基于PLC的工业锅炉设计改造毕业设计论文.docx
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基于PLC的工业锅炉设计改造毕业设计论文
基于PLC的工业锅炉设计改造
摘要
本文设计了一套基于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、鼓风机和水泵电机、传感器等构成。
系统通过变频器控制电动机的启动、运行和调速。
该设计以西门子S7-200系列可编程控制器为核心，一方面通过操作台与PLC通讯，接收管理者的控制命令。
另一方面与各变频器进行通信，分别对鼓风机、循环泵和补水泵等进行启停控制和电机的转速设定，操作人员也随时可以通过操作台，了解现场每台锅炉的运行状况，对风机、水泵等电机进行启停控制。
控制系统的设计采用比例积分的PID控制。
关键词：
锅炉控制，变频器，PLC，PID
Thedesignofheatingboilerautocontrolreformationsystembase
onPLCtechnology
Abstract
InthisPaper,aheatingboilercontrolsystembasedonPLCandvariablefrequencySpeed-regulatingtechnologyisdesigned.ThecontrolsystemismadeupofPLC,transducers,electromotorunitsofPumpsandfans,sensors,etc.Itcancontrolelectromotorstarting,runningandtimingbymeansoftransducers.
ThedesignisbasedonSiemensS7-200seriesprogrammablecontrollerasthecore;ontheonehandthroughtheconsoleitcancommunicatewiththePLC,toreceivecontrolcommandsfrommanagers.OntheotherhanditcommunicatewiththevariablefrequencySpeed-regulating,tofulfilledsuchasstartingandstoppingpumpmotorcontrolandspeedsettings,theoperatoratconsolecanfindoutatthesceneoftheoperationofeachboilertofans,pumpsandothermotorcontroltostartandstop.atanytime.
Keywords：
boilercontrol,variablefrequencySpeed-regulating,PLCtechnology
1绪论
锅炉是供热设备中最普遍的动力设备之一，它的功能是把燃料中的贮能，通过燃烧转化成热能，以蒸汽或热水的形式输向各种设备。
目前，大多数锅炉都是人工控制的，或简单的仪表单回路调节系统，燃料浪费很大。
锅炉作为一个设备总体，有许多被控制量与控制量，许多参数之间明显地存在着复杂的关系。
对于锅炉这个复杂的系统，由于其内部能量转换机理过于复杂，采用常规的方式进行控制，难以达到理想的控制效果，因此，必须采用智能控制方式控制，才能获得最佳控制效果。
可编程逻辑控制器（PLC）既能代替传统的继电器接触器控制系统,又具有扩展各种输入输出模块,如A/D模块、热电偶热电阻模块,构成多功能控制系统。
现代PLC集成度高、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定。
在传统工业的现代化改造中发挥着越来越重要的作用。
供暖锅炉，是连接用户极为重要的功能性环节，不仅其工作的安全性、可靠性直接影响到等前级产热设备的安全性及供热质量，提高其工作效能，还具有十分重大的节能意义。
目前供暖锅炉大都采用人工监控，一方面浪费人力；另一方面在出现事故隐患时，操作人员难以及时发现，很容易造成运行中设备的事故。
该设计对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故。
系统由可编程逻辑控制器（PLC）、变频器组成，能完成对给水、鼓风等进行自动控制，使锅炉的水位、蒸汽压力保持在规定的数值上，以保证锅炉的安全运行，达到降低能耗、提高供气质量的目的，同时对运行参数如压力、温度等进行显示，还可对水位、压力、炉温等参数越限时报警，发出声光信号。
