基于PLC的地?zé)嵩纯照{(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、2011屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書設(shè)計(jì)題目：地?zé)嵩纯照{(diào)系統(tǒng)作 者 姓 名 作 者 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 班 級(jí) 電氣自動(dòng)化08-4班 指導(dǎo)教師姓名 專業(yè)技術(shù)職稱 高級(jí)工程師 2011年06月10日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書題 目： 地?zé)嵩纯照{(diào)系統(tǒng) 專 業(yè)： 機(jī)電系 班 級(jí)： 電氣自動(dòng)化08-4班 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 2010年03 月 15 日至 06 月 10 日共 12 周一、設(shè)計(jì)內(nèi)容（論文闡述的問(wèn)題）地源熱泵空調(diào)系統(tǒng) 通過(guò)PLC控制循環(huán)泵的運(yùn)行，把溫度變送器檢測(cè)出來(lái)的模擬量信號(hào)送到EM235模塊，經(jīng)過(guò)PLC運(yùn)算后經(jīng)EM235輸出送至變頻器，通過(guò)變頻器給定值與內(nèi)部PI調(diào)節(jié)來(lái)控制空調(diào)溫度。二、設(shè)計(jì)原始資料及要求

2、1、設(shè)計(jì)原始資料 （1）河北省地礦局第某水文大隊(duì)綜合實(shí)驗(yàn)樓地源熱泵空調(diào)系統(tǒng) （2）中央空調(diào)系統(tǒng)原理以及工藝要求2、設(shè)計(jì)要求（1）搞清系統(tǒng)工作原理，分析并加以說(shuō)明。（2）進(jìn)行電氣控制設(shè)計(jì)，完成整體控制要求。（3）完成說(shuō)明書寫作。三、設(shè)計(jì)完成后提交的文件和圖表（論文完成后提交的文件）1. 計(jì)算說(shuō)明書部分：（1）設(shè)計(jì)說(shuō)明書 （A4） 1份2、圖紙部分：（1）空調(diào)系統(tǒng)原理圖 （A3） 1張（2）空調(diào)系統(tǒng)主電路圖 （A2） 1張（3）PLC 接線圖 （A2） 1張（4）變頻器接線圖 （A3） 1張（5）空調(diào)系統(tǒng)主電路圖 （A4） 1張四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)程安排序號(hào)設(shè)計(jì)（論文）各階段工作內(nèi)容時(shí)間分配（起

3、止日期）1畢業(yè)調(diào)查實(shí)習(xí)，與指導(dǎo)老師交流設(shè)計(jì)事宜3月15-3月25日2查閱文獻(xiàn)，搜集資料3月26日-4月5日3確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案4月6日-4月13日4編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書4月14日-5月17日5指導(dǎo)老師批改，完善設(shè)計(jì)5月18日-5月29日6進(jìn)一步核定數(shù)據(jù)、完善說(shuō)明書和圖紙6月1日-6月14日7畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯6月15日-6月16日五、主要參考資料1 王兆義. 可編程控制器教程 M . 2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20052 張毅. 自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) M . 2版. 上海：化學(xué)工業(yè)出版社，20083 李佐周. 制冷與空調(diào)設(shè)備原理 M .3版.北京：中國(guó)傳媒大學(xué)出版社，20104 王寒棟. 制冷空調(diào)測(cè)控技術(shù) 機(jī)械

4、工業(yè)出版社，2001 5 瞿芳. 機(jī)械制圖與CAD M . 2版. 機(jī)械工業(yè)出版社，2007學(xué) 生 （簽 字）： 教研室主任（簽字）： 指導(dǎo)教師（簽字）： 系主任 （簽字）： 摘 要地表熱能儲(chǔ)量十分豐富,而且地表熱能不受時(shí)間、季節(jié)、地域的限制，分布面廣而且相對(duì)均勻，更具有可再生性。地源熱泵技術(shù)就是地表熱能利用開發(fā)的最典型的例子。它利用地球表面淺層土壤或水源中的地?zé)崮茏鳛槔錈嵩?，冬季通過(guò)熱泵機(jī)組將地?zé)崮軅鬟f轉(zhuǎn)移到需供暖的建筑物內(nèi)，夏季通過(guò)熱泵機(jī)組將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地球土壤或水源中，從而實(shí)現(xiàn)冬季供暖、夏季供冷。本系統(tǒng)是以大地為冷源（或熱源），通過(guò)中間介質(zhì)（通常是水或防凍液）作為熱載體，并使中間

5、介質(zhì)在封閉環(huán)路(通常是塑料管組成)中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地進(jìn)行熱量交換的目的，并進(jìn)而通過(guò)熱泵實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的溫度調(diào)節(jié)。該別墅采用地源為冷熱源, 空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)部分采用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，本論文從地源熱泵工作原理出發(fā)，詳細(xì)地進(jìn)行了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理以及plc自動(dòng)控制原理,變頻器的工作過(guò)程。地源熱泵地下?lián)Q熱器采用U 型豎埋管地下?lián)Q熱器。關(guān)鍵詞：地源熱泵,豎直埋管 ,plc, 變頻器ABSTRACT The surface heat energy reserves is very rich, and the surface heat with time, season, regional restr

6、iction, FenBuMian wide and relatively homogeneous and is more reproducibility. Ground source heat pump technology is developed by the surface heat energy of the most typical case. It use the earths surface or the shallow soil water as cold and heat source, geothermal energy winter through the heat p

