PLC控制锅炉恒压供水系统设计.docx

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PLC控制锅炉恒压供水系统设计

PLC控制锅炉恒压供水系统设计

摘要

随着时代的发展，可编程控制器PLC是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机，其出现后就受到普遍重视，发展也十分迅速，在工业自动控制系统中占有及其重要的地位。

本文介绍了基于PLC的变频恒压锅炉供水系统的构成和工作原理，论述了采用多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，给出了实现有效状态控制的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。

论文详细说明了可编程逻辑控制器PLC在锅炉自动供水过程中的应用，PLC实时控制，PLC恒压供水控制可行性的设计，将会更有助于人们的学习和生活。

关键词：

PLC，恒压供水，变频器

、

PLCCONTROLSYSTEMDESIGNOF

CONSTANTPRESSUREWATERSUPPLYBOILER

ABSTRACT

Withthedevelopmentofthetimes,PLCprogrammablelogiccontrollerisdesignedforapplicationsinindustrialenvironmentsdesignedindustrialcomputer,aftertheemergenceofuniversalimportance,veryrapiddevelopmentofindustrialautomationsystemsandplayanimportantstatus.

ThispaperintroducesthePLCbasedonthefrequencyoftheconstantpressureoftheboilerwatersupplysystemstructureandworkingprinciple,ontheparallelmulti-pumpwatersupplyprogramisreasonable,analysisofanumberofwaysavarietyofwaterpumpthestatewatersupplyandconversionconditions,tooutofstatetoachieveeffectivecontroloftheelectricaldesignandPLCcontrolprogramdesign.PaperdetailsthePLCprogrammablelogiccontrollerautomaticwatersupplyintheboilerintheprocessofapplication,PLCreal-timecontrol,PLCcontrolconstantpressurewatersupplyfeasibilityofthedesign,willbemoreconducivetopeople'slearningandliving.

KEYWORDS:

PLC,ConstantPressureofWaterSupply,Inverter

第一章绪论1

1.1选题背景1

1.2目的及意义1

1.3自控系统方案论证2

第二章PLC的概述4

2.1PLC的产生4

2.2PLC的特点及应用4

2.3PLC的发展趋势6

第三章系统的理论分析及方案的确定8

3.1变频恒压供水系统理论分析8

3.1.1变频恒压供水系统节能原理8

3.1.2变频恒压控制的理论模型10

3.2变频恒压供水系统控制方案的确定11

3.2.1供水系统的控制流程11

3.2.2系统控制流程说明15

3.2.3供水系统中水泵切换条件分析16

第四章系统硬件设计19

4.1PLC的选型19

4.2S7-200CPU224PLC特点19

4.3I/O分量19

4.4变频器的技术参数20

第五章恒压供水系统设计21

5.1系统分析21

5.2系统控制的工艺要求21

5.3电器控制系统原理图21

5.4系统程序设计23

结论28

谢辞29

参考文献30

PLC控制锅炉恒压供水系统设计

第一章绪论

1.1选题背景

随着国民经济的发展，社会对电能的需要正在不断地增大。

生产的发展和人民生活水平的提高使得用电结构发生了很大的变化，工业用电比例逐年下降，市政用电比例逐年上升，电网日负荷曲线峰谷差日趋增大。

很多电站锅炉由于用电和用汽的随时变化而要进行调峰，所以低负荷运行时即使炉内稳燃问题能够得到解决，锅炉水循环方面仍可能出现停滞、倒流、自由水位和传热恶化等问题，引起水冷壁爆管事故的发生，对大机组电站锅炉的安全运行构成很大威胁。

另外，在锅炉运行时，锅炉火焰中心偏斜、结渣、低负荷运行，只投入部分燃烧器或单侧送引风机运行等都会增大水冷壁之间的热偏差。

汽包水位低到下降管不能正常降水或汽包压力变化太快（气压上升时上升管产汽量减少或气压下降时下降管中的水汽化）都会造成水循环失常，威胁锅炉的安全运行。

随着科学技术的发展，机组的定期维修必将被状态维修所代替，而状态维修的关键是要了解机组的实时运行参数，以便为状态维修提供可靠的数据并保障锅炉的安全运行。

锅炉水循环的好坏直接关系到锅炉运行的安全性和可靠性。

随着电子计算机技术、信号采集技术和数据处理技术的迅猛发展，锅炉水循环运行状态在线监测与报警系统的研制与开发成为可以实现的技术。

因此，加强锅炉水循环的实时监测，可以及时对影响水循环的重要参量进行分析，对有关性能指标进行评估，对水循环故障进行预测预报、分析原因，并对现有锅炉进行有效的改造，提高锅炉运行的可靠性，这对大型发电机组和供热机组具有十分重要的意义。

