[硕士论文精品]校园节能型电开水器的智能化系统设计.pdf

校园节能型电开水器的校园节能型电开水器的校园节能型电开水器的校园节能型电开水器的校园节能型电开水器的校园节能型电开水器的校园节能型电开水器的校园节能型电开水器的 智能化系统设计智能化系统设计智能化系统设计智能化系统设计智能化系统设计智能化系统设计智能化系统设计智能化系统设计 参赛队名：南工参赛队名：南工参赛队名：南工参赛队名：南工参赛队名：南工参赛队名：南工参赛队名：南工参赛队名：南工 leaderleaderleaderleaderleaderleaderleaderleader 所属院校：南京工程学院所属院校：南京工程学院所属院校：南京工程学院所属院校：南京工程学院所属院校：南京工程学院所属院校：南京工程学院所属院校：南京工程学院所属院校：南京工程学院 指导教师指导教师指导教师指导教师指导教师指导教师指导教师指导教师: : : : : : : : 解乃军、程解乃军、程解乃军、程解乃军、程解乃军、程解乃军、程解乃军、程解乃军、程啟啟啟啟华华华华华华华华 参赛队员参赛队员参赛队员参赛队员参赛队员参赛队员参赛队员参赛队员：蒋云蒋云蒋云蒋云蒋云蒋云蒋云蒋云、孟和田孟和田孟和田孟和田孟和田孟和田孟和田孟和田、缪苗缪苗缪苗缪苗缪苗缪苗缪苗缪苗 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 2 目录目录 第 1 章 前言.3 1.1 当今校园的节能状况.3 1.2 现行的校园电开水器存在的问题.3 1.3 本项目的意义和任务4 第 2 章 方案设计.5 2.1 项目需求分析.5 2.2 总体方案.5 2.3 局部方案.9 2.3.1 校园电热水器通断程序模式方式设计.9 2.3.2 保温水箱保温程序模式设计.9 2.4 创新点及特色.9 2.5 可行性与实用性分析9 第 3 章 设计过程.11 3.1 系统硬件设计.11 3.2 系统电气原理图设计.14 3.3 系统 i/o 地址表设计.19 3.4 器件选型20 3.5 系统软件设计.21 3.5.1 软件介绍21 3.5.2校园电热水器通断程序模式方式设计.24 3.5.3 校园电开水器保温水箱保温模式设计.25 3.6 plc 源程序29 3.7 人机界面设计.37 第 4 章 设计总结与展望.40 4.1 设计总结.40 4.2 后期展望.40 参考文献.42 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 3 第第 1 1 章章 前言前言 1.11.1 当今校园的节能状况当今校园的节能状况 随着经济的迅猛发展，节能、环保、低碳已经成为当今社会的一种潮流，也 是很多人所追求的一种生活方式。低碳汽车、环保手袋、节能建筑等的陆续推出， 正在把整个社会推上一个新的理念层。 学校，作为社会的一部分，既是重要的用能单位，也是传播节能新理念、创造 节能新技术、研发节能新产品的重要基地。建设节约型校园已经成为广大青年学 生生活中的主题。很多学校自行研发了一系列现代化校园管理系统，如校园一卡 通管理系统；在办公场所、教学楼栋、实训场所、学生寝室等区域安装高效节能 灯具，积极采用节能型供热水，空调系统和用水设备；在宿舍楼或者教学楼的某 个楼层安装了智能电开水器，使学生在使用时按实际用水量计价收费。但是由于 这些节能设施和装置的改造，往往在其控制方面出现故障，产生很多不必要的能 源浪费。 1.21.2 现行的校园电开水器存在的问题现行的校园电开水器存在的问题 目前, 许多校园在学生公寓楼或者教学楼里安装了电开水器，方便了同学们 可以随时饮用到干净、舒适的水。但是传统的电开水器都是使用热敏电阻进行监 测，通过不断电方式，一直不停地对水箱进行循环加热，这样才能让热水箱中的 水始终保持在一定的温度（无论有无人使用） 。虽然保证了无论何时都有热水用， 但却无法控制在同学们取水时生水进入水箱造成阴阳水的产生，影响饮用水的质 量和同学们的健康。 尤其是在课间休息时间没有人愿喝滚烫的开水,打来的开水必 须经过冷却才能饮用, 特别是在夏天, 要等很长时间才能使水冷却下，而冷却时 开水中的热量都被白白散发到空气中, 造成很大的浪费。 通过我们小组在不同时间段的调研和数据采集，我们总结了现行校园电开水器存 的问题： 1) 加热方式：储水式加热(浮球控制式)； 2) 采用冷热水混合式水箱结构，有生（冷）熟混合水（阴阳水） ； 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 4 3) 开水箱中的水不能全部放出，所以开水箱中总是装有陈旧剩余的开水。