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  摘 要 本系统是基于PLC的水暖锅炉控制,在设计中主要有水位检测、温度检测、压力检测、按键控制、水温控制、水位控制、循环控制、压力控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现供暖控制。主要用水位传感器检测水位,用数字温度传感器Dsl882 0来检测水温,用五个控制按键来实现按健控制,用三位LED显示器来完成显示部分,用变频器来控制循环泵的转速,用压力传感器检测锅炉内部压力。并且通过模数转换把这些信号送入PLC中。把这些信号与PLC中内部设定的值相比,以判断PLC是否需要进行相应的操作,即是否需要打开鼓风机,是否需要开启补水泵,是否需要加快循环泵的转速等操作,从而实现单片机自动控制的目的。本设计用PLC控制易于实现锅炉供暖、而且有造价低、程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便、等优点。 关键词: PLC,传感器,水位,温度,循环,自动控制 Based PLC Design of Heating Boiler Controlled System Research ABSTRACT The systemic design bases controller of CMS water heating of a boiler, it mostly makes up of measuring water level , measuring a water temperature, controlling a keys-press, controlling a water temperature, controlling water level, controlling circulate , controlling pressure. Showing a part,s water level sensor to measure water level, uses a transducer to control cycle pump s rotate speed .Uses five keys-press to control key-press. Uses three light-emitting diodes display to finish a display parts .Uses a transducer to control rotate speed of cycle pump .Uses a press transducer to measure press in the boiler. It sends those signals to PLC through modulus and holder those signals to compare with enactment in the PLC to judge whether PLC need to carry through relevant operation namely. Whether it needs to open a fan, whether it needs to turn on a water pump .whether it needs to quicken rotate speed of a pump and so on. It finishes an aim of PLC auto-controller. The design makes use of the PLC to control boiler which is easy to realize boiler heating. It is cheap to manufacture. It is easy to debug its procedure .When a part is in trouble. It does not infect others and it is convenience to mend. It is widely to use many of areas. KEY WORDS: PLC, transducer, water level. Water temperature, Auto-control 目录 前言 1 第1章 供暖锅炉改造设计思路 2 1.1 供暖锅炉改造设计要求 2 1.2 锅炉系统的结构 2 1.3 整体方案选择 3 第2章 变频调速在供暖锅炉控制中的应用 4 2.1 变频调速基本原理 4 2. 2 变频调速在供暖锅炉系统中的应用 5 第3章 锅炉控制系统总体设计 6 3. 1 系统功能分析 6 3.2 总体设计思路 6 3.3 系统结构 7 第4章 系统硬件设计 8 4.1 可编程控制器PLC的选型 8 4.2 PLC配置 9 4.2.1 PLC的开关量输入、输出点 9 4.2.2 PLC的模拟量输入、输出点 11 4.3 I/O接线 变频器输入输出接口 11 4.5 传感器与变送器 13 4.5.1 压力变送器工作原理 13 4.5.2 压力变送器选型 13 4.5.3 温度传感器选型 13 第5章 系统构成 16 5.1 补水泵控制系统 16 5.1.1补水泵系统方案图 16 5.2 循环泵控制系统 18 5.3 鼓风机控制系统 19 第6章 PID控制原理 20 6.1 PID算法的实现 20 第7章 程序设计 24 7.1主程序设计 24 7.2 子程序设计 24 结论 33 谢辞 34 参考文献 35 外文资料翻译 37 第1章 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)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。 图1-1 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。 第2章 变频调速在供暖锅炉控制中的应用 2.1 变频调速基本原理 目前,随着大规模集成电路和微电子技术的发展,变频调速技术已经发展为一项成熟的交流调速技术。