基于PLC工業(yè)鍋爐設計改造

1、基于基于 PLCPLC 的工業(yè)鍋爐設計改造的工業(yè)鍋爐設計改造摘要摘要本文設計了一套基于本文設計了一套基于PLC和變頻調速技術的供暖鍋爐控制系統(tǒng)。和變頻調速技術的供暖鍋爐控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、鼓風機和水泵電機、傳感器該控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、鼓風機和水泵電機、傳感器等構成。系統(tǒng)通過變頻器控制電動機的啟動、運行和調速。等構成。系統(tǒng)通過變頻器控制電動機的啟動、運行和調速。該設計以西門子該設計以西門子S7-200系列可編程控制器為核心，一方面通過操系列可編程控制器為核心，一方面通過操作臺與作臺與PLC通訊，接收管理者的控制命令。另一方面與各變頻器進通訊，接收管理者的控制命

2、令。另一方面與各變頻器進行通信，分別對鼓風機、循環(huán)泵和補水泵等進行啟?？刂坪碗姍C的行通信，分別對鼓風機、循環(huán)泵和補水泵等進行啟?？刂坪碗姍C的轉速設定，轉速設定，操作人員也隨時可以通過操作臺，了解現操作人員也隨時可以通過操作臺，了解現場每臺鍋爐的場每臺鍋爐的運行狀況，對風機、水泵等電機進行啟?？刂?。控制系統(tǒng)的設計采運行狀況，對風機、水泵等電機進行啟?？刂??？刂葡到y(tǒng)的設計采用比例積分的用比例積分的PID控制?？刂啤ｊP鍵詞關鍵詞：鍋爐控制，變頻器，鍋爐控制，變頻器，PLC ，PIDThe design of heating boiler auto control reformation system

3、 baseon PLC technologyAbstractIn this Paper,a heating boiler control system based on PLC and variable frequency Speed-regulating technology is designed. The control system is made up of PLC,transducers,electromotor units of Pumps and fans, sensors, etc. It can control electromotor starting,running a

4、nd timing by means of transducers.The design is based on Siemens S7-200 series programmable controller as the core; on the one hand through the console it can communicate with the PLC, to receive control commands from managers. On the other hand it communicate with the variable frequency Speed-regul

5、ating, to fulfilled such as starting and stopping pump motor control and speed settings, the operator at console can find out at the scene of the operation of each boiler to fans, pumps and other motor control to start and stop. at any time.Key words：boiler control, variable frequency Speed-regulati

6、ng, PLC technology目目 錄錄1 緒論.12 供暖鍋爐改造設計思路.12.1 供暖鍋爐改造設計要求.12.2 鍋爐系統(tǒng)的結構.22.3 整體方案選擇.23 變頻調速在供暖鍋爐控制中的應用.33.1 變頻調速基本原理.33.2 變頻調速在供暖鍋爐系統(tǒng)中的應用.44 鍋爐控制系統(tǒng)總體設計.44.1 系統(tǒng)功能分析.44.2 總體設計思路.54.3 系統(tǒng)結構.55 系統(tǒng)硬件設計.65.1 可編程控制器 PLC 的選型.65.2 PLC 配置.65.3 I/O 接線.85.4 變頻器配置.85.5 傳感器與變送器.95.5.1 壓力變送器工作原理.105.5.2 壓力變送器選型.105.

7、5.3 溫度傳感器選型.106 系統(tǒng)構成.116.1 補水泵控制系統(tǒng).116.2 循環(huán)泵控制系統(tǒng).136.3 燃燒控制系統(tǒng).147 PID 控制原理.158 程序設計.188.1 主程序設計.148.2 子程序設計.149 結束語.26致謝.26參考文獻.261 緒論鍋爐是供熱設備中最普遍的動力設備之一，它的功能是把燃料中的貯能，通過燃燒轉化成熱能，以蒸汽或熱水的形式輸向各種設備。目前，大多數鍋爐都是人工控制的，或簡單的儀表單回路調節(jié)系統(tǒng)，燃料浪費很大。鍋爐作為一個設備總體，有許多被控制量與控制量，許多參數之間明顯地存在著復雜的關系。對于鍋爐這個復雜的系統(tǒng)，由于其內部能量轉換機理過于復雜，采用

8、常規(guī)的方式進行控制，難以達到理想的控制效果，因此，必須采用智能控制方式控制，才能獲得最佳控制效果?？删幊踢壿嬁刂破?PLC)既能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng),又具有擴展各種輸入輸出模塊,如A/D模塊、熱電偶熱電阻模塊,構成多功能控制系統(tǒng)?，F代PLC集成度高、功能強、抗干擾能力強、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定。在傳統(tǒng)工業(yè)的現代化改造中發(fā)揮著越來越重要的作用。供暖鍋爐，是連接用戶極為重要的功能性環(huán)節(jié)，不僅其工作的安全性、可靠性直接影響到等前級產熱設備的安全性及供熱質量，提高其工作效能，還具有十分重大的節(jié)能意義。目前供暖鍋爐大都采用人工監(jiān)控，一方面浪費人力；另一方面在出現事故隱患時，操作人員難以及時發(fā)現，很

9、容易造成運行中設備的事故。 該設計對整個鍋爐的運行進行監(jiān)測、報警、控制以保證鍋爐正常、可靠地運行，除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進行微機系統(tǒng)設計時，對鍋爐水位、鍋爐壓力等重要參數應設置常規(guī)儀表及報警裝置，這是必不可少的，以免鍋爐發(fā)生重大事故。系統(tǒng)由可編程邏輯控制器( PLC)、變頻器組成，能完成對給水、鼓風等進行自動控制，使鍋爐的水位、蒸汽壓力保持在規(guī)定的數值上，以保證鍋爐的安全運行，達到降低能耗、提高供氣質量的目的，同時對運行參數如壓力、溫度等進行顯示，還可對水位、壓力、爐溫等參數越限時報警，發(fā)出聲光信號。由于PLC具有輸入輸出光電隔離、停電保護、自診斷等功能，所以抗干擾能力強，能置于環(huán)境

