PLC技术在供暖锅炉控制系统中的应用

摘要本文是基于 PLC 技术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(Programmable Logic Controller),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 AbstractThe text bases controller of PLC water heating of a boiler, which mostly adopts temperature transducer to collect signal of boiler water temperature, adopts w- ater level transducer to collect signal of boiler water level, makes use of transducer c- ontrolling rotate speed of circulation pump and sends the signals to PLC ( Programm- able Logic Controller) with modulus diversion. Then, the signals compare with para- meter of enactment inside of PLC, in order to judge whether PLC need to put up rele- vant operation, and that realize auto-control of PLC. There are four parts in the design which make up of the boiler temperature controller, the water pump controller, the cir- culate pump controller and the dealing with trouble .In boiler temperature controller , the numerical value of temperature may randomly change according as the different s- eason .If it use in the smaller area, it can adjust at any moment according to requirem- ent .In the water pump controller, it use more lightness diode and photosensitive dyna- tron to measure water level. This method is not only precise but also cleanly and avoi- ding waste resource .In the circulate pump controller, there are two circulate pump, if one is in trouble, the alarm is light the others will be auto working when it receives th- e signal .The design adopt PLC to control, it is higher dependability and bigger conve- nience even if it also natural working in the very badly environment and have many f- unctions of the computer. The controller system is simple and convenience to mend. Key words: Programmable Logic Controller (PLC), sensor, transducer, alarm, Aut- o-control目 录1 绪论 .12 锅炉控制系统总体设计方案 .12.1 系统框图 .12.2 系统工作原理 .13 系统硬件部分配置 .23.1 PLC 配置 .23.2 变频器 .33.3 传感器配置 .33.4 电动调节阀配置 .43.5 通讯接口 .43.6 配电器 .44 系统的具体设计与实现 .54.1 温度控制部分 .54.2 补水控制部分 .54.5 报警与保护 .74.6 I/O 口的分配 .75 系统软件的实现 .95.1 初始化子程序部分 .95.2 系统总运行程序 .11结束语 .11谢辞 .11参考文献 .12附录一 .13附录二 .141 绪论 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。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 1。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。2 锅炉控制系统总体设计方案2.1 系统框图 本系统主要有水位检测、温度检测、水温控制、水位控制、循环控制、报警等几部分组成来实现供暖控制，系统框图如图1所示。水温检测模块 温度控制模块P LC控制模块补水控制模块报 警 模 块循 环 模 块水位检测模块图1 系统框图2.2 系统工作原理本系统主要采用 PLC 可编技术易于编写、 检测、修改，这里采用松下 FP0 系列 PLC 控制 锅炉供暖，系统采用手动和自动两种。主要以 PLC 自动控制，手动控制做后备，设置有手动与自动切换。包括温度控制、循 环部分、补水部分、显示部分、报警部分。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，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 ，这样可节省不必要的浪费。循环泵部分,循环系统由2台45kW 循环泵, 互为备用可以同时运行也可以单独运行;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,循环泵的运转也应随之减小,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启用。补水部分,补水系统有 2 台 5.5kW 补水泵,互为备用,根据水位传感器检测到的水位确定 PLC 该执行什么操作,这样控制精度高并且使系统更安全、可靠。通常情况下在补水系统中,选择一台泵进行调速,另一台备用,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。报警部分，主要功能是当温度控制部分、补水泵部分、循环泵部分出现故障时，报警系 统报警。当补水是水位不在设定范围时，以及水温控制时水温过低过高，系统 也会报警提醒值班人 员注意。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 7 台（室外温度、出水温度、回水温度、锅炉水温、下限水位、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。3.1 PLC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 3。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-C32 CPU 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 变频器在本系统中我们选用松下 DV707H 变频器。松下 DV707H 变频器具有很宽的功率范围（1.23000kw）可以满足本设计的要求 45kw 和 5.5kw，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 4。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，松下 DV707H 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。* 松下 DV707H 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%。* 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。 3.3 传感器配置在系统中用到的传感器有温度传感器、水位传感器、压力传感器。温度传感器：采用 PT100 型温度传感器，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 6000C 的范围。其优点：稳定性好，精度高，可靠性强， 测量范围广，操作简便，使用寿命 长等。水位传感器：采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 。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1400bar 5 。压力传感器：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。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。3.4 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。3.5 通讯接口本系统采用 RS-422 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。RS-422 有关的 电气参数如表 1 所示 6。表 1 RS-422 电气参数工作方式节点数 最大传输速率最大驱动输出电压驱动器负载阻抗接收器输入电压范围RS-422 差 分 1 发 10 收 10Mb/s -0.25v+6v 100 -10v+10v驱动器输出信号电平负载最小值 空载最大值RS-422 +/-2.0V +/-6.0V3.6 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2所示。4.1 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。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 2 系统原理图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 3 所示 。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。用此方法来检测水位，当水位到达下限值，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。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 图 3 水位检测实现方法图 部分控制框图附录一所示。 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。循环框图图 4 所示。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。开始温度检测温差为设定值吗？开启循环泵 1循环泵 2 工作循环泵有故障 吗 ？返回NY NY 图4 循环控制流程图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。4.6 I/O口的分配表 2 I/O 口分配表输入口分配 输出口分配X0 SB1 室外温度设置 Y0 引风机X1 SB2 出回水温度差设置 2 Y1 循环泵 1续表 2输入口分配续 输出口分配续X2 SB3 取消报警 Y2 循环泵 2X3 SB4 压力设置 Y3 补水泵 1X4 下下限水位 Y4 补水泵 2X5 下限水位 Y5 报警灯X6 上限水位 Y6 故障报警铃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5所示。图 5 PLC 接线图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:循环泵部分，补水泵部分，温度控制部分和故障报警部分。其系 统控制流程图如图6所示。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6 系统控制流程图开始5.1 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7 所示。图7 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8所示。图8 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9所示。图 9 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图 10 补水部分报警梯形图补水泵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10示。5.2 系统总运行程序系统总运行程序中包含有循环泵子程序，补水泵子程序，温度控制程序，故障报警子程序等多个子程序，系统总运行梯形图如图附录二所示。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。由于设计仓促，再加上知识能力有限，在本 设计中可能存在一些不足，希望在以后能够继续从事这方面的研究开发，使设计能够更完美，更实用。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 刘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。刘 老 师 以 其 严 谨 求 实 的治 学 态 度 、高 度 的 敬 业 精 神 、兢 兢 业 业 、孜 孜 以 求 的 工 作 作 风