毕业设计（论文）基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统

1、毕业设计（论文）基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统 摘要随着社会经济的飞速发展城市建设规模的不断扩大以及人们生活水平的不断提高对城市生活供暖的用户数量和供暖质量提出了越来越高的要求结合现状PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统该控制系统以两台工业控制机作为上位机以西门子S7-300可编程控制器为下位机系统通过变频器控制电动机的启动运行和调速上位机监控软件采用三维力控PCAuto停控制参数设定报警联动历史数据查询等功能下位机控制程序采用西门子公司的STEP7编程软件设计主要完成模拟量信号的处理温度和压力信号的PID控制等功能并接收上位机的控制指令以完成风机启停控制参数设定循环泵控制和其余

2、电动机的控制本文设计的变频控制系统实现了锅炉燃烧过程的自动控制系统运行稳定可靠采用锅炉的计算机控制和变频控制不仅可大大节约能源促进环保而且可以提高生产自动化水平具有显著的经济效益和社会效益关键词 锅炉控制变频调速技术PLC组态软件AbstractAlong with social economys swift development the urban construction scales unceasing expansion as well as the people living standards unceasing enhancement set more and more hig

3、h request to the city life heatings user quantity and the heating quality The union present situation the present paper heating boiler supervisory system has designed a set based on PLC and the frequency conversion velocity modulation technology heating boiler control systemThis control system takes

4、 the superior machine by two industry cybertrons west of family household S7-300 programmable controller for lower position machine system through frequency changer control motors start movement and velocity modulation The superior machine monitoring software uses the three dimensional strength to c

5、ontrol the PCAuto36 design mainly completes the system operation contact surface design realizes the system to openstops functions and so on control parameter hypothesis warning linkage historical data inquiry The lower position machine control procedure uses Siemenss STEP7 programming software desi

6、gn mainly completes the simulation quantity signal processing temperature and pressure signal functions and so on PID control and receives the superior machine control command to complete the air blower to openstops the control the parameter hypothesis the circulating pump control and other electric

7、 motors control This article designs the frequency conversion control system has realized the boiler combustion process automatic control the systems operation is stable is reliable Uses boilers computer control and the frequency conversion control not only may save the energy greatly the promotion

8、environmental protection moreover may raise the production automation level has the remarkable economic efficiency and the social efficiencyKey word Boiler control Frequency conversion velocity modulation technology PLC Configuration software目录摘要IAbstractII目录III第一章绪论111项目背景及课题的研究意义112供暖锅炉控制的国内外研究现状2

9、13本文所做工作3第二章 变频调速在供暖锅炉控制中的应用421变频调速基本原理422变频调速在供暖锅炉系统中的应用423变频调速节能分析5第三章 锅炉控制系统原理731引言7com制方式7com PID控制方式832循环流量控制1033燃烧过程控制11第四章 锅炉控制系统总体设计1241系统功能分析1242系统方案设计12com计思路12com构1343系统硬件配置14第五章 锅炉控制系统的硬件设计1651系统主电路的设计1652系统控制电路的设计1753系统主要元器件的选择20com PLC的选型20com络配置25com的选型25com的选型28com要元器件的选择28第六章系统软件的设计

10、2961 S7-300系列PLC简介29com S7-300编程方式简介29com S7-300 PLC的存储区3062PLC控制程序设计31com PLC控制流程图32com PLC控制程序36第七章 监控组态软件设计3871组态软件设计特点3872项目组态39com台和运行环境39com构39com务4173界面设计4274报警记录44结论46参考文献47附录148附录249外文文献翻译53致谢83第一章绪论项目背景及课题的研究意义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

11、成为急需解决的重要课题在供暖系统中锅炉房供暖所占比例很大据对我国北方地区29个大中城市近35亿平方米的供暖调查锅炉供暖占84热力供暖占12其他供暖占4在今后相当长的时间内集中热力供暖是发展趋势但无法取代锅炉供暖的主流地位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据统计我国目前拥有工业锅炉50万台每年消耗的燃煤占全国原煤产量的三分之一约4亿吨锅炉每年排放烟尘约620万吨约510万

