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1、青岛理工大学 毕 业 设 计（论 文）题目：基于PLC的土壤源热容量测控系统的设计学生姓名： 指导教师： 自动化工程 学院 自动化 专业 2 班2011年 6 月 20 日毕业设计(论文)任务书专业 自动化 班级 07级2班 姓名 下发日期 2011年3月7日题目基于PLC的土壤源热容量测控系统的设计专题主要内容及要求设计一种基于新型PLC及功能扩展模块的集成系统，实现对循环水负载的温度检测以及控制以实现对地下水热容量的测试。设计一种PID控制算法，实现对地下水设定负载的温度控制；设计合理的过程检测方式，如恒功率检测方式和恒温检测方式；设计一种可触摸的数据显示和输入输出单元，实现数据的显示、数
2、据、状态的输入操作功能。主要技术参数1 检测的温度范围：01002 检测分辨率：0.53 温度输入点：3点4 控制精度：1 5 采用西门子s7-200系列PLC。 6 显示方式：采用触摸显示屏，显示系统的运行参数，以及各项操作。进度及完成日期3月7日4月3日 毕业设计实习。应用调研；查资料等，作好设计准备4月4日4月 9日 进行系统分析和可行性研究，选择设计方案。4月11日4月 23日 初步方案设计。 4月25日5月 14日 总体方案确定；初步设计硬件电路。5月16日5月 28日 修改硬件电路设计；绘原理图；初步设计软件程序。5月30日6月 4日 程序调试；写论文。6月5日6月 18日 完善论
3、文，交论文，准备答辩。教学院长签字日期教研室主任签字日期指导教师签字日期第1页指 导 教 师 评 语 指导教师: 年 月 日第2 页指 定 论 文 评 阅 人 评 语: 评阅人: 年 月 日第3 页答 辩 委 员 会 评 语答辩委员会主席签字： 年 月 日 总 评 成 绩周记成绩指导教师评定成绩评阅人评定成绩答辩成绩总 评主管院长签字第4页摘要 本文介绍了以地源为能源,以可编程逻辑控制器(西门子S7-200)为控制系统核心,并用触摸屏对运行状况进行观测、调节的土壤源热容量测控系统。在设计应用地源热泵空调系统的初期，需要准确地掌握地下热容量的情况，因此，地下热容量测试系统的研制也同时提出，使用热
4、容量测试系统对地下的热容量进行准确的测试后，为合理地设计地源热泵空调系统提供了重要依据。该系统由一台S7-200PLC、一台威纶MT6070触摸显示屏、两个固态继电器（SSR-1、SSR-2）一台水泵电机、一个温度传感器和若干辅助器件组成，以完成对土壤源热容量的测控。该系统是一种较典型的集成化自动控制系统，该控制系统采用恒温或者恒功率的方法,对出水口和回水口的温度进行采集、传输、运算，并且将其通过触摸显示屏显示出来，进而通过触摸显示屏（MT6070）显示出来的数据对土壤源热容量进行分析，为地源热泵空调系统的安全运行提供重要依据。关键词: 可编程逻辑控制器；土壤源热容量；触摸显示屏ABSTRAC
5、TThis paper introduces the ground source for energy, with programmable logic controllers (Siemens s7-200) for control system, and the core of touch screen operation condition were observed and adjust the soil source heat capacity measurement and control system. In the design of ground source heat pu
6、mp air conditioning system applied in the early stages of the need to accurately grasp the underground heat capacity, therefore, underground heat capacity test system and puts forward that the development and use of heat capacity test system of underground heat in accurate testing, for reasonable de
7、sign ground source heat pump air conditioning system provides the important basis. The system consists of a s7-200 PLC, a Wisconsin black silk ribbon MT6070 display touch screen, two solid state relays (SSR-1, SSR-2) a water pump motor, a temperature sensor and some auxiliary parts of soil source he
