双机热泵PLC控制系统的设计(毕业设计说明书）.doc

兰州理工大学毕业设计说明书摘 要随着我国常规能源的日益短缺，节能环保作为一项基本国策提出，目前一般的供水（热水）系统都是用锅炉进行加热，这种方法既不节能又不环保。太阳能是一种取之不尽的能源，可以利用太阳能加热给宾馆或者大型浴池提供热水，但太阳能加热受到天气影响很大。本设计基于上述因素，提出一个双机热泵加热系统。利用热泵在天气不好或者仅靠太阳能热水温度不够时，热泵作为补充能源。通过PLC对四个循环水泵和一个热泵的启动或停止，阀门的开闭的控制，达到对温度和液位的控制，满足用户用热水的需求。系统带有手动自动切换功能，可以实现手动控制。上位机由MCGS组态软件来模拟监控界面，可以适时显示各个设备的运行状态、温度，水箱温度、液位等。关键词：可编程控制器；太阳能； 热泵； 组态软件83 AbstrctAs Chinas growing shortage of conventional energy,energy conservation and environmental protection are proposed as a basic national policy, at present, the general water (hot water) systems are heat boilers, this method is neither energy-saving nor environmental protection.But the Solar is an inexhaustible supply of energy.We can make use of solar heating to provide hot water to the hotel or large public bathhouse.However, solar heating is strongly influenced by the weather.This design is based on the above factors, propose a dual-heat pump heating system. The heat pump is used as a supplementary heating energy ,when the weather is bad or the solar water heaters temperature is not enough when it works alone. PLC control the four cycle pumps and a heat pump start or stop, the valve open and close , to make the temperature and the level of water tank under control, to meet the needs of hot water of users. There is manual / automatic switching function in the system, it can be controlled manually.PC uses the configuration software from the MCGS to simulate and control the interface, it can be a timely show the operational status of various equipment, temperature, water temperature, liquid level, and so on.Key words: PLC ; solar; heat pump; MCGS目 录第1章 绪 论1第2章 设计内容与要求32.1 设计内容32.1.1 系统概述32.1.2 设计的主要内容32.1.3 主要技术参数与技术指标42.2系统设计的功能要求4第3章 系统方案设计63.1 方案选择63.2 系统原理与组成83.2.1 原理框图设计93.2.2 系统原理分析10第4章 系统的硬件设计124.1 系统硬件分析124.2 控制原理图设计与器件选型124.2.1 主电路设计与选型124.2.2 PLC和其他芯片的选型与端子接线图设计20第5章 系统的软件设计285.1 系统软件分析285.2 软件流程图设计315.3 软件编制35第6章 上位机组态界面366.1 组态软件选择366.2 组态过程和界面设计386.2.1 组态思想386.2.2 组态界面设计39结 论48参考文献49致 谢69附录1 元件清单70附录2 软件梯形图71第1章 绪 论 随着经济发展和科技的进步，能源和环境是当今世界突出的两大社会问题，这促使人们更多地意识到能源对人类的重要性，而愈来愈重视太阳能利用和节能热泵技术。