速。当负载发生变化时，通过控制循环水流过换热站的流速来实现的。用一个温度传感器来测量回水温度和回水温度，并把这两个温度的差传给PLC，它与出回水温度通过PID算法，来控制变频器。从而控制循环水泵达到控制水流过换热站的速度的目的。4.2补水控制部分用高亮二极管与光敏三极管3DU配合检测水位，不透明悬浮物随水位而上下移动，其以安装在最下面的高亮二极管和三极管为例，来说明其检测水位的原理。实现方法如图4所示。当水位未到达安装位置时，高亮二极管发出的光就能透过玻璃管和水到达光敏三极管，此时光敏三极管就会导通；当水位到达安装位置时，不透明悬浮物就会挡住高亮二极管发出的光，此时光敏三极管不导通。当检测水位到达下测水位高低[3]。用此方法来检测水位，当水位到达下限值，自动开启补水泵1；当水位值到达上限值时，自动关闭补水泵1；当水位到达下下限值，系统报警；当水位值到达上限值时，系统报警。报警系统开启，补水泵2开始工作。当补水泵1出现故障时即该停止补水时图4水位检测实现方法图没有停止，该补水时没有补水。两台补水泵都故障时整个系统断电，系统停止工作。www.yanziedu.com www.88doc88.com由于在现实生活中，存在从供暖管中放水的现象，所以要设定一个补水部分，以保证管内的水量已定。以防锅炉烧干或水位太高造成压力过大使锅炉爆炸。补水是利用补水泵从储水池中把水送入循环系统。补水控制是通过锅炉内的水位的高低的变化与循环水泵的转速的快慢来控制智能模糊控制模块达到对补水泵的控制。水位控制部分的控制框图如图5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YNN补水泵2工作Y开始返回检测水位为上限水位吗？补水泵1停止补水YN检测水位为上限水位吗？补水泵2停止补水YN图5补水控制框图故障报警4.3循环泵部分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，有变频器控制循环泵的转速，使锅炉内水循环达到供暖。当循环泵1出现故障时，用备用的循环泵2。循环泵1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2来替代循环泵1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。循环泵控制梯形图如下。循环框图如图6所示[4]。www.yanziedu.com www.88doc88.com图6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温度检测YNN循环泵2工作Y开始返回4.4手动/自动切换部分对原系统的控制电路进行改造时,保留原系统的手动控制功能,以备变频调速系统出故障时使用.在控制台上设有手动/自动选择的万能转换开关。系统在启动时，不能用自动控制，所以设置一个手动控制功能。当采用手动控制时，电动调节阀处于全开状态，PLC不再起控制作用而相当于一个接口。入汽流量有手动控制阀门来控制。设定值、当开关置于自动位置时系统的启动控制权在PLC,置于手动位置时,利用原系统进行手动控制。4.5报警与保护补水失灵报警，再补水过程中，设定一个时间延迟程序，如果在实际中补水泵在这个时间内仍未工作，即循环水泵的转速和水位都未发生变化，就要报警。未补水报警，当水位到达下下限水位时，系统认为没有补水，开启报警系统，开启补水泵。未停止补水报警，当水位到达上上限水位时，系统认为没有关闭补水泵，开启报警系统，关闭补水泵。循环泵故障报警，开启循环泵后，一定时间内出水温度和回水温读的差值很大，认为此循环泵故障报警，开启另一台循环泵。当然，对于以上报警都设定为声、光报警。5系统软件的实现在PLC的主程序中含10个子程序,大致可以分为4大部分:初始化部分、循环泵部分，补水泵部分，温度控制部分和故障报警部分。其程序流程如图7所示。