燃气热水器控制器设计

燃气热水器控制器设计 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 摘 要 目前，节能减排作为环保的一大主题，在日常生活中，人们都希望在尽可能的减少支出的同时也能降低对环境的污染。以前，大部分中小型宾馆都是使用锅炉加热，这种方法不仅耗时，其排放的气体对环境还造成很大的破坏。 70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。 本文详细的介绍了PLC控制在燃气热水系统中的应用，以清洁能源天然气作为燃料，通过PLC的控制，实现了燃气热水系统的自动化。同时，将寿命均衡控制运用到本系统中，增加了泵的使用寿命。 关键词:燃气热水系统 PLC 寿命均衡控制 I 武汉工程大学本科毕业设计(论文) Abstract At present, the energy conservation and emission reduction as a major theme of environmental protection, in daily life, people are hoping to reduce spending as much as possible of also can reduce pollution to the environment. Previously, most of the small and medium-sized hotels are using the boiler heating, this method not only, time-consuming, and its emissions of gases on the environment also caused great destruction. Since the mid 70 s, PLC already widely used microprocessors as the central processor, input/output module and peripheral circuit are adopted, and large-scale even in large scale integrated circuit, then the PLC is no longer only Logic (Logic) to judge functions, but also at the same time a data processing, PID regulation and data communication function. This article detailed the PLC control scheme of shaoxing in gas hot water system, the application of natural gas as fuel to clean energy, through the PLC control, realized the automation of gas hot water system. At the same time, will life balance control applied to the system, and increase the service life of the pump. Keywords: Gas hot water system PLC Life balance control II 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 目 录 摘 要............................................................ I ABSTRACT........................................................... II 第一章 概述........................................................ 1 1.1 课题背景 ....................................................................................................................... 1 1.2 燃气热水系统发展现状 ............................................................................................ 1 1.3 设计的基本要求 ......................................................................................................... 4 第二章 总体方案的设计.............................................. 5 2.1 能源方案 ....................................................................................................................... 5 2.2 控制方案 ....................................................................................................................... 5 2.3 水系统方案................................................................................................................... 