【導(dǎo)讀】本文旨在設(shè)計一種基于PLC的太陽能鍋爐熱水的測控系統(tǒng)。PLC技術(shù)廣泛應(yīng)用于各。統(tǒng)，能為太陽能鍋爐的控制監(jiān)測系統(tǒng)提供安全可靠的保障。的選型以及PLC的接線、LED屏、控制面板的設(shè)計等。上水程序、溫差循環(huán)程序、鍋爐輔助加熱程序、防凍程序、報警程序等程序流程圖。

　　

【正文】 的 I/O 點(diǎn)數(shù) (數(shù)字輸入 /輸出量、模擬輸入 /輸出量 ) ,再增加 10%～ 20%的備用量，以便隨時增加控制功能，保證系統(tǒng)投入運(yùn)行后能夠替換個別故障點(diǎn)或彌補(bǔ)遺漏的點(diǎn)數(shù)。統(tǒng)計出 I/O 總點(diǎn)數(shù)后即可以確定 PLC 的控制規(guī)模 從而確定存儲器 (用于存儲用戶程序和數(shù)據(jù) )的容量。存儲器容量除了根據(jù) PLC 的控制規(guī)模確定。也可以按照如下方法計算，再增加 25%～ 30 %的備用量，以便隨時增加用戶程序。 一種方法是根據(jù)編程實(shí)際使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)計算，即編完程序之后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)計 算出實(shí)際使用容量。另一種方法是估算法，只有開關(guān)量時，所需內(nèi)存總數(shù) =開關(guān)量 (輸入 /輸出 )總數(shù) 10；只有模擬量輸入時 ,所需內(nèi)存總數(shù) =模擬量路數(shù) 120 在模擬量輸入、輸出同時存在時，所需內(nèi)存總數(shù) =模擬量路數(shù) 250；同時 ,應(yīng)考慮 PLC 提供的內(nèi)部繼電器和寄存器的數(shù)量 ,以便節(jié)省資源。綜合以上因素考慮，選用 CPU226。 表 S7200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本單元 型 號 輸入點(diǎn)數(shù)量 輸出點(diǎn)數(shù)量 可擴(kuò)展模塊數(shù) 25 S7200CPU22 6 4 0 S7200CPU222 8 6 2 個擴(kuò)展 模塊 S7200CPU224 14 10 7 個擴(kuò)展模塊 S7200CPU224XP 24 16 7 個擴(kuò)展模塊 S7200CPU226 24 16 7 個擴(kuò)展模塊 EM231 模擬量輸入模塊 EM231 模擬量輸入模塊的功能是把模擬量輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，可以連接 4個模擬量回路的輸入信號，輸入的模擬信號經(jīng)過其內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換后直接將轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量直接送入 PLC 內(nèi)部的模擬量輸入寄存器 AIW 中。使用模擬量輸入模塊時，首先要根據(jù)模擬量信號的類型及范圍通過模擬量模塊 的 DIP 開關(guān)進(jìn)行輸入信號的選擇，其選擇的具體操作根據(jù) EM231 選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表 。 表 EM231 選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表 單極性 滿量程輸入 分辨率 雙極性 滿量程輸入 分辨率 SW1 SW2 SW3 ON OFF ON 0~10V SW1 SW2 SW3 ON OFF 0~5V OFF OFF ON +/5V 0~20mA 5μ A ON OFF +/ EM231 熱電阻模塊是專門用于將熱 電阻信號轉(zhuǎn)為數(shù)字量信號的只能模塊，它可以連接 4 26 種類型的的熱電阻（ Pt， Cu， Ni 和普通電阻）。本設(shè)計選擇的是 Pt100 熱電阻溫度傳感器。 EM 222 數(shù)字量輸出模塊 本設(shè)計的數(shù)字量擴(kuò)展模塊選用的是 EM222DO8*24V DC,該數(shù)字?jǐn)U展模塊功耗 2W， EM222 擴(kuò)展模塊模塊輸出數(shù)字量，可以接 8 個數(shù)字量輸出回路，在 PLC 輸出端口不夠用的時候用于擴(kuò)展輸出端口，本設(shè)計的 LED 顯示設(shè)計用到的譯碼驅(qū)動 74LS48 需要 8 個輸出點(diǎn)，因此選用 EM222 數(shù)字量輸出模塊。 74LS48 譯碼驅(qū)動 74LS48 譯 碼驅(qū)動 是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器，常用在各種數(shù)字電路和單片機(jī)系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中， 計數(shù)器對其產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果送入字符譯碼器并驅(qū)動七段數(shù)碼管，使數(shù)碼管顯示單脈沖發(fā)生器產(chǎn)生了多少個脈沖信號。常用的 4 位二進(jìn)制同步計數(shù)器，在數(shù)字電路以及單片機(jī)系統(tǒng)中由非常廣泛的應(yīng)用 .74LS161 計數(shù)器具有清零信號 /MR，使能信號 CEP， CET，置數(shù)信號 PE，時鐘信號 CP 和四個數(shù)據(jù)輸入端 P0~P3，四個數(shù)據(jù)輸出端 Q0~Q3，以及進(jìn)位輸出 TC，且 TC=Q0 Q1 Q2 Q3 CET。