西門子PLC在新型太陽能熱水器中的應(yīng)用

更新時(shí)間：2014-11-03 點(diǎn)擊次數(shù)：2992

西門子PLC在新型太陽能熱水器中的應(yīng)用

1 引言

近年來，我國應(yīng)用太陽能和采暖發(fā)展迅速，節(jié)能效果明顯[7]。但是，太陽能熱水器也有自身的缺點(diǎn)。首先，太陽能熱水器受天氣因素影響較大，在陰天或冬天的時(shí)候光照強(qiáng)度不足，就不能提供溫度較高的熱水；其次，太陽能熱水器提供的水量有限，且水溫不夠穩(wěn)定；zui后，目前我國的太陽能熱水器多為家用的小型太陽能熱水器，不能夠集中管理和控制。

為解決這些問題，設(shè)計(jì)了一種基于plc的集熱式太陽能熱水器，可對(duì)多個(gè)用戶集中供水，全天候提供水溫穩(wěn)定的熱水，操作簡單，經(jīng)濟(jì)效益高。plc采用西門子s7-200系列進(jìn)行控制操作。配合相應(yīng)的溫度、液位和流量傳感器及plc的模擬量輸入擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)集熱式太陽能熱水器中水溫、水位和流量的控制。同時(shí)，plc與西門子文本顯示器td400集成，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，對(duì)集熱式熱水器內(nèi)部的水溫和水位進(jìn)行實(shí)時(shí)在線顯示和設(shè)置。

2 集熱式太陽能熱水器

2.1 電控工作原理

集熱式太陽能熱水器可以對(duì)多用戶提供熱水，且供水量大、供熱水效率高，目前廣泛應(yīng)用于需大量供熱水的事業(yè)單位等部門。該系統(tǒng)是與建筑有機(jī)結(jié)合、全天候的太陽能熱水器。其安裝在建筑的屋頂之上，不占用建筑內(nèi)部空間，使用起來簡單方便，如圖1所示。

由圖1可知，該集熱式太陽能熱水器主要由太陽能集熱板、水箱、電磁閥、水泵、溫度傳感器、液位傳感器、電伴熱帶、電加熱器、電磁流量計(jì)和控制柜等部分構(gòu)成。該系統(tǒng)的控制原理為：

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圖1 集熱式太陽能熱水器系統(tǒng)框圖

(1)當(dāng)集熱式陣列中的水溫度高于1#水箱的水溫5度時(shí)，1#水泵啟動(dòng)，將熱水從太陽能集熱板陣列排入1#水箱，同時(shí)1#水箱內(nèi)的水送入太陽能集熱板陣列，實(shí)現(xiàn)熱水的循環(huán)。兩者溫度相等時(shí)水泵停止。

(2) 當(dāng)1#水箱中的水量不足設(shè)定的zui低*，1#電磁閥打開，使自來水進(jìn)入1#水箱，補(bǔ)充水量到設(shè)定的zui高限為止。

(3) 當(dāng)用戶端水溫低于50度時(shí)，3#水泵啟動(dòng)，達(dá)到55度時(shí)關(guān)閉。

(4) 當(dāng)2#水箱的水位低于zui低*，2#水泵啟動(dòng)，同時(shí)2#電磁閥打開，以1#水箱中的水作補(bǔ)充，達(dá)到設(shè)定水位上限為止。

(5) 2#水箱水溫低于50度且2個(gè)水箱水位高于設(shè)定的zui低加熱水位時(shí)，加熱器開，達(dá)到55度時(shí)關(guān)。

(6) 當(dāng)1#水箱水溫高于70度時(shí)，開2#水泵，2#電磁閥和3#電磁閥，使兩個(gè)水箱的水進(jìn)行循環(huán)，兩個(gè)水箱水溫相等時(shí)停止循環(huán)。

(7) 當(dāng)流量計(jì)的流量高于設(shè)定值時(shí)，3#水泵啟動(dòng)。

(8) 當(dāng)管道溫度低于下*，開伴熱帶同時(shí)還要開1#水泵，循環(huán)一定時(shí)間。

(9) 當(dāng)控制柜內(nèi)溫度高于設(shè)定的風(fēng)扇啟動(dòng)溫度，風(fēng)扇啟動(dòng)，低于設(shè)定溫度時(shí)關(guān)閉。

