燃氣熱水器控制器設計

1、摘 要 目前，節(jié)能減排作為環(huán)保的一大主題，在日常生活中，人們都希望在盡可 能的減少支出的同時也能降低對環(huán)境的污染。以前，大部分中小型賓館都是使 用鍋爐加熱，這種方法不僅耗時，其排放的氣體對環(huán)境還造成很大的破壞。 70 年代中期以后，PLC 已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出 模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時的 PLC 已不再是僅有邏輯(Logic)判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID 調節(jié)和數(shù)據(jù)通 信功能。 本文詳細的介紹了 PLC 控制方案在燃氣熱水系統(tǒng)中的應用，以清潔能源天 然氣作為燃料，通過 PLC 的控制，實現(xiàn)了燃氣熱水系統(tǒng)的自動化。同時，將壽

2、命均衡控制運用到本系統(tǒng)中，增加了泵的使用壽命。 關鍵詞：燃氣熱水系統(tǒng) PLC 壽命均衡控制 Abstract At present, the energy conservation and emission reduction as a major theme of environmental protection, in daily life, people are hoping to reduce spending as much as possible of also can reduce pollution to the environment. Previously, most of

3、 the small and medium-sized hotels are using the boiler heating, this method not only, time-consuming, and its emissions of gases on the environment also caused great destruction. Since the mid 70 s, PLC already widely used microprocessors as the central processor, input/output module and peripheral

4、 circuit are adopted, and large-scale even in large scale integrated circuit, then the PLC is no longer only Logic (Logic) to judge functions, but also at the same time a data processing, PID regulation and data communication function. This article detailed the PLC control scheme of shaoxing in gas

5、hot water system, the application of natural gas as fuel to clean energy, through the PLC control, realized the automation of gas hot water system. At the same time, will life balance control applied to the system, and increase the service life of the pump. Keywords: Gas hot water system PLC Life ba

6、lance control 目目 錄錄 摘 要.I ABSTRACT.II 第一章 概述.1 1.1 課題背景.1 1.2 燃氣熱水系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀.1 1.3 設計的基本要求.4 第二章 總體方案的設計.5 2.1 能源方案.5 2.2 控制方案.5 2.3 水系統(tǒng)方案.6 2.3.1 水箱的選型.7 2.3.2 燃氣熱水器的選型.8 2.3.3 水泵的選型.10 2.3.4 閥的選型.13 2.4電器控制系統(tǒng)方案設計.17 2.4.1 水位繼電器的選擇.17 2.4.2 溫度儀表的選擇.19 第三章 PLC 控制系統(tǒng)方案設計 .21 3.1 PLC 的選擇.21 3.2 系統(tǒng)軟件需求分析.22

7、 3.3 PLC 編程.23 結 論.26 參考文獻.27 附 錄.28 附錄 1 設備清單.28 附錄 2 具體使用說明.29 致 謝.34 第一章 概述 1.1 課題背景 目前，在各大城市的中小型賓館中，其使用的熱水系統(tǒng)的加熱方式主要有 燃氣加熱，太陽能加熱，電加熱和鍋爐加熱等，由于要做到使用者即開即熱， 這些加熱裝置大部分時間都處于工作狀態(tài)，而鍋爐加熱，不但污染嚴重而且浪 費煤資源嚴重，逐漸在被淘汰，太陽能作為一種清潔的能源，已經廣泛的使用 在人們的日常生活中，但是受到天氣因素的限制，在賓館中常常需要電加熱來 聯(lián)合使用，往往給賓館帶來了更多的支出，隨著西氣東輸工程的大力發(fā)展，不 僅給西部

8、帶來了經濟利益與發(fā)展，同時也給東部的人民帶來了生活上的便利， 燃氣熱水器不僅方便，快捷，更主要的是它節(jié)約資源，同時對壞境也沒有破壞。 若在賓館的每個房間中都裝置一個燃氣熱水器，對中小型賓館來說顯然是一筆 不菲的開支。如果能實現(xiàn)燃氣熱水器的集成化和自動化，勢必會給人們帶來方 便和經濟效益。PLC 一經出現(xiàn)，由于它的自動化程度高、可靠性好、設計周期 短、使用和維護簡便等獨特優(yōu)點，備受國內外工程技術人員和工業(yè)界廠商的極 大關注。 1.2 燃氣熱水系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 隨著我國人民生活水平的不斷提高,特別是城鎮(zhèn)燃氣事業(yè)的飛速發(fā)展,近年 來家用燃氣快速熱水器便迅速走進千家萬戶。由于熱水器用戶日益增多,于是燃 氣

9、快速熱水器的生產便成為一個新的社會行業(yè),越來越多的生產廠家出現(xiàn)在祖國 各地。目前全國熱水器廠家有 160 多家,年產量達 500 多萬臺,產品有 4、5、6、615、81/ min 等。排氣方式有直排式的,也有煙道式和平衡式的。水 閥控制型式有前制式的,但更多的為后制式。在自動點火、自動控制及安全使用 等方面亦發(fā)展迅速。產品正向著大容量、多功能、高效、安全、全自動方向發(fā) 展。 (1).容量、多功能 以前人們購買熱水器,目的是為了洗澡,即淋浴和盆浴。然而,隨著人們生活 水平的不斷提高,人們對熱水的需求量越來越多,不僅洗澡用,而且還要洗涮餐具、 洗菜、洗臉刷牙、在有些地方甚至還要取暖。由于快速熱水

