1、 吉林化工學院信控學院專業綜合設計說明書 換熱站控制系統設計學生學號： 學生姓名： 專業班級： 指導教師： 職 稱： 起止日期：2016.08.292016.09.18吉林化工學院Jilin Institute of Chemical Technology 吉林化工學院信息與控制工程學院專業綜合設計說明書專業綜合設計任務書一、設計題目 換熱站控制系統設計二、適用專業 測控技術與儀器專業三、設計目的 1. 了解換熱機組工藝流程； 2. 了解溫度、壓力、液位及流量等工藝參數的信號測量及傳輸方法； 3. 掌握PLC各種典型信號（二線制、四線制變送器及熱電阻、熱電偶）接線方法； 4. 掌握PID控制算

2、法及其在PLC中的編程和離線仿真及調試方法； 5. 熟悉自控工程實踐設計及應用的一般步驟和實現方法。四、設計任務及要求某換熱站工藝流程如下圖所示，一次網進水由熱水鍋爐加熱，經板式換熱器與二次網進行換熱后再返回鍋爐。二次網循環水由循環泵P201加壓后進行換熱器，加熱后進入管網對居民住戶進行循環供熱。控制要求：1二次網供水溫度PID控制：通過一次網調節閥V101進行供水溫度定值控制；2二次網供水壓力PID控制：通過循環泵調頻進行供水壓力定值控制；3補水箱水位限值控制：水箱水位小于低限時開補水閥，大于高限時關補水閥；4二次網回水壓力限值控制：回水壓力小于低限時啟動補水泵，大于高限時停泵；5連鎖控制（

3、選做）：水箱水位小于低低限時，補水泵禁止運行；二次網回水壓力小于低低限時，循環泵禁止運行；6流量/熱量累計（選做）：增加一次網流量和回水溫度儀表，實現流量和熱量累計。五、設計內容1. 總結IO點表，并進行PLC系統選型； 2. 設計控制系統IO信號接線圖紙； 3. 按上述控制要求編寫和設計PLC控制程序；4. 設計上位機操作畫面，包括工藝流程畫面、操作畫面、趨勢及報警等畫面；5. 撰寫設計說明書。六、設計時間及進度安排設計時間共三周,具體安排如下表：周次設 計 內 容設計時間第一周熟悉工藝流程和控制要求，總結IO點表，查找相關設計資料，進行PLC系統選型，循環泵和補水泵電氣控制原理設計（選做）

4、，儀表選型（選做），IO信號接線設計。基本PLC程序設計，掌握二、四線制及熱電阻接線方法，掌握信號傳輸與變換直線轉換計算。2016.8.29- 2016.9.4第二周PLC程序設計；操作畫面設計；趨勢圖和報警畫面設計（選做）；仿真調試。學習PID控制器基本工作原理，掌握控制系統離線仿真調試方法。 2016.9.4- 2016.9.11第三周完善程序和畫面，撰寫專業綜合設計說明書2016.9.11- 2016.9.18七、指導教師評語及學生成績指導教師評語：2016年 月 日成績指導教師(簽字)：目 錄第1章 摘要1第2章 換熱站系統的工藝22.1換熱站系統的構成22.2 系統的工藝流程22.3

5、 系統的功能及控制要求2第3章 系統硬件選型43.1 PLC的選型43.2 I/O點表43.3 電源選型43.4 CPU選型53.5 數字量輸入輸出模塊選型53.6 硬件選型表5第4章 換熱站的接線設計64.1 主回路和二次回路64.2 數字量輸入/輸出回路64.3模擬量輸入/輸出回路7第5章 下位機控制系統設計85.1 分析控制要求85.2硬件組態85.3 編輯符號表85.4編輯下位機梯形圖程序9第6章 上位機監控畫面設計136.1 Wincc組態軟件簡介136.2 Wincc組態軟件使用136.3 變量的鏈接146.4 畫面的建立156.5 液位報警畫面的建立176.6 變量記錄與溫度歷史

