基于PLC的土壤源热容量的测量.docx

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基于PLC的土壤源热容量的测量

青岛理工大学

毕业设计（论文）

题目：

基于PLC的土壤源热容量测控系统的设计

学生姓名：

王晔

指导教师：

张天开

自动化工程学院自动化专业2班

2011年6月20日

毕业设计（论文）任务书

专业自动化班级07级2班姓名王晔下发日期2011年3月7日

题目

基于PLC的土壤源热容量测控系统的设计

专题

主

要

内

容

及

要

求

设计一种基于新型PLC及功能扩展模块的集成系统，实现对循环水负载的温度检测以及控制以实现对地下水热容量的测试。

设计一种PID控制算法，实现对地下水设定负载的温度控制；

设计合理的过程检测方式，如恒功率检测方式和恒温检测方式；

设计一种可触摸的数据显示和输入输出单元，实现数据的显示、数据、状态的输入操作功能。

主

要

技

术

参

数

1检测的温度范围：

0℃～100℃

2检测分辨率：

0.5℃

3温度输入点：

3点

4控制精度：

1℃

5采用西门子s7-200系列PLC。

6显示方式：

采用触摸显示屏，显示系统的运行参数，以及各项操作。

进

度

及

完

成

日

期

3月7日～4月3日毕业设计实习。

应用调研；查资料等，作好设计准备

4月4日～4月9日进行系统分析和可行性研究，选择设计方案。

4月11日～4月23日初步方案设计。

4月25日～5月14日总体方案确定；初步设计硬件电路。

5月16日～5月28日修改硬件电路设计；绘原理图；初步设计软件程序。

5月30日～6月4日程序调试；写论文。

6月5日～6月18日完善论文，交论文，准备答辩。

教学院长签字

日期

教研室主任签字

日期

指导教师签字

日期

第1页

指导教师评语

指导教师:

年月日

第2页

指定论文评阅人评语:

评阅人:

年月日

第3页

答辩委员会评语

答辩委员会主席签字：

年月日

总评成绩

周记成绩

指导教师

评定成绩

评阅人

评定成绩

答辩成绩

总评

主管院长签字

第4页

摘要

本文介绍了以地源为能源,以可编程逻辑控制器（西门子S7-200）为控制系统核心,并用触摸屏对运行状况进行观测、调节的土壤源热容量测控系统。

在设计应用地源热泵空调系统的初期，需要准确地掌握地下热容量的情况，因此，地下热容量测试系统的研制也同时提出，使用热容量测试系统对地下的热容量进行准确的测试后，为合理地设计地源热泵空调系统提供了重要依据。

该系统由一台S7-200PLC、一台威纶MT6070触摸显示屏、两个固态继电器（SSR-1、SSR-2）一台水泵电机、一个温度传感器和若干辅助器件组成，以完成对土壤源热容量的测控。

该系统是一种较典型的集成化自动控制系统，该控制系统采用恒温或者恒功率的方法,对出水口和回水口的温度进行采集、传输、运算，并且将其通过触摸显示屏显示出来，进而通过触摸显示屏（MT6070）显示出来的数据对土壤源热容量进行分析，为地源热泵空调系统的安全运行提供重要依据。

关键词:

可编程逻辑控制器；土壤源热容量；触摸显示屏

ABSTRACT

Thispaperintroducesthegroundsourceforenergy,withprogrammablelogiccontrollers（Siemenss7-200）forcontrolsystem,andthecoreoftouchscreenoperationconditionwereobservedandadjustthesoilsourceheatcapacitymeasurementandcontrolsystem.Inthedesignofgroundsourceheatpumpairconditioningsystemappliedintheearlystagesoftheneedtoaccuratelygrasptheundergroundheatcapacity,therefore,undergroundheatcapacitytestsystemandputsforwardthatthedevelopmentanduseofheatcapacitytestsystemofundergroundheatinaccuratetesting,forreasonabledesigngroundsourceheatpumpairconditioningsystemprovidestheimportantbasis.Thesystemconsistsofas7-200PLC,aWisconsinblacksilkribbonMT6070displaytouchscreen,twosolidstaterelays（SSR-1,SSR-2）awaterpumpmotor,atemperaturesensorandsomeauxiliarypartsofsoilsourceheatcapacityofcompletecontrol.Thesystemisatypicalintegrationautomaticcontrolsystem,thecontrolsystemusingconstanttemperatureorconstantpowermethod,andbacktothenozzletotheoutlettemperatureofthecollection,transmission,operations,andputitthroughthedisplaytouchscreendisplay,andthenthroughthedisplaytouchscreen（MT6070）thedisplayofsoilsourceheatcapacitydataanalysisforgroundsourceheatpumpairconditioningsystemsecuritytoprovideimportantbasis.

Keywords:

ProgrammableLogicController;Soilsourceheatcapacity;Touchscreen

目录

摘要....................................................................................................

