PLC控制的变频调速系统在锅炉循环补水系统上的应用补水系统采用变频器内置.docx
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PLC控制的变频调速系统在锅炉循环补水系统上的应用补水系统采用变频器内置
PLC控制的变频调速系统在
锅炉循环、补水系统上的应用
－补水系统采用变频器内置
摘要
针对目前暖气锅炉循环、补水系统中存在着能耗大、稳定性不高、操作劳动强度大的问题，为了实现较高的控制性能指标，本文对系统采用了PLC控制的变频调速控制方式。
所谓好的控制性能指标，一方面是将锅炉产生的热量及时传送出去，另一方面是保证管道压力恒定。
因此本文分别运用了PLC内部的PID和变频器内部的PID对锅炉产生的热量和管道内部压力进行控制。
锅炉出入口的温度差和循环泵出入口的压力平均值可以相对较准确的表征锅炉产生的热量和管道内部压力。
系统实时采集温度和压力信号，作为PID的反馈，给定由系统程序或外部电位器给出，进行PID运算后，结果分别用来控制循环部分和补水部分的变频器。
当系统出现管道压力过大，变频器工作异常等故障时，还可以进行报警操作。
关键字:
S7-200变频器PID锅炉节能
Abstract
Therearelotsofdisadvantageinthecurrentheatingboilercyclesystem,suchaslargeenergyconsumption,lowstability,labour-intensiveoperationandsoon.Inordertoachievehighperformancecontrol.ThepaperusethewayoffrequencycontrolledbyPLCtosystem.
Whatisthehighperformancecontrol.ontheonehand,weshouldtransporttheenergyouttimely,ontheotherhand,weshouldensurethepressureofthegasataconstantlevel.soweusethePIDofthePLCandthePIDofthefrequencyconverterseperatelytocontroltheenergyandthepressureofthegas.thetemperaturemarginbetweeninputandoutputoftheboilerandtheaveragevalueofpressurebetweeninputandoutputoftheCirculatingpump,canstandfortheenergyoftheboilerandthepressureofthegasaccurately.thesystemacquisesthetemperatureandthepressuretimely,whichisusedbyPIDasfeedback.Atthesametime,thegivenwassetbyprocedureoroutpotentiometers.AftertheoperationalofPID,theresultwasusedtocontrolthefrequencyconverter.
Whenthepressureinthepipelineistoolarge,orthefrequencyconverterrununusual,thesystemcanalsoproducepoliceoperation.
Keyword:
S7-200ConverterPIDBoilerenergysaving
第一章引言
一.1暖气锅炉循环补水系统设计背景
在传统锅炉的供暖循环和补水系统中，一般采用独立的电机对锅炉的循环及补水部分进行手动控制，对于循环泵和补水泵电机，只是利用自耦降压的方式对其启动和停止进行控制，而不是让电机实时的根据系统的需要进行动态调节，由于只是对电机开关进行简单的开或关动作，并且锅炉内部产生的热量也是在时刻变化，这样，当锅炉内部产生热量多的时候也因为循环泵的问题不能有效地传递出去，造成了很大的资源浪费，同时，由于没有对管道内部的压力进行控制，使管道的压力产生震荡，对设备在一定程度上造成了很大的损坏。
另一方面，由于电机的频繁启、停，很容易造成系统的震荡，使循环和补水部分不能很好的跟随系统的要求，造成系统的稳定性不理想。
此外，由于锅炉的循环电机和补水电机都是人为的对其进行控制，并且还要对循环、补水部分的参数进行实时的监控，需要耗费很大的人力。