6、趨勢176.7 壓力實時趨勢186.8 PID仿真調節畫面19結 論20參考文獻2119第1章 摘要隨著大規模集成電路和微處理器在PLC中的應用，使PLC的功能不斷得到增強，產品得到飛速發展。由于PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。因此PLC在工業自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的，備受國內外工程技術人員和工業界廠商的極大關注。通過PLC和上位機對二次網供水管道的壓力和二次網回水管道的壓力進行自動監控，同時在PLC中采用PID算法，從而可以通過控制循環泵和補水泵的轉速來實現恒壓控制，同時也通過對二次網供水溫度的自動監控，從

7、而通過控制一次網進水處的調節閥開度來實現恒溫控制，實現了換熱站系統的自動運行與人機交互。文中介紹了一種基于PLC和WINCC的溫度自動控制系統方案，針對過程控制裝置中的換熱站供水溫度控制系統，通過介紹系統軟硬件構成及其特點。論述了PLC和WINCC如何實現溫度監控。實踐證明，該系統具有良好的人機界面，能方便地在線修改參數，實現對整個換熱系統工藝流程的控制。系統上位機采用西門子WINCC工程組態軟件，實現系統啟動和停止的控制、參數設定、報警組態、歷史數據查詢、報表打印等功能。第2章 換熱站系統的工藝2.1換熱站系統的構成（1）換熱站就地監控系統：以S7_300控制器為核心，現場的溫度、壓力、流量

8、、熱量、液位、閥門開度、變頻器頻率、泵的起停狀態等傳到控制器，由其進行判斷和處理，從而實現現場的就地控制。（2）現場儀表和執行機構：包括壓力、溫度、液位、流量、熱量等傳感器和變送器、閥門執行器等執行機構。（3）通訊系統：以遠程數據網絡傳輸介質，實現中心控制室和換熱站就地監控系統的通訊；以雙絞線（以太網）為傳輸介質，實現中控室內部工作站與廠區辦公管理系統通訊。2.2 系統的工藝流程某換熱站工藝流程如下圖所示，一次網進水由熱水鍋爐加熱，經板式換熱器與二次網進行換熱后再返回鍋爐。二次網循環水由循環泵P201加壓后進行換熱器，加熱后進入管網對居民住戶進行循環供熱。 圖2-1 換熱站工藝流程圖 2.3

9、系統的功能及控制要求本系統的功能可分為監視功能和控制功能：(1)監視功能主要包括：數據處理和數據顯示兩部分。(2) 控制功能主要包括：對循環泵及補水泵的控制，以及一次網調節閥開度和二次網補水閥啟停的控制。控制要求：（1） 二次網供水溫度PID控制：對二次網供水溫度實時監控，通過對二次網供水溫度的PID運算，調節一次網調節閥V101的開度，從而進行供水溫度定值控制；（2） 二次網供水壓力PID控制：對二次網供水壓力實時監控，通過對二次網供水壓力的PID運算，控制變頻器輸出頻率，間接地控制水泵的轉速，從而進行供水壓力的定值控制；（3） 補水箱水位限值控制：通過液位變送器對水位實時監測，水當箱水位小

10、于低限時開補水閥，大于高限時關補水閥；（4） 二次網回水壓力限值控制：通過壓力變送器對二次網回水壓力實時監測，當回水壓力小于低限時啟動補水泵，大于高限時停泵；（5） 連鎖控制：水箱水位小于低低限時，補水泵禁止運行；二次網回水壓力小于低低限時，循環泵禁止運行；（6） 流量/熱量累計：增加一次網流量和回水溫度儀表，實現流量和熱量累計。第3章 系統硬件選型3.1 PLC的選型在本控制系統中，所需的開關量輸入為6點，分別為補水泵的啟動、停止、運行、故障和循環泵的運行、故障。所需的開關量輸出為2點，分別為補水泵啟動、補水閥啟動。考慮到系統的可擴展性和維修方便性，選擇模塊式PLC。S7_300 PLC一般

11、包括CPU（中央處理單元）、存儲器、輸入輸出接口、電源等。3.2 I/O點表表3-1 IO點表序號IO標識中文說明IO類型PLC地址量程1V101調節閥開度控制AOPQW2880-100%2V101調節閥開度反饋AIPIW2560-100%3V102補水閥啟動DOQ0.04P201循環泵頻率控制AOPQW2900-50HZ5P201循環泵頻率反饋AIPIW2580-50HZ8P201循環泵故障DII0.29P201循環泵運行DII0.310P201循環泵啟動DOQ0.111P202補水泵啟動DII0.412P202補水泵停止DII0.513P202補水泵故障DII0.614P202補水泵運行D