2.2 電控系統(tǒng)硬件

集熱式太陽能熱水器的控制系統(tǒng)如圖2所示。它由決策機(jī)構(gòu)、測(cè)量感知機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成，其中決策單元是控制系統(tǒng)的核心。

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圖2 集熱式太陽能控制系統(tǒng)原理圖

(1) 控制中心

西門子s7-200系列plc是的小型模塊化可編程控制器[1]。plc應(yīng)用工程首先要合理的選擇系統(tǒng)配置，這對(duì)于提高plc在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用有重要的作用。根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行原理，經(jīng)過計(jì)算統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)的控制點(diǎn)數(shù)為：模擬量輸入7個(gè)，數(shù)字量輸入7個(gè)，數(shù)字量輸出9個(gè)。根據(jù)系統(tǒng)的控制點(diǎn)數(shù)和余量，本系統(tǒng)采用西門子s7-200系列中的cpu224作為控制核心單元，它本身所擁有的數(shù)字輸入輸出口數(shù)量能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，而且有少量剩余，可用于以后的擴(kuò)展或改造。模擬量輸入擴(kuò)展模塊采用em231，它是4輸入12位的模擬量輸入模塊。本系統(tǒng)共有7個(gè)模擬量輸入，所以需要擴(kuò)展2個(gè)em231。另外，采用文本編輯器td400與cpu224相連，共同示組成一個(gè)具有實(shí)時(shí)操作顯功能的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。td400是一個(gè)能顯示兩行或四行的文本顯示設(shè)備，為背光液晶顯示，有較好的分辨率，可由s7-200cpu獲得供電，或者由單獨(dú)電源供電。td400的主要作用是設(shè)置系統(tǒng)的各項(xiàng)控制參數(shù)，包括各個(gè)部分的溫度上限值和下限值，水箱水位的上限值和下限值等，同時(shí)可以對(duì)各個(gè)部分的水溫和水位及各個(gè)執(zhí)行器的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

主控中心主要功能為：對(duì)由模擬量輸入模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)用戶設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)和系統(tǒng)控制原理，作出控制決策。

(2) 測(cè)量感知機(jī)構(gòu)

測(cè)量感知機(jī)構(gòu)包括溫度傳感器、液位傳感器和電磁流量計(jì)。溫度傳感器采用pt100鉑熱電阻，輸出為4~20毫安電流，量程為0~100攝氏度。溫度傳感器的作用是實(shí)時(shí)采集太陽能集熱板、水箱、輸水管路和用戶端的水溫，決策機(jī)構(gòu)將根據(jù)這些數(shù)據(jù)來對(duì)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，達(dá)到系統(tǒng)溫度參數(shù)的設(shè)定要求。液位傳感器用于實(shí)時(shí)采集兩個(gè)水箱中的水位，決策機(jī)構(gòu)根據(jù)水位參數(shù)的設(shè)定要求來對(duì)相應(yīng)的控制器進(jìn)行控制。電磁流量計(jì)用于檢測(cè)用戶端管道內(nèi)的水流量，根據(jù)流量的大小，決策機(jī)構(gòu)就可以判斷用戶端用水量的多少，從而控制執(zhí)行器增加或減少熱水的供應(yīng)量。所有的傳感器均采用三線式接線方式。

(3) 外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)

本系統(tǒng)的外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括3個(gè)水泵、3個(gè)電磁閥、排熱風(fēng)扇和電伴熱帶。水泵用于對(duì)管路和水箱中的熱水進(jìn)行循環(huán)，電磁閥用于控制管路內(nèi)水流的通斷，排熱風(fēng)扇可以將控制柜內(nèi)較高的空氣排到柜外，電伴熱帶用于防止管路在冬天上凍結(jié)冰。另外，系統(tǒng)還有一個(gè)急停按鈕，按下急停按鈕，會(huì)切斷執(zhí)行器的供電，使系統(tǒng)停止運(yùn)行。所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是在控制機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一控制下協(xié)調(diào)工作，使系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的進(jìn)行工作。控制柜為立方體形，高度為180厘米，安裝有兩層門，內(nèi)層門上安有上電指示燈、手自動(dòng)開關(guān)、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、急停按鈕和文本顯示器td400。

