智能加热控制系统：基于PLC的空气源热泵热水器的控制系统研究设计

1、智能加热控制系统基于plc的空气源热泵热水器的控制系统研究设计摘要环境问题和能源问题已成为制约国民经济发展的两大难题。近些年来，空气源热泵热水系统因其节能、环保等显著特点而越来越受到广大消费者的关注。plc也因其可靠性高、控制功能强等优势逐渐在控制领域占据着举足轻重的地位。而一个热泵热水器如果没有好的控制系统，将会产生不必要的材料浪费和环境污染。所以本课题基于plc的空气源热泵热水器的控制系统设计，就是要结合二者的特点使热泵的优势和效能得到最大程度的体现，从而达到缓解环境和能源问题的目的。基于电机的功耗与其转速的立方成正比关系，所以本设计还用到了变频器，充分结合了系统的特点，同时也达到了节能的

2、目的。在控制领域，pid调节以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等特点成为了工业控制的主要技术之一。本文还结合了plc自带的pid调节模块，来调节电机的转速，既保证了合理供水，又降低了系统的功耗。本设计完成的是plc控制中的下位机部分，实现了整个水箱水的一个加热全过程。并结合变频器和pid调节达到节能的目的。关键字：plc;变频器;pid调节intelligent heating control system-plc-based air source heat pump water heater control systemabstractenvironmental issues and

3、 energy issues have become the two major problems restricting the development of the national economy. in recent years, the air source heat pump hot water system because of its remarkable characteristics such as energy-saving, environmental protection, which has attracted the attention of consumers.

4、 plc also holds an important position in control field for its high reliability and strong control function. and if a heat pump water heater has not a good control system, it will generate unnecessary material waste and environmental pollution. so this topic based on plc, air source heat pump water

5、heater control system design, is to combine the characteristics of them to make the advantages and efficiency heat get maximum embodiment, to achieve the mitigation of environmental and energy purposes.based on motor power is proportional to the cube of its speed, so the design also uses a frequency

6、 converter, is combined with the characteristics of the system, but also to achieve energy-saving purposes.in the field of control pid regulator for its simple structure, stable, reliable, and convenient adjustment of industrial control has become one of the main technology. this also comes with a p

7、lc pid regulation module to regulate the motor speed, this not only ensures a reasonable water supply, but also reduces the system power consumption.this design has completed the plc programming control part, achieved a whole tank water heating process. combining the transducer to achieve the goal o

8、f saving energykey words: plc; inverter; pid; adjustment目 录第一章 绪论 11.1课题背景及意义 11.2国内外的研究现状简述 51.3本课题的主要内容 9第二章 硬件设计102.1使用变频器的原因102.2变频器的节能原理102.3变频器的配线142.3.1配线图142.3.2配线注意事项142.4操作及运行162.4.1操作说明162.4.2操作范例172.5变频器在该系统中的运用18第三章 plc 程序设计233.1plc参数i/o分配表233.2设计流程图23第四章 总结274.1设计内容总结274.2心得体会28参考文献 29

9、致 谢30附 录31第一章 绪论1.1 课题背景及意义随着经济的快速发展和人们生活的逐步提高，人们对生活品质的追求使得对生活热水的需求也越来越高。然而，全球工业化导致温室气体排放的增加、二氧化碳排放的增加、石油短缺、燃煤燃气污染严重、价格高昂。这些因素都使得环保的新能源及其应用产品成为必然的选择。一般来说，在人们日常生活中，生活热水的提供常常来源于燃气热水器、电热水器或者太阳能热水器。近些年来，热泵型热水器因其节能、环保等显著特点而越来越受到欧美及我国消费者广泛的关注。在我国，随着人们生活水平的日益提高、国民经济的快速发展，建筑能耗越来越大，尤其是生活热水的能耗，在全社会倡导“节约能源”和政府

10、主导的“节能减排”、“绿色发展”的环境中，有效减少生活用热水的能耗是今后一段时期应该得到重视的问题。在欧美发达国家，利用空气源热泵制取生活热水已经成为比较流行的方式。下面简单介绍一下，空气源热泵的工作原理和特点。（1）空气源热泵的工作原理 图1 系统简图与传统的三种热水器相比，利用空气热能的热泵热水器更节能、更环保。与日常生活中常用的双制空调的制热功能原理一样，只不过加热对象是水与空气的区别。其工作原理为：热泵热水器内有和空调内的冷媒一样的载热工质，在低压液态下吸收环境空气的热能，在蒸发器内蒸发气化，通过压缩机的工作提高工质的温度，再通过冷凝器使工质冷凝为液态，同时释放其热量并传给水箱中的水，