当取 用部分开水时，浮球随着水位下降而打开阀门，此时冷水进入开水箱与原来 的开水混合，经过反复加热方可取用，浪费时间。原开水箱中剩余的开水被 重复加热易形成了医学上称为的“亚硝酸盐”等对人体有害的物质，长期饮 用此水不利于同学们的身体健康； 4) 视功率大小， 首沸时间需要 4075 分钟， 不能及时取水， 需要等待浪费时间； 5) 在上课或者人少的假期期间，开水器依然在不断反复加热、保温工作，浪费 了很多电能。 所以，校园电开水器的节能改造事在必行。 1.31.3 本项目的意义和任务本项目的意义和任务 学生在校园内的活动具有较强的规律性， 我们根据对学生活动的采样和统计， 进行分析与预测。根据自动控制原理，运用plc、人机界面、变频器、伺服电机以 及传感器等实现对分布在各区域的电开水器进行集中控制管理，同时我们将对电 开水器重新进行节能改进性设计，以解决上述我们所列出的校园电开水器存在的 一些浪费问题。 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 5 第第 2 2 章章 方案设计方案设计 2.12.1 项目需求分析项目需求分析 本项目的最终目标：应用我们所学的知识，利用 plc 控制技术，用最节能最 环保的办法解决同学们四季饮水的难题，希望同学不管是在冬季还是在夏季都可 以喝上温度合适的开水。具体需求如下： 首先要解决电开水器 24 小时不切断电源的供电方式。理由：这样的供电方式 虽然保证了同学们可以随时喝上热水， 但却在不知不觉中浪费了很多电能， 此外， 电开水器对水反复不停地加热，不仅水质会变差，而且不环保； 其次要解决同学们在不同季节对开水的不同需求问题，比如，夏季大家都喜欢 喝凉白开，冬季大家就比较喜欢喝较热的开水； 学校的供水需求比较特殊，每年有两个较长的假期，如何统筹安排好电开水器 供水问题也是有待解决的问题之一； 解决电开水的人性化设计问题； 解决电开水器的统一管理问题。 2.22.2 总体方案总体方案 通过项目需求分析，项目方案确定如下： 本项目设计方案包含两项设计内容，第一部分为校园节能型电开水器集中控 制管理系统设计；第二部分为节能型智能化电开水器设计。 其中，第一部分由一个主控单元和数个从控单元组成。 主控单元是针对校园内楼宇群的，主要完成的任务是对校园内所有的电开水 器进行监控和管理； 从控单元针对校园内每栋楼宇，主要完成每栋楼宇所有电开水器的集中启停 控制，具体见图2-1。 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 6 主 控 单 元主 控 单 元 从 控 单 元从 控 单 元1 1 ( (楼 宇 单 元楼 宇 单 元） 控 制 范 围控 制 范 围：校 园 内 楼 宇校 园 内 楼 宇 实 施 设 备实 施 设 备：计 算 机计 算 机 + +p l cp l c+ +人 机人 机+ +低 压 元 件低 压 元 件 实 施 任 务实 施 任 务：完 成 独 栋 楼完 成 独 栋 楼 宇所有电开水器的集中宇所有电开水器的集中 启 停 控 制启 停 控 制 实 施 方 案实 施 方 案：将 环 境 参将 环 境 参 数数、温度参数等条件参温度参数等条件参 数 提 交数 提 交p cp c机机，p cp c机 通 过机 通 过 mathematicamathematica软 件 分 析软 件 分 析 运 算 后运 算 后，通 过通 过r sr s2 3 22 3 2接接 口 传 送 给口 传 送 给p l cp l c控 制 器控 制 器， p l cp l c控制器通过小型中控制器通过小型中 间继电器控制交流接触间继电器控制交流接触 器器，从而实现对电开水从而实现对电开水 器电源的开启与断开控器电源的开启与断开控 制制 设 计 说 明设 计 说 明：本设计方案包含两项设计内容本设计方案包含两项设计内容，第一部分为校园第一部分为校园 节能型电开水器集中控制管理系统设计节能型电开水器集中控制管理系统设计；第二部分为节能型第二部分为节能型 智能化电开水器系统设计智能化电开水器系统设计。 mathematica是一款科学计算 软 件，很好地结合了数值和符号计 算 引 擎、图 形 系 统、编 程 语 言、文 本系统和与其他应用程序的高级连 接。它的很多功能在相应领域内处 于世界领先地位。截 至2009年，它 依旧是使用最广泛的数学软件之一 。 