四方學(xué)院洗浴中心水溫控制系統(tǒng)設(shè)計

杜 燕

石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院 河北 石家莊 051132

1 系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)

設(shè)計四方學(xué)院洗浴中心水溫控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以自動工作，自動方式下，能根據(jù)控制要求實現(xiàn)水溫溫度自動調(diào)節(jié)。通過觸摸屏可以設(shè)定恒溫水箱水溫，淋浴水溫，可以顯示當(dāng)前水位、恒溫水箱水溫、淋浴水溫。完成該系統(tǒng)的原件選型、電氣圖設(shè)計、PLC程序設(shè)計及觸摸屏程序設(shè)計。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

本設(shè)計選用一臺用于驅(qū)動系統(tǒng)水循環(huán)的1.5kw的淋浴泵，淋浴泵啟動后將抽取恒溫水箱的高溫水和冷水管路中的冷水在泵內(nèi)進(jìn)行混合后供應(yīng)給淋浴管路，淋浴管上安裝有溫度傳感元件將混合后的水溫傳到PLC控制中心，PLC根據(jù)混合后的水溫與溫度設(shè)定值的差值進(jìn)行PID運算，運算結(jié)果轉(zhuǎn)換成調(diào)節(jié)信號控制混水管冷水調(diào)節(jié)閥的開度，以改變冷水的混合比例，最終使淋浴管中混合水的溫度達(dá)到或接近設(shè)定溫度。

2.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 原理框圖如圖2―1所示。其系統(tǒng)主要包括:西門子S7―200 PLC，溫度液位傳感器，西門子SMART LINE觸控屏，閥門等。

圖2―1 原理框圖

整體接線圖如圖2―2所示。總電源接三相交流電，供電給CPU和三相交流電機，經(jīng)過變壓器，轉(zhuǎn)化為24V直流電，供給兩個擴展模塊，選用的擴展模塊EMAM06為4輸入2輸出，本課題需要3個輸出，所以需要兩個擴展模塊，3個輸出為2個調(diào)節(jié)溫度的冷水閥門和S7閥門，3個輸入是一個液位信號和兩個溫度信號的輸入，L和M為供電電源進(jìn)線，PE為保護(hù)接地，1L為輸出端公共端子，L為火線，N為零線，兩個按鈕開關(guān)控制系統(tǒng)起停。

圖2―2 整體接線圖

選用西門子SMART PLC，型號為SR30，CPU搭載的信號板可擴展通信端口、數(shù)字量通道、模擬量通道；在不額外占用電控柜空間的前提下，信號板擴展，能更加貼合用戶的實際配置，配備西門子專用高速處理器芯片，基本指令執(zhí)行時間可達(dá)0.15微秒 ，一根普通的網(wǎng)線即可將程序下載到PLC中，CPU模塊本體最多集成3路高速脈沖輸出，頻率高100 k Hz，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運動模式，可自由設(shè)置運動包絡(luò)。PLC的運行維護(hù)、系統(tǒng)升級方便快速，PLC集成Micro SD卡插槽，使用市面上通用的Micro SD卡即可實現(xiàn)程序的更新和PLC固件升級。PLC的運行維護(hù)、系統(tǒng)升級方便快速，PLC集成Micro SD卡插槽，使用市面上通用的Micro SD卡即可實現(xiàn)程序的更新和PLC固件升級。

圖2―3 西門子PLC

本設(shè)計選用西門子7寸WinCC flexible SMART V3版本觸摸屏，WinCC flexible SMART是專門用于西門子SMART LINE精彩系列觸摸屏的專用畫面組態(tài)軟件，該觸摸屏方便的實現(xiàn)與西門子S7―200 SMART系列PLC之間的通訊，通過網(wǎng)線與PLC連接，在觸摸屏上控制PLC的工作。

圖2―4 西門子smart V3

pt100溫度傳感器輸出信號與溫度傳感器的電阻值(或電壓值)之間呈線性函數(shù)關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號主要為0m A～10m A和4m A～20m A(或1V～5V)的直流電信號。本設(shè)計采用4―20m A信號。

圖2―5 溫度傳感器

HM21投入式液位傳感器，該產(chǎn)品由高性能壓力傳感器作為測量元件，精度高、體積小、使用方便、抗干擾能力強、可靠性高、穩(wěn)定性好、靈敏度高、防水。

