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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。

SIEMENS 上海邑斯自动化科技有限公司

我公司经营西门子全新原装现货PLC；S7-200S7-300 S7-400 S7-1200 触摸屏，变频器，6FC，6SNS120 V10 V60 V80伺服数控备件：原装进口电机（1LA7、1LG4、1LA9、1LE1），国产电机（1LG0，1LE0）大型电机（1LA8，1LA4，1PQ8）伺服电机（1PH，1PM，1FT，1FK，1FS）西门子保内全新原装产品‘质保一年。一年内因产品质量问题免费更换新产品；不收取任何费。欢迎致电咨询。

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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Z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Z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Z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Z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ZX



  西门子s7-200系列plc是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ZX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。

 火力发电厂的锅炉给水泵，需要根据机组负荷的改变来调节给水压力和给水量。在几种调节方式中，因改变给水泵转速来调节流量具有明显的节能效果而被广泛采用。对于大容量机组的锅炉给水泵，通常以异步电动机为动力，几乎都是通过安装液力偶合器进行机械调速，并且这种调速方法具有空载起动电动机的良好作用［1］。

  液力偶合器属于电厂辅助设备，目前大多数都是采用分散仪表监控，有的甚至脱控运行，亟待运用测控新技术，对其运行状态参数进行自动监测和控制。西门子S7一200PLC是一个非常好的选择，它性价比高、系统组装和构建网络非常灵活、而且具有PID调节指令功能，编程和调试非常方便，因此，基于西门子PLC的控制系统将极大地提高整机运行的可靠性和经济性。

1 调速原理

  液力偶合器安装于异步电动机和给水泵之间，它是一种利用液体通过泵轮和涡轮来传递功率的传动装置，主要由泵轮、涡轮、旋转外壳和勺管等部件组成，如图1.1所示。工作时，输入轴从电动机处获得能量，通过中间轴，泵轮将机械能转变为工作腔内的液体动能，推动涡轮转动，再变成机械能传给输出轴，带动锅炉给水泵工作。

  

  为适应机组工况的变化要求，在电动机转速恒定的情况下，调节勺管的开度，可改变偶合器工作腔里的充液量，不同的充液量可以得到不同的输出特性，因此，通过连续改变充液量既可实现输出轴的无级调速。

  调速机构中的勺管，由电动执行器通过简单的机械机构驱动。电动执行器接受标准电流信号，将其转换成相应的转角输出，因此，调节转速实际上是调节控制系统的输出模拟量信号，西门子S7一200PLC满足这一主要功能要求。

2 测控对象

  1）转速调节系统

  该系统主要的测控对象是液力偶合器输出轴的转速。调速原理如图2.1所示，利用液位变送器，将反应锅炉水位的模拟量信号送给控制系统，同时利用测速变送器，将输出轴转速也反馈给控制系统，依据设定的PID控制算法计算后输出电流信号，电动执行器将之转换成相应的输出转角，通过调节机构驱动勺管移动，其开度对应锅炉水位要求的泵轮转速。

  

  2）工作油系统

  液力偶合器工作腔内介质油的工作温度为60°～70°C，油温高虽然有利于能量的传递，但过高反而有害无益，因此要限制工作油温度范围为35～100°C，采用铂电阻温度传感器，当油温高于110°C时报警，当油温高于130°C时停止主电机运行。另外在工作油冷却器入口和出口分别设置温度传感器，将入口油温度控制在60～100°C，将出口油度温控制在35～75°C。

3）润滑油系统

  高转速、大功率液力偶合器带有滑动轴承，其润滑油系统独立于工作油系统，因此在输入轴、中间轴、输出轴等处设置6个铂电阻温度传感器，测量滑动轴承温度，避免温度过高使润滑性能变差，烧坏轴瓦。限定润滑油温度范围在35～85°C，当油温高于90°C时报警，当油温高于95°C时停止主机运行。另外在润滑油冷却器入口和出口分别设置温度传感器，将入口油温度控制在45～65°C，将出口油温度控制在35～55°C。

