供暖锅炉变频控制系统的设计

华 北 科 技 学 院

04 届本科毕业设计（论文）

论文题目： 供暖锅炉变频控制系统的设计

学生姓名： 林坤坚 学 号： 200403024404

系(部、院)： 华北科技学院电子信息工程系

专 业： 自动化 班 级： 04自动化4班

指导教师： 王德毓

【摘 要】

随着社会经济的飞速发展，城市规模的不断扩大，以及人们生活水平的不断提高，对城市生活供暖的用户数量和供暖质量提出了越来越高的要求。目前，我国北方地区冬季供暖仍然以锅炉供暖为主，锅炉房自动控制系统配置相对落后，风机和水泵等电机的控制主要依赖值班人员的手工操作，控制过程繁琐，耗电耗煤，而且手动控制无法对锅炉供水温度和管网压力变化及时做出适当的反应。

本文设计了一套基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统。该控制系统由可编程控制器、变频器、风机和水泵电机组、传感器、工控机以及控制柜等构成。系统通过变频器控制电动机的启动、运行和调速。系统以两台研华IPC610工控机作为上位机，以西门子S7-200可编程控制器为下位机。

本文设计的变频控制系统实现了锅炉燃烧过程的自动控制，有效地降低了能耗，提高了生产管理水平。系统安装维护方便，运行稳定、可靠；监控软件功能齐全，人机界面友好，使用方便。

关键词：锅炉控制；变频调速技术；PLC；组态软件

Abstract

With the rapid development of social economy and the increasingly improved living standard of people, the scale of city construction is unprecedentedly expanded, arousing

【目 录】

摘 要................................................... ABSTRACT................................................. 第一章 绪 论...........................................1

1.1 研究意义

1.2 供暖锅炉控制的国内外研究现状 2.1 变频调速基本原理

第二章 变频调速在供暖锅炉控制中的应用....................

2.2 变频调速在供暖锅炉系统中的应用 2.3 变频调速节能分析

第三章 供暖锅炉控制原理..................................

3.1 引言

3.1.1 偏差控制方式 3.1.2 PID控制方式 3.2 补水控制 3.3 循环流量控制 3.4 燃烧过程控制

第四章 锅炉控制系统总体设计..............................

4.1 系统功能分析 4.2 系统方案设计

4.2.1 系统结构 4.2.2 系统硬件 4.3 系统构成

4.3.1 补水泵控制系统 4.3.2 循环泵控制系统

第五章 PLC控制系统设计...................................

5.1 西门子S7-200系列PLC的硬件系统

5.2 S7-200系列PLC简介 5.2.1 S7-200编程方式简介

第六章 监控组态软件设计..................................

结 论..................................................... 参考文献...................................................

第一章 绪论

1．1 研究意义

随着社会经济的飞速发展，城市规模的不断扩大，以及人们生活水平的不断提高，对城市生活供暖的用户数量和供暖质量提出了越来越高的要求。目前，我国北方地区冬季生活供暖仍然以锅炉供暖为主，锅炉房自动控制系统配置相对落后，风机和水泵等电机的控制主要依赖值班人员的手工操作，控制过程繁琐，耗电耗煤，而且手动控制无法对锅炉供水温度和管网压力变化及时做出适当的反应。而供暖面积的不断扩大，使如何科学有效地控制和管理供暖系统，提高供暖的经济效益和社会效益，成为急需解决的重要课题。在供暖系统中，锅炉房供暖所占比例很大，据对我国北方地区29个大中城市近3.5亿平方米的供暖调查，锅炉供暖占84%，热力供暖占12%，其他供暖占4%。在今后相当长的时间内，集中热力供暖是发展趋势，但无法取代锅炉供暖的主流地位。

