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1、1引言我国大多数家庭的热水供应，仍以运用瓦斯热水器最为普遍, 然而每到冬季，瓦斯中毒事务频传，并造成很多家庭悲剧，因此瓦 斯热水器是中国人日常生活中最具威逼，但又不能不用的一项家用 产品。有些人改用电热水器以电能来加热，但因电热水器加热或保 温时，都要付出高额的电费，且具有漏电及电辐射的问题，威逼性 仍旧存在。国民生活水平随着收入的增加而提升，已进入追求生活 品质的时代，以家用厨浴设备来说，“全天候热水供应系统”的应 用已是必定趋势：。集中热水供应系统(central heating system)指的是由加热 设备集中制备热水，并用管道输送至建筑物的配水点的系统。其特 点是，加热器及其他设备
2、集中，可集中管理，加热效率高，热水制 备成本低，设备总容量小，占地面积小，适用于热水用量大，比较 集中的场所。随着现代科学技术的迅猛发展，以微处理器为核心的可编程序 限制器(PLC)快速发展起来。由于PLC体积小、价格低、功能强、 运行稳定牢靠、硬件简洁、软件易学，现已广泛应用于自动限制的 各个领域，传统的继电器限制已逐步被PLC所取代。目前，我国PLC限制已逐步代替了传统的继电器群的限制。由 于PLC采纳循环扫描的工作方式，即“串行”工作方式，具有较强 的抗干扰实力，及继电器限制的“并行”工作方式不同，克服了继14电压表42L61台0450V15电流表42L63块50/516电压转换开关LW
3、38C2-16YH3/31个17转换开关LW62个18按钮LA42 （红、绿各3,黄2个）8个AC220V19中间继 电器220V AC7套两开两闭20指示灯AD 17KA-22（红、绿各 2）4个AC220V21调速按钮WTR2个22蜂鸣器AD11-22D/41-CDY2个AC220V23限制面 板B0P-22个系统电气限制原理图见图2. 2。图2. 2系统电气限制原理图3限制系统程序设计 3.1 PLC程序中I/O点安排程序I/O点安排表见表3. lo表3. 1程序I/O点安排表描述地址中继地址变换后地址描述地址中 继 地 址变换后地址循环泵变频故 障M2. 02#循环泵变频接 触器闭合1
4、1.2M4.1保温泵变频故1障M2. 12#循环泵工频接 触器闭合11.3水箱水位低M3. 01#循坏泵热爱护动作11.4水箱水位高M3. 12#循环泉热爱护 动作11.51#循环家热爱 护动作M3. 2保温泵变频接触 器闭合12.0M4.22#循环泵热爱 护动作M3. 3保温泵工频接触 器闭合12.1保温泵热爱护 动作M3. 4保温泵热爱护动作T2.2一次蒸汽压力M3. 51#循环泵变频Q0.0水箱水温低M3. 61#循环泵工频Q0.1水箱水温高M3. 72#循环泵变频Q0.2蒸汽干管压力AIW4VW72VD1102#循环泵工频Q0.3换热器前压力AIW6VW74VD114循环泵变频运行输出
5、Q0.4换热器前压力AIW8VW76VD118循环泵电位器调速Q0.6换热器后压力AIW10VW78VD122保温泵变频运行输出Q0.7换热器后温度AIW12VW80VD126保温泵电位器调速Q1.1自来水压力一AIW14VW82VD130保温泵变频Q2.0自来水压力二AIW16VW84VD1341#电磁阀动作Q2.1水箱水位AIW18VW86VD1382#电磁阀动作Q2.2水箱温度AIW2VW88VD14循环泵故障输出Q2.023循环泵前压力AIW22VW90VD146保温泵故障输出Q2.4循环泵刖温度AIW24VW92VD150压力设定VD186供水压力AIW26VW94VD154温度设定
