基于PLC和變頻器鍋爐控制系統(tǒng)

程俊紅

摘 要：該控制系統(tǒng)以兩臺(tái)工業(yè)控制機(jī)作為上位機(jī)，以西門子S7-300可編程控制器為下位機(jī)，系統(tǒng)通過變頻器控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行和調(diào)速。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用三維力控PCAuto3.6設(shè)計(jì)，主要完成系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟/?？刂?、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。下位機(jī)控制程序采用西門子公司的STEP7編程軟件設(shè)計(jì)，主要完成模擬量信號(hào)的處理，溫度和壓力信號(hào)的PID控制等功能，并接收上位機(jī)的控制指令以完成風(fēng)機(jī)啟/?？刂?、參數(shù)設(shè)定、循環(huán)泵控制和其余電動(dòng)機(jī)的控制。

關(guān)鍵字：上位機(jī)；下位機(jī)；STEP7；PID

本系統(tǒng)供暖鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由進(jìn)口變頻器、可編程控制器、壓力變送器、溫度變送器和泵房機(jī)組以及電氣控制柜等組成。其中泵房機(jī)組包括：1#引風(fēng)機(jī)為90 kw，變頻啟動(dòng)和調(diào)速；2#鼓風(fēng)機(jī)37kw，變頻啟動(dòng)和調(diào)速；3#、4#循環(huán)水電機(jī)為75 kw，變頻啟動(dòng)和調(diào)速；其余電動(dòng)機(jī)10臺(tái)，均為直接啟動(dòng)，功率為5kw，工頻運(yùn)行。

1 總體設(shè)計(jì)思路

本文針對(duì)供暖鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套基于變頻調(diào)速技術(shù)的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)。鍋爐供暖系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)和水泵通過變頻器來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過工控機(jī)和可編程控制器對(duì)鍋爐系統(tǒng)中的鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、爐排電機(jī)、循環(huán)水泵實(shí)現(xiàn)控制。控制系統(tǒng)以兩臺(tái)工業(yè)控制機(jī)作為上位機(jī)，以西門子S7-300可編程控制器為下位機(jī)。上位機(jī)采用高可靠性的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，通過監(jiān)控軟件完成人機(jī)界面及故障報(bào)警功能，下位機(jī)采用西門子公司S7-300可編程控制器，實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)和管網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，控制水平和硬件可靠性大大提高。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)風(fēng)機(jī)和循環(huán)泵采用變頻啟動(dòng)和調(diào)速。變頻器輸入電源前面接入一個(gè)自動(dòng)空氣開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)、變頻器的過流過載保護(hù)接通，雖然變頻器本身就有欠壓、過壓，過流、過載等保護(hù)功能，但是對(duì)于有工頻運(yùn)行的水泵電動(dòng)機(jī)，還需要在工頻電源下面接入相應(yīng)的熱繼電器，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的過流過載保護(hù)。

本系統(tǒng)采用4臺(tái)變頻器連接4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，其中1號(hào)變頻器控制引風(fēng)電機(jī)，功率為90KW，變頻工作方式，電機(jī)通過一個(gè)接觸器和變頻器輸出電源相聯(lián)，2號(hào)變頻器控制鼓風(fēng)機(jī)，功率為37KW，變頻工作方式，電機(jī)通過一個(gè)接觸器與變頻輸出電源連接。3號(hào)變頻器控制一臺(tái)循環(huán)泵，4號(hào)變頻器控制一臺(tái)循環(huán)泵，功率都為75KW，一臺(tái)作為備用，均采用變頻工作方式。補(bǔ)水泵，爐排電機(jī)等采用工頻運(yùn)行方式，功率為5KW。

圖1 控制系統(tǒng)的控制回路

在控制電路的設(shè)計(jì)中，首先要考慮弱電和強(qiáng)電之間的隔離的問題。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，所有控制電機(jī)、接觸器的動(dòng)作，都是按照PLC的程序邏輯來完成的。為了保護(hù)PLC設(shè)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(jī)動(dòng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的強(qiáng)電和弱電之間的隔離，保護(hù)系統(tǒng)，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)、欠壓、過壓保護(hù)，電機(jī)的故障指示，變頻器的故障指示以及報(bào)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(tǒng)電機(jī)的當(dāng)前工作狀態(tài)指示燈的設(shè)計(jì)，為了節(jié)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(yīng)常開觸點(diǎn)的斷開和閉合來控制相應(yīng)電機(jī)指示燈的亮和熄滅，指示當(dāng)前系統(tǒng)電機(jī)的工作狀態(tài)。變頻器啟動(dòng)。當(dāng)變頻器故障輸出時(shí)，開始報(bào)警HA1鈴響，報(bào)警指示燈亮。按下復(fù)位按鈕SB3，中間繼電器KA2接通，常閉觸頭KA2打開，解除報(bào)警，變頻器停止運(yùn)行。使電動(dòng)機(jī)停止時(shí)，按下按鈕SB2，接觸器線圈失電，主觸頭KM1打開，電動(dòng)機(jī)停止。

自動(dòng)控制時(shí)，扳動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1，通過PLC編程控制，來完成電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制?？刂齐娐啡鐖D1所示。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

PLC控制程序采用西門子編程軟件STEP7V5.3設(shè)計(jì)，STEP7V5.3是專門用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，支持梯形圖（LAD）語(yǔ)言、語(yǔ)句表（sTL）語(yǔ)言和功能塊圖（FBD）語(yǔ)一言。

PLC控制程序由一個(gè)主程序和若干子程序構(gòu)成，編程、調(diào)試等全部在計(jì)算機(jī)上完成，編譯后通過MPI接口下載到PLC。系統(tǒng)功能如圖2所示

圖2 PLC控制程序設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)供暖鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由進(jìn)口變頻器、可編程控制器、壓力變送器、溫度變送器和泵房機(jī)組以及電氣控制柜等組成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)具有以下功能：（1）手動(dòng)/自動(dòng)控制。電動(dòng)機(jī)起?？刂埔缶哂凶詣?dòng)和手動(dòng)兩種功能。（2）過溫超過報(bào)警。按要求，鍋爐控制系統(tǒng)必須包含超溫超壓報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)中的溫度、壓力等信號(hào)超過上下限時(shí)，提示報(bào)警信息。（3）監(jiān)控設(shè)計(jì)。根據(jù)用戶需求，人機(jī)界面及故障報(bào)警功能。

參考文獻(xiàn)

[1]李素玲等.恒壓供水自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].中國(guó)給水排水，2004年3月.

[2]鐘肇新.可編程序控制器原理及應(yīng)用[M].華南理工大學(xué)出版社，2002年.

[3]韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000年.