基于PLC的燃油锅炉水位控制系统设计.docx
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基于PLC的燃油锅炉水位控制系统设计
目录....................................................................................................................1
第 1 章引言........................................................................................................1
1.1PLC 控制燃油锅炉的目的和意义 ............................................................................1
1.2PLC 控制燃油锅炉的设计内容 ................................................................................1
1.3预期实现的目标.........................................................................................................1
第 2 章系统总体设计........................................................................................2
2.1系统控制要求.............................................................................................................2
2.2确定设计方案.............................................................................................................3
第 3 章控制系统硬件设计................................................................................4
3.1PLC 选型及扩展 ........................................................................................................4
3.2电机及驱动线路.......................................................................................................10
3.3检测元件选型...........................................................................................................11
3.4低压电器选型...........................................................................................................11
3.5电源设计...................................................................................................................11
3.6人机接口设计...........................................................................................................12
第 4 章控制系统软件设计..............................................................................13
4.1 控制程序流程图.........................................................................................................13
4.2 控制程序设计.............................................................................................................14
4.3 显示操作界面设计.....................................................................................................14
结束语..................................................................................................................16
参考文献..............................................................................................................17
附录 1:
PLC 源程序 ..........................................................................................18
附录 2:
硬件原理图...........................................................................................23
第 1 章引言
1.1PLC 控制燃油锅炉的目的和意义
锅炉是一次性能源煤炭、石油、天然气转换成二次能源蒸汽量的重要动力设备。
据
有关数据统计,目前我国有各类工业锅炉约 25 万。
每年耗煤量占全国产量的 1/3,同时
还消耗大量的石油和天然气。
工业锅炉是生产过程中重要的动力设备。
在石油化工领域,
它的主要作用是向生产装置提供所需的合格蒸汽,其控制质量的优劣不仅关系到锅炉自
身运行的效果,而且还将直接影响到相关装置生产过程的稳定性。
现代燃油燃烧机多为
自动控制的燃烧机,一般采用工业程序控制器、火焰检测器以及温度传感器等组成自动
控制系统。
燃油锅炉随着城市的发展而越来越多地被应用。
以前使用燃煤锅炉由于其在燃烧时
产生大量的 CO2 和粉尘污染环境而逐渐被淘汰,相对应的用燃油锅炉来代替燃煤锅炉
已被广泛用于酒店、大型商场等建筑。
由 PLC 组成的燃油锅炉控制系统适用于配用各
种进口及国产燃烧器的燃油锅炉,对锅炉实行全自动控制,包括锅炉水位、蒸汽压力、
燃烧系统的参数检测、指示、调节等进行控制。
1.2PLC 控制燃油锅炉的设计内容
本设计采用可编程序控制器 PLC 控制燃油锅炉的稳定可靠运行。
通过 PLC 的选型
和扩展电机及驱动控制、检测元件选型、低压电器选型、电源设计完成燃油锅炉的硬件
设计部分。
通过组态软件以及仿真软件的模拟和调试完成燃油锅炉的软件设计。
1.3预期实现的目标
实现燃油锅炉的自动控制,不但能很好的控制锅炉的水位和蒸汽压力等参数,还能
很方便的加水和排水,基于 PLC 的控制很容易实现工业化。
我国目前运行的很多锅炉
控制系统自动化水平不高、安全性低,工作效率普遍低于国家标准,因此实现燃油锅炉
的自动控制对能源消耗来说很重要。
0
第 2 章系统总体设计
2.1系统控制要求
燃油锅炉水位控制如图 2.1 所示:
图 2.1 水塔水位控制示意图
燃油锅炉水位控制的工作方式为:
按下启动按钮,启动指示灯亮起,液位传感器检
测水位,传送给显示屏显示。
若水位低于下限允许值 0.5m,则燃烧系统关闭,下限液位指示灯亮起,进水阀打
开,进水泵启动,开始注水。
当水位到达 5m 时,则进水泵停止,进水阀关闭,下限液
位指示灯熄灭,燃烧系统打开。
若水位高于上限允许值 5m,则燃烧系统关闭,上限液位指示灯亮起,排水阀打开,
排水泵启动,开始排水。
当水位到达 5m 时,则排水泵停止,排水阀关闭,上限液位指
示灯熄灭,燃烧系统打开。
气压传感器检测气压,传送给显示屏显示。
当气压高于上限允许值 2MP 时,燃烧系统关闭,蒸汽压力阀打开,气压过高指示
灯亮起,报警蜂鸣器蜂鸣。
当气压低于 1MP 时,燃烧系统打开,蒸汽压力阀关闭,气压过高指示灯熄灭,报
警蜂鸣器停止蜂鸣。
温度传感器检测水温,传送给显示屏显示。
1
汽温传感器检测汽温,传送给显示屏显示。
若水位处于 0.5m 至 5m 之间,压力低于上限允许值 2MP,则燃烧系统打开。
2.2确定设计方案
经过再三的探讨,我们决定主机采用 S7-300 系列的 CPU315-2DP,电源模块采用
PS307,数字量输入模块采用扩展模块 SM321,数字量输出模块采用扩展模块 SM322,
模拟量输入模块采用扩展模块 SM331,模拟量输出模块采用扩展模块 SM332,水位检
测元件采用压力式智能液位变送器,水温检测元件采用温度变送器,汽温检测元件采用
电子式温度变送器,气压检测元件采用高温压力变送器,变频器采用 MM430,水泵采
用卧式离心泵。
燃油锅炉水位控制系统总体框图如图 2.2 所示:
图 2.2 燃油锅炉水位控制系统总体框图
本章小结:
本章通过确定系统控制要求,并作出了设计分析,经过和同组人员的一
番的探讨之后,最终,确定了设计方案。
2
第 3 章控制系统硬件设计
3.1PLC 选型及扩展
CPU315-2DP 主机无输入、输出点,PS307 电源模块为其供电,CPU315-2DP 及其
接线如图 3.1 所示。
图 3.1 CPU315-2DP 及其接线
3
SM321 为数字量输入模块,为扩展模块,有 16 个数字量输入点,I0.0 接启动按钮,
I0.1 接停止按钮,SM321 及其接线如图 3.2 所示。
启动按钮SF1
停止按钮SF2
图 3.2 SM321 及其接线
4
SM322 为数字量输出模块,为扩展模块,有 16 个数字量输出点,Q4.0 接进水阀,
Q4.1 接进水泵,Q4.2 接排水阀,Q4.3 接排水泵,Q4.4 接启动指示灯,Q4.5 接气压过高
指示灯,Q4.6 接报警蜂鸣器,Q4.7 接上限液位指示灯,Q5.0 接下限指示灯,Q5.1 接蒸
汽压力阀,Q5.2 接关闭燃烧系统,Q5.3 接 MM430
(1)DIN1,Q5.4 接 MM430
(2)
DIN1,SM322 及其接线如图 3.3 所示。
启动按钮SF1
进水阀MB0
停止按钮SF2进水泵MA1
排水阀MB1
排水泵MA2
启动指示灯PG1
气压过高指示灯PG2
报警蜂鸣器PB1
上限液位指示灯PG3
下限液位指示灯PG4
