【文章內(nèi)容簡介】 化pt100溫度變送器。SBWZ型熱電阻溫度變送器是小型一體化二線制儀表新產(chǎn)品，代表著當(dāng)今傳感器一體化發(fā)展趨勢。由于該產(chǎn)品實現(xiàn)了小型化，可以直接在溫度傳感器的接線盒內(nèi)安裝，將傳感器測量的0100度信號直接轉(zhuǎn)換成符合標(biāo)準(zhǔn)化的4~20mA直流信號遠傳至控制室，從而提高了信號的抗干擾能力。 (3) 三通調(diào)節(jié)閥為了達到恒溫出水功能，我們將采用PID控制以達到對水溫的精確自動控制，這就需要可以控制冷熱水開度的電動三通調(diào)節(jié)閥。電動三通溫控閥是流量調(diào)節(jié)閥在溫度控制領(lǐng)域的典型應(yīng)用，其基本原理：通過控制各支路熱（冷）媒入口流量的比例，以達到控制出口溫度的目的。當(dāng)負(fù)荷產(chǎn)生變化時，通過改變閥門開啟度調(diào)節(jié)流量，以消除負(fù)荷波動造成的影響，使溫度恢復(fù)至設(shè)定值。因此，在出水口我們配套選用了西門子公司生產(chǎn)的SKB62電動三通調(diào)節(jié)閥，如圖36所示。圖36 SKB62電動三通調(diào)節(jié)閥它的優(yōu)點是：①具有比例積分(PI)或比例積分、微分(PID)調(diào)節(jié)功能，控制穩(wěn)定、精確。②針對不同的現(xiàn)場工況，可靈活調(diào)整控制參數(shù)，達到系統(tǒng)最優(yōu)化。③可由控制器讀取當(dāng)前溫度值及觀察閥門工作狀態(tài)。④可擴展功能，如遠程設(shè)置、溫度補償、超溫報警、用熱計量及自動抄表、遠傳等。⑤大部分型號可在斷電時進行手動操作。 (4) 其他硬件的選擇其它的材料主要有太陽能熱水器集熱器的支架，集熱管的管材、管徑，管道的保溫材料，液位限位開關(guān)，電磁閥，循環(huán)泵，電加熱器等的選擇，可以根據(jù)相關(guān)的規(guī)定和相關(guān)的計算來選擇，在本文中就不再具體介紹了。 太陽能本身是一個不斷變化、而影響其變化的因素又較多、極其復(fù)雜的非線性變量，太陽熱水系統(tǒng)工程是一個非線性系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此采用傳統(tǒng)的控制方法難以得到較佳的控制效果。而模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種新的控制方法[22]。這種控制方法是一種智能的、非線性的控制方法，對那些無法取得數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)模型相當(dāng)粗糙的系統(tǒng)可以取得較滿意的控制效果，解決一些用傳統(tǒng)控制方法無法解決的問題。太陽能熱水器控制器采用PID控制算法，這種算法對固定參數(shù)的線性定常系統(tǒng)是非常有效的。通過調(diào)整PID控制器的參數(shù)，一般都能得到比較滿意的控制效果。(1) PID計算公式PID（比例（proportion）、積分（integration）、微分（differentiation））控制器作為最早實用化的控制器已有近百年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器[23]。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為： (31)式中積分的上下限分別是0和t因此它的傳遞函數(shù)為： (32)其中kP為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。(2) 實現(xiàn)PID控制的方法用PLC對模擬量進行PID控制時，可以采用以下幾種方法：①使用PID過程控制模塊過程控制模塊包括A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，PID控制程序是PLC生產(chǎn)廠家設(shè)計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。但是這種模塊價格較高，一般在大型控制中使用。