6、VD190续表3. 1程序I/O点安排表描述地址中继地址变换后地址描述地址中继地址变换后地址回水温度ATW28VW96VD1581#调整阀开度给定VD194循环泵频率AIW30VW98VD1622#调整阀开度给定VD198循环泵电流AIW32VW100VD166水箱温度上限设 定VD206保温泵频率AIW34VW102VD170水箱温度下限设 定VD210保温泵电流AIW36VW104VD174水箱水位上限设定VD2141#调整阀开度AIW38VW106VD178水箱水位下限设定VD2182#调整阀开度AIW40VW108VD1821#循环泵启动按钮M5. 0循环泉频率给定AQW41#循环泵停
7、止按钮M5. 1保温泵频率给定AQW82#循环泵启动按钮M5. 21#调整阀开度给定AQW122#循环泉停止按钮M5. 32#调整阀开度给定AQW16循环泵PID调速按钮M5.4循环泵手动10.0循环泵电位器调速按钮M5. 5循环泵自动10. 1巡检投入按钮M5. 6保温泵手动10.2巡检退出按钮M5. 7保温泵自动10.3保温泵启动按钮M6. 0循环泵变频运行10.4保温泵停止按钮M6. 1循环泵变频故障10.5保温泵PID调速按钮M6. 2保温泵变频运行10.6保温泵电位器调速按钮M6. 3保温泵变频故障10. 71#电磁阀开按钮M6. 41#循环泵变频接触器闭合11.0M4. 01#电磁
8、阀关按钮M6. 51#循环泵_L频接触器闭合11. 12#电磁阀开按钮M6. 6一次蒸汽压力上限设定VD2022#电磁阀关按钮M6. 73.2水温限制程序3. 2.1进水温度限制程序热水加热采纳自动控温系统，可通过蒸汽管道上的电动调整阀 调整供水温度，信号取源部件安放于换热器出口及水箱之间管道 o为了削减电动调整阀的频繁动作，设计中出水温度为一个温度 范围（65、75）。当出水温度小于65时（或者大于75时）, 电动调整阀会增大（减小）2%的开度，然后延时30s再次检测，直 到温度进入范围后停止增加。在平安限制方面，循环水泵设置断水爱护装置，另外在换热器 出水管上设定温度信号，当换热器进水严峻
9、缺水时.（出水温度超过 80）,可通过电磁阀关闭蒸汽进入管道，防止蒸汽干脆进入水箱 或热水管道系统，以避开发生水击现象。在自来水管道上设置自力式流量限制阀，以确保流经换热器的 冷水量稳定，提高自动限制精度。在自来水管道上设置止回阀，防 止热水注入自来水管道1。进水温度限制程序流程图见图3.1,程 序见附录30图3.1进水温度限制程序流程图图3. 2水箱保温功能限制程序流程图3. 2.2水箱保温功能限制程序对水箱设置温度自控系统，在水箱内放置一温度传感器，当水 箱内水温降低至设定值时，通过保温水泵，可自动启动保温用2 号换热器进行加热，由水箱内温度传感器发出电信号，先开启保温 水泵，延时5秒，开
10、启蒸汽管道上电磁阀4,通过水泵将水箱内的 凉水打入换热器进行再加热，完成保温功能。温度信号取源部件安 放于水箱底部。当水箱内水温上升至设定值时，可自动关闭2号换 热器，由水箱内温度传感器发出电信号，先关闭蒸汽管道上电磁阀 4,再关闭保温泵。水位限制和水温限制不互锁水箱保温功能 限制程序流程图见图3. 2,程序见附录3。3.3 水箱水位限制程序水箱设凹凸水位自控系统,要求高水位换热器自动停止供水运 行，低水位换热器自动起先供水运行。当水箱内水位处于低水位时, 由水位限制器向限制系统发出电信号，先开启自来水管道上电磁阀 1,延时5秒后再开启蒸汽管道上电磁阀2, 1号换热器处于运行状 态；当水箱内水
11、位处于高水位时，由水位限制器向限制系统发出电 信号，先关闭蒸汽管道上电磁阀2,延时5秒后再关闭自来水上电 磁阀1,换热器处于关闭状态；当水位在凹凸水位之间时.，换热 器及电器限制系统处于关闭状态不动作；当用水持续高峰，1号换 热器持续开机运行，水箱位信号低于水位下下限时，水位低警示灯 亮起，并自动开启2号换热器，两台换热器同时供水，以满意用水 要求。2号换热器开机流程及上述1号换热器相同。当水位达到要 求时，按关闭2号换热器和1号换热器。依据小时最大用水量和平 均小时用水量，选用加热用KUH0-100型变声速增压热交换器二 台，单台出水量4050吨/小时，一用一备，如遇持续用水高峰期, 可两台
