基于plc和变频技术的锅炉电气控制系统本科 学位论文.docx
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基于plc和变频技术的锅炉电气控制系统本科学位论文
毕业设计（论文）
题目基于PLC和变频技术的锅炉电气控制系统
学生姓名曲忠安专业班级自动化112
所在院系 电气信息学院
指导教师郑士富职称 副教授
所在单位 自动化教研室
教研室主任郑士富
完成日期2015年6月26日
摘要
本系统是基于PLC和变频技术的锅炉电气控制系统，在设计中有水压检测、水位监测、水温检测、气压检测、故障检测、水压控制、水位控制、水温控制、气压控制、循环控制、显示部分、报警部分等多部分组成来实现锅炉电气控制。
系统用液位传感器检测水位，用温度传感器来检测水温，用压力传感器来检测出水压力以及炉膛气体压力，并用相应的变送器转换成电压信号送给PLC模拟输入端。
这些信号与PLC程序中的给定值相比，以判断PLC需要进行何种操作，比如是否需要加大鼓风机功率，是否需要减小补水泵功率，是否需要改变循环泵配用电机的转速等操作。
操作信号会传送给变频器，变频器根据操作信号会输出相应频率的电压，从而控制配用电机的输出功率，最终实现自动控制的目的。
另外还会用八个控制按键来实现按健控制，电铃实现故障报警，用16个指示灯来完成显示部分。
本设计用PLC和变频控制不仅可节约能源，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：
PLC锅炉变频器温度水位
ABSTRACT
ThissystemisbasedonPLCandfrequencyconversiontechnology,electricalcontrolsystemofboiler,mainlyinthedesignhavewaterdetection,waterlevel,watertemperature,airpressuredetection,faultdetection,waterpressure,waterlevel,watertemperaturecontrol,pressurecontrol,loopcontrol,display,alarm,partofseveralparts,suchastoimplementthecontrolofheatingboilerwatersupply.Systemwithaliquidlevelsensordetectionwaterlevel,withatemperaturesensortodetectthewatertemperature,withpressuresensortodetectthewaterpressureandthegaspressure,andthecorrespondingtransmitterconvertedintoavoltagesignaltothePLCanaloginput.ThesesignalscomparedwiththePLCprograminagivenvalue,todeterminewhetherPLCneedtoundertakethecorrespondingoperations,suchaswhethertoneedtoincreasethepowerofblower,whethertoneedtoreducethepumppower,whethertoneedtospeedupthecirculationpumpmotorspeed,andsoon.Operationsignalwillbetransmittedtothefrequencyconverter,frequencyconverteraccordingtotheoperationwilloutputthecorrespondingfrequencyofthevoltagesignal,tocontroltheoutputpowerofthemotor,finallyachievethegoalofautomaticcontrol.Andcontrolwithuptoeightbuttonstoimplementaccordingtonationalhealthcontrol,implementfaultalarmbell,with16indicatorstocompletethedisplaypart.ThisdesignwithPLCcontrol,andhaslowcost,easytoimplementtheboilerheatingprocessiseasytodebug,partofafailurewillnotaffectotherpartsofthework,easymaintenance,etc.
Keywords：
PLCboilertransducertemperaturewaterlevel
目录
第一章绪论1
1.1本课题的来源及意义1
1.2本课题的研究目标1
1.3本课题的研究内容2
1.4本课题的研究方法2
第二章变频调速在电气控制中的应用3
2.1变频调速的基本概念3
2.2变频调速的原理3
2.3变频器的主要功能4
2.3.1频率给定功能4
2.3.2升速、降速和制动控制4
2.4变频器和PLC的关系5
第三章锅炉供水系统总体设计6
3.1系统功能介绍6
3.2系统结构6
第四章系统硬件设计8
4.1主电路图8
4.1.1循环泵控制部分8
4.1.2补水泵控制部分8
4.1.3风机控制部分8
4.2PLC系统选型9
4.2.1S7-200主机模块9