12、吨此外还有大量的N02等有害气体成为我国大气煤烟型污染的主要来源之一尤其是燃煤排放的CO气体所引起的温室效应早己引起国际关注本系统供暖锅炉自动控制系统主要由进口变频器可编程控制器压力变送器温度变送器和泵房机组以及电气控制柜等组成其中泵房机组包括1引风机为90 kw变频启动和调速2鼓风机37kw变频启动和调速34循环水电机为75 kw变频启动和调速其余电动机10台均为直接启动功率为5kw工频运行本设计是供暖锅炉自动控制系统设计了一套基于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压力变送器温度变送器和泵房组工控机以及电气控制柜等构成系统通过变频器控制电动机的启动运行和调速

13、由于供暖锅炉系统中的风机水泵负载转矩与转速的平方成正比轴功率与转速的立方成正比采用交流变频调速控制风机水泵流量代替传统阀门挡板控制流量可以大大节省该类负载的驱动电机的耗电量达到节能的目的如果普遍采用交流变频调速平均节电率在30左右用变频器启动风机水泵等电动机由于变频器内部具有矢量转矩控制技术保证了电机良好的启动性能实现电机软启动有效地限制了电机的启动电流明显降低电机启动噪声同时电机的软启动避免了频繁的工频启动对风机水泵等大电机的冲击有效地保护设备延长设备使用寿命锅炉的计算机控制使锅炉始终处于最佳工作状态提高了锅炉的运行效率和燃煤的燃烧效果不仅节约燃煤也减少了烟尘和有害气体的排放具有较好的环保效

14、果同时计算机控制系统通过各种传感器检测锅炉温度压力流量等参数传送至微机和仪表盘并实现温度和压力等参数的自动控制工人在计算机控制室就可以全面了解锅炉房各部分的运行情况大大改善了工人的工作条件提高了自动化程度和管理水平因此 采用锅炉的计算机控制和变频控制不仅可大大节约能源促进环保而且可以提高生产自动化水平具有显著的经济效益和社会效益 供暖锅炉控制的国内外研究现状当前节能与环保已成为人类社会面临的两大课题我国的锅炉目前以煤为主要燃料耗煤量接近全国煤产量的三分之一燃用的主要是中低质煤工业污染十分严重而且锅炉设备陈旧生产效率和自动化程度低进一步加重了环境污染的程度在欧美和日本等发达国家石油和天然气已成为

15、第一能源占能源消费的60左右燃油和燃气锅炉的已逐步取代燃煤锅炉对风机和水泵等电机的变频控制已相当成熟自20世纪90年代以来随着超大型可编程控制器的出现和模糊控制自适应控制等智能控制算法的发展以及智能控制器的应用锅炉控制水平大大提高已实现优化控制国内对锅炉控制的研究起步较晚始于80年代初期国内研究锅炉控制比较成熟的企业有上海杜比公司南京仁泰公司等但仍然存在一些问题1 大多数现有的锅炉控制系统可控制的主要还是开关量设备如风机炉排和水泵的开关或者阀门控制不能对它们精确连续调节使控制手段单控制精度低2 锅炉控制系统的控制方案不够合理锅炉控制器 计算机或可编程控制器 一旦出现故障只能采取系统断电处理进行

16、人工操作若锅炉系统中的传感器变送器等设备出现故障时温度压力等参数就无法达到设定值3 我国自70年代末开始锅炉的微机控制逐渐成熟起来但主要实现仪表显示报表打印等功能并未实现锅炉自动控制下位机主要以单片机为主控制水平有限可靠性不够高 本文所做工作针对目前供暖锅炉控制的现状本文主要做了以下工作1 提出系统控制方案本文针对供暖锅炉自动控制系统设计一套基于变频调速技术的锅炉监控系统本文提出对锅炉供暖系统中的风机和水泵等通过变频器来调节电机的转速节省了大量的电能本系统中丰位机采用高可靠性的工业控制计算机对锅炉控制系统统一调度和监控管理下位机采用西门子公司S7-300可编程控制器实现锅炉燃烧系统和管网系统的

17、自动控制控制水平和硬件可靠性大大提高键技术本系统的主要设计任务是锅炉系统的变频改造因此本文详述变频调速技术在锅炉控制中的应用变频调速技术是关并分析变频调速应用在锅炉供暖系统带来的节能效果2本系统的主要设计任务是锅炉系统的变频改造变频调速技术是关键技术因此本文详述变频调速技术在锅炉控制中的应用并分析变频调速应用在锅炉供暖系统带来的节能效果3 阐述供暖锅炉控制的控制原理提出供暖锅炉系统的控制模型简要介绍PID控制算法并运用PID控制方式进行系统的补水控制循环流量控制燃烧过程控制以及炉膛负压控制4 锅炉控制系统的总体设计本文讨论了锅炉控制系统的设计日标功能分析和控制方案并详细介绍了整个系统的硬件结构