7、ump units will move to need to transfer geothermal energy heating in a building through the summer heat pump units will structures within the heat transfer to earth soil or water, so as to realize the heating in winter, summer cooling. This system is based on the earth for cold source (or heat), thr

8、ough the middle medium (usually is water or fangdongye), and as the heat carrier in the closed loop (middle medium is usually composed of plastic pipe) circulating with the earth, so as to achieve the purpose of heat exchange, and then through the heat pump to regulate the temperature of the buildin

9、gs to realize. The villa the source for the cold and heat sources, air conditioning system of indoor parts adopt fan-coil unit system, this paper from ground source heat pump working theory, detailed on the ground source heat pump air conditioning system principle and PLC control principle, the work

10、ing process of the frequency converter. Ground source heat pump underground heat exchanger using U vertical buried underground pipe heat exchanger.KEYWORDS: ground source heat pump, vertical buried tube, PLC, frequency converter目 錄第一章 緒論11.1 課題背景11.2地源熱泵發(fā)展簡(jiǎn)史11.2.1地源熱泵的發(fā)展11.2.2國(guó)內(nèi)地源熱泵的發(fā)展21.2.3國(guó)外地源熱泵的發(fā)

11、展2.1.3 地源熱泵在國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)31.3.1地源熱泵發(fā)展趨勢(shì)31.3.2 地源熱泵技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)31.3.3 地源熱泵技術(shù)在中國(guó)推廣過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題4第二章 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)組成及原理62.1地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)概述62.2地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)分類62.2.1垂直埋管熱泵系62.2.2水平埋管熱泵系72.2.3地表水的熱泵系72.3 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)工作原理72.3.1地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)工作過(guò)程72.3.2地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)冬季工作過(guò)程82.3.2地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)冬季工作過(guò)程82.4地源熱泵空調(diào)節(jié)能的原理9第三章 PLC概述103.1 PLC的基本概念103.1.1 PLC的概述103.1.2可編程控制器

12、的定義10.3.1.3 PLC的發(fā)展和應(yīng)用103.2的基本結(jié)構(gòu)113.2.1電源部分113.2.2中央處理單元(CPU)113.2.3存儲(chǔ)器113.2.4輸入輸出接口電路113.2.5特殊模塊123.3 PLC的工作原理123.4西門子S7-200PLC簡(jiǎn)介13第四章 變頻器基礎(chǔ)144.1 變頻器原理知識(shí)144.1.1整流電路144.1.2濾波電路144.1.3逆變電路154.2 變頻器控制方式164.2.1 U/f控制164.2.2 轉(zhuǎn)差頻率控制164.2.3 矢量控制164.2.4 直接轉(zhuǎn)矩控制174.3變頻器應(yīng)用174.4艾默生變頻簡(jiǎn)介18第五章 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)195.1地?zé)崮芸照{(diào)

13、系統(tǒng)的分析195.2 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)205.3地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)主電路分析及設(shè)計(jì)225.4 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)的PLC和變頻器控制部分22致謝25參考文獻(xiàn)26附錄271符號(hào)表272程序28第一章 緒論1.1 課題背景中國(guó)是一個(gè)能源大國(guó)，但也是消耗能源最多的國(guó)家。煤炭在我國(guó)能源體系中占主導(dǎo)地位，長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭在我國(guó)能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、消費(fèi)結(jié)構(gòu)中一直占有絕對(duì)主導(dǎo)地位，盡管近年來(lái)，比例略有下降，但仍保持在65%以上，并再次呈現(xiàn)出上升的跡象。特別在冬季，在國(guó)內(nèi)的農(nóng)村和部分城市幾乎全部靠煤取暖。煤是各種能源中污染環(huán)境最嚴(yán)重的能源，只有減少煤的使用，大氣污染、溫室效應(yīng)等問(wèn)題是才可能得到解決。地?zé)崾且环N可再生的自然

14、能源。盡管目前它的應(yīng)用還不能像傳統(tǒng)能源(煤、石油、天然氣、水力能和核能)那樣廣泛，但由于地殼里蘊(yùn)藏著豐富的地?zé)崮埽貏e是在傳統(tǒng)能源越來(lái)越缺乏的今天，地?zé)崮芾迷谠S多國(guó)家已得到了相當(dāng)?shù)闹匾?。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源(通常小于400米深)作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源可以稱之為地源，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽(yáng)能、地?zé)崮芏N(yùn)藏的低溫位熱能。地表淺層是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47的太陽(yáng)能，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無(wú)處不在。這種儲(chǔ)存于地表淺層近乎無(wú)限的可再生能源，使得地源也成為清潔的

15、可再生能源一種形式。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)是利用水與地源(地下水、土壤或地表水)進(jìn)行冷熱交換來(lái)作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地源中的熱量“取”出來(lái)，供給室內(nèi)采暖，此時(shí)地源為“熱源”；夏季把室內(nèi)熱量“取”出來(lái)，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時(shí)地源為“冷源”。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)輸入少量的高品位能源(如電能)，實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。與鍋爐(電、燃料)供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90以上的電能或7090的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量供用戶使用，因此地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量；由于地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為916，其

16、制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.56.3，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的5060。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40以上，與常規(guī)電供暖相比，相當(dāng)于減少70以上，如果結(jié)合其他節(jié)能措施減排會(huì)更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25的充灌量。該裝置的運(yùn)行沒(méi)有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒(méi)有燃燒，沒(méi)有排煙，也沒(méi)有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。1.2地源熱泵發(fā)展簡(jiǎn)史1.2.1地源熱泵的發(fā)展地源熱泵并不是一種新的空調(diào)系統(tǒng)，早在20世紀(jì)30年代，歐洲就已經(jīng)出現(xiàn)了工程的應(yīng)用，當(dāng)時(shí)主要用于冬季的供暖。20世紀(jì)70年代

