太阳能集中供热自动控制系统设计毕业论文.doc

本科生毕业设计（论文）太阳能集中供热自动控制系统设计毕业论文目录第1章 绪论11.1课题设计的背景11.2简述太阳能新能源的发展趋势11.3简述太阳能热利用的意义31.4任务及要求3第2章 系统设计方案52.1 系统总体设计方案52.2 液位控制系统设计62.3 温度控制系统设计82.3.1 太阳能热水系统辅助热源选择82.3.2 冷热水混合方案92.4 压力控制系统设计92.4.1 变频构成恒压供水系统的构成及工作原理102.4.2 变频调速原理122.5 日用水量的确定132.6 太阳能集热面积的确定14第3章 硬件电路设计与器件选型153.1 I/O分析153.2 PLC及扩展模块选型163.3 I/O分配173.4 调节阀193.5 压力传感器液位传感器的选择203.6 温度传感器223.7 电机水泵223.8 变频器233.8.1 变频器的型式选择233.8.2 变频器容量选择243.8.3 变频器箱体结构的选用243.9 电磁阀253.10 电加热器选择263.11 恒压供水配电电路图273.12 水泵控制主电路设计28第4章 数字PID及系统编程294.1 PID调节原理294.2 PID参数设置304.3 PID设定值的调整314.4 STEP7-Micro/Win32简介314.5 程序流程设计334.5.1 液位控制系统流程图334.5.2 温度控制系统流程图344.5.3 压力控制系统流程图354.5.4 主程序364.5.5 初始化程序364.5.6 控制程序384.5.7 自动程序394.5.8 手动程序41第5章 设计总结43致 谢44参考文献45附录46附录47附录48III第1章 绪论1.1课题设计的背景太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。目前，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。太阳能热水器符合低碳经济的发展，是可持续的、节能减排产品，是太阳能行业发展的机遇。太阳能产业规模巨大，市场发展具有极大的潜力。近几年政府大力支持太阳能行业的发展，2009年出台了针对太阳能的家电下乡政策，对太阳能家电下乡产品进行补贴，惠及亿万百姓，符合中央建设资源节约型、环境友好型社会，增强可持续发展能力的要求。太阳能行业的前景是光明的，但道路是曲折的。具体到每个企业，由于每个企业的技术、产品和水平等等不一，所以，能否到达行业光明的彼岸取决于企业的综合实力。目前，我国太阳能热水器行业产业发展不规范，企业自律性较弱。但是太阳能行业的发展必将会回归理性，企业需更加注重对产品品质的提升。希望行业内各大品牌联合起来，发挥各自企业优势，共同推进产业发展，维护市场秩序，营造和谐有序的行业发展环境。1.2简述太阳能新能源的发展趋势太阳能热水系统是利用“温室效应”原理，将太阳辐射能转变为热能，并将热量传递给工作介质从而获得热水的供热系统。太阳能热水系统由太阳集热器、贮热水箱、循环泵、辅助热源、控制系统和相关附件组成。太阳能热水系统的系统设计应遵循节水节能、经济应用、安全简便的原则。从节水节能考虑，必须设置保温措施；从使用功能考虑，目前最应解决的是冷热是系统压力平衡的问题，优先选用承压式系统；从建筑美观考虑，优先选用分离式系统；从水质卫生考虑，优先选用间接式系统由于系统集热器和部分管道置于室外，而赤峰市冬季环境温度较低，集热器、管道有可能结冰冻胀造成设备损害，影响整个热水系统的正常运行。太阳能系统的防冻通常采用以下几种方式：排空法防冻方式。在结冰季节到来之前，将集热器排空，系统不运行。或者在集热器下集管进口处设置自动控制线路的温度触点，0以前即将集热器排水阀打开，排空集热器中的水。缺点是如果温控线路失灵，集热器即会冻裂。排空法是消极防冻方法，不仅浪费水源，而且降低了集热器的年集热效率，不能充分利用太阳能，除了受到工程造价低的限制，否则不宜采用。保持集热系统中的水不断流动。这种方式要求集热系统不能有循环死角，否则该处管道等部件仍会冻裂。为维持水的流动，需启动水泵耗费常规能源，水在流动过程中会损失水箱中部分能量。这种方法浪费常规能源，而且系统热损失大，所以不宜使用。排回法防冻方式。即水箱置于集热器的下方，根据储热水箱底部及集热器顶部的水温差控制水泵的运转或是停止。当集热系统当集热系统出口水温低于储热水箱水温是，循环泵关闭，集热系统停止工作，集热系统中的水依靠重力作用流回储热水箱。当使用排回系统时，集热系统集热器和管路的安装坡度有严格要求，以保证集热系统中的水能完全排回。能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。