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西門子PLC在新型太陽能熱水器中的應用
| 1 引言 近年來，我國應用太陽能和采暖發展迅速，節能效果明顯[7]。但是，太陽能熱水器也有自身的缺點。首先，太陽能熱水器受天氣因素影響較大，在陰天或冬天的時候光照強度不足，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，設計了一種基于plc的集熱式太陽能熱水器，可對多個用戶集中供水，全天候提供水溫穩定的熱水，操作簡單，經濟效益高。plc采用西門子s7-200系列進行控制操作。配合相應的溫度、液位和流量傳感器及plc的模擬量輸入擴展模塊實現對集熱式太陽能熱水器中水溫、水位和流量的控制。同時，plc與西門子文本顯示器td400集成，實現人機交互界面，對集熱式熱水器內部的水溫和水位進行實時在線顯示和設置。 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多用戶提供熱水，且供水量大、供熱水效率高，目前廣泛應用于需大量供熱水的事業單位等部門。該系統是與建筑有機結合、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、電磁流量計和控制柜等部分構成。該系統的控制原理為：
(2) 當1#水箱中的水量不足設定的zui低*，1#電磁閥打開，使自來水進入1#水箱，補充水量到設定的zui高限為止。 (3) 當用戶端水溫低于50度時，3#水泵啟動，達到55度時關閉。 (4) 當2#水箱的水位低于zui低*，2#水泵啟動，同時2#電磁閥打開，以1#水箱中的水作補充，達到設定水位上限為止。 (5) 2#水箱水溫低于50度且2個水箱水位高于設定的zui低加熱水位時，加熱器開，達到55度時關。 (6) 當1#水箱水溫高于70度時，開2#水泵，2#電磁閥和3#電磁閥，使兩個水箱的水進行循環，兩個水箱水溫相等時停止循環。 (7) 當流量計的流量高于設定值時，3#水泵啟動。 (8) 當管道溫度低于下*，開伴熱帶同時還要開1#水泵，循環一定時間。 (9) 當控制柜內溫度高于設定的風扇啟動溫度，風扇啟動，低于設定溫度時關閉。 2.2 電控系統硬件 集熱式太陽能熱水器的控制系統如圖2所示。它由決策機構、測量感知機構和執行機構三部分構成，其中決策單元是控制系統的核心。
西門子s7-200系列plc是的小型模塊化可編程控制器[1]。plc應用工程首先要合理的選擇系統配置，這對于提高plc在控制系統中的應用有重要的作用。根據系統的運行原理，經過計算統計，該系統的控制點數為：模擬量輸入7個，數字量輸入7個，數字量輸出9個。根據系統的控制點數和余量，本系統采用西門子s7-200系列中的cpu224作為控制核心單元，它本身所擁有的數字輸入輸出口數量能夠滿足本系統的設計需要，而且有少量剩余，可用于以后的擴展或改造。模擬量輸入擴展模塊采用em231，它是4輸入12位的模擬量輸入模塊。本系統共有7個模擬量輸入，所以需要擴展2個em231。另外，采用文本編輯器td400與cpu224相連，共同示組成一個具有實時操作顯功能的自動監控系統。td400是一個能顯示兩行或四行的文本顯示設備，為背光液晶顯示，有較好的分辨率，可由s7-200cpu獲得供電，或者由單獨電源供電。td400的主要作用是設置系統的各項控制參數，包括各個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，同時可以對各個部分的水溫和水位及各個執行器的運行情況進行實時監控。 主控中心主要功能為：對由模擬量輸入模塊采集的數據進行處理，根據用戶設定的各項參數和系統控制原理，作出控制決策。 (2) 測量感知機構 測量感知機構包括溫度傳感器、液位傳感器和電磁流量計。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時采集太陽能集熱板、水箱、輸水管路和用戶端的水溫，決策機構將根據這些數據來對相應的執行機構進行控制，達到系統溫度參數的設定要求。液位傳感器用于實時采集兩個水箱中的水位，決策機構根據水位參數的設定要求來對相應的控制器進行控制。電磁流量計用于檢測用戶端管道內的水流量，根據流量的大小，決策機構就可以判斷用戶端用水量的多少，從而控制執行器增加或減少熱水的供應量。所有的傳感器均采用三線式接線方式。 (3) 外部執行機構 本系統的外部執行機構包括3個水泵、3個電磁閥、排熱風扇和電伴熱帶。水泵用于對管路和水箱中的熱水進行循環，電磁閥用于控制管路內水流的通斷，排熱風扇可以將控制柜內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冰。另外，系統還有一個急停按鈕，按下急停按鈕，會切斷執行器的供電，使系統停止運行。所有的執行機構都是在控制機構的統一控制下協調工作，使系統能夠正常穩定的進行工作?？刂乒駷榱⒎襟w形，高度為180厘米，安裝有兩層門，內層門上安有上電指示燈、手自動開關、啟動按鈕、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編程軟件下進行的，它可以對s7-200的所有功能進行編程。該軟件在windows平臺下運行，其基本功能是協助用戶完成應用軟件任務。該系統的軟件程序使用梯形圖進行編程，采用結構化編程方式，主要包括出場參數設置、量程轉換、自動和手動子程序。結構化編程方法具有程序結構清晰、通用性強、可讀性強和方便修改等優點[4]。系統主程序如圖3所示，程序其他部分省略。
溫度傳感器、液位傳感器電磁流量計采集到的信號是4~20ma的電流信號，通過模擬量輸入模塊em231的a/d轉換，變成范圍0~32000的數字量。而轉換來的這一數字量也不能直觀的反映現場的溫度、液位和流量的實際值，所以需要進行量程的轉換。量程的轉換的公式為： 其中，di為a/d轉換來的數字量，6400為傳感器輸出電流為4ma時對應的數字量。溫度的量程為0~100攝氏度，水位的量程可根據水箱的尺寸由用戶自己設定，程序中給出了一個缺省的量程，電磁流量計的量程也可由用戶根據產品的說明來設定。所以實際值為： 系統人機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行。通過編程軟件菜單“工具”“文本顯示向導”可以對td400進行配置，設置用戶菜單和報警信息。本系統有工藝參數設定、量程設定和狀態顯示三個用戶菜單。在工藝參數設定菜單下可以對出廠參數進行修改，在量程設定菜單下可以進行量程的修改，狀態顯示菜單則用于顯示各執行器的運行情況，當某一執行器的狀態為1時，說明此執行器正在運行，為0說明此執行器沒有運行。按照向導完成td400的設置后，會自動生成一個數據塊，其中包含了td400配置和所有用戶定義的信息。 4 結束語 本文作者創新點：本文根據用戶的實際需要設計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，該系統解決了傳統太陽能熱水器的一些缺點，真正實現了全年全天候供水，水溫與流量穩定，并可通過文本顯示器td400進行參數設定，操作簡便。該設計將太陽能與電能結合使用，大大節省了電能，長期使用將會有很可觀的經濟效益，值得推廣使用。 |
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