晋中学院机械学院毕业设计说明书5.29[精选]

1、热交换站plc控制系统设计摘要：可编程控制器（plc）应用广泛，在工业上的应用使得各国的工业生产相较于以前更加的自动化、智能化。相较于微型计算机，plc的抗干扰能力更强，工作更加稳定；相较于需要复杂连线的继电器，plc编程更加方便快捷，能节约大量的生产成本。因为plc具有如此多的优点，在我们生活中的各个领域plc都得到了广泛的应用。热交换站是为居民集中供暖的设备，随着国民经济的发展，越来越多的人住进了城市里的小区楼，而基本上每个小区楼都少不了热交换站，工厂及各个公司里也都安装了热交换站，它已经覆盖了我们生活的大部分区域。本文主要介绍了热交换站的组成和其硬件系统的构成及特点，论述了如何使用plc

2、实现温度及压力的控制。关键词:热交换站 plc s7-200 控制系统heat exchange station plc control system designauthors name: zhang qianfeng tutor: jin baoqiangabstract: programmable controllers (plcs) are widely used. the industrial application makes the industrial production of each country more automatic and intelligent than

3、before. compared with microcomputers, plcs anti-interference ability is stronger and the work is more stable. compared with relays that require complicated wiring, plc programming is more convenient and faster, and it can save a lot of production costs. because plc has so many advantages, plc has be

4、en widely used in all areas of our lives. the heat exchange station is a device for the central heating of residents. with the development of the national economy, mor e an d mor e pe ople are l iving in t he re side ntial b uild ings in the city. basically, each heat exchange station, plant and com

5、pany are indispensable for each residential building. there are also heat exchange stations installed in it, which already cover most of our lives. this article mainly introduces the composition of the heat exchange station and its hardware system, and discusses how to use plc to control the tempera

6、ture and pressure.keywords: heat exchange station plc s7-200 control system目 录第一章 绪论51.1 热交换站的发展概述51.2 plc控制集中供热的意义51.3 课题的来源及研究目的5第二章 热交换站的介绍及设计简介62 .1 热交 换站的简 介62 .2 热交 换站控 制系 统的组 成62.3 热交 换站的组 成及其作 用72.3.1 换热器72.3.2 流量计8水泵8变频器92.3.5 阀92.3.6 温度计、压力计92.3.7 plc s7-20092.4 热交换站的工作原理102.5 控制系统的设计方案102

7、.6 该方案要实现的目标11第三章 控制系统简介113.1 压力的调节控制113.2 循环水流量的调节控制12硬件框架图13第四章 plc控制系统硬件设计134 .1 i/ o分 配表与p lc的选 型1 34 .1 .1 p lc的选 型1 34 .1 .2 i/ o分 配表134 .1 .3 硬 件的选 型154 .2 端 子接 线图154 .2.1 数 字量输 入/输 出模 块154 .2 .2 模 拟量输 入模 块164 .2 .3 模 拟量输 出模 块184 .2.4 电 器控 制原 理1 9第五 章 控 制系统程序设计215.1 循环泵控制程序215.2 补水泵控制程序225.3

8、补水箱水位控制程序235.4 二次回水补水控制程序23总结与致谢25参考文献26第一章 绪论1.1 热交换站的发展概述在十九世纪末期，由于科学技术的飞速发展，带动了工业生产的进步，人们的生活也因此发生了天翻地覆的变化，然而每年冬季因寒冷而死亡的人数仍居高不下。在这种情况下，人们创造出了热交换站，它以集中供暖为基础，将集中的热源通过利用热媒向一个指定的区域供应热能。热交换站不仅为居民输送了可靠、稳定的热源，提高了人民的生活水平，让人们在寒冷的冬季不在受冷挨冻，减少了人冻死的死亡率，而且与传统的供热模式相比，不仅节约能源，而且污染也比传统的供热模式少，有着显著的环境效益和经济效益。1877年，世界

9、上第一个热交换站在美国诞生，这是一个里程碑式的事件。随后，各个国家先后都在以此为基础不断地摸索前进，虽然都没有取得特别大的进步，过程中损失的能量和资源较多，但却为热交换站以后的发展开辟了道路，奠定了坚实的基础。在第二次世界大战以后，西方发达国家的集中供暖飞速发展，最具代表性的是前苏联和北欧国家。前苏联集中供暖的规模居当时世界的首位，而北欧国家所处地区气候寒冷，所以集中供暖发展非常迅速，集中供暖的普及率很高。在集中供暖发展起来以后，人们的生活质量明显提高，在寒冷季节的生存率大幅度升高。上世纪50年代，我国集中供暖开始起步，然而这么多年以来，我国虽然取得了一些进步，但和国外的发达国家相比，采暖系统