校园节能型电开水器智能化系统设计方案校园节能型电开水器智能化系统设计方案 第 一 部 分第 一 部 分 校园节能型电开水器集控管理系统设计方案校园节能型电开水器集控管理系统设计方案 从 控 单 元从 控 单 元2 2 ( (楼 宇 单 元楼 宇 单 元） 控 制 范 围控 制 范 围：校 园 内 楼 宇校 园 内 楼 宇 实 施 设 备实 施 设 备：计 算 机计 算 机 + +p l cp l c+ +人 机人 机+ +低 压 元 件低 压 元 件 实 施 任 务实 施 任 务：完 成 独 栋 楼完 成 独 栋 楼 宇所有电开水器的集中宇所有电开水器的集中 启 停 控 制启 停 控 制 实 施 方 案实 施 方 案：将 环 境 参将 环 境 参 数数、温度参数等条件参温度参数等条件参 数 提 交数 提 交p cp c机机，p cp c机 通 过机 通 过 mathematicamathematica软 件 分 析软 件 分 析 运 算 后运 算 后，通 过通 过r sr s2 3 22 3 2接接 口 传 送 给口 传 送 给p l cp l c控 制 器控 制 器， p l cp l c控制器通过小型中控制器通过小型中 间继电器控制交流接触间继电器控制交流接触 器器，从而实现对电开水从而实现对电开水 器电源的开启与断开控器电源的开启与断开控 制制 从 控 单 元从 控 单 元。 。 。 。 。 ( (楼 宇 单 元楼 宇 单 元） 控 制 范 围控 制 范 围：校 园 内 楼 宇校 园 内 楼 宇 实 施 设 备实 施 设 备：计 算 机计 算 机 + +p l cp l c+ +人 机人 机+ +低 压 元 件低 压 元 件 实 施 任 务实 施 任 务：完 成 独 栋 楼完 成 独 栋 楼 宇所有电开水器的集中宇所有电开水器的集中 启 停 控 制启 停 控 制 实 施 方 案实 施 方 案：将 环 境 参将 环 境 参 数数、温度参数等条件参温度参数等条件参 数 提 交数 提 交p cp c机机，p cp c机 通 过机 通 过 mathematicamathematica软 件 分 析软 件 分 析 运 算 后运 算 后，通 过通 过r sr s2 3 22 3 2接接 口 传 送 给口 传 送 给p l cp l c控 制 器控 制 器， p l cp l c控制器通过小型中控制器通过小型中 间继电器控制交流接触间继电器控制交流接触 器器，从而实现对电开水从而实现对电开水 器电源的开启与断开控器电源的开启与断开控 制制 以 太 网以 太 网 控 制 范 围：校园内德楼宇群 实 施 设 备：计 算 机（p c机） 实 施 任 务：完成对校园内所有 的开水器的监控和管理 实 施 方 案：计 算 机（p c机） 控 制 软 件（mathematica等） 通 讯 网 络（以 太 网） 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 7 图2-1 校园节能型电开水器集中控制管理系统设计方案图 本项目的第二部分是一种节能型智能化电开水器设计的方案。本方案将电开 水器的加热与保温水箱分开。 加热水箱的任务主要完成水的一次性加热问题，加热之后，不停留直接进入 水箱保温箱待用；保温水箱控制引入智能化和人性化理念，对已烧好的开水实行 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 8 科学的管理和分配，见图2-2。 图2-2 节能型智能化电开水器设计方案图 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 9 2.32.3 局部方案局部方案 2.3.12.3.1 校园电热水器通断程序模式方式设计校园电热水器通断程序模式方式设计 本设计考虑的是假期模式，学校环境比较特殊，人员变动最大的时段，就在每 年相对固定的两个假期，所以在设计控制模式时，我们可以将寒暑假模式和正常 教学模式先考虑进去； 楼宇的用途不同，对人流的影响也比较大，暂时可分为教学楼模式和学生宿舍 楼模式； 根据每天的时段不同，我们可以分为夜间模式和白天模式。 2.3.22.3.2 保温水箱保温程序模式设计保温水箱保温程序模式设计 本项目保温水箱的温度控制设计，可以采用三种模式： 第一种、水箱温度设定：固定温度，pid 调整； 第二种、水箱温度设定：根据环境温度设定，pid 调整； 第三种、水箱温度设定：通过 mathematica 软件建模实现，pid 调整。 2.42.4 创新点及特色创新点及特色 将复杂的工程实际控制问题，利用一些高端的数学运算软件(如mathematica 等)进行分析、 计算或预测分析， 然后通过编制一些软件程序和通讯软件程序将其 结果转换成相对较容易控制的plc问题。 