1、 三 江 学 院 本科生毕业设计（论文） 题 目 智能地暖的温湿度控制系统设计 电气 院（系） 自动化 专业 学生姓名 陈达 学号 12011072059 指导教师 周洪 职称 讲师 指导教师工作单 位 三江学院 起讫日期 摘 要 随着科技的飞速发展和普及，高性能设备越来越多，各行各业对温湿度的控制要求也越来越高。传统的监控模式不仅效率低不利于人才资源的充分利用，而且缺乏科学性。对于现如今我国大部分地区来讲，民用住宅建筑冬季普遍采用供暖，随着城市房地产业持续升温，以及人们对环保、舒适、节能、便捷的采暖方式的需求，同时也伴随着电气元件的智能化发展，为了更有效更便捷更舒 适与最大化利用资源的角度来
2、说智能地暖的发展已经是当今社会的重中之重，这其中温度与湿度的控制就想的尤为重要了。 本次的设计就是想利用西门子 S7-200 系列 PLC 为主要的控制元件，采用 PID 算法进行控制，运用 PLC 梯形图编程语言进行编程。本次设计的目的是实现对地暖的温度、湿度及进行实时监测和显示，并通过 PID 算法对温度、湿度进行控制，只能的启停温控阀、加湿机、除湿机，使环境可以维持在最适宜生活工作的舒适值范围内。 关键词 ：地暖 PLC 温度 湿度 传感器 第一章、绪论 1.1 课题的研究背景及意义 地暖也是中国近几年在 黄河 以北地区已开始兴起的一种新型采暖方式，在中国的 山东 、天津、东北、内蒙、河
3、北等地，其应用已经相当广泛。 总所周知，我国建筑耗能大的最大原因是不能人为的控制能耗，缺乏控制调节的措施，而不能实现节能。随着经济的发展，社会的进步，人们讲究节能可是续发展，对生活、工作的环境质量的要求也越来越高。在追求舒适高效的生活的同时，也促使室内取暖要向更高的方向发展。在时代的不断进步中，我们需要寻求一种既能提高室内取暖的舒适性与安全性，又能保证能源的高效合理利用的方法，那么一个智能、高效、安全、节能的系统才是解决问题的关键，通过智能控制地暖的温湿度调节来实现对室内取暖的控制 。 近年来，随着智能家居的不断发展，智能家居的体系不断地完整，智能地暖也成了重中之重。针对于我国北方普遍供暖的现
4、象，无论是在节能还是在舒适上，地暖的智能化控制必然会成为主要的控制方式。据不完全统计我国每年各行业所产生的余热占燃料消耗比重的的17%-67%至，而这其中能被回收利用的高达 60%，而地暖系统中的水暖就能有效的利用这部分浪费，节能环保。虽然现在国家对地暖系统采取促进和鼓励政策，地暖也被广大群众所认可采用， 例如天津市，地面采暖已占新建筑的 40%，受到居民的普遍欢迎。中国政府已将地面采暖列为重点推广应用 的 建筑节能 技术。从发展前景看，未来的居民采暖， 60%以上将会采取地面采暖，应用前景喜人，有巨大的开发市场。 但是由于技术还不完全成熟，成体系化的控制还不健全，很少能做到系统的智能化控制。
5、所以本课题的研究主要是对水暖型地暖的温度、湿度利用 PLC 控制调节，从而达到对地暖的智能控制。 1.2 地暖系统的简介 地暖指的就是地板辐 射采暖。它是以地面为散热器，通过地板辐射层中的水管或电缆，均匀加热整个地面，利用地面自身的蓄热遵循热量向上辐射的规律由下至上进行传导热量，来实现取暖的目的。 是将温度不高于 60 摄氏度的热水或发热电缆， 将其暗埋 在地热地板下的盘管系统内，通过地面均匀地向室内辐射散热的一种采暖方式。 地暖一般有两种方式，分为水暖与电暖，在本设计中为了方便操作，节约成本，采用水暖方式，同时水暖形式也是现今所采用较为普遍的地暖方式。 1.3 水暖系统 1.3.1 水暖系统