而太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，“取之不竭、用之不尽”。在各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。而光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点，地形多样和居住分散的现实条件下，有着非常独特的作用太阳能光伏发电系统是由太阳能电池组件、蓄电池组、太阳能发电机系统组成，发电功率可以根据需求搭配。由于太阳能发电具有节能、环保，一次投资，长期受益的特点，只要阳光充足就可以就地安装等特点.可应用于别墅群、草原牧区、偏远山村、高山海岛等地区的小规模发电。我国的太阳能热利用产业，无论在规模、数量、市场成熟度方面，还是在核心技术、民族品牌方面，都领先于世界水平。我国太阳能产业现状目前太阳能的利用主要：利用光热效应，即把太阳光的辐射能转换为热能，太阳能热水器和太阳灶就是典型的例子。我国太阳能热能利用发展较为成熟，已形成较完整的产业体系，太阳能光热产业的核心技术遥遥领先于世界水平，其自主知识产权率达到了95%以上。我国 已经成为世界上太阳能集热器最大的生产和使用国，目前最广泛应用的技术是太阳能热水器，截至2006年全国太阳能热水器累积使用已达9000万m3，占世界总量的76%。1000多家太阳能热水器生产企业，每年创造的总产值近120亿元，为提高中小城市居民的生活质量发挥了重要作用。到2008年，我国太阳能热水器总集热面积运行保有量为1.35亿平方米，年生产能力超过2 500万平方米，比2007年增长10%，使用量和年产量均占世界总量的一半以上。太阳能热水器的推广已基本实现了商业化， 形成原材料加工、产品开发制造、工程设计和营销服务的产业体系，带动了玻璃、金属、保温材料和真空设备等相关行业的发展， 成为了一个产业规模迅速扩大的新兴产业。我国自主创新的真空管热管技术，其水平居于世界领先地位，真空管热水器在我国得到了广泛应用，每年产量超过1600万平方米，占世界真空管热水器市场的90%以上。同时真空管热水器以其优良的性能， 出口亚洲、欧洲、非洲等几十个国家。我国将继续在城镇推广普及太阳能与建筑结合、太阳能集中供热水工程，并建设太阳能采暖和制冷示范工程。在农村和小城镇推广户用太阳能热水器，目标是到2010年，全国太阳能热水器总集热面积达到1.5亿平方米，加上其他太阳能灶、太阳房等太阳能热利用， 年替代能源量将超过5000万吨标准煤以上。在高速发展的同时，由于许多地方政府对之寄予超高期望，太阳能热水器行业的竞争非常激烈，山东、江苏、北京是太阳能热水器主要生产基地。1.3简述太阳能热利用的意义太阳能热利用就是用太阳能集热器将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。按利用的温度不同分为太阳能低温(500)利用。 太阳能热利用的关键部分是太阳能集热器，目前使用的太阳能集热器根据集热方式不同分为平板型集热器和聚焦型集热器，前者接受太阳辐射的面积和吸热体的面积相等，为了接收到较多的太阳能需要很大的集热面积，且集热介质的工作温度也较低；后者通过采用不同的聚焦器，如槽式聚焦器和塔式聚焦器等，将太阳辐射聚集到较小的集热面上，可获得较高的集热温度。1.4任务及要求太阳能集中供热系是集体场所和居民聚集区使用太阳能的首选。针对传统热水系统运行情况检查费时费力、维护不专业，可靠性差的等问题，研制运行可靠、适合我国国情的性能优越的太阳能热水系统，实现自动运行和专业维护、无人值守进行数据检测，从而保持太阳能即热系统高效、可靠运行，成为业界关注的热点。通过设计综合训练学生运用PLC、传感器等技术，使系统能够自动检测用水的湿度、压力变化，并进行适当处理。可以培养学生综合运用所学基础理论、专业知识与技能，独立分析和解决问题的能力，使学生将所学到的传感器、PLC等专业课与日常生活生产实践相结合，达到专业培养目标的要求。太阳能是绿色能源是有效的利用太阳能资源既环保又经济，集热器温度测量点多，靠人工检测是一件很费时，费力的事情。还有准确度难以保证。随着科技的发展，需要设计一种既可以节省人力消耗，又可以保正用户用水温度压力检测系统。据此设计一个基于PLC的温度压力控制系统。应用PLC控制水的温度压力的状态。根据水的温度和压力的变化及要求，熟悉输入输出端子的分配及整体程序结构，实现对用户水温和压力的控制，应用step7编程软件编写控制程序，使其能够实现自动对用户水的温度和压力的功能。根据给定的技术数据和毕业设计进度安排，按时完成毕业设计所规定的全部设计内容；毕业设计说明书正文要求15000字以上。