1、 评定成绩： 楼宇自动化系统原理与应用课程设计报告 题 目：供热系统自动控制系 、 部： 自动化 组员姓名： 陈旭、张潍、张国正、张强刘志敏、王良平、张颖、杨文华指导教师： 林海波 专 业： 电器工程及其自动化 班 级： 05110803 完成时间： 2011 年 12 月 19 日 目录1、 西门子 PLC 介绍 .32、二 传感器与变送器 .52.1 压力变送器工作原理 .52.2 压力变送器选型 .52.3 温度传感器选型 .5三、PLC-PID 控制的实现 .8四、供热系统设计方案 .94.1.1 监控功能 104.1.2 监控点位设计 104.1.3 热水二次循环泵控制 104.1.
2、4 变频器连接控制 114.1.5 补水泵控制系统（因要维持热供水末端压差恒定需加补水设计） .124.1.5.1 补水泵系统方案图 .124.2 供热系统连锁控制 .154.3 供热系统运行与调节控制 .174.4 供热系统连锁控制流程图 .184.5 供热系统 PID 调节原理框图 194.6 使用西门子 PLC STEP7 完成供热系统连锁控制和 PID 调节编程及仿真20致谢 .24参考文献 .25供热系统自动控制设计主要内容：1、供热系统运行参数与状态监控点版/位及常用传感器，电气控制一、二次接线图和原理图设计。2、供热系统连锁控制；3、供热系统运行与调节控制；4、供热系统连锁控制流
3、程图；5、供热系统 PID 调节原理框图；6、使用西门子 PLC STEP7 完成供热系统连锁控制和 PID 调节编程及仿真。摘要： 我国北方城市冬季供热期较长，分散式锅炉供热所占比重较大，供热质量的好坏将对减少城市环境污染、节约能源起到重要作用。从供热的角度考虑，应在节省能源的条件下使用户感到舒适为目标。目前一般的供热系统均采用 PID 控制算法、回水的平均温度进行调节，这种算法具有简单、参数调整方便等优点。当由于环境温度发生变化，用户需求热量也相应变化。因此为了满足这一要求，可以通过控制锅炉出口一次高温水的流量和温度，使得一次高温水和热交换站交换的二次低温水的温度随室外温度而变化。本设计采
4、用西门子 PLC 对供暖系统进行控制，具有实用、安全可靠、操作简单、节能效果显著的优点。关键字：供热系统、温度控制、PID、PLC4一、西门子 PLC 介绍德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的 PLC 产品包括 LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI 人机界面，工业软件等。西门子 S7 系列 PLC 体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7 系列 PLC 产品可分为微型 PLC（如 S7-200），小规模性能要求的 PLC（如
5、S7-300）和中、高性能要求的 PLC（如S7-400）等。SIMATIC S7-300 PLCS7-300 是模块化小型 PLC 系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与 S7-200 PLC 比较，S7-300 PLC 采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在 S7-300 操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC 人机界面（HMI）从 S7-300 中取得数据，S7-300
6、按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC 设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC 可通过编程软件 Step 75的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC 具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理
7、器来连接 AS-I 总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在 CPU 中，用于同时连接编程器、PC 机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7 等自动化控制系统。二、传感器与变送器这一部分是控制系统的底层，主要完成现场数据的采集、预处理和变送等工作。这些数据主要包括锅炉的出水温度、出水压力、以及总出水温度、总出水压力、总回水压力等。变送器将采集的温度、压力等物理量转换成电压或电流信号并传送给可编程控制器进行数据处理。2.1 压力变送器工作原理PMC 系列压力变送器采用了先进的电子陶瓷技术、厚膜电子技术、SMT 技术和 PFM 信
8、号传输技术，测量元件内无中介液体,是完全固体的。其工作原理是：介质压力直接作用于陶瓷膜片,使测量膜片产生偏移。膜片位移产生的电容量,由与其直接连接的电子部件检测、放大和转换为 020mA DC 的标准信号输出。2.2 压力变送器选型压力检测元件采用 E+H 公司的 PMC133 型压力变送器。PMC133 型压力变送器相对压力的最大测量范围为 040MPa , 最小测量范围为 01kPa , 更换测量元件可以改变压力测量范围。变送器由 WYJ 稳压电源供给12.530VDC 电压,能够准确地将出水口的压力信号线性地转换成 420mA DC 标准信号。62.3 温度传感器选型用 DS18B20