6 2.3.1 水箱的选型............................................. 7 2.3.2 燃气热水器的选型....................................... 8 2.3.3 水泵的选型............................................ 10 2.3.4 阀的选型.............................................. 13 2.4 电器控制系统方案设计 ........................................................................................... 17 2.4.1 水位继电器的选择...................................... 17 2.4.2 温度仪表的选择........................................ 19 第三章 PLC控制系统方案设计 ...................................... 21 3.1 PLC的选择 .................................................................................................................. 21 3.2系统软件需求 .................................................................................................... 22 3.3 PLC编程 ...................................................................................................................... 23 结 论............................................................ 26 参考文献........................................................... 27 附 录............................................................ 28 附录1设备清单 ................................................................................................................ 28 附录2具体使用说明 ....................................................................................................... 29 致 谢............................................................ 34 III 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 第一章 概述 1.1 课题背景 目前，在各大城市的中小型宾馆中，其使用的热水系统的加热方式主要有燃气加热，太阳能加热，电加热和锅炉加热等，由于要做到使用者即开即热，这些加热装置大部分时间都处于工作状态，而锅炉加热，不但污染严重而且浪费煤资源严重，逐渐在被淘汰，太阳能作为一种清洁的能源，已经广泛的使用在人们的日常生活中，但是受到天气因素的限制，在宾馆中常常需要电加热来联合使用，往往给宾馆带来了更多的支出，随着西气东输工程的大力发展，不仅给西部带来了经济利益与发展，同时也给东部的人民带来了生活上的便利，燃气热水器不仅方便，快捷，更主要的是它节约资源，同时对坏境也没有破坏。若在宾馆的每个房间中都装置一个燃气热水器，对中小型宾馆来说显然是一笔不菲的开支。如果能实现燃气热水器的集成化和自动化，势必会给人们带来方便和经济效益。PLC一经出现，由于它的自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特优点，备受国内外工程技术人员和工业界厂商的极大关注。 1.2 燃气热水系统发展现状 随着我国人民生活水平的不断提高,特别是城镇燃气事业的飞速发展,近年来家用燃气快速热水器便迅速走进千家万户。由于热水器用户日益增多,于是燃气快速热水器的生产便成为一个新的社会行业,越来越多的生产厂家出现在祖国各地。目前全国热水器厂家有160 多家,年产量达500 多万台,产品有4、5、6、615、81/ min 等。排气方式有直排式的,也有烟道式和平衡式的。水阀控制型式有前制式的,但更多的为后制式。在自动点火、自动控制及安全使用等方面亦发展迅速。产品正向着大容量、多功能、高效、安全、全自动方向发展。 (1).容量、多功能 以前人们购买热水器,目的是为了洗澡,即淋浴和盆浴。然而,随着人们生活水平的不断提高,人们对热水的需求量越来越多,不仅洗澡用,而且还要洗涮餐具、洗菜、洗脸刷牙、在有些地方甚至还要取暖。由于快速热水器具有热效率高、使用方便快速等特点,因而在人们生活节凑不断加快的今天,使用热水器提供这 1 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 些热水和热源具有明显的优越性。故兼有淋浴、盆浴、洗涮、取暖于一体的多功能家用快速热水器必将越来越受到人们的青睐。目前,日本、法国、德国等生产的热水器多数具有这种特点。人们用热量的增多及用热水的多样化,使得热水器向大容量方向发展,这仅是一个方面的原因。第二个原因:在南方冬季没有取暖设备,卫生间较冷,由于墙壁的吸热作用(即冷壁效应) ,即使热水器的出口水温高达45 ?