12、II0.715P202補水泵啟動DOQ0.216PT101一次網進水壓力AIPIW2600-1.0Mpa17TT101一次網進水溫度AIPIW26218PT201二次網回水壓力AIPIW2640-1.0Mpa19TT201二次網回水溫度AIPIW26620PT202二次網供水壓力AIPIW2680-1.0Mpa21PT202二次網供水溫度AIPIW27022LT補水箱水位AIPIW2720-5m 3.3 電源選型 24V直流傳感器電源可以作為CPU本機和數字量擴展模塊的輸入、擴展模塊（如模擬量模塊）的供電電源以及外部傳感器電源使用。如果容量不能滿足所有需求，則必須增加外部24V直流電源。此系統

13、選用PS307 5A，型號為6ES7 307-1EAO1-0AA0。3.4 CPU選型300PLC中CPU作為整個控制系統的核心，主要有運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的地址總線、數據總線和控制總線構成，此外還有外圍芯片、總線接口及有關電路。由于本系統的設計中用到了變頻器，考慮到變頻器與PLC的PROFIBUS通訊，所以選擇CPU 6ES7 315-2EH14-0AB0。3.5 數字量輸入輸出模塊選型輸入模塊和輸出模塊通常稱為 I/O 模塊或 I/O 單元。PLC 的對外功能主要是通過各種 I/O 接口模塊與外界聯系而實現的。輸入模塊和輸出模塊是 PLC 與現場 I/O 裝置或設備之間

14、的連接部件。起著 PLC 與外部設備之間傳遞信息的作用。通常 I/O 模塊上還有狀態顯示和 I/O 接線端子排，以便于連接和監視。 由于所需的開關量輸入為6點，所需的開關量輸出為2點，所以選擇16點輸入的DI模塊和16點輸出的DO模塊即可，多余的I/O點用來備用和擴展。因此選擇數字量輸入型號為6ES7 321_1BH00_0AA0，數字量輸出型號為6ES7 322_1BH00_0AA0。由于所需的模擬量輸入為9路，所需的開關量輸出為2路，所以選擇兩個8路輸入的DI模塊和一個8路輸出的DO模塊即可，多余的用來備用和擴展。因此選擇模擬量輸入型號為6ES7 331-1KF02-0AB0，數字量輸出型

15、號為 6ES7 332-5HF00-0AB0。3.6 硬件選型表為使系統安全可靠的運行，在進行硬件結構設計時，應充分了解各硬件設備的工作原理，以便選擇合適的型號，如表3-2所示。表3-2 硬件選型表序列符號名稱型號/規格個數1CPUCPU6ES7 315-2EH14-0AB012PS電源模塊(5A)6ES7 307-1EA01-0AA013DI數字量輸入模塊16位6ES7 321-1BH00-0AA014DO數字量輸出模塊16位6ES7 322-1BH00-0AA015AI模擬量輸入模塊8路6ES7 331-1KF02-0AB026AO模擬量輸出模塊8路6ES7 332-5HF00-0AB01

16、7QS三相空氣開關18FU熔斷器19KM交流接觸器CJX2-09210KH熱繼電器AC380V211KA繼電器MY4N-J413SB按鈕LA58614SA轉換開關LA391第4章 換熱站的接線設計4.1 主回路和二次回路補水泵和循環泵都是由三項380V電壓供電，經總空開QS1供電，通過交流接觸器KM1控制補水泵的啟停，通過KM2控制變頻器的啟停，通過控制變頻器的頻率來控制循環泵的轉速。二次回路中包括：本地的手動操作和遠程PLC控制，手動控制時，即按下SB1，交流接觸器吸合，使補水泵啟動，按下按鈕SB2交流接觸器斷開，補水泵停止工作，循環泵的控制同理。遠程控制時由PLC程序進行處理，通過Q點輸出