4.2.2I/O扩展模块10
4.2.3CPU与I/O扩展模块选型10
4.3PLC的配置11
4.3.1控制系统的I/O点及地址分配11
4.3.2PLC外围接线图13
4.4变频器配置15
4.4.1变频器接口15
4.4.2变频器参数设定16
4.5锅炉供水的应用实例19
4.5.1基本指标计算19
4.5.2变送器量程计算19
4.5.3水泵、风机指标计算20
4.6传感器与变送器21
4.6.1压力变送器21
4.6.2温度变送器23
4.6.3液位变送器24
4.7水泵、风机的选择24
4.7.1循环泵及其配用电机24
4.7.2补水泵及其配用电机25
4.7.3鼓风机及其配用电机26
4.7.4引风机及其配用电机26
4.8电气器件选择27
4.8.1电气器件额定电流计算27
4.8.2低压断路器28
4.8.3交流接触器29
4.8.4热继电器29
4.8.5指示灯、电铃29
第五章系统软件设计31
5.1PID控制原理31
5.1.1PID控制规律31
5.1.2数字PID控制算法34
5.2数字PID参数整定35
5.2.1采样周期T的确定35
5.2.2扩充临界比例带法36
5.3系统梯形图的设计37
5.3.1主程序的设计38
5.3.2子程序的设计51
5.3.3中断程序的设计55
结论62
谢辞63
参考文献64
第一章绪论
1.1本课题的来源及意义
我国北方地区冬季寒冷，冬季要采取相应的取暖方式。
随着城市建设的迅速发展，冬季采暖有由传统的煤炉供暖转变为集中供暖方式。
如今，供暖面积不断扩大，使得控制和管理供暖系统变得愈发困难，所以如何有效控制和管理供暖系统，成为急需解决的重要课题。
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。
但是锅炉需要大量的煤并且管理水平不高会产生大量的烟尘以及SO2、NO2等有害气体，此外，产生的CO2气体还会引起温室效应。
现在，锅炉房内鼓风机、引风机、循环泵、补水泵大部分采用的是工频配电，手动控制。
手动控制最大缺点为无法对炉膛气压、炉膛温度、出水温度、出水压力等物理量进行自动控制，使得锅炉存在运行效率低、能耗大等不足之处。
因此，对现有锅炉所用的鼓风机、引风机、循环泵以及补水泵等设备进行自动控制以及变频改造十分必要。
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。
计算机控制系统通过各种传感器检验锅炉温度、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PLC和变频控制不仅可节约能源，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。
1.2本课题的研究目标
锅炉供暖系统有两种，一种是蒸汽锅炉采暖系统，一种是热水锅炉采暖系统。
蒸汽采暖系统一般是以饱和蒸汽为介质，不利于远距离输送。
热水采暖系统则是以热水作为介质。
首先，热水的温度变化比较小，故热网的连接件不会出现剧烈的胀缩，那么热网的连接件便不会出现剧烈的胀缩，严密性好，漏损很少，大大减轻了漏损热损失。
其次，以水作为介质即使发生漏水事故，也能及时发现，使系统得到及时的维修。
再者，由于热水温度较低，输送过程中的管道热损失减少，尤其是远距离输送更是这样，所以在大面积区域集中供热网中一般都采用热水供热系统。
热水锅炉的工作原理可简述为：
水在锅炉中被加热到一定温度（一般为95℃）后经供水管道送到各用户的散热片中散热，提高室内温度。
然后水再经回水管路由补水泵抽回注入锅炉。
水在这样一个系统中不断地从热水锅炉中吸收热量，又不断地在散热片中释放热量，从而达到供暖的目的。
根据锅炉给暖系统的工作特点，控制系统的基本控制任务和控制要求包括：
燃烧控制和给水控制。
锅炉恒压供水既要控制锅炉出水温度，又要保证锅炉出水压力，使得出水温度维持在一个恒定值附近，且经用户后回水温度不能过低否则部分用户室内温度达不到标准值。
总之要使所有用户室内温度维持在一个恒定的范围内。
出水温度控制即炉排控制以及风机控制，炉排控制控制给煤量的多少，风机控制控制炉膛内给风量，二者共同起到控制燃烧的作用，最终达到控制水温目的。
1.3本课题的研究内容
本课题的研究内容主要为对水泵和风机的控制。
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。
循环泵用来控制锅炉汽包的出水压力，是出水压力维持在一个恒定值附近。
水经过用户再回到补水箱，补水箱的水再经补水泵流入锅炉汽包中加热。
反复循环，如果水量减少，自来水再向补水箱中补水以保证供水量充足。
鼓风机往炉膛中送风，使氧气量充足让出水温度达到要求值。
引风机送烟且功率略大于鼓风机使炉膛达到负压。
实际上要控制水温不仅仅是要控制鼓风机的送风量还要控制煤的燃烧，煤的燃烧控制较为复杂且滞后较大，所以本文只对送风量进行控制。
系统结构简图如图1-1所示：
图1-1锅炉供水系统结构简图
1.4本课题的研究方法
以往的供暖系统由于技术相对落后所以会产生较多缺陷。
首先，对于水泵设备以往的供暖系统采用调整阀、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，这样即会造成浪费还会加速阀体的磨损。
另外，以往的供暖系统多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，不仅影响设备使用寿命，时常还会出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。
