基于PLC的恒温供暖控制装置研究与设计

摘要近年来发达国家在大力发展新型供暖技术，初步建立起了具有现代化水平的供暖系统，能够有效的节约了能源，极大的缓解了供暖市场广大与能源紧缺的问题。大力发展新型供暖技术，建立现代化的供暖系统，是在可持续发展的道路上的显著进步。本文根据PLC在供暖系统领域的研究现状，利用先进的元器件以及智能控制理论及算法。将PLC与变频调速系统有机的结合起来。完成基于PLC控制的现代化供暖系统。根据供暖系统的功能要求，提出了控制系统的总体方案与具体执行计划。设计了一个基于PLC和变频器控制的由多台水泵组成的主管道恒温集中供暖闭环控制系统，该系统由变频器、循环泵、可编程序控制器、温度传感器等组成。采用了西门子公司的S7-200PLC可编辑逻辑控制器，并且针对其I/O口的分布与功能，进行了配套设计，同时通过变频器进行调速控制，使系统更加实用可靠。相对于传统的供暖系统，本设计具有节能环保，稳定性强，易操作，成本较低，可靠性强等明显优势。关键词：供暖系统、PLC、变频器第1章绪论1.1选题背景与意义1.1.1选题背景随着社会的发展和生活质量的提高，中国特色社会主义的建设，供暖设备已经遍及各家各户，但是由于传统的供暖模式都是“大锅饭”式，存在的问题较多，在供暖过程当中能源浪费特别严重，更加优能的供暖模式是我国当前研究领域中的最炙热的话题之一。而在节能减排，能源高效利用中做好温度控制至关重要，只有做好温控才能既满足人民的需求，又达到节能减排，可持续发展的目的。本课题来源于某小区供暖，根据分析城市主管道集中供暖电气控制的现状、供暖模式及控制的要求提出主管道集中恒温供暖电气控制的方案。设计一个基于PLC控制的由多台水泵组成的主管道恒温集中供暖闭环控制系统，有完善的保护功能。1.1.2选题意义PLC作为一种通用的工业温度控制器，其可靠性高、使用方便灵活、控制功能完善、控制精度较高等优点，成本适中，设计与操作也较为简便，能满足我们的设计要求，比如：具有自动/手动控制功能，主、副泵自动轮换，压力、流量显示、调整功能等。所以，基于PLC技术，去研究和设计一个相对通用，泛用性较高的温度控制系统，是具有较为重要的意义的。而为了增加泛用性和灵活应对各种情况，控制系统可以通过选择不同的元器件或者选择不同的参数老满足各行业的不同需求。基于PLC的恒温供暖控制系统加强了供暖的稳定性和可靠性、使得系统功能完善、降低了污染，起到了节能减排的作用，相应了国家绿色工业化的号召。1.2国内外发展现状我国于20世纪80年代开始研究温度测控技术，相对于当时其他国家较晚。我国工程技术人员通过研究和学习发达国家的相关技术和资料，才渐渐掌握熟悉了温度室内微机控制技术。而此技术却并不完善，它有着对温度的单项环境因子的控制的限制[1]。于目前，我国在这一领域总体技术水平还远远落后，大致相当于发达国家20世纪90年代中后期。而研发成的产品还是主要为PID控制器之一常规器件。PID控制器也有着局限性，它对于变温环境很难去适应控制，一般只能应用于一般温度的温度系统控制。我国的生产技术还很难生产出相对智能和自动化的温度控制仪表，即使有些产品达到了要求，缺因为技术的不成熟而很少能形成商品化，更难以广泛化使用[2]。现如今国内外恒温控制系统的应用技术已发展的比较成熟，而我国目前采用的控温方式有很多，主要有：单片机控制、PLC控制、PID调节器，但随着PLC、工业网络及监控组态软件的迅速发展，在工业生产过程中基于PLC的恒温供暖控制系统开始占据了主导地位。相对于外国，我国对温度控制技术的研究起步较晚，国外先进国家的温控技术已到达以节能舒适为目的，更好的为客户创造舒适生活的水平。基本每个国家都会因地制宜，根据本国的地理位置，居民喜好，气候环境以及能源结构从而来设计出一套适合本国的供热系统。就目前为止，欧美国家供热的热源还是普遍采用热电厂和锅炉技术，而环保节能舒适采暖方式更为欧美国家主流社会所认可，所以综合以上的考虑，目前欧美主流国家供暖设计如下：美国以空调取暖为主，加拿大采用以电取暖的方式，而北欧国家根据实际实际情况，设计了以热电联采暖为主的供暖系统[3]。1.3本课题的研究内容和章节设计1.3.1研究内容结合这一背景，本文主要研究分析城市主管道集中供暖电气控制的现状、供暖模式及控制的要求，针对某小区供暖，提出主管道集中恒温供暖电气控制的方案，设计一个基于PLC控制的由多台水泵组成的主管道恒温集中供暖闭环控制系统。主要研究内容如下：按照课题要求，研究分析系统的设计方案，以PLC为控制器，采用变频器控制三台水泵，即“1控3”的切换；采用PLC和检测仪表完成系统硬件设计，掌握S7-200PLC编程语句以及编程设计方法，编写PLC控制程序，控制电机的工频/变频运行，将外部传感器采集到的信号通过模数转换给PLC，经PLC处理送给变频器，改变电机转速。1.3.2工作安排本文充分了解了管道恒温供暖系统装置设计的背景及现状，根据课题任务及拟达到的要求，主要分为如下章节：第1章前言，对课题的内容进行阐述，对比国内外供暖系统发展情况，展现了课题研究的发展背景和意义。第2章恒温供暖控制系统的原理，阐述了系统的组成、方案设计、温度控制、变频调速原理以及调速方法。第3章恒温供暖控制系统硬件设计，分析了系统结构设计、硬件选型、电气原理图。第4章恒温供暖控制系统软件设计，介绍了恒温供暖系统的控制流程，程序设计和分析、PLC程序设计、变频器的参数设置以及PLC和变频器通讯、程序部分。

