西门子PLC在新型太阳能热水器中的应用
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1 引言

  近年来,我国应用太阳能和采暖发展迅速,节能效果明显[7]。但是,太阳能热水器也有自身的缺点。首先,太阳能热水器受天气因素影响较大,在阴天或冬天的时候光照强度不足,就不能提供温度较高的热水;其次,太阳能热水器提供的水量有限,且水温不够稳定;最后,目前我国的太阳能热水器多为家用的小型太阳能热水器,不能够集中管理和控制。

  为解决这些问题,设计了一种基于plc的集热式太阳能热水器,可对多个用户集中供水,全天候提供水温稳定的热水,操作简单,经济效益高。plc采用西门子s7-200系列进行控制操作。配合相应的温度、液位和流量传感器及plc的模拟量输入扩展模块实现对集热式太阳能热水器中水温、水位和流量的控制。同时,plc与西门子文本显示器td400集成,实现人机交互界面,对集热式热水器内部的水温和水位进行实时在线显示和设置。

2 集热式太阳能热水器

  2.1 电控工作原理

  集热式太阳能热水器可以对多用户提供热水,且供水量大、供热水效率高,目前广泛应用于需大量供热水的事业单位等部门。该系统是与建筑有机结合、全天候的太阳能热水器。其安装在建筑的屋顶之上,不占用建筑内部空间,使用起来简单方便,如图1所示。

  由图1可知,该集热式太阳能热水器主要由太阳能集热板、水箱、电磁阀、水泵、温度传感器、液位传感器、电伴热带、电加热器、电磁流量计和控制柜等部分构成。该系统的控制原理为:

图1 集热式太阳能热水器系统框图

  (1)当集热式阵列中的水温度高于1#水箱的水温5度时,1#水泵启动,将热水从太阳能集热板阵列排入1#水箱,同时1#水箱内的水送入太阳能集热板阵列,实现热水的循环。两者温度相等时水泵停止。

  (2) 当1#水箱中的水量不足设定的最低限时,1#电磁阀打开,使自来水进入1#水箱,补充水量到设定的最高限为止。



  (3) 当用户端水温低于50度时,3#水泵启动,达到55度时关闭。

  (4) 当2#水箱的水位低于最低限时,2#水泵启动,同时2#电磁阀打开,以1#水箱中的水作补充,达到设定水位上限为止。

  (5) 2#水箱水温低于50度且2个水箱水位高于设定的最低加热水位时,加热器开,达到55度时关。

  (6) 当1#水箱水温高于70度时,开2#水泵,2#电磁阀和3#电磁阀,使两个水箱的水进行循环,两个水箱水温相等时停止循环。

  (7) 当流量计的流量高于设定值时,3#水泵启动。

  (8) 当管道温度低于下限时,开伴热带同时还要开1#水泵,循环一定时间。

  (9) 当控制柜内温度高于设定的风扇启动温度,风扇启动,低于设定温度时关闭。

  2.2 电控系统硬件

  集热式太阳能热水器的控制系统如图2所示。它由决策机构、测量感知机构和执行机构三部分构成,其中决策单元是控制系统的核心。

图2 集热式太阳能控制系统原理图

  (1) 控制中心

  西门子s7-200系列plc是优秀的小型模块化可编程控制器[1]。plc应用工程首先要合理的选择系统配置,这对于提高plc在控制系统中的应用有重要的作用。根据系统的运行原理,经过计算统计,该系统的控制点数为:模拟量输入7个,数字量输入7个,数字量输出9个。根据系统的控制点数和余量,本系统采用西门子s7-200系列中的cpu224作为控制核心单元,它本身所拥有的数字输入输出口数量能够满足本系统的设计需要,而且有少量剩余,可用于以后的扩展或改造。模拟量输入扩展模块采用em231,它是4输入12位的模拟量输入模块。本系统共有7个模拟量输入,所以需要扩展2个em231。另外,采用文本编辑器td400与cpu224相连,共同示组成一个具有实时操作显功能的自动监控系统。td400是一个能显示两行或四行的文本显示设备,为背光液晶显示,有较好的分辨率,可由s7-200cpu获得供电,或者由单独电源供电。td400的主要作用是设置系统的各项控制参数,包括各个部分的温度上限值和下限值,水箱水位的上限值和下限值等,同时可以对各个部分的水温和水位及各个执行器的运行情况进行实时监控。

