基于PLC的生活热水控制系统修改版.docx

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基于PLC的生活热水控制系统修改版

摘要

近些年来我国城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。

小区、学校、营房等集体单位的恒压供热水系统建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活。

本次设计利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出能适应小区、学校、营房等集体单位复杂环境的恒压供热水系统，该系统拥有自动注水、加热、供水和达到警戒水位自动报警等功能。

本课题主要针对生活用水控制系统进行研究，并制作控制系统以实现自动注水、自动加热、自动供水三个过程。

该系统以可编程逻辑控制器（PLC）为控制核心，以触摸屏为操作平台．利用各类传感器检测液位、压力、温度等信息，同时根据制定的控制策略来自动调节变频器的输出频率和定频水泵的启停，实现供水的自动化。

关键词：

可编程逻辑控制器，变频调速，设计

ABSTRACT

Inrecentyears,China'seconomicdevelopment,socialconstructionandurbanconstructionanddevelopmentisveryfast,butalsototheinfrastructureconstructionproposedhigherrequirements.Theconstructionofurbanheatingwatersystemisoneoftheimportantaspects,thereliability,thestabilityandtheeconomyofthewatersupplydirectlyaffecttheuser'snormalworkandlife..Withthepeoplecontinuouslyimprovethequalityandreliabilityofwatersupplysystem,usingadvancedautomationtechnology,controltechnologyandcommunicationtechnologydesignofhighperformance,highenergysaving,canadapttothewatersupplyfactorycomplexenvironmentofconstantpressurewatersupplysystemtobecomeaninevitabletrend.

Thisthesismainlystudiesthewatercontrolsystemofdomesticwater,andmakesthecontrolsystemtorealizeautomaticwaterinjection,automaticheating,automaticwatersupplythreeprocesses.Thesystemonaprogrammablelogiccontroller（PLC）forthecontrolofthecore,thetouchscreenastheoperatingplatform.Usingallkindsofsensortomeasureliquidlevel,pressure,temperatureandotherinformation,alsoaccordingtotheformulationofcontrolstrategyisusedtoautomaticallyadjusttheoutputfrequencyofafrequencyconverterandconstantfrequencyofthepumpstartandstop,toachievethewatersupplytotheautomation.

KEYWORDS：

PLC，Frequencyconversionspeedcontrol，Design

第一章绪论

1.1引言

近些年来我国经济发展，社会建设以及城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。

城市供热水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活。

随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。

小区热水供应对于大部分小区供水具有重大意义，其供水特点与普通用水有所不同，具备时间性、集中性点特点，而且有水温的控制要求，温水系统控制方法多种多样，本文主要分析应用PLC控制时间、温度，恒压过程则采用变频器PID控制功能，实现小区热水供应。

小区热水供应系统涉及水温的控制，水压恒压控制等，在水压恒压控制方面，我们采用压力回差的方法进行恒压供水，先设定高压力回差，然后与压力传感器采集来的数据进行对比，从而完成恒压供水。

变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。

采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时可达到良好的节能性，提高供水效率。

所以设计基于变频调速的恒定水压供水系统（简称变频恒压供水），对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.2系统功能设计

本次系统设计主要针对小区、学校、营房等集体单位的进行恒压供热水。

所以我们假设用水单位的用户有400人，经过查资料可以得到，每人每天用热水量大约为60L左右，所以总用水量大约为24000L，那么我们选择长宽高都为3米的水箱。

系统功能主要实现自动注水、加热、供水功以及达到警戒水位自动报警。

并可以设定供水时间和注水水位，根据峰谷电价设定加热时间等。

所以我们前期根据用水量设定主要检测参数，水箱最高液位2.7m，最低液位0.3m；水的温度为55℃，压力回差为0.5Kg/Cm2。

第二章生活热水控制系统的总体设计

本章主要介绍生活热水控制系统的总体设计方案研究。

根据现实生活的需求和实际条件以及系统的控制需求，设计完整的控制系统方案来实现控制要求，其中包括软件的设计和硬件的设计。

2.1生活热水控制系统构成方案

生活热水控制系统是由加热系统和变频恒压供水系统组成，包括储水箱、控制系统、连接管道、水泵、变频器、热泵机组、阀门等设备组成。

该系统的系统图如图2-1所示。

图2-1

该系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。

根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，本次设计采用通用变频器+PCL（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器的构成方案。