第2章恒温供暖系统的原理2.1恒温供暖控制系统的组成某小区供热系统示意图如图2.1所示。热源电厂的热水水通过主管网流到换热站，在经过换热站加工处理，通过二次管网送到用户端。图2.1供热系统示意图2.2恒温供暖系统的设计分析恒温供暖控制装置结构图如图2.2所示，整个供暖控制系统主要由由一次网和二次网两个部分组成。主要的任务是恒温控制，所以保证二次网温度的恒定，是此次研究的关键。图2.2恒温供暖系统装置结构图因此本次研究的重点是二次网部分，二次网设备主要由变频循环泵、补水泵、电磁阀组成。二次网工作情况如下：热电厂中的热水不能直接进行供暖，需严格的按照流程，首先得流过一次供水管、在通过换热站加工、循环泵处理、最后通过二次进水管输送给用户端进行供暖，然后再通过二次回水管，再输送回到换热站，本着绿色环保的理念，进行循环流动。由于热水流通管道距离长度和外部因素的原因，或多或少会有一些损失，致使二次网管内压力逐渐降低，当压力低于设定值时，需要增加循环泵的台数；反之，由于加热过程中的热膨胀，二次网内的压力逐渐升高，当超过设定值时，需要打开阀门来降低管网内部压力，防止管破裂。由于季节和天气原因，供热系统大多数都是分段式供热。2.2.1温度控制在恒温控制过程中，循环泵启停相当于开关，通过循环泵的运转控制保持回水温度恒定在40~65℃，在系统中温度的监控和测量相当重要。温度控制的流程是测量二次网进水水温是否恒定在70~80℃，①温度恒定，按照课题要求的出水水温40~65℃用作比较值，二次回水水温由温度传感器测量得到，将实际测量的温度与课题要求的出水水温进行比较，比较的结果传给PLC，输出的结果控制循环泵的启停以及工频与变频的切换；温度控制原理图如图2.3所示②温度不恒定，向一次管网发出报警。不同季节不同时间段，对温度的要求也会不一样，整个系统在供暖的时间段上可以采用分段供暖方式。图2.3温度控制原理图2.3变频恒温供暖系统的方案设计从上述温度控制的原理可以总结出该系统的设计方案，再结合实际需要，得出控制系统主要西门子控制器、变频器、循环泵以及外部传感器组成。该系统最关键的设计是保证温度的恒定。外部传感器采集的数据与系统要求的数据进行比较，再通过模数转换传给PLC，PLC输出端控制循环泵的工频/变频的切换以及指示灯的变化。从而达到恒定的管网温度，实现水泵电机的软启动，实现了变频与工频两种水泵间的变频状态频率变化以及切换。此方案的功能设定为：自动与手动的可切换双工作模式。手动模式下，通过操作控制面板，可以关闭和开启每一台循环泵，选择循环泵的的工频／变频工作方式以及在变频状态下的频率。在自动模式下工作，系统可以根据外部传感器采集的信号自动调节循环泵运行，得知其具体工作状态。对二次网进水水温、进水管压力、流量和出水水温进行实时数据采样，采集的信号直接送往PLC的模拟量扩展模块EM235，从而实现闭环控制。二次网温度参数的设定。不同时间段的参数是不同的。在本次论文所研究的系统中，我们设定的温度参数不是一成不变的，它们是一组变化的值，会随着外部传感器所测定的实际数值与课题要求达到的数值的改变而改变。2.4变频调速原理三相异步电动机的变频调速是供暖系统变频的本质。三相异步电动机带动循环泵旋转，调节水管的流速，当作为一个整体来发挥作用的电机和循环泵，会通过变频器，调节异步电动机的转速来改变循环泵的流量，以此实现对系统的温度的调节。改变定子供电频率来改变的同步转速，从而实现异步电动机的变频调速[4]。