9、实现多点温度检测，这种测量方法需要温度传感器的精度高,体积小,测量电路简单,而且能够在高温下工作。所以我们选用美国 DALLAS 公司生产的数字输出 IC 温度传感器 DS18B20 ,其特性如下：独特的单线接口方式：DS18B20 与微处理器连接时仅需要一条口线就可以实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯在使用中不需要任何外围元件可用数据线供电,电压范围：+3.0+5.5V测温范围：-55+125通过编程可实现 912 位的数字读数方式,分辨率可达 0.062512 位精度的最大转换时间为 750 ms 用户可自设定非易失性的报警上下限值支持多点组网功能,多个 DS18B20 可以并联在
10、唯一的三线上,实现多点测温负压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作每个DS18B20 都分配了一个独一无二的 64 位序列码 ,允许多个 DS18B20 上工作在同一条一线总线上,从而减少了系统传感器接口。DS18B20 有两种封装模式：3 脚和 8 脚封装,其中 3 脚封装比较常用,我们选用 3 脚 TO-92 小体积封装。用 DS18B20 为温度传感器有许多优点 ,但实际应用的时候,由于 DS18B20 采用的是 1-Wire 总线协议方式,即在一根数据线实现数据的双向传输,因此,对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输
11、的正确性和完整性。单总线访问 DS18B20 时的一线工作协议流程：初始化总线上所有器件7对 ROM 发操作指令发存储器操作指令数据处理。操作过程的工作时序包括初始化时序,读时序和写时序。在接入系统之前,先用读序列号的程序读出每个 DS18B20 的序列号,然后每个序列号分别对应系统中的编号 1n ,读的时候把要读的那个 DS18B20 挂在总线上, 读完后再换另一个, 同时记录每个 DS18B20 的序列号。系统运行时,初始化完成后,匹配序列号,然后读对应传感器的温度值,读完后,匹配下一个序列号,再读对应传感器的温度值,直到读完总线上所有的传感器,接着再读下一轮。DS18B20 可通过两种方
12、式供电：寄生电源方式和外加电源工作方式。寄生电源方式不需外加电源,当总线(信号线) 为高时稳定电源的提供是通过单线上的上拉电阻实现,总线信号为低时则由其内部的电容供电,在此种方式下VDD 接地。外加电源工作方式需要外加电源正负极分别接引脚 VDD 及 GND 。本系统选用外加电源工作方式,采用此种方式能增强 DS18B20 的抗干扰能力,保证工作的稳定性。我们采用外加电源的工作方式,在同一条总线上同时挂接 135 个 DS18B20 可以稳定,准确的测量温度值。能够满足我们实际检测的要求。在实际的工程应用中,由于 DS18B20 要放在水里测量温度,我们用圆柱状的不锈钢的传感器外壳套在 DS1
13、8B20 上对其进行密封,以防止进水短路,同时可以增加它的耐压,耐腐蚀性能。当某个 DS18B20 损坏后,我们把好的 DS18B20 先读出其序列号,再换接到系统中。以 18B20 为核心组成的多点温度检测系统见下图8图 1 18B20 组成的多点温度检测系统三、PLC-PID 控制的实现PLC 的 PID 控制的设计是以连续系统的 PID 控制规律为基础，将其数字化写成离散形式的 PID 控制方程，再根据离散方程进行控制设计。图 2 连续闭环控制方框图在系统中，典型的 PID 闭环系统如图 1 所示，在图中 spn 是给定值，pv(t) 是反馈量，c(t)是系统的输出量， PID 控制的输
14、入输出关系式为：M(t)=Kpe(t)+1/Ti e(t)dt+1/Tdde(t)/dt+M0 (1)t0式（1）中： M (t) 为控制器的输出量； M0 为输出的初始值： e(t) = sp(t ) - pv(t ) 为误差信号； Kp为比例系数； Ti 为积分时间常数； Td 为微分时间常数2。式（1）的右边前 3 项是比例、积分、微分部分，它们与误差，误差的9积分和微分成正比。假设采样周期为 Ts，系统开始的时刻为 t=0，用矩形积分近似精确积分，用差分近似精确微分，将式（1）离散化，第 n 次采样时控制器的输出为： Mn=Kpen+ Ki +Kd(en-en-1)+M0 (2) nj
15、式（2）中，e n-1为第 n-1 次采样时的误差值；K i为积分系数；K d为微分系数。基于 PLC 的闭环控制系统如图 2 所示。图 2 中的虚线部分在 PLC 内。其中 spn 、 pvn 、en 、Mn 分别为模拟量在 sp(t ) 、 pv(t ) 、 e(t ) 、 M (t ) 在第 n 次采样时的数字量。图 3 PLC 闭环系统方框图在许多控制系统内，可能只需要 P、I、D 中的一种或两种控制类型。PID 控制有两个输入量：给定值(sp)和过程变量(pv )。多数工艺要求给定值是固定的值，如加热炉温度的给定值。过程变量是经 A/D 转换和计算后得到的被控量的实测值，如加热炉温度
16、的测量值。给定值与过程变量都是与被控对象有关的值，对于不同的系统，它们的大小、范围与工程单位有很大的区别。应用 PLC 的 PID 指令对这些量进行运算之前，必须将其转换成标准化的浮点数( 实数) 。10四、供热系统设计方案4.1 供热系统运行参数与状态监控点版/位及常用传感器，电气控制一、二次接线图和原理图设计4.1.1 监控功能监控末端热水压力，通过相应分区对热水泵运行台数控制，变频泵转速调节，维持热水末端压力恒定。监控换热器水温度，通过闭环调节（PID）热水两通调节阀开度（控制其流量） ，保持温度为设定值。所有设备的状态监测，故障报警，图形显示。生活热水循环泵两两互为备份，发生故障时自动
