恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置及控制方法

摘要

本发明恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置及控制方法，涉及工业控制装置及控制方法，该电动调节阀保护控制装置包括PLC控制系统、压力变送器ⅠⅡ、变频器及操作面板，PLC控制系统包括CPU模块及分别与其连接的电源模块、以太网通讯模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、模拟量输出模块、数字量输出模块。该控制方法是利用上述控制装置自动保护电动调节阀使其在锅炉供水时不会因电动调节阀内部电机过载保护而停机不工作，包括：设置电动调节阀两端的差压控制值、电动调节阀前后两端压力采集及变频器工作状态采集、差压控制信息处理、差压控制值输出控制、显示监视。本发明具有安全、高精度控制、能耗低、自动化程度和可靠性高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业控制装置及控制方法，特别是一种恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置及控制方法。

背景技术

在很多锅炉供水系统中，锅炉供水泵一般是按锅炉需要最大扬程需求设计、并以电机工频运转方式驱动，然后采用自动控制系统控制供水电动调节阀的开度来进行液位控制。因此供水泵扬程余量非常大，对电动调节阀产生的水压非常高，电动调节阀动作时需要电动调节阀的电动机处于高负荷状态或者超负荷状态才能输出足够的动力进行动作。当锅炉用气波动时会引起水位频繁变动，供水自动控制系统会频繁对电动调节阀给出动作指令，使电动调节阀长时间高负荷或超负荷工作后电动调节阀电机过热，引起电动调节阀电机热保护并停止工作，从而使水位无法控制。在这种情况下，如果锅炉此时液位很低，又不能及时加大供水量进行补水，会出现干锅甚至发生锅炉爆炸，是非常危险的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术锅炉供水电动调节阀因其内部电机过载保护引起电动调节阀停机不工作的安全问题，提供一种能有效提高锅炉安全性、达到高精度恒差压控制效果、使锅炉给水泵能耗降低、自动化程度和可靠性高、操作简单、人机界面友好、调整方便、结构简单的恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置及控制方法。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置，该电动调节阀保护控制装置包括PLC控制系统、压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ、变频器及操作面板，PLC控制系统包括CPU模块及分别与CPU模块连接的电源模块、以太网通讯模块、模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ、数字量输入模块、模拟量输出模块、数字量输出模块，压力变送器Ⅰ安装在锅炉供水电动调节阀前端管道的外侧管壁上，压力变送器Ⅱ安装在锅炉供水电动调节阀后端管道的外侧管壁上，压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ的输出端分别与模拟量输入模块Ⅰ的输入端连接，变频器连接在锅炉给水泵的电机上并控制锅炉给水泵的电机工作，变频器的输出端分别与模拟量输入模块Ⅱ及数字量输入模块的输入端连接，变频器的输入端分别与模拟量输出模块及数字量输出模块的输出端连接，模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ及数字量输入模块通过背板总线与CPU模块连接，模拟量输出模块及数字量输出模块通过背板总线与CPU模块连接，操作面板与以太网通讯模块连接。

其中所述模拟量输入模块Ⅰ为8路12位4-20mA 2线制 模拟量输入模块，压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ均为2线制4-20mA压力变送器，压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ分别通过2芯电缆与模拟量输入模块Ⅰ的输入端连接。

其中所述模拟量输入模块Ⅱ为8路12位4-20mA 4线制 模拟量输入模块，数字量输入模块为32路数字量输入模块，变频器的输出端分别通过多芯电缆与模拟量输入模块Ⅱ及数字量输入模块的输入端连接。

其中所述模拟量输出模块为8路12位4-20mA模拟量输入模块，数字量输出模块为32路数字量输出模块，变频器的输入端分别通过多芯电缆与模拟量输出模块及数字量输出模块的输出端连接。

其中所述电源模块为DC24V直流电源模块。

其中所述PLC控制系统为S7-300系列PLC，CPU模块为CPU315-2DP，电源模块为PS307，以太网通讯模为CP343-1 Lean，模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ及模拟量输出模块均为SM331，数字量输入模块、数字量输出模块均为SM321。