電路中由兩個與非門構(gòu)成單脈沖發(fā)生器， 計數(shù)器對其產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果送入字符譯碼器并驅(qū)動七段數(shù)碼管，使數(shù)碼管顯示單脈沖發(fā)生器產(chǎn)生了多少個脈沖信號。 LED 七段數(shù)碼顯示管 LED 數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有 1～ 2 mA，最大極限電流也只有 10～ 30 mA，所以它的輸入端在 5 V 電源或 27 高于 TTL 高電平 ( V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。 數(shù)碼管使用條件： a、段及小數(shù)點(diǎn)上加限流 電阻 b、使用電壓：段：根據(jù)發(fā)光顏色決定；小數(shù)點(diǎn)：根據(jù)發(fā)光顏色決定 c、使用電流：靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）；動態(tài)：平均電流 45mA 峰值電流 100mA 數(shù)碼管使用注意事項說明： 管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角； 焊接溫度： 260 度；焊接時間： 5s ； 表面有保護(hù)膜的產(chǎn)品 ,可以在使用前撕下來。 LED 數(shù)碼管在電子儀器中常用來顯示數(shù)字，符號，顯示清晰，亮度高，價格便宜，廣泛低應(yīng)用在各種控制系統(tǒng)中。 一、 LED 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)： LED 數(shù)碼管實(shí)際上是由七個發(fā)光管組成 8 字形構(gòu) 成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是 8 個。這些段分別由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp 來表示。當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個數(shù)字“ 2”字，那么應(yīng)當(dāng)是 a亮 b 亮 g 亮 e亮 d亮 f不亮 c不亮 dp不亮。顯示一個字母?A? 字， a,b,c,e,f,g 段亮， d， dp 不亮。 LED 數(shù)碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有 寸、 1 寸等不同的尺寸。小尺寸數(shù)碼管的顯示筆畫常用一個發(fā)光二極管組成，而大尺寸的數(shù)碼管由二個或多個發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個發(fā)光二極管的管壓降為 左 右，電流不超過 30mA。發(fā)光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負(fù)極的稱為共陰數(shù)碼管。常用 LED數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是 0、 A、 B、 C、 D、 E、 F。 二、驅(qū)動方式 靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機(jī)的 I/O 腳進(jìn)行驅(qū)動，或者使用如 BCD 碼二 十進(jìn)位 *器 *進(jìn)行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用 I/O 腳多，如驅(qū)動 5 個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 5 8=40 根 I/O 腳來驅(qū)動，故實(shí)際應(yīng)用時必須增加 *驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，增加了硬體電路的復(fù)雜性。 動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示介面是 28 單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位元選通COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開， 該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。 透過分時輪流控制各個 LED 數(shù)碼管的 COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 埠，而且功耗更低。 PA0~PA7,PC0~PC7 為單片機(jī)的 I/O口，驅(qū)動兩個 4 位的共陽極數(shù)碼管。 LED 數(shù)碼管的工作 電流為 3~10mA，當(dāng)超過 30mA 時會將數(shù)碼管燒毀。因此需要在數(shù)碼管的每一段串入一個電阻進(jìn)行限流。電阻的選擇范圍為 470 歐到 1K。 如電源電壓 5V， 1k 限流電阻，一個二極管的結(jié)壓降為 ，電流為 。采用 1K 限流電阻時流過數(shù)碼管每段的電流為 。 傳感器的選擇 過各種高性能傳感器對氣候環(huán)境進(jìn)行測量及數(shù)據(jù)采集，并將測量結(jié)果通過接口送至PLC 中。由于系統(tǒng)對環(huán)境的采樣值都是傳感器輸出的模擬信號，而且傳感器與 PLC 的距離也比較遠(yuǎn)，所以在傳感器的選擇上都采用了 420mA 電 流輸出型，從而減小傳輸過程中的干擾，保證采樣值的準(zhǔn)確性與可靠性。