  主控中心主要功能为:对由模拟量输入模块采集的数据进行处理,根据用户设定的各项参数和系统控制原理,作出控制决策。

  (2) 测量感知机构

  测量感知机构包括温度传感器、液位传感器和电磁流量计。温度传感器采用pt100铂热电阻,输出为4~20毫安电流,量程为0~100摄氏度。温度传感器的作用是实时采集太阳能集热板、水箱、输水管路和用户端的水温,决策机构将根据这些数据来对相应的执行机构进行控制,达到系统温度参数的设定要求。液位传感器用于实时采集两个水箱中的水位,决策机构根据水位参数的设定要求来对相应的控制器进行控制。电磁流量计用于检测用户端管道内的水流量,根据流量的大小,决策机构就可以判断用户端用水量的多少,从而控制执行器增加或减少热水的供应量。所有的传感器均采用三线式接线方式。

  (3) 外部执行机构

  本系统的外部执行机构包括3个水泵、3个电磁阀、排热风扇和电伴热带。水泵用于对管路和水箱中的热水进行循环,电磁阀用于控制管路内水流的通断,排热风扇可以将控制柜内较高的空气排到柜外,电伴热带用于防止管路在冬天上冻结冰。另外,系统还有一个急停按钮,按下急停按钮,会切断执行器的供电,使系统停止运行。所有的执行机构都是在控制机构的统一控制下协调工作,使系统能够正常稳定的进行工作。控制柜为立方体形,高度为180厘米,安装有两层门,内层门上安有上电指示灯、手自动开关、启动按钮、停止按钮、急停按钮和文本显示器td400。

3 plc软件编程

  控制系统的软件编程是在西门子公司提供的step7 microwin v4.0plc编程软件下进行的,它可以对s7-200的所有功能进行编程。该软件在windows平台下运行,其基本功能是协助用户完成应用软件任务。该系统的软件程序使用梯形图进行编程,采用结构化编程方式,主要包括出场参数设置、量程转换、自动和手动子程序。结构化编程方法具有程序结构清晰、通用性强、可读性强和方便修改等优点[4]。系统主程序如图3所示,程序其他部分省略。

图3 系统主程序


  在出厂参数子程序中设置了系统默认的一些参数,包括水箱内水位的上下限,水温的上下限、用户端的水温、伴热带启动的管道温度、电磁流量计的流量设定、水箱水位的量程和水温的量程等。这些参数是在系统初始上电运行时的默认值,用户可通过td400进行参数的修改。手动子程序是用于对系统进行调试时使用的,在子程序中,定义了td400的9个按键f1~f8和shift+f1,对应9个执行器。在手动模式下,按下按键,相应的执行器就会运行。自动子程序是按照系统的工作原理进行编写,由决策单元对采集到的模拟量进行判断,作出决策。



  温度传感器、液位传感器电磁流量计采集到的信号是4~20ma的电流信号,通过模拟量输入模块em231的a/d转换,变成范围0~32000的数字量。而转换来的这一数字量也不能直观的反映现场的温度、液位和流量的实际值,所以需要进行量程的转换。量程的转换的公式为:

  其中,di为a/d转换来的数字量,6400为传感器输出电流为4ma时对应的数字量。温度的量程为0~100摄氏度,水位的量程可根据水箱的尺寸由用户自己设定,程序中给出了一个缺省的量程,电磁流量计的量程也可由用户根据产品的说明来设定。所以实际值为:

  系统人机交互界面采用的是文本显示器td400,其编程工作也是在西门子的编程软件下进行。通过编程软件菜单工具文本显示向导可以对td400进行配置,设置用户菜单和报警信息。本系统有工艺参数设定、量程设定和状态显示三个用户菜单。在工艺参数设定菜单下可以对出厂参数进行修改,在量程设定菜单下可以进行量程的修改,状态显示菜单则用于显示各执行器的运行情况,当某一执行器的状态为1时,说明此执行器正在运行,为0说明此执行器没有运行。按照向导完成td400的设置后,会自动生成一个数据块,其中包含了td400配置和所有用户定义的信息。

4 结束语

  本文作者创新点:本文根据用户的实际需要设计了一种新型的基于西门子s7-200系列plc的集热式太阳能热水器,该系统解决了传统太阳能热水器的一些缺点,真正实现了全年全天候供水,水温与流量稳定,并可通过文本显示器td400进行参数设定,操作简便。该设计将太阳能与电能结合使用,大大节省了电能,长期使用将会有很可观的经济效益,值得推广使用。

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