目前我国太阳能的热利用主要集中在被动式太阳房采暖和热水器提供家用热水上，而主动式太阳能供热系统的开发的利用相对落后。采用节能装置热泵与太阳能集热设备、蓄热机构相联接的系统方式，不仅能够有效地克服太阳能本身所具有的稀薄性和间歇性，而且可以达到节约高位能和减少环境污染的目的，具有很大的开发、应用潜力。热泵技术是一种很好的节能型空调制冷供热技术，是利用少量高品位的电能作为驱动能源，从低温热源高效吸取低品位热能，并将其传输给高温热源，以达到泵热的目的，从而转能质系数低的能源为能质系数高的能源（节约高品位能源），即提高能量品位的技术。随着人们对获取生活用热水的技术与太阳能利用相结合无疑是一种好的选择方法。目前，具有间断性特点的太阳能难以满足全天候供热。要解决这一问题，越来越多的住宅、宾馆、游泳池、公共浴池等场所采用太阳能作为其中央热水系统的主要热源。这些场所一般要求卫生热水在一定的时间段内或全天24小时连续供应，为满足太阳能不足时的用热需求，使太阳能集热系统的投资更加经济，通常采用电加热器或电锅炉、燃煤或燃油（气）锅炉、市政热力等作为太阳能中央热水系统的辅助热源。热泵技术是一种新型的节能制冷供热技术，长期以来主要应用于建筑物的采暖空调领域。因热泵制热在节能降耗及环保方面的良好表现，卫生热水供应系统也越来越多的采用热泵设备作为热源。其中以室外空气为热源的空气源热泵，结构简单，不需要专用机房，安装使用方便，在卫生热水供应方面具有不可替代的优势，除了比较大型的空气源热泵热水系统外，现在已有多个品牌的小型的家用空气源热泵热水器也投放市场。但空气源热泵的一个主要缺点是供热能力和供热性能系数随着室外气温的降低而降低，所以它的使用受到环境温度的限制，一般适用于最低温度-10以上的地区。 将热泵技术与太阳能结合供应生活热水，国内外进行了许多这方面的研究，主要有两种方式，一种是直接以空气源热泵作为太阳能系统的辅助加热设备，另一种是利用太阳能热水为低温热源或将太阳能集热器作为热泵的蒸发器的太阳能热泵系统。前者以太阳能直接加热为主以空气源热泵为辅，解决太阳能供热的连续性问题，但仍旧无法摆脱环境温度对热泵制热性能的影响；后者完全以太阳能作为热泵热源，大大提高了太阳能的利用效率，但太阳能资源不足时仍需要增加其它辅助热源，并且热泵供热能力受太阳能集热量的限制，规模一般比较小。 在大型的太阳能中央热水系统中，空气源热泵无疑是一种比较理想的辅助加热设备，为了改善空气源热泵在低温环境下制热运行的性能，扩大它的使用区域，结合国内外太阳能热泵研究中的先进经验，我们研制了一种适合于低温环境中工作的太阳能热泵中央热水系统。该系统采用一种新型的采用低温太阳能辅助的空气源热泵机组和太阳能集热系统结合，太阳能和热泵互为辅助热源，最大限度的利用太阳能，解决阴雨天气及冬季环境温度较低太阳能资源不足时热水供应保证率，做到全年、全天候供应热水。第2章 设计内容与要求2.1 设计内容2.1.1 系统概述双机热泵PLC控制系统将太阳能集热热水系统与热泵热水系统合而为一，不仅具有高效、无污染和高可靠性等特点，还能在满足热水使用要求的前提下，通过控制，充分利用可再生能源太阳能，进一步降低热水供应系统的运行成本。 本系统主要利用太阳能集热以及热泵技术，建立了一套基于太阳能为主要热能来源，辅助以热泵加热的全年热水供给系统。系统以先进的热泵技术解决了太阳能集热在阴雨天不能满足一定温度热水需求的缺点；通过系统控制，使低辐射值的太阳能能够得到充分的利用，大大提高了供热系统的效率。 本系统采用计算机全自动控制，真正实现了系统运行过程的无人职守；通过分析太阳能集热器中工质的温度、储热水箱温度、以及用户在不同时段的用水量差异，合理安排太阳能热泵中央热水系统的工作方式，在保证用户全年每日小时热水需求的前提下，最大限度地降低系统运行费用；合理的系统工作方式，可充分利用太阳能和空气源中的热能，一般情况下，优先利用太阳能集热器对蓄水箱中的水进行加热，当太阳能集热器产生的热水低于一定要求时，启动热泵来辅助产生热水；控制系统通过对传感器状态、集热器温度、环境温度、设备运转状态进行检测，及时发现系统运行故障，系统故障报警，并对实际运行数据进行实时检测和记录；具有在低温环境下对太阳能集热器的防冻保护功能，保障系统安全运行。2.1.2 设计的主要内容设计双机热备份PLC控制系统，系统中应结合PLC技术与组态软件。设计的主要内容包括以下几个方面：1. 熟悉控制系统的要求，提出设计原理，确定设计方案，。2. 完成系统原理方框图，选定PLC。3. 完成硬件设计。4.完成软件的编制（PLC的编程与说明）。5.