换热站控制系统设计

1、 吉林化工学院信控学院专业综合设计说明书 换热站把握系统设计同学学号： 同学姓名： 专业班级： 指导老师： 职 称： 起止日期：2016.08.292016.09.18吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology欢迎下载专业综合设计任务书一、设计题目 换热站把握系统设计二、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. 把握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. 把握PID把握算法及其在PLC中的编程和离线仿真及调试方法

2、； 5. 生疏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。把握要求：1二次网供水温度PID把握：通过一次网调整阀V101进行供水温度定值把握；2二次网供水压力PID把握：通过循环泵调频进行供水压力定值把握；3补水箱水位限值把握：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把握：回水压力小于低限时启动补水泵，大于高限时停泵；5连锁把握（选做）：水箱水位小于低低限时，补水泵禁止运

3、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. 设计把握系统IO信号接线图纸； 3. 按上述把握要求编写和设计PLC把握程序；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、设计时间及进度支配设计时间共三周,具体支配如下表：周次设 计 内 容设计时间第一周生疏工艺流程和把握要求，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把握原理设计（选做），仪表选型（选做），IO信号接线设计。基本

4、PLC程序设计，把握二、四线制及热电阻接线方法，把握信号传输与变换直线转换计算。2016.8.29- 2016.9.4其次周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把握器基本工作原理，把握把握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、指导老师评语及同学成果指导老师评语：2016年 月 日成果指导老师(签字)：目 录第1章 摘要1第2章 换热站系统的工艺22.1换热站系统的构成22.2 系统的工艺流程22.3 系统的功能及把握要求2第3章 系统硬件选

5、型43.1 PLC的选型43.2 I/O点表43.3 电源选型43.4 CPU选型53.5 数字量输入输出模块选型53.6 硬件选型表5第4章 换热站的接线设计64.1 主回路和二次回路64.2 数字量输入/输出回路64.3模拟量输入/输出回路7第5章 下位机把握系统设计85.1 分析把握要求85.2硬件组态85.3 编辑符号表85.4编辑下位机梯形图程序9第6章 上位机监控画面设计136.1 Wincc组态软件简介136.2 Wincc组态软件使用136.3 变量的链接146.4 画面的建立156.5 液位报警画面的建立176.6 变量记录与温度历史趋势176.7 压力实时趋势186.8 P

6、ID仿真调整画面19结 论20参考文献21欢迎下载第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的功能不断得到增加，产品得到飞速进展。由于PLC具有通用性强、使用便利、适应面广、牢靠性高、抗干扰力量强、编程简洁等特点。因此PLC在工业自动化把握特殊是挨次把握中的地位，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中接受PID算法，从而可以通过把握循环泵和补水泵的转速来实现恒压把握，同时也通过对二次网供水温度的自动监控，从而通过把握一次网进水处的调整阀开度来实

7、现恒温把握，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的温度自动把握系统方案，针对过程把握装置中的换热站供水温度把握系统，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，能便利地在线修改参数，实现对整个换热系统工艺流程的把握。系统上位机接受西门子WINCC工程组态软件，实现系统启动和停止的把握、参数设定、报警组态、历史数据查询、报表打印等功能。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把握器为核心，现场的温度、压力、流量、热量、液位、阀门开度、变频器频率、泵

8、的起停状态等传到把握器，由其进行推断和处理，从而实现现场的就地把握。（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，实现中心把握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 系统的功能及把握要求本系统的功能可分为

9、监视功能和把握功能：(1)监视功能主要包括：数据处理和数据显示两部分。(2) 把握功能主要包括：对循环泵及补水泵的把握，以及一次网调整阀开度和二次网补水阀启停的把握。把握要求：（1） 二次网供水温度PID把握：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，调整一次网调整阀V101的开度，从而进行供水温度定值把握；（2） 二次网供水压力PID把握：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，把握变频器输出频率，间接地把握水泵的转速，从而进行供水压力的定值把握；（3） 补水箱水位限值把握：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；

10、（4） 二次网回水压力限值把握：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） 连锁把握：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。第3章 系统硬件选型3.1 PLC的选型在本把握系统中，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修理便利性，选择模块式PLC。S7_300 PLC一般包括CPU（中心处理单元）、存储器、输

11、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调整阀开度把握AOPQW2880-100%2V101调整阀开度反馈AIPIW2560-100%3V102补水阀启动DOQ0.04P201循环泵频率把握AOPQW2900-50HZ5P201循环泵频率反馈AIPIW2580-50HZ8P201循环泵故障DII0.29P201循环泵运行DII0.310P201循环泵启动DOQ0.111P202补水泵启动DII0.412P202补水泵停止DII0.513P202补水泵故障DII0.614P202补水泵运行DII0.715P202补水泵启动DOQ