锅炉是消耗能源、产生大气污染、事关生产与生活和安全的重要设备，它在国民经济整个能源消耗中占有相当大的比重。目前我国供暖锅炉以燃煤链条锅炉为主，燃用的主要是中、低质煤，而且锅炉房管理水平不高，一直沿用间断运行方式，锅炉技术含量低，锅炉的自动化工致技术落后，造成了严重的能源浪费和环境污染。据统计，我国目前拥有工业锅炉50万台，每年消耗的燃煤占全国原煤常量的三分之仪，约4亿吨。锅炉每年排放烟尘约620万吨，SO2约510万吨，此外还有大量的NO2等有害气体，成为我国大气煤烟型污染的主要来源之一，尤其是燃煤排放的CO2气体所引起的温室效应，早已引起国际关注。

本文结合北方地区锅炉房变频改造工程项目，设计了一套基于变频调速技术的计算机锅炉监控系统。锅炉房节能改造工程关系到锅炉房内设备能否长期、安全、稳定、连续的低耗运行。预期设计一套计算机监控系统。该套计算机监控系统与原非计算机监控的人工控制系统并列运行。锅炉房控制采用常规集中盘控和计算机控制相结合的控制方式。但由于鼓风机、引风机、炉排电机、补水泵以及循环泵均采用工频配电，手动控制，都没有引入锅炉自动控制系统，锅炉房基本上采用集中盘上手控。只实现控制参数的显示和部分控制等，对炉膛负压、炉膛温度、出水温度、出水压力、回水温度、锅筒压力等无法自动控制，使得锅炉运行效率低、能耗大、环境差、人工劳动强度大。因此，对锅炉所用的鼓风机、引风机、炉排电机、循环汞以及补水汞等设备进行计算机控制系统

和锅炉电机的变频改造十分必要。

由于供暖锅炉系统中的风机、水汞负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比，采用交流变频调速控制风机、水汞流量代替传统阀门、挡板控制流量，可以大大节省该类负载的驱动电机的耗电量，达到节能的目的，如果普遍采用交流变频调速，平均节电率在30%左右。采用变频器启动风机、水汞等电动机，由于变频器内部具有矢量转矩控制技术，保证了电机良好的启动性能，实现电机软启动，有效地限制了电机的启动电流，明显降低电机启动噪声。同时，电机的软启动避免了频繁的工频启动对风机、水汞等大电机的冲击，有效地保护设备，延长设备使用寿命。

锅炉的计算机控制使锅炉始终处于最佳工作状态，提高了锅炉的运行效率和燃煤的燃烧效果，不仅节约燃煤，也减少了烟尘和有害气体的排放，具有较好的环保效果。同时，计算机控制系统通过各种传感器检测锅炉温度、压力、流量等参数，传诵至微机和仪表盘，并实现温度和压力等参数的自动控制，工人在计算机控制室就可以全面了解锅炉房各部分的运行情况，大大改善了工人的工作条件，提高了自动化程度和管理水平。

因此，采用锅炉的计算机控制和变频控制不仅可大大节约能源，促进环保，而且可以提高生产的自动化水平，具有显著的经济效益和社会效益。

1.2 供暖锅炉控制的国内外研究现状

当前，节能与环保已成为人类社会面临的两大课题。我国的锅炉目前以煤为主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一，燃用的主要是中、低质煤，工业污染十分严重，而且锅炉设备陈旧，生产效率和自动化程度低，进一步加重了环境污染的程度。

第二章 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，已日趋完善，能够适应较为恶劣的工业生产环境，且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：

n?60f(1?s)/p

其中n表示电机转速； f为电动机工作电源频率； s为电机转差率； p为电机磁极对数。

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。

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。

通常在锅炉燃烧系统中，根据生产需要对风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应用户要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。

在供暖锅炉系统中带有循环泵、补水泵等水泵类设备，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，还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，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。