ABSTRACT.......................................................................................

第一章前言......................................................................................1

1.1土壤源热容量测控系统设计的目的和意义............................1

1.2土壤源测控系统研究背景及发展...........................................1

1.3土壤源热容量测控系统原理...................................................2

第二章土壤源热容量测控系统的构成............................................3

2.1系统工艺，设备简介...............................................................3

2.2系统设计思想..........................................................................3

2.3系统设计..................................................................................3

2.3.1控制要求...........................................................................4

2.3.2系统设计思想...................................................................4

2.3.3系统设计电路图...............................................................5

第三章硬件设计..............................................................................6

3.1硬件电路图.............................................................................6

3.2可编程控制器基本构成..........................................................6

3.3PLC特点..................................................................................7

3.4PLC设计的基本原则...............................................................8

3.5PLC的选择..............................................................................8

3.5.1S7-200优点.......................................................................8

3.5.2CPU的选择.......................................................................8

3.5.3I/O分配表.........................................................................9

3.6触摸显示屏的选择.................................................................10

3.7温度变送器的选择.................................................................10

第四章软件设计.............................................................................12

4.1温度检测................................................................................12

4.1.1恒温检测..........................................................................12

4.1.2恒功率检测......................................................................13

4.2PID控制算法..........................................................................14

4.2.1PID控制算法简介............................................................14

4.2.2PID控制算法理论............................................................15

4.2.3PID控制算法的产生........................................................16

4.2.4PID控制算法的其他功能.................................................16

第五章结束语..................................................................................18

致谢...................................................................................................19

参考文献...........................................................................................20

附录...................................................................................................21

附录一...........................................................................................21

附录二...........................................................................................22

附录三...........................................................................................23

附录四...........................................................................................24

第一章前言

1.1土壤源热容量测控系统设计的目的和意义

在设计应用地源热泵空调系统的初期，需要准确地掌握地下热容量的情况。

因此，地下热容量测试系统的研制也同时提出，使用热容量测试系统对地下的热容量进行准确的测试后，为合理地设计地源热泵空调系统提供了重要依据。

在设计应用地源热泵空调系统的初期，需要准确地掌握地下热容量的情况。

地源热泵是地下土壤层为冷（热）源对建筑物进行供暖、供热水和空调供应的技术。

众所周知，地层之下一年四季均保持一个相对稳定的温度。

在夏季，地下的温度要比地面空气温度低，在冬季却比地面空气温度高。

地源热泵正是利用大地的这个特点，通过埋藏在地下的换热器，与土壤或岩石交换热量。

地源热泵全年运行工况稳定，不需要其它辅助热源及冷却设备即可实现冬季供热、夏季供冷。

所以，地源热泵是一项高效节能型、环保型并能实现可持续发展的新技术，它既不会污染地下水，又不会影响地面沉降。

在冬天，管道内的液体将地下的热量抽出，然后通过系统导入建筑物内，同时蓄存冷量，以备夏用；在夏天，热量从建建筑物内抽出，通过系统排入地下，同时蓄存热量，以备冬用。

地源热泵一年四季均能可靠的提供高品质的冷暖空气，为我们营造一个非常舒适的室内环境。

土壤热容量（soilheatcapacity）被定义为：

单位质量或原状体积土壤温度升高1℃所需的热量。

它有两种表达方式：

一是土壤质量热容量，即为1克土壤温度升高1℃所需的热量，用cw表示，单位是焦/克·℃；二是体积热容量，即为1立方厘米原状土壤温度升高1℃所需的热量，用cv表示，单位是焦/厘米3·℃。

两者的换算关系式是cv=cw·d,其中d是土壤密度，单位是克/厘米3.据估算在土壤孔隙度为50%、含水量为30%时，土壤的体积热容量一般为168焦/厘米3·℃。

1.2土壤源测控系统研究背景及发展

地源热泵空调系统具有以下几个优点：

1.属可再生能源利用技术；2.高效节能；3.运行稳定可靠；4.环境效益显著；5.自动运行

因此为了更好的利用地源热泵空调系统为人们的生活提供服务，土壤源热容量测控系统的研究就变得尤为重要，因此，地下热容量测试系统的研制也同时提出，使用热容量测试系统对地下的热容量进行准确的测试后，为合理地设计地源热泵空调系统提供了重要依据。

地源热泵空调系统相比传统空调有很多优点，因此在未来空调发展道路上，它将成为主流，而土壤源的测控也相对变得相当重要。

1.3土壤源热容量测控系统原理

该系统是一种较典型的集成化自动控制系统，该控制系统采用恒温或者恒功率的方法,对出水口和回水口的温度进行采集、传输、运算，并且将其通过触摸显示屏显（威纶MT6070）示出来，进而通过触摸显示屏显示出来的数据对土壤源热容量进行分析，从而得知该地区的土壤源热容量是否优异，是否可以安装地源热泵空调，这为地源热泵空调系统的安全运行提供重要依据。

