基于PLC的校园供电系统分时节能设计

第一篇：基于PLC的校园供电系统分时节能设计

基于PLC的校园供电系统节能控制

摘要：对于学校而言，用电负荷的变化周期性强、波动大、为供电系统的分时段运行创造了有利条件。结合实际案例介绍了两台变压器分时段运行的控制思路和设计方法。给出了控制系统原理图和PLC控制的应用程序，并对节能效果作了详尽的计算。

1、引言

节能是一项国家长期的基本国策，学校更应该做节能的典范。除了加强学生的节能意识教育和加强用电管理之外，积极采用技术节能更是行之有效的途径，在某校供电系统的改造中，根据学校负荷昼夜落差大、呈周期性变化的特点，对两台变压器实行基于PLC控制的时段切换运行,达到了节能的目的。

2、供电现状与负荷分析

该学校占地面积约133333m2，有教学楼七栋，综合办公楼和行政办公楼两栋，学生公寓八栋，学生实习用车间四个，食堂、图书馆和多功能活动中心各一个。学校总的计算负荷为900KV·A由两台600KV·A的油浸式变压器供电，由于学校逐步扩建的原因，两台变压器相隔数年先后投运。投运后，线路没有很好地梳理，只是为了两台变压器的负荷平衡，对供电对象做了一些简单调整。两台变压器之间没有联络，检修和调度都不方便。

为了寻找节电途径，对学校的负荷运行情况做了长期的跟踪监测，发现负荷的变化具有明显的周期性，且落差较大。负荷比较集中的时间是7：30～16：00负荷率大约在70﹪，16：00以后部分教师下班，学生下课，负荷率降至38﹪而21：00以后随着图书馆和教室的关闭，负荷降到最低点，变压器的负荷率只有18﹪左右。

3、分时段运行的节能效果与计算 3.1节能途径分析

变压器的效率是与负荷率相关的。一般而言，负荷率在55﹪左右时其效率最高。其关系如图所示。由图可以看出21：00至次日7：30之间负荷最小，变压器的负荷率不足最高时的1/3，此时变压器是处于低效率运行状态，当然是不利的。变压器的损耗包括铁损和铜损两部分。其铁损只取决于变压器的材料和制作工艺，与负荷无关，即铁损为常量。而铜损却和负荷率的平方成正比。当负荷率降低时，其铁损并未减少，它有可能成为损耗的主体。因此，着眼点就是要尽量避免变压器的低负荷运行或空载运行。这也就是寻找的节能途径。该学校由两台变压器供 电，如果能分时段运行，即在负荷高时，即21：00～7：30之间，照常由两台变压器供电，而在21：00以后或节假日，也就是负荷最低时，由一台变压器集中供电，这样既可以省掉一台变压器的空载损耗，又可使另一台变压器运行在较高效率区间，从而达到节能的目的。

3.2节能计算

通过上述分析提出了一种节能的途径，究竟能否节能可以通过以下的计算来判定。从设备手册中得知变压器的参数为：型号S9—630/10，电压10/0.4KV,铁损1.3KW，铜 损6 KW。为了计算方便，不妨设变压器的铁损为W1 , 铜损为Wc，效率为m，则变压器的损耗为：W1 = Wi +Wc m2

根据实际情况，仅就21：00至次日7：30这段时间进行计算。在这期间，两台变压器同时运行时的负荷率为18﹪，合并为一台变压器运行时负荷率为36﹪，于是可计算如下：

一台变压器集中供电的损耗为：

W1 = Wi +Wc m2 = 1.3+6×0.362KW=2.07KW 两台变压器同时供电时的损耗为： W2 =（Wi +Wc m2）×2 =（1.3+6×0.182）×2KW=2.99KW

由此可以看出合并为一台变压器运行时的节省功率为（2.99－2.07）KW=0.92KW。学校每年正常工作日为40周，共计200天，其余为假期，共计165天，正常工作日单台变压器集中供电的时间为11h，假日单台变压器集中供电的时间为24h。于是，就可以计算出一年的节电量为W=(0.92×200×11+0.92×165×24)KW·h=5667 KW·h，折算成资金为一万多元钱，用这笔钱可以创造出更多的经济和社会效益。

值得提醒的是，本文的控制方法对于负荷变化周期性强且昼夜落差明显的用电单位才有节电空间，对于其他用户是否适用!需具体情况具体分析。

4.供电系统的改进

通过以上分析计算可知，如果对两台变压器按时段切换运行，就可以节电。为此，对供电系统的主回路和控制回路进行了重新设计，按照工程量最小、用料最省的原则，在最短的时间内完成了改造。

4.1主回路设计

原来线路的问题主要有两方面，一是两台变压器之间没有联络，不能起到互为备用作用，更满足不了时段切换运行的需求；二是变压器的负荷分配不合理，造成部分负荷线路超载，如食堂经常会由于线路压降过大而影响设备的使用，无故增加了供电的紧张气氛。

针对上述问题，首先对线路的负荷重新计算，线路重新调整，对负荷大的线路进行分流，对重点负荷改用专线供电，基本上做到了合理配电和安全用电。为了满足按时段切换运行的要求，在两段低压母线之间增加了联络开关，考虑到频繁操作的要求和低负荷运行的实际情况，联络开关采用CKJ5—630/1.14型低压交流接触器，CKJ5系列交流真空接触器适用于额定电压至1140V，额定电流630A，的馈电线路中，适用于频繁操作的场合。为了使变压器能与电源隔离，在保留原有高压侧真空断路器的基础上，又在变压器低压侧增加了ZN7型低压真空断路器!该断路器容量大，可以较频繁地操作。真空断路器和接触器的操作电压都选择AC220V，使用方便。改造后的部分供电系统如图所示。

4.2控制回路设计

实现对两台变压器的切换运行，实际就是对 QF1、QF2、QF3、QF4 以及KM进行协调控制。当需要两台变压器同时供电时，QF1、QF2、QF3、和QF4 均闭合，KM断开；当需要一台变压器集中供电时，QF1、QF2和QF3、QF4中的一组和KM闭合而另一组断开。考虑到长假期和特殊情况的需要，控制系统还设计了手动/自动操作选择。当选择手动操作时，由操作人员确定

是一台变压器集中供电还是两台变压器分别供电，当需要一台变压器供电时，还可以人为选择是哪一台变压器供电；当选择自动工作制时，变压器的切换由PLC来控制，系统会按PLC的程序自动运行，控制原理图如图所示。图中SS1为手动/自动选择，向左45°为自动，向右45°为手动；SS2为单台或两台运行选择，向右45°时，KA1得电，1﹟变压器（T1）单台集中供电，向左45°时，KA2得电，2﹟变压器（T2）单台集中供电，当打到中间“0”位时KA2得电，此时为两台变压器分别供电。KA3、KA4、KA5三个接点来自PLC的外接继电器。当选择自动工作制时，它们就会在PLC程序的控制下，自动完成单台供电或两台变压器供电的按时段切换控制。

5.PLC的接线与编程 5.1 PLC接线 根据该校的要求，选用了三菱公司的 FX2N—16MR型PLC，该PLC总的I/O点数为16点，体积小，重量轻，经济耐用。按钮SB是自动工作制时的投入起动按钮，它和SS1串联后接入X0，SS2的4、5、6三个回路分别接X1、X2和X3的输入接口。断路器的辅助接点分别接到PLC 的X4至X7。输出端口Y0、Y1、Y2和Y3分别接

图4 PLC接线示意图 四个继电器，其接点分别与图3中的相关继电器连接，以实现对变压器的切换控制。PLC接线图如图4所示。

另外，PLC的电源也受SS1的控制。当SS1选择自动工作制时，PLC电源接通并转入运行（RUN）状态。此时只要按下SB起动按钮，PLC程序就开始执行，以实现供电系统的自动运行。

5.2 PLC应用程序的编制 5.2.1计时器的扩展编程

在自动控制系统的设计中，计时器几乎是不可缺少的，自从有了PLC之后，时间控制变得更加简单和方便。PLC中的定时器种类多（有普通定时器和积算式定时器），数量大（总共有256个的定时器可供选用），精度高（定时精度可到ms）。即便如此，对于超长延时的需求而言，还显得有些不足。例如，在设计中，一台变压器集中供电和两台变压器分散供电的转换就是靠时间来控制的，从7：30～21：00这个时段，需要计时长达13.5h，而FX2N系列PLC的最大计时长度也仅有3276.7s，不到1h。为了解决这个问题，在编程时利用计数器和定时器的配合，实现了定时器的时间扩展，达到了长延时的目的

把定时器设定为1800s（30min），定时器每到达设定值时#就重新开始计时，这样，当定时器完成一个计时过程时，计数器的计数值就加1，当计数器累计到27时，定时器就延时了13.5h。即30×27min=810min=13.5h。PLC中计数器有100多个，每个计数器的计数值可高达32767，由此可见，只要用该方法编程，就不存在超长计时问题了。定时器扩展的程序如图5所示。

5.2.2应用程序编制

因为变压器的切换具有明确的周期性，且遵循严格的时间关系，比较适合采用步进顺控指令（SFC）编程。步进指令简单明了，运行可靠。变压器时段运行的步进指令状态转移图如图6所示。从转移图中可知，当PLC接通电源时，初始脉冲M8002激活状态S0，使S20、S21、C0和C1复位；一旦SS1选择自动并且SB按钮闭合，PLC 的X0使能，激活状态S20，使Y1输出，KA4得电，QF1—QF4闭合，1#、2# 两台变压器同时运行；由T0和C0组成的计时环节也开始计时；当时间到达设定值时，C0输出，激活状态S21，PLC 的输出Y3使能，使联络接触器KM吸合。同时，根据SS2的选择位置不同，Y0 和Y2必有且只有一个得电，以完成由两台变压器分散供电到由一台变压器集中供电的转换。单台变压器集中供电的时间，由T1和C1组成的计时环节控制，到达时间设定值且C2的计数值不到5，状态就会转到S20，开始下一个循环，这样周而复始，每天就会按照设计，保证变压器的分时段可靠运行。

程序中还考虑了双休日的特殊情况，因为学校双休日都是放假的，且一年中也天数不少，应该给以重视。状态转移图中的S22就是双休日的控制部分，计数器C2反映了KM1（Y3）的得电次数，当C2计数值累计到5时，说明已到周末，程序自动转入状态S22，于是原来工作的单台变压器继续工作48h，直到周一7：30转入正常时段运行。