异步电机的转速为：（2.1）其中：

同步转速；转子转速n；定子输入交流电的频率f；转差率S；极对数P。

当极对数P不变时，转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。由此可得，可以通过连续调节异步电机的供电电源的频率，使电机的同步转速产生连续且平滑的改变，转子的转速也相应被调节。变频调速可以从高到低速保持有限的转差率，所以变频调速是一种高效高精准，平滑且调速范围大，机械特性较硬的调速方式。其性能可媲美直流电动机调速系统，所以变频调速被广泛的应用于水泵电机的调速。对于交流异步电机，变频调速是一种相对理想又合理的调速方法。2.5常用的调速方式（1）变极对数调速在恒功率频率条件下，同步速度与对数成反比，由此，可以通过改变对数来改变旋转速度。改变对数方法，控制简单，投资较少，不仅节省能源，而且效率非常高，所以只适合特定转速的生产机器。（2）改变转差率调速改变的目的是滑动的速度在一个广泛的调速电机串级调速的方法,其最大的优点是可以回收权力和更好的节能效果,和高的性能。但是由于电路过于复杂，它增加了中间部分的能量损失，而且其较高的成本，使其推广价值有所降低。（3）改变电源频率调速根据类型变化公式,异步电动机的速度和功率频率成正比,因此改变电源的频率,可以顺利改变电机的旋转速度。然而，功率频率的单一变化会使电动机运行得更差。因为当电源电压不变,若降低频率,主磁通将会变大,这将导致磁路的磁通超出饱和,励磁电流上升,功率因数变小[5]。所以,为了保证更好调节性能，不仅需要改变电源的频率，也要改变钉子的电压。一般来说，如果电机过载能力是恒定的，并且在任何一种负载下的电机都是恒定的，那么电动机的性能是理想的。

第3章恒温供暖控制系统硬件设计3.1恒温供暖控制系统的结构设计系统采选用S7-200PLC作为控制器，变频器MM430作为频率调节器。执行单元为电机与交流接触器，温度传感器是控制的反馈单元。S7-200PLC采用CPU224作为内部控制，其拥有14／10的输入/输出，对于小型控制系统足以应付。