18、和通讯配置口5 下位机控制系统的设计本文首先根据系统控制要求确定PLC的选型以及模块的选择讨论PLC与上位机之间PLC与变频器之间的通讯配置制定通信协议设计PLC控制程序给出主程序基础功能块和各子程序的设计流程图和部分梯形图程序6 上位机监控组态软件设计上位机监控系统完成对整个系统的监控管理本文选用三维力控PCAuto其中表示电机转速为电动机工作电源频率为电机转差率为电机磁极对数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一直一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22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

19、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通常在锅炉燃烧系统中根据生产需要对风速风量温度等指标进行控制和调节以适应用户要求和运行工况而最常用的控制手段则是调节风门挡板开度的大小来调整受控对象这样不论生产的需求大小风机都要全速运转而运行工况的变化则使得能量以风门挡板的节流损失消耗掉了在生产过程中不仅控制精度受到限制而且还造成大量的能源浪费和设备损耗从而导致生产成本增加设备使用寿命缩短设备维护维修费用高居不下在供暖锅炉系统中带有循环泵补水泵等水泵类设备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

20、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泵腔阀体的磨损和汽蚀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近年来出于节能的迫切需要和对供暖质量不断提高的要求加之采用变频调速器简称变频器 易操作免维护控制精度高并可以实现高功能化等特点因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门挡板阀门的控制方案用变频器来对异步交流电动机调速是八十年代末迅速发展成熟的一项高新技术它的优点是调速的机械特性好调速范围广调整特性

21、曲线平滑可以实现连续平稳的调速尤其当它应用于风机水泵等大容量负载时可获得显著的节能效果23变频调速节能分析变频调速应用于锅炉系统的风机和水泵等电机的自动控制中其节能效果明显本节将以风机节能为例详细分析其节能效果水泵的节能分析类似由流体力学的基本定律可知风机泵类设备均属平方转矩负载其转速与流量压力以及轴功率具有如下关系 即流量与转速成正比压力与转速的平方成正比轴功率与转速的立方成正比图2-1给出了风机中风门调节和变频调速二种控制方式下风路的压力-风量关系及功率-风量关系其中曲线1是风机在额定转速下的曲线曲线2是风机在某一较低速度下的曲线曲线3是风门开度最大时的曲线曲线4是风机在某一较小开度下的曲

22、线可以看出当实阮工况风量由下降到时如果在风机以额定转速运转的条件调节风门开度则工况点沿曲线1由点移到点如果在风门开度最大的条件下用变频器调节风机的转速则工况点沿曲线3由点移到点显然点与点的风量相同但点的压力要比点压力小得多因此风机在变频调速运行方式下风机转速可大大降低节能效果明显 压力 4 功率 3 2 1 6 5 0 风量 0 风量图2-1变频调速在风机中的节能分析曲线5为变频控制方式下的曲线曲线6为风门调节方式下的曲线可以看出在相同的风量下变频控制方式比风门调节方式能耗更小二者之差可由下述经验公式表示其中为风机运行时实际风量为风门开度为最大且电机运行在额定转速时的风量为风门开度为最大且电机

23、运行在额定转速时的功率假设有一台lO的热水锅炉引风机55鼓风机22共7则由变频调节与风门调节相比较可知80风量时每小时节能 2836660风量时每小时节能 41888如果按全年运行7000小时计算其中80风量运行5000小时60风量运行2000小时则全年节能由此可见其节能效果非常显著目前变频调速技术己逐渐为许多企业所认识和接受随着这项技术的不断发展和完善它必将得到更加广泛的应用也必将为认识和接受它的企业带来可观的经济效益第三章 锅炉控制系统原理31引言现有的供暖锅炉由蒸汽锅炉改造而成的常压热水锅炉常压锅炉使用安全对原材料的要求比蒸汽锅炉低无需控制蒸汽压力控制精度要求相对要低目前国内外对蒸汽锅炉