17、，出現(xiàn)能源危機(jī)，地源熱泵系統(tǒng)的工程應(yīng)用形成高潮，技術(shù)日趨成熟。由于中國(guó)空調(diào)技術(shù)應(yīng)用較晚，地源熱泵作為傳統(tǒng)空調(diào)的一個(gè)分枝，對(duì)大多數(shù)人說(shuō)，確實(shí)較為陌生。1.2.2國(guó)內(nèi)地源熱泵的發(fā)展我國(guó)在地源熱泵領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)80年代初的天津大學(xué)和天津商學(xué)院。自此，其他少數(shù)單位也先后在地?zé)峁┡矫孢M(jìn)行了一系列的理論和試驗(yàn)研究，但是，由于我國(guó)能源價(jià)格的特殊性，以及其他一些因素的影響，地源熱泵的應(yīng)用推廣非常緩慢。20世紀(jì)90年代以后，由于受國(guó)際大環(huán)境的影響以及地源熱泵自身所具備的節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，這項(xiàng)技術(shù)日益受到人們的重視，越來(lái)越多的技術(shù)人員開始投身于此項(xiàng)研究。1995年，中國(guó)國(guó)家科技部與美國(guó)能源部共同簽署了中華

18、人民共和國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)和美利堅(jiān)合眾國(guó)能源部效率和可再生能源技術(shù)的發(fā)展與利用領(lǐng)域合作協(xié)議書，并于1997年又簽署了該合作協(xié)議書的附件六-中華人民共和國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)與美利堅(jiān)合眾國(guó)能源部地?zé)衢_發(fā)利用的合作協(xié)議書。其中，兩國(guó)政府將地源熱泵空調(diào)技術(shù)納人了兩國(guó)能源效率和可再生能源的合作項(xiàng)目，這一舉措極大地促進(jìn)了該技術(shù)的國(guó)際合作和推廣應(yīng)用。1998年是我國(guó)在該領(lǐng)域的一個(gè)里程碑，從這一年開始，國(guó)內(nèi)數(shù)家大學(xué)紛紛建立了地源熱泵的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。其中，1998年重慶建工學(xué)院建設(shè)了包括淺埋豎管換熱器和水平埋管換熱器在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)裝置；1998年青島建工學(xué)院建設(shè)了聚乙烯垂直地源熱泵裝置；1998年湖南大學(xué)建設(shè)了水平埋管

19、地源熱泵實(shí)驗(yàn)裝置；1999年同濟(jì)大學(xué)建設(shè)了垂直地源熱泵裝置等。同時(shí)，我國(guó)也成立了一些專門的生產(chǎn)廠家，開始批量生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品。這些科研單位和企業(yè)互相合作，在開發(fā)利用地源熱泵技術(shù)方面取得了很大的進(jìn)展，做了許多實(shí)驗(yàn)研究和工程示范，產(chǎn)生了很多有效數(shù)據(jù)，這些寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)勢(shì)必將大大加快我國(guó)發(fā)展地源熱泵的步伐。1.2.3國(guó)外地源熱泵的發(fā)展地能熱泵系統(tǒng)在北美和歐洲都應(yīng)用的比較普及，根據(jù)國(guó)際地?zé)崧?lián)合會(huì)（ The geothermal heat pump consortium ）的統(tǒng)計(jì)，到 2003 年底，采用地能熱泵技術(shù)制冷供熱的建筑面積美國(guó)為 3720萬(wàn)平方米，瑞典為 2000萬(wàn)平米，德國(guó)為 560萬(wàn)平米，加

20、拿大為 435萬(wàn)平米。但北美的應(yīng)用與歐洲的應(yīng)用存在明顯的差異。北美的應(yīng)用，地能熱泵更多地偏重于解決建筑的空調(diào)制冷問(wèn)題。在美國(guó)，政府投入很多的力量來(lái)支持地能熱泵系統(tǒng)的推廣，政府和學(xué)校經(jīng)過(guò)多年的努力，建立了全國(guó)各地地質(zhì)參數(shù)資料庫(kù)，并在各州確立了經(jīng)過(guò)認(rèn)可的地能熱泵推薦的工程商， ASHERE 也針對(duì)系統(tǒng)特殊要求在機(jī)組設(shè)計(jì)上建立了標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)政府支持在大地?fù)Q熱器設(shè)計(jì)以及工程施工方面的研究，而在不同的州，又有各自的政策來(lái)鼓勵(lì)地能熱泵系統(tǒng)的推廣，如專門的補(bǔ)貼、政府推廣網(wǎng)站等。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度看，雖然北美也有小型的水水熱泵機(jī)組，但北美地能熱泵系統(tǒng)更多地采用的是水環(huán)熱泵系統(tǒng)，尤其對(duì)于一些大型的工商建筑，采用水環(huán)

