基于PLC和变频器的集中供热换热站节能控制系统设计毕业设计论文.docx

基于PLC和变频器的集中供热换热站节能控制系统设计毕业设计论文.docx

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基于PLC和变频器的集中供热换热站节能控制系统设计毕业设计论文

摘要

换热站是供暖系统中重要的部分，与我们的工作和生活有着密切的关系，因此对它进行安全可靠地供电和完善的系统控制是必不可少的。

本文首先简单介绍了换热站的供暖方式，主要介绍了换热站的弱点系统设计，这是换热站正常运行的先决条件，换热站的结构、换热站的工作原理以及系统构成并对控制方案作了详细介绍。

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

1.绪论

1.1集中供暖的发展概述

集中供暖是在十九世纪末期，伴随经济的发展和科学技术的进步，在集中供暖技术的基础上发展起来的，它利用热水或蒸汽作为热媒，由集中的热源向一个城市或较大区域供应热能。

集中供暖不仅为城市提供稳定、可靠的热源，改善人民生活，而且与传统的分散供热相比，能节约能源和减少污染，具有明显的经济效益和社会效益。

1.1.1国外集中供暖发展概况

集中供暖方式始于1877年，当时在美国纽约，建立了第一个区域锅炉房向附近14家用户供热。

20世纪初期，一些工业发达的国家，开始利用发电厂内汽轮机的排气，供给生产和生活用热，其后逐渐成为现代化的热电厂。

在上世纪中，特别是二次世界大战以后，西方一些发达国家的城镇集中供暖事业得到迅速发展。

原苏联和东欧国家的集中供暖事业长期以来是实行以积极发展热电厂为主的发展政策。

原苏联集中供暖规模，居世界首位。

1980年原苏联热电厂的总装机容量为9600万KW。

国工业与民用的年总供热两中，70%由集中供暖方式提供。

全国热电厂总年供暖量约为55亿GJ。

莫斯科的集中供暖系统是世界上规模最大的供暖系统。

据1980年资料，市区有14座热电厂，供暖机组78台，总容量为585万千瓦，供暖能力达45200GJ/h。

热网干线长达3000多千米向500多个工业企业和四万多座建筑供暖，其城市集中供暖普及率接近100%。

地处寒冷气候的北欧国家，如瑞典、丹麦、芬兰等国家，在第二次世界大战以后集中供暖事业发展迅速，城市集中供暖普及率都较高。

据1982年资料，如瑞典首都

斯德哥尔摩市，集中供暖普及率为35%；丹麦集中供暖系统遍及全国城镇，向全国1/3以上的居民供暖和热水供应。

第二次世界大战后德国在废墟中进行重建工作，为发展集中供暖提供了有力的条件。

目前除柏林、汉堡、慕尼黑等城市已有规模较大的集中供暖系统外，在鲁尔地区和莱茵河下游，还建立了联结几个城市的城际供暖系统。

在一些工业发达较早的国家中，如美、英、法等国家，早期多以锅炉房供暖来发展集中供暖事业，锅炉房供暖占较大比例。

不过这些国家已非常重视发展热电联产的集中供暖方式。

1.1.2国内集中供暖发展概况

我国早在远古时期，就有钻木取火的床说，西安半坡村挖掘出土的新石器时代仰韶文化时期的房屋中，就发现有长方形的灶坑，屋顶有小孔用以排烟，还有双联造型的火炕，而这些利用烟气供暖的方式，如火炉、火炕灯在我国北方农村还被广泛使用着

在旧中国，只有在大城市位数很少的建筑中，装设了集中式供暖系统，被视为高贵的建筑设备。

在工厂中，对生产工艺用热，多只装设简陋的供暖设备，供暖事业基础非常薄弱。

我国城市集中供暖真正起步是在50年代开始的，党的十一届三中全会以后，特别是国务院1986年下发《关于加强城市集中供热管理工作的报告》，对我国的集中供暖事业的发展起到了极大的推动作用。

1992年，全国有117个城市建设了集中供暖措施，供暖面积达到21262平方米，“三北”地区集中供暖普及率达到12%，1993年，全国有158个城市建设了集中供暖措施，供暖面积达到32832平方米，“三北”地区集中供暖普及率达到18%。

