基于S7300实现的企业余热温度模拟控制系统设计说明.docx
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基于S7300实现的企业余热温度模拟控制系统设计说明
1引言
1.1设计的背景及意义
能源是国民经济发展的基础，深入开展节能工作，不仅是缓解能源矛盾和保障国家经济安全的重要措施，而且也是提高经济增长质量和效益的重要途径[1]。
由于我国工业领域余能利用空间很大，工业冷却水、工业废水、地热尾水中蕴含着大量热能，利用热交换技术可将废水中的低品位余热转换成高品位热能，再把这些高品位热能利用到冬季供暖，即可实现能源再利用[2]。
在冬季供暖系统中，供暖质量的高低取决于供暖系统的调节，供暖调节主要是根据室外温度的变化，调节供暖温度、循环水量等参数、保持室内温度恒定，防止供暖用户室内温度过高过低，造成能源的浪费或影响供暖单位信誉度。
以往供暖单位主要通过调整锅炉的燃烧状态和运行时间来控制供水温度达到节省燃煤和锅炉用电的目的，但由于循环水的流量不变，循环水泵的耗电并未减少，因此，不符合国家的可持续发展战略，同时也增加了供暖单位的供暖成本。
综上，本文设计了以PLC为控制核心的的变频调速恒温供水系统，基本上可以改进以上存在的问题。
PLC（可编程控制器）是近年来被广泛应用于电气自动化中的一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入或输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC不仅具有传统继电器控制系统的控制功能，而且能扩展输入输出模块，特别是可以扩展一些职能控制模块，构成不同的控制系统，将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体，将智能控制、闭环控制等融为一体的综合控制[3]。
现代PLC以集成度高、功能强、抗干扰能力强、工作稳定受到普遍欢迎，在传统工业的现代化改造中发挥越来越重要的作用。
以PLC控制的变频调速恒温供水系统可以替代布线复杂、维护困难、成本高的传统温度控制系统，它不仅具有传统温度控制系统的优点，满足供暖系统的需求，也克服了传统温度控制系统的耗电耗能的不足，在现实生活中具有重要的意义[4]。
1.2设计相关技术的国内外现状
目前国内外对于温度控制的方法也有很多：
如单片机控制、PLC控制、模拟PID调节器和数字PID调节器等等。
（一）利用单片机系统实现温度恒定的控制，其总体结构图如图1.1所示。
系统主要包括
现场温度采集、实时温度显示、加热控制参数设置、加热电路控制输出、与报警装置和系统核心AT89S52单片机作为微处理器。
图1.1单片机系统实现温度恒定的控制
温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。
单片机结合现场温度与用户设定的目标温度，按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量。
以此控制量控制固态继电器开通和关断，决定加热电路的工作状态，使温度逐步稳定于用户设定的目标值。
在温度到达设定的目标温度后，由于自然冷却而使其温度下降时，单片机通过采样回的温度与设置的目标温度比较，作出相应的控制，开启加热器。
当用户需要比实时温度低的温度时，此电路可以利用风扇降温。
系统运行过程中的各种状态参量均可由数码管实时显示。
（二）利用PLC实现恒温控制系统
利用PLC实现对温度恒定的控制，其控制系统的结构框图如图1.2所示：
采用PLC控制实现电热丝加热全通、间断导通和全断加热的自动控制方式，来达到温度的恒定。
智能型电偶温度表将置于被测对象中，热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较，构成闭环系统，生成温差电压Vt，PLC自适应恒温控制电路，根据Vt的大小计算出全通、间接导通和全断的自适应恒温控制电路，并将占空比可调的控制电平经输出隔离电路去控制可控硅门极的通断，实现自适应的恒温控制。