这样做不仅是plc应用领域上的一种创新， 还可以大大地拓展plc的应用范围和使用空间，可以有效解决plc运算能力相对较 弱的问题。 电开水箱的分体式结构设计方案，可以有效地解决电开水箱水质和节能问题， 引入plc控制，使普通电开水箱更加人性化和智能化。所谓人性化，保温水箱里的 水温可调可控，如：可根据季节变化和温度变化随时调节；也可根据各个水箱的 不同要求，进行单独设定，或常开水箱（100度） 、常温水箱（80/40度） 、凉开水 箱等等，还有出水方案的考虑，都比较人性化。所谓智能化，仿照第一部分方案， 通过软件运算+通讯协议+ plc控制，来实现温控。 2.52.5 可行性与实用性分析可行性与实用性分析 本设计来源由生活，又借助学校已有的计算机和网络系统，其可实施性还是比 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 10 较大的； 随着plc控制技术的普及化，将plc应用于校园，还是比较可行的，即安全又 可靠，节能环保所产生的效益会远远过于其成本。 现有设备改造方便，电源控制方案与目前大多数学校现状比较相符，略做改造 即可实施。 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 11 第第 3 3 章章 设计过程设计过程 3.13.1 系统硬件设计系统硬件设计 第一部分包含一个主控单元和数个从控单元组成。 主控单元的控制对象为校园内的楼宇群， 主要完成的任务是对校园内所有电 开水器的进行监控管理与控制。实施方案：计算机（pc机）+plc控制器+网络 （internet等)+控制软件（mathematica等） 。 从控单元的控制对象为校园内每栋楼宇，主要完成的任务是对每栋楼宇内所 有电开水器的实现集中监控与管理，并对其电源实现通断控制。实施方案：将环 境参数、温度参数等条件参数提交pc机，pc机通过mathematica软件分析运算后， 通过rs232接口传送给plc控制器，plc控制器通过小型中间继电器控制交流接触 器，从而实现对电开水器电源的通与断管理与控制，如图3-1。 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 12 n n n n号 楼号 楼 1 1 1 1号 楼号 楼 校 园 节 能 型 电 开 水 器 的校 园 节 能 型 电 开 水 器 的校 园 节 能 型 电 开 水 器 的校 园 节 能 型 电 开 水 器 的 智 能 化 集 中 控 制 管 理 系 统智 能 化 集 中 控 制 管 理 系 统智 能 化 集 中 控 制 管 理 系 统智 能 化 集 中 控 制 管 理 系 统 以 太 网以 太 网以 太 网以 太 网 2 2 2 2号 楼号 楼 计 算 机计 算 机 mathematica 6 电 开 水 器 群电 开 水 器 群 f xf xf xf x2 2 2 2n n n n 系 列系 列p l cp l cp l cp l c 中 间 继中 间 继 电 器电 器 低 压 空 气低 压 空 气 开 关开 关 交 流 接交 流 接 触 器触 器 3 3 3 3号 楼号 楼 4 4 4 4号 楼号 楼 低 压 空 气低 压 空 气 开 关开 关 交 流 接交 流 接 触 器触 器 电 开 水 器 群电 开 水 器 群 电 源(a c2 2 0v)电 源(a c2 2 0v) 图 3-1 校园节能型电开水器的智能化集控管理系统硬件框图 本项目的第二部分是一种节能型智能化电开水器设计的方案。本方案将电开 水器的加热与保温水箱分开。 加热水箱包括高低位液位传感器一个、大功率加热棒1kw一只、pt100温度传 感器一个、进水和出水电磁阀各一只和plc控制器一套等。加热水箱工作过程： 通 过监测水箱的液位传感器，控制水箱的加热和进出水。水箱低液位，进水阀开， 到达高水位时关闭进水阀，同时接通加热棒，通过温度传感器测温，水开之后， 关闭加热，打开出水阀，进水阀再次打开的条件，是开水全部放完，到达低液位， 加热棒再次接通条件是，水箱再次加满水后。本设计的创新点：1、加热与保温水 箱分开，避免整个箱的水反复加热，节能且环保；2、分体式结构方案，可以加快 水的加热速度，提高热效应。 保温水箱包括浮球液位计一个、 小功率加热棒150w一只、 pt100温度传感器一 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 13 个、进水和出水电磁阀各一只和plc控制器一套等（其中进水阀、plc控制器与加 热水箱共用） 。