8、at capacity of complete control. The system is a typical integration automatic control system, the control system using constant temperature or constant power method, and back to the nozzle to the outlet temperature of the collection, transmission, operations, and put it through the display touch sc
9、reen display, and then through the display touch screen (MT6070) the display of soil source heat capacity data analysis for ground source heat pump air conditioning system security to provide important basis. Keywords: Programmable Logic Controller; Soil source heat capacity; Touch screen 目录摘要.IABST
10、RACT.II第一章 前言.11.1 土壤源热容量测控系统设计的目的和意义.11.2 土壤源测控系统研究背景及发展.11.3 土壤源热容量测控系统原理.2第二章 土壤源热容量测控系统的构成.32.1 系统工艺，设备简介.32.2 系统设计思想.32.3 系统设计.32.3.1 控制要求.42.3.2 系统设计思想.42.3.3 系统设计电路图.5第三章 硬件设计.63.1 硬件电路图.63.2 可编程控制器基本构成.63.3 PLC特点.73.4 PLC设计的基本原则.83.5 PLC的选择.83.5.1 S7-200优点.83.5.2 CPU的选择.83.5.3 I/O分配表.93.6 触摸
11、显示屏的选择.103.7 温度变送器的选择.10第四章 软件设计.124.1 温度检测.124.1.1 恒温检测.124.1.2 恒功率检测.134.2 PID控制算法.144.2.1 PID控制算法简介.144.2.2 PID控制算法理论.154.2.3 PID控制算法的产生.164.2.4 PID控制算法的其他功能.16第五章 结束语.18致谢.19参考文献.20附录.21附录一.21附录二.22附录三.23附录四.24第一章 前言1.1土壤源热容量测控系统设计的目的和意义在设计应用地源热泵空调系统的初期，需要准确地掌握地下热容量的情况。因此，地下热容量测试系统的研制也同时提出，使用热容量
12、测试系统对地下的热容量进行准确的测试后，为合理地设计地源热泵空调系统提供了重要依据。在设计应用地源热泵空调系统的初期，需要准确地掌握地下热容量的情况。地源热泵是地下土壤层为冷（热）源对建筑物进行供暖、供热水和空调供应的技术。众所周知，地层之下一年四季均保持一个相对稳定的温度。在夏季，地下的温度要比地面空气温度低，在冬季却比地面空气温度高。地源热泵正是利用大地的这个特点，通过埋藏在地下的换热器，与土壤或岩石交换热量。地源热泵全年运行工况稳定，不需要其它辅助热源及冷却设备即可实现冬季供热、夏季供冷。所以，地源热泵是一项高效节能型、环保型并能实现可持续发展的新技术，它既不会污染地下水，又不会影响地面
13、沉降。在冬天，管道内的液体将地下的热量抽出，然后通过系统导入建筑物内，同时蓄存冷量，以备夏用；在夏天，热量从建建筑物内抽出，通过系统排入地下，同时蓄存热量，以备冬用。地源热泵一年四季均能可靠的提供高品质的冷暖空气，为我们营造一个非常舒适的室内环境。土壤热容量（soil heat capacity）被定义为：单位质量或原状体积土壤温度升高1所需的热量。它有两种表达方式：一是土壤质量热容量，即为1克土壤温度升高1所需的热量，用cw表示，单位是焦/克；二是体积热容量，即为1立方厘米原状土壤温度升高1所需的热量，用cv表示，单位是焦/厘米3。两者的换算关系式是cv=cwd,其中d是土壤密度，单位是克/
14、厘米3.据估算在土壤孔隙度为50%、含水量为30%时，土壤的体积热容量一般为168焦/厘米3。1.2土壤源测控系统研究背景及发展地源热泵空调系统具有以下几个优点：1. 属可再生能源利用技术；2. 高效节能；3. 运行稳定可靠；4. 环境效益显著；5. 自动运行因此为了更好的利用地源热泵空调系统为人们的生活提供服务，土壤源热容量测控系统的研究就变得尤为重要，因此，地下热容量测试系统的研制也同时提出，使用热容量测试系统对地下的热容量进行准确的测试后，为合理地设计地源热泵空调系统提供了重要依据。地源热泵空调系统相比传统空调有很多优点，因此在未来空调发展道路上，它将成为主流，而土壤源的测控也相对变得相