3 plc軟件編程

控制系統(tǒng)的軟件編程是在西門子公司提供的step7 microwin v4.0plc編程軟件下進(jìn)行的，它可以對(duì)s7-200的所有功能進(jìn)行編程。該軟件在windows平臺(tái)下運(yùn)行，其基本功能是協(xié)助用戶完成應(yīng)用軟件任務(wù)。該系統(tǒng)的軟件程序使用梯形圖進(jìn)行編程，采用結(jié)構(gòu)化編程方式，主要包括出場(chǎng)參數(shù)設(shè)置、量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)和手動(dòng)子程序。結(jié)構(gòu)化編程方法具有程序結(jié)構(gòu)清晰、通用性強(qiáng)、可讀性強(qiáng)和方便修改等優(yōu)點(diǎn)[4]。系統(tǒng)主程序如圖3所示，程序其他部分省略。

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圖3 系統(tǒng)主程序

在出廠參數(shù)子程序中設(shè)置了系統(tǒng)默認(rèn)的一些參數(shù)，包括水箱內(nèi)水位的上下限，水溫的上下限、用戶端的水溫、伴熱帶啟動(dòng)的管道溫度、電磁流量計(jì)的流量設(shè)定、水箱水位的量程和水溫的量程等。這些參數(shù)是在系統(tǒng)初始上電運(yùn)行時(shí)的默認(rèn)值，用戶可通過td400進(jìn)行參數(shù)的修改。手動(dòng)子程序是用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)使用的，在子程序中，定義了td400的9個(gè)按鍵f1~f8和shift+f1，對(duì)應(yīng)9個(gè)執(zhí)行器。在手動(dòng)模式下，按下按鍵，相應(yīng)的執(zhí)行器就會(huì)運(yùn)行。自動(dòng)子程序是按照系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行編寫，由決策單元對(duì)采集到的模擬量進(jìn)行判斷，作出決策。

溫度傳感器、液位傳感器電磁流量計(jì)采集到的信號(hào)是4~20ma的電流信號(hào)，通過模擬量輸入模塊em231的a/d轉(zhuǎn)換，變成范圍0~32000的數(shù)字量。而轉(zhuǎn)換來的這一數(shù)字量也不能直觀的反映現(xiàn)場(chǎng)的溫度、液位和流量的實(shí)際值，所以需要進(jìn)行量程的轉(zhuǎn)換。量程的轉(zhuǎn)換的公式為：

其中，di為a/d轉(zhuǎn)換來的數(shù)字量，6400為傳感器輸出電流為4ma時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。溫度的量程為0~100攝氏度，水位的量程可根據(jù)水箱的尺寸由用戶自己設(shè)定，程序中給出了一個(gè)缺省的量程，電磁流量計(jì)的量程也可由用戶根據(jù)產(chǎn)品的說明來設(shè)定。所以實(shí)際值為：

系統(tǒng)人機(jī)交互界面采用的是文本顯示器td400，其編程工作也是在西門子的編程軟件下進(jìn)行。通過編程軟件菜單“工具”“文本顯示向?qū)?rdquo;可以對(duì)td400進(jìn)行配置，設(shè)置用戶菜單和報(bào)警信息。本系統(tǒng)有工藝參數(shù)設(shè)定、量程設(shè)定和狀態(tài)顯示三個(gè)用戶菜單。在工藝參數(shù)設(shè)定菜單下可以對(duì)出廠參數(shù)進(jìn)行修改，在量程設(shè)定菜單下可以進(jìn)行量程的修改，狀態(tài)顯示菜單則用于顯示各執(zhí)行器的運(yùn)行情況，當(dāng)某一執(zhí)行器的狀態(tài)為1時(shí)，說明此執(zhí)行器正在運(yùn)行，為0說明此執(zhí)行器沒有運(yùn)行。按照向?qū)瓿蓆d400的設(shè)置后，會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)數(shù)據(jù)塊，其中包含了td400配置和所有用戶定義的信息。

4 結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文根據(jù)用戶的實(shí)際需要設(shè)計(jì)了一種新型的基于西門子s7-200系列plc的集熱式太陽能熱水器，該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)太陽能熱水器的一些缺點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了全年全天候供水，水溫與流量穩(wěn)定，并可通過文本顯示器td400進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，操作簡便。該設(shè)計(jì)將太陽能與電能結(jié)合使用，大大節(jié)省了電能，長期使用將會(huì)有很可觀的經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣使用。

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