10、器具有熱效率高、 使用方便快速等特點,因而在人們生活節(jié)湊不斷加快的今天,使用熱水器提供這 些熱水和熱源具有明顯的優(yōu)越性。故兼有淋浴、盆浴、洗涮、取暖于一體的多 功能家用快速熱水器必將越來越受到人們的青睞。目前,日本、法國、德國等生 產的熱水器多數(shù)具有這種特點。人們用熱量的增多及用熱水的多樣化,使得熱水 器向大容量方向發(fā)展,這僅是一個方面的原因。第二個原因:在南方冬季沒有取 暖設備,衛(wèi)生間較冷,由于墻壁的吸熱作用(即冷壁效應) ,即使熱水器的出口水 溫高達 45 左右,人們淋浴時亦普遍感覺較冷而易導致感冒。為了克服這種負 作用,就需加大熱水器的額定出水量,或采用高溫升熱水器。第三,在冬季,熱水

11、器的入口水溫一般較低,時常會出現(xiàn)低于 10 (遠低于 1520 的標準入口水 溫) 的情況,這樣在額定熱負荷時,若保證額定出水量,則出口水溫僅能達到 35 左右,低于人們的體溫,根本不能淋浴;如果保證 4045 的出口水溫,則出 水量將大大降低,亦無法滿足淋浴要求,例如 51/ min 的熱水器此時出水量僅為 3161/ min ,因此,要保證在高溫升時仍有較大出水量,必須向大容量方面發(fā)展。 在國際上,德國大量生產的是 8、10 、131/ min 的家用熱水器(如 Vaillant 威 能牌) ;法國 FRISQUET 公司生產的熱水器為 9、11 、13 、15 、19 、211/ min

12、 (在 t = 30 的高溫升的情況下) ;日本生產的熱水器絕大多數(shù)為 8、10 、12 、16 、20 、241/ min。在國內,沈樂滿、勝多、水仙、申花、吉帝等生 產的有 81/ min 的家用快速熱水器,頗受用戶歡迎。 (2).強化燃燒和強化傳熱 目前家用燃氣快速熱水器多采用大氣式燃燒器,它與擴散式燃燒器相比具有 強化燃燒、火焰短、火焰溫度高、燃燒完全等優(yōu)點。但是當熱水器向大容量方 面發(fā)展時,若仍采用大氣式燃燒器,則熱水器燃燒室就顯得過于龐大,阻礙了其向 大容量發(fā)展。 近年來,日本在向大容量熱水器邁進時,采用了鼓風式燃燒器,其大大強化了 燃燒,明顯縮小了熱水器的體積。如日本 GASTA

13、R 有限公司生產的 OURB - 1600Z2 型 101/ min 快速熱水器的外型尺寸為高 590 寬 350 厚 100mm ,明 顯低于國內生產的 81/ min 的快速熱水器(如申花牌 81/ min ,其外型尺寸為高 725 寬 350 厚 255mm) 。另一方面,強化傳熱在縮小熱水器體積方面起著舉 足輕重的作用。大家知道,燃氣熱水器 80 %左右的熱量是靠翅片換熱器吸收的。 隨著熱水器容量的增大,翅片換熱器的體積亦越來越大,因而采用高傳熱系數(shù)的 強化翅片將在提高換熱器較率、減輕換熱器重量,縮小換熱器體積方面起著重要 作用。 目前國內熱水器的翅片換熱器均采用板式翅片。由于煙氣通過

14、翅片時的流速很 低( 1m/ s) ,雷諾數(shù)較小,一般為 500 左右,所以煙氣通過翅片換熱器時處于 層流狀態(tài)。這樣沿著煙氣流動方面在翅片上形成的層流邊界層厚度會逐漸加厚, 該層的傳熱僅有導熱,因而隨著邊界層厚度的增大,熱阻也逐漸增大。故在翅片 后半部傳熱效果較差。為了提高翅片的傳熱系數(shù),必須想辦法阻止層流邊界層的 形成和發(fā)展,增加氣流擾動,使煙氣流動形式向過渡區(qū)或者紊流區(qū)過渡。當然這 樣做是有限度的,因為擾動越強烈,流動阻力也越大,所以研制在阻力增加不大的 情況下( 30 %60 %) 的翅片換熱器意義非 常大。 在日本,三國集團的熱水器采用了槽帶翅片,其擾動氣流、阻止邊界層發(fā)展的作 用比穿

15、孔翅片大,但其工藝復雜,熱水器運行時流動阻力較大,對一次空氣和二次 空氣的引入產生一定的負作用。 為此,日本 GASTAR 有限公司采用強制鼓風燃燒器取代引射式大氣燃燒器, 既強化了燃燒,又可增大氣流速度,增加氣流擾動,使燃燒室和換熱器同時大大縮 小,具有較大的經濟性。國內產品中,據(jù)我們所知,只有“吉帝”牌中臺合資的 81/ min 全自動燃氣熱水器采用了穿孔翅片換熱器,其熱較率高達 85 %以上。 (3).安全清潔 對于直排式燃氣快速熱水器來說,所需氧氣取自室內,燃燒后產生的煙氣又 排放在室內,當熱水器負荷較大時,單位時間內所需空氣量很多,排放的煙量亦很 大,故若室內通風不良,不僅污染室內環(huán)

16、境,而且極易發(fā)生 CO 中毒事件。目前大 于 61/min 的熱水器基本上均采用煙道式或平衡式的換氣方式,使燃燒產生的廢 氣全部排出室外,因而避免了煤氣中毒發(fā)生。尤其是平衡式家用快速熱水器,它 不僅使燃燒產生的煙氣全部排出室外,而且燃燒所需空氣也全部取自室外,整個 燃燒系統(tǒng)與室內隔開,因而基本上可以杜絕煤氣中毒、爆炸等事故,非常安全可 靠。同時絲毫不用室內的空氣,可以保持室內有充足的氧氣,保持室內空氣的新 鮮和清潔。在日本,他們生產了許多直接安裝在室外或陽臺天井上的燃氣快速熱 水器,這無疑更為安全和清潔。 (4).采用先進的電腦自動控制系統(tǒng),并運用紅外遙控技術。 在這方面日本走在世界的最前列。