10、惡劣的工業(yè)現場中，故障率低。PLC編程簡單，易于通信和聯網，用于水暖鍋爐控制能提高性能價格比，如果從長遠觀點看，其壽命長，故障率低，易于維修，所以選用1。2 供暖鍋爐改造設計思路2.1 供暖鍋爐改造設計要求(1)PLC容量和性能要與任務相適應，PLC運行速度要滿足實時控制的要求(2)要確定PLC的型號、需要的傳感器和變頻器的型號、PLC硬件接線圖和梯形圖(3)要有PLC的I/O接口地址分配表(4)系統(tǒng)具有手動/自動轉換、在線監(jiān)控及在現場調試、驅動電機過熱保護2.2 鍋爐系統(tǒng)的結構鍋爐控制系統(tǒng)，一般由以下幾部分組成，即由鍋爐本體、補水箱、循環(huán)水泵、補水泵等部分組成。補水箱內的水由兩路提供。一路是

11、來自用戶網通過熱交換形成的冷凝水。一路是來自自來水管的自來水。當回水不足以維持供熱所需的水時。啟動補水泵，用補水箱內的水，加入到鍋爐。用戶回水補水箱補水泵鼓風機循環(huán)水泵鍋爐自來水圖1 總體系統(tǒng)結構圖2.3 整體方案選擇以往供暖鍋爐系統(tǒng)中帶有循環(huán)泵、補水泵等水泵類的設備，通常是根據不同的生產需求往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節(jié)流設備進行流量、壓力、水位等信號的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費，管路、閥門等密封性能的破壞，還加速了閥體的磨損，嚴重時損壞設備而影響生產。目前，風機、泵類設備多數采用異步電動機直接驅動的方式運行，存在啟動電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點。不僅影響設備使用壽命，

12、而且當負載出現機械故障時不能瞬間動作保護設備，時常出現泵損壞同時電機也被燒毀的現象。對于如何供暖鍋爐的基本功能和它存在的缺陷等問題提出兩種改造方案。第一種就是利用單片機進行控制中心的，但是由于單片機工作狀態(tài)的不穩(wěn)定性，抗干擾能力比較差。所以不在此處選用。第二種就是用可編程控制器PLC進行改造，把原來的繼電接觸式電控系統(tǒng)改造為PLC控制。不僅可以消除掉它原來存在的所有缺陷，而且增加了故障檢修功能，可以在發(fā)生故障的部位進行報警。第二個方案用可編程控制器PLC對原來的繼電接觸式電控系統(tǒng)進行技術改造，改造后可以減少強電元氣件數目，而且增加了一些故障自診斷功能。提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性，安全性。使電氣

13、控制系統(tǒng)的工作更加靈活，更容易維修，更能適應經常變動的工藝條件。因此我們選擇第二種方案。3 變頻調速在供暖鍋爐控制中的應用3.1 變頻調速基本原理目前，隨著大規(guī)模集成電路和微電子技術的發(fā)展，變頻調速技術已經發(fā)展為一項成熟的交流調速技術。變頻調速器作為該技術的主要應用產品經過幾代技術更新，己日趨完善，能夠適應較為惡劣的工業(yè)生產環(huán)境，目能提供較為完善的控制功能，能滿足各種生產設備異步電動機調速的要求。變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系水泵多配用交流異步電機拖動，當電機轉速降低時，既可節(jié)約能量，經濟效益十分顯著。由異步電動機的轉速公式： (1)pSfSnn/ )1 (

14、60)1 (0式中， 異步電動機的同步轉速r/min；n 異步電動機轉子的轉速r/min；0n 電動機的磁極對數；p 電源頻率，電動機定子電壓頻率；f 轉速差； S (2)%10000nnns由公式可見改變電動機極對數P、改變轉速差S及改變電源頻率f都可以改變轉速。通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術，集電力電子、微電腦控制等技術于一身的綜合性電氣產品。實現調頻調壓的電路有兩種：交-直-交變頻器，交-交變頻器見圖2。上面是交-直-交變頻器，下面是交-交變頻器。整流器濾 波逆變器濾波 逆變器直流u1f1交流VVVF交流u2f2交流u1

15、f1交流圖2 變頻器種類(1)交-直-交變頻器它是由三個環(huán)節(jié)組成：可控硅整流電路，其作用是將電壓、定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{的直流電；可控硅逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調的交流電；濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是利用無電源電容或電抗器對整流后的電壓或電流進行濾波。(2)交-交變頻器它是由兩組反并聯的整流電路組成，直接將電網的交流電通過變頻電路同時調節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調的交流電輸出，交-交變頻器由于直接交換，減少換流電路，減少損耗，效率高，波型好，但調速范圍小，控制線路復雜，功率因數低，目前較少采用2。3. 2 變頻調速在供暖鍋爐系統(tǒng)中的應用由于

16、變頻調速可以實現電機無級調速，具有異步電機調壓調速和串級調速無可比擬的優(yōu)越性，在鍋爐系統(tǒng)中得到廣泛的應用。變頻調速在供熱鍋爐系統(tǒng)中主要應用在風機調速和水泵調速。4 鍋爐控制系統(tǒng)總體設計4. 1 系統(tǒng)功能分析u2f2VVVF本文針對鍋爐進行變頻改造，設計一套基于變頻調速技術的鍋爐系統(tǒng)。根據要求，并結合鍋爐控制的發(fā)展趨勢，本系統(tǒng)具備如下功能：(1)遠程/就地控制系統(tǒng)具有遠程控制和就地控制兩種控制功能。通過操作臺和可編程控制器對鍋爐系統(tǒng)中的鼓風機、引風機、爐排電機、循環(huán)泵和補水泵實現遠程控制。同時，也可直接操作變頻控制柜，實現就地控制。(2)單動/聯動模式本系統(tǒng)工作在單動/聯動兩種工作模式下。單動和