正文包括：设计方案论证，设计过程及结果，并附以图表（含硬件电气连接图）；内容要切题，符合专业要求，独立完成；设计方案要有一定的先进性，有创新思想；设计内容的理论阐述详尽，计算正确；参考文献15篇以上，至少要有一篇专业外文文献，并译成中文；设计说明书格式规范符合学校要求，A4标准纸单面打印，左侧装订。 第2章 系统设计方案2.1 系统总体设计方案太阳能集中供热自动控制系统包括三个控制变量分别是压力、液位、和温度三个控制量。系统中要有储水箱、和混合水箱以及热水水箱。太阳能中产生的热水存贮在热水箱中，储水箱和热水箱中的水注入混合水箱中进行混合并与加热器协同配合工作达到供水温度供给用户。设计的总体功能图如图2.1。图2.1总体设计功能图2.2 液位控制系统设计水箱缺水自动补充自来水：当用水使水箱内水量低于最低水位时，自动启动补水电控阀为水箱补水，当补水使水箱水量上升到二水位后，补水停止并自动转入温控补水功能。水箱缺水时，为防止空转，供水泵与循环水泵均不能启动。循环：当楼顶太阳能集热器内温度高于水箱内水温15（可调）度时，自动启动循环泵；循环泵循环使集热器内的温度逐渐下降，当降至与水箱温度相同（或稍高，可调）时，循环泵自动停止。如此反复运行；阴天或太阳强度不足时，集热器温度低于水箱温度循环泵不启动。水箱缺水自动补充自来水：当用水使水箱内水量低于最低水位时，自动启动补水电控阀为水箱补水，当补水使水箱水量上升到二水位后，补水停止并自动转入温控补水功能。水箱缺水时，为防止空转，供水泵与循环水泵均不能启动。辅助热源自动启动：当水箱内水温不足时，辅助热源自动启动运行为水加温，水温达到设定温度后自动关闭。在本设计中供水水箱主要作用是为天阳能集热器的热水箱和混合水箱进行供水，当太阳能集热器中的水位低于设定水位时打开大水泵及控制阀门对集热器进行供水知道水位达到太阳能热水器水位的上限值。当混合水箱的水温温度高于设定值时需要储水箱对保温水箱进行供水直到温度达到要求为止。为了防止热水水箱水位过高或者过低需要对热水水箱水位进行监测。根据系统设计要求热水水箱水位要保持在上限值与下限值之间。器系统工艺图如图2.2其系统控制方框图如图2.3图2.2液位控制工艺图输出液位液位设定储水箱水泵控制器反馈液位液位传感器图2.3 水位控制系统方框图混合水箱是为了用户提供合适的使用水温需要对其液位进行控制其控制工艺图如图2.4，其控制系统的方框图如图2.5图2.4液位控制系统工艺图液位设定值控制器循环泵保温箱水位液位传感器输出水位反馈水位图2.5保温箱水位控制系统2.3 温度控制系统设计温度控制系统在本设计中是非常重要的一部分，影响温度变化的因素也特别的多。在本设计中采用串级控制来控制温度是温度恒定在50摄氏度。其系统工艺图入图2.6。控制方框图如图2.72.6温度控制系统工艺图图2.7温度串级控制系统方框图2.3.1 太阳能热水系统辅助热源选择太阳能热水系统作为环保节能的优秀产品虽然具有不可替代的优势,但是由于自然条件的限制(如在冬季或连续阴雨天产热水量较低时),为保证正常的供应热水,还要选择适当辅助热源设备。在太阳光照不足时由于热水器中产生的热水温度与冷水混合后的温度不能达到供给用户的温度这是为了保证供水温度需要启动加热器对混合水箱中的水进行加热来达到供水温度。表2.1是几种环保政策允许的某小区可以安装的热水设备能耗对比列表。 表2.1 能好对比表能源方式电辅加热方式燃气炉10万千卡燃油炉10万千卡暖气换热设备初投资（万元）154.51.5产43摄氏度/t热水耗能34kwh1.53.5kg费用24元15元14元1.3元 从表2.1可以看出：以10104kcal/h发热量的燃油、气锅炉为基准作对比，燃油燃气锅炉虽然初投资较高，但运行费用较低；由于市场原油价格不断上涨，从长远角度来看,用液化气锅炉较合适。当然暖气换热器最为经济。实际情况设计选择电加热器作为辅助热源。2.3.2 冷热水混合方案为了使冷热水得到充分的混合进而能够迅速的达到用户使用温度，在混合水箱中安装一个电动搅拌器，这样能够使冷水与热水充分混合。2.4 压力控制系统设计压力控制系统的研究与设计的工艺图如图2.8系统方框图如图2.9所示。本图是一个简单的单闭环控制系统。一个完整的过程控制系统图一般有调节器（控制器）、执行器、被控过程和测量变送器四个环节。其中调节器、执行器和测量变送器都属于检测控制仪表，所以，也可以认为 ，过程控制系统 = 检测和控制仪表 + 被控过程。 图2.8压力控制系统工艺图控制器执行器用户用水压力测量装置输出水压给定水压反馈水压图2.9 压力控制系统方框图根据用户水压力自动调节水泵的转速和阀门的开度是供水压力恒定，达到恒压供水的设计目的。