17、例如日本 GASTAR 有限公司生產的燃氣 快速熱水器,可以自動設定水溫,浴盆水位,予定運行時間和啟動時刻,自動切換 功能等。附帶遙控器兩只,可任意裝在浴室內,廚房里及其他操作方便的地方,做 到隨時可以開關及調節(jié)水溫,使用非常方便。 (5).帶有各種安全保護裝置 如熄火保護裝置,水氣聯(lián)動閥,過熱保護裝置,防凍裝置、安全壓力閥、沸騰 防止裝置等,因此使用非常安全可靠?？傊?隨著人民生活水平的明顯提高,人們 對燃氣快速熱水器的需求量會越來越多。大容量、多功能、高效、安全、全自 動的燃氣熱水器將越來越受到人們的歡迎。我國熱水器生產廠家雖然不少,但總 起來看產品還比較單一,容量小,花樣少,檔次較低,人

18、員素質需進一步提高,售后 服務還需加強。我們在走先引進、再逐步消化吸收的道路時,應注意加快培養(yǎng)一 批自己的高素質的產品開發(fā)隊伍。 1.3 設計的基本要求 中小型中央熱水控制系統(tǒng)功能要求： （1）熱水溫度控制范圍 6580； （2）保溫水箱水位控制范圍 1.52 米； （3）水壓控制范圍 0.30.4MPa； （4）燃氣熱水器連續(xù)加熱時間不大于 45 分鐘； （5）回水溫度控制范圍為 2535。 設計任務如下： （1）實現(xiàn)中央熱水系統(tǒng)控制功能要求，完成熱水系統(tǒng)的總體設計及計算； （2）完成 PLC 控制方案設計； （3）完成 PLC 電氣控制系統(tǒng)接線圖設計； （4）完成 4 張 A1 號圖幅水系

19、統(tǒng)圖、PLC 控制系統(tǒng)原理圖、電氣系統(tǒng)接線 圖。 第二章 總體方案的設計 2.1 能源方案 目前，我們常見的熱源主要有：（1） 、燃氣熱水器。 （2） 、電加熱。 （3） 、 清潔能源。如，空氣源、太陽能和地熱。 常用的組合方式有：（1） 、太陽能+燃氣。 （2） 、空氣源+燃氣。 （3） 、空氣 源+電輔.（4） 、空氣源+太陽能+電輔 由于是在中小型賓館中使用，要能夠保證即開即熱，電加熱只能作為輔助 能源，而太陽能在低溫和陰雨天氣吸熱不夠，不能將水加熱到使用的溫度，故 選擇燃氣熱水器最佳。 2.2 控制方案 我們所用到的控制方案有兩種：一是 PLC 控制，二是繼電器控制。這兩種 控制方式的

20、區(qū)別在于： （1）控制方式 繼電器的控制是采用硬件接線實現(xiàn)的，是利用繼電器機械觸電的串聯(lián)或者 并聯(lián)及延時繼電器的之后動作等組合形成控制邏輯，只能完成既定的邏輯控制。 PLC 采用存儲邏輯，其控制邏輯是一程序方式存儲在內存中的，要改變控 制邏輯，只需要改變程序即可，稱軟接線。 （2）速度控制 繼電器控制邏輯是依靠觸電的機械動作實現(xiàn)控制，工作頻率底，毫秒級、 機械觸電有抖動現(xiàn)象。 PLC 是程序指令控制半導體電路實現(xiàn)控制，速度快，微秒級，嚴格同步， 無抖動。 （3）延時控制 繼電器控制系統(tǒng)是靠時間繼電器的滯后動作實現(xiàn)延時控制，而時間繼電器 定時精度不高，受環(huán)境影響大，調整時間困難 PLC 是利用半

21、導體集成電路定時器，始終脈沖由晶體振蕩器產生，精度高， 調整時間方便，不受環(huán)境影響。 plc 控制電路相對于繼電器控制電路的優(yōu)點 （1）控制方式上看：電器控制硬接線，邏輯一旦確定，要改變邏輯或增加 功能很是困難；而 plc 軟接線，只需改變控制程序就可輕易改變邏輯或增加功 能。 （2）工作方式上看：電器控制并行工作，而 plc 串行工作，不受制約。 （3）控制速度上看：電器控制速度慢，觸點易抖動；而 plc 通過半導體來 控制，速度很快，無觸點，顧而無抖動一說。 （4）定時、記數(shù)看：電器控制定時精度不高，容易受環(huán)境溫度變化影響， 且無記數(shù)功能；plc 時鐘脈沖由晶振產生，精度高，定時范圍寬；有

22、記數(shù)功能。 （5）可靠、維護看：電器控制觸點多，會產生機械磨損和電弧燒傷，接線 也多，可靠、維護性能差；plc 無觸點，壽命長，且有自我診斷功能，對程序 執(zhí)行的監(jiān)控功能，現(xiàn)場調試和維護方便。 綜合因素考慮，選用 PLC 控制方案。 系統(tǒng)結構框圖如 2-1 所示。 圖 2-1 系統(tǒng)結構框圖 2.3 水系統(tǒng)方案 圖 2-2 為設計的水系統(tǒng)圖，該水系統(tǒng)由保溫水箱、供水泵、補水閥、補熱 閥、單向閥、截止閥、熱力膨脹式恒溫閥、燃氣熱水器組成。 圖 2-2 水系統(tǒng)圖 2.3.1 水箱的選型 水箱有效容積和公稱容積: 水箱有效容積一般采用調節(jié)水量確定,其值應按最高日水箱進水量和用水出 水量的逐時流量變化曲線