绘制系统总体结构图、系统原理图、电气控制原理图、软件流程图。6.按期完成毕业论文的撰写。7.充分准备，顺利完成毕业答辩。2.1.3 主要技术参数与技术指标 轻型空气源热泵，型号YIDE2-12，20KW交流电动机； 4个循环水泵，型号为SLS40-125，4个10KW交流电动机。2.2 系统设计的功能要求本次设计的供水控制系统所要完成的任务或者说是所具有的功能如下：配水中心的上位机由工控机组成，上位机具有：整个供水系统的工艺流程图；显示管道温度，水箱水位泵的运行状况（开或关）信号。实现供水系统的优化调度，达到节约能源和降低设备损耗的目的；提供全方位的报警功能，可在多种画面中以直观方式通知调度人员系统发生异常；实现本系统的实时控制和手动遥控功能以及对泵站控制器的参数远程设置。1）水箱水位及各测温点温度、设备（泵、电磁阀）运行状态可见。2）设备具备手动/自动切换功能。3）定温出水功能：当水箱水量不满时，T1温度大于设定温度，T3温度也大于设定温度时，打开电磁阀E1；当T1温度低于设定温度3度时，关闭电磁阀E1。4）温差循环功能：水箱水满后，当T1-T3 7度时，启动水泵P，开始循环，使水箱中的水升温；当T1-T33度时，关闭泵P1。5）防冻循环功能：当水箱有水，T210度，关闭水泵P1。当水箱无水，T210度，关闭E1。6）自动上水功能：当水箱水位低于设定下限水位时自动打开电磁阀E2，上水到设定上限水位值时关闭电磁阀E2（用于确保水箱最低水量）。7）自动供热水功能，当太阳能储热水箱内的水温达到使用要求，供热水管路自动打开，同时关闭自来水管路，此时热泵循环加热功能停止。当天气不好时，储热水箱内的水温没有达到使用要求，供热水管路关闭，换热器自来水管路打开，同时热泵循环加热功能启动。8）定时上水功能：当实际时间到达设定上水时间且实际水位低于设定上限水位的时候，自动启动上水功能，直到水位达到设定上限水位时停9）手动上水功能：当实际水位低于设定上限水位时按动手动上水键，将打开电磁阀E2自动上水，达到设定上限水位时自动停止10）具备漏电保护、防干烧、故障报警等安全措施11） 上位监控系统能够适时显示各个设备的运行状态，各管路的水流状态，温度，水箱温度，水位等。第3章 系统方案设计系统的控制方案的确定是整个供水控制系统的关键，设计控制系统，首先必须确定系统的控制方案，所要控制的对象和目标是什么。在此前提下进行后面的设计，设计出一个满足性能指标和功能的系统。其实针对一个控制系统来说，有很多种控制方案，但是在确定系统方案时，必须从节能、环保、经济、可靠性等方面来考虑，综合各方面的因素才确定出系统方案。本系统中设计了三种控制方案，并进行了比较分析，最后确定出系统方案。3.1 方案选择根据设计的内容和要求，有多种不同的控制方案。现阶段使用较多的控制器件为：微处理器(单片机或DSP).PLC或专用变频器。专用变频器的主要生产厂商有三菱、安川、ABB等公司。不同的控制装置在控制的原理上基本是一样的，主要有PID调节器、手动/自动切换、水箱水位温度检测环节、水网温度检测环节等，连接而组成供水系统。下面来分析和对比一下不同方案的优缺点。并确定出整个设计的控制方案。根据设计的内容和功能要求有对本系统设计了以下三种控制方案：方案一采用降压启动电动机的方式。降压启动有自耦降压启动和星三角降压启动。自耦降压启动即利用了自耦变压器的原理。自耦变压器的特点是副绕组是原绕组的一部分，就像滑动变阻器的接入电阻是总电阻的一部分一样。这种方式是要给电动机接自耦变压器。星三角启动是在电机启动时将电机接成星型接线当电机启动成功后再将电机改接成三角型接线（通过双投开关迅速切换）。因电机启动电流与电源电压成正比此时电网提供的启动电流只有全电压启动电流的1/3 ，但启动力矩也只有全电压启动力矩的1/3。星三角启动，属降压启动他是以牺牲功率为代价来换取降低启动电流来实现的。所以不能一概而以电机功率的大小来确定是否需采用星三角启动，还的看是什么样的负载，一般在需要启动时负载轻运行时负载重尚可采用星三角启动，一般情况下鼠笼型电机的启动电流是运行电流的57倍，而对电网的电压要求一般是正负10%（我记忆中）为了不形成对电网电压过大的冲击所以要采用星三角启动，一般要求在鼠笼型电机的功率超过变压器额定功率的10%时就要采用星三角启动。只有鼠笼型电机才采用星三角启动。在启动时11KW电流在7-9倍(100)A左右按正常配置的热继电器根本启动不了（关风门也没用）热继电器配大了又起不了保护电机的作用，所以建议用降压启动。而在一些启动负荷较小的电机上，由于电机到达恒速时间短，启动时电流冲击影响较小，所以在30KW左右的电机，选用1.5倍额定电流的断路器直接启动，长期工作一点问题都没有。当电机容量太大时，直接启动的冲击电流很大，容易把电动机烧毁。方案二采用变频器启动电动机的方式。