畢業(yè)設(shè)計（論文）基于PLC的土壤源熱容量測控系統(tǒng)的設(shè)計

1、青島理工大學 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）題目：基于plc的土壤源熱容量測控系統(tǒng)的設(shè)計學生姓名： 指導教師： 自動化工程 學院 自動化 專業(yè) 2 班2011年 6 月 20 日畢業(yè)設(shè)計(論文)任務書專業(yè) 自動化 班級 07級2班 姓名 下發(fā)日期 2011年3月7日題目基于plc的土壤源熱容量測控系統(tǒng)的設(shè)計專題主要內(nèi)容及要求設(shè)計一種基于新型plc及功能擴展模塊的集成系統(tǒng)，實現(xiàn)對循環(huán)水負載的溫度檢測以及控制以實現(xiàn)對地下水熱容量的測試。設(shè)計一種pid控制算法，實現(xiàn)對地下水設(shè)定負載的溫度控制；設(shè)計合理的過程檢測方式，如恒功率檢測方式和恒溫檢測方式；設(shè)計一種可觸摸的數(shù)據(jù)顯示和輸入輸出單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)

2、據(jù)、狀態(tài)的輸入操作功能。主要技術(shù)參數(shù)1 檢測的溫度范圍：01002 檢測分辨率：0.53 溫度輸入點：3點4 控制精度：1 5 采用西門子s7-200系列plc。 6 顯示方式：采用觸摸顯示屏，顯示系統(tǒng)的運行參數(shù)，以及各項操作。進度及完成日期3月7日4月3日 畢業(yè)設(shè)計實習。應用調(diào)研；查資料等，作好設(shè)計準備4月4日4月 9日 進行系統(tǒng)分析和可行性研究，選擇設(shè)計方案。4月11日4月 23日 初步方案設(shè)計。 4月25日5月 14日 總體方案確定；初步設(shè)計硬件電路。5月16日5月 28日 修改硬件電路設(shè)計；繪原理圖；初步設(shè)計軟件程序。5月30日6月 4日 程序調(diào)試；寫論文。6月5日6月 18日 完善論

3、文，交論文，準備答辯。教學院長簽字日期教研室主任簽字日期指導教師簽字日期第1頁指 導 教 師 評 語 指導教師: 年 月 日第2 頁指 定 論 文 評 閱 人 評 語: 評閱人: 年 月 日第3 頁答 辯 委 員 會 評 語答辯委員會主席簽字： 年 月 日 總 評 成 績周記成績指導教師評定成績評閱人評定成績答辯成績總 評主管院長簽字第4頁青島理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要 本文介紹了以地源為能源,以可編程邏輯控制器(西門子s7-200)為控制系統(tǒng)核心,并用觸摸屏對運行狀況進行觀測、調(diào)節(jié)的土壤源熱容量測控系統(tǒng)。在設(shè)計應用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的初期，需要準確地掌握地下熱容量的情況，因此，地下熱容量測試

4、系統(tǒng)的研制也同時提出，使用熱容量測試系統(tǒng)對地下的熱容量進行準確的測試后，為合理地設(shè)計地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供了重要依據(jù)。該系統(tǒng)由一臺s7-200plc、一臺威綸mt6070觸摸顯示屏、兩個固態(tài)繼電器（ssr-1、ssr-2）一臺水泵電機、一個溫度傳感器和若干輔助器件組成，以完成對土壤源熱容量的測控。該系統(tǒng)是一種較典型的集成化自動控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用恒溫或者恒功率的方法,對出水口和回水口的溫度進行采集、傳輸、運算，并且將其通過觸摸顯示屏顯示出來，進而通過觸摸顯示屏（mt6070）顯示出來的數(shù)據(jù)對土壤源熱容量進行分析，為地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的安全運行提供重要依據(jù)。關(guān)鍵詞: 可編程邏輯控制器；土壤源熱容

5、量；觸摸顯示屏abstractthis paper introduces the ground source for energy, with programmable logic controllers (siemens s7-200) for control system, and the core of touch screen operation condition were observed and adjust the soil source heat capacity measurement and control system. in the design of ground

6、source heat pump air conditioning system applied in the early stages of the need to accurately grasp the underground heat capacity, therefore, underground heat capacity test system and puts forward that the development and use of heat capacity test system of underground heat in accurate testing, for

7、 reasonable design ground source heat pump air conditioning system provides the important basis. the system consists of a s7-200 plc, a wisconsin black silk ribbon mt6070 display touch screen, two solid state relays (ssr-1, ssr-2) a water pump motor, a temperature sensor and some auxiliary parts of

