基于PLC的恒温混水控制系统的设计.doc

I 毕业设计说明书 基于 PLC 的恒温混水控制系统的设计 学生姓名 学 院 系 名 专 业 指导教师 II 摘 要 随着人们生活水平的不断提高以及家用电器的普及 热水器的使用也越来越广泛 中国热水器市场需求量大 发展迅速 据北京中怡康时代市场研究有限公司测算 2009年热水器 不含太阳能热水器 市场规模达到212亿元 同比增长15 2 2010年 1 5月累计市场规模106亿元 同比增长23 6 超过小家电的平均增速19 1 现在市 场上热水器主要品种有电热水器 燃气热水器和太阳能热水器 2010年中国热水器市 场上 品牌集中度已经到达较高水平 电热水器市场上 海尔 AO史密斯 美的位居 品牌关注排行榜前三名 领先优势明显 燃气热水器市场上 万和 万家乐处于领跑 地位 二者间竞争激烈 电热水器 燃气热水器市场上 第一阵营的品牌领先优势明 显 地位稳固 太阳能热水器市场尚未形成稳定的品牌格局 品牌排名变动频繁 通过市场调查可知 热水器市场呈现电热水器 燃气热水器和太阳能热水器三分 天下的局面 其它类型的热水器如即热式热水烈和热泵热水器还处于产品发展和市场 积累阶段 对比各种热水器 燃气热水器在使用中存在安全隐患 据统计 因燃气泄 漏导致的伤亡事故人数已上升至非正常死亡人数排名的第三位 因电网供电能力的加 强以及管道煤气 液化石油气涨价等因素的影响 越来越多的家庭选用电热水器作为 家庭卫浴器具 但是目前家用热水器大多为机械式控制热水器 即通过手动调节控温 把手来改变热水器出水温度 人们往往要通过不断地调节混水阀来调节冷热水的输出 比例 从而获得适宜的水温 而且当水温不能满足自身需要时 又需要手动调节冷热 水的输出比例 这样用户在操作上就存在很多不便 而且水温的忽冷忽热也会对用户 使用时造成不适 同时电热水器还存在漏电 出水过热等安全隐患 为了解决以上问 题 本文设计了一种恒温热水器 本文分析了恒温热水器的原理及发展现状 同时给 出一种恒温混水阀控制器的设计方案及其实现 关键词 恒温混水 PLC 力控 III ABSTRACT With the continuous improvement of people s living standards and popularization of household appliances the water heater is used more and more widely Market demand in China the rapid development of a large quantity of water heater According to the Beijing Market Research Co Ltd of washing machine water heater in 2009 not including solar water heater market scale reached 21200000000 yuan an increase of 15 2 2010 1 5 month accumulative total market size of 10600000000 yuan year on year growth of 23 6 more than 19 1 of the average growth rate of small household electrical appliances Now on the market of water heater main varieties of electric water heaters gas water heaters and solar water heater In 2010 China water heater market brand concentration has reached a high level Electric water heater market Haier AO Smith beauty in the brand on the top three a clear advantage gas water heater market vanward macro in a leading position among the fierce competition two Electric water heaters gas water heater market the first camp brand advantage obviously stable status The solar water heater market has not yet formed a stable pattern of the brand brand rankings change frequently Through the market survey shows the water heater market present situation of three world electric water heaters gas water heaters and solar water heaters water heaters and other types such as water heater instant burning and heat pump water heater is still in the stage of product development and market Comparison of various