6、的结构 水暖系统结构如下图所示。 图 1.1 水暖系统供暖的结构示意图 边角保温材料为避免混凝土浇筑过程中落入绝热层的缝隙而设，边角保温层带应高出混凝土层；复合保温层这一构造层的目的是为了阻隔热量的散失以降低无效热量损失。理想的绝热材料应该具有导热率小、难燃甚至不燃、承载力足的特点，并且不适宜菌源生长，不可产生异味或可能会危害人体健康的挥发物。从节约成本的经济角度看，目前使用得最多的就是模塑聚苯乙烯泡沫塑料板，一般为 20mm 40mm；混凝土层为填充层，就是在复合保温层面或楼板基面上所设加热管用的层面，用来对供热管网设备进行保护 并且使地面的温度分布均匀和增大蓄热，降低经过地板及墙壁的热量损
7、失，在地面平整的情况下 40mm 的填充层即可满足要求，一般为了安全起见，通常设置为 50mm；找平层则一般采用干硬性水泥砂浆，将其铺在垫层或楼板平面上进行抹平；而地面层指的就是室内的地板装饰面；加热管一般布置在填充层即图中的混凝土层中， 常用的管材有 PB 管、 PE-X 管、 PERT 管。 PER 管具有导热性能好，耐低温冲击性能比较好，加工成本相对较低，性能稳定；无需添加加工助剂、无异味、卫生的特点被广泛采用。 PERT 管作为绿色管材，还可被回收，卫生环保。所以 ， PERT 管用为水暖系统的加热盘管最合适的选择。加热管的布置方式可分为往复式、直列式、旋转式。其中旋转式采用高温度管和
8、低温度管相间的布置方式，盘管大都以 90弯曲，而且容易达到受热均匀的效果，铺设也相对简单，在一般的设计中采用这种方式也更多。对面值相对较小的厨房、卫生间等，直列式和往复式则被采用的更多。管间距大，盘管的布置就少、短、热水的流动性就好，就越能节约成本。一般常用盘管间距有 150 mm、 200 mm、250 mm、 300 mm。盘管的长度不应该多于 120 米。对于卫生间则需设置隔离层，目的是防潮，阻 止地面上的液体或者地下水和潮气渗过构造层，而当楼板上下均为供暖层时，可以不设防潮层。 1.3.2 水暖系统的原理及传热原理 水暖系统主要有以下几种：壁挂式燃气热水炉或电炉、蓄热水箱、循环水泵、控
9、制阀和地埋盘管等，如下图所示。 图 1.2 水暖系统采暖原理图 1.3.3 水暖系统的环保节能优势 (1)可以利用低品位的能源达到供暖的目的，能够根据不同地域的不同情况对各种新兴能源、余热和废热进行二次利用，热源的选择更加广泛，具有较强的适应性。例如，能够使用地热、供热余热、供热管网回水以及 太阳能热水等。 (2)盘管的管材选择有利于塑料管材的推广和使用，在很大程度上减少了钢材的使用。 (3)在舒适度一致的前提下 ,室内的控制温度可以比其它的采暖的方式低 2 3 。节能幅度可达 10%-20%，但热效率却能够提高两至三成左右。 (4) 水暖供暖其盘管布置于地面下，整个地面的受热是均匀的，而布置
10、于窗下的散热器，靠近散热器的部分墙壁的温度则较高，这在无形之中就损失了部分热量。因此，水暖系统在供暖的过程中就很好地避免了这部分热量的损失。 (5) 水暖供暖系统供暖中的热水只有 40 50左右，这 使得在制造热媒的过程就已经实现了节能，同时也在传送热量的过程中减少途中的散热量。 (6) 水暖系统安装方便，能够自动进行调节的设施，如温控阀，以这样的分区自动调节方式来使节能效果得到更好地实现。 1.4 水暖系统的发展现状 水暖系统在很早就被提出，上个世纪的 30 年代初期就已经在国外有所使用了，后来逐步采用低密度聚乙烯管代替钢管来代替地板辐射采暖系统中采用的金属所制的加热盘管，而随着德、美两国研
