毕业设计（论文）热水供应自动控制系统设计

1 引言我国大多数家庭的热水供应，仍以使用瓦斯热水器最为普遍，然而每到冬季，瓦斯中毒事件频传，并造成许多家庭悲剧，因此瓦斯热水器是中国人日常生活中最具威胁，但又不能不用的一项家用产品。有些人改用电热水器以电能来加热，但因电热水器加热或保温时，都要付出高额的电费，且具有漏电与电辐射的问题，威胁性仍然存在。国民生活水平随着收入的增加而提升，已进入追求生活品质的时代，以家用厨浴设备来说，“全天候热水供应系统”的应用已是必然趋势1。集中热水供应系统（central heating system）指的是由加热设备集中制备热水，并用管道输送至建筑物的配水点的系统。其特点是，加热器及其他设备集中，可集中管理，加热效率高，热水制备成本低，设备总容量小，占地面积小，适用于热水用量大，比较集中的场所。随着现代科学技术的迅猛发展，以微处理器为核心的可编程序控制器（PLC）迅速发展起来。由于PLC体积小、价格低、功能强、运行稳定可靠、硬件简单、软件易学，现已广泛应用于自动控制的各个领域，传统的继电器控制已逐步被PLC所取代2。目前，我国PLC控制已逐步代替了传统的继电器群的控制。由于PLC采用循环扫描的工作方式，即“串行”工作方式，具有较强的抗干扰能力，与继电器控制的“并行”工作方式不同，克服了继电器触点的竞争和时序失配的问题3。PLC控制把传统的继电器控制逻辑变为程序控制逻辑，其内部继电器可代替用于逻辑控制的中间继电器，使控制系统的噪声大大降低，控制柜的体积大大缩小。1.1 设计目的及意义司马煤业职工宿舍公寓，共有宿舍楼两栋（6层），共有720个宿舍，每个宿舍配有一台电热水器，热水器的使用年限为5年，改造前至少有40%需要更换，随着使用年限的增加，热效率从95%降至40%，致使电能消耗越来越大；另外电热水器是以容积式、直接加热的方式提供热水，加热时间过长，给职工洗浴带来不便，特别是在早晨，热水器的容积太小，在使用过程中经常会出现断水的现象。热水器的安全性及使用舒适度急剧下降，职工的投诉率呈上升趋势。为了满足广大职工的生活用热水需求,司马煤业公司利用现有资源,对原有热水系统进行改造。本毕业设计根据用户要求，整个系统采用自动化控制，尽可能利用原有设备和管道。热站系统直接负责向多层公寓定压供水，并向高层公寓提供水源，高层公寓在热站外另设二次增压泵供水。该电气控制系统采用PLC编程控制，具有超误差识别功能，手动与自动切换功能，并可自动报警。1.2 可编程序控制器的特点1.可靠性高 可编程序控制器采用了微电子技术,大量的开关动作由无触点的半导体集成电路完成。2.编程简单 PLC最大特点,是采用了易学易懂的梯形图语言。它是以计算机软件技术构成人们已习惯的继电器模型,形成一套独具风格的,以继电器线路图为基础的形象编程语言。3.通用性好 PLC是通过软件来实现控制的。同一台PLC可用于不同的控制对象,只需改变软件就可以实现不同的控制要求,充分体现了灵活性与通用性。4.功能强大 PLC不仅可以完成逻辑运算,计数,定时,还可以完成算术运以及A/D,D/A转换等。5.体积小,功耗低 由于PLC采用半导体集成电路,因此具有体积小,重量轻,功耗低的特点,而且设计结构紧凑坚固,易于装入机械设备内部,是实现机电一体化的理想控制设备。 6.设计施工周期短 使用PLC完成一项控制工程,在系统设计完成以后,现场控制柜等硬件的设计及现场施工和PLC程序设计可以同时进行。由于PLC用软件取代继电接触控制系统中的中间继电器,时间继电器,计数器等低压电器,使整个设计,安装,接线工作量大大减少。又由于PLC程序设计和硬件的现场施工可同时进行,因此大大缩短了施工周期4。1.3 PLC的应用随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降,而功能却大大增强。