与暖气循环系统相类似的现代恒压供水系统一般都是采用PLC控制的变频调速，受到了良好的控制效果。
PLC控制作为一种现代工业新型控制系统，其有PLC控制有很多优点，
1．可靠性高，抗干扰能力强
2．配套齐全，功能完善，适用性强
3．易学易用，深受工程技术人员欢迎
4．系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造
另外，变频调速已被公认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一，采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。
用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。
1．变频调速的节能
2．变频调速在电动机运行方面的优势
3．能有效的提高工艺水平
综上所述，现代锅炉的供暖存在着能耗大、稳定性不高、操作劳动强度大的问题,造成了极大的资源浪费.针对这一系列问题,采用PLC控制的变频调速系统对其进行改造,对循环泵、补水泵进行自动控制,稳定性将会得到很大提高,节能效果显著;并且循环泵电机实现软启动,补水泵电机实现软启、软停,减少了对电器和机械的冲击,延长了其使用寿命,有效地减少了维护量。
一.2系统的工艺流程及其控制要求
一.2.1系统的工艺流程
暖气系统，顾名思义，就是用来供暖的设备系统。
现在暖气系统一般采用水循环的方式，将一定温度的水通过管道进行循环，在锅炉和用户之间形成回路，一般暖气循环系统包括加热锅炉，循环电机，补水电机，补水蓄水池，循环管道等组成，水经锅炉加热后经管道流动到用户，然后循环流动到锅炉进行再加热，如此循环，此过程中循环需要的管道压力由循环电机提供。
同时，在循环过程中，由于水的汽化，管道渗漏，或者用户的不合理使用等造成循环系统总水量发生变化，需要及时的对系统进行补水。
系统的工艺流程如系统的总体示意图如图1.1
图1.1系统总体示意图
一.2.2系统的控制要求
系统主要是对锅炉的出回水温度的差值，循环管道内部压力同时进行动态、自动控制，系统利用PLC对锅炉出水温度，锅炉回水温度，循环泵回水压力，循环泵出水压力进行检测，其中温度控制部分用PLC内部的PID进行控制，压力控制部分用变频器内部的PID进行控制，
完成对锅炉的出水温度和回水温度一定差值的控制，系统主要是利用PLC控制的变频调速控制三台循环泵完成的，循环系统投入的功率多少能随锅炉产生的热量多少进行动态闭环调节，补水泵根据实时采集的锅炉压力，进行变频运转，保持锅炉内部压力的恒定，防止长时间的缺水，超压运行，长时间缺水使部分管网，锅炉发生严重汽化，尽而影响供热效果，甚至发生事故;长时间超压补水会使系统承受过高压力值,容易破裂发生漏水现象。
由于循环部分有三台电机组成，并且系统要求的运行台数一直随用户的需求动态变化，所以，我们循环泵要采用大循环控制思想，即1#、2#、3#依次启动，切除的时候先停止最先启动的，如此进行。
补水部分，因为功率要求相对较小，补水泵变频器可能一直在变频运行，但是补水又是必不可少的很重要的一部分，因此我们要用两台补水电机相互备用。
确保系统的可靠运行。
综上，系统采用的控制框图如下（图1.2）
图1.2系统控制框图
所以循环部分目的是将锅炉内部的热量及时有效的传递出去，而补水部分目的是实现管道压力恒定，确保系统循环安全。
因此设计系统需要对锅炉内部温度进行控制，使暖气用水锅炉循环泵的功率投入和锅炉产生的热量成正比，同时，补水泵根据管道的压力对系统进行补水操作，目的保证系统水循环的压力恒定。
一.3系统设计目标及技术要求
一.3.1系统的设计目标
原循环系统有3台75kW循环泵，只能分过自耦变压器投入工频运行，即只能进行台数控制；并且现场的操作人员往往对循环系统的理解有一定误区，甚至在每个采暖期的10月下旬和来年的4月上旬的白天压火停炉期间仍投入1台或数台循环泵工频运行，造成巨大的电能浪费.循环系统的作用就是将锅炉燃烧系统产生的热量传递出去，锅炉若不产生热量也就没有循环的必要。
因此系统使循环系统的功率投入多少能随锅炉产生的热量多少进行动态闭环调节，必将有良好的节能效果。
补水部分应该能动态及时的对系统管道的压力进行监控并且实时补给或报警，保证系统的可靠安全运行。
一.3.2系统的技术要求
1.锅炉内部热量的传输问题,系统应该采用闭环控制的思想对锅炉内部的出回水温差进行有效的采集，并进行控制，保证循环泵运行的台数及功率能动态的跟随锅炉产生的热量，即当锅炉产生的热量增加，应该加大循环泵的功率，如果还不能满足要求，就要再加入一台循环泵，如此进行。