变频调速器作为该技术的主要应用产品经过几代技术更新,己日趋完善,能够适应较为恶劣的工业生产环境,目能提供较为完善的控制功能,能满足各种生产设备异步电动机调速的要求。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系水泵多配用交流异步电机拖动,当电机转速降低时,既可节约能量,经济效益十分显著。由异步电动机的转速公式: (1) 式中,——异步电动机的同步转速r/min; ——异步电动机转子的转速r/min; ——电动机的磁极对数; ——电源频率,电动机定子电压频率; ——转速差; (2) 由公式可见改变电动机极对数P、改变转速差S及改变电源频率f都可以改变转速。通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术,集电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。 实现调频调压的电路有两种:交-直-交变频器,交-交变频器见图2。上面是交-直-交变频器,下面是交-交变频器。 图2-1 变频器种类 (1)交-直-交变频器 它是由三个环节组成:可控硅整流电路,其作用是将电压、定频率的交流电路变为电压可调的直流电;可控硅逆变电路,其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电;滤波环节,它在整流电路和逆变电路之间,一般是利用无电源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。 (2)交-交变频器 它是由两组反并联的整流电路组成,直接将电网的交流电通过变频电路同时调节电压和频率,变成电压和频率可调的交流电输出,交-交变频器由于直接交换,减少换流电路,减少损耗,效率高,波型好,但调速范围小,控制线路复杂,功率因数低,目前较少采用[2]。 2. 2 变频调速在供暖锅炉系统中的应用 由于变频调速可以实现电机无级调速,具有异步电机调压调速和串级调速无可比拟的优越性,在锅炉系统中得到广泛的应用。变频调速在供热锅炉系统中主要应用在风机调速和水泵调速。 第3章 锅炉控制系统总体设计 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。 图3-1 系统结构框图 第4章 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[3]。 表4-1 S7-200的规格 系列 连接方法 工作 电压 输入 类型 输出 类型 程序 容量 I/O点 型号 主控 单元 S7-200 端子型 220V AC 24VDC 继电器 12K 24点 14I/10O CPU 224XP CN 数字量扩展单元 S7-200 端子型 24VDC 24VDC 继电器 32点 16I/16O EM223 CN 模拟量扩展单元 S7-200 端子型 24VDC 5点4I/1O EM235 CN 4.2 PLC配置 4.2.1 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2所示。 表4-2 I/O分配 I 名称 输入 O 名称 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 手动/自动/停止选择 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 手动/自动/停止选择 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 循环水出口温度 AQW2 变频器频率调节输入口 AQW1 循环水出口压力 (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。 4.2.2 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 I/O接线年来,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。 4.4.1 变频器输入输出接口 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4-1 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4-2 变频器接线 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。 4.5.1 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:,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0~20mA DC的标准信号输出。 4.5.2 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mA DC 标准信号。 4.5.3 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℃ 12 位精度的最大转换时间为750 ms 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:38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 时的一线工作协议流程: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:,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 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。 以18B20为核心组成的多点温度检测系统见图6。 图4-3 18B20组成的多点温度检测系统 第5章 系统构成 5.1 补水泵控制系统 5.1.1补水泵系统方案图 图5-1 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[4]。 