24、控制的研究己经比较成熟锅炉控制数学模型基本定型而供暖锅炉控制相对简单对其研究不够重视本文以火力发电厂蒸汽锅炉的控制模型为参考提出供暖锅炉的控制模型供暖锅炉控制系统属于过程控制系统其控制的目标是控制锅炉燃烧过程中的出水温度回水温度出水压力回水压力炉膛负压等参数使锅炉燃烧工况良好保证设备运行安全满足用户的供热要求在供暖期间系统根据室外温度的变化分时段控制锅炉的出水温度和系统回水温度在室外温度较低的时段内出水温度的设定值较低在室外温度较高的时段内出水温度的设定值较高进而调节出水供热量在某一时段内则通过调节热水循环流量对出水供热量进行微调锅炉出水温度的调节主要靠燃烧控制系统来实现而系统回水温度的调节主

25、要靠热水循环流量来调节出水压力和回水压力的大小由循环泵和补水泵的状态来决定调节温度和压力等参数时采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式偏差控制方式应用于系统的开关量输出PID控制方式应用于系统的模拟量输出com 偏差控制方式偏差控制是指当热工参数实际采集值与用户设定值之间存在偏差时系统通过调节某些量来减小偏差直至实际采集值等于用户设定值为止但这只是一种理想设计在实际应用中由于系统误差的存在实际采集值不可能等于用户设定值因此引入回差的概念即给用户设定值一个可以接受的范围在此范围内都可认为达到系统设定值例如锅炉的出水温度设定值为温控回差为则当出水温度满足式 3-1 时即可 3-1 com PID

26、控制方式偏差控制只能输出开关量信号对于连续调节的设备则需要过程控制系统中最常用的控制规律-PID控制方式PID控制即按偏差的比例 P 积分 1 微分 D 控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律实际运行的经验和理论的分析都表明运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时都能得到满意的结果PID调节器既能消除静差改善系统的静态特性又能加快过渡过程提高系统的稳定性改善系统的动态特性是一种比较完善的调节规律主要应用于温度控制和压力控制等过程控制系统中以克服时间响应滞后得到较好的控制指标 - 图3-1 PID控制系统1 PID控制器的基本形式PID控制分两种基本形式即模拟PID控制器和数字PID控制器模

27、拟PID控制器如图3-1所示理想控制规律为 3-2其中为比例增益与比例带成倒数关系即为积分时间常数为微分时间常数为控制量为偏差比例控制能迅速反应误差从而减小误差但比例控制不能消除静态误差过大可能会引起系统的不稳定积分控制的作用是只要系统存在误差积分控制作屏就不断地积累输出控制量以消除静态误差因而只要有足够的时间积分作用将能完全消除误差但调节动作缓慢微分控制加快系统的动态响应速度减少调整时间从而改善系统的动态特性在计算机控制系统中减少调整时间从而改善系统的动态特性PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法当采样周期足够短时用求和代替积分使模拟PID离散化变为差分方程如式3-3所示 3-3增量型的控

28、制方程为 3-4其中称为比例增益称为积分系数称为微分系数以上是PID控制的理论控制方程但在实际应用中要根据控制系统的特点做适当的改进2 PID控制器的改进计算机控制是一种比较准确的控制方式只要系统偏差存在且大于传感器的精度范围计算机就不断进行控制量增量的计算并输出相应的控制信号给执行机构改变执行机构的状态这样容易产生某些动作过于频繁而引起振荡为避免控制动作过于频繁以消除振荡在实际工程应用中通常在PID控制系统中增加一个死区环节相应的算式为 3-5其中 为人为设定的一个死区是一个可调参数其具体数值可根据实际控制对象由试验确定太小使调节过于频繁达不到稳定控制量的目的太大则系统将产生较大的滞后在锅炉

29、的燃烧控制系统中为避免风机和炉排转速频繁地改变可适当地为出水温度设定一个死区如1在锅炉控制系统中当启动停止电机或大幅度改变温度压力等设定值时由于短时间内产生很大的偏差往往会产生严重的积分饱和现象以致造成很大的超调和长时间的振荡为克服这个缺点可采用积分分离的方法即偏差较大时取消积分作用当偏差较小时才将积分作用投入亦即当时采用PD控制当时采用PID控制积分分离阀值应根据具体对象及控制要求确定例如出水温度的控制可以选定为5或10等依据控制精度要求而定综上所述锅炉控制系统中燃烧控制和水泵控制所采用的PID控制方式作出死区设定和积分分离两项改进措施以达到稳定控制温度和压力等信号的目的3经验凑试法整定P旧