5.2.3 程序的不足

整个系统的控制思想以时段为基础，也就是只考虑了一个区间的长短，如果投入运行的起始点不同，所谓的“时段”就失去意义了。而程序中没有自动校正起始点的功能，只能靠人工控制投入运行的时间点，具体地说，应该是某一个周一的7：30投入。没有设计自动校正功能，主要是考虑学校用电情况比较正常，不出意外的话，一个学期调整一次即可，并不困难。这样看来，程序的不足之处显得不那么重要，实际运行情况也证明了这一点。

6.运行分析

由于学校负荷稳定，可预见性和规律性强，设计前又掌握了充分的一手资料。所以投运后经过长时间的跟踪测试，实际节能效果和理论分析基本吻合，负荷率的波动基本能在 2﹪以内，达到了预期效果。

7.结束语

该改造项目投产后，系统运行正常，设备基本没有故障，达到了节能、延长设备寿命的目的。该项目投资少，见效快，具有很好的推广价值。

参考文献

[1]三菱公司.FX2编程手册[G].2006 [2]张万忠.可编程控制器应用技术[M].北京：化学工业出版社，2003 [3]周芝峰.变压器的合理使用与节能[J].变压器，2007，44（4）：54--55 [4]谢承鑫.工厂常用电气设备手册[M].北京:化学工业出版社,1997

第二篇：校园路灯系统节能设计探讨

校园路灯系统节能设计探讨

摘要： 如今我国经济高速发展，人们生活水平日益提高，能源和资源变得日益紧张，电力短缺已成为制约国民经济发展的突出矛盾。学校作为一个国家人才输出地，在我国乃至世界当中都占有相当重要的分量，而学校由于照明所产生的耗电量无疑是众多公共事业单位中最多的部门之一。但在号召节能减排的当下，我们应从技术角度以及行为角度去寻找能够解决此类问题的方法，既要保证合适照度、保证各种教学和生活等方面工作的顺利进行，又要求节约电能，提倡绿色照明环境。

关键词：校园路灯系统；光源类型；节能

21世纪，可持续发展已经成为人类社会发展的绿色思潮，倡导绿色低碳生活，减少能源的浪费，建设资源节约型、环境友好型社会已成为人类社会的广泛共识。大学校园校区面积大，有教学工作区、学生生活居住区、食堂、超市和运动场所等不同的功能区域，在这些区域内安装有大量的室外照明灯具，这些室外照明灯具作为学校一个很重要的照明用电组成部分，室外照明设计不仅要体现艺术性还要注重其功能性，既要保证合适照度、保证各种教学和生活等方面工作的顺利进行，又要求节约电能，提倡绿色照明环境

1、学校路灯照明系统的现状：

目前校园路灯存在路灯的布点方式不合理，照明效果欠佳，灯型不统一、线路老化、灯杆锈蚀严重、不满足节能要求等现象。根据调查，有很多学校晚上23：00过后校园里几乎没有行人来往了，然而校园路灯却是“通宵达旦”。学校路灯有些是全夜灯，也有些是后夜灯，基本上是人工控制，劳动强度很大，繁琐，由于工作人员开启或关闭路灯的不及时，造成不方便路人与浪费用电的现象时有发生。在不影响路灯正常工作的情况下对其进行节能研究有着重要意义。

2、光源类型的选择

参考《城市道路照明设计标准》要求，结合大学校园室外道路照明的具体情况，路灯照明系统所采用光源的主要类型有：高压钠灯、金属卤化物灯、节能灯（紧凑型荧光灯）、半导体发光二级管（LED）灯、太阳能灯等。

（1）校园主干路、次干路的道路照明光源，考虑大量的车流、人流以及景观的照明需要，应采用具有发光效率高、寿命长、透雾能力强、色温适中、显色性也符合一般道路照明要求的高压钠灯。

（2）生活居住区和商业区的人行道路照明光源，考虑尊重人的感受，强调以人为本的理念；同时要营造环境幽静轻松的氛围，可考虑选择发光效率比较高、寿命长、显色性好的金属卤化物灯或紧凑型荧光灯。

（3）在满足道路照明标准要求的前提下，经过经济效益分析对比以及试点成熟的基础上，适当推广使用太阳能路灯、半导体发光二级管（LED）灯等新能源节能 灯具。

3、校园路灯节能措施

（1）节能不是靠降低照明水平来实现，而是在确保各级道路符合相应的照明标准的前提下考虑节能。因此，首先就得根据被照明场所的要求和特点合理选定照明标准值。否则，标准选高了会造成能源浪费，标准选低了又不符合照明要求。

（2）照明设计是实现节能的核心环节。在进行照明设计时，要同时提出多套方案进行设计计算，在确定它们都符合照明标准的要求后，再进行综合经济分析比较，从中选取最佳的方案。

（3）合理选择照明器材是实现节能的有效手段之一。根据《城市道路照明设计标准》要求，应选择符合国家标准中关于节能评价规定的光源和镇流器。在选择灯具时，首先要满足灯具相关标准以及光强分布和眩光限制的要求，在此前提条件下再选择高效率者。

（4）气体放电灯的功率因数一般在0.4～0.6之间，可通过实施电容补偿或配用电子镇流器来提高功率因数，降低无功损耗。从经济合理的角度考虑，补偿后的功率因数在0.8～0.9之间为宜。

（5）在深夜普遍降低路面照度是节能效果最为明显的一项措施。由于深夜车流、人流量小，应该普遍推行这种措施。因此，在主干路、次干路应该采取这一措施。实施这一措施的办法包括：

第一，采用双光源灯具是一种合理的办法。深夜的交通流量小，关闭1只光源，如将1盏灯具内的2只光源在上半夜全部点亮，下半夜道路车流量小时关掉其中1只光源，既可以达到节能目的，又不影响路面照度均匀度。

第二，采用深夜能自动降低路灯光源功率的装置，如变功率镇流器或智能型照明调控装置等。变功率镇流器是通过时间控制器和电子开关来调节镇流器的电抗，减小光源回路电流，从而调节照明装置的功率，从全功率降至60%～70%的功率。如高压钠灯灯具内安装变功率镇流器时，深夜能自动降低光源的功率，从而达到节能的目的。智能型照明调控装置是一种智能型降压稳压调光装置，能够根据电网电压的波动，平滑地对路灯输入电压进行动态调整，自动调光。在深夜电网电压升高、道路车流量小时进行自动调压，降低光源的功率，从而降低路面照度，达到节能的效果。

第三，采用深夜关闭不超过半数灯具的办法，但不得关闭沿道路纵向相邻的两盏灯具，以免路灯照明均匀度降低过多，影响交通安全。当路灯为单侧布置时，应采用间隔熄灯的方式；当路灯为双侧交错布置时，应采用熄灭一侧路灯的方式；当路灯为双侧对称布置时，应采用交叉熄灯的方式。

第四，由于技术原因，考虑到线路压降以及终端负载的电压需求，电网供电电压普遍偏高，尤其是在午夜以后，由于市网电压远高于额定电压，路灯照明系统电压不能根据电网波动、照度需求以及照明时段等情况进行实时调整，往往导致灯具过度发热，造成大量的电能浪费、照明灯具的使用寿命大幅缩短。目前路灯照明的电能利用率还不到65%，电能浪费相当严重，存在着巨大的节能空间。采用智能路灯节能设备对路灯系统运行状态进行全自动的监控，实现人性化的亮度设置和控制。采用智能路灯节能设备后照度基本不变，灯具的功耗明显减少，使用寿命大大延长。学校用于路灯照明系统维护的成本也将明显减少，同时也将带来相当可观的经济效益。

（6）电缆截面的选择。校园室外路灯照明系统的特点是系统用电功率不是很大，线路上的工作电流也不是很大，但需要敷设线路较长。负荷计算时电缆载流量的要求容易得到满足，但由于路灯照明系统线路较长，线路压降要满足线路末端的电压要求是需要重点考虑的问题。解决线路压降问题的方法可以考虑适当加大线路截面；加大线缆截面积的同时也提高了线路的输送能力，对提高供电可靠性、电压合格率以及节约电能是大有好处的。

（7）选择合理的控制方式，采用具有可靠度高和一致性好的控制设备也是一项重要的节能措施。基于校园特殊的分区特点，室外路灯照明系统的控制方式应合理选择，做到需要开灯时能即刻开启，需要关灯时马上就能关闭，这样才能准确控制全年的灯具燃点时间，达到节能目的。对于重要校园路灯照明区域应根据所在地区的地理位置和季节变化合理确定开关灯时间，并应根据天空亮度变化进行必要修正。宜采用光控和时控相结合的控制方式，以时控为基础，并辅以光控功能，使路灯照明的开、关控制准确合理。路灯照明宜采用智能化控制，通过计算机网络技术，利用有线和无线传输方式，对路灯的启闭、运行状态、故障情况等进行遥控、遥测、遥信，从而实现对路灯的远距离监控和管理。通过时控、光控、程控等多种智能化控制模式，实现对路灯照明的动态智能化控制，从而达到长期安全、节能运行和科学管理的目的。对于非重要路灯照明区域，在满足照度及安全的情况下，应选择在深夜自动或手动关闭部分，以节约电能。

（8）由于太阳能路灯以太阳光为能源，白天在阳光的照射下，太阳能电池板给蓄电池充电，晚上蓄电池给负载供电使用，无需复杂昂贵的管线铺设，无需人工操作，工作稳定可靠，安全无污染，节省电费免维护等优点以及LED路灯的定向发光、功率消耗低、驱动特性好、响应速度快、抗震能力高、使用寿命长、绿色环保的优点。所以随着太阳能以及LED路灯技术的发展成熟，校园路灯设计在综合经济效益分析合适的情况下，逐步采用太阳能以及LED路灯将成为绿色节能校园建设的一个有着巨大潜力的发展方向。

4、总结：

校园是学生和教职工工作和生活的主要场所，合理的安装路灯会给大家的生活和学习带来很大的方便，同时，也会有效的减少校园内的安全事故，保障学生和教职工的安全。因此，学校对校园内路灯的管理与优化应该尽快进行和落实。路灯之类的设施实施节能改进，不久可以降低能耗成本，而且有助于缓解政府能源供应和建设压力，对减少废气污染保护环境也有巨大的现实意义，我们要努力落实以人为本，全面、协调、可持续的科学发展观，减轻环境污染，实现人与自然和谐发展的重要举措。这在一定程度上提高了人们的生活水平。校园路灯稳定可靠的工作关系是关系到校园全体师生的大事，事关人身安全与财产，科学合理的设计校园路灯控制系统具有很重要的社会意义。

