基于PLC的恒溫供暖控制裝置研究與設計

第1章緒論1.1選題背景與意義1.1.2選題意義1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀我國于20世紀80年代開始研究溫度測控技術，相對于當時其他國家較晚。我國紀90年代中后期。而研發(fā)成的產(chǎn)品還是主要為PID控制器之一1.3本課題的研究內(nèi)容和章節(jié)設計1.3.2工作安排第2章恒溫供暖系統(tǒng)的原理2.1恒溫供暖控制系統(tǒng)的組成某小區(qū)供熱系統(tǒng)示意圖如圖2.1所示。熱源電廠的熱水水通過主管網(wǎng)流到換熱熱電熱電主管網(wǎng)換熱站二次管網(wǎng)用戶圖2.1供熱系統(tǒng)示意圖2.2恒溫供暖系統(tǒng)的設計分析用戶溫度壓力熱電換熱器溫度壓力證用圖2.2恒溫供暖系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)圖度恒定在40~65℃,在系統(tǒng)中溫度的監(jiān)控和測量相當重要。溫度控制的流程是測量二次網(wǎng)進水水溫是否恒定在70~80℃,①溫度恒定，按照課題要求的出水水溫40~65℃器圖2.3溫度控制原理圖2.3變頻恒溫供暖系統(tǒng)的方案設計此方案的功能設定為：自動與手動的可切換雙工作模式。手動模式下，通過操作控制面板，可以關閉和開啟每一臺循環(huán)泵，選擇循環(huán)泵的的工頻/變頻工作方式以及在變頻狀態(tài)下的頻率。在自動模式下工作，系統(tǒng)可以根據(jù)外部傳感器采集的信號自動調(diào)節(jié)循環(huán)泵運行，得知其具體工作狀態(tài)。對二次網(wǎng)進水水溫、進水管壓力、流量和出水水溫進行實時數(shù)據(jù)采樣，采集的信號直接送往PLC的模擬量擴展模塊EM235,從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。二次網(wǎng)溫度參數(shù)的設定。不同時間段的參數(shù)是不同的。在本次論文所研究的系統(tǒng)中，我們設定的溫度參數(shù)不是一成不變的，它們是一組變化的值，會隨著外部傳感器所測定的實際數(shù)值與課題要求達到的數(shù)值的改變而改變。2.4變頻調(diào)速原理三相異步電動機的變頻調(diào)速是供暖系統(tǒng)變頻的本質(zhì)。三相異步電動機帶動循環(huán)泵旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)水管的流速，當作為一個整體來發(fā)揮作用的電機和循環(huán)泵，會通過變頻器，調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速來改變循環(huán)泵的流量，以此實現(xiàn)對系統(tǒng)的溫度的調(diào)節(jié)。改變定子供電頻率來改變的同步轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)異步電動機的變頻調(diào)速4。異步電機的轉(zhuǎn)速為：其中：當極對數(shù)P不變時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子輸入交流電頻率f成正比。由此可得，可以通過連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機的供電電源的頻率，使電機的同步轉(zhuǎn)速產(chǎn)生連續(xù)且平滑的改變，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也相應被調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速可以從高到低速保持有限的轉(zhuǎn)差率，所以變頻調(diào)速是一種高效高精準，平滑且調(diào)速范圍大，機械特性較硬的調(diào)速方式。