西門子PLC在新型太陽能熱水器中的應用

1、西門子PLC在新型太陽能熱水器中的應用1 引言 近年來，我國應用太陽能和采暖發(fā)展迅速，節(jié)能效果明顯7。但是，太陽能熱水器也有自身的缺點。首先，太陽能熱水器受天氣因素影響較大，在陰天或冬天的時候光照強度不足，就不能提供溫度較高的熱水；其次，太陽能熱水器提供的水量有限，且水溫不夠穩(wěn)定；最后，目前我國的太陽能熱水器多為家用的小型太陽能熱水器，不能夠集中管理和控制。 為解決這些問題，設計了一種基于plc的集熱式太陽能熱水器，可對多個用戶集中供水，全天候提供水溫穩(wěn)定的熱水，操作簡單，經濟效益高。plc采用西門子s7-200系列進行控制操作。配合相應的溫度、液位和流量傳感器及plc的模擬量輸入擴展模塊實現(xiàn)

2、對集熱式太陽能熱水器中水溫、水位和流量的控制。同時，plc與西門子文本顯示器td400集成，實現(xiàn)人機交互界面，對集熱式熱水器內部的水溫和水位進行實時在線顯示和設置。2 集熱式太陽能熱水器2.1 電控工作原理 集熱式太陽能熱水器可以對多用戶提供熱水，且供水量大、供熱水效率高，目前廣泛應用于需大量供熱水的事業(yè)單位等部門。該系統(tǒng)是與建筑有機結合、全天候的太陽能熱水器。其安裝在建筑的屋頂之上，不占用建筑內部空間，使用起來簡單方便，如圖1所示。 由圖1可知，該集熱式太陽能熱水器主要由太陽能集熱板、水箱、電磁閥、水泵、溫度傳感器、液位傳感器、電伴熱帶、電加熱器、電磁流量計和控制柜等部分構成。該系統(tǒng)的控制原

3、理為：圖1 集熱式太陽能熱水器系統(tǒng)框圖(1)當集熱式陣列中的水溫度高于1#水箱的水溫5度時，1#水泵啟動，將熱水從太陽能集熱板陣列排入1#水箱，同時1#水箱內的水送入太陽能集熱板陣列，實現(xiàn)熱水的循環(huán)。兩者溫度相等時水泵停止。(2) 當1#水箱中的水量不足設定的最低限時，1#電磁閥打開，使自來水進入1#水箱，補充水量到設定的最高限為止。(3) 當用戶端水溫低于50度時，3#水泵啟動，達到55度時關閉。(4) 當2#水箱的水位低于最低限時，2#水泵啟動，同時2#電磁閥打開，以1#水箱中的水作補充，達到設定水位上限為止。(5) 2#水箱水溫低于50度且2個水箱水位高于設定的最低加熱水位時，加熱器開，

4、達到55度時關。(6) 當1#水箱水溫高于70度時，開2#水泵，2#電磁閥和3#電磁閥，使兩個水箱的水進行循環(huán)，兩個水箱水溫相等時停止循環(huán)。(7) 當流量計的流量高于設定值時，3#水泵啟動。(8) 當管道溫度低于下限時，開伴熱帶同時還要開1#水泵，循環(huán)一定時間。(9) 當控制柜內溫度高于設定的風扇啟動溫度，風扇啟動，低于設定溫度時關閉。2.2 電控系統(tǒng)硬件集熱式太陽能熱水器的控制系統(tǒng)如圖2所示。它由決策機構、測量感知機構和執(zhí)行機構三部分構成，其中決策單元是控制系統(tǒng)的核心。圖2 集熱式太陽能控制系統(tǒng)原理圖(1) 控制中心 西門子s7-200系列plc是優(yōu)秀的小型模塊化可編程控制器1。plc應用工

5、程首先要合理的選擇系統(tǒng)配置，這對于提高plc在控制系統(tǒng)中的應用有重要的作用。根據(jù)系統(tǒng)的運行原理，經過計算統(tǒng)計，該系統(tǒng)的控制點數(shù)為：模擬量輸入7個，數(shù)字量輸入7個，數(shù)字量輸出9個。根據(jù)系統(tǒng)的控制點數(shù)和余量，本系統(tǒng)采用西門子s7-200系列中的cpu224作為控制核心單元，它本身所擁有的數(shù)字輸入輸出口數(shù)量能夠滿足本系統(tǒng)的設計需要，而且有少量剩余，可用于以后的擴展或改造。模擬量輸入擴展模塊采用em231，它是4輸入12位的模擬量輸入模塊。本系統(tǒng)共有7個模擬量輸入，所以需要擴展2個em231。另外，采用文本編輯器td400與cpu224相連，共同示組成一個具有實時操作顯功能的自動監(jiān)控系統(tǒng)。td400是

