基于S7-300实现的企业余热温度模拟控制系统设计.doc
- 文档编号:2590402
- 上传时间:2022-11-02
- 格式:DOC
- 页数:54
- 大小:2.51MB
基于S7-300实现的企业余热温度模拟控制系统设计.doc
《基于S7-300实现的企业余热温度模拟控制系统设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于S7-300实现的企业余热温度模拟控制系统设计.doc(54页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
长春工程学院毕业设计(论文)
目录
1引言 1
1.1设计的背景及意义 1
1.2设计相关技术的国内外现状 1
1.3本课题研究内容 3
2方案的提出和论证 4
2.1方案的提出 4
2.2方案的论证及确定 5
2.3方案说明 5
2.4本章小结 6
3变频调速恒温系统硬件设计 7
3.1主电路的设计 7
3.2控制电路的设计 14
3.3本章小结 23
4变频调速恒温系统软件部分的设计 24
4.1PID算法简介 24
4.2下位机PLC程序设计 27
4.3上位机人机接口Wincc监控画面的设计 30
4.4本章小结 33
5变频调速恒温供水系统调试 34
5.1调试步骤 34
5.2本章小结 34
6全文总结 35
参考文献 36
致谢 37
附录一系统程序梯形图 38
附录二系统硬件原理图 53
I
1引言
1.1设计的背景及意义
能源是国民经济发展的基础,深入开展节能工作,不仅是缓解能源矛盾和保障国家经济安全的重要措施,而且也是提高经济增长质量和效益的重要途径[1]。
由于我国工业领域余能利用空间很大,工业冷却水、工业废水、地热尾水中蕴含着大量热能,利用热交换技术可将废水中的低品位余热转换成高品位热能,再把这些高品位热能利用到冬季供暖,即可实现能源再利用[2]。
在冬季供暖系统中,供暖质量的高低取决于供暖系统的调节,供暖调节主要是根据室外温度的变化,调节供暖温度、循环水量等参数、保持室内温度恒定,防止供暖用户室内温度过高过低,造成能源的浪费或影响供暖单位信誉度。
以往供暖单位主要通过调整锅炉的燃烧状态和运行时间来控制供水温度达到节省燃煤和锅炉用电的目的,但由于循环水的流量不变,循环水泵的耗电并未减少,因此,不符合国家的可持续发展战略,同时也增加了供暖单位的供暖成本。
综上,本文设计了以PLC为控制核心的的变频调速恒温供水系统,基本上可以改进以上存在的问题。
PLC(可编程控制器)是近年来被广泛应用于电气自动化中的一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入或输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC不仅具有传统继电器控制系统的控制功能,而且能扩展输入输出模块,特别是可以扩展一些职能控制模块,构成不同的控制系统,将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体,将智能控制、闭环控制等融为一体的综合控制[3]。
现代PLC以集成度高、功能强、抗干扰能力强、工作稳定受到普遍欢迎,在传统工业的现代化改造中发挥越来越重要的作用。
以PLC控制的变频调速恒温供水系统可以替代布线复杂、维护困难、成本高的传统温度控制系统,它不仅具有传统温度控制系统的优点,满足供暖系统的需求,也克服了传统温度控制系统的耗电耗能的不足,在现实生活中具有重要的意义[4]。
1.2设计相关技术的国内外现状
目前国内外对于温度控制的方法也有很多:
如单片机控制、PLC控制、模拟PID调节器和数字PID调节器等等。
(一)利用单片机系统实现温度恒定的控制,其总体结构图如图1.1所示。
系统主要包括现场温度采集、实时温度显示、加热控制参数设置、加热电路控制输出、与报警装置和系统核心AT89S52单片机作为微处理器。
图1.1单片机系统实现温度恒定的控制
温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。