23、求得。當缺少資料時一般可按最高日用水量的 10%左 右計算。當給水系統(tǒng)為水泵和水箱方式時,如水泵為自動控制,水箱的有效容積 可取最高日用水量的 5%; 如為人工控制, 則取最高日用水量的 12% 。當水箱負 有消防的儲備水功能時,則有效容積還應包括按現(xiàn)行有關建筑設計防火規(guī)范確定 的水量。水箱公稱容積為箱體的總容積。為確保水箱有效容積和盡可能縮小水 箱公稱容積,在設計選用水箱時設計者必須根據(jù)水箱的液位控制方式、溢流管位 置、出水管位置及最低水位時管口淹沒情況、箱底排水坡度和泄水管位置等情 況來計算確定水箱公稱容積。 根據(jù)使用標準，每人一天平均用水 4050L，中小型賓館約有 30100 個 床位

24、。當賓館人滿的時候一天用水量為： Q=50*100=5000L=5T 因此可選保溫水箱的有效容積為 5T ，基本尺寸見圖 2-3。 圖 2-3 水箱尺寸圖 2.3.2 燃氣熱水器的選型 由于是用在賓館中，對燃氣熱水器的功能沒有太多的要求，只需要其熱水 產率相比家庭用的大，故可選用熱水產率為 16L/min 的燃氣熱水器，同時保證 其額定熱負荷在 30MJ/h 以上，綜合各方面因素考慮，選用熱水器型號為：萬和 JSQ32-16P3。見圖 2-4。 規(guī)定每個熱水器連續(xù)加熱的時間不能超過 45 分鐘，在 45 分鐘內一個熱水 器可加熱 16*45=720L 的水，加熱 5T 的水需要 5000%72

25、0=7，考慮熱水器可能出 現(xiàn)故障的因素，應使用燃氣熱水器的個數(shù)為 8 個。 圖 2-4 萬和 JSQ32-16P3 萬和 JSQ32-16P3 詳細參數(shù) 技術參數(shù) 系列名稱：V10 非常節(jié)能糾錯 額定熱負荷：32MJ/h 糾錯 熱水產率：16 升/分糾錯 適用水壓：0.02-1.0Mpa 糾錯 啟動水壓：0.02MPa 糾錯 電源規(guī)格：220V/50Hz 2.3.3 水泵的選型 一 、 泵選型原則 （1）使所選泵的型式和性能符合裝置流量、揚程、壓力、溫度、汽蝕流量、 吸程等工藝參數(shù)的要求。 （2）機械方面可靠性高、噪聲低、振動小 （3）經濟上要綜合考慮到設備費、運轉費、維修費和管理費的總成本最

26、低。 （4）離心泵具有轉速高、體積小、重量輕、效率高、流量大、結構簡單、 輸液無脈動、性能平穩(wěn)、容易操作和維修方便等特點。 二、泵的選型依據(jù) 泵選型依據(jù)，應根據(jù)工藝流程，給排水要求，從五個方面加以考慮，既液 體輸送量、裝置揚程、液體性質、管路布置以及操作運轉條件等 （1）流量是選泵的重要性能數(shù)據(jù)之一，它直接關系到整個裝置的的生產能 力和輸送能力。 如設計院工藝設計中能算出泵正常、最小、最大三種流量。選 擇泵時，以最大流量為依據(jù)，兼顧正常流量，在沒有最大流量時，通常可取正 常流量的 1.1 倍作為最大流量。 （2）裝置系統(tǒng)所需的揚程是選泵的又一重要性能數(shù)據(jù)，一般要用放大 5%10%余量后揚程來選

27、型。 （3）液體性質，包括液體介質名稱，物理性質，化學性質和其它性質，物 理性質有溫度 c 密度 d，粘度 u，介質中固體顆粒直徑和氣體的含量等，這涉及 到系統(tǒng)的揚程，有效氣蝕余量計算和合適泵的類型：化學性質，主要指液體介 質的化學腐蝕性和毒性，是選用泵材料和選用那一種軸封型式的重要依據(jù)。 （4） 裝置系統(tǒng)的管路布置條件指的是送液高度送液距離送液走向，吸如 側最低液面，排出側最高液面等一些數(shù)據(jù)和管道規(guī)格及其長度、材料、管件規(guī) 格、數(shù)量等，以便進行系梳揚程計算和汽蝕余量的校核。 （5） 操作條件的內容很多，如液體的操作 T 飽和蒸汽力 P、吸入側壓力 PS（絕對） 、排出側容器壓力 PZ、海拔高

28、度、環(huán)境溫度操作是間隙的還是連續(xù) 的、泵的位置是固定的還是可移的。 根據(jù)以上的說明，我們應選擇的供水泵的相關參數(shù)計算為： 假設在某一時間段有 1/4 的人用水，則水泵的流量為： Q=100*1/4*8L/min*60%1000=12 m3/h。 一般中小型賓館的樓層數(shù)為 2-5 層。故水泵的揚程為： H=5*3*2=30m。 查格蘭富水泵的選型表，選擇水泵為 CM 10-2。 由于要設計到壽命均衡，故選擇的泵的個數(shù)為 2 個。 具體的選型見圖 2-5 和圖 2-6，CM 10-2 的尺寸見圖 2-7 和表 2-1。 圖 2-5 CM 泵系列性能范圍 圖 2-6 CM 10 性能范圍 圖 2-7

