毕设基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制设计系统.doc
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湖南工业大学专科毕业设计
（2010届）
专科毕业设计（论文）
基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统的改造设计
学院（部）：
电气信息工程学院
专业：
电气自动化
学生姓名：
李**
班级：
电气07**
学号****
指导教师姓名：
杨***
职称讲师
最终评定成绩
2010年6月
33
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、风机和水泵电机组、传感器、工控机以及控制柜等构成。
系统通过变频器控制电动机的启动、运行和调速系统采用北京亚控公司的组态王软件设计，主要完成系统操作界面设计，实现系统启／停控制、参数设定、报警联动、历史数据查询、报表打印等功能。
控制程序采用松下公司的FP-WIN2.4编程软件设计，主要完成模拟量信号的采集、处理，炉膛负压、风煤比最佳值、蒸汽压力等温度和压力信号的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、循环泵控制和补水泵控制。
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，有效地降低了能耗，提高了生产管理水平。
系统安装维护方便，运行稳定、可靠，监控软件功能齐全，人机界面友好，使用方便。
关键词：
锅炉控制；变频调速技术；PLC
ABSTRACT
ThisarticleisdesignedbasedonPLCandInverteroftheboilercontrolsystem.ThecontrolsystemconsistsofPLC,frequencyconverter,fan,pumppowerunits,sensors,industrialcomputerandcontrolcabinetcomposition.Systemsthroughtheinvertertocontrolthemotorstart,runandspeedcontrolsystemcontrolledbyBeijingAsia'sDesignConfigurationsoftware,completedforthesystemuserinterfacedesign,implementation,systemon/offcontrol,parametersetting,alarmlinkage,historicaldataquery,reportetc.ControlprogramwithPanasonicFP-WIN2.4programmingsoftwaredesign,Completedforanalogsignalacquisition,processing,furnacepressure,thewindthanthebestvalueofcoal,steampressure,temperatureandpressuresignalsofthePIDcontrolfunction,andreceivesthecontrolinstructionPCtocompletethefanon/offcontrol,parametersetting,circulationpumpcontrolandupwaterpumpcontrol.
Thisdesignoftheinvertercontrolsystemforautomaticcontroloftheboilercombustionprocess,effectivelyreduceenergyconsumptionandimprovetheproductionmanagementlevel.Systeminstallationandmaintenanceeasy,stableandreliable，monitoringsoftwarefunctionalandfriendlyinterface,easytouse.
Keywords:
Boilercontrol,frequencyconversiontechnology,PLC
目录
摘要 I
目录 III
第一章绪论 1
1.1锅炉控制的现状 1
1.2供暖锅炉控制的国内外研究现状 2
1.3锅炉控制的特点和难点 3
第二章系统设计方案 4
2.1设计目的和要求 4
2.2供暖锅炉系统框图 4
2.3PLC控制系统的选用 5
2.4变频调速在供暖锅炉控制中的应用 5
2.5系统功能分析 7
2.6控制系统整体设计思路 7
2.7控制系统结构 8
第三章系统硬件设计 9
3.1PLC特点 9
3.2PLC的选型 9
3.3PLC的配置 10
3.3.1PLC的开关量I/O口 10
3.3.2PLC的模拟量I/O口 12
3.4变频器的配置 12
3.5传感器与变送器 14
3.5.1压力变送器工作原理 14
3.5.2压力变送器选型 14
3.5.3温度传感器选型 14
第四章系统的具体设计与实现 17
4.1补水泵控制部分 17
4.2循环泵控制部分 17
4.3鼓风机控制部分 19
4.4水位控制系统 19
4.5温度控制系统 20
4.6压力控制系统 21
4.7自动报警 21
第五章PID控制原理 23
第六章程序设计 26
6.1主程序设计 26
6.2子程序设计 26
结论 33
致谢 34
参考文献 35
第一章绪论
1.1锅炉控制的现状
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，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3.5亿平方米的供暖调查，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，此外还有大量的等有害气体约510万吨，成为我国大气煤烟型污染的主要来源之一，尤其是燃煤排放的气体所引起的温室效应，早己引起国际关注。
目前，该锅炉房都有计算机监控系统一套。
该套计算机监控系统与原非计算机监控的人工控制系统并列运行。
锅炉房控制采用常规集中盘控和计算机控制相结合的控制方式。
但由于鼓风机、引风机、炉排电机、补水泵以及循环泵均采用工频配电，手动控制，都没有引入锅炉自动控制系统，锅炉房基本上采用集中盘上手控。
只实现控制参数的显示和部分控制等，对炉膛负压、炉膛温度、出水温度、出水压力、回水温度、锅筒压力等无法自动控制，使得锅炉运行效率低、能耗大、环境差、工人劳动强度大。
因此，对现有6台锅炉所用的鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵以及补水泵等设备进行计算机控制系统和锅炉电机的变频改造十分必要。
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，袖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隆能，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白动控制，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清况，大大改善了工人的工作条件，提高了白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，而且可日提高生产白动化水平，具有显著的经济效益和社会效益。
1.2供暖锅炉控制的国内外研究现状
当前，节能与环保己成为人类社会面临的两大课题。
我国的锅炉目前以探为主要燃料，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，石油和天然气己成为第一能源，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．白〕舌应乎拿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，己实现优化控制。
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。
此外还有一些科研院校联合企业开发的各种智能锅炉控制系统，如清华大学动力工程与控制学院为亚运村北辰供热厂热水锅炉的改造开发的锅炉控制系统，采用“一控四”方案，即一台主机控制四台锅炉。
尽管对锅炉控制的研究和推广已取得了很大的进展，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，使控制手段单一，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．我国白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。
1.3锅炉控制的特点和难点
锅炉作为能源转换的重要设备之一，对其进行控制有其白身的一些特点和难点现归纳如下：
