基于PLC的换热站控制系统设计说明书

吉林化工学院信控学院专业综合设计说明书基于PLC的换热站控制

学生学号：

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

职称：

起止日期：2016.8.29～2016.9.18

吉林化工学院

Jilin Institute of Chemical Technology

专业综合设计任务书

一、设计题目

换热站控制系统设计

二、适用专业

测控技术与仪器专业

三、设计目的

1. 了解换热机组工艺流程；

2. 了解温度、压力、液位及流量等工艺参数的信号测量及传输方法；

3. 掌握PLC各种典型信号（二线制、四线制变送器及热电阻、热电偶）接线方法；

4. 掌握PID控制算法及其在PLC中的编程和离线仿真及调试方法；

5. 熟悉自控工程实践设计及应用的一般步骤和实现方法。

四、设计任务及要求

某换热站工艺流程如下图所示，一次网进水由热水锅炉加热，经板式换热器与二次网进行换热后再返回锅炉。二次网循环水由循环泵P201加压后进行换热器，加热后进入管网对居民住户进行循环供热。

控制要求：

1．二次网供水温度PID控制：通过一次网调节阀V101进行供水温度定值控制；

2．二次网供水压力PID控制：通过循环泵调频进行供水压力定值控制；

3．补水箱水位限值控制：水箱水位小于低限时开补水阀，大于高限时关补水阀；

4．二次网回水压力限值控制：回水压力小于低限时启动补水泵，大于高限时停泵；

5．连锁控制（选做）：水箱水位小于低低限时，补水泵禁止运行；二次网回水压力小于低低限时，循环泵禁止运行；

6．流量/热量累计（选做）：增加一次网流量和回水温度仪表，实现流量和热量累计。

五、设计内容

1. 总结IO点表，并进行PLC系统选型；

2. 设计控制系统IO信号接线图纸；

3. 按上述控制要求编写和设计PLC控制程序；

4. 设计上位机操作画面，包括工艺流程画面、操作画面、趋势及报警等画面；

5. 撰写设计说明书。

六、设计时间及进度安排

设计时间共三周,具体安排如下表：

七、指导教师评语及学生成绩

目录

专业综合设计任务书...........................................................................................................................................I 第一章绪论 .. (1)

第二章换热站的介绍及设计简介 (2)

2.1 换热站的简介 (2)

2.2 换热站控制系统的构成与工艺流程图 (2)

2.3 换热站控制系统的组成 (2)

2.3.1 换热器 (2)

2.3.2循环水泵 (3)

2.3.3 阀门 (3)

2.3.4 温度计、压力表 (3)

2.3.5 PLC S7-300 (3)

2.4 系统总体设计方案思路 (4)

2.5 该方案要实现的控制功能 (4)

第三章换热站控制系统硬件设计 (5)

3.1 IO点表与PLC的选型 (5)

3.1.1 I/O点表的确定 (5)

3.1.2 PLC的选型 (6)

3.2 PLC的接线图 (6)

3.2.1 开关量输入 (6)

3.2.2 开关量输出 (7)

3.2.3 模拟量输入 (7)

3.2.4 模拟量输出 (8)

3.2.5主回路 (8)

第四章换热站控制系统下位机设计 (10)

4.1 压力信号数值转换 (10)

4.2 温度信号数值转换 (10)

4.3 PID控制 (10)

4.4 实型-整型的转换 (11)

4.5 循环泵控制程序 (12)

4.6 补水泵控制程序 (13)

4.7 补水箱水位控制程序 (13)

4.8二次回水补水控制程序 (14)

第五章换热站控制系统上位机设计 (15)

5.1 WinCC软件的简介 (15)

5.2 WinCC 组态软件的使用 (15)

5.2.1 创建新项目 (15)

5.2.2 与下位机仿真连接 (16)

5.2.3 创建连接变量 (16)

5.2.4 画面的建立 (17)

第六章系统的调试 (19)