参考文献 ：

[1]城市道路照明设计标准（CJJ45-2006）[S].[2]王真.大学城路灯照明设计与节能研究.福建建筑，2009，03

[3] 祝洪波.大学校园路灯照明系统的设计探讨.现代物业，2011，10（3）

第三篇：烟台西门子PLC培训,暖通空调系统节能设计探讨

暖通空调系统节能方案探讨

摘要:节能是世界各国的一同政策,而在建筑工程中完结暖通空调系统的节能是其时建筑界寻求的政策,案所面临的困难和方案方向进行论说。

关键词:暖通空调系统;节能;方案 ；三菱system’s energy conservation zone pursue

展开,而在世界动力危机不断凸显的情况下，据统计建筑能耗现已占有社会总能耗的27 %以上。有些区域已靠近40 %,且其总量呈逐年上升趋势。动力总消费量的比例已从20世纪70年代末的10 %,上升到近年的27.48 %,其间2/3为暖通空调系统所消耗。在建筑工程中暖通空调系统正逐渐的得以运用,用于暖通空调系统的能耗也将进一步增大,一同中国其时

现有空调系统的能耗无量。因此在暖通空调系统中考虑节能,意义十分严峻。

1暖通空调系统节能方案面临的难题

“动力危机”是世界各地广泛面临的困境,用之前的很长一段时间内,必要注重并处置的疑问。但在节省动力方面,位,经济,甚至还没有标准性的标准出台，却因为经济利益而缺少监督力度，,是一个节，加之没有,致使重复缔造、质量,致使动力浪费情况严峻。暖通空调系统节能方案的在方案方案上,其时在暖通空调方案时很少方案人员先核算室内负荷,大多方案人员仍是沿用核算值来判定负荷。即使核算,也仅仅用现有程序核算,核算后没有关于具体的情况加以调整。这一表象往往构成负荷过大,而加大出资动力浪费。关于某些“三边”工程,方案人员

为了赶发展,没有视具体的情况进行悉数分析得出最佳方案,作用风管弯头过多,有些阻力丢掉过大压力不平衡,使风量分配不均,致使不一样房间冷热不均,达不到需要的室内环境。虽然中国建筑业展开敏捷,可是,广泛选用新的建筑材料不考虑保证建筑物的热力情况的建筑方案方案,致使一系列不能满足室内微气候条件的情况出现。大约注意到建筑区域的气候特征,具有决定性作用。有的当地还存在这种情况,差的材料方案时,实行该方案时,因为经济方面的缘由，作用会在施工方案方面，构成利益倾向不一样，中国采暖区,门窗气密性差，构成均匀每年每平方米采暖能耗高达30.5 kg。差科学。在工作进程中，处理人员不能充分的晓得空调系统工作系统,在工作高峰期的差异上不科学。通常是正常期和高峰期机器的工作数量一样,这样就构成了能量的极度浪费。而在修补和保养上,处理人员往往做不到位。因风道渗漏致使热丢掉、空调机盘管和过滤器附着异物致使机器功用降低等表象处处可见。关于低功率的设备不能及

时修补和更换,构成不必要的能耗。

此外,我们的建筑节能晓得差,暖通空调系统节能的方案得不到广泛的推广。还没有在社会上、建筑界构成共同。在技术实行标准上,缺少行政法规和实行组织施行监督和逼迫。包费制与用户利益无关,不能运用户节能,建筑节能缺少经济政策驱动机制,在方案暖通空调度能系统时,缔造单位往往只计较一次性基建出资,收。节能科技出资太少，节能工业系统还未建立。2

首要，要依,其时国内市,其间以热,天然,(气)为热源,通过压缩机的,并:空气源(风冷)热泵。其时的产品首要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和热泵冷热水机组。地源热泵(尤其是土壤型)可以节能30 %左右,而直燃型溴化锂吸收式机组供热式的功率相当于燃油或燃气锅炉,关于锅炉房来说,大型区域锅炉房明显优于小型锅炉。通过这些科

学的分析,方案人员在方案暖通空调度能系统时,就可以依据工程建筑自身的情况,选择合理的可行的热源系统,因为不一样地域不一样建筑工程的需要和条件不一样,所以从方案期间初步就有必要注意对热源的选用。

其次,在方案时有必要考虑到减少热前语运送进程中能耗的首要方法。一是在方案需要材料的选用上,式保温材料对管道进行保温节能,管等。二是在才华的运送系统处理的方案上,核算供暖系统进行悉数的水利平衡调试,为中间的管网水力平衡技术,分配和控制，选，运送功率高的载能,然后前进运,选,依据技术标准,在方案时应注意朝向、周边区与内区、运用功用的差异等对系统进行选择和差异,一同要考虑分隔设置或分环设置以便于控制、调度及处理。比如在采暖中散热器宜明装在外墙窗台下,散热器表面涂料及设备方法、南北向房间系统宜选用分环设置等方法。在通风空

调系统的方案上,选用不一样朝向、内外区系统应分隔设置或分环设置,或选用多分区新风机、多分区空调机系统,对内外差异别运送不一样参数的风,风量也可分别调度与控制,然后避免不一样区域出现过冷或过热的能量浪费表象。例如变风量(VAV)系统、变露点送风系统、辐射板供冷与供热系统、变水量系统、水环热泵系统、变制冷剂流量(VRV),分析环境控制场合的特征和各种系统具有的特征,作,然后抵达既经济的方案上,换通风方式等。

3结束语

总之，才华完外,从实习

第四篇：游泳池水处理系统的PLC设计

辽宁科技大学本科生毕业设计

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游泳池水处理系统的PLC设计

摘 要

在工业不断发展的今天，人们更加追求自动化的同时可编程序控制器映入了我们的眼帘，可编程序控制器在各行各业的应用不断增加，让我们看到他的应用之广泛，此次设计是在游泳池水处理自动控制方面的一个具体体现，正文介绍了可编程序控制器（PLC）、西门子S7-300 CPU313及温度传感器在游泳池水处理系统中的应用及PID调节。本设计在详细了解了S7-300 PLC的结构、用法，以及游泳池水处理系统的工艺流程的前提下，运用PLC对水处理各环节进行精确的控制。引入PLC后，比传统的游泳池更加安全、可靠，更加节省人力资源，操作简单，节省硬件等诸多优点，随着市场的开放与不断扩大许多国外的品牌不断涌入我国，我们可以选用更适合要求的产品。选用合适的PLC有利于系统的完美发挥，无论是从抗干扰能力或是其他方面PLC控制的系统都是当前最具实力的产品。

关键词：可编程序控制器；S7-300；PID温控

辽宁科技大学本科生毕业设计

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PLC designing of natatorium water processing system

Abstract With the development and advancement of industry, the Programmable Logic Controller that has been widely applied in a lot fields has become focus nowadays.This designing is a material and concrete exhibition in the aspect of natatorium water processing system.This article mainly illustrates PID regulation and the application of Programmable Logic Controller---PLC, Siemens S7-300 CPU313 and temperature sensor in the natatorium water processing system.The article has detailed introduced the S7-300 PLC structure and usage.Furthermore, it has completely complained the process of circulation water processing system and temperature regulation, as well as the concrete operation process.Comparing to the traditional one, the PLC controlling system has made the natatorium more safe and credible.Moreover, it not only can be operated easily, but also can save a lot of human resource and hardware for us too.As people have known, Programmable Logic Controller has become the developing trend of industrial automation.Due to the open and distensible market, a lot of foreign products of PLC that provide more choices for us have entered.As people have known, a good choice of PLC will make the system more perfect.Keywords：Programmable Logic Controller ；S7-300；PID temperature control

辽宁科技大学本科生毕业设计

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目 录

摘 要.........................................................................................................................................I ABSTRACT...........................................................................................................................II 1 绪 论....................................................................................................................................1 1.1 引言..................................................................................................................................1 1.2 国内外游泳池水处理方式..............................................................................................1 1.3 本课题研究主要内容......................................................................................................2 1.4 课题研究的意义..............................................................................................................2 系统概述.............................................................................................................................4

2.1 设计要求..........................................................................................................................4 2.2 控制系统简介..................................................................................................................4 2.3 控制系统要求..................................................................................................................5 2.3.1 水循环及过滤部分...................................................................................................6 2.3.2 水质检测及加投药部分...........................................................................................7 2.3.3 恒温加热系统控制...................................................................................................7 PID温度控制...................................................................................................................11

3.1 基本概念........................................................................................................................11 3.1.1 比例调节（P调节）..............................................................................................11 3.1.2 积分调节（I调节）...............................................................................................11 3.1.3 微分调节（D调节）.............................................................................................12 3.2 PLC中的PID控制实现方法........................................................................................12 西门子S7-300及硬件设计........................................................................................15

4.1 PLC的简介....................................................................................................................15 4.1.1 PLC的特点..............................................................................................................15

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4.1.2 PLC的分类..............................................................................................................16 4.2 PLC的基本组成............................................................................................................16 4.2.1 主机.........................................................................................................................16 4.2.2 编辑器.....................................................................................................................18 4.2.3 I/O扩展和其他外围设备........................................................................................18 4.3 PLC的基本工作原理和工作方式................................................................................18 4.4 硬件介绍........................................................................................................................19 4.4.1 数字量模块.............................................................................................................19 4.4.2 模拟量模块.............................................................................................................20 操作与软件部分.............................................................................................................22

5.1 水循环控制过程............................................................................................................22 5.2 恒温加热部分控制........................................................................................................23

结 论......................................................................................................................................24 致 谢......................................................................................................................................25 参考文献...............................................................................................................................26 附 录......................................................................................................................................27

