基于PLC和变频器锅炉控制系统

程俊红

摘 要：该控制系统以两台工业控制机作为上位机，以西门子S7-300可编程控制器为下位机，系统通过变频器控制电动机的启动、运行和调速。上位机监控软件采用三维力控PCAuto3.6设计，主要完成系统操作界面设计，实现系统启/停控制、参数设定、报警联动、历史数据查询等功能。下位机控制程序采用西门子公司的STEP7编程软件设计，主要完成模拟量信号的处理，温度和压力信号的PID控制等功能，并接收上位机的控制指令以完成风机启/停控制、参数设定、循环泵控制和其余电动机的控制。

关键字：上位机；下位机；STEP7；PID

本系统供暖锅炉自动控制系统，主要由进口变频器、可编程控制器、压力变送器、温度变送器和泵房机组以及电气控制柜等组成。其中泵房机组包括：1#引风机为90 kw，变频启动和调速；2#鼓风机37kw，变频启动和调速；3#、4#循环水电机为75 kw，变频启动和调速；其余电动机10台，均为直接启动，功率为5kw，工频运行。

1 总体设计思路

本文针对供暖锅炉自动控制系统，设计一套基于变频调速技术的锅炉监控系统。锅炉供暖系统中的风机和水泵通过变频器来调节电机的转速，通过工控机和可编程控制器对锅炉系统中的鼓风机、引风机、炉排电机、循环水泵实现控制。控制系统以两台工业控制机作为上位机，以西门子S7-300可编程控制器为下位机。上位机采用高可靠性的工业控制计算机，通过监控软件完成人机界面及故障报警功能，下位机采用西门子公司S7-300可编程控制器，实现锅炉燃烧系统和管网系统的自动控制，控制水平和硬件可靠性大大提高。

2 硬件设计

根据本设计的要求，本系统风机和循环泵采用变频启动和调速。变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，虽然变频器本身就有欠压、过压，过流、过载等保护功能，但是对于有工频运行的水泵电动机，还需要在工频电源下面接入相应的热继电器，来实现电机的过流过载保护。

本系统采用4台变频器连接4台电动机，其中1号变频器控制引风电机，功率为90KW，变频工作方式，电机通过一个接触器和变频器输出电源相联，2号变频器控制鼓风机，功率为37KW，变频工作方式，电机通过一个接触器与变频输出电源连接。3号变频器控制一台循环泵，4号变频器控制一台循环泵，功率都为75KW，一台作为备用，均采用变频工作方式。补水泵，炉排电机等采用工频运行方式，功率为5KW。

图1 控制系统的控制回路

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。在整个控制系统中，所有控制电机、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动作。在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，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。系统要实现手动自动、欠压、过压保护，电机的故障指示，变频器的故障指示以及报警输出，模拟量的输入、输出模块。

控制電路中还必须考虑系统电机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指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机的工作状态。变频器启动。当变频器故障输出时，开始报警HA1铃响，报警指示灯亮。按下复位按钮SB3，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，扳动转换开关SA1，通过PLC编程控制，来完成电动机的自动控制。控制电路如图1所示。

3 系统软件的设计

PLC控制程序采用西门子编程软件STEP7V5.3设计，STEP7V5.3是专门用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件包，支持梯形图（LAD）语言、语句表（sTL）语言和功能块图（FBD）语一言。

PLC控制程序由一个主程序和若干子程序构成，编程、调试等全部在计算机上完成，编译后通过MPI接口下载到PLC。系统功能如图2所示

图2 PLC控制程序设计流程图

4 系统功能

本系统供暖锅炉自动控制系统，主要由进口变频器、可编程控制器、压力变送器、温度变送器和泵房机组以及电气控制柜等组成。根据设计要求，系统具有以下功能：（1）手动/自动控制。电动机起停控制要求具有自动和手动两种功能。（2）过温超过报警。按要求，锅炉控制系统必须包含超温超压报警功能，当系统中的温度、压力等信号超过上下限时，提示报警信息。（3）监控设计。根据用户需求，人机界面及故障报警功能。

参考文献

[1]李素玲等.恒压供水自动测控系统的设计与实现[M].中国给水排水，2004年3月.

[2]钟肇新.可编程序控制器原理及应用[M].华南理工大学出版社，2002年.

[3]韩安荣.通用变频器及其应用（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2000年.