8、soil source heat capacity of complete control. the system is a typical integration automatic control system, the control system using constant temperature or constant power method, and back to the nozzle to the outlet temperature of the collection, transmission, operations, and put it through the di

9、splay touch screen display, and then through the display touch screen (mt6070) the display of soil source heat capacity data analysis for ground source heat pump air conditioning system security to provide important basis. keywords: programmable logic controller; soil source heat capacity; touch scr

10、een 目錄摘要.iabstract.ii第一章 前言.11.1 土壤源熱容量測控系統(tǒng)設(shè)計的目的和意義.11.2 土壤源測控系統(tǒng)研究背景及發(fā)展.11.3 土壤源熱容量測控系統(tǒng)原理.2第二章 土壤源熱容量測控系統(tǒng)的構(gòu)成.32.1 系統(tǒng)工藝，設(shè)備簡介.32.2 系統(tǒng)設(shè)計思想.32.3 系統(tǒng)設(shè)計.32.3.1 控制要求.42.3.2 系統(tǒng)設(shè)計思想.42.3.3 系統(tǒng)設(shè)計電路圖.5第三章 硬件設(shè)計.63.1 硬件電路圖.63.2 可編程控制器基本構(gòu)成.63.3 plc特點.73.4 plc設(shè)計的基本原則.83.5 plc的選擇.83.5.1 s7-200優(yōu)點.83.5.2 cpu的選擇.83.5.3

11、i/o分配表.93.6 觸摸顯示屏的選擇.103.7 溫度變送器的選擇.10第四章 軟件設(shè)計.124.1 溫度檢測.124.1.1 恒溫檢測.124.1.2 恒功率檢測.134.2 pid控制算法.144.2.1 pid控制算法簡介.144.2.2 pid控制算法理論.154.2.3 pid控制算法的產(chǎn)生.164.2.4 pid控制算法的其他功能.16第五章 結(jié)束語.18致謝.19參考文獻.20附錄.21附錄一.21附錄二.22附錄三.23附錄四.24iv青島理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章 前言1.1土壤源熱容量測控系統(tǒng)設(shè)計的目的和意義在設(shè)計應用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的初期，需要準確地掌握地下熱容量

12、的情況。因此，地下熱容量測試系統(tǒng)的研制也同時提出，使用熱容量測試系統(tǒng)對地下的熱容量進行準確的測試后，為合理地設(shè)計地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供了重要依據(jù)。在設(shè)計應用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的初期，需要準確地掌握地下熱容量的情況。地源熱泵是地下土壤層為冷（熱）源對建筑物進行供暖、供熱水和空調(diào)供應的技術(shù)。眾所周知，地層之下一年四季均保持一個相對穩(wěn)定的溫度。在夏季，地下的溫度要比地面空氣溫度低，在冬季卻比地面空氣溫度高。地源熱泵正是利用大地的這個特點，通過埋藏在地下的換熱器，與土壤或巖石交換熱量。地源熱泵全年運行工況穩(wěn)定，不需要其它輔助熱源及冷卻設(shè)備即可實現(xiàn)冬季供熱、夏季供冷。所以，地源熱泵是一項高效節(jié)能型、環(huán)保型并

13、能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)，它既不會污染地下水，又不會影響地面沉降。在冬天，管道內(nèi)的液體將地下的熱量抽出，然后通過系統(tǒng)導入建筑物內(nèi)，同時蓄存冷量，以備夏用；在夏天，熱量從建建筑物內(nèi)抽出，通過系統(tǒng)排入地下，同時蓄存熱量，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，為我們營造一個非常舒適的室內(nèi)環(huán)境。土壤熱容量（soil heat capacity）被定義為：單位質(zhì)量或原狀體積土壤溫度升高1所需的熱量。它有兩種表達方式：一是土壤質(zhì)量熱容量，即為1克土壤溫度升高1所需的熱量，用cw表示，單位是焦/克；二是體積熱容量，即為1立方厘米原狀土壤溫度升高1所需的熱量，用cv表示，單位是焦/厘米3。

