1、 评定成绩： 楼宇自动化系统原理与应用课程设计报告 题 目：供热系统自动控制系 、 部： 自动化 组员姓名： 陈旭、张潍、张国正、张强刘志敏、王良平、张颖、杨文华指导教师： 林海波 专 业： 电器工程及其自动化 班 级： 05110803 完成时间： 2011 年 12 月 19 日 目录1、 西门子 PLC 介绍 .32、二 传感器与变送器 .52.1 压力变送器工作原理 .52.2 压力变送器选型 .52.3 温度传感器选型 .5三、PLC-PID 控制的实现 .8四、供热系统设计方案 .94.1.1 监控功能 .104.1.2 监控点位设计 .104.1.3 热水二次循环泵控制 .104
2、.1.4 变频器连接控制 .114.1.5 补水泵控制系统（因要维持热供水末端压差恒定需加补水设计） .124.1.5.1 补水泵系统方案图 .124.2 供热系统连锁控制 .154.3 供热系统运行与调节控制 .174.4 供热系统连锁控制流程图 .184.5 供热系统 PID 调节原理框图 .194.6 使用西门子 PLC STEP7 完成供热系统连锁控制和 PID 调节编程及仿真20致谢 .24参考文献 .25供热系统自动控制设计主要内容：1、供热系统运行参数与状态监控点版/位及常用传感器，电气控制一、二次接线图和原理图设计。2、供热系统连锁控制；3、供热系统运行与调节控制；4、供热系统
3、连锁控制流程图；5、供热系统 PID 调节原理框图；6、使用西门子 PLC STEP7 完成供热系统连锁控制和 PID 调节编程及仿真。摘要： 我国北方城市冬季供热期较长，分散式锅炉供热所占比重较大，供热质量的好坏将对减少城市环境污染、节约能源起到重要作用。从供热的角度考虑，应在节省能源的条件下使用户感到舒适为目标。目前一般的供热系统均采用 PID 控制算法、回水的平均温度进行调节，这种算法具有简单、参数调整方便等优点。当由于环境温度发生变化，用户需求热量也相应变化。因此为了满足这一要求，可以通过控制锅炉出口一次高温水的流量和温度，使得一次高温水和热交换站交换的二次低温水的温度随室外温度而变化
4、。本设计采用西门子 PLC 对供暖系统进行控制，具有实用、安全可靠、操作简单、节能效果显著的优点。关键字：供热系统、温度控制、PID、PLC4一、西门子 PLC 介绍德国西门子（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 P
5、LC（如 S7-300）和中、高性能要求的 PLC（如S7-400）等。SIMATIC S7-300 PLCS7-300 是模块化小型 PLC 系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与 S7-200 PLC 比较，S7-300 PLC 采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在 S7-300 操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC 人机界面（HMI）从 S7-300 中取得数据，S7
6、-300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC 设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC 可通过编程软件 Step 75的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC 具有多种不同的通信接口，并通过多
7、种通信处理器来连接 AS-I 总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在 CPU 中，用于同时连接编程器、PC 机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7 等自动化控制系统。二、传感器与变送器这一部分是控制系统的底层，主要完成现场数据的采集、预处理和变送等工作。这些数据主要包括锅炉的出水温度、出水压力、以及总出水温度、总出水压力、总回水压力等。变送器将采集的温度、压力等物理量转换成电压或电流信号并传送给可编程控制器进行数据处理。2.1 压力变送器工作原理PMC 系列压力变送器采用了先进的电子陶瓷技术、厚膜电子技术、SMT 技术和
8、PFM 信号传输技术，测量元件内无中介液体,是完全固体的。其工作原理是：介质压力直接作用于陶瓷膜片,使测量膜片产生偏移。膜片位移产生的电容量,由与其直接连接的电子部件检测、放大和转换为 020mA DC 的标准信号输出。2.2 压力变送器选型压力检测元件采用 E+H 公司的 PMC133 型压力变送器。PMC133 型压力变送器相对压力的最大测量范围为 040MPa , 最小测量范围为 01kPa , 更换测量元件可以改变压力测量范围。变送器由 WYJ 稳压电源供给12.530VDC 电压,能够准确地将出水口的压力信号线性地转换成 420mA DC 标准信号。62.3 温度传感器选型用 DS1
9、8B20 实现多点温度检测，这种测量方法需要温度传感器的精度高,体积小,测量电路简单,而且能够在高温下工作。所以我们选用美国 DALLAS 公司生产的数字输出 IC 温度传感器 DS18B20 ,其特性如下：独特的单线接口方式：DS18B20 与微处理器连接时仅需要一条口线就可以实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯在使用中不需要任何外围元件可用数据线供电,电压范围：+3.0+5.5V测温范围：-55+125通过编程可实现 912 位的数字读数方式,分辨率可达 0.062512 位精度的最大转换时间为 750 ms 用户可自设定非易失性的报警上下限值支持多点组网功能,多个 DS18B20