17、聯動模式下均可實現遠程/就地控制和參數設定，但單動模式下，需人工根據氣候、負荷的變化設定鼓風機、循環(huán)泵和補水泵等電機的轉速，相當于“開環(huán)控制”；聯動模式下，操作人員只需根據室內溫度和室外溫度的變化設定鍋爐的出水溫度和爐膛負壓等參數，系統(tǒng)自動地調節(jié)電機的轉速，減少了人工干預，提高了自動化水平。(3)檢測功能系統(tǒng)通過安裝在鍋爐現場的各類傳感器，可檢測出水溫度、回水溫度、出水流量、回水壓力、出水壓力、補水流量、循環(huán)水泵壓力等參數，并可以將這些數據通過變送器傳送到可編程控制器處理，所有參數均可在操作臺顯示上顯示出來。(4)超溫超壓報警按規(guī)定，鍋爐控制系統(tǒng)必須包含超溫超壓報警功能，當系統(tǒng)中的溫度、壓力等

18、信號超過上下限時，必須提示報警信息，對某些重要參數，還設置了報警聯動功能，即超限時停爐或停泵處理。4.2 總體設計思路針對鍋爐房的現狀，本系統(tǒng)對鍋爐房的鼓風機、循環(huán)泵、補水泵等設備進行變頻改造。每臺鼓風機配置一臺變頻器，共2臺。對于4臺循環(huán)泵，給其中兩臺容量較大的電機配置兩臺變頻器，另外容量較小的電機不配備變頻器，作為備用。對于4臺補水泵，也配置兩臺變頻器，給其中兩臺容量較大的電機配置兩臺變頻器，另外容量較小的電機不配備變頻器。所有變頻器均安裝在變頻控制柜內，置于變頻控制室，操作變頻控制柜的面板，可實現就地控制。PLC采用西門子公司S7-200系列PLC，通過1/O模塊控制控制柜內所有斷路器、

19、接觸器和繼電器等開關設備，以實現遠程控制。如果PLC系統(tǒng)出現故障，可直接在控制柜上通過控制面板進行啟/?？刂疲械氖謩涌刂撇糠?操作臺部分)均予保留，一旦變頻控制系統(tǒng)出現故障，可自動或手動轉為原有的手動方式控制，從而可避免造成供暖中斷，切實保證供暖正常。4.3 系統(tǒng)結構本系統(tǒng)屬于熱水鍋爐供暖系統(tǒng)，主要通過熱水循環(huán)給用戶供暖，一般分為燃燒控制系統(tǒng)、循環(huán)泵控制系統(tǒng)和補水泵控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用集中控制，分為三部分，系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。西門子 S7-200 系列可編程控制器電氣控制回路（帶變頻器）電氣控制回路（帶變頻器）電氣控制回路（帶變頻器）1#-2#鼓風機1#-4#循環(huán)泵1#-4#補水泵鍋爐

20、本體傳感器與變送器圖3 系統(tǒng)結構框圖5 系統(tǒng)硬件設計5.1 可編程控制器PLC的選型由于供暖鍋爐自動控制系統(tǒng)控制設備相對較少，因此PLC選用德國Siemens公司的S7-200型。S7-200型PLC的結構緊湊，價格低廉，具有較高的性能/價格比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。Siemens公司的PLC具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點。根據控制系統(tǒng)實際所需端子數目，考慮PLC端子數目要有一定的預留量，為以后新設備的介入或設備調整留有余地，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU224XPCN，其開關量輸出(DQ)為10點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；

21、開關量輸入為14點，輸入形式為+24V直流輸入。由于實際的開關量輸出有26點，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是1個EM223CN型模塊，該模塊有16個開關量輸出點，輸出形式為AC220V繼電器輸出，開關量輸入為16點，輸入形式為+24V直流輸入。此外，為了方便的將管網壓力信號、電機頻率信號和同相比較信號傳輸給PLC。經比較計算后轉換為相應的控制信號，選擇了EM235CN模擬量擴展模塊。該模塊有4個模擬輸入(AIW)，1個模擬輸出(AQW)信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成了A/D的轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長(16bit)的數字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉換，

22、一個字長(16bit)的數字信號能夠轉換成標準輸出信號。EM235模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過DIP開關進行設置。系統(tǒng) PLC的選型包括一個CPU224CN主模塊，1個EM223CN擴展模塊，3個EM235模擬量擴展模塊。如此PLC總共有30個數字信號輸入，26個數字信號輸出，以及4個模擬輸入信號，4個模擬輸出信號。輸入和輸出均有余量，可以滿足日后系統(tǒng)擴充的要求3。表1 S7-200的規(guī)格規(guī)格系列連接方法工作電壓輸入類型輸出類型程序容量I/O 點型號主控單元S7-200端子型220V AC24VDC繼電器12K24 點14I/10OCPU 224XP CN數字量擴展單S7-200 端子