17、切换并报警。设备运行资料记录，列表报告，趋势图显示，运行时间累计。 4.1.2 监控点位设计热水系统末端压力监测。换热器出水温度监测。热水二次循环泵启/停控制、运行状态、手/自动状态，故障报警状态监测。热水二次循环泵转速调节。生活热水循环泵启/停控制、运行状态、手/自动状态，故障报警状态监测。换热器热水阀开度控制（流量控制） 。 4.1.3 热水二次循环泵控制循环泵控制系统有 4 台循环泵，本系统配置两台变频器，另外一台作为备11用。每台循环泵均通过变频器启动，并根据负荷的变化切换到工频运行，变频器启动下一台循环泵，依次类推，最后其中一台循环泵变频运行，其他工作循环泵工频运行，剩下循环泵处于停
18、止状态作为备用。系统的电气控制图如图所示。1 # 循环水泵F R 5P EQ F 7K M 7变频器K M 8Q F 8 Q F 9K M 92 # 循环水泵P E3 # 循环水泵F R 7P EQ F 1 0K M 1 0变频器K M 1 1Q F 1 1 Q F 1 2K M 1 24 # 循环水泵F R 8P EF R 6图 4 热水二次循环泵系统电气控制图124.1.4 变频器连接控制图 5 变频器接线图在此控制系统中，整个信息的反馈是靠压力变送器，在 PLC 的配合下通过反馈回的压力信号来调整当前调速泵的转速。 变频器和 PLC 的联系，是靠硬件电器来联接的，具体参数的联系都是与上位
19、机的通讯来实现的，选用的 s7-200PLC 和 Asc601 变频器均有内置的Rs485 接口。图 6 变频器接线原理图134.1.5 补水泵控制系统（因要维持热供水末端压差恒定需加补水设计）4.1.5.1 补水泵系统方案图图 7 补水系统方案图在硬件系统设计中，采用 2 台变频器，其中 1#,3#水泵电机有变频/工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联，变频器输入电源前面接入一个空气开关，来实现电机、变频器的接通，空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择 4。在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题
20、。在整个控制系统中，所有控制电机、阀门接触器的动作，都是按照 PLC 的程序逻辑来完成的。为了保护 PLC 设备，PLC 输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是通过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。在 PLC 输出端口和交流接触器之14间引入中间继电器，其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离，保护系统，延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。由于每台电机的工作电流都在几百安以上，为了显示电机当前的工作电流，必须在每台电机三相输入电源前面都接入两个电流互感器，电流互感器和热继电器、两个电流表连接，如图 8 所示。A1 A2M图 8 电流互感器的接线图图 8 是电流互感器的接线图，两个
21、电流表一个安装在控制柜上，另一个安装在操作台上，可以方便地观察电机的三相工作电流，便于工作人员监测电机的工作状态，同时热继电器可以实现对电动机的过热保护。补水泵有三台，1#、2#、3#。其中 1#和 3#补水泵配有变频器。当 1#补水泵采用变频控制启动后仍不能满足要求时，让 1#补水泵工作于工频同时启动2#补水泵，2#补水泵采用工频控制。以此类推启动 3#。151 # 补水泵F R 1P EQ F 1K M 1变频器K M 2Q F 2 Q F 3K M 32 # 补水泵P E3 # 补水泵F R 3P EQ F 4K M 4变频器K M 5Q F 5F R 2图 9 补水泵系统电气控制图变频
22、器主电路电源输入端子(R, S, T)经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子(U, V, W)经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子(U, V, W)的任意两相。特别是对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频/工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。控制电路之中存在电路之间互锁的问题，由于控制系统是实现分组的组内自动循环，所以电路的自锁包括组内互锁和组间互锁。组内互锁是指同一组中电动机的互锁，组间互锁是指不同机组之间电动机的互锁。在实现组内互锁的时候，严禁出现一台电
23、动机同时接在工频电源和变频电源的情况，同时要求变频器始终只与一台电动机相连，而且当大容量电动机变频工作的时候，小容量电动机要么是工频工作运行，要么是停止工作。16所以在大容量电动机变频工作的时候，要自动切断小容量电动机的变频控制电路。控制电路的组间互锁是通过输入按钮，控制 PLC 的输入端口来实现的，当选择一组机组运行时，按下另一组起动按钮则为无效操作。 控制电路中还必须考虑系统电机和阀门的当前工作状态指示灯的设计，为了节省 PLC 的输出端口，在电路中可以采用 PLC 输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。4.
