基于PLC的恒温供暖控制装置研究与设计

第1章绪论1.1选题背景与意义1.1.2选题意义1.2国内外发展现状我国于20世纪80年代开始研究温度测控技术，相对于当时其他国家较晚。我国纪90年代中后期。而研发成的产品还是主要为PID控制器之一1.3本课题的研究内容和章节设计1.3.2工作安排第2章恒温供暖系统的原理2.1恒温供暖控制系统的组成某小区供热系统示意图如图2.1所示。热源电厂的热水水通过主管网流到换热热电热电主管网换热站二次管网用户图2.1供热系统示意图2.2恒温供暖系统的设计分析用户温度压力热电换热器温度压力证用图2.2恒温供暖系统装置结构图度恒定在40~65℃,在系统中温度的监控和测量相当重要。温度控制的流程是测量二次网进水水温是否恒定在70~80℃,①温度恒定，按照课题要求的出水水温40~65℃器图2.3温度控制原理图2.3变频恒温供暖系统的方案设计此方案的功能设定为：自动与手动的可切换双工作模式。手动模式下，通过操作控制面板，可以关闭和开启每一台循环泵，选择循环泵的的工频/变频工作方式以及在变频状态下的频率。在自动模式下工作，系统可以根据外部传感器采集的信号自动调节循环泵运行，得知其具体工作状态。对二次网进水水温、进水管压力、流量和出水水温进行实时数据采样，采集的信号直接送往PLC的模拟量扩展模块EM235,从而实现闭环控制。二次网温度参数的设定。不同时间段的参数是不同的。在本次论文所研究的系统中，我们设定的温度参数不是一成不变的，它们是一组变化的值，会随着外部传感器所测定的实际数值与课题要求达到的数值的改变而改变。2.4变频调速原理三相异步电动机的变频调速是供暖系统变频的本质。三相异步电动机带动循环泵旋转，调节水管的流速，当作为一个整体来发挥作用的电机和循环泵，会通过变频器，调节异步电动机的转速来改变循环泵的流量，以此实现对系统的温度的调节。改变定子供电频率来改变的同步转速，从而实现异步电动机的变频调速4。异步电机的转速为：其中：当极对数P不变时，转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。由此可得，可以通过连续调节异步电机的供电电源的频率，使电机的同步转速产生连续且平滑的改变，转子的转速也相应被调节。变频调速可以从高到低速保持有限的转差率，所以变频调速是一种高效高精准，平滑且调速范围大，机械特性较硬的调速方式。其性能可媲美直流电动机调速系统，所以变频调速被广泛的应用于水泵电机的调速。对于交流异步电机，变频调速是一种相对理想又合理的调速方法。2.5常用的调速方式(1)变极对数调速(2)改变转差率调速(3)改变电源频率调速第3章恒温供暖控制系统硬件设计内部控制，其拥有14/10的输入/输出，对于小型控制系统足以应付。后将其输入到S7-200PLC扩展模块EM235A/D转换器的模拟输入端0-32000数字信号被发送到PLC控制器示电器控制盒(交流接触器，热继电器)PLC控制器变频器图3.1供暖系统设计结构图3.2硬件选型回水水温需维持在40℃~65℃附近，进水水温需维持在70℃~80℃,综合考虑，决定选用2个许昌昌安科技有限公司58AR系列信号(温度)隔离变送器，外形如图精度等级：0.5级；0.2级；隔离输出：直流电流0-10mA,0-20mA,4-20mA;图3.2温度变送器外形结构图3.3CPU224外形结构3.2.2PLC选型输出，I/0共计24点，可连接7个扩展模。根据I/0口分配，恒温供暖控制系统PLC输入/输出模块分配见表3.1。输入信号输出信号编号用途编号用途1启动开关1Q0.01号泵工频运行接触器及指示灯2停止开关2Q0.11号泵变频运行接触器及指示灯31号泵启停3Q0.22号泵工频运行接触器及指示灯42号泵启停4Q0.32号泵变频运行接触器及指示灯53号泵启停53号泵工频运行接触器及指示灯6频率增大6Q0.53号泵变频运行接触器及指示灯7频率减小7Q0.6报警信号8手动/自动开关8Q0.7变频数字量输出191号变频/工频9Q1.0变频数字量输出2I1.12号变频/工频Q1.1变频数字量输出33号变频/工频进水水温信号出水水温信号EM235具有较高分辨率和较强输出驱动能力，被选为模拟量输入/输出扩展模量的标准电信号为4至20mA,A/D转换后的值为6400至32000,模拟量的标准通D=(A-100(32000-6400A/D转换关系函数关系图如图3.4,温度与PLC运算量对应的数值见表3.2。