燃煤鍋爐PLC控制系統設計

李雪梅 白城師范學院機械工程學院

燃煤鍋爐PLC控制系統設計

李雪梅 白城師范學院機械工程學院

目前我國民用鍋爐供暖大多數憑借工作人員的經驗來操作，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。設計了一套以PLC和WINCC為核心的供暖系統，進行了動態仿真。對比實踐結果表明，系統自動化程度高、實用性強，有利于鍋爐的安全優化運行。

S7-200 PLC；變頻調速；WINCC組態；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。以往供暖系統采用繼電器-接觸器控制，控制系統體積龐大、接線復雜、控制精度低、維護不方便，而且大多數采用人工來控制，勞動效率低、檢測誤差大。基于以上考慮，設計了一套安全優化運行的鍋爐供暖控制系統。

1.設計思想

系統由西門子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。出/回水溫度與室內外的溫度有關，每天不同時間段，依據用戶的用熱量與室外溫度來設定鍋爐的出水溫度；根據回水溫度值，控制爐排的運動速度，增大燃燒量，使出水溫度達到設定值。

（2）保證鍋爐的出/回水壓力，在一定值范圍內。鍋爐的出/回水壓力與供暖管道是否失水有關，失水量過大，說明管道有漏點，影響供暖溫度，要及時補水。

2.設計原理

系統是由PLC、變頻器、變送器和觸摸屏等構成。控制原理如圖1所示，先由變送器檢測鍋爐管道的出/回水的壓力/溫度，并將采集值變為4～20mA的信號，送至EM235，轉換成數字量送給PLC，與預先設定值，經由PLC自帶的PID功能進行運算處理，再將結果經EM235輸出傳給變頻器，控制電機，使出/回水的壓力保持設定值不變，實現恒壓供水；使出/回水的溫度保持設定值不變，實現恒溫供暖。

3.系統設計

3.1 硬件設計

（1）PLC選擇

根據系統控制要求，確定系統輸入數字信號為4個，模擬信號為2個；系統輸出數字信號為8個，模擬信號為2個。根據I/O點數和控制功能，系統選擇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

系統需對出/回水管道內的壓力進行檢測，選用了航宇東方高科技HTsensor的數顯壓力變送器，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

系統需對出/回水溫度進行檢測，選用了奧脈絡的溫度變送器，型號為AM-101一體化溫度變送器。

（5）變頻器

系統選擇了ABB公司的ACS510系列變頻器，它是低壓交流傳動控制產品，適用于廣泛的工業控制領域，針對風機、水泵應用做了特別的優化，典型的應用包括恒壓供水、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 軟件設計

V4.0 STEP7 MicroWIN SP6編程軟件是西門子S7-200 PLC的應用編程軟件，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。下面給出了系統主要程序的流程圖，供暖系統主程序流程圖如圖2所示，供暖系統的回水溫度控制子程序流程圖如圖3所示。

3.3 組態監控設計

觸摸屏是一種最直觀的操作設備，只要用手指觸摸屏幕上的圖形對象，計算機便會執行相應的操作。觸摸屏是人機界面發展的主流方向。系統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據， PC通過9針D型的數據連接器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的電源開關連接到觸摸屏電源接口上，這樣可以與PC通電。

WinCC組態軟件功能多，初學者容易上手。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成。使用圖形組成的設置，優化了配置任務的復雜性。系統選用軟件版本WinCC Flexible 2008。

組態界面設計步驟：1.根據鍋爐供暖系統的控制要求，編寫HMI組態畫面圖；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。再由控制設備來對其進行控制，來達到系統設定值。

4.系統仿真

根據鍋爐供暖控制系統的要求，對回水壓力/溫度的實時變化做出組態趨勢圖。

5.結論

（1）依據燃煤鍋爐供暖控制系統的要求，系統采用西門子S7-200 CPU224CN的PLC作為控制核心。根據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回水壓力和回水溫度，再傳送給PLC，經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。同時通過觸摸屏實時監控，來實現整個控制系統的安全運行，并對系統進行了動態仿真。

（2）系統的研制成功，為PLC在鍋爐控制中的應用提供了依據，為鍋爐的優化設計提供了發展方向。

[1]李云.淺談我國鍋爐供暖現狀及改進措施[J].內蒙古科技與經濟，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中的應用[J].河南科技學院學報（自然科學版），2011，02

圖3 供暖系統的回水溫度控制子程序流程圖