目前，大机组的锅炉正在大量广泛的被社会所应用，而外在水资源也进一步被集中控制，这样，锅炉的供水就完全由水源的控制方决定，因此，供水控制系统的控制精度是否准确、控制逻辑是否正确和保护功能是否可靠，将直接影响整个锅炉机组系统的安全和经济运行。

1.2目的及意义

自动供水系统是锅炉系统中的一个极为重要的组成部分，它通过各类仪表和检测仪器，实现把外在水源连续、均匀地供给锅炉，然后供给锅炉各系统正常工作，控制锅炉压力，保证锅炉生产能力及其安全，是锅炉系统的重要辅助设备。

保障锅炉工作的可靠性就是最大的经济性。

以电厂30万千瓦机组的发电锅炉为例，如果发生事故停炉一天，就少发电720万千瓦时。

它的损失不仅是少发电，还直接影响工农业生产，如果将后续损失也考虑进去，则30万千瓦机组锅炉停炉一天所造成的总损失将超过3000万元，换句话说，停炉几天所造成的损失就相当于建设电站的总投资。

再者，现代大容量锅炉启停一次所多消耗的费用也是一个相当可观的数字。

1.3自控系统方案论证

20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统。

由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位。

但是继电接触器控制系统有明显的缺点:

设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难于实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象需要改变时，原有的接线和控制盘（柜）就要更换，所以通用性和灵活性较差。

到20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格高，输入、输出电路不匹配和编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。

目前，大部分锅炉的控制系统采用基于单片机的控制器控制，取得了较好的控制效果。

但是，采用单片机控制系统，软件编程复杂，对操作人员要求较高，积木式搭建的硬件可靠性较低，而且价格较贵。

PLC是一种专门用于工业环境过程控制的数字运算操作的电子系统，是集自动控制、计算机网络、通信等功能于一体的自动化装置，可靠性高、抗干扰能力强、功能完善，具有编程简单、体积小、重量轻等特点。

同时，利用变频器的各种功能，方便实现了设备的复杂运行方式，辅之以PLC的控制，使控制回路简单化，可以提高设备运行的安全性和可靠性，延长维修周期。

对于节约能源和提高经济效益及保证安全方面有重大意义。

本设计采用PLC控制系统，不仅简单方便而且可靠性大大提高。

第二章PLC的概述

2.1PLC的产生

20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统。

由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位。

但是继电接触器控制系统有明显的缺点:

设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难于实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象需要改变时，原有的接线和控制盘（柜）就要更换，所以通用性和灵活性较差。

进人20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用等方面都有了新的突破。

不仅控制功能增强，功耗、体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且远程I/O和通信网络、数据处理以及图像显示也有了长足的发展，所有这些已经使PLC:

应用于连续生产的过程控制系统，使之成为今天自动化技术的三大支柱之一。

2.2PLC的特点及应用

可编程序控制器（programlogiealeontroller），简称pLc，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。

由于PLC采用了“三机一体化”的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗千扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求;再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱。

目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。

早期的可编程序控制器（ProgrammableLogicController，pLC），主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器。

早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。

70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。

在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程1/0模块和各种特殊功能模块。

在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。

而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了PLC软、硬件功能。

在发达工业国家，PLC己经广泛的应用在所有的工业部门。

据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元，随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点：

1）可靠性高。

PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。

2）具有丰富的1/0接口模块。

PLC针对不同的工业现场信号，有相应的1/0模块与工业现场的器件或设备直接连接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块：

为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。

3）采用模块化结构。

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括CPU、电源、1/0等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

4）编程简单易学。

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

5）安装简单，维修方便。

PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

由于PLC强大功能和优点，使得其在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。

PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系基于PLC的变频恒压供水系统的设计统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。

其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等可编程控制器PC或PLC是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。

