李雪梅 白城師范學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

燃煤鍋爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李雪梅 白城師范學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

目前我國(guó)民用鍋爐供暖大多數(shù)憑借工作人員的經(jīng)驗(yàn)來操作，存在工作效率低、控制精度差等問題，且資源浪費(fèi)較大，供暖效果不夠理想。設(shè)計(jì)了一套以PLC和WINCC為核心的供暖系統(tǒng)，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。對(duì)比實(shí)踐結(jié)果表明，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、實(shí)用性強(qiáng)，有利于鍋爐的安全優(yōu)化運(yùn)行。

S7-200 PLC；變頻調(diào)速；WINCC組態(tài)；仿真

前言

目前我國(guó)城市人口開始趨向集中化，城市建筑不斷增加，供暖面積逐漸增大，這給冬季供暖帶來了嚴(yán)峻考驗(yàn)。以往供暖系統(tǒng)采用繼電器-接觸器控制，控制系統(tǒng)體積龐大、接線復(fù)雜、控制精度低、維護(hù)不方便，而且大多數(shù)采用人工來控制，勞動(dòng)效率低、檢測(cè)誤差大?；谝陨峡紤]，設(shè)計(jì)了一套安全優(yōu)化運(yùn)行的鍋爐供暖控制系統(tǒng)。

1.設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)由西門子S7-200系列PLC作為控制核心，通過變頻器控制電機(jī)工作。

（1）保證鍋爐的出/回水溫度，在一定值范圍內(nèi)。出/回水溫度與室內(nèi)外的溫度有關(guān)，每天不同時(shí)間段，依據(jù)用戶的用熱量與室外溫度來設(shè)定鍋爐的出水溫度；根據(jù)回水溫度值，控制爐排的運(yùn)動(dòng)速度，增大燃燒量，使出水溫度達(dá)到設(shè)定值。

（2）保證鍋爐的出/回水壓力，在一定值范圍內(nèi)。鍋爐的出/回水壓力與供暖管道是否失水有關(guān)，失水量過大，說明管道有漏點(diǎn)，影響供暖溫度，要及時(shí)補(bǔ)水。

2.設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)是由PLC、變頻器、變送器和觸摸屏等構(gòu)成?？刂圃砣鐖D1所示，先由變送器檢測(cè)鍋爐管道的出/回水的壓力/溫度，并將采集值變?yōu)?～20mA的信號(hào)，送至EM235，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給PLC，與預(yù)先設(shè)定值，經(jīng)由PLC自帶的PID功能進(jìn)行運(yùn)算處理，再將結(jié)果經(jīng)EM235輸出傳給變頻器，控制電機(jī)，使出/回水的壓力保持設(shè)定值不變，實(shí)現(xiàn)恒壓供水；使出/回水的溫度保持設(shè)定值不變，實(shí)現(xiàn)恒溫供暖。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

（1）PLC選擇

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，確定系統(tǒng)輸入數(shù)字信號(hào)為4個(gè)，模擬信號(hào)為2個(gè)；系統(tǒng)輸出數(shù)字信號(hào)為8個(gè)，模擬信號(hào)為2個(gè)。根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)和控制功能，系統(tǒng)選擇S7-200CPU224CN PLC。 PLC通過通信電纜與PC通信， PLC主機(jī)為PPI-RS485的接口，PC為USB接口，通訊時(shí)在PLC軟件中選擇USB接口就行，再把波特率改成187500。

（2）PLC擴(kuò)展模塊

選用EM235模塊，具有模擬量輸入4路，模擬量輸出1路。系統(tǒng)需要對(duì)溫度信號(hào)和壓力信號(hào)進(jìn)行采集，所以采用2個(gè)EM235模塊。

（3）壓力變送器

系統(tǒng)需對(duì)出/回水管道內(nèi)的壓力進(jìn)行檢測(cè)，選用了航宇東方高科技HTsensor的數(shù)顯壓力變送器，型號(hào)為HT-8009HSM，適用于測(cè)量液體、氣體和蒸汽的壓力及液位。