6、一個能顯示兩行或四行的文本顯示設備，為背光液晶顯示，有較好的分辨率，可由s7-200cpu獲得供電，或者由單獨電源供電。td400的主要作用是設置系統(tǒng)的各項控制參數(shù)，包括各個部分的溫度上限值和下限值，水箱水位的上限值和下限值等，同時可以對各個部分的水溫和水位及各個執(zhí)行器的運行情況進行實時監(jiān)控。 主控中心主要功能為：對由模擬量輸入模塊采集的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)用戶設定的各項參數(shù)和系統(tǒng)控制原理，作出控制決策。(2) 測量感知機構 測量感知機構包括溫度傳感器、液位傳感器和電磁流量計。溫度傳感器采用pt100鉑熱電阻，輸出為420毫安電流，量程為0100攝氏度。溫度傳感器的作用是實時采集太陽能集熱板、水

7、箱、輸水管路和用戶端的水溫，決策機構將根據(jù)這些數(shù)據(jù)來對相應的執(zhí)行機構進行控制，達到系統(tǒng)溫度參數(shù)的設定要求。液位傳感器用于實時采集兩個水箱中的水位，決策機構根據(jù)水位參數(shù)的設定要求來對相應的控制器進行控制。電磁流量計用于檢測用戶端管道內的水流量，根據(jù)流量的大小，決策機構就可以判斷用戶端用水量的多少，從而控制執(zhí)行器增加或減少熱水的供應量。所有的傳感器均采用三線式接線方式。(3) 外部執(zhí)行機構 本系統(tǒng)的外部執(zhí)行機構包括3個水泵、3個電磁閥、排熱風扇和電伴熱帶。水泵用于對管路和水箱中的熱水進行循環(huán)，電磁閥用于控制管路內水流的通斷，排熱風扇可以將控制柜內較高的空氣排到柜外，電伴熱帶用于防止管路在冬天上凍結

8、冰。另外，系統(tǒng)還有一個急停按鈕，按下急停按鈕，會切斷執(zhí)行器的供電，使系統(tǒng)停止運行。所有的執(zhí)行機構都是在控制機構的統(tǒng)一控制下協(xié)調工作，使系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的進行工作?？刂乒駷榱⒎襟w形，高度為180厘米，安裝有兩層門，內層門上安有上電指示燈、手自動開關、啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕和文本顯示器td400。3 plc軟件編程 控制系統(tǒng)的軟件編程是在西門子公司提供的step7 microwin v4.0plc編程軟件下進行的，它可以對s7-200的所有功能進行編程。該軟件在windows平臺下運行，其基本功能是協(xié)助用戶完成應用軟件任務。該系統(tǒng)的軟件程序使用梯形圖進行編程，采用結構化編程方式，主要包括出場

9、參數(shù)設置、量程轉換、自動和手動子程序。結構化編程方法具有程序結構清晰、通用性強、可讀性強和方便修改等優(yōu)點4。系統(tǒng)主程序如圖3所示，程序其他部分省略。圖3 系統(tǒng)主程序 在出廠參數(shù)子程序中設置了系統(tǒng)默認的一些參數(shù)，包括水箱內水位的上下限，水溫的上下限、用戶端的水溫、伴熱帶啟動的管道溫度、電磁流量計的流量設定、水箱水位的量程和水溫的量程等。這些參數(shù)是在系統(tǒng)初始上電運行時的默認值，用戶可通過td400進行參數(shù)的修改。手動子程序是用于對系統(tǒng)進行調試時使用的，在子程序中，定義了td400的9個按鍵f1f8和shift+f1，對應9個執(zhí)行器。在手動模式下，按下按鍵，相應的執(zhí)行器就會運行。自動子程序是按照系統(tǒng)

10、的工作原理進行編寫，由決策單元對采集到的模擬量進行判斷，作出決策。 溫度傳感器、液位傳感器電磁流量計采集到的信號是420ma的電流信號，通過模擬量輸入模塊em231的a/d轉換，變成范圍032000的數(shù)字量。而轉換來的這一數(shù)字量也不能直觀的反映現(xiàn)場的溫度、液位和流量的實際值，所以需要進行量程的轉換。量程的轉換的公式為： 其中，di為a/d轉換來的數(shù)字量，6400為傳感器輸出電流為4ma時對應的數(shù)字量。溫度的量程為0100攝氏度，水位的量程可根據(jù)水箱的尺寸由用戶自己設定，程序中給出了一個缺省的量程，電磁流量計的量程也可由用戶根據(jù)產品的說明來設定。所以實際值為： 系統(tǒng)人機交互界面采用的是文本顯示器td400，其編程工作也是在西門子的編程軟件下進行。通過編程軟件菜單“工具”“文本顯示向導”可以對td400進行配置，設置用戶菜單和報警信息。本系統(tǒng)有工藝參數(shù)設定、量程設定和狀態(tài)顯示三個用戶菜單。在工藝參數(shù)設定菜單下可以對出廠參數(shù)進行修改，在量程設定菜單下可以進行量程的修改，狀態(tài)顯示菜單則用于顯示各執(zhí)行器的運行情況，當某一執(zhí)行器的狀態(tài)為1時，說明此執(zhí)行器正在運行，為0說明此執(zhí)行器沒有運行。按照向導完成td400的設置后，會自動生成一個數(shù)據(jù)塊，其中包含了td400配置和所有用戶定義的信息。4 結