30、参数PID控制器参数整定主要整定比例系数K积分时间界和微分时间几等参数增大比例系数一般会加快系统的响应在有静差的情况下有利于消除静差但过大的比例系数会使系统有较大的超调并产生振荡使稳定性变差增大积分时间常数相当于减小积分系数积分作用减弱有利于减小超调减小振荡但系统静差的消除将随之变慢增大微分时间常数有利于加快系统响应但系统对扰动的抑制能力减弱对扰动有较敏感的响应在凑试时可参考3个参数对控制过程的影响趋势对参数实行先比例后积分再微分的整定步骤 1 首先整定比例却分即将比例系数由小变大并观察相应的系统响应直到反应快超调小的响应曲线如果系统没有消除静差或静差己小到允许范围内并且响应曲线已属满意那么只

31、须用比例调节器即可最优比例系数可由此确定 2 如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求则须加入积分环节整定时首先置积分时间T为一较大值并将经第夕步整定得到的比例系数略为减小 如缩小为原值的08倍 然后减小积分时间使在保持系统良好动态性能的情况下静差得到消除在此过程中可根据控制效果反复改变比例系数与积分时间以期得到满意的控制过程和整定参数 3 若使用比例积分调节器 PI控制器 消除了静差但动态过程经反复调整仍不能满意则可加入微分环节构成完整的PID控制器在整定时可先置微分时间为零在第二步整定的基础上增大同时相应地改变比例系数和积分时间逐步凑试以获得满意的调节效果和控制参数32循环流量控制

32、锅炉管网系统的一个任务是通过循环泵将出水缸内的热水输送到用户供热管道并回到回水缸循环流量控制同样采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式偏差控制设定出水压力范围当出水压力实际值不在设定范围内时调节流量直到出水压力达到要求为止PID控制在偏差控制的基础上对出水压力进行微调其原理如图3-3所示循环泵系统根据出水压力的设定值与采集到的出水压力的实时数据通过PID算法将出水压力值控制在设定值附近其控制采用前述改进PID控制算法与参数整定方法设定值 出水压力图3-3循环流量PID控制原理图33燃烧过程控制供暖锅炉燃烧系统是一个多变量输入多变量输出大惯性大滞后且相互影响的一个复杂系统当锅炉的负荷变化时所有

33、的被调量都会发生变化而当改变任一调节量时也会影响到其他被调量锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应负荷的需要同时还要保证锅炉安全经济运行燃烧控制系统的任务主要有三点 1 稳定锅炉的出水温度始终保持在设定值附近出水温度的设定值与室外温度以及消耗热量 负荷 的变化相关以出水温度为信号改变燃煤量和风煤比达到出水温度与设定值一致同时测量系统的回水温度和炉膛温度若回水温度过低则适当加大给煤量反之则适当减少给煤量若炉膛温度过高则适当减少给煤量反之则适当加大给煤量 2 保证锅炉燃烧过程的经济性对于给定出水温度的情况下需要调节鼓风量与给煤量的比例使锅炉运行在最佳燃烧状态开始运行时可根据经验

34、设定风煤比使耗煤量与鼓风量成比例关系同时根据出水温度的变化对鼓风量进行前馈控制然后通过测量烟气含氧量运用偏差控制调节风煤比使燃煤充分燃烧 3 调节鼓风量与引风量保持炉膛压力在一定的负压范围内炉膛负压的变化反映了引风量与鼓风量的不相适应如果炉膛负压太小炉膛容易想外喷火危及设备与工作人员的安全负压过大炉膛的漏风量增大增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失本系统中根据鼓风量的变化对引风量进行前馈控制根据经验设定炉膛负压并测量炉膛负压运行PID算法控制炉膛负压保持在一定的范围内从而调节引风量确定引风机的转速第四章 锅炉控制系统总体设计41系统功能分析本系统供暖锅炉自动控制系统主要由进口变频器可编程控制器

35、压力变送器温度变送器和泵房机组以及电气控制柜等组成根据设计要求系统具有以下功能 1 手动自动控制电动机起停控制要求具有自动和手动两种功能通过工控机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控制工作泵出现故障后自动切换到备用泵 2 过温超过报警按要求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 3 监控设计根据用户需求人机界面及故障报警功能计算机还可以产生相应的各种参数报表供随时查询和打印参数变化实时趋势图和历史趋势图报警记录和数据记录报表等 4 系统性能指标出水温度要求8