24、2 供热系统连锁控制图 10 热水二次循环泵连锁控制图17图 11 生活热水循环泵连锁控制图图 12 补水泵连锁控制图手动控制时，首先扳动转换开关 SA1，使电动机启动时，按下启动按钮SB2，接触器 KM1 吸合并自保，电动机起动，运行指示灯 HL1 亮。当接触器KM1 吸合时，中间继电器 KA1 接通，变频器 STF 接通，变频器起动。当变频器故障输出时，开始报警 HA1 响铃，报警指示灯亮。按下复位按钮 SB3，18中间继电器 KA2 接通，常闭触头 KA2 打开，解除报警，变频器停止运行。使电动机停止时，按下按钮 SB2，接触器线圈失电，主触头 KM1 打开，电动机停止。自动控制时，扳动
25、转换开关 SA1，通过 PLC 编程控制，来完成电动机自动控制。4.3 供热系统运行与调节控制系统处于自动状态时，根据室外温度计算出锅炉一次供水温度的设定值，在二次供水流量恒定的情况下，控制输出不同的二次供水温度和一次供水温度，来实现按需供热。作为供热系统的整体供热策略，二次供水温度和供水末端压力控制至关重要，我们根据供/回水温度确定热水二次循环泵和补水泵电机的转速来实现控制。图 13 供热系统运行图19图 14 热交换系统原理图4.4 供热系统连锁控制流程图供热自动控制系统程序框图如图15所示，对于自动控制运行的供热系统，其安全性和可靠性是系统的两个重要指标。系统对超出要求的温度、压力、流量
26、信号必需进行报警，同时动态监视系统采集的信号是否正常，例如相邻采样的温度信号如果跳变异常则认为是非正常信号。20图15 供热自动控制系统程序框图4.5 供热系统 PID 调节原理框图图 16 热水二次温度控制原理框图21图 17 热水一次温度控制原理框图图 18 供水末端压力控制原理框图4.6 使用西门子 PLC STEP7 完成供热系统连锁控制和 PID 调节编程及仿真4.6.1 PLC 程序设计结构主程序变频控制模拟量输入二次循环泵控制补水泵控制生活热水泵控制通信控制22（1）PLC 模拟量模块转换程序程序代码/ 采样 ：这段代码主要作用是把 16 位（一个字）的数据转换为实数类型的数据，
27、并且启动计数器和累加器LD SM0.0ITD LW0, LD26 /16 整数转换为 32 位整数DTR LD26, LD30 /32 位整数转换为实数+R LD30, LD12 /启动累加器INCW LW16 /启动计数器Network 2 / 滤波与转换：这段代码通过一系列运算进行数据滤波，并且将数值转换为可读性很好/ 同时累加器与计数器归零便于下一次采集使用。LDW= LW16, LW6 /比较当前采样次数是否等于预制采样次数ITD LW6, LD42DTR LD42, LD46 /将采样次数有 16 位整数转换位 32 位实数MOVR LD12, LD18/R LD46, LD18 /
28、求出采样平均值MOVR 0.0, LD12 /清空累加器MOVW +0, LW16 /清空计数器-R 6400.0, LD18*R LD8, LD18 /转换为十进制数值+R LD2, LD18 /修正Network 3 LD SM0.0MOVR LD18, LD22 /输出Network 4 LD SM0.0 /返回主程序23（2）求比例值的子程序Network 1 / 根据实际值的上下限和 PLC 采集值的上下限，计算出实际值与采集值的比例LD SM0.0MOVR LD0, LD20-R LD4, LD20 /实际值上限减去实际值下限，求出差值 1MOVR LD8, LD24-R LD12