这种控制方式灵活方便。

具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换；通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各规模和要求不同控制系统。

在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和变频器的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。

同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。

因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合。

2.2生活热水控制系统的控制方案

在生活热水控制系统中我们选用可编程逻辑控制器（PLC）作为程序处理。

数据采集以及检测和控制的核心器件，配合温度传感器、液位传感器、压力传感器、触摸屏等完成生活热水的控制过程。

控制系统的整体结构图如图2-2所示

图2-2

该控制系统的功能主要有一下几个方面：

1、实现对水箱内水的温度、水的液位和管壁内水的压力等数据信息的精确检测。

2、根据检测水箱内水的温度和液位，调节是否水箱补水和热泵机组是否启动对水加热。

3、根据检测到的管壁内水的压力，调节管网水压的恒定和水泵电机的启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。

4、完成与触摸屏的数据传输与接收工作，提供丰富的人际界面环境。

2.3本章小结

本章主要介绍了系统的结构组成，并根据控制系统的要求和主要功能完成了系统整体方案的设计。

选择PLC作为该方案的控制核心．触摸屏作为工作人员操作平台。

由于本系统的控制实现多依赖于检测数据的准确性，故压力检测装置、液位检测装置、温度检测装置的选择将关系到本系统的实现与否，在本文的后续部分将重点阐述检测装置、液位检测装置、温度检测装置的选型以及系统硬件和软件的实现。

第三章系统的硬件原理设计

在本章中，主要介绍系统整体硬件设计、PLC的端口分配以及各个扩展模块的应用．并对系统硬件部分进行电气设计，绘制电气原理图。

3.1系统整体硬件设计

该控制系统以PLC为控制核心，以触摸屏为控制输入单元．来进行人工操作。

3.1.1控制器及各扩展插件设计

这是PLC应用设计中很重要的一步，目前，国内外生产的PLC种类很多，在选用PLC时应考虑以下几个方面。

（1）规模要适当；

（2）功能要相当，结构要合理；

（3）输入，输出功能及负载能力的选择要正确；

（4）要考虑环境条件。

根据以上原则，这次设计选择西门子S7-200系列的CPU226AC/DC。

本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

13K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。

2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

I/O端子排可很容易地整体拆卸。

用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。

可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

模拟量输入输出模块采用EM231和EM232，模拟量扩展模块提供了模拟量输入/输出的功能，优点有：

最佳适应性，可是用于复杂的控制场合。

直接与传感器和执行器相连，12位的分辨率和多种输入/输出范围能够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连。