12、短时间同时供水。水箱水位限制程序流程图见图3. 3,程序 见附录3。图3.3水箱水位限制程序流程图3.4 巡检程序供水系统要求24小时工作，为了提高系统稳定性，在设计时, 供水循环水泵采纳了一备一用方式。在系统中两台水泵，每台工作 72小时后自动切换。延时程序利用计时器和计数器协作进行。巡检程序流程图见图3. 4,程序见附录3。图3. 4巡检程序流程图4调试过程中出现的问题及解决方法4.1 水位在临界状态时电磁阀频繁动作问题原来设计的程序中在水位限制时，只有有两个关键位置，即水 位上限和水位下限。当水位到达上限水位时，电磁阀常见的开闭。 电磁阀频繁动作，会影响设备的运用寿命。经过视察探讨，在水
13、位达到上限时电磁阀关闭，假如此时的用 水量很小，水箱中的水会消耗，水位自然下降，电磁阀会开启很快 又将水箱中的水补齐，此时，电磁阀又关闭。正因如此致使电磁阀 频繁动作网。为解决上述缘由导致的误动作增设了现在程序中的第三个水 位，即水位下下限。然而在程序中加入下下限后电磁阀在临界水位时依旧出现频 繁动作的现象，又经过考虑，我找到了缘由。水箱中的水位传感器 是安装在水箱的一个角落里的，进水管安装在水箱的上方，在进水 时，会使水面动荡，正是这种动荡引起的误动信号。找到缘由后， 我在水位限制程序中，加入了一个延时比较程序。延时程序的工 作原理是这样的：当PLC收到应当让电磁阀动作的水位信号时，先 不急
14、于动作，经过一个一分钟的延时，然后再次进行比较，假如 此时的水位信号依旧要让电磁阀动作，此时电磁阀才会动作，否则 不动作。加入水位下下限和延时再推断程序后，电磁阀频繁动作的问题 迎刃而解。4.2 温度传感器受变频器干扰问题在设备调试过程中，发觉温传感器受变频器影响严峻。当变频 器启动后，温度信号会常见的变动，而且变动范围较大阴；关闭变 频器，用电位器调整水泵转速时，温度传感器工作正常。温度信号 受到干扰，严峻影响到保温泵的自动限制，同样导致水泵常见的开 启关闭动作.。出现这个问题，一起先以为是在工人安装过程中没有将信号屏 蔽做好导致的。然而在我们重新做温度信号屏蔽后，现象依旧存在。 经过视察，
15、变频器在开启和关闭的一段很短的时间中，波动最为严 峻；另外，我们做了测试将温度信号输入线从PLC的转接线板中取 出，此时没有温度输入，但干扰依旧存在，温度依旧波动。抱着 试试看的看法，我将信号输入干脆接在s-200的拓展模块上，开机 测试，问题解决词。后经分析，出现这种问题的缘由在于，安装过程中为了缩短距 离，转接线板的温度信号线从变频器后方走过，导致了干扰的产生 27 O5总结本次毕业设计，是PLC的一次应用，在生产中对所学学问的一 次实践。通过本次毕业设计，我对PLC的应用有了更深一步的了解。 以前只是在书本上学的一些简洁的吩咐、基本指令，而这次毕业设 计，要通过编程来在实际生产中限制供水
16、系统的运行，因此通过本 次设计，进一步增加了自己的动手实力和理论及实践相结合的实 力，也增加了自己思索问题和解决问题的实力。刚起先做的时候, 遇到很多困难，尤其是程序编写完成，调试的时候，遇到问题要实 电器触点的竞争和时序失配的问题。PLC限制把传统的继电器限 制逻辑变为程序限制逻辑，其内部继电器可代替用于逻辑限制的中 间继电器，使限制系统的噪声大大降低，限制柜的体积大大缩小。 1.1设计目的及意义司马煤业职工宿舍公寓，共有宿舍楼两栋（6层），共有720 个宿舍，每个宿舍配有一台电热水器，热水器的运用年限为5年， 改造前至少有40%须要更换，随着运用年限的增加，热效率从95% 降至40%,致使
17、电能消耗越来越大；另外电热水器是以容积式、干 脆加热的方式供应热水，加热时间过长，给职工洗浴带来不便，特 殊是在早晨，热水器的容积太小，在运用过程中常常会出现断水的 现象。热水器的平安性及运用舒适度急剧下降，职工的投诉率呈上 升趋势。为了满意广阔职工的生活用热水需求，司马煤业公司利用现有 资源,对原有热水系统进行改造。本毕业设计依据用户要求，整个 系统采纳自动化限制，尽可能利用原有设备和管道。热站系统干脆 负责向多层公寓定压供水，并向高层公寓供应水源，高层公寓在热 站外另设二次增压泵供水。该电气限制系统采纳PLC编程限制，具 有超误差识别功能，手动及自动切换功能，并可自动报警。1.2可编程序限