10、可以并联在唯一的三线上,实现多点测温负压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作每个DS18B20 都分配了一个独一无二的 64 位序列码 ,允许多个 DS18B20 上工作在同一条一线总线上,从而减少了系统传感器接口。DS18B20 有两种封装模式：3 脚和 8 脚封装,其中 3 脚封装比较常用,我们选用 3 脚 TO-92 小体积封装。用 DS18B20 为温度传感器有许多优点 ,但实际应用的时候,由于 DS18B20 采用的是 1-Wire 总线协议方式,即在一根数据线实现数据的双向传输,因此,对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20 有严格的通信协议来保证各
11、位数据传输的正确性和完整性。单总线访问 DS18B20 时的一线工作协议流程：初始化总线上所有器件7对 ROM 发操作指令发存储器操作指令数据处理。操作过程的工作时序包括初始化时序,读时序和写时序。在接入系统之前,先用读序列号的程序读出每个 DS18B20 的序列号,然后每个序列号分别对应系统中的编号 1n ,读的时候把要读的那个 DS18B20 挂在总线上, 读完后再换另一个, 同时记录每个 DS18B20 的序列号。系统运行时,初始化完成后,匹配序列号,然后读对应传感器的温度值,读完后,匹配下一个序列号,再读对应传感器的温度值,直到读完总线上所有的传感器,接着再读下一轮。DS18B20 可
12、通过两种方式供电：寄生电源方式和外加电源工作方式。寄生电源方式不需外加电源,当总线(信号线) 为高时稳定电源的提供是通过单线上的上拉电阻实现,总线信号为低时则由其内部的电容供电,在此种方式下VDD 接地。外加电源工作方式需要外加电源正负极分别接引脚 VDD 及 GND 。本系统选用外加电源工作方式,采用此种方式能增强 DS18B20 的抗干扰能力,保证工作的稳定性。我们采用外加电源的工作方式,在同一条总线上同时挂接 135 个 DS18B20 可以稳定,准确的测量温度值。能够满足我们实际检测的要求。在实际的工程应用中,由于 DS18B20 要放在水里测量温度,我们用圆柱状的不锈钢的传感器外壳套
13、在 DS18B20 上对其进行密封,以防止进水短路,同时可以增加它的耐压,耐腐蚀性能。当某个 DS18B20 损坏后,我们把好的 DS18B20 先读出其序列号,再换接到系统中。以 18B20 为核心组成的多点温度检测系统见下图8图 1 18B20 组成的多点温度检测系统三、PLC-PID 控制的实现PLC 的 PID 控制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，再根据离散方程进行控制设计。图 2 连续闭环控制方框图在系统中，典型的 PID 闭环系统如图 1 所示，在图中 spn 是给定值，pv(t) 是反馈量，c(t)是系统的输出量， PID
14、 控制的输入输出关系式为：M(t)=Kpe(t)+1/Ti e(t)dt+1/Tdde(t)/dt+M0 (1)t0式（1）中： M (t) 为控制器的输出量； M0 为输出的初始值： e(t) = sp(t ) - pv(t ) 为误差信号； Kp为比例系数； Ti 为积分时间常数； Td 为微分时间常数2。式（1）的右边前 3 项是比例、积分、微分部分，它们与误差，误差的9积分和微分成正比。假设采样周期为 Ts，系统开始的时刻为 t=0，用矩形积分近似精确积分，用差分近似精确微分，将式（1）离散化，第 n 次采样时控制器的输出为： Mn=Kpen+ Ki +Kd(en-en-1)+M0 (
15、2) nj式（2）中，e n-1为第 n-1 次采样时的误差值；K i为积分系数；K d为微分系数。基于 PLC 的闭环控制系统如图 2 所示。图 2 中的虚线部分在 PLC 内。其中 spn 、 pvn 、en 、Mn 分别为模拟量在 sp(t ) 、 pv(t ) 、 e(t ) 、 M (t ) 在第 n 次采样时的数字量。图 3 PLC 闭环系统方框图在许多控制系统内，可能只需要 P、I、D 中的一种或两种控制类型。PID 控制有两个输入量：给定值(sp)和过程变量(pv )。多数工艺要求给定值是固定的值，如加热炉温度的给定值。过程变量是经 A/D 转换和计算后得到的被控量的实测值，如
16、加热炉温度的测量值。给定值与过程变量都是与被控对象有关的值，对于不同的系统，它们的大小、范围与工程单位有很大的区别。应用 PLC 的 PID 指令对这些量进行运算之前，必须将其转换成标准化的浮点数( 实数) 。10四、供热系统设计方案4.1 供热系统运行参数与状态监控点版/位及常用传感器，电气控制一、二次接线图和原理图设计4.1.1 监控功能监控末端热水压力，通过相应分区对热水泵运行台数控制，变频泵转速调节，维持热水末端压力恒定。监控换热器水温度，通过闭环调节（PID）热水两通调节阀开度（控制其流量） ，保持温度为设定值。所有设备的状态监测，故障报警，图形显示。生活热水循环泵两两互为备份，发生故障时自动切换并报警。设备运行资料记录，列表报告，趋势图显示，运行时间累计。 4.1.2 监控点位设计热水系统末端压力监测。换热器出水温度监测。热水二次循环泵启/停控制、运行状态、手/自动状态，故障报警状态监测。热水二次循环泵转速调节。生活热水循环泵启/停控制、运行状态、手/自动状态，故障报警状态监测。换热器热水阀开度控制（流量控制） 。 4.1.3 热水二次循环泵控制循环泵控制系统有 4 台循环泵，本系统配置两台变频器，另外一台作为备