由于PLC具有输入输出光电隔离、停电保护、自诊断等功能，所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工业现场中，故障率低。
PLC编程简单，易于通信和联网，用于水暖锅炉控制能提高性能价格比，如果从长远观点看，其寿命长，故障率低，易于维修，所以选用[1]。
2供暖锅炉改造设计思路
2.1供暖锅炉改造设计要求
（1）PLC容量和性能要与任务相适应，PLC运行速度要满足实时控制的要求
（2）要确定PLC的型号、需要的传感器和变频器的型号、PLC硬件接线图和梯形图
（3）要有PLC的I/O接口地址分配表
（4）系统具有手动/自动转换、在线监控及在现场调试、驱动电机过热保护
2.2锅炉系统的结构
锅炉控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、补水箱、循环水泵、补水泵等部分组成。
补水箱内的水由两路提供。
一路是来自用户网通过热交换形成的冷凝水。
一路是来自自来水管的自来水。
当回水不足以维持供热所需的水时。
启动补水泵，用补水箱内的水，加入到锅炉。
图1总体系统结构图
2.3整体方案选择
以往供暖锅炉系统中带有循环泵、补水泵等水泵类的设备，通常是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，还加速了阀体的磨损，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。
对于如何供暖锅炉的基本功能和它存在的缺陷等问题提出两种改造方案。
第一种就是利用单片机进行控制中心的，但是由于单片机工作状态的不稳定性，抗干扰能力比较差。
所以不在此处选用。
第二种就是用可编程控制器PLC进行改造，把原来的继电接触式电控系统改造为PLC控制。
不仅可以消除掉它原来存在的所有缺陷，而且增加了故障检修功能，可以在发生故障的部位进行报警。
第二个方案用可编程控制器PLC对原来的继电接触式电控系统进行技术改造，改造后可以减少强电元气件数目，而且增加了一些故障自诊断功能。
提高了系统的稳定性，可靠性，安全性。
使电气控制系统的工作更加灵活，更容易维修，更能适应经常变动的工艺条件。
因此我们选择第二种方案。
3变频调速在供暖锅炉控制中的应用
3.1变频调速基本原理
目前，随着大规模集成电路和微电子技术的发展，变频调速技术已经发展为一项成熟的交流调速技术。
变频调速器作为该技术的主要应用产品经过几代技术更新，己日趋完善，能够适应较为恶劣的工业生产环境，目能提供较为完善的控制功能，能满足各种生产设备异步电动机调速的要求。
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系水泵多配用交流异步电机拖动，当电机转速降低时，既可节约能量，经济效益十分显著。
由异步电动机的转速公式：
（1）
式中，
——异步电动机的同步转速r/min；
——异步电动机转子的转速r/min；
——电动机的磁极对数；
——电源频率，电动机定子电压频率；
——转速差；
（2）
由公式可见改变电动机极对数P、改变转速差S及改变电源频率f都可以改变转速。
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-直-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。
实现调频调压的电路有两种：
交-直-交变频器，交-交变频器见图2。
上面是交-直-交变频器，下面是交-交变频器。
VVVF
u2f2
图2变频器种类
（1）交-直-交变频器
它是由三个环节组成：
可控硅整流电路，其作用是将电压、定频率的交流电路变为电压可调的直流电；可控硅逆变电路，其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电；滤波环节，它在整流电路和逆变电路之间，一般是利用无电源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。
（2）交-交变频器
它是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流电通过变频电路同时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出，交-交变频器由于直接交换，减少换流电路，减少损耗，效率高，波型好，但调速范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用[2]。
3.2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。
4锅炉控制系统总体设计
4.1系统功能分析
