李雪梅 白城師范學(xué)院機械工程學(xué)院

燃煤鍋爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

李雪梅 白城師范學(xué)院機械工程學(xué)院

目前我國民用鍋爐供暖大多數(shù)憑借工作人員的經(jīng)驗來操作，存在工作效率低、控制精度差等問題，且資源浪費較大，供暖效果不夠理想。設(shè)計了一套以PLC和WINCC為核心的供暖系統(tǒng)，進行了動態(tài)仿真。對比實踐結(jié)果表明，系統(tǒng)自動化程度高、實用性強，有利于鍋爐的安全優(yōu)化運行。

S7-200 PLC；變頻調(diào)速；WINCC組態(tài)；仿真

前言

目前我國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峻考驗。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、維護不方便，而且大多數(shù)采用人工來控制，勞動效率低、檢測誤差大。基于以上考慮，設(shè)計了一套安全優(yōu)化運行的鍋爐供暖控制系統(tǒng)。

1.設(shè)計思想

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，控制爐排的運動速度，增大燃燒量，使出水溫度達到設(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，影響供暖溫度，要及時補水。

2.設(shè)計原理

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，先由變送器檢測鍋爐管道的出/回水的壓力/溫度，并將采集值變?yōu)?～20mA的信號，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功能進行運算處理，再將結(jié)果經(jīng)EM235輸出傳給變頻器，控制電機，使出/回水的壓力保持設(shè)定值不變，實現(xiàn)恒壓供水；使出/回水的溫度保持設(shè)定值不變，實現(xiàn)恒溫供暖。

3.系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

（1）PLC選擇

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，確定系統(tǒng)輸入數(shù)字信號為4個，模擬信號為2個；系統(tǒng)輸出數(shù)字信號為8個，模擬信號為2個。根據(jù)I/O點數(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主機為PPI-RS485的接口，PC為USB接口，通訊時在PLC軟件中選擇USB接口就行，再把波特率改成187500。

（2）PLC擴展模塊

選用EM235模塊，具有模擬量輸入4路，模擬量輸出1路。系統(tǒng)需要對溫度信號和壓力信號進行采集，所以采用2個EM235模塊。

（3）壓力變送器

系統(tǒng)需對出/回水管道內(nèi)的壓力進行檢測，選用了航宇東方高科技HTsensor的數(shù)顯壓力變送器，型號為HT-8009HSM，適用于測量液體、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 回水壓力實時變化趨勢圖

圖5 回水溫度實時變化趨勢圖

（4）溫度變送器

系統(tǒng)需對出/回水溫度進行檢測，選用了奧脈絡(luò)的溫度變送器，型號為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，它是低壓交流傳動控制產(chǎn)品，適用于廣泛的工業(yè)控制領(lǐng)域，針對風機、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、冷卻風機、地鐵和隧道通風機等。變頻器型號為ACS510-01-012A-4 ，所控制的電機功率為5.5KW，工作電壓為380V～480V ，輸出額定電流為11.9A。

（6）電機

系統(tǒng)的爐排電機選用了5.5KW的三相異步電動機，其型號為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)補水泵選用了立式水泵，其型號IRG80-125，配用電機功率為5.5KW。

3.2 軟件設(shè)計

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

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象，計算機便會執(zhí)行相應(yīng)的操作。觸摸屏是人機界面發(fā)展的主流方向。系統(tǒng)選用通訊能力強的西門子Smart 700IE觸摸屏，其使用PPI與PC進行電纜通訊傳遞數(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。當切斷電源時，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，只要通過鼠標點擊就可以完成觸摸屏的項目構(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.當啟動按鈕按下時，回水溫度和回水壓力隨著壓力變送器和溫度變送器檢測，其值在不斷的變化，顯示當時階段回水壓力和回水溫度的變化情況。再由控制設(shè)備來對其進行控制，來達到系統(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，對回水壓力/溫度的實時變化做出組態(tài)趨勢圖。

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管內(nèi)回水壓力和回水溫度，再傳送給PLC，經(jīng)PID進行運算處理，控制ACS510變頻器，從而控制爐排電機和補水電機的運行狀態(tài)。同時通過觸摸屏實時監(jiān)控，來實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的安全運行，并對系統(tǒng)進行了動態(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)計提供了發(fā)展方向。

[1]李云.淺談我國鍋爐供暖現(xiàn)狀及改進措施[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，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（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