2.管道循环内部的压力问题，系统应该能在合适的位置对管道的压力进行采集，当管道内部的压力过小时应该对系统进行补水操作，以增加系统内部的压力，反之，当系统内部的压力过大时，就应该根据情况对系统进行报警处理，防止压力过大对系统造成的冲击。
3.对于系统对温度和压力的给定，关于消除系统运行中误差的问题，我们对锅炉内部产生的热量和管道内部的压力都要对其进行恒值控制，所以系统要对温度和管道压力的控制都要采用闭环的PID控制，消除运行过程的中的静态误差。
一.4技术综述
对于温度和管道内部压力两个变量的控制，是采用闭环的控制思想，因此，有效反馈信号的采集尤为重要，对于加热中的锅炉，由于水是在一直循环，因此锅炉出口和入口都不能真实的反映锅炉内部的温度，而对出入口温度取差值，则可以很好的反映锅炉内部的热量情况。
如果温差越大，则表明锅炉内部的热量越多，相反，如果温差越小，则说明锅炉内部的热量较少。
同样，对与管道内部的压力，准确的反馈压力信号是系统稳定可靠工作的基础，因此选择压力采集点也变得非常重要。
首先，由于循环泵的转速及台数投入在动态变化中，再加上循环泵入口处的吸力作用，使循环泵入口处压力（回水压力）不能代表系统压力。
而循环泵出口和入口压力求和（平均值）则相比之下更接近系统压力或与系统保持固定偏差，所以为提高补水系统的控制精度和运行的稳定性，将循环泵出入口压力求和作为闭环补水系统的反馈值，具体的做法是将出入口压力信号串联相加后作为反馈信号。
传统的变频调速供水设备,往往采用带有模拟量的可编程控制器或PID调节器,PID算法编程难度大,设备成本高,调试困难。
随着电力电子技术的发展,采用带有内置PID功能的变频器也能产生较好的控制性能,降低了设备成本,提高了生产效率,易于安装调试。
因此我们可以对两个变量的控制分别采用PLC内部的PID和变频器内部的PID进行控制。
本系统的主要技术是利用PLC控制的变频调速系统实现锅炉出入口温度差保持恒定，由于出入口温度主要是受锅炉产生热量多少的影响，因而采用PLC内部的PID进行运算可满足系统较高的要求，而保持锅炉内部压力的变化是受用户管道，及水气化等因素的影响，因此保持内部压力恒定又要根据消耗水量的变化动态调节，且水的消耗属于不确定因素，因此实现恒压供水要提高精度，就需要实时有效的采集数据，利用变频器内部的PID进行运算，可实现尽可能的最优化控制。
因此，系统对锅炉出入口温度差值的控制采用PLC内部的PID，对于保持锅炉内部压力恒定的控制采用变频器内部的PID。
一.5本章小节
针对现代暖气循环、补水存在资源浪费、劳动强度大等一系列的问题，采用PLC控制的变频调速能很好的解决这些问题。
系统主要是对锅炉出入口温度差值和锅炉内部的压力进行自动控制，为了实现良好的控制性能，均采用PID闭环控制，其中温度采用PLC内部的PID，而压力采用变频器内部的PID。
对所需要控制的模拟量信号的准确采集是非常重要的，因此本文对锅炉产生热量传递的情况近似采取了控制锅炉出入口温差来实现的方法。
而对于管道内部压力的问题，本文采取了用控制循环泵出入口压力平均值的方式，经实验验证，受到了良好的控制效果。
第二章系统方案设计
二.1系统设计的技术路线
恒压供水保证了供水的质量,PLC能控制大量的过程参数,例如:
温度、压力、流量、液位和速度等,PID使PLC具有闭环控制的功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于控制过程。
当过程控制中某个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。
以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能,提高了系统的可靠性。
在有模拟量的控制系统中,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。
对于PLC内部的PID运算，其输出作为控制循环泵变频器的信号，因此变频器应该采用模拟量控制模式。
而对于补水部分，则直接利用内部的PID进行控制即可实现较好的控制要求。
二.1.1PLC变频控制的基本原理
循环系统部分，锅炉出水温度和回水温度的差称为锅炉温差，温差升高，表明锅炉产生的热量增多，需要循环泵将热量及时送给供暖负荷；反之，锅炉温差降低，表明锅炉燃烧系统产生的热量减少，循环泵的出力也应随之减小，以避免能源浪费。
基于以上思想，对3台循环泵通过PID调节完成恒温差的闭环控制。
以锅炉的实际温差作为PID的反馈，以目标温差作为PID的给定，PID的输出作为变频泵的频率运行信号。