water heaters gas water heater hidden safety problems in use according to statistics by the number of casualties caused by gas leakage has risen to non normal deaths ranked third Because of the influence of strengthening the ability of electric power and gas pipelines liquefied petroleum gas prices and other factors more and more families choose electric water heater as the family bathroom appliances But the current domestic water heaters are mostly mechanical control water heater namely by manually adjusting the temperature control knob to change the water temperature of water heater people often have to by constantly adjusting the mixing valve to regulate the output ratio of hot and cold water so as to obtain the appropriate temperature And when the water is not to meet their own needs but also need to manually adjust the proportion of hot and cold water output So the user has a lot of inconvenience in the operation and the water temperature of the sometimes hot and sometimes cold also can cause discomfort to users at the same time electric water heater leakage water still exist overheating safety In order to solve the above problem this paper designs a kind of constant temperature water heater This paper analyzes the principle and development status of constant temperature water heater design scheme and gives a thermostatic mixing valve controller and its realization KEYWARDSKEYWARDS Thermostatic mixing PLC Force control IV 目 录 1 绪论 1 1 1 恒温混水系统背景及意义 1 1 2 传统手动调温与恒温混水控制的区别 1 1 3 恒温混水控制系统的研究现状 2 1 4 本论文主要任务 3 2 恒温混水控制工作原理 4 2 1 基于 FX2N 恒温混水控制系统工作原理概述 4 2 2 恒温混水控制系统控制结构图 4 2 3 恒温混水控制系统混水阀原理 5 2 4 恒温混水阀技术参数 5 3 恒温混水控制系统硬件与监控软件设计 8 3 1 PLC 工作原理 8 3 2 PLC 工作阶段 9 3 3 PLC 发展历史 10 3 4 PLC 选型规则 12 3 5 三菱公司 FX2N 系列 PLC 功能特点 15 3 6 上位机力控工业组态软件与监控 17 3 6 1 选型说明 18 4 工业现场总线及通信 22 4 1 工业现场总线发现前景 23 5 感温元件 28 5 1 工作原理 28 5 2 主要技术参数 28 5 3 主要特点 29 6 恒温混水控制系统软件设计 30 6 1 PLC I O 口地址分配 30 6 2 系统主程序流程图 31 V 7 结论 32 参考文献 33 致 谢 34 中北大学信息商务学院xxxx 届毕业设计说明书 第 1 页 共 30 页 1 绪论绪论 1 11 1 恒温混水系统背景及意义恒温混水系统背景及意义 温度是日常生活中无时不在的物理量 温度的控制在各个领域都有积极的意义 很多行业中都有大量的用电加热设备 如用于热处理的加热炉 用于融化金属的坩锅 电阻炉及各种不同用途的温度箱等 采用单片机对它们进行控制不仅具有控制方便 简单 灵活性大等特点 而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标 从而能够大大 提高产品的质量 因此 智能化温度控制技术正被广泛地采用工业生产过程当中 温度检测控制系统在工业生产 科学研究和人们的生活领域中 得到了广泛应用 在工业生产过程中 很多时候都需要对温度进行严格的监控 以使得生产能够顺利的 进行 产品的质量才能够得到充分的保证 使用自动温度控制系统可以对生产环境的 温度进行自动控制 保证生产的自动化 智能化能够顺利 安全进行 从而提高企业 的生产效率 