  为防止压力过低供油不足而造成润滑情况恶劣，限定润滑油压力范围在0.2～0.3Mpa，监测母管油压，当油压低于0.1Mpa时报警，并且启动辅助油泵，低于0.05Mpa则必须停止主电机运行。另外还要限定滤油器进出口压力差不超过0.6Mpa 。

3 硬件组成

  反映系统状态的主要参数是水位、转速、油温、油压等物理量，选用各类变送器转换为4～20mA的标准电流信号，共计14路模拟量;各电机、阀门、报警指示灯等开关量输入输出共30点，因此系统的配置不甚复杂。采用西门子S7一200系列小型机控制，一旦发生故障影响面小、容易查找。

  首先选用CPU226模块，具有24点输出/16点输入，可连接7个扩展模块，提供1000mA的总线电流，并且具有32位浮点运算功能和内置集成的PID调节运算指令，非常适合液力偶合器调速的锅炉供水系统。

  其次扩展EM231模拟量输入模块（4路模拟量输入，消耗DC5V电流为10mA）3块;扩展EM235模拟量输入输出模块（4路模拟量输入/1路模拟量输出，消耗DC5V电流为10mA）1块，通过DIP开关进行设置，输入输出端口时能够自动完成A/D和D/A的转换，即标准电流信号与一个字长（16bit）的数字信号的自动转换。系统总扩展模块数为4，CPU226的电源能满足所有扩展模块消耗DC5V总线电流的能力。

  另外，CPU226本机集成了两个通讯口，其中一个使用 MPI协议，使液力偶合器作为从站，完成其控制系统与主站的通讯;另一个用于TP070显示器接口，作为本机系统的显示界面［2］。

4 控制程序

  控制程序采用主程序、子程序以及中断程序来编写。主程序完成电机、油泵启停等开关量逻辑控制以及温度、压力等主要模拟量监控和报警;子程序SBRO～SBR11传递工作油温控制参数、润滑油温度、压力、压差控制参数;主程序允许定时中断，进入中断服务程序执行含有PID指令的一段程序，对输出轴进行调速控制。

  1）主程序

  为了保证液力偶合器正常工作，控制系统必须满足严格的的启动、运行和停止条件。既开机顺序为先启动辅助润滑油泵、开冷却水闸，再启动主电机;停机顺序为先停主电机，再停润滑油泵、关闭冷却水闸;运行工作条件为勺管调速构控制功能正常、油温和油压监测系统正常等［3］。 系统主程序流程如图4.1所示。

  

2）数字PID控制程序

  根据液力偶合器的结构特性可知，机械-液力传动系统惯性较大，输出轴速度调节响应有一定的滞后性。正可运用S7-200PLC中的PID控制子程序，与EM235模拟量输入输出模块一起，提高系统的速度调节响应，改善系统的动态特性［4］。

  PID控制器的设计是以连续的PID控制规律为基础的，sp（t）是依据锅炉水位确定的输出轴给定速度值， pv（t）为输出轴速度反馈量，e（t）=sp（t）-pv（t）为误差信号， c（t）为系统的输出量。PID控制算法的输出量如下式所示：

  

  Mintal为输出的初始值，Kc为系统比例系数， Ti， Td为PID的积分、微分时间。

  输出轴转速的PID闭环控制系统如图4.2所示，将上式数字化，写成离散形式的PID方程，则程序中实际的PID算式如下式所示：

  

  

  上式中共包含九个参数，存储在36字节的PID回路参数表内，见表4.1。CPU226提供的PID回路指令， 其操作就取决于这九个参数，必须指定内存区内该参数表的首地址。在应用于PID指令之前，需要将参数转换为标准化的浮点数表示形式，转换的一步是把实际值从16位整数数值转换为浮点数数值，第二步是将转换后的浮点数再转换成位于0.0～1.0之间的标准化数值。

  表4.1 PID回路参数表

  

  由于机械-液力传动系统惯性较大，本系统仅采用比例和积分控制，100毫秒中断一次，做PID计算，通过工程计算初步确定其增益和时间常数为Kc =2.5、Ti =60s、Td=0s、Ts=0.1s，进一步计算后可达到优控制效果。

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