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基于S7_300實現的企業余熱溫度模擬控制系統設計說明.doc

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?目 錄1 引言 11.1 設計的背景及意義 11.2 設計相關技術的國外現狀 11.3 本課題研究容 32 方案的提出和論證 42.1 方案的提出 42.2 方案的論證及確定 52.3 方案說明 52.4 本章小結 63 變頻調速恒溫系統硬件設計 73.1 主電路的設計 73.2 控制電路的設計 143.3 本章小結 234 變頻調速恒溫系統軟件部分的設計 244.1 PID算法簡介 244.2 下位機PLC程序設計 274.3 上位機人機接口Wincc監控畫面的設計 304.4 本章小結 335 變頻調速恒溫供水系統調試 345.1 調試步驟 345.2 本章小結 346 全文總結 35參考文獻 36致 37附錄一 系統程序梯形圖 38附錄二 系統硬件原理圖 531 引言1.1 設計的背景及意義能源是國民經濟發展的基礎,深入開展節能工作,不僅是緩解能源矛盾和保障國家經濟安全的重要措施,而且也是提高經濟增長質量和效益的重要途徑[1]。由于我國工業領域余能利用空間很大,工業冷卻水、工業廢水、地熱尾水中蘊含著大量熱能,利用熱交換技術可將廢水中的低品位余熱轉換成高品位熱能,再把這些高品位熱能利用到冬季供暖,即可實現能源再利用[2]。在冬季供暖系統中,供暖質量的高低取決于供暖系統的調節,供暖調節主要是根據室外溫度的變化,調節供暖溫度、循環水量等參數、保持室溫度恒定,防止供暖用戶室溫度過高過低,造成能源的浪費或影響供暖單位信譽度。以往供暖單位主要通過調整鍋爐的燃燒狀態和運行時間來控制供水溫度達到節省燃煤和鍋爐用電的目的,但由于循環水的流量不變,循環水泵的耗電并未減少,因此,不符合國家的可持續發展戰略,同時也增加了供暖單位的供暖成本。綜上,本文設計了以PLC為控制核心的的變頻調速恒溫供水系統,基本上可以改進以上存在的問題。PLC(可編程控制器)是近年來被廣泛應用于電氣自動化中的一種數字運算操作的電子系統,專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器,用于其部存儲程序,執行邏輯運算,順序控制,定時,計數與算術操作等面向用戶的指令,并通過數字或模擬式輸入或輸出控制各種類型的機械或生產過程。PLC不僅具有傳統繼電器控制系統的控制功能,而且能擴展輸入輸出模塊,特別是可以擴展一些職能控制模塊,構成不同的控制系統,將模擬量輸入輸出控制和現代控制方法融為一體,將智能控制、閉環控制等融為一體的綜合控制[3]?,F代PLC以集成度高、功能強、抗干擾能力強、工作穩定受到普遍歡迎,在傳統工業的現代化改造中發揮越來越重要的作用。以PLC控制的變頻調速恒溫供水系統可以替代布線復雜、維護困難、成本高的傳統溫度控制系統,它不僅具有傳統溫度控制系統的優點,滿足供暖系統的需求,也克服了傳統溫度控制系統的耗電耗能的不足,在現實生活中具有重要的意義[4]。1.2 設計相關技術的國外現狀目前國外對于溫度控制的方法也有很多:如單片機控制、PLC控制、模擬PID調節器和數字PID調節器等等。(一)利用單片機系統實現溫度恒定的控制,其總體結構圖如圖1.1所示。系統主要包括現場溫度采集、實時溫度顯示、加熱控制參數設置、加熱電路控制輸出、與報警裝置和系統核心AT89S52單片機作為微處理器。