18、制器的特点1 .牢靠性高 可编程序限制器采纳了微电子技术,大量的开关 动作由无触点的半导体集成电路完成。2 .编程简洁PLC最大特点，是采纳了易学易懂的梯形图语时考虑，实时解决，最终在导师的指引和自己的摸索下，使问题得 到有效解决。通过本次的设计，我深切感受到理论结合实践的重要性。因为 限制量不行能处于志向状态，仅有理论是远远不够的，有时候理论 上可行，但到实践中就行不通，更达不到工业要求。必需从实地动 身，从实际状况动身，去思索导致误动作的缘由，想方法让系统适 应这种非志向状态，系统才能够运行。通过实践能够学到很多书本 上学不到的东西，更能加深对学问的理解，提升对学问运用实力。附录A系统工艺
19、流程图附录B水泵电机电气主接线图附录C PLC主程序参考文献1王斌. 8000人生活热水供应系统设计.北京：电子工业出版 社，2009 . 12居荣.PLC应用基础.北京：化学工业出版社，2019. 1733翁双安.跟我学PLC .北京：机械工业出版社，2019 . 1834唐志平. PLC限制技术.北京：机械工业出版社，2019 . 15沈莉莉.变频技术应用实践.其次版.北京：中国电力出版社， 2019 . 2376姚锡禄,变频器限制技术入门及应用实例.建筑电气.2009, 4: 12-157贺家李，宋从矩.变频完全应用.第三版.北京：中国电力出 版社,20198霍利民. PLC应用实例.其
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22、6299.19张桂香，马全广.电气限制及PLC应用M.北京:化学工业出版 社，2019： 19219920郑萍.现代电气限制技术四川：重庆高校出版社， 2019:56-71.21韦立祥，孙旭东，等.一种新型的供水系统限制方法J.清 华高校学报(然科学版)2019, 42(3)： 295-298.22 Simosi. A. The method of improving the efficiency of PLC. Machanision Manu facture and AutoimmunizationJ. 2019, 46(2)： 2729.23Kinner , R. H. PLC cont
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25、using magnetic particle clutch as the actuator. Mechanism & Electron 2019; (3) : 57.在本文即将结束之际，我要向高校期间无论在生活、工作还是 学习上给过我帮助、支持及激励的人们表达深深的谢意。首先，我要感谢我的导师宋小鹏老师。宋老师在学习中赐予了 我悉心的指导，同时他勤奋的工作作风、遇事勤于思索的探讨看法、 主动进取的志气和魄力以及对我的严格的要求使我受益匪浅，这比 单纯的获得学问还要珍贵。在此，我要向他表示诚心的感谢，并祝 他身体健康，工作顺当。此外，我要向我的校外导师谢国龙高级工程师表示诚心感谢。 在校外做毕
26、设期间，谢工在百忙中抽出时间给我介绍系统流程，讲 解在工程中常用到的方法，供应可行的设计思路，他那种对科学严 谨的看法给我留下了很深的印象，值得我专心去学习。在生活中， 谢工对我的细心照看，让我在司马煤矿度过了难忘的65天。我还要向我的父母表示感谢，是他们二十多年来不辞辛苦的把 我抚养长大，无论在生活还是学习上，始终静默支持着我。感谢他 们所做的一切！我是个幸运儿，在这四年的时间中，得到了太多人的帮助，我 很难在此一一列出他们的名字。但是，我会把我全部美妙的回忆恒 久留在心中。大家曾给及我的激励、帮助和支持肯定会激励我走向 新的人生历程。言。它是以计算机软件技术构成人们已习惯的继电器模型,形成