目前,在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备,应用的领域已覆盖了所有工业企业。概括起来主要应用在以下几个方面： 1.开关量的逻辑控制 开关量逻辑控制是工业控制中应用最多的控制,PLC的输入和输出信号都是通/断的开关信号。对控制的输入,输出点数可以不受限制,从十几个到成千上万个点,可以通过扩展实现。在开关量的逻辑控制中,PLC是继电器接触器控制系统的替代产品。用PLC进行开关量控制遍及许多行业,如机床电气控制,电梯运行控制,冶金系统的高炉上料,汽车装配线,啤酒灌装生产线等。 2.模拟量控制 PLC能够实现对模拟量的控制。如果配上闭环控制(PID)模块后,可对温度,压力,流量,液面高度等连续变化的模拟量进行闭环过程控制,如锅炉,冷冻,反应堆,水处理,酿酒等5。 3.机械运动控制 PLC可采用专用的运动控制模块,对伺服电机和步进电机的速度与位置进行控制,以实现对各种机械的运动控制,如金属切削机床,数控机床,工业机器人等6。 4.通信,联网及集散控制 PLC通过网络通信模块及远程I/O控制模块,可实现PLC与PLC之间的通信,联网,与上位计算机的通信,联网,以实现PLC分散控制,计算机集中管理的集散控制(又称分布式控制),增加系统的控制规模,甚至可以使整个工厂实现生产自动化。 5.数据处理 许多PLC具有很强的数学运算(包括逻辑运算,矩阵运算,函数运算),数据传送,转换,排序,检索等功能;还可以完成数据采集,分析和处理这些数据,可以与存储器中存储的参考数据相比较,也可以传送给其它智能装置或传送给打印机打印制表。较复杂的数据处理一般在大,中型控制系统中进行7。1.4 西门子S7-200型PLC及其编程环境介绍1.4.1 西门子S7-200型PLC主要参数S7-200系列小型PLC (Micro PLC)可应用于各种自动化系统。紧凑的结构、低廉的成本以及功能强大的指令集使得S7-200 PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案8。S7-200产品的多样化以及基于Windows的编程工具，能够更加灵活地完成自动化任务。本毕业设计使用西门子S7-200系列PLC，其详细参数见表1.1。1.4.2 西门子PLC编程环境介绍STEP 7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。为了能快捷高效地开发应用程序，STEP 7-Micro/WIN软件提供了三种程序编辑器。为了便于您找到所需的信息，STEP 7-Micro/WIN提供了详尽的在线帮助9。编程界面见图1.1。表1.1 S7-224XP参数表外形尺寸140x80 x62脉冲数出(DC)2路100 kHz数据存储器10240字节模拟电位器2掉电保护时间100小时实时时钟内置I/O数量数字量14输入/10输出通讯口2 RS-485模拟量2输入/1输出浮点数运算是扩展模块数量7个模块数字I/O映像大小256（128输入/128输出）高速计数器单相4路30kHz2路200kHz布尔型执行速度0.22ms/指令两相3路20 kHz1路100kHz图1.1 STEP 7-Micro/WIN编程界面2 系统总体分析与设计2.1 系统整体流程说明该供热系统由两台变声速增压热交换器，两台循环水泵(一备一用)，一台保温水泵，两台可控开度电磁阀和一个水箱（保温处理）组成。见图2.1。具体系统流程为：为确保用水安全，在热站室内设置一储水箱，容积35立方米(水箱外部制作保温)，利用变声速增压热交换器将冷水加热至供水温度后将热水打入水箱，利用变频水泵将水箱内热水直接向用户供水，供水采用循环回路，多余水量经回水管流回水箱，以供水压力为信号，水泵变频定压。