温度检测系统应用十分广阔随着该项技术的日益成熟和现代生活对方便 快捷的要求越来越高 水温控制系统开始应用到生活领域 特别是在 2009 年美国 IBM 公司提出的 智慧地球 标志着单片机由工业生产到日常生活应用的转变的标志 不仅是在热水器方面 生活中其他有关水温这一变量的方面也可以运用 可以说 水温监测系统的运用正好填补了我国热水器用户中低端市场 1 21 2 传统手动调温与恒温混水控制的区别传统手动调温与恒温混水控制的区别 目前在中国市场上 一些家用太阳能热水器和中小型的洗浴场所 在调节温度时 仍然采用手动模式 这样很容易因为手动误差而造成水温输出地过高或过低 从而给 使用者造成不便 甚至严重时会将使用者烫伤 本设计就说是为了着手研究和解决这 一问题的 水温不宜过高过低 洗澡水的温度超过正常的体温 即 37 称为热水浴 低于 人体温度 高于皮肤的温度 即 33 叫做温水浴 水温在 34 36 利于去垢止 痒 37 39 利于消除疲劳 40 45 能舒筋活血 发汗镇痛 洗澡水的温度可 因时制宜 例如冬天可选择热水浴 夏天可选用温水浴 如果浴水过烫 温度太高 不仅会损伤皮肤 还会使皮肤表面血管扩张 体表血流量骤增 心脏和大脑的血液供 应减少 常有缺氧和昏倒的危险 中北大学信息商务学院xxxx 届毕业设计说明书 第 2 页 共 30 页 恒温系统可以让使用者根据需要自行调节冷热水混水温度 所需温度可以迅速达 到并且稳定下来 保证出水温度恒定 且不受水温 流量 水压变化的影响 解决洗 浴中心水温忽冷忽热的问题 当冷水中断时 混水阀可以在几秒钟之内自动关闭热水 起到安全保护作用 1 31 3 恒温混水控制系统的研究现状恒温混水控制系统的研究现状 随着社会进步及人民生活水平的提高 人们不断追求居住条件的舒适度 其中对热 水的供应已成为不可缺少的需求之一 从使用安全角度考虑 储水式的供热面临着两 大困境 一方面 水温处在较温和状态下会引发噬肺军团病 过去的 30 年间世界各地因 空调 淋浴潮湿空气引起的军团病集中发病时有发生 根据军团病菌在各种水温下的 存活情况 将水温提升到 60 以上才能消除军团病 但是另一方面 将 60 的水温直接 送到用户端可能造成严重的烫伤 45 以上的水温即能造成迅速的烫伤 60 的水温在 7 秒内造成局部烫伤 90 秒内造成全部烫伤 而 70 的水温在 1 秒内造成局部烫伤 10 秒内造成全部烫伤 经各国研究发现 解决此问题途径是 将供热系统中的储水池水温 加热并存贮于 60 以上 而在使用前临时降低用户端的热水温度到设定适合的温度 即 避免烫伤 同时杜绝军团病的繁殖 恒温混水阀 Thermostatic Mixing Valve 简写 TM V 是一种不需外部能源和动力能自动感应完成水温调节的理想控制阀 恒温混水阀依 靠流经阀内介质的自身的压力 温度驱动阀门自动工作 不需要外接电源和二次仪表 恒温混水阀有三大主要功能 一 可以实现 38 到 55 的任何温度值的设定 用户可以根据需要自行调节冷热 水混水温度 二 具有平衡供水端冷热水的压力或温度波动而保持输出水温度恒定的功能 也就是恒 温混水阀不受水温 流量 水压变化的影响 能自动感应平衡水温解决洗浴中水温 忽冷忽热的问题 三 当冷水突然中断时 恒温混水阀可以在几秒钟之内自动关闭热水 起到 防烫伤 的安全保护作用 另外 TMV 在节能方面也担当着重要的作用 根据欧洲 DPR412 93 号法规要求 所有 储水式的热水供水供应系统里 热水供水温度需要控制在 48 5 以下 这不仅是考虑 用户不被烫伤 而且是最大程度地减少热水在管道输送中的热损失 避免用户出水端不 中北大学信息商务学院xxxx 届毕业设计说明书 第 3 页 共 30 页 必要的高温热水造成浪费 本文应用价值工程的功能成本分析 系统的对恒温混水阀 进行有关成本与结构的分析 总结出产品的创新设计 使产品成本得到降低 功能进一步 的提高 1 41 4 本论文主要任务本论文主要任务 这种恒温混水阀型温水中心的混水中心的核心部件是恒温混水阀 TMV 早期开发 TMV 的目的是防止热水洗浴时的烫伤 常规冷热水花洒及龙头无法抵御因进水端水温及 水压的剧烈变化 往往造成出水端水温冷热突变而引起烫伤或人们本能地躲避温度变 化而引起的滑倒摔伤 欧 美 澳等许多国家都建有以防烫和冲击 保持热水使用在 安 全范围的相关标准及法规 推广或强制使用 TMV 阀 特别是在学校 敬老院 监狱 幼儿园等特定场合配置 TMV 更为迫切及必需 由于这样的高起点需求背景 TMV 在抵制 冷热水温度及压力变化 确定输出温度及快速响应方面都具有优越的性能 而这些性 能应用于以降温 混水为目的地暖混水中心上 则可完全满足其使用要求 比如 时间 响应 一方面混水阀的感温元件与常规散热器恒温阀用的感温元件相比要快得多 另 一方面感温元件直接置于输出到分水器的热水管道中 避免了多重热传递道路 热水 分水器管壁 外部传感元件 温控器 控制阀 这种混水中心因无需温控器 外部传感器及导线 也避免了运行的电能消耗及繁琐 安装 相应部件的成本都可省略 混水阀带有刻度标识的调节把手 可根据温度需求 水输出水温在 34 70 范围内 可调 方便用户的使用调节 中北大学信息商务学院xxxx 届毕业设计说明书 第 4 页 共 30 页 2 2 恒温混水控制工作原理恒温混水控制工作原理 2 12 1 基于基于 FX2NFX2N 恒温混水控制系统工作原理概述恒温混水控制系统工作原理概述 电热水器分速热式 其中速热式和储水式电热水器目前还是通过混水阀调节冷热 水出水比例 调到自己需要的洗浴温度 现有的混水阀技术 虽然已经得到广泛的应 用 但是由于采用手动方式进行冷 热水的混合 而且出水温度受冷水进水水压和热 