②使用PID指令現(xiàn)在有很多PLC都有供PID控制用的指令，例如S7200的PID指令。它們實際上是用于PID控制的子程序，與模擬量輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于使用PID過程控制模塊的效果，但是價格便宜的多。③用自編程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制有的PLC沒有PID過程控制模塊和PID控制用的功能指令，有時雖然可以使用PID控制指令，但是希望采用其他改進的PID控制算法，在上述情況下，都需要用戶自己編制PID控制程序。④變頻器的閉環(huán)控制變頻器內(nèi)部一般都有一個PI控制器或PID控制器。對于恒壓供水這一類閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以將反饋信號接到變頻器的反饋信號輸入端，使變頻器內(nèi)部的控制器實現(xiàn)閉環(huán)控制。PLC可以通過通信或開關(guān)量信號給變頻器提供頻率給定信號和啟動、停止命令。如果將反饋信號送給PLC的模擬量輸入模塊，用PLC實現(xiàn)PID閉環(huán)控制，用D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號作為變頻器的頻率給定信號，需要增加PLC的模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊，將會增加硬件成本。(3) 本設(shè)計的PID控制本設(shè)計中在恒溫出水部分需要用到PID控制，通過溫度傳感器的測量值與設(shè)定值的不斷比較，使出水溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上，以達到恒溫出水的目的。本設(shè)計的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖37所示：圖37 系統(tǒng)恒溫出水部分PID控制框圖圖中所示，被控量C(t)首先被測量元件轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流信號或電壓信號pv(t)，模擬量輸入模塊的A/D轉(zhuǎn)換器將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字量pv(n)。模擬量輸出模塊的D/A轉(zhuǎn)換器將PID控制器輸出的數(shù)字量mv(n)轉(zhuǎn)換成模擬電壓或模擬電流mv(t),再去控制執(zhí)行機構(gòu)。在這里虛線框中的部分是由PLC實現(xiàn)的，執(zhí)行機構(gòu)是三通調(diào)節(jié)閥，被控對象是儲水箱出水溫度，測量元件是溫度傳感器。 PLC與外部設(shè)備連接方案PLC的輸入輸出量需要驅(qū)動設(shè)備運行，所以必須占用輸入輸出點數(shù)，也就是I/O端口與模擬量輸入輸出端口，本設(shè)計中輸入量有手自動切換輸入、上水電磁閥輸入；循環(huán)泵開/關(guān)輸入、出水電磁閥輸入、電加熱輸入、排空輸入、循環(huán)泵故障輸入、限位開關(guān)輸入以及三個溫度傳感器輸入量等；輸出量分別是手自動切換量、驅(qū)動上水電磁閥輸出量、驅(qū)動循環(huán)泵輸出量、驅(qū)動洗浴電磁閥輸出量、驅(qū)動電加熱輸出量和驅(qū)動排空閥輸出量，另外還有一個模擬輸出量。它們與PLC的連接如圖38所示：圖38 PLC與外部輸入輸出設(shè)備的連接注釋：(1) PLC系統(tǒng)的電源接線：PLC供電電源可采用直流24V、交流100V～120V或200V～240V的工作電源。如果電源發(fā)生故障，中斷時間少于10ms，PLC工作不受影響。若電源中斷超過10ms或電源下降超過允許值，則PLC停止工作，所有的輸出點均同時斷開。當(dāng)電源恢復(fù)時，若RUN輸入接通，則操作自動進行。對于電源線來的干擾，PLC本身具有足夠的抵制能力，也可以安裝一個變比為1:1的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾[24]。(2) 接地：良好的接地是保證PLC可靠工作的必要條件。