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第 1 页 绪 论

1.1 引言

随着社会的不断发展人民的生活水平也在不断提高，人民对物质、精神生活不断提出新的要求，健身、游泳、等娱乐活动不断增加，游泳逐步成为一项群众性的休闲娱乐活动。在炎炎夏日，游泳场馆更是变成了人们消暑纳凉的消费场所。特别是在暑期，热浪滚滚，酷热难耐，许多家长带着放假的孩子，兴致勃勃地嬉戏畅游在游泳池之“蓝天碧水”间。而在最热的时候，游泳场馆更是天天爆满，随之而来对这些活动的客观要求也不断提出了新的标准与要求，对游泳的环境和各方面的要求也逐步提高。近几年来，集娱乐、休闲与健身为一体的游泳场馆的需求与建设可谓方兴未艾，国家级大型游泳馆、各种公共游泳馆、家用游泳池、星级宾馆的室内游泳池等遍及全国城镇。游泳池、水上乐园像雨后春笋般涌现，其中许多游泳池已跳开古板的传统模式，摹仿国外的先进经验，设计更新颖，融健身性、娱乐性于一体，更具吸引力及生命力。

1.2 国内外游泳池水处理方式

为了节约用水，保护水资源保证水质及卫生指标，绝大多数游泳池采用循环净化给水方式。但由于我国游泳场馆的发展相对较晚(二十世纪九十年代中后期才真正开始大规模发展)，所以在运行管理方面和给排水的设计方面积累总结的经验较少，缺乏系统的分析与交流，且游泳池的实际运行与规范下的设计存在着较大的差异。就水处理系统来说，目前规范基本上是按市政给水处理厂的要求来制定的，在设计中均是按照规范中的专业比赛用连续处理运行来设计的，而在实际运行过程中，无论是水质还是投药管理等，均不同于设计与规范，造成了水处理场地及设备的极大浪费，无形中增大了建设投资费用。另外大多数游泳场馆未配制专业技术人员参与运行管理，因此，在实际运行过程中，因各种原因发生了较大的水耗、热耗及电耗，并造成了不必要的水质超标甚至恶化，给经营带来较大的负担与影响。鉴此通过对现有设备下的游泳池的研究，对于进一步节水、节能，降低运行成本有着重要的经济意义，并由此总结实践经验，进行理论分析，从而提出游泳池水处理的优化设计。

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1.3 本课题研究主要内容

现代游泳池主要分三大部分：一是循环及过滤部分，二是水质检测及加投药部分，三是恒温及加热部分。水处理循环系统是整个系统最为关键的地方，主要由两台循环水泵互为备用，循环水泵是为提供循环动力及循环处理水量而设置。循环水泵的自动过程由两台泵互为备用(1 # 泵和2 # 泵)，且8小时自动切换和非正常停泵自动起动备用泵(如加热继电器动作等)。起动过程由两台泵轮值起动，即在程序中设定一个起动泵号N(N = 1、2)，当第一次进入水循环主程序时，首先读取泵号N(并令N 加1)，决定首先开启哪一号泵，若无故障运行后，且在一个周期内要求停泵，当再次进入水循环主程序时，则起动当前泵。以此，来减小某一台泵因连续工作而引起的损耗。实际证明此方法可行且有效。当某一台泵出现故障需停机时，需等待该泵完全停止后，方可开启另一台泵，否则会出现局部回流现象，极易损坏水泵，因此，在起动另一台水泵时，有一个10s 的延时。为了补充因各种原因所造成的池水热损失及加热补充水需设置换热设备。目前，国内采用的是快速式换热器和新型板式换热器。恒温加热部分由PLC可编程序控制器来控制，恒温及加热控制主要采用PID调节，输出控制信号由PQW288输出控制伺服控制器来控制蒸汽调节阀的开启度，定量地给汽水管道混合器通以蒸汽，使池水按要求保持恒温。水池温度的检测通过两个途径获得：一是水池温度；二是蒸汽调节阀进水池布水口的温度。检测蒸汽进水池的温度目的是为了与水池温度相比较，不致两者温差过大，以免造成人员短时间内不适应或受伤。I2.3控制条件为紧急停止信号，由值班人员发出。水质检测都是通过检测仪器送来的模拟量检测信息，输入到模拟量模块进行处理，处理后根据水质标准确定控制量，分别控制各药剂精确计量泵，加投水处理药剂。各模拟量输入的处理及控制都基本相同。絮凝剂加投的前提是循环水泵开启，若循环水泵未开启，絮凝剂加投后，也只是在局部起作用，不仅浪费资源，更使水质变差。

1.4 课题研究的意义

本设计主要着重介绍各环节的控制和操作过程及原理，选用的控制设备也比传统的设备更为先进，目前可编程序控制器在整个电气控制领域已经占领主导地位，发展的也是非常迅速，它的控制方式采用可编程序控制器进行控制。PC或PLC，它是在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有的功能强、可靠

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高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外以广泛应用于自动化控制的各个领域，并成为实现工业自动化的支柱产品。近年来，国内在PC技术与产品开发应用方面的发展也很快。除许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越多的采用PC控制系统取代的继电器、接触器控制系统。国产化的小型PC性能也基本达到同类国外产品的技术指标。目前PLC已广泛用于冶金、化工、轻工、电力、建筑、交通、运输等各个行业[1]。

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第 4 页 系统概述

2.1 设计要求

1．循环水泵的自动过程由两台泵互为备用，8h自动切换和非正常停泵自动起备用泵。

2．温度控制精度1°C。3．采用可编程序控制器设计。4．画出原理图，编制程序。

2.2 控制系统简介

布水口游泳池布水口温度仪Ⅱ进池口水管热力蒸汽热交换伺服控制器温度仪ⅠPH仪余氯仪浊度仪出池口水管循环水泵1号过滤沙缸N过滤沙缸2号定时器絮凝剂加投消毒剂加投稀盐酸加投硫酸铜加投

图2.1 游泳池水处理工艺流程图

现代游泳观的池水处理系统类似与自来水厂的水处理系统，通过循环水泵将池水置

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换出来检测水质，再通过化学和物理的方法调整水质，然后将达到一定水质标准的“净水”回灌进游泳池。本设计的游泳池水处理工艺流程如图2.1所示。通过循环水泵将池水置换出来检测水质，再通过化学和物理方法调整水质，然后将达到一定水质标准的“净水” 回灌进游泳池。一般检测项有浊度、过氧化物、尿素含量、菌去群含量、余氯值、臭氧值和pH值等。以pH值调节为例，当pH值过高，超过控制时，则通过精确计量泵加投稀盐酸以调低pH值，这就是化学的方法。再如当浊度达到一定值时，亦通过精确计量泵将絮凝剂（需搅拌）加投到循环泵前，絮凝剂可将水中悬浮物凝结成块，通过过滤沙缸把“浊水”过滤成“净水”回灌到泳池[2]。另外，沙缸还有反冲洗过程，就是当系统运行一定时间后，沙缸的沙层表面会积蓄很多的污物，使沙缸对水的阻力增大，流速减缓，过滤效果下降。因此，必须定期进行清除。清除的办法就是使水流反方向流动，如图2.2所示。温度仪I、II进行温度检测。检测的结果经模拟量输入模块送到PLC，由PLC处理后一方面送控制屏进行温度显示，另一方面由PLC的PID指令控制。经PID调节后，输出的信号通过模拟量输出模块控制伺服蒸汽调节阀，定量的给汽水管道混合器通以蒸汽，使池水按要求保持恒温[3]。

进水F1F3F5F2废水F4沙缸

图2.2 沙缸反冲洗工作示意图

2.3 控制系统要求

该系统按只检测浊度、余氯、pH值和温度等几项来配置，PLC按输入/输出点数、通信接口数等技术要求选定，检测仪、泵、伺服控制器及操作系统根据工艺流程选定或按甲方要求选定。

具体硬件配置如下：西门子S7-300 CPU313一块，SM321、SM322的数字量模块各一块，SM331S、M332模拟量模块各一块；德国普罗明特温度传感器——变送器两支，辽宁科技大学本科生毕业设计

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浊度仪、pH仪、余氯仪各一台；高温电动伺服阀一台；精确计量泵四台；循环水泵两台；大厅显示屏（自制）一台；5.7in台达触摸屏一台；控制柜（定制）一台。2.3.1 水循环及过滤部分

水循环主程序开始启动准备N手动自动？Y启动1号泵Y故障？NNNY停泵？停泵延时10s计时8小时？停泵延时10sY启动2号泵Y故障？NN计时8小时？停泵？NYY总停水循环主程序结束

图2.3 水处理主程序流程图

水循环及过滤部分主程序流程图如图2.3所示。循环水泵的自动过程由两台泵互为备用，8h自动切换和非正常停泵自动启动备用泵（如热继电器动作等）。循环水泵的手

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动过程，只是配合自动过程的辅助手段，手动状态除操作两台泵的起/停以外，还担当过滤缸反冲洗过程的操作。

正常情况下，水流的方向是F1入F4出，其他阀门关闭。反冲洗时，水流从F2入F3出，其他阀门关闭。污物被反向的水流带走而排入污水管道。反冲洗持续时间需根据实际情况现场调整。从反冲洗结束到正常过滤状态中间有一个过渡状态，这段时间水流不应流入泳池，因为此时水流不稳且有残余杂质存在。因此这个过程的阀门状态是F1入F5出，其他阀门关闭。这个过程持续时间很短，通常在 1min 之内，需现场调整，最后，F5关闭，F4打开，反冲洗过程结束。反冲洗过程的触发条件一般有3个：压差反冲洗、定时反冲洗和手动反冲洗。这两个过程基本是物理的过程[4]。2.3.2 水质检测及加投药部分

水质检测都是通过各检测项目的检测仪器送来的模拟量检测信息，输入到模拟量模块进行处理，处理后根据水质标准确定的控制量，分别控制各药剂精确计量加投泵加投水处理药剂。各模拟量输入的处理及控制都基本相同，这里仅以浊度—絮凝剂为例说明模拟量输入及控制的基本方法[5]。浊度—絮凝剂流程图如图2.4所示。