对于恒功率测温方法，由于外界的负荷（外界负荷如给多大面积的小区供应能量）是一定的，所以将功率设定在一个固定值（如2000W），看是否打一口井或者多口井能满足当前功率下对土壤源热容量测量的要求。

如图1.1所示，出水口温度为T1，回水口的温度为T2，水箱的温度为T3

图1.1土壤源热容量测控外观系统图

通过对出水口或者出水口和回水口温差比较，得出土壤源热容量的大小，使系统能够正常安全的运行

第二章土壤源热容量测控系统的构成

2.1系统工艺，设备简介

该系统由一台S7-200PLC、一台威纶MT6070触摸显示屏、两个固态继电器（SSR-1、SSR-2）一台水泵电机、一个温度传感器和若干辅助器件组成。

系统设置一个开关，控制整个电路的运行，从而电机的正常运转保证系统的顺利运行；同时还设置一个急停开关，在系统出现故障时及时是电路断开，保证安全；并且配有一个电源指示灯。

土壤源热容量测控系统采用热电阻测温，采集出水口温度（T1），回水口温度（T2），水箱温度（T3），并且通过模拟量输入模块（EM231）转换成4~20ma的电流送入CPU处理运算，CPU处理运算后的数据通过模拟量输入（输出）模块（EM235）送至触摸显示屏显示出来（控制加热丝加热），继而对显示出来的数据进行分析，

2.2系统设计思想

在设计应用地源热泵空调系统的初期，需要准确地掌握地下热容量的情况，因此，地下热容量测试系统的研制也同时提出，地下土壤热容量的准确测量对于地源热泵系统的安全、稳定运行提供了前提保证。

该系统相比较早期的空调控制系统更加环保、安全、节能，是未来空调系统的主要走向。

设置一个开关控制整个系统的通断，同时设置一个急停开关，当系统出现故障时能够及时停止，不至于总成安全事故，达到该系统的稳定运行

固态继电器是当输入量（电压、电流）达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器，利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护

该系统通过对三路温度采集、变送、处理，进而通过触摸显示屏显示的数据对地下土壤源热容进行分析，判断是否适合地源热泵空调系统的合理运行。

空气开关是电路中的一种简单的短路保护装置。

使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的开关自动打开，防止电气设备短路和严重过载。

启动指示灯是电路接通的一个指示信号

2.3系统设计

2.3.1控制要求

设计基于PLC的地源热泵测试系统实现对地下热容量的测试。

该系统是一种较典型的集成化自动控制系统，对自动化专业的学生而言是一个重要的应用方式。

通过PID控制算法，实现对地下水设定负载的温度控制；通过合理的恒温检测或者恒功率检测方式，实现对三个温度的采集；利用MT6070触摸显示屏，实现数据的显示、数据、状态的输入操作功能。

该系统控制的技术要求如下：

1检测的温度范围：

0℃～100℃;2检测分辨率：

0.5℃;3温度输入点：

3点;4控制精度：

1℃;5采用S7-200系列PLC;6显示方式：

采用触摸显示屏，显示系统的运行参数，以及各项操作。

2.3.2系统流程图

图2.1程序流程图

程序流程图直观的反映了该系统的动作情况

2.3.3系统设计电路图

T1是出水口温度，T2是回水口温度，T3是水箱温度；从而控制电机运行

该系统的CPU输出输入线路图如下所示

图2.2控制电路图

如上图所示设置一个开关控制整个系统的通断，同时设置一个急停开关当系统出现故障时能够及时停止，不至于总成安全事故，达到该系统的稳定运行，同时配有一个电源指示灯。

图2.3AD触摸显示图

第三章硬件设计

3.1硬件电路图

图3.1土壤源热容测控系统硬件电路图

如图所示，三个温度变送器出水口温度（T1），回水口的温度为（T2），水箱的温度为（T3）采集，变送，再送入CPU中进行运算，再通过触摸显示屏显示出来想要分析的数据，从而分析土壤源热容量是否符合要求。

3.2编程程序控制器基本构成

图3.2PLC控制系统示意图

可编程序控制器PLC（ProgrammableLogicController）主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成[1]。

（如上图所示）

可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似。

可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）、存储器（RAM和EPROM）、输入/输出模块（简称I/O模块）、编程器和电源五大部分组成[3]。

（1）CPU模块

CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储器组成。

它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：

1.输入处理：

将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。

2.程序执行：

逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。

3.输出处理：

将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载[2]。

（2）I/O模块

I/O模块是系统联系外部现场和CPU模块的桥梁。

输入模块用来接收和采集输入信号。

输入信号有两类：

一类是开关量输入信号；另一类是模拟量输入信号。

可编程控制器通过输出控制模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等