12、0.216PT101一次网进水压力AIPIW2600-1.0Mpa17TT101一次网进水温度AIPIW26218PT201二次网回水压力AIPIW2640-1.0Mpa19TT201二次网回水温度AIPIW26620PT202二次网供水压力AIPIW2680-1.0Mpa21PT202二次网供水温度AIPIW27022LT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。假如容量不能满足全部需求，则必需增加外部24V直流电源。此系统选用PS307 5A，型号为6ES7

13、307-1EAO1-0AA0。3.4 CPU选型300PLC中CPU作为整个把握系统的核心，主要有运算器、把握器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和把握总线构成，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

14、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 332-5HF00-0

15、AB0。3.6 硬件选型表为使系统平安牢靠的运行，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 315-2EH14-0AB012PS电源模块(5A)6ES7 307-1EA01-0AA013DI数字量输入模块16位6ES7 321-1BH00-0AA014DO数字量输出模块16位6ES7 322-1BH00-0AA015AI模拟量输入模块8路6ES7 331-1KF02-0AB026AO模拟量输出模块8路6ES7 332-5HF00-0AB017QS三相空气开关18FU熔断器19K

16、M沟通接触器CJX2-09210KH热继电器AC380V211KA继电器MY4N-J413SB按钮LA58614SA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，通过沟通接触器KM1把握补水泵的启停，通过KM2把握变频器的启停，通过把握变频器的频率来把握循环泵的转速。二次回路中包括：本地的手动操作和远程PLC把握，手动把握时，即按下SB1，沟通接触器吸合，使补水泵启动，按下按钮SB2沟通接触器断开，补水泵停止工作，循环泵的把握同理。远程把握时由PLC程序进行处理，通过Q点输出给中间继电器，从而把握泵的启停。 图4

17、-1 主把握回路图 4-2 二次回路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，以及调整阀开度反馈。模拟量输出主要包括：调整阀来读的把握，以及比拼其频率的把握。 图4-4 模拟量输入输出回路第5章 下位机把握系统设计5.1 分析把握要求

18、通过分析把握任务要求，本系统要对温度、压力、变频器和调整阀的反馈量进行采集，对变频器和调整阀的PID调整，以及简洁的离散规律把握。所以为了使程序更清楚，编程时调用了多个功能块，其中温度采集FC1，规律把握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中进行调整。5.2硬件组态依据选型在SIMATIC300站点进行硬件组态。如图5-1所示。 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依据工作过程编辑

19、梯形图。（1） 利用FC105，将由模拟量采集模块采集并转换为027648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，最终进行浮点数的运算，即将采集值除以10，得到实际的温度值。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027648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） 对进水阀的把握分为：通过上微机操作画面手动把握，和自动把握。图5-6 进水阀启动停止把握通过对补水箱水位的实时监控，将采集的液位值

20、与设定的液位值上限进行较，假如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，假如采集值小于设定值则打开进水阀。图5-7 液位把握（5）对进水泵的把握分为：通过上位机画面手动把握，和通过按钮启停，和自动把握。图5-8 补水泵启动停止把握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，假如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，假如采集值小于设定值则打开补水泵。图5-9压力把握（6）二次网供水压力和温度的PID调整：PID调整要用到PID调整块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

21、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整阀上。调整过程只需给定一个设定值SP，通过调解比例和积分，可将输出值调整到SP。如图为一个PID仿真程序。图5-10 PID把握第6章 上位机监控画面设计6.1 Wincc组态软件简介 西门子视窗把握中心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，以最短的时间进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

22、。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）供应很多标准的报表，也可以设计各种格式的报表，并可依据预定的时间进行打印。6全局脚本全局脚本（global script）是系统

23、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）用来安排，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）负责搜寻在画面，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。其次步，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

24、 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。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，依据下位机的符号表，一次建立变量，假如变量较多，为了便利有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依据符号表就行变量的建立。建立结果如下图6-5。图6-3 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，

25、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调整画，面画面显示如下图6-6。图6-6 工艺画面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、调整，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整。以PID温度调整画面为例，如图6-7所示。图6-7 PID压力调整 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，通过启停按钮可以把握泵或阀的启停。图6-8 补水泵和进水阀手动操作画面6

26、.5 液位报警画面的建立首先双击打开<报警记录>，在<工具>栏中选中<附加项>，在<附加项>中勾选<模拟量报警>添加<模拟量报警>，然后在<模拟量报警>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，最终在液位、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<变量记录>，右键单击归档向导，依据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仿真调整画面 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调整，通过设定比例和积分，调出合理曲线。图6-12 PID调整画面结 论应用PLC作为主把握器设计换热站把握系统，完成二次网供水恒压和恒温的工艺。通过专业综合设计，使我们的综合素养和动手力量有所提高，能够真正做到自己发觉问题、分析问题和解决问题。通过本课程设计的使