左右,人们淋浴时亦普遍感觉较冷而易导致感冒。为了克服这种负作用,就需加大热水器的额定出水量,或采用高温升热水器。第三,在冬季,热水器的入口水温一般较低,时常会出现低于10 ?(远低于15,20 ?的标准入口水温) 的情况,这样在额定热负荷时,若保证额定出水量,则出口水温仅能达到35 ?左右,低于人们的体温,根本不能淋浴;如果保证40,45 ?的出口水温,则出水量将大大降低,亦无法满足淋浴要求,例如51/ min 的热水器此时出水量仅为3161/ min ,因此,要保证在高温升时仍有较大出水量,必须向大容量方面发展。 在国际上,德国大量生产的是8、10 、131/ min的家用热水器(如Vaillant 威能牌) ;法国FRISQUET公司生产的热水器为9、11 、13 、15 、19 、211/ min (在Δt = 30 ?的高温升的情况下) ;日本生产的热水器绝大多数为8、10 、12 、16 、20 、241/ min。在国内,沈乐满、胜多、水仙、申花、吉帝等生产的有81/ min 的家用快速热水器,颇受用户欢迎。 (2).强化燃烧和强化传热 目前家用燃气快速热水器多采用大气式燃烧器,它与扩散式燃烧器相比具有强化燃烧、火焰短、火焰温度高、燃烧完全等优点。但是当热水器向大容量方面发展时,若仍采用大气式燃烧器,则热水器燃烧室就显得过于庞大,阻碍了其向大容量发展。 近年来,日本在向大容量热水器迈进时,采用了鼓风式燃烧器,其大大强化了燃烧,明显缩小了热水器的体积。如日本GASTAR 有限公司生产的OURB - 1600Z2 型101/ min 快速热水器的外型尺寸为高590 ×宽350 ×厚100mm ,明显低于国内生产的81/ min 的快速热水器(如申花牌81/ min ,其外型尺寸为高725 ×宽350 ×厚255mm) 。另一方面,强化传热在缩小热水器体积方面起着举足轻重的作用。大家知道,燃气热水器80 %左右的热量是靠翅片换热器吸收的。随着热水器容量的增大,翅片换热器的体积亦越来越大,因而采用高传热系数的强化翅片 2 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 将在提高换热器较率、减轻换热器重量,缩小换热器体积方面起着重要作用。 目前国内热水器的翅片换热器均采用板式翅片。由于烟气通过翅片时的流速很低( < 1m/ s) ,雷诺数较小,一般为500 左右,所以烟气通过翅片换热器时处于层流状态。这样沿着烟气流动方面在翅片上形成的层流边界层厚度会逐渐加厚,该层的传热仅有导热,因而随着边界层厚度的增大,热阻也逐渐增大。故在翅片后半部传热效果较差。为了提高翅片的传热系数,必须想办法阻止层流边界层的形成和发展,增加气流扰动,使烟气流动形式向过渡区或者紊流区过渡。当然这样做是有限度的,因为扰动越强烈,流动阻力也越大,所以研制在阻力增加不大的情况下( < 20 %) ,使传热系数明显增大( > 30 %,60 %) 的翅片换热器意义非常大。 在日本,三国集团的热水器采用了槽带翅片,其扰动气流、阻止边界层发展的作用比穿孔翅片大,但其工艺复杂,热水器运行时流动阻力较大,对一次空气和二次空气的引入产生一定的负作用。 为此,日本GASTAR 有限公司采用强制鼓风燃烧器取代引射式大气燃烧器,既强化了燃烧,又可增大气流速度,增加气流扰动,使燃烧室和换热器同时大大缩小,具有较大的经济性。国内产品中,据我们所知,只有“吉帝”牌中台合资的81/ min 全自动燃气热水器采用了穿孔翅片换热器,其热较率高达85 %以上。 (3).安全清洁 对于直排式燃气快速热水器来说,所需氧气取自室内,燃烧后产生的烟气又排放在室内,当热水器负荷较大时,单位时间内所需空气量很多,排放的烟量亦很大,故若室内通风不良,不仅污染室内环境,而且极易发生CO 中毒事件。目前大于61/min 的热水器基本上均采用烟道式或平衡式的换气方式,使燃烧产生的废气全部排出室外,因而避免了煤气中毒发生。尤其是平衡式家用快速热水器,它不仅使燃烧产生的烟气全部排出室外,而且燃烧所需空气也全部取自室外,整个燃烧系统与室内隔开,因而基本上可以杜绝煤气中毒、爆炸等事故,非常安全可靠。同时丝毫不用室内的空气,可以保持室内有充足的氧气,保持室内空气的新鲜和清洁。在日本,他们生产了许多直接安装在室外或阳台天井上的燃气快速热水器,这无疑更为安全和清洁。 采用先进的电脑自动控制系统,并运用红外遥控技术。 (4). 在这方面日本走在世界的最前列。例如日本GASTAR 有限公司生产的燃气快 3 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 速热水器,可以自动设定水温,浴盆水位,予定运行时间和启动时刻,自动切换功能等。附带遥控器两只,可任意装在浴室内,厨房里及其他操作方便的地方,做到随时可以开关及调节水温,使用非常方便。 (5).带有各种安全保护装置 如熄火保护装置,水气联动阀,过热保护装置,防冻装置、安全压力阀、沸腾防止装置等,因此使用非常安全可靠。总之,随着人民生活水平的明显提高,人们对燃气快速热水器的需求量会越来越多。大容量、多功能、高效、安全、全自动的燃气热水器将越来越受到人们的欢迎。我国热水器生产厂家虽然不少,但总起来看产品还比较单一,容量小,花样少,档次较低,人员素质需进一步提高,售后服务还需加强。我们在走先引进、再逐步消化吸收的道路时,应注意加快培养一批自己的高素质的产品开发队伍。 1.3 设计的基本要求 中小型中央热水控制系统功能要求: (1)热水温度控制范围65~80?; (2)保温水箱水位控制范围1.5~2米; (3)水压控制范围0.3~0.4MPa; (4)燃气热水器连续加热时间不大于45分钟; (5)回水温度控制范围为25~35?。 设计任务如下: (1)实现中央热水系统控制功能要求，完成热水系统的总体设计及计算; (2)完成PLC控制方案设计; (3)完成PLC电气控制系统接线图设计; (4)完成4张A1号图幅水系统图、PLC控制系统原理图、电气系统接线图。 