2.4.1 变频构成恒压供水系统的构成及工作原理系统的构成如图2.10图2.10 系统原理图如图2.10所示，整个系统由一台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力变送器及若干辅助部件构成。水泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用；变频供水系统中检测管路压力采用压力变送器(反馈420mA电流)；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、以及报警装置等部分组成。(1)执行机构执行机构是由水泵组成，它用于将水供入用户管网，水泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。(2)信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:水压信号：它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。报警信号：它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。(3)控制系统供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器：它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制。变频器：它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。电控设备：它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成手/自动切换。 (4)通讯接口通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。(5)报警装置作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。合上空气开关，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通QS1，并起动变频器。根据压力设定值(根据管网压力要求设定)与压力实际值(来自于压力传感器)的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。2.4.2 变频调速原理变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转差率定义为: S=1-(n/n1) （2-6）异步电机的同步速度为: n1=60f/p （2-7）异步电机的转速为: n= 60f(1-S)/p （2-8）其中：n1为异步电机的同步转速；n为异步电机转子转速；f是异步电机的定子电源频率；p为异步电机的极对数。从上式可知，当电机电极对数p不变时，电机转子转速、与定子电源频率f成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速，都可以保持有限的转差率，因而变频调速只有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。变频调速可用普通的异步电机，异步电机结构简单、维护方便、坚固耐用、经济可靠，适应各种恶劣的环境。特别是近年来出现的高性能、高精度的变频器，变频调速完全可以达到直流调速一样的性能。从设备投资来看，变频调速系统与同容量的直流调速系统可节省投入的20%左右。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用十对水泵(风机)电机的调速。2.5 日用水量的确定2.2 日用水量的确定序号建筑物名称单位日用水量1住宅用户每人每日75-1002整体宿舍每人每日25-353旅馆每人每日50-604洗衣房每人每日15-252.3每平方米日产热量季节产热量（kg）温度30摄氏度冬季30-40平均值35春秋季60-80平均值70夏季80-120平均值100表2.1为热水用水量标准，最后一列为43热水用水量。设计10吨水的系统要求满足24小时用水要求，用水温度为45。每天40人洗浴，每人次洗浴需要40热水量为40-70L/人，则满足40人洗浴需要的热水量为（40-70）L/人*40人 =1600-2800L。2.6 太阳能集热面积的确定在确定太阳热水系统运行方式和太阳集热器类别之后，可根据太阳热水器的非稳态效率方程式，或太阳集热器瞬时效率曲线方程式、热水器贮热水温度、水量，利用该地区可获得的太阳辐照度、环境温度等气象资料，用数学模型确定不同季节下所需的采光面积。