并且具有非常好的灵活性，当在应用过程中发生变化时，PLC可以进行相应的扩展，并可以非常容易的调整用户程序。

3.1.2触摸屏的选型

作为当前新代输入和显示界面的显示触摸屏．具有反应速度快、节省空间、

坚固耐用等优点，己被广泛应用到自动化控制设备，数码产品等领域。

根据系统需要我们采用西门子TD200显示器，功能如下：

（1）文本信息显示。

（2）用选择项确认方法可显示最多80条信息，每条信息最多可含4个变量。

（3）可设定实时始终。

（4）提供强制I/O点诊断功能。

（5）提供密码保护功能。

（6）过程参数的显示和修改，参数在显示器中显示并可用输入键进行修改，例如，进行温度设定。

（7）可编程的8个功能键可以代替普通的控制按钮，作为控制键，这样可以节省输入点。

（8）可选择通讯的速率。

（9）输入和输出的设定：

8个可编程功能键可以的每一个都分配了一个存储器位。

（10）可选择显示信息刷新时间。

并且提供的连接电缆可直接接到S7-200的PPI接口上，不需要单独的电源。

可直接用STEP7-Micro/WIN软件进行编程，无需其他的参数赋值软件。

3.1.3热泵机组选型

由于选用的水箱容积为3m*3m*3m，所以水的质量为：

M=3m*3m*3m*1000kg/m3=2.7*10^4kg

已知我们日常生活中自来水的温度为15℃，而设定加热温度为55℃，所以Δt=（55℃-15℃）=40℃

那么加热水罐内的谁所需要的能量为（水的比热容[4.2*10^3J/（kg·℃）]）：

Q=C*M*Δt=4.2*10^3J/（kg·℃）*2.7*10^4kg*40℃=4.536*10^9J

根据1kW·h=3,600,000焦耳

所以

Q=4.536*10^9÷3.6*10^6J/kW·h=1.26*10^3kW·h

根据设定的加热时间2小时

则应选择的热泵机组的功率应为：

P=W/t=1.26*10^3kW·h/2h=6.3*10^2kW

根据现场情况和控制的需要，决定选用地源热泵机组对水箱内的水进行加热。

地源热泵技术有一下优点：

（1）地源热泵技术属可再生能源利用技术。

由于地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。

地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。

地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。

它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。

这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。

（2）地源热泵属经济有效的节能技术。

其地源热泵的COP值达到了4以上，也就是说消耗1KWh的能量，用户可得到4KWh以上的热量或冷量。

（3）地源热泵环境效益显著。

其装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

（4）地源热泵一机多用，应用范围广。

地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖。

（5）地源热泵空调系统维护费用低。

地源热泵的机械运动部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安装在室内，从而避免了室外的恶劣气候，机组紧凑、节省空间；自动控制程度高，可无人值守。

由以上的特点可以看出，地源热泵完全适合生活用水控制系统的需要。

3.1.4变频器选型

变频器是通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

变频器主要有两种类型，一种是风机、水泵型，另一种是机械型，而在本次系统设计中，我们选择水泵型。

结合实际情况和设计需求我们决定选用西门子的MM430。

MM430是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家。

功率范围7.5kW至250kW。

它按照专用要求设计，具有高度可靠性和灵活性。

控制软件可以实现专用功能：

多泵切换、手动/自动切换、断带及缺水检测、节能运行方式等。

数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程。

3.1.5传感器的选择

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

根据生活热水控制系统的需要，系统中总共需要3个传感器，是温度传感器、液位传感器、压力传感器，分别采集水箱内水的温度、液位和管道内水的压力。

如表3.1所示：

表3.1传感器规格及明细

传感器类型

测量范围

测量精度

数目

温度传感器

0~100℃

≤0.5℃

1

液位传感器

0~5M

≤0.01M

1

压力传感器

0~6Kgf/Cm2

≤0.1kpa

1

在本次设计中，温度传感器选用Cu50热电阻温度传感器。

Cu50热电阻温度传感器是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。

因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

液位传感器我们选用投入式液位传感器。

投入式液位传感器是一种测量液位的压力传感器，基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号，一般适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。

其主要特点有:

（1）稳定性好，满度、零位长期稳定性可达0.1%FS/年。

在补偿温度0～70℃范围内，温度飘移低于0.1%FS，在整个允许工作温度范围内低于0.3%FS。

（2）具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在35MA以内。

（3）固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。

（4）安装方便、结构简单、经济耐用。

压力传感器我们选用PY206水管压力传感器。

水管压力传感器采用进口高精度感应芯体，选进的贴片工艺，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成4～20mA、0～5VDC、0～10VDC、0.5～4.5VDC等标准电信号。

采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。

广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。

主要特点：

（1）高稳定性、高精度、宽的工作温度范围；

（2）抗冲击、耐震动、体积小、防水；

（3）标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强；

（4）最具有竞争力的价格。

3.1.6供水机组的选型

电机的配置主要以水泵供水负载来决定。

电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。

选择时应注意以下两点:

（1）如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。

（2）如果电动机功率选得过大，就会出现“小马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。

因此，要正确选择电动机的功率，对恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率（生产机械轴上的功率）

（kW），可按下列公式计算所需电动机的功率[6]