14、兩者的換算關(guān)系式是cv=cwd,其中d是土壤密度，單位是克/厘米3.據(jù)估算在土壤孔隙度為50%、含水量為30%時，土壤的體積熱容量一般為168焦/厘米3。1.2土壤源測控系統(tǒng)研究背景及發(fā)展地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有以下幾個優(yōu)點：1. 屬可再生能源利用技術(shù)；2. 高效節(jié)能；3. 運行穩(wěn)定可靠；4. 環(huán)境效益顯著；5. 自動運行因此為了更好的利用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為人們的生活提供服務，土壤源熱容量測控系統(tǒng)的研究就變得尤為重要，因此，地下熱容量測試系統(tǒng)的研制也同時提出，使用熱容量測試系統(tǒng)對地下的熱容量進行準確的測試后，為合理地設(shè)計地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供了重要依據(jù)。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)空調(diào)有很多優(yōu)點，因此在

15、未來空調(diào)發(fā)展道路上，它將成為主流，而土壤源的測控也相對變得相當重要。1.3土壤源熱容量測控系統(tǒng)原理該系統(tǒng)是一種較典型的集成化自動控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用恒溫或者恒功率的方法,對出水口和回水口的溫度進行采集、傳輸、運算，并且將其通過觸摸顯示屏顯（威綸mt6070）示出來，進而通過觸摸顯示屏顯示出來的數(shù)據(jù)對土壤源熱容量進行分析，從而得知該地區(qū)的土壤源熱容量是否優(yōu)異，是否可以安裝地源熱泵空調(diào)，這為地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的安全運行提供重要依據(jù)。對于恒功率測溫方法，由于外界的負荷（外界負荷如給多大面積的小區(qū)供應能量）是一定的，所以將功率設(shè)定在一個固定值（如2000w），看是否打一口井或者多口井能滿足當前功率下

16、對土壤源熱容量測量的要求。如圖1.1所示，出水口溫度為t1，回水口的溫度為t2，水箱的溫度為t3圖1.1土壤源熱容量測控外觀系統(tǒng)圖通過對出水口或者出水口和回水口溫差比較，得出土壤源熱容量的大小，使系統(tǒng)能夠正常安全的運行第二章 土壤源熱容量測控系統(tǒng)的構(gòu)成2.1 系統(tǒng)工藝，設(shè)備簡介該系統(tǒng)由一臺s7-200plc、一臺威綸mt6070觸摸顯示屏、兩個固態(tài)繼電器（ssr-1、ssr-2）一臺水泵電機、一個溫度傳感器和若干輔助器件組成。系統(tǒng)設(shè)置一個開關(guān)，控制整個電路的運行，從而電機的正常運轉(zhuǎn)保證系統(tǒng)的順利運行；同時還設(shè)置一個急停開關(guān)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時是電路斷開，保證安全；并且配有一個電源指示燈。土壤

17、源熱容量測控系統(tǒng)采用熱電阻測溫，采集出水口溫度（t1），回水口溫度（t2），水箱溫度（t3），并且通過模擬量輸入模塊（em231）轉(zhuǎn)換成420ma的電流送入cpu處理運算，cpu處理運算后的數(shù)據(jù)通過模擬量輸入（輸出）模塊（em235）送至觸摸顯示屏顯示出來（控制加熱絲加熱），繼而對顯示出來的數(shù)據(jù)進行分析，2.2 系統(tǒng)設(shè)計思想在設(shè)計應用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的初期，需要準確地掌握地下熱容量的情況，因此，地下熱容量測試系統(tǒng)的研制也同時提出，地下土壤熱容量的準確測量對于地源熱泵系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行提供了前提保證。該系統(tǒng)相比較早期的空調(diào)控制系統(tǒng)更加環(huán)保、安全、節(jié)能，是未來空調(diào)系統(tǒng)的主要走向。設(shè)置一個開關(guān)控制

18、整個系統(tǒng)的通斷，同時設(shè)置一個急停開關(guān)，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能夠及時停止，不至于總成安全事故，達到該系統(tǒng)的穩(wěn)定運行固態(tài)繼電器是當輸入量(電壓、電流)達到規(guī)定值時，使被控制的輸出電路導通或斷開的電器，利用電流的熱效應原理工作的保護電路，它在電路中的用作電動機的過載保護該系統(tǒng)通過對三路溫度采集、變送、處理，進而通過觸摸顯示屏顯示的數(shù)據(jù)對地下土壤源熱容進行分析，判斷是否適合地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的合理運行?？諝忾_關(guān)是電路中的一種簡單的短路保護裝置。使用中，由于電流超過允許值產(chǎn)生的熱量使串接于主電路中的開關(guān)自動打開，防止電氣設(shè)備短路和嚴重過載。啟動指示燈是電路接通的一個指示信號2.3 系統(tǒng)設(shè)計2.3.1 控制要求