本文针对锅炉进行变频改造，设计一套基于变频调速技术的锅炉系统。
根据要求，并结合锅炉控制的发展趋势，本系统具备如下功能：
（1）远程/就地控制
系统具有远程控制和就地控制两种控制功能。
通过操作台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远程控制。
同时，也可直接操作变频控制柜，实现就地控制。
（2）单动/联动模式
本系统工作在单动/联动两种工作模式下。
单动和联动模式下均可实现远程/就地控制和参数设定，但单动模式下，需人工根据气候、负荷的变化设定鼓风机、循环泵和补水泵等电机的转速，相当于“开环控制”；联动模式下，操作人员只需根据室内温度和室外温度的变化设定锅炉的出水温度和炉膛负压等参数，系统自动地调节电机的转速，减少了人工干预，提高了自动化水平。
（3）检测功能
系统通过安装在锅炉现场的各类传感器，可检测出水温度、回水温度、、出水流量、回水压力、出水压力、补水流量、循环水泵压力等参数，并可以将这些数据通过变送器传送到可编程控制器处理，所有参数均可在操作台显示上显示出来。
（4）超温超压报警
按规定，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。
4.2总体设计思路
针对锅炉房的现状，本系统对锅炉房的鼓风机、循环泵、补水泵等设备进行变频改造。
每台鼓风机配置一台变频器，共2台。
对于4台循环泵，给其中两台容量较大的电机配置两台变频器，另外容量较小的电机不配备变频器，作为备用。
对于4台补水泵，也配置两台变频器，给其中两台容量较大的电机配置两台变频器，另外容量较小的电机不配备变频器。
所有变频器均安装在变频控制柜内，置于变频控制室，操作变频控制柜的面板，可实现就地控制。
PLC采用西门子公司S7-200系列PLC，通过1/O模块控制控制柜内所有断路器、接触器和继电器等开关设备，以实现远程控制。
如果PLC系统出现故障，可直接在控制柜上通过控制面板进行启/停控制，原有的手动控制部分（操作台部分）均予保留，一旦变频控制系统出现故障，可自动或手动转为原有的手动方式控制，从而可避免造成供暖中断，切实保证供暖正常。
4.3系统结构
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、循环泵控制系统和补水泵控制系统。
本系统采用集中控制，分为三部分，系统结构框图如图3所示。
图3系统结构框图
5系统硬件设计
5.1可编程控制器PLC的选型
由于供暖锅炉自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国Siemens公司的S7-200型。
S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性能/价格比，广泛适用于一些小型控制系统。
Siemens公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点。
根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，为以后新设备的介入或设备调整留有余地，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU224XPCN，其开关量输出（DQ）为10点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入为14点，输入形式为+24V直流输入。
由于实际的开关量输出有26点，所以需要扩展，扩展模块选择的是1个EM223CN型模块，该模块有16个开关量输出点，输出形式为AC220V继电器输出，开关量输入为16点，输入形式为+24V直流输入。
此外，为了方便的将管网压力信号、电机频率信号和同相比较信号传输给PLC。
经比较计算后转换为相应的控制信号，选择了EM235CN模拟量扩展模块。
该模块有4个模拟输入（AIW），1个模拟输出（AQW）信号通道。
输入输出信号接入端口时能够自动完成了A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长（16bit）的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长（16bit）的数字信号能够转换成标准输出信号。
EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。
系统PLC的选型包括一个CPU224CN主模块，1个EM223CN扩展模块，3个EM235模拟量扩展模块。
