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PLC的锅炉供暖控制系统

目录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 课题的背景与发展趋势 1
1.2 课题主要设计任务 1
第二章 锅炉工艺供暖控制方案设计 3
2.1 锅炉简述 3
2.2 锅炉供暖控制工艺方案设计 3
2.3 工艺仪表参数确定 4
2.4 锅炉供暖控制系统工艺流程图 4
第三章 锅炉供暖控制系统的硬件选型与配置 6
3.1 s7-200 PLC概述及模块配置 6
3.2 锅炉供暖控制系统硬件通讯网络 6
3.3 锅炉供暖控制系统I/O分配表 7
3.4 PLC模块原理接线设计 9
第四章 锅炉供暖控制系统的PLC编程设计 12
4.1 STEP7编程软件概述 12
4.2 锅炉供暖控制系统的STEP7配置过程 12
4.2.1 新建工程项目 12
4.2.2 站点配置组态 13
4.2.3 模块参数设置 14
4.3 锅炉供暖控制系统的PLC程序编写 16
第五章 锅炉供暖控制系统的WinCC监控界面设计 21
5.1 WinCC7.3组态软件概述 21
5.2 WinCC7.3 项目创建设置 21
5.2.1 新建工程 21
5.2.2 变量驱动添加 21
5.2.3 创建变量 23
5.3 系统监控界面组态 25
5.3.1 烟气脱硫主界面组态 25
5.3.2 报表界面组态 26
5.3.3 曲线界面组态 27
5.3.4 报警记录界面组态 27
第六章 锅炉供暖控制系统的模拟运行测试 29
6.1 仿真器设置启动 29
6.2 锅炉供暖控制模拟运行测试 30
结论 35
参考文献 36
附录 37
附录1 锅炉供暖控制系统PLC程序 37
致谢 45

摘要
本设计主要以小型热水锅炉为研究对象，设计研究锅炉系统的监控界面为目的。在设计过程中，通过查阅文献和分析锅炉供暖控制系统工艺流程和工作原理要求，设计出适合本设计锅炉供暖控制系统供暖控制内容。对锅炉供暖控制系统采用PLC供暖控制系统进行分析，同时对现场供暖控制仪表进行选型，配置参数，利用AutoCAD绘制锅炉供暖控制系统的PLC模块电气原理接线图。然后根据锅炉供暖控制工艺要求，利用STEP7编程软件设置锅炉供暖控制系统硬件网络和通讯网络以及编写PLC供暖控制梯形图程序。其中硬件网络主要配置s7-200硬件组态配置选择，通讯网络MPI参数设置。在设计WinCC监控界面时，配置WinCC的通讯驱动，设置通讯参数，添加和链接变量，制作报警监控控件等等。利用仿真软件进行模拟仿真运行。
关键词：锅炉供暖控制；监控；WinCC；PLC；通讯

ABSTRACT
This design mainly takes the small hot water boiler as the research object, and designs the monitoring program and the interface design of the main control water temperature. In the process, through consulting literature, the operation process and working procedure requirements of boiler control system are analyzed. The control content of boiler control system suitable for this design is designed. The PLC control system is used to analyze the boiler control system. At the same time, the field control instruments are selected and the parameters are configured. The electrical principle wiring diagram of PLC module of boiler control system is plotted by AutoCAD.
Then according to the boiler control technology requirements, the boiler control system hardware network and communication network are set up by using STEP7 programming software, in which the hardware network is mainly configured with s7-200 hardware configuration. When designing WinCC monitor interface, configure the communication driver of WinCC, set communication parameters, add and link variables, make alarm monitoring control and so on.The boiler control is simulated by simulation software.
Keywords: boiler control; monitoring and control; WinCC-PLC; Communication