水温度的影响很大 因此出水温度不能恒定甚至波动很大 随着恒温混水阀的问世及 使用量的不断扩大 越来越多的热水器采用恒温混水控制热水器恒温出水 通过恒温 混水阀 用户可以根据需要调节自己所需的出水温度 该温度可以迅速达到并保持该 温度值稳定 由于该温度值不受水温 流量 水压变化的影响 因此能够很好地解决 用户在使用热水时出水忽冷忽热的问题 且当冷水或热水突然中断时 混水阀可以在 几秒钟之内自动关闭热水 起到安全保护作用 在恒温混水阀的出水口处有一个感温 元件 利用感温元件的功能特性调节阀体中阀芯的移动 自动改变冷热水进水的比例 来调节出水温度值 当用户通过调节旋钮设定出水温度值后 进入出水口的冷 热水 比例也随之变化 不论冷热水进水温度 水压如何变化 总能使出水温度保持恒定 出水温度值可在恒温阀允许温度范围内任意设定 这就是恒温混水阀的工作原理 2 22 2 恒温混水控制系统控制结构图恒温混水控制系统控制结构图 基于 FX2N 系列 PLC 的控制系统 系统结构框图如图 2 1 所示 中北大学信息商务学院xxxx 届毕业设计说明书 第 5 页 共 30 页 图 2 1 恒温混水控制系统总体结构图 2 32 3 恒温混水控制系统混水阀原理恒温混水控制系统混水阀原理 在恒温混水阀的混合出水口处 装有一个热敏元件 利用感温元件的特性推动阀 体内阀芯移动 封堵或者开启冷 热水的进水口 在封堵冷水的同时开启热水 当温 度调节旋钮设定某一温度后 不论冷 热水进水温度 压力如何变化 进入出水口的 冷 热水比例也随之变化 从而使出水温度始终保持恒定 调温旋钮可在产品规定温 度范围内任意设定 恒温混水阀将自动维持出水温度 2 42 4 恒温混水阀技术参数恒温混水阀技术参数 DN 15 主要技术参数 工作压力 0 03 1MPa 理想工作压力 0 1 0 5MPa 冷水温度 5 29 热水温度 50 80 最高热水温度 95 调温范围 25 45 25 55 温控精度 2 出水口流量 0 7m3 h 压差 0 1MPa 通径 DN 15 外螺纹连接 DN 25 主要技术参数 中北大学信息商务学院xxxx 届毕业设计说明书 第 6 页 共 30 页 工作压力 0 03 1MPa 理想工作压力 0 1 0 5MPa 冷水温度 5 29 热水温度 50 80 最高热水温度 95 调温范围 35 55 50 60 温控精度 2 出水口流量 2 9m3 h 压差 0 1MPa 通径 DN25 内螺纹连接 DN 32 主要技术参数 工作压力 0 03 1MPa 理想工作压力 0 1 0 5MPa 冷水温度 5 29 热水温度 50 80 最高热水温度 95 调温范围 35 55 50 60 温控精度 2 出水口流量 3 5m3 h 压差 0 1MPa 通径 进口 DN32 外螺纹连接 DN 40 主要技术参数 工作压力 0 03 1MPa 理想工作压力 0 1 0 5MPa 冷水温度 5 29 热水温度 50 80 最高热水温度 95 调温范围 35 55 50 60 温控精度 2 出水口流量 8m3 h 压差 0 1MPa 通径 DN40 内螺纹连接 DN 50 主要技术参数 工作压力 0 03 1MPa 理想工作压力 0 1 0 5MPa 冷水温度 5 29 热水温度 50 80 中北大学信息商务学院xxxx 届毕业设计说明书 第 7 页 共 30 页 最高热水温度 水温设定温度 水温 阀芯右动阀芯左动阀芯右动 调节水温 N 图 6 1 系统控制主程序流程图 中北大学信息商务学院xxxx 届毕业设计说明书 第 32 页 共 30 页 7 7 结论 本课题是以工程项目为背景的 通过对恒温混水控制系统的特点及其控制原理 的分析和总结 设计了基于FX2N系列PLC的恒温混水控制系统 从而达到改善和优 化混水自动化控制目的 通过设计此系统 使我更深入的理解了恒温混水控制系统 的工作原理 过程和特点 在硬件设计方面 考虑到FX2N系列PLC的特点 CPU选择了三菱公司的FX2N PLC 作为主控核心 监控软件选择的力控 上位机监控采用工业力控组态软件的作为监 控 该组态与FX2N系列PLC通信稳定 运行稳定 功能强大 极大的满足了本系统 的设计要求 在软件设计上 采用环境控制和定时自动触发 PLC内置丰富的定时 器和计数器资源 以及数据寄存器区 可用来保存系统重要的参数 本系统在设计上还有待进一步的改善和调试 还需对系统保护和功能进一步完 善 对系统任务进行统一分配和管理 因此在以后的设计中可把这些改进意见应用 到实际控制系统中 实现混水控制系统的可靠性和稳定性 中北大学信息商务学院xxxx 届毕业设计说明书 第 33 页 共 30 页 参考文献 1 刘善增 PLC 控制系统的可靠性设计 工业控制计算机 2004 17 7 37 47 2 刘美俊 PLC 控制系统的设计院装 中华纸业 2007 28 11 47 51 3 熊幸明 张文希 PLC 控制系统可靠性设计的研究 煤矿机电 2004 3 13 16 4 宋序彤 我国城市供水发展有关问题分析 城镇供水 2001 2 32 35 5 常斗南 李全利 张学武 可编程序控制器原理 应用 实验 北京 机械工业出版社 1998 150 153 6 魏志精 可编程控制器应用技术 北京 电子工业出版社 1995 85 90 7 贺平 孙刚 供热工程 北京二中国建筑工业出版社 2000 8 刘勇 锅炉供暖节能技术分析与研究 山东 山东大学 2005 9 WANG S K Handbook of air conditioning and refrigeration M 2nd ed New York McGraw Hill 200