圖1

圖2 供暖系統(tǒng)的主程序流程圖

圖4 回水壓力實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)圖

圖5 回水溫度實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)圖

（4）溫度變送器

系統(tǒng)需對(duì)出/回水溫度進(jìn)行檢測(cè)，選用了奧脈絡(luò)的溫度變送器，型號(hào)為AM-101一體化溫度變送器。

（5）變頻器

系統(tǒng)選擇了ABB公司的ACS510系列變頻器，它是低壓交流傳動(dòng)控制產(chǎn)品，適用于廣泛的工業(yè)控制領(lǐng)域，針對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵應(yīng)用做了特別的優(yōu)化，典型的應(yīng)用包括恒壓供水、冷卻風(fēng)機(jī)、地鐵和隧道通風(fēng)機(jī)等。變頻器型號(hào)為ACS510-01-012A-4 ，所控制的電機(jī)功率為5.5KW，工作電壓為380V～480V ，輸出額定電流為11.9A。

（6）電機(jī)

系統(tǒng)的爐排電機(jī)選用了5.5KW的三相異步電動(dòng)機(jī)，其型號(hào)為Y2-132S-4，額定電壓為380V，額定電流為11.7A，額定功率為5.5KW；系統(tǒng)補(bǔ)水泵選用了立式水泵，其型號(hào)IRG80-125，配用電機(jī)功率為5.5KW。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

V4.0 STEP7 MicroWIN SP6編程軟件是西門子S7-200 PLC的應(yīng)用編程軟件，為用戶提供指令表、梯形圖和功能塊圖三種編程語(yǔ)言和在線輔助功能。下面給出了系統(tǒng)主要程序的流程圖，供暖系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示，供暖系統(tǒng)的回水溫度控制子程序流程圖如圖3所示。

3.3 組態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)

觸摸屏是一種最直觀的操作設(shè)備，只要用手指觸摸屏幕上的圖形對(duì)象，計(jì)算機(jī)便會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作。觸摸屏是人機(jī)界面發(fā)展的主流方向。系統(tǒng)選用通訊能力強(qiáng)的西門子Smart 700IE觸摸屏，其使用PPI與PC進(jìn)行電纜通訊傳遞數(shù)據(jù)， PC通過9針D型的數(shù)據(jù)連接器IF 1B的RS-422端口連接。當(dāng)切斷電源時(shí)，使用RS-422電纜連接IF 1B端口和PC接口，并且把24V DC的電源開關(guān)連接到觸摸屏電源接口上，這樣可以與PC通電。

WinCC組態(tài)軟件功能多，初學(xué)者容易上手。在生成工程時(shí)，只要通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊就可以完成觸摸屏的項(xiàng)目構(gòu)成。使用圖形組成的設(shè)置，優(yōu)化了配置任務(wù)的復(fù)雜性。系統(tǒng)選用軟件版本W(wǎng)inCC Flexible 2008。

組態(tài)界面設(shè)計(jì)步驟：1.根據(jù)鍋爐供暖系統(tǒng)的控制要求，編寫HMI組態(tài)畫面圖；2.當(dāng)啟動(dòng)按鈕按下時(shí)，回水溫度和回水壓力隨著壓力變送器和溫度變送器檢測(cè)，其值在不斷的變化，顯示當(dāng)時(shí)階段回水壓力和回水溫度的變化情況。再由控制設(shè)備來對(duì)其進(jìn)行控制，來達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值。

4.系統(tǒng)仿真

根據(jù)鍋爐供暖控制系統(tǒng)的要求，對(duì)回水壓力/溫度的實(shí)時(shí)變化做出組態(tài)趨勢(shì)圖。

5.結(jié)論

（1）依據(jù)燃煤鍋爐供暖控制系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)采用西門子S7-200 CPU224CN的PLC作為控制核心。根據(jù)管道上的回水壓力變送器和回水溫度變送器來分別檢測(cè)管內(nèi)回水壓力和回水溫度，再傳送給PLC，經(jīng)PID進(jìn)行運(yùn)算處理，控制ACS510變頻器，從而控制爐排電機(jī)和補(bǔ)水電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)通過觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)控，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。

（2）系統(tǒng)的研制成功，為PLC在鍋爐控制中的應(yīng)用提供了依據(jù)，為鍋爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了發(fā)展方向。

[1]李云.淺談我國(guó)鍋爐供暖現(xiàn)狀及改進(jìn)措施[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2014，19：90-91

[2]馬孝琴，劉法治.PLC和變頻器在鍋爐供暖控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，02

圖3 供暖系統(tǒng)的回水溫度控制子程序流程圖