36、0回水温度要求40出口压力为50Pa42系统方案设计com计思路本文针对供暖锅炉自动控制系统设计一套基于变频调速技术的锅炉监控系统锅炉供暖系统中的风机和水泵通过变频器来调节电机的转速通过工控机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水泵实现控制控制系统以两台工业控制机作为上位机以西门子S7-300可编程控制器为下位机上位机采用高可靠性的工业控制计算机通过监控软件完成人机界面及故障报警功能下位机采用西门子公司S7-300可编程控制器实现锅炉燃烧系统和管网系统的自动控制控制水平和硬件可靠性大大提高com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

37、系统和补水泵控制系统本系统采用集中控制分为三层系统结构框图如图4-l所示图4-1 锅炉控制系统结构示意图管理层 系统采用两台工控机作为上位机其中一台作为主控机另一台为辅控机构成双机冗余系统通过MPI多点接口与下位机PLC进行通讯对现场锅炉的运行进行集中监控统一调度实现对锅炉的远程控制操作人员也随时可以通过计算机了解现场每台锅炉的运行状况并对风机水泵等电机进行启停控制和参数设定另一方面关于锅炉运行及网管系统的各种历史数据则存储在计算机的数据库中在需要的时候可以在计算机显示器上显示或由打印机打印出来现场控制层 该层以西门子S7-300系列可编程控制器为核心一方面通过MPI多点接口与上位机通讯接收上

38、位机管理层的控制命令另一方面运用RS-485总线与各变频器进行通信分别对鼓引风机炉排电机循环泵和补水泵等进行启停控制和电机的转速设定一旦电机启动完毕即使PLC与上位机通讯故障系统仍能正常运行现场数据采集与变送层 这一层是集散控制系统的最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锅筒压力炉膛温度炉膛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并传送给可编程控制器进行数据处理43系统硬件配置 1 主机系统采用两台工业控制计算机其中一台为主控机另一台为辅控机分别安装于主控室和辅控室构成双机冗余系统监控组态用三维力控

39、PCAuto36力控是运行在Windows98NT2000XP操作系统上的一种监控组态软件使用力控用户可以方便快速地构造不同需求的数据采集与监控系统 2 本系统选用西门子公司S7-300系列可编程控制器S7-300是模块化中小型PLC系统它能满足中等性能要求的应用模块化无风扇结构易于实现分布易于用户掌握等特点使得S7-300成为各种从小规模到中等控制要求控制任务的方便又经济的解决方案多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能IO扩展模块 包括信号模块SM通信处理器CP接口模块IM等 使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块 3 仪表设备为了提高仪表的抗干扰能力选用DDZ-III型仪表仪表输

40、出为4-20mA电流保证系统的可靠性仪表主要包括温度变送器流量变送器压力变送器液位变送器微压变送器含氧量变送器等 4 变频控制室包括电源控制柜锅炉变频控制柜循环泵变频控制柜变频器全部采用日本三菱公司FR系列低噪声高性能多功能变频器根据电机功率选择不同的型号控制柜内配置各种型号大小的断路器接触器 施耐德 继电器等低压电器设备以完成电机的启停控制第五章 锅炉控制系统的硬件设计51系统主电路的设计根据本设计的要求本系统风机和循环泵采用变频启动和调速变频器输入电源前面接入一个自动空气开关来实现电机变频器的过流过载保护接通虽然变频器本身就有欠压过压过流过载等保护功能但是对于有工频运行的水泵电动机还需要在

41、工频电源下面接入相应的热继电器来实现电机的过流过载保护图5-1控制系统的主回路本系统采用4台变频器连接4台电动机其中1号变频器控制引风电机功率为90KW变频工作方式电机通过一个接触器和变频器输出电源相联2号变频器控制鼓风机功率为37KW变频工作方式电机通过一个接触器与变频输出电源连接3号变频器控制一台循环泵4号变频器控制一台循环泵功率都为75KW一台作为备用均采用变频工作方式补水泵炉排电机等采用工频运行方式功率为5KW变频器主电路电源输入端子 R S T 经过隔离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如图5-1所示按下启动按钮系统开始工作使接触器线圈KM1