保温水箱工作过程：1、进水控制浮球开关只要不为“！ ”信号， 进水阀就可以打开进水（加热水箱加热时除外） ；2、水温控制设计了多种模式， 目前的实施方案主要以plc的pid调节为主；3、出水控制主要分三种方式，8磅 水出水方式、5磅水出水方式和任意水出水方式，见图3-2。 图 3-2 节能型智能化电开水器设计硬件框图 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 14 3.23.2 系统电气原理图设计系统电气原理图设计 第一部分：校园节能型电开水器集中控制系统电气原理图设计 1、fx2n 系列电源部分连接，见图 3-3 图 3-3 fx2n 系列电源部分连接图 2、plc 输出部分连接图，见图 3-4-1 和图 3-4-2 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 15 图 3-4-1 plc 输出部分连接图 图 3-5 连接部分 图 3-4-2 plc 输出部分连接图 图 3-4-2 plc 输出部分连接图 第二部分：节能型智能化电开水器电气原理图设计 1、电源部分，见图 3-5 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 16 图 3-5 电源部分 2、q 系列 plc 电源部分，见图 3-6 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 17 图 3-6 q 系列 plc 电源部分 3、plc 输入部分，见图 3-7 图 3-7 plc 输入部分 4、plc 输出部分，见图 3-8 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 18 图 3-8 plc 输出部分 5、plc 数字量输出模块，见图 3-9 图 3-9 plc 数字量输出模块 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 19 3.33.3 系统系统 i/oi/o 地址表设计地址表设计 第一部分：校园节能型电开水器集中控制系统 输入输出地址的分配表参见表 3-1。 表 3-1 输入输出地址分配表 y0教学楼 1 电开水器 1 运行 y 1教学楼 1 电开水器 1 停止 y2教学楼 1 电开水器 2 运行 y3教学楼 1 电开水器 2 停止 y4教学楼 1 电开水器 3 运行 y5教学楼 1 电开水器 3 停止 y6教学楼 2 电开水器 1 运行 y7教学楼 2 电开水器 1 停止 y10教学楼 2 电开水器 2 运行 y11教学楼 2 电开水器 2 停止 y12教学楼 2 电开水器 3 运行 y13教学楼 2 电开水器 3 停止 y14教学楼 3 电开水器 1 运行 y15教学楼 3 电开水器 1 停止 y16教学楼 3 电开水器 2 运行 y17教学楼 3 电开水器 2 停止 y20教学楼 3 电开水器 3 运行 y21教学楼 3 电开水器 3 停止 y22教学楼 3 电开水器 4 运行 y23教学楼 3 电开水器 4 停止 y24宿舍楼 1 电开水器 1 运行 y25宿舍楼 1 电开水器 1 停止 y26宿舍楼 1 电开水器 2 运行 y27宿舍楼 1 电开水器 2 停止 y30宿舍楼 1 电开水器 3 运行 y31宿舍楼 1 电开水器 3 停止 y32宿舍楼 2 电开水器 1 运行 y33宿舍楼 2 电开水器 1 停止 y34宿舍楼 2 电开水器 2 运行 y35宿舍楼 2 电开水器 2 停止 y36宿舍楼 2 电开水器 3 运行 y37宿舍楼 2 电开水器 3 停止 第二部分：节能型智能化电开水器设计 输入输出地址分配表参见表 3-2。 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 20 表 3-2 输入输出地址分配表 x0加热水箱液位传感器上限信号 x1加热水箱液位传感器下限信号 x2保温水箱液位上限信号 x3 x48 磅水放水开关按钮信号 x55 磅水放水开关按钮信号 x6任意水放水开关按钮信号 x7 x0a急停按钮信号 x0b x0c x0d x0e x0f y10保温水箱加热棒接通 y11加热水箱加热棒接通 y12加热水箱进水电磁阀接通 y13加热水箱出水电磁阀接通 y14保温水箱进水电磁阀接通 y15热电开水箱运行指示灯 y16热电开水箱报警指示灯 y17 3.43.4 器件选型器件选型 1、plc 选型 本项目所选用的是q02hcpu和fx2n。 