到1996年，我国已有286个城市建设了集中供暖系统，供暖面积达到73400万平方米，“三北”地区集中供暖普及率达到26%。

尤其近几年，随着国民经济的增长和生活水平的提高，越来越多的城市建设了集中供暖系统。

虽然我国这些年来集中供暖事业取得了迅速发展，但是和国外相比，我国目前采暖系统相当落后，具体体现在供暖质量差，即室温冷热不均，系统效率低下，不仅多耗成倍能量，而且用户不能自行调节室温。

当前采暖收费大多按照面积计算，无助于用户节能意识，以至于出现一些不正常现象。

如室温过高开窗，室温过低投诉，使得设计人员及业主尽量加大供热量，造成效率低、高能耗的重复浪费。

我国能源紧缺，而采暖用能十分浪费。

据资料显示，我国住宅建筑采暖能耗总消耗9。

6%，采暖能耗不仅造成资源浪费，而且是大气污染的一个重要因素。

在功能上，发达国家通常室内温度保持22摄氏度，我国仅为16摄氏度，而且我国的供暖质量很差，室温冷热不均，系统热效率低下，大多数地方没有采取按户计费，用户也不能自行设定和调节室温等等。

我国城市集中供暖目前存在的能源浪费主要来源与：

建筑的保暖隔热和气密性能差；采暖系统相当落后。

造成结果是：

低效率，我国供暖采暖系统普遍存在低负荷、低效率运行，实际供暖面积平均只有设备能力的40%左右。

管网输送效率低，管道泄漏和偷水现象严重；缺乏控制手段：

我国供暖系统只有简单的调节手段，水力水平失调、垂直失调严重：

没有恒温装置，供热不足和过度时，没有有效的调节手段；缺乏计量手段：

采暖系统一般不设热表，没有计量收费造成用户不会主动去节能，没有计量也造成了管理运行人员没有具体数量上的依据来运行管理。

换热站的发展为改变了之前供热系统的众多缺陷。

1.2换热站的简介及运行现状

换热站与锅炉房是根本不同的。

锅炉房是用燃料把水（或其他介质）加热到具有一定参数的地方；而换热站是为了把锅炉房生产的高温热水（高于100C）转换成能够直接给用户供热的热水（低于100C）。

锅炉房是生产地，其主要设备有：

锅炉、鼓风机、引风机、循环泵、和各种辅助设备（上煤机，除渣机）等，其中锅炉是主体。

而换热站是个中转站，现在换热站的主要换热方式有：

换热板、混水等。

说白了换热站就像一个大的过水热，唯一不同的是它很大.它们都属于供热系统的一部分，又各自具有不同的功能。

其工艺流程是：

锅炉房——（高温热水）——换热站——（低温热水）——用户——（低温热水）——换热站——（低温热水）——锅炉房

通常换热站内部设备可分为两个部分，即采暖系统和民用生活系统，目前我国换热站大部分没有民用热水设施。

今后随着国民经济的发展，人民生活水平的提高在换热站内应该普及生活热水系统，来提高集中供暖的效益。

换热站的主要设备有：

离心水泵、汽-水换热器、热水储水箱、过滤器、补水泵调节阀热媒参数调节和检测仪表、防止用户热水供应装置生锈和结垢的设备等。

换热站内还安装有热量表以及调节供热量的自动调节装置。

但是目前来说大部分换热站还不能实现全自动化无人值守，大部分缺乏控制手段，耗能严重造成资源的许多不必要的浪费。

1.3课题的来源及意义

随着国民经济的不断发展，人们对供暖质量的需求也在逐步提高。

在传统供热模式下，为满足供热需求，换热站内设备运行参数多为人工调节，随着室外温度及热负荷的不断改变，不断的人工调节二次供水温度以保证用户室内能够维持恒定的温度。

在这种情况下，人工手动调节必然存在着较大偏差，只能够根据经验达到粗调节，不能够居民对室内温度恒定。

为了改变这一情况，多年以来供热行业一直在探讨开发能充分适应热负荷不断变化的细调节运行方式，以适应热负荷变化较大、调节频率较高对系统平衡能力的需求，满足热用户的合理需求，达到经济运行目的。

目前，由微机监控换热站从技术上满足了这种需求，其原理是通过变送器远程采集系统运行数据，经有线或者无线方式将信号传递到控制中心进行中央监控，同时将控制信号以组态模式实时反馈，控制电控执行机构进行系统调节，实现对二次供、回水温度的合理控制和处理突发事故。