17、給中間繼電器，從而控制泵的啟停。 圖4-1 主控制回路圖 4-2 二次回路4.2 數字量輸入/輸出回路數字量輸入信號主要包括：補水泵啟動信號I0.0，停止信號I0.1，以及補水泵反饋信號運行及故障，循環泵運行和故障。數字量輸出信號主要包括：變頻器的啟動命令Q0.1，補水泵的啟動命令Q0.2，以及補水閥的啟動命令Q0.0。 圖4-3 數字量輸入輸出回路4.3模擬量輸入/輸出回路模擬量輸入主要包括擴：一次網進水壓力及溫度，二次網供水壓力及溫度，二次網回水壓力及溫度，變頻器頻率反饋，以及調節閥開度反饋。模擬量輸出主要包括：調節閥來讀的控制，以及比拼其頻率的控制。 圖4-4 模擬量輸入輸出回路第5章

18、下位機控制系統設計5.1 分析控制要求通過分析控制任務要求，本系統要對溫度、壓力、變頻器和調節閥的反饋量進行采集，對變頻器和調節閥的PID調節，以及簡單的離散邏輯控制。所以為了使程序更清晰，編程時調用了多個功能塊，其中溫度采集FC1，邏輯控制FC2，壓力采集FC3，變頻器和調劑發反饋FC4，液位采集FC5，以及模擬量輸出FC6。所以設計程序時OB1中只對子程序進行調用，其中的PID要在OB35中進行調節。5.2硬件組態根據選型在SIMATIC300站點進行硬件組態。如圖5-1所示。 圖5-1 硬件組態5.3 編輯符號表定義符號地址，為相應的I/O點編輯符號。如圖5-2所示。圖5-2 符號表5.

19、4編輯下位機梯形圖程序根據工作過程編輯梯形圖。（1） 利用FC105，將由模擬量采集模塊采集并轉換為027648的數字量轉換為實際的壓力值，程序如下。圖5-3 壓力采集（2） 將模擬量采集的溫度值，進行由整形到長整形的變換，再有長整形轉變為浮點數，最后進行浮點數的運算，即將采集值除以10，得到實際的溫度值。圖5-4 溫度采集（3）將PID運算之后的值送到FC106中，經過FC106的轉換將實際的頻率轉換為027648的數字量，再由模擬量輸出模塊將這個數字量轉換為模擬信號輸出。圖5-5 模擬量輸出（4） 對進水閥的控制分為：通過上微機操作畫面手動控制，和自動控制。圖5-6 進水閥啟動停止控制通過

20、對補水箱水位的實時監控，將采集的液位值與設定的液位值上限進行較，如果采集值大于設定值則關閉進水閥，同理將采集的液位值與設定的液位下限比較，如果采集值小于設定值則打開進水閥。圖5-7 液位控制（5）對進水泵的控制分為：通過上位機畫面手動控制，和通過按鈕啟停，和自動控制。圖5-8 補水泵啟動停止控制通過對二次網回水壓力的實時監控，將采集的壓力值與設定的壓力值上限進行較，如果采集值大于設定值則關閉補水泵，同理將采集的壓力值與設定的壓力下限比較，如果采集值小于設定值則打開補水泵。圖5-9壓力控制（6）二次網供水壓力和溫度的PID調節：PID調節要用到PID調節塊FB41，將由FC105轉換后的壓力、溫

21、度值直接送給FB41的過程值PV，然后將FB41的輸出值送給FC106，FC106轉換后經模擬量輸出模塊作用到變頻器和調節閥上。調節過程只需給定一個設定值SP，通過調解比例和積分，可將輸出值調節到SP。如圖為一個PID仿真程序。圖5-10 PID控制第6章 上位機監控畫面設計6.1 Wincc組態軟件簡介 西門子視窗控制中心SIMATIC WinCC（Windows Control Center）是HMI/SCADA軟件中的后起之秀，1996年進入世界工控組態軟件市場，當年就被美國Control Engineering 雜志評為最佳HMI軟件，以最短的時間發展成第三個在世界范圍內成功的SCAD

22、A系統；而在歐洲，它無可爭議的成為第一。WinCC基本系統是很多應用程序的核心。它包含以下九大部件：1變量管理器 變量管理器（tag management）管理WinCC中所使用的外部變量，內部變量和通訊驅動程序。2圖形編輯器圖形編輯器（graphics designer）用于設計各種圖形畫面。3報警記錄報警記錄（alarm logging）負責采集和歸檔報警消息。4變量歸檔變量歸檔（tag logging）負責處理測量值，并長期存儲所記錄的過程值。5報表編輯器報表編輯器（report designer）提供許多標準的報表，也可以設計各種格式的報表，并可按照預定的時間進行打印。6全局腳本全局腳