4 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 第二章 总体方案的设计 2.1 能源方案 目前，我们常见的热源主要有:(1)、燃气热水器。(2)、电加热。(3)、清洁能源。如，空气源、太阳能和地热。 常用的组合方式有:(1)、太阳能+燃气。(2)、空气源+燃气。(3)、空气源+电辅.(4)、空气源+太阳能+电辅 由于是在中小型宾馆中使用，要能够保证即开即热，电加热只能作为辅助能源，而太阳能在低温和阴雨天气吸热不够，不能将水加热到使用的温度，故选择燃气热水器最佳。 2.2 控制方案 我们所用到的控制方案有两种:一是PLC控制，二是继电器控制。这两种控制方式的区别在于: (1)控制方式 继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触电的串联或者并联及延时继电器的之后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。 PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是一程序方式存储在内存中的，要改变控制逻辑，只需要改变程序即可，称软接线。 (2)速度控制 继电器控制逻辑是依靠触电的机械动作实现控制，工作频率底，毫秒级、机械触电有抖动现象。 PLC是程序指令控制半导体电路实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。 (3)延时控制 继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难 PLC是利用半导体集成电路定时器，始终脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。 5 武汉工程大学本科毕业设计(论文) plc控制电路相对于继电器控制电路的优点 (1)控制方式上看:电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难;而plc软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。 (2)工作方式上看:电器控制并行工作，而plc串行工作，不受制约。 (3)控制速度上看:电器控制速度慢，触点易抖动;而plc通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。 (4)定时、记数看:电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能;plc时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽;有记数功能。 (5)可靠、维护看:电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠、维护性能差;plc无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。 综合因素考虑，选用PLC控制方案。 系统结构框图如2-1所示。 图2-1 系统结构框图 2.3 水系统方案 图2-2为设计的水系统图，该水系统由保温水箱、供水泵、补水阀、补热阀、单向阀、截止阀、热力膨胀式恒温阀、燃气热水器组成。 6 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 图2-2 水系统图 2.3.1 水箱的选型 水箱有效容积和公称容积: 水箱有效容积一般采用调节水量确定,其值应按最高日水箱进水量和用水出水量的逐时流量变化曲线求得。当缺少资料时一般可按最高日用水量的10%左右 如水泵为自动控制,水箱的有效容积可取计算。当给水系统为水泵和水箱方式时, 最高日用水量的5%; 如为人工控制, 则取最高日用水量的12% 。当水箱负有消防的储备水功能时,则有效容积还应包括按现行有关建筑设计防火规范确定的水量。水箱公称容积为箱体的总容积。为确保水箱有效容积和尽可能缩小水箱公称容积,在设计选用水箱时设计者必须根据水箱的液位控制方式、溢流管位置、出水管位置及最低水位时管口淹没情况、箱底排水坡度和泄水管位置等情况来计算确定水箱公称容积。 7 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 根据使用标准，每人一天平均用水40—50L，中小型宾馆约有30—100个床位。当宾馆人满的时候一天用水量为: Q=50*100=5000L=5T 因此可选保温水箱的有效容积为5T ，基本尺寸见图2-3。 图2-3 水箱尺寸图 2.3.2 燃气热水器的选型 由于是用在宾馆中，对燃气热水器的功能没有太多的要求，只需要其热水产率相比家庭用的大，故可选用热水产率为16L/min的燃气热水器，同时保证其额定热负荷在30MJ/h以上，综合各方面因素考虑，选用热水器型号为:万和JSQ32-16P3。见图2-4。 规定每个热水器连续加热的时间不能超过45分钟，在45分钟内一个热水器 8 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 可加热16*45=720L的水，加热5T的水需要5000%720=7，考虑热水器可能出现 故障的因素，应使用燃气热水器的个数为8个。 图 2-4万和JSQ32-16P3 万和JSQ32-16P3详细参数 技术参数 , 系列名称:V10非常节能纠错 , 额定热负荷:32MJ/h纠错 , 热水产率:16升/分纠错 , 适用水压:0.02-1.0Mpa纠错 , 启动水压:0.02MPa纠错 , 电源规格:220V/50Hz 9 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 2.3.3 水泵的选型 一 、 泵选型原则 1)使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、( 吸程等工艺参数的要求。 (2)机械方面可靠性高、噪声低、振动小 (3)经济上要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低。 (4)离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。 二、泵的选型依据 泵选型依据，应根据工艺流程，给排水要求，从五个方面加以考虑，既液体输送量、装置扬程、液体性质、管路布置以及操作运转条件等 (1)流量是选泵的重要性能数据之一，它直接关系到整个装置的的生产能力和输送能力。 如设计院工艺设计中能算出泵正常、最小、最大三种流量。选择泵时，以最大流量为依据，兼顾正常流量，在没有最大流量时，通常可取正常流量的1.1倍作为最大流量。 (2)装置系统所需的扬程是选泵的又一重要性能数据，一般要用放大5%—10%余量后扬程来选型。 (3)液体性质，包括液体介质名称，物理性质，化学性质和其它性质，物理性质有温度c密度d，粘度u，介质中固体颗粒直径和气体的含量等，这涉及到系统的扬程，有效气蚀余量计算和合适泵的类型:化学性质，主要指液体介质的化学腐蚀性和毒性，是选用泵材料和选用那一种轴封型式的重要依据。 (4) 装置系统的管路布置条件指的是送液高度送液距离送液走向，吸如侧最低液面，排出侧最高液面等一些数据和管道规格及其长度、材料、管件规格、数量等，以便进行系梳扬程计算和汽蚀余量的校核。 (5) 操作条件的很多，如液体的操作T饱和蒸汽力P、吸入侧压力PS(绝对)、排出侧容器压力PZ、海拔高度、环境温度操作是间隙的还是连续的、泵的位置是固定的还是可移的。 根据以上的说明，我们应选择的供水泵的相关参数计算为: 假设在某一时间段有1/4的人用水，则水泵的流量为: 10 武汉工程大学本科毕业设计(论文) Q=100*1/4*8L/min*60%1000=12 m3/h。 一般中小型宾馆的楼层数为2-5层。故水泵的扬程为: H=5*3*2=30m。 查格兰富水泵的选型表，选择水泵为CM 10-2。 由于要设计到寿命均衡，故选择的泵的个数为2个。 具体的选型见图2-5和图2-6，CM 10-2的尺寸见图2-7和表2-1。 图2-5 CM泵系列性能范围 11 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 图2-6 CM 10性能范围 12 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 图2-7 泵CM 10 尺寸 表2-1 CM 10尺寸参数表 2.3.4阀的选型 本设计所用到的阀有:电磁阀、截止阀、单向阀、热力膨胀式恒温阀 选择阀门的步骤和依据: ?选择步骤 ?明确阀门在设备或装置中的用途，确定阀门的工作条件:适用介质、工作压力、工作温度等等。 ?确定与阀门连接管道的公称通径和连接方式:法兰、螺纹、焊接等。 ?确定操作阀门的方式:手动、电动、电磁、气动或液动、电气联动或电液联动等。 ?根据管线输送的介质、工作压力、工作温度确定所选阀门的壳体和内件的 13 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 材料:灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、碳素钢、合金钢、不锈耐酸钢、铜合金等。 ?选择阀门的种类:闭路阀门、调节阀门、安全阀门等。 ?确定阀门的型式:闸阀、截止阀、球阀、蝶阀、节流阀、安全阀、减压阀、蒸汽疏水阀、等。 ?选择阀门的依据 在了解掌握选择阀门步骤的同时，还应进一步了解选择阀门的依据。 ?所选用阀门的用途、使用工况条件和操纵控制方式。 ?工作介质的性质:工作压力、工作温度、腐蚀性能，是否含有固体颗粒，介质是否有毒，是否是易燃、易爆介质，介质的黏度等等。 ?对阀门流体特性的要求:流阻、排放能力、流量特性、密封等级等等。 ?安装尺寸和外形尺寸要求:公称通径、与管道的连接方式和连接尺寸、外形尺寸或重量限制等。 ?对阀门产品的可靠性、使用寿命和电动装置的防爆性能等的附加要求。 (在选定参数时应注意:如果阀门要用于控制目的，必须确定如下额外参数:操作方法、最大和最小流量要求、正常流动的压力降、关闭时的压力降、阀门的最大和最小进口压力。) 根据上述选择阀门的依据和步骤，合理、正确地选择阀门时还必须对各种类型阀门的内部结构进行详细了解，以便能对优先选用的阀门做出正确的抉择。 管道的最终控制是阀门。阀门启闭件控制着介质在管道内的流束方式，阀门流道的形状使阀门具备一定的流量特性，在选择管道系统最适合安装的阀门时必须考虑到这一点。 根据以上阀的选型的步骤和依据， (1)对电磁阀的选择为:介质都为液体，工作压力在0.3-0.4MPa，工作温度在0-80?左右。由于连接的水管的规格为DN50，故其公称通径应该小于50mm。 因此可选用OK68系列电磁阀。个数为2。其相关的技术参数见表2-2。 14 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 表2-2 OK68系列参数 (2)对截止阀的选型: 选用嘉兴贵龙不锈钢内螺纹截止阀，见图2-8。产品编号:J11W，数量为3 个。 图2-8 嘉兴贵龙不锈钢内螺纹截止阀 J11W不锈钢内螺纹截止阀主要性能规范表见表2-3 表2-3 截止阀主要参数 J11W不锈钢内螺纹截止阀主要外形尺寸表见表2-4。 15 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 表2-4 截止阀外形尺寸表 (3)对单向阀的选型: 选用嘉兴贵龙不锈钢内螺纹单向阀，见图2-9，产品编号为:H44H-16P。数量为2个。 图2-9 嘉兴贵龙不锈钢内螺纹单向阀 (4)对热力膨胀式恒温阀的选型: 要求回水的温度为25-35?C，水管管径为DN50，选用丹佛斯TE5-TE55系列膨胀阀，数量为1个。见图2-10。 