近年来，出于节能的迫切需要和对供暖质量不断提高的要求，加之采用变频调速器（简称变频器）易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点，因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。用变频器来对异步交流电动机调速，是八十年代末迅速发展成熟的一项高新技术。它的优点是：调速的机械特性好，调速范围广，调整特性曲线平滑，可以实现连续、平稳的调速，尤其当它应用与风机、水泵等大容量负载时，可获得显著的节能效果。

2.3 变频调速节能分析

变频调速应用于锅炉系统的风机和水泵等电机的自动控制中，其节能效果明显。本节将以风机节能为例，详细分析其节能效果。水泵的节能分析类似。

由流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：

Q?n，H?n2，P?n3；

即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。 图2-1给出了风机中风门调节和变频调速二种控制方式下风路的压力-风量（H-Q）关系及功率-风量（P-Q）关系。其中，曲线1是风机在额定转速下的H-Q曲线，曲线2是风机在某一较低速度下的H-Q曲线，曲线3是风门开度最大时的H-Q曲线，曲线4是风机在某一较小开度下的H-Q曲线。可以看出，当实际工况风量由Q1下降到Q2时，如果在风机以额定转速运转的条件调节风门开度，则工况点沿曲线1由A点移到B点；如果在风机开度最大的条件下用变频器调节风机的转速，则工况点沿曲线3由A点移到C点。显然，B点与C点的风量相同，但C点的压力要比B点压力小得多。因此，风机在变频调速运行方式下，风机转速可大大降低，节能效果明显。

曲线5为变频控制方式下的P-Q曲线，曲线6为风门调节方式的P-Q曲线。可以看出，在相同风量下，变频控制方式比风门调节方式能耗更小，二者之差可由下述经验公式表示：

?P?[0.4?0.6Q/Qe?(Q/Qe)3]Pe

其中Q为风机运行时实际风量；

Qe为风门开度为最大，电机运行在额定转速时的风量；

Pe为风门开度为最大，电机运行在额定转速时的功率。

目前，变频调速技术已逐渐为许多企业所认识和接受，随着这项技术的不断发展和完善，它必将得到更加广泛的应用，也必将为认识和假手它的企业带来可观的经济效益。

第三章 供暖锅炉控制原理

3.1 引言

现有的供暖锅炉由蒸汽锅炉改造而成的常压热水锅炉，常压锅炉使用安全，对原材料的要求比蒸汽锅炉低，无需控制蒸汽压力，控制精度要求相对要低。目前国内外对蒸汽锅炉控制的研究已经比较成熟，锅炉控制数学模型基本定型，而供暖锅炉控制相对简单，对其研究不够重视。本文以火力发电厂蒸汽锅炉的控制模型为参考，提出供暖锅炉的控制模型。

供暖锅炉控制系统属于过程控制系统，其控制的目标是控制锅炉燃烧过程中的出水温度、回水温度、出水压力、回水压力、炉膛负压等参数，使锅炉燃烧工况良好，保证设备运行安全，满足用户的供热要求。

在供暖期间，系统根据室外温度的变化分时段控制锅炉的出水温度和系统回水温度。在室外温度较低的时段内，出水温度的设定值较低，在室外温度较高的时段内，出水温度的设定值较高，进而调节出水供热量。在某一时段内，则通过调节热水循环流量对出水供热量进行微调。

锅炉出水温度的调节主要靠燃烧控制系统来实现，而系统回水温度的调节主要靠热水循环流量来调节，出水压力和回水压力的大小由循环泵和补水泵的状态来决定。调节温度和压力等参数时，采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式。偏差控制方式应用于系统的开关量输出，PID控制方式应用于系统的模拟量输出。

3.1.1 偏差控制方式

偏差控制是指当热工参数实际采集值与用户设定值之间存在偏差时，系统通过调节某些量来减少偏差，直至实际采集值等于用户设定值为止。但这只是一种理想设计，在实际应用中，由于系统误差的存在，实际采集值不可能等于用户设定值。因此，引入“回差”的概念，即给用户设定值一个可以接受的范围，在此范围内都可认为达到系统设定值。例如锅炉的出水温度设定值为T0，温控回差为h，则当出水温度T满足式3-1时即可。