变频器亦叫电动机变频调速器,是一种静止的频率变换器。它把电力配电网50Hz恒定频率的交流电.变成可调频率的交流电.供普通的交流异步电动机作电源用,其最主要的特点是具有高效率的驱动性能和良好的控制特性。应用变频器不仅可以节约大量电能,变频器的自动控制性能可以提高产品质量和数量。在各个行业中用它可以改造传统产业,实现机电一体化的重要手段。运用它的空间电压矢量控制技术,使得在低速时能够输出较大力矩。由一台可编程控制器和一台变频器配合控制电机调速，水泵可变供电回路由工频回路和变频器回路组成，通过PLC和变频器将各台水泵按照一定的规律顺序投入运行和顺序停止运行，使整个供水回路处于最佳的配置状态速,适应不同的温度和水位的要求。变频器则具体的微调当前水泵的转速，使转速变化跟随水箱温度和水位而变化。在全自动变频运行的情况下，温度传感器和液位传感器从输出水箱和管道取的压力信号直接送入变频器，由变频器中的PID调节来控制电机的转速。在以上的控制流程中，水泵的启动和运行都需要考虑延时的问题，一方面防止发生切换振荡，另一方面保证水泵的切除和投入。在这种方式运行的供水方式的温度和信号是传到变频器的。水箱温度和水位的控制采用PID死循环回馈调节，水箱温度和水位信号转化为电压或是电流信号传递给变频器，通过PID调节后输出频率信号。这种方法的缺陷，各个泵阀一直都处于工作状态，仅仅依靠变频器控制电机转速控制系统的运转，造成电能很大的浪费。方案三采用直接启动电动机的方式。电动机的启停、故障、正常运行、手动/自动切换都由PLC来控制，这些控制都是随太阳能集热器的温度、水箱温度和液位以及热泵管道温度变化而变化的。温度变化和水箱液位的变化是通过温度传感器和液位传感器把信息送到PLC，PLC来控制电动机的启停。这些功能都是通过程序实现。由温度传感器和液位传感器检测到的温度和液位信号直接送入PLC中的PID调节器输入口;对微处理器控制的系统，温度和液位设定值则送入微处理器中，经内部PID控制程序的计算，输给中间继电器一个控制信号，从而控制热泵和循环水泵的启停。一旦水箱的温度和液位达到了设定值，该输出控制信号就恒定下来，系统稳定运行。在PLC中，直接将温度和液位给定值设定在PLC中，而微处理器控制系统的温度和液位给定值也可通过相应的装置输入。对以上三种方案进行分析对比，加以论证得出最优方案：第一种方案是采用降压启动电动机的方式。在启动过程中，电网的相位接头和中性接头之间，电动机定子绕组与启动器进行星型连接，从而可以降低电动机电压，及至降低电流，一旦克服主惯量之后，电动机定子绕组在电网相位接头之间的连接就呈三角形，以获得满电压和功率。然而，这种启动器不能从根本上消除机械和电气瞬变现象，只能使其稍微减弱，使他们穿过时间轴上的两个点从随后的星三角切换至原点。第二种方案采用变频器启动电动机的方式。这种方案的特点是控制精度高、自动化程度高，但是控制比较复杂，要求器件的性能要相当好，并且这种方案没有单独的加压泵站，把所有的泵即作为抽水泵业作为加压泵来用，这样在一般的工厂比较实用这种方案适合于控制精度高、自动化程度要求高而对扬程没有什么要求的场合。对于日常生活供热水系统来说不适合。结合设计的具体情况，不宜采用这种控制方案。第三种方案是采用直接启动电动机的方式。由于本设计中所采用的热泵和循环水泵为20KW和10KW的小功率的电动机，而在这些启动负荷较小的电机上，由于电机到达恒速时间短，启动时电流冲击影响较小，所以在30KW左右的电机，选用1.5倍额定电流的断路器直接启动，长期工作一点问题都没有。这种方案比较适合日常生活用水供水。根据从多方面的分析对比，第三种方案比较适合本设计系统的内容和功能要求，从节能、可靠性、经济等方面来考虑，第三种方案也是比较优越的。所以本系统的控制方案确定为第三种方案。在后面还要加以详细介绍。3.2 系统原理与组成 通过对比论证得出了系统的控制方案。本设计的题目就是双机热泵PLC控制系统，顾名思义就知道是利用PLC控制两个供热系统保证水箱里的能随时满足用户使用。该系统图如下。图3.1 系统图系统构成: 双机热泵PLC控制系统主要由太阳能集热器、热泵、换热设备、循环泵、储热水箱及控制器等组成。太阳能热利用技术与热泵技术的结合非常灵活，系统形式也多种多样，一般可分为太阳能驱动热泵和太阳能辅助热泵两大类。太阳能驱动热泵主要是指太阳能光电或热 电驱动的压缩式热泵以及以太阳能辐射热直接驱动的吸收式、吸附式、喷射式和化学热泵等。这类热泵大多以实现太阳能制冷空调为主要目的，一般对太阳能集热温 度要求较高，而且普遍存在体积大、成本高、效率低等问题，较难实现小型化和商业化发展。太阳能辅助热泵通常是指作为太阳能热利用系统辅助装置的热泵系统， 包括独立辅助热泵和以太阳辐射热能作为蒸发器热源的热泵。