【文章內(nèi)容簡介】 設 定的值上 ，滿足用戶的用水需求 。整體控 制過 程如下： 對 各循環(huán)水泵和各閥門進行控制 ， 保證用戶的用水需求， 通 過 溫度 傳 感器 分別 從 太陽能集熱器、水箱和熱泵管道中取出溫度 信 號 ， 液位傳感器從水箱取出液位信號 變 送器 將 信 號變換 成模 擬電壓輸 入到 PLC，由 CPU 隨時 采集信 號經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn) 化和 給 定值比 較 ，蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 11 經(jīng)過 PID 調(diào) 整， 輸 出信 號給 各個中 間繼電器，從而控制熱泵和各循環(huán)水泵啟動或停止 ， 從 而 達到滿足用戶需求的控制 。 其中最重要的是 PLC 對熱泵和 4 個循環(huán)水泵的控制 。 熱泵采用一德公司的YD212 輕型空氣源熱水器，循環(huán)水泵采用上海意海公司的 SLS 型離心水泵，型號為 SLS40125。 電動 機的 啟 停、故障、正常 運行 、 手動 /自動 切 換 都由 PLC 來控制， 這 些控制都是 隨 太陽能集熱器的溫度、水箱溫度和液位以及熱泵管道溫度變 化而 變 化的。 溫度變化和水箱液 位的 變 化是通 過 溫度傳感器和液 位 傳 感器把信息送到 PLC， PLC 來 控制 電動 機的 啟 停。 現(xiàn) 在最常用的控制器是以 PID調(diào)節(jié) 為 主要手段，也有的采用了模糊控制等 現(xiàn)代控 制理論 方法，此次 設計 的 雙機熱泵 控制系 統(tǒng)采 用的是以 PID調(diào)節(jié)為 主要手段的方式。 對 于 PLC，由 溫度 傳 感器 和液位傳感器 檢測 到的 溫度和液位信號 直接送入 PLC中的 PID調(diào)節(jié)器輸 入口 。對 微 處 理器控制的系 統(tǒng) ， 溫度和液位 設 定值 則 送入微 處 理器中， 經(jīng)內(nèi) 部 PID控制程序的 計 算， 輸給 中間繼電器一個控制 信 號 ， 從而控制熱泵和循環(huán)水泵的啟停。一旦水箱的溫度和液位 達 到了 設 定值， 該輸 出控制信 號 就恒定下 來 ，系 統(tǒng)穩(wěn) 定 運 行。在 PLC中，直接 將 溫度和液位 給 定值 設 定在 PLC中，而微 處 理器控制系 統(tǒng) 的 溫度和液位 給 定值也可通 過 相 應 的 裝 置 輸 入。 允許 用 戶 在 現(xiàn)場設 置 PID參數(shù) ，通 過調(diào)試選 出最 佳參數(shù)，達 到系 統(tǒng)穩(wěn) 定。一般情 況 下， PID方式的 調(diào)節(jié)器 就能 夠滿 足水箱溫度和液位 的 穩(wěn) 定 調(diào)節(jié) 。然而， 這種類 型的死循 環(huán) 系 統(tǒng)也存在 著 一 些難 以解 決 的 問題，比 如在系 統(tǒng) 的 動態(tài)運 行 過 程中，水泵 電 機 會 出 現(xiàn)速度超 調(diào) 甚至不 穩(wěn) 定的 現(xiàn) 象， 對 整 個 系統(tǒng) 具有很大的破壞性 ，還會減 小整 個系統(tǒng)的效率。 這 些 問題 只能通 過選 定最優(yōu)的 PID參數(shù) 或修改 PID算法 來 解 決。 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 12 第 4 章 系統(tǒng)的硬件設計 系統(tǒng)硬件分析 雙機熱泵 PLC 控制系 統(tǒng)由 硬件和 軟件組 成，硬件的 設計 能體 現(xiàn) 出 整 個 控制系統(tǒng) 的流程 ，知道在整 個 控制系 統(tǒng) 中所要完成的任 務 是什么。 軟 件 則 體 現(xiàn)怎樣去 控制所要控制的 對 象，怎 樣 把整 個供 水系 統(tǒng) 的功能 實現(xiàn) 。硬件 設計是軟 件 設計 的基礎 ， 軟 件 設計 是硬件 設計 的功能集中的體 現(xiàn) 。在本章主要是 硬件 設計 及器件選 。 經(jīng)過對系統(tǒng)的功能要求和性能指標，把 整 個供 水控制系 統(tǒng) 的硬件 設計 分為三個模塊來完成 ： （ 1） 主電 路 圖 設計；（ 2） 系統(tǒng)控制 圖 設計 , （ 3） PLC 接線的設計 。在第二章已 經(jīng) 把 整 個 雙機熱泵 PLC 控制系 統(tǒng) 的方案確定， 根據(jù)已 經(jīng) 確定了的方案 來設計相關的硬件圖 。 硬件 設計 之前，先 來 分析 供電系統(tǒng) ，由于供水控制系統(tǒng) 的可靠 性的前提是 供電系統(tǒng)要 可靠。在 設計 系 統(tǒng) 的硬件 時 要考 慮 到 供電系統(tǒng) 。