23、本（global script）是系統設計人員用ANSI-C及Visual Basic 編寫的代碼，以滿足項目的需要。7文本庫文本庫（text library）編輯不同語言版本下的文本消息。8用戶管理器用戶管理器（user administrator）用來分配，管理和監控用戶對組態和運行系統的訪問權限。9交叉引用表交叉引用表（cross-reference）負責搜索在畫面，函數，歸檔和消息中所使用的變量，函數，OLE對象和ActiveX控件。6.2 Wincc組態軟件使用第一步，新建單用戶項目，如圖6-1所示。第二步，選擇存儲位置，項目命名后完成創建。圖6-1 新建單用戶項目 在變量管理處右鍵

24、添加新的驅動，找到SIMATIC S7 Protocol Suite添加，在屬性里面選擇MPI的地址寫下，這樣就能與下位機實現仿真連接，如圖6-2。圖6-2 添加驅動6.3 變量的鏈接右鍵MPI添加新的驅動鏈接，為了能與下位機建立連接，如圖6-3、6-4點擊屬性設置插槽號為2，然后建立與下位機實現通訊仿真的變量，根據下位機的符號表，一次建立變量，如果變量較多，為了方便實用也可以建立變量組，如DI(代表數字量輸入變量組)，DO（代表數字量輸出組），M(代表中間標志位或者中間變量)等，然后針對不同類型的變量按照符號表就行變量的建立。建立結果如下圖6-5。圖6-3 圖6-4設置插槽號 圖6-5 變量

25、建立6.4 畫面的建立在圖形編輯器下，分別建立所需的畫面，此系統需要一個主界面，一個工藝流程畫面，一個報警畫面，一個溫度歷史趨勢畫面，一個壓力實時趨勢畫面，兩個PID調節畫，面畫面顯示如下圖6-6。圖6-6 工藝畫面現場采集的信號經過轉換后進行PID運算，過程值和設定值進行比較、調節，使PID的輸出值接近或等于設定值。PID分自動和手動兩種模式，在手動模式下，使用手動選擇的值更正操作變量；自動模式下依據相關設置進行自動調節。以PID溫度調節畫面為例，如圖6-7所示。圖6-7 PID壓力調節 手動點擊泵或閥，會彈出手動操作對話框，點擊手自動切換開關，切換到手動，通過啟停按鈕可以控制泵或閥的啟停。

26、圖6-8 補水泵和進水閥手動操作畫面6.5 液位報警畫面的建立首先雙擊打開<報警記錄>，在<工具>欄中選中<附加項>，在<附加項>中勾選<模擬量報警>添加<模擬量報警>，然后在<模擬量報警>下新建，選擇要監視的變量，此工程為補水箱液位、二次網供水溫度溫度、二次網供水溫度壓力，最后在液位、溫度、壓力下建立上、下限報警，當高于上限或低于下限時都會產生報警。圖6-9 報警畫面6.6 變量記錄與溫度歷史趨勢雙擊<變量記錄>，右鍵單擊歸檔向導，按照歸檔向導依次組態一次網進水溫度、二次網供水溫度、二次網回水溫度這三個變量，建立好變量記錄后，組態歷史趨勢如圖。圖6-10 溫度趨勢6.7 壓力實時趨勢組態實時趨勢曲線時，只要將在線變量連接組態趨勢中即可，其中主要對一次網進水壓力的、二次網供水壓力、二次網回水壓力的組態。圖6-11 壓力趨勢6.8 PID仿真調節畫面 如下圖以二次網供水溫度為例，手動設定一個溫度值SP，過程值PV會向設定值設定值SP調節，通過設定比例和積分，調出合理曲線。圖6-12 PID調節畫面結 論應用PLC作為主控制器設計換熱站控制系統，完成二次網供水恒壓和恒溫的工藝。通過專業綜合設計，使我們的綜合素質和動手能力有所提高，能夠真正做到自己發現問題、分析問題和解決問題。通過本課程設計