第一章 绪论
1.1 课题的背景与发展趋势
改革开放以来，中国社会经济飞速发展，城镇化规模不断扩大。进入21世纪，人们的生活水平不断提高，因此对生活供暖的居民数量和供暖的质量的要求也不断提高。当下，热水锅炉以及是人们生活必不可少的部分。热水锅炉具有较高的经济性，安全性，而越来越完善的自动化程度也受到居民们的认同。其中反映热水锅炉质量好坏的是热水锅炉的性能优劣。而这性能优劣也体现在人们的生活之中。如今，洗浴，供热等场所的大多数设备都是锅炉。
锅炉有蒸汽和热水两种供热方式，蒸汽在日常生活和工业生产中常用于发电、生产以及间接供热，热水主要用生活热水和生活供暖。由此可见，合理并高效的使用锅炉，让其作为供热源的功效发挥到最大，是工业生产以及生活的一个重要环节。
以微处理器为核心的PLC供暖控制技术是当下锅炉供暖控制系统的首选，无论是在锅炉的供暖控制精度和自动化程度上都非常可观，但大部分锅炉供暖控制系统的设计还不完善，因此需要设计一种全新的，自动化程度高，精度达到工业生产要求的加热锅炉供暖控制系统。以继电器。接触器为主的大部分工业生产供暖控制装置，在使用继电器组成的供暖控制系统出现的操作失误较多，可靠性不好。
1.2 课题主要设计任务
本设计任务要求是研究热水锅炉使用情况，锅炉供暖控制工艺环节流程和原理，为之后研发锅炉使用效率研发奠定基础。所以本设计主要设计任务如下所示：
（1）学习锅炉供暖控制系统的工艺流程和供暖控制要求，了解锅炉供暖控制系统现场仪表的工作原理和通讯方式。
（2）了解s7-200PLC供暖控制系统的原理和系统组成部分，s7-200与WinCC监控站的通讯方式和通讯地址参数设置。
（3）掌握STEP7V5.5编程软件的使用方法，熟练运用STEP7编程软件对锅炉供暖控制系统的硬件组态，并且编写锅炉供暖控制系统的梯形图程序，并且利用仿真软件进行程序验证。
（4）掌握WinCC7.3组态软件的使用方法，熟练运用WinCC组态软件对锅炉供暖控制系统的界面组态设计，界面控件使用和通讯驱动设置，并且运行监控界面进行验证。
（5）能够独立完成锅炉供暖控制的论文设计，总结设计的优势和不足之处，以及设计带来的心得。

第二章 锅炉工艺供暖控制方案设计
2.1 锅炉简述
锅炉主要包括加热炉和汽包锅组成，热水锅炉主要将燃料燃烧的热能对汽包锅内的水加热成蒸汽或沸水，锅炉内是热水可以供给居民生活供热，也可以为工业设备供热驱动设备，也可以为蒸汽动力推动装置提供推动动力，转化为机械能，然后通过蒸汽发电机将机械能转化为电能供电。热水锅炉在工业生产中主要动力推动和供热。
2.2 锅炉供暖控制工艺方案设计
本设计热水锅炉工艺组成主要有汽包锅炉、给水设备、送风设备、燃料供应设备、安全排水设备和热交换设备，具体组成如下图2-1所示。