无人值守换热站具有以下特点：

运行人员少，人员培训时间段，界面人格化，且能只管的监控换热站的运行情况；可以科学的根据天气情况及负荷变化通过适时反馈自动进行蒸汽流量细调节，降低直接成本；既可以循环监控各换热站的运行参数，又能抽调某个换热站的运行状态，保证了系统监控实时性；可以设定系统临界参数，系统异常时在控制中心实现报警，在必要时能及时的将控制信号自动反馈到电动执行机构，处理突然事故，保证了系统的安全性。

从理论上，通过计算机技术、PLC、传感器数据通讯技术和测控技术，需做到换热站在整个运行期间无需人员巡视时可行的，但是相应的硬件设施投入相对过大。

因此从企业经济效益角度出发，应以远程监控影像安全运行参数为主，辅以人员巡查，达到无人值守的目的。

本课题来源于平安小区换热站的控制与技术，如何随时了解换热站的工作情况和有关信息，并根据这些信息和室外温度对换热站进行及时调控，使供暖系统始终在一个最佳工况下运行，从而获得良好的经济效益和社会效益，这就是本课题的研究目的所在。

1.4课题研究所要实现的控制功能

本课题包括以下基本控制功能：

1.运行参数检测功能

该热交换站主要监测内容有一次热媒侧供回水温度、二次热水流量、二次供回水温度、供回水压差、室内外温度、供热水泵工作、故障及手动/自动转换状态等。

并进行信号处理后在彩色显示器上显示，同时还显示运行模拟图、主要工艺参数的变化曲线等画面。

2.控制功能

（1）供水温度的自动控制：

根据装设在热水出水管处的温度传感器检测的温度值与设定值的偏差，自动调节二次侧供热水泵的频率，实现水泵的变频调节。

实际使用中当高温水侧流量变化时，出口温度就降低，用一般反馈由于存在较大的惯性滞后可能使供水温度产生较大的动态偏差，为此在系统中应加入流量前馈补偿信号。

（2）供回水压差控制：

测量供回水压差控制其旁通阀的开度，以维持压差设定值；

（3）当供热泵停止运行时，一次热媒电动调节阀自动关闭；

3.报警功能：

系统将对运行参数越限、运行故障和设备故障报警并发出相应的报警信号。

4．丰富的实时管理功能：

操作人员可方便地在线修改各受控输出的设定值、越限报警值和故障报警值。

维修人员可方便地调整内部参数，使之适应系统的大幅度调整，如更换仪表、执行机构等。

具有各种不同的显示画面，可定时和随机打印生产运行日报表、月报表等统计报表。

1.5本章小节

通过前面对集中供暖系统现状、目前换热站运行情况和对本课题的分析介绍可知，换热站集中供暖已经普及但大多数还是存在着控制手段过于简单，耗能严重等问题，“节能”已经成为时下最流行的话题，如何实现节能控制是本课题所要研究的重点问题。

本课题主要是用PLC实现换热站的底层控制。

换热站的PLC控制系统主要由可编程控制器（PLC）、人机界面（HMI）、各种传感器等组成。

在该控制系统中，各种传感器变送器将检测到的参数（供水温度、压力、流量等）传送给PLC，经PLC处理后，通过变频器控制循环泵、补水泵，控制电动调节阀从而实现换热站的自动控制。

PLC是换热站控制系统的核心环节。

2.可编程控制器概述

2.1可编程控制器的定义及发展

2.1.1可编程控制器的定义

可编程控制器简称PLC，是一种专为工业环境而设计的数字运算操作的电子系统。

它采用了可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算功能，用来对各种机械和生产过程进行控制。

应该强调的是，PLC与以往所讲的机械式的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。

由于PLC引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，所以能灵活地修改程序，即它是用软件方式来实现“可编程”的目的。