29、, LD24 /采集值上限减去采集值下限，求出差值 2MOVR LD20, LD16/R LD24, LD16 /差值 1 除以差值 2 求出比例值Network 2 LD SM0.0CRET /返回主程序数据转换子程序Network 1 LD SM0.0MOVW LW0, LW12 /输入值-I LW2, LW12 /模块采集值下限ITD LW12, LD14DTR LD14, LD18MOVR LD18, LD8 /dived 是模块采集值上下限差值/R LD4, LD8 /输出结果Network 2 / 返回主程序LD SM0.0CRET / 返回主程序（3）变频控制子程序Network
30、 1 / 变频器给定 LD SM0.0MOVW VW940, VW3600 /VW940 为频率给定值输入，范围 0 50HZ24AENO*I +256, VW3600 /数据乘以 256AENOMOVW VW3600, VW3602AENO+I +6400, VW3602 /数据6400AENOMOVW VW3602, AQW2 /输出给定值（4） 热水二次循环泵控制二次循环泵控制程序主要实现循环泵系统中水泵电机的启/停控制、变频器频率设定、出水压力 PID 控制等。系统根据供水压力的设定值初步确定启动几台循环泵，每台泵都通过变频启动，切换到工频运行，最后其中一台泵进入变频运行，其它泵工频运
31、行。然后通过压力 PID 控制调节变频器频率，以稳定出水压力。循环泵控制程序的设计流程图如图 15 所示。（5）补水泵控制补水泵控制程序主要实现补水泵系统中水泵电机的启/停控制、变频器频率设定、补水压力 PID 控制等。补水泵系统用 1#变频器拖动 1#补水泵，2#变频器拖动 3#补水泵。运行时，系统根据回水压力的设定值初步确定启动几台补水泵，若两台泵或者只用一台即可满足供回水压力，则只启动 1#泵系统或3#泵系统(包括 2#变频器)，若需要两台以上泵才能达到回水压力的设定值，则先用 1#变频器(或 2#变频器)启动 1-2#泵(或 3#泵)，切换到工频运行，然后再用 2#变频器(或 1#变频
32、器)拖动 3#泵(或 1-2#泵)，进入变频器运行。最后通过压力 PID 控制调节变频器频率，稳定末端供水压力。25致谢本设计是在我们这一组的同学们精诚合作下完成的。在课题进行期间，老师为我们提供了良好的学习和设计环境。使我在学到了好多知识，学会了能够透彻的分析问题解决能力的能力。通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在 PLC 的基本原理、PLC 应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。同时，感谢在我大学期间给与我帮助的所有老师，培养了我热爱学习、勤学好问、创新探索的能
33、力，让我学到了不少的知识，使我受益非浅，还培养了我解决问题和处理问题的能力，这是我在大学期间最值得庆幸的。感谢本组同学在我遇到问题的时候对我的细心讲解，以及在生活中对我的帮助，给予我的关怀。由于时间和知识水平所限，论文中还可能会有许多纰漏或错误之处，恳请各位老师和同学批评指正。26参考文献1冯嘉花. 变频调速改造锅炉房 55 kW 循环水泵J.电气时代，2007，26(5)：94952吕景泉.可编程序控制器及其应用M.北京：机械工业出版社，200l ，63刘法治.模糊控制技术在高楼恒压供水系统中应用J.微机算机信息，2005，（7）：21234刘星平.基于 PLC 及其网络的智能炉温控制系统J.电气应用，2006.3 20-225吴春旺，陈 霞.锅炉汽包水位调节控制系统设计J.电工技术，2006，3，71-726杨 智,明丽萍 ,吕雪艳.21 世纪燃气锅炉在中国的发展前景J.锅炉制造，20017廖常初.PLC 基础应用M.北京：机械工业出版社，2003，68陈建明.等，电气控制与 PLC 应用M.北京：电子工业出版社，2006，29贺哲荣.流行 PLC 实用程序及设计M.西安：西安电子科技大学出版社，2006，1