29、 泵 CM 10 尺寸 表 2-1 CM 10 尺寸參數(shù)表 2.3.4 閥的選型 本設計所用到的閥有：電磁閥、截止閥、單向閥、熱力膨脹式恒溫閥 選擇閥門的步驟和依據(jù)： 選擇步驟 明確閥門在設備或裝置中的用途，確定閥門的工作條件：適用介質、工 作壓力、工作溫度等等。 確定與閥門連接管道的公稱通徑和連接方式：法蘭、螺紋、焊接等。 確定操作閥門的方式：手動、電動、電磁、氣動或液動、電氣聯(lián)動或電 液聯(lián)動等。 根據(jù)管線輸送的介質、工作壓力、工作溫度確定所選閥門的殼體和內件 的材料：灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、碳素鋼、合金鋼、不銹耐酸鋼、銅合 金等。 選擇閥門的種類：閉路閥門、調節(jié)閥門、安全閥門等。 確定

30、閥門的型式：閘閥、截止閥、球閥、蝶閥、節(jié)流閥、安全閥、減壓 閥、蒸汽疏水閥、等。 選擇閥門的依據(jù) 在了解掌握選擇閥門步驟的同時，還應進一步了解選擇閥門的依據(jù)。 所選用閥門的用途、使用工況條件和操縱控制方式。 工作介質的性質：工作壓力、工作溫度、腐蝕性能，是否含有固體顆粒， 介質是否有毒，是否是易燃、易爆介質，介質的黏度等等。 對閥門流體特性的要求：流阻、排放能力、流量特性、密封等級等等。 安裝尺寸和外形尺寸要求：公稱通徑、與管道的連接方式和連接尺寸、 外形尺寸或重量限制等。 對閥門產品的可靠性、使用壽命和電動裝置的防爆性能等的附加要求。 （在選定參數(shù)時應注意：如果閥門要用于控制目的，必須確定如

31、下額外參 數(shù)：操作方法、最大和最小流量要求、正常流動的壓力降、關閉時的壓力降、 閥門的最大和最小進口壓力。 ） 根據(jù)上述選擇閥門的依據(jù)和步驟，合理、正確地選擇閥門時還必須對各種 類型閥門的內部結構進行詳細了解，以便能對優(yōu)先選用的閥門做出正確的抉擇。 管道的最終控制是閥門。閥門啟閉件控制著介質在管道內的流束方式，閥 門流道的形狀使閥門具備一定的流量特性，在選擇管道系統(tǒng)最適合安裝的閥門 時必須考慮到這一點。 根據(jù)以上閥的選型的步驟和依據(jù)， （1）對電磁閥的選擇為：介質都為液體，工作壓力在 0.3-0.4MPa，工作溫度 在 0-80左右。由于連接的水管的規(guī)格為 DN50，故其公稱通徑應該小于 50

32、mm。 因此可選用 OK68 系列電磁閥。個數(shù)為 2。其相關的技術參數(shù)見表 2-2。 表 2-2 OK68 系列參數(shù) （2）對截止閥的選型： 選用嘉興貴龍不銹鋼內螺紋截止閥，見圖 2-8。產品編號：J11W，數(shù)量為 3 個。 圖 2-8 嘉興貴龍不銹鋼內螺紋截止閥 J11W 不銹鋼內螺紋截止閥主要性能規(guī)范表見表 2-3 表 2-3 截止閥主要參數(shù) J11W 不銹鋼內螺紋截止閥主要外形尺寸表見表 2-4。 表 2-4 截止閥外形尺寸表 （3）對單向閥的選型： 選用嘉興貴龍不銹鋼內螺紋單向閥，見圖 2-9，產品編號為：H44H-16P。 數(shù)量為 2 個。 圖 2-9 嘉興貴龍不銹鋼內螺紋單向閥 （

33、4）對熱力膨脹式恒溫閥的選型： 要求回水的溫度為 25-35C，水管管徑為 DN50，選用丹佛斯 TE5-TE55 系 列膨脹閥，數(shù)量為 1 個。見圖 2-10。 圖 2-10 丹佛斯 TE5-TE55 系列膨脹閥 2.4 電器控制系統(tǒng)方案設計 要讓水系統(tǒng)能夠實現(xiàn)自動控制的功能，必須有相應的電器系統(tǒng)對其進行監(jiān) 測和控制，圖 2-11 為電器聯(lián)系圖，在保溫水箱中插入溫度傳感器和水位電極， 通過溫度儀表顯示水箱中水的溫度，電極經水位繼電器接到控制箱，再通過電 磁閥的開關來控制上水和補熱。控制箱中的 PLC 經過設置好的程序可以實現(xiàn)對 泵，補水閥和補熱閥的控制。 圖 2-11 燃氣熱水系統(tǒng)電氣控制接

34、線圖 2.4.1 水位繼電器的選擇 繼電器是根據(jù)某種輸入信號來接通或斷開小電流控制電路，實現(xiàn)遠距離控 和保護的自動控制電器。其輸入量可以是電流、電壓等電量，也可以是溫度、 時間、速度、壓力等非電量，而輸出則是觸頭的動作或者是電路參數(shù)的變化。 繼電器的種類很多，按輸入信號的性質分為：電壓繼電器、電流繼電器、 時間繼電器、溫度繼電器、速度繼電器、壓力繼電器等。按工作原理分為：電 磁式繼電器、感應式繼電器、電動式繼電器、熱繼電器和電子繼電器等。按輸 出形式分為：有觸點和無觸點兩類。按用途分為：控制用和保護用繼電器等。 液位繼電器是控制液面的繼電器。這是一個繼電器內部有電子線路。利用 液體的導電性。當