11、究出并发展生产了高密度聚乙烯管，地暖又得到了更好地发展。根据相关的统计，美、日、韩及欧洲多数发达国家新建的 建筑中，使用地暖的超过一半。由于石油危机的爆发，国外很多发达国家的经济都受到很大的影响，尤其是在能源方面，地暖方面的节能技术也是应用得比较多的。为了解决能源的问题，国外也做出了一些相应的政策，一方面从地暖上给予必要的法律规定及节能上的技术支持；另一方面加强对经济的引导，并奖赏做出成效的。而地暖真正兴起是这几年的事情，正好这几年一直在提倡节能，这使得地暖行业遇到了新的机遇。在美国和欧洲，地暖的推广和使用从 1930 年就已经开始了，现在已使用地暖取暖的家庭有 50%以上，因为地暖的诸多优点
12、，美国政府推荐使用。 地暖技术在国外有了新的发展，具有先进性。 地暖自上个世纪八十年代传入中国、日本和韩国。虽然已经有了二十余年的历史。但是，地暖真正地在我国发展，只是近些年来的事，地暖已得到人们更多的认识，由此，也获得了地产开发商们的认可，甚至曾经列为 “十一五”的一批新型高效采暖推广应用技术。 我国的北部及中部都广泛地采用地暖系统，已经成为了采暖方式中最舒适的一种，更多的家庭已经开始选用地暖进行供暖。随着小康生活的到来，人们的生活水平更是突飞猛进，对住房的舒适要求也就越高，另外一些国外移民的加入，都对传统的采暖区域限制提出 了挑战。而地暖因为具有较强灵活性和先进性，更加符合这样的市场需求。
13、现在是鼓励可持续发展的时期，也是国家转型的关键时期，建筑节能更是重中之重，因为地暖系统具有经济环保等优势，在这样的关键时刻，更是成为了人们首选的供暖方式。 作为人口大国的中国，伴随环保意识的增强及物质生活的丰富，这些年，地暖系统得到越来越广泛的应用，在家庭采暖中更显其节能环保性及其健康优势。由于地暖越来越受到人们的喜爱，且符合国家节能减排的政策，所以地暖在我国有着巨大的发展空间，其发展前景是及其广阔的。国家产业的转型和升级促进了新能源、新产品 和新技术的推广，为地暖的发展注入了新血液、新动力。 地暖作为一种特殊的采暖末端，他能结合多种热源（比如空气源热泵、地源热泵、工业余热、水源热泵等）。 并
14、且，地暖还具有与其它各种末端形式（比如散热器、风机盘管等）结合应用的前景与空间。地暖一直以来都以舒适节能的优势获得眼球，更是现在的新型供暖方式中发展最为迅速的。通过多次的实践检验，地暖在使用者中早已获得到了一致的好评。然而，电暖温控器在选用中存在着不专业的做法，甚至采用水暖系统中的温控器类型。有可能导致温度难控、舒适度变差。若地表面太热，甚至会引起地板的变形 、采暖的耗电量也将大幅度升高我国的地暖行业需在以下几个方面进行必要的加强，即是，向政府寻求更多的支持；产业政策的制定；加快制定设计标准基础。依据创新化的工业发展模式来进行地暖的发展；增强自律及各行各业之间的相互监督。地暖由于推广容易、标准
15、化、集成化、强竞争力等优势在建筑节能领域的发展具有巨大空间。发展任何产品都需要进行产品创新，目前我国的地暖行业还未上升到发展的高峰期，更应该着重加强技术的创新和产品的升级，提高自动化生产水平，促使其更加经济适用。 第二章 、系统的总体设计方案 2.1 系统的基本设 计思想 2.2 PID 算法介绍 现在的自动控制技术大多都是基于反馈控制来设计的。反馈设计技术包括三个基本环节：测量、比较和执行。测量获得的是工程需要控制的变量，并把它与设定值进行比较，在测量值和设定值之间存在误差，通过此误差来纠正和控制系统的输出。在自动过程控制中应用的反馈技术关键是：把测量值与设定值进行正确的比较后，如何利用比较
16、后的结果来调节系统误差，使系统可以处于设定值的稳定工作状态。 在过去的几十年里， PID 控制也就是比例积分微分控制，在工业控制中得到了广发的应用。在控制理论和技术飞速 发展的今天， 在工业过程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID结构，而且许多高级控制都是以 PID 控制为基础的。 PID 控制由比例控制环节（ P）、积分控制环节（ I）和微分控制环节（ D）三部分组成，PID 的控制原理清晰易懂，不需要很高的基础， PID 控制规律可以简单的表示为： SKSKKSG DIP )( 现阶段能被广泛应用的控制技术就是 PID 控制，他的使用方法灵活多变，通俗易懂，而广受欢迎。已经开发的产品