15、当重要。1.3土壤源热容量测控系统原理该系统是一种较典型的集成化自动控制系统，该控制系统采用恒温或者恒功率的方法,对出水口和回水口的温度进行采集、传输、运算，并且将其通过触摸显示屏显（威纶MT6070）示出来，进而通过触摸显示屏显示出来的数据对土壤源热容量进行分析，从而得知该地区的土壤源热容量是否优异，是否可以安装地源热泵空调，这为地源热泵空调系统的安全运行提供重要依据。对于恒功率测温方法，由于外界的负荷（外界负荷如给多大面积的小区供应能量）是一定的，所以将功率设定在一个固定值（如2000W），看是否打一口井或者多口井能满足当前功率下对土壤源热容量测量的要求。如图1.1所示，出水口温度为T1，
16、回水口的温度为T2，水箱的温度为T3图1.1土壤源热容量测控外观系统图通过对出水口或者出水口和回水口温差比较，得出土壤源热容量的大小，使系统能够正常安全的运行第二章 土壤源热容量测控系统的构成2.1 系统工艺，设备简介该系统由一台S7-200PLC、一台威纶MT6070触摸显示屏、两个固态继电器（SSR-1、SSR-2）一台水泵电机、一个温度传感器和若干辅助器件组成。系统设置一个开关，控制整个电路的运行，从而电机的正常运转保证系统的顺利运行；同时还设置一个急停开关，在系统出现故障时及时是电路断开，保证安全；并且配有一个电源指示灯。土壤源热容量测控系统采用热电阻测温，采集出水口温度（T1），回水
17、口温度（T2），水箱温度（T3），并且通过模拟量输入模块（EM231）转换成420ma的电流送入CPU处理运算，CPU处理运算后的数据通过模拟量输入（输出）模块（EM235）送至触摸显示屏显示出来（控制加热丝加热），继而对显示出来的数据进行分析，2.2 系统设计思想在设计应用地源热泵空调系统的初期，需要准确地掌握地下热容量的情况，因此，地下热容量测试系统的研制也同时提出，地下土壤热容量的准确测量对于地源热泵系统的安全、稳定运行提供了前提保证。该系统相比较早期的空调控制系统更加环保、安全、节能，是未来空调系统的主要走向。设置一个开关控制整个系统的通断，同时设置一个急停开关，当系统出现故障时能够及
18、时停止，不至于总成安全事故，达到该系统的稳定运行固态继电器是当输入量(电压、电流)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器，利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护该系统通过对三路温度采集、变送、处理，进而通过触摸显示屏显示的数据对地下土壤源热容进行分析，判断是否适合地源热泵空调系统的合理运行。空气开关是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的开关自动打开，防止电气设备短路和严重过载。启动指示灯是电路接通的一个指示信号2.3 系统设计2.3.1 控制要求设计基于PLC的地源热泵测试系统实现对地下热容量的测试。该系
19、统是一种较典型的集成化自动控制系统，对自动化专业的学生而言是一个重要的应用方式。通过PID控制算法，实现对地下水设定负载的温度控制；通过合理的恒温检测或者恒功率检测方式，实现对三个温度的采集；利用MT6070触摸显示屏，实现数据的显示、数据、状态的输入操作功能。该系统控制的技术要求如下 ：1 检测的温度范围：0100;2 检测分辨率：0.5;3 温度输入点：3点;4 控制精度：1;5 采用S7-200系列PLC;6 显示方式：采用触摸显示屏，显示系统的运行参数，以及各项操作。2.3.2系统流程图 开始模式选择启动运行急停机组停止控制阀关闭自动数据处理温度采集系统动作反馈量采集控制阀开启机组运行
20、图2.1 程序流程图程序流程图直观的反映了该系统的动作情况2.3.3系统设计电路图T1是出水口温度，T2是回水口温度，T3是水箱温度；从而控制电机运行该系统的CPU输出输入线路图如下所示图2.2 控制电路图如上图所示设置一个开关控制整个系统的通断，同时设置一个急停开关当系统出现故障时能够及时停止，不至于总成安全事故，达到该系统的稳定运行，同时配有一个电源指示灯。图2.3 AD触摸显示图第三章 硬件设计3.1 硬件电路图图3.1土壤源热容测控系统硬件电路图如图所示，三个温度变送器出水口温度（T1），回水口的温度为（T2），水箱的温度为（T3）采集，变送，再送入CPU中进行运算，再通过触摸显示屏显
21、示出来想要分析的数据，从而分析土壤源热容量是否符合要求。3.2编程程序控制器基本构成输入模块输出模块CPU模块可编程控制器编程器按钮选择开关限位开关电源接触器电磁阀指示灯电源图3.2 PLC控制系统示意图可编程序控制器PLC（Programmable Logic Controller）主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成1。（如上图所示）可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似。可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）、存储器（RAM和EPROM）、输入/输出模块(简称I/O模块)、编程器和电源五大部分组成3。（1）CPU模块CPU模块又叫中央