其性能可媲美直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，所以變頻調(diào)速被廣泛的應用于水泵電機的調(diào)速。對于交流異步電機，變頻調(diào)速是一種相對理想又合理的調(diào)速方法。2.5常用的調(diào)速方式(1)變極對數(shù)調(diào)速(2)改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速(3)改變電源頻率調(diào)速第3章恒溫供暖控制系統(tǒng)硬件設計內(nèi)部控制，其擁有14/10的輸入/輸出，對于小型控制系統(tǒng)足以應付。后將其輸入到S7-200PLC擴展模塊EM235A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端0-32000數(shù)字信號被發(fā)送到PLC控制器示電器控制盒(交流接觸器，熱繼電器)PLC控制器變頻器圖3.1供暖系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)圖3.2硬件選型回水水溫需維持在40℃~65℃附近，進水水溫需維持在70℃~80℃,綜合考慮，決定選用2個許昌昌安科技有限公司58AR系列信號(溫度)隔離變送器，外形如圖精度等級：0.5級；0.2級；隔離輸出：直流電流0-10mA,0-20mA,4-20mA;圖3.2溫度變送器外形結(jié)構(gòu)圖3.3CPU224外形結(jié)構(gòu)3.2.2PLC選型輸出，I/0共計24點，可連接7個擴展模。根據(jù)I/0口分配，恒溫供暖控制系統(tǒng)PLC輸入/輸出模塊分配見表3.1。輸入信號輸出信號編號用途編號用途1啟動開關1Q0.01號泵工頻運行接觸器及指示燈2停止開關2Q0.11號泵變頻運行接觸器及指示燈31號泵啟停3Q0.22號泵工頻運行接觸器及指示燈42號泵啟停4Q0.32號泵變頻運行接觸器及指示燈53號泵啟停53號泵工頻運行接觸器及指示燈6頻率增大6Q0.53號泵變頻運行接觸器及指示燈7頻率減小7Q0.6報警信號8手動/自動開關8Q0.7變頻數(shù)字量輸出191號變頻/工頻9Q1.0變頻數(shù)字量輸出2I1.12號變頻/工頻Q1.1變頻數(shù)字量輸出33號變頻/工頻進水水溫信號出水水溫信號EM235具有較高分辨率和較強輸出驅(qū)動能力，被選為模擬量輸入/輸出擴展模量的標準電信號為4至20mA,A/D轉(zhuǎn)換后的值為6400至32000,模擬量的標準通D=(A-100(32000-6400A/D轉(zhuǎn)換關系函數(shù)關系圖如圖3.4,溫度與PLC運算量對應的數(shù)值見表3.2。溫度(℃)溫度(℃)0表3.2A/D轉(zhuǎn)換關系溫度值輸出量3.2.3其他硬件的選擇(1)熱繼電器選型機的額定功率為5.5KW,額定電流為11A,選TR20-20(整電電流為11A)熱繼電器，外形如圖3.6所示。圖3.5交流接觸器外形圖圖3.6熱繼電器外形圖(2)交流接觸器選型所選用的型號的額定電流應該大于或等于(1.5～2.5)I,這里選用6個CJ20-40。CJ20-40的觸頭為直動式，有兩個斷點。用它和輔助觸頭作為獨立組件，,在電氣上互為獨立，分別安裝與主端兩側(cè)，外形如圖3.5所示。(3)斷路器選型斷路器以使用范圍分為兩種，高壓斷路器與低壓斷路器。當生電路異?；蛘唠娐愤^載等情況時，斷路器能夠在短時間內(nèi)開斷電路，確保不會引發(fā)安全事故或造成更大的財產(chǎn)生命損失。本文這里我選擇使用4個斷路器，電機的額定功率為5.5KW根據(jù)公圖3.7斷路器外形圖圖3.8變頻器器外形圖3.2.4變頻器選型MICROMASTER430是西門子水泵電機專用變頻器，外形如圖3.8所示。本系列有多種型號，額定功率范圍從7.5kW到250kW,可供用戶選用，根據(jù)選型要求選擇西置和標準變頻器設置開始，就是針對水泵和風扇的適用型號。