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西門子PLC在新型太陽能熱水器中的應用
閱讀：2646 發(fā)布時間：2014-11-3西門子PLC在新型太陽能熱水器中的應用
| 1 引言 近年來,，我國應用太陽能和采暖發(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,。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)濟效益高。plc采用西門子s7-200系列進行控制操作,。配合相應的溫度,、液位和流量傳感器及plc的模擬量輸入擴展模塊實現(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，實現(xiàn)人機交互界面,，對集熱式熱水器內(nèi)部的水溫和水位進行實時在線顯示和設置,。 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1#水箱中的水量不足設定的zui低*,，1#電磁閥打開，使自來水進入1#水箱,，補充水量到設定的zui高限為止,。 (3) 當用戶端水溫低于50度時，3#水泵啟動,，達到55度時關閉,。 (4) 當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#水箱中的水作補充，達到設定水位上限為止,。 (5) 2#水箱水溫低于50度且2個水箱水位高于設定的zui低加熱水位時,，加熱器開，達到55度時關,。 (6) 當1#水箱水溫高于70度時,，開2#水泵，2#電磁閥和3#電磁閥,，使兩個水箱的水進行循環(huán),，兩個水箱水溫相等時停止循環(huán)。 (7) 當流量計的流量高于設定值時,，3#水泵啟動,。 (8) 當管道溫度低于下*，開伴熱帶同時還要開1#水泵,，循環(huán)一定時間,。 (9) 當控制柜內(nèi)溫度高于設定的風扇啟動溫度，風扇啟動，低于設定溫度時關閉,。 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,。它由決策機構(gòu)、測量感知機構(gòu)和執(zhí)行機構(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)中的應用有重要的作用,。根據(jù)系統(tǒng)的運行原理，經(jīng)過計算統(tǒng)計,，該系統(tǒng)的控制點數(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)的設計需要,，而且有少量剩余,，可用于以后的擴展或改造。模擬量輸入擴展模塊采用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,，或者由單獨電源供電。td400的主要作用是設置系統(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)行器的運行情況進行實時監(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)進行處理,，根據(jù)用戶設定的各項參數(shù)和系統(tǒng)控制原理，作出控制決策,。 (2) 測量感知機構(gòu) 測量感知機構(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，決策機構(gòu)將根據(jù)這些數(shù)據(jù)來對相應的執(zhí)行機構(gòu)進行控制,，達到系統(tǒng)溫度參數(shù)的設定要求,。液位傳感器用于實時采集兩個水箱中的水位，決策機構(gòu)根據(jù)水位參數(shù)的設定要求來對相應的控制器進行控制,。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量,。所有的傳感器均采用三線式接線方式。 (3) 外部執(zhí)行機構(gòu) 本系統(tǒng)的外部執(zhí)行機構(gòu)包括3個水泵,、3個電磁閥,、排熱風扇和電伴熱帶。水泵用于對管路和水箱中的熱水進行循環(huán),，電磁閥用于控制管路內(nèi)水流的通斷,，排熱風扇可以將控制柜內(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)停止運行。所有的執(zhí)行機構(gòu)都是在控制機構(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,、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編程軟件下進行的,，它可以對s7-200的所有功能進行編程。該軟件在windows平臺下運行,，其基本功能是協(xié)助用戶完成應用軟件任務,。該系統(tǒng)的軟件程序使用梯形圖進行編程，采用結(jié)構(gòu)化編程方式,，主要包括出場參數(shù)設置,、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、可讀性強和方便修改等優(yōu)點[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、液位和流量的實際值,，所以需要進行量程的轉(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)品的說明來設定,。所以實際值為： 系統(tǒng)人機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行,。通過編程軟件菜單“工具”“文本顯示向?qū)?rdquo;可以對td400進行配置,，設置用戶菜單和報警信息,。本系統(tǒng)有工藝參數(shù)設定,、量程設定和狀態(tài)顯示三個用戶菜單。在工藝參數(shù)設定菜單下可以對出廠參數(shù)進行修改,，在量程設定菜單下可以進行量程的修改,，狀態(tài)顯示菜單則用于顯示各執(zhí)行器的運行情況，當某一執(zhí)行器的狀態(tài)為1時,，說明此執(zhí)行器正在運行,，為0說明此執(zhí)行器沒有運行。按照向?qū)瓿蓆d400的設置后,，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：本文根據(jù)用戶的實際需要設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,，真正實現(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進行參數(shù)設定,，操作簡便。該設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)濟效益，值得推廣使用,。 |