而且以往的方法很难克服这些缺陷，必须对以往的方法进行改造。
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改造方案。
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，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，并且具有显著的经济效益和社会效益。
第二章变频调速在电气控制中的应用
2.1变频调速的基本概念
改变供电电压的频率可以实现对交流电动机的速度控制，这就是变频调速。
实现变频调速的关键因素有两点：
一是大功率开关电器。
二是微处理器的发展再加上变频控制方式的深入研究是的变频控制技术实现了高性能、高可靠性。
2.2变频调速的原理
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源频率成正比的关系。
水泵、风机多配用三相交流异步电机拖动，可根据需要调节电机转速，而不必让电机始终工作在额定状态。
当电机转速降低时，可节约能量，经济效益十分显著。
异步电机的转速n有如下公式，
（2-1）
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；
可见，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。
频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。
显然这是不允许的。
为此，要在降频的同时还要降压。
这就要求频率与电压协调控制。
实现变频调速的装置称为变频器。
变频器常见的频率给定方式主要有：
操作器键盘给定、接点信号给定、模拟信号给定、脉冲信号给定和通讯方式给定等。
这些频率给定方式各有优缺点，须按照实际所需进行选择设置。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
实现调频调压的电路有两种：
交-直-交变频器，交-交变频器。
（1）交-直-交变频器
先把恒压恒率的交流电“整流”成直流电，再把直流电“逆变”成变电压和频率均可调的三相交流电。
由于把直流电逆变成交流电的环节比较容易控制，所以该方法在频率的调节范围和改善变频后电动机的特性方面都具有明显的优势。
大多数变频器都属于交-直-交型
（2）交-交变频器
把恒压恒频的交流电直接变成电压和频率均可调的交流电，通常由三相反并联晶闸管可逆桥式变流器组成。
它具有过载能量强、效率高、输出波形好等优点；但同时存在着输出频率低、使用功率器件多、功率因数低等缺点。
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，由于交-交变频器具有调速范围小，控制线路复杂，功率因数低等缺点，目前较少采用。
2.3变频器的主要功能
随着计算机控制技术和功率器件的发展，变频器的功能也日趋强大。
现在变频器的主要功能有：
频率给定功能，升速、降速和制动控制功能。
2.3.1频率给定功能
有三种方式可以完成变频器的频率设定：
（1）面板设定方式通过面板上的按键完成频率给定。
（2）外接给定方式通过控制外部的模拟量或数字量端口，将外部的频率设定信号送给变频器。
外界模拟量控制信号时，电压信号一般有：
0~5V、0~10V等，外接电流信号一般有：
0~20mA或4~20mA。
（3）通信接口方式可以通过通信接口，来进行远程的频率给定。
2.3.2升速、降速和制动控制
（1）升速和降速功能
可以通过提前设置好升/降速时间和升/降速方式等参数来控制电动机的升/降速，利用变频器的升速控制可以很好地实现电动机的软启动，避免因启动电流过大而烧坏电机。
升/降速有线性方式、S形方式和半S形方式。
（2）制动控制
一般有两种方式控制电动机的停车。
一种是变频器有工作频率按照用户设定的下降曲线下降到0使电动机停车，这种方式也称作斜坡制动。
但是，在某些有较大的惯性存在的场合会产生“爬行”现象，为防止该现象的出现，必须进行直流制动，即传统的能耗制动，这是另一种制动控制。
在变频器中使用直流制动时，要进行直流制动电压、直流制动时间和直流制动起始频率的设定。
（3）控制功能
变频器可以由外部的控制信号或可编程控制器等控制系统进行控制，也可以完全由自身按预先设置好的程序完成控制。
大部分场合变频器需要和可编程序控制器一起组成控制系统，只有在比较简单的调速控制场合才单独使用。
（4）保护功能
一旦有元器件或者电机出现故障，变频器会自动实现保护功能。
例如：
过电流保护，对地短路保护，过电压保护，欠电压保护，电源缺相保护，散热片过热保护，变频器内过热保护，制动电阻过热保护，变频器过载保护和外部报警输入保护等。
2.4变频器和PLC的关系
PLC是工业自动化应用技术的三大支柱之一，自从它诞生以来得到了广泛的使用。
在工业自动化应用技术领域，速度调节和控制经常用到的环节。
在提高控制质量、减少维护费用和节能等方面，变频器所发挥的作用是其他任何控制设备和装置都不能取代的。
虽然变频器很少会单独使用，在大多数情况下，变频器会作为一个组成部分在工业自动化控制系统中使用。
作为主控制器的PLC和作为执行器件（设备或装置）的变频器之间经常会相互配合，共同完成控制任务。
PLC可以控制变频器的频率给定信号，以使变频器输出相应频率的电压，控制工艺指标；变频器上的检测信号和其他智能控制信号也可以接入PLC，完成系统的报警和速度控制，比如通过变频器控制电机的启动、停止及正、反转，也可以使用一个变频器去控制若干台电动机的运行。