23、型24VDC 24VDC繼電器32 點16I/16OEM223 CN元模擬量擴展單元S7-200 端子型24VDC5 點4I/1OEM235 CN5.2 PLC配置5.2.1 PLC的開關量輸入、輸出點PLC的輸入、輸出點數的確定根據控制系統(tǒng)設計要求和所需控制的現場設備數量加以確定。系統(tǒng)采用分組運行的方式，把l#水泵電機和2#水泵電機組成第一組；把3#水泵電機和4#水泵電機組成第二組。兩組采用循環(huán)使用的方式運行，自動控制系統(tǒng)可以根據運行時間的長短來調整選擇不同的機組運行。要求控制的現場設備有兩臺電機接觸器的動作，變頻器的控制端子，熱繼電器輸入及報警。PLC輸入輸出端口地址的分配如下表2所示。表

24、2 I/O分配I名稱輸入O名稱輸出I0.0SB1手動/自動/停止選擇Q0.0KM11#補水泵變頻運行I0.1SB2補水泵電機啟動按鈕Q0.1KM21#補水泵工頻運行I0.2SB3補水泵電機停止按鈕Q0.2KM32#補水泵運行I0.3SB4手動/自動/停止選擇Q0.3KM43#補水泵變頻運行I0.4SB5循環(huán)水泵電機啟動按鈕Q0.4KM53#補水泵工頻運行I0.5SB6循環(huán)水泵電機停止按鈕Q0.5KM64#補水泵運行I0.6SB7手動/自動/停止選擇Q0.6KM71#循環(huán)水泵變頻運行I0.7SB8鼓風機啟動按鈕Q0.7KM81#循環(huán)水泵工頻運行I1.0SB9鼓風機停止按鈕Q1.0KM92#循環(huán)水

25、泵運行I1.1FR1-4補水泵電機過載輸入Q1.1KM10 3#循環(huán)水泵變頻運行I1.2FR5-8循環(huán)水泵電機過載輸入Q2.0KM11 3#循環(huán)水泵工頻運行I1.3FR9-10鼓風機電機過載輸入Q2.1KM12 4#循環(huán)水泵運行I1.4BP11#變頻器故障輸入Q2.2KM13 1#鼓風機運行I1.5BP22#變頻器故障輸入Q2.3KM14 2#鼓風機運行I2.0BP33#變頻器故障輸入Q2.4HL1補水泵電機過載指示I2.1BP44#變頻器故障輸入Q2.5HL2循環(huán)水泵電機過載指示I2.2BP55#變頻器故障輸入Q2.6HL3鼓風機電機過載指示I2.3BP66#變頻器故障輸入Q2.7DL電鈴報

26、警AIW0循環(huán)水出口溫度Q3.0KA11#變頻器啟動/停止切換AIW1循環(huán)水出口壓力Q3.1KA22#變頻器啟動/停止切換AIW2補水出口溫度Q3.2KA33#變頻器啟動/停止切換AIW3補水出口壓力Q3.3KA44#變頻器啟動/停止切換Q3.4KA55#變頻器啟動/停止切換Q3.5KA66#變頻器啟動/停止切換AQW0循環(huán)水出口溫度AQW2變頻器頻率調節(jié)輸入口AQW1循環(huán)水出口壓力(1)輸入端口自動控制系統(tǒng)PLC的輸入端口包括機組啟動/停止按鈕，另外PLC輸入端口還包括電動機的熱保護繼電器輸入，輸入形式是熱繼電器的常閉觸點。和變頻器故障輸入信號。(2)輸出端口PLC的輸出端口包括電機交流接觸

27、器的動作，分別對應變頻/工頻兩個工作狀態(tài)， PLC與這些交流接觸器的連接是通過中間繼電器來實現的，可以實現控制系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離，保護PLC設備，增強系統(tǒng)工作的可靠性。對于變頻器，需要一個中間繼電器來控制變頻器的通斷，來實現變頻器的運行和停止；此外，對于電動機的熱保護繼電器輸入，報警指示輸出既需要3個端口顯示哪一部分電機故障，也需要一個輸出端子進行蜂鳴器報警輸出。5.2.2 PLC的模擬量輸入、輸出點自動控制系統(tǒng)PLC的模擬輸入端口包括壓力傳感器檢測的管網壓力信號，壓力信號是以標準電流信號4-20mA進行傳輸的；溫度傳感器檢測的管網溫度信號。變頻器反饋的電機頻率信號，電機頻率信號是0

28、-10V的電壓信號。5.3 I/O接線 I/O接線圖如附錄1所示。5.4 變頻器配置近20年來，以功率晶體管GTR為逆變功率器件、8位微處理器為控制核心的、按壓頻比u/f控制原理實現異步電動機調速的變頻器，在性能和品種上出現了巨大的技術進步。5.4.1 變頻器輸入輸出接口本系統(tǒng)選用的變頻器為ABB公司的Acs60l系統(tǒng)，針對本系統(tǒng)的應用情況，可將變頻器端子上的信號分為：1 輸入信號：(1)控制變頻器運行的啟停信號DI1PLC的KA1。(2)變頻器的壓力反饋信號A12口接遠傳壓力表的反饋信號。(3)R.S.T為電源輸入。PERSTPEUVWDI1+24VAI2+AI2-PLC接電機KA1變頻器內

29、置 PID2 輸出信號：(1)RO1：為數字量輸出口，變頻器內部出現故障時，進行指示。(2)RO2：為數字量輸出口，變頻器運行指示。(3)RO3：為數字量輸出口，變頻器停止運行指示。(4)U、V、W為接三相異步電動機。3通訊：本變頻器完成與上位機的頻率、電流、電壓、壓力、故障狀況，給定等參數進行通訊，通過CH0、CH1口實現。整個變頻器端子示意圖如圖4。圖4 變頻器接線圖在此控制系統(tǒng)中，整個信息的反饋是靠壓力變送器，在PLC的配合下通過反饋回的壓力信號來調整當前調速泵的轉速。 變頻器和PLC的聯系，是靠硬件電器來聯接的，具體參數的聯系都是與上位機的通訊來實現的，選用的s7-200PLC和Asc