19、設(shè)計基于plc的地源熱泵測試系統(tǒng)實現(xiàn)對地下熱容量的測試。該系統(tǒng)是一種較典型的集成化自動控制系統(tǒng)，對自動化專業(yè)的學生而言是一個重要的應用方式。通過pid控制算法，實現(xiàn)對地下水設(shè)定負載的溫度控制；通過合理的恒溫檢測或者恒功率檢測方式，實現(xiàn)對三個溫度的采集；利用mt6070觸摸顯示屏，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)、狀態(tài)的輸入操作功能。該系統(tǒng)控制的技術(shù)要求如下 ：1 檢測的溫度范圍：0100;2 檢測分辨率：0.5;3 溫度輸入點：3點;4 控制精度：1;5 采用s7-200系列plc;6 顯示方式：采用觸摸顯示屏，顯示系統(tǒng)的運行參數(shù)，以及各項操作。2.3.2系統(tǒng)流程圖 開始模式選擇啟動運行急停機組停止控制閥

20、關(guān)閉自動數(shù)據(jù)處理溫度采集系統(tǒng)動作反饋量采集控制閥開啟機組運行圖2.1 程序流程圖程序流程圖直觀的反映了該系統(tǒng)的動作情況2.3.3系統(tǒng)設(shè)計電路圖t1是出水口溫度，t2是回水口溫度，t3是水箱溫度；從而控制電機運行該系統(tǒng)的cpu輸出輸入線路圖如下所示圖2.2 控制電路圖如上圖所示設(shè)置一個開關(guān)控制整個系統(tǒng)的通斷，同時設(shè)置一個急停開關(guān)當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能夠及時停止，不至于總成安全事故，達到該系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時配有一個電源指示燈。圖2.3 ad觸摸顯示圖第三章 硬件設(shè)計3.1 硬件電路圖圖3.1土壤源熱容測控系統(tǒng)硬件電路圖如圖所示，三個溫度變送器出水口溫度（t1），回水口的溫度為（t2），水箱的溫度為（

21、t3）采集，變送，再送入cpu中進行運算，再通過觸摸顯示屏顯示出來想要分析的數(shù)據(jù)，從而分析土壤源熱容量是否符合要求。3.2編程程序控制器基本構(gòu)成輸入模塊輸出模塊cpu模塊可編程控制器編程器按鈕選擇開關(guān)限位開關(guān)電源接觸器電磁閥指示燈電源圖3.2 plc控制系統(tǒng)示意圖可編程序控制器plc（programmable logic controller）主要由cpu模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成1。（如上圖所示）可編程序控制器實際上是一種工業(yè)控制計算機，它的硬件結(jié)構(gòu)與一般微機控制系統(tǒng)相似?？删幊绦蚩刂破髦饕蒫pu（中央處理單元）、存儲器（ram和eprom）、輸入/輸出模塊(簡稱i/o模塊)、編

22、程器和電源五大部分組成3。（1）cpu模塊cpu模塊又叫中央處理單元或控制器，它主要由微機處理器（cpu）和存儲器組成。它采用掃描方式工作，每一次掃描要完成以下工作：1.輸入處理：將現(xiàn)場的開關(guān)量輸入信號和數(shù)據(jù)分別讀入輸入映像寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。2.程序執(zhí)行：逐條讀入和解釋用戶程序，產(chǎn)生相應的控制信號去控制有關(guān)的電路，完成數(shù)據(jù)的存取、傳送和處理工作，并根據(jù)運算結(jié)果更新各有關(guān)寄存器的內(nèi)容。3.輸出處理：將輸出映像寄存器的內(nèi)容送給輸出模塊，去控制外部負載2。（2）i/o模塊i/o模塊是系統(tǒng)聯(lián)系外部現(xiàn)場和cpu模塊的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號。輸入信號有兩類：一類是開關(guān)量輸入信號；另一類是模

23、擬量輸入信號?？删幊炭刂破魍ㄟ^輸出控制模塊控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速裝置等執(zhí)行器?？删幊炭刂破骺刂频牧硪活愅獠控撦d是指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等。cpu模塊的工作電壓一般是5v，而可編程控制器的輸入/輸出信號電壓一般較高，如直流24v和交流220v。從外部引用的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞cpu模塊中的元器件，或是可編程控制器不能正常工作，所以cpu模塊不能直接與外部輸入/輸出裝置相連。i/o模塊處理傳遞信號外，還有電平轉(zhuǎn)換和噪聲隔離的作用4。（3）編程器編程器除了用來輸入和編輯程序外，還可以用來監(jiān)視可編程控制器運行時梯形圖中各種編程元件的工作狀態(tài)。編程器可以永久地連續(xù)在可編程