21、熱泵正成為設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)。美國(guó)著名的地能熱泵制造商有 CLIAMTMASTER 、 WATER FURNACE 等 ，他們提供符合 ARI 的專門用于地能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品。而對(duì)于大地?fù)Q熱器，北美采用的多是單 U 型的垂直埋管方式和水平埋管的方式,鉆孔深度為 50 -160 米 。 在歐洲，由于環(huán)保和節(jié)能的要求，目前，在歐洲，地能熱泵系統(tǒng)在供熱方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度看，歐洲多采用水系統(tǒng)，歐洲的水水熱泵機(jī)組更多偏重于制熱，但沒(méi)有專門的地能熱泵機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)和專門的地能熱泵設(shè)備制造商。而對(duì)于大地?fù)Q熱器，歐洲采用的多是雙U 型的垂直埋管方式。1.3 地源熱泵在國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)1.3.1地源熱泵

22、發(fā)展趨勢(shì)地源熱泵與中央空調(diào)相連接的供熱制冷系統(tǒng)是目前的發(fā)展趨勢(shì)。綜合利用低品位熱能、高效率利用熱能、簡(jiǎn)單化和一體化的地源熱泵系統(tǒng)等都是目前地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)的前沿課題。根據(jù)地源熱泵20年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，其系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展大致有如下三個(gè)方向：綜合利用熱能的趨勢(shì)。將來(lái)的地源熱泵系統(tǒng)不僅用于一般住宅、辦公用戶的供熱和制冷，更趨向于將供熱的廢棄能量(冷能)和制冷的廢棄能量(熱能)綜合利用，比如用供熱的廢棄冷能運(yùn)轉(zhuǎn)冷藏庫(kù)、自動(dòng)售貨機(jī)等，用制冷的廢棄熱能供應(yīng)溫室養(yǎng)殖、種植和生活熱水等。一體化趨勢(shì)。隨著新材料和新工藝的開發(fā)，將來(lái)的地源熱泵系統(tǒng)可能將熱泵的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與地上散熱系統(tǒng)一體化，使采熱和傳熱的效率更高。 實(shí)地

23、建造的趨勢(shì)。隨著人們對(duì)居住和生活環(huán)境要求的不斷提高，越來(lái)越多的建筑物需要常年供暖、制冷、熱水和冷藏的功能。因此，充分利用建筑物的空間和周邊的自然環(huán)境和自然能源，因地制宜地設(shè)計(jì)、制造和配套安裝相應(yīng)的地源熱泵系統(tǒng)也將是一個(gè)發(fā)展方向。1.3.2 地源熱泵技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)初期投資費(fèi)用少。隨著改革開放的不斷深入，人們生活水癥的不斷提高，持續(xù)的高速經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)導(dǎo)致人們對(duì)舒適生活的追求，從而使地源熱泵這項(xiàng)嶄新的技術(shù)在中國(guó)具有巨大的市場(chǎng)潛力。同時(shí)我們也要注意到，我國(guó)城市的建設(shè)步伐正在加快，每年城鎮(zhèn)新建住宅2.4億平方米。而在建設(shè)新建筑之前并入集中地源熱泵系統(tǒng)，其成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于舊建筑的改造(甚至可以低于一般空調(diào)

24、系統(tǒng)!)，這對(duì)我們這個(gè)“嚴(yán)寒”與“寒冷”采暖區(qū)幾乎占了國(guó)土面積的70和全國(guó)總建筑面積的50的國(guó)家而言，節(jié)省的費(fèi)用的巨大的。在美國(guó)，由于能源相對(duì)的便宜(與中國(guó)相近)，而人工費(fèi)用很高，一般一個(gè)家庭的安裝費(fèi)用在3000美元左右，地源熱泵仍然具很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。而我國(guó)由于人工費(fèi)用比較低，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的基建費(fèi)用低?；ㄙM(fèi)用是地源熱泵最主要的成本增加部分。由此可見(jiàn)，我國(guó)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，初期投資相對(duì)要少一些。能夠提高城市環(huán)境質(zhì)量。隨著人們生活水平的提高，對(duì)生活質(zhì)的要求越來(lái)越高，環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，人們開始認(rèn)識(shí)到高品質(zhì)的空氣是人類健康的保障。目前居民對(duì)空氣污染的關(guān)注程度越來(lái)越高，城市(包括室內(nèi))對(duì)人

25、們生活以及身體的影響日益受到重視，在碰到身體不適的時(shí)候，很多居民開始考慮空氣因素的影響。根據(jù)1997年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)，我國(guó)城市空氣質(zhì)量仍處于較重的污染水平。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界大氣污染最嚴(yán)重的10座城市中，中國(guó)就占了7席，這也從一個(gè)側(cè)面反映出我國(guó)城市空氣質(zhì)量不容樂(lè)觀，加強(qiáng)空氣治理，已經(jīng)到了刻不容緩的時(shí)候。目前我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中有一個(gè)最為不利的因素，即長(zhǎng)期以來(lái)在能源的生產(chǎn)和消費(fèi)中煤炭的比例占70左右。為了徹底整治環(huán)境，減少溫室氣體排放，我國(guó)政府正在規(guī)劃改變以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。北京等城市正在考慮以電代煤的方法來(lái)解決城市污染的問(wèn)題。每千瓦電能帶來(lái)3至4千瓦熱量的地源熱泵將是極具競(jìng)爭(zhēng)力的