单片机结合现场温度与用户设定的目标温度,按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量。
以此控制量控制固态继电器开通和关断,决定加热电路的工作状态,使温度逐步稳定于用户设定的目标值。
在温度到达设定的目标温度后,由于自然冷却而使其温度下降时,单片机通过采样回的温度与设置的目标温度比较,作出相应的控制,开启加热器。
当用户需要比实时温度低的温度时,此电路可以利用风扇降温。
系统运行过程中的各种状态参量均可由数码管实时显示。
(二)利用PLC实现恒温控制系统
利用PLC实现对温度恒定的控制,其控制系统的结构框图如图1.2所示:
采用PLC控制实现电热丝加热全通、间断导通和全断加热的自动控制方式,来达到温度的恒定。
智能型电偶温度表将置于被测对象中,热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较,构成闭环系统,生成温差电压Vt,PLC自适应恒温控制电路,根据Vt的大小计算出全通、间接导通和全断的自适应恒温控制电路,并将占空比可调的控制电平经输出隔离电路去控制可控硅门极的通断,实现自适应的恒温控制。
若温度升的过快,PLC也将输出关断电平信号转换为可控硅电路相匹配的输入信号。
图1.2利用PLC实现恒温控制系统
(三)利用模拟PID调节的恒温控制系统
基于模拟PID调节的恒温控制系统由数字电路部分和模拟电路两部分组成,其控制系统的机构框图如图1.3所示。
由按键设定某一温度,单片机对设定温度值进行查表计算后转换为对应的电压数字值,通过16位的数模转换器得到与之精确对应的电压信号,此电压值于热敏电阻实际测量的电压值进行比较产生一个误差信号,经过PID电路后,获得一个控制量给制冷元件构成实时闭环系统,同时实际测量的电压值并显示在液晶屏上。
图1.3利用模拟PID调节的恒温控制系统
根据以上系统的优缺点本次设计了基于PLC的恒温控系统。
1.3本课题研究内容
利用适当的PLC和变频器,应用PID控制算法,进行电动机工频和变频的切换及工作状态的转变,实现根据不同的需求条件来调节电动机的转速和锅炉工作状态的转变达到对用户的供水恒温控制。
其主要技术要求如下:
(1)系统共设有4个泵,分别为1号泵,2号泵,3号泵,4号泵;
(2)系统采用自动及手动运行方式。
自动运行方式中,能够根据变频实际运行频率和当前实际供水温度来决定泵的组合运行方式;
(3)系统中,泵的组合运行方式共有3种状态,为3变,3工4变,全工。
(4)系统主电路采用一台变频器分别控制2台水泵,使2台水泵均为双主回路的驱动方式;
(5)采用温度传感器测量室内外的温度,作为水泵投入和切换的控制信号。
2方案的提出和论证
2.1方案的提出
冬季供暖质量的高低取决于供暖系统的调节。
供暖调节主要是根据室外温度的变化,调节供暖温度、循环水量等参数、保持室内温度恒定,防止供暖用户室内温度过高过低,造成能源的浪费或影响供暖单位信誉度。
供暖的方法直接影响了供暖的质量,供暖的调节的方式分为两种:
第一种是质调,第二种是量调[5]。
下图2-1为供暖系统的原理框图。
图2-1总体方案的系统框图
该系统主要有几大部分组成:
可编程控制器、变频器、PC机(Wincc监控界面)、检测电路、按钮电路、报警电路、供暖对象、循环水泵、锅炉等组成。
可编程控制器:
系统的核心控制部分。
对系统发出指令,达到控制的目的。
变频器:
主要用于PLC通过控制变频器来控制电机的转速,从而控制循环水的流量。
Wincc监控界面:
监控系统的运行状态。
检测电路:
主要用于检测各种参数例如室外的温度、水的流量和温度等。
循环水泵:
主要用于控制水的循环,可以使供热源的热量通过循环水传递到用户。
循环水泵起到提供动力作用。
按钮电路:
主要用于系统的启动和停止及一些参数的设定。
报警电路:
主要用于提示人们系统出现的故障,及时处理故障避免发生危险和伤害。
锅炉:
主要用于加热循环水。
2.2方案的论证及确定
方案一:
供暖的调节方式采用质调。
目前普遍采用这种方法,质调是通过调整锅炉的燃烧状态和运行时间来控制供水温度达到节省燃煤和锅炉用电的目的,但由于循环水的流量不变,循环水泵的耗电并未减少。
方案二:
供暖的调节方式采用量调,它是根据室外温度的变换来调节整个供暖系统水流量的方法改变供暖温度,当室外温度升高时,使水泵转速降低,水流量降低,水在系统中流动的时间加长,在相同的供水温度(t供)下,回水温度下降,供暖平均温度t平=(t供+t回)/2下降,从而起到温度调节的作用。
流量调节可分为两种方法:
一是通过控制循环水泵出水阀门和系统各支路阀门的开度大小来调节,这种方法由于水泵电机转速不变,只是人为调节系统阻力,电机功率变化不明显,起不到节电作用。
另一种方法是加变频调速装置,自动调节水泵电机的转速,达到控制流量的目的。
这种方法操作简单,节电效果明显,是控制温度较理想的方法。
通过以上的论证和分析,本文设计的系统采用方案二即采用量调结合变频调速的方法进行,满足需求且节能降耗。
2.3方案说明
方案二中的室内温度在实际供暖系统中,一般与室外温度和供水温度有关,而我们设计的是一个模拟系统,因此,系统中室内温度的恒定主要是通过调节供水温度来维持的。
该系统通过控制循环水的流动来控制供水温度,从而达到控制室内温度的目的。
变频恒温供水是使用变频器通过调节供水水泵的转速,以维持供水温度,并使其保持相对恒定,因此又简称恒温供水。
用变频器实现的闭环控制可以保证泵站的出口温度基本恒定。
为了节省投资,一般只配备一台变频器,某一台电动机用变频器驱动,其他电动机仍然用工频电源驱动,以实现多泵并联变频恒温供水,达到理想的流量及温度调节效果。
PLC的主要作用是根据室内室外的温度和供水的温度,控制变频及工频电源供电的水泵台数,对泵站总的供水流量进行调节。
在控制系统中,温度变送器将泵站出口管道的温度和室内室外的温度转换为标准量程的电压或电流,这些反馈量直接送给EM模块的模数转换再送给PLC,PLC根据室外温度和室内温度和供水温度的偏差变化情况,经PLC内部的PID运算,调节变频器的输出频率,控制变频及工频电源供电的水泵台数。
变频器的输出频率越高,泵站的出口流量就越高。
选择最佳的输出频率,既能保证供水温度,又能防止温度过高,可以节约大量的能源。
PLC可以选择任意一台电动机作为变频运行,其余各台电动机由工频驱动。
根据当前的供水量和泵站出口处的温度,控制工频运行的水泵台数,对供水量和流量进行粗调,用变频电动机进行细挑。
假设各泵的电动机容量相同,当用水流量小于一台泵的流量时,由一台变频泵自动调速供水。
随着用水流量的增大,由于闭环控制的作用,变频泵的转速自动升高,以维持恒温;如果变频泵的转速升高到工频转速时,管道出口温度仍未达到设定值,则启动一台工频泵。
依此类推,直到出口温度达到设定值。
当用室外温度减少时,锅炉的加热状态也会降下来,变频泵的频率也将自动减小,降到某一设定值时,如果管道温度仍高于设定值,则切除一台工频泵,切除后如果管道温度仍然过高,再切除一台工频泵,直到管道温度等于设定值。
本文设计的系统中共有2台水泵,其中只有一台变频泵。
当供水设备供电开始时,先启动变频泵,水温达到设定值时,变频器的输出频率稳定在某一数值上。
而当用室外温度降低时,供水水温就会升高,传感器将这一信号送入PLC前端的EM模块,PLC送出一个温度升高信号,使锅炉的加热状态增加,也使变频器的输出频率上升,水泵的转速提高,水温上升。
如果室外温度和室内温度降了很多,使变频器的输出频率达到最大值,仍不能使水温达到设定值,则PLC就发出控制信号,再启动一台工频泵。
反之,当用室外温度增加时,变频器的频率达到最小值时,PLC发出减少一台工频泵的信号和减小炉的加热状态。
系统处于自动运行方式,有2台工作水泵。
系统初始上电时,先投入一个泵进行变频运行,调节供水温度,此时系统为第一台泵变频(简称“3变”)工作方式。
若当前温度没有达到给定值,而水泵运行频率已经达到最高值50Hz,则此时应将工作泵切换至工频运行,并将另一待用泵投入变频运行状态,此时系统为第一台泵工频、第二台泵变频(简称“3工4变”)工作方式。
若处于“3工4变”状态时,其实际供水温度低于给定值,而变频泵
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 S7 300 实现 企业 余热 温度 模拟 控制系统 设计
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)