基于PLC的热交换控制系统设计

基于PLC的热交换控制系统设计

摘要

随着科学技术的进步，可编程逻辑控制器逐渐成为在国内外各种工业控制领域中的核心器件，由于工业生产环境复杂，在一些能力上超越了取代了微型计算机，PLC控制逐渐替代实际生产过程中的复杂环节，利用工控设备实现对逻辑点位的控制。目前，PLC是一种专为工业应用而设计的工业计算机，PLC采用模块化结构，适用于集约安装，这不仅可以实现复杂的逻辑控制，还可以实现各种闭环控制功能。作为控制计算机、PLC及其相关软件、控制系统，稳定、可靠、功能齐全，在实际应用中得到了很大的改进，它不仅可以实时监控系统的运行状况，还可以及时做出反应，并使操作人员能够快速准确地了解系统的当前状态，它们的优点比使它们成为中小型控制系统的理想选择要好。在换热器的生产过程中，采用PLC模拟参数对过程进行全自动控制，采集加工温度、流量等。

在本次设计中，将可编程逻辑控制器应用到热交换控制系统领域，热交换控制系统主要是应对各种交换站所设计的系统，能够随着温度和热负荷的改变而调整，保持能够使得用户室内的温度处于恒定的状态。热交换系统通常应用在换热站系统中，利用集中供暖的基础，实现对温度的恒定控制。随着集中供暖的要求越来高，同时提高集中供暖的经效益，对换热系统的控制成为其中的关键一步。在本次设计中，利用PLC实现对热交换系统的无人值守，实现对热量的自动调节。热交换系统通常应用在热能交换的设备或者系统中，此次设计主要以供暖系统的热交换系统为例，在热交换站中主要是分为直供站和间供站，热交换系统应用在热交换站中，能够实现对热能的转换，一方面能够提高的热能的利用效率，一方面能够提高热能应用的控制精度。

 

 

 

Abstract

With the progress of science and technology, programmable logic controller has gradually become the core device in various industrial control fields at home and abroad. Due to the complex industrial production environment, it has surpassed and replaced microcomputer in some abilities. PLC control gradually replaces the complex links in the actual production process, and uses industrial control equipment to realize the control of logical points. At present, PLC is an industrial computer specially designed for application in industrial environment. PLC adopts modular structure and is suitable for intensive installation. It can not only realize complex logic control, but also complete various closed-loop control functions. As a control computer, PLC and its supporting software monitoring system are stable, reliable, powerful and greatly improved in practical application. It can not only monitor the running state in real time and make feedback display in time, but also enable the operators to quickly and accurately understand the current state information of the system. Its superior performance price ratio makes it an ideal choice for small and medium-sized control systems. In the production process of heat exchange of heat exchanger, the temperature, flow and other analog parameters are collected and processed in real time through PLC to realize the full-automatic control of the whole process.

The temperature of the heat exchange system can be adjusted by the user in the design of the heat exchange system, so that the temperature of the heat exchange system can be kept constant with the design of the heat exchange system. Heat exchange system is usually used in heat exchange station system, which uses the basis of central heating to realize the constant control of temperature. With the increasing requirements of central heating and improving the economic benefits of central heating, the control of heat exchange system has become a key step. In this design, PLC is used to realize the unattended of the heat exchange system and realize the automatic regulation of heat. Heat exchange system is usually used in the equipment or system of heat energy exchange. This design mainly takes the heat exchange system of heating system as an example. In the heat exchange station, it is mainly divided into direct supply station and inter supply station. The application of heat exchange system in the heat exchange station can realize the conversion of heat energy, and on the one hand, it can improve the utilization efficiency of heat energy, On the one hand, it can improve the control accuracy of thermal energy application.