供電系統(tǒng) 的 設 定直接影 響 到控制系 統(tǒng) 的可靠性，因此在 設計 硬件 時 是根據(jù)以下幾方面 來設計 ： 1． 輸 入 電 源 電壓 在一定的 允許 范 圍內(nèi)變 化； 2． 當輸 入交流 電斷電時 ， 應 不破壞控制器程序和 數(shù) 據(jù)； 3． 當 控制系 統(tǒng) 不 允許斷電的場 合，要考 慮供電電 源的冗余； 4． 當外 部 設備電 源 斷電時 ， 應 不影 響控 制器的 供電； 5． 要考 慮電 源系 統(tǒng) 的抗干擾措施； 綜 合以上幾方面的考 慮 ，可以把 供電線 路 設計 如下： 工業(yè)電 源一般都是 380V 的三相 電 源，而 我們 用的 PLC 需要的 電壓即 有交流又有直流，交流 電壓 可以用照明 電來 供 給 ，而直流 電由我們 另外 設計 的直流 電 源來 供 給 。水泵 電 機用的也是 380V 的三相交流 電 。在整 個供電系統(tǒng) 中 我們采 取了很多的保 護 措施， 如 熱繼電 器等。 控制原理圖設計 與器件選型 系 統(tǒng) 的控制原 理圖 的設計是本設計的重點 ， 它是整個控制裝置的接線圖。 具體的設計過程 如下 ： 主電路 設計與選型 主電 路 圖 就是 電 源、 熱泵 和 循環(huán) 水泵的 連 接 圖 。 主電 路 圖 反映 了現(xiàn)場設備 的布置情 況 ，接 線 原理以及相 關的 保 護裝 置，是系 統(tǒng) 硬件 設計 中必不可少的部分。蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 13 從圖 中可以體 現(xiàn) 出 對電 器接 線圖 的 畫法 標 準，同 時 也體 現(xiàn)了 系 統(tǒng) 的 控制流程。在設計主電 路 圖時 ，不但要求接 線 合理，而且要求 對 用到的每 個 器件 進 行 選 型。 主電路 設計 設計中 直接用 380V的三相交流 電 作 電 源， 每 個 水泵 電 機上都接有相 關的 保 護 ，如： 開關 、熔 斷 器、接觸器、 繼電 器， 這 些保 護 都是多功能的，能 夠?qū)崿F(xiàn) 各種保護 ， 滿 足 設計 的要求。 這 部分的工作情 況實際 上是由 PLC 來 控制的，系 統(tǒng)開始運行 時 ， 自來水通過電磁閥 E2 上水，經(jīng)太陽能集熱器加熱后流入水箱， 經(jīng) 液位 傳感器 從 水箱 取得 液位 信 號 后 輸 入到 PLC， PLC 經(jīng)過 判 斷處 理后， 決定 什么時候關閉電磁閥 E2，再通過溫度傳感器將溫 度信號送入 PLC，再經(jīng) PLC 判斷，以決定是否啟動熱泵和循環(huán)水 泵。 如圖 所示是 熱泵和四臺循環(huán)泵的主接線圖 圖 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 14 圖中器件選型 一德空氣源熱泵是當今世界上最先進的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品之一。為確保在低溫環(huán)境下的制熱效果，采用了世界上最先進的環(huán)保型吸熱介質(zhì)冷媒 R417A。壓縮機通過消耗一部分電能，將低溫低壓的制冷劑氣體壓縮成高溫高壓的氣體。高溫高壓的氣體在 冷凝器中放出熱量將水加熱，自己溫度被降低，變成高溫高壓的液體，經(jīng)過膨脹閥節(jié)流降壓后，變成低溫低壓的液體，在蒸發(fā)器中制冷劑吸收其他介質(zhì)（如空氣、水）中的熱量，變成低溫低壓的氣體，然后再被壓縮機壓縮成高溫高壓的氣體加熱熱水。如此循環(huán)加熱。 根據(jù)系統(tǒng)設計要求，我選用 輕型空氣源熱泵熱水器 (YIDE212)，其額定功率為 20KW。 水泵 電 機的 轉(zhuǎn) 速是 PLC 系統(tǒng) 的控制 對 象，其它器件的型 號 都是根據(jù)水泵 電 機的 參數(shù) 和性能指 針來選擇 的。所以首先 來 確定水泵 電 機的型 號 。 上海意海耐腐蝕清水泵制造有限公司生產(chǎn)的上海意海 牌 SLS 型單級單吸立式離心泵是本公司采用 IS 型離心泵性能參數(shù)和立式泵結(jié)構(gòu)之長，嚴格按照國際標準 ISO2858 及最新國家標準設計成功的高效節(jié)能產(chǎn)品，是代替 IS 型臥式泵、DL 型泵等常規(guī)產(chǎn)品的新穎立式離心泵。流量范圍 ~1200m3/h，揚程范圍8~150m，分量本型、擴流型、 A、 B、 C 切割型等 250 多種規(guī)格。根據(jù)流量介質(zhì)和溫度不同，設計制造成同性能參數(shù)的 SLS 型熱水泵、 SLH 型化工泵、 SLY（ YG）型油泵和 SLHY 型立式防爆化工泵系列產(chǎn)品。 