專利名稱：一種開放式熱水鍋爐供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型主要是基于西門子公司S7-200系列的可編程控制器和亞控公司的組態(tài)軟件組態(tài)王的爐溫控制系統(tǒng)的開放式實(shí)驗(yàn)對象平臺。針對專業(yè)的情況進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，保證與相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)有機(jī)銜接。
背景技術(shù)：
近年來，國內(nèi)外對溫度控制器的研究日益廣泛并深入，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，溫度控制器的研究與發(fā)展取得了巨大的突飛猛進(jìn)，形成了一批商業(yè)化的溫度調(diào)節(jié)器， 與此同時(shí)，智能化PID、模糊控制、自適應(yīng)控制等，以其性能、控制效果好，被廣泛應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)及企業(yè)相關(guān)設(shè)備的技術(shù)改造。在自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，PLC (可編程控制器)以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制之中。目前的工業(yè)控制中，常常選用PLC作為現(xiàn)場的控制設(shè)備，用于數(shù)據(jù)采集與處理、邏輯判斷、輸出控制；而上位機(jī)則是利用組態(tài)軟件來完成工業(yè)控制狀態(tài)、流程和參數(shù)的顯示，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、管理、分析和儲存等功能。這種監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了 PLC和計(jì)算機(jī)各自的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。在高等學(xué)校中，實(shí)驗(yàn)室是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)人才、科學(xué)研究、二大職能的基本支撐平臺，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺存在著諸多弊端，不利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，“開放式”實(shí)驗(yàn)室可以在資源有限的條件下，為學(xué)生提供發(fā)揮聰明才智和發(fā)展個(gè)性的場所，激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。使學(xué)生由“要我做實(shí)驗(yàn)”變成“我要做實(shí)驗(yàn)”。實(shí)施實(shí)驗(yàn)室開放是高校實(shí)驗(yàn)室真正發(fā)揮作用的必要條件。近年來，我實(shí)驗(yàn)室從局部開放逐步走向全面開放，在實(shí)踐中逐步完善了實(shí)驗(yàn)室開放機(jī)制，在培養(yǎng)創(chuàng)新人才方面取得了好的效果。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種一種開放式熱水鍋爐供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是根據(jù)測控技術(shù)與儀器專業(yè)本科生“傳感器與檢測技術(shù)”、“計(jì)算機(jī)過程控制技術(shù)”、“智能儀器儀表”、“網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)”、“過程控制系統(tǒng)與儀表”等課程的教學(xué)需要，開發(fā)研制的一套以熱水供暖鍋爐為測控對象、結(jié)合蓄水箱、加熱器、供水泵、熱工儀表、各種閥門和循環(huán)系統(tǒng)等組成的網(wǎng)絡(luò)化測控實(shí)驗(yàn)設(shè)備，用于提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和提高實(shí)驗(yàn)室技術(shù)水平，以及增強(qiáng)本科生的專業(yè)綜合設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力。采取的技術(shù)方案是—種開放式熱水鍋爐供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括測控儀表盤、可編程控制器、多個(gè)繼電器、熱水鍋爐、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、變頻器、連體水箱、散熱器、上位機(jī)；其特征在于所述的可編程控制器通過測控儀表盤上的系統(tǒng)模擬量輸入端子與控制量輸出端子相連，進(jìn)而與整個(gè)系統(tǒng)的硬件連接；可編程控制器通過串行接口 RS485與上位機(jī)連接；所述的熱水鍋爐通過熱水管道與達(dá)散熱器相連通，散熱器通過熱隨管道與循環(huán)泵相連接，循環(huán)泵通過管路與熱水鍋爐相連接。本實(shí)用新型的工作原理及操作程序本實(shí)用新型是一套模擬現(xiàn)代工業(yè)控制過程中，鍋爐供暖系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1，主控制器采用德國西門子公司的PLC (可編程控制器)，PLC (可編程控制器) 應(yīng)用數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊EM235對現(xiàn)場的模擬量進(jìn)行采集，EM235實(shí)現(xiàn)了 4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。用DIP開關(guān)設(shè)置EM235擴(kuò)展模塊，6個(gè)開關(guān)的不同設(shè)置可選擇輸入模擬量的單/雙極性、增益和衰減。