MM430连接三相交流电作为电源，由变频器变频后的交流电经过异步电动机，带动循环泵。S7-200PLC输出的控制信号由此到交流接触器，由两端连接的工频或变频三相电源来控制是否断开或连接异步电机和三相交流电机。S7-200PLC输出的另一侧控制信号传递到MM430的DINI+和D1N1输入口，主要由于对三相交流电的频率进行调节。温度传感器反馈管网的温度信号，将其转换为4-20mA模拟电流信号，然后将其输入到S7-200PLC扩展模块EM235A/D转换器的模拟输入端口。EM235的0-32000数字信号被发送到PLC控制器主机CPU224进行分析和处理。PLC根据指定的温度自动调节交流频率，并准确跟踪指定的加热温度。触摸屏模块本课题不作过多介绍，有兴趣的可以参考相关资料学习。供暖系统设计结构图如图3.1所示。图3.1供暖系统设计结构图3.2硬件选型3.2.1温度变送器 回水水温需维持在40℃~65℃附近，进水水温需维持在70℃～80℃，综合考虑，决定选用2个许昌昌安科技有限公司58AR系列信号（温度）隔离变送器，外形如图3.2所示，温度变送器将被测温度等信号转换成按线性比例输出的直流电流，约4～20mA。58AR温度变送器主要技术指标：精度等级：0.5级；0.2级；工作电源：默认DC24V±2V；温度信号：分度号pt100，温度范围：0-100℃；隔离输出：直流电流0-10mA,0-20mA,4-20mA；响应速度：不大于100ms；隔离耐压：电源-输入-输出，1kV-1min；使用环境：环境温度-20℃～55℃，相对湿度≤90%RH。图3.2温度变送器外形结构图3.3CPU224外形结构3.2.2PLC选型根据控制系统的需求，11个输入点，10个输出点和2个模拟量输入模块。选择西门子S7-200PLC系列的CPU224。CPU224外形如图3.3所示。CPU224有14输入/10输出，I/O共计24点，可连接7个扩展模。根据I/O口分配，恒温供暖控制系统PLC输入/输出模块分配见表3.1。表3.1恒温供暖控制系统PLC输入/输出模块对应用途输入信号输出信号编号用途编号用途1I0.0启动开关1Q0.0l号泵工频运行接触器及指示灯2I0.1停止开关2Q0.11号泵变频运行接触器及指示灯3I0.21号泵启停3Q0.22号泵工频运行接触器及指示灯4I0.32号泵启停4Q0.32号泵变频运行接触器及指示灯5I0.43号泵启停5Q0.43号泵工频运行接触器及指示灯6I0.5频率增大6Q0.53号泵变频运行接触器及指示灯7I0.6频率减小7Q0.6报警信号8I0.7手动/自动开关8Q0.7变频数字量输出19I1.01号变频／工频9Q1.0变频数字量输出210I1.12号变频／工频10Q1.1变频数字量输出311I1.23号变频／工频12AIW0进水水温信号13AIW2出水水温信号EM235具有较高分辨率和较强输出驱动能力，被选为模拟量输入/输出扩展模块，可以满足控制系统所需的要求[6]。EM模块的输出值范围设定在0-32000。模拟量的标准电信号为4至20mA，A/D转换后的值为6400至32000，模拟量的标准通讯为A/D转换后的A，对应值为D.由于是线性关系，因此转换后的数学式：A/D转换关系函数关系图如图3.4，温度与PLC运算量对应的数值见表3.2。图3.4A/D转换关系表3.2A/D转换关系温度值404550556065输出量1280014400160001260019200208003.2.3其他硬件的选择（1）热继电器选型热继电器用作电机的过载保护。其长期工作时，整定电流为(0.95~1.05)，电机的额定功率为5.5KW，额定电流为11A，选TR20-20（整电电流为11A）热继电器，外形如图3.6所示。图3.5交流接触器外形图图3.6热继电器外形图（2）交流接触器选型所选用的型号的额定电流应该大于或等于(1.5～2.5)，这里选用6个CJ20-40。CJ20-40的触头为直动式，有两个断点。用它和辅助触头作为独立组件，,在电气上互为独立，分别安装与主端两侧，外形如图3.5所示。（3）断路器选型断路器以使用范围分为两种，高压断路器与低压断路器。当生电路异常或者电路过载等情况时，断路器能够在短时间内开断电路，确保不会引发安全事故或造成更大的财产生命损失。本文这里我选择使用4个断路器，电机的额定功率为5.5KW根据公式:(3.1)即，应选DZ47-60C16。外形如图3.7所示。图3.7断路器外形图图3.8变频器器外形图3.2.4变频器选型MICROMASTER430是西门子水泵电机专用变频器，外形如图3.8所示。本系列有多种型号，额定功率范围从7.5kW到250kW，可供用户选用，根据选型要求选择西门子6SE6430-2AD38-8FA0。外部接线框图如图3.9所示。MICROMASTER430从出厂设置和标准变频器设置开始，就是针对水泵和风扇的适用型号。因此，其操作极其可靠并具有许多特性。可选的脉宽调制的开关频率，使电机降噪。并为变频器和电机带来非常强大而完善的保护功能。变频器由微处理器控制，并使用具有最新尖端技术的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出设备。与水泵和风扇控制一起使用时的功能：电机步进控制，节能模式，手自动控制，传送带故障自检。保护功能：过压/欠压保护，变频器过热，接地故障保护，短路保护；电动机过热保护；PTC/KTY电动机保护。图3.9MM430外框接线图3.3恒温供暖控制系统电气原理图3.3.1系统主电路设计如图3.10所示。电机：M1、M2、M3，热继电器：FR1、FR2、FR3，接触器：KM1、KM2、KM3，对应分别控制MA1、MA2、MA3的工频运行。三台热继电器为电机工频运行时起过载保护作用。接触器：KM2、KM4、KM6，对应分别控制M1、M2、M3的变频运行。三台变频运行时由变频器来实现电机过载保护。变频器隔离开关：QA10；主电路的隔离开关：QA20、QA30、QA40。主电路熔断器：FU1、FU2、FU3。VVVF为一般的变频器。根据检测到的二次网出水水温与设定值的不同，系统将会判定采取变频或者工频模式。接触器和隔离开关将会为每台循环泵切换工频或变频。图3.10恒温供暖系统主电路本系统采用“1控X”的切换，（X为水泵台数）由于变频器的价格偏高，故许多用户由一台变频器控制多台循环泵的方案，工作过程如下：当1号处于变频控制时，一旦水量增大但是该泵已经达到额定频率却水压仍不足，此时经过较短时间的延时，1号将切换为工频。于此同时，因为变频器的输出频率降为0Hz，2号开始变频运行，2号也出现1号的情况时，2号便也切换为工频，随后3号开始变频运行；当相反的情况下水量减少时，顺序为先1号，然后2号等退出工作。3.3.2PLC外围接线图如图3.11所示。输出端子Q0.0到Q0．5，接电路控制的接触器：数字量输出端QO．7、Q1.0,Q1.1；输入端子I0.0~I1.3，表示系统各部分的功能。变频器的电压输出端U、V、W，通过接触器连接到三台电机上。