24、控制器上，將它取下來后可編程控制器也可以運行，一般只在程序的輸入、調(diào)試階段和檢修時使用，一臺編程器可供多臺可編程控制器公用6。3.3 plc的特點plc之所以越來越受到控制界人士的重視，是和它的優(yōu)點分不開的:（1）功能齊全，它的適用性極強，幾乎所有的控制要求，它均能滿足；（2）應用靈活， 其標準的積木式硬件結(jié)構(gòu)，以及模塊化的軟件設(shè)計，使得它不僅可以適應大小不同、功能繁復的控制要求，而且可以適應各種工藝流程變更較多的場合；（3）操作方便，維修容易，穩(wěn)定可靠。盡管plc有各種型號，但都可以適應惡劣的工業(yè)應用環(huán)境，耐熱、防潮、抗震等性能也很好，一般平均無故障率可達幾萬小時8。3.4 plc設(shè)計的基本

25、原則1.最大限度的滿足被控對象的控制要求。2.在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、使用和維護方便。3.保證控制系統(tǒng)安全可靠。4.考慮到生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進，在選擇plc容量時應適當留有余量11。 s7-200cpu226mt6070模擬量輸入輸出模塊模擬量輸入三個采集溫度圖3.3 plc控制的過程3.5 plc的選擇3.5.1 s7-200的優(yōu)點德國西門子（siemens）公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國的應用也相當廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應用。西門子（siemens）公司的plc產(chǎn)品包括logo，s7-200，s7-300，s7-400，工業(yè)網(wǎng)絡，hmi人機界面，工

26、業(yè)軟件等。 西門子s7系列plc體積小、速度快、標準化，具有網(wǎng)絡通信能力，功能更強，可靠性更高。s7系列plc產(chǎn)品可分為微型plc（如s7-200），小規(guī)模性能要求的plc（如s7-300）和中、高性能要求的plc（如s7-400）等。西門子公司的s7-200 plc是一種疊裝式結(jié)構(gòu)的小型plc。它的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：極高的可靠性；極豐富的指令集；易于掌握；便捷的操作；豐富的內(nèi)置集成功能；實時特性；強勁的通訊能力；豐富的擴展模塊。3.5.2 cpu的選擇(1)cpu226根據(jù)控制要求選用cpu 226較合適。本機集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量i/o 點?？蛇B接7個擴展模塊，最大

27、擴展至248路數(shù)字量i/o 點或35路模擬量i/o 點。13k字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30khz高速計數(shù)器，2路獨立的20khz高速脈沖輸出，具有pid控制器。2個rs485通訊/編程口，具有ppi通訊協(xié)議、mpi通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。i/o端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能。可完全適應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。由于是直流輸入模塊，所以采用直流電源作為檢測各輸入接點狀態(tài)的電源（用戶提供）。直流電源（dc）為cpu 提供24v電源，保證系統(tǒng)運行。對于繼電器輸出方式，可帶直流負載

28、。負載的激勵源由負載性質(zhì)確定。端子l1、n1提供120/240vac電源13。(2)em231em231的電壓輸入范圍：單極性010v，05v；雙極性5v，2.5v 。電流輸入范圍 ：020ma ；模擬量到數(shù)字量的最大轉(zhuǎn)換時間 ：250s ；該模塊模擬量的輸入值為只讀數(shù)據(jù)。模擬量輸入模塊（em231）的輸入信號經(jīng)模數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量數(shù)據(jù)值是12位二進制數(shù)。數(shù)據(jù)值的12位在cpu中存放格式如圖所示。最高有效位是符號位：0表示正值數(shù)據(jù)，1表示負值數(shù)據(jù)。每個通道占用存儲器ai區(qū)域2個字節(jié)。(3)em235em235具有4個模擬量輸入通道、1個模擬量輸出通道 。模擬量輸入功能同em231模擬量

29、輸入模塊，技術(shù)參數(shù)基本相同 。電壓輸入范圍有所不同，單極性為010v、05v、01v、0500mv、0100mv、050mv。雙極性為10v、5v、2.5v、1v、500mv、250mv、100mv、50mv、25mv。該模塊的模擬量輸出功能同em232模擬量輸出模塊。技術(shù)參數(shù)也基本相同。該模塊需要直流24v供電?？捎蒫pu模塊的傳感器電源24vdc/400ma供電。也可由用戶提供外部電源5。3.5.3 i/o分配表 表3.1 i/o分配表1i0.0k1啟動按鈕q0.0電機運行2i0.1k2手動自動切換q0.1出水口溫度3i0.2k3急停按鈕q0.2回水口溫度4aiw0出水口溫度q0.3水箱溫