供水系统工艺流程图见图2.1。图2.1 系统工艺流程图2.2 系统功能要求该热水供应自动控制系统是对供水系统的运行状态进行检测和自动控制的系统。该系统可以采集到实时状态信息，并自动控制，使系统智能运行。系统具有以下功能：1、热水温度调节功能：通过换热器一次蒸汽入口处的电动调节阀调整热媒供给量来实现控制。控制方式为PLC可编程控制器，根据二次供水管上安装的温度传感器测量到的温度与程序设定的温度比较后，由模拟量模块输出的0到10伏的电压信号（或4-20mA）控制电动调节阀的执行器动作进而改变蒸汽阀体的开度，实现流量调节，来控制二次水的温度。也可以在人机界面上显示交换后二次水的设定温度，并通过人机界面进行修改设定值。2、自动补水功能：通过液位的高低，实现自动补水。实现无水开机，水满停机。3、水箱保温功能：在失水后或少用户阶段通过检测水箱内温度的值与设定值比较通过调节一次网阀开度，保持水箱内的温度恒定。4、循环泵恒压供水功能：恒压供水，保证压力在一定范围。（用户可自由调节）。系统主控为压力，辅控配以液位和温度10 11。5、 循环泵倒泵控制：两台循环泵一用一备.按顺序定期切换两台泵的启停.某泵出现故障时另一台泵正常运行。备有维修开关，一台泵故障或检修时，系统可不停机正常运行12。6、报警功能：关键数据报警.连锁保护.,交换站现场报警指示。报警参数有：a、一次蒸汽超压。（不参与控制）b、水箱低水温报警。（不参与控制）c、水箱高水温报警。（参与控制）d、水箱水位高低报警。（参与部分控制）e、循环泵、保温泵故障报警。7、系统配有手动、自动方式切换功能：自动时系统受管网压力、温度、液位的控制，接受模拟信号，系统按一定的流程工作。手动时可以单独控制任何一台负载或阀体启动停止运行13。8、中文液晶界面显示，软件应符合：（1）界面汉化，适应操作人员习惯；（2）图形直观，减少运行人员记忆强度；（3）系统提供故障报警功能；（4）对重要操作可给以提示14；9、控制参数输入功能：一些参数的值可根据外部环境的变化进行调整，从而达到节能，自控的理想效果。2.3 控制系统总体结构控制系统主要由以下组件构成，详见表2.1。表2.1 控制系统组件表序号名 称规格型号数量单位技术要求1变频器6SE6430-2UD27-5CA01台7.5KW2变频器6SE6430-2UD31-8DB01台18.5KW3控制柜2200*800*6001台4PLC6ES7214-2BD23-0XB81台5扩展模块6ES7235-0KD22-0XA86台6扩展模块6ES7223-1PH22-0XA81台6断路器GSM1-63L/3300 2 40A2台7断路器GSM1-63L/3300 2 16A1台8交流接触器GSC1(CJX4-D)-384台9交流接触器GSC1(CJX4-D)-182台10热继电器JRS4-32355D2台11热继电器JRS4-09314D1台12DC24V 电源3A1个AC220V供电 DC24V/3A输出13电流互感器BH40-0.663台30/514电压表42L61台0450V15电流表42L63块50/516电压转换开关LW38C2-16YH3/31个17转换开关LW62个18按钮LA42（红、绿各3，黄2个）8个AC220V19中间继电器220V AC7套两开两闭20指示灯AD 17KA-22（红、绿各2）4个AC220V21调速按钮WTR2个22蜂鸣器AD11-22D/41-CDY2个AC220V23控制面板BOP-22个系统电气控制原理图见图2.2。图2.2 系统电气控制原理图3 控制系统程序设计3.1 PLC程序中I/O点分配程序I/O点分配表见表3.1。