6.1 运行下位机系统 (19)

6.1.1 打开仿真器 (19)

6.1.2 下载程序 (19)

6.1.3 运行结果 (20)

6.2 运行上位机系统 (20)

6.2.1 打开上位机 (20)

6.2.2 运行结果 (21)

实习总结 (22)

参考文献 (23)

第一章绪论

可编程控制器（PLC）在国内各行各业的应用极其广泛，随着科技的发展，plc的开发与应用把各国的工业推向自动化、智能化。强大的抗干扰能力使它在工业方面取代了微型计算机，方便的软件编程使他代替了继电器的繁杂连线，PLC的灵活、方便，效率高使它走进人们的各个生活领域。

随着国民经济的不断发展，人们对供暖质量的需求也在逐步提高。在传统的供热模式下，为满足供热需求，换热站内设备运行参数多为人工调节，随着室外温度及热负荷的不断改变，不断的人工调节二次供水温度以保证用户室内能够维持恒定的温度。在这种情况下，人工调节必然存在较大偏差，只能够根据经验达到粗调节，不能够使居民室内温度恒定。为了改变这一情况，多年以来供热行业一直在探讨开发能充分适应热负荷不断变化的细调节运行方式，以适应热负荷变化较大、调节频率较高对系统平衡能力的需求，满足热用户的合理需求，达到经济运行目的。

换热站是十九世纪末期，伴随经济的发展和科学技术的进步，在集中供暖的基础上发展起来的，它利用热水或蒸汽作为热媒，由集中的热源向一个城市或较大区域供应热能。集中供暖不仅为城市提供稳定。、可靠的热源，改善人民生活，而且与传统的分散供热相比，能节约能源和减少污染，具有明显的经济效益和社会效益。

通常换热站内部设备可分为两个部分，即采暖系统和民用生活系统，目前我国换热站大部分没有民用热水设施。今后随着国民经济的发展，人民生活水平的提高在换热站内应该普及生活热水系统，来提高集中供暖的效益。换热站的主要设备有：离心水泵、汽-水换热器、热水储水箱、过滤器、补水泵调节阀热媒参数调节和检测仪表、防止用户热水供应装置生锈和结垢的设备等。换热站内还安装有热量表以及调节供热量的自动调节装置。但是目前来说大部分换热站还不能实现全自动化无人值守，大部分缺乏控制手段，耗能严重造成资源的许多不必要的浪费。

第二章换热站的介绍及设计简介

2.1 换热站的简介

换热站按供热形式分直供站和间供站，前者是电厂直接供用户，温度高，控制难，浪费热能。是最初电厂余热福利供热的产物。后来开始收费，才有热力公司。随着商品经济发展，热商品化，热力公司开始提高供热质量，才有间供站，这属于集中供热。还有锅炉供热，省掉电厂环节，但是效率低，污染大已近淘汰。集中供热是发展方向，间供站为主。

2.2 换热站控制系统的构成与工艺流程图

换热站控制系统由以下3部分组成：

1.测量仪表及变送器。用于对换热站的运行参数及室内外温度进行测量，主要包括一二次供水温度、室内外温度、二次侧供水流量、一二次压力等测量传感器。

2.执行机构。对于换热站运行的个调节机构进行电动调节，主要由变频器和泵电机组成。

3.PLC和工控机。用对于换热站运行的自动控制和运行参数进行监测控制、记录、统计、报警、报表打印等。

换热站与热用户的连接方式为间接连接方式，即一次供水与二次供水分开，如图所示：

图2-1 地热低区控制系统工艺流程图

2.3 换热站控制系统的组成

换热站由换热器、循环泵、补水泵、变频器、流量计、水泵、进气阀、减压阀、自动排气阀、止回阀、温度表、压力表等组成，下面就来逐一介绍它们在换热站中所起的作用。

2.3.1 换热器

换热器是换热站结构中一个最为重要的部分，它是连接一次管网和二次管网的中间环节，它的主要功能是将一次管网的蒸汽和循环水混合，加热循环水送至用户。

换热站种类很多，换热器按照传递原理可以分为一下几种形式：

1.直接接触式换热器：利用冷热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。这类换热器具有传热效率高、单位体积的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，缺点是仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。