10、相对较差，供暖质量上不去，用户不能根据需求自己调节温度，室内的温度冷热不均匀，供暖系统效率非常低，白白浪费了许多的能量和资源，这一切都是因为我国的经济发展水平和科学技术水平还不够高，而西方国家还对我们实行进出口贸易限制。近些年来，随着我国国民经济的快速发展，我们在科学技术上取得了许多突破性的进步，逐渐追赶上了西方发达国家，甚至在某些方面已经超过了他们，供暖系统对于我们来说已经是非常简单的一件事了。1.2 plc控制集中供热的意义供热公司的任务就是为所有自己的用户进行高质量的供热，在供热系统中加入plc，可以更加方便快捷的监测和控制，plc控制系统可以自动进行实时监测，还能根据检测到的数据自动控

11、制各个设备的运行状态，不需要工作人员一直在设备跟前进行手动的调节，从而解放了人的劳动力，同时plc控制系统的反应速度也比人要快很多倍，在调节过程中能节省大量的时间，而且plc控制系统的调节精度也要比人精确不少，这样才能更加精确的调控温度，提高供暖质量。所以相比较而言，plc控制系统更加符合当前形势下的供热需求，plc控制系统在今后的各个生产生活领域将会得到更加广泛的应用。1.3 课题的来源及研究目的随着经济的高速发展，我们已经摆脱了过去穷苦的生活，人们的腰包都富裕起来了，不用再为吃喝发愁了，所以对生活开始有了更高的要求和追求，对良好的供暖质量的要求非常迫切。传统的供热模式，为满足供热需求，热交

12、换站内设备运行和维护全靠工作人员实时进行调节，因为室外温度及热负荷随时间推移在不停地发生变化，所以这就需要工作人员不断地调节二次供水温度，以保证用户室内的温度能够维持在一定的范围。在这种情况下，工作人员只能根据自己的工作经验进行大致的调节，这样的话就会存在较大偏差，给需要供暖的居民带来了极大的困扰，严重影响了居民们的正常生活。为了改变这一情况，多年以来供热行业不断探讨，尝试了许多方法，希望能够发现一种方法来更加精细的控制调节运行方式，以适应室外温度和热负荷的不断变化，满足用户的高质量供暖的需求，同时减少工作人员的工作量，达到经济运行和节省人力的目的。plc控制系统满足了这种需求，plc控制热交

13、换站的原理是通过远程采集运行数据，将采集到的数据转化为信号，传送到控制中心进行实时监控以随时了解系统的运行状态，而控制中心接收到这些信息以后，就会根据这些信息进行分析，分析完毕后传递信号来控制执行机构进行调节，完成所要实现的功能，对温度和压力进行调控，保证供暖质量和供暖过程的安全，实现热交换站plc控制系统的人机交互和自动运行。这也是为什么现在大多数热交换站都采用plc控制系统的原因，本课题研究的目的是研究plc控制系统是如何实现补水箱水位控制和回水压力控制。第二章 热交换站的介绍及设计简介2.1 热交换站的简介热交换站和热水管网是热源和用户之间重要的一环，起着非常重要的作用。热交换站是一个机

14、房，它是一次网与二次网的中间的连接设备。热交换站有两种供热方式，分别是间供站与直供站，后者是用户获取的热能直接来自电厂的热管路，这种供热方式浪费较为严重且难以进行调节和控制，温度普遍偏高。现在是商品经济时代，供热也逐渐开始商业化，热力公司为了提高自己公司的竞争力，获得更多的用户和利润，开始提高供热质量，从而衍生出了间供站，间供站属于集中供热。热交换站的主要设备有汽-水换热器、离心水泵、过滤器、热水储水箱等，为了能够实时检测外界温度，使系统能够跟随外界环境变化而调节温度，换热站内还安装有调节供热量的自动调节装置以及热量表。但是目前来说大部分热交换站还达不到这些要求，并不能完全自动化调节，还需要人