本文中PLC会送给变频器一个电压信号，变频器根据电压信号输出相应频率的三相交流电，从而达到控制电机频转速的目的。
第三章锅炉供水系统总体设计
3.1系统功能介绍
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。
该系统由四个简单过程控制系统组成，每个系统都有相应的设定值、调节器和执行器等。
如下图所示：
图3-1过程控制系统框图
不同回路对应着不同的被控参数，例如：
出水温度、出水压力和炉膛气压等。
这些参数经过检测变送器变为0~10V电压值。
设定值根据PID参数整定输入在PLC程序梯形图中。
检测变送器即为检测仪表有液位变送器、压力变送器和温度变送器。
变送器的值与设定值进行比较，差值传递给由PLC充当的调节器，调节器将差值进行PID计算，并将结果输送给执行器。
执行器为变频器，变频器根据调节器的信号改变被控对象（电机）的输出频率，从而改变电机转速。
再由电机控制相应的水泵和风机，使水泵、风机按照PID整定值进行运转进而调整被控参数。
在供水部分，分别有两个循环泵和补水泵。
当水压较大时，只需一台水泵工作另一台水泵不工作，因为此时需要降低管道中的水压。
反之，当水压较大时，为提高水压要两台泵工作。
这时两台泵往往是一台变频运行一台工频运行。
另外两台泵也可互相作为备用泵，即一旦有一台泵出现故障，另一台泵也可维持水管中部分压力，不至于使整个系统停止运行。
3.2系统结构
本系统属于锅炉电气控制系统，主要通过热水循环给用户供暖，一般分为风机控制系统、循环泵控制系统和补水泵控制系统。
本系统采用集中控制，分为四部分。
系统结构框图如图3-2所示：
PLC与变频器属于现场控制层，该层以S7-200系列PLC及其扩展模块为核心，通过系统总线与各变频器进行通信。
PLC内部有PID控制，可对变送器送来的信息进行PID计算，然后分别对鼓风机、引风机、循环泵和补水泵等进行启停控制和电机转速设定。
图3-2电气控制系统结构框图
电机与变送器属于现场数据采集与变送层：
这一层是控制系统的最底层，主要完成现场数据的采集、变送以及控制相应设备等工作。
这些数据包括锅炉的出水温度、出水压力、炉膛压力、汽包水位。
变送器将传感器采集到的温度、压力等物理量转换成电压信号并传送给PLC模拟端进行数据处理。
第四章系统硬件设计
4.1主电路图
4.1.1循环泵控制部分
如图4-1所示为控制系统循环泵部分主电路。
两台电机MA1、MA2作为循环泵的配用电机。
接触器QA1、QA3分别控制电机MA1、MA2的变频运行；接触器QA2、QA4分别控制电机MA1、MA2的工频运行。
BB1、BB2分别为两台水泵电动机过载保护用的热继电器。
QA110、QA20、QA30分别为变频器和两台水泵断路器；QA0为主电路总开关。
4.1.2补水泵控制部分
如图4-2所示为控制系统补水泵部分主电路。
两台电机电机MA3、MA4作为补水泵的配用电机。
接触器QA5、QA7分别控制电机MA3、MA4的变频运行；图4-1控制系统循环泵主电路
接触器
QA6、QA8分别控制MA3、MA4的工频运行。
BB3、BB4分别为两台水泵电动机过载保护用的热继电器。
QA40、QA50、QA60分别为变频器和两台水泵断路器。
4.1.3风机控制部分
如图4-3所示为控制系统补水泵部分主电路。
两台电机电机MA5、MA6分别作为引风机、鼓风机的配用电机。
接触器QA9、QA11分别控制电机MA5、MA6的变频运行；接触器QA10、QA12分别控制MA5、MA6的工频运行。
BB5、BB6分别为两台水泵电动机过载保护用的热继电器。
QA70、QA80、QA90分别为变频器、鼓风机和引风机断路器。
图4-2控制系统补水泵主电路
4.2PLC系统选型
4.2.1S7-200主机模块
由于锅炉电气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是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
最新一代的CPU模块按I/O口数量上的差异和效能上的不同分为五种不同结构配置的品种，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226，每种里又分出2种类型：
一种是晶体管输出；一种是继电器输出。
图4-3控制系统风机主电路
（1）CPU221
本机集成6输入/4输出，无I/O扩展能力。
6K字节程序和数据存储空间。
非常适合于小点数控制的微型控制器。
（2）CPU222
本机集成8输入/6输出，和CPU221相比，它最多可以扩展2个模块，因此是应用最广泛的全功能控制器。
（3）CPU224
本机集成14输入/10输出，和前两者相比，程序存储容量扩大了一倍，数据存储容量扩大了四倍。
它最多可以有7个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是具有较强控制能力的控制器。
（4）CPU224XP
本机集成14输入/10输出数字量口，和CPU224相比在主机上增加了2输入/1输出的模拟量单元和一个通信口，可连接7个扩展模块，是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。
（5）CPU226
本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I
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