溫度誤差可以在電路上或軟件上采取補(bǔ)償措施，不同的補(bǔ)償方法，其整體溫度系數(shù)差異較大，但仍與元件本身的溫度特性有關(guān)，一般將敏感元件和電路的溫度系數(shù)合在一起考慮。一般的溫度傳感器基點(diǎn)漂移較其它的 29 氣象傳感器都要顯著，熱敏電阻屬于吸附元件，在測量過程中必然會受到污染，由污染引起的測量基點(diǎn)漂移，只能用重新檢定的方法加以修正解決。若污染嚴(yán)重，基點(diǎn)漂移量過大，又不能再生，只能將傳感器作報廢處理 一、溫度傳感器 溫度傳感器選用 PT1000 高溫型鉑電阻溫度傳感器， 分別置于太陽能熱水箱，集熱器和管網(wǎng)末端中。太陽能熱水箱與集熱器中的溫度傳感器起到防凍作用，管網(wǎng)末端溫度傳感器起到保溫作用，因此， PT1000 高溫型鉑電阻溫度傳感器符合 溫度測量范圍，且價格低廉，宜于采用。 PT1000 高溫型鉑電阻溫度傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn) ： 高精度進(jìn)口日本 /德國鉑電阻元件芯片； 產(chǎn)品性能符合 IEC 和 JIS 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)； 外型設(shè)計符合測溫鉑電阻的各項規(guī)定； 測溫范圍 50℃ ～ 350℃ ；在 0℃ 時阻值 100Ω/1000Ω，； 探頭保護(hù)管直徑 Φ3mm以上； 公稱壓力 ； 良好的防震 動和防沖擊性； 能承受高電壓、有良好絕緣性；穩(wěn)定性好； 精度與等級： A177。（ ＋ ）； 177。（ ＋ ）；1 0℃ 時阻值允許偏差： A177。； B 177。；產(chǎn)品應(yīng)用：中央空調(diào)機(jī)組供熱 /制冷管道測溫和控制，冰箱冰柜、軸瓦、缸體，油管，水管，汽管，紡機(jī)，平面設(shè)備，空調(diào)，熱水器，體溫計等狹小空間工業(yè)設(shè)備測溫和控制，中央空調(diào)分戶熱能計量和工業(yè)領(lǐng)域測溫控制，大氣環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程控制、測量儀表等。 二、液位傳感器 水位的測量需要水位傳感器，在本設(shè)計中選用的是超聲波液位傳感 器。 超聲波液位傳感器從換能器發(fā)射出一系列超聲波脈沖 ,每一個脈沖由液面反射產(chǎn)生一個回波并被換能器接收，并采用濾波技術(shù)區(qū)分來自液面的真實(shí)回波及由聲電噪聲和運(yùn)動的攪拌器葉片產(chǎn)生的虛假回波，脈沖傳播到被測物并返回的時間經(jīng)溫度補(bǔ)償后轉(zhuǎn)換成距離。 30 測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計 PLC 接線 本設(shè)計選擇的 PLC 為西門子 S7200 CPU226，帶一片 EM231 模擬量輸入模塊和一片 EM222 數(shù)字量輸出模塊。 PLC 的布局圖如所示。 S 7 2 0 0 C P U 2 2 6L +ML + ML +ME M 2 3 1E M 2 2 2 圖 PLC 接兩擴(kuò)展模塊布局圖 本設(shè)計包括以下： 采用 5 個指示燈來顯示系統(tǒng)的狀態(tài)和故障， 啟動指示燈 HL,它顯示系統(tǒng)啟動運(yùn)行； 停止指示燈 HL1，它顯示系統(tǒng)停止運(yùn)行； 水位上限報警指示燈 HL2，它顯示保溫水箱里的水位過高； 水位下限報警指示燈 HL3，它顯示保溫水箱水位處于最低限，即將缺水； 防凍警報指示燈 HL4，它顯示外界溫度過低，太陽能集熱器溫度過低，容易發(fā)生凍壞事故。 集熱器與水箱的水循環(huán)通過循環(huán)水泵 M 來實(shí)現(xiàn)，循環(huán)水泵通過工作使集熱器的熱水與水箱進(jìn)行交換，使水箱水溫不斷上升。 采用 4 個電磁閥來控制系統(tǒng)管道的通斷，分別是上 水電磁閥 D1，循環(huán)電磁閥 D2， 31 水箱向鍋爐供水電磁閥 D3，自來水端直接向鍋爐供水電磁閥 D4。 傳感器系統(tǒng)采用了 3個 PT100 溫度傳感器，分別安裝在集熱管、保溫水箱、鍋爐處；水位傳感器采用浮球式液位傳感器。 燃?xì)忮仩t起輔助作用，用以加熱來自水箱的未達(dá)到使用水溫標(biāo)準(zhǔn)的水，或是在太陽能集熱器無法正常使用的情況下直接用來加熱水。 報警器用于提醒我們異常情況，及時能處理異常。 控制方面，系統(tǒng)采用了啟動按鈕 SB，停止按鈕 SB1，警報消除按鈕 SB2，手動上水開關(guān) SB3，手動排水開關(guān) SB4，手動循環(huán)開關(guān) SB5；水箱向鍋爐供水 開關(guān) SB6，鍋爐加熱開關(guān) SB7，鍋爐獨(dú)立工作開關(guān) SB8，手動 /自動切換開關(guān) SB9，溫度顯示切換開關(guān) SB10。 顯示方面系統(tǒng)采用了 74LS48 譯碼驅(qū)動和 LED 數(shù)碼管。 系統(tǒng)各部分接線圖示意圖： PLC S7200 CPU226 I / 0 控制原理接線圖如圖 32 1 LQ 0 . 0Q 0 . 1 Q 0 . 2 Q 0 . 32 LQ 0 . 4Q 0 . 5Q 0 . 6Q 0 . 7Q 1 . 0 3 LQ 1 . 1Q 1 . 2 Q 1 . 31 M I 0 . 0I 0 . 1I 0 . 2 I 0 . 3 I 0 . 4I 0 . 5I 0 . 6I 0 . 7I 1 . 0I 1 . 1I 1 . 22 M I 1 . 5S B S B 1 S B 2 S B 3S B 4S B 5S B 6S B 7S B 8