 

 

 

目录

 

第一章 绪论 1

第二章 热交换系统简介 2

2.1 热交换系统应用 2

2.2 热交换系统的构成和工艺流程 2

2.3 热交换控制系统的组成 2

2.4 系统总体设计方案 3

第三章 控制系统硬件设计 4

3.1 IO表的确定 4

3.2 PLC的选型 4

3.3 PLC的接线图 5

第四章 控制系统软件设计 10

4.1 压力信号数值转换 10

4.2 温度信号数值转换 10

4.3 循环泵控制程序 10

4.4 补水泵控制程序 11

4.5补水箱水位控制程序 12

4.6 二次回水补水控制程序 12

第五章 系统调试 13

5.1 安装调试方法及注意事项 13

5.2 常见故障的检修 13

第六章 结论 14

致谢 15

参考文献 16

 

 

 

第一章 绪论

对于热交换系统而言，其主要是的原理就是利用热循环的原理，在高温和低温之间利用交换系统电能驱动，把能源输送到使用的设备上，在这个过程中，通常会消耗较多的能量，这样下来利用热交换系统能够将低温热源转换为高温热源，能够尽可能有效利用资源，在其中通常是利用在工业上广泛使用可编程逻辑控制器。

对于大多数需要使用到热交换系统的工厂而言，对生产设备都有着较高的要求，热交换系统依靠热交换站，在最初的期间，依靠人工进行控制，在操作上较为简单，缺点就是控制精度没有那么高，且人工操作存在着危险性和不安全性，且一旦出现故障无法及时进行检修，特别是一些常年工作的设备，无人值守的实现能够有效克服这些问题。随着技术的不断进步，有些企业使用微型计算机进行控制，实现对节点的有效控制和检修，但是随着使用逐渐发现，微型机计算机首先在节点控制上无法实现大规模的控制，其次是在对使用环境的要求较高，但是在这些使用热交换系统的环境通常是复杂的，且是无法预计的，所以微型机计算机无法使用复杂环境的现场控制。

对此，可编程逻辑控制克服了工业上控制的难题，为实现复杂环境的工业控制实现了可能，PLC在热交换实际应用中增强了可靠性和可操作性。热交换系统的温度可由用户在热交换系统的设计中进行调节，以便热交换系统的温度可随热交换系统的设计保持恒定。换热站系统通常采用换热系统，以集中供热为基础，实现恒温控制。随着人们对集中供热的要求越来越高，提高集中供热的经济效益，换热系统的控制已成为关键的一步。本设计采用PLC实现换热系统的无人值守，实现换热器的自动调节。

 

 

第二章 热交换系统简介

2.1 热交换系统应用

热交换系统通常应用在热能交换的设备或者系统中，此次设计主要以供暖系统的热交换系统为例，在热交换站中主要是分为直供站和间供站，热交换系统应用在热交换站中，能够实现对热能的转换，一方面能够提高的热能的利用效率，一方面能够提高热能应用的控制精度。

2.2 热交换系统的构成和工艺流程

热交换站的控制系统主要是分为三个部分所构成，一是测量的仪器，实现对室内外温度的测量，以及对一次供水和二次供水水温等等测量传感器；二是执行机构，就是对温度进行调节的器件，主要由电机和变频器构成；三是PLC和工控机，对运行中的数据进行实时的检测和控制，对其中的参数进行记录报警处理等。

如下图2-1所示为热交换系统的工艺流程。

 

图2-1 热交换控制系统的工艺流程 

2.3 热交换控制系统的组成

热交换系统主要是由换热器、循环水泵、阀门、温度计、压力表、PLC控制器。换热器作为热交换系统的核心部分，在上面的工艺流程中可以看到其作为一次管网和二次管网的核心环节，是将循环水和蒸汽混合，达到加热循环水的目的。换热站的类型也有很多种，根据设计的原理的不同可以分为以下的几种形式，一是冷热流体的直接接触，这种热交换方代价较大，二是接触固体产生的热量实现热量的交换，这种结构较为紧凑，其他的结构使用的较少。

系统的循环水泵的功能是对循环水进行作用，使得其能够尽可能一直处于受热的状态，在工作原理上根据设计的不同主要分为以下三类：一是利用叶片完成对水的输送，二是利用压力式的控制，类似活塞的工作原理实现对水的推动作用，，三是利用高速的液体流速实现对液体的输送。

热交换系统中的核心是可编程逻辑控制器，其作为控制的核心，主要构成有电源、CPU、输入输出接口等，其中CPU作为控制器的核心，能够接收到的用户编程设计传入的参数信息和数据，同时能够检测电源输入输出接口等情况，诊断其中的错误情况。当PLC投入到运行后，CPU收集到相关设备的控制状态，通过读取用户预先设定的程序实现对命令的执行，直到停止运行。