图 2-10 丹佛斯TE5-TE55系列膨胀阀 16 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 2.4 电器控制系统方案设计 要让水系统能够实现自动控制的功能，必须有相应的电器系统对其进行监测和控制，图2-11为电器联系图，在保温水箱中插入温度传感器和水位电极，通过温度仪表显示水箱中水的温度，电极经水位继电器接到控制箱，再通过电磁阀的开关来控制上水和补热。控制箱中的PLC经过设置好的程序可以实现对泵，补水阀和补热阀的控制。 图2-11 燃气热水系统电气控制接线图 2.4.1 水位继电器的选择 继电器是根据某种输入信号来接通或断开小电流控制电路，实现远距离控和保护的自动控制电器。其输入量可以是电流、电压等电量，也可以是温度、时间、速度、压力等非电量，而输出则是触头的动作或者是电路参数的变化。 继电器的种类很多，按输入信号的性质分为:电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器、压力继电器等。按工作原理分为:电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子继电器等。按输出形式 17 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 分为:有触点和无触点两类。按用途分为:控制用和保护用继电器等。 液位继电器是控制液面的继电器。这是一个继电器内部有电子线路。利用液体的导电性。当液面达到一定高度时继电器就会动作切断电源。液面低于一定位置时接通电源使水泵工作。达到自动控制的作用。 自动控制由传感器和控制执行机构组成。液位控制器的传感器一般是导线。利用水的导电性。水的导电性较差，不能直接驱动继电器。所以要有电子线路将电流放大，以推动继电器工作。继电器就是执行机构。 在本课题的水系统中，采用的是五电极两继电器补水，其水位电极连接图和继电器接线图分别见图2-12和图2-13。 7 6 5 6 5 图 2-12 水位电极连接图 图 2-13 水位继电器接线图 18 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 选用欣灵HHY7G(JYB-714供水型)液位继电器，工作电源:AC24V、220V、380V 工作模式:HHY7G(JYB-714)为供水型，水控距离:?100米，触电形式:一组常开常闭触点，触电容量:3A AC220V(阻性)，外形尺寸:55×41×92mm，安装方式:35mm导轨式和装置式，选用的个数为2个。 2.4.2 温度仪表的选择 温控器主要分为两种，机械式的和电子式的。其中电子式的有带液晶显示(带液晶显示的电子式温控器有些具有可编程功能)和不带液晶显示之分。机械式温控器，内部是双金属片或者金属膜盒，根据物体的热胀冷缩原理，调节在设定温度情况下，对环境温度进行加温或者降温(看所连接的是加热器还是冷却器)。电子式的是由热敏电阻感知所在环境温度，通过继电器控制所连接的加热器或冷却器的工作或停止。 在本课题中，我们所要监测的温度是水箱中水的温度，控制的范围在65-80?，当低于这一温度时，必须通过补热电磁阀进行加热，使水温达到设定的温度，温控仪表见图2-14。其接线图见2-15。 图2-14 温控仪表 19 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 图2-15 温控仪表接线图 选用XMTD-5000系列智能温度控制仪，个数为1个。产品说明为: 输入信号:热电偶:K、E、J，热电阻:Pt100、Cu50，测量误差:?(1.0%FS+1 个字)，调节方式:二位式继电器触点通断控制;断续PID 继电器触点通断控制; 断续PID 驱动SSR 电压控制;报警方式:上限报警继电器触点输出;下限报警继电器触点输出;上下限报警继电器触点输出; 基本参数: 工作电源:AC220V 外形尺寸:72×72×100mm 开孔尺寸:67+1×67+1 安装方式:面板式 20 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 第三章 PLC控制系统方案设计 3.1 PLC的选择 PLC选用Siemens的LOGO!230RC的PLC。 LOGO!230RC可编程控制器能适合自动化工程中的各种应用场合，是一种模块化中小型PLC系统，多种的性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I,o扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加模块对PLC进行扩展。在国内，LOGO!230RC以其模块化、无排风扇结构、易于实现分布、易于用户掌握等特点，成为各种控制任务的方便又经济的解决方案，能满足从小规模到中等性能的控制要求。 LOGO!230RC PLC由以下几部分组成: (1)中央处理单元(CPU) 各种CPU有各种不同的性能，例如:有的CPU上集成有输入,输出点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通讯接口等。 (2)信号模块(SM) 用于数字量和模拟量输入,输出。 (3) 通讯处理器(CP) 用于连接网络和点对点连接。 (4) 功能模块(FM) 用于高速计数，定位操作(开环或闭环控制)和闭环控制。 LOGO!230RC PLC具有如下诸多功能: (1)丰富的指令集和功能库 包含350多条指令，包括二进制逻辑、括号指令、结果赋值、存储、计数、装载、传输、比较、移位、循环、产生补码、块调用、跳转等，还有定点运算和浮点运算功能，用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。特别是集成了很多标准控制功能块，如PID，可以实现复杂的过程控制。 (2) 高速的指令处理 0.6—0.1us的指令处理时间完全满足中等到较低的性能要求。 (3) 方便用户的参数赋值 21 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 只用一个带标准用户接口的软件工具就可给所有模块进行参数赋值，节省了入门和的费用。 (4)人机界面(HMI) 方便的人机界面服务已经集成在LOGO!230RC操作系统内，因此人机对话的编程要求大大减少。 (5)诊断功能 CPU的智能化的诊断系统能连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(例如:超时、模块更换等等)。 (6)口令保护 多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。 (7)操作方式选择开关 操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，可防止非法删除或改写用户程序。 (8)功能强大的通讯技术 Siemens LOGO!230RC CPU支持执行机构和传感器与CPU之间的过程和现场通讯，以及可编程控制器相互之间的数据通讯。 此外，LOGO!230RC系列PLC还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便等优点。 3.2系统软件需求分析 燃气热水系统由西门子公司的LOGO!230RC PLC作为核心控制器，利用编程软件Logo～ Comfort 6.0进行系统编程，实现对燃气热水系统的控制，达到设计技术要求，整个控制系统软件需求如下: (1)整个控制系统分为手动控制和自动控制两部分。手动控制方式是实现电机和变频器的手动启动;自动控制方式是根据控制要求、采集的信息来实现对系统控制要求。 (2)根据水位传感器确定水位，当为低水位时，补水电磁阀打开，通过燃气热水器加热补水，温控仪表采集的温度确定水箱内水的温度，当低于需求的温 22 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 度时，补热电磁阀打开，通过燃气热水器将水加热到可以使用的温度，在通过供水泵将水供出去，用2泵实现寿命均衡的控制。 指示灯面板见图3-1. 图 3-1 指示灯 3.3 PLC编程 如图3-2，Siemens的LOGO!230RC的PLC的接线图，采用的是八输入四输出，输入端分别为启动开关，停止开关，温控仪表，低水位保护开关，高水位保护开关，泵的选择按钮和工作模式按钮，输出端分别为补水阀，补热阀以及两个供水泵。 图3-2 PLC接线图 采用的编程软件为logo!soft comfort v6.0，编制的程序图见图3-3和图3-4。 23 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 图 3-4 PLC程序图 从图3-4 PLC的编程图可以看出: (1)泵运转的条件为:启动开关打开，处于低水位时低水位保护开关打开。 (2)加热阀打开的条件为:启动开关打开，温度未到设定的温度，上水电磁阀关闭。 (3)上水电磁阀打开的条件为:启动开关打开，处于低水位时低水位保护开关打开。 两泵寿命均衡控制的编程 在本设计中需要用两泵来实现寿命均衡的控制，即通过对两泵交替运行的控制来增加泵的使用寿命，为了使两泵运行的时间相同，在编制PLC程序时使用块运行小时计数器和块加减计数器，在自动控制模式下，先让一泵开始运行，同时计时，当加减计数器从初始值达到上限时换用另一泵运行，达到加减计数器的下限时在换泵，如此交替的运行便可实现寿命均衡的控制。具体的程序见图3-3。 24 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 图 3-3 两泵寿命均衡程序图 25 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 结 论 PLC控制在国内外已经是应用非常普遍而且成熟。目前在许多中小型宾馆中运用PLC控制燃气热水系统还不多见，因此对该方案的设计研究还有待提高。本文针对传统燃气热水系统在运行过程中会浪费大量能源而将其与PLC控制相结合，同时采用两泵达到寿命均衡的目的。在本次设计过程中，既锻炼了自己的能力 ，又提高了技术水平，积累了不少经验。 1.本次设计中，应用西门子的LOGO!230RC PLC作为控制部分，它和智能温控仪、电动机，电磁阀共同完成了燃气热水系统的自动控制。用燃气加热器加热比起电加热，节约了不少的电能，同时将各控制部分集成在同一控制面板上，方便了操作。 2.根据系统的控制要求，选定PLC的CPU和各种功能模块。在此基础上，通过PLC控制程序完成所有控制任务。 3.软件设计采用结构化编程，将一个复杂的程序分解成若干个子结构，便于控制、降低程序的复杂性，使程序易于阅读、理解和维护，由于结构化编程方法能够把错误控制到最低限度，因此减少了调试和查错的时间。 4(设计过程中没有考虑系统的经济性，因此系统性价比较低。 5(在信号采集的过程中没有考虑到信号的隔离和滤波，可能存在信号的干扰问题。 本设计用LOGO!230RC来实现燃气热水系统的自动控制，当系统出现故障时，能及时报警，和保护电路共同使该系统安全运行。详细介绍了各系统的论证，各元件的选型和使用方法，以及PLC的编程，功能说明等。 26 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 参考文献 1、暖通空调系统设计手册，机械工业出版社。 2、耿文学，可编程控制器应用技术手册，科学技术出版社，1996 4、汪晓平等编著，PLC可编程控制器系统开发实例导航，人民邮电出版社，2004 5、耿文学，可编程控制器应用技术手册，科学技术出版社，1996 6、王淑英，电气控制与PLC控制技术，机械工业出版社，2005 7、张凤珊，电气控制及可编程序控制器，中国轻工业出版社，2003 8、赵惠忠，深入浅出西门子LOGO!，北京航空航天大学出版社，2004 9、郑兆生,张伟,郑新志. PLC及变频器恒压供水控制系统设计[J]. 