若温度升的过快，PLC也将输出关断电平信号转换为可控硅电路相匹配的输入信号。
图1.2利用PLC实现恒温控制系统
（三）利用模拟PID调节的恒温控制系统
基于模拟PID调节的恒温控制系统由数字电路部分和模拟电路两部分组成，其控制系统的机构框图如图1.3所示。
由按键设定某一温度，单片机对设定温度值进行查表计算后转换为对应的电压数字值，通过16位的数模转换器得到与之精确对应的电压信号，此电压值于热敏电阻实际测量的电压值进行比较产生一个误差信号，经过PID电路后，获得一个控制量给制冷元件构成实时闭环系统，同时实际测量的电压值并显示在液晶屏上。
图1.3利用模拟PID调节的恒温控制系统
根据以上系统的优缺点本次设计了基于PLC的恒温控系统。
1.3本课题研究内容
利用适当的PLC和变频器，应用PID控制算法，进行电动机工频和变频的切换及工作状态的转变，实现根据不同的需求条件来调节电动机的转速和锅炉工作状态的转变达到对用户的供水恒温控制。
其主要技术要求如下：
（1）系统共设有4个泵，分别为1号泵，2号泵，3号泵，4号泵；
（2）系统采用自动及手动运行方式。
自动运行方式中，能够根据变频实际运行频率和当前实际供水温度来决定泵的组合运行方式；
（3）系统中，泵的组合运行方式共有3种状态，为3变，3工4变,全工。
（4）系统主电路采用一台变频器分别控制2台水泵，使2台水泵均为双主回路的驱动方式；
（5）采用温度传感器测量室内外的温度，作为水泵投入和切换的控制信号。
2方案的提出和论证
2.1方案的提出
冬季供暖质量的高低取决于供暖系统的调节。
供暖调节主要是根据室外温度的变化，调节供暖温度、循环水量等参数、保持室内温度恒定，防止供暖用户室内温度过高过低，造成能源的浪费或影响供暖单位信誉度。
供暖的方法直接影响了供暖的质量，供暖的调节的方式分为两种：
第一种是质调，第二种是量调[5]。
下图2-1为供暖系统的原理框图。
图2-1总体方案的系统框图
该系统主要有几大部分组成：
可编程控制器、变频器、PC机（Wincc监控界面）、检测电路、按钮电路、报警电路、供暖对象、循环水泵、锅炉等组成。
可编程控制器：
系统的核心控制部分。
对系统发出指令，达到控制的目的。
变频器：
主要用于PLC通过控制变频器来控制电机的转速，从而控制循环水的流量。
Wincc监控界面：
监控系统的运行状态。
检测电路：
主要用于检测各种参数例如室外的温度、水的流量和温度等。
循环水泵：
主要用于控制水的循环，可以使供热源的热量通过循环水传递到用户。
循环水泵起到提供动力作用。
按钮电路：
主要用于系统的启动和停止及一些参数的设定。
报警电路：
主要用于提示人们系统出现的故障，及时处理故障避免发生危险和伤害。
锅炉：
主要用于加热循环水。
2.2方案的论证及确定
方案一：
供暖的调节方式采用质调。
目前普遍采用这种方法，质调是通过调整锅炉的燃烧状态和运行时间来控制供水温度达到节省燃煤和锅炉用电的目的，但由于循环水的流量不变，循环水泵的耗电并未减少。
方案二：
供暖的调节方式采用量调，它是根据室外温度的变换来调节整个供暖系统水流量的方法改变供暖温度，当室外温度升高时，使水泵转速降低，水流量降低，水在系统中流动的时间加长，在相同的供水温度（t供）下，回水温度下降，供暖平均温度t平=（t供+t回）/2下降，从而起到温度调节的作用。
流量调节可分为两种方法：
一是通过控制循环水泵出水阀门和系统各支路阀门的开度大小来调节，这种方法由于水泵电机转速不变，只是人为调节系统阻力，电机功率变化不明显，起不到节电作用。
另一种方法是加变频调速装置，自动调节水泵电机的转速，达到控制流量的目的。
这种方法操作简单，节电效果明显，是控制温度较理想的方法。
通过以上的论证和分析，本文设计的系统采用方案二即采用量调结合变频调速的方法进行，满足需求且节能降耗。