从图2.5所示浊度控制曲线看出，要求浊度控制值在2~4NTU，5NTU为浊度报值，即当大于等于4NTU时开计量泵加投絮凝剂，当小于等于2NTU时关计量泵，大于等于5NTU报警。如果在编程时将控制值转换为程序刻度值，由于浊度仪输出范围是4~20mA。因此需分两步换算，如图2.6第一步，将2和4NTU对应的电流值求出来。第二步，由电流值计算出对应的转换值。即：

x2

4(204)2(204)410.4,x247.2（2.1）

1010

y12.3.3 恒温加热系统控制

10.4276487.22764814377,y299

53（2.2）

2020在环境温度和水温较低时，还需对池水进行加温控制。池水加温在泳池水处理中，也占有重要的地位。它是通过温度仪I、II进行温度检测。检测的结果经模拟量输入模

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块送

浊度—絮凝剂主程序开始子程序7开始调用子程序7初始化预置采样计数器和清0调用子程序8计算平均值子程序7结束N循环水泵开？Y浊度 ≥ 4？N子程序8开始Y启动絮凝剂搅拌器从模拟量输入PIW4中取个值加到采样值中，采样计数器加1，直到最大采样数用移位求采样平均值3S后启动絮凝剂剂量泵N浊度 ≤ 2？子程序8结束Y关泵及搅拌器浊度—絮凝剂主程序结束

图2.4 浊度—絮凝剂流程图

图2.5 浊度刻度控制曲线

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10量程/NTU27648刻度值4204y2y10x1x2I/mA(a)204x1x2I/mA(b)20

图2.6 浊度刻度值换算比例图

到PLC，由PLC处理后一方面送控制屏进行温度显示，另一方面由PLC的PID指令控制。经PID调节后，输出的信号通过模拟量输出模块控制伺服蒸汽调节阀，定量的给汽水管道混合器通以蒸汽，使池水按要求保持恒温。该流程图仅介绍自动部分，如图2.7所示，该部分主要介绍池水（冬天）恒温PID调节，温度值向大厅显示屏传送的有关内容。标准PID控制允许将闭环控制器、脉冲控制器以及步骤控制器集成到用户程序中。带集成控制器设置的参数分配工具允许设置控制器，可在极短时间内优化使用。如果简单PID控制器不足以解决自动化任务，可使用模块化PID控制。可以互连所包含的标准功能块，创建几乎任何一种控制器结构。

恒温及加热系统主程序、子程序及中断部分梯形图恒温及加热系统主程序、子程序梯形图见附录。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的[6,7]。

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恒温 加热主程序开始Y模块有错？N调用温度控制模块？Y调用FB41 启动PID调节水温由PQW288输出N由I1.3启动伺服电动蒸气阀驱动电源恒温 加热主程序结束

图2.7恒温加热系统控制流程图

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第 11 页 PID温度控制

3.1 基本概念

PID控制是比例积分微分控制的简称。PID控制是一种负反馈控制，在反馈控制系统中，自动调节器和被控对象构成一个闭合回路。在连接成闭合回路时，可能出现两种情况：正反馈和负反馈。正反馈作用加剧被控对象流入量流出量的不平衡，从而导致控制系统不稳定；负反馈作用则是缓解对象中的不平衡，这样才能正确地达到自动控制的目的。

PID控制具有以下优点 1．原理简单，使用方便。2．适应性强。

3．鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感 3.1.1 比例调节（P调节）

在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例，即：

uKCe

（3.1）式中KC称为比例增益。

比例调节的显著特点就是有差调节。采用比例调节，则在符合扰动下的调节过程结束后，被调节量不可能与设定值准确相等，他们之间一定有残差。比例调节的残差随着比例带的加大而加大。3.1.2 积分调节（I调节）

在I调节中，调节器的输出信号的变化速度du/dt偏差信号e成正比，即

duS0e

（3.2）dtt0或

uS0ed t

（3.3）式中S0称为积分速度，可视情况取正值或负值。

调节器的输出与偏差信号的积分成正比。积分调节器的特点是无差调节与P调节的

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有差调节形成鲜明对比，只有当被调节量偏差e为零时I调节器的输出才会保持不变。然而与此同时调节器的输出却可以停留在任何数值上。这意味着被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量没有残差，而调节阀则可以停止在新的负荷所要求的开度上。I调节的另一特点是它的稳定作用比P调节差。

采用I调节时口制系统的开环增益与积分速度S0成正比。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。3.1.3 微分调节（D调节）

调节器能够根据被调节量的变化速度来移动调节阀，而不要等到被调节量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调节效果将会更好，等于赋予调节器以某种程度的预见性这种调节称为微分调节。此时调节器的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比。

即

uS2de

（3.4）dt单纯按上述规律运作的调节器是不能工作的。这是因为实际的调节器都有一定的失灵区，如果被控对象流入流出量只相差很少以至被调量只以调节器不能察觉的速度缓慢变化时，调节器并不会运作。但是经过相当长的时间以后，被调节量偏差去可以积累到相当大的数字而得不到校正，这种情况是不能容许的。

3.2 PLC中的PID控制实现方法

典型的基于数字PID的闭环控制系统。PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将其数字化写成离散形式的PID控制方程，再跟据离散方程进行控制程序设计。在连续系统中，典型的PID控制器的输入输出关系如下：

1M(t)Kce(t)TIT0e(t)dt1de(t) M0

（3.5）dtTD式中:M(t)为控制器的输出量，M0为输出的初始值，e(t)为给定值与被控变量的误差信号，Kc为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

将上式离散化，第n次采样时控制器的输出为：

MnKC(spnpvn)KCTST(spnpvn)KCD(pvn1pvn)

（3.6）

TITS

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标准PID控制允许将闭环控制器、脉冲控制器以及步骤控制器集成到用户程序中。带集成控制器设置的参数分配工具允许设置控制器，可在极短时间内优化使用。如果简单PID控制器不足以解决自动化任务，可使用模块化PID控制。可以互连所包含的标准功能块，创建几乎任何一种控制器结构[8]。

FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量，与FB42的差别在于后者是离散型的，用于控制开关量，其他二者的使用方法和许多参数都相同或相似。PID的初始化可以通过在OB100中调用一次，将参数COM-RST置位，当然也可在别的地方初始化它，关键的是要控制COM-RST；PID的调用可以在OB35中完成，一般设置时间为200MS，原理上，PID的调节节奏应该与其采样周期一致，这是数学模型应与物理过程一致的要求。这也就是FB41要在OB35中周期调用且OB35的周期要与FB41采样周期一致的原因。

当然，在OB1或其他FC、FB中调用FB41也是可以的，此时最好将OB1参数区中扫描周期作为FB41的采样周期。FB41参数的设置很灵活，可根据自己的习惯或应用的方便选择。

PVPER_ON ：是PID输入输出参数“PERIPHERAL化”的使能位，即将参数看成0~27648之间的整数。换个说法，就是PID的反馈值直接取自相应AIW通道，而PID输出则直接给出到AQW通道。参数整定由FB41完成。本设计用调节装置的启动标志来触发本位。

CYCLE ：采样周期。根据物理量变化快慢定，一般要求与FB41执行的周期一致，选择200ms。

SP_INT：PID的设定值。注意设定值与反馈值的单位一致。为了避免错误，建议将SP_INT转换为-100.0~100.0%之间无量纲的百分数，输入到FB41时，注意只取百分号之前的数即可，输入设定值38.8即23.5 ℃。

PV_PER：PID过程的反馈值，直接取自反馈量的PIW通道的A/D码。GAIN：比例系数。设定1。TI：积分时间。设定10min。

LMN_PER：PID的调节输出，直接对应调节输出AQW通道。

P_SEL： BOOL：比例选择位：该位ON时，选择P（比例）控制有效；选择有效。I_SEL： BOOL：积分选择位；该位ON时，选择I（积分）控制有效；选择有效。

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D_SEL ： BOOL：微分选择位，该位ON时，选择D（微分）控制有效；一般的控制系统不用。

LMN_HLM：REAL：PID上极限，一般是100%。LMN_LLM：REAL：PID下极限；一般为0%。

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第 15 页 西门子S7-300及硬件设计

4.1 PLC的简介

可编程序控制器（Programmable Controller），简称PC或PLC。它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。近年来，国内在PC技术与产品开发应用方面的发展也很快，除许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越快地采用PC控制系统取代传统的继电器控制系统。国产化的小型PC性能也基本达到国外同类产品的技术指标。4.1.1 PLC的特点

1．可靠性高，抗干扰能力强

为了确保PLC在恶劣的工作环境下能可靠的工作。在设计中强化了PLC 的抗干扰能力，使之能抗诸如点噪声，电源波动，振动，电磁干扰等干扰，能在高温高湿以及空气中存在有各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地工作。PLC能承受电网电压的变化，可直接由交流市点供电，直接取自电控箱电源，即使在电源瞬间断电的情况下仍可以正常工作[9]。

电源电压： AC220 ±15% 抗振强度： 10Hz~55Hz 0.5mm 3轴方向各2h 抗冲击强度：10g 3轴方向各3次

抗干扰强度：1000Vp-p、脉宽1us、30~100Hz噪声 工作温度：0℃~55℃ 存放温度：-20℃~+70℃ 湿度：

35%~90%（不结雾）

耐压：

AC1500V 1min（各端子与接地端之间）2．编程简单，易于掌握

PLC在基本控制方面采用“梯形图”语言进行编程，这种梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，形式简练，直观性强，广大电气工程人员容易接受，还可以采用系统流程

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图和语句表方式编程，三种语言可有条件地相互转化，PLC这是PC优于微机的另一个特点。

3．模块化结构

PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计有机架和电缆将各模块连接起来。系统的功能模块可根据用户的实际需求自行配置，从而实现最家性能价格比。由于配置灵活，使扩展，维护方便。4．安装简便，调试方便

PLC安装简便，只要把现场的I/O设备与PLC相应的I/O端子相连就能完成了全部的接线任务，缩短了安装时间。5．网络通信

PLC提供标准通信接口，可以方便地进行网络通信 6．体积小，重量轻，功耗低。4.1.2 PLC的分类

1．按结构型式分类：整体式和模块式。

（1）整体式PLC是将电源，CPU，I/O不见都集中在一个机箱内。（2）模块式PLC是将PLC各部分分成若干个单独的模块。（3）叠装式PLC是将整体式和模块式结合起来。2．按PLC控制规模分类

（1）小型PC I/O点数在256以下，存储器容量2K步。

（2）中型PC I/O点数在256~2048点之间，存储容量是2K~8K步。（3）大型PC I/O点数在2048点以上，存储容量达8K步以上。

4.2 PLC的基本组成

从广义上说，PLC也是一种工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的借口和更直接的适用与控制要求的编程语言。所以PLC与计算机控制系统十分相似，也具有中央处理器，存储器，输入/输出接口，电源等[10]。4.2.1 主机