30、度5aiw2回水口溫度aqw0恒溫控制水箱溫度6aiw4水箱溫度3.6 觸摸顯示屏的選擇該系統(tǒng)中我們采用威綸mt6070 觸摸顯示屏來顯示cpu處理運算過的的數(shù)據(jù)它的規(guī)格如下：威綸m6070具有3個com端口，1個usb2.0接口，1個usb1.1接口。具體指標如下3.2 mt6070指標環(huán)境規(guī)格操作溫度: 0- 45c (32- 113f)相對濕度:10% - 90% 40c, 無凝露震動測試:10 to 25hz(x,y,z 方向 2g 30分鐘) 電磁干擾: 符合 fcc class a防水性:前面板符合nema4/ip65lcd顯示器顯示類型:tft lcd顯示尺寸(對角):7”顯示色

31、彩:65,536 色分辨率:800 x 480mt6070觸摸顯示屏上有與plc相對應的接口，直接使用便可。mt6070威綸顯示屏，他和系統(tǒng)時間是通過串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的，可以使用232或者485實現(xiàn)該功能，plc上有串口，可以直接連接使用。3.7 溫度變送器的選擇熱電阻是由導體或半導體制成的感溫器件。熱電阻測溫基于導體或半導體的電阻值隨溫度變化的特性。熱電阻測溫的優(yōu)點是信號可以遠傳、靈敏度高、無需參比溫度。金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準確度高，可以用作基準儀表。其缺點是需要電源激勵、有自熱現(xiàn)象，影響測量精度5。該系統(tǒng)采用四線制的一體化變送器。該方式是在熱電阻兩端各連兩根導線，其中兩根導線

32、為熱線組提供恒流源，在熱電阻上產(chǎn)生的壓降通過另外兩根導線接入電勢測量儀表進行測量，當電勢測量端的電流很小時，可以完全消除引線電阻對測量的影響，這種引線方式提高溫度檢測的精度。采用熱電阻測溫，然后將信號送到變送器，并轉(zhuǎn)換成4-20ma的輸出電流,或05v的輸出電壓，繼而送入cpu進行處理運算。溫度變送器圖示如下：圖3.4溫度變送器 第四章 軟件設(shè)計4.1溫度檢測溫度反映物體的冷熱程度，是物體分子運動平均動能大小的標志。溫度的定量測量一熱平衡現(xiàn)象為基礎(chǔ)，兩個受熱程度不同的物體相接觸后，經(jīng)過一段時間的熱交換，達到共同的平衡狀態(tài)后具有相同的溫度。溫度測量原理就是選擇合適的物體作為溫度敏感元件，其某一物

33、理性質(zhì)隨溫度而變化的特性為已知，通過溫度敏感元件與被測對象的熱交換，測量相關(guān)的物理量，即可確定被測對象的溫度。該系統(tǒng)采用熱電阻測溫，熱電阻把溫度量轉(zhuǎn)換成電阻值，這樣就可以通過測量電阻來測量溫度。測量電阻通?？衫脷W姆表或電橋。平衡電橋法平衡電橋法如圖所示。在圖4.1中，如果電阻r1=r2，當熱電阻rt阻值隨溫度變化時，調(diào)節(jié)電位器rw的電刷位置x，使電橋處于平衡狀態(tài)，則有rt=(x/l)r0=nr0l、r0電位器有效長度和總電阻x電刷位置圖4.1 平衡電橋法測溫4.1.1 恒溫檢測恒溫檢測定義為：cpu通過模擬量輸出擴展模塊將水箱的的溫度設(shè)定在一個定值，即讓加熱水箱出水口溫度（即水井的回水口溫度

34、）維持在一個固定值（如30.c），看水井的出水口溫度數(shù)值的變化情況。恒溫檢測原理圖如4.2所示，水箱溫度t3=t2(水井回水口溫度)，水井出水口溫度t1=ti是個變量。最后將三處采集的溫度變送后送到cpu處理運算，再通過觸摸顯示屏顯示出來，進而分析土壤源熱容量。如cpu控制水箱恒定加熱溫度維持在50，首次水井出水口溫度是t1=20進入水箱恒溫加熱，再通過水箱出水口（水井回水口）回到水井的溫度t2=50，此時再次從水井出來的水的溫度變?yōu)閠1=ti，若此時的ti和之前的t1相差不大，那么說明土壤源熱容量大且比較優(yōu)異，較為適合地源熱泵空調(diào)的安裝。圖4.2恒溫檢測方式4.1.2 恒功率檢測圖4.3恒功