多年工程实践给出，在北京地区若采用优质太阳平板集热器，每平方米集热器从上午9点至下午3时运行，春秋季节可获温度为4060的热水6080千克，夏季100120千克，冬季2535千克，年平均每平方米太阳集热器日产水量70千克左右。依据太阳能系统理论参数的实际数据，真空管太阳能集热器在晴天条件下，每平方米日产热水量见表2.2。按照太阳能热水系统设计施工经验，在保证夏季满足使用其它三季及阴雨雪天不足部分由辅助热源进行补充的原则(可以使设备的初期投资大大降低)，初步设计太阳能集热面积为150。150太阳能集热器在晴天无云条件下，日产热水量见表2.3。 表2.4 太阳能集热器日产热水量季节产热量（kg）温度摄氏度冬季5吨春秋季10吨夏季15吨第3章 硬件电路设计与器件选型3.1 I/O分析通过分析本系统有温度、压力、液位等3个模拟量输入信号，有14个数字量输入信号。输出部分有4模拟量输出信号和9个模拟量输出信号。可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的，当时称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。可编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软件则需要根据要求进行设计。图3.1 PLC的硬件结构框图3.2 PLC及扩展模块选型S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作;实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控 CPU单元选择：CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点，CPU 224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU 226具有24个输入点和16个输出点。 集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出，CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分别输出280，400mA。S7-200有三种模拟量扩展模块，及EM231、EM232、EM235，我们使用的是EM235。EM235模块有四路输入一路输出，是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体（ST）单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC420mA（通过250电阻转换DC 15V或通过500电阻 转换DC210V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。EM235模块采用印制板直插安装型结构,便于空间紧奏的机箱布局与安装，原副边高度绝缘隔离，两线制输出接线，辅助工作电源24V与输出信号线DC420mA共用，具有精度高，体积小、功耗小、频响宽、抗干扰、国内首创4种补偿措施和6大全面保护功能，两线端口防感应雷能力强，具有雷击波和突波的保护能力等优点。 通过I/O分析本设计中使用了CPU224配合4个EM235扩展模块相结合能过达到设计要求。模块连接方式如图3.2。主机cpu224模块1EM235AI4/AO1模块2EM235AI4/AO1模块3EM235AI4/AO1模块4EM235AI4/AO1图3.2模块连接图3.3 I/O分配通过对系统的分析对输入、输出量进行编址I/O分配表如图3.2地址编码名称地址编码名称地址编码名称I0.0自动启动I0.1自动停止I0.2复位I0.3自动/停止I0.4电磁阀打开I0.5电磁阀关闭I0.6手动启动I0.7手动停止I1.0电磁阀开到位I1.1电磁阀关到位I1.2液位低信号I1.3液位高信号I1.4压力传感器I1.5流量传感器I1.6变频器运行信号I1.7变频器故障信号I2.0变频器频率信号I2.1温度传感器Q0.0水泵运行Q0.1电磁阀打开Q0.2电磁阀关闭Q0.3液位低故障报警Q0.4液位高故障报警Q0.5变频器故障报警Q0.6压力低故障报警Q0.7压力高故障报警Q1.0变频器启动Q1.1工频/变频切换Q1.2加热器启动Q1.3搅拌器启动3.2I/O分配表太阳能热水系统是利用“温室效应”原理，将太阳辐射能转变为热能，并将热量传递给工作介质从而获得热水的供热系统。太阳能热水系统由太阳集热器、贮热水箱、循环泵、辅助热源、控制系统和相关附件组成。