11、达到制取热水的目的【1】。就像水泵将水从低处泵到高处一样，热泵热水器利用电能将空气中的热能和输入的电能一并传给水箱中的冷水，加热水以供使用。一般来说，空气源热泵热水器由室外的热泵主机(与空调器室外机类似)和耐压的保温水箱以及热水末端(水龙头、花洒等)组成。而热泵主机又由压缩机、蒸发器、冷凝器和电子节流装置四个主要部分组成。整个循环中冷媒(或称热媒、制冷介质)在高压冷凝与低压蒸发过程中实现热量的运输和传递。可以简单划分为以下四个部分：. 低温低压制冷剂经膨胀机构节流降压后，进入空气交换机中蒸发吸热，从空气中吸收大量的热量q1。. 蒸发吸热后的制冷剂以气态形式进入压缩机，被压缩后，变成高温高压的制

12、冷剂（此时制冷剂中所蕴藏的热量分为两部分：一部分是从空气中吸收的热量q1，一部分是输入压缩机中的电能在压缩制冷剂时转化成的热量q2。. 被压缩后的高温高压制冷剂进入热交换器，将其所含热量（q1+q2）释放给进入热换热器中的冷水，冷水被加热到55（最高达65）直接进入保温水箱储存起来供用户使用。. 放热后的制冷剂以液态形式进入膨胀机构，节流降压.如此不间断进行循环【2】。（2）空气源热泵的特点、超大水量：水箱容量根据具体要求量身订做，水量充足，可满足不同客户不同时段需求。、经济节省：从空气中获取大量的能源，能效比高达300%400%。根据使用规律设定热水器自动运行时间，费用自然节省。、适用范围广

13、：不受气候影响，在环境温度为-1043下均能正常工作，可广泛应用于家庭、宾馆、酒店、学校、医院、集体宿舍、住宅小区、桑拿等集中供热。、持久恒温：使用非常简单，整个热水器采用自动化智能控制系统，用户只需在初次使用时开一下电源，在以后的使用过程中完全实现自动化运行，到达用户指定水温时自动停机，低于用户指定水温时系统自行开机运行，完全实现一天24小时随时有热水而不用等候。、安全环保：结构上水电完全分离，且无任何有害有毒气体排放或燃烧，不受台风等自然灾害的影响，绝对安全；、防冻功能：具有智能化霜功能，确保热水器在低气温环境下稳定运行，它可根据室外环境温度、蒸发器翅片温度和机组运行时间等多个参数综合、智

14、能判断自动进入和退出化箱。、安装方便：体积小巧可以安装在任何地方，安装在室内不占用空间，也可以安装在室外，如屋顶、地面等露天放置，可以实现远程监控，占地面积小、安装简单，无需另设机房。、使用寿命长，维护费用低，设备性能稳定，使用寿命可达15年以上。由此可以看出空气源热泵热水系统的推行已经势在必行。随着我国经济发展和人民居住条件的改善、生活品质的提高，新建住宅几乎全部需要安装热水器，再加之一些存在安全隐患的燃气热水器需要替换，因此，空气源热泵热水器在我国具有广阔的发展前景【3】。然而，再好的热水器如果没有一套与之紧密结合的优良的控制系统，不仅它的优势很有可能不能全面的发挥出来，而且还可能造成不必

15、要的能源消耗和危及到其他设备的安全运行。例如，对热水温度的设置。这个参数的设置在系统节能上有为重要。由热泵本身的制热原理就可以看出，水的温度越高，提升相同度数水温耗能越多。所以在满足用户需求的情况下，水温不宜偏高。据理论计算和有关资料介绍，每降低1摄氏度的水温，可节省约2%-2.5%的电能。不仅如此，降低水温还可以减少系统的热量损失和减少水垢。因此本文就是根据空气源热泵的原理及特点，再结合plc控制、pid调节以及变频原理，来设计一个全自动的空气源热泵热水系统的控制系统，从而达到更加有效及方便用户用水和节能环保的目的。plc变频调速控制系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进