其中所述变频器的数量与锅炉给水泵的数量相匹配，即一台变频器对应控制一台锅炉给水泵工作。

本发明还提供了该恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制方法，该控制方法是利用本发明上述由PLC控制系统、压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ、变频器及操作面板组成的恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置自动保护电动调节阀使其在锅炉供水时不会因电动调节阀内部电机过载保护而停机不工作，包括：设置电动调节阀两端的差压控制值、电动调节阀前后两端压力采集及变频器工作状态采集、差压控制信息处理、差压控制值输出控制、显示监视；其步骤如下：

步骤1：设置电动调节阀两端的差压控制值：由操作面板输入电动调节阀前后两端的差压控制值，PLC控制系统通过其内部的以太网通讯模块与操作面板通讯，读取操作面板上输入的电动调节阀前后两端的差压控制值；

步骤2：电动调节阀前后两端压力采集与变频器工作状态采集，电动调节阀前后两端压力采集：从安装在锅炉供水电动调节阀前后端管道上的压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ采集电动调节阀前后两端当前的压力值，经PLC控制系统的模拟量输入模块Ⅰ将压力信号传给PLC控制系统的CPU模块供其计算用；变频器工作状态采集：变频器当前工作状态信息数据通过PLC控制系统的模拟量输入模块Ⅱ和数字量输入模块传给PLC控制系统的CPU模块；

步骤3：差压控制信息处理：根据电动调节阀前后两端的差压控制值、电动调节阀前后两端当前的压力值、变频器当前工作状态信息数据，由PLC控制系统的CPU模块通过模糊PID算法计算得出压差控制值；

步骤4：差压控制值输出控制：PLC控制系统的CPU模块将步骤3中计算得到的压差控制值通过PLC控制系统的模拟量输出模块传给变频器，变频器根据压差控制值变频改变锅炉给水泵的转速而实现对电动调节阀前后差压的控制； 

步骤5：显示监视：在操作面板上显示工作状态、设定的电动调节阀两端的差压控制值、电动调节阀两端的实际差压值和电动调节阀的差压控制参数。

其中在所述步骤4中，PLC控制系统的CPU模块通过PLC控制系统的数字量输出模块输出控制变频器启停或故障复位信息给变频器。

由于采用了上述方案，本发明与现有其它同类技术相比较具有如下有益效果：

1、提高锅炉安全性

使用本发明之恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置后，由压力变送器Ⅰ、Ⅱ采集锅炉供水电动调节阀前、后压力信号，通过模拟量输入模块Ⅰ将压力信号传给PLC控制系统的CPU模块，CPU模块根据压力差自动控制变频器的频率，通过控制变频器的频率调节锅炉给水泵的流量大小，锅炉供水电动调节阀前后压差变小并且稳定，使锅炉供水电动调节阀动作时需要的动力变小，电动调节阀的电机不会因过载发热引起保护停机；锅炉在运行过程中（尤其紧急时刻）不会出现电动调节阀失控不动作的现象；显著提高了锅炉安全性。

2、能达到高精度恒差压控制的效果

本发明之恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置中，变频器与CPU模块之间通过数字量输入模块和模拟量输入模块Ⅱ连接，获得变频器当前工作状态信息，通过操作面板（可为触摸屏或者PC电脑）设置差压控制值，作为差压控制信息处理时模糊PID控制算法的控制参数依据；压力变送器Ⅰ、Ⅱ采集锅炉供水电动调节阀前后两端当前压力值，后将标准信号送入模拟量输入模块Ⅰ，模拟量输入模块Ⅰ再将信号送给CPU模块，PLC控制系统通过模糊PID运算后通过模拟量输出模块将压差控制值输出给变频器，使变频器对锅炉给水泵进行变频控制，经实验证明在运行过程中，超调不会超过设置差压值的5%。

3、锅炉给水泵能耗降低

本发明之恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置中，由于采用变频器变频控制锅炉给水泵进行给水，使锅炉给水泵在正常生产时，不需要全速工频运转时可根据需求工作，即在需要的速度下运转，能有效降低锅炉给水泵的耗电量，由于出于安全考虑设计，锅炉给水泵扬程余量大，而锅炉正常生产时，锅炉给水泵只需在全速的60%左右的速度下运转即可，因此与现有技术相比至少能节省电量30%。