太阳能集中供热自动控制系统包括三个控制变量分别是压力、液位、和温度三个控制量。系统中要有储水箱、和混合水箱以及热水水箱。太阳能中产生的热水存贮在热水箱中，储水箱和热水箱中的水注入混合水箱中进行混合并与加热器协同配合工作达到供水温度供给用户。3.4 调节阀调节阀是用来调节水流量的。调节阀有电动、液动、气动三种，在这里使用电动调节阀。电动调节阀用于调节介质的流量。通过接收工业自动化控制系统的信号（如：420mA）来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量,实现自动化调节功能。工作电源为AC22V 380V等电压等级。流通能力Cv是选择调节阀的主要参数之一，调节阀的流通能力的定义为：当调节阀全开时，阀两端压差为0.1MPa，流体密度为1g/时，每小时流径调节阀的流量数，称为流通能力，也称流量系数，以Cv表示，单位为t/h，液体的Cv值按下式计算。根据流通能力Cv值大小查表，就可以确定调节阀的公称通径DN。调节阀的流量特性，是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经调节阀的相对流量与它的开度之间关系。调节阀的流量特性有线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。三种注量特性的意义如下：（1）等百分比特性（对数）等百分比特性的相对行程和相对流量不成直线关系，在行程的每一点上单位行程变化所引起的流量的变化与此点的流量成正比，流量变化的百分比是相等的。所以它的优点是流量小时，流量变化小，流量大时，则流量变化大，也就是在不同开度上，具有相同的调节精度。(2) 线性特性（线性）线性特性的相对行程和相对流量成直线关系。单位行程的变化所引起的流量变化是不变的。流量大时，流量相对值变化小，流量小时，则流量相对值变化大。（3）抛物线特性流量按行程的二方成比例变化，大体具有线性和等百分比特性的中间特性。从上述三种特性的分析可以看出，就其调节性能上讲，以等百分比特性为最优，其调节稳定，调节性能好。而抛物线特性又比线性特性的调节性能好，可根据使用场合的要求不同，挑选其中任何一种流量特性。在设计中采用等百分比特性，通过用户对水的需求量来控制电动调节阀打开大程度，打开的百分比越大自来水流量的越多。根据实验要求选择ZDLP-16CKGB型直通单座调节阀实物如图3.5所示 3.5ZDLP-16CKGB调节阀3.5 压力传感器液位传感器的选择液位计是测量地下蓄水池液位的，为了安全、可靠,设计要采用投入式和浮球式两个液位计。投入式液位计是一种测量液位的压力传感器。是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为420mA05VDC）。浮球式液位指示计是利用浮力来测量液位的。浮球内磁铁随液位变化，来改变连杆内的电阻与磁簧开关所组成的分压电路，分压信号可经过转换器变成420mA或其它不同之标准信号。磁簧开关的间隙愈小，精度愈高。压力传感器技术参数: 测量范围：3008000mm 精确度：10mm 工作电压：24VDC 带载能力：600 输出信号：420mA DC 工作压力：小于0.5MPa 工作温度：-20180（或定制） 介质密度：0.52.0 g/cm3 介质粘度：0.8Pa.S； GN01型：3pa.S 防护等级：IP65 防爆标志：ExiaCT6; ExdCT6 电气接口：M20x1.5内螺纹 图2.6 YH871压力传感器液位传感器技术参数： 最大工况：Pn 1MpaT+200 防护等级：IP65 防爆等级：dBT4-6 绝缘强度：1.5KV正弦电压历时60秒无击穿 输出信号：模拟信号：（0-10）mA三线制、（4-20）mA二线制； 智能信号：（4-20）mA二线制带HQRT协议 触点容量：5A 220V AC.阻性负载（高温型0.1A） 测量范围：05000mm5000m协商供货 测量精度：10m（测点位置） 介质密度：0.7T/m3 安装尺寸：GB9123.2 Pn0.25 Dn125法兰式或架装式, 浮球直径85 图2.7UQ-70-17GB液位传感器3.6 温度传感器本设计中测温范围在0摄氏度到60摄氏度之间。选用AD590能够满足设计要求。技术参数：工作温度：-55155摄氏度 输出方式：电压、电流输出 精 度：1摄氏度 工作电压：430v图2.8AD590实物图3.7 电机水泵电机水泵调速方式有调压调速、变级调速、串级调速、变频调速等等，在设计中选用变频调速。在供水中用户用水量一般是动态的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量，因此通过变频调节电机转速来实现恒压供水时非常必要的。