16、行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.2 国内外的研究现状简述基于plc的空气源热泵热水器的控制系统设计主要运用了plc和变频技术。下面就这两个方面简单描述一下国内外的一些研究发展和现状。plc的发展状态在可编程序控制器诞生之前，继电器控制系统已广泛应用于工业的各个部门。继电器控制系统通常可看成是由输入电路、输出电路、控制电路和工业现场四部分组成。其中输入电路部分由按钮、行程开关、限位开关、传感器等构成，用以向系统送入控制信号。输出电路部分由

17、接触器、电磁阀等执行元器件构成，用以控制各种被控对象（如电动机、电炉、阀门等）。控制电路部分是继电器控制系统的核心，它通过导线将各个分立的继电器、电子元器件连接起来，对工业现场实施控制。工业现场部分是指上述的被控制对象或生产过程。继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着重要作用。随着生产规模的逐步扩大，市场竞争日趋激烈，继电器控制系统愈来愈难以适应工业生产的需要。继电器控制电路通常是针对某一固定动作顺序或生产工艺而设计的，它只能进行逻辑、定时、计数等一些简单的控制，一旦动作数序或生产工艺发生变坏，就必须进行重新设计，重新布线、装配和调试。这就迫使人们研制新型工业控制系统，以取代原来已占统治地位的

18、继电器控制系统。基于上述状况，美国通用汽车公司（gm）于1986年提出了研制新型工业控制器的设想，第二年，美国数字设备公司（dec）就研制出了世界上第一台可编程序控制器。在这一时期，可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想，但实际上它只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、技术等功能，所以人们将可编程序控制器称为plc(programmable logic controller),即可编程序逻辑控制器。20世纪70年代末至80年代初，微处理器技术日趋成熟，使可编程序控制器的处理速度大大提高，并增加了许多特殊功能，如浮点运算、函数运算、查表等，使可编程序控制器不仅可进行逻辑控制，而且还可对模拟量进

19、行控制。因此，美国电气制造协会（nema）将它正式命名为pc（programmable controller）。由于个人计算机的简称也是pc(personal computer),为避免混淆，人们习惯上仍将可编程序控制器称为plc。20世纪80年代后，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化可编程序控制器的得到了惊人的发展，使之在概念、设计、性能价格比等方面有了重大的突破。可编程序控制器具有了高速计数、中断技术、pid（比例、积分、微分）控制等功能，同时联网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用范围不断扩大。为使这一新型工业控制系统的生产和发展

20、规模化，国际电工委员会（iec）制定了plc的标准，并给出了它的定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算数运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计【4】。plc近年来的发展方向（1）小型化近年来，小型plc的应用十分普遍，超小型plc的需求日益增多。据统计，美国机床行业应用超小型plc几乎占1/4，因此国外许多plc厂家正在积极研制开放各种超小型plc

21、。例如，日本欧姆龙公司的cpmia系列plc既可单机运行，也可联网实现发展的控制，cpmia系列plc的最小配置是6个数字量输入和4个数字量输出，还可根据实际情况扩展模块，最多可达100输入和输出。此外，它还具有模拟设定、高速计数等功能，是一种性能价格比较好的超小型plc。（2）网络化多层次分布式控制系统与集中型相比，具有更高的安全性和可靠性，系统设计、组态更为灵活方便，地域分布更广，是当前控制系统发展的主流。为实现工厂生产自动化，世界上各plc生产厂家不断研制开发功能更强的plc网络系统。这种网络一般是多级的，网路的最底层是现场执行级，中间是协调级，最上层是组织管理级。现场执行级可由多个pl

22、c或者远程i/o工作站组成，中间一级由plc或计算机构成。最高一级一般由高性能的计算机组成。它们间采用工业以太网和map网、工业现场总线，构成多级分布式plc。随着自动控制系统技术的发展，这种多级分布式plc控制系统除了控制功能外，还可实现在线优化、生产过程的实时调度、产品计划、统计管理等功能，成为一种测、控、管一体化的多功能综合系统【5】。（3）兼容性目前，plc与计算机已成功的结合并广泛应用，称为控制系统中的一个重要的组成部分和环节。随着集成电路和计算机技术的进一步发展，今后将更加注重plc与其他智能控制系统的结合。许多plc开发商已经注意到了plc的兼容性，不仅是plc与plc的兼容，而