2.蓄热式换热器：借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交换接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。这类换热器具有结构紧凑价格便宜、单位体积面积大的优点。适合于汽——汽热交换的场所。

3.间壁式换热器：利用间壁将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器。

4.中间载热体式换热器：把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。工业中，最为常见的是管壳式换热器、板式换热器以及其他的各种紧凑高效的新型换热器。

2.3.2循环水泵

换热站的水利循环以及补水定压都需要水泵，水泵的种类很多，按工作原理分为：

1.叶片式水泵：它对流体的压送是靠装有叶片的叶轮的高速旋转完成的。包括离心泵、轴流泵、混流泵的等。

2.容积式水泵：它对液体的压送是靠泵体工作室的容积的改变完成的。如活塞式往复泵、转子泵等。

3.其他类型：上述的两种泵。如螺旋泵、射流泵、水锤泵、水轮泵以及气升泵等。他们都是利用高速液流的动能来输送液体的。

2.3.3 阀门

换热站中用到进气阀、减压阀、自动排气阀、止回阀等。自动排气阀是用来排出管道中蒸汽冷凝水，进气阀用来调节蒸汽量，减压阀是用来调节减少蒸汽的压力，止回阀是为了防止系统中的水倒流。

2.3.4 温度计、压力表

换热站中采用温度计、压力计来测量进气、出气、供水、出水温度和压力，给其运行调节提供依据。

2.3.5 PLC S7-300

可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

电源

可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去中央处理单元(CPU)

中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋

予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

输入输出接口电路

1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。

2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

功能模块

如计数、定位等功能模块。

2.4 系统总体设计方案思路

换热站控制系统的控制是一个多层次的复杂控制系统。由换热站控制柜和检测控制系统构成，控制柜完成循环水泵系统和补水系统的控制功能。

PLC可以根据室外温度传感器测量的室外温度对一次供气量进行控制，以达到对二次供水温度进行控制，提高供热质量的目的。PLC通过压力传感器和变频器来实现对二次供水压力的控制。换热站的运行程序独立存在于其控制系统PLC内，能够脱离上位机监控管理软件而独立运行，其运行可以通过中央控制室上位机监控管理系统来观察并实施调整。