圖1.1 單片機系統實現溫度恒定的控制溫度采集電路以數字量形式將現場溫度傳至單片機。單片機結合現場溫度與用戶設定的目標溫度,按照已經編程固化的模糊控制算法計算出實時控制量。以此控制量控制固態繼電器開通和關斷,決定加熱電路的工作狀態,使溫度逐步穩定于用戶設定的目標值。在溫度到達設定的目標溫度后,由于自然冷卻而使其溫度下降時,單片機通過采樣回的溫度與設置的目標溫度比較,作出相應的控制,開啟加熱器。當用戶需要比實時溫度低的溫度時,此電路可以利用風扇降溫。系統運行過程中的各種狀態參量均可由數碼管實時顯示。(二)利用PLC實現恒溫控制系統利用PLC實現對溫度恒定的控制,其控制系統的結構框圖如圖1.2所示:采用PLC控制實現電熱絲加熱全通、間斷導通和全斷加熱的自動控制方式,來達到溫度的恒定。智能型電偶溫度表將置于被測對象中,熱電偶的傳感器信號與恒定溫度的給定電壓進行比較,構成閉環系統,生成溫差電壓Vt,PLC自適應恒溫控制電路,根據Vt的大小計算出全通、間接導通和全斷的自適應恒溫控制電路,并將占空比可調的控制電平經輸出隔離電路去控制可控硅門極的通斷,實現自適應的恒溫控制。若溫度升的過快,PLC也將輸出關斷電平信號轉換為可控硅電路相匹配的輸入信號。圖1.2 利用PLC實現恒溫控制系統(三)利用模擬PID調節的恒溫控制系統基于模擬PID調節的恒溫控制系統由數字電路部分和模擬電路兩部分組成,其控制系統的機構框圖如圖1.3所示。由按鍵設定某一溫度,單片機對設定溫度值進行查表計算后轉換為對應的電壓數字值,通過16位的數模轉換器得到與之精確對應的電壓信號,此電壓值于熱敏電阻實際測量的電壓值進行比較產生一個誤差信號,經過PID電路后,獲得一個控制量給制冷元件構成實時閉環系統,同時實際測量的電壓值并顯示在液晶屏上。圖1.3 利用模擬PID調節的恒溫控制系統根據以上系統的優缺點本次設計了基于PLC的恒溫控系統。1.3 本課題研究容 利用適當的PLC和變頻器,應用PID控制算法,進行電動機工頻和變頻的切換及工作狀態的轉變,實現根據不同的需求條件來調節電動機的轉速和鍋爐工作狀態的轉變達到對用戶的供水恒溫控制。其主要技術要求如下:(1)系統共設有4個泵,分別為1號泵,2號泵,3號泵,4號泵;(2)系統采用自動及手動運行方式。自動運行方式中,能夠根據變頻實際運行頻率和當前實際供水溫度來決定泵的組合運行方式;(3)系統中,泵的組合運行方式共有3種狀態,為3變,3工4變,全工。(4)系統主電路采用一臺變頻器分別控制2臺水泵,使2臺水泵均為雙主回路的驅動方式;(5)采用溫度傳感器測量室外的溫度,作為水泵投入和切換的控制信號。2 方案的提出和論證2.1 方案的提出冬季供暖質量的高低取決于供暖系統的調節。供暖調節主要是根據室外溫度的變化,調節供暖溫度、循環水量等參數、保持室溫度恒定,防止供暖用戶室溫度過高過低,造成能源的浪費或影響供暖單位信譽度。供暖的方法直接影響了供暖的質量,供暖的調節的方式分為兩種:第一種是質調,第二種是量調[5]。下圖2-1為供暖系統的原理框圖。圖2-1 總體方案的系統框圖該系統主要有幾大部分組成:可編程控制器、變頻器、PC機(Wincc監控界面)、檢測電路、按鈕電路、報警電路、供暖對象、循環水泵、鍋爐等組成??删幊炭刂破鳎合到y的核心控制部分。對系統發出指令,達到控制的目的。變頻器:主要用于PLC通過控制變頻器來控制電機的轉速,從而控制循環水的流量。Wincc監控界面:監控系統的運行狀態。檢測電路:主要用于檢測各種參數例如室外的溫度、水的流量和溫度等。循環水。省略部分。