基于PLC和變頻器鍋爐控制系統

程俊紅

摘 要：該控制系統以兩臺工業控制機作為上位機，以西門子S7-300可編程控制器為下位機，系統通過變頻器控制電動機的啟動、運行和調速。上位機監控軟件采用三維力控PCAuto3.6設計，主要完成系統操作界面設計，實現系統啟/停控制、參數設定、報警聯動、歷史數據查詢等功能。下位機控制程序采用西門子公司的STEP7編程軟件設計，主要完成模擬量信號的處理，溫度和壓力信號的PID控制等功能，并接收上位機的控制指令以完成風機啟/停控制、參數設定、循環泵控制和其余電動機的控制。

關鍵字：上位機；下位機；STEP7；PID

本系統供暖鍋爐自動控制系統，主要由進口變頻器、可編程控制器、壓力變送器、溫度變送器和泵房機組以及電氣控制柜等組成。其中泵房機組包括：1#引風機為90 kw，變頻啟動和調速；2#鼓風機37kw，變頻啟動和調速；3#、4#循環水電機為75 kw，變頻啟動和調速；其余電動機10臺，均為直接啟動，功率為5kw，工頻運行。

1 總體設計思路

本文針對供暖鍋爐自動控制系統，設計一套基于變頻調速技術的鍋爐監控系統。鍋爐供暖系統中的風機和水泵通過變頻器來調節電機的轉速，通過工控機和可編程控制器對鍋爐系統中的鼓風機、引風機、爐排電機、循環水泵實現控制。控制系統以兩臺工業控制機作為上位機，以西門子S7-300可編程控制器為下位機。上位機采用高可靠性的工業控制計算機，通過監控軟件完成人機界面及故障報警功能，下位機采用西門子公司S7-300可編程控制器，實現鍋爐燃燒系統和管網系統的自動控制，控制水平和硬件可靠性大大提高。

2 硬件設計

根據本設計的要求，本系統風機和循環泵采用變頻啟動和調速。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關，來實現電機、變頻器的過流過載保護接通，雖然變頻器本身就有欠壓、過壓，過流、過載等保護功能，但是對于有工頻運行的水泵電動機，還需要在工頻電源下面接入相應的熱繼電器，來實現電機的過流過載保護。

本系統采用4臺變頻器連接4臺電動機，其中1號變頻器控制引風電機，功率為90KW，變頻工作方式，電機通過一個接觸器和變頻器輸出電源相聯，2號變頻器控制鼓風機，功率為37KW，變頻工作方式，電機通過一個接觸器與變頻輸出電源連接。3號變頻器控制一臺循環泵，4號變頻器控制一臺循環泵，功率都為75KW，一臺作為備用，均采用變頻工作方式。補水泵，爐排電機等采用工頻運行方式，功率為5KW。

圖1 控制系統的控制回路

在控制電路的設計中，首先要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。在整個控制系統中，所有控制電機、接觸器的動作，都是按照PLC的程序邏輯來完成的。為了保護PLC設備，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是通過中間繼電器去控制電機動作。在PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，其目的是為了實現系統中的強電和弱電之間的隔離，保護系統，延長系統的使用壽命，增強系統工作的可靠性。系統要實現手動自動、欠壓、過壓保護，電機的故障指示，變頻器的故障指示以及報警輸出，模擬量的輸入、輸出模塊。

控制電路中還必須考慮系統電機的當前工作狀態指示燈的設計，為了節省PLC的輸出端口，在電路中可以采用PLC輸出端子的中間繼電器的相應常開觸點的斷開和閉合來控制相應電機指示燈的亮和熄滅，指示當前系統電機的工作狀態。變頻器啟動。當變頻器故障輸出時，開始報警HA1鈴響，報警指示燈亮。按下復位按鈕SB3，中間繼電器KA2接通，常閉觸頭KA2打開，解除報警，變頻器停止運行。使電動機停止時，按下按鈕SB2，接觸器線圈失電，主觸頭KM1打開，電動機停止。

自動控制時，扳動轉換開關SA1，通過PLC編程控制，來完成電動機的自動控制。控制電路如圖1所示。

3 系統軟件的設計

PLC控制程序采用西門子編程軟件STEP7V5.3設計，STEP7V5.3是專門用于SIMATIC S7-300/400站創建可編程邏輯控制程序的標準軟件包，支持梯形圖（LAD）語言、語句表（sTL）語言和功能塊圖（FBD）語一言。

PLC控制程序由一個主程序和若干子程序構成，編程、調試等全部在計算機上完成，編譯后通過MPI接口下載到PLC。系統功能如圖2所示

圖2 PLC控制程序設計流程圖

4 系統功能

本系統供暖鍋爐自動控制系統，主要由進口變頻器、可編程控制器、壓力變送器、溫度變送器和泵房機組以及電氣控制柜等組成。根據設計要求，系統具有以下功能：（1）手動/自動控制。電動機起停控制要求具有自動和手動兩種功能。（2）過溫超過報警。按要求，鍋爐控制系統必須包含超溫超壓報警功能，當系統中的溫度、壓力等信號超過上下限時，提示報警信息。（3）監控設計。根據用戶需求，人機界面及故障報警功能。

參考文獻

[1]李素玲等.恒壓供水自動測控系統的設計與實現[M].中國給水排水，2004年3月.

[2]鐘肇新.可編程序控制器原理及應用[M].華南理工大學出版社，2002年.

[3]韓安榮.通用變頻器及其應用（第二版）[M].北京：機械工業出版社，2000年.