15、不断进行观察和调整，控制手段极度匮乏，供热过程中对能量的损耗比较严重，造成许多资源不必要的浪费和流失。2.2 热交换站控制系统的组成热交换站控制系统是集中供热监控系统的核心部分，它既可以自己独立运行，也可以受调控中心的监控，主要包括以下几部分：在现代控制体系中传感器是非常重要的一种电气件，它是将各种非电量信号转变为电信号并送给控制系统。而在本论文涉及的系统中用它来检测热交换站室内及室外的温度变化以及供水管中的压力情况，用到的传感器有温度传感器和压力传感器。2.执行器。执行器是控制系统最重要的组成部分，它的主要职责就是接收控制系统传递的信号，执行这些信号所要完成的指令动作。在热交换站中，执行器的

16、作用是调节热交换站中各个泵、阀门的启动和停止，同时也对系统中的温度和压力进行调控，主要包括变频器和泵电机。plc是可编程序控制器，它可以执行编程、存储、运算和控制等基本指令。在热交换站中主要用于监测系统的运行状态，同时对系统存在的异常状态进行调控。下图为本热交换站的控制系统工艺流程：图2- 1控 制系 统工 艺流 程图2 .3 热交 换站的组 成及 其作 用本次设计中的热交换站由众多部件共同组成，每一种部件都在该系统中发挥着各自重要的作用，主要有：换热器、变频器、压力表、温度表、plc、阀、水泵等等。下面我们将分别对其功能和作用进行阐述。2.3.1 换热器 换热器是将热量在不同温度的流体之间传

17、递的装置，在热交换站中起决定性的作用。它是供暖系统的中间环节，热源传递的热量通过它传到循环水中，循环水再将热量输送给用户，循环水将热量输送给用户后又会再次流回来进行下一轮的热交换，从而实现了不间断的供暖。换热器有很多种，按照传递原理可以分为以下几种形式：1.直接接触式换热器：将冷流体和热流体直接接触，通过冷流体和热流体的混合从而达到换热效果的换热器。这类换热器传热效率高、设备简单，但是需要两种流体混合时才能使用，适用范围很小。2.蓄热式换热器：此装置中的换热装置是固体物资组成的储热体，它的工作原理是在换热时，固体物资先被热流体加热至所需的温度值，然后固体物质再将冷流体加热，通过这种方式，热量就

18、由热流体传递到了冷流体。3.间壁式换热器：在间壁式换热器中，冷流体和热流体被间壁分隔在两个空间里互不干扰的流动，而冷热两种流体的对流并利用间壁的传导来把完成热量的传递传。这种换热器在工业中的使用很普遍，并有套管式及管壳式以及其他多种形式。4. 流 体连 接间接 式换 热器：这种换热器其原理上如同将两个表面式换热器热载体连接起来所组成。换热的方式是其中的热载体在热流体和冷流体之间来回移动，在热流体中得到热量，再到冷流体中将热量释放出来，以此完成热交换的过程。5.复式换热器： 2.3.2 流量计在测量管道中液体流量和流速时需要用到流量计而其分为多种形式，依照其原理我们常用的有下列几种：这种流量计所

19、测量的对象都是一些具有导电特性的液体，为了提高检测精度其有着光滑的管壁，以使得测量时对液体流速的影响降到最低限度，测量出来的结果更加精确。该型流量计为了完成测试流量的操作，需要配合有节流器以及以及其他元件来共同完成测量。此型流量计又有多普勒效应法以及时间差法两种方式，属于非接触流体测量方式。该型流量计的测量原理是先将流体分为众多的等分，之后在将它们进行累加测得流体总量。容积流量计测量时不受管道条件影响，测量非常方便。5.涡街流量计涡街流量计通过测量流体流动时的振荡间接地测量流体的流量。为了维持管路中水的循环以及在有水流失以后需要补水时，此时水泵是不可或缺的部件，我们常用的有以下几种：1.叶轮式

20、水泵：此类水泵是由旋转叶轮上的叶片来给液体提供流动所需的动能，进而使液体进行流动。而我们根据流道以及叶轮的区别又可将其分成下列几种：旋涡泵及离心泵以及轴流泵等。 积式水 泵：该型水泵是利用部件的运动，使得工作室的容积周期性变化压送液体，而工作部件的运动会使压送产生的能量升高，包括活塞式往复泵、转子泵等。3.其他类型：利用液体快速流动产生的能量来输送液体，包括螺旋泵、射流泵、水锤泵、水轮泵及气升泵等。水泵在运行前需要先对所有的设备进行检查，在确定所有设备都完好，能够正常的运行时才可以正式启动，这样才能保证系统中的设备都处于平稳的工作状态，保证供暖的正常进行，同时也保证了设备运行过程中的安全问题，