如此PLC总共有30个数字信号输入，26个数字信号输出，以及4个模拟输入信号，4个模拟输出信号。
输入和输出均有余量，可以满足日后系统扩充的要求[3]。
表1S7-200的规格
规格
型号
系列
连接方法
工作电压
输入类型
输出类型
程序容量
I/O点
主控单元
S7-200
端子型
220VAC
24VDC
继电器
12K
24点
14I/10O
CPU224XPCN
数字量扩展单元
S7-200
端子型
24VDC
24VDC
继电器
32点
16I/16O
EM223CN
模拟量扩展单元
S7-200
端子型
24VDC
5点
4I/1O
EM235CN
5.2PLC配置
5.2.1PLC的开关量输入、输出点
PLC的输入、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。
系统采用分组运行的方式，把l#水泵电机和2#水泵电机组成第一组；把3#水泵电机和4#水泵电机组成第二组。
两组采用循环使用的方式运行，自动控制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运行。
要求控制的现场设备有两台电机接触器的动作，变频器的控制端子，热继电器输入及报警。
PLC输入输出端口地址的分配如下表2所示。
表2I/O分配
I
名称
输入
O
名称
输出
I0.0
SB1
手动/自动/停止选择
Q0.0
KM1
1#补水泵变频运行
I0.1
SB2
补水泵电机启动按钮
Q0.1
KM2
1#补水泵工频运行
I0.2
SB3
补水泵电机停止按钮
Q0.2
KM3
2#补水泵运行
I0.3
SB4
手动/自动/停止选择
Q0.3
KM4
3#补水泵变频运行
I0.4
SB5
循环水泵电机启动按钮
Q0.4
KM5
3#补水泵工频运行
I0.5
SB6
循环水泵电机停止按钮
Q0.5
KM6
4#补水泵运行
I0.6
SB7
手动/自动/停止选择
Q0.6
KM7
1#循环水泵变频运行
I0.7
SB8
鼓风机启动按钮
Q0.7
KM8
1#循环水泵工频运行
I1.0
SB9
鼓风机停止按钮
Q1.0
KM9
2#循环水泵运行
I1.1
FR1-4
补水泵电机过载输入
Q1.1
KM10
3#循环水泵变频运行
I1.2
FR5-8
循环水泵电机过载输入
Q2.0
KM11
3#循环水泵工频运行
I1.3
FR9-10
鼓风机电机过载输入
Q2.1
KM12
4#循环水泵运行
I1.4
BP1
1#变频器故障输入
Q2.2
KM13
1#鼓风机运行
I1.5
BP2
2#变频器故障输入
Q2.3
KM14
2#鼓风机运行
I2.0
BP3
3#变频器故障输入
Q2.4
HL1
补水泵电机过载指示
I2.1
BP4
4#变频器故障输入
Q2.5
HL2
循环水泵电机过载指示
I2.2
BP5
5#变频器故障输入
Q2.6
HL3
鼓风机电机过载指示
I2.3
BP6
6#变频器故障输入
Q2.7
DL
电铃报警
AIW0
循环水出口温度
Q3.0
KA1
1#变频器启动/停止切换
AIW1
循环水出口压力
Q3.1
KA2
2#变频器启动/停止切换
AIW2
补水出口温度
Q3.2
KA3
3#变频器启动/停止切换
AIW3
补水出口压力
Q3.3
KA4
4#变频器启动/停止切换
Q3.4
KA5
5#变频器启动/停止切换
Q3.5
KA6
6#变频器启动/停止切换
AQW0
循环水出口温度
AQW2
变频器频率调节输入口
AQW1
循环水出口压力
（1）输入端口
自动控制系统PLC的输入端口包括机组启动/停止按钮，另外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闭触点。
和变频器故障输入信号。
（2）输出端口
PLC的输出端口包括电机交流接触器的动作，分别对应变频/工频两个工作状态，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。
对于变频器，需要一个中间继电器来控制变频器的通断，来实现变频器的运行和停止；此外，对于电动机的热保护继电器输入，报警指示输出既需要3个端口显示哪一部分电机故障，也需要一个输出端子进行蜂鸣器报警输出。
5.2.2PLC的模拟量输入、输出点
自动控制系统PLC的模拟输入端口包括压力传感器检测的管网压力信号，压力信号是以标准电流信号4-20mA进行传输的；温度传感器检测的管网温度信号。
变频器反馈的电机频率信号，电机频率信号是0-10V的电压信号。
5.3I/O接线
I/O接线图如附录1所示。
5.4变频器配置
近20年来，以功率晶体管GTR为逆变功率器件、8位微处理器为控制核心的、按压频比u/f控制原理实现异步电动机调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进步。
