摘要
针对工业生产和化学生产的放热反应产生的大容量热水，将热水冷却循环使用的需求，设计了一套基于PLC的集中热水降温系统，通过对热水液位多处检测，明确了热水的容积，知道了需要多少水泵工作的需求。液位的检测需要液位传感器液位传感器将检测的的信号传输给PLC，通过PLC的程序的控制判断需要启动水泵的工作数量，通过水泵将热水抽到冷却塔由上而下进行流淌使热水充分的与空气接触进行热传递的物理降温，最终再回到水池中，多次重复这个流程直至水的温度降到常温时，再进行工业生产的循环利用。
在通过MCGS的组态软件与PLC软件的关联创建监控控制界面，来实现热水降温系统的调试元仿真，完成工业生产的控制需求。
在各个工业生产和化学生产的领域，离不来热水冷却循环，热水的降温自动化系统，降低工人的数量减少了劳动力的成本，加快生产效率，为行业的发展提供了便捷。
关键词：PLC；热水降温；MCGS
第一章 绪论
1.1 研究背景
在工业化生产中，无论是物理反应还是化学反应，均会释放出一定的热量，形成大量的工业热或者高温热水，而人们无法对高温热水形成准确判断，只能利用一些自动控制装置，一来可以对作业现场实现尽可能地简化，二来满足现代工业生产的技术需求。现代自动化技术操控系统具有安装极为简便，噪音小，安全性能高、维护方便等一系列优点。
本文利用三菱PLC原理，设计一套自动循环控制系统，智能完成废热水的冷却功能。
1.2 国内外研究现状
（1）国外的现状
目前，国际上的可编程机械手的设计是根据计算机和集微电子以及继电器和通信控制等技术，完成智能控制的专业设施。X于1969年研发出首台机械手，具有在编程功能作用下完成命令的功能，1973年欧洲国家紧随其后。随着其有效性的成功，在目前工业生产当中作用愈发显著，可以利用其实现对工业废弃用水的回收操控，大大减少工业净化强度，降低消防排放量，缓解维修压力难题。
（2）国内现状
我国于1974年首次着手展开可编程机械手专业调研与设计。四十余年来，自动化已逐渐普及，先前的火控系统因其在系统整体设计过程中程序较为繁琐，所需设备极为繁杂，而且抗老化性能差，安全性能不好，抗干扰功能强大，对于日常维护检查极为不便，且耗时耗力，所以已经逐渐淡出人们的视线。在PLC系统的不断发展进程中，所有陈旧系统先前所不能达到的功能均已得到妥善解决。设计设备和可靠性能以及抗干扰能力，均已达到了设计标准，较传统的控制系统有了极大的技术突破。
(3)存在的问题和趋势
存在突出问题:一是中继系统具备一定的设计程序与必要的设备支持，系统较为繁杂，耗时较长；二是机械触及面的物理作用会导致整片发生磨损，在这种情况下完成线路设计安装较为容易，在机械振动的影响下，刀具的安全性能将大幅度降低。
技术改进方向:在科技时代，PLC实现了智能化设计。在原有基础上，可以完成不同状态下的连接和使用，例如将各种不同的PLC进行连接以及运用MCGS实现通讯功能等。在工业应用中，PLC硬件具有不可替代的技术优势，发展空间巨大。所以，加大对PLC硬件的开发力度，深入挖掘，继而研发出操作更为简便，功能更加完善的智能产品。
1.3 研究内容及意义
本文针对水循环系统的工作原理进行深入研讨：利用液位传感器对废热水池中现有的五个测量位置各异的部位进行检测，将之视为输入信号，在PLC系统控制下，水泵进行启动和闭合，对所需水泵数量进行智能化控制，在水泵作用下，将废热水抽取至冷却塔，之后形成由上至下的喷淋流淌，在此其间，热水和空气完全接触，实现物理性降温，降温后的水流至水池，在循环作用下，将热水温度降至常温状态，重新循环利用。
本文在对热水降温系统技术设计中，主要通过以下几个章节：
（1）绪论
（2）热水降温系统的硬件选择
（3）热水降温系统的硬件设计
（4）热水降温系统的软件设计
（5）热水降温系统的调试与仿真
（6）总结
第二章 热水降温系统的硬件选择
2.1 系统硬件概述
废热水降温系统的设计组成为MCGS组态和液位传感器以及PLC和水泵。下面对硬件选型加以简要概述。
2.2 PLC的选型