21、我们一切的的生产工作都应该在安全的环境下进行。变频器是现代运动控制领域中不可或缺的部件之一,它是利用改变供给电机电能的频率，进而达到调节电机不同运转转速的目的。变频调速原理：电机的转速与工作电源输入频率成正比，因此改变电动机工作电源频率能改变电机转速。循环泵属于平方转矩负载，其n(转速)、q（流量）、h（压力）以及p（轴功率）具有以下关系：qn，hn2,pn3。2 .3 .5 阀阀门是用来控制流体的流动方向、调节流量大小的开关，它也可以控制温度、压力等介质的输送。在本次设计的热交换站中有多种阀门：止回阀及自动排气阀以及减压阀和进气阀等。防止管道中的水出现回流则需要用到止回阀；而如果要将管道中积

22、存的蒸汽或空气排出则需要用到自动排气阀；为了将高压蒸汽调控到适度的压力时需要用到减压阀；而对进入到管道中的蒸汽量进行调节则需要用到进气阀。 .6 温 度计、压 力计我们将计量压力和温度的设备分别称为压力计和温度计，热交换站中采用温度计和压力计，是为了实时的监控系统中温度和压力的变化以及外界温度的变化，为控制系统调节热交换站的供暖的温度和压力提供依据。2.3.7 plc s7-200作为核心控制单元的plc（即可编程程序控制器）主要有下列几个部件组成：电源部分、cpu（即中央处理器）、存储器及通信接口以及输入单元、输出单元等。1.电源在plc的内部设计有抗干扰能力强且稳定性好的自备电源，能够耐受

23、15%范围内的电压波动。2.cpu(即中央处理器)该部分是plc的核心和关键，所有的程序都需要通过它来进行处理和运算，而它又由接口电路和微处理器组成，而所有的运算和处理操作都是由后者来完成的。3.存储器该部分又可分成rom（即只读存储器）和ram（随机存储器），系统中所有的数据和程序都被存储在其中。由于plc需要与多种外围设备进行数据通讯（如：电脑、显示器以及打印机等）因此为了完成此步操作plc都有通讯接口。5.输入/输出单元plc需要用到输入/输出单元来进行信号的采集以及各种执行命令的输出，其输入单元有下列几种：交流及直流以及交直流方式；而输出单元有：继电器及晶闸管以及晶体管三种输出方式下图

24、为plc（整体式）的组成框图。图2-2 整体式plc组成框图2.4 热交换站的工作原理热交换站的基本工作原理为：电厂送出的带有丰富热量的含热蒸汽和循环水进行混合，用于将热量传递给循环水，然后接受热量的循环水再通过管路将热量送给最终的用户，而热量交换以后的回水会通过循环泵再次提供动能并回流到加热器循环使用，而用户在此期间所得到的热量抛去管道损耗的热量就是进水和回水的热量之差。因为如果仅靠人工调节，调节的精度误差非常大，不仅仅供热质量非常差，而且同时也会浪费大量的资源，在供热过程中会损失很多的热量，所以我们才在热交换站中加入了plc控制系统，这样无论是调节速度还是调节精度都会大幅度提升，从而提高供

25、热质量，避免了由于调节速度慢而造成的热量损失和资源的浪费。2.5 控制系统的设计方案为了能够使热交换站能够进行合理科学的运转，设计了较为复杂的多层次控制系统，其又可分为：监测系统及通讯系统以及自动控制系统。结合本设计的实际由检测控制系统与热交换站控制柜组成，前者是实现设备的实时检测，根据检测结果输出信号完成对系统的调节控制；后者则主要控制和调节补水以及循环水系统的正常运转。温度传感器采集到的温度信号送给plc，而plc依照其送来的温度信号与其程序中的目标温度进行对比，并做出判断是否对供水温度进行升温或者降温调节。使得送出的温度维持在一个恒定的范围内，而装设在管道中的压力传感器则对供水管道压力进

26、行实时检测并送给plc作为程序运转和控制的依据，通过控制变频器改变频率对二次供水过程中的压力进行调节控制。2.6 该方案要实现的目标1二次网供水压力控制：通过改变循环泵运行的频率控制二次网供水过程中的压力保持在一个定值；2补水箱水位限值控制：当水箱中的水位小于最低限值时开启补水阀，当水箱中的水位大于最高限值时关闭补水阀；3二次网回水压力限值控制：当二次网回水压力小于最低限值时启动补水泵，当二次网回水压力大于最高限值时停止补水泵；4连锁控制：当水箱中的水位小于最低限值时，补水泵停止运行；当二次网回水压力小于最低限值时，循环泵禁止运行。第三章 控制系统简介3.1 压力的调节控制压力传感器通过对管网