17、，使用时只需要将其三个参数（ KP， KI 和 KD）进行整定计算就可 以了。有很多情况可能不需要三个环节都使用，这个时候我们也可以只用一到两个单元，但是在 PID 控制中比例控制是不能少的。 PID 控制的优点如下： （ 1） PID 的控制原理比较简单，使用起来也比较方便， PID 的其他部分不用改变，只需要根据其动态特性的变动而重新设定这三个参数 KP、 KI 和 KD 就可以了。 （ 2） 适应的环境多样， PID 控制器现在已经有了统一的标准，并且已经商品化，即使目前才开发出来的过程控制计算机，他也是建立在在 PID 控制的基础之上的， PID 在现代控制中仍然是处于绝对地位的，这样
18、造就了 PID 的应用范围更加广泛。 在科学技术尤其是计算机技术迅速发展的今天，虽然涌现出了许多新的控制方法，但PID 仍因其自身的优点而得到了最广泛的应用， PID 控制规律仍是最普遍的控制规律。 PID控制器是最简单且许多时候最好的控制器，特别是在过程控制中应用最广泛。 2.3 地暖温湿度系统控制要求及参数 本设计主要是对房间内的温度、湿度数据的采集分析，对整个区域内的温度湿度达到监控的效果，并利用控制模块对水暖的温控阀的开度和加湿机或除湿机的开关控制惊醒调节来达到对温湿度的控制，使其在一个合理的范围内。 （ 1）监测功能 1、测量房间内各个区域的空气温湿度参数，以了房间空气的温湿度是否达
19、到设定要求； 2、检查加湿机和除湿机电机的工作状态，确定是处于“开”还是“关”状态； 3、检查温控阀的开度，以确定其是否打开。 （ 2）控制功能 1、根据室内的温湿度参数以及机组运行季节，修改当前控制系统参数的设定值； 2、控制温控阀的开度，以保房间内温度稳定在对人最舒适的范围内； 3、控制除湿机与加湿机的启 /停，使房间内空气相对湿度达到舒适的生活条件； （ 3）集中监控功能 1、户主的监控显示设备应能显示控制机组的工作状况 ,加湿机和除湿机的工作 情况，温控阀的开度状态等； 2、通过监控计算机能够启停控制系统 ,修改当前温湿度参数的设定值； 3、当官网内水压过大或发生火灾等意外突发情况、电
20、机过载或其它原因停机时，房间的监控计算机会进行报警。 （ 4） 地暖的主要参数 : 1、 供水温度： 50-60 度，最高温度不应超过 60 度。 2、 供水压力： 0.3-0.5Mpa，最高不应大于 0.8Mpa。 3、 供回水温差：不宜大于 10 度。 4、 加热管内热水流速：宜控制在 0.25-0.5m/s。 5、 地热辐射采暖结构厚度： 50-80mm（不包括找平层和地面装饰层厚度），其中隔热层 30-50 mm，填充层 25-30 mm。 6、 地热辐射采暖层结构重量： 70-120kg/m2。 7、 每环路加热管长度宜控制在 60-80 米，最长不应超过 100 米，每套分集水器不
21、宜超过 6 个回路。 8、 地面温度控制：人员长期停留的地面温度宜控制在 24-26 度 。所以我们取参考温度为 25 度，在 PLC 中以 25 度位参数 。 9、空气温度湿度的控制：，我们研究人体的舒适温度为 25 度，在这个条件下室内人体舒适的相对湿度一般为 50%。 整个系统的温湿度参数通过温度、湿度传感器采集并传输给 PLC，由 PLC 控制模块对参数进行分析，从而控制加湿机、除湿机的启停，调节温控阀的开度，对温湿度进行调节。 第三章 、系统的硬件分析 3.1 控制电路原理图的设计 在本设计中， PLC 比其他的微型计算机拥有更多的优势。 PLC 具有更强大的数据处理功能和功能指令集