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,如图8所示。 图8是电流互感器的接线图,两个电流表一个安装在控制柜上,另一个安装在操作台上,可以方便地观察电机的三相工作电流,便于工作人员监测电机的工作状态,同时热继电器可以实现对电动机的过热保护。 图5-2 电流互感器的接线#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5-3 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10所示。 图5-4 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。 图5-5 鼓风机电气图 第6章 PID控制原理 6.1 PID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: (3) 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。 用数字计算机处理这样的控制算式,连续的算式必须周期采样进行离散化,同时各信号也要离散化,公式如下 公式中包含9个用来控制和监视PID运算的参数,在PID指令使用时构成回路表,回路表的格式见表3。 表6-1 PID回路表 参数 偏移地址 数据格式 I/0I 过程变量0.0~1.0I 给定值,0.0~1.0 输出值(Mn) 8 双字,实数 I/0 输出值,0.0~1.0 增益(Kc) 12 双字,实数 I 比例常数,正、负 采样时间(Ts) 16 双字,实数 I 单位为秒.正数 积分时间(Ti) 20 双字,实数 I 单位为分钟,正数 微分时间(Td) 24 双字,实数 I 单位为分钟,正数 积分项前值(Mx) 28 双字,实数 I/0 积分项前值,0.0~1.0 过程变量前值PVn-1 32 双字,实数 I/0 最近一次PID变量值 (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:PID TBL, 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)数值转换及标准化 用可编程序控制器控制PID回路时,要把实际测量输入量、设定值和回路表中的其他输入参数进行标准化处理,即用程序转化为PLC能够识别和处理的数据的标准,例如把从AIW 采集来的16位整数转化为0.0~1.0之间的标准化实数。标准化实数又分为双极性(围绕0.5上下变化)和单极性(以0.0为起点在0.0和1.0之间的范围内变化)两种。程序执行时把各个标准化实数量用离散化PID算式进行处理,产生一个标准化的实数运算结果,这一结果同样也要用程序将其转化为相应的16位整数,然后周期性将其传送到指定的AQW,用以驱动模拟量的输出负载,实现控制。转换方法如下:应用实例中断程序中的程序片断。 (5)选择PID回路类型 在大部分模拟量的控制中,使用的回路控制类型并不是比例、积分和微分三者俱全。例如只需要比例回路或只需要比例积分回路,通过对常量参数的设置,可以关闭不需要的控制类型。关闭积分回路:把积分时间n 设置为无穷大,此时虽然由于有初值MX使积分项不为零,但积分作用可以忽略。关闭微分回路:把微分时间TD设置为0,微分作用即可关闭。关闭比例回路:把比例增益K 设置为0,则可以只保留积分和微分项。 (6)应用实例 系统使用比例积分微分控制。PID程序如图13所示。设采用下列控制参数值:K为0.25,T为0.1秒,T为30分钟。本供水系统的设定值是水箱满水位的75%时的水位,过程变量是由漂浮在水面的水位测量仪给出。输出值是进水泵的速度,可以从允许最大值的0%变到100%。设定值可以预先设定后直接输入回路表中,过程变量是来自水位表的单极性模拟量,回路输出值也是一个单极性模拟量,用来控制水泵速度。这个模拟量的范围是0.0~1.0,分辨率为1/32000(标准化)。 本文的特点是在系统中,水泵的机械惯性比较大,故系统仅采用比例和积分控制。其增益和时间常数可以通过工程计算初步确定。实际上还需要进一步调整,以达到最优控制效果。系统启动时,关闭出水口,用手动控制进水泵速度,使水位达到满水位的75%,然后打开出水口,同时水泵控制由手动方式切换到自动方式。这种切换由一个输入的开关量控制,具体描述如下:I0.0位控制手动到自动方式的切换,0代表手动,1代表自动。 图 PID程序 当工作在手动方式下,可以把水泵的速度(0.0~1.0)直接写入回路表中的输出寄存器(VD108)。应用PID指令控制系统时,要注意积分作用引起的超调问题。为了避免这一现象,可以加一些保护。比如当过程变量达到甚至超过设定值时,可以限制输出值在某一定范围之内。本例中的程序仅有自动控制方式的设计。其中主程序OBI的功能是PLC首次运行时利用SM0.1调用初始化程序SBRO。子程序SBRO的功能是形成PID的回路表,建立100ms的定时中断,并且开中断。程序如图13所示。中断程序INT0的功能是输入水箱的水面高度AIW0的值,并送人回路表。I0.1=1时进行PID“自动”控制,把PID运算的输出值送到AQWO中,从而控制进水泵的速度,以保持水箱的水面高度。 7.1主程序设计 图14 主程序结构 7.2 子程序设计 (1) 锅炉启/停控制 程序完成锅炉中鼓风机、引风机和炉排电机的启/停控制和远程/就地控制的切换。每台锅炉的控制程序都相同,下面锅炉电机启/停控制程序梯形图,其它锅炉程序相似,此处不再重复。 图15锅炉启动前状态检测 锅炉起停控制程序的功能是锅炉检测,没有异常状态,输出锅炉允许启动信号。这个条件无论是自动控制还是手动控制都需要给到锅炉燃烧机才能启动锅炉。 (2) 锅炉启动的程序: 图16启动程序 锅炉启动过程是这样的: 首先、判断是自动启动还是手动启动; 第二、判断是否有启动信号,是何种启动信号(自动启动/手动启动); 第三、判断锅炉阀是否打开,也就是说锅炉本体是否能够形成水循环。这样做的目的是处于安全的考虑,如果锅炉本体水流不能循环会发生危险。 锅炉阀没有打开,那么如图16所示的锅炉启动前提条件必不满足,锅炉允许启动信号不满足导致锅炉不能启动。待锅炉碟阀打开后启动条件满足,启动程序输出启动信号; 需要注意的一点是自动启动和手动启动信号的互锁,即选择自动控制时复位手动启动信号,选择手动控制时,复位自动启动信号。 