换热站控制系统设计

创作时间：二零二一年六月三十日吉林化工学院信控学院专业综合设计说明书之老阳三干创作创作时间：二零二一年六月三十日换热站控制系统设计学生学号：学生姓名：专业班级：指导教师：职称：起止日期：吉林化工学院JilinInstituteofChemicalTechnology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、设计目的了解换热机组工艺流程；了解温度、压力、液位及流量等工艺参数的信号丈量及传输方法；掌握PLC各种典范信号（二线制、四线制变送器及热电阻、热电偶）接线方法;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；熟悉自控工程实践设计及应用的一般步伐和实现方法.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控制要求：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；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；补水箱水位限值控制：水箱水位小于低限时开补水阀，年夜于高限时关补水阀；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年夜于高限时停泵；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；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

总结IO点表,并进行PLC系统选型；设计控制系统IO信号接线图纸；按上述控制要求编写和设计PLC控制法式；设计上位机把持画面，包括工艺流程画面、把持画面、趋势及报警等画面;撰写设计说明书.六、设计时间及进度安插设计时间共三周，具体安插如下表：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法式设计，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.第二周PLC法式设计；把持画面设计；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.第三周完善法式和画面，撰写专业综合设计说明书七、指导教师评语及学生成果指导教师评语：2016年月曰成果指导教师（签字）：录第1章摘要1第2章换热站系统的工艺22.2系统的工艺流程22.3系统的功能及控制要求2第3章系统硬件选型4PLC的选型4I/O点表43.3电源选型43.4CPU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6第5章下位机控制系统设计85.1分析控制要求85.3编纂符号表8第6章上位机监控画面设计13Wincc组态软件简介13Wincc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186.8PID仿真调节画面19结论20参 考 文 献 21第1章摘要随着年夜规模集成电路和微处置器在PLC中的应用，使PLC的功能不竭获得增强，产物获得飞速发展.由于PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点.因此PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的位置，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年夜关注.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中采纳PID算法，从而可以通过控制循环泵和补水泵的转速来实现恒压控制，同时也通过对二次网供水温度的自动监控，从而通过控制一次网进水处的调节阀开度来实现恒温控制，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的温度自动控制系统方案,针对过程控制装置中的换热站供水温度控制系统，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,能方便地在线修改参数，实现对整个换热系统工艺流程的控制.系统上位机采纳西门子WINCC工程组态软件,实现系统启动和停止的控制、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换热站系统的构成（1） 换热站就地监控系统：以S7_300控制器为核心，现场的温度、压力、流量、热量、液位、阀门开度、变频器频率、泵的起停状态等传到控制器，由其进行判断和处置,从而实现现场的就地控制.（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，实现中心控制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系统的功能及控制要求本系统的功能可分为监视功能和控制功能：（1） 监视功能主要包括：数据处置和数据显示两部份.（2） 控制功能主要包括：对循环泵及补水泵的控制，以及一次网调节阀开度和二次网补水阀启停的控制.控制要求：（1） 二次网供水温度PID控制：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，调节一次网调节阀V101的开度，从而进行供水温度定值控制；（2） 二次网供水压力PID控制：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,控制变频器输出频率，间接地控制水泵的转速，从而进行供水压力的定值控制；（3） 补水箱水位限值控制：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，年夜于高限时关补水阀；（4） 二次网回水压力限值控制：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,年夜于高限时停泵；（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；（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PLC的选型在本控制系统中，所需的开关量输入为6点,分别为补水泵的启动、停止、创作时间：二零二一年六月三十日运行、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维修方便性，选择模块式PLC.S7_300PLC一般包括CPU（中央处置单位）、存储器、输入输出接口、电源等.I/O点表表3-1IO点表序号IO标识中文说明IO类型PLC地址量程1V101调节阀开度控制AOPQW2880-100%2V101调节阀开度反馈AIPIW2560-100%3V102补水阀启动DO4P201循环泵频率控制AOPQW2900-50HZ5P201循环泵频率反馈AIPIW2580-50HZ8P201循环泵故障DI9P201循环泵运行DI10P201循环泵启动DO11P202补水泵启动DI12P202补水泵停止DI13P202补水泵故障DI14P202补水泵运行DI15P202补水泵启动DO16PT101一次网进水压力AIPIW26017TT101一次网进水温度AIPIW26218PT201二次网回水压力AIPIW26419TT201二次网回水温度AIPIW26620PT202二次网供水压力AIPIW26821PT202二次网供水温度AIPIW27022LT补水箱水位AIPIW2720-5m3.3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.如果容量不能满足所有需求，则必需增加外部24V直流电源.此系统选用PS3075A,型号为6ES7307-1EAO1-0AA0.3.4CPU选型300PLC中CPU作为整个控制系统的核心，主要有运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成，另外还有外围芯片、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CPU6ES7315-2EH14-0AB0.3.5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单位.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,过剩的I/O点用来备用和扩展.因此选择数字量输入型号为6ES7321_1BH00_0AA0,数字量输出型号为6ES7322_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，过剩的用来备用和扩展.因此选择模拟量输入型号为6ES7331-1KF02-0AB0,数字量输出型号为6ES7332-5HF00-0AB0.3.6硬件选型表为使系统平安可靠的运行，在进行硬件结构设计时，应充沛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1CPUCPU6ES7315-2EH14-0AB012PS电源模块(5A)6ES7307-1EA01-0AA013DI数字量输入模块16位6ES7321-1BH00-0AA014DO数字量输出模块16位6ES7322-1BH00-0AA015AI模拟量输入模块8路6ES7331-1KF02-0AB026AO模拟量输出模块8路6ES7332-5HF00-0AB017QS三相空气开关18FU熔断器19KM交流接触器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，通过交流接触器KM1控制补水泵的启停，通过KM2控制变频器的启停,通过控制变频器的频率来控制循环泵的转速.二次回路中包括：本地的手动把持和远程PLC控制,手动控制时,即按下

