基于PLC的居民供暖系统设计
摘要：供暖系统采用人工制热技术对室内空气进行升温，以确保室内环境始终保持在人类活动所需的温度范围内。供暖系统作为建筑内必不可少的一部分，它对室内环境质量有着直接影响。供暖系统的构成要素包括热源供应、热循环系统运作以及用户温度设定，这三个要素相互协作，共同构成了整个供暖系统。供暖系统作为一种特殊的建筑结构形式，其对建筑物内部各部分设备的要求较高，所以对于供暖方式与质量有着很严格的标准。随着自动化技术的日益成熟和工业自动化的广泛应用，供暖系统一直是自动化控制技术中最具代表性的产物之一，特别是在我国北方，由于寒冷气候的影响，大多数公共场合和居民家庭都配备了一套供暖系统，因此供暖系统的控制和管理成为衡量一个城市现代化水平的重要指标。
本次设计采用了西门子S7-1500作为核心控制器，运用PID温控控制手段对居民供暖系统进行室温调节，实现了PLC控制下的高效供暖。为了实现对家庭供暖过程中的温度控制，本系统采用了变频调速技术对房间的环境温度和相对湿度进行实时处理。利用可编程控制器PLC、变频器、温度湿度以及氧气含量传感器等多种元件进行串口集成控制，实现了对老旧供暖系统的硬件和软件相互融合的升级改造。该系统能够有效地提高供暖效率，降低能源消耗，减少污染排放，为人们提供舒适的生活环境。该系统能够自动调节温度和湿度，以满足用户的需求。由于室内供暖温控采用内循环，以避免室内二氧化碳温度过高，因此需要定期进行外循环供氧。为了保证室内空气质量，还设置有紫外线杀菌装置。利用变频器的变频调速技术，可以实现对供暖管路进行快速供暖，而这种快速供暖方式需要根据用户设定的温差范围进行精准的调速控制。利用温度湿度传感器来检测室内空气中的湿度并将数据传给控制系统，当室内环境达到设定值时停止供暖。为了提升整个供暖室系统的智能化水平，我们采用了HMI上位机进行实时检测反馈，该上位机不仅能够对温度、湿度、氧含量进行曲线机构的可视化展示，还能够通过远程控制整个系统。该设计在保证安全性的前提下降低了能耗，达到节能减排的目的，而且还具有较好的人机界面。通过对老旧的暖气系统进行升级改造，可以显著提升供暖效率，同时结合HMI上位机和PLC的通信，使得整个系统的操控性更加灵活，同时也为后续的维护管理提供了便利。
关键词：可编程控制器；上位机;PID温控；变频器；
Design of Residential Heating System Based on PLC
Abstract: The heating system manually heats the indoor air to keep the room warm. The heating system consists of three parts: heat source, thermal cycle and user temperature setting. With the continuous improvement of automation technology and industrial automation, the heating system has always been representative of automatic control, especially in northern China. Because of the cold climate, the heating systems in most public places and houses are in a low temperature state, and the control of the heating system is a key indicator of urban modernization.
This design is based on PLC-controlled household heating system, which adopts Siemens S7-1500 as the core of the whole heating system, adopts PID control method, and adjusts the room temperature innovation of the old heating system through programmable controller PLC, converter, heat, humidity and oxygen content sensor. Because the indoor temperature control uses internal circulation to prevent the carbon dioxide temperature in the room from being too high, the system will automatically adjust the practice according to the required temperature and humidity, and the oxygen circulation in the fast pipeline must be realized through the transmission rate that needs rapid heating to adapt to the temperature deviation interval set by users. The main computer uses HMI to detect and feedback the whole heating system in real time, which can not only display the temperature, humidity and oxygen intuitively, but also remotely control the upgrade of the whole old heating system, thus significantly improving the heating efficiency. The communication between HMI and PLC can improve the flexibility of the whole system, thus facilitating the subsequent maintenance and management.
