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西門子PLC在新型太陽能熱水器中的應(yīng)用
| 1 引言 近年來，我國應(yīng)用太陽能和采暖發(fā)展迅速，節(jié)能效果明顯[7]。但是，太陽能熱水器也有自身的缺點(diǎn)。首先，太陽能熱水器受天氣因素影響較大，在陰天或冬天的時候光照強(qiáng)度不足，就不能提供溫度較高的熱水；其次，太陽能熱水器提供的水量有限，且水溫不夠穩(wěn)定；zui后，目前我國的太陽能熱水器多為家用的小型太陽能熱水器，不能夠集中管理和控制。 為解決這些問題，設(shè)計了一種基于plc的集熱式太陽能熱水器，可對多個用戶集中供水，全天候提供水溫穩(wěn)定的熱水，操作簡單，經(jīng)濟(jì)效益高。plc采用西門子s7-200系列進(jìn)行控制操作。配合相應(yīng)的溫度、液位和流量傳感器及plc的模擬量輸入擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)對集熱式太陽能熱水器中水溫、水位和流量的控制。同時，plc與西門子文本顯示器td400集成，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，對集熱式熱水器內(nèi)部的水溫和水位進(jìn)行實(shí)時在線顯示和設(shè)置。 2 集熱式太陽能熱水器 2.1 電控工作原理 集熱式太陽能熱水器可以對多用戶提供熱水，且供水量大、供熱水效率高，目前廣泛應(yīng)用于需大量供熱水的事業(yè)單位等部門。該系統(tǒng)是與建筑有機(jī)結(jié)合、全天候的太陽能熱水器。其安裝在建筑的屋頂之上，不占用建筑內(nèi)部空間，使用起來簡單方便，如圖1所示。 由圖1可知，該集熱式太陽能熱水器主要由太陽能集熱板、水箱、電磁閥、水泵、溫度傳感器、液位傳感器、電伴熱帶、電加熱器、電磁流量計和控制柜等部分構(gòu)成。該系統(tǒng)的控制原理為：
(2) 當(dāng)1#水箱中的水量不足設(shè)定的zui低*，1#電磁閥打開，使自來水進(jìn)入1#水箱，補(bǔ)充水量到設(shè)定的zui高限為止。 (3) 當(dāng)用戶端水溫低于50度時，3#水泵啟動，達(dá)到55度時關(guān)閉。 (4) 當(dāng)2#水箱的水位低于zui低*，2#水泵啟動，同時2#電磁閥打開，以1#水箱中的水作補(bǔ)充，達(dá)到設(shè)定水位上限為止。 (5) 2#水箱水溫低于50度且2個水箱水位高于設(shè)定的zui低加熱水位時，加熱器開，達(dá)到55度時關(guān)。 (6) 當(dāng)1#水箱水溫高于70度時，開2#水泵，2#電磁閥和3#電磁閥，使兩個水箱的水進(jìn)行循環(huán)，兩個水箱水溫相等時停止循環(huán)。 (7) 當(dāng)流量計的流量高于設(shè)定值時，3#水泵啟動。 (8) 當(dāng)管道溫度低于下*，開伴熱帶同時還要開1#水泵，循環(huán)一定時間。 (9) 當(dāng)控制柜內(nèi)溫度高于設(shè)定的風(fēng)扇啟動溫度，風(fēng)扇啟動，低于設(shè)定溫度時關(guān)閉。 2.2 電控系統(tǒng)硬件 集熱式太陽能熱水器的控制系統(tǒng)如圖2所示。它由決策機(jī)構(gòu)、測量感知機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成，其中決策單元是控制系統(tǒng)的核心。
西門子s7-200系列plc是的小型模塊化可編程控制器[1]。plc應(yīng)用工程首先要合理的選擇系統(tǒng)配置，這對于提高plc在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用有重要的作用。根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行原理，經(jīng)過計算統(tǒng)計，該系統(tǒng)的控制點(diǎn)數(shù)為：模擬量輸入7個，數(shù)字量輸入7個，數(shù)字量輸出9個。根據(jù)系統(tǒng)的控制點(diǎn)數(shù)和余量，本系統(tǒng)采用西門子s7-200系列中的cpu224作為控制核心單元，它本身所擁有的數(shù)字輸入輸出口數(shù)量能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需要，而且有少量剩余，可用于以后的擴(kuò)展或改造。模擬量輸入擴(kuò)展模塊采用em231，它是4輸入12位的模擬量輸入模塊。本系統(tǒng)共有7個模擬量輸入，所以需要擴(kuò)展2個em231。另外，采用文本編輯器td400與cpu224相連，共同示組成一個具有實(shí)時操作顯功能的自動監(jiān)控系統(tǒng)。td400是一個能顯示兩行或四行的文本顯示設(shè)備，為背光液晶顯示，有較好的分辨率，可由s7-200cpu獲得供電，或者由單獨(dú)電源供電。td400的主要作用是設(shè)置系統(tǒng)的各項控制參數(shù)，包括各個部分的溫度上限值和下限值，水箱水位的上限值和下限值等，同時可以對各個部分的水溫和水位及各個執(zhí)行器的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。 主控中心主要功能為：對由模擬量輸入模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)用戶設(shè)定的各項參數(shù)和系統(tǒng)控制原理，作出控制決策。 (2) 測量感知機(jī)構(gòu) 測量感知機(jī)構(gòu)包括溫度傳感器、液位傳感器和電磁流量計。溫度傳感器采用pt100鉑熱電阻，輸出為4~20毫安電流，量程為0~100攝氏度。