一个设计良好、性能优越的控制系统，由于模拟输入模块各通道之间、通道与数据总线间具有隔离功能，所以必须有高质量、高性能的硬件配置才能保障最佳控制目的实现。因为调速系统、辅助控制系统以及现场各信号采样传感器电源回路、电压高低不同，所以为使PLC 系统工作安全、可靠，一般要求其各输入信号必须隔离。为提高测量准确性，对于远程采样信号均采用电流信号输送 ; 对于无源输入信号且传输距离短的传感器信号，可直接输入。可编程控制器在换热站自控系统中的应用除了用于对现场仪表的数据采集和处理以外，还用来完成对现场的自动化设备的控制。本系统中基于软件和硬件的执行情况将在文中作进一步的详细阐述。

2.4 系统总体设计方案

在本次设计中对于热交换控制系统的和设计，主要是集中在热交换控制和检测系统的实现，能够对水循环和补水系统进行控制。PLC检测到室内外的温度，根据具体的设定程序实现对供水温度的控制，利用变频器和加热泵实现对水循环系统的加热，同时根据预先设定好的程序，能够实现无人值守的功能。

主要需要实现的控制功能：对二次管网系统对水温进行定值的控制，对其水压同样执行相同的定值控制。实现对补水箱的控制，能够达到对水位小于设定值及时能够进行补水，大于设定值能够及时关闭水阀，对其水压也是实现相同的逻辑控制。

 

第三章 控制系统硬件设计

3.1 IO表的确定

输入输出节点的控制变量需要进行分配，事先对点位进行分配选择，提前定义好每个节点的控制功能，方便后续的实现，如下表3-1所示为节点的分配图，根据具体节点功能对其进行分配。

表3-1 I/O节点表

 

3.2 PLC的选型

不同型号的可编程逻辑控制器在性能、参数等方面有着不同的变现，同时使用范围也不同，选择合适的可编程逻辑控制有着重要的意义，对于不同的应用场景的PLC有着不同的要求。对于本次设计中大型数据量的控制，所以需要选用多个可编程逻辑控制器进行控制，选择的控制器件实现对模拟量输入输出模块的控制。如下图3-2所示为本次设计中涉及到的PLC型号和其他一些必要的元器件。

 

图3-2 PLC选型以及必要的元器件

3.3 PLC的接线图

热交换系统的控制器PLC可以控制驱动水泵，对其实现停止、启动、手动与自动操作的切换，通过PLC也可以对整个系统进行监控操作[8]，观察到每个部件的运行状态，通过监控界面，对系统生产的过程进行监控，系统中用于控制部分的器件，主要包括控制工作台以及电气调试设备，加上部分用于传输信号的器件等一同来完成控制操作。

根据控制节点的分配，首先对开关量进行控制分配，对输入端口接入的数据，控制水泵对其进行控制。如下图3-3所示，I0.0-I0.7的八个点位对循环泵和补水泵进行控制，包括对两种水泵的启停控制以及故障运行显示，能够及时反馈两个水泵的工作情况。

 

图3-2 开关量输入接线图

上图为开关量输入的控制，对之对应也要设计开关控制量的输出设计，输出设计主要是集中对两个水泵进行启动的实际控制，通过com口对循环阀、补水阀等线圈进行控制，如下图3-3所示为开关量输出的接线图，主要为三个节点控制，分为补水阀的启动、循环阀的启动、补水泵的启动，两个点位之间通过24V的电压供电。

 

图3-3 开关量输出接线图

分配好开关量的输入和输出，后对模拟量的输入和输出接口进行分配，根据各个传感器传送过来的数据进行处理运算，根据预先设定好的程序实现对其的控制。在模拟量的输入节点设计中，主要是测量一次管网的进出水压力和二次管网的进出水压力，包括对一次管网的温度检测和二次管网的温度检测，对进水开度的检测和循环水工作频率的检测，通过分配这些节点检测系统中的模拟量变化，以供PLC处理，根据处理结果执行相应的输出。如下图3-4所示为模拟量的输入接线图。

 

图3-4 模拟量输入接线图

根据模拟量输入信号，经过PLC的数据处理和控制，对其作出一定的反应，对调节阀的开度和循环泵的开启频率进行控制，如下图3-5所示为模拟量输出的接线图。

 