4、自动化程度和可靠性高、操作简单

使用本发明之恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置时，只需按下参数设置按钮，即进入差压控制值设置状态或差压控制参数设置状态，此时，操作者只需通过操作面板（可为触摸屏或者PC电脑），即可对差压控制设置状态参数进行设置，差压控制过程是全自动的，可靠性高，不需要使用其它设备，操作起来非常方便。

5、人机界面友好

使用本发明之恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置过程中，可通过操作面板（触摸屏或PC电脑的显示屏）上实时显示差压的动态值和设置控制值，再通过操作面板设置差压参数过程中，也可通过操作面板显示设置的参数值，操作过程一目了然，人机界面友好。

6、本发明之恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置整体结构简单、参数调节稳定性好、工作可靠、调整方便。

下面结合附图和实施例对本发明恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置及控制方法作进一步说明。

附图说明

图1是本发明恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置的结构方框图；

图2是本发明恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制方法的PID控制原理方框图；

图3是本发明恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制方法的PID控制流程框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置，是一种闭环模糊PID恒差压控制装置，该电动调节阀保护控制装置包括PLC控制系统1、压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ、变频器及操作面板，PLC控制系统1包括CPU模块及分别与CPU模块连接的电源模块、以太网通讯模块、模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ、数字量输入模块、模拟量输出模块、数字量输出模块，电动调节阀安装在锅炉给水泵输出端的管道中，压力变送器Ⅰ安装在锅炉供水电动调节阀前端管道的外侧管壁上，压力变送器Ⅱ安装在锅炉供水电动调节阀后端管道的外侧管壁上，压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ的输出端分别与模拟量输入模块Ⅰ的输入端连接，变频器连接在锅炉给水泵的电机上并控制锅炉给水泵的电机工作，变频器的数量与锅炉给水泵的数量相匹配，变频器功率与锅炉给水泵的电机相匹配，图中仅示出一台变频器与一台锅炉给水泵，变频器的数量可为多台，只要与锅炉给水泵的数量相对应即可，即一台变频器对应控制一台锅炉给水泵工作。变频器的输出端分别与模拟量输入模块Ⅱ及数字量输入模块的输入端连接，变频器的输入端分别与模拟量输出模块及数字量输出模块的输出端连接，模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ及数字量输入模块通过背板总线与CPU模块连接，模拟量输出模块及数字量输出模块通过背板总线与CPU模块的连接，操作面板与以太网通讯模块连接。PLC控制系统1的各模块分别设置在PLC背板上，并通过PLC背板相连。

所述模拟量输入模块Ⅰ为8路12位4-20mA 2线制 模拟量输入模块，压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ均为2线制4-20mA压力变送器，压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ分别通过2芯电缆与模拟量输入模块Ⅰ输入端的1路模拟量输入通道端子（图中未示出）连接。所述模拟量输入模块Ⅱ为8路12位4-20mA 4线制 模拟量输入模块，数字量输入模块为32路数字量输入模块，变频器的输出端分别通过多芯电缆与模拟量输入模块Ⅱ输入端的1路模拟量输入通道（图中未示出）及数字量输入模块输入端的3路数字量输入通道（图中未示出）连接。所述模拟量输出模块为8路12位4-20mA模拟量输入模块，数字量输出模块为32路数字量输出模块，变频器的输入端分别通过多芯电缆与模拟量输出模块输出端的1路模拟量输入通道（图中未示出）及数字量输出模块输出端的2路是数字量输出通道对应通道端子（图中未示出）连接。所述电源模块为DC24V直流电源模块，PLC控制系统1内部所有模块由DC24V直流电源模块通过PLC背板供电。PLC控制系统1为S7-300系列PLC，CPU模块为CPU315-2DP，电源模块为PS307，以太网通讯模为CP343-1 Lean，模拟量输入模块Ⅰ、模拟量输入模块Ⅱ及模拟量输出模块均为SM331，数字量输入模块、数字量输出模块均为SM321。 