在接地時應(yīng)注意以下幾點：①PLC的接地線應(yīng)為直徑在2mm以上的專用線②接地電阻應(yīng)小于100Ω③PLC的地線不能和其它設(shè)備共用④PLC的各單元地線應(yīng)相連在一起(3) PLC的維護和檢修：雖然PLC的設(shè)計，已使維修和運行故障減少到最小程度，但為了保證系統(tǒng)的正常工作，盡量延長系統(tǒng)的使用壽命，應(yīng)定期進行維護和檢修。注意電源電壓、環(huán)境指標(biāo)、I/0參數(shù)、安裝情況及備份電池等情況的檢查與維護，確保PLC正確穩(wěn)定的運行。系統(tǒng)的整個水工藝流程包括上水管道及電磁閥，洗浴開關(guān)、管道和噴頭，集熱器、循環(huán)泵、儲水箱構(gòu)成的水循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，以及三通調(diào)節(jié)閥控制的恒溫出水部分。水工藝圖如下所示：圖39 太陽能熱水器水工藝圖第4章 系統(tǒng)軟件框架的構(gòu)建與系統(tǒng)仿真本系統(tǒng)中主要的輸入有上水閥開關(guān)、循環(huán)泵開關(guān)、電加熱開關(guān)、洗浴開關(guān)和自動手動轉(zhuǎn)換開關(guān)。輸出有上水電磁閥、循環(huán)泵、電加熱、排空電磁閥和洗浴電磁閥等。另外，還有一些報警指示燈和傳感器。系統(tǒng)占用的所有主要單元的端口及地址分配如下表所示：表41 輸出量I/O地址分配表信號名稱或軟元件功能I/O端口或地址上水電磁閥循環(huán)泵洗浴電磁閥電加熱排空電磁閥手自動指示洗浴低溫報警指示燈洗浴高溫報警指示燈儲水箱液位上限指示燈儲水箱液位下限指示燈表42 輸入量I/O地址分配表信號名稱或硬件功能I/O端口或地址自動手動上水手動控制循環(huán)泵開循環(huán)泵關(guān)洗浴電磁閥控制電加熱控制排空電磁閥控制循環(huán)泵故障上水電磁閥關(guān)上水電磁閥開表43 測量信號/模擬信號地址信號名稱或硬件功能I/O端口或地址儲水箱溫度上限VW212儲水箱溫度下限VW216出水溫度設(shè)定值VD104集熱器溫度傳感器AIW4儲水箱溫度傳感器AIW6三通調(diào)節(jié)閥出水溫度傳感器AIW8三通調(diào)節(jié)閥開度AQW4儲水箱溫度測量量VW206集熱箱溫度測量量VW202出水口溫度測量量VW210PID溫度執(zhí)行量VW220由于系統(tǒng)不是嚴(yán)格的順序控制系統(tǒng)，所以在這里列出了各個子程序的流程圖。(1) 水循環(huán)流程圖：圖41 水循環(huán)流程圖在水循環(huán)部分，集熱器和儲水箱里的溫度傳感器不斷測量兩者的溫度，并比較兩個溫度值之間的差，如果集熱器出水溫度大于儲水箱水溫度，那么強制進行水循環(huán)，只要兩者之間有溫度差，循環(huán)就不停的進行，這樣可以使太陽能收集到的能量不斷的傳遞到儲水箱里面的水上，使水溫不斷上升，以滿足人們的需要。(2) 自動上水流程圖首先要對儲水箱的液位設(shè)定上下限，根據(jù)液位的情況來決定加水和不加水，所以自動上水流程圖如下：圖42 自動上水流程圖(3) PID閉環(huán)調(diào)節(jié)與電加熱流程圖這是恒溫供水最重要的一部分，通過PID閉環(huán)控制可以實現(xiàn)對溫度的精確控制，這一方面是人們要求比較高的，關(guān)鍵是用PLC里面的PID指令來進行控制，如圖43所示。為了全天候的供應(yīng)熱水所以加入了輔助電加熱器，為此在人的正常洗浴溫度左右設(shè)置一個溫度上下限，當(dāng)溫度低于某一值時，電加熱器打開，開始給儲水箱里的水加熱，當(dāng)加熱到上限溫度值時，停止加熱，在本設(shè)計中，設(shè)定溫度上限為60℃，下限為70℃，如圖44所示。圖43 PID閉環(huán)調(diào)節(jié)程序流程圖 圖44 電加熱程序流程圖 設(shè)計控制系統(tǒng)的梯形圖程序STEP7Microwin，使用該軟件可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制控制程序并完成與PLC的實時通信，進行程序的下載與上傳及在線監(jiān)控[25]。