2.1.2可编程控制器的产生及发展

1969年，在美国出现了第一台可编程控制器。

初期的PLC只是用于逻辑控制场合，仅仅代替了传统的继电器控制系统。

70年代初，随着大规模集成电路的产生与发展，PLC采用微处理器为核心，功能得到增强。

在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。

在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高，功能进一步增强，处理速度大大提高。

而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了PLC软、硬件功能。

PLC在编程语言、控制功能、人机接口和网络通信等方面与工业计算机已不相上下。

至今PLC已渐渐成为工业控制领域的主流计算机。

经过40年的发展，现在已经成为工业控制的三大支柱（PLC、工业机器人和CAD/CAM）之一。

长期以来，PLC在工业自动化控制而发挥着巨大作用，为各种各样的自动化控制设备提供了广泛、可靠的控制应用。

这主要是源于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合当前自动化工业企业的需要。

2.2可编程控制器的结构及特点

2.2.1可编程控制器的结构

不同种类的可编程控制器结构多种多样，但其一般结构基本相同，都是以微处理器为核心，连接各种外围扩展电路。

整体式结构PLC通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出单元（I/O）、电源、扩展接口和通信接口等几部分构成。

可编程控制器结构图如图2-1所示。

图2-1PLC结构图

1.中央处理单元

CPU作为PLC的核心，发挥着类似人类大脑的作用。

CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，还包括必要的控制接口电路，这些电路被封装在一个芯片上。

微处理器是可编程控制器的运算控制中心，由它实现逻辑运算、数学运算，协调控制协调内部各部分的工作。

其主要任务有以下几个。

（1）控制接收与存储用户的程序和数据；

（2）用扫描的方式通过不断接收现场信号的状态或数据（开关量、模拟量），并存入相应的元件映像寄存器或数据存储器；

（3）诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；

（4）PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按命令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；

（5）根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，经输出部件实现输出控制或数据通信等功能；

（6）在双处理器协调中，CPU还与数据处理器交换信息。

2.存储单元

存储单元主要存储程序和数据。

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器。

其中系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。

而用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和用户数据存储器（数据区）两部分。

用户程序存储器用来存放用户针对各种具体控制任务，用PLC的编程语言编写的各种应用程序，其内容可由用户任意修改或增减；用户数据存储器用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF状态和各种数据等，它的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。

3.输入/输出单元（I/O单元）

输入/输出单元是PLC的CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间连接的接口部件。

输入/输出单元包括两部分：

一是与被控设备相连的输出接口电路和与输入器件相连的输入接口电路；另一部分是输入和输出映像寄存器。

输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器的信号。

通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够接收和识别的低电压信号，送给CPU进行运算处理。

输出单元将CPU输出的低电压信号变换为控制器件所能接受的电压、电流信号，以驱动接触器、信号灯、电磁阀和电磁开关等，进行必要的功率放大。

4.电源单元

可编程控制器电源单元包括系统的电源、保护电路及备用电池。

电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压，PLC电源一般使用220V的交流电，同时还向外部提供24V直流电源，可作为某些传感器的电源。

5.扩展接口单元

扩展接口单元用于将扩展模块与基本单元（CPU主机）相连，使PLC的配置灵活，以满足不同控制系统的需要。

各功能模块与PLC主机连接只需简单的插线即可，非常方便。

6.通信接口单元

为了实现“人—机”或“机—机”之间的对话，PLC配有多种通信接口，并且PLC通过这些通信接口可以与编程器、人机接口、打印机和其他的PLC或计算机相连。

7.编程器

PLC的编程器是用来生成PLC的用户程序，并对程序进行编辑、修改、调试的外部专用设备，编程器实现了人与PLC的对话。

2.2.2可编程控制器的特点

随着电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点：

（1）可靠性高PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。

这是PLC首要的特点。

（2）具有丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。

（3）采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

（4）通用性强PLC及外围扩展模块种类繁多，可由各种模块灵活组成各种大小和不同要求的控制系统。

（5）编程简单PLC采用梯形图语言，具有与继电器控制逻辑线路类似的结构，并且梯形图语言形象直观，因此很容易被初学者掌握。

（6）功能完善在PLC内部由于采用了微处理器，能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等诸多功能，使输入/输出系统功能完善、性能可靠。

2.3可编程控制器的工作原理

可编程控制器是一种工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算机工作原理基础上，即通过执行反应控制要求的用户程序来实现的。

PLC是按集中输入、集中输出、周期性循环扫描的方式进行工作的。

CPU从第一次指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到结束，然后返回第一条指令开始新一轮的扫描。

PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。

每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。

PLC工作过程的中心内容如图2-2所示，分为输入采样、程序执行和输出刷新3个阶段。

1.输入采样

PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，一次性读入所有输入端子的通电状态，并将读入信息存入内存中相应的映像寄存器。

输入映像寄存器