既PC本机，它就是以CPU（中央处理单元）为核心的一台专用计算机。

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1．CPU CPU在PLC控制系统中的作用类似与人体的神经中枢。是运算与控制中心。用来实现逻辑运算、算术运算，并对全机进行控制。它按照PLC中系统程序所赋予的功能，完成以下任务：

（1）接收并存储从编程器键入的用户程序和数据

（2）用扫描的方法接受现场输入设备的状态或数据，并存入输入状态表或数据积存器中。

（3）诊断电源，PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误等。

（4）在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读出用户的程序，经指令解释后，按指令规定的任务产生相应的信号，去启动有关控制电路，分时、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换动作，完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。（5）根据运算结果，更新有关标志位数据寄存器和输出寄存器的内容，再由输出寄存器的位状态或数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等外部功能。（6）PLC的CPU包括三种：单片机、通用微型处理芯片、双极性位片处理芯片。2．存储器

（1）系统程序存储区

用以固化PLC生产厂家编写的系统工作程度，相当于单片机的监控程序或个人计算机的操作系统。在很大程度上它决定该种PLC的性能和质量用户无法更改或调用。（2）用户程序存储区

包括用户程序存储器（程序区）和数据存储区（数据区）两种。前者用于存放用户程序，后者用于存放用户在执行过程中使用的有关状态量或数值量以生成用户数据区。3．输入、输出单元（I/O单元）

I/O单元又称I/O接口电路，PLC程序执行过程中需调用的各种开关量（状态量）数字量或模拟量等各种外部或设定值，都是通过输入电路进入PC。而程序执行结果又是通过输出电路送到现场实现外部控制功能[11]。（1）输入接口电路

各种PC输入电路结构大都相同，其输入方式有三种： 接口输入12V或24V 交流输入100V~200V或200V~240V

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交直流输入 交直流12V或24V（2）输出接口电路

为适应不同的负载需要，各类PLC有三种输出方式： 继电器输出 晶体管输出 晶闸管输出（3）电源单元

PLC对供电电源要求不高，可直接采用普通单相交流电。允许电源电压额定值在+10%~-15%范围内波动。4.2.2 编辑器

编辑器用作用户程序编制、编辑、调试和监视，还可以通过键盘去调用和显示PC的一些内部状态和系统参数。它接口与CPU联系，完成人机对话连接。它可分为简易型和智能型两种。前者只能用于联机编程，后者既可联机又可脱机编程。4.2.3 I/O扩展和其他外围设备

1．I/O扩展机用来扩展输入、输出点数

当用户所需的输入、输出点数超过主机输入、输出点数时，就要加I/O扩展机来扩展。

2．其他外围设备

根据系统控制的需要，PLC还可以通过自身的专用通信接口连接一些其他外围设备。[12]

4.3 PLC的基本工作原理和工作方式

PLC是采用周期性循环扫描，集中输入和集中输出的工作方式。这种工作方式的显著特点：可靠性高、抗干扰能力强，但响应滞后、速度慢，也就是说PLC以降低速度求得高可靠性。PLC处于（停止）工作状态，只进行内部处理和通信服务等内容，一旦进入（运行）状态，就采用周期性循环扫描方式执行用户程序。在正常情况下，一个用户程序扫描周期分为三个阶段组成。1．输入采样阶段

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PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。所以一般来说，输入信号的宽度要大于一个少秒周期，否则很可能造成信号的丢失。2．程序执行阶段

根据PLC梯形图程序扫描原则，一般来说，PLC按从左到右，从上到下的步骤顺序执行程序。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应的元件的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件的状态会随着程序而变化。3．输出处理阶段

在所有程序指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，最后经过输出端子驱动外部负载。

4.4 硬件介绍

具体硬件配置如下：西门子S7-300 CPU313一块，SM321、SM322的数字量模块各一台，SM331S、M332模拟量模块各一块；德国普罗明特温度传感器——变送器两支，浊度仪、pH仪、余氯仪各一台；高温电动伺服阀一台；精确计量泵四台；循环水泵两台；控制柜（定制）一台。

CPU313最大数字量I/O点128个，最大模拟量I/O点32个，可连接8块模板。内置20KBRAM最大可扩展512KB FLASHEPROM存储卡，64个计数器128个定时器。具有PID控制器。具有MPI通讯协议和自由方式通讯能力。4.4.1 数字量模块

S7-300有多种型号的数字量I/O模块可供选择 1．SM321数字量输入模块

SM321数值量输入模块主要有4种模块可供选择，即直流16点输入、直流32点输入、交流8点输入、交流16点输入模块。另外，还提供了直流16点输入带过程诊断和

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中断的模块、直流8点输入带源输入模板，交流32点输入模板。2．SM322数字量输出模块

SM322数值量输出模块经过电平转换，信号可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机，灯和电动机启动器等。按负载回路使用电源不同分为：直流输出模块、交流输出模块和交支流两用输出模块。按输出开关的种类不同又可分为：晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器触电输出方式。

SM322数字量输出模块有7种型号输出模板可供选择，即16点晶体管输出.、32点晶体管输出、16点晶闸管输出、8点晶闸管输出、8点继电器输出和16点继电器输出模块。选择模块时，因每个模块的端子共地情况不同，应根据模块输出类型和现场输出信号负载回路的供电情况选择。3．SM323数字量I/O模块

此模块有两种类型，一种是8个共地输入端和8个共地端，另一种上一带有16个共地输入端和16个共地输出端，两种模块特性相同。I/O额定负载电压DC24V，输入电压“1”信号电平为11V~30V，“0”信号电平为-3V~+5V。I/O通过光耦合器与背板总线隔离。输出具有短路保护。4.4.2 模拟量模块

1．SM331模拟量输入模块

SM331模拟量输入模块目前有三种规格型号：既8AI×12位模块、8AI×16位模块和2AI×12位模块。其中具有12位的输入模块除通道数不一样外，其工作原理、性能、参数设置等个方面都完全一样。

SM331输入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路恒流源、光电隔离部件、逻辑电路组成。实际应用时可使用STEP7组态工具屏蔽掉不用的模拟量通道。

SM331的每两个听到构成一个通道输入组，可以按通道输入组任意选择测量方法和测量范围。模块上需要接DC24V的负载电压L+，有反接性保护功能；对于变送器或热电偶的输入具有短路保护功能。2．模拟量输出模块

SM322模拟量输出模块目前有三种规格型号：既4AO×12位模块、2AO×12位模块、4AO×16位模块。其中具有12位的输出模块除通道数不一样外，其工作原理、性能、参

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数、设置等各方面都完全一样。

这里4AO×12位模拟量输出模块为代表介绍SM332。SM332，4×12位模拟量输出模块，上有4个通道，每个通道都可以单独编程为电压输出或电流输出，输出精度为12位，模块对CPU背板和负载电压都有光隔离。在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连。3．模拟量I/O模块

模拟量输入/输出模块有两种规格：一种是4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为8位：另一种也是有4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为12位。输入范围为0V~10V或0mA~20mA。

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第 22 页 操作与软件部分

5.1 水循环控制过程

当按下按钮SB0时，系统开始启动，按下SB1水循环自动控制系统启动，首先1号泵得电运转，当1号泵运转时，PLC内部计时器开始计时，当计时8小时后将自动切换到2号泵，当其中某一个泵运转的期间有故障非正常停泵，PLC内部设有监控装置，比如当1号泵非正常停转，PLC回在10秒钟后自动启动2号泵，当2号泵非正常停泵时，其内部指令也会在10秒钟后自动启动1好泵，两台泵互为备用。

总停开关SB2，当想停止运转整个系统时，可以通过此按钮停止所有动作，当按下此键后PLC内部有个切断两台水泵的中间继电器，当其得电时，两台水泵将失去供电而停止运转。

手动加反冲洗部分，当按钮SB3按下后2号泵会开始运转，当下按钮SB5时，可以停止2号泵，当按下按钮SB4后1号泵开始运转，如果想停止运转可按按钮SB6，则1号泵也会停止下来。按下SB8可以进行反冲洗过程，按下SB7结束反冲洗过程。

整个水循环控制过程：水循环主程序开始，启动准备，当无异常发生将进行自动控制，自动控制过程中可以切换到手动部分，由于手动操作直接简单就不在这里阐述了，当自动控制开始后首先启动1号泵，1号泵检测如果没有故障则开始进行计时当计时8小时后1号泵停转，自动切换到2号泵，2号泵也将进行检测如果没有故障也将进行计时，当8小时后自动切回1号泵，如果1号泵发生故障系统将决定是否停泵，如果停泵，经过10秒钟后切换到另一台泵继续工作，如果不需要停泵，系统将跳回启动泵的位置，重新进行检测，当整个水循环过程不需要时可以停止系统，则水循环主程序结束。

根据第二章水循环主程序流程图（2.1），写出控制梯形图程序（自动程序段），见附录。

其中T37为定时器PT为80s，1号泵和2号泵8小时长延时计时器，前8小时计时器由T37和C20组成： 80×360/3600=8h，Q0.2输出到1号泵接触器，M0.2为1号泵自动中继，M2.0为反冲洗中继，M2.2为1号泵手动中继。Q0.3输出到2号泵接触器，M0.3为2号泵自动中继，M2.0为反冲洗中继，M2.3为2号泵手动中继。

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5.2 恒温加热部分控制

当水循环过程开始运转后，可对水温进行调节与控制，当按下按钮SB9后，他通过设置在PLC内部的子程序来完成对温度的监控与显示，当发现水温发生过高或者过低时，可通过按钮SB10，系统将自动进行调节，可设置标准温度，当两个按钮都按下后，系统将很快很稳定的把温度调节在规定范围以内，由于他是不间断监控，所以调节速度会很快，SB10按钮是通过控制PLC内部的一个继电器来控制伺服蒸汽阀的，省略了人为调节过程，也避免了人为造作的超调量过高。其中SB9、SB10必须在水循环系统开始以后才可以进行调节的。

当池水温度过高或者过低时，通过出池口水温的测量，系统将根据设定标准是否报警，此系统的标准温度为23.5度，最低为20度，最高45度，如果超过45度或者低于20度，系统将发出响铃报警。

恒温及加热系统主程序、子程序及中断部分梯形图见附录。

其中I2.3由控制按钮操作，M22.3由按钮操作，开机运行中调用子程序。温度设定值=0.388对应温度值为23.5度，当PIW308≤11520时，其输出转换成温度值为20度，当PIW308≥17920时，其输出转换成温度值为45度，将这些数值编入程序，使伺服控制器定量控制蒸汽流量，使进水管与出水管温差不会过大。