因此，其操作極其可靠并具有許多特性?？蛇x的脈寬調(diào)制的開關頻率，使電機降噪。并為變頻器和電機帶來非常強大而完善的保護功能。5DA6光電隔離6光電隔離8或溫度傳夠器接口0(種相性員梅(種相性員梅糖重需3糖重需3通認接外形尺寸外形尺寸[DIP撥碼開關(在控制板上)電壓(在1/0關)PM3.3恒溫供暖控制系統(tǒng)電氣原理圖如圖3.10所示。幾N-幾N-2號也出現(xiàn)1號的情況時，2號便也切換為工頻，隨后3號開始變頻運行；當相反的情況下水量減少時，順序為先1號，然后2號等退出工作。如圖3.11所示。輸入端子I0.0~I1.3,表示系統(tǒng)各部分的功能。工1十LNW器第4章恒溫供暖控制系統(tǒng)軟件設計恒溫供暖控制系統(tǒng)控制方法有手動控制、自動控制。手動控制時，通過操作控制面板上的操作按鈕來進行手動控制，沒有任何邏輯限制。在自動運行方式下，外部傳感器采集到壓力溫度的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)要求的標準值進行對比，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳給PLC,PLC的輸出端對設備進行啟/停及工頻、變頻切換控制，其工作過程如圖4.1所示。本系統(tǒng)工作過程為：滿足要求，將測量的出水水溫與系統(tǒng)要求達到的40~65℃進行比對；不滿足要求，向一次網(wǎng)進行報警。第二步，PLC根據(jù)反饋的溫度數(shù)據(jù)和變頻器的輸出頻率，處理模擬量數(shù)據(jù)。最終經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后發(fā)出控制信號，進行執(zhí)行操作。操作結(jié)束后再次對管網(wǎng)溫度進行檢測并反饋，循環(huán)運行。4.2控制系統(tǒng)程序設計本系統(tǒng)控制過程分為手動控制功能和自動控制功能。如圖4.2所示為手動操作控制模式和自動控制模式的兩種選擇流程圖。圖4.2模式選擇流程圖(1)手動模式手動控制1#泵變頻運行1#泵工頻運行2#泵變頻運行2#泵工頻運行3#泵變頻運行3#泵工頻運行(2)自動模式臺循環(huán)泵進行增減、工頻/變頻的切換以及變頻狀態(tài)下的頻率變化。如圖4.4所示，NYNNYYY回水管水溫值?Y回水管水溫值?NNNY值?YN開始開始數(shù)據(jù)傳輸檢測子程序4.3.21號泵電機控制子程序此程序主要控制1號泵電機的運行、停止和變頻調(diào)速，其工作流程圖如圖4.6工作包括：自動運行過程開始啟動1號泵電機變頻運行，檢測回水管溫度大小。若反饋值低于預設值，啟動定時5S,定時到，管內(nèi)溫度仍低于預設值，檢測變頻器輸出的頻率，變頻器輸出頻率上限值為50Hz,切換1號泵電機工頻運行，啟動2號NYN過50Hz?YNYNY4.3.32號泵電機控制子程序值，啟動定時5S,定時到，管內(nèi)溫度仍低于預設值，檢測變頻器輸出的頻率，變頻器輸出頻率上限值為50Hz,切換2號泵電機工頻運行，啟動3號水泵電機控制程序，管內(nèi)溫度反饋值高于預設值，切除1號泵電機工頻運行，維持2號泵電機變頻調(diào)速運N準值?NNY標準值?YYNY圖4.7頻器輸出頻率為上限值50Hz,切換3號水泵電機工頻運行，管內(nèi)壓力反饋值高于預4.4變頻器MM430的參數(shù)設置1參數(shù)號出廠值設置值說明230380電動機的額定電壓(380V)23.2511電動機的額定電流(11A)30.755.5電動機的額定功率(5.5kW)450.0050.00電動機的額定頻率(50Hz)501395電動機的額定轉(zhuǎn)速(1395r/min)670O電動機的最小頻率(0Hz)85050.00電動機的最大頻率(50Hz)922選擇命令源(由端子排輸入)固定頻率設值(二進制編碼選擇+ON命令)固定頻率設值(二進制編碼選擇+0N命令)