q02hcpu是用来进行单个电开水器控制的。 它是一个机构紧凑、 功能精简型高 速plc，最大i/o点数为4096点，程序容量为28k步，适用于中小规模控制系统， 如 此的plc已经能够胜任我们的控制要求，其优越性能价格比更是我们所追求的。 fx2n是用来与mathematica软件进行数据传输的。 控制的是一个楼宇的电开水 器的开断。与matematica软件联合进行预测控制，并与以太网实现网络化集控管 理。 2、i/o 模块选型 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 21 本项目所选用的i/o模块是qx40和qy10。 qx40是一个16点数字量输入模块，由于我们对于输入量的需求不是很多，单 个电开水器的输入点最多只有4个，所以qx40已经完全能够满足我们的要求了。 qy10是16点数字量输出模块，由于我们对于输出量的需求不是很多，单个电 开水器的输出点最多只有4个，所以qy10已经完全能够满足我们的要求了。 3、智能模块选型 本项目所选用的智能模块是q64ad和q62dan。 q64ad是一个16点的智能模块，转换速度达到8s/通道，在i/o端子和plc之 间采用光电耦合器隔离。固完全符合本设计对于模数转换的要求。 q62dan是一个16点的智能模块，转换速度达到8s/通道，在i/o端子和plc 之间采用光电耦合器隔离。固完全符合本设计对于数模转换的要求。 4、人机界面选型 本项目所选用的人机界面是got1000系列中的g1575vnba。 gt1575vnba是got1000系列中的一种， 本设计利用它实现了一个终端总控的功 能。该系列的人机界面监视范围大，大规模的系统中也能运用，而校园电开水器 集控管理系统也是很庞大的，它能将很多软元件作为报警监视对象，所以在楼层 电开水器运行的同时能够在总控室内了解现在校园所有电开水器的运行情况，并 及时进行的处理。 3.53.5 系统软件设计系统软件设计 3.5.13.5.1 软件介绍软件介绍 由于本项目所用到的设备比较多，所以整个设计过程中运用到的软件也比较 多，对所运用到的软件进行列表如表 3-2。 表 3-2 所运用软件一览表 运用到的软件运用到的软件作用作用 gx-developerplc 编程使用 gx-simulator程序运行仿真使用 gt-designer2got 人机面板编辑使用 mathematica数学建模软件 mathematica 软件介绍 mathematica 是一款科学计算软件，很好地结合了数值和符号计算引擎、图 形系统、编程语言、文本系统、和与其他应用程序的高级连接。很多功能在相应 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 22 领域内处于世界领先地位， 截至2009年， 它也是为止使用最广泛的数学软件之一。 mathematica 的发布标志着现代科技计算的开始。自从20世纪60年代以来，在数 值、代数、图形、和其它方面应用广泛，mathematica 是世界上通用计算系统中 最强大的系统。自从1988发布以来，它已经对如何在科技和其它领域运用计算机 产生了深刻的影响。 本设计的学校教学楼电开水器控制模式按季节划分，分为：秋冬季节多人流 量（高峰期）模式、少人流量（低峰期）模式、无人时段（休眠）模式春夏季节 多人流量（高峰）模式、少人流量（低峰）模式、无人时段（休眠）模式；各个 模式运用在各自不同的时间段内，从而达到电开水器控制的合理化安排。具体的 运行状况见表 3-3。 表 3-3 按季节划分校园电开水器的控制模式 模式名称模式名称 季节变换季节变换 秋冬季节秋冬季节春夏季节春夏季节 多人流量多人流量 （高峰期）模式（高峰期）模式 校园里所有楼宇的电 开水器都开启， 并且所 有的电开水器都进行 2 次加热， 保证学生能喝 到热水 校园里所有楼宇的电开 水器都开启，其中一部分 进行 2 次加热并保温，另 外部分在加热完毕后不 在保温，作为凉开水供学 生饮用 少人流量少人流量 （低峰期）模式（低峰期）模式 根据预测分析后的数 据进行开启， 在不满足 的条件下， 开启备用电 开水器， 同时控制方式 和多人流量秋冬季节 的控制方式一致 根据预测分析后的数据 进行开启，在不满足的条 件下，开启备用电开水 器，同时控制方式和少人 流量春夏季节的控制方 式一致 无人时段无人时段 （休眠）模式（休眠）模式 固定几台电开水器开 启，其余开水器都关 闭， 同时控制方式和多 人流量秋冬季节的控 制方式一致 固定几台电开水器开启， 其余开水器都关闭，同时 控制方式和少人流量秋 冬季节的控制方式一致 本设计的学校宿舍楼电开水器的控制模式按时间模式划分，分为少人流量时 段（低峰期）模式、多人流量时段(高峰期)模式和无人时段（休眠）模式，各个 模式运用在各自不同的时间段内，从而达到电开水器控制的合理化安排。 