第4章恒温供暖控制系统软件设计4.1恒温供暖系统的控制流程恒温供暖控制系统控制方法有手动控制、自动控制。手动控制时，通过操作控制面板上的操作按钮来进行手动控制，没有任何逻辑限制。在自动运行方式下，外部传感器采集到压力温度的数据与系统要求的标准值进行对比，通过模数转换传给PLC，PLC的输出端对设备进行启/停及工频、变频切换控制，其工作过程如图4.1所示。图4.1恒温供暖系统主要工作过程示意图本系统工作过程为：首先，测量进水口水温、二次网回水水温大小。然后，看进水水温是否在70~80℃。满足要求，将测量的出水水温与系统要求达到的40~65℃进行比对；不满足要求，向一次网进行报警。第二步，PLC根据反馈的温度数据和变频器的输出频率，处理模拟量数据。最终经过数据处理后发出控制信号，进行执行操作。操作结束后再次对管网温度进行检测并反馈，循环运行。4.2控制系统程序设计本系统控制过程分为手动控制功能和自动控制功能。如图4.2所示为手动操作控制模式和自动控制模式的两种选择流程图。图4.2模式选择流程图（1）手动模式在手动控制中，不仅可以对任意一台循环泵进行启动和关闭操作，还可以选择电机的的工频／变频运行方式以及在变频状态下的频率，但每台电机中每次都只有一个电机在变频状态下运行。手动操作模式流程图如图4.3所示。图4.3（2）自动模式当启动自动按钮，系统在自动模式下运行。系统会依据外传感器反馈的数据对三台循环泵进行增减、工频／变频的切换以及变频状态下的频率变化。如图4.4所示，此模式主要工作过程如下：①启动自动模式按钮，检测二次网进水水温，看是否满足要求。②进水水温不满足要求，进行报警；水温满足要求，变频启动M1，同时测量二次网出水水温。