本发明恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制方法，该控制方法是利用本发明上述由PLC控制系统、压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ、变频器及操作面板组成的恒差压锅炉供水电动调节阀保护控制装置自动保护电动调节阀使其在锅炉供水时不会因电动调节阀内部电机过载保护而停机不工作，包括：设置电动调节阀两端的差压控制值、电动调节阀前后两端压力采集及变频器工作状态采集、差压控制信息处理、差压控制值输出控制、显示监视；其步骤如下（控制方法的PID控制原理及控制流程框图可参见图2、3所示）：

步骤1：设置电动调节阀两端的差压控制值：由操作面板（可以是触摸屏或PC电脑）输入电动调节阀前后两端的差压控制值，PLC控制系统通过其内部的以太网通讯模块与操作面板通讯，PLC控制系统读取操作面板上输入的电动调节阀前后两端的差压控制值，通过PLC背板将设定的电动调节阀前后两端的差压控制值传给PLC控制系统的CPU模块；

步骤2：电动调节阀前后两端压力采集与变频器工作状态采集，电动调节阀前后两端压力采集：从安装在锅炉供水电动调节阀前后端管道上的压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ采集电动调节阀前后两端当前的压力值，采集到的数据经过压力变送器Ⅰ、Ⅱ内部芯片转换成标准4-20mA模拟量传输信号，通过2芯电缆将信号传输到PLC控制系统1的模拟量输入模块Ⅰ，经PLC控制系统的模拟量输入模块Ⅰ将压力信号传给PLC控制系统的CPU模块供其计算用；变频器工作状态采集：采用一台变频器驱动一台锅炉给水泵模式为锅炉匹配，变频器功率与锅炉给水泵的电机功率相匹配，变频器当前工作状态信息数据通过PLC控制系统的模拟量输入模块Ⅱ和数字量输入模块传给PLC控制系统的CPU模块，具体为：变频器当前工作状态信息数据通过多芯电缆传输到PLC控制系统的模拟量输入模块Ⅱ和数字量输入模块的输入端，由模拟量输入模块Ⅱ和数字量输入模块传给CPU模块，供监视使用，模拟量输入模块Ⅱ以传输锅炉给水泵电机的即时速度，数字量输入模块以传输锅炉给水泵的开关信号及故障信号； 

步骤3：差压控制信息处理：根据电动调节阀前后两端的差压控制值、电动调节阀前后两端当前的压力值、变频器当前工作状态信息数据，由PLC控制系统的CPU模块通过模糊PID算法计算得出压差控制值；

步骤4：差压控制值输出控制：PLC控制系统的CPU模块将步骤3中计算得到的压差控制值通过PLC控制系统的模拟量输出模块传给变频器，变频器根据压差控制值变频改变锅炉给水泵的转速而实现对电动调节阀前后差压的控制；同时，PLC控制系统的CPU模块通过PLC控制系统的数字量输出模块输出控制变频器启停或故障复位信息给变频器；如在操作面板上手动按启停键，PLC控制系统的CPU模块接到信号后即会通过PLC控制系统的数字量输出模块将启停信号传给变频器；在锅炉供水系统发生故障时，CPU模块可通过数字量输出模块控制变频器自动停止工作，锅炉给水泵也相应停止工作，控制变频器自动停止工作主要由软件控制实现；

步骤5：显示监视：在操作面板的显示屏（图中未示出）上显示工作状态、设定的电动调节阀两端的差压控制值、电动调节阀两端的实际差压值和电动调节阀的差压控制参数。

作为本发明的变换形式：锅炉给水泵的数量为N(N为大于1的整数)台时，变频器的数量也为N(N为大于1的整数)台，只要变频器的数量与锅炉给水泵的数量相匹配即可；在锅炉给水泵及变频器的数量为多台时，PLC控制系统的数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块（包括模拟量输入模块Ⅰ、Ⅱ）、模拟量输出模块的数量分别与N的匹配关系为：数字量输入模块的数量为N * 3 / 32块，数字量输出模块的数量N * 2 / 32块，模拟量输入模块的数量N / 8+1块，模拟量输出模块的数量N / 8块，同时可在前述匹配关系数量的数量上加上任意数量备用模块；PLC控制系统中各模块的型号并不限于上述实施例所列举的型号，也可为与上述型号具有相同或相似性能的其它型号的装置，只要在本发明的范围内所做的变换均属于本发明的范畴。