27、一 套独具风格的，以继电器线路图为基础的形象编程语言。3 .通用性好PLC是通过软件来实现限制的。同一台PLC可用 于不同的限制对象，只需变更软件就可以实现不同的限制要求，充 分体现了敏捷性及通用性。4 .功能强大PLC不仅可以完成逻辑运算，计数，定时，还可以 完成算术运以及A/D, D/A转换等。5 .体积小,功耗低 由于PLC采纳半导体集成电路,因此具有 体积小，重量轻,功耗低的特点，而且设计结构紧凑坚实，易于装入 机械设备内部,是实现机电一体化的志向限制设备。6 .设计施工周期短 运用PLC完成一项限制工程,在系统设计 完成以后,现场限制柜等硬件的设计及现场施工和PLC程序设计可 以同时
28、进行。由于PLC用软件取代继电接触限制系统中的中间继电器，时间 继电器,计数器等低压电器，使整个设计，安装,接线工作量大大削 减。又由于PLC程序设计和硬件的现场施工可同时进行，因此大大 缩短了施工周期。1.3 PLC的应用随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降，而功 能却大大增加。目前，在先进工业国家中PLC已成为工业限制的标 准设备，应用的领域已覆盖了全部工业企业。概括起来主要应用在 以下几个方面：1 .开关量的逻辑限制开关量逻辑限制是工业限制中应用最 多的限制,PLC的输入和输出信号都是通/断的开关信号。对限制的 输入,输出点数可以不受限制,从十几个到成千上万个点,可以通过
29、扩展实现。在开关量的逻辑限制中，PLC是继电器接触器限制系统 的替代产品。用PLC进行开关量限制遍及很多行业,如机床电气限 制，电梯运行限制，冶金系统的高炉上料,汽车装配线，啤酒灌装生 产线等。2 .模拟量限制PLC能够实现对模拟量的限制。假如配上闭环 限制（PID）模块后,可对温度,压力,流量,液面高度等连续变更的模 拟量进行闭环过程限制，如锅炉,冷冻,反应堆,水处理,酿酒等。3 .机械运动限制PLC可采纳专用的运动限制模块，对伺服电 机和步进电机的速度及位置进行限制，以实现对各种机械的运动限 制，如金属切削机床,数控机床,工业机器人等。4 .通信,联网及集散限制PLC通过网络通信模块及远程
30、I/O限 制模块,可实现PLC及PLC之间的通信,联网，及上位计算机的通信, 联网，以实现PLC分散限制,计算机集中管理的集散限制（又称分布 式限制），增加系统的限制规模,甚至可以使整个工厂实现生产自动 化。5 .数据处理 很多PLC具有很强的数学运算（包括逻辑运算,矩 阵运算，函数运算），数据传送,转换,排序,检索等功能;还可以完成 数据采集，分析和处理这些数据，可以及存储器中存储的参考数据 相比较,也可以传送给其它智能装置或传送给打印机打印制表。较 困难的数据处理一般在大，中型限制系统中进行。1.4西门子S7-200型PLC及其编程环境介绍1 . 4. 1西门子S7-200型PLC主要参数
31、S7-200系列小型PLC (Micro PLC)可应用于各种自动化系统。 紧凑的结构、低廉的成本以及功能强大的指令集使得S7-200 PLC 成为各种小型限制任务志向的解决方案。S7-200产品的多样化以 及基于Windows的编程工具，能够更加敏捷地完成自动化任务。本毕业设计运用西门子S7-200系列PLC,其具体参数见表L 1。 西门子PLC编程环境介绍STEP 7Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的 应用程序供应了良好的编程环境。为了能快捷高效地开发应用程 序，STEP 7Micro/WIN软件供应了三种程序编辑器。为了便于您 找到所需的信息，STEP 7Micro/