电机根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到恒压供水的目的。工作水泵型号的选择，应根据逐时、逐日、逐季的用水量变化，要求的水压，机组的效率和功率因素等确定。水泵和电动机是供水系统的重要组成部分，水泵选择恰当与否和动力费用有很大的关系，故须加以重视。选泵时，首先要满足供水系统的要求:1、水泵扬程应大于实际供水高度；2、水泵流量总和应大于实际最大供水量；3、水泵能力足以供应最高用水量时的用水量，扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内，以减少耗电量；4、水泵型号应使泵站建筑面积和泵站的基础埋深为最小，以降低泵站造价；5、水泵构造应使泵站内管线简单，以减少水头损失；6、安装管理方便。安装卧式离心泵的泵站，平面尺寸较大而高度较低；立式轴流泵的泵站，情况正好相反，泵站的高度较大而平面尺寸较小。因此在深埋式的地下泵站可优先考虑立式泵，半地下式和地面式泵站可用卧式泵。综合上述，对水泵进行选用时，要根据供水系统对流量的大小、扬程的高低和实际需要进行选择。在此水泵选用山东淄博博山大通水泵有限公司生产的型号为500LX5的离心式清水泵，扬程61m，流量12.6立方米每小时，轴功率5.5KW；电机型号为Y132S-4，容量为5.5KW,额定电压为380V,额定电流为11.6A，转速为1450r/min。3.8 变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，其电路由整流、中间直流环节、逆变和控制四个部分组成。我们现在使用的变频器主要采用交-直-交方式。先通过整流将工频50Hz的交流电变为直流电，然后再将直流电逆变成为所需要频率的交流电。在工业控制领域，变频调速普遍适用于各种调速系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和控制的特性，系统中由PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。变频器的选择包括变频器的型式选择、容量选择和变频器箱体结构的选择三个方面。其总的原则是首先保证可靠地满足工艺要求，再尽可能节省资金。3.8.1 变频器的型式选择根据控制功能可将通用变频器分为三种类:普通功能型U/F控制变频器、具有转矩控制功能的高性能U/F控制变频器知矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机，泵类等平方转矩，低速负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数:（1）电动机的极数。一般电动机极数以不多于4极为宜，否则变频器容量要适当加大；（2）转矩特性。在同等电动机功率情况下，相对于高过载转矩模式，变频器规格可以降额选取；变频器的选型应满足以下条件:（1）电压等级与驱动电动机相符；（2）额定电流为所驱动电动机额定电流的1.11.5倍；（3）根据被驱动设备的负载特性选择变频器的控制方式；3.8.2 变频器容量选择变频器的容量可从三个角度表述:额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流量是一个反映半导体变频器装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。变频器的额定功率指的是它适用的4级交流异步电动机的功率。由于同容量电动机，其极数不同，电动机额定电流不同。随着电动机极数的增多，电动机额定电流增大。变频器的容量选择不能以电动机额定电流为依据。同时，对于原来采用变频器的改造项目，变频器的容量选择也不能以电动机额定电流为依据。这是因为，电动机的容量选择在考虑最大负载，富裕系数，电动机规格等因素，往往电动机的容量富裕较大，工业用电动机常常在50%60%额定负荷下运行。变频器与电动机的匹配主要是电动机的额定电压及电流，如果电动机额定电流小于同功率的变频器额定电流，一般来说用同等功率的就足够了，但如果大了，只好用大一级的变频器。对于鼠笼式异步电动机，变频器的容量选择应以变频器的额定电流大于电动机的最大正常工作电流1.1倍为原则，这样可以最大限度地节约资金。3.8.3 变频器箱体结构的选用变频器的箱体结构要与环境条件相适应，即必须考虑温度，湿度，粉尘，酸碱度，腐蚀性气体等因素，这些因素与能否长期安全、可靠运行有很大的关系。常见有下列几种结构类型可供设计中选用:（1）敞开型IP00。本身无机箱，适合装在电控箱内或电气室内的屏，盘，架上，尤其是多台变频器集中使用，选用这种型式较好，但环境条件要求较高；（2）封闭IP20。