T0?h?T0?T0?h （3-1）

3.1.2 PID控制方式

偏差控制只能输出开关量信号，对于连续调节的设备，则需要过程控制系统中最常

用的控制规律——PID控制方式。

PID控制，即按偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的结果。PID调节器既能消除静差，改善系统的静态特性，又能加快过度过程，提高系统的稳定性，改善系统的动态特性，是一种比较完善的调节规律，只要应用于温度控制和压力控制等过程控制系统中，以克服时间响应滞后，得到较好的控制指标。

1. PID控制器的基本形式

PID控制分两种基本形式，即模拟PID控制器和数字PID控制器。模拟PID控制器如图3-1所示，理想控制规律为

u(t)?Kp[e(t)?1T1?10e(t)dt?TDde(t)] （3-2） dt其中，Kp为比例增益，与比例带?成倒数关系，即Kp?常数，TD为微分时间常数，u(t)为控制量，e(t)为偏差。

1?，T1为积分时间

比例控制能迅速反应误差，从而减少误差，但比例控制不能消除静态误差，Kp过大，可能会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除静态误差，因而，只要有足够的时间积分作用将能完全消除误差，但调节动作缓慢；微分控制加快系统的动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态特性。

在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期足够短时，用求和代替积分，使模拟PID离散化变为差分方程，如式3-3所示。

Tu(k)?Kp[e(k)?TI?e(i)?TDi?0ke(k)?e(k?1)] （3-3）

T增量型的控制方程为：

?u(k)?KP[e(k)?e(k?1)]?K1e(k)?KD[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)] （3-4）

其中KP?K1?KP1?称为比例增益；

T称为积分系数； T1KD?KPTD称为微分系数。 T以上是PID控制的理论控制方程，但在实际应用中，要根据控制系统的特点，做适当的改进。

2. PID控制器的改进

计算机控制是一种比较准确的控制方式，只要系统偏差存在且大于传感器的精度范围，计算机就不断进行控制量增量的计算，并输出相应的控制信号给执行机构，改变执行机构的状态，这样容易产生某些动作过于频繁而引起振荡。为避免控制动作过于频繁以消除振荡，在实际工程应用中，通常在PID控制系统中增加一个死区环节，如图3-2所示，相应的算式为

??e(k),e(k)?? （3-5） p(k)????0,e(k)??

其中?为人为设定的一个死区，是一个可调参数，其具体数值可根据实际控制对象由试验确定。?太小，使调节过于频繁，达不到稳定控制量的目的；?太大，则系统将产生较大的滞后。在锅炉的燃烧控制系统中，为避免风机和炉排转速频繁地改变，可适当地为出水温度设定一个死区，如?1℃。

在锅炉控制系统中，当启动/停止电机或大幅度改变温度、压力等设定值时，由于

短时间内产生很大的偏差，往往会产生严重的积分饱和现象，以致造成很大的超调和长时间的振荡。为克服这个缺点，可采用积分分离的方法，即偏差e(k)较大时，取消积分作用；当偏差e(k)较小时才将积分作用投入。

亦即

当e(k)??时，采用PD控制； 当e(k)??时，采用PID控制。

积分分离阀值?应根据具体对象及控制要求确定。例如出水温度的控制，可以选定

?为5℃或10℃等，依据控制精度要求而定。

综上所述，锅炉控制系统中燃烧控制和水泵控制所采用的PID控制方式，作出死区设定和积分分类两项改进措施，以达到稳定控制温度和压力等信号的目的。

3． 经验凑试法整定PID参数

PID控制器参数整定主要整定比例系数KP、积分时间TI和微分时间TD等参数。 增大比例系数KP一般会加快系统的响应，在有静差的情况下有利于消除静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变差。增大积分时间常数TI，相当于减少积分系数，积分作用减弱，有利于减少超调，减少振荡，但系统静差的消除将随之变慢。

