【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 設(shè) 定的值上 ，滿足用戶的用水需求 。整體控 制過(guò) 程如下： 對(duì) 各循環(huán)水泵和各閥門(mén)進(jìn)行控制 ， 保證用戶的用水需求， 通 過(guò) 溫度 傳 感器 分別 從 太陽(yáng)能集熱器、水箱和熱泵管道中取出溫度 信 號(hào) ， 液位傳感器從水箱取出液位信號(hào) 變 送器 將 信 號(hào)變換 成模 擬電壓輸 入到 PLC，由 CPU 隨時(shí) 采集信 號(hào)經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn) 化和 給 定值比 較 ，蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 11 經(jīng)過(guò) PID 調(diào) 整， 輸 出信 號(hào)給 各個(gè)中 間繼電器，從而控制熱泵和各循環(huán)水泵啟動(dòng)或停止 ， 從 而 達(dá)到滿足用戶需求的控制 。 其中最重要的是 PLC 對(duì)熱泵和 4 個(gè)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(hào)為 SLS40125。 電動(dòng) 機(jī)的 啟 停、故障、正常 運(yùn)行 、 手動(dòng) /自動(dòng) 切 換 都由 PLC 來(lái)控制， 這 些控制都是 隨 太陽(yáng)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(guò) 溫度傳感器和液 位 傳 感器把信息送到 PLC， PLC 來(lái) 控制 電動(dòng) 機(jī)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(shè)計(jì) 的 雙機(jī)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(duì) 于 PLC，由 溫度 傳 感器 和液位傳感器 檢測(cè) 到的 溫度和液位信號(hào) 直接送入 PLC中的 PID調(diào)節(jié)器輸 入口 。對(duì) 微 處 理器控制的系 統(tǒng) ， 溫度和液位 設(shè) 定值 則 送入微 處 理器中， 經(jīng)內(nèi) 部 PID控制程序的 計(jì) 算， 輸給 中間繼電器一個(gè)控制 信 號(hào) ， 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(dá) 到了 設(shè) 定值， 該輸 出控制信 號(hào) 就恒定下 來(lái) ，系 統(tǒng)穩(wěn) 定 運(yùn) 行。在 PLC中，直接 將 溫度和液位 給 定值 設(shè) 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(guò) 相 應(yīng) 的 裝 置 輸 入。 允許 用 戶 在 現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 置 PID參數(shù) ，通 過(guò)調(diào)試選 出最 佳參數(shù)，達(dá) 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(lèi) 型的死循 環(huán) 系 統(tǒng)也存在 著 一 些難 以解 決 的 問(wèn)題，比 如在系 統(tǒng) 的 動(dòng)態(tài)運(yùn) 行 過(guò) 程中，水泵 電 機(jī) 會(huì) 出 現(xiàn)速度超 調(diào) 甚至不 穩(wěn) 定的 現(xiàn) 象， 對(duì) 整 個(gè) 系統(tǒng) 具有很大的破壞性 ，還會(huì)減 小整 個(gè)系統(tǒng)的效率。 這 些 問(wèn)題 只能通 過(guò)選 定最優(yōu)的 PID參數(shù) 或修改 PID算法 來(lái) 解 決。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 12 第 4 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件分析 雙機(jī)熱泵 PLC 控制系 統(tǒng)由 硬件和 軟件組 成，硬件的 設(shè)計(jì) 能體 現(xiàn) 出 整 個(gè) 控制系統(tǒng) 的流程 ，知道在整 個(gè) 控制系 統(tǒng) 中所要完成的任 務(wù) 是什么。 軟 件 則 體 現(xiàn)怎樣去 控制所要控制的 對(duì) 象，怎 樣 把整 個(gè)供 水系 統(tǒng) 的功能 實(shí)現(xiàn) 。硬件 設(shè)計(jì)是軟 件 設(shè)計(jì) 的基礎(chǔ) ， 軟 件 設(shè)計(jì) 是硬件 設(shè)計(jì) 的功能集中的體 現(xiàn) 。在本章主要是 硬件 設(shè)計(jì) 及器件選 。 經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)的功能要求和性能指標(biāo)，把 整 個(gè)供 水控制系 統(tǒng) 的硬件 設(shè)計(jì) 分為三個(gè)模塊來(lái)完成 ： （ 1） 主電 路 圖 設(shè)計(jì)；（ 2） 系統(tǒng)控制 圖 設(shè)計(jì) , （ 3） PLC 接線的設(shè)計(jì) 。在第二章已 經(jīng) 把 整 個(gè) 雙機(jī)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(lái)設(shè)計(jì)相關(guān)的硬件圖 。 硬件 設(shè)計(jì) 之前，先 來(lái) 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(shè)計(jì) 系 統(tǒng) 的硬件 時(shí) 要考 慮 到 供電系統(tǒng) 。