③反馈值高于预设值，M1变频调节；低于预设值，M2启动，M1切换为工频。

④反馈值高于预设值，状态不变；低于预设值，M1、M2切换为工频，M3启动。

⑤反馈值高于预设值，保持运行状态不变，低于预设值，M1、M2、M3切换工频。

⑥反馈值高于预设值，依次减少运行电机数量。图4.44.3PLC程序设计本系统的程序是以保证系统的正常运行，即恒温供暖和控制流程而配套设计，并同时确保系统的安全性和可靠性。PLC控制程序按照本系统的应用步骤逐步开发，由一个主程序和若干子程序构成。主要程序为控制变频器频率以及顺序切换与启动关闭三台水泵，使二次网进水水温与回水水温变化保持基本同步。4.3.1系统运行主程序首先进行初始化工作，使各设备与PLC的数据传输正常。为防止意外的发生或者设备的损坏，在系统运行过程中，需要及时进行可能的故障检测。PLC主程序的主要组成为：初始化程序、水泵电机启动程序、水泵电机工频／变频切换程序以及报警程序等。系统运行主程序流程图如图4.5所示。图4.54.3.21号泵电机控制子程序此程序主要控制1号泵电机的运行、停止和变频调速，其工作流程图如图4.6所示。工作包括：自动运行过程开始启动1号泵电机变频运行，检测回水管温度大小。若反馈值低于预设值，启动定时5S，定时到，管内温度仍低于预设值，检测变频器输出的频率，变频器输出频率上限值为50Hz，切换l号泵电机工频运行，启动2号泵电机控制程序。图4.64.3.32号泵电机控制子程序此程序主要控制2号泵电机的运行、停止和变频调速。工作包括：启动2号泵电机变频运行，检测回水管温度大小，若反馈值低于预设值，启动定时5S，定时到，管内温度仍低于预设值，检测变频器输出的频率，变频器输出频率上限值为50Hz，切换2号泵电机工频运行，启动3号水泵电机控制程序，管内温度反馈值高于预设值，切除1号泵电机工频运行，维持2号泵电机变频调速运行程序。图4.74.3.43号泵电机控制子程序此程序主要控制3号水泵电机的运行、停止和变频调速。工作包括：启动3号水泵电机变频运行，检测管网内温度大小，若反馈值低于预设值，启动定时5S，定时到，管内压力仍低于预设值，检测变频器输出的频率，变频器输出频率为上限值50Hz，切换3号水泵电机工频运行，管内压力反馈值高于预设值，启动切除工频运行程序。4.4变频器MM430的参数设置对变频器的部分参数设置如表4.1，因为PLC控制器的要求但欠缺更深入的知识，这里只设置部分参数。设定POOl0=30，设定P0970=1完成复位过程至少要3分钟。表4.1变频器参数设置表编号参数号出厂值设置值说明lP0304230380电动机的额定电压(380V)2P03053．2511电动机的额定电流(11A)3P0307O．755.5电动机的额定功率(5.5kW)4P031050．OO50．OO电动机的额定频率(50Hz)5P031101395电动机的额定转速(1395r／min)6P100023固定频率设定7P10800O电动机的最小频率(0Hz)8P10825050.00电动机的最大频率(50Hz)9P11201010斜坡上升时间(10S)10Pll2l1010斜坡下降时间(10S)11P070022选择命令源(由端子排输入)12P070