它的软、硬件配置与计算机极为类似，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。

PLC机硬件主要由中央处理单元（CPU）、存贮器、输入/输出单元以及编程器、电源和智能输入/输出单元等构成。

2.3PLC的发展趋势

随着计算机技术的发展和市场需求量的增加，PLC的结构和功能有了不断改进，生产厂家不断推出功能更强的新产品。

目前，PLC的发展主要有两个趋势：

其一是向体积小、速度快、功能强、价格低的微小型方向发展；其二是向大型网络化、高可靠性、兼容性、多功能方向发展。

（一）大型网络化

网络化和加强通信能力是PLC的一个重要发展趋势。

PLC构成的网络将有多个PLC、多个I/O模块相连，并可与IPC（工业计算机）、EPC（嵌入式计算机）、以太网等相连构成整个工厂的自动控制系统。

现场总线技术（如PROFIBUS）在工业控制中将会得到越来越广泛地应用。

（二）高可靠性

一些特定的环境和条件要求自动化系统要有很高的可靠性，因而自诊断技术、冗余技术、容错技术在PLC中都己得到厂泛的应用。

（三）多功能

为了适应各种特殊功能的需要，各个公司陆续推出了多种智能模块。

智能模块是以微处理器为基础的功能部件。

它的CPU与PLC的CPU并行工作，占用主机的CPU时间很少，有利于提高PLC扫描速度和完成特殊的控制要求。

（四）编程语言向高层次发展

PLC编程语言在原有梯形图语言、顺序功能图语言和指令表语言的基础上，不断丰富和向高层次发展。

如SIEMENS公司的SIMATICS7可以使用C、C++等高级语言进行编程。

（五）良好的兼容性

PLC产品的优劣除了要看它内在技术优劣外，还需考察它满足国际标准化的程度和水平。

标准化一方面保证了产品出厂质量，另一方面也保证了各厂家产品的相互兼容性。

第三章系统的理论分析及方案的确定

3.1变频恒压供水系统理论分析

3.1.1变频恒压供水系统节能原理

供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程与流量之间的关系曲线，如图3-1所示。

由图可以看出，流量越大，扬程越小。

由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程与用水流量间的关系。

而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程与流量之间的关系。

管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。

由图3-1可知，在同一阀门开度下，扬程越大，流量也越大。

由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。

因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量之间的关系。

扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图中A点。

在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。

图3-1供水系统的基本特征

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。

通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。

因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。

异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。

异步电机的转差率定义为：

（3-1）

异步电机的同步速度为：

（3-2）

异步电机的转速为：

（3-3）

其中：

为异步电机的理想空载转速；n为异步电机转子转速；

异步电机的定子电源频率;p为异步电机的极对数。

从上式可知，当极对数p不变时，电机转子转速n与定子电源频率

成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。

变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。

因此，变频调速是交流异步电机中一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。

在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。

阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。

其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。

由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。

转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持

图3-2管网及水泵的运行特性曲线

不变，是通过改变水的动能改变流量。

因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。

变频调速供水方式属于转速控制。

其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。

当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E点，流量为

，扬程为

，当供水量从

减小到

时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从

移到

，扬程特性曲线不变。

而扬程则从

上升到

，运行工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为

围成矩形部分，其值为

（3-4）

当用调速控制时，若采用恒压

，变速泵

供水，管阻特性曲线为

，扬程特性变为曲线

，工作点从E点移到D点。

此时水泵输出功率用图形表示为

围成的矩形面积，其值为

（3-5）

可见，改用调速控制，节能量为

，围成的矩形面积，其值为

（3-6）

所以，改用调速控制流量时，有

功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之

上移，于是

增大，而被浪费的功率要随之增加。

根据水泵变速运行的相似定律，

变速前后流量Q、扬程H、功率P与转速N之间关系为

（3-7）

式中

、

、

为变速前的流量、扬程、功率，

、

、

为变速后的流量、扬程、功率。

由公式（3-7）可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。

3.1.2变频恒压控制的理论模型

变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。

设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。

所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上从图中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。

该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。

如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减小。

同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。

图3-3变频恒压控制原理图

3.2变频恒压供水系统控制方案的确定

3.2.1供水系统的控制流程

从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。

系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据

进行传输。

根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下几种方案可

供选择：

方案一：

有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器

这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。

它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。

其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。

方案二：

通用变频器+单片机（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器

这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以

必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。

该系统适用于某一特定领域的

小容量的变频恒压供水中。

方案三：

通用变频器+PLC（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器

这种控制方式灵活方便。

具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换;通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。

在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/0的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。

同时由于PLC的抗千扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。

因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，