www.yanziedu.com www.88doc88.com状态及PID初始化模拟量处理子程序温度控制部分子程序循环系统控制子程序补水泵选择子程序故障诊断与报警处理图7程序流程图开始5.1I/O口的分配表1I/O口分配表输入口分配输出口分配X0SB1室外温度设置Y0引风机X1SB2出回水温度差设置2Y1循环泵1X2SB3取消报警Y2循环泵2X3SB4压力设置Y3补水泵1X4下下限水位Y4补水泵2X5下限水位Y5故障报警铃X6上限水位Y6报警灯X7上上限水位Y7送煤机X8室外温度采集X9压力采集XA出水温度采集XB入水温度采集系统选用日本松下的FPO-C32可编程序控制器,压力传感器选用电阻远传压力表，温度传感器选用PT100,测得的温度电压信号5V送到PLC的A/D模块。接线图如图8所示。www.yanziedu.com www.88doc88.com图8PLC接线图5.2初始化子程序部分循环泵子程序部分，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，有变频器控制循环泵的转速，使锅炉内水循环达到供暖。循环泵控制梯形图如9所示。图9循环泵控制梯形图补水泵子程序，主要完成对补水泵的选择、对水位高低时的处理即何时需要开启补水泵进行补水和何时需要关闭补水泵停止补水。补水部分梯形图如10所示。www.yanziedu.com www.88doc88.com图10补水部分梯形图温度控制部分，当室外温度低于设定的值时，需要开启引风机和加快循环泵的转速，否则就不需要；当温度传感器检测到水温的值在设定范围内，自动运行。当检测到的水温的值不在设定范围内，需要开引风机和加煤，使水加热。从而保持室温的恒定。温度控制部分梯形图如图11所示。图11温度控制部分梯形图故障报警子程序，根据接触器和变频器输出的各种运行状态参数,判断系统循环泵1是否发生故障，从而确定循环泵2的工作模式；锅炉内水位的变化来确定补水泵1是否发生故障，从而确定补水泵2的工作状态；温度控制是否正常等故障。PLC自诊断出以上故障之后,系统会发出电铃报警信号,同时通过不同的信号灯、铃方便地区分是哪一部分故障,以采取相应的措施进行处理。补水部分报警梯形图如图12所示。图12补水部分报警梯形图www.yanziedu.com www.88doc88.com6结束语本文利用PLC完善的功能与温度传感器、光敏三极管、压力传感器、变频器等相结合，有效而可靠地实现了对供暖锅炉的自动控制。实践表明PLC抗干扰能力好，寿命长，可靠性高，非常适合工业控制系统及类似的生产线，大有推广应用的价值。谢辞本系统从开始设计到完成，可以说走了一条并不平坦的道路，但是总算走完了全程。在本系统开发过程中，要特别感谢指导老师在设计时耐心的指导并在系统整体设计方面给予的很多宝贵的意见和建议。另外也要感谢同组成员以及那些帮助过我的老师和同学，在此我也表示衷心的感谢。参考文献 [1]袁希光等.传感器技术手册[M].北京国防工业出版社,1986[2]王永平，陈建华.基于S7—200PLC的高性能电热锅炉控制系统[J].仪表技术与传感器，2002，7（3）[3]张承慧.变频调速系统效率优化控制理论及其应用[J]，山东大学博士论文，2001[4]段文泽等. 泵站调速节能的自适应控制[J]. 电气传动，1990,20（3）:38-45[5]郁汉琪，陆宝春等. 基于专家PID调节的变频调速恒压供水系统的研究[J].电气传动自动化，1998,20（6）：41-44[6]刘国荣，阳宪惠等. 模糊自适应PID控制器[J]. 控制与决策,1995,10（6）:558-562[7]袁希光等.传感器技术手册[M].北京国防工业出版社,1986[8]谢自美.电子线路设计·实验·测试[J].华中科技大学出版社，2003，2[9]杨国志，王立峰，杨东光，王辉林.实用电子制作实例[M].福建科学技术出版社，2000[10]张文修.模糊控制恒压供水系统[J]. 电气自动化，1996,3（2）[11]金伟正.单线数字温度传感器的原理及用[M].电子工业出版社，2000[12]尹雪飞，陈克安.集成电路速查大全[M].西安电子科技大学出版社，2000[13]杨智,明丽萍,吕雪艳.21世纪燃气锅炉在中国的发展前景[J].锅炉制造，2001，7（6）www.yanziedu.com www.88doc88.com附录www.yanziedu.com