23、且还注意到plc与计算机的兼容，使之可充分利用计算机现有的软件资源。例如欧姆龙cqmih等系列plc，其软件编程、监控都可在windows操作平台上操作和运行。今后plc将采用速度更快、功能更强的cpu，容量更大的存储器，并将更充分利用计算机资源。plc与工业控制计算机、集散控制系统、嵌入式计算机系统等还将进一步渗透与结合，这必将进一步拓宽plc的应用领域【6】。（4）标准化长期一来，plc走的是专门化发展道路，使其在获得成功的同时也带来诸多的不便。例如，各个公司的plc都有通信联网的能力，但各个公司的plc之间无法通信联网，因此制定plc的国际标准势在必行。从1978年起，国际电动委员会在其

24、下设tc65的sc65b中专设wgt工作组，制定plc的国际标准，到目前为止已公布和制定的标准有如下5个：1131-1: general information（一般信息）1131-2: equipment characteristics and test requirement（设备特性与测试要求）1131-3: programming language（编程语言）1131-4: user guidelines（用户向导）1131-5: mms companion standard（制造信息规范伴随标准）国内外变频调速技术的发展与现状变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技

25、术及电机控制理论的发展。1964年，最先提出把通信技术中的脉宽调制p删技术应用到交流传动中的是德国人。20世纪80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。此方法以三相波形的整体生成效果为基础，以逼近电机气息的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成两相调制波形，使变压变频vvvf(variable voltage variable frequency)成为变频调速技术的核心。从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于vvvf技术的通用变频器已商品化并广泛应用。1980年，德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢量控制的实用化。此后，日本厂商竟相研究矢

26、量控制技术，并在产品性能和价格两方面取得进展；理论界则应用现代控制理论把矢量控制的理论进一步深化，取得了解耦控制、速度观测、参数自适应、无速度传感器矢量控制等方面的理论成果。自1992年开始，德国西门子公司相继开发了6se70系列通用变频器，通过fc、vc、sc板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等；至1994年该系列通用变频器的容量就扩展到315kw以上。1985年，德国人提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论(dsc)。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪，实现脉宽调制和系统的高动态性能。最初，这种控

27、制方法主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变器控制中应用；目前被应用于通用变频器的控制方法的一种改进的、适合于高开关频率逆变器的方法。1995年，abb公司首先推出的直接转矩控制通用变频器，目前已成为其各系列通用变频器的核心技术。国外在交流变频调速技术的发展方面特点为：市场需求量大；功率器件发展迅速；控制理论和微电子技术的支持。变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三个方面决定的。在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论，为高性能变频调速提供了理论基础；16位、32位高速微处理器以及信号处理器(dsp)和专用集成电

28、路(asic)技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。在我国，60的发电量是通过电动机消耗掉的，因此，如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。我国电气传动产业始于1954年。当时，在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，即现在的天津电气传动设计研究所的前身。现在，我国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套

29、装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。国内交流变频调速技术产业状况表现如下：1)变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研究变频技术并开发新产品，但由于分散，所以并没有形成一定的技术和生产规模。2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白。3)相关配套产业及行业落后。4)产品可靠性及工艺水平低。1.3 本课题的主要内容本文主要通过对目

30、前各热水系统的分析，并根据用户对系统的要求，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和plc作为主要控制设备来设计该空气源热泵热水系统的控制系统。具体而言论文主要包括以下内容：1）硬件部分。分析变频器的节能原理，结合热泵的特性和用户对系统的要求，运用变频器来调节电机的转速，在方便用户用水的同时也达到了节能的目的。2）软件部分。介绍了plc的特性和编程语言，对实现供水控制的各个模块的设计也做了详细的分析。第二章 硬件设计2.1 使用变频器的原因我国的电动机用电量占全国发电量的6070，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3.造成这种状况的主要原因是：风机、水泵等设备传统

31、的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输出功率大量的能源消耗在挡板、阀门地截流过程中。由于风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量、风量，应用变频器节电率为2050，而且通常在设计中，用户水泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，效率低下，造成电能的大量浪费。因此推广交流变频调速装置效益显著。采用变频器驱动具有很高的节能空间。目前许多国家均已指定流量压力控制必须采用变频调速装置取代传统方式，中国国家能源法第29条