圖2―6 液位傳感器

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計 主流程圖如圖2―7所示。本系統(tǒng)先經(jīng)過延時程序把系統(tǒng)內(nèi)的冷水循環(huán)掉，之后將傳感器收到的溫度數(shù)據(jù)和設(shè)定溫度相比較，通過PID運算，控制閥門的開關(guān)，控制冷水的流入，最終實現(xiàn)控制溫度。這里將按照此原理給出PLC控制流程圖，e(k)為偏差量，ε為允許偏差。

圖2―7 主程序控制流程圖

模擬量的輸入值是由現(xiàn)場的傳感器變送器輸出的電壓或電流信號，根據(jù)信號類型不同區(qū)分為0～10V、0～20m A或4～20m A等等，在模擬量輸入模塊的里邊存在專門的AD轉(zhuǎn)換電路，能夠?qū)⑦@些信號轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部能夠讀出的數(shù)字量。S7―200SMART的0～20m A模擬量輸入轉(zhuǎn)化結(jié)果為0～27648的數(shù)字量，4～20m A的模擬量輸入轉(zhuǎn)化結(jié)果為5300～27648的數(shù)字量。在程序內(nèi)部進(jìn)行實際運算時，

需要采用不同的量程轉(zhuǎn)換算法對這個數(shù)字量進(jìn)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化。具體的物理量如壓力值、流量值等是通過模擬量轉(zhuǎn)換得到的，而并不是得到一個0―27648的數(shù)值通過S7―200 SMARTCPU的運算。通過式(2―1)對模擬量的輸入/輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)化計算。本設(shè)計采用4―20m A的模擬量輸入。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程如圖2―8所示。

圖2―8 模擬量轉(zhuǎn)換流程圖

組態(tài)畫面設(shè)計的要求是可以對兩個PID回路的輸出狀態(tài)、水溫控制的實際值和設(shè)定值，通過棒形圖的方式進(jìn)行監(jiān)控，同時能根據(jù)設(shè)定的參數(shù)判定當(dāng)前是否出現(xiàn)了報警狀態(tài)，并通過指示燈觀察報警信號?？梢酝ㄟ^升溫降溫案例實際水溫的采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉通過按鈕啟動停止來控制的。

圖2―9 組態(tài)畫面設(shè)計圖

3 調(diào)試結(jié)果

當(dāng)CPU指示燈RUN和STOP為黃色時CPU不工作，為STOP狀態(tài)，當(dāng)變?yōu)榫G色時為RUN狀態(tài)，DQa0為綠色表示已經(jīng)接通，系統(tǒng)正常工作，浴室各處的水溫溫度由用戶模擬給出，在控制屏上的I/O域設(shè)定值手動輸入，棒圖直觀反映溫度變化，PID回路給定值也可以在控制屏上顯示，系統(tǒng)啟動和停止通過相應(yīng)按鈕來控制，分別設(shè)置了40度、20度、60度都進(jìn)行了仿真。

圖3―1 結(jié)果仿真圖

4 結(jié)論

本課題是石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院洗浴中心水溫控制系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計涵蓋了對PLC和觸摸屏的選型與編程，模數(shù)轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，PID控制的應(yīng)用，定時模塊的應(yīng)用。核心的控制部分采用西門子PLC SR30，研讀了關(guān)于恒溫供水系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)文獻(xiàn)和資料，對四方學(xué)院洗浴中心的控制系統(tǒng)進(jìn)行了多次實地考察，并對控制系統(tǒng)的說明書資料認(rèn)真研讀和學(xué)習(xí)，控制系統(tǒng)的控制原理和組成結(jié)構(gòu)。對洗浴中心控制系統(tǒng)的設(shè)備流程完成了設(shè)計，以PLC為核心，對外圍設(shè)備進(jìn)行了選擇，并設(shè)計了電路原理圖。設(shè)計了溫度控制系統(tǒng)的工藝流程圖，在流程圖的基礎(chǔ)上編制了PLC程序。畫出編寫了簡單的上位機監(jiān)控畫面。軟件程序測試成功，符合設(shè)計任務(wù)書的要求。