22、处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储器组成。它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：1.输入处理：将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。2.程序执行：逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。3.输出处理：将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载2。（2）I/O模块I/O模块是系统联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输入信号有两类：一类是开关量输入信号；另一类是模拟量输入信号。可编程控制器通过输出控制模块控制接触器、电磁阀
23、、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器。可编程控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。CPU模块的工作电压一般是5V，而可编程控制器的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。从外部引用的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或是可编程控制器不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。I/O模块处理传递信号外，还有电平转换和噪声隔离的作用4。（3）编程器编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。编程器可以永久地连续在可编程控制器上，将它取下来后可编程控制器也可以运行，一般只在程序的
24、输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程控制器公用6。3.3 PLC的特点PLC之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分不开的:（1）功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它均能满足；（2）应用灵活， 其标准的积木式硬件结构，以及模块化的软件设计，使得它不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合；（3）操作方便，维修容易，稳定可靠。尽管PLC有各种型号，但都可以适应恶劣的工业应用环境，耐热、防潮、抗震等性能也很好，一般平均无故障率可达几万小时8。3.4 PLC设计的基本原则1.最大限度的满足被控对象的控制要求。2.在满足控制要求
25、的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。3.保证控制系统安全可靠。4.考虑到生产发展和工艺改进，在选择PLC容量时应适当留有余量11。 S7-200CPU226MT6070模拟量输入输出模块模拟量输入三个采集温度图3.3 PLC控制的过程3.5 PLC的选择3.5.1 S7-200的优点德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有
26、网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。西门子公司的S7-200 PLC是一种叠装式结构的小型PLC。它的优点主要体现在以下几个方面：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块。3.5.2 CPU的选择(1)CPU226根据控制要求选用CPU 226较合适。本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13
27、K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。由于是直流输入模块，所以采用直流电源作为检测各输入接点状态的电源（用户提供）。直流电源（DC）为CPU 提供24V电源，保证系统运行。对于继电器输出方式，可带直流负载。负载的激励源由负载性质确定。端子L1、N1提供120/24
28、0VAC电源13。(2)EM231EM231的电压输入范围：单极性010V，05V；双极性5V，2.5V 。电流输入范围 ：020mA ；模拟量到数字量的最大转换时间 ：250s ；该模块模拟量的输入值为只读数据。模拟量输入模块（EM231）的输入信号经模数（A/D）转换后的数字量数据值是12位二进制数。数据值的12位在CPU中存放格式如图所示。最高有效位是符号位：0表示正值数据，1表示负值数据。每个通道占用存储器AI区域2个字节。(3)EM235EM235具有4个模拟量输入通道、1个模拟量输出通道 。模拟量输入功能同EM231模拟量输入模块，技术参数基本相同 。电压输入范围有所不同，单极性为