30、601變頻器均有內置的Rs485接口。變頻器和PLC的聯系如圖5所示。變頻器PID壓力傳感器變頻器內置水泵電機出口壓力PLC設定值圖 5 變頻器接線原理圖5.5 傳感器與變送器這一部分是控制系統(tǒng)的底層，主要完成現場數據的采集、預處理和變送等工作。這些數據主要包括鍋爐的出水溫度、出水壓力、以及總出水溫度、總出水壓力、總回水壓力等。變送器將采集的溫度、壓力等物理量轉換成電壓或電流信號并傳送給可編程控制器進行數據處理。5.5.1 壓力變送器工作原理PMC 系列壓力變送器采用了先進的電子陶瓷技術、厚膜電子技術、SMT 技術和 PFM 信號傳輸技術，測量元件內無中介液體,是完全固體的。其工作原理是：介質

31、壓力直接作用于陶瓷膜片,使測量膜片產生偏移。膜片位移產生的電容量,由與其直接連接的電子部件檢測、放大和轉換為 020mA DC 的標準信號輸出。5.5.2 壓力變送器選型壓力檢測元件采用 E+H 公司的 PMC133 型壓力變送器。PMC133 型壓力變送器相對壓力的最大測量范圍為 040MPa , 最小測量范圍為 01kPa , 更換測量元件可以改變壓力測量范圍。變送器由 WYJ 穩(wěn)壓電源供給 12.530VDC 電壓,能夠準確地將出水口的壓力信號線性地轉換成 420mA DC 標準信號。5.5.3 溫度傳感器選型用 DS18B20 實現多點溫度檢測，這種測量方法需要溫度傳感器的精度高,體積

32、小,測量電路簡單,而且能夠在高溫下工作。所以我們選用美國 DALLAS 公司生產的數字輸出 IC 溫度傳感器 DS18B20 ,其特性如下：獨特的單線接口方式：DS18B20 與微處理器連接時僅需要一條口線就可以實現微處理器與 DS18B20 的雙向通訊在使用中不需要任何外圍元件可用數據線供電,電壓范圍：+3.0+5.5V測溫范圍：-55+125通過編程可實現 912 位的數字讀數方式,分辨率可達 0.062512 位精度的最大轉換時間為 750 ms 用戶可自設定非易失性的報警上下限值支持多點組網功能,多個 DS18B20 可以并聯在唯一的三線上,實現多點測溫負壓特性,電源極性接反時,溫度計

33、不會因發(fā)熱而燒毀,但不能正常工作每個 DS18B20 都分配了一個獨一無二的 64 位序列碼,允許多個 DS18B20 上工作在同一條一線總線上,從而減少了系統(tǒng)傳感器接口。DS18B20 有兩種封裝模式：3 腳和 8 腳封裝,其中 3 腳封裝比較常用,我們選用 3 腳 TO-92 小體積封裝。用DS18B20 為溫度傳感器有許多優(yōu)點,但實際應用的時候,由于DS18B20 采用的是1-Wire 總線協(xié)議方式,即在一根數據線實現數據的雙向傳輸,因此,對讀寫的數據位有著嚴格的時序要求。DS18B20 有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數據傳輸的正確性和完整性。單總線訪問DS18B20 時的一線工作協(xié)議流程：

34、初始化總線上所有器件對ROM 發(fā)操作指令發(fā)存儲器操作指令數據處理。操作過程的工作時序包括初始化時序,讀時序和寫時序。在接入系統(tǒng)之前,先用讀序列號的程序讀出每個DS18B20 的序列號,然后每個序列號分別對應系統(tǒng)中的編號1n ,讀的時候把要讀的那個DS18B20掛在總線上, 讀完后再換另一個, 同時記錄每個DS18B20 的序列號。系統(tǒng)運行時,初始化完成后,匹配序列號,然后讀對應傳感器的溫度值,讀完后,匹配下一個序列號,再讀對應傳感器的溫度值,直到讀完總線上所有的傳感器,接著再讀下一輪。DS18B20 可通過兩種方式供電：寄生電源方式和外加電源工作方式。寄生電源方式不需外加電源,當總線(信號線)

35、 為高時穩(wěn)定電源的提供是通過單線上的上拉電阻實現,總線信號為低時則由其內部的電容供電,在此種方式下VDD接地。外加電源工作方式需要外加電源正負極分別接引腳VDD及GND 。本系統(tǒng)選用外加電源工作方式,采用此種方式能增強DS18B20的抗干擾能力,保證工作的穩(wěn)定性。我們采用外加電源的工作方式,在同一條總線上同時掛接135個DS18B20 可以穩(wěn)定,準確的測量溫度值。能夠滿足我們實際檢測的要求。在實際的工程應用中,由于DS18B20 要放在水里測量溫度,我們用圓柱狀的不銹鋼的傳感器外殼套在DS18B20 上對其進行密封,以防止進水短路,同時可以增加它的耐壓,耐腐蝕性能。當某個DS18B20損壞后,

36、我們把好的DS18B20 先讀出其序列號,再換接到系統(tǒng)中。以18B20為核心組成的多點溫度檢測系統(tǒng)見圖6。GNDDQVCCR15.1KVCC圖 6 18B20 組成的多點溫度檢測系統(tǒng)6 系統(tǒng)構成6.1 補水泵控制系統(tǒng)6.1.1 補水泵系統(tǒng)方案圖報警部分顯示部分PLC 控制器水位傳感器變頻器電控部分保護部分補水 泵壓力給定至鍋爐壓力變送器M補水箱圖 7 補水系統(tǒng)方案圖在硬件系統(tǒng)設計中，采用2臺變頻器，其中1#,3#水泵電機有變頻/工頻兩種工作狀態(tài)，每臺電機都通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯，變頻器輸入電源前面接入一個空氣開關，來實現電機、變頻器的接通，空氣開關的容量依據電機的額定電流