2.3方案说明
方案二中的室内温度在实际供暖系统中，一般与室外温度和供水温度有关，而我们设计的是一个模拟系统，因此，系统中室内温度的恒定主要是通过调节供水温度来维持的。
该系统通过控制循环水的流动来控制供水温度，从而达到控制室内温度的目的。
变频恒温供水是使用变频器通过调节供水水泵的转速，以维持供水温度，并使其保持相对恒定，因此又简称恒温供水。
用变频器实现的闭环控制可以保证泵站的出口温度基本恒定。
为了节省投资，一般只配备一台变频器，某一台电动机用变频器驱动，其他电动机仍然用工频电源驱动，以实现多泵并联变频恒温供水，达到理想的流量及温度调节效果。
PLC的主要作用是根据室内室外的温度和供水的温度，控制变频及工频电源供电的水泵台数，对泵站总的供水流量进行调节。
在控制系统中，温度变送器将泵站出口管道的温度和室内室外的温度转换为标准量程的电压或电流，这些反馈量直接送给EM模块的模数转换再送给PLC，PLC根据室外温度和室内温度和供水温度的偏差变化情况，经PLC内部的PID运算，调节变频器的输出频率，控制变频及工频电源供电的水泵台数。
变频器的输出频率越高，泵站的出口流量就越高。
选择最佳的输出频率，既能保证供水温度，又能防止温度过高，可以节约大量的能源。
PLC可以选择任意一台电动机作为变频运行，其余各台电动机由工频驱动。
根据当前的供水量和泵站出口处的温度，控制工频运行的水泵台数，对供水量和流量进行粗调，用变频电动机进行细挑。
假设各泵的电动机容量相同，当用水流量小于一台泵的流量时，由一台变频泵自动调速供水。
随着用水流量的增大，由于闭环控制的作用，变频泵的转速自动升高，以维持恒温；如果变频泵的转速升高到工频转速时，管道出口温度仍未达到设定值，则启动一台工频泵。
依此类推，直到出口温度达到设定值。
当用室外温度减少时，锅炉的加热状态也会降下来，变频泵的频率也将自动减小，降到某一设定值时，如果管道温度仍高于设定值，则切除一台工频泵，切除后如果管道温度仍然过高，再切除一台工频泵，直到管道温度等于设定值。
本文设计的系统中共有2台水泵，其中只有一台变频泵。
当供水设备供电开始时，先启动变频泵，水温达到设定值时，变频器的输出频率稳定在某一数值上。
而当用室外温度降低时，供水水温就会升高，传感器将这一信号送入PLC前端的EM模块，PLC送出一个温度升高信号，使锅炉的加热状态增加，也使变频器的输出频率上升，水泵的转速提高，水温上升。
如果室外温度和室内温度降了很多，使变频器的输出频率达到最大值，仍不能使水温达到设定值，则PLC就发出控制信号，再启动一台工频泵。
反之，当用室外温度增加时，变频器的频率达到最小值时，PLC发出减少一台工频泵的信号和减小炉的加热状态。
系统处于自动运行方式，有2台工作水泵。
系统初始上电时，先投入一个泵进行变频运行，调节供水温度，此时系统为第一台泵变频（简称“3变”）工作方式。
若当前温度没有达到给定值，而水泵运行频率已经达到最高值50Hz，则此时应将工作泵切换至工频运行，并将另一待用泵投入变频运行状态，此时系统为第一台泵工频、第二台泵变频（简称“3工4变”）工作方式。
若处于“3工4变”状态时，其实际供水温度低于给定值，而变频泵运行低于指定频率，则说明用室内温变大，此时只需1台泵工作即可，系统转入“3变”运行状态。
2.4本章小结
本章主要确定变频调速恒温供水系统的设计方案，主要是针对实际要解决的问题选择用变频调速的方案来解决，在变频调速恒温供水系统中，是通过变频器来改变水泵的转速，从而改变水的流量，进而控制室内的温度。
用PLC控制的变频恒温供水量调的方法取代调整锅炉的燃烧状态质调的方法，使室内温度达到相对稳定的状态，在室外温度变化剧烈时，系统自动切换到最佳状态运行，以进一步节能降耗，提高节能效果。
3变频调速恒温系统硬件设计
该系统硬件主要有两大部分组成：
主电路和控制电路。
主电路由电机、变频器、熔断器、交流接触器、热继电器等组成，完成电机的工频及变频的切换。