32、第二款也明确规定风机泵类负载应该采用电力电子调速【7】。2.2 变频器的节能原理实际情况:工厂用水是由一台水泵将外源水抽至工厂储水池，再由另外一台水泵根据工厂实际用水量的大小来将水供给工厂使用。 在一般情况下，水泵采用恒速交流电动机拖动，而用水量却是变化的，为了保证水池的正常供水，工人要在现场经常调节挡板或阀门开度大小来控制水泵的抽水量，或者将水池中用不完的水白白流掉。这样做不仅增大了工人的劳动强度，而且有大量的电能浪费在水泵阀门阻力的损失上。因此就要求水泵处于变工况运行，若利用变频器进行调速，以调节电动机转速的方法取代调节挡板或阀门，则不仅可以减轻工人劳动强度，还能达到节约电能目的，对提高企

33、业经济效益有重要意义【8】。变频调速节能装置的节能原理1、 变频节能由流体力学可知，p（功率）=q（流量）h（压力），流量q与转速n的一次方成正比，压力h与转速n的平方成正比，功率p与转速n的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速n可成比例的下降，而此时轴输出功率p成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。水泵变频器控制节能原理(a) 水泵特性分析根据离心泵特性曲线的有关公式：p=k1qh （2-1）（2-1）式中说明在相同的轴功率下，若通过出口阀门调节泵机流量，将引起泵机扬程的相应改变，流量越小，扬程变得越大，但实际抽水时，由于扬程是基本不变的，由此就

34、产生了更多的富余扬程。q=k2n （2-2）h=k3n2 （2-3）由（2-1）、（2-2）、（2-3）式得：p=k4n3 （2-4）（2-4）式说明泵机轴功率与转速的立方成正比，若设法降低转速，就可以减小泵机轴功率，再由（2-1）可知，就可实现流量或扬程的自由调节。p/q=k5n2 （2-5）（2-5）式说明单位时间内，排放每m3 水能耗（即功耗）与转速立方成正比，这说明在达到实际供水流量前提下，转速越小，功耗越小。式中：k1，k2，k3，k4，k5为常数，p为泵机轴功率； q为泵机流量； h为泵机扬程；n为泵机转速。例如：一台水泵电机功率为55kw，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为

35、28.16kw，省电48.8，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875kw，省电87.5。(b) 电机特性分析根据交流电动机的工作原理：旋转磁场的转速n=60/p.f，电机的：n=60/p.f（1-s） （2-6）式中：f为电机的电源频率；p为电机的磁极对数；s为转差率。由于电机的s和p为常数，所以（2-6）式可知电机的转速与电源频率有固定的正比例关系。(c) 节能原理由电机特性分析可知，均匀改变电机供电频率f，就可以平滑地改变电动机的转速，从而改变泵机的转速；结合泵机特性分析，降低电动机转速，电动机输入功率也随之减少，泵机轴功率就相应减少。这就是变频器控制水泵的节能原理【9】。2、

36、 功率因数补偿节能无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，由公式p=scos，q=ssin，其中s视在功率，p有功功率，q无功功率，cos功率因数，可知cos越大，有功功率p越大，普通水泵电机的功率因数在0.6-0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，cos1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。3、 软启动节能由于电机为直接启动或y/d启动，启动电流等于（-7）倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动

37、时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。另外，水泵起动时的急扭和突然停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂，严重的可能造成电机的损坏，水泵采用变频器调速以后，可以根据工艺的需要，实现泵机的软启和软停，从而使急扭及水锤现象得到解决。而且在用水量不大的情况下，可以降低泵机的转速，这样不仅避免了水泵长期工作在满负荷状态，造成的电机过早的老化，而且变频器的软启动大大减小泵机启动时对机械的冲击，也具有节能的

38、作用，其节电率一般在15%-40%左右【10】。2.3 变频器的配线2.3.1 配线图变频器配线部分，分为主回路和控制回路。打开变频器外壳的盖子，就可以看到主回路端子和控制回路端子，配线时需依照下面的基本配线图来准确连接。图2.1 基本配线图2.3.2 配线注意事项（1）主回路配线配线时，配线线径规格的选定，需依照电工法规的规定施行配线，以确保安全。电源配线最好使用隔离线或线管，并将隔离层或线管两端接地。务必在电源与输入端子（r、s、t）之间装空气断路开关nfb。（如使用漏电断路开关时，需使用带高频对策的断路开关）。动力线与控制线需分开布置，不可置于同一线槽中。务将交流电源接至变频器输出端（u

