论文总字数：20758字

摘 要

在我国石油化工、冶金和发电等行业上，人多采用工业循环冷却水。目前，为了进一步节能减排，提高循环冷却水的利用率，从而对水处理的技术和药剂的质量要求越来越高。同时我们看到，加强水处理的监测也越来越重要。监测换热器较好地模拟了工业现场换热器，对测量有关水质的腐蚀、结垢数据十分重要。利用西门子S7-200和WinCC实现监测换热器系统；运用PID控制，完成对现场数据的采集、自动控制的功能，根据系统温度和流量控制的需要，设计了针对温度和流量的PID控制器，提高了温度和流量控制的效果，系统交互性好，可靠性高，抗干扰能力强。

关键词：PLC；WinCC；换热器；PID

Design and Implementation of PLC-based monitoring of the heat exchanger

Abstract

On China's petrochemical, metallurgical and power generation industries, people use more industrial cooling water. Currently, in order to further energy conservation, improve the utilization of circulating cooling water, and thus the quality of water treatment technology and pharmaceutical increasingly demanding. At the same time we see that strengthening water monitoring is also becoming increasingly important. Monitoring simulate the heat exchanger industrial field, for measuring water quality of corrosion, scaling data is very important. Using Siemens S7-200 and WinCC realize monitor heat exchanger systems; using PID control, complete on-site data collection, automatic control functions required temperature and flow control system designed for temperature and flow rate of PID controllers, improve the effect of temperature and flow control system interactive, high reliability, strong anti-interference ability.

Keywords: PLC; WinCC; exchanger; PID

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1国内现状 1

1.2监测换热器简介 1

第二章 系统简介 2

2.1系统结构 2

2.2 S7-200PLC简介 2

第三章 系统控制 4

第四章 系统硬件设计 6

4. 1硬件配置 6

4. 2系统结构与工作原理 7

4. 3上位机监控软件开发 7

第五章 软件设计 9

5.1模拟量的采集和转换 9

5.2 PID控制 14

5.3 报警设计 20

5.4 Modbus通讯 21

5.5 时钟设计 23

5.6污垢热阻对设计的影响 24

第六章 Wincc和PLC通讯 29

6.2 WinCC变量分类 29

6.3 WinCC的编辑步骤： 30

第七章 总结 32

参考文献 33

附 录 34

1、主程序 34

2、模拟量的采集和转换 36

3、PID控制 39

4、报警 41

5、Modbus通讯 42

致 谢 44

第一章 引言

1.1国内现状

随着我国人口的不断增加和农业持续发展，我国淡水资源日益紧张。为了节约用水，在我国石油、化工、电力、钢铁、冶金等企业正在逐步采用循环冷却系统代替了原有的直流冷却水系统。循环冷却水在循环过程中，必然会带来结垢，金属腐蚀和微生物滋生等问题，严重影响了工业生产的正常运行，同时循环冷却水的浓缩倍数也呈上升趋势，监测换热器很好地模拟了工业现场换热器的运行，监测腐蚀、结垢状态，在水质监测领域得到广泛使用^[1]。

1.2监测换热器简介

监测换热器是一种模拟实际生产中换热器工况的监测装置，其在循环冷却水系统中的应用，可预测运行中的换热器的腐蚀和结垢趋势。它主要用来对循环冷却水系统中换热器的腐蚀与结垢情况进行现场监测。随着冷却水处理技术在工业中的广泛应用，监测换热器在循环冷却水系统中的应用也得到了迅速发展^[2]。

监测换热器是大生产运行中的眼睛，它不仅是作为了解和观察水质、评价水稳配方的一种手段，更重要的是它在指导循环水控制、掌握循环水变化规律、传递循环水水质恶化信息以及研究和改进水稳配方等方面发挥着重要作用。

监测换热器的结构与实际生产上用的换热器相似，其冷却水的流动状态和温度也与实际生产条件相似，所以其腐蚀结垢情况也较接近生产实际，它能随时为我们提供腐蚀率、污垢热阻等一系列参考数据。

在现场监测换热器使用过程中,来自于现场的流量和蒸汽要求保持稳定。如果现场的流量和蒸汽发生波动,影响监测的准确性,要求采用自动控制。通过智能换热器在线监测仪,实现对流量和蒸汽信号的采集和控制。智能换热器在线监测仪,用来测试进出口温度、蒸汽温度和流量信号,控制流量调节阀和蒸汽调节阀,计算污垢热阻,反映当前试管结垢情况，还可以增加PH、电导率和腐蚀率等参数测量功能,然后把测量的数据传送到计算机上,实现计算机监控,组成了一个智能监测换热器系统^[3]。

第二章 系统简介

2.1系统结构

系统采用分布式控制系统结构，由上位机和现场设备构成。系统上位机采用WinCC组态软件开发监控界而，能够完成实时监测和数据动态显示、异常报警、报表制作、趋势分析等管理任务，并配有5. 7寸触摸屏，使监测及控制更便捷。分布于现的西门子PLC、智能监测仪表及现场传感器，作为该监测系统的下位机，完成换热器实时数据采集及对质量指标进行自动控制的功能。

监测换热器是一种模拟用的小型换热器, 其工作条件较接近于换热器装置的实际运行条件, 其特点是有一个传热的金属表面, 能够监测传热面上腐蚀、结垢和沉积的情况。适于各种材质的换热器监测，如陶瓷换热器、金属换热器、石墨换热器等。所以 监测换热器法是冷却水系统进行腐蚀、结垢监测和评价的一种重要方法^[4]。

如何选用监测换热器, 首先要了解本单位的使用的换热器是什么材质、热物料的温度、循环水的流速、进出口水的温差等参数,还要考虑现场引入的循环水的给水和蒸汽源是否 能够满足监测换热器使用要求, 需不需要增加自动控制等措施。为了实现水质现代化科学管理,采用具有网络通讯的换热器在线监测仪等。换热器在线监测仪在循环冷却水系统的使用,能够使我们及时了解循环水水质存在的问题,及时制定处理问题的方案,确保设备正常运行。总之,换热器在线监测仪的正确使用将有利于我们进一步提高循环水的水质,实现更为科学的水质监测与管理。

2.2 S7-200PLC简介

西门子S7-200PLC在实时模式下具有速度快，具有通讯功能和较高的生产力的特点。一致的模块化设计促进了低性能定制产品的创造和可扩展性的解决方案。来自西门子的S7 - 200微型PLC可以被当作独立的微型PLC解决方案或与其他控制器相结合使用。SIMATIC S7-200发挥统一而经济的解决方案。整个系统的系列特点强大的性能，最优模块化和开放式通讯。结构紧凑小巧－狭小空间处任何应用的理想选择在所有CPU型号中的基本和高级功能，大容量程序和数据存储器杰出的实时响应－在任何时候均可对整个过程进行完全控制，从而提高了质量、效率和安全性易于使用STEP 7-Micro/WIN工程软件－大多数人理想选择集成的RS 485接口或者作为系统总线使用极其快速和精确的操作顺序和过程控制通过时间中断完整控制对时间要求严格的流程。

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