增大微分时间常数TD有利于加快系统响应，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。

在凑试时，可参考3个参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例，后积分，在微分的整定步骤。

（1）首先整定比例部分。即将比例系数KP由小变大，并观察相应的系统响应，直到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有消除静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只须比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。

（2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将经过第一步整定得到的比例系数KP略为减少（如缩小为原值的0.8倍），然后减少积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，

静差得到消除。在此过程中，可根据控制效果反复改变比例系数KP与积分时间TI，以得到满意的控制过程和整定参数。

（3）若使用比例积分调节器（PI控制器）消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成完整的PID控制器。在整定时，可先置微分时间TD为零。在第二步整定的基础上，增大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。

3.2 补水控制

锅炉管网系统中通过改变循环泵转速来调节热水流量，并通过改变补水泵转速来调节系统的回水压力，使回水缸内的水位保持在一定范围内。

补水调节采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式。偏差控制设定回水压力范围，当回水压力实际值不在设定范围内时，增加或减少补水泵运行台数，直到回水压力达到要求为止。PID控制在偏差控制的基础上对回水压力进行微调，其原理如图3-3所示。补水泵系统根据回水压力的设定值与采集到的回水压力的实时数据，通过PID算法将回水压力值控制在设定值附近，从而确定补水泵的转速，以改变回水压力。其控制采用前述改进PID控制算法与参数整定方法。

3.3 循环流量控制

锅炉管网系统的另一个任务是通过循环泵将出水缸内的热水输送到用户供热管道，并回到回水缸。

循环流量控制同样采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式。偏差控制设定出水压力范围，当出水压力实际值不在设定范围内时，增加或减少循环泵运行台数，直到出水压力达到要求为止。PID控制在偏差控制的基础上对出水压力进行微调，其原理如图3-4所示。循环流量PID控制原理如图3-4所示。循环泵系统根据出水压力的设定值与

采集到的出水压力的实时数据，通过PID算法将出水压力值控制在设定值附近。其控制才同前述改进PID控制算法与参数整定方法。

3.4 燃烧过程控制

供暖锅炉燃烧系统是一个多变量输入、多变量输出、大惯性、大滞后且相互影响的一个复杂系统。当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化，而且改变任一调节量时，也会影响到其他被调量。

锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应负荷的需要，同时还要保证锅炉安全经济运行。燃烧控制系统的控制原理如图3-5所示，燃烧控制系统的任务主要有三点：

（1）稳定锅炉的出水温度，始终保持在设定值附近。出水温度的设定值与室外温度以及消耗热量（负荷）的变化相关，每天不同时段，根据用户的消耗量和室外温度计算出锅炉出水温度的设定值，以出水温度为信号，改变燃煤量，达到出水温度与设定值一致。同时测量系统的回水温度和炉膛温度，若回水温度过低则适当加大给煤量，反之则适当减少给煤量；若炉膛温度过高则适当减少给煤量，反之则适当加大给煤量。

（2）保证锅炉燃烧过程的经济性。对于给定出水温度的情况下，需要调节鼓风量与给煤量的比例，使锅炉运行在最佳燃烧状态。开始运行时，可根据经验设定风煤化，使耗煤量与鼓风量成比例关系，同时根出水温度的变化对鼓风量进行前馈控制，然后通过测量烟气含氧量，运用偏差控制调节风煤比，使燃煤充分燃烧。

（3）调节鼓风量与引风量，保持炉膛压力在一定的负压范围内。炉膛负压的变化，反映了引风量与鼓风量的不相适应。如果炉膛负压太小，炉膛容易向外喷火，危及设备与工作人员的安全。负压过大，炉膛的漏风量增大，增加引风机的电耗和烟气带走的热量损失。本系统中根据鼓风量的变化，对引发了进行前馈控制。根据经验设定炉膛负压，并测量炉膛负压，运行PID算法控制炉膛负压保持在一定的范围内，从而调节引分量，