图3-5 模拟量输出接线图

完成相应的节点设计后，同时需要对控制系统的电气原理进行设计，根据设计的原则，开关闭合后，指示灯亮起，按键设定有两个按键为SB1和SB2，当按下SB1的时候，线圈得电从而使得循环泵得电开始工作，并且设定自锁的机构，能够使得其处于连续的工作状态，工作指示灯L1也会随之亮起，同时热继电器处于断电保护状态的时候，常闭触电断开，此时的循环泵失电停止工作，工作指示灯也关闭，故障指示灯L2处于亮起的状态，循环泵处于故障的状态；当按下SB2的按键时候，此时按键控制的线圈闭合，线圈是补水泵的，补水泵得电开始工作，设计自锁机构使其连续工作，同样设置正常工作的指示灯L3，此时也处于亮起的状态，同时热继电器处于断电保护状态的时候，常闭触电断开，此时的补水泵失电停止工作，工作指示灯也关闭，故障指示灯L4处于亮起的状态，补水泵处于故障的状态。如下图3-6所示为主回路和控制回路的线路设计,主回路设定熔断器保护电路，防止过流的情况出现，主回路还包括接触器和热继电器，对两个水泵进行控制。

 

 

图3-6主回路和控制回路的线路设计

 

第四章 控制系统软件设计

4.1 压力信号数值转换

压力信号的数值转换，主要是将通过传感器采集得到压力和液位数值进行转换，将其转换为整型，根据转换的公式对其进行转换，公式如下，其中的K1和K2的数值是根据输入值的类型来确定的，若是输入整型数值是介于一定范围内，K1和K2的数值都是不同的，主要分为两种情况，如下图4-1所示为压力信号数值转换的控制程序。

 

图4-1 压力信号数值转换

4.2 温度信号数值转换

通过温度传感器采集得到的温度数值，数值类型本身为整型类型，将其先转换为长整型的类型，再转换为浮点型的数值，对浮点型的数值进行运算，如下图4-2所示温度数值的转换。

 

图4-2 温度信号数值转换

4.3 循环泵控制程序

循环泵的控制程序设计主要利用起跑停的办法来解决程序的编写，如下图4-3所示为程序的设计，循环泵的启动和启动命令同时有能流过，才会启动循环泵，此时循环泵的指示灯亮起，若是出现故障，则循环泵停止运行，故障指示灯亮起。

 

图4-3 循环泵控制程序

4.4 补水泵控制程序

补水泵的控制程序设计主要利用起跑停的办法来解决程序的编写，如下图4-4所示为程序的设计，补水泵的启动和启动命令同时有能流过，才会启动补水泵，此时补水泵的指示灯亮起，若是出现故障，则补水泵停止运行，故障指示灯亮起。

 

图4-4 补水泵控制程序

 

4.5补水箱水位控制程序

补水箱水位控制设计，当水位低于50cm时，开启补水阀对水箱进行补水，同时达到警戒水位450cm时，关闭补水阀。

 

图4-5 补水箱水位控制程序

4.6 二次回水补水控制程序

当二次回水压力不足 0.3MPa 时开启补水泵， 当压力高于 1.0MPa 时关闭补水阀。

 

图4-6 二次回水补水控制程序

 

第五章 系统调试

5.1 安装调试方法及注意事项

首先对控制器[15]，即PLC进行编程，编制好梯形图，按照输入输出接口的预先设定进行编订，然后进行模拟的空载试验[16]，确认系统完全正常可以使用后，对系统中硬件之间的接线结构进行检查，并且做好硬件调试，之后在整体断电后对控制器部分进行上电调试，确认控制器运行正常，就可以给系统送电，系统的变频器也要做好参数设置和调试工作，同时传送部分做好安全调试的工作，对这些步骤逐个进行测试，确保系统能够稳定运行。

5.2 常见故障的检修

一、当控制器上电后，指示灯亮起，控制器运行正常，如果指示灯在通电后还未亮起，则可能是电源出现问题或是控制器与电源之间的接线问题，检查这些接触不良的问题；

二、当系统处于运行状态时或是检测状态时[17]，控制器上的RUN指示灯未亮起，说明操作器件可能出现问题；

三、在运行过程中，如果出现哪一路的触点已经处于接通状态，但是对应的指示灯未亮起，说明该触点的输出模块出现问题；

四、电池电压不够的时候，锂电池的灯会亮起，此时应该注意对锂电池进行保养或者把电池进行更换新的。

五、语句错误或者语法问题，其中有一个灯就会进行闪烁，还可能因为外部故障，或是内部出现问题，以及第四条说的问题也会引起该灯闪烁，应当根据实际情况进行排查。

 