图2-1 锅炉设备组成图
汽包锅炉：上为汽包锅，下为加热炉。汽包存储水以及加热存储设备。加热炉主要为燃料燃烧室为汽包加热。
热交换设备：主体为板式热交换，将汽包输送来的热水与设备输送来的冷水进行热交换。
给水设备：主要由给水泵、给水阀、供水管道、电磁流量计等组成。给水泵抽取原水，经过给水阀和电磁流量计为锅炉供水，保证锅炉正常用水。
送风设备：主要由供氧阀门和鼓风机组成，主要目的为加热炉提供充足的燃烧氧气。
燃料供应设备：包括加热炉燃烧所需要的燃料以及油路管道。
安全排水设备：主要由排水阀和污水池组成，当汽包运行异常时，为汽包泄压泄水。
2.3 工艺仪表参数确定
在锅炉供暖控制系统中，WinCC监控系统主要采集显示整个循环水系统的各个仪表数据，在系统仪表选型时，需要对选择的仪表进行数据参数筛选，如汽包水位采集使用液位计采集，采集范围为0到3m。循环水温度和锅炉温度采集采用热电偶采集，温度采集范围为0到150℃。管道内流量采用电磁流量采集，锅炉汽包压强采用压力变送器采集。根据锅炉供暖控制系统工艺流程，配置现场信号采集工艺仪表选型清单表，仪表选型配置具体参数如下表2-1所示。
表2-1 锅炉供暖控制系统仪表选型参数
序号 仪表工位号 仪表测量内容 参数范围 仪表类型
1 LT100 汽包水位 0~3m 液位计
2 PT200 汽包水压 0~5MPa 压力变送器
3 PT201 热水管道水压 0~5MPa 压力变送器
4 PT202 加热炉压力 0~5MPa 压力变送器
5 FT400 给水流量 0~2000 m3/h 电磁流量计
6 FT401 供氧流量 0~2000 m3/h 电磁流量计
7 FT402 循环水流量 0~2000 m3/h 电磁流量计
8 TT300 汽包水温 0~150℃ 热电偶
9 TT301 加热炉温 0~150℃ 热电偶
10 TT302 循环水热交换前温度 0~150℃ 热电偶
11 TT303 循环水热交换后温度 0~150℃ 热电偶
12 TT304 供热管道交换前温度 0~150℃ 热电偶
13 TT305 供热管道交换后温度 0~150℃ 热电偶
2.4 锅炉供暖控制系统工艺流程图
锅炉供暖控制系统运行模式可分为手动供暖控制和自动供暖控制，具体工艺流程如下图2-2所示。
手动模式：首先将系统切换到手动模式下，然后可以打开相对应的水泵电机启动信号和阀门打开信号，也可以停止某个阀门或电机运行。
自动模式：首先将锅炉供暖控制系统的模式由手动模式切换到自动模式后，然后按下锅炉供暖控制系统的启动按钮，锅炉供暖控制系统的系统运行灯亮起，系统进入到运行状态，汽包内的液位计实时采集汽包水位，如果汽包此时水位低于2.5米时，然后按下启动按钮，运行指示灯亮起，汽包水位计检测汽包水位，汽包水那么汽包给水阀关闭，同时水位低于1.5米时，给水泵启动为锅炉汽包补水；否则给水阀门和给水泵自动关闭。当汽包内压力变送器检测到炉压低于4MPa时，供氧阀门打开，加热炉内压强低于3MPa时，并且汽包水位低于120℃时，鼓风机立即启动。否则供氧阀关闭，鼓风机停止。当锅炉热水加热到90℃以上后，循环热水阀打开，循环热水泵启动向板式热交换器供应热水，当汽包内压强大于3.5MPa时，汽包压强过大，排水阀打开泄压保护，系统停止。
图2-2 系统供暖控制流程图

第三章 锅炉供暖控制系统的硬件选型与配置
3.1 s7-200 PLC概述及模块配置
由德国西门子公司生产的可编程序供暖控制器（PLC)衍生出了一系列产品，s7-200就是其中之一。s7-200PLC供暖控制系统硬件主要由信号模块（SM）、通讯处理器（CP）、导轨、CPU模块、电源模块（PS）、借口模块（IM）和功能模块（FM）组成。
集成了PROFIBUS-DP接口和MPI点对点通讯端口CPU 317-2，可以使用以下PROFIBUS通讯协议，也可以使用MPI点对点通讯协议。
数字量输入SM321模板用于外部数字量信号输入。使用于连接标准开关和两线制接近开关。使用于小功率电机、交流接触器等等。
模拟量输入SM331模块主要用于采集外部模拟量输入，主要采集信号为0到10V电压或4到20mA电流，并且经过转化为PLC内数据。
而模拟量输出SM332模块主要输出0到10V电压或4到20mA电流供暖控制模拟量设备。
根据热水锅炉供暖控制系统的供暖控制内容，统计出PLC模块配置表，如下表3-1所示。
表3-1 锅炉供暖控制系统PLC 选型与配置表
名称 型号 订货号 数量 插槽号
基架 Rail 6ES7 300-1TA01-0A0 1个 0
电源模块 PS307 10A 6ES7 307-1KA01-0AA0 1 块 1
CPU模块 CPU317-2 6ES7 317-2AJ10-0AB0 1 块 2
DI模块 SM 321 6ES7 321-1BH00-0AA0 1 块 4
DO模块 SM 322 6ES7 322-1BH00-0AA0 1 块 5
AI模块 SM 331 6ES7 331-7KF00-0AB0 2 块 6
7
AO模块 SM 332 SM 332 6ES7 332-5HB01-0AB0 1 块 8
3.2 锅炉供暖控制系统硬件通讯网络
在整个锅炉供暖控制系统的通讯网络中，主要分上位机管理层和下位机操作层。其中下位机PLC中的CPU317-2模块配置MPI和DP通讯端口，MPI主要用于WinCC通讯，DP用于PLC与远程站通讯。在主站s7-200中主要配置了如下图3-1所示的模块，这些模块都用于热水锅炉供暖控制系统，并且在配置过程中需要考虑备用通道。