控制电路由PLC、检测电路、按钮电路、报警电路等组成，完成温度信号的检测以及对主电路电机的控制。
以下详细介绍变频调速恒温系统硬件构成及工作原理。
3.1主电路的设计
图3-1主电路电气原理图
电气控制系统主电路包括两台水泵电机、两台其他控制用电机，刀开关，交流接触器，电机过载保护用的热继电器、熔断器以及变频器。
3.1.1水泵的选择
水泵型号和台数的选择，应根据当地的气温变化规律选择，即应满足当室外温度达到最寒冷使所有用户室内温度稳定在较理想温度[6]。
还应考虑以下方面因素：
（1）水泵扬程应大于实际供热高度。
（2）扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内，以减少耗电量。
（3）水泵型号应使泵站建筑面积和泵站的基础埋深为最小，以降低泵站造价。
（4）水泵构造应使泵站内管线简单，以减少水头损失。
（5）安装管理方便。
根据模拟系统的硬件设计，选用的水泵型号是管道离心泵IRG32-160，共4台。
水泵参数如表3-1。
表3-1水泵参数
材质
铸铁
驱动方式
电动
型号
IRG32-160
原理
离心泵
流量
4.5（m3/h）
电动功率
1.5（kw）
转速
2900
扬程
32（m）
3.1.2电机的选择
电动机选择的主要内容包括：
电动机的类型、额定功率、额定电压、额定转速等[7]。
电动机选择的一般原则：
（1）类型的选择
选择哪种类型的电动机，一方面要根据生产机械对电动机的机械特性、起动性能、调速性能、制动方法和过载能力等方面的要求，另一方面在满足上述要求的前提下，还要从节省初期投资，减少运行费用等经济方面进行综合分析，最后将电机的类型确定下来。
对起动、调速等性能没有特殊要求的情况下，优先选用三相笼型异步电动机。
（2）功率的选择
正确地选择电动机的额定功率非常重要，额定功率选择得过大，电动机长期在欠载状态下运行，不仅增加设备投资，还会降低其效率和功率因数（对异步电动机而言）等指标，增加运行费用；额定功率选择太小，电动机长期在过载状态下运行，会使电动机过热而降低使用寿命，甚至拖动不了生产机械，因此应使所选电动机的额定功率等于或稍大于生产机械所需要的功率。
（3）电压的选择
根据电动机的额定功率和供电电压的情况选择电动机的额定电压。
例如，三相异步电动机电动机的额定电压主要有380V、3000V、6000V和10000V等几种，由于高压电器设备的初期投资和维护费用比低压电器设备贵得多，一般当电动机额定功率PN≤200KW时，往往选用380V电动机；PN≥200KW的电动机一般都是高压电动机，由于3KV电网的损失较大，而10KV电动机的价格有比较昂贵，除特大型电机外一般大中型电动机都选用6KV电压。
（4）转速的选择
根据生产机械的转速和传动方式，通过经济技术比较后确定电动机的额定转速。
额定功率相同的电动机额定转速高，电动机的重量轻、体积小、价格低、效率和功率因数（对三相异步电动机而言）也较高。
若生产机械的转速比较低，电动机的额定转速比较高，则传动机构复杂、传动效率降低，增加传动机构的成本和维修费用，因此，应综合分析电动机和生产机械二方面的各种因素最后确定电动机的额定转速。
（5）外形结构的选择
根据电动机的使用环境选择电动机的外型结构。
电动机的外型结构有以下几种：
开启式、防护式、封闭式、密封式、防爆式。
（6）安装形式的选择
根据电动机在生产机械中的安装方式来选择电动机的安装型式。
我国目前生产的电动机的安装型式主要有B3（卧式，机座带底脚，端盖上无凸缘）、B5（卧式，机座不带底脚，端盖上有凸缘）、B35（卧式，机座带底脚，端盖上有凸缘）、V1（立式，机座不带底脚，端盖上有凸缘）。
每种又分单轴（一端有转轴伸出）和双轴两种（两端都有转轴伸出）两种。
（7）工作制的选择
根据电动机的工作方式选择电动机的工作制。
国产电动机按发热与冷却情况不同，分为九种工作制，如连续工作制、短时工作制、断续周期工作制等等。
选择工作制与实际工作方式相当的电动机比较经济。