 

 

第六章 结论

目前，PLC是一种专为工业应用而设计的工业计算机，在本次设计通过对热交换系统性的认识，深入了解到热交换系统的概念性知识，同时知晓相应的系统构成和运行原理，在结合过程中，对PLC控制系统的设计，主要是围绕硬件设计和软件设计两个方面进行，硬件设计围绕硬件之间的点位功能设定和线路连接，软件设计针对硬件设计的相关功能对程序编写，实现对应的功能。

在本次设计中，热交换系统设计的应用在热交换站中，考虑到补水泵、压力泵等泵体的实际应用，可能并未考虑完全，但能够实现基本的功能应用，通过本次设计对PLC的控制研究有了更加深入的了解，同时对原理程序编写等问题有了更深刻的理解。

在本次毕业设计中，对于PLC有了更加深刻的了解，同时在设计过程中，发现在编写梯形图时候，逻辑上还是需要具有清晰的思路把过程理出来。在前期plc选型以及硬件接线时，还需要注意各个I/O口的具体作用，才能更好的进行编程步骤。 

致谢

经过这段时间的努力，不知不觉毕业设计已经接近了尾声，这也意味着我的大学生活就要结束了，学校生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负的感觉，感慨良多。

首先，我要特别感谢我的指导老师XXX老师。做设计的过程是艰辛的，在这个过程中XXX老师给了我很大的的帮助，没有他的尽心指导和严格的要求，我也不会顺利完成这次设计。每次遇到难题，我最先做的就是向X老师寻求帮助，而X老师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。X老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。这几个月以来，X老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此谨向X老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。  

其次，还要感谢这四年来教我知识的老师们，毕业论文能够顺利完成，你们也都有很大的功劳，你们不仅教会了我知识，更加教会了我生活。 

最后，要向这四年大学生活期间所有帮助过我的同学们以及朋友们说一声谢谢。毕业设计的过程是一个系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新生活新目标的开始。希望大家在将来的生活中继续追逐最初的梦想，努力。

 

参考文献

[1]孟亚男,周雪阳,赵文斌.基于PLC的换热站控制系统设计[J].化工自动化及仪表,2021,48(06):541-544+561.

[2]朱永忠. 基于PLC的高效智能换热器控制系统设计[D].扬州大学,2021.DOI:10.27441/d.cnki.gyzdu.2021.000872.

[3]王冠军,蒋权英.基于PLC的换热器温度交变试验研究[J].工业仪表与自动化装置,2021(02):108-111.DOI:10.19950/j.cnki.cn61-1121/th.2021.02.025.

[4]李炜,余延磊.基于PLC控制技术的换热站系统设计[J].仪器仪表用户,2021,28(04):16-18+35.

[5]王冠军,王炎峰.基于PLC的换热器温度交变测试系统设计[J].工业控制计算机,2021,34(01):23-25.

[6]吴猛.换热站PLC仿真控制系统设计[J].现代工业经济和信息化,2020,10(12):47-48.DOI:10.16525/j.cnki.14-1362/n.2020.12.19.

[7]温俊霞.基于PLC的热交换站监控系统设计[J].科学技术创新,2020(35):94-95.

[8]赵志鹏, 基于PLC控制的板式换热机组系统的研发. 山东省,东营市鹏展智能科技有限公司,2020-10-27.

[9]黄桂林,陈建勋.换热压力容器运行状况在线监测装置设计[J].广东化工,2020,47(08):140-141.

[10]刘岩. 热交换站的远程自动化控制[D].燕山大学,2015.

[11]李晓红,陈志军.热交换站监控系统的设计[J].制造业自动化,2015,37(05):104-107.

[12]赵会君.浅谈热交换站昆腾系列PLC的应用[J].科技与企业,2014(01):128.DOI:10.13751/j.cnki.kjyqy.2014.01.122.

[13]徐中伟,赵杰,张永.热交换站自动监控系统设计[J].电工技术,2010(05):48-50.

[14]高立. 热交换站控制系统的设计与实现[D].青岛大学,2009.