26、技術(shù)。由于電力是地源熱泵的唯一動(dòng)力，因此沒(méi)有燃料分散燃燒所造成的大氣污染。與此同時(shí)由于廠家密封制劑。使用過(guò)程中不泄露，不補(bǔ)充，減少了對(duì)臭氧層的破壞。分析和調(diào)查表明，地源熱泵的應(yīng)用對(duì)降低溫室效應(yīng)起了積極作用?？梢?jiàn)，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于中國(guó)將緩解城市空氣污染問(wèn)題。能夠緩解能源緊張問(wèn)題。進(jìn)入新世紀(jì)，在生產(chǎn)力高速發(fā)展的條件下，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到地球上的資源和能源日益匣乏。我國(guó)能源短缺是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，與此同時(shí)，我國(guó)又存在能源利用率低的矛盾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)總的能源利用率約為30，這僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家90年代的水平。我國(guó)建筑耗能約占總耗能的25，其中供熱采暖能耗約占一半。能源短缺導(dǎo)致中國(guó)的能源價(jià)格越來(lái)越接近發(fā)達(dá)國(guó)家的

27、水平。我國(guó)要在能源每年增長(zhǎng)率僅為35的條件下滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)每年增長(zhǎng)89，就必須重視節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品的開發(fā)利用，這決定了我國(guó)必須在空調(diào)和取暖這一耗能大項(xiàng)上有所改進(jìn)。就地源熱泵技術(shù)而言，由于熱泵僅僅用來(lái)傳輸熱量，而不是產(chǎn)生熱量，所需要的熱量有70來(lái)自于地下，夏天制冷時(shí)，用來(lái)將建筑物中的熱量傳人地下所消耗的電力也非常少，因此地源熱泵這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)可以在一定程度上緩解我國(guó)的能源壓力。受到國(guó)家相關(guān)政策的支持。為了減少我國(guó)由于冬季采暖所造成的大氣污染，減低國(guó)內(nèi)現(xiàn)有制冷空調(diào)的能源消耗，尋求新的低能耗、無(wú)污染的供暖制冷空調(diào)技術(shù)，國(guó)家科技部與美國(guó)能源部分別代表兩國(guó)政府簽署了中美兩國(guó)政府地源熱泵合作協(xié)

28、議，引進(jìn)和推廣美國(guó)先進(jìn)的地源熱泵技術(shù)。這對(duì)地源熱泵技術(shù)在中國(guó)的推廣起到巨大的推動(dòng)作用。八屆人大常委會(huì)第二十八次會(huì)議審議并通過(guò)了中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法，其中第三十九條將熱電冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)列入國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的通用技術(shù)，這也將促進(jìn)地源熱泵事業(yè)的發(fā)展。自從我國(guó)實(shí)施民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，提高了建筑隔熱保溫性能，降低了建筑采暖能耗，結(jié)果是大幅度降低了地源熱泵采暖方式的年運(yùn)行費(fèi)用，增加了地源熱泵與集中供熱采暖方式的競(jìng)爭(zhēng)能力。1.3.3 地源熱泵技術(shù)在中國(guó)推廣過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題任何一項(xiàng)新事物的出現(xiàn)總是要受到人們的質(zhì)疑，對(duì)于地源熱泵這項(xiàng)新技術(shù)同樣可能會(huì)遇到一些阻力。首先，中國(guó)有關(guān)地源熱泵的現(xiàn)成技術(shù)資料不多，還缺

29、少這方面的設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)技術(shù)人員，同時(shí)，由于在中國(guó)生產(chǎn)地源熱泵相關(guān)設(shè)備的廠家少，人們對(duì)它還比較陌生，大多抱著觀望的態(tài)度，這樣的情形不利于這項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)的推廣。其次，我國(guó)現(xiàn)在還沒(méi)有出臺(tái)促進(jìn)地源熱泵技術(shù)發(fā)展的相關(guān)優(yōu)惠政策，這使部分想采用地源熱泵系統(tǒng)的用戶由于看不到眼前利益而采用其它的空調(diào)系統(tǒng)。為了鼓勵(lì)用戶采用地源熱泵系統(tǒng)，我國(guó)可以提供鼓勵(lì)性補(bǔ)貼和資助給購(gòu)買地源熱泵系統(tǒng)的用戶，或者采用調(diào)整能源價(jià)格的方法，使能源價(jià)格合理化，給予這些用戶一些實(shí)惠，鼓勵(lì)人們采用地源熱泵系統(tǒng)。還要說(shuō)明的一點(diǎn)是，世界上熱泵技術(shù)比較發(fā)達(dá)的北美、北歐和中歐國(guó)家由于氣候條件基本上只用于供熱，對(duì)地源熱泵夏季制冷工況研究較少。而我國(guó)

30、幅員遼闊，地處溫帶，冬季需供暖，夏季需供冷，而且南北地區(qū)氣象條件差異很大，同樣的建筑在不同的地區(qū)，其負(fù)荷情況可能迥然不同。因此，我們不能照搬外國(guó)的技術(shù)成果，必須投入大量的科研經(jīng)費(fèi)和研究人員進(jìn)行研究，使其適合中國(guó)的氣候特點(diǎn)，這也在一定程度上延緩了這項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)的推廣。但可以相信，地?zé)崮芫哂袕V泛的應(yīng)用前景，在不久的將來(lái)，地?zé)崮軐⒃谑澜缒茉蠢媒Y(jié)構(gòu)中占有更大的份額。隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)和對(duì)“綠色能源”的日益重視，地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)也將得到前所未有的發(fā)展。第二章 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)組成及原理2.1地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)概述地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)是一種利用地球淺層資源（包括土壤、地下水、地表水或城市中水）的既可供暖又可制冷