这类热泵多数以供热为主，涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等应用领域，对太阳能集热温度要求不高，而且具有灵活多样的系统形式、合理的经济技术性能和良好的商业实用化前景。该系统采用一种新型的采用太阳能辅热泵机组和太阳能集热系统结合，太阳能和热泵互为辅助热源，最大限度的利用太阳能，解决阴雨天气及冬季环境温度较低太阳能资源不足时热水供应保证率，做到全年、全天候供应热水。3.2.1 原理框图设计本设计的供水控制系统是满足用户的需水要求的，根据上述分析结果，做出定温放水和电辅助加热系统的智能控制设计方案。为方便理解，将该系统的运行原理结合下面叙述如下。图3.2 系统原理框图 如图3.2所示系统原理框图：整个系统由电机调速装置和PLC两大部分构成。其中由水厂、热泵泵、循环泵、水阀、PLC、管网组成。3.2.2 系统原理分析 根据图3.2详细分析一下整个系统的工作过程，工控机是对下位机实行实时监控的上位机，它可以控制整个系统的工作情况，它的监控界面由组态软件组态实现。通过通信接口和PLC相连。PLC负责按扭、模拟信号和其它开关量信号的输入，以及发出信号去控制接触器、中间继电器等电气组件，进而控制水泵的运转及整个系统的正常运行。另外PLC还负责各种异常情况的处理。在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约能源的目的。系统的控制目标是使水箱的温度和水位稳定在设定的值上，满足用户的用水需求。整体控制过程如下：对各循环水泵和各阀门进行控制，保证用户的用水需求，通过温度传感器分别从太阳能集热器、水箱和热泵管道中取出温度信号，液位传感器从水箱取出液位信号变送器将信号变换成模拟电压输入到PLC，由CPU随时采集信号经过A/D转化和给定值比较，经过PID调整，输出信号给各个中间继电器，从而控制热泵和各循环水泵启动或停止，从而达到满足用户需求的控制。其中最重要的是PLC对热泵和4个循环水泵的控制。热泵采用一德公司的YD2-12轻型空气源热水器，循环水泵采用上海意海公司的SLS型离心水泵，型号为SLS40-125。电动机的启停、故障、正常运行、手动/自动切换都由PLC来控制，这些控制都是随太阳能集热器的温度、水箱温度和液位以及热泵管道温度变化而变化的。温度变化和水箱液位的变化是通过温度传感器和液位传感器把信息送到PLC，PLC来控制电动机的启停。现在最常用的控制器是以PID调节为主要手段，也有的采用了模糊控制等现代控制理论方法，此次设计的双机热泵控制系统采用的是以PID调节为主要手段的方式。对于PLC，由温度传感器和液位传感器检测到的温度和液位信号直接送入PLC中的PID调节器输入口;对微处理器控制的系统，温度和液位设定值则送入微处理器中，经内部PID控制程序的计算，输给中间继电器一个控制信号，从而控制热泵和循环水泵的启停。一旦水箱的温度和液位达到了设定值，该输出控制信号就恒定下来，系统稳定运行。在PLC中，直接将温度和液位给定值设定在PLC中，而微处理器控制系统的温度和液位给定值也可通过相应的装置输入。允许用户在现场设置PID参数，通过调试选出最佳参数，达到系统稳定。一般情况下，PID方式的调节器就能够满足水箱温度和液位的稳定调节。然而，这种类型的死循环系统也存在着一些难以解决的问题，比如在系统的动态运行过程中，水泵电机会出现速度超调甚至不稳定的现象，对整个系统具有很大的破坏性，还会减小整个系统的效率。这些问题只能通过选定最优的PID参数或修改PID算法来解决。第4章 系统的硬件设计4.1 系统硬件分析双机热泵PLC控制系统由硬件和软件组成，硬件的设计能体现出整个控制系统的流程，知道在整个控制系统中所要完成的任务是什么。软件则体现怎样去控制所要控制的对象，怎样把整个供水系统的功能实现。硬件设计是软件设计的基础，软件设计是硬件设计的功能集中的体现。在本章主要是硬件设计及器件选。经过对系统的功能要求和性能指标，把整个供水控制系统的硬件设计分为三个模块来完成：（1）主电路图设计；（2）系统控制图设计, （3）PLC接线的设计。在第二章已经把整个双机热泵PLC控制系统的方案确定，根据已经确定了的方案来设计相关的硬件图。硬件设计之前，先来分析供电系统，由于供水控制系统的可靠性的前提是供电系统要可靠。在设计系统的硬件时要考虑到供电系统。供电系统的设定直接影响到控制系统的可靠性，因此在设计硬件时是根据以下几方面来设计：1输入电源电压在一定的允许范围内变化；2当输入交流电断电时，应不破坏控制器程序和数据；3当控制系统不允许断电的场合，要考虑供电电源的冗余；4当外部设备电源断电时，应不影响控制器的供电；5要考虑电源系统的抗干扰措施；综合以上几方面的考虑，可以把供电线路设计如下：工业电源一般都是380V的三相电源，而我们用的PLC需要的电压即有交流又有直流，交流电压可以用照明电来供给，而直流电由我们另外设计的直流电源来供给。