燃气热水器控制器设计 精品.docx

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燃气热水器控制器设计精品

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控制方案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

Abstract

Atpresent,theenergyconservationandemissionreductionasamajorthemeofenvironmentalprotection,indailylife,peoplearehopingtoreducespendingasmuchaspossibleofalsocanreducepollutiontotheenvironment.Previously,mostofthesmallandmedium-sizedhotelsareusingtheboilerheating,thismethodnotonly,time-consuming,anditsemissionsofgasesontheenvironmentalsocausedgreatdestruction.

Sincethemid70s,PLCalreadywidelyusedmicroprocessorsasthecentralprocessor,input/outputmoduleandperipheralcircuitareadopted,andlarge-scaleeveninlargescaleintegratedcircuit,thenthePLCisnolongeronlyLogic（Logic）tojudgefunctions,butalsoatthesametimeadataprocessing,PIDregulationanddatacommunicationfunction.

ThisarticledetailedthePLCcontrolschemeofshaoxingingashotwatersystem,theapplicationofnaturalgasasfueltocleanenergy,throughthePLCcontrol,realizedtheautomationofgashotwatersystem.Atthesametime,willlifebalancecontrolappliedtothesystem,andincreasetheservicelifeofthepump.

Keywords:

GashotwatersystemPLCLifebalancecontrol

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。

（4）.采用先进的电脑自动控制系统,并运用红外遥控技术。

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。

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。

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。

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%左右计算。

当给水系统为水泵和水箱方式时,如水泵为自动控制,水箱的有效容积可取最高日用水量的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。

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

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）操作条件的内容很多，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：

Q=100*1/4*8L/min*60%1000=12m3/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CM10-2。

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，CM10-2的尺寸见图2-7和表2-1。

图2-5CM泵系列性能范围

图2-6CM10性能范围

图2-7泵CM10尺寸

表2-1CM10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：

⑴选择步骤

　　①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。

　　②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。

　　③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。

　　④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。

　　⑤选择阀门的种类：

闭路阀门、调节阀门、安全阀门等。

　　⑥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。

⑵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。

　　①所选用阀门的用途、使用工况条件和操纵控制方式。

　　②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。

　　③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。

　　④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。

　　⑤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。

表2-2OK68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。

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

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