根據(jù)我們設(shè)計的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的功能與流程，我們利用STEP7Microwin，程序如下所示：(1) 程序塊：①初始化設(shè)定出水口溫度，儲水箱高低溫設(shè)定程序：②單按鈕手自動切換程序，調(diào)用子程序SBR_0或SBR_1：③單按鈕控制儲水箱排空電磁閥啟停與出水閥控制程序：④儲水箱液位上下限指示程序：⑤儲水箱溫度與設(shè)定值比較，高低溫指示與循環(huán)泵故障指示程序：⑥循環(huán)泵故障指示燈閃爍程序，閃爍間隔設(shè)置2S：⑦傳感器溫度變送與PID整定程序：⑧溫度調(diào)節(jié)輸出程序：⑨循環(huán)泵故障停止程序：(2) 自動控制子程序SBR_0：①儲水箱水位控制程序：②儲水箱與集熱器水溫比較水循環(huán)控制程序：③儲水箱水溫低電加熱器控制程序：(3) 手動控制子程序SBR_1：①循環(huán)泵手動控制程序：②單按鈕儲水箱手動上水控制程序：③電加熱手動控制程序：④儲水箱高低溫指示程序：(1) 用STEP 7Micro/WIN ：圖45 程序界面(2) 將編好的程序進行編譯、導(dǎo)出：圖46 導(dǎo)出程序(3) 打開仿真軟件，選擇PLC型號為CPU224XP：圖47 選擇PLC型號(4) 選擇模擬量模塊EM235：圖48 選擇模擬量模塊(5) 選擇編程時導(dǎo)出的“”工程文件：圖49 選擇文件(6) 裝載后顯示項目名稱，點擊綠色運行按鈕運行程序：圖410 仿真界面運行后響應(yīng)端口綠色運行燈亮，表示該端口有信號。(7) 監(jiān)控AQW4模擬量輸出端口，調(diào)節(jié)AIW8端口代表出水口溫度變化，可以看到AQW4模擬量輸出端口地址值由于PID程序的整定發(fā)生變化，代表恒溫調(diào)節(jié)出水，仿真完成。圖411 模擬輸出監(jiān)控 組態(tài)人機界面WinCC Flexible組態(tài)軟件簡單直觀、功能強大、應(yīng)用靈活且智能高效[26]。(1) 打開WinCC Flexible，選擇創(chuàng)建一個新項目，選擇設(shè)備類型。(2) 創(chuàng)建連接。在左側(cè)的項目樹中，雙擊“通訊”單元下的“連接”，在彈出的對話框中，創(chuàng)建并設(shè)置與S7200PLC的連接，雙擊第一行的空白處，新建一個連接，“接口”觸摸屏連接設(shè)置里，通信協(xié)議為MPI，站地址為1，目標(biāo)PLC地址為2,，通信協(xié)議為MPI，站地址為2，下載到PLC，連接電腦和PLC通信電纜。圖412 建立通信(3) 創(chuàng)建變量。在左側(cè)的項目樹中，雙擊“通訊”單元下的“變量”，在彈出的的對話框中，創(chuàng)建所需要的變量，設(shè)置變量時，應(yīng)注意變量要與程序中變量一一對應(yīng)，如圖413所示：圖413 變量表(4) 組態(tài)畫面。新建一個監(jiān)控畫面，如圖414所示，繪制好畫面后，設(shè)置其中按鈕、指示燈和表盤等器件的關(guān)聯(lián)變量、函數(shù)及動畫。圖414 組態(tài)畫面第5章 結(jié)論本次設(shè)計以S7200PLC、WinCC Flexible為基礎(chǔ)，利用STEP7Microwin，實現(xiàn)了對太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的各項要求。實現(xiàn)了WinCC Flexible與PLC的通信，構(gòu)成了一整套控制系統(tǒng)。通過本次畢業(yè)設(shè)計，使太陽能熱水器達到了系統(tǒng)的各種控制要求，成功地完成了太陽能熱水器的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計。經(jīng)過對系統(tǒng)程序的運行調(diào)試，實現(xiàn)了太陽能熱水器的恒溫出水、自動循環(huán)、自動上水、自動加熱、手自動切換等功能，提高了系統(tǒng)的可靠性，達到了設(shè)計的目標(biāo)。本次設(shè)計凸顯了S7200 PLC控制功能強大、簡單、可靠、靈活等特點。美中不足的是，由于缺乏經(jīng)驗和設(shè)計時間、條件有限，沒有做出實物，且在一些細(xì)節(jié)有待于