具体的运行状况见表 3-4。 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 23 表 3-4 按时间划分校园电开水器的控制模式 模式名称模式名称运行时间段运行时间段运用原因运用原因达到效果达到效果 少人流量少人流量 （低峰期）模式（低峰期）模式 （白天） 6:0017:30 在此时间段学生多数 是在教室上课，或者 处理其他事情，基本 没有多数学生在宿舍 在每层开固定的一个 或者几个电开水器， 保证在宿舍的学生有 开水可以使用 多人流量多人流量 ( (高峰期高峰期) )模式模式 （夜间） 17:3024:00 在此时间段学生基本 在宿舍，需要喝水或 者泡水洗澡等 开启宿舍里所用的电 开水器，保证学生的 用水需要 无人时段无人时段 （休眠）模式（休眠）模式 （凌晨） 24:00次日 6:30 学生处于睡觉状态， 没有用水的需要 关闭宿舍楼里所用的 电开水器 综合以上， 在本设计中， 针对学校教学楼和学校宿舍楼的电开水器的控制方式 进行区分控制，这样就可以最大限度的符合学校的实际情况，同时也符合本设计 中节能环保低碳的生活理念。 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 24 3.5.23.5.23.5.23.5.2校园电热水器通断程序模式方式设计校园电热水器通断程序模式方式设计 图 3-10 校园电热水器通断管理程序流程图 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 25 3.5.33.5.3 校园电开水器保温水箱保温模式设计校园电开水器保温水箱保温模式设计 在每次电开水器开启后， 首先要判断采用何种模式进行保温水箱的温度调节。 其中恒定模式和通过环境温度传感器实现模式是针对独立的电开水器进行温度调 节的方式，而通过 mathematica 软件建模实现的温度调节模式则是针对校园楼宇 群所有电开水器的温度调节；其次，进行 pid 调节；再次，检测保温水箱的温度 传感器，以决定是否需要开启保温水箱的加热棒进行 2 次加热；最后，用户可以 自行选择出水(8l，5l 和任意出水)方式，流程图见图 3-11。 图 3-11 校园电开水器保温水箱保温模式程序流程图 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 26 3.5.43.5.4 节能型智能化电开水器控制程序设计节能型智能化电开水器控制程序设计 节能型智能化电开水器控制程序流程图，见图 3-12。 图 3-12 节能型智能化电开水器控制程序流程图 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 27 还有，在我们的设计中，将季节进行了区分，划分为秋冬季节和春夏季节。 在不同的季节，学生对水温的要求有很大的区别，比如：在秋冬季节，学生希望 喝到的水 80c 以上的开水；而在春夏季节学生希望喝到 20c 以上的温水。所 以，为了满足学生在不同季节对水温高地要求不同的需要，我们绘制了 2 张不同 的柱状表来表示根据室外温度改变来调节水箱的 2 次加热温度。具体见，柱状图 3-13。 图 3-13 秋冬季节温度调节柱状图 对应的秋冬季节温度调节表，具体见表 3-5。 表 3-5 秋冬季节温度调节表 室外温度室外温度 ( (c)c) 水箱温度水箱温度 ( (c)c) 室外温度室外温度 ( (c)c) 水箱温度水箱温度 ( (c)c) 室外温度室外温度 ( (c)c) 水箱温度水箱温度 ( (c)c) 10 80 (最低设定温度） 387-494 981288-595 882189-696 783090-797 684-191-898 585-292-999 486-393-10100 根据图 3-13 和表 3-5，可以得到秋冬季节水温调节的函数表达式 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 28 其中，x代表室外温度； y代表水箱保温温度： 函数表达式为：90+=xy(80y100，-10x10) (2)春夏季节柱状图 3-14。 图 3-14 春夏季节温度调节图 对应的春夏季节温度调节表，具体见表 3-7。 