程圖圖4-7 供水系統電氣接線圖圖4-8 供水系統工作狀態顯示畫面圖4-9 系統手動控制主畫面4.4 本章小結本章從程序設計理論著手,畫出了程序功能圖和系統自動控制過程列表,并對程序設計作了具體說明,根據以上理論,設計出了程序梯形圖,并做出了wincc上位機組態畫面。程序根據變頻器頻率信號是否到達上限或下限來確定是否進衍加泵或減泵,如變頻器頻率信號到達下限就進行加泵,如變頻器頻率信號到達上限就進行減泵,程序根據是否在同一狀態持續運行一定時間來確定換泵運行。系統遵循“先啟先停、后啟后?!钡脑瓌t切換泵來保持管網溫度恒定,還保持每臺泵運行時間相當,不致于某一泵長時間不運行而銹死。對于水壓控制環節而言,PID控制是一種簡單有效的控制方法。本章結合供水系統的運行特征總結了PID參數對PID算法的影響,分析了德國SIMENS公司的s7-300系列CPU314C-2DP中的PID算法的離散化實現方法,并運用該方法設計了一個用于溫度控制環節的PD控制器。本文結合對西門子S7300系列PLC的PID模塊,對模擬PID公式進行離散化處理,闡明了數字PID控制器的設計過程。運用PLC配套的STEP 7-Micro/Win編程軟件設計了一個用于供水系統溫度控制的PID控制器。5 變頻調速恒溫供水系統調試本次設計用到的軟件是step7編程軟件和wincc監控軟件。5.1 調試步驟系統的調試主要包括PLC、WINCC和變頻器等設備的調試。(1)給PLC送電,編寫簡單的程序,調試接觸器,使得所有接觸器通斷正常;(2)給變頻器送電,并設定其參數。 (3)在PLC與變頻器工作正常的條件下,編寫簡單的程序,采集變頻器的輸出信號,并調試令其正常; (4)在PLC工作的條件下,采集溫度信號,并調試使其處于正常工作圍; (5)在溫度信號正常的條件下,將其送入變頻器部,設置PID工作方式,調試PID并令其正常; (6)令系統所有硬件正常工作,變頻器參數正常設計,PID工作方式正常,寫入完整的PLC程序,看系統是否正常工作,若有偏差,給予調試,直到正常; (7)系統在PLC工作正常的條件下,令上位機工作,在溫度給定的條件下,看系統采集上來的數據是否正常,界面工作是否正常,若不正常,給予調試,直到正常。5.2 本章小結系統調試是系統投入運行中一個重要環節,主要包括PLC程序調試與運行,變頻器參數的設置,PID參數調整運行等。試驗表明系統穩定可靠而且經濟性強。6 全文總結在這次設計中首先確定了變頻調速恒溫供水系統的設計方案,主要是針對實際要解決的問題選擇用變頻調速的方案來解決,在變頻調速供水系統中,是通過變頻器來改變水泵的轉速,從而改變水泵工作點來達到調節供水流量的目的,在深白天溫度較高的情況下,系統自動切換到小容量的輔助泵運行,以進一步節能降耗,提高節能效果。在確定方案后,我對系統的硬件部分進行了設計,并對系統的主電路和控制電路的硬件進行了選型。其中,主電路中包括水泵、電動機、熱繼電器、交流接觸器、低壓斷路器、熔斷器和變頻器的選型;控制電路中包括可編程控制器、按鈕、轉換開關和溫度變送器的選型。在軟件設計方面,我首先確定了本次設計中算選用了PID算法。再從程序設計理論著手,畫出了系統流程圖,并對程序設計作了具體說明,根據以上理論,運用STEP7-300軟件設計出了程序梯形圖,并做出了WINCC上位機組態畫面。程序根據變頻器頻率信號是否到達上限或下限來確定是否進行加泵或減泵,如變頻器頻率信號到達下限就進行加泵,如變頻器頻率信號到達上限就進行減泵,程序根據是否在同一狀態持續運行一定時間來確定換泵運行。保持每臺泵運行時間相當,防止某一泵長時間不運行而銹死。