表3.1 程序I/O点分配表描述地址中继地址变换后地址描述地址中继地址变换后地址循环泵变频故障M2.02#循环泵变频接触器闭合I1.2M4.1保温泵变频故障M2.12#循环泵工频接触器闭合I1.3水箱水位低M3.01#循环泵热保护动作I1.4水箱水位高M3.12#循环泵热保护动作I1.51#循环泵热保护动作M3.2保温泵变频接触器闭合I2.0M4.22#循环泵热保护动作M3.3保温泵工频接触器闭合I2.1保温泵热保护 动作M3.4保温泵热保护动作I2.2一次蒸汽压力M3.51#循环泵变频Q0.0水箱水温低M3.61#循环泵工频Q0.1水箱水温高M3.72#循环泵变频Q0.2蒸汽干管压力AIW4VW72VD1102#循环泵工频Q0.3换热器前压力一AIW6VW74VD114循环泵变频运行输出Q0.4换热器前压力二AIW8VW76VD118循环泵电位器调速Q0.6换热器后压力AIW10VW78VD122保温泵变频运行输出Q0.7换热器后温度AIW12VW80VD126保温泵电位器调速Q1.1自来水压力一AIW14VW82VD130保温泵变频Q2.0自来水压力二AIW16VW84VD1341#电磁阀动作Q2.1水箱水位AIW18VW86VD1382#电磁阀动作Q2.2水箱温度AIW20VW88VD142循环泵故障输出Q2.3循环泵前压力AIW22VW90VD146保温泵故障输出Q2.4循环泵前温度AIW24VW92VD150压力设定VD186供水压力AIW26VW94VD154温度设定VD190续表3.1 程序I/O点分配表描述地址中继地址变换后地址描述地址中继地址变换后地址回水温度AIW28VW96VD1581#调节阀开度给定VD194循环泵频率AIW30VW98VD1622#调节阀开度给定VD198循环泵电流AIW32VW100VD166水箱温度上限设定VD206保温泵频率AIW34VW102VD170水箱温度下限设定VD210保温泵电流AIW36VW104VD174水箱水位上限设定VD2141#调节阀开度AIW38VW106VD178水箱水位下限设定VD2182#调节阀开度AIW40VW108VD1821#循环泵启动按钮M5.0循环泵频率给定AQW41#循环泵停止按钮M5.1保温泵频率给定AQW82#循环泵启动按钮M5.21#调节阀开度给定AQW122#循环泵停止按钮M5.32#调节阀开度给定AQW16循环泵PID调速按钮M5.4循环泵手动I0.0循环泵电位器调速按钮M5.5循环泵自动I0.1巡检投入按钮M5.6保温泵手动I0.2巡检退出按钮M5.7保温泵自动I0.3保温泵启动按钮M6.0循环泵变频运行I0.4保温泵停止按钮M6.1循环泵变频故障I0.5保温泵PID调速按钮M6.2保温泵变频运行I0.6保温泵电位器调速按钮M6.3保温泵变频故障I0.71#电磁阀开按钮M6.41#循环泵变频接触器闭合I1.0M4.01#电磁阀关按钮M6.51#循环泵工频接触器闭合I1.12#电磁阀开按钮M6.6一次蒸汽压力上限设定VD2022#电磁阀关按钮M6.73.2 水温控制程序3.2.1 进水温度控制程序热水加热采用自动控温系统，可通过蒸汽管道上的电动调节阀调节供水温度，信号取源部件安放于换热器出口与水箱之间管道上。为了减少电动调节阀的频繁动作，设计中出水温度为一个温度范围（6575）。当出水温度小于65时（或者大于75时），电动调节阀会增大（减小）2%的开度，然后延时30s再次检测，直到温度进入范围后停止增加。在安全控制方面，循环水泵设置断水保护装置，另外在换热器出水管上设定温度信号，当换热器进水严重缺水时(出水温度超过80)，可通过电磁阀关闭蒸汽进入管道，防止蒸汽直接进入水箱或热水管道系统，以避免发生水击现象15。在自来水管道上设置自力式流量控制阀，以确保流经换热器的冷水量稳定，提高自动控制精度。