1.从控制理论的角度分析热水锅炉，它是一个多变量、非线性、分布参数的和带时延的复杂对象，它有多个被控变量（温度、炉膛负压等）和调节变量（煤量，鼓风量和引风量等）相互之间存在交叉影响，例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化，而当改变任一个调节量时，也会影响到其它几个被调量。
因此，理想的锅炉控制系统应该是多回路的调节系统，这样，当锅炉受到某一扰动后，同时协调的动作，改变其调节量，使所有的被调量都具有一定的调节精度。
但这种调节十分复杂，要实现这样的控制比较困难，目前限据锅炉的运行经验，实际解决锅炉自动调节任务的方法是将锅炉当作几个相对独工的调节系统，可以适当简化自动调节问题。
这必然要求锅炉控制采用多回路的调节系统。
2.从控制任务来看，供热锅炉最终保证用户供暖需求，随着室外温度的变化使锅炉回水温度按供暖曲线变化，由于回水温度控制回路滞后时间比较长，其起作用的效果至少要等2个小时才能得到，（这主要取决于水循环速度和小区供热面积），其滞后时间与PID时间常数相比很大，这样大的滞后必然会帝来系统的大的超调，采用常规的PID控制，系统很难稳定。
第二章系统设计方案
2.1设计目的和要求
（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供暖锅炉系统框图
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。
补水箱
自来水
补水泵
锅
炉
循环泵
用
户
鼓风机
回水
图2-1总体系统结构图
2.3PLC控制系统的选用
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呢个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成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器件数目，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。
2.4变频调速在供暖锅炉控制中的应用
由于变频调整可以实现电机无级调整，具有异步电机高压调速在和串级调速无可比拟的优越性，在锅炉系统中得到广泛应用。
变频调整在供热锅炉系统中主要应用在风机高速和水泵高速。
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，已日趋完善，能够适应较为恶劣的工业生产环境，目前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动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:
（2.1）
式中，n异步电机的同步速度r/min;
异步电机转子转速r/min;
P电动机磁极对数；
F电源频率，电动机定子电压额定频率；
S转速差；
（2.2）
由公式可见改变电动机极对数P，改变转速S及改变电源频率f都可以改变车速。
通过改变电动机工电源频率达到改变电动机转速的目的。
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，微电脑控制技术于一身的综合性电器产品。
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2-2），上面是交-直-交变频器，下面是交-交变频器。
整流器
滤波
直流
逆变器
交流
交流
u1f1
u2f2
VV
VF
滤波逆变器
交流
u1f1
VVVF
交流
u2f2
图2-2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，其作用是交换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—交逆变器
它是由两种反并联的整流电路组成，直拉将电网的交流电通过变频器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，波形好，但调整范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用。
2.5系统功能分析
本方会对锅炉进行变频改造，设计一套基于变频调整技术的锅炉系统。
根据要求，并结合锅炉控制的发展要、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，但单动模式下需要人工根据气候，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的出水温度和炉膛负压等参数，系统自动地电机的转速，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，并可以将这些通过谈判器传递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系统功能，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，还设置报警联动功能，即超限时停炉或停泵处理。
2.6控制系统整体设计思路
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，共两台，对于四台循环泵，给其中两台容量较大的电机本国两台器，另外容量较小的电机不配备变频器，作为备用，对于四台补水泵，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，另外两台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I/O模拟控制柜内所有断路器、接触器和器等开关设备，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。
原有的手动部分（操作台部分）均予保留，一旦变频器控制系统出现故障，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。
2.7控制系统结构
本系统属于热水锅炉供水系统，主要通过热水循环给用户供暖，一般分为燃烧控制系统，徃泵控制系统和补水泵控制系统。
本系统采用集中控制，分为三总价，系统结构框如图2-3所示。
西门子S7-200系列可编程控制器
电气控制回路（带变频器）
电气控制回路（带变频器）
电气控制回路（带变频器）
1#-2#鼓风机
1#-2#循环泵
1#-2#补水泵
传感器与变送器
锅炉本体
图2-3系统结构图
第三章系统硬件设计
3.1PLC特点
（1）可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设各的关键性能。
PLC由于采用现代大规模隽成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点己减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，己经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设各外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设各经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（4）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小，很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备.
3.2PLC的选型
由于供暖锅炉自动控制系统控制设备相对，因此PLC选用德国Siemens公司的S7—200型PLC的结构紧凑，价格你说，具有较高的性价比，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，考虑考虑PLC端子要有一定的预留量，为以后新设备的介入功设备调整留有余地，因此选用S7—200型PLC模块为CPU224XPCN，其中开关输出为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，为了方便的将管网信号、电机频率信号传输给PLC，经比较计算后转换为相应信号，选择了EM235CN模拟量扩展模块。
该模块有4个模拟量输入（AIW），一个模拟输出（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；输出信号输出端口时能够自动完成D/A转换，一个字长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选型包括1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
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