确定引风机的转速。

第四章 锅炉控制系统总体设计

4.1 系统功能分析

（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。通过工控机和可编程控制器对锅炉系统中的鼓风机、引风机、炉排电机、循环和补水泵实现远程控制。同时，也可直接操作变频控制，实现就地控制。

（2）单动/联动模式

本系统工作在单动/联动模式两种工作模式下。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、引风机、炉排电机、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、会水温度、炉膛温度、排烟温度、出水流量、回水压力、出水压力、炉膛负压、锅筒压力、补水流量、循环泵压力等参数，并可以将这些数据通过变送器传送到可编程控制器处理，所有参数均可在计算机显示器上显示，或由打印机打印出来。

（4）超温超压报警

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。

（5）报表统计

计算机还可以产生相应的各种参数报表，供随时查询和打印参数变化实时趋势图和历史图、报警记录和数据记录报表等。

4.2 系统方案设计

系统采用两台工控机作为上位机，构成双机冗余系统。下位机采用西门子公司S7-200系列PLC，并通过RS-485与变频器通信，通过I/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。系统采用分级分层模式，只要系统一上电，即使上位机出现故障，PLC控制系统容仍可继续运行，不影响锅炉正常工作，

只是不能远程启/停控制和参数设定。如果PLC系统也出现故障，还可直接在变频控制室通过控制面板进行启/停控制，通过设定变频器频率可进行参数设定，以充分保证系统的可用性。

4.2.1 系统结构

系统属于热水锅炉供暖系统，主要提供热水循环给供暖，一般分为燃烧控制系统、循环泵控制系统和不水泵控制系统，采用集中控制，分为三层，系统结构框图如图4-1所示：

电气控制回路(带两台变频器) 电气控制回路(带18台变频器) 电气控制回路(带两台变频器) 管理层 主控机 辅控机 现场控制层 西门子S7-200系列可编程控制器 数据采集与变送层 补水泵 锅炉 传感器与变速器 循环泵 锅炉本体及管网系统

管理层：系统采用两台研华IPC610工控机作为上位机，其中一台作为主控机，另

一台为辅控机，构成双机冗余系统。通过MPI多点接口与下位机PLC进行通讯，对现场锅炉的运行集中监控、统一调度，实现对锅炉的远程控制。

现场控制层：该层以西门子S7-200系列可编程控制器为核心，一方面通过MPI

多点接口与上位机通讯，接收上位机管理层的控制命令；另一方面运用RS-485总线与各变频器进行通讯，分别对鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵和补水泵等进行启停控制和电机的转速设定，一旦电机启动完毕，即使PLC与上位机通讯故障，系统仍能正常运行。

现场数据采集与变送层：这一层是集散控制系统的最底层，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、锅筒压力、炉膛温度、炉膛压力以及总出水温度、总出水压力、总会水压力等。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。

4.2.2 系统硬件

（1）主机系统:两台研华IPC-610工业控制计算机，其中一台为主控机，另一台为辅控机，构成双机冗余系统。为实现与可编程控制器的通信，系统配置有CP5611MPI多点接口卡。

（2）可编程控制器：西门子S7-200系列可编程控制器，S7-200具有极高的可靠性、极丰富的指令集、丰富的内置功能、丰富的扩展模块，易于掌握，操作便捷，且具有实时特性。

（3）仪表设备：为了提高仪表的抗干扰能力，选用DDZ-III型仪表，仪表输出为4-20mA电流，保证系统的可靠性。仪表主要包括：温度变送器、流量变速器、压力变送器、液位变送器、微压变送器等。