图3-1 锅炉供暖控制系统硬件网络配置图
3.3 锅炉供暖控制系统I/O分配表
根据锅炉供暖控制系统的工艺要求设计，整个PLC供暖控制系统主要的信号采集为现场工艺仪表数据输入输出信号、各个阀门开闭信号、电机启停信号、按钮开关信号和报警输入信号等等，具体I/O地址分配如下表所示。
1、下表如3-2所示为热水锅炉的模拟量AI/AO点分配清单地址。
表3-2 锅炉供暖控制系统AI/AO点分配清单
序号 仪表位号 变量名称 信号类型 I/O变量地址
1 LT100 汽包水位 AI PIW256
2 PT200 汽包水压 AI PIW258
3 PT201 热水管道水压 AI PIW260
4 PT202 加热炉压力 AI PIW262
5 FT400 给水流量 AI PIW264
6 FT401 供氧流量 AI PIW266
7 FT402 循环水流量 AI PIW268
8 备用 备用 AI PIW270
9 TT300 汽包水温 AI PIW272
10 TT301 加热炉温 AI PIW274
11 TT302 循环水热交换前温度 AI PIW276
12 TT303 循环水热交换后温度 AI PIW278
13 TT304 供热管道交换前温度 AI PIW280
14 TT305 供热管道交换后温度 AI PIW282
15 备用 备用 AI PIW284
16 备用 备用 AI PIW286
17 FV500 供氧风机频率 AO PQW256
18 备用 备用 AO PQW258
19 备用 备用 AO PQW260
20 备用 备用 AO PQW262
2、锅炉供暖控制系统的DI/DO点分配清单地址表如3-3所示。
表3-3 锅炉供暖控制系统DI/DO点分配清单
序号 仪表位号 变量名称 信号类型 I/O变量地址
1 SA1 手自动切换 DI I0.0
2 SB1 急停按钮 DI I0.1
3 SB2 启动按钮 DI I0.2
4 SA2 鼓风机启动开关 DI I0.3
5 SA3 给水泵启动开关 DI I0.4
6 SA4 循环热水泵启动开关 DI I0.5
7 SA5 供氧阀启动开关 DI I0.6
8 SA6 给水阀启动开关 DI I0.7
9 SA7 热水阀启动开关 DI I1.0
10 SA8 排水阀启动开关 DI I1.1
11 Alarm1 鼓风机报警信号 DI I1.2
12 Alarm2 给水泵报警信号 DI I1.3
13 Alarm3 循环热水泵报警信号 DI I1.4
14 SA9 备用 DI I1.5
15 SA10 备用 DI I1.6
16 SA11 备用 DI I1.7
17 M1 鼓风机 DO Q0.0
18 M2 给水泵 DO Q0.1
19 M3 循环热水泵 DO Q0.2
20 KA1 供氧阀 DO Q0.3
21 KA2 给水阀 DO Q0.4
22 KA3 热水阀 DO Q0.5
23 KA4 排水阀 DO Q0.6
24 备用 备用 DO Q0.7
25 HL1 运行指示灯 DO Q1.0
26 HL2 系统报警灯 DO Q1.1
27 HL3 鼓风机指示灯 DO Q1.2
28 HL4 鼓风机报警灯 DO Q1.3
29 HL5 给水泵指示灯 DO Q1.4
30 HL6 给水泵报警灯 DO Q1.5
31 HL7 循环热水泵指示灯 DO Q1.6
32 HL8 循环热水泵报警灯 DO Q1.7
经过以上I/O数量统计和分配，所得到锅炉供暖控制系统需要52个I/O点数，其中分别为DI共有13点，DO共有15点，AI共13点, AO共1点。

3.4 PLC模块原理接线设计
在绘制PLC模块输入输出接线图时，首先需要对锅炉供暖控制系统各个变量进行地址分配以及位号定义，然后根据PLC硬件分配图的模块配置位置，绘制设计PLC模块的原理接线图。
其中SM321为数字量输入模块，该模块的I/O输入通道有16点，工作电压为直流24V电压，而锅炉供暖控制系统DI需要13点，而SM321模块主要输入信号主要有按钮开关、报警检测信号、设备手动供暖控制开关等，具体原理接线图如下图3-2所示。

图3-2 数字量输入SM321模块原理接线图
图3-3所示为 SM322数字量输出模块的原理接线图，该模块工作电压为直流24V，I/O输出通道有16点，而热水锅炉供暖控制系统输出点有15个，该模块主要输出供暖控制水阀、报警指示灯以及中间继电器供暖控制水泵电机。