PLC主要由软、硬件两部分组成。硬件基本由CPU板机械手组成，硬件由系统步速、用户步速和系统监控步速组成。PLC操作后分三个环节：将采样准确输入，执行设计程序，对输出数据进行更新，该三个主要环节完成循环作业。系统运行完成利用计算机和通信以及自动化技术操作，该技术在现阶段已经成为工业系统控制的主要技术支撑。其具有的主要特点如下：一是线上编程功能极为强大；二是具有一定的抗干扰能力，且可靠性不可替代；三是密匙功能较为完备；四是输出功率大；五是运算速度迅捷。
（2）PLC的选型需考虑如下问题：
一是PLC功能务必要与控制标准相匹配；二是PLC结构力求科学合理，且实现统一机型配备；三是具有线上编程或离线编程等功能；四是具有较大的存储器容量；五是I/O点数符合技术标准；六是输入输出方式力求科学合理，符合技术规范；七是处理速度达标；八是对扩展单元进行合理选择；九是确保该系统具有一定的可靠性；十是保证编程器和外围相关设备具有一定的适用性[2]。
图2.1 FX2N系列小型PLC的主观外观图
PLC选型小节
在该系统设计中，PLC必不可少，本文利用三菱PLC，充分利用其编程简便和运算速度高、类型丰富和较高的性能指标等技术优势，实现系统的灵活配置，具有一定的经济性和适用性。
2.3 液位传感器选型
2.3.1 传感器简介
它的主要功能是对水位所发生的改变情况进行严密监测，而且输送到可编程控制器上，使水泵得以适当地启停。目前，该器件已经被大量地应用于军事领域，主要用于战斗机和车辆坦克的主动操作液位和减油，此外在其它的工业生产领域中也有良好的应用[4]。
2.3.2 液位传感器
1）非接触式液位传感器
根据本文的图2.2可知，它主要利用信号的接收及发射时间来将物体-传感器间距算出来。因为容器底部和传感器间距以及传播速度均为确定的，因此可获得液面的具体位置[3]。
相关技术指标具体如下：
图2.2 非接触式液位传感器
2）浮球式液位传感器
根据本文的图2.3可知，其主要的组成部分包括了接线盒、信号单元、导管以及磁性浮球等。它可以有效地转化参数变化量得到相应的电流信号，并传至操作控制室之中，由计算机来报警及显示，此外还可进行自动控制。
相关的技术参数具体如下：
图2.3 浮球式液位传感器
（3）YBSH型液位传感器
根据本文的图2.4可知，它主要包括了专用电路模块与扩散硅压力传感器当。主要的优势是低温漂移以及十分的小巧。
主要技术指标：
2.3.3 液位传感器的选型小结
当前的研究工作中，需基于废热池的具体水位来运行该水循环系统，所以，需做好水位模拟信号的有效采集。
在充分考虑课题研究的情况之后，拟选其量程从0米到10米，其介质温度在是从0摄氏度到 80摄氏度，此外，输出信号则是从4毫安到20毫安。在全面分析一系列液位传感器产品的基础上，认为比较理想的是YBSH，除了可达到当前研究所需的各项指标要求之外，它还有着经济效益好、使用寿命长以及质量水平高等多个优点。
2.4. 水泵的选型
2.4.1 离心泵的简介
它有着十分丰富的规格及型号，目前已经被大量地用在各个领域之中。我们可基于其基本原理与所用介质来分类：
(1)w型单级旋涡泵
它主要被应用在吸取那些纯度比较高的水，或者是吸取那些具有接近于水的物化性质的其它液体。液温低于60摄氏度，通常被用在配套锅炉给水的场合之中。此外，它也广泛应用于化工、冶金、机械制造、水产养殖等行业。具有一系列的优势，如便于维修及操作，较低的噪声，以及紧凑的结构形式等。
W型旋涡泵性能参数如表2.1所示：
表2.1 W型旋涡泵性能参数
(2)自吸离心泵
详情可参考本文的图2.5，属于卧式泵。相较于别的类型，因为它并未采用止回阀，具有较为简单的结构形式，安全可靠性高，轻质小巧，有较高的运行效率，可长时间工作。如果进行特殊设计，在还可进一步提升整体性能与排量。
相关的技术参数具体如下所示：
图2.5 ZX型自吸离心泵
3)热水循环泵
详情如本文的图2.6，它的设计所用的是计算机辅助模块化结构形式，主要优点是能耗低、环保、工作寿命较长、安全性及效率较高，便于使用与维修，目前以及在许多工业生产领域中获得了良好的应用成效[5]。
相关的技术参数详见下述：