（4）变频控制：包括电源控制柜=锅炉变频控制柜、循环泵变频控制柜和补水泵变频控制柜。变频器全部采用日本富士山公司FRENIC 500 G11S/P11S系列低噪声、高性能、多功能变频器，根据电机功率选择不同的型号。控制柜内配置各种型号大小的断路器、接触器、继电器等低压电器设备，以完成电机的启、停控制。

4.3 系统构成

4.3.1 补水泵控制系统

补水泵系统共有四台补水泵电动机，系统采用两台变频器拖到，一台变频器负责拖动两台补水泵，即“一拖二”模式。系统的电气控制如图4-2所示。

4.3.2 循环泵控制系统

循环泵系统有6台循环泵，本系统配置两台变频器，才有“一拖六”模式，即用一台变频器拖动6台循环泵，另外一台作为备用。没太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4-3所示。

第五章 PLC控制系统设计

5.1 西门子S7-200系列PLC的硬件系统

S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型整体可编程控制器，其组网能力强大，编程软件功能完善，功能模块种类齐全，亦有良好的人机画面。

西门子S7-200自带RS-485通信接口，内置电源和I/O接口。它结构小巧，运行速度快，可靠性高，具有极其丰富的指令系统和扩展模块，实时特性和通信能力强大，便于操作、易于掌握，性价比非常高，在各种行业中的应用越来越广，成为中小规模控制系统的理想控制设备。

系统组成：

（1）CPU单元：即PLC主机，也可称基本单元。它内部包括中央处理器CPU、存储单元、输入输出接口、内置5V和24V直流电源、RS-485通信接口等，是PLC的核心部分。其功能足以使它完成基本控制功能，所有CPU单元单独就是一个完整的控制系统。

（2）编程设备：是对CPU单元进行编程、调试的设备。可用PC/PPI编程电缆与CPU单元进行连接。常用设备为手持编程器和装有西门子S7系列的PLC编程软件的微机。

（3）数字量扩展单元：I/O接口单元，用于对数字I/O的扩展。在工程应用中，CPU单元自带的I/O接口往往不能满足控制系统的要求，用户需要根据实际需要选用不同I/O模块进行扩展，以增加I/O接口的数量。不同的CPU单元可连接的最大I/O模块数不同，而且可使用的I/O点数也是多种因素共同决定的。

（4）模拟量扩展单元：模拟量与数字量转换单元。控制领域中模拟量的使用十分广泛，模拟量扩展单元可十分方便地与CPU单元连接，实现A/D转换和D/A转换。

（5）智能扩展模块：多为特殊功能模块，模块内含有CPU，能够进行独立运算和功能设置，如定位模块、Modem模块、PROFIBUS-DP模块等。

（6）TD200文本显示器：西门子提供的简单易用人机界面。可使用5种文字种的任意一种进行显示，为操作人员提供了一个方便简洁的操作员界面；通过编程设置能够显示最多80条信息，每条信息最多有4种状态；具有8个可由用户自定义的功能键，每一个都由CPU单元分配了一个存储空间，能够在执行程序是的过程种修正参数，或直接设置输入或输出量对程序进行调试。

（7）通信处理模块：多PLC通信模块。CP243-2通信处理器使AS-接口主站连接部件，专门为S7-200 CPU22X型PLC设计，使AS-接口上能运行最多31个数字从站，可显

著增加系统中可利用的数字和模拟量I/O，便于S7-200适应不同的控制系统。

（8）可选扩展卡：可根据用户需求配置用户存储卡、时钟卡、电池卡，通过可选卡插槽进行连接。

5.2 S7-200系列PLC简介

5.2.1 S7-200编程方式简介

S7-200的编程语言是STEP7，STEP7继承了STEP5语言结构化程序设计的优点，用文件块的形式管理用户程序及程序运行所需的数据。如果这些文件块是子程序，可以通过调用语句，将他们组成结构化用户程序。这样，PLC的程序组织明确，结构清晰，易于修改。