PLC(可編程控制器)通過串行接口 RS485與上位機(jī)相連，上位機(jī)上應(yīng)用亞控公司的組態(tài)軟件組態(tài)王編制監(jiān)控界面，對整個(gè)實(shí)用新型的實(shí)施情況進(jìn)行檢測與控制。本實(shí)用新型整體可劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場監(jiān)控。其中包括報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢曲線等，可便利的生成各種報(bào)表。本實(shí)用新型中應(yīng)用閉環(huán)控制方式來控制溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量， PID控制器是比例-積分-微分控制(Proportional-htegral-De-rivative)的簡稱，其優(yōu)點(diǎn)是不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，而且PID控制器的結(jié)構(gòu)典型、程序設(shè)計(jì)簡單、工程上易于實(shí)現(xiàn)、參數(shù)調(diào)整方便，在本實(shí)用新型中對個(gè)控制量進(jìn)行PID 控制，使被控量(溫度、壓力、液位、流量)穩(wěn)定在期望值。操作步驟1、設(shè)備通電后，觀察“測控儀表盤”，測控儀表盤如圖2，每個(gè)儀表的顯示狀態(tài)是否正常，水箱水位是否正常。在設(shè)備正常的情況下，首先將“控制方式”開關(guān)置向“手動(dòng)”，關(guān)閉系統(tǒng)放水閥V4。然后手動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)水控制電壓(最大值5VDC)，使變頻器控制補(bǔ)水泵全速運(yùn)行；調(diào)節(jié)加熱電壓，觀察溫度的變化快慢；同時(shí)在上位機(jī)的監(jiān)控界面中可以觀察到各個(gè)量的變化。通過儀表控制面板，可以對供暖系統(tǒng)的補(bǔ)水水泵、加熱模塊、循環(huán)水泵等進(jìn)行控制， 結(jié)合傳感器和儀表對數(shù)據(jù)的采集和顯示，從而了解供暖生產(chǎn)的工藝。在補(bǔ)水壓力沒有出現(xiàn) “壓力過低”或“壓力過高”報(bào)警的情況下，啟動(dòng)循環(huán)泵，記錄系統(tǒng)各部分儀表的變化。此步驟進(jìn)行時(shí)，可以調(diào)節(jié)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速逐漸降低至0，記錄壓力表B1、B2、B4、B5以及B相電流表的數(shù)值變化。2、將“控制方式”開關(guān)置向“端子”，通過補(bǔ)水控制端子“BSK+和GND”加入5VDC電壓，將補(bǔ)水泵調(diào)到最大輸出；啟動(dòng)循環(huán)泵。V4閥門關(guān)閉。通過端子“Tl+和GND”采集鍋爐出水溫度，經(jīng)過控制器PLC的EM235模塊的數(shù)模轉(zhuǎn)化，輸出(T5VDC調(diào)節(jié)量，經(jīng)過“ JRK+和GND” 輸入到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)壓模塊，以改變鍋爐交流電壓，進(jìn)而控制鍋爐出口溫度恒定，檢測回水溫度、循環(huán)管路流量以了解供暖情況。流量、環(huán)境溫度是主要擾動(dòng)。被控變量鍋爐出口溫度；調(diào)節(jié)變量調(diào)壓模塊觸發(fā)電壓；檢測傳感器S1鍋爐測溫K型熱電偶。3、調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵變頻器頻率，以改變補(bǔ)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制回水(補(bǔ)水)壓力恒定。檢測出口壓力，以了解補(bǔ)水與循環(huán)的關(guān)系。被控變量鍋爐回水(補(bǔ)水)壓力；調(diào)節(jié)變量 補(bǔ)水泵變頻器頻率；檢測傳感器B4遠(yuǎn)傳壓力表。4、水箱液位控制停止加熱，利用連體水箱的A，B兩個(gè)部分，利用補(bǔ)水泵從A水箱向外排水，打開V4放水閥，向連體水箱B內(nèi)注水(打開連體水箱中間連通孔，保證A側(cè)水位低于連通孔，B側(cè)水位高于連通孔)，調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵變頻器頻率，以改變補(bǔ)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，即改變排水流量，從而控制右側(cè)水箱液位恒定。被控變量右側(cè)水箱液位；調(diào)節(jié)變量補(bǔ)水泵變頻器頻率；檢測傳感器S3液位傳感器，控制穩(wěn)定后，可適度改變系統(tǒng)放水閥V4的開度，觀察控制效果。本控制過程停止加熱。5、出口流量控制停止加熱，A水箱利用補(bǔ)水泵向外排水，打開V4放水閥，向連體水箱A內(nèi)注水。調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵變頻器頻率，以改變補(bǔ)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，即改變排水流量，從而控制流量(速)恒定。被控變量管路流量；調(diào)節(jié)變量補(bǔ)水泵變頻器頻率；檢測傳感器S4管路流量計(jì)，控制穩(wěn)定后，可適度改變系統(tǒng)放水閥V4的開度，觀察控制效果。本控制過程停止加熱。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)1)實(shí)用性本實(shí)用新型針對理論教學(xué)的情況進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，保證與相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)有機(jī)銜接。為學(xué)生提供發(fā)揮聰明才智和發(fā)展個(gè)性的場所，激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。