供電系統(tǒng) 的 設(shè) 定直接影 響 到控制系 統(tǒng) 的可靠性，因此在 設(shè)計(jì) 硬件 時(shí) 是根據(jù)以下幾方面 來(lái)設(shè)計(jì) ： 1． 輸 入 電 源 電壓 在一定的 允許 范 圍內(nèi)變 化； 2． 當(dāng)輸 入交流 電斷電時(shí) ， 應(yīng) 不破壞控制器程序和 數(shù) 據(jù)； 3． 當(dāng) 控制系 統(tǒng) 不 允許斷電的場(chǎng) 合，要考 慮供電電 源的冗余； 4． 當(dāng)外 部 設(shè)備電 源 斷電時(shí) ， 應(yīng) 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(shè)計(jì) 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(lái) 供 給 ，而直流 電由我們 另外 設(shè)計(jì) 的直流 電 源來(lái) 供 給 。水泵 電 機(jī)用的也是 380V 的三相交流 電 。在整 個(gè)供電系統(tǒng) 中 我們采 取了很多的保 護(hù) 措施， 如 熱繼電 器等。 控制原理圖設(shè)計(jì) 與器件選型 系 統(tǒng) 的控制原 理圖 的設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn) ， 它是整個(gè)控制裝置的接線圖。 具體的設(shè)計(jì)過(guò)程 如下 ： 主電路 設(shè)計(jì)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(chǎng)設(shè)備 的布置情 況 ，接 線 原理以及相 關(guān)的 保 護(hù)裝 置，是系 統(tǒng) 硬件 設(shè)計(jì) 中必不可少的部分。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 從圖 中可以體 現(xiàn) 出 對(duì)電 器接 線圖 的 畫(huà)法 標(biāo) 準(zhǔn)，同 時(shí) 也體 現(xiàn)了 系 統(tǒng) 的 控制流程。在設(shè)計(jì)主電 路 圖時(shí) ，不但要求接 線 合理，而且要求 對(duì) 用到的每 個(gè) 器件 進(jìn) 行 選 型。 主電路 設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)中 直接用 380V的三相交流 電 作 電 源， 每 個(gè) 水泵 電 機(jī)上都接有相 關(guān)的 保 護(hù) ，如： 開(kāi)關(guān) 、熔 斷 器、接觸器、 繼電 器， 這 些保 護(hù) 都是多功能的，能 夠?qū)崿F(xiàn) 各種保護(hù) ， 滿 足 設(shè)計(jì) 的要求。 這 部分的工作情 況實(shí)際 上是由 PLC 來(lái) 控制的，系 統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行 時(shí) ， 自來(lái)水通過(guò)電磁閥 E2 上水，經(jīng)太陽(yáng)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(hào) 后 輸 入到 PLC， PLC 經(jīng)過(guò) 判 斷處 理后， 決定 什么時(shí)候關(guān)閉電磁閥 E2，再通過(guò)溫度傳感器將溫 度信號(hào)送入 PLC，再經(jīng) PLC 判斷，以決定是否啟動(dòng)熱泵和循環(huán)水 泵。 如圖 所示是 熱泵和四臺(tái)循環(huán)泵的主接線圖 圖 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 14 圖中器件選型 一德空氣源熱泵是當(dāng)今世界上最先進(jìn)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(jìn)的環(huán)保型吸熱介質(zhì)冷媒 R417A。壓縮機(jī)通過(guò)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(guò)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(jī)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(shè)計(jì)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(jī)的 轉(zhuǎn) 速是 PLC 系統(tǒng) 的控制 對(duì) 象，其它器件的型 號(hào) 都是根據(jù)水泵 電 機(jī)的 參數(shù) 和性能指 針來(lái)選擇 的。所以首先 來(lái) 確定水泵 電 機(jī)的型 號(hào) 。 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(jí)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(zhǎng)，嚴(yán)格按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO2858 及最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(yáng)程范圍8~150m，分量本型、擴(kuò)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求，選用循環(huán)水泵型號(hào)為 SL40125，其額定功率為 10kW。 電流計(jì)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(kāi) ,以保障檢修人員的安全 .熔斷器式刀開(kāi)關(guān)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(hù)功能 ,可以分段一定的負(fù)載電流 。