SB1,交流接触器吸合,使补水泵启动，按下按钮SB2交流接触器断开，补水泵停止工作，循环泵的控制同理.远程控制时由PLC法式进行处置，通过Q点输出给中间继电器，从而控制泵的启停.图4-1图4-1主控制回路图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Q0.0.1234^6^S9W.llE--'.1234^6^S9W.llE--'.fMlsLt'?!^^^

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自©©@会=••■白©@4一©©©©9©©©解W，牛*沛flWSlW斜削图4-3数字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，以及调节阀开度反馈.模拟量输出主要包括：调节阀来读的控制，以及比拼其频率的控制.5HF0013岑君够■..§有7©宏5e©???-2p-p-?2p-3123456793-w凸一二口白f口0目目自13岑君够■..§有7©宏5e©???-2p-p-?2p-3123456793-w凸一二口白f口0目目自U■wmi©©-Sa-目自991234£7s5o3332333334l1?13h:51d..'1D....■r:-口凸j@§oLg™G_Q@LgE，l10琪也冲甫噂旭CUOUHJ?OJCUCUI-232567_sCJNqp-3言4D2-&W=.6自筹心有点-0爸泊片3333333334l1?#m1516V13珅制自与§u=§n白打§§.=£=目_洎-S.『」■..-_•3C23Upto222223—15-^345fb7BnT.TAn-9§o§自台三-白•:©洵3040309?苓对溥泊3m33333341|?'3?宜1617田320Aw_.-二二.=,—_.mCDCD=._■@图4-4模拟量输入输出回路第5章下位机控制系统设计5.1分析控制要求通过分析控制任务要求，本系统要对温度、压力、变频器和调节阀的反馈量进行收集,对变频器和调节阀的PID调节，以及简单的离散逻辑控制.所以为了使法式更清晰，编程时调用了多个功能块，其中温度收集FC1,逻辑控制FC2,压力收集FC3,变频器和调剂发反馈FC4,液位收集FC5,以及模拟量输出FC6.所以设计法式时OB1中只对子法式进行调用，其中的PID要在OB35中进行调节.根据选型在SIMATIC300站点进行硬件组态.如图5-1所示.图5-1硬件组态5.3编纂符号表界说符号地址，为相应的I/O点编纂符号.如图5-2所示.状态符•号地址数握类1K ■…EQOLi盲弟泉乩障标忐g)2p202_TI .…BOOL补水:泵故障3V102Q ..-BOOL进水阀启动4SeverOnH ■…BOOL启劫5p202_6I .…BOOL彳卜水:京运行6p201_4M ■…EOOL循环京近行标志位7p201叮 ..-BOOL彳盾环泵启动命令3p2Q2_2EOOL补肝莎后所标志位ym .tiUUL补水泉诺行标忐K1M ■…BOOL补小泉故障标志位1p202-3I ...COOL补水泵启动1p201_3I .…BOOL循耳泵故障：1p201_LI ...EOOL循环京运行1p202_6Q ..-EOOL补水京启苛命令1V1O2_LM .EOOL进.也阀启动标志位1p2Q2_4I ..-EOOL补麻芋■信止图5-2符号表