35、液面達到一定高度時繼電器就會動作切斷電源。液面低于一 定位置時接通電源使水泵工作。達到自動控制的作用。 自動控制由傳感器和控制執(zhí)行機構組成。液位控制器的傳感器一般是導線。 利用水的導電性。水的導電性較差，不能直接驅動繼電器。所以要有電子線路 將電流放大，以推動繼電器工作。繼電器就是執(zhí)行機構。 在本課題的水系統(tǒng)中，采用的是五電極兩繼電器補水，其水位電極連接圖 和繼電器接線圖分別見圖 2-12 和圖 2-13。 7 6 5 6 5 圖 2-12 水位電極連接圖 圖 2-13 水位繼電器接線圖 選用欣靈 HHY7G(JYB-714 供水型)液位繼電器，工作電源： AC24V、220V、380V 工作

36、模式：HHY7G(JYB-714)為供水型，水控距離：100 米，觸電形式：一組 常開常閉觸點，觸電容量：3A AC220V(阻性)，外形尺寸：554192mm，安裝 方式：35mm 導軌式和裝置式，選用的個數(shù)為 2 個。 2.4.2 溫度儀表的選擇 溫控器主要分為兩種，機械式的和電子式的。其中電子式的有帶液晶顯示 （帶液晶顯示的電子式溫控器有些具有可編程功能）和不帶液晶顯示之分。機 械式溫控器，內部是雙金屬片或者金屬膜盒，根據(jù)物體的熱脹冷縮原理，調節(jié) 在設定溫度情況下，對環(huán)境溫度進行加溫或者降溫（看所連接的是加熱器還是 冷卻器） 。電子式的是由熱敏電阻感知所在環(huán)境溫度，通過繼電器控制所連接的

37、 加熱器或冷卻器的工作或停止。 在本課題中，我們所要監(jiān)測的溫度是水箱中水的溫度，控制的范圍在 65- 80，當?shù)陀谶@一溫度時，必須通過補熱電磁閥進行加熱，使水溫達到設定的 溫度，溫控儀表見圖 2-14。其接線圖見 2-15。 圖 2-14 溫控儀表 圖 2-15 溫控儀表接線圖 選用 XMTD-5000 系列智能溫度控制儀，個數(shù)為 1 個。產品說明為： 輸入信號：熱電偶:K、E、J，熱電阻:Pt100、Cu50，測量誤差： (1.0%FS+1 個字)，調節(jié)方式：二位式繼電器觸點通斷控制；斷續(xù) PID 繼電 器觸點通斷控制； 斷續(xù) PID 驅動 SSR 電壓控制；報警方式：上限報警繼電器觸點輸出

38、；下限報警 繼電器觸點輸出；上下限報警繼電器觸點輸出； 基本參數(shù)： 工作電源：AC220V 外形尺寸：7272100mm 開孔尺寸：67+167+1 安裝方式：面板式 第三章 PLC 控制系統(tǒng)方案設計 3.1 PLC 的選擇 PLC 選用 Siemens 的 LOGO!230RC 的 PLC。 LOGO!230RC 可編程控制器能適合自動化工程中的各種應用場合，是一種模 塊化中小型 PLC 系統(tǒng)，多種的性能遞增的 CPU 和豐富的且?guī)в性S多方便功能的 Io 擴展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實際應用選擇合適的模塊。當任務規(guī)模擴 大并且愈加復雜時，可隨時使用附加模塊對 PLC 進行擴展。在國內， LO

39、GO!230RC 以其模塊化、無排風扇結構、易于實現(xiàn)分布、易于用戶掌握等特點， 成為各種控制任務的方便又經濟的解決方案，能滿足從小規(guī)模到中等性能的控 制要求。 LOGO!230RC PLC 由以下幾部分組成： （1）中央處理單元(CPU) 各種 CPU 有各種不同的性能，例如：有的 CPU 上集成有輸入輸出點，有 的 CPU 上集成有 PROFIBUS-DP 通訊接口等。 （2）信號模塊(SM) 用于數(shù)字量和模擬量輸入輸出。 （3） 通訊處理器(CP) 用于連接網絡和點對點連接。 （4） 功能模塊(FM) 用于高速計數(shù)，定位操作(開環(huán)或閉環(huán)控制)和閉環(huán)控制。 LOGO!230RC PLC 具有

40、如下諸多功能： （1）豐富的指令集和功能庫 包含 350 多條指令，包括二進制邏輯、括號指令、結果賦值、存儲、計數(shù)、 裝載、傳輸、比較、移位、循環(huán)、產生補碼、塊調用、跳轉等，還有定點運算 和浮點運算功能，用此功能可以有效地實現(xiàn)更為復雜的算術運算。特別是集成 了很多標準控制功能塊，如 PID，可以實現(xiàn)復雜的過程控制。 （2） 高速的指令處理 0.60.1us 的指令處理時間完全滿足中等到較低的性能要求。 （3） 方便用戶的參數(shù)賦值 只用一個帶標準用戶接口的軟件工具就可給所有模塊進行參數(shù)賦值，節(jié)省 了入門和培訓的費用。 （4）人機界面(HMI) 方便的人機界面服務已經集成在 LOGO!230RC