31、的高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。它利用鋪設(shè)在土壤、地表水等中的換熱管道，實(shí)現(xiàn)空調(diào)房間和土壤、地表水等的換熱，如圖1所示空調(diào)系統(tǒng)原理圖。圖1 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)原理地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)主要分三部分：室外地能換熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。室外地能換熱系統(tǒng)包括地?zé)嵩淳⒀h(huán)泵、熱交換器。熱泵機(jī)組包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥。室內(nèi)末端系統(tǒng)主要是風(fēng)機(jī)盤管。三個(gè)系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞，熱泵機(jī)組與地能之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣。 2.2地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)分類2.2.1垂直埋管熱泵系垂直埋管 垂直埋管可獲取地下深層土壤的熱量。垂直埋管通常安裝在地下50-150米深

32、處，一組或多組管與熱泵機(jī)組相連，封閉的塑料管內(nèi)的將地?zé)崮軅魉徒o熱泵，然后由熱泵轉(zhuǎn)化為建筑物所需的供熱和制冷。垂直埋管是地?zé)崮芟到y(tǒng)的主要方式，得到各個(gè)國(guó)家的政府部門大力支持。2.2.2水平埋管熱泵系水平埋管在地下2米深處水平放置塑料管，塑料管內(nèi)注滿防凍的液體，并與熱泵相連。水平埋管占地面積大，土方開挖量大，而且地下?lián)Q熱器受地表氣候變化的影響。 2.2.3地表水的熱泵系地表水江、河、湖、海的水以及深井水統(tǒng)稱地表水。地?zé)崮芸照{(diào)可以從地表水中提取熱量或冷量，達(dá)到制熱或制冷的目的。利用地表水的熱泵系統(tǒng)造價(jià)低，運(yùn)行效率高，但受地理位置（如江河湖海）和國(guó)家政策（如取深井水）的限制。2.3 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)工作

33、原理2.3.1地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)工作過(guò)程熱泵工作原理作為自然界的現(xiàn)象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高溫流向低溫。但人們可以創(chuàng)造機(jī)器，如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣，采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵實(shí)質(zhì)上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一部分能量，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，提高溫度進(jìn)行利用，而整個(gè)熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的三分之一或更低，這也是熱泵的節(jié)能特點(diǎn)。熱泵機(jī)組裝置主要有：壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥四部分組成，通過(guò)讓液態(tài)工質(zhì)(制冷劑或冷媒)不斷完成：蒸發(fā)（吸取室內(nèi)或地源的熱量） 壓縮冷凝（放出熱量到地源或室內(nèi)）節(jié)流再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過(guò)程，從而將室內(nèi)的熱量

34、轉(zhuǎn)移到地源（夏季）或把地源的熱量轉(zhuǎn)移帶室內(nèi)（冬季）。壓縮機(jī)起著壓縮和輸送循環(huán)工質(zhì)從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵（制冷制熱）系統(tǒng)的心臟； 蒸發(fā)器是輸出冷量的設(shè)備，它的作用是使經(jīng)節(jié)流閥流入的制冷劑液體蒸發(fā)，以吸收被冷卻物體的熱量，達(dá)到制冷的目的； 冷凝器是輸出熱量的設(shè)備，從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機(jī)消耗功所轉(zhuǎn)化的熱量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)帶走，達(dá)到制熱的目的； 膨脹閥或節(jié)流閥對(duì)循環(huán)工質(zhì)起到節(jié)流降壓作用，并調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的循環(huán)工質(zhì)流量。 地?zé)崮芸照{(diào)供暖供冷系統(tǒng)通過(guò)吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊、海水等天然能源，冬季從大地吸收熱量，夏季向大地放出熱量，即由熱泵機(jī)組向建筑物供冷供熱，所依賴

35、的資源是不會(huì)枯竭的免費(fèi)地?zé)豳Y源，有效利用了地下土壤湖泊等資源的巨大蓄熱蓄冷能力。作為地源熱泵系統(tǒng)熱量的來(lái)源（冬季）和熱量的排放源（夏季）的土壤，深度在數(shù)米之下，無(wú)論南北、無(wú)論冬夏，全年溫度基本恒定在18度左右。也就是說(shuō)，地源熱泵系統(tǒng)工作時(shí)，熱量傳遞的溫差全年基本恒定，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣源熱泵的傳熱溫差。夏天其它空調(diào)要在38度的氣溫下排出熱量，而地源熱泵用是在18度左右的環(huán)境下排熱，冬天空氣源熱泵在0C的空氣中吸收熱量，而地源熱泵是在18C左右的環(huán)境下吸收熱量，就是說(shuō)，地源熱泵的熱量轉(zhuǎn)移比其它空調(diào)要容易很多，僅需要較少的外界能源即可實(shí)現(xiàn)熱量的順利轉(zhuǎn)移。機(jī)組效率大大提高，可以節(jié)約30-40%的供熱制

36、冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用，1KW的電能可以得到4KW以上的熱量或5KW以上冷量。 2.3.2地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)冬季工作過(guò)程在冬天，壓縮機(jī)對(duì)制冷劑做功，由地源側(cè)循環(huán)水吸收地下水的熱量，通過(guò)蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的汽化，將地源側(cè)循環(huán)水中的熱量吸收至制冷劑中，在制冷劑循環(huán)的同時(shí)再通過(guò)冷凝器內(nèi)制冷劑的液化，由空調(diào)側(cè)循環(huán)水將制冷劑所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的過(guò)程中，以熱風(fēng)的形式為房間供暖。（如圖2-1所示） 圖2-1 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)制熱模式2.3.2地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)冬季工作過(guò)程在夏天，地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)制冷劑做功，使其進(jìn)行汽-液轉(zhuǎn)化的循環(huán)。通過(guò)蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的汽化將由空調(diào)側(cè)循環(huán)水所攜帶的熱量吸收至制