表 3-7 春夏季节温度调节表 室外温度室外温度 ( (c)c) 水箱温度水箱温度 ( (c)c) 室外温度室外温度 ( (c)c) 水箱温度水箱温度 ( (c)c) 室外温度室外温度 ( (c)c) 水箱温度水箱温度 ( (c)c) 4020（最低设定温度）33482676 392432522580 382831562484 373230602388 363629642292 354028682196 3444277220100 根据图 3-14 和表 3-7，可以得到秋冬季节水温调节的函数表达式 其中，x代表室外温度； y代表水箱保温温度： 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 29 函数表达式为：1804+=xy(20y100，20x40) 3.6 plc 源程序 第一部分：校园节能型电开水器集中控制系统源程序 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 30 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 31 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 32 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 33 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 34 第二部分：节能型智能化电开水器设计源程序 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 35 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 36 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 37 3.3.7 7 人机界面设计人机界面设计 本设计中,需要对独立楼层的电开水器进行监控,这样既方便管理人员的管理 和对紧急事件的及时处理。在对单个楼层的开水器的监控画面包括 3 个部分，即 整个楼层所有电开水器的实时监控、单个电开水器的液位控制系统的监控和单个 电开水器的温度控制系统的监控画面。具体见图 3-15、图 3-16 和图 3-17。 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 38 图 3-15 节能型智能化电开水器实时监控画面 图 3-16 节能型智能化电开水器的液位控制监控画面 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 39 图 3-17 节能型智能化电开水器的温度控制监控画面 第五届“三菱电机自动化”杯大学生自动化科技创新设计大赛 南京工程学院南工 leader2011 年 7 月 40 第第 4 4 章章 设计总结与展望设计总结与展望 4.14.1 设计总结设计总结 本设计在我们三名队员的努力下， 在指导老师的悉心指导下终于顺利做出了 实物模型。在该模型的基础上我们对我们的设计方案进行了验证。我们选择 plc 作为其控制器，主要是因为他对使用环境的适应性强的特性，而且，其内部定时 器，寄存器等的资源非常丰富，对于电开水器的控制非常容易实现。我们深刻体 会到三菱q系列plc的强大的功能和优越性以及三菱fx2n系列plc的低成本高性 价。q 系列 plc 是三菱公司从原 a 系列 plc 的基础上发展过来的中、大型 plc 系 列产品。继承了三菱 a 和 qna 系列产品的丰富技术资源，它把四种类型的自动化 控制（顺序，运动，过程，信息）集成在同一个系统中，从而给用户的改造和维 护工作带来了极大的便利，并且提供了非常强的功能和优良的性能，三菱 fx2n 系列 plc 是三菱公司推出的高性能小型性 plc，具有较高的性价比，应用广泛。 随着三菱 q 系列运动控制器的广泛运用， 将会为中、 大型企业减少大量成本， 降低无谓的能源损耗，同时为企业带来了巨大的生产效益。三菱 fx2n 系列 plc 不仅在工控方面得到了广泛的应用，而且在楼宇自动化控制、化工工厂自动化控 制等方面中也得到了很广泛的使用，这必将会为中、小型企业降低许多成本，减 少无谓的能源损耗，同时为企业带来可观的生产效益。 本项目的研究，虽然实现了预期的目标，但与实际的应用校园电开水器还是 有着很大一部分的差距，因为考虑到我们的项目最