41、操作系統(tǒng)內，因此人機對話的 編程要求大大減少。 （5）診斷功能 CPU 的智能化的診斷系統(tǒng)能連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤和特 殊系統(tǒng)事件(例如：超時、模塊更換等等)。 （6）口令保護 多級口令保護可以使用戶高度、有效地保護其技術機密，防止未經允許的 復制和修改。 （7）操作方式選擇開關 操作方式選擇開關像鑰匙一樣可以拔出，當鑰匙拔出時，就不能改變操作 方式，可防止非法刪除或改寫用戶程序。 （8）功能強大的通訊技術 Siemens LOGO!230RC CPU 支持執(zhí)行機構和傳感器與 CPU 之間的過程和現(xiàn)場 通訊，以及可編程控制器相互之間的數(shù)據(jù)通訊。 此外，LOGO!230RC 系列

42、PLC 還具有模塊點數(shù)密度高，結構緊湊，性價比高， 性能優(yōu)越，裝卸方便等優(yōu)點。 3.2 系統(tǒng)軟件需求分析 燃氣熱水系統(tǒng)由西門子公司的 LOGO!230RC PLC 作為核心控制器，利用編 程軟件 Logo！ Comfort 6.0 進行系統(tǒng)編程，實現(xiàn)對燃氣熱水系統(tǒng)的控制，達到 設計技術要求，整個控制系統(tǒng)軟件需求如下： （1）整個控制系統(tǒng)分為手動控制和自動控制兩部分。手動控制方式是實現(xiàn) 電機和變頻器的手動啟動；自動控制方式是根據(jù)控制要求、采集的信息來實現(xiàn) 對系統(tǒng)控制要求。 （2）根據(jù)水位傳感器確定水位，當為低水位時，補水電磁閥打開，通過燃 氣熱水器加熱補水，溫控儀表采集的溫度確定水箱內水的溫度，

43、當?shù)陀谛枨蟮?溫度時，補熱電磁閥打開，通過燃氣熱水器將水加熱到可以使用的溫度，在通 過供水泵將水供出去，用 2 泵實現(xiàn)壽命均衡的控制。 指示燈面板見圖 3-1. 圖 3-1 指示燈 3.3 PLC 編程 如圖 3-2，Siemens 的 LOGO!230RC 的 PLC 的接線圖，采用的是八輸入四輸 出，輸入端分別為啟動開關，停止開關，溫控儀表，低水位保護開關，高水位 保護開關，泵的選擇按鈕和工作模式按鈕，輸出端分別為補水閥，補熱閥以及 兩個供水泵。 圖 3-2 PLC 接線圖 采用的編程軟件為 logo!soft comfort v6.0，編制的程序圖見圖 3-3 和圖 3- 4。 圖 3-

44、4 PLC 程序圖 從圖 3-4 PLC 的編程圖可以看出： （1）泵運轉的條件為：啟動開關打開，處于低水位時低水位保護開關打開。 （2）加熱閥打開的條件為：啟動開關打開，溫度未到設定的溫度，上水電 磁閥關閉。 （3）上水電磁閥打開的條件為：啟動開關打開，處于低水位時低水位保護 開關打開。 兩泵壽命均衡控制的編程 在本設計中需要用兩泵來實現(xiàn)壽命均衡的控制，即通過對兩泵交替運行的 控制來增加泵的使用壽命，為了使兩泵運行的時間相同，在編制 PLC 程序時使 用塊運行小時計數(shù)器和塊加減計數(shù)器，在自動控制模式下，先讓一泵開始運行， 同時計時，當加減計數(shù)器從初始值達到上限時換用另一泵運行，達到加減計數(shù)

45、器的下限時在換泵，如此交替的運行便可實現(xiàn)壽命均衡的控制。具體的程序見 圖 3-3。 圖 3-3 兩泵壽命均衡程序圖 結 論 PLC 控制在國內外已經是應用非常普遍而且成熟。目前在許多中小型賓館 中運用 PLC 控制燃氣熱水系統(tǒng)還不多見，因此對該方案的設計研究還有待提高。 本文針對傳統(tǒng)燃氣熱水系統(tǒng)在運行過程中會浪費大量能源而將其與 PLC 控制相 結合，同時采用兩泵達到壽命均衡的目的。在本次設計過程中，既鍛煉了自己 的能力 ，又提高了技術水平，積累了不少經驗。 1.本次設計中，應用西門子的 LOGO!230RC PLC 作為控制部分，它和智能溫 控儀、電動機，電磁閥共同完成了燃氣熱水系統(tǒng)的自動控

46、制。用燃氣加熱器加 熱比起電加熱，節(jié)約了不少的電能，同時將各控制部分集成在同一控制面板上， 方便了操作。 2.根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，選定 PLC 的 CPU 和各種功能模塊。在此基礎上， 通過 PLC 控制程序完成所有控制任務。 3.軟件設計采用結構化編程，將一個復雜的程序分解成若干個子結構，便 于控制、降低程序的復雜性，使程序易于閱讀、理解和維護，由于結構化編程 方法能夠把錯誤控制到最低限度，因此減少了調試和查錯的時間。 4設計過程中沒有考慮系統(tǒng)的經濟性，因此系統(tǒng)性價比較低。 5在信號采集的過程中沒有考慮到信號的隔離和濾波，可能存在信號的干 擾問題。 本設計用 LOGO!230RC 來實現(xiàn)燃氣

47、熱水系統(tǒng)的自動控制，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障 時，能及時報警，和保護電路共同使該系統(tǒng)安全運行。詳細介紹了各系統(tǒng)的論 證，各元件的選型和使用方法，以及 PLC 的編程，功能說明等。 參考文獻 1、暖通空調系統(tǒng)設計手冊，機械工業(yè)出版社。 2、耿文學，可編程控制器應用技術手冊，科學技術出版社，1996 4、汪曉平等編著，PLC 可編程控制器系統(tǒng)開發(fā)實例導航，人民郵電出版社， 2004 5、耿文學，可編程控制器應用技術手冊，科學技術出版社，1996 6、王淑英，電氣控制與 PLC 控制技術，機械工業(yè)出版社，2005 7、張鳳珊，電氣控制及可編程序控制器，中國輕工業(yè)出版社，2003 8、趙惠忠，深入淺出西門子LO