蒸汽压力阀MB2
关闭燃烧系统PG5
给MM430
(1) DNI1
给MM430
(2) DNI1
图 3.3 SM322 及其接线
5
SM331 为模拟量输入模块,为扩展模块,有 16 个模拟量输入点,M0+、MO-接温
度变送器,M1+、M1-接电子式温度变送器,M2+、M2-接压力式智能液位变送器
M4+、M4-接高温压力变送器,SM331 及其接线图如图 3.3 所示。
L+
进水阀MB0
进水泵MA1
M0+
M0-
¡ æU
+
水温检测BT1
排水阀MB1
排水泵MA2
M1+
M1-
¡ æU
+
汽温检测BT2
启动指示灯PG1
气压过高指示灯PG2
M2+
M2-
m/U
液位检测BH
报警蜂鸣器PB1
上限液位指示灯PG3
M3+
M3-
p/U
气压检测BP
MANA
MANA
下限液位指示灯PG4
M4+
蒸汽压力阀MB2
M4-
关闭燃烧系统PG5
M5+
给MM430
(1) DNI1
给MM430
(2) DNI1
M5-
M6+
M6-
M7+
M7-
M
图 3.3 SM331 及其接线
6
L+
SM332 为模拟量输出模块,为扩展模块,有 16 个模拟量输出点,Qv0+、 M ANA 接
MM430
(1)的 AIN1+、AIN1-,Qv1+、 M ANA 接 MM430
(2)的 AIN1+、AIN1-,SM332 及
其接线图如图 3.4 所示。
L+
M0+
M0-
M1+
M1-
M2+
M2-
M3+
M3-
MANA
MANA
M4+
M4-
M5+
M5-
M6+
M6-
M7+
M7-
M
¡ æU
+
¡ æU
+
m/U
p/U
水温检测BT1
汽温检测BT2
液位检测BH
气压检测BP
QV0+
MANA
QV1+
MANA
QV2+
MANA
QV3+
MANA
M
图 3.4 SM332 及其接线
7
燃油锅炉水位控制系统的 I/O 分配表见表 3.1 所示。
表 3.1 燃油锅炉水位控制系统 I/O 分配表
输入信号输入变量名输出信号输出变量名
I0.0启动按钮 SF1Q4.0进水阀 MB1
I0.1停止按钮 SF2Q4.1进水泵 MA1
PIW256水温检测 BT1Q4.2排水阀 MB2
PIW258气温检测 BT2Q4.3排水泵 MA2
PIW260液位检测 BHQ4.4启动指示灯 PG1
PIW262气压检测 BPQ4.5气压过高指示灯 PG2
Q4.6报警蜂鸣器 PB
Q4.7上限液位指示灯 PG3
Q5.0下限液位指示灯 PG4
Q5.1蒸汽压力阀 MB3
Q5.2关闭燃烧系统 PG5
Q5.3变频器
(1)
Q5.4变频器
(2)
PQW272变频器
(1)调速
PQW274变频器
(2)调速
3.2电机及驱动线路
电机采用卧式离心泵,型号为:
A20530,其主要特点如下:
1、运行平稳:
泵轴的绝对同心度及叶轮优异的动静平衡,保证平稳运行,绝无振
动。
2、滴水不漏:
不同材质的硬质合金密封,保证了不同介质输送均无泄漏。
3、噪音低:
两个低噪音的轴承支撑下的水泵,运转平稳,除电机微弱声响,基本
无噪音。
4、故障率低:
结构简单合理,关键部分采用国际一流品质配套,整机无故障工作
时间大大提高。
8
5、维修方便:
更换密封、轴承、简易方便。
6、占地更省:
出口可向左、向右、向上三个方向,便管道布置安装,节省空间。
驱动电路如图 3.5 所示。
图 3.5 燃油锅炉水位控制系统水泵及其连接电路
3.3检测元件选型
水温检测:
TH300 系列温湿度变送器为法国 KIMO 公司进口,可高精度测量相对湿
度与温度,并可计算:
露点,混合率,湿球温度,热焓。
该温湿度变送器为法国 KIMO
公司进口高精度温湿度变送器,可选购总线 MODBUS 网路 RS-485 通讯功能,可精确
测量相对湿度与温度。
汽温检测:
电子式温度变送器 TST-B(分离型)耐高温,测量精度高,量程可选,有
量程:
0~+50℃,-20~+80℃,-50~+400℃。
有 1 组 RCR 警报接点输出 3A/230VAC 自带
温度数值显示屏。
液位检测:
智能液位变送器是利用数字技术,对现场液位和温度信号实时采集,经
CPU 进行运算补偿和参数修正,由 D/A 电路转换为高精度两线制 4~20mA 模拟信号
及 RS485 数字接口信号,保证了产品的高精度和高可靠性。
液位变送器的零点、满度、
单位、地址等参数对用户开放,以便用户能够在需要对产品进行调校,或需要对多台产
品同时监测时,通过 RS485接口及专用数据电缆和软件,进行现场无压标定和调校。
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具有防潮,防结露、防渗漏功能、坚固、抗雷击、抗强电磁变频干扰的特点。
气压检测:
高温压力变送器选用进口耐高温敏感元件制作而成,探头能在 550℃高
温下长期稳定启动;芯体与不锈钢外壳之间采用激光焊接工艺,使其完全熔为一体,内
充硅油或其它传递介质,确保了变送器在高温状态下的安全使用,传感器的压力芯体与
放大电路之间,用优良材料隔热,并加有散热装置,内部引线孔填充高效隔热材料有效
防止了热传导,保证放大转换电路部分在理想温度下工作;
3.4低压电器选型
低压断路器是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流,还可以接通和
分断短路电流的开关电器。
低压断路器在电路中除起控制作用外,还具有一定的保护功
能,如过负荷、短路、欠压和漏电保护等。
低压断路器容量范围很大,最小为 4A,而
最大可达 5000A。
这次设计选择的是型号为 DZ47 3P 16A。
3.5电源设计