39、、v、w）。输出配线不可碰到变频器外壳金属部分，否则可能造成接地短路。变频器的输出端不可使用移相电容器、lc、rc杂讯滤波器等元件。变频器主回路配线必须远离其他控制设备。当变频器与电动机之间的配线超过15米（220v系列），（380v级30米）时，在马达的线圈内部将产生很高的dv/dt,这对马达的层间绝缘将产生破环，需改用变频器专用的交流马达或加装电抗器变频器测。变频器与电机间距较长时，请降低载波频率，因载波越大，其电缆线上的高次谐波漏电流绝大，漏电流会对变频器及其它设备产生不利影响（2）控制回路配线（信号线）信号线不可与主回路配线置于同一线槽中，否则可能会产生干扰。信号线需使用屏蔽线，并单端

40、接地，线径尺寸为0.5-2平方毫米，控制线建议使用1平方毫米的屏蔽线。（3）接地线接地线的使用，需依照电气设备技术基本长度与尺寸使用。绝对避免与电焊机、动力机械等大电力设备共用接地极。接地线应尽量远离大电力设备动力线。接地配线必须越短越好。接地端子绝对不可接到零线上。2.4 操作及运行2.4.1 操作说明（1）键盘图2.2 键盘界面图（2）状态提示灯功能说明hz:当led显示内容为频率数据时，该指示灯亮。i：当led显示内容为电流数据时，该指示灯亮。fwd：当变频器处于正转运行时，该指示灯亮。rev：当变频器处于反转运行时，该指示灯亮。（3）监视运行参数变频器在运行过程中，按一次“data”键

41、，再按“”或“”键选择观看运行电流或运行频率。hz灯亮表示频率，i灯亮表示电流。（4）查看故障记录变频器在运行过程中或待机状态下，按两次“prgm”键，再按“”或“”键可逐次观看最近4次故障记录。观看完后按“data”键，变频器复位。（5）参数修改步骤变频器在待机状态下：步骤1：按“prgm”，变频器显示“fxxx”,“xxx”为参数号。步骤2：按“”或“”键选择所要参数号码，按“stop/reset”键移动光标位置。步骤3：按“rd/wt”键读取该参数的内容。步骤4：按“”或“”键修改该参数值，按“stop/reset”键可移动光标位置。步骤5：按“rd/wt”键把数值设定。如欲修改其它参数

42、，重复步骤1-5即可。2.4.2操作范例（1）修改参数（将f002的参数值从10s改为5s）。变频器通电后，键盘显示“0.00”，按一次“prgm”键，键盘显示“f000”；按“”调到“f002”，按一次“rd/wt”键，读取该参数内容，键盘显示“10.0”，按“”键把“10”改为“5”，按一次“rd/wt”键设定，然后按“data”键即可。（2）变频器参数初始化变频器通电后，键盘显示“0.00”，按一次“prgm”键，键盘显示“f000”；按“”调到“f094”，按一次“rd/wt”键，键盘显示“0”，按“”键改为“1”，按“rd/wt”键设定，再按两次“prgm”键，键盘显示“0.-”，然

43、后再按一次”stop/reset”键，变频器开始初始化。进过三秒钟后变频器初始化结束，键盘显示“0.00”。备注：1）按以上步骤进行参数初始化，如果初始化失败，查看参数“f095”（1代表除f000和f095之外的所有参数不可修改，2代表所有参数只可写入ram存储器，不存入eprom存储器）是否锁定。2）按以上步骤初始化，只对“r/w”类型的参数有效，要对“fr/w”类型的参数进行修改，必须先把“f096”设为“1”。3）“fr/w”类型的参数在变频器出厂时已设置好，一般情况下不用修改，否则变频器将不能正常工作【11】。2.5 变频器在该系统中的运用图2.3 外部连接简图图2.1为plc与变频