32、WIN供应了详尽的在线帮助。 编程界面见图表1. 1 S7-224XP参数表外形尺寸140x80 x62脉冲数出(DC)2 路 100 kHz数据存储器10240字节模拟电位器2掉电爱护时 间100小时实时时钟内置I/O数量数字量14输入/10 输出通讯口2 RS-485模拟JSL 里2输入/I输出浮点数运算是扩展模块数 量7个模块数字I/O映像大小256 （128 输入/128输出）高速计数器单相4 路 30kHz2 路 200kHz布尔型执行速 度0. 22ms/指令两相3 路 20 kHz1 路 100kHz图 1. 1 STEP 7Micro/WIN 编程界面2系统总体分析及设计1.1
33、 系统整体流程说明该供热系统由两台变声速增压热交换器，两台循环水泵（一备 一用），一台保温水泵，两台可控开度电磁阀和一个水箱（保温处 理）组成。见图2.1。具体系统流程为：为确保用水平安,在热站室内设置一储水箱, 容积35立方米（水箱外部制作保温），利用变声速增压热交换器将 冷水加热至供水温度后将热水打入水箱，利用变频水泵将水箱内热 水干脆向用户供水，供水采纳循环回路，多余水量经回水管流回水 箱，以供水压力为信号，水泵变频定压。供水系统工艺流程图见图2 . lo图2.1系统工艺流程图3 .2系统功能要求该热水供应自动限制系统是对供水系统的运行状态进行检测 和自动限制的系统。该系统可以采集到实时
34、状态信息，并自动限制, 使系统智能运行。系统具有以下功能：1、热水温度调整功能：通过换热器一次蒸汽入口处的电动调 整阀调整热媒供应量来实现限制。限制方式为PLC可编程限制器, 依据二次供水管上安装的温度传感器测量到的温度及程序设定的 温度比较后，由模拟量模块输出的0到10伏的电压信号（或 4-20mA）限制电动调整阀的执行器动作进而变更蒸汽阀体的开度, 实现流量调整，来限制二次水的温度。也可以在人机界面上显示交 换后二次水的设定温度，并通过人机界面进行修改设定值。2、自动补水功能：通过液位的凹凸，实现自动补水。实现无 水开机，水满停机。3、水箱保温功能：在失水后或少用户阶段通过检测水箱内温 度
35、的值及设定值比较通过调整一次网阀开度,保持水箱内的温度恒 定。4、循环泵恒压供水功能：恒压供水，保证压力在肯定范围。 （用户可自由调整）。系统主控为压力，辅控配以液位和温度。5、循环泵倒泵限制：两台循环泵一用一备.按依次定期切换 两台泵的启停.某泵出现故障时另一台泵正常运行。备有修理开关, 一台泵故障或检修时，系统可不停机正常运行必。6、报警功能:关键数据报警.连锁爱护.，交换站现场报警指示。报警参数有：a、一次蒸汽超压。（不参及限制）b、水箱低水温报警。（不参及限制） c、水箱高水温报警。（参及限制）d、水箱水位凹凸报警。（参及部分限制）e、循环泵、保温泵故障报警。7、系统配有手动、自动方式
36、切换功能：自动时系统受管网压 力、温度、液位的限制，接受模拟信号，系统按肯定的流程工作。 手动时可以单独限制任何一台负载或阀体启动停止运行1。8、中文液晶界面显示，软件应符合：（1）界面汉化，适应操作人员习惯；（2）图形直观，削减运行人员记忆强度；（3）系统供应故障报警功能；（4）对重要操作可给以提示；9、限制参数输入功能：一些参数的值可依据外部环境的变更 进行调整，从而达到节能，自控的志向效果。4 .3限制系统总体结构限制系统主要由以下组件构成，详见表2.1。表2.1限制系统组件表序 号名称规格型号数量单位技术要求1变频器6SE6430-2UD27-5CA01台7. 5KW2变频器6SE64
37、30-2UD31-8DB01台18.5KW3限制柜2200*800*6001台4PLC6ES7214-2BD23-0XB81台5扩展模 块6ES7235-0KD22-0XA86台6扩展模 块6ES7223-1PH22-0XA81台6断路器GSM1-63L/3300 2 40A2台7断路器GSM1-63L/3300 2 16A1台8沟通接 触器GSC1(CJX4-D)-384台9沟通接 触器GSC1(CJX4-D)-182台10热继电器JRS4-32355D2台11热继电器JRS4-09314D1台12DC24V电源3A1个AC220V供电DC24V/3A 输出13电流互 感器BH40-0. 663台30/5