水泵电机用的也是380V的三相交流电。在整个供电系统中我们采取了很多的保护措施，如热继电器等。4.2 控制原理图设计与器件选型系统的控制原理图的设计是本设计的重点，它是整个控制装置的接线图。具体的设计过程如下：4.2.1 主电路设计与选型 主电路图就是电源、热泵和循环水泵的连接图。主电路图反映了现场设备的布置情况，接线原理以及相关的保护装置，是系统硬件设计中必不可少的部分。从图中可以体现出对电器接线图的画法标准，同时也体现了系统的控制流程。在设计主电路图时，不但要求接线合理，而且要求对用到的每个器件进行选型。4.2.1.1 主电路设计 设计中直接用380V的三相交流电作电源，每个水泵电机上都接有相关的保护，如：开关、熔断器、接触器、继电器，这些保护都是多功能的，能够实现各种保护，满足设计的要求。这部分的工作情况实际上是由PLC来控制的，系统开始运行时，自来水通过电磁阀E2上水，经太阳能集热器加热后流入水箱，经液位传感器从水箱取得液位信号后输入到PLC，PLC经过判断处理后，决定什么时候关闭电磁阀E2，再通过温度传感器将温度信号送入PLC，再经PLC判断，以决定是否启动热泵和循环水泵。如图4.1所示是热泵和四台循环泵的主接线图 图4.1 4.2.1.2 图中器件选型 1.热泵的选型一德空气源热泵是当今世界上最先进的节能环保产品之一。为确保在低温环境下的制热效果，采用了世界上最先进的环保型吸热介质冷媒R417A。压缩机通过消耗一部分电能，将低温低压的制冷剂气体压缩成高温高压的气体。高温高压的气体在冷凝器中放出热量将水加热，自己温度被降低，变成高温高压的液体，经过膨胀阀节流降压后，变成低温低压的液体，在蒸发器中制冷剂吸收其他介质（如空气、水）中的热量，变成低温低压的气体，然后再被压缩机压缩成高温高压的气体加热热水。如此循环加热。根据系统设计要求，我选用轻型空气源热泵热水器(YIDE2-12)，其额定功率为20KW。2.循环水泵水泵电机的转速是PLC系统的控制对象，其它器件的型号都是根据水泵电机的参数和性能指针来选择的。所以首先来确定水泵电机的型号。上海意海耐腐蚀清水泵制造有限公司生产的上海意海牌SLS型单级单吸立式离心泵是本公司采用IS型离心泵性能参数和立式泵结构之长，严格按照国际标准ISO2858及最新国家标准设计成功的高效节能产品，是代替IS型卧式泵、DL型泵等常规产品的新颖立式离心泵。流量范围1.51200m3/h，扬程范围8150m，分量本型、扩流型、A、B、C切割型等250多种规格。根据流量介质和温度不同，设计制造成同性能参数的SLS型热水泵、SLH型化工泵、SLY（YG）型油泵和SLHY型立式防爆化工泵系列产品。根据系统设计要求，选用循环水泵型号为SL40-125，其额定功率为10kW。3.断路器的选型 电流计算：20KW热泵的额定电流10KW循环水泵的额定电流 断路器主要是在电源切断后,将线路与电源明显地阁开,以保障检修人员的安全.熔断器式刀开关和熔断器组合而成,故兼有两者的功能,即电源隔离和电路保护功能,可以分段一定的负载电流。在设计中,根据设计的电压等级和电流的大小,选择了以下断路器,如表4-1所示: 型号额定电压(V)额定电流(A)主级数额定工作电流交流(A) 380V0.65 AC-22类别(通断次数)HH15G(QP)250AC3802503315 , (15000)表4.14.热继电器的选型在设计中，用热继电器对三相异步电动机进行保护。当三相交流电动机长期带负荷欠电压下运行，长期过载运行以及长期单相运行等不正常情况时，会导致电动机绕组严重过热乃至烧坏，为了充分发挥电动机的过载能力，保证电动机的正常起动和运转，当电动机一旦出现长时间过载时，能自动切断电路。设计中用热继电器对三相异步电动机进行过载保护。热继电器利用金属片发热弯曲来控制触头，进行切断电路而保护电动机，主要用于电动机的过载，断相及电流不平衡运行等故障的保护，也经常用作其他电气设备及家用电器发热状态的控制。我国目前生产的热继电器主要有JR0、JR5、JR10、JR14、JR15、JR16等系列，按热元件的数量分为两相结构和三相结构，选择热继电器时：根据电动机的额定电流确定热继电器的型号及热元件的额定电流等级。对于星形接法的电动机及电源对称性较好的场合，可选用两相结构的热继电器；对于三角形接法的电动机或电源对称性不够好的场合，应选用三相结构或三相结构带断相保护的热继电器。热继电器热元件的额定电流原则上按被控电动机的额定电流选取，即热元件额定电流应接近或略大于电动机的额定电流。