42、KM2KM3带电并保持从而使接触器KM1KM2KM3动作1变频器3变频器接通电源电动机变频运行52系统控制电路的设计 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系统要实现手动自动欠压过压保护电机的故障指示变频器的故障指示以及报警输出模拟量的输入输出模块 控制电路中还必须考虑系统电机的当前工

43、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指示灯的亮和熄灭指示当前系统电机的工作状态其控制电路图如图5-2所示引风机变频调速控制电路如图2-1所示手动控制时首先扳动转换开关SA1使电动机启动时按下启动按钮SB2接触器KM1吸合并自保电动机启动运行指示灯HL1亮当接触器KM1吸合时中间继电器KA1接通变频器STF接通变频器启动当变频器故障输出时开始报警HA1铃响报警指示灯亮按下复位按钮SB3中间继电器KA2接通常闭触头KA2打开解除报警变频器停止运行使电动机停止时按下按钮SB2接触器线圈失电主触头KM1打开电动机停

44、止自动控制时扳动转换开关SA1通过PLC编程控制来完成电动机的自动控制图5-2 控制系统的控制回路53系统主要元器件的选择com PLC的选型一PLC系统配置根据系统控制要求统计出本系统对主PLC的IO总能力要求为开关量输入64点开关量输出32点模拟量输入8通道综合考虑系统对PLC运算能力的要求等因素选用西门子的S7-300系列PLCCPU模块选用CPU315-2DP具体配置如图5-4所示 图5-4 配置图PSCPU IMDI1DI2DO1DO2AI AO6ES7 307-1KA00-0AA06ES7 315-3AF00-0AB06ES7 360-3AA01-0AA06ES7 321-1BL0

45、0-0AA06ES7 321-1BL00-0AA06ES7 322-1HH01-0AA06ES7 322-1HH01-0AA06ES7 331-7KF02-0AB06ES7 332-5HD01-0AB0S7- 300系列可编程控制器是模块化结构设计各个单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展系统组成 l 电源负载模块 PS307 用于将SIMATIC S7-300连接到120230VAC电源输出24VD它与CPU模块和其他信号模块之间通过电缆连接而不是通过背板总线谁接 2 中央处理单元 CPU315-2DP 集成128KRAM用MMC存储卡最大可扩展到8MB对二进制何浮点运算具有较高的处理性能可

46、用于大规模的IO配置集成有PROFIBUS-DP接口CPU模块除完成执行用户程序的主要任务外还为S7-300背板总线提供5V直流电源并通过MPI多点接口与其他中央处理器或编程装置通信 3 接口模块 IM360 用于多机架配置时连接主机架 CR 和扩展机架 ER 如果用户的自控系统任务需要多于8个信号模块或通信处理器时可通过IM360扩展1个机架最长1米每个机架上可以插入8个模块电源也是由此扩展提供 4 信号模块 SM 使不同的过程信号电平和57-300的内部信号电平相匹配主要数字量输入模块SM321数字量输出模块SM322模拟量输入模块SM331模拟量输出模块SM332等每个信号模块都配有自编

47、码的螺紧型前连接器外部过程信号可方便地连在信号模块的前连接器上特别指出的是模拟量输入模块独具特色它可以接入热电偶热电阻4-20mA电流0-10V电压等18种不同的信号输入量程范围很宽 5 通讯处理器 CP340 西门子公司实现点到点串口通信的低成本解决方案口RS232C V24 20mA TTY RS422485 X27 固化有3964 R 协议和ACSII协议两个标准通信协议二PLC的IO分配表 PLC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1PLC的开关输入端口包括系统的启动停止按钮电机启动停止按钮手动自动按钮变频器故障及检修复位以及变频器工频变频运行信号另外

48、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开触点其开关输入端口的分配如表5-5所示表5-5 开关量输入分配表序号 名称文字符号端口地址 11引风机手动自动SA1I00 21引风机停止SB1I01 31引风机启动SB2I02 41引风机故障KH1I03 52鼓风机手动自动SA2I04 62鼓风机停止SB3I05 72鼓风机启动SB4I06 82鼓风机故障KH2I07 93循环泵手动自动SA3I10 103循环泵停止SB5I11 113循环泵启动SB6I12 123循环泵故障KH3I13 134循环泵手动自动SA4I14 144循环泵停止SB7I15 154循环泵启动SB8