22、，编程简单，编程指令模块化，能够实现就地编程、监控、通讯等功能，还能实现远程控制功能，这就方便了我们对各项参数的处理，对各个部件的智能化控制。而且 PLC 的梯形图语言直观、清晰、可读性强， 易于掌握。 PLC 具有丰富的功能指令，能够实现加 减乘除四则基本运算 ,数据的传送、比较、移位、转换 ,堆栈等功能，还具有实时时钟指令，使定时及时间的设置与显示功能得以实现。系统总原理框图如下图所示 . ： 系统总原理图 3.2 PLC 的选择 SIMATIC S7-200 属于西门子小型 PLC 系列产品，适用于检测、监控及控制过程中的自动化运用。 S7-200 系列有一下特点：极高的可靠性；丰富的指
23、令集；易于掌握；便捷的 操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强大的通信能力；丰富的扩张模块。 S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，还是在连成网络是皆能实现复杂的控制功能。 S7-200 系列也具有极高的性价比。 S7-200 系列 PLC 课提供四个不同基本型号： CPU221、 CPU222、 CPU224 和 CPU226。其技术指标如下表所示 PLC 温度传感器 湿度传感器 控制装置 显示装置 特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 外形尺寸（ mmmmmm) 908062 908062 1208062 1908062 程序储存区 2048 字 204
24、8 字 4096 字 4096 字 掉电保持时间 /h 50 50 190 190 本机 I/O 6 入 4 出 8 入 6 出 14 入 10 出 24 入 16 出 扩展模块数量 0 0 7 7 高速计数器 单相 双相 4 路 30KHZ 2 路 20KHZ 4 路 30KHZ 2 路 20KHZ 6 路 30KHZ 4 路 20KHZ 6 路 30KHZ 4 路 20KHZ 脉冲输出（ DC） 2 路 20KHZ 2 路 20KHZ 2 路 20KHZ 2 路 20KHZ 模拟电位 1 1 2 2 实时时钟 配时钟卡 配时钟卡 内置 内置 通信口 1 RS-485 1 RS-485 1
25、RS-485 2 RS-485 浮点运算 有 I/O 映像区 256（ 128 入 128 出） 布尔指令执行速度 0.37 s/指令 表 3.2 S7-200 PLC 的技术指标 本系统选用 S7一 200(CPU226)PLC 来实现系统的控制功能 ,它可提供两个 RS485 通讯接口 ,可满足 TD400C 以及 LTM8662 的通讯需求。 CPU226 提供了 40 个开关量 FO 接口 ,其中输入 24 点 ,输出 16 点 ,可满足空调系统开关量信号的控制要求。 3.3 温度传感器的选择 DS18B20 原理与特性：本系统采用了 DS18B20 单总线可编程温度传感器 ,来实现对温度的采集和转换，大大简化了电路的复杂度，以及算法的要求。首先来介绍一下 DS18B20 这块传感器的特性及其功能 : DSl8B20 的管脚及特点 DS18B20 可编程温度传感器有 3 个管脚。内部结构主要由四部分组成： 64 位只读内部存储器、温度传感器、温度上 /下限报警触发器TH 和 TL、暂存器。 DS18B20 的外形及管脚排列如图 3.3 所示