29、010V、05V、01V、0500mv、0100mv、050mv。双极性为10V、5V、2.5V、1V、500mV、250mv、100mv、50mv、25mv。该模块的模拟量输出功能同EM232模拟量输出模块。技术参数也基本相同。该模块需要直流24V供电。可由CPU模块的传感器电源24VDC/400mA供电。也可由用户提供外部电源5。3.5.3 I/O分配表 表3.1 I/O分配表1I0.0K1启动按钮Q0.0电机运行2I0.1K2手动自动切换Q0.1出水口温度3I0.2K3急停按钮Q0.2回水口温度4AIW0出水口温度Q0.3水箱温度5AIW2回水口温度AQW0恒温控制水箱温度6AIW4水箱
30、温度3.6 触摸显示屏的选择该系统中我们采用威纶MT6070 触摸显示屏来显示CPU处理运算过的的数据它的规格如下：威纶M6070具有3个COM端口，1个USB2.0接口，1个USB1.1接口。具体指标如下3.2 MT6070指标环境规格操作温度: 0- 45C (32- 113F)相对湿度:10% - 90% 40C, 无凝露震动测试:10 to 25Hz(X,Y,Z 方向 2G 30分钟) 电磁干扰: 符合 FCC class A防水性:前面板符合NEMA4/IP65LCD显示器显示类型:TFT LCD显示尺寸(对角):7”显示色彩:65,536 色分辨率:800 x 480MT6070触
31、摸显示屏上有与PLC相对应的接口，直接使用便可。MT6070威纶显示屏，他和系统时间是通过串口通信实现数据转换的，可以使用232或者485实现该功能，PLC上有串口，可以直接连接使用。3.7 温度变送器的选择热电阻是由导体或半导体制成的感温器件。热电阻测温基于导体或半导体的电阻值随温度变化的特性。热电阻测温的优点是信号可以远传、灵敏度高、无需参比温度。金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。其缺点是需要电源激励、有自热现象，影响测量精度5。该系统采用四线制的一体化变送器。该方式是在热电阻两端各连两根导线，其中两根导线为热线组提供恒流源，在热电阻上产生的压降通过另外两根导线接入
32、电势测量仪表进行测量，当电势测量端的电流很小时，可以完全消除引线电阻对测量的影响，这种引线方式提高温度检测的精度。采用热电阻测温，然后将信号送到变送器，并转换成4-20mA的输出电流,或05V的输出电压，继而送入CPU进行处理运算。温度变送器图示如下：图3.4温度变送器 第四章 软件设计4.1温度检测温度反映物体的冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。温度的定量测量一热平衡现象为基础，两个受热程度不同的物体相接触后，经过一段时间的热交换，达到共同的平衡状态后具有相同的温度。温度测量原理就是选择合适的物体作为温度敏感元件，其某一物理性质随温度而变化的特性为已知，通过温度敏感元件与被测对象的
33、热交换，测量相关的物理量，即可确定被测对象的温度。该系统采用热电阻测温，热电阻把温度量转换成电阻值，这样就可以通过测量电阻来测量温度。测量电阻通常可利用欧姆表或电桥。平衡电桥法平衡电桥法如图所示。在图4.1中，如果电阻R1=R2，当热电阻Rt阻值随温度变化时，调节电位器Rw的电刷位置x，使电桥处于平衡状态，则有Rt=(x/L)R0=nR0L、R0电位器有效长度和总电阻x电刷位置图4.1 平衡电桥法测温4.1.1 恒温检测恒温检测定义为：CPU通过模拟量输出扩展模块将水箱的的温度设定在一个定值，即让加热水箱出水口温度（即水井的回水口温度）维持在一个固定值（如30.C），看水井的出水口温度数值的变
34、化情况。恒温检测原理图如4.2所示，水箱温度T3=T2(水井回水口温度)，水井出水口温度T1=Ti是个变量。最后将三处采集的温度变送后送到CPU处理运算，再通过触摸显示屏显示出来，进而分析土壤源热容量。如CPU控制水箱恒定加热温度维持在50，首次水井出水口温度是T1=20进入水箱恒温加热，再通过水箱出水口（水井回水口）回到水井的温度T2=50，此时再次从水井出来的水的温度变为T1=Ti，若此时的Ti和之前的T1相差不大，那么说明土壤源热容量大且比较优异，较为适合地源热泵空调的安装。图4.2恒温检测方式4.1.2 恒功率检测图4.3恒功率检测恒功率检测定义为：CPU通过模拟量输出扩展模块将水箱的的温度设定在一个固定值，即加热水箱功率维持在一个固定值（如2000W），通过出水口和回水口的温度之差来判定土壤源热容量的大小。恒温检测原理图如4.3所示，CPU控制水箱恒功率加热，通过出水回水口的温差比较分析土壤源热容量的大小，最后将三处采集的温度变送后送到CPU处理运算，再通过触摸显示屏显示出来，进而分析土壤源热容量。如CPU控制水箱恒定加热功率维持在2000W，水井出水首次温度T1=20，通过水箱恒功率加热出来的水T2和T1有一个温差值，经过一段时间后，查看T1、T2的温差变化情况。若几次的温差相比较相差较大，说明该地土壤源热