49、I16 164循环泵故障KH4I17 171变频器故障KA2I20 182变频器故障KA3I21 193变频器故障KA5I22 204变频器故障KA6I23 211变频器报警控制KA7I24 222变频器报警控制KA8I25 233变频器报警控制KA9I26 244变频器报警控制KA10I27 251工频电动机手动自动SA5I30 261工频电动机停止SB9I31 271工频电动机启动SB10I32 281工频电动机故障KH5I33 292工频电动机手动自动SA6I34 302工频电动机停止SB11I35 312工频电动机启动SB12I36 322工频电动机故障KH6I37 333工频电动机手

50、动自动SA7I40 343工频电动机停止SB13I41 353工频电动机启动SB14I42 363工频电动机故障KH7I43 374工频电动机手动自动SA8I44 384工频电动机停止SB15I45 394工频电动机启动SB16I46 404工频电动机故障KH8I47 415工频电动机手动自动SA9I50 425工频电动机停止SB17I51 435工频电动机启动SB18I52 445工频电动机故障KH9I53 456工频电动机手动自动SA10I54 466工频电动机停止SB19I55 476工频电动机启动SB20I56 486引风机手动自动KH10I57 497工频电动机手动自动SA11I60

51、 507工频电动机停止SB21I61 517工频电动机启动SB22I62 527工频电动机故障KH11I63 538工频电动机手动自动SA12I64 548工频电动机停止SB23I65 558工频电动机启动SB24I66 568工频电动机故障KH12I67 579工频电动机手动自动SA13I70 589工频电动机停止SB25I71 599工频电动机启动SB26I72 609工频电动机故障KH13I73 6110工频电动机手动自动SA14I74 6210工频电动机停止SB27I75 6310工频电动机启动SB28I76 6410工频电动机故障KH14I772PLC的输出端口包括各种故障指示以及变

52、频器故障给PLC的信号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以上的配置都留有余量为以后的系统扩展提供方便开关输出端口的分配表如5-6所示表5-6 开关量输出分配表序号 名称文字符号端口地址 11引风机控制KM1Q80 2 2鼓风机控制KM2Q81 3 3循环泵控制KM3Q82 4 4循环泵控制KM4Q83 5 1变频器启动停止KA1Q84 6 2变频器启动停止KA11Q85 7 3变频器启动停止KA12Q86 8 4变频器启动停止KA13Q87 91工频电动机控制KM5Q90 10 2工频电动机控制KM6Q

53、91 11 3工频电动机控制KM7Q92 12 4工频电动机控制KM8Q93 13 5工频电动机控制KM9Q94 14 6工频电动机控制KM10Q95 15 7工频电动机控制KM11Q96 16 8工频电动机控制KM12Q97 17 9工频电动机控制KM13Q100 18 10工频电动机控制KM14Q101 19 1引风机机启动指示HL1Q102 20 1引风机机停止指示HL2Q103 21 2鼓风机机启动指示HL3Q104 22 2鼓风机机停止指示HL4Q105 23 3循环泵机启动指示HL5Q106 24 3循环泵机停止指示HL6Q107 254循环泵机启动指示HL7Q110 26 4循环

54、泵机停止指示HL8Q111 27 1变频器报警指示HL9Q112 28 2变频器报警指示HL10Q113 293变频器报警指示HL11Q114 304变频器报警指示HL12Q115 31备用-Q116 32备用-Q117 3 模拟量输入输出点的分配表表5-7 模拟量输入分配表序号 名称文字符号端口地址 1 温度模拟量采集 -CH0 2 水位模拟量采集 -CH1 3 压力模拟量采集 -CH2表5-8 模拟量输出分配表序号 名称文字符号端口地址 11变频器频率调节-QI0 22变频器频率调节 -QI1 33变频器频率调节 -QI2 44变频器频率调节 -QI3com络配置 在系统的网络配置中图中上位机采用两台研华工控机IPC610构成双机冗余系统每台工控机配置一块西门子CP5611MPI多点接口通讯卡通过MPI接口与下位机S7-300进行通讯下位机采用S7-300系列PLCCPU315一2DP内部集成有MPI接口用于与上位机全局通讯PLC在线编程配置CP340RS一422485通讯模块通过RS一485总线传输接口与4台三菱变频器进行通讯 本系统中S7-