四方学院洗浴中心水温控制系统设计

杜 燕

石家庄铁道大学四方学院 河北 石家庄 051132

1 系统设计任务

设计四方学院洗浴中心水温控制系统，系统可以自动工作，自动方式下，能根据控制要求实现水温温度自动调节。通过触摸屏可以设定恒温水箱水温，淋浴水温，可以显示当前水位、恒温水箱水温、淋浴水温。完成该系统的原件选型、电气图设计、PLC程序设计及触摸屏程序设计。

2 系统设计方案

本设计选用一台用于驱动系统水循环的1.5kw的淋浴泵，淋浴泵启动后将抽取恒温水箱的高温水和冷水管路中的冷水在泵内进行混合后供应给淋浴管路，淋浴管上安装有温度传感元件将混合后的水温传到PLC控制中心，PLC根据混合后的水温与温度设定值的差值进行PID运算，运算结果转换成调节信号控制混水管冷水调节阀的开度，以改变冷水的混合比例，最终使淋浴管中混合水的温度达到或接近设定温度。

2.1 系统硬件电路设计 原理框图如图2―1所示。其系统主要包括:西门子S7―200 PLC，温度液位传感器，西门子SMART LINE触控屏，阀门等。

图2―1 原理框图

整体接线图如图2―2所示。总电源接三相交流电，供电给CPU和三相交流电机，经过变压器，转化为24V直流电，供给两个扩展模块，选用的扩展模块EMAM06为4输入2输出，本课题需要3个输出，所以需要两个扩展模块，3个输出为2个调节温度的冷水阀门和S7阀门，3个输入是一个液位信号和两个温度信号的输入，L和M为供电电源进线，PE为保护接地，1L为输出端公共端子，L为火线，N为零线，两个按钮开关控制系统起停。

图2―2 整体接线图

选用西门子SMART PLC，型号为SR30，CPU搭载的信号板可扩展通信端口、数字量通道、模拟量通道；在不额外占用电控柜空间的前提下，信号板扩展，能更加贴合用户的实际配置，配备西门子专用高速处理器芯片，基本指令执行时间可达0.15微秒 ，一根普通的网线即可将程序下载到PLC中，CPU模块本体最多集成3路高速脉冲输出，频率高100 k Hz，支持PWM/PTO输出方式以及多种运动模式，可自由设置运动包络。PLC的运行维护、系统升级方便快速，PLC集成Micro SD卡插槽，使用市面上通用的Micro SD卡即可实现程序的更新和PLC固件升级。PLC的运行维护、系统升级方便快速，PLC集成Micro SD卡插槽，使用市面上通用的Micro SD卡即可实现程序的更新和PLC固件升级。

图2―3 西门子PLC

本设计选用西门子7寸WinCC flexible SMART V3版本触摸屏，WinCC flexible SMART是专门用于西门子SMART LINE精彩系列触摸屏的专用画面组态软件，该触摸屏方便的实现与西门子S7―200 SMART系列PLC之间的通讯，通过网线与PLC连接，在触摸屏上控制PLC的工作。

图2―4 西门子smart V3

pt100温度传感器输出信号与温度传感器的电阻值(或电压值)之间呈线性函数关系。标准化输出信号主要为0m A～10m A和4m A～20m A(或1V～5V)的直流电信号。本设计采用4―20m A信号。

图2―5 温度传感器

HM21投入式液位传感器，该产品由高性能压力传感器作为测量元件，精度高、体积小、使用方便、抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、灵敏度高、防水。

图2―6 液位传感器

2.2 系统软件设计 主流程图如图2―7所示。本系统先经过延时程序把系统内的冷水循环掉，之后将传感器收到的温度数据和设定温度相比较，通过PID运算，控制阀门的开关，控制冷水的流入，最终实现控制温度。这里将按照此原理给出PLC控制流程图，e(k)为偏差量，ε为允许偏差。

图2―7 主程序控制流程图

模拟量的输入值是由现场的传感器变送器输出的电压或电流信号，根据信号类型不同区分为0～10V、0～20m A或4～20m A等等，在模拟量输入模块的里边存在专门的AD转换电路，能够将这些信号转化为PLC内部能够读出的数字量。S7―200SMART的0～20m A模拟量输入转化结果为0～27648的数字量，4～20m A的模拟量输入转化结果为5300～27648的数字量。在程序内部进行实际运算时，

需要采用不同的量程转换算法对这个数字量进行数学转化。具体的物理量如压力值、流量值等是通过模拟量转换得到的，而并不是得到一个0―27648的数值通过S7―200 SMARTCPU的运算。通过式(2―1)对模拟量的输入/输出进行转化计算。本设计采用4―20m A的模拟量输入。数据转换流程如图2―8所示。

图2―8 模拟量转换流程图

组态画面设计的要求是可以对两个PID回路的输出状态、水温控制的实际值和设定值，通过棒形图的方式进行监控，同时能根据设定的参数判定当前是否出现了报警状态，并通过指示灯观察报警信号。可以通过升温降温案例实际水温的采集数据，系统的开启和关闭通过按钮启动停止来控制的。

图2―9 组态画面设计图

3 调试结果

当CPU指示灯RUN和STOP为黄色时CPU不工作，为STOP状态，当变为绿色时为RUN状态，DQa0为绿色表示已经接通，系统正常工作，浴室各处的水温温度由用户模拟给出，在控制屏上的I/O域设定值手动输入，棒图直观反映温度变化，PID回路给定值也可以在控制屏上显示，系统启动和停止通过相应按钮来控制，分别设置了40度、20度、60度都进行了仿真。

图3―1 结果仿真图

4 结论

本课题是石家庄铁道大学四方学院洗浴中心水温控制系统设计，设计涵盖了对PLC和触摸屏的选型与编程，模数转换的应用，PID控制的应用，定时模块的应用。核心的控制部分采用西门子PLC SR30，研读了关于恒温供水系统、温度控制系统相关的技术文献和资料，对四方学院洗浴中心的控制系统进行了多次实地考察，并对控制系统的说明书资料认真研读和学习，控制系统的控制原理和组成结构。对洗浴中心控制系统的设备流程完成了设计，以PLC为核心，对外围设备进行了选择，并设计了电路原理图。设计了温度控制系统的工艺流程图，在流程图的基础上编制了PLC程序。画出编写了简单的上位机监控画面。软件程序测试成功，符合设计任务书的要求。