第四、锅炉启动信号输出。 (3) 锅炉停止的程序 锅炉停止是相对于锅炉启动的一个逆向过程。看到网络5中代码的作用是复位计时器和PLC的继电器输出。 (4) 锅炉的阀门控制 模拟量控制的阀门一般是用4-20LD SM0.0 MOVW VW900, VW3600 //将数据传如转换数据区,VW900是0-100的整数。 AENO *I +256, VW3600 //数据乘以256 AENO MOVW VW3600, VW3602 AENO +I +6400, VW3602 //数据+6400 AENO MOVW VW3602, AQW0 //输出给定值 (5) 锅炉水泵的控制 水泵分为工频控制和变频控制 工频控制就是启动和停止2个控制点,相对变频控制操作简单。 变频控制需要给定变频器一个频率给定值,一种方式是通信传输,另一种方式给定模拟量值。 我们这里只介绍给定模拟量的控制方式。 Network 1 // 变频器给定 LD SM0.0 MOVW VW940, VW3600 //VW940为频率给定值输入,范围0-50HZ AENO *I +256, VW3600 //数据乘以256 AENO MOVW VW3600, VW3602 AENO +I +6400, VW3602 //数据+6400 AENO MOVW VW3602, AQW2 //输出给定值 (6) 循环泵控制 循环泵控制程序主要实现循环泵系统中水泵电机的启/停控制、变频器频率设定、出水压力PID控制等。系统根据出水压力的设定值初步确定启动几台循环泵,每台泵都通过变频启动,切换到工频运行,最后其中一台泵进入变频运行,其它泵工频运行。然后通过压力PID控制调节变频器频率,以稳定出水压力。循环泵控制程序的设计流程图如图18所示。 (7) 补水泵控制 补水泵控制程序主要实现补水泵系统中水泵电机的启/停控制、变频器频率设定、补水压力PID控制等。补水泵系统用1#变频器拖动1#补水泵,2#变频器拖动3#补水泵。运行时,系统根据回水压力的设定值初步确定启动几台补水泵,若两台泵或者只用一台即可满足回水压力,则只启动1#泵系统或3-4#泵系统(包括2#变频器),若需要两台以上泵才能达到回水压力的设定值,则先用1#变频器(或2#变频器)启动1-2#泵(或3-4#泵),切换到工频运行,然后再用2#变频器(或1#变频器)拖动3-4#泵(或1-2#泵),进入变频器运行。最后通过压力PID控制调节变频器频率,稳定回水压力。补水泵控制程序的设计流程图如图19所示。 图18 循环泵控制流程图 (8) PLC模拟量模块转换程序 程序代码 // 采样 :这段代码主要作用是把16位(一个字)的数据转换为实数类型的数据,并且启动计数器和累加器 LD SM0.0 ITD LW0, LD26 //16整数转换为32位整数 DTR LD26, LD30 //32位整数转换为实数 +R LD30, LD12 //启动累加器 INCW LW16 //启动计数器 Network 2 // 滤波与转换:这段代码通过一系列运算进行数据滤波,并且将数值转换为可读性很好,累加器与计数器归零便于下一次采集使用。 LDW= LW16, LW6 //比较当前采样与预制采样次数 ITD LW6, LD42 DTR LD42, LD46 //采样16位转换32位实数 MOVR LD12, LD18 /R LD46, LD18 //求出采样平均值 MOVR 0.0, LD12 //清空累加器 MOVW +0, LW16 //清空计数器 -R 6400.0, LD18 *R LD8, LD18 //转换为十进制数值 +R LD2, LD18 //修正 Network 3 LD SM0.0 MOVR LD18, LD22 //输出 Network 4 LD SM0.0 //返回主程序求比例值的子程序 Network 1 // 计算出实际值与采集值的比例 LD SM0.0 MOVR LD0, LD20 -R LD4, LD20 //实际值上限减去实际值下限,求出差值1 MOVR LD8, LD24 -R LD12, LD24 //采集值上限减去采集值下限,求出差值2 MOVR LD20, LD16 /R LD24, LD16 //差值1除以差值2求出比例值 Network 2 LD SM0.0 CRET //返回主程序数据转换子程序 Network 1 LD SM0.0 MOVW LW0, LW12 //输入值 -I LW2, LW12 //模块采集值下限 ITD LW12, LD14 DTR LD14, LD18 MOVR LD18, LD8 //dived是模块采集值上下限差值 /R LD4, LD8 //输出结果 Network 2 // 返回主程序 LD SM0.0 CRET // 返回主程序 图19 补水泵控制流程图 结论 在理论上将以上设计应用到供暖锅炉系统后,连接好输入输出分配和主电路,按照步骤进行调试,调试过程会全部通过,完全满足供暖锅炉的控制要求。 由于个人能力、时间有限本论文还有许多地方可以进一步改进完善。当然本次毕业设计虽然功能单一,但由于是时间原因,未能做出实物进行论题的论证,多少会有遗憾。 通过这次课程设计,使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在PLC的基本原理、PLC应用系统开发过程,以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步,为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。 参考文献 [1]冯嘉花. 变频调速改造锅炉房55 kW循环水泵[J]5):94~95 [2]常斗南.可编程序控制器原理应用试验[M].北京:机械工业出版社1998,8 [3]吕景泉.可编程序控制器及其应用[M].北京:机械工业出版社,200l,6 [4]刘法治.模糊控制技术在高楼恒压供水系统中应用[J].微机算机信息,200,21~]赵明,许寥.工厂电气控制设备[M].北京:机械工业出版社,2004,5 摘要 洛阳理工学院毕业设计(论文) IV 24 前言 第1章 标题 附录 16 主 程 序 锅炉起停控制 模拟量输入 循环泵控制 补水泵控制 鼓风机控制 通信控制