在自来水管道上设置止回阀，防止热水注入自来水管道16。进水温度控制程序流程图见图3.1，程序见附录3。图3.1 进水温度控制程序流程图图3.2 水箱保温功能控制程序流程图3.2.2 水箱保温功能控制程序对水箱设置温度自控系统，在水箱内放置一温度传感器，当水箱内水温降低至设定值时，通过保温水泵，可自动启动保温用2号换热器进行加热，由水箱内温度传感器发出电信号，先开启保温水泵，延时5秒，开启蒸汽管道上电磁阀4，通过水泵将水箱内的凉水打入换热器进行再加热，完成保温功能。温度信号取源部件安放于水箱底部。当水箱内水温升高至设定值时，可自动关闭2号换热器，由水箱内温度传感器发出电信号，先关闭蒸汽管道上电磁阀4，再关闭保温泵。水位控制和水温控制不互锁17。水箱保温功能控制程序流程图见图3.2，程序见附录3。3.3 水箱水位控制程序水箱设高低水位自控系统，要求高水位换热器自动停止供水运行，低水位换热器自动开始供水运行。当水箱内水位处于低水位时，由水位控制器向控制系统发出电信号，先开启自来水管道上电磁阀1，延时5秒后再开启蒸汽管道上电磁阀2，1号换热器处于运行状态；当水箱内水位处于高水位时，由水位控制器向控制系统发出电信号，先关闭蒸汽管道上电磁阀2，延时5秒后再关闭自来水上电磁阀1，换热器处于关闭状态18；当水位在高低水位之间时，换热器及电器控制系统处于关闭状态不动作；当用水持续高峰，1号换热器持续开机运行，水箱位信号低于水位下下限时，水位低警示灯亮起，并自动开启2号换热器，两台换热器同时供水，以满足用水要求。2号换热器开机流程与上述1号换热器相同。当水位达到要求时，按关闭2号换热器和1号换热器。根据小时最大用水量和平均小时用水量，选用加热用KUHO100型变声速增压热交换器二台，单台出水量4050吨/小时,一用一备，如遇持续用水高峰期，可两台短时间同时供水。水箱水位控制程序流程图见图3.3，程序见附录3。图3.3 水箱水位控制程序流程图3.4 巡检程序供水系统要求24小时工作，为了提高系统稳定性，在设计时，供水循环水泵采用了一备一用方式。在系统中两台水泵，每台工作72小时后自动切换。延时程序利用计时器和计数器配合进行。巡检程序流程图见图3.4，程序见附录3。 图3.4巡检程序流程图4 调试过程中出现的问题及解决办法4.1 水位在临界状态时电磁阀频繁动作问题原来设计的程序中在水位控制时，只有有两个关键位置，即水位上限和水位下限。当水位到达上限水位时，电磁阀频繁的开闭。电磁阀频繁动作，会影响设备的使用寿命。经过观察研究，在水位达到上限时电磁阀关闭，如果此时的用水量很小，水箱中的水会消耗，水位自然下降，电磁阀会开启很快又将水箱中的水补齐，此时，电磁阀又关闭。正因如此致使电磁阀频繁动作19。为解决上述原因导致的误动作增设了现在程序中的第三个水位，即水位下下限。然而在程序中加入下下限后电磁阀在临界水位时依然出现频繁动作的现象，又经过考虑，我找到了原因。水箱中的水位传感器是安装在水箱的一个角落里的，进水管安装在水箱的上方，在进水时，会使水面动荡，正是这种动荡引起的误动信号。找到原因后，我在水位控制程序中，加入了一个延时比较程序20。延时程序的工作原理是这样的：当PLC收到应该让电磁阀动作的水位信号时，先不急于动作，经过一个一分钟的延时，然后再次进行比较21，如果此时的水位信号依然要让电磁阀动作，此时电磁阀才会动作，否则不动作。加入水位下下限和延时再判断程序后，电磁阀频繁动作的问题迎刃而解22。4.2 温度传感器受变频器干扰问题在设备调试过程中，发现温传感器受变频器影响严重。当变频器启动后，温度信号会频繁的变动，而且变动范围较大23；关闭变频器，用电位器调节水泵转速时，温度传感器工作正常。