37、冷劑中，在制冷劑循環(huán)同時(shí)再通過(guò)冷凝器內(nèi)在制冷劑的汽化，由地源側(cè)循環(huán)水將制冷劑所攜帶的熱量吸收，最終由地源側(cè)循環(huán)水轉(zhuǎn)移至地水、地下水或土壤里。在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過(guò)程中，通過(guò)風(fēng)機(jī)盤管，以冷風(fēng)的形式為房間供冷。（如圖2-2所示）圖2-2 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)制冷模式2.4地源熱泵空調(diào)節(jié)能的原理利用地下熱能作為地源熱泵系統(tǒng)熱量的來(lái)源（冬季）和熱量的排放源（夏季）的土壤，深度在數(shù)米之下，無(wú)論南北、無(wú)論冬夏，全年溫度基本恒定在18度左右。也就是說(shuō)，地源熱泵系統(tǒng)工作時(shí)，熱量傳遞的溫差全年基本恒定，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣源熱泵的傳熱溫差。夏天其它空調(diào)要在38度的氣溫下派出熱量，而地源熱泵用是在18度左右的環(huán)境下排

38、熱，冬天空氣源熱泵在0C的空氣中吸收熱量，而地源熱泵是在18C左右的環(huán)境下吸收熱量，就是說(shuō)，地源熱泵的熱量轉(zhuǎn)移比其它空調(diào)要容易很多，僅需要較少的外界能源即可實(shí)現(xiàn)熱量的順利轉(zhuǎn)移。地源熱泵全年運(yùn)行工況穩(wěn)定，不需要其它輔助熱源及冷卻設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)冬季供熱、夏季供冷。所以，地源熱泵是一項(xiàng)高效節(jié)能型、環(huán)保型并能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)，它既不會(huì)污染地下水，又不會(huì)影響地面沉降。在冬天，管道內(nèi)的液體將地下的熱量抽出，然后通過(guò)系統(tǒng)導(dǎo)入建筑物內(nèi)，同時(shí)蓄存冷量，以備夏用；在夏天，熱量從建建筑物內(nèi)抽出，通過(guò)系統(tǒng)排入地下，同時(shí)蓄存熱量，以備冬用。地源熱泵一年四季均能可靠的提供高品質(zhì)的冷暖空氣，為我們營(yíng)造一個(gè)非常舒適的室內(nèi)

39、環(huán)境第三章 PLC概述3.1 PLC的基本概念3.1.1 PLC的概述早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡(jiǎn)稱PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程序控制器簡(jiǎn)稱PLC。PLC自1966年美國(guó)數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國(guó)，日本，德國(guó)的可編程序控制器質(zhì)量?jī)?yōu)良，功能強(qiáng)大。 PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用

40、而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。3.1.2可編程控制器的定義可編程控制器，簡(jiǎn)稱PLC(Programmable logic Controller)，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrical Committee)頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)PLC做了如下定義:“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)

41、在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)?！?3.1.3 PLC的發(fā)展和應(yīng)用世界上公認(rèn)的第一臺(tái)PLC是1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制的。限于當(dāng)時(shí)的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立組件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡(jiǎn)單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝

42、置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語(yǔ)言5 ，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)組件都以繼電器命名。此時(shí)的PLC為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)

43、特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來(lái)說(shuō)，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、輕紡、交通運(yùn)輸、及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，被稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱之一。3.2的基本結(jié)構(gòu)PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)

44、算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為： 3.2.1電源部分 PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒(méi)有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。 3.2.2中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)

45、和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來(lái)對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 3.2.3存儲(chǔ)器 存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。 存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。 3.2.4輸入輸出接口電路 a、現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路由光耦

46、合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場(chǎng)控制的接口界面的輸入通道。 b、現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成，作用PLC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。 3.2.5特殊模塊 如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊。通信模塊 如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP通訊模塊等。 3.3 PLC的工作原理 PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，所以它的工作原理與計(jì)算機(jī)的工作原理基本上是一致的，也就是說(shuō)，PLC實(shí)在系統(tǒng)程序的管理下，通過(guò)運(yùn)行應(yīng)用程序完成用戶任務(wù)，實(shí)現(xiàn)控制目的。PLC是采用循環(huán)掃描的工作方式，及順序地逐條地掃描用戶程序的操作，根據(jù)程序運(yùn)行的結(jié)果，一個(gè)輸出

47、的邏輯線圈應(yīng)按通或斷開，但該線圈的觸點(diǎn)并不立即動(dòng)作，而必須等用戶程序全部掃描結(jié)束后，才將輸出動(dòng)作信息全部送出執(zhí)行。也就是說(shuō)，PLC系統(tǒng)的工作任務(wù)管理和應(yīng)用程序執(zhí)行都是以循環(huán)掃描方式完成的。當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，都是以重復(fù)的方式執(zhí)行的，執(zhí)行用戶程序不是只執(zhí)行一遍，而是一遍一遍不停地執(zhí)行，這里每執(zhí)行一遍我們稱為掃描一次。掃描一遍用戶程序的時(shí)間叫掃描周期。掃描一次，PLC內(nèi)部要進(jìn)行一系列操作，其工作過(guò)程一可分為五個(gè)階段，即內(nèi)部處理、通信操作、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷五個(gè)階段。完成上述五個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述五個(gè)階段。下面主要對(duì)輸入采樣、