在完成了硬件和軟件的設計之后,我對系統進行了調試,這是系統投入運行中一個重要環節,主要包括PLC程序調試與運行,變頻器參數的設置,PID參數調整運行等。試驗表明系統穩定可靠而且經濟性強。變頻調速恒溫供水系統實現水泵電機無級調速,依據用水量的變化自動調節系統的運行參數,在用水量發生變化時保持水溫恒定以滿足用水要求。隨著新型軟件的開發,自動恒溫供水系統具有的標準的通訊接口,可與城市供水系統的上位機聯網,實現城區供水系統的優化控制,為城市供水系統提供了現代化的調度、管理、監控及經濟運行的手段。系統的控制裝置采用PLC控制器,可實現泵組的邏輯控制、系統的數字PID調節功能,并可對系統中的各種運行參數實現實時監控,但本文對系統遠程監控工作未作詳細講解,這是下一步研究的重點。變頻調速恒溫供水控制系統的應用,為人民生活帶來極大方便,也為企業帶來巨大經濟效益,并同時得到了科技工作者與廣大民眾的認可。將來的趨勢必定是變頻調速恒溫供水全面取代傳統的供水方式,成為供水方式的主流。參考文獻[1]蔡建軍,孔鵬,維榮.基于PLC和變頻調速的鍋爐供暖系統的設計[J].2004.02.[2]方子風.廢熱鍋爐設計[M].科學技術.1989.[3]段平平.用PLC控制變頻調速系統的研究[J].科技學院學報,2008.9.[4] 厚偉.變頻器供水系統中的應用與節能[M].節能技術,1999.[5]戴建國,左正華.變頻調速在循環水泵的應用[J].[6]王春堂,玉霞.水泵與水泵站[M].黃河水利,2011.[7] 王丁.電機與拖動基礎.機械工業[M],2011.[8] 燕賓.變頻器應用教程.機械工業[M],2011.[9]順杰.呂樹清大學[M],2006.[10]王平,魯英.PLC應用教程.中國水利水電[M],2011.[11] 潔.PLC入門與應用案例.中國電力[M],2011.[12] 兵.PLC與工控系統安全自動化技術及應用.中國電力[M],2011.[13] 政.PLC編程技術與工程應用.機械工業[M],2011.[14] 廖常初.可編程程序控制應用技術[M]..[15].SIMATIC S7-300 系統手冊.[16] 美俊.PLC控制系統可靠性的軟件設計方法[M],2001.[17]林敏.計算機控制技術及工程應用.國防工業,2010.6.致本論文從選題到完成,每一步都是在導師老師的指導下完成的,傾注了老師大量的心血,老師嚴謹的治學態度和的工作作風使我終身受益,由于本次設計我選用的軟件是以前沒有用過的,等于是從零開始,是老師的耐心教導、并給予我關心和支持,才使我的論文得以順利完成,在此向老師表示崇高的敬意和衷心的感,也為我的大學四年畫上了圓滿的句號。還要感在這四年中教過我的每一位老師,沒有你們認真的教誨,我也學不到那么多的知識,做不出來今天的設計。在這里我也不能忘記那些給我很多幫助的同學,對我設計指出的不足之處,以及教我如何使用畫圖軟件,完成設計最重要的部分,沒有你們我也不會做出這么完整的設計,對你們每個人表示深深的感,另外,在課題的研究中,參閱了大量的文獻資料,作者們開拓性的勞動是我工作的基礎,在此向他們表示深深的意!向審閱、評議及參加答辯的專家和老師致敬!附錄一 系統程序梯形圖附錄二 系統硬件原理圖
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企業 余熱 溫度 實現 300 模擬 控制系統 s7 基于 設計說明
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