系统中根据前述各项的选择原则选择电动机的型号。
根据以上原则，选择本系统所需的电动机型号为y90s-2，其各参数如表3-2。
表3-2电动机的参数
电机名称：
Y系列三相异步电机
型号：
Y90S-2
额定功率kw：
1.5
转速r/min：
2840
电流：
3.4
效率：
78
功率因数：
0.85
堵转电流额定电流：
3.4
堵转转矩额定转矩：
2.2
最大转矩额定转矩：
2.3
重量：
21
噪音：
75
类别：
Y系列
3.1.3变频器的选择及确定
变频器的选择及确定应充分考虑到所应用场合使用工况条件的最恶劣情况，留有足够的设计裕度和必要的保护措施[8]。
在选型时应对技术性能和经济指标进行综合考虑，以选择相应的变频器规格容量。
变频器与电动机的匹配主要是电动机的额定电压及电流，如果电动机额定电流小于同功率的变频器额定电流，一般来说用同等功率的就足够了，但如果大了，只好用大一级的变频器。
对于鼠笼式异步电动机，变频器的容量选择应以变频器的额定电流大于电动机的最大正常工作电流的1.1倍为原则，这样可以最大限度地节约资金。
在选用变频器时除了考虑技术性和可靠性外还应考虑经济性，一般不要留有太大功率余量，变频器与电动机两者的功率应相匹配，不但经济性好而且输出波型更好。
变频器的选择主要考虑以下因素：
（1）电压等级与驱动电动机相符。
（2）额定电流为所驱动电动机额定电流的1.1～1.5倍。
（3）根据被驱动设备的负载特性选择变频器的控制方式。
由于电动机的额定功率为1.5KW，所以变频器的容量1.5KW即可。
本设计采用西门子的变频器MM440系列型号为6SE6440-2UD21-5AA1。
MicroMaster440是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。
它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。
变频器使用时，首先应该结合实际应用对其功能参数进行设置，因此，本次设计中选用的变频器参数设置如表3-3所示。
表3-3变频器参数
功能代码
含义
设定值
作用
P0700
选择命令源
2
由端子排输入
P0701
数字输入1功能
1
正转/停车命令
P0725
PNP/NPN数字输入
0
NPN
P0731
数字输出1功能
52.3
变频器故障信号
P0732
数字输出2功能
52.2
实际频率降至最低频率
P0733
数字输出3功能
52.A
实际频率等于50Hz
P0756
ADC类型
0
0～10V
P0771
DAC的功能
21
反映实际频率
P1330
变频器的控制方式
2
带抛物线特性的U/f曲线
P2200
运行PID投入
1
允许投入
P2253
PID设定值信号源
2250
已激活的PID设定值
P2264
PID反馈信号
755.0
AIN1
P2271
PID反馈形式
0
P2274
PID微分时间（D）
一般设为0（默认值），微分不起作用
P2280
PID比例系数（P）
实际调试确定，初始值可采用
P2285
PID积分时间（I）
3.1.4热继电器的选择
热继电器的作用是对连续运行的电动机实施过载及断相保护，可防止因过热而损坏电动机的绝缘材料[9]。
由于热继电器中发热元件有热惯性，在电路中不能作瞬时过载保护，更不能作短路保护。
热继电器按相数来分有单项、二相和三项3种类型。
三相式热继电器常用于三相交流电动机的过载保护，按功能不同可分为带断相保护和不带断相保护两种类型。
热继电器的工作原理是热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。
热继电器的选用应综合考虑电动机的形式、工作环境、起动情况、负荷情况等几方面因素。
（1）原则上热继电器的额定电流应按电动机的额定电流选择。
对于过载能力较差的电动机，其配用的热继电器（主要是发热元件的额定电流）为电动机的额定电流60%-80%。