48、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新階段加以說(shuō)明。1.輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 2. 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的

49、順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。 在程序執(zhí)行的過(guò)程中如果使用立即I/O

50、指令則可以直接存取I/O點(diǎn)。即使用I/O指令的話，輸入過(guò)程影像寄存器的值不會(huì)被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過(guò)程影像寄存器會(huì)被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 3 .輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。3.4西門子S7-200PLC簡(jiǎn)介西門子公司具有品種非常豐富的PLC產(chǎn)品。S7系列是傳統(tǒng)意義的PLC，S7-200屬于小型PLC，在1998年升級(jí)為第二代產(chǎn)品，2004年升級(jí)為第三代產(chǎn)品，其特點(diǎn)如下：1. 功能強(qiáng)大。S7-200有5種C

51、PU模塊，最多可擴(kuò)展7個(gè)擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展到248點(diǎn)數(shù)字量I/O或38路模擬量I/O，最多有30多KB的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；2. 先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大、使用方便的編程軟件；3. 靈活方便的尋址方法；4. 強(qiáng)大的通信功能和品種豐富的配套人機(jī)界面；5. 有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格；6. 完善的網(wǎng)上技術(shù)支持等。第四章 變頻器基礎(chǔ)4.1 變頻器原理知識(shí)變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。它實(shí)際上就是一個(gè)逆變器.它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?然后用電子元件對(duì)直流電進(jìn)行開關(guān).變?yōu)榻涣麟?一般功率較大的變頻器用可控硅.并設(shè)一個(gè)可調(diào)頻率的裝置.使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào).用來(lái)控制

52、電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù).使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào).變頻器廣泛用于交流電機(jī)的調(diào)速中.變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實(shí)際逐漸走向成熟。變頻器不僅調(diào)速平滑，范圍大，效率高，啟動(dòng)電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。因此，交流變頻調(diào)速已逐漸取代了過(guò)去的傳統(tǒng)滑差調(diào)速、變極調(diào)速、直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于冶金、紡織、印染、煙機(jī)生產(chǎn)線及樓宇、供水等領(lǐng)域。一般分為整流電路、濾波電路、控制電路、逆變電路等幾大部分。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，生產(chǎn)工藝的改進(jìn)及功率半導(dǎo)體器件價(jià)格的降低，變頻調(diào)速越來(lái)越被工業(yè)上所采用。如何選擇性

53、能好的變頻其應(yīng)用到工業(yè)控制中，是越來(lái)越注重的問(wèn)題。目前，通用型變頻器絕大多數(shù)是交直交型變頻器，通常尤以電壓器變頻器為通用，它是變頻器的核心電路，由整流回路（交直交換），直流濾波電路（能耗電路）及逆變電路（直交變換）組成，當(dāng)然還包括有限流電路、制動(dòng)電路、控制電路等組成部分。4.1.1整流電路 變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進(jìn)行整流，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經(jīng)過(guò)吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡(luò)引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡(luò)的作用，是吸收交流電網(wǎng)的高頻諧波信號(hào)和浪涌過(guò)電壓，從而避免由此而損壞變頻器。當(dāng)電源電壓為三相380V時(shí)，整流器

54、件的最大反向電壓一般為12001600V，最大整流電流為變頻器額定電流的兩倍。4.1.2濾波電路 逆變器的負(fù)載屬感性負(fù)載的異步電動(dòng)機(jī)，無(wú)論異步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電狀態(tài)，在直流濾波電路和異步電動(dòng)機(jī)之間，總會(huì)有無(wú)功功率的交換，這種無(wú)功能量要靠直流中間電路的儲(chǔ)能元件來(lái)緩沖。同時(shí)，三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動(dòng)，直流濾波電路起到對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行濾波的作用。 通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容，通常是由若干個(gè)電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成電容器組，以得到所需的耐壓值和容量。另外，因?yàn)殡娊怆娙萜魅萘坑休^大的離散性，這將使它們隨的電壓不相等。因此，電容器要各并聯(lián)

55、一個(gè)阻值等相的勻壓電阻，消除離散性的影響，因而電容的壽命則會(huì)嚴(yán)重制約變頻器的壽命。 4.1.3逆變電路 逆變電路的作用是在控制電路的作用下，將直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，所以逆變電路是變頻器的核心電路之一，起著非常重要的作用。 最常見(jiàn)的逆變電路結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)功率開關(guān)器件（GTR、IGBT、GTO等）組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。 通常的中小容量的變頻器主回路器件一般采用集成模塊或智能模塊。智能模塊的內(nèi)部高度集成了整流模塊、逆變模塊、各種傳感器、保護(hù)電路及驅(qū)動(dòng)電路。內(nèi)部集成了整流模塊、功率因數(shù)校正電路、IGBT逆變模塊及各種檢測(cè)保護(hù)功能。模塊的典型開關(guān)頻率為20KHz，保護(hù)功能為欠電壓、過(guò)電壓和過(guò)熱故障時(shí)輸出故障信號(hào)燈。逆變電路中都設(shè)置有續(xù)流電路。續(xù)流電路的功能是當(dāng)頻率下降時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也隨之下降。為異步電動(dòng)機(jī)的再生電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過(guò)程中，寄生電感釋放能量提供通道。另外，當(dāng)位于同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)，同時(shí)處于開通狀態(tài)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀換流器件。所以在實(shí)際的通用變頻器中還設(shè)有緩沖電路等各種相應(yīng)的輔助電路，以保證電路的正常工作和在發(fā)生意外情