溫度傳感器的作用是實(shí)時采集太陽能集熱板、水箱、輸水管路和用戶端的水溫，決策機(jī)構(gòu)將根據(jù)這些數(shù)據(jù)來對相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，達(dá)到系統(tǒng)溫度參數(shù)的設(shè)定要求。液位傳感器用于實(shí)時采集兩個水箱中的水位，決策機(jī)構(gòu)根據(jù)水位參數(shù)的設(shè)定要求來對相應(yīng)的控制器進(jìn)行控制。電磁流量計用于檢測用戶端管道內(nèi)的水流量，根據(jù)流量的大小，決策機(jī)構(gòu)就可以判斷用戶端用水量的多少，從而控制執(zhí)行器增加或減少熱水的供應(yīng)量。所有的傳感器均采用三線式接線方式。 (3) 外部執(zhí)行機(jī)構(gòu) 本系統(tǒng)的外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括3個水泵、3個電磁閥、排熱風(fēng)扇和電伴熱帶。水泵用于對管路和水箱中的熱水進(jìn)行循環(huán)，電磁閥用于控制管路內(nèi)水流的通斷，排熱風(fēng)扇可以將控制柜內(nèi)較高的空氣排到柜外，電伴熱帶用于防止管路在冬天上凍結(jié)冰。另外，系統(tǒng)還有一個急停按鈕，按下急停按鈕，會切斷執(zhí)行器的供電，使系統(tǒng)停止運(yùn)行。所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是在控制機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一控制下協(xié)調(diào)工作，使系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的進(jìn)行工作。控制柜為立方體形，高度為180厘米，安裝有兩層門，內(nèi)層門上安有上電指示燈、手自動開關(guān)、啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕和文本顯示器td400。 3 plc軟件編程 控制系統(tǒng)的軟件編程是在西門子公司提供的step7 microwin v4.0plc編程軟件下進(jìn)行的，它可以對s7-200的所有功能進(jìn)行編程。該軟件在windows平臺下運(yùn)行，其基本功能是協(xié)助用戶完成應(yīng)用軟件任務(wù)。該系統(tǒng)的軟件程序使用梯形圖進(jìn)行編程，采用結(jié)構(gòu)化編程方式，主要包括出場參數(shù)設(shè)置、量程轉(zhuǎn)換、自動和手動子程序。結(jié)構(gòu)化編程方法具有程序結(jié)構(gòu)清晰、通用性強(qiáng)、可讀性強(qiáng)和方便修改等優(yōu)點(diǎn)[4]。系統(tǒng)主程序如圖3所示，程序其他部分省略。
溫度傳感器、液位傳感器電磁流量計采集到的信號是4~20ma的電流信號，通過模擬量輸入模塊em231的a/d轉(zhuǎn)換，變成范圍0~32000的數(shù)字量。而轉(zhuǎn)換來的這一數(shù)字量也不能直觀的反映現(xiàn)場的溫度、液位和流量的實(shí)際值，所以需要進(jìn)行量程的轉(zhuǎn)換。量程的轉(zhuǎn)換的公式為： 其中，di為a/d轉(zhuǎn)換來的數(shù)字量，6400為傳感器輸出電流為4ma時對應(yīng)的數(shù)字量。溫度的量程為0~100攝氏度，水位的量程可根據(jù)水箱的尺寸由用戶自己設(shè)定，程序中給出了一個缺省的量程，電磁流量計的量程也可由用戶根據(jù)產(chǎn)品的說明來設(shè)定。所以實(shí)際值為： 系統(tǒng)人機(jī)交互界面采用的是文本顯示器td400，其編程工作也是在西門子的編程軟件下進(jìn)行。通過編程軟件菜單“工具”“文本顯示向?qū)?rdquo;可以對td400進(jìn)行配置，設(shè)置用戶菜單和報警信息。本系統(tǒng)有工藝參數(shù)設(shè)定、量程設(shè)定和狀態(tài)顯示三個用戶菜單。在工藝參數(shù)設(shè)定菜單下可以對出廠參數(shù)進(jìn)行修改，在量程設(shè)定菜單下可以進(jìn)行量程的修改，狀態(tài)顯示菜單則用于顯示各執(zhí)行器的運(yùn)行情況，當(dāng)某一執(zhí)行器的狀態(tài)為1時，說明此執(zhí)行器正在運(yùn)行，為0說明此執(zhí)行器沒有運(yùn)行。按照向?qū)瓿蓆d400的設(shè)置后，會自動生成一個數(shù)據(jù)塊，其中包含了td400配置和所有用戶定義的信息。 4 結(jié)束語 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文根據(jù)用戶的實(shí)際需要設(shè)計了一種新型的基于西門子s7-200系列plc的集熱式太陽能熱水器，該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)太陽能熱水器的一些缺點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了全年全天候供水，水溫與流量穩(wěn)定，并可通過文本顯示器td400進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，操作簡便。該設(shè)計將太陽能與電能結(jié)合使用，大大節(jié)省了電能，長期使用將會有很可觀的經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣使用。 |
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