适用一般用途，可用于有少量粉尘或少许温度、湿度变化的场合；（3）密闭型IP65。适用环境条件差，有水，尘及一定腐蚀气体的场合。根据以上理论，选用三菱FR-A540系列变频器。该变频器采用先进磁通矢量控制方式，实现在线自动调整功能，调速比可达1：120（0.560Hz）；可拆御风扇和接线端子，维护方便；柔性PWM，实现更低噪音运行；内置RS485通信口，可插扩展卡符合全世界主要通信标准；PID等各种功能适合各种应用场合。应用三菱FR-A540系列变频器内置PID功能的PLC控制恒压供水系统，效率高，损耗小，调速供水节能效果突出，运行稳定，可靠性高，抗干扰能力强，精度高，动态响应快，体现了变频调速恒压供水的技术优势，取代了水塔、水箱、气压罐等，实现恒压供水，成为供水网的换代产品。本系统选用FR-A540系列变频器，如下图所示：图3.6 FR-A540的管脚说明3.9 电磁阀电磁阀的作用是控制水的回流。当电磁阀通电时电磁阀阀门开启，在一般情况下电机停转时电磁阀才会打开，断电时电磁阀阀门关闭，在正常工作时电磁阀是关闭的。本设计系统选择电动式电磁阀，该电磁阀接受控制器传送来的模拟信号改变电磁阀开度的大小进而对流量进行控制，达到控制效果。本次设计选择电动法兰球阀如图3.7所示。规格：公称直径：DN50-20000mm压力范围：1.6-6.4Mpa介质温度：-20-400阀体材料：WCB、304、316功能选项：开关、调节 图3.7电动法兰球阀3.10 电加热器选择为满足系统设计要求需配备50千瓦电加热器为辅助热源的产热水系统。本设计选择热电对水箱中的水进行加热使水位达到用户使用的温度。选择铁铬铝电热合金加热器器件实物如图3.8所示。类型：铁铬铝电热合金品牌：钢鹰型号：0.30-0.80材质：0cr25AI5 Cr20nNi80常温电阻：10-70（）功率：9000w（W）主要用途：加热管家用电器工业热处理产品认证：SGS 图3.8电加热器3.11 恒压供水配电电路图图2.4 恒压供水配电电路图图2.4为恒压供水配电电路图，其作用主要是将来自供电柜的电压通过变压器使其变为本系统所需要的电压。上图从左到右依次为总电源进线、总电源开关、总电源指示、电源插座、风扇、柜内灯、PLC电源、直流稳压电源。3.12 水泵控制主电路设计水泵控制主电路如图2.5，电机为M。接触器KM1控制电机M的工频运行，接触器KM2控制M的变频运行，FR水泵电机过载保护用的热继电器，QS1、QS2分别为变频器和水泵电机主电路的隔离开关，FU为主电路的熔断器，变频器选用FR-A540。图2.5 水泵控制主电路图 第4章 数字PID及系统编程4.1 PID调节原理仅用P动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的 P+I控制。用 PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是，I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。 对于PD控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此抑制偏差的增加。偏差小时，P动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用。在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统（即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节）效果比较好。PID调节器的动作规律是 （4-1）或 （4-2）式中 ：调节器的比例系数：调节器的积分时间：调节器的微分时间：比例带，它是惯用增益的倒数: 调节器的偏差信号：输出PID调节器的传递函数是 （4-3）不难看出，由上式表示的调节器动作规律在物理上是不能实现的。工业上实际采用的PID调节器的传递函数一般为 （4-4）其中；式中带（）的量是调节器参数的实际值，不带的为参数的刻度值。F成为相互干扰系数：为积分增益；为微分增益。4.2 PID参数设置P增益：设定范围：0.0110.0倍这是操作量和偏差之间有比例关系的动作。增益取大时，响应快，但过大将产生振荡。增益取小时，响应迟后。实际中我们取0.25。积分时间：设定范围：0.13600s， 0.0：不动作。操作量（输出频率）的变化速度和偏差成比例关系的动作，即输出按偏差积分的动作。积分时间大时，响应迟后，另外，对外部扰动的控制能力变差。积分时间小时，响应速度快，但过小将产生振荡。实际中我们取1800s。微分时间：设定范围：00