48、GO!，北京航空航天大學出版社，2004 9、鄭兆生,張偉,鄭新志. PLC及變頻器恒壓供水控制系統(tǒng)設計J. 山東輕工學 院學報(自然科學版). 2007(03) 10、龍成忠,龍先超. 恒壓供水自動控制系統(tǒng)的設計J. 裝備制造技術. 2009(06) 附 錄 附錄 1 設備清單 序號符號名稱數(shù)量 1KA1 補水電磁閥 1 2KA2 補熱電磁閥 1 3KA3 泵 1 電磁閥 1 4KA4 泵 2 電磁閥 1 5KA5 過載保護器 1 6KA6 低水位繼電器 1 7KA7 高水位繼電器 1 8KM1 供水泵 1 接觸器 1 9KM2 供水泵 2 接觸器 1 10HL0 電源指示燈 1 11HL1

49、 補水開關顯示燈 1 12HL2 補熱開關顯示燈 1 13HL3 1#供水泵顯示燈 1 14HL4 2#供水泵顯示燈 1 15HL5 故障顯示燈 1 16SB1 1#供水泵啟動按鈕 1 17SB2 2#供水泵啟動按鈕 1 18SB3 急停按鈕 1 19SK1 手自動模式選擇按鈕 1 20SK2 PLC 時空開關 1 21P1 1#供水泵 1 22P2 2#供水泵 1 23GA1 1#燃氣熱水器 1 24GA2 2#燃氣熱水器 1 25TA 保溫水箱 1 附錄 2 具體使用說明 一、裝置特點 1 節(jié)能 采用燃氣熱水系統(tǒng)的目的就是為了節(jié)能，原理是通過燃氣熱水器的加熱， 將水加熱到可以使用的熱水，儲

50、存在保溫水箱中，用戶可以直接通過供水泵使 用，相比在每個房間裝燃氣熱水器或者點加熱器，其能效比可保持在 300%以上， 從而節(jié)省了大量的電能。這也是目前燃氣熱水系統(tǒng)在酒店賓館得到廣泛使用的 原因。 采用壽命均衡的控制，可以增加泵的工作時間，一般泵的使用壽命在 5 年 左右，若采用單泵，出現(xiàn)故障時就無法供水，給用戶帶來不便，通過壽命均衡 控制，用兩個泵交替運轉，使兩泵的工作時間維持在相同的水平，這樣就能保 證 24 小時不間斷的供水，同時泵的壽命得到延長。 2 防腐蝕能力強 所有管道均采用 PPR 管，具有較強的防腐蝕能力。 3. 保護功能齊全，可靠性高 裝置具有過流、過載、短路、過熱等自動保護

51、停機功能，有故障顯示和報 警功能；并具有自動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷能力。 4. 自動化程度高 該裝置通過 PLC 的控制，實現(xiàn)技術參數(shù)設置和狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷功能。 二、 技術說明 該裝置主要由燃氣熱水系統(tǒng)、集成控制系統(tǒng)組成。 燃氣熱水系統(tǒng)是由燃氣熱水器、保溫水箱，供水泵，補水電磁閥，補熱電 池閥，截止閥，單向閥，熱力膨脹式恒溫閥和相應的管道組成。 集成控制系統(tǒng)主要由 PLC 控制器，智能溫控儀，水位繼電器組成。 三、 功能說明 1.水箱水位的控制 水箱中有 5 個水位電極與電控箱內的低水位繼電器 KA6 和高水位繼電器 KA7 相連接，同時經過 PLC 控制器給出的綜合回水溫度信號控制熱水箱的補

52、水， 只有當水位低于低限水位時才強制補水；當水位高于低限水位時，根據(jù)水箱溫 度進行補水控制，保證供水泵泵出的是滿足溫度要求的熱水，另一方面，低限 水位信號還用于泵出現(xiàn)缺水干轉的故障，即一旦出現(xiàn)水箱缺水，供水泵會自動 停機。當水位達到高限水位時，會通過 PLC 控制補水電磁閥 KA1，使其關閉。 2.溫度的控制 在水箱中有溫度傳感器，可以測知水箱中水的溫度，再送到智能溫控儀， 推薦的熱水溫度范圍在 65-80，即在這一溫度范圍內可滿足用戶洗澡的要求， 當溫度低于低限溫度時，經 PLC 控制的補熱電磁閥 KA2 打開，燃氣熱水器加熱 后回流到保溫水箱中，達到節(jié)水節(jié)能的效果。 3.供水泵的控制 供水泵可將水輸送到高層用戶，防止當水壓不足的時候，水輸送不上去， 由水泵 P1 和 P2 共同完成，電控箱面板上有工況選擇開關和按鈕開關來控制。 工況選擇開關有兩個模式，手動選擇工作泵的模式和自動選擇工作泵的模式。 當選擇手動模式時，可以自由的選擇泵 A 還是泵 B 工作，按啟動開關按鈕，水 泵直接連接電源啟動運行；并且運行的條件是水箱低限水位達到和電極無過流 過載保護，當選擇自動模式時，按下啟動開關按鈕，經過 PLC 控制的兩泵交替 運作，實現(xiàn)壽命均衡的目的。 四、 使用要求 1.運行前檢查