循环泵的转速及运行台数随锅炉燃烧系统产生的温差而动态闭环调节。
在锅炉燃烧的初始阶段因出回水温差为0，即给定值大于反馈值，循环泵不运行，随着锅炉产生热量的增加，出回水温差增加，当其超过给定温差值时，第1台循环泵开始变频运行。
为平衡3台循环泵的出力情况，3台循环泵的逻辑控制采用大循环的控制思想。
当实际温差超过给定温差时泵的投入顺序为1→2→3→1…，当实际温差小于给定温差时，泵的切除顺序相反，即达到先起先停的循环工作方式。
2补水系统部分，选择1台泵进行调速，另1台备用，PLC控制变频调速泵的选择。
利用变频器内部的PID模块，根据回水压力的反馈值和给定值，经PID运算后直接对变频调速泵进行控制。
二.1.2PLC变频控制的PID参数整定
在工业控制中，PID控制（比例-积分-微分控制）得到了广泛的应用，这是因为PID控制具有以下优点：
1.要知道被控对象的数学模型。
实际上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。
据日本统计，目前PID及变型PID约占总控制回路数的90%左右。
2.D控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。
3.强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种PID控制的变种和改进的控制方式，如PI、PD、带死区的PID、积分分离式PID、变速积分PID等。
随着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。
如图2.1所示为采用PLC对模拟量实行PID控制的系统结构框图。
用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法：
图2.1 用PLC实现模拟量PID控制的系统结构框图
1.PID过程控制模块。
这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。
但是这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。
如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模块。
2.PID功能指令。
现在很多中小型PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令。
它们实际上是用于PID控制的子程序，与A/D、D/A模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，价格却便宜得多。
3.用自编程序实现PID闭环控制。
有的PLC没有有PID过程控制模块和PID控制指令，有时虽然有PID控制指令，但用户希望采用变型PID控制算法。
在这些情况下，都需要由用户自己编制PID控制程序。
系统选用的是PID功能模块。
如此系统即可实现较理想的控制性能。
PID控制器有4个主要的参数Kp、TI、TD和TS需整定，无论哪一个参数选择得不合适都会影响控制效果。
在整定参数时应把握住PID参数与系统动态、静态性能之间的关系。
在P（比例）、I（积分）、D（微分）这三种控制作用中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时的特点。
比例系数Kp越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数系统，Kp过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。
积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化。
因此，积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度，但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响。
积分时间常数TI增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是消除稳态误差的速度减慢。
微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。
微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有超前和预测的特点。