STEP7支持的编程语言非常丰富，有LAD（梯形图）、STL（语句表）、SCL（标准控制语言）、FBD（功能块图）、GRAPH（顺序控制）、HiGraph(状态图)、GFC（连续功能图）等，用户可以选择一种编程，如果需要，也可以混合集中语言编程。这些编程语言都是面向用户的，它使控制程序的编程大大简化，对用户来说，开发、输入、调试和修改程序极为方便。本系统中主要采用LAD（梯形图）和STL（语句表）两种语言编程。LAD（梯形图）语言最接近于继电器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，使初学者理想的编程工具。STL（语句表）语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。

通常，用户程序由组织块（OB）、功能块（FB,FC）、数据块（DB）构成。其中OB是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。OB块根据操作系统调用的条件（如时间中断、报警中断等）分成几种类型，这些类型有不同的优先级，高优先级的OB可以中断低优先级的OB。每个S7 CPU包含一套可编程OB块（随CPU而不同），不同的OB块执行特定的功能。OB1是主程序循环块，在任何情况下，它都是需要的。根据过程控制的复杂程度，可将所有程序放入OB1种进行线性编程，或将程序用不同的逻辑块加以结构化，通过OB1调用这些逻辑块。图5-2所示是一个STEP7调用典型实例。

除了OB1，操作系统可以调用其他的OB块以响应确定事件。其他可用的OB块随所用的CPU性能和控制过程的要求而定。

功能块（FB,FC）实际上是用户子程序，分为带“记忆”功能块FB和不带“记忆”功能块FC。前者有一个数据结构与该功能块的参数表完全相同的数据块（DB）附属于该功能块，并随功能块的调用而打开，随功能块的结束而关闭。该附属数据块叫背景数据块（Instance Data Block）,存放在背景数据块中的数据在FB块结束时继续保持，即被“记忆”。功能块FC没有背景数据块，当FC完成操作后数据不能保持。

数据块（DB）是用户定义的用于存储数据的存储区，也可以被打开或关闭。DB可以是属于某个FB的背景数据块，也可以是通用的全局数据块，用于FB或FC。

S7 CPU还提供标准系统功能块(SFB,SFC)，它们预先编好的，经过测试集成在S7 CPU中的功能数据库。用户可以直接调用它们，高效地编写自己的程序。由于它们是操作系统的一部分，不须将其作为用户程序下载到PLC。与FB块相似，SFB需要一个背景数据块，并将此DB块作为程序的一部分安装到CPU中。不同的CPU提供不同的SFB、SFC功能。

系统数据块（SDB）是为存放PLC参数所建立的系统数据存储区。用STEP7组态软件可以将PLC组态数据和其它操作参数存放于SDB中。 5.2.2 S7-200 CPU简介

S7-200系列PLC功能强大,有着鲜明的特点:

(1)自带高速计数器,有多个接口可以接受最高达30kHz的高速脉冲输入。可以同时

做加减计数，连接两相相位差为900的A/B相增量编码器，可通过编程对高速计数功能相关状态字进行设置，得到多种对高速脉冲的计数模式。

（2）具有高速脉冲输出接口，最大脉冲频率可达20kHz，能够直接用于定位控制。 （3）存储空间大，并可由超级电容对数据进行长达190分钟的掉电保护，若选用存储卡，则可保存200天。

（4）运算指令丰富，并具有实数运算功能，可实现复杂的计算和控制策略。并允许在程序中立即读写I/O接口，在一些需要立即响应的场合应用非常方便。

（5）可为模拟量和数字输入设置滤波器，输入接口可以捕捉比CPU扫描速度更快的窄脉冲信号，便于适应复杂的工业环境。

（6）内部配有+5V DC扩展电源，输出电流可达1000mA；+24V DC传感器电源或负载驱动电源，输出电流可达400mA。

（7）具有RS-485通信接口，可与计算机、变频器、文本显示器、手持编程器等进行通信，交换数据、完成控制功能。

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