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第 24 页

结 论

本设计通过对水处理工艺流程的研究，做出了水处理系统各环节的PLC控制程序和引入PID温度控制对恒温及加热系统进行调节，而且完成了对各环节控制程序的调试工作。PLC技术的应用使游泳池水处理的全自动可视化控制成为可能，使水处理系统的自动化水平及控制系统的可靠性、智能性和安全性都得到提高，很好地满足了人们对现代化游泳场馆的需要。同时也降低了能耗，减轻了工人的劳动强度，提高了管理效率。本系统采用 S7-300可编程控制器，很好地完成了预定的控制任务，取得了明显的经济效益和社会效益，具有非常好的推广价值和应用前景。

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第 25 页

致 谢

经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里要感谢我的导师李福云老师。李老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是李老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩李老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下自动化专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。最后感谢电信学院和我的母校—辽宁科技大学四年来对我的大力栽培。

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第 26 页

参考文献

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第 27 页

附 录

OB1 游泳池水处理主程序

NETWORK 1 I0.0I0.1I0.4I0.7M0.0M0.0

NETWORK 2 M0.0ENFC100ENOFC101ENENO

NETWORK 3 I1.3M0.2I1.4M0.0M21.4M5.0M5.0M0.3

NETWORK 4 M5.0M5.1Q1.1

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FC100 水循环系统程序 NETWORK 1 M0.1I0.3M1.0I0.4I0.5M0.3M2.0M0.2M0.2M1.6T40I0.6M1.1I0.7I0.1M0.2M2.0M0.3M0.3M1.5T38

NETWORK 2

Q0.2I0.4M0.1T39M0.4M0.4

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NETWORK 3

T38M0.4Q0.2S_ODTSSQM4.0S5T#10STVBIT39RBCD

NETWORK 4

T39T38S_ODTSSQM4.1S5T#1STVBIT39RBCD

NETWORK 5 T38M1.1M1.5M1.5

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第 30 页

NETWORK 6 Q0.3I0.7M0.1T40M0.5M0.5

NETWORK 7 M0.5Q0.2ST40M4.2S_ODTSQS5T#10STVBIT41RBCD

NETWORK 8

T41T40S_ODTSSQM4.3S5T#1STVBIT41RBCD

NET WORK 9 T40M1.0M1.6M1.6

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NETWORK 10

T37M0.1T37S_ODTSSQM4.4S5T#1H20MTVBIT37RBCD

NETWORK 11

C20T37C21S_CDCDQM4.5M0.1SCVC#360C21PVCV_BCDRI0.0

NETWORK 12 T37C20CDC21S_CDQM4.6M0.1SCVC#360C21PVCV_BCDRI0.0

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第 32 页

NETWORK 13 M0.1C20M1.0C21M1.1

NETWORK 14 M0.1I0.1I1.1I0.4M2.2M0.2I0.2I1.2I0.7M2.3M0.3I1.3I1.4I0.4I0.5M2.0M2.0

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第 33 页

NETWORK 15 M0.2Q0.2M2.0M2.2

NETWORK 16 M0.3Q0.3M2.0M2.3FC101水质检测及投药控制系统主程序 NETWORK 1 FC102ENENO

NETWORK 2 M9.0M9.1FC103ENENO

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第 34 页

NETWORK 3 M0.3CMP ≤ IM5.2M0.2MW420IN1

9953IN2CMP ≤ IM5.4MW420IN114377IN2M5.4M5.2M5.5M5.5T44M5.5S_ODTSSQS5T#3STVBIT44RBCDT44M5.6

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第 35 页

NETWORK 4 M5.5Q0.5M8.0

NETWORK 5 M5.6Q0.4M8.1

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FC101 浊度平均值计算初始化

设置采样次数 NETWORK 1 I0.0M0.0PENMOVEENO0INOUTMW400ENMOVEENO256INOUTMW402ENMOVEENO0INOUTMW410ENMOVEENO0INOUTMW414ENMOVEENO0INOUTMW418

FC103 计算浊度采样平均值 NETWORK 1

M0.0ENPIW304INMOVEENOOUTMW412

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NETWORK 2 CMP ≥ IENMW4120IN1IN20INMOVEENOOUTMW410

NETWORK 3 M0.0ENADD_DIENOOUTMD414MD410IN1MD414IN2ADD_DIENENOOUTMW400MW400IN11IN2

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NETWORK 4

CMP ≥ IMW400IN1MW402IN2

I_DIENENOMW402INOUTMD402MOVEENENOMD414INOUTMD418DIV_DIENENOMD408IN1OUTMD418MD402IN2MOVEENENO0INOUTMD414MOVEENENO0INOUTMW400

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OB35 PID温度控制 NETWORK 1 M5.0ENCOM_RESTMAN_ONM0.0M0.0M0.0PVPER_ONP_SELI_SELINT_HOLDI_ITL_OND_SELT#200MS3.880000e+001CYCLESP_INTPV_INPIW306PV_PERMAN1.000000e+000T#10MGAINTITDTM_LAGDEADB_W1.000000e+0020.000000e+000LMN_HLMLMN_LLMPV_FACPV_OFFLMN_FACLMN_OFFI_ITLVALDISVENOLMNLMN_PERQLMN_HLMQLMN_LLMLMN_PLMN_ILMN_DPVERPQW2889.700000e+0013.000000e+000

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第 40 页

第五篇：家用电器节能系统设计说明书

家用电器节能系统设计说明书

设计者：

指导教师：

（XX学院，机械设计制造及其自动化工程，机本班）

作品内容简介

通过实验设计了一套空调与电热水器联合节能系统，实现家庭、酒店、理发店医院等同时需要制冷和制热（包括制热水）系统的节能。通过对空调系统的改进实现，空调废热利用，节约热水器耗能。把热水器变成空调系统的一个冷凝器，在夏天使用空调时顺便加热热水，热水器不耗电；春秋冬通过热泵原理，利用空调设备，用电能取得大量热量，实现节能。

研制背景及意义

空调和热水器是家庭的必备家电，目前大中城市普遍采用的是电热水器，酒店既大量使用空调有需要大量热水，夏天空调制冷产生的大量废热，如果能利用这些废热来加热水可提供大量生活热水。春秋冬季节需要大量生活热水，如果用电热水器来加热，能耗很到，空调设备也基本闲置，如果能利用空调装置和热水器装置构成一个热泵，既可实现空调装置的有效利用，也能实现热水器的节能。

对于家庭、酒店、理发店或医院等系统来说，同时购买空调和热泵热水器可实现有效节能，但是热泵热水器投资巨大，节能却不省钱。没有经济意义。

因此，我们致力于研发尽量少的的增加设备投资的情况下实现系统的节能。

设计方案

2.1机械控制

空调热水器设计如图1所示

室内换热器

热水器换热器（冷凝器）

室外换热器

压缩机

毛细管（节流阀）

6、7

四通阀8、9

截止阀

可调节三通阀

图1

空调热水器系统设计图

空调热水器原理图如图2

室内换热器

热水器换热器（冷凝器）

室外换热器

压缩机

毛细管（节流阀）

6、7

四通阀8、9

截止阀

可调节三通阀

图2

空调热水器原理图

制冷、制热水循环：

关闭阀门8，打开阀门9，四通阀6，7通电，当水温较低时，阀门10调节流量是工质全部流向2（热水器换热器）加热水，当水温升高（>32度）调节阀门10减小流向2的流量，让一部份工质流经3（室外换热器），当水温超过40度，只让工质流经3。

室内换热器（蒸发器）

热水器换热器（冷凝器）

室外换热器（冷凝器）

压缩机

毛细管（节流阀）

6、7

四通阀8、9

截止阀

可调节三通阀

图3

制冷制热水循环

制热、制热水循环：

关闭阀门9，打开阀门8，四通阀6，7失电，此时3（室外换热器）充当蒸发器，1（室内换热器）、2（热水器换热器）充当冷凝器，通过阀门10可以实现仅制热，或者仅制热水，同时制热和制热水将受室外换热器负荷限制。

室内换热器（冷凝器）

热水器换热器（冷凝器）

室外换热器（蒸发器）

压缩机

毛细管（节流阀）

6、7

四通阀8、9

截止阀

可调节三通阀

图4

制热制热水循环

设计时考虑的主要问题：

1.热水器和空调的工况差异大，在水温的不同阶段由于工况的漂移，压缩机负荷急剧变化，致使机组无法有效运行，如何在不影响空调性能的前提下，实现空调的热量利用？

2.空调热水器能否实现的四季均可利用？

3.热水器换热器怎么在空调中一直充当冷凝器？

2.2电器部分（电路控制）

1.空调控制系统十分复杂，修改难度大，同时改动成本也高。因此我们基本不对空调控制系统的进行修改。

2.根据水温调节阀门开度，市场有该控制电路成品，采用这种产品。我们可以实现对阀门10的控制。

3.还需要另外设计的控制包括阀门8、9和四通阀7，（注：四通阀6在空调控制系统中）下面设计对阀门8、9和四通阀7进行的控制设计：

这些阀门只存在两种状态：状态一：阀门8关，阀门9开，四通阀7得电；状态二：阀门8开，阀门9关，四通阀7失电。所有阀门的两种状态对应相反。阀门8、9均为得电打开，因此控制电路设计就比较简单。

图5

电磁阀控制

开关向右，电磁阀9得电打开，电磁阀8失电关闭，实现制冷制热水循环；

开关向左，电磁阀8得电打开，电磁阀9失电关闭，实现制热制热水循环

理论设计计算

1.空调工况计算：

考虑到目前主要使用的制冷剂为R22，有必要对原有设备进行节能改造，本设计计算采用R22做制冷剂计算，但R22对臭氧层有破坏作用，属于将要淘汰的制冷剂之一。故在日后新产品的设计制造中考虑使用R134a等环保制冷剂。

