基于S7-300PLC電廠循環水余熱回收的控制系統設計

羅野 汪琴

【摘要】 隨著電廠規模的不斷地擴大，電廠生產過程中的冷卻水即工業廢水也在不斷地增加，廢水的熱量回收變得尤為重要。本文敘述了廢水熱能回收的控制系統，其上位機采用WinCC組態軟件，下位機采用S7-300PLC作為控制器。余熱回收原理是熱廢水和冷自來水經過板式換熱器進行熱交換。以熱廢進水和冷水出水溫度之差為主被控參數，通過PID算法，使熱回收效率大幅度提高，達到熱量回收的最大化，對能源的可持續發展有很大的意義。

【關鍵詞】 余熱回收 S7-300PLC WinCC 水循環

一、電廠余熱回收系統總體設計方案

熱電廠廢水余熱回收系統是利用工廠污水通過熱交換器和冷水進行熱交換，冷水經過熱交換后吸收了污水中的熱量，而污水則通過管道排入污水池進行污水處理。經過加熱后的冷水流入蓄水池作為熱電廠附近建筑的備用水，完全減少了平常加熱自來水耗費的時間和能源。不但考慮到環境保護的問題，同時兼顧了節能的效率，真正實現了環保經濟一體化的目標。

1.1電廠廢水余熱回收工藝原理

熱電廠廢熱水進入工業板式換熱器與冷水進行熱交換，此時冷水吸收污水中的熱量，而污水將存蓄的熱能得到釋放后，通過管道回入污水池。經由板式熱交換器交換過的熱水，它可以自己借助自來水本身的特點進行各點的輸送，通過原有的熱水管道輸送到附近建筑供暖設備。這樣就可以保證周圍建筑的部分熱水需求量，進一步節省運行費用，從而可以達到節約能源、提高生產效率的目的。

1.2系統設計原理

本文中用到的軟件分別為WinCC和PLC兩種。上位機采用組態軟件WinCC進行系統監控，下位機采用S7-300PLC進行主機控制。設計中以MM420作為系統的執行器件，以溫度變送器和液位壓力變送器作為整個系統的核心部件。如圖1系統設計的原理圖。

二、硬件選型與設計

2.1 傳感器的選擇

傳感器即為檢測元件是指按照不同的原理構成的，它實現的功能是從被測量的參量中檢測到有用信息的器件。是完成自動檢測和控制的首要環節。本設計中主要用到以下傳感器。

2.1.1 溫度傳感器

溫度傳感器采用的熱電阻PT100，它可以進行溫度的變換功能。與工業中使用的熱電阻配合使用的是兩線制輸出方式。它的溫度信號輸出大約在直流4-20mA之間。

2.1.2 壓力傳感器

壓力變送器使用的陶瓷壓阻式傳感器。適用于表壓、絕壓和負壓的測量，陶瓷傳感器因為其介質是絕緣的陶瓷介質，在壓力的作用下，陶瓷膜片產生變形，厚膜電阻會印制在膜片的背后，即連成一個惠斯通電橋，因為壓敏電阻存在壓阻效應，可以是惠斯通電橋產生一個與壓力成正比，并且是線性集成度高、與激勵電壓也成正比的電壓信號。其補償的溫度在0-70℃，憑借它的功能可以實現與很多介質直接接觸。

2.2 變頻器

采用MM420變頻器主要用于廢水池液位的高度，與給定的高度不一致時，利用變頻器對三相交流電動機的頻率進行相應的改變，使得電動機的轉速發生變化，控制水池的高度。直到與給定液位一致。需要對變頻器進行一系列的參數設置，對變頻器進行初始化以后，再對其參數進行設置。

2.3 熱交換器

熱交換器的工作原理是通過冷熱水在熱交換器內部流通，冷熱水之間由管道隔離，將熱水的溫度傳遞給冷水，然后經自來水系統將交換后的熱水傳遞到各個使用點，實現熱量的傳遞功能。