2.5 该方案要实现的控制功能

1．二次网供水温度PID控制：通过一次网调节阀V101进行供水温度定值控制；

2．二次网供水压力PID控制：通过循环泵调频进行供水压力定值控制；

3．补水箱水位限值控制：水箱水位小于低限时开补水阀，大于高限时关补水阀；

4．二次网回水压力限值控制：回水压力小于低限时启动补水泵，大于高限时停泵；

5．连锁控制：水箱水位小于低低限时，补水泵禁止运行；二次网回水压力小于低低限时，循环泵禁止运行。

第三章换热站控制系统硬件设计

3.1 IO点表与PLC的选型

3.1.1 I/O点表的确定

I/O点表的意思是现场需要采集的点数，分开关量输入、输出，模拟量输入、输出。以此来配置PLC需要多少I/O模块。事先把点表定义好也是给后面写程序提供方便的。

表3-1 I/O点表

序号 IO标识中文说明IO类型PLC地址备注量程

1 V10

2 补水阀启动DO Q0.0

2 P201 循环泵启动DI I0.0

3 P201 循环泵停止DI I0.1

4 P201 循环泵故障DI I0.2

5 P201 循环泵运行DI I0.3

6 P201 循环泵启动DO Q0.1

7 P202 补水泵启动DI I0.4

8 P202 补水泵停止DI I0,5

9 P202 补水泵故障DI I0.6

10 P202 补水泵运行DI I0.7

11 P202 补水泵启动DO Q0.2

12 V101 调节阀开度反馈AI PIW256 2线制，4-20mA

13 P201 循环泵频率反馈AI PIW258 2线制，4-20mA

14 PT101 一次网进水压力AI PIW260 2线制，4-20mA 0-1.6MPa

15 PT201 二次网回水压力AI PIW262 2线制，4-20mA 0-1.6MPa

16 PT202 二次网供水压力AI PIW264 2线制，4-20mA 0-1.6MPa

17 LT 补水箱液位AI PIW266 0-5m

18 TT101 一次网进水温度AI PIW268 热电阻3线制接法

19 TT201 二次网回水温度AI PIW270 热电阻3线制接法

20 TT202 二次网供水温度AI PIW272 热电阻3线制接法

21 V101 调节阀开度控制AO PQW288

22 P201 循环泵频率控制AO PQW290

3.1.2 PLC的选型

不同型号的PLC的结构形式、性能、容量、质量系统、编程方式和价格等各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理的选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

表3-2 PLC的选型

序号型号名称数量备注

1 6ES7 331-1KF02-0AB0 模拟量输入模块(8路) 1

2 6ES7 332-5HF00-0AB0 模拟输出模块(8路) 1

3 6ES7 307-1EA01-0AA0 电源模块(5A) 1

4 6ES7 315-2EH14-0AB0 CPU315-PN/DP, 128K内存 1

5 6ES7 953-8LG11-0AA0 SIMATIC Micro内存卡64KByte(MMC) 1

6 6ES

7 392-1AJ00-0AA0 20针前连接器 2

7 6ES7 392-1AM00-0AA0 40针前连接器 2

8 6ES7 390-1AE80-0AA0 导轨(480mm) 1

9 控制柜800×600×2200 1

10 继电器16

11 开关电源24V/150W 1

12 柜内附材（信号线、端子排、线槽等）若干

3.2 PLC的接线图

3.2.1 开关量输入

信号从+24V流出，从各输入端口流入，控制循环泵和补水泵的运行。

图3-1 开关量输入cad图

信号从外接电源+24V的“+”端流入开关量输出模块的“L+”端，从各输出端口流出，最后流入“com”端口，控制补水阀、循环泵、补水泵的启动线圈。

图3-2 开关量输出CAD图

3.2.3 模拟量输入

将各传感器采集来的模拟量信号转变成数字量信号，以供PLC进行存储和运算等操作。

图3-3 模拟量输入CAD图

将PLC运算后的数字信号转变成模拟信号，输出到各控制器件，完成软件对硬件的控制操作。

图3-4 模拟量输出CAD图

3.2.5 电器控制原理

当总开关闭合，控制系统开始供电，电源指示灯L0亮，指示电源正常供电。当按下SB1按钮时，循环泵控制线圈吸合，循环泵开始工作，并完成自锁，持续运行，循环泵运行指示灯L1亮，指示循环泵正常运行。当热继电器断电保护时，常闭触点断开，循环泵停止运行，L1灭，常开触点闭合，循环泵故障指示灯L2亮，指示循环泵故障，；当按下SB2按钮时，补水泵控制线圈吸合，补水泵开始工作，并完成自锁，持续运行，补水泵运行指示灯L3亮，指示补水泵正常运行。当热继电器断电保护时，常闭触点断开，补水泵停止运行，L3灭，常开触点闭合，补水泵故障指示灯L4亮，指示补水泵故障。

图3-5 主回路CAD图

图3-6 控制回路CAD图

第四章换热站控制系统下位机设计

4.1 压力信号数值转换

将采集来的压力和液位信号利用FC105进行整型值-实型值的转换

公式：OUT = [ ((FLOAT (IN) - K1)/(K2 - K1)) * (HI_LIM - O_LIM)] + LO_LIM

常数K1和K2根据输入值是BIPOLAR还是UNIPOLAR设置

BIPOLAR：假定输入整型值介于-27648与27648之间，因此K1 = -27648.0，K2 = +27648.0 UNIPOLAR：假定输入整型值介于0和27648之间，因此K1 = 0.0，K2 = +27648.