根据工作过程编纂梯形图.（1）利用FC105,将由模拟量收集模块收集并转换为0——27648的数字量转换为实际的压力值，法式如下.图5-3压力收集（2）将模拟量收集的温度值,进行由整形到长整形的变换，再有长整形转酿成浮点数，最后进行浮点数的运算，即将收集值除以10,获得实际的温度值.图5-4温度收集（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0——27648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)对进水阀的控制分为：通过上微机把持画面手动控制，和自动控制.图5-6进水阀启动停止控制通过对补水箱水位的实时监控，将收集的液位值与设定的液位值上限进行较,如果收集值年夜于设定值则关闭进水阀，同理将收集的液位值与设定的液位下限比力，如果收集值小于设定值则翻开进水阀.图5-7液位控制(5)对进水泵的控制分为：通过上位机画面手动控制，和通过按钮启停，和自动控制.

图5-8补水泵启动停止控制通过对二次网回水压力的实时监控，将收集的压力值与设定的压力值上限进行较，如果收集值年夜于设定值则关闭补水泵，同理将收集的压力值与设定的压力下限比力，如果收集值小于设定值则翻开补水泵.图5-9压力控制（6）二次网供水压力和温度的PID调节：PID调节要用到PID调节块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节阀上.调节过程只需给定一个设定值SP,通过调解比例和积分，可将输出值调节到SP.如图为一个PID仿真法式.

DE1=»1Ccn-Tlnuci-UEZon.:rolDE1=»1Ccn-Tlnuci-UEZon.:rol“.-一—LE£_FBE-.-一FTFEJi.Wfl—P_^BL QL3&LLL1„.„一I_^EL“.-一IBIJUOiD L虬］—“.-一D.^EL PV—CYCLE EK-.-一—FV_IK„.„一F7_FEF.—m堇G-IINIE—■n---一DLLK—D!AMLT„.„一LEt_HL3—LE>4_LLliP7_FACP7凸FFmacIsxrIE'courcl_pfiOC_£~DE1.ZKEirW—ikv cnrrv—□LET—久口„„„一---——nLiAS-a---—CYC1EZGM_rrs：T-Dll.EEI'15图5-10PID控制第6章上位机监控画面设计6.1Wincc组态软件简介西门子视窗控制中心SIMATICWinCC(WindowsControlCenter)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，昔时就被美国ControlEngineering杂志评为最佳HMI软件，以最短的时间发展成第三个在世界范围内胜利的SCADA系统；而在欧洲，它无可争议的成为第一.WinCC基本系统是很多应用法式的核心.它包括以下九年夜部件：变量管理器变量管理器(tagmanagement)管理WinCC中所使用的外部变量，内部变量和通讯驱动法式.图形编纂器图形编纂器(graphicsdesigner)用于设计各种图形画面.报警记录报警记录(alarmlogging)负责收集和归档报警消息.变量归档变量归档(taglogging)负责处置丈量值，并长期存储所记录的过程值.报表编纂器报表编纂器(reportdesigner)提供许多标准的报表，也可以设计各种格式的报表，并可依照预定的时间进行打印.