44、器的接线图，其中aqo是水箱水温的一个工程量，在进行程序编写时，需对它的硬件进行配置。y3是抽水泵。另外用到的端子是fwd,它与dcm端子短接时变频器正转；开路时减速并停止。那变频器是怎么来控制y3也就是抽水泵的转速的呢，还需要先介绍一下用到的变频器的两个功能参数f039和fo40（见表2-1）。表2-1 功能参数表功能代码名称设定范围f039运行控制方式0：运行指令由操作面板控制1：fwd端子决定运行、停止；rev端子决定运行方向2：外部端子控制（1）4：外部端子控制（2）（开机时，如果fwd/rev端子在接通状态下，变频器将显示on）f040频率设定选择0：由f000的频率设定1：由模拟信

45、号0-10v输入vi设定2：由模拟信号4-20ma输入ci设定4：外部电位器正反转设定6：由内置的上升/下降计数器设定8：直接由操作键盘设定12：频率连动运行25：由键盘电位器设定26：键盘电位器正反转设定40：由pid输出设定在本系统中采用的是f039=1的运行控制方式，即由fwd和rev端子来决定运行控制方式。由于电路中连接的是fwd端子，所以根据下面的功能表（表2-2）可知，当fwd连接时，实现的是正转运行的操作，在整个系统里体现的是将水箱里的水泵入到热泵中。表2-2 f039的功能表f039fwd端子rev端子功能1off无效停止运行onoff正转运行onon反转该系统频率的输入来源，

46、采用的是频率设定选择这一功能参数f040=1的情况，即由模拟信号010v输入vi来设定。在这个模式，vi端子的电压信号将会用来决定变频器运行时候的输出频率。至于运行方向的控制则是由f039来决定。在进行硬件配置（如图2.2）时， 图2.4 硬件配置其工程量的范围设定为01000。而系统中变频器的变频在050hz。在程序中体现为水箱水温的工程量值与500来进行比较，低于500模拟信号为5v,对应的频率值为25hz.当水温上升时，其工程量的值也在增加，当它大于500时就会与plc里的模拟信号一一对应起来。比如当工程量为800时，对应的电压为8v，变频器的频率为40hz。从水温和抽水泵转速的角度来看

47、，即当水箱水温比较低时，变频器的频率也对应的比较低，这样就控制了抽水泵的转速，也就是说水箱水温比较低时，泵入水箱的冷水比较少。这样对水箱里水温的影响也不大。既合理又节能【12】。实物图图2.5 实物连接图连线相对于之前做过的课程设计的硬件连线来说，该设计用到的元器件和连线比较多。在这种情况下，元件和连线的布局就有一定的讲究了。在课程设计中，我们主要就是关心线的接口有没有接对，接触良不良好，有没有注意接地等这些问题。经过这毕业设计的实践，我发现对于硬件的连线远远不能只注意这些问题。元器件多了，首先它的布局非常重要，如果只是单纯的连对接口，很有可能就会造成接线的混乱。其次，各个元件之间还需要考虑它

48、们会不会有相互的影响。像我们这一个系统在长沙某中学投入运行的初期，发现每次水箱里的水温总是比预先设定的值波动大于5度，一开始总以为是程序的问题，在数次尝试没有什么见效的情况下，我们变化了一下思维，从硬件部分着手考虑，才发现原来在安装时，plc的下方是一个水温和水位的变送器，而变送器旁边是一排的交流接触器。本身变送器是工作在380v的这样一个强电的环境中的，再加上接触器的启动也需要强电环境，所以两个的强电产生的磁场会相互影响，而导致对变送器中的模拟信号有较大的干扰，从而会出现很大误差。所以最后我们把变送器安装在了安装箱的外面，这样就扩大了变送器与接触器之间的距离，使它们磁场的相互干扰减少了一些，

49、最后实现将误差降到了允许的范围内。由此可见了解各个元器件的工作环境和相互之间的联系与干扰是相当重要的。变频器参数的设定操作将变频器连接好了之后，还有一个重要的环节，那就是在变频器键盘上给参数进行设定。要设定的参数就是上面介绍的f039和f040。具体的操作步骤如下：接线上电按prgm键进入修改状态按键到f039按rd/wt读出参数按键修改为1按rd/wt写入参数再按prgm键按键到f040按rd/wt读出参数按键修改为1按rd/wt写入参数按data键进入待机状态。第三章 plc程序设计3.1 plc参数i/o分配表表3-1 i/o分配表热泵主机1yo进水阀y1直热阀y2抽水泵y3热泵主机2y