空调制冷系统，工质为R22，需要制冷量=5kW，空调用冷气温度为=15°C，蒸发器端部传热温差为∆

=10°C，冷却水温度为=32°C，冷凝器端部的传热温差取

∆=

8°C，液体过冷度△=5°C，有害过热度△=5°C，压缩机的输气系数为λ=0.8,指示效率ŋ=0.8。

分析：绘制制冷循环的压-焓图，如右图所示

根据已知条件，得出制冷剂的工作温度为：

=+∆=32+8=40°C

=-∆=10-5=5°C

=-∆=40-5=35°C

=+∆=5+5=10°C

查R22表得到各循环特征点的状态参数如下：

点号

P（MPa）

t（°C）

h（kJ/kg）

v（/kg）

0

0.58378

407.143

0.58378

412

0.043

1.5335

446

1.5335

250

热力计算：

(1)

单位质量制冷量

=-=407.143-250=157.143kJ/kg

(2)

单位容积制冷量

=/=157.143/0.043=3654.5kJ/

(3)

理论比功

=-=446-412=34kJ/kg

(4)

指示比功

=/ŋ=34/0.8=42.5kJ/kg

=+=412+42.5=454.5kJ/kg

(5)

制冷系数

ε=/=157.143/34=4.62

ε=/=157.143/42.5=3.70

(6)

冷凝器单位热负荷

=-=454.5-250=204.5kJ/kg

(7)

所需工质流量

=/=5.0/157.143=0.0318kg/s

(8)

理论输气量

=/λ=1.37×/0.8=1.71×

/s

实际输气量

==0.0318×0.043=1.37×

/s

(9)压缩机消耗的理论比功

==0.0318×34=1.08

kW

压缩机消耗的指示功率

=/

ŋ=1.08/0.8=1.35

kW

(10)冷凝器的热负荷

==0.0318×204.5=6.50

kW

(11)热力学完善度

卡诺循环制冷系数ε=(273+10)/(40-15)=11.32

指示热力学完善度

ŋ=ε/ε=3.7/11.32=0.327

2.热水器换热器设计计算：

经分析：该换热器在空调中一直起着水冷式冷凝器的作用，下面按照水冷式冷凝器的设计方法设计换热器。

设计要求：热负荷

Qk=6.5KW;

冷凝温度

tk=40oC；制冷剂

R22

（1）

冷凝器的结构形式：卧式壳管式冷凝器

（2）

冷却水温

t’,温升△t,t1’=32oC;在卧式冷凝器中，一般取△t=3～5oC,取△t=4

oC，冷却水出口温度

t’

’=

t1’+△t=36

oC

（3）

冷凝器中污垢热阻

管外热阻

ro=0.9x10-4m2.oC/W

管内热阻

ri=

0.9x10-4m2.oC/W

（4）

冷凝器的设计计算

①

冷却水流量

qvs

和平均传热温差△tm

冷却水流量qvs为

QVS=Qk／(ρc∆t)=6.5／(1000×4.187×4)=0.388×10-3

m/s

平均传热温差

△tm

=t，-t,／㏑[tk-t1,/(tk-t1，)]=36-32/㏑[40-32/(40-36)]=5.8

℃

②

初步规划的结构尺寸

选用的铜管，取水流速度

u=1.5m/s

则每流程的管子数

z=4qVS／πdi2u=4×0.388×10-3/[3.14×(10-2)2×10-6×1.5]=5.15

圆整后z=6

根

实际水流速度

u=4qVS／πdi2z=4×0.388×10-3/[3.14×(10-2)2×10-6×6]=1.3

m/s

③

管程与有效管长

假定热流密度q=6400w/m2则所需的传热面积Fo为

Fo=Qk/q=6500/6400=1.015

m2

管程与管子有效长度乘积

NLc=F0/πd2z=1.015/(3.14×0.01×6)=5.38

m

采用管子或正三角形排列的布置方案，管距

S=20mm,对不同流程数N，有不同管长lc及筒径D,见下表：

N

lc(m)

NZ

D(m)

lc/D

2.69

0.14

1.34

0.18

0.89

0.20

0.67

0.22

从D及lc/D值看，8流程是可取的④

传热系数

1)

管内冷却水与内壁面的换热系数，αi=0.023λ/di

Ref0.8Prf0.4

计算时取冷却水的平均温度ts为定性温度

ts=(t1’+t1’’)/2=(32+36)/2=34℃

Ref=udi/v=1.3×0.008/(0.7466×10-6)=13930

Ref0.8=2066

Pr=4.976(查物性表中的数据)

Pr0.4=1.9

λ=62.48×10-2

W/(m

oC)

αi=0.023×62.48×10-2/0.008×2066×1.9=7051

W/(m2

oC)

2)

水平管的排数

因流程数N=8，总的管子数Nz=48，将这些管子布置在17个纵列内，每列管子数分别为1，2，3，4，3，3，3，3，4，3，3，3，3，4，3，2，1则按公式

=[48/(2×10.75+2×20.75+10×30.75+3×40.75)]4=2.94

(3)管外换热系数α0的计算

α0=cb(1/∆t0d0)0.25

W/(m2

·℃)

查表得

b=1465.9,c=0.725,α0=nm-0.25αco=2585∆t0-0.25

W/(m2

·℃)

（4）传热系数大。传热过程分成两部分：第一部分是热量经过制冷剂的传热过程，其传热温差为∆t0，第二部分是热量经过管外污垢管。管壁管内污垢层以及冷却水的传热过程：

第一部分的热流密度：

q1=λα0∆t=2585∆t00.75

W/m3

第二部分的热流密度为：

q2=∆ti/[(1/αi+γi)d0/di+δ/λ(d0/dm)+

γ0]

W/m2

其中

dm为管子的平均直径，将有关数值代入求的：

q2=2614∆ti=2614(5.8-∆t0)

取不同的∆t0试凑：

∆t0

q1

q2

7319.2

5892.5

3.5

6012.2

6614.78

3．35

6404.3

6400.9

可见∆t0=3.35时，q1与q2的误差已经很小，所以tw=36.65oC，q=6404

W/m2

这与前面假定的q=6400

W/m2

只差0.6%，表明前面的假定可取。

(5)传热面积和管长：

传热面积F0=1.015m2，有效管长L=0.67m，适当增加后，取管长为0.93m。

(6)水的流动阻力

沿程阻力系数ξ=0.3164/Ref0.25=0.3164/(13930)0.25=0.0291

冷却水的流动阻力∆P为：

∆P=1/2

ρu2

[(ξ

N

L/di)+1.5(N+1)]

=0.5×1000×1.32×[0.0291×8×0.93/0.008+1.5(8+1)]

=0.034MPa

考虑到外部管路损失，冷却水总压降约为：

∆P，=0.1+∆P=0.134MPa

取离心水泵的效率ŋ=0.6，则水泵所需的功率为：

Pe

=qr

∆P，/ŋ=0.388×10-3×0.134×106/0.6=86.7

W

设计综述如下：Ф10×1的铜管总数为48根，每根传热管的有效长度为930mm，管板的厚度取30mm，考虑传热与管板之间胀管加工时两端各伸出3mm，传热管实际下料长度为1000mm，壳体长度为930mm，壳体规格为Ф273×7mm的无缝钢管，取端盖水腔深度为50-60mm，端盖铸造厚度约为10mm，则冷凝器外形总长为1100mm。冷却水流程为8，传热管48根。冷凝器外壁涂上1mm的隔热涂料。

3.热水器烧水时间计算（实用性计算）：

热水器换热器热负荷

6.5kW，电热水器总共50L水

将50L水从14℃加热到40℃水温升高26℃

烧水时间t

假设水箱保温不够散热，损失20热能

烧水时间t’=

冷凝器设计入口温度为32℃，当水温较低(<=32)时，冷凝器的传热温差较大，传热快。当水温较高（>32℃）时，冷凝器的传热温差较小，传热慢。总体来看，启动空调20分钟内，能够将水烧开到40℃供洗澡用。

4.节能计算

情况1：夏季使用空调制冷，且需要热水洗澡，冷水水温20℃

需要水温40℃：节约全部原来需要电热水器烧水消耗的电能

需要水温60℃：节约初始20℃到40℃的烧水电能；40℃到60℃，使用电热水器加热；

电热水器耗能：W=cm∆t=4187*50*40=8374000J

本装置耗能：W=cm∆t=4187*50*20=4187000J

与使用电热水器加热相比节能：（8374000-4187000）/8374000=50%

情况2：春秋季节不使用空调制冷，且需要热水洗澡，冷水水温15℃

需要水温40℃：使用热泵加热，供热系数为4.3，与电热水器加热相比，节约电能76%。

需要水温60℃，先使用热泵将水加热到40℃，再用电热水器加热到60℃；

电热水器耗能：W=cm∆t=4187*50*45=9420750J

本装置耗能：W=cm∆t=4187*50*（25/4.3+20）=5404151J

与使用电热水器加热相比节能：42.6%。

情况2：春秋季节不使用空调制冷，且需要热水洗澡，冷水水温10℃

需要水温40℃：使用热泵加热，供热系数为4.3，与电热水器加热相比，节约电能76%。

需要水温60℃，先使用热泵将水加热到40℃，再用电热水器加热到60℃；

电热水器耗能：W=cm∆t=4187*50*50=10467500J

本装置耗能：W=cm∆t=4187*50*(30/4.3+20)=4187000J

与使用电热水器加热相比节能：46%。

综上，本设计主要在节约电热水器加热部分的能量，至少能节能40%以上。且夏天能利用空调制冷的热量，春秋冬季使用热泵制热，节能优势明显。

工作原理及性能分析

工作原理：能级匹配节能原理，热泵原理

电热水器通过电加热的方式加热水，是把功变成热，能级严重不匹配，造成能源的品质浪费。本作品基于热泵原理（通过做功把热量由低温热源传向高温热源，得到数量高于功的能量），较电加热热水器而言实现电能的合理利用。

性能分析：

从经济性上来说，热泵成本较高，本作品合理的利用空调装置，实现热水器的热泵改造，实现设备投资的节约。

理论估计本设计的性能要远高于空调和热水器单独使用。具体的性能指标还有看实际中空调和热水器联用对空调系统的影响程度，才能确定。

创新点及应用

1）实现空调和热水器不同工况的有效整合；

2）操作和控制简便，容易地使用它；

3）空调设备在春秋冬季节得到有效利用。

在全国大中城市，空调和电热水器普及数量很多，大部分属于隔离状态，有待在节能改造，因此应用前景很广。

参考文献

[1]

张小松，王铁军，金苏敏

制冷技术与装置设计

重庆大学出版社：142-146

[2]

吴业正，韩宝琦

制冷原理及设备

西安交通大学出版社，1998：53-54，246-250