27、中的压力进行测量，将测量的结果反馈为水压信号，然后变为电信号（4-20ma）传递给变频器，变频器根据信号得到需要的电动机的电压及频率，然后再将这些数据传递给水泵，水泵的电机根据得到的数据自动调节，从而就改变了管网中的压力，使管网中的压力保持恒定不变。同时plc控制系统也会对压力进行实时监控，我们实现会设定压力的上限和下限，如果压力低于最低下限或高于最高上限，那么plc控制系统就会自动调节压力恢复到规定的范围。如图3-1所示。图3-1 压力调节控制图3.2 循环水流量的调节控制由于气候的变化，外界温度也不断变化，用户的供暖需求也在随之改变，所以供暖系统供热量也要跟随着这些因素而不断发生变化。当室

28、外温度偏高时，供热量就应该相应地减少，如果还保持原先的供热量不仅会造成不必要的浪费，而且还会对用户的生活造成影响。针对这种情况，热交换站需要采用分阶段改变流量的调节方式。控制原理如图3-2所示。图3 -2 控 制原 理图3 .3硬 件框 架图图3 -3硬 件框 架图第四 章 p lc控制系统硬件设计4.1 i/o分配表与plc的选型 4.1.1 plc的选型在本文设计的热交换站plc控制系统中，所需的数字量输入为8点，所需的数字量输出为3点。考虑到系统的可扩展性和维修方便性，选择模块式plc 。plc s7-200一般包括cpu（中央处理单元）、存储器、输入输出接口、电源等。4.1.2 i/o

29、分配表i/o分配表是将需要进行采集和编制的设备，对应plc输入输出点，分数字量输入、输出，模拟量输入、输出。为了绘制plc接线图，顺利地进行编程，必须要对所有设备进行i/o分配，并明确每个i/o地址的作用是什么。i/o分配如图4-1所示。图4-1 i/o分配表4.1.3 硬件的选型为使系统安全可靠的运行，在进行硬件结构设计时，需要事先对需要用到的设备有一个大致的了解，明确同一设备不同型号的区别及各个型号的使用情况，选择合适的型号，保证设计出来的电路能够正常的运行，具体的选型如图4-2所示。图4-2 硬件选型表4.2 端子接线图4.2.1 数字量输入/输出模块信号从+24v流出，从各输入端口流入

30、，控制循环泵和补水泵的运行。 信号从外接电源+24v的“+”端流入数字量输入输出模块的“l”端，从各输出端口流出，控制补水阀、循环泵、补水泵的启动线圈。如图4-3所示。图4-3 数字量输入/输出模块接线图4.2.2 模拟量输入模块将各传感器采集来的模拟量信号转变成数字量信号，以供plc进行存储和运算等操作。如图4-4所示。图4 -4 模 拟量输 入模 块接 线图4 .2 .3 模 拟量输 出模 块将plc运算后的数字信号转变成模拟信号，输出到各控制器件，完成软件对硬件的控制操作。如图4-5所示。图4-5 模拟量输出模块接线图4.2.4 电器控制原理图4-6 主回路图图4-7 控制回路图第五章

31、控制系统程序设计5.1 循环泵控制程序利用“启-保-停”程序控制循环泵的启停，并用指示灯指示循环泵运行状态。如图5-1所示。图5-15.2 补水泵控制程序利用“启-保-停”程序控制补水泵的启停，并用指示灯指示补水泵运行状态。如图5-2所示。图5-25 .3 补 水箱水 位控 制程 序当补水箱液位小于0.5m时开启补水阀，当液位大于4.5m时关闭补水阀。如图5-3所示。图5-35 .4 二 次回 水补 水控制程序当二次回水压力不足0.3mpa时开启补水泵，当压力高于1.0mpa时关闭补水泵。如图5-4所示。图5-4总结与致谢本次设计是热交换站plc控制系统设计，首先非常感谢靳老师对我的指导与帮助。在设计过程中，遇到了许多问题，如设计初始阶段目的不明，思绪混乱，经过认真思考和老师、同学的指导，才使自己思路明确，抓住重点，不懂就问，在很短的时间内系统有序的完成。大学四年多的时间都是在学习测控与仪器方面的专业知识，并未真正的应用和实习。虽然在上个学期有课程设计练习，积累了一定的知识，并融合到具体的实物当中。但是经过这