37、來確定。所有接觸器的選擇都要依據電動機的容量適當選擇4。在控制電路的設計中，首先要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。在整個控制系統(tǒng)中，所有控制電機、閥門接觸器的動作，都是按照PLC的程序邏輯來完成的。為了保護PLC設備，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是通過中間繼電器去控制電機或者閥門的動作。在PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，其目的是為了實現系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離，保護系統(tǒng)，延長系統(tǒng)的使用壽命，增強系統(tǒng)工作的可靠性。由于每臺電機的工作電流都在幾百安以上，為了顯示電機當前的工作電流，必須在每臺電機三相輸入電源前面都接入兩個電流互感器，電流互感器和熱繼電器、兩個電流表

38、連接，如圖8所示。圖8是電流互感器的接線圖，兩個電流表一個安裝在控制柜上，另一個安裝在操作臺上，可以方便地觀察電機的三相工作電流，便于工作人員監(jiān)測電機的工作狀態(tài)，同時熱繼電器可以實現對電動機的過熱保護。A1A2M圖 8 電流互感器的接線圖補水泵有三臺，1#、2#、3#。其中 1#和 3#補水泵配有變頻器。當 1#補水泵采用變頻控制啟動后仍不能滿足要求時，讓 1#補水泵工作于工頻同時啟動 2#補水泵，2#補水泵采用工頻控制。以此類推啟動 3#。 1#補水泵FR1PEQF1KM1變頻器KM2QF2QF3KM32#補水泵PE3#補水泵FR3PEQF4KM4變頻器KM5QF5FR2圖 9 補水泵系統(tǒng)電

39、氣控制圖變頻器主電路電源輸入端子(R, S, T)經過空氣開關與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子(U, V, W)經接觸器接至三相電動機上，當旋轉方向預設定不一致時，需要調換輸出端子(U, V, W)的任意兩相。特別是對于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的電動機，一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻/工頻的切換過程中會產生很大的轉換電流，致使轉換無法成功?？刂齐娐分写嬖陔娐分g互鎖的問題，由于控制系統(tǒng)是實現分組的組內自動循環(huán)，所以電路的自鎖包括組內互鎖和組間互鎖。組內互鎖是指同一組中電動機的互鎖，組間互鎖是指不同機組之間電動機的互鎖。在實現組內互鎖的時候，嚴

40、禁出現一臺電動機同時接在工頻電源和變頻電源的情況，同時要求變頻器始終只與一臺電動機相連，而且當大容量電動機變頻工作的時候，小容量電動機要么是工頻工作運行，要么是停止工作。所以在大容量電動機變頻工作的時候，要自動切斷小容量電動機的變頻控制電路?？刂齐娐返慕M間互鎖是通過輸入按鈕，控制PLC 的輸入端口來實現的，當選擇一組機組運行時，按下另一組起動按鈕則為無效操作。 控制電路中還必須考慮系統(tǒng)電機和閥門的當前工作狀態(tài)指示燈的設計，為了節(jié)省 PLC 的輸出端口，在電路中可以采用 PLC 輸出端子的中間繼電器的相應常開觸點的斷開和閉合來控制相應電機和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當前系統(tǒng)電機和閥門的工作狀態(tài)

41、。6.2 循環(huán)泵控制系統(tǒng)循環(huán)泵控制系統(tǒng)有 4 臺循環(huán)泵，本系統(tǒng)配置兩臺變頻器，另外一臺作為備用。每臺循環(huán)泵均通過變頻器啟動，并根據負荷的變化切換到工頻運行，變頻器啟動下一臺循環(huán)泵，依次類推，最后其中一臺循環(huán)泵變頻運行，其他工作循環(huán)泵工頻運行，剩下循環(huán)泵處于停止狀態(tài)作為備用。系統(tǒng)的電氣控制圖如圖 10 所示。 1#循環(huán)水泵FR5PEQF7KM7變頻器KM8QF8QF9KM92#循環(huán)水泵PE3#循環(huán)水泵FR7PEQF10KM10變頻器KM11QF11QF12KM124#循環(huán)水泵FR8PEFR6圖 10 循環(huán)泵系統(tǒng)電氣控制圖6.3 鼓風機控制系統(tǒng)鼓風機控制系統(tǒng)包括 2 臺鼓風機，本文對每臺鼓風機配置

42、一個變頻控制柜，每臺電機配置一臺變頻器。其電氣控制原理相對簡單。 FR9KM13PEQF13變頻器FR10PEQF14KM14變頻器M1M2圖 11 鼓風機電氣圖7 PID控制原理7.1 PID 算法的實現在模擬量閉環(huán)過程控制領域內，擴展模擬量處理模塊，如EM231、EM232、EM235，根據 PLC 提供的 PID 編程功能模塊，只需設定好 PID 參數，運行 PID 控制指令，就能求得輸出控制值，實現模擬量閉環(huán)控制。(1)PID算法在模擬量的控制中，經常用到 PID 運算來執(zhí)行 PID 回路的功能，PID 回路指令使這一任務的編程和實現變得非常容易。如果一個PID 回路的輸出 M(t)是

43、時間的函數，則可以看作是比例項、積分項和微分項三部分之和。即： （3）dtdeKcMedteKctMt/)(00以上各量都是連續(xù)量，第一項為比例項，最后一項為微分項，中間兩項為積分項。其中 P 是給定值與被控制變量之差，即回路偏差。K 為回路的增益。用數字計算機處理這樣的控制算式，連續(xù)的算式必須周期采樣進行離散化，同時各信號也要離散化，公式如下（4）nnsindinMP =Kc (SP -PVn)+Kc T /T(SP -PVn)+MX+Kc T /T(SP -PVn)公式中包含9個用來控制和監(jiān)視PID運算的參數，在PID指令使用時構成回路表，回路表的格式見表3。表3 PID回路表參數偏移地址