2.4 硬件電路設計

本設計中使用了CPU313-2DP作為控制器的系統設計，熱電阻PT100檢測到的實際水溫成電流信號，之后再經過SM334模擬量的輸入模塊轉化為數字量信號并且將信號送至PLC中進行相關的PID調節。將各個傳感器接入到S7-300 PLC的模擬量輸入端口中，將各個按鈕接入到數字量輸入端口中，同時PLC為其供電。然后，將信號指示燈接入到數字量的輸出端口，將變頻器接入到模擬量的輸出端口。在接完變頻器后，需要將兩個變頻器都接地，保護變頻器，防止漏電。如圖2所示系統硬件接線圖

三、控制系統程序設計

根據系統需要，分配系統需要的相關地址，需要六個輸入和兩個輸出。三個模擬量輸入和兩個模擬量輸出。根據液位，溫差和壓力的PID建立的背景數據塊，設置需要的PID內存地址。選擇帶有DI16/DO16的CPU 313-2DP模塊進行PLC的硬件組態，

3.1溫差程序設計

溫差程序設計在S7 PLC 300中，對于模擬量的相關采集是由功能塊FC105來完成的，在標準庫查找并調用出FC105，方可直接對模擬量的相關數據進行一系列的轉換。本設計中的熱進，冷出溫度采集程序，溫差采集程序中的熱進冷出的溫度通過減法程序，經過PID比較之后的輸出值，經過FC106轉換為0～27648間的數，通過D/A轉換，轉換為執行器能夠接受的電流信號或電壓信號。PID程序

通過FC105得到現場實際溫差，在PID模塊中與設定溫差進行比較之后，將輸出值輸入到FC106，通過FC106得到0～27648間的數，將這個數通過AO模塊D/A轉換，轉換為變頻器能夠接受的4～20mA的電流信號，控制熱水的流量。

3.2溫度報警程序設計

溫度報警程序設定當溫差低于下限6攝氏度或高于上限25攝氏度的時候，系統會進行相應的報警；同時也設定了廢熱水池的液位報警程序，當超過設定范圍時，系統會進行相應的報警，以便提醒操作人員進行查看。

四、上位機畫面設計

本文采用的是WinCC組態軟件和下位機PLC相結合下，對電廠的廢水的熱回收系統進行實時監控，使熱量的回收達到最大化，使熱回收效率大幅度提高，系統穩定性也更好。

4.1 WinCC編程設計

啟動WinCC，創建工程，選擇單用戶項目；填入工程名和存儲位置。為通訊驅動選擇界面，設置TCP/IP的連接屬性并且設置IP地址和CPU插槽號。為連接屬性和IP地址和CPU插槽號設置，畫面編輯設置和變量地址屬性界面，用戶管理器中添加新的用戶，用戶管理器，添加新用戶，設置登陸用戶名和登陸密碼，對新建的用戶設置權限，選擇改變畫面權限。

4.2主控界面設計

在登陸界面和工藝流程圖中，為了能夠更加理解工廠的廢水余熱回收的控制原理。設置登陸用戶登陸。密碼錯誤時，彈出對話框“沒有許可權”。 在工廠廢水余熱回收的主控界面里的按鈕分別可以實現對“液位歷史曲線”、“壓力歷史曲線”、“溫差歷史曲線”、“液位報警”這四個畫面進行畫中畫的切換顯示。如圖3所示。

五、系統運行調試

5.1 監控畫面

利用WinCC 組態軟件來監控畫面，將編寫好廢水余熱回收利用系統程序下載到S7-300中，觀察變化。利用STEP 7軟件，打開三相電源開關對鍋爐進行加熱，當加熱到60度左右時，打開水泵和變頻器，讓冷水與熱水通過板式熱換器進行熱交換。等待所有的過程完成后，將檢測到的畫面與原先設想的畫面進行對比，如圖4、5、6所示，為液位歷史曲線、壓力歷史曲線、溫度歷史曲線。

5.2 運行分析

從圖分析電廠排出的熱廢水與原本預定加熱的冷水的差值達到恒定溫差，系統運行將熱水與冷水通過換熱器進行熱能傳遞交換，將廢熱水的熱能傳遞給冷水，冷水在加熱的情況下溫度開始逐漸上升，而熱水在熱量轉換之后溫度逐漸下降，繼而使得兩者的溫度差慢慢減小，達到了保持恒溫的基礎要求。在PID的調節下，兩水溫溫差不斷接近原先設定值并且讓設定值慢慢地趨于穩定。

參 考 文 獻

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