5.4.1变频器输入输出接口
本系统选用的变频器为ABB公司的Acs60l系统，针对本系统的应用情况，可将变频器端子上的信号分为：
1输入信号：
（1）控制变频器运行的启停信号DI1——PLC的KA1。
（2）变频器的压力反馈信号A12口——接远传压力表的反馈信号。
（3）R.S.T为电源输入。
2输出信号：
（1）RO1：
为数字量输出口，变频器内部出现故障时，进行指示。
（2）RO2：
为数字量输出口，变频器运行指示。
（3）RO3：
为数字量输出口，变频器停止运行指示。
（4）U、V、W为接三相异步电动机。
3通讯：
本变频器完成与上位机的频率、电流、电压、压力、故障状况，给定等参数进行通讯，通过CH0、CH1口实现。
整个变频器端子示意图如图4。
图4变频器接线图
在此控制系统中，整个信息的反馈是靠压力变送器，在PLC的配合下通过反馈回的压力信号来调整当前调速泵的转速。
变频器和PLC的联系，是靠硬件电器来联接的，具体参数的联系都是与上位机的通讯来实现的，选用的s7-200PLC和Asc601变频器均有内置的Rs485接口。
变频器和PLC的联系如图5所示。
设定值
图5变频器接线原理图
5.5传感器与变送器
这一部分是控制系统的底层，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、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。
5.5.1压力变送器工作原理
PMC系列压力变送器采用了先进的电子陶瓷技术、厚膜电子技术、SMT技术和PFM信号传输技术，测量元件内无中介液体,是完全固体的。
其工作原理是：
介质压力直接作用于陶瓷膜片,使测量膜片产生偏移。
膜片位移产生的电容量,由与其直接连接的电子部件检测、放大和转换为0～20mADC的标准信号输出。
5.5.2压力变送器选型
压力检测元件采用E+H公司的PMC133型压力变送器。
PMC133型压力变送器相对压力的最大测量范围为0～40MPa,最小测量范围为0～1kPa,更换测量元件可以改变压力测量范围。
变送器由WYJ稳压电源供给12.5～30VDC电压,能够准确地将出水口的压力信号线性地转换成4～20mADC标准信号。
5.5.3温度传感器选型
用DS18B20实现多点温度检测，这种测量方法需要温度传感器的精度高,体积小,测量电路简单,而且能够在高温下工作。
所以我们选用美国DALLAS公司生产的数字输出IC温度传感器DS18B20,其特性如下：
独特的单线接口方式：
DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线就可以实现微处理器与DS18B20的双向通讯
在使用中不需要任何外围元件
可用数据线供电,电压范围：
+3.0～+5.5V
测温范围：
-55～+125℃
通过编程可实现9～12位的数字读数方式,分辨率可达0.0625℃
12位精度的最大转换时间为750ms
用户可自设定非易失性的报警上下限值
支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现多点测温
负压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作
每个DS18B20都分配了一个独一无二的64位序列码,允许多个DS18B20上工作在同一条一线总线上,从而减少了系统传感器接口。
DS18B20有两种封装模式：
3脚和8脚封装,其中3脚封装比较常用,我们选用3脚TO-92小体积封装。
用DS18B20为温度传感器有许多优点,但实际应用的时候,由于DS18B20采用的是1-Wire总线协议方式,即在一根数据线实现数据的双向传输,因此,对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。
单总线访问DS18B20时的一线工作协议流程：
初始化总线上所有器件——对ROM发操作指令——发存储器操作指令——数据处理。
操作过程的工作时序包括初始化时序,读时序和写时序。
在接入系统之前,先用读序列号的程序读出每个DS18B20的序列号,然后每个序列号分别对应系统中的编号1～n,读的时候把要读的那个DS18B20挂在总线上,读完后再换另一个,同时记录每个DS18B20的序列号。
系统运行时,初始化完成后,匹配序列号,然后读对应传感器的温度值,读完后,匹配下一个序列号,再读对应传感器的温度值,直到读完总线上所有的传感器,接着再读下一轮。
DS18B20可通过两种方式供电：
寄生电源方式和外加
升级会员 