山东轻工学 院学报(自然科学版). 2007(03) 10、龙成忠,龙先超. 恒压供水自动控制系统的设计[J]. 装备制造技 术.2009(06) 27 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 附 录 附录1 设备清单 序号 符号 名称 数量 1 KA1 补水电磁阀 1 2 KA2 补热电磁阀 1 3 KA3 泵1电磁阀 1 4 KA4 泵2电磁阀 1 5 KA5 过载保护器 1 6 KA6 低水位继电器 1 7 KA7 高水位继电器 1 8 KM1 供水泵1接触器 1 9 KM2 供水泵2接触器 1 10 HL0 电源指示灯 1 11 HL1 补水开关显示灯 1 12 HL2 补热开关显示灯 1 13 HL3 1#供水泵显示灯 1 14 HL4 2#供水泵显示灯 1 15 HL5 故障显示灯 1 16 SB1 1#供水泵启动按钮 1 17 SB2 2#供水泵启动按钮 1 18 SB3 急停按钮 1 19 SK1 手自动模式选择按钮 1 20 SK2 PLC时空开关 1 21 P1 1#供水泵 1 22 P2 2#供水泵 1 23 GA1 1#燃气热水器 1 24 GA2 2#燃气热水器 1 25 TA 保温水箱 1 28 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 附录2 具体使用说明 一、装置特点 1 节能 采用燃气热水系统的目的就是为了节能，原理是通过燃气热水器的加热，将水加热到可以使用的热水，储存在保温水箱中，用户可以直接通过供水泵使用，相比在每个房间装燃气热水器或者点加热器，其能效比可保持在300%以上，从而节省了大量的电能。这也是目前燃气热水系统在酒店宾馆得到广泛使用的原因。 采用寿命均衡的控制，可以增加泵的工作时间，一般泵的使用寿命在5年左右，若采用单泵，出现故障时就无法供水，给用户带来不便，通过寿命均衡控制，用两个泵交替运转，使两泵的工作时间维持在相同的水平，这样就能保证24小时不间断的供水，同时泵的寿命得到延长。 2 防腐蚀能力强 所有管道均采用PPR管，具有较强的防腐蚀能力。 3. 保护功能齐全，可靠性高 装置具有过流、过载、短路、过热等自动保护停机功能，有故障显示和报警功能;并具有自动状态监测与故障诊断能力。 4. 自动化程度高 该装置通过PLC的控制，实现技术参数设置和状态监测与故障诊断功能。 二、 技术说明 该装置主要由燃气热水系统、集成控制系统组成。 燃气热水系统是由燃气热水器、保温水箱，供水泵，补水电磁阀，补热电池阀，截止阀，单向阀，热力膨胀式恒温阀和相应的管道组成。 集成控制系统主要由PLC控制器，智能温控仪，水位继电器组成。 三、 功能说明 1.水箱水位的控制 水箱中有5个水位电极与电控箱内的低水位继电器KA6和高水位继电器KA7相连接，同时经过PLC控制器给出的综合回水温度信号控制热水箱的补水，只有当水位低于低限水位时才强制补水;当水位高于低限水位时，根据水箱温度进行 29 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 补水控制，保证供水泵泵出的是满足温度要求的热水，另一方面，低限水位信号还用于泵出现缺水干转的故障，即一旦出现水箱缺水，供水泵会自动停机。当水位达到高限水位时，会通过PLC控制补水电磁阀KA1，使其关闭。 2.温度的控制 在水箱中有温度传感器，可以测知水箱中水的温度，再送到智能温控仪，推荐的热水温度范围在65-80?，即在这一温度范围内可满足用户洗澡的要求，当温度低于低限温度时，经PLC控制的补热电磁阀KA2打开，燃气热水器加热后回流到保温水箱中，达到节水节能的效果。 供水泵的控制 3. 供水泵可将水输送到高层用户，防止当水压不足的时候，水输送不上去，由水泵P1和P2共同完成，电控箱面板上有工况选择开关和按钮开关来控制。工况选择开关有两个模式，手动选择工作泵的模式和自动选择工作泵的模式。当选择手动模式时，可以自由的选择泵A还是泵B工作，按启动开关按钮，水泵直接连接电源启动运行;并且运行的条件是水箱低限水位达到和电极无过流过载保护，当选择自动模式时，按下启动开关按钮，经过PLC控制的两泵交替运作，实现寿命均衡的目的。 四、 使用要求 1.运行前检查 管系安装于试验完毕和电气系统接线安装完毕后，在确认电气连线无误后，合上电源空气开关，然后按如下步骤调试。 (1)检查控制箱上的开关位置:将急停开关置于正常开的位置;将SK1、SK2、SK3开关置于停止位置。 (2)水泵注水:首次运行前用扳手拧动水泵上方靠近出口的注水螺塞，将其拆下，向里注满水后将螺塞拧紧。 (3)水泵转向调整:打开电源开关，手动接通水泵电机的交流接触器，启动个水泵，观察水泵转向，调节相序至水泵转向正确。 2.本装置日常运行需专人操作，应定期巡查，发现异常及时处理。 3.如需更换水泵电机，必须严格按照原规格，不可擅自增大容积。 30 武汉工程大学本科毕业设计(论文) 致 谢 经过三个月的忙碌，本次毕业设计已经接近尾声，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师和师兄师姐的指导，想要完成这个设计是很困难的。这三个月是我大学生活中忙碌而又充实的一段时光，短短的时间里，我学到了很多东西。不仅学到了更多的理论知识，扩展了知识面;而且学会了如何学习新的知识。我向所有帮助、关心、支持我的老师、师兄师姐、朋友同学，表达我最真诚的谢意。 非常感谢我的同学。当我在毕业设计过程中遇到问题和困难时，是他们给我提出许多关键性的意见和建议，使我对整个毕业设计的思路有了总体的把握，并耐心的帮我解决了许多实际问题，使我获益良多。 感谢武汉工程大学这四年来给我提供良好的学习氛围，感谢各位老师四年来的教诲，同时感谢师兄师姐，在我遇到困难的时候，他们给了我极大的鼓励和帮助。没有老师和师兄师姐的指导，我的毕业设计是不可能完成的。 总之，在以后的学习、工作、生活中我将更加努力，用自己的行动回报社会、学校、老师及同学。 34