（2）在不需要频繁起动的场合，要保证热继电器在电动机的起动过程中不产生误动作。
通常，当电动机起动电流为其额定电流的6倍以及起动时间不超过6S时，若很少连续起动，则可以按电动机的额定电流选取热继电器。
（3）当电动机为重复短时工作时，首先要确定热继电器的允许操作频率。
因为热继电器的操作频率是很有限的，如果用来保护操作频率较高的电动机，效果很不理想，有时甚至不起作用。
（4）对于正反转和通断频繁的特殊工作制电动机，不宜采用热继电器作为过载保护装置，而应使用温度继电器或热敏电阻来保护。
根据上述选型的原则，系统中选择热继电器型号为JR16-20/2.2~3.5。
3.1.5交流接触器的选择
接触器是一种用来频繁地接通和断开（交、直流）负荷电流的电磁式自动切换电器，主要用于控制电动机、电焊机、电容器组等设备，具有低压释放的保护功能，适用于频繁操作和远距离操作，是电力拖动自动控制系统中使用最广泛的电气器件之一[10]。
接触器按流过主触点电流性质的不同，可分交流接触器和直流接触器。
接触器选择遵守以下原则
（1）接触器的类型选择。
根据接触器所控制负载的轻重和负载电流的类型，来选择交流接触器或直流接触器。
（2）额定电压的选择。
接触器的额定电压应大于或等于负载回路电压。
（3）额定电流的选择。
接触器的额定电流应大于或等于被控回路的额定电流。
对于电动机负载可按下式计算：
式中IC—流过接触器主触点的电流（A）；
PN—电动机额定功率（KW）；
UN电动机的额定电压（V）；
K—经验系数，一般取1~1.4；
选择接触器的额定电流应大于等于IC。
接触器如使用在电动机频繁起动、制动或正反转的场合，一般将接触器的额定电流降一个等级来使用。
（4）吸引线圈的额定电压选择。
吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的额定电压相一致。
对简单控制电路可直接选用交流380V、220V电压，对复杂、使用电器较多者，应选用110V或更低的控制电压。
（5）接触器的触点数量、种类选择。
接触器的触点数量和种类应根据主电路和控制电路的要求选择。
如辅助触点的数量不能满足要求时，可通过增加中间继电器的方法解决。
交流接触器的选用，是根据负荷的类型和工作参数合理选用的。
本次设计采用CJX2-1810.其参数见表3-4。
表3-4CJX2-1810参数
型号
CJX2-1810
是否提供加工定制
是
品牌
海康
额定电压
24/440（V）
机械寿命
100（万次）
电寿命
50（万次）
产品认证
CCC
适用范围
工控系统
CJX2-1810型的交流接触器的特点：
CJX2-1810交流接触器主要用于交流50Hz或60Hz，额定工作电压至660V，在AC-3使用类别下额定工作电压为380V额定工作电路中，供远距离接通与分断电路之用。
CJX2-1810和CJX2-1810交流接触器并可与热继电器直接插接组成电磁起动器，以保护可能发生操作过负荷的电路。
CJX2-1810交流接触器还可组装积木式辅助触头组、空气延时头、机械联锁机构等附件，组成延时接触器、可逆接触器、星三角起动器。
3.1.6低压断路器的选择
低压断路器又称自动空气开关，可用来分配电能、不频繁地起动异步电动机、保护电动机及电源等，具有过载、短路、欠电压等保护功能[11]。
低压断路器的选择应遵守以下原则
（1）低压断路器的额定电流和额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。
（2）低压断路器的极限分断能力应大于或等于电路短路电流。
（3）过电流脱扣器的额定电流应大于或等于线路的最大负载电流。
（4）欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。
低压断路器QF是保护消防电动机过电流，短路和欠
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