专利名称：一种开放式热水锅炉供暖实验系统的制作方法
技术领域：
本实用新型主要是基于西门子公司S7-200系列的可编程控制器和亚控公司的组态软件组态王的炉温控制系统的开放式实验对象平台。针对专业的情况进行开发设计，保证与相关课程的实验有机衔接。
背景技术：
近年来，国内外对温度控制器的研究日益广泛并深入，特别是随着计算机技术的发展，温度控制器的研究与发展取得了巨大的突飞猛进，形成了一批商业化的温度调节器， 与此同时，智能化PID、模糊控制、自适应控制等，以其性能、控制效果好，被广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造。在自动化领域内，PLC (可编程控制器)以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。目前的工业控制中，常常选用PLC作为现场的控制设备，用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机则是利用组态软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示，实现监控、管理、分析和储存等功能。这种监控系统充分利用了 PLC和计算机各自的特点，得到了广泛的应用。在高等学校中，实验室是实现培养人才、科学研究、二大职能的基本支撑平台，传统的实验教学平台存在着诸多弊端，不利于培养学生创新能力，“开放式”实验室可以在资源有限的条件下，为学生提供发挥聪明才智和发展个性的场所，激发学生对实验的兴趣，培养学生的创新意识和创新能力。使学生由“要我做实验”变成“我要做实验”。实施实验室开放是高校实验室真正发挥作用的必要条件。近年来，我实验室从局部开放逐步走向全面开放，在实践中逐步完善了实验室开放机制，在培养创新人才方面取得了好的效果。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种一种开放式热水锅炉供暖实验系统，该系统是根据测控技术与仪器专业本科生“传感器与检测技术”、“计算机过程控制技术”、“智能仪器仪表”、“网络化测控系统”、“过程控制系统与仪表”等课程的教学需要，开发研制的一套以热水供暖锅炉为测控对象、结合蓄水箱、加热器、供水泵、热工仪表、各种阀门和循环系统等组成的网络化测控实验设备，用于提高实践教学质量，改进实验教学手段和提高实验室技术水平，以及增强本科生的专业综合设计和应用能力。采取的技术方案是—种开放式热水锅炉供暖实验系统，包括测控仪表盘、可编程控制器、多个继电器、热水锅炉、循环泵、补水泵、变频器、连体水箱、散热器、上位机；其特征在于所述的可编程控制器通过测控仪表盘上的系统模拟量输入端子与控制量输出端子相连，进而与整个系统的硬件连接；可编程控制器通过串行接口 RS485与上位机连接；所述的热水锅炉通过热水管道与达散热器相连通，散热器通过热随管道与循环泵相连接，循环泵通过管路与热水锅炉相连接。本实用新型的工作原理及操作程序本实用新型是一套模拟现代工业控制过程中，锅炉供暖系统的实验平台，其硬件结构图如图1，主控制器采用德国西门子公司的PLC (可编程控制器)，PLC (可编程控制器) 应用数模转换模块EM235对现场的模拟量进行采集，EM235实现了 4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。用DIP开关设置EM235扩展模块，6个开关的不同设置可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。PLC(可编程控制器)通过串行接口 RS485与上位机相连，上位机上应用亚控公司的组态软件组态王编制监控界面，对整个实用新型的实施情况进行检测与控制。本实用新型整体可划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。有利于试验者实时现场监控。其中包括报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。本实用新型中应用闭环控制方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量， PID控制器是比例-积分-微分控制(Proportional-htegral-De-rivative)的简称，其优点是不需要精确的控制系统数学模型，有较强的灵活性和适应性，而且PID控制器的结构典型、程序设计简单、工程上易于实现、参数调整方便，在本实用新型中对个控制量进行PID 控制，使被控量(温度、压力、液位、流量)稳定在期望值。操作步骤1、设备通电后，观察“测控仪表盘”，测控仪表盘如图2，每个仪表的显示状态是否正常，水箱水位是否正常。在设备正常的情况下，首先将“控制方式”开关置向“手动”，关闭系统放水阀V4。然后手动调节补水控制电压(最大值5VDC)，使变频器控制补水泵全速运行；调节加热电压，观察温度的变化快慢；同时在上位机的监控界面中可以观察到各个量的变化。通过仪表控制面板，可以对供暖系统的补水水泵、加热模块、循环水泵等进行控制， 结合传感器和仪表对数据的采集和显示，从而了解供暖生产的工艺。在补水压力没有出现 “压力过低”或“压力过高”报警的情况下，启动循环泵，记录系统各部分仪表的变化。此步骤进行时，可以调节循环泵转速逐渐降低至0，记录压力表B1、B2、B4、B5以及B相电流表的数值变化。2、将“控制方式”开关置向“端子”，通过补水控制端子“BSK+和GND”加入5VDC电压，将补水泵调到最大输出；启动循环泵。V4阀门关闭。