本设计中选择T系列热继电器，型号选择如表4-2所示：型号整定电流调节范围(A)T450.280.40 0.350.52 0.450.63 0.550.83 0.701.00 0.861.30 1.101.60 1.402.10 1.802.50 2.203.30 2.804.00 3.505.20 4.506.30 5.508.30 7.0010.08.6013.0 11.016.0 14.021.018.027.0 25.035.0 30.045.0 T160.110.16 0.140.21 0.190.29 0.270.40 0.350.52 0.420.63 0.550.83 0.701.00 0.901.30 1.101.50 1.301.80 1.502.10 1.702.40 2.103.00 2.704.00 3.004.50 4.006.00 5.207.50 6.309.00 7.5011.0 9.0013.0 12.017.6表4.25.中间继电器的选型 中间继电器实质上是电压继电器，只是触头数目多（一般有8对），容量也大，起到中间放大（触头数目和电流容量）的作用。在本设计中，用中间继电器来控制交流接触器的通断，从而控制异步电动机的转停。常用的中间继电器有J27和J28系列，我选用J27系列中间继电器，其型号和特性如表4-3所示:型号触点额定电压/V触点额定电流/A触点对吸引线圈电压/V额定操作频率/（次h-1）线圈消耗功率/VA常开常闭启动吸持J27-20500520交流50Hz时12，36，127，220，38012007512表4.36.交流接触器的选型 在本设计中,需要用到频繁通断电器设备来实现系统的控制.在我们所学的器件中,接触器是一种用于频繁地接通或断开交直流主电路、大容量控制电路等大电流电路的自动切换电器.接触器按其主触点控制的电路中电流种类分类,有直流接触器和交流接触器。在本设计中选用交流接触器，通过它的通断来控制水泵的启停。电感式接触器是利用电磁吸力的作用使主触头闭合或分断电动机电路或其他负载电路的控制电器，用它可以实现频繁地远距离操作它具有比工作电流大数倍乃至十几倍的接通和分断能力，但不能分断短路电流，由于它体积小，价格便宜和维护方便，因而用途十分广泛，接触器最主要的用途是控制电动机的起动，反转，制动和调速等，因此它是电力拖动控制系统中最重要也是最常用的控制电器。接触器的型号和特性如表4-4所示:型号可控电机功率(KW)AC3:230/220V 400/380V500 V690/660V1000 V额定工作电流(A)(380V)AC3电寿命(次)AC3吸引线圈功率消耗吸合(VA)启动(VA)辅助触头额定工作电流(A)AC-15380/220操作寿命(1/h)3TF54 30-0A78132178235250110 1.084 14304/6700表4.47温度传感器的选型根据设计要求,温度传感器的温度测量范围为0-100,精度要求高,高可靠性等特点. DS600 模拟输出温度传感器能达到本设计的要求,并且经济效率可观.所以,在设计中我选择了DS600 模拟输出温度传感器。图4.2DS600 模拟输出温度传感器的特点: DS600是一款0.5C精密的模拟输出温度传感器。该器件在2.7V至5.5V的整个工作电压范围和-20C至+100C宽温度范围内均可达到这样的精度。DS600还可以用作温度调节器，温度门限可由用户编程。DS600在关断模式下进入低功耗待机状态。DS600采用8引脚SOP封装。 关键特性：1. 0.5C的精度(-20C至+100C) 2. -40C至+125C全温度范围内保持0.75C的精度 3. 不需要外部元件 4. 6.45mV/C输出增益，0C时偏移量为509mV 5. 2.7V至5.5V电源电压范围 6. 用户可编程温度调节功能 7. 关断模式下器件进入低功耗待机模式 8. 焊盘裸露的8引脚SOP封装，可实现快速温度响应 应用/使用1. 冷端热电偶补偿2. 便携式医疗设备3需要高精度模拟输出温度传感器的热敏感系统通过高可靠的放大电路及精密温度补偿，将被测介质压力转换成420mADC 或 15VDC 等标准电信号.10.液位传感器的选型ST600投入式液位变送器，渗压计是珠海赛思特仪表设备有限公司研制开发的一种新型液位变送器， 所用传感器为原装进口的高性能干式陶瓷电容传感器， 抗冲击能力强。ST600液位变送器投入头无需加保护帽,测量膜片与介质大面积接触，不易堵塞，便于清洗， 进一步发挥了干式陶瓷电容传感器抗腐蚀性能好的技术特点；ST600液位变送器投入头采取多重密封措施，彻底解决头渗水问题。同时采用了高分子塞技术与材料，有效的消除由于测量介质温度变化造成的探头内部结露及潮气。