35、率檢測恒功率檢測定義為：cpu通過模擬量輸出擴展模塊將水箱的的溫度設(shè)定在一個固定值，即加熱水箱功率維持在一個固定值（如2000w），通過出水口和回水口的溫度之差來判定土壤源熱容量的大小。恒溫檢測原理圖如4.3所示，cpu控制水箱恒功率加熱，通過出水回水口的溫差比較分析土壤源熱容量的大小，最后將三處采集的溫度變送后送到cpu處理運算，再通過觸摸顯示屏顯示出來，進而分析土壤源熱容量。如cpu控制水箱恒定加熱功率維持在2000w，水井出水首次溫度t1=20，通過水箱恒功率加熱出來的水t2和t1有一個溫差值，經(jīng)過一段時間后，查看t1、t2的溫差變化情況。若幾次的溫差相比較相差較大，說明該地土壤源熱容量

36、較大，比較適合地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運行和使用。4.2 pid控制算法4.2.1 pid控制算法簡介 pid控制算法（比例-積分-微分控制算法），由比例單元 p、積分單元 i 和微分單元 d 組成。通過kp， ki和kd三個參數(shù)的設(shè)定。pid控制算法主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。 控制器d/a調(diào)節(jié)閥被控對象變送器a/dyfx + - 圖4.4 pid控制框圖在閉環(huán)控制系統(tǒng)中廣泛應用pid控制，pid控制調(diào)節(jié)器回路輸出。為使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，應讓偏差e趨于零。偏差e是給定值sp和過程變量pv的差?；芈返妮敵鲎兞縨(t)是時間t的函數(shù)，他可以看做是比例項、積分項、微分項三項之和。計算

37、機在周期性地采樣并離散化后進行pid運算，算法如下：mn=kc*（spn-pvn）+kc*（ts/ti）*（spn-pvn）+mx+kc*（td/ts）*（pvn-1-pvn）比例項kc*（spn-pvn）：能及時地產(chǎn)生與偏差（spn-pvn）成正比的調(diào)節(jié)作用，比例系數(shù)kc越大，比例調(diào)節(jié)作用越強，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高，但kc過大會使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。積分項kc*（ts/ti）*（spn-pvn）+mx：與偏差有關(guān)，只要偏差不為0，pid控制的輸出就會因積分作用而不斷變化，直到偏差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以積分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但積分的動作緩慢，給系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定

38、帶來不良影響，很少單獨使用。從式中可以看出：積分時間常數(shù)增大，積分作用減弱，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。微分項kc*（td/ts）*（pvn-1-pvn）：根據(jù)誤差變化的速度（既誤差的微分）進行調(diào)節(jié)具有超前和預測的特點。微分時間常數(shù)td增大時，超調(diào)量減少，動態(tài)性能得到改善，如td過大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時可能上升緩慢12。4.2.2 pid控制算法理論該系統(tǒng)設(shè)置一個pid控制算法實現(xiàn)對地下水設(shè)定負載的控制，以達到恒溫或者恒功率的測溫要求。pid指令有一個允許輸入端（en）。當該輸入端檢測到一個從0到1的正跳變信號，pid回路就從手動方式無擾動的切換到自動方式。無擾動切換時，系統(tǒng)把手動方式的當前輸

39、出值填入回路表中的mn欄，用來初始化輸出值mn，且進行一系列的操作，對回路表中的值進行組態(tài)，完成一系列的動作 pid是以它的三種糾正算法而命名的。這三種算法都是用加法調(diào)整被控制的數(shù)值。而實際上這些加法運算大部分變成了減法運算因為被加數(shù)總是負值。這三種算法是： 比例- 來控制當前，誤差值和一個負常數(shù)p（表示比例）相乘，然后和預定的值相加。p只是在控制器的輸出和系統(tǒng)的誤差成比例的時候成立。這種控制器輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系。比如說，一個電熱器的控制器的比例尺范圍是10c，它的預定值是20c。那么它在10c的時候會輸出100%，在15c的時候會輸出50%，在19c的時候輸出10，注意在