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 15 在設(shè)計(jì)中 ,根據(jù)設(shè)計(jì)的電壓等級(jí)和電流的大小 ,選擇了以下斷路器 ,如表 41所示 : 型號(hào) 額定電壓(V) 額定電流 (A) 主級(jí)數(shù) 額定工作電流交流 (A) 380V ?cos AC22 類(lèi)別 (通斷次數(shù) ) HH15G(QP)250 AC380 250 3 315 , (15000) 表 在設(shè)計(jì)中，用熱繼電器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)三相交流電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期帶負(fù)荷欠電壓下運(yùn)行，長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行以及長(zhǎng)期單相運(yùn)行等不正常情況時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組嚴(yán)重過(guò)熱乃至燒壞，為了充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，保證電動(dòng)機(jī)的正 常起動(dòng) 和運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)一旦出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載時(shí)，能自動(dòng)切斷電路。設(shè)計(jì)中 用熱繼電器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。熱繼電器利用金屬片發(fā)熱彎曲來(lái)控制觸頭，進(jìn)行切斷電路而保護(hù)電動(dòng)機(jī)，主要用于電動(dòng)機(jī)的過(guò)載，斷相及電流不平衡運(yùn)行等故障的保護(hù)，也經(jīng)常用作其他電氣設(shè)備及家用電器發(fā)熱狀態(tài)的控制。 我國(guó)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(shí)：根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電流確定熱繼電器的型號(hào)及熱元件的額定電流等級(jí)。對(duì)于星形接法的電動(dòng)機(jī)及電源對(duì)稱(chēng)性較好 的場(chǎng)合，可選用兩相結(jié)構(gòu)的熱繼電器；對(duì)于三角形接法的電動(dòng)機(jī)或電源對(duì)稱(chēng)性不夠好的場(chǎng)合，應(yīng)選用三相結(jié)構(gòu)或三相結(jié)構(gòu)帶斷相保護(hù)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(dòng)機(jī)的額定電流選取，即熱元件額定電 流應(yīng)接近或略大于電動(dòng)機(jī)的額定電流。本設(shè)計(jì)中 選擇 T 系列熱繼電器，型號(hào)選擇如表 42 所示： 型號(hào) 整定電流調(diào)節(jié)范圍 (A) T45 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 16 T16 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 表 中間繼電器實(shí)質(zhì)上是電壓繼電器，只是觸頭數(shù)目多（一般有 8 對(duì)），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(shè)計(jì)中，用中間繼電器來(lái)控制交流接觸器的通斷，從而控制異步電動(dòng)機(jī)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(hào)和特性如 表 43 所示 : 型號(hào) 觸點(diǎn)額定電壓/V 觸點(diǎn)額定電流/A 觸點(diǎn)對(duì) 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(kāi) 常閉 啟動(dòng) 吸持 J2720 500 5 2 0 交流 50Hz時(shí) 12， 36，127， 220，380 1200 75 12 表 在本設(shè)計(jì) 中 ,需要用到頻繁通斷 電器設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制 .在我們所學(xué)的器件中 ,接觸器是一種用于頻繁地接通或斷開(kāi)交直流主電路、大容量控制電路等大電流電路的自動(dòng)切換電器 .接觸器按其主觸點(diǎn)控制的電路中電流種類(lèi)分類(lèi) ,有直流接觸器和交流接觸器 。在本設(shè)計(jì)中 選用交流接觸器，通過(guò)它的通斷來(lái)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?jǐn)嚯妱?dòng)機(jī)電路或其他負(fù)載電路的控制電器，用它可以實(shí)現(xiàn)頻繁地遠(yuǎn)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?jǐn)嗄芰?，但不能分?jǐn)喽搪冯娏?，由于它體積小，價(jià)格便宜和維護(hù)方便，因而用途十分廣泛 ，接觸器最主要的用途是控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 17 反轉(zhuǎn)，制動(dòng)和調(diào)速等，因此它是電力拖動(dòng)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(hào)和特性如 表 44 所示 : 型號(hào) 可控電機(jī)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(dòng)(VA) 輔助觸頭額定工作電流 (A) AC15 380/220