主要技术数据使用对象：液体测量范围：10kPa(1m)2MPa(200m )输出信号：420mADC/两线制准确度等级：0.1%或0.25%稳定性：0.1/F.S 年温度影响：0.1/10（-20+80）量程比：额定量程内5 ：1供电电源：供电电源为12-36VDC (不分正负)，一般工作电源为24VDC负载：600(24VDC时)允许过载：芯片额定量程的100倍防爆：本质安全型ExiaIICT5（须与安栅配合使用）环境温度范围：一般变送器 -25+80；防爆型 -20+70贮藏温度：-40+100环境湿度范围：0100%/RH，无冷凝防护等级： 探头IP68 变送器IP65重量：约1 .2 5K g(不包括变送器与探头间导气电缆)结构材料：过程连接件为3 1 6不锈钢；与介质接触密封圈为氟橡胶电气外壳为铝合金，表面喷塑表4.5根据系统的性能指标和功能要求，通过计算，确定了在主电路中用的器件型号，把所选器件按需要连接起来，就完成了主电路图的设计。8直流稳压电源参数的计算：参数的计算：变压器参数的计算根据设计要求，所需电源为24V和5V直流电源。故选用7812和7805型的集成稳压器。因此，UO1=24V，UO2=5V。稳压器的输入电压比输出电压高3V，所以将稳压器的压差取为3V，此时稳压器的输入电压为： UI1=24+3=27V UI2=5+3=8V变压器副边电压有效值为： U2= 1.2UI1=32.4V 取33V U3= 1.2UI2=9.6V 取10V变压器的变比为：K=U1/U2/U3=220/23/7图4.34.2.2 PLC和其他芯片的选型与端子接线图设计在上面的讲述中多次提到控制器，其实也就是可编程逻辑控制器（PLC），整个供水系统的控制由PLC来实现。随着科学技术的进步，PLC的种类繁多，出现了各种各样的型号，如：三菱、西门子、奥姆龙等许多公司生产的产品。其实要实现此次设计的变频恒压供水控制系统的功能要求，很多公司生产的产品都能够满足要求。以前在教学中学习的是三菱公司的产品型号，对三菱有了一定的认识和了解，掌握了它的性能和使用方法，比如说语句表的编写、梯形图的编制以及PLC输入输出原理的方法等。为此对PLC有了初步的认识和了解。为了扩展知识面，借这次毕业设计的时间和机会学习了好几种型号的PLC。在本设计中用到的PLC型号是根据控制系统的功能要求和PLC的性能分析比较而选出的。下面来分析一下系统中PLC的功能和特点：4.2.2.1 PLC选型在本系统中的PLC是整个控制过程中的核心部件。当然对PLC要求也是比较高的，首先来分析一下。在前面已经介绍了系统的内容与要求，还有方案的确定，要实现系统的功能要求。本次设计的变频恒压供水控制系统中对于PLC来说，不仅有数字量的输入输出，还有模拟量的输入，这要求PLC能够扩展模拟量输入模块，由于PLC本身只有数字量的输入输出；另外在设计中涉及到很多输入输出点，如果选用PLC本身就能满足要求的PLC，那样的话需要大量的经济开支。从经济的角度来考虑，必须选能够扩展输入输出埠的PLC最后一点也是最重要的一点，整个控制的实现由软件来完成的，软件的编制好坏直接影响到供水控制系统功能的实现。所以在选择PLC的型号时，要看该型号的PLC的编程软件。设计中的输入输出点见下章的软件设计中的地址分配表中，还有中间继电器、定时器、或是其它的寄存器等。主要包括名称、说明、编程地址等的说明。经过分析，在本设计中有5个数字量输入到PLC，有4个模拟量输入到PLC，有8个数字量从PLC输出，用到了8个中间继电器。总合上述的因素考虑和各种PLC型号的对比，在本设计中选用的PLC的型号是西门子公司生产的S7-200系列CPU226的产品。通过下面的介绍就知道为什么要选择型号的PLC。S7-200 为 CPU 本体上的某些或全部数字量输入点提供脉冲捕捉功能。脉冲捕捉功能允许您捕捉高电平脉冲或低电平脉冲。此类脉冲出现的时间极短，PLC 在扫描周期开始读取数字量输入时，可能无法始终看到此类脉冲。 当为某一输入点启用脉冲捕捉时，输入状态的改变被锁定，并保持至下一次输入循环更新。这样可确保延续时间很短的脉冲被捕捉，并保持至 S7-200 读取输入。 S7-200中 CPU226 在本设计中使用的CPU226型的PLC。下面来介绍一下CPU226的性能指针和接线原理：（1）特殊存储区位SM0.0始终接通 SM1.0操作结果 = 0SM0.1首次扫描 SM1.1溢出或非法数值SM0.2保持数据丢失 SM1.2负数结果SM0.3上电 SM1.3除以 0SM0.430 秒关断30 秒接通 SM1.4表格已满SM0.50.5 秒关断0.5 秒接通 SM1.5表格为空SM0.6关断1次扫描接通1次扫描 SM1.6BCD 至二进制转换错误SM0.7RUN（运行）开关位置 SM1.7ASCII 至十六进制转换错误（3） CPU226性能指针1外形尺寸 196mm*80mm*62mm2内存程序内存 4096字用户数据存储器 2560字内存类型 EEPROM存储卡