全局脚本全局脚本(globalscript)是系统设计人员用ANSI-C及VisualBasic编写的代码，以满足项目的需要.文本库文本库(textlibrary)编纂分歧语言版本下的文本消息.用户管理器用户管理器(useradministrator)用来分配,管理和监控用户对组态和运行系统的访问权限.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.Wincc组态软件使用第一步，新建单用户项目，如图6-1所示.第二步,选择存储位置，项目命名后完成创立.TinCC项目管理器TinCC项目管理器l?|X图6-2添加驱动理处右键添加新的驱动，找到图6-2添加驱动理处右键添加新的驱动，找到SIMATICS择MPI那地址写7ProtocolSuite添加,下,这样就能与下位机实现仿真连接，如图6-2.创建新项目 图6-1新建单用户项目在变量管在属性里面选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，根据下位机的符号表，一次建立变量,如果变量较多，为了方便实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(代表中间标识表记标帜位或

者中间变量）等，然后针对分歧类型的变量依照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设置插槽号浮.SS32CZJLLL754MD202016/&/1二午10；16；21浮液类位IEEE754MD242016/&/1±^=10；16；55浮液刃位］壬E754MD3042016/^/5上午lD:Dfi:2a,一疵主tRSS浮袁歆爻位】壬E754MD7B2016/5/1上午10:10:48"二^回水巨］淳诙以位］二ET54MD31D2016^/5上午10：06：49/二炯回水涅度ti]-=E754IMD90201.6^/5上午10!13!15B二S洞绑JE力淳景S由位1ME754D02.DD1O2016/9/5二午10:07:15H二烦生幡直浮点盈3W位754DB1.DD10201讷为 10:12:5&“补:席U位浮点救32位1"E754MD402016(/5/1z¥10:22:5^*补水亲故垃ML2201狗1二午1&2<^7ih卜清运厅M1.3M16/&/1二午10:2+57二旧垦M1.-02016^/1上午1CH25:37二^没是Mil2016/5/1上午10:25:52音也胡M2.-02C16/&/1上午10!26!20二萱A16.0上午10:29:24,陌祚训A16.12016/&/1上午1。；30心5二SWQA16.2M16/&/1—午1&3&24图6-5变量建立6.4画面的建立在图形编纂器下,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调节画,面画面显示如下图6-6.

图6-6工艺画面现场收集的信号经过转换后进行PID运算，过程值和设定值进行比力、调节,使PID的输出值接近或即是设定值.PID图6-6工艺画面PID温度调节画面为例，如图6-7所示.换热站控制|登命|工滋曜势二版网回水is度二版网回水is度g注蒂调节阿升度O.OTO茂供水二次网样水床力二次网供水温度时E杼*二次回水三次网回水压力Q50DG5C0水箝水位|dddo|—次供水1 ]O.MdO.OOT调节阿升度O.OTO茂供水二次网样水床力二次网供水温度时E杼*二次回水三次网回水压力Q50DG5C0水箝水位|dddo|—次供水1 ]O.MdO.OOT0.000o.oco,000图6-7PID压力调节-次网供水温度-■次网供水压力一彼Is!水6.5液位报警画面的建立首先双击翻开〈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，最后在液位、温度、压力下建立上、下限报警,当高于上限或低于下限时城市发生报警.图6-9