通过端子“Tl+和GND”采集锅炉出水温度，经过控制器PLC的EM235模块的数模转化，输出(T5VDC调节量，经过“ JRK+和GND” 输入到实验系统的调压模块，以改变锅炉交流电压，进而控制锅炉出口温度恒定，检测回水温度、循环管路流量以了解供暖情况。流量、环境温度是主要扰动。被控变量锅炉出口温度；调节变量调压模块触发电压；检测传感器S1锅炉测温K型热电偶。3、调节补水泵变频器频率，以改变补水泵电机转速，从而控制回水(补水)压力恒定。检测出口压力，以了解补水与循环的关系。被控变量锅炉回水(补水)压力；调节变量 补水泵变频器频率；检测传感器B4远传压力表。4、水箱液位控制停止加热，利用连体水箱的A，B两个部分，利用补水泵从A水箱向外排水，打开V4放水阀，向连体水箱B内注水(打开连体水箱中间连通孔，保证A侧水位低于连通孔，B侧水位高于连通孔)，调节补水泵变频器频率，以改变补水泵电机转速，即改变排水流量，从而控制右侧水箱液位恒定。被控变量右侧水箱液位；调节变量补水泵变频器频率；检测传感器S3液位传感器，控制稳定后，可适度改变系统放水阀V4的开度，观察控制效果。本控制过程停止加热。5、出口流量控制停止加热，A水箱利用补水泵向外排水，打开V4放水阀，向连体水箱A内注水。调节补水泵变频器频率，以改变补水泵电机转速，即改变排水流量，从而控制流量(速)恒定。被控变量管路流量；调节变量补水泵变频器频率；检测传感器S4管路流量计，控制稳定后，可适度改变系统放水阀V4的开度，观察控制效果。本控制过程停止加热。本实用新型的优点1)实用性本实用新型针对理论教学的情况进行开发设计，保证与相关课程的实验有机衔接。为学生提供发挥聪明才智和发展个性的场所，激发学生对实验的兴趣，培养学生的创新意识和创新能力。2)工程性本实用新型将工业控制常用的软件西门子PLC (可编程控制器)与组态软件组态王有机的结合起来，设备的材料、仪器、仪表及传感器等使用工程上常用的配件， 而且要尽可能兼顾种类齐全。3)开放性开放式实验对象平台。本实用新型在控制面板上引出了各个模拟量的端子，因此除了可以完成各类实验外，还为过程控制系统的热工单元仪表的设计开发提供了一个良好的试验测试平台。可以支撑测试的仪表如管路流量积算仪的开发、单回路压力显示仪的开发、单回路压力控制器的开发、基于热电偶的单回路温度显示仪表开发、基于热电偶的单回路温度控制仪表开发、基于PT100的单回路温度显示仪表开发、基于PT100的单回路温控仪表开发、基于压力变送器的光柱液位显示仪的开发。本实用新型设计科学、合理、富有创意、充分体现出PLC (可编程控制器)的灵活性、 方便性、易操作和运行的准确性等优点。提高了售电的效率，实用性较强，整体结构紧凑、耗材少、寿命长、成本低廉、性能稳定、可靠、维修方便，本实用新型适宜在教学实验环节推广使用。
图1为本实用新型硬件结构示意图。图2为本实用新型的系统控制结构示意图。图3为本实用新型的开放式端子结构示意图。
具体实施方式
一种开放式热水锅炉供暖实验系统，包括测控仪表盘1、PLC (可编程控制器)2、多个继电器3、热水锅炉4、循环泵5、补水泵7、变频器6、连体水箱8、散热器9、如图1所示，热水锅炉4为整个实用新型系统的被控对象，热水加热之后循环，经过散热器9，模拟散热，冷水经循环泵5回到热水锅炉中加热；连体水箱作为补水和控制液位的对象，变频器6控制补水泵7的电压，控制流量、压力与液位。一种开放式热水锅炉供暖实验系统的控制部分如图 2，PLC (可编程控制器)2的CPU采用222如图2中的10，通过数模转换模块11 (EM235)采集锅炉内的温度，在测控仪表盘1上显示，同时，经过上位机12处理之后，通过PLC (可编程控制器)2控制热水锅炉4的加热电压，进而控制温度。测控仪表盘1中有各个模拟量与控制量的引出端子13、报警指示灯14、显示模块 15、工作模式转换开关16，当各个量在报警区域时，控制继电器3导通，此时报警灯亮起，以示报警；工作模式用于在手动模式与端子控制模式之间转换。各个模拟量与控制量的引出端子13中包括模拟量温度、液位、压力、流量的引出端17、加热控制与补水控制端子18 ；本实用新型开放的作为过程控制系统的热工单元仪表的设计开发提供了一个良好的试验测试平台。
权利要求1. 一种开放式热水锅炉供暖实验系统，包括测控仪表盘(1)、可编程控制器(2)、多个继电器(3)、热水锅炉(4)、循环泵(5)、补水泵(7)、变频器(6)、连体水箱(8)、散热器(9)、 上位机(12);其特征在于所述的可编程控制器(2)通过测控仪表盘(1)上的系统模拟量输入端子(17)与控制量输出端子(18)相连，进而与整个系统的硬件连接；可编程控制器(2) 通过串行接口 RS485与上位机(12)连接；所述的热水锅炉(4)通过热水管道与散热器(9) 相连通，散热器(9)通过热水管道与循环泵(5)相连接，循环泵(5)通过管路与热水锅炉(4) 相连接。
专利摘要一种开放式热水锅炉供暖实验系统，包括测控仪表盘、可编程控制器、多个继电器、热水锅炉、循环泵、补水泵、变频器、连体水箱、散热器、上位机；其特征在于所述的可编程控制器通过测控仪表盘上的系统模拟量输入端子与控制量输出端子相连，进而与整个系统的硬件连接；可编程控制器通过串行接口RS485与上位机连接；所述的热水锅炉通过热水管道与达散热器相连通，散热器通过热随管道与循环泵相连接，循环泵通过管路与热水锅炉相连接。本实用新型耗材少、寿命长、成本低廉、性能稳定、可靠、维修方便，本实用新型适宜在教学实验环节推广使用。
文档编号G09B25/02GK202268122SQ20112035340
公开日2012年6月6日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者于洋, 张冰冰 申请人:沈阳理工大学