40、誤差是0的時候，控制器的輸出也是0。 積分 - 來控制過去，誤差值是過去一段時間的誤差和，然后乘以一個負常數(shù)i，然后和預定值相加。i從過去的平均誤差值來找到系統(tǒng)的輸出結(jié)果和預定值的平均誤差。一個簡單的比例系統(tǒng)會振蕩，會在預定值的附近來回變化，因為系統(tǒng)無法消除多余的糾正。通過加上一個負的平均誤差比例值，平均的系統(tǒng)誤差值就會總是減少。所以，最終這個pid回路系統(tǒng)會在預定值定下來。 微分- 來控制將來，計算誤差的一階導，并和一個負常數(shù)d相乘，最后和預定值相加。這個導數(shù)的控制會對系統(tǒng)的改變作出反應。導數(shù)的結(jié)果越大，那么控制系統(tǒng)就對輸出結(jié)果作出更快速的反應。這個d參數(shù)也是pid被稱為可預測的控制器的原因

41、。d參數(shù)對減少控制器短期的改變很有幫助。一些實際中的速度緩慢的系統(tǒng)可以不需要d參數(shù)。 用更專業(yè)的話來講，一個pid控制器可以被稱作一個在頻域系統(tǒng)的濾波器。這一點在計算它是否會最終達到穩(wěn)定結(jié)果時很有用。如果數(shù)值挑選不當，控制系統(tǒng)的輸入值會反復振蕩，這導致系統(tǒng)可能永遠無法達到預設(shè)值7。4.2.3 pid控制算法的產(chǎn)生僅用p動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加i動作的pi控制。用pi控制時，能消除由改變目標值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是， i動作過強時，對快速變化偏差響應遲緩。對有積分元件的負載系統(tǒng)可以單獨使用p動作控制。對于pd控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨d動作還要

42、大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時，p動作的作用減小?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負載場合，僅p動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使p動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用pd控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負載。利用i動作消除偏差作用和用d動作抑制振蕩作用，在結(jié)合p動作就構(gòu)成了pid控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用pid控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應需要一定時間的負載系統(tǒng)(即實時性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合pid調(diào)節(jié))效果比較

43、好。通過對被控制對象的傳感器等檢測控制量(反饋量)，將其與目標值(溫度、流量、壓力等設(shè)定值)進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與日標值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制10。4.2.4 pid控制算法的其他功能1.報警、特殊操作s7-200的pid指令既簡單又功能強大。如果其他的過程需要對回路變量進行報警或進行某些特殊計算處理時，可以用cpu支持的其他基本指令編程實現(xiàn)。2.出錯條件若回路控制參數(shù)表的起始地址或pid回路編號不符合要求的范圍，則在編譯時，cpu會產(chǎn)生一個便宜錯誤信息，致使編譯失敗。但對于給頂值和過程變

44、量等的范圍，pid指令并不自動進行范圍檢測，所以，用戶必須確保過程變量、給定值、輸出值、積分項前值、過程變量前值都在0.01.0的范圍以內(nèi)。如果在執(zhí)行pid運算過程中，遇到任何錯誤，則特殊存儲器標志位sm1.1置“1”，并切終止pid指令的執(zhí)行。想要消除這些錯誤，單靠改變回路中的輸出值是不夠的，正確的方法是在執(zhí)行pid運算之前，改變引起運算錯誤的輸入值，而不是更新輸入值 第五章 結(jié)束語隨著plc技術(shù)的不斷發(fā)展，它的應用也越來越廣泛了，本論文研究的是土壤源熱容量測控系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用恒溫或者恒功率的方法,對出水口和回水口的溫度進行采集、傳輸、運算，并且將其通過觸摸顯示屏顯示出來，進而通過觸摸顯

45、示屏（mt6070）顯示出來的數(shù)據(jù)對土壤源熱容量進行分析，為地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的安全運行提供重要依據(jù)。土壤源熱容量測控系統(tǒng)以plc為核心進行設(shè)計，借助于plc強大而靈活的控制功能和內(nèi)置pid的優(yōu)良的控制算法，實現(xiàn)了土壤源熱容量的測控。該系統(tǒng)通過三個溫度采集點對土壤源熱容量進行系統(tǒng)的分析、控制，通過0.5的溫度檢測分辨率，有效地將控制精度控制在1。土壤源熱容量的測控為地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的安全、合理的運行提供了保證，從而達到地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可靠性高、效率高、節(jié)能效果顯著、動態(tài)響應速度快等諸多優(yōu)點?？删幊炭刂破鳎╬lc）是在計算機技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。它以微處