温度(℃)温度(℃)0表3.2A/D转换关系温度值输出量3.2.3其他硬件的选择(1)热继电器选型机的额定功率为5.5KW,额定电流为11A,选TR20-20(整电电流为11A)热继电器，外形如图3.6所示。图3.5交流接触器外形图图3.6热继电器外形图(2)交流接触器选型所选用的型号的额定电流应该大于或等于(1.5～2.5)I,这里选用6个CJ20-40。CJ20-40的触头为直动式，有两个断点。用它和辅助触头作为独立组件，,在电气上互为独立，分别安装与主端两侧，外形如图3.5所示。(3)断路器选型断路器以使用范围分为两种，高压断路器与低压断路器。当生电路异常或者电路过载等情况时，断路器能够在短时间内开断电路，确保不会引发安全事故或造成更大的财产生命损失。本文这里我选择使用4个断路器，电机的额定功率为5.5KW根据公图3.7断路器外形图图3.8变频器器外形图3.2.4变频器选型MICROMASTER430是西门子水泵电机专用变频器，外形如图3.8所示。本系列有多种型号，额定功率范围从7.5kW到250kW,可供用户选用，根据选型要求选择西置和标准变频器设置开始，就是针对水泵和风扇的适用型号。因此，其操作极其可靠并具有许多特性。可选的脉宽调制的开关频率，使电机降噪。并为变频器和电机带来非常强大而完善的保护功能。5DA6光电隔离6光电隔离8或温度传够器接口0(种相性员梅(种相性员梅糖重需3糖重需3通认接外形尺寸外形尺寸[DIP拨码开关(在控制板上)电压(在1/0关)PM3.3恒温供暖控制系统电气原理图如图3.10所示。几N-几N-2号也出现1号的情况时，2号便也切换为工频，随后3号开始变频运行；当相反的情况下水量减少时，顺序为先1号，然后2号等退出工作。如图3.11所示。输入端子I0.0~I1.3,表示系统各部分的功能。工1十LNW器第4章恒温供暖控制系统软件设计恒温供暖控制系统控制方法有手动控制、自动控制。手动控制时，通过操作控制面板上的操作按钮来进行手动控制，没有任何逻辑限制。在自动运行方式下，外部传感器采集到压力温度的数据与系统要求的标准值进行对比，通过模数转换传给PLC,PLC的输出端对设备进行启/停及工频、变频切换控制，其工作过程如图4.1所示。本系统工作过程为：满足要求，将测量的出水水温与系统要求达到的40~65℃进行比对；不满足要求，向一次网进行报警。第二步，PLC根据反馈的温度数据和变频器的输出频率，处理模拟量数据。最终经过数据处理后发出控制信号，进行执行操作。操作结束后再次对管网温度进行检测并反馈，循环运行。4.2控制系统程序设计本系统控制过程分为手动控制功能和自动控制功能。如图4.2所示为手动操作控制模式和自动控制模式的两种选择流程图。图4.2模式选择流程图(1)手动模式手动控制1#泵变频运行1#泵工频运行2#泵变频运行2#泵工频运行3#泵变频运行3#泵工频运行(2)自动模式台循环泵进行增减、工频/变频的切换以及变频状态下的频率变化。如图4.4所示，NYNNYYY回水管水温值?Y回水管水温值?NNNY值?YN开始开始数据传输检测子程序4.3.21号泵电机控制子程序此程序主要控制1号泵电机的运行、停止和变频调速，其工作流程图如图4.6工作包括：自动运行过程开始启动1号泵电机变频运行，检测回水管温度大小。若反馈值低于预设值，启动定时5S,定时到，管内温度仍低于预设值，检测变频器输出的频率，变频器输出频率上限值为50Hz,切换1号泵电机工频运行，启动2号NYN过50Hz?YNYNY4.3.32号泵电机控制子程序值，启动定时5S,定时到，管内温度仍低于预设值，检测变频器输出的频率，变频器输出频率上限值为50Hz,切换2号泵电机工频运行，启动3号水泵电机控制程序，管内温度反馈值高于预设值，切除1号泵电机工频运行，维持2号泵电机变频调速运N准值?NNY标准值?YYNY图4.7频器输出频率为上限值50Hz,切换3号水泵电机工频运行，管内压力反馈值高于预4.4变频器MM430的参数设置1参数号出厂值设置值说明230380电动机的额定电压(380V)23.2511电动机的额定电流(11A)30.755.5电动机的额定功率(5.5kW)450.0050.00电动机的额定频率(50Hz)501395电动机的额定转速(1395r/min)670O电动机的最小频率(0Hz)85050.00电动机的最大频率(50Hz)922选择命令源(由端子排输入)固定频率设值(二进制编码选择+ON命令)固定频率设值(二进制编码选择+0N命令)