Keywords: programmable controller; Upper computer; PID temperature control; Frequency converter;
目 录
第一章 绪论 1
1.1选题背景 1
1.2课题研究的目的及意义 2
1.3国内外技术现状及发展趋势 2
1.4设计的研究内容 3
第二章 居民供暖控制系统的案设计 5
2.1水箱温控系统控制器方案选择 5
2.2 温控手段的选择 8
2.2.1 PID的概述和实现的意义 8
2.2.2 PID控制的原理及特点 8
2.3系统框架及功能方案设计 10
2.4系统运行流程设计 12
第三章 硬件的选型 13
3.1 PLC的分析及型号确定 15
3.2 温度传感器的选型 18
3.3 加热器的选型 20
3.4 湿度传感器的选型 21
3.5 二氧化碳传感器的选型 22
3.6 加湿器的选型 22
3.7 循环风机和吸入风机的选型 23
3.8 进气阀的选型 24
3.9 变频器的选型 25
3.10 主电路图 26
第四章 软件的设计 29
4.1系统的控制流程 29
4.2 系统的梯形图设计 30
4.2.1主程序的设计 30
4.3 HMI上位机设计 34
4.4 程序的仿真调试 36
结论 42
参考文献 43
第一章 绪论
1.1选题背景
在我国的民用自动化应用中，居民供暖系统一直是一个典型的代表，尤其是在北方地区，由于寒冷季节的影响，有一半的区域一直处于寒冷的气候条件下。北方地区由于其气候条件恶劣，因此冬季采暖也成为了一个非常重要的问题。北方的冬季漫长而艰难，给当地居民的日常生活带来了许多不便之处。大多数居民依赖于日常生活中的取暖方式，然而这种方式可能会导致室内发生火灾的风险。所以对居民供暖系统进行优化设计以及改造就显得尤为必要。以往陈旧的暖气系统不仅在功能方面存在缺陷，而且根据大多数居民的反馈，其供暖效果并不尽如人意。此外，在供暖过程中，它会导致室内水分蒸发，从而降低湿度，使人的口腔干燥开裂等问题。为了解决这一问题，人们提出了新型供暖方式——供暖系统。目前主流的暖气系统普遍采用内部循环供暖，虽然其效果不俗，但长时间的循环供热会导致室内二氧化碳浓度逐渐升高，从而引发头晕眼花等不适症状。为了解决这个问题，我们设计了一种能够自动调节室内空气温湿度的智能供暖系统，它是将温度传感器与控制器相结合来完成对空气中湿度以及二氧化碳浓度进行监测并反馈给控制系统。在市场上，急需一款高度智能化的供暖系统，它不仅能够实现室内温度的稳定调节，还能够实时监测室内湿度和二氧化碳浓度，从而精准控制加湿和外循环氧气的置换。本文将针对高智能化的供暖技术进行分析探讨。在未来的发展中，高度智能化的供暖系统已成为主流趋势，其性能的衡量标准已从高效、节能、智能化和可控性等多个方面全面考量。
1.2课题研究的目的及意义
本次设计旨在开发一种基于可编程逻辑控制器（PLC）的居民供暖控制系统，该系统主要应用于北方居民室内供暖，为整个系统注入了更多的灵活性。本文对供热控制系统进行详细阐述和分析。本次温度控制采用了基于比例、微积和微分的PID方法，以实现对温度的精准控制。通过对温度数据采集模块进行合理设置，从而达到精确控温的目的。采用可编程控制器PLC，可以极大地减少硬件的占用，通过PLC I/O分配连接所有硬件元件，从而实现整个系统的集成控制，并方便后续的维护和管理。另外本系统还具有很好的抗干扰性能，并且可以对室外环境温度和室内外温差等环境参数进行检测与记录。在控制功能方面，可以引入更多具有人性化的特性，以提升用户体验。另外还增加了智能报警功能和远程通信模块等功能。除了采用上位机HMI对系统进行监控反馈外，用户还能够实时调节室内温度，以可视化的方式全面了解系统的运行情况，从而实现更加智能化的操作和更加便捷的操作。
1.3国内外技术现状及发展趋势
我国北方寒冷区域的广袤面积和规模，使得居民供暖系统仍处于蓬勃发展的初期阶段很明显，普及面积较大的居民供暖系统是一项难以实现的任务。随着社会经济发展和人们生活水平的提高，人们对于供热的质量也越来越高，因此对供暖的需求逐渐增大，所以必须要加快城市的供暖速度，才能满足城市居民的居住需要。自2014年起，我国的居民供暖系统已经开始建设，但其智能集成化程度较低，导致居民供暖系统的制暖效果不尽如人意，因此，许多居民在配备供暖系统后，仍需借助外置的制暖设备来辅助制热。由于供暖面积小，无法满足人们对生活环境和舒适度方面的要求。北方供暖系统普及率在全国还不到30%。目前我国供热行业的主要问题在于供暖系统运行效率不高、能耗较大以及供暖质量不好。我国的供暖系统发展需要经过一段时间的推广和优化，不仅需要实现数量上的普及，更需要降低研发成本，提高供暖系统自动化程序的水平。