44、數據格式I0類型中斷描述過程變量(PVn)0雙字，實數I過程變量，0.01.0設定值（SPn）4雙字，實數I給定值，0.01.0輸出值（Mn）8雙字，實數I0輸出值，0.01.0增益（Kc）12雙字，實數I比例常數，正、負采樣時間（Ts）16雙字，實數I單位為秒正數積分時間（Ti）20雙字，實數I單位為分鐘，正數微分時間（Td）24雙字，實數I單位為分鐘，正數積分項前值（Mx）28雙字，實數I0積分項前值，0.01.0過程變量前值PVn-132雙字，實數I0最近一次PID變量值(2)PID指令使能輸入有效時，該指令利用回路表中的輸入信息和組態(tài)信息，進行 PID 運算。梯形圖的指令盒中有 2 個

45、數據輸入端：TBL，回路表的起始地址，是由 VB 指定的字節(jié)型數據；指令 LOOP，回路號，是 07 的常數。指令格式：PID TBL， LOOP (3)PID回路號用戶程序中最多可有 8 條 PID 回路，不同的 PID 回路指令不能使用相同的回路號，否則會產生意外的后果。(4)數值轉換及標準化用可編程序控制器控制 PID 回路時，要把實際測量輸入量、設定值和回路表中的其他輸入參數進行標準化處理，即用程序轉化為PLC 能夠識別和處理的數據的標準，例如把從 AIW 采集來的 16 位整數轉化為 0.01.0 之間的標準化實數。標準化實數又分為雙極性(圍繞 0.5 上下變化)和單極性(以 0.0

46、 為起點在 0.0 和 1.0 之間的范圍內變化)兩種。程序執(zhí)行時把各個標準化實數量用離散化 PID 算式進行處理，產生一個標準化的實數運算結果，這一結果同樣也要用程序將其轉化為相應的 16 位整數，然后周期性將其傳送到指定的AQW，用以驅動模擬量的輸出負載，實現控制。轉換方法如下：應用實例中斷程序中的程序片斷。(5)選擇 PID 回路類型在大部分模擬量的控制中，使用的回路控制類型并不是比例、積分和微分三者俱全。例如只需要比例回路或只需要比例積分回路，通過對常量參數的設置，可以關閉不需要的控制類型。關閉積分回路：把積分時間 n 設置為無窮大，此時雖然由于有初值 MX 使積分項不為零，但積分作用

47、可以忽略。關閉微分回路：把微分時間 TD設置為 0，微分作用即可關閉。關閉比例回路：把比例增益 K 設置為 0，則可以只保留積分和微分項。（6）應用實例系統(tǒng)使用比例積分微分控制。PID 程序如圖 13 所示。設采用下列控制參數值：K 為 0.25，T 為 01 秒，T 為 30 分鐘。本供水系統(tǒng)的設定值是水箱滿水位的 75時的水位，過程變量是由漂浮在水面的水位測量儀給出。輸出值是進水泵的速度，可以從允許最大值的 0變到 100。設定值可以預先設定后直接輸入回路表中，過程變量是來自水位表的單極性模擬量，回路輸出值也是一個單極性模擬量，用來控制水泵速度。這個模擬量的范圍是 0.01.0，分辨率為

48、1/32000(標準化)。本文的特點是在系統(tǒng)中，水泵的機械慣性比較大，故系統(tǒng)僅采用比例和積分控制。其增益和時間常數可以通過工程計算初步確定。實際上還需要進一步調整，以達到最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動時，關閉出水口，用手動控制進水泵速度，使水位達到滿水位的 75，然后打開出水口，同時水泵控制由手動方式切換到自動方式。這種切換由一個輸入的開關量控制，具體描述如下：I0.0 位控制手動到自動方式的切換，0 代表手動，1 代表自動。圖13 PID程序當工作在手動方式下，可以把水泵的速度(0.01.0之間的實數)直接寫入回路表中的輸出寄存器(VD108)。應用PID指令控制系統(tǒng)時，要注意積分作用引起的超調問題

49、。為了避免這一現象，可以加一些保護。比如當過程變量達到甚至超過設定值時，可以限制輸出值在某一定范圍之內。本例中的程序僅有自動控制方式的設計。其中主程序OBI的功能是PLC首次運行時利用SM0.1調用初始化程序SBRO。子程序SBRO的功能是形成PID的回路表，建立100ms的定時中斷，并且開中斷。程序如圖13所示。中斷程序INT0的功能是輸入水箱的水面高度AIW0的值，并送人回路表。I0.1=1時進行PID“自動”控制，把PID運算的輸出值送到AQWO中，從而控制進水泵的速度，以保持水箱的水面高度。8 程序設計8.1 主程序設計主程序鍋爐起?？刂颇M量輸入循環(huán)泵控制補水泵控制鼓風機控制通信控制

50、圖 14 主程序結構8.2 子程序設計(1) 鍋爐啟/?？刂瞥绦蛲瓿慑仩t中鼓風機、引風機和爐排電機的啟/?？刂坪瓦h程/就地控制的切換。每臺鍋爐的控制程序都相同，下面鍋爐電機啟/?？刂瞥绦蛱菪螆D，其它鍋爐程序相似，此處不再重復。圖 15 鍋爐啟動前狀態(tài)檢測鍋爐起停控制程序的功能是鍋爐檢測，沒有異常狀態(tài)，輸出鍋爐允許啟動信號。這個條件無論是自動控制還是手動控制都需要給到鍋爐燃燒機才能啟動鍋爐。(2) 鍋爐啟動的程序：圖 16 啟動程序鍋爐啟動過程是這樣的：首先、判斷是自動啟動還是手動啟動；第二、判斷是否有啟動信號，是何種啟動信號（自動啟動/手動啟動）；第三、判斷鍋爐閥是否打開，也就是說鍋爐本體是否