（kW）：

式中，

为生产机械的效率，

为电动机的效率，即传动效率。

按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。

因此，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。

并且在本次设计中采用变频机组和工频机组共同使用的方式，当变频机组达到最大负荷时，利用PLC启动工频水泵工作。

该方式有利于节约硬件成本和系统的运行成本，同时增加了系统的可靠型，当一个水泵出现故障时，另一个水泵仍能正常工作。

3.2I/O地址分配

根据系统的实际控制需要，分配PLC的各个开关量输入/输出端口。

系统需要的开关量输入主要有：

手/自动切换，紧急停车，热泵机组的启停，定频水泵的启停，变频器的启停以及热泵机组故障、定频水泵故障、变频器故障的状态。

系统需要的开关量输出主要有：

热泵机组的启停，定频水泵的启停，变频器的启停，手动/自动指示，热泵机组状态，水泵状态，变频器状态，系统总报警，管道总阀启停。

所以生活热水控制系统的输入输出点的统计如表3.1所示。

表3.2I/O地址分配表

输入端

输出端

编号

名称

编号

名称

I0.0

手/自动切换

Q0.0

热泵机组启停

I0.1

紧急停车

Q0.1

定频水泵启停

I0.2

热泵机组启停

Q0.2

变频器启停

I0.3

定频水泵启停

Q0.3

手动/自动指示

I0.4

变频器启停

Q0.4

热泵机组状态

I0.5

热泵机组故障

Q0.5

水泵状态

I0.6

水泵故障

Q0.6

变频器状态

I0.7

变频器故障

Q0.7

系统总报警

Q1.0

管道总阀启停

3.3系统硬件线路设计

生活热水控制系统的电路设计图主要分为四个部分，分别是动力电源接线图、系统布置图、输入输出端子接线图、强电配接图。

动力电源接线图由5A断路器、电源指示灯、和24V的开关电源组成，并另接一个三孔插座和两孔插座，如图3.1所示。

图3.1

系统布置图由触摸屏、CPU、模拟量输入模块EM231和模拟量输出模块EM232组成，如图3.2所示。

图3.2

输入输出端子接线图反映了输入输出地址分配情况，如图3.3所示。

图3.3

在生活热水控制系统的电路设计图中的强电配接图里，采用了一台变频器连接一台电动机来实现变频控制，另外系统中另接一台工频电机，如图3.4所示。

图3.4

3.4本章小结

在本章中主要介绍了系统的硬件组成．从控制器的选型、传感器的选型、热泵机组、电机的选型、触摸屏的选型、变频器的选型到PLC各个端口模块的连接都进行了系统的阐述，确保了系统硬件部分的可靠性。

在此基础上．制定完善的控制策略，才能够使系统稳定、高效的运行，下面我们将重点阐述系统功能的软件执行部分。

第四章生活热水控制系统软件的设计

4.1编程方法

在继电器—接触器控制线路中用逻辑代数设计法比较容易获得设计方案。

设计出来的控制线路既符合工艺要求，又达到工作可靠、经济合理，因而得以广泛的应用。

逻辑代数设计法的设计步骤如下：

（1）根据控制要求，列出输入输出及辅助继电器等之间关系的状态表；

（2）根据状态表列写出逻辑函数表达式，并化简；

（3）根据化简后的逻辑表达式画出梯形图。

4.2编程软件的简单介绍

STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为S7-200系列PLC设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。

现在加上全中文化程序后，可在中文的界面下进行操作，用户使用起来更加方便。

STEP7-Micro/WIN32的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务，例如创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单的语法检查功能。

同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。

此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式，参数和运行监控等。

程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。

软件的功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。

4.3PLC功能设计

PLC的软件设计主要包括：

数据处理程序、模拟量输入／输出程序、手动运行程序、自动运行程序以及故障处理程序等。

系统的程序流程图如下所示：

图4.1

初始化程序和压力、温度、液位采集和度量转换程序主要是PLC通过数据检测模块读取水箱内温度和液位的信息，以及读取水管内壁压力等信息，将读取的数据8个为一组，并取其平均值作为该值的当前值。

为保证检测数据的准确可靠，各个传感器都加入修正值，消除了零点漂移以及外界环境的影响。

模拟量输出程序主要是通过PLC来控制各频器的输出频率以及工频水泵是否启动，确保供水水压的稳定。

4.4手动模式设计

在手动运行模式下，工作人员主要通过触摸屏来单独控制变频器的启停、地源热泵的启停以及注水阀开关，同时可设置变频器的输出频率；在手动模式下，主要完成系统的前期调试工作及系统发生故障的应急处理。

4.5自动模式设计

自动运行模式是