日本是全球最先进的供暖系统之一，其自动化应用的起步较早，已经进入了成熟的供暖系统研发阶段。随着社会经济水平的不断提高，我国也逐渐开始对智能供暖系统进行研究和开发。中央供暖系统的应用最早由日本提出，这使得日本在智能化供暖系统的发展方面处于领先地位。目前我国国内的供暖系统还没有形成完整的体系，但随着社会经济水平的不断提升和科技水平的不断进步，供暖系统将会逐步向着系统化、集成化方向发展。在供暖系统的研发方面，日本一直保持着高度的持续性，一旦有新的设备系统问世，企业厂家就会立即将其应用到实际生产中，从而极大地提高了日本自动化研发的应用效率。在日本，供暖系统的设计遵循着严格的标准，这使得其兼容性强、配套设备通用，并且在后期的升级改造中变得更加便捷。
1.4设计的研究内容
本次居民供暖系统的设计采用了基于PLC的方案，核心控制器选用了西门子S7-1500，并通过上位机实现了对整个供暖系统的监控反馈。
确立全面的居民供暖控制系统的构成框架，明确供暖系统的基本工艺要求和运行工作流程，为后续选型奠定坚实基础。
根据温度控制的工艺规范，对市场上最常用的温度控制方法进行对比分析，并从中筛选出最适合本次应用的温度控制手段。
根据工艺和系统组成框架，结合整个系统的功能和控制流程，对硬件进行功能划分，并对其进行逐一分析。
完成PLC可编程控制器的选型，需根据PLC选型标准，综合考虑储存、端口数量、功能模块等多方面因素，以选出最为适宜的型号。在设备选用上，主要是要满足功能需求、稳定性、可靠性及安装空间方面的要求。对于供暖系统中的加湿器、加热器、风机、变频器、吸入风机等硬件设备，我们需要进行选型分析，以确定最适合的型号，并根据所需的硬件参数进行调整。在此基础上设计了控制系统中各个模块的控制逻辑，能够实现对室内温湿度的调节，达到理想效果。对于系统中的检测传感器（包括温度传感器、湿度传感器和二氧化碳传感器），我们需要进行选型分析，并对上位机的型号进行精选，以实现西门子S7-1500与上位机之间的通信。
制订PLC的I/O分配表，根据硬件选型，绘制PLC的外部接线图和主电路图。
制定整个系统的功能流程图，以满足I/O分配表和工艺要求，并对程序的运行动作进行详细的细化。
利用西门子编程软件博图V15，编写了一个梯形图程序，用于整个井下排水系统的模拟。同时，结合博图软件V15内置的PLC SIM仿真软件，对整个系统进行了仿真调试。
绘制上位机软件的图像，并实现组态上位机与PLC之间的通信连接，以实现系统的实时检测和反馈。在设计过程中采用了模块化结构，将控制系统划分为若干个模块，每个功能模块都有独立的功能。为了实现远程控制整个系统，HMI上位机需要呈现温度控制的曲线图，并提供手动用户温度参数设定。
参考文献
[1]倪骏程。PLC技术在电气设备自动化控制中的应用[J].电子制作，2019（02）：82-83.
[2]程欢，蔡振宇，赵巧荣。基于PLC和HMI的水射流控制系统开发与应用[J].电子测试，2019（01）：37-38+7.
[3]赵江涛。PLC在电气自动控制中的应用实践[J].科技风，2019（04）：61.
[4]马剑。机电一体化生产系统中PLC的应用研究[J].科技风，2019（04）：76.
[5]谢东辰，郭胜东，朱振江。PLC技术中电气工程自动化中应用[J].科技风，2019（04）：
[6]叶建亭。顺序控制的PLC程序设计方法探讨[J].湖南农机：学术版，2009,36（2）：33-34.
[7]艾建华。上位机与PLC开发系统概述[J].科技创新与应用，2012,（19）：43.
[8]罗俊，朱洪杰。PLC可编程控制技术课程的教学改革与探索[J].西部素质教育，2016（10）：83.
[9]范次猛。基于温控PID调节的实践研究-以"PLC编程与应用技术"课程为例[J].职教通讯，2016（18）：55-56,62.
[10]刘杰.机电一体化技术基础与产品设计[M].北京：冶金工业出版社，2010：34-37.