51、能夠形成水循環(huán)。這樣做的目的是處于安全的考慮，如果鍋爐本體水流不能循環(huán)會發(fā)生危險。鍋爐閥沒有打開，那么如圖 16 所示的鍋爐啟動前提條件必不滿足，鍋爐允許啟動信號不滿足導致鍋爐不能啟動。待鍋爐碟閥打開后啟動條件滿足，啟動程序輸出啟動信號；需要注意的一點是自動啟動和手動啟動信號的互鎖，即選擇自動控制時復位手動啟動信號，選擇手動控制時，復位自動啟動信號。第四、鍋爐啟動信號輸出。(3) 鍋爐停止的程序鍋爐停止是相對于鍋爐啟動的一個逆向過程。看到網絡 5 中代碼的作用是復位計時器和 PLC 的繼電器輸出。(4) 鍋爐的閥門控制模擬量控制的閥門一般是用 420 毫安電流信號控制閥門開度，對應的閥門開度從

52、 0%-100%，對應 PLC 內存的數據大小從640032000。換句話說，我們輸出一個大小在 6400 與 32000 之間的整數，即可傳送到閥門一個開度在 0 到 100 之間的給定值。根據這個原理，我們設計代碼如下：圖 17 停止程序Network 1 / 三通閥閥門設置 LD SM0.0MOVW VW900, VW3600 /將數據傳如轉換數據區(qū)，VW900 是 0100 的整數。AENO*I +256, VW3600 /數據乘以 256AENOMOVW VW3600, VW3602AENO+I +6400, VW3602 /數據6400AENOMOVW VW3602, AQW0 /

53、輸出給定值 (5) 鍋爐水泵的控制水泵分為工頻控制和變頻控制工頻控制就是啟動和停止 2 個控制點，相對變頻控制操作簡單。變頻控制需要給定變頻器一個頻率給定值，一種方式是通信傳輸，另一種方式給定模擬量值。我們這里只介紹給定模擬量的控制方式。Network 1 / 變頻器給定 LD SM0.0MOVW VW940, VW3600 /VW940 為頻率給定值輸入，范圍 050HZAENO*I +256, VW3600 /數據乘以 256AENOMOVW VW3600, VW3602AENO+I +6400, VW3602 /數據6400AENOMOVW VW3602, AQW2 /輸出給定值(6)

54、循環(huán)泵控制循環(huán)泵控制程序主要實現循環(huán)泵系統(tǒng)中水泵電機的啟/?？刂?、變頻器頻率設定、出水壓力 PID 控制等。系統(tǒng)根據出水壓力的設定值初步確定啟動幾臺循環(huán)泵，每臺泵都通過變頻啟動，切換到工頻運行，最后其中一臺泵進入變頻運行，其它泵工頻運行。然后通過壓力 PID 控制調節(jié)變頻器頻率，以穩(wěn)定出水壓力。循環(huán)泵控制程序的設計流程圖如圖 18 所示。開始啟動循環(huán)泵啟動 1#變頻器啟動 1#變頻器壓力不足否切換到工頻運行啟動另一臺泵壓力過大停止一臺泵另一臺切換到變頻運行壓力控制 PID確定變頻器頻率結束啟動 2#變頻器頻器是4否啟動水泵是否是否圖 18 循環(huán)泵控制流程圖(7) 補水泵控制補水泵控制程序主要實

55、現補水泵系統(tǒng)中水泵電機的啟/?？刂?、變頻器頻率設定、補水壓力 PID 控制等。補水泵系統(tǒng)用 1#變頻器拖動 1#補水泵，2#變頻器拖動 3#補水泵。運行時，系統(tǒng)根據回水壓力的設定值初步確定啟動幾臺補水泵，若兩臺泵或者只用一臺即可滿足回水壓力，則只啟動 1#泵系統(tǒng)或 3-4#泵系統(tǒng)(包括 2#變頻器)，若需要兩臺以上泵才能達到回水壓力的設定值，則先用 1#變頻器(或2#變頻器)啟動 1-2#泵(或 3-4#泵)，切換到工頻運行，然后再用 2#變頻器(或 1#變頻器)拖動 3-4#泵(或 1-2#泵)，進入變頻器運行。最后通過壓力 PID 控制調節(jié)變頻器頻率，穩(wěn)定回水壓力。補水泵控制程序的設計流程

56、圖如圖 19 所示。(8) PLC 模擬量模塊轉換程序程序代碼/ 采樣 ：這段代碼主要作用是把 16 位（一個字）的數據轉換為實數類型的數據，并且啟動計數器和累加器LD SM0.0ITD LW0, LD26 /16 整數轉換為 32位整數DTR LD26, LD30 /32 位整數轉換為實數+R LD30, LD12 /啟動累加器INCW LW16 /啟動計數器Network 2 / 濾波與轉換：這段代碼通過一系列運算進行數據濾波，并且將數值轉換為可讀性很好/ 同時累加器與計數器歸零便于下一次采集使用。LDW= LW16, LW6 /比較當前采樣次數是否等于預制采樣次數ITD LW6, LD42DTR LD42, LD46 /將采樣次數有 16位整數轉換位 32 位實數MOVR LD12, LD18/R LD46, LD18 /求出采樣平均值MOVR 0.0, LD12 /清空累加器MOVW +0,