根據(jù)系統(tǒng)設計要求，選用循環(huán)水泵型號為 SL40125，其額定功率為 10kW。 電流計算： 20KW 熱泵的額定電流 AU PI 80 10203 3 ?????? 10KW 循環(huán) 水泵的額定電流 AU PI 10103 3 ?????? 斷路 器主要是在電源切斷后 ,將線路與電源明顯地閣開 ,以保障檢修人員的安全 .熔斷器式刀開關和熔斷器組合而成 ,故兼有兩者的功能 ,即電源隔離和電路保護功能 ,可以分段一定的負載電流 。 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 15 在設計中 ,根據(jù)設計的電壓等級和電流的大小 ,選擇了以下斷路器 ,如表 41所示 : 型號 額定電壓(V) 額定電流 (A) 主級數(shù) 額定工作電流交流 (A) 380V ?cos AC22 類別 (通斷次數(shù) ) HH15G(QP)250 AC380 250 3 315 , (15000) 表 在設計中，用熱繼電器對三相異步電動機進行保護。當三相交流電動機長期帶負荷欠電壓下運行，長期過載運行以及長期單相運行等不正常情況時，會導致電動機繞組嚴重過熱乃至燒壞，為了充分發(fā)揮電動機的過載能力，保證電動機的正 常起動 和運轉(zhuǎn)，當電動機一旦出現(xiàn)長時間過載時，能自動切斷電路。設計中 用熱繼電器對三相異步電動機進行過載保護。熱繼電器利用金屬片發(fā)熱彎曲來控制觸頭，進行切斷電路而保護電動機，主要用于電動機的過載，斷相及電流不平衡運行等故障的保護，也經(jīng)常用作其他電氣設備及家用電器發(fā)熱狀態(tài)的控制。 我國目前生產(chǎn)的熱繼電器主要有 JR0、 JR JR JR1 JR1 JR16 等系列，按熱元件的數(shù)量分為兩相結(jié)構(gòu)和三相結(jié)構(gòu)，選擇熱繼電器時：根據(jù)電動機的額定電流確定熱繼電器的型號及熱元件的額定電流等級。對于星形接法的電動機及電源對稱性較好 的場合，可選用兩相結(jié)構(gòu)的熱繼電器；對于三角形接法的電動機或電源對稱性不夠好的場合，應選用三相結(jié)構(gòu)或三相結(jié)構(gòu)帶斷相保護的熱繼電器。熱繼電器熱元件的額定電流原則上按被控電動機的額定電流選取，即熱元件額定電 流應接近或略大于電動機的額定電流。本設計中 選擇 T 系列熱繼電器，型號選擇如表 42 所示： 型號 整定電流調(diào)節(jié)范圍 (A) T45 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 16 T16 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 表 中間繼電器實質(zhì)上是電壓繼電器，只是觸頭數(shù)目多（一般有 8 對），容量也大，起到中間放大（觸頭 數(shù)目和電流容量）的作用。在本設計中，用中間繼電器來控制交流接觸器的通斷，從而控制異步電動機的轉(zhuǎn)停。 常用的中間繼電器有 J27 和 J28 系列，我選用 J27 系列中間繼電器，其型號和特性如 表 43 所示 : 型號 觸點額定電壓/V 觸點額定電流/A 觸點對 吸引線圈電壓 /V 額定操作頻率 /（次178。 h1） 線圈消耗功率/V178。 A 常開 常閉 啟動 吸持 J2720 500 5 2 0 交流 50Hz時 12， 36，127， 220，380 1200 75 12 表 在本設計 中 ,需要用到頻繁通斷 電器設備來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制 .在我們所學的器件中 ,接觸器是一種用于頻繁地接通或斷開交直流主電路、大容量控制電路等大電流電路的自動切換電器 .接觸器按其主觸點控制的電路中電流種類分類 ,有直流接觸器和交流接觸器 。在本設計中 選用交流接觸器，通過它的通斷來控制水泵的啟停。電感式接觸器是利用電磁吸力的作用使主觸頭閉合或分斷電動機電路或其他負載電路的控制電器，用它可以實現(xiàn)頻繁地遠距離操作它具有比工作電流大數(shù)倍乃至十幾倍的接通和分斷能力，但不能分斷短路電流，由于它體積小，價格便宜和維護方便，因而用途十分廣泛 ，接觸器最主要的用途是控制電動機的起動，蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 17 反轉(zhuǎn)，制動和調(diào)速等，因此它是電力拖動控制系統(tǒng)中最重要也是最常用的控制電器。 接觸器的型號和特性如 表 44 所示 : 型號 可控電機功率(KW) AC3: 230/220V 400/380V 500 V 690/660V 1000 V 額定工作電流(A) (380V) AC3 電壽命 (? 610次 ) AC3 吸引線圈功率消耗 吸合(VA) 啟動(VA) 輔助觸頭額定工作電流 (A) AC15 380/220