图4-1 压力信号数值转换

4.2 温度信号数值转换

对采集来的温度信号进行整型-长整型-浮点数的转换，然后进行浮点数运算。

将采集来的参数除以10，就是实际温度。

图4-2 温度信号数值转换

4.3 PID控制

利用PID通过持续的输入和输出变量来控制工艺过程。

可以使用连续控制器作为PID固定设定值控制器或在多循环控制中作为层叠、混料或比率控制器。该控制器的功能基于使用模拟信号的采样控制器的PID控制算法，必要时可以通过加入脉冲发生器阶段进行扩展，为使用成比例执行机构的两个或三个步骤控制器生成脉冲持续时间调制输出信号。

图4-3 PID控制器

4.4 实型-整型的转换

将实型值利用FC106进行实型-整型的转换

公式：OUT = [ ((IN - O_LIM)/(HI_LIM - O_LIM)) * (K2 - K1) ] + K1，并根据输入值是BIPOLAR 还是UNIPOLAR设置常数K1和K2。

BIPOLAR：假定输出整型值介于-27648和27648之间，因此，K1 = -27648.0，K2 = +27648.0

UNIPOLAR：假定输出整型值介于0和27648之间，因此，K1 = 0.0，K2 = +27648.0

图4-4 实型-整型转换

4.5 循环泵控制程序

利用“启-保-停”程序控制循环泵的启停，并用指示灯指示循环泵运行状态。

图4-5 循环泵控制

4.6 补水泵控制程序

利用“启-保-停”程序控制补水泵的启停，并用指示灯指示补水泵运行状态。

图4-6 补水泵控制

4.7 补水箱水位控制程序

当补水箱液位小于0.5m时开启补水阀，当液位大于4.5m时关闭补水阀。

图4-7 补水箱水位控制

4.8二次回水补水控制程序

当二次回水压力不足0.3MPa时开启补水泵，当压力高于1.0MPa时关闭补水阀。

图4-8 二次回水补水控制

第五章换热站控制系统上位机设计

5.1 WinCC软件的简介

SIMATIC WinCC(Windows Control Center)--视窗控制中心，它是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。一方面，是其高水平的创新，它使用户在早期就认识到即将到来的发展趋势并予以实现；另一方面，是其基于标准的长期产品策略，可确保用户的投资利益。WinCC基本系统是很多应用程序的核心。它包含以下九大部件：

1.变量管理器:

变量管理器（tag management）管理WinCC中所使用的外部变量，内部变量和通讯驱动程序。

2．图形编辑器:

图形编辑器（graphics designer）用于设计各种图形画面。

3．报警记录:

报警记录（alarm logging）负责采集和归档报警消息。

4．变量归档:

变量归档（tag logging）负责处理测量值，并长期存储所记录的过程值。

5．报表编辑器:

报表编辑器（report designer）提供许多标准的报表，也可以设计各种格式的报表，并可按照预定的时间进行打印。

6．全局脚本:

全局脚本（global script）是系统设计人员用ANSI-C及Visual Basic 编写的代码，以满足项目的需要。

7．文本库:

文本库（text library）编辑不同语言版本下的文本消息。

8．用户管理器:

用户管理器（user administrator）用来分配，管理和监控用户对组态和运行系统的访问权限。

9．交叉引用表:

交叉引用表（cross-reference）负责搜索在画面，函数，归档和消息中所使用的变量，函数，OLE对象和ActiveX控件。

5.2 WinCC 组态软件的使用

5.2.1 创建新项目

第一步，新建单用户项目，如图5-1所示。

第二步，选择存储位置，项目命名后完成创建。