基于PLC的燃煤水暖锅炉温度控制Word下载.docx
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第五章系统构成16
5.1补水泵控制系统16
5.2循环泵控制系统17
5.3鼓风机控制系统17
第六章PID控制原理18
6.1PID算法的实现18
6.2应用实例19
第七章程序设计20
7.1主程序设计20
7.2子程序设计20
结论25
参考文献26
1供暖锅炉改造设计思路
1.1供暖锅炉改造设计要求
(1)PLC容量和性能要与任务适应,PLC满足实时控制的要求;
(2)确定所需PLC传感器变频器的型号、PLC接线图和梯形图;
(3)要有PLC的I/O接口地址分配表;
(4)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;
1.2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。
补水箱
用户
鼓风机
循环水泵
锅炉
补水泵
自来水
回水
图1总体系统结构图
1.3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锅炉系统总体设计
3.1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。
3.2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。
3.3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。
西门子S7-200系类可编程控制器
1#-2#补水泵
锅炉本体
传感器与变送器
1#-4#循环泵
1#-2#鼓风机
电气控制回路(带变频器)
图3系统结构框图
4系统硬件设计
4.1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。
4.2PLC配置
(1)PLC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1所示。
I
名称
输入
O
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
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
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
AQW2
变频器频率调节输入口
AQW1
表1I/O分配
(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。
(2)PLC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。
4.3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。
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。
图5变频器接线原理图
4.4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。
4.5.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。
4.6.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。
4.7.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电源工作方式。
寄生电源方式不需外加电源,当总线(信号线)为高时稳定电源的提供是通过单线上的上拉电阻实现,总线信号为低时则由其内部的电容供电,在此种方式下VDD接地。
外加电源工作方式需要外加电源正负极分别接引脚VDD及GND。
本系统选用外加电源工作方式,采用此种方式能增强DS18B20的抗干扰能力,保证工作的稳定性。
我们采用外加电源的工作方式,在同一条总线上同时挂接135个DS18B20可以稳定,准确的测量温度值。
能够满足我们实际检测的要求。
在实际的工程应用中,由于DS18B20要放在水里测量温度,我们用圆柱状的不锈钢的传感器外壳套在DS18B20上对其进行密封,以防止进水短路,同时可以增加它的耐压,耐腐蚀性能。
当某个DS18B20损坏后,我们把好的DS18B20先读出其序列号,再换接到系统中。
5系统构成
5.1补水泵控制系统
图6补水系统方案图
在硬件系统设计中,采用2台变频器,其中1#,3#水泵电机有变频/工频两种工作状态,每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联,变频器输入电源前面接入一个空气开关,来实现电机、变频器的接通,空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。
所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。
在控制电路的设计中,首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。
在整个控制系统中,所有控制电机、阀门接触器的动作,都是按照PLC的程序逻辑来完成的。
为了保护PLC设备,PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接,而是通过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。
在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器,其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离,保护系统,延长系统的使用寿命,增强系统工作的可靠性。
由于每台电机的工作电流都在几百安以上,为了显示电机当前的工作电流,必须在每台电机三相输入电源前面都接入两个电流互感器,电流互感器和热继电器、两个电流表连接。
补水泵有三台,1#、2#、3#。
其中1#和3#补水泵配有变频器。
当1#补水泵采用变频控制启动后仍不能满足要求时,让1#补水泵工作于工频同时启动2#补水泵,2#补水泵采用工频控制。
以此类推启动3#。
图7补水泵系统电气控制图
变频器主电路电源输入端子(R,S,T)经过空气开关与三相电源连接,变频器主电路输出端子(U,V,W)经接触器接至三相电动机上,当旋转方向预设定不一致时,需要调换输出端子(U,V,W)的任意两相。
特别是对于有变频/工频两种状态的电动机,一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性,否则在变频/工频的切换过程中会产生很大的转换电流,致使转换无法成功。
控制电路之中存在电路之间互锁的问题,由于控制系统是实现分组的组内自动循环,所以电路的自锁包括组内互锁和组间互锁。
组内互锁是指同一组中电动机的互锁,组间互锁是指不同机组之间电动机的互锁。
在实现组内互锁的时候,严禁出现一台电动机同时接在工频电源和变频电源的情况,同时要求变频器始终只与一台电动机相连,而且当大容量电动机变频工作的时候,小容量电动机要么是工频工作运行,要么是停止工作。
所以在大容量电动机变频工作的时候,要自动切断小容量电动机的变频控制电路。
控制电路的组间互锁是通过输入按钮,控制PLC的输入端口来实现的,当选择一组机组运行时,按下另一组起动按钮则为无效操作。
控制电路中还必须考虑系统电机和阀门的当前工作状态指示灯的设计,为了节省PLC的输出端口,在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭,指示当前系统电机和阀门的工作状态。
5.2循环泵控制系统
循环泵控制系统有4台循环泵,本系统配置两台变频器,另外一台作为备用。
每台循环泵均通过变频器启动,并根据负荷的变化切换到工频运行,变频器启动下一台循环泵,依次类推,最后其中一台循环泵变频运行,其他工作循环泵工频运行,剩下循环泵处于停止状态作为备用。
系统的电气控制图如图8所示。
图8循环泵系统电气控制图
5.3鼓风机控制系统
鼓风机控制系统包括2台鼓风机,本文对每台鼓风机配置一个变频控制
柜,每台电机配置一台变频器。
其电气控制原理相对简单。
6PID控制原理
6.1PID算法的实现
在模拟量闭环过程控制领域内,扩展模拟量处理模块,如EM231、EM232、EM235,根据PLC提供的PID编程功能模块,只需设定好PID参数,运行PID控制指令,就能求得输出控制值,实现模拟量闭环控制。
(1)PID算法
在模拟量的控制中,经常用到PID运算来执行PID回路的功能,PID回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易。
如果一个PID回路的输出M(t)是时间的函数,则可以看作是比例项、积分项和微分项三部分之和。
即:
以上各量都是连续量,第一项为比例项,最后一项为微分项,中间两项为积分项。
其中P是给定值与被控制变量之差,即回路偏差。
K为回路的增益。
(2)PID指令
使能输入有效时,该指令利用回路表中的输入信息和组态信息,进行PID运算。
梯形图的指令盒中有2个数据输入端:
TBL,回路表的起始地址,是由VB指定的字节型数据;
指令LOOP,回路号,是0~7的常数。
指令格式:
PIDTBL,LOOP
(3)PID回路号
用户程序中最多可有8条PID回路,不同的PID回路指令不能使用相同的回路号,否则会产生意外的后果。
(4)数值转
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