温度信号受到干扰，严重影响到保温泵的自动控制，同样导致水泵频繁的开启关闭动作24。出现这个问题，一开始以为是在工人安装过程中没有将信号屏蔽做好导致的。然而在我们重新做温度信号屏蔽后，现象依然存在。经过观察，变频器在开启和关闭的一段很短的时间中，波动最为严重；另外，我们做了测试将温度信号输入线从PLC的转接线板中取出，此时没有温度输入25，但干扰依然存在，温度依然波动。抱着试试看的态度，我将信号输入直接接在s-200的拓展模块上，开机测试，问题解决26。后经分析，出现这种问题的原因在于，安装过程中为了缩短距离，转接线板的温度信号线从变频器后方走过，导致了干扰的产生27。5 总结本次毕业设计，是PLC的一次应用，在生产中对所学知识的一次实践。通过本次毕业设计，我对PLC的应用有了更深一步的了解。以前只是在书本上学的一些简单的命令、基本指令，而这次毕业设计，要通过编程来在实际生产中控制供水系统的运行，因此通过本次设计，进一步增强了自己的动手能力和理论与实践相结合的能力，也增强了自己思考问题和解决问题的能力。刚开始做的时候，遇到许多困难，尤其是程序编写完成，调试的时候，遇到问题要实时考虑，实时解决，最后在导师的指引和自己的摸索下，使问题得到有效解决。通过本次的设计，我深切感受到理论结合实践的重要性。因为控制量不可能处于理想状态，仅有理论是远远不够的，有时候理论上可行，但到实践中就行不通，更达不到工业要求。必须从实地出发，从实际情况出发，去思考导致误动作的原因，想办法让系统适应这种非理想状态，系统才能够运行。通过实践能够学到许多书本上学不到的东西，更能加深对知识的理解，提升对知识运用能力。附录A 系统工艺流程图附录B 水泵电机电气主接线图附录C PLC主程序 参 考 文 献1王斌8000人生活热水供应系统设计北京：电子工业出版社，200912居荣PLC应用基础北京：化学工业出版社， 20041733翁双安跟我学PLC北京：机械工业出版社，20081834唐志平PLC控制技术北京：机械工业出版社，200815沈莉莉变频技术应用实践第二版北京：中国电力出版社，20072376 姚锡禄. 变频器控制技术入门与应用实例. 建筑电气2009,4: 12157贺家李，宋从矩变频完全应用第三版北京：中国电力出版社，20088霍利民PLC应用实例第二版北京：电子工业出版社，20081989李佑光，林东编PLC应用技术第二版北京：科学出版社，2009610 梁卫忠. 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Mechanism & Electron 1999;(3): 57. 致 谢在本文即将结束之际，我要向大学期间无论在生活、工作还是学习上给过我帮助、支持与鼓励的人们表达深深的谢意。首先，我要感谢我的导师宋小鹏老师。宋老师在学习中给予了我悉心的指导，同时他勤奋的工作作风、遇事勤于思考的研究态度、积极进取的勇气和魄力以及对我的严格的要求使我受益匪浅，这比单纯的获得知识还要宝贵。在此，我要向他表示衷心的感谢，并祝他身体健康，工作顺利。此外，我要向我的校外导师谢国龙高级工程师表示衷心感谢。在校外做毕设期间，谢工在百忙中抽出时间给我介绍系统流程，讲解在工程中常用到的方法，提供可行的设计思路，他那种对科学严谨的态度给我留下了很深的印象，值得我用心去学习。在生活中，谢工对我的细心照顾，让我在司马煤矿度过了难忘的65天。我还要向我的父母表示感谢，是他们二十多年来不辞辛苦的把我抚养长大，无论在生活还是学习上，一直默默支持着我。感谢他们所做的一切！我是个幸运儿，在这四年的时间中，得到了太多人的帮助，我很难在此一一列出他们的名字。但是，我会把我所有美好的回忆永远留在心中。大家曾给与我的鼓励、帮助和支持一定会激励我走向新的人生历程。第 40 页 共 40 页