2)工程性本實(shí)用新型將工業(yè)控制常用的軟件西門子PLC (可編程控制器)與組態(tài)軟件組態(tài)王有機(jī)的結(jié)合起來，設(shè)備的材料、儀器、儀表及傳感器等使用工程上常用的配件， 而且要盡可能兼顧種類齊全。3)開放性開放式實(shí)驗(yàn)對象平臺。本實(shí)用新型在控制面板上引出了各個(gè)模擬量的端子，因此除了可以完成各類實(shí)驗(yàn)外，還為過程控制系統(tǒng)的熱工單元儀表的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了一個(gè)良好的試驗(yàn)測試平臺?？梢灾螠y試的儀表如管路流量積算儀的開發(fā)、單回路壓力顯示儀的開發(fā)、單回路壓力控制器的開發(fā)、基于熱電偶的單回路溫度顯示儀表開發(fā)、基于熱電偶的單回路溫度控制儀表開發(fā)、基于PT100的單回路溫度顯示儀表開發(fā)、基于PT100的單回路溫控儀表開發(fā)、基于壓力變送器的光柱液位顯示儀的開發(fā)。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)科學(xué)、合理、富有創(chuàng)意、充分體現(xiàn)出PLC (可編程控制器)的靈活性、 方便性、易操作和運(yùn)行的準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)。提高了售電的效率，實(shí)用性較強(qiáng)，整體結(jié)構(gòu)緊湊、耗材少、壽命長、成本低廉、性能穩(wěn)定、可靠、維修方便，本實(shí)用新型適宜在教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)推廣使用。

圖1為本實(shí)用新型硬件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實(shí)用新型的開放式端子結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
一種開放式熱水鍋爐供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括測控儀表盤1、PLC (可編程控制器)2、多個(gè)繼電器3、熱水鍋爐4、循環(huán)泵5、補(bǔ)水泵7、變頻器6、連體水箱8、散熱器9、如圖1所示，熱水鍋爐4為整個(gè)實(shí)用新型系統(tǒng)的被控對象，熱水加熱之后循環(huán)，經(jīng)過散熱器9，模擬散熱，冷水經(jīng)循環(huán)泵5回到熱水鍋爐中加熱；連體水箱作為補(bǔ)水和控制液位的對象，變頻器6控制補(bǔ)水泵7的電壓，控制流量、壓力與液位。一種開放式熱水鍋爐供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制部分如圖 2，PLC (可編程控制器)2的CPU采用222如圖2中的10，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊11 (EM235)采集鍋爐內(nèi)的溫度，在測控儀表盤1上顯示，同時(shí)，經(jīng)過上位機(jī)12處理之后，通過PLC (可編程控制器)2控制熱水鍋爐4的加熱電壓，進(jìn)而控制溫度。測控儀表盤1中有各個(gè)模擬量與控制量的引出端子13、報(bào)警指示燈14、顯示模塊 15、工作模式轉(zhuǎn)換開關(guān)16，當(dāng)各個(gè)量在報(bào)警區(qū)域時(shí)，控制繼電器3導(dǎo)通，此時(shí)報(bào)警燈亮起，以示報(bào)警；工作模式用于在手動(dòng)模式與端子控制模式之間轉(zhuǎn)換。各個(gè)模擬量與控制量的引出端子13中包括模擬量溫度、液位、壓力、流量的引出端17、加熱控制與補(bǔ)水控制端子18 ；本實(shí)用新型開放的作為過程控制系統(tǒng)的熱工單元儀表的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了一個(gè)良好的試驗(yàn)測試平臺。
權(quán)利要求1. 一種開放式熱水鍋爐供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括測控儀表盤(1)、可編程控制器(2)、多個(gè)繼電器(3)、熱水鍋爐(4)、循環(huán)泵(5)、補(bǔ)水泵(7)、變頻器(6)、連體水箱(8)、散熱器(9)、 上位機(jī)(12);其特征在于所述的可編程控制器(2)通過測控儀表盤(1)上的系統(tǒng)模擬量輸入端子(17)與控制量輸出端子(18)相連，進(jìn)而與整個(gè)系統(tǒng)的硬件連接；可編程控制器(2) 通過串行接口 RS485與上位機(jī)(12)連接；所述的熱水鍋爐(4)通過熱水管道與散熱器(9) 相連通，散熱器(9)通過熱水管道與循環(huán)泵(5)相連接，循環(huán)泵(5)通過管路與熱水鍋爐(4) 相連接。
專利摘要一種開放式熱水鍋爐供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括測控儀表盤、可編程控制器、多個(gè)繼電器、熱水鍋爐、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、變頻器、連體水箱、散熱器、上位機(jī)；其特征在于所述的可編程控制器通過測控儀表盤上的系統(tǒng)模擬量輸入端子與控制量輸出端子相連，進(jìn)而與整個(gè)系統(tǒng)的硬件連接；可編程控制器通過串行接口RS485與上位機(jī)連接；所述的熱水鍋爐通過熱水管道與達(dá)散熱器相連通，散熱器通過熱隨管道與循環(huán)泵相連接，循環(huán)泵通過管路與熱水鍋爐相連接。本實(shí)用新型耗材少、壽命長、成本低廉、性能穩(wěn)定、可靠、維修方便，本實(shí)用新型適宜在教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)推廣使用。
文檔編號G09B25/02GK202268122SQ20112035340
公開日2012年6月6日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者于洋, 張冰冰 申請人:沈陽理工大學(xué)