微分时间常数TD增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。
选取采样周期TS时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。
为使采样值能及时反映模拟量的变化，TS越小越好。
但是TS太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不宜将TS取得过小。
PID控制算法关键的参数Kc（Gain，增益），Ti（积分时间常数），Td（微分时间常数），Ts（采样时间）,在S7-200中PID功能是通过PID指令功能块实现。
通过定时（按照采样时间）执行PID功能块，按照PID运算规律，根据当时的给定、反馈、比例－积分－微分数据，计算出控制量。
也就说这些参数是通过PLC的功能块实现的。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。
对于温度系统：
P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3
对于流量系统：
P（%）40--100，I（分）0.1--1
对于压力系统：
P（%）30--70，I（分）0.4--3
对于液位系统：
P（%）20--80，I（分）1--5
因此系统的数学模型可描述如图所示（图2.2）
图2.2系统的数学模型
二.2采样信号和控制量分析
基于以上论述，系统需要对循环泵出水压力和入水压力之和、锅炉出水温度和回水温度三路模拟信号进行采集，分别作为两个PID运算的反馈信号。
同时，对于系统的三台循环泵和两台补水泵，应该接有对应的手动控制开关，用来对对应电机的选择或切除。
对于循环泵和补水泵的控制需要交流型接触器，且循环泵每台电机都需要接变频和工频，所以对应三台循环泵接触器开关为KM1,KM2,KM3,KM4,KM5,KM6。
对应循环泵的变频部分，由于变频器内部有保护装置，但是当接入工频时还需要对电机进行过载保护，因此还需要加热继开关FR1,FR2,FR3。
对于补水部分，只需把其接入变频，即KM8,KM9。
另外，由于原系统具有手动功能，所以还需要对系统进行手动和自动部分隔离，所以还需要选择继电器KA0,KA1和手动开关SA。
当然，对于PLC和两台变频器要分别接电源刀闸总开关QS1,QS2,QS3。
PLC和变频之间还要有故障输入信号，复位信号，电源信号，运行信号等需要通讯。
系统的输出主要包括两部分，一部分是接触器线圈的驱动，一部分是故障报警电路，其中接触器部包括KM1-KM8的驱动，报警部分主要包括，故障报警铃，循环泵变频器故障，循环泵接触器故障，补水泵变频器故障，补水泵接触器故障，所以，系统的变量，输入，输出分别如上，系统需要采集的量列表如2.1所示
表2.1系统需要采集量列表
序号
采样信号名称
性质（开关、模拟）
传感器
占用硬件资源
说明
1
出水温度
模拟
温度传感器
AIW0
锅炉出水温度
2
回水温度
模拟
温度传感器
AIW2
锅炉回水温度
3
循环泵出水压力和回水压力和
模拟
压力传感器
变频器模拟输入
变频器PID反馈
二.3系统组成
当系统运行时，按下1，2，3号循环泵选择开关和1，2号补水泵选择开关，系统开始运行，温度传感器采集到信号，作为循环泵内部PID的反馈信号，同时，系统内部程序给出循环泵控制部分的给定，在PLC内部进行PID运算，然后系统将结果输出到PLC模拟扩展EM235的输出端口，信号－10V～＋10V电压信号，信号然后接到循环泵变频器的3和4端口，作为变频器模拟量控制的输入，系统启动后,当温度反馈大于温度给定时，1#循环泵变频调速运行，PLC对出、回水温度差进行PID运算，将输出，并且该台变频器在最高运行频率下运行，PLC准备发出换泵指令，该状态由PLC定时，维持一段时间后，系统开始换泵操作。
PLC对变频器发出快速停车信号，断开KM1接触器，经过短暂延时后闭合KM2接触器，使1#循环泵投入工频运行；然后再闭合KM3接触器，撤除快速停车信号，再向变频器发出运行指令，使2#泵变频调速运行；根据需要,还可以对2#泵和3#泵进行以上操作，直到满足温差动态恒定。
当需要切除泵时，采用先运行先停止的原则，即先切除1#泵，2#泵和3#泵继续分别以工频和变频运行，如果需要再增加泵，就将3#泵投入工频运行，1#泵变频运行，以此类推。
未选的泵在循环顺序中可以自动跳过，顺沿循环。
在3台循环泵投入或切除的
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