PLCS7300 系列为模块式 PLC,这次用的电源模块为 PS307,PS307 及其接线图如图
3.6 所示。
图 3.6 PS307 及其接线
10
3.6人机接口设计
人机接口是操作者与机电系统之间进行信息交换的接口。
按照信息传递的方式分为
两类:
输入接口,输出接口。
常用的输出设备:
状态指示灯,发光二极管,液晶显示器,
微型打印机,阴极摄像管显示器,扬声器等。
此次用到的是触摸屏 TP177B 为 6 寸,彩
显。
TP177B 及其接线图如图 3.7 所示。
图 3.7 TP177B 及其接线
本章小结:
本章根据控制要求,确定了 PLC 的型号,系统的 I/O 分配表,并由此确
认都要扩展什么模块,然后,选择了电机及其驱动电路,并且确定了检测元件,低压电
器,最后确定了电源与人机接口的设计。
11
第 4 章控制系统软件设计
4.1 控制程序流程图
根据系统要求,燃油锅炉水位控制系统的控制流程图如图 4.1 所示:
图 4.1 燃油锅炉水位控制系统控制程序流程图
12
4.2 控制程序设计
本次设计采用的是自动检测系统,当锅炉水位过高低于下限时,进水阀打开,排水
阀关闭,当水位高于上限时,排水阀打开,进水阀关闭。
锅炉燃烧过程中,当出现异常
情况时,如:
蒸汽压力超过允许值或水位超过最高上限允许值或低于最低下限允许值,
系统能自动关闭;异常情况消失后,又能自动接起燃烧程序重新点火燃烧。
内部软元件
表见表 4.1。
表 4.1 内部软元件表
操作数功能
M0.0启动按钮(触摸屏)
M0.1停止按钮(触摸屏)
M1.0打开燃烧系统
M1.1关闭燃烧系统
MW10水温显示(触摸屏)
MW12汽温显示(触摸屏)
MW14液位显示(触摸屏)
MW16气压显示(触摸屏)
4.3 显示操作界面设计
显示操作界面采用的是 TP177B 触摸屏显示,触摸屏作为一种最新的电脑输入设备,
它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。
它赋予了多媒体以崭新的面貌,是
极富吸引力的全新多媒体交互设备。
在工业控制中,人机界面是操作人员与 PLC 之间
交换信息的媒介,人机界面可以接收操作人员发出的各种命令和设置的参数,并将它们
传递到 PLC,对工业流程进行控制。
TP177B PN/DP 产品由硬件和软件两部分组成,硬件部分包括处理器、显示单元、
输入单元、通讯接口、数据存贮单元等,其中处理器的性能决定了 HMI 产品的性能高
低,是 HMI 的核心单元。
HMI 软件一般分为两部分,即运行于 HMI 硬件中的系统软件
和运行于 PC 机 Windows 操作系统下的画面组态软件。
使用者都必须先使用 HMI 的画
面组态软件制作“工程文件”,再通过 PC 机和 HMI 产品的串行通讯口,把编制好的“工
程文件”下载到 HMI 的处理器中运行。
TP177B PN/DP 具有透明,绝对坐标,检测触摸
并定位的特性。
13
通过 S7-300PLC 设计的程序和 SIMATIC WinCC flexible2008 里对 TP177B PN/DP
触摸屏进行设计的组态画面,设计报警画面,在软件 SIMATIC WinCC flexible2008 的界
面中添加变量,设置连接,对触摸屏的调试来实现对电动机的启动,调速,停止状态的
控制。
本章小结:
本章根据系统要求,画出了燃油锅炉水位控制系统的控制流程图,通过
对燃油锅炉水位控制系统的控制流程图的分析,用软件设计出了程序,并最后确认了显
示操作界面。
14
结束语
此次实习,我设计的是基于 PLC 的燃油锅炉水位控制系统,这次是基于 PLC300 的
实习,比去年的 PLC200 的实习难了许多,而且,软件不太好装,但是,经过同学和老
师的帮助,和我的不懈努力,我终于克服了种种困难,很好的完成了此次实习。
此次实习我也学到了很多东西,首先是关于 PLC300 的软件,包括 WINCC flexible
组态软件。
我经过了从生疏到熟练,使我对它们有了一定的了解,而且,加强了我的
AUTO CAD 绘图技巧,是我更熟练的应用 AUTO CAD。
此外,我更巩固了基础知识,
课本上的学到的东西和实践有机的结合了起来。
总之,这次实习我受益匪浅。
15
参考文献
[1]廖常初.S7-300/400PLC 应用教程,机械工业出版社,2012,2
[2]西门子(中国)有限公司.西门子 PLCstep-7v5.5 使用入门,2012
[3]罗萍.西门子 S7-300/400PLC 工程实例详解,人民邮电出版社,2012,1
[4]西门子(中国)有限公司.S7-300/400PLC 编程梯形图(LAD)参考手册,2012
[5]廖常初.西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术,机械设计出版社,2010,2
[6]SIEMENS 公司编.MICROMASTER 430 用户手册,2010.
[7]西门子(中国)有限公司.WinCC flexible2008 使用入门,2012
[8]庞科旺.PLC 变频器与电气控制.中国电力出版社,2012,4
[9]西门子(中国)有限公司.PLC 应用开发实用子程序,2012
16
附录 1:
PLC 源程序
17
18
19
20
21
附录 2:
硬件原理图
23
组态报告
一、触摸屏通讯
- 配套讲稿:
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- 基于 PLC 燃油锅炉 水位 控制系统 设计
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