50、4热泵主机3y5室外温度ai0水箱实时水位ai1水箱实时水温ai2该系统采用的是海为的plc，其端口可直接接到相应的接口。连接的实物图如下：3.2 设计流程图1）正常加热。当水箱的水位大于设定的最低水位时，打开抽水泵和热泵主机，并实时监控水箱的水位，当水位达到预定的最大水位时，关闭水箱进水阀。直至水箱水温达到预设温度，停止加热。2）直热模式。当处于用水高峰期而水箱里的水又供应不足的情况下，需打开直热模式。在正常加热的情况，是自来水先经过抽水泵到达水箱，再进入热泵进行加热，然后返回水箱的一个过程。而直热模式是自来水直接经过直热阀进入到热泵里，经过热泵的一个循环加热后到达水箱。根据热泵的一个加热特

51、性，加热使水温上升同样的温度，初始水温越低，它的效率越高，同时功耗也越低。这一点也体现了该系统的节能性。3）pid模块。在该控制系统中，pid模块的作用就是来调节和控制阀门的开度。该系统是针对于温度这个参数来调节的，当温度小于设定值时，减小阀门开度。当温度偏高时，增大阀门的开度。pid三个参数的最终确定需要经过实际运行时各方面数据来调整的【13】。4）初始化模块。由于plc采用的是循环扫描的工作方式，所以在程序设计中，每一个扫描周期都必须有一个初始化模块，对系统的各个初始状态进行确定，包括定时开关，水位下降，正常加热标志，系统标志等【14】。下面为初始化、加热和pid调节三个部分程序设计流程图

52、。图3.1 初始化流程图 图3.2加热流程图图3.3 pid调节流程图第四章 总结4.1 设计内容总结1)思路的设定设计思路是设计的灵魂，一个好的设计必定有一个清晰而精简的思路。在我接触这个课题的初期，曾以为这个课题的思路整理非常的简单。不就是看水箱里的水位和水温两个参数嘛，没达到预定的水位和水温就继续抽水和加热，达到了就停。虽然大的方向没有错，但是要保证这个大的方向能顺利进行，需要注意的细节是很多的。从上面给出的三个程序流程图就可以看得出来。比如初始化模块中设定完成正常加热标志为1就非有不可。因为这是判断后面是否需要启动加热的先决条件。2）软件的调试由于本课题只完成plc下位机的部分，所以无

53、法进行联机运行，只能做简单的脱机仿真来检验程序。plc的仿真跟其它的编程软件一样，如果程序有错误，软件会有相应的提醒，这样就可以根据提示以及自己的思路来对程序进行修改。在本次设计，脱机仿真时没有出现问题，但一接入现场就会发现，理论值跟实际值之间存在的差距，这就要求重新对程序进行优化，特别是各参数的设定。像该设计中，有很多处的延迟时间，就是在现场确认后调整的。3）硬件设计这次的毕业设计，让我更加清楚的认识到了，全面了解硬件部分各元器件特性和相互之间的联系与影响是相当重要的。比如本次设计中变频器的使用，只有充分了解了它的原理和工作特性等，才能很好对它加以利用。其次是各元器件的连线与布局，这一部分在

54、第二章的2.5节的连线中有详细介绍。这里不再重复。4.2 心得体会大学四年里，我们电子专业完成了不少的课程设计，但我感觉真正让我们认清自己的设计水平以及理解和运用所学专业知识能力的只有这一次的毕业设计。首先，课程设计的时间很短只有两周，但毕业设计历时两个多月。时间上就决定了所做工作量的差距。课程设计涉及的范围较小，而且每天都会有老师指导，基本能保证一个星期就能拿出设计方案来，老师给的指导资料也会很多，所以正真属于自己认真努力钻研出来的东西很少。但毕业设计不同，它的涉及面要比课程设计广泛得多，钻研的深度也不一样。一般指导老师每天在云塘校区都有课，当面指导的机会较少，可能这也是做毕业设计的目的之一吧，就是要让我们自己好好去搜集和整理资料多多去思考。这样一来，从我们确定自己的设计思路到设计过程和调试就需要花费大量的时间。从我自身的情况来看，光是去搜集资料就花费了我三个多礼拜的时间。而且到后面发现，所找的资料还不全面。这一点让我深刻认识到，很多时候只有当你真正去做了这件事情，你才会对它有一个比较全面的了解。光是从别人的文章和理论中去学习是远远不够的。其次，这一次的毕业设计让