图2.6 热水循环泵
2.4.2 水泵选型小结
目前，离心泵已经被大量地用于工业领域当中。主要作用就是进行液态物质的泵送，本文将其应用于化肥生产的热泵送。
本课题根据消防输送过程所具有的主要特点，采用了直流型热循环系统泵产品。主要的优点是能耗低、环保、工作寿命较长、安全性及效率较高，便于使用与维修，目前以及在许多工业生产领域中获得了良好的应用成效。
2.5其它元器件的选用
所用的其它高性能价格比器件主要有:
空气开关:它 作用是进行电流保护，使整个系统能够安全可靠地运行。所用的型号为Dz47-63a。接触器:它主要利用电磁力来进行工作。如果从电源的角度来划分，则有交流类型与直流类型。使电动机得以实现远程控制以及较为频繁的 启动，便于使用。所用的型号为Cjx2-9511。③此外还有热继电器:它的主要作用是使电动机得以保护不出现过载现象。在电流作用下将会形成较多的热量，导致金属材料发送变形。如果变形比较严重，将会继电器失去电流，使得主电路被断开。选择NR2继电器。
2.6 组态软件的选型
MCGS是使用专业硬件公司提供的工业控制硬件进行系统步调规划。用户可以方便地监控涂装的制造速度。
在进行消防循环系统检测时，主要基于液位传感器上面的各个信号来确定共计5个液位来展开，对主动操作的消防泵数量进行模拟。可采用MCGS面板配置硬件版本6.2进行模拟操作。
如图2.7所示为MCGS组态主界面。
图2.7 MCGS组态软件主界面
第三章 热水降温系统的硬件设计
3.1 PLC控制程序的I/O分配表
在该系统中，可编程控制器型号为FX2N-32MR。考虑到输出及输入控制的问题，其启动和停止按钮共计十七个。其中，SB1、SB2及SB3分别对应于自动启动、手动启动以及手动与自动停止等功能，如果将水泵1启动按钮按下去，它将会工作。对于别的泵，则是类似的。该系统将会基于具体的控制要求来进行输出及输入功能的设计。详见本文下面所示表格。
（1）输入端子
在该部分中，所需的模块为一个，I/O输入口数量为十七个，具体见本文的表3.1。
表3.1 数字量输入端子分配表
（2）输出端子
在该部分中，所需I/O输出口共计七个，具体的分配情况详见本文的表3.2。
表3.2 数字量输出端子分配表
（3）模拟量输入端子
在这个模块中，可向外部设备分配那些连接到可编程控制器上的4AD输入地址，当系统对模拟量相关信息进行分析判断之后，则可进行工艺流程的有效控制[6]。详见本文的表3.3内容。
表3.3 模拟量输入端子分配表
（4）数模转换
利用4AD来转换来自于传感器的电流，得到相应的数字量以存入可编程控制器之D1之中，主要有D1对照、电流以及实际的液体高度等，详见本文的表3.4内容。
表3.4 实际液高、电流和D1对照表
3.2 控制系统外部接线图
在本文的图3.1中详细地列出了外部接线的相关情况。
图3.1 水循环的外部接线图
3.3 主电路接线图
在这一个系统中，主要通过电机（从M1到M7）来使共计七台水泵比带动并工作，其中的主电路有着欠压、过流与热载等多种功能，详见本文的图3.2。
图3.2 主电路接线图
3.4 PLC的4AD功能模块
可编程控制器主要基于开关值控制来进行开发得到。考虑到工业生产领域的实际需要，进行了运动控制、通信模拟输出及输入等多个模块的开发，达到硬件设备所提出的要求[7]。
对I / O模块外设及传感器等的相关模拟值，对其进行转换得到相应的数值并输送出去，也可转换成相应的模拟输出。如果有一些信号较为微弱无法直接地输入，将利用转换器来使之得以转换再进行信号的输入。
在这个模块中，将会转换模拟信号以得到相应的数字量，且转换成电压输入与电流输入。12位分辨率输入通道的数量共计四个。信号范围:10 ~±10V;或- 20 ~20mA。总共有32个16位缓冲区(BFM)用于与主单元来进行数据的交换。其所占用的I / O点数量为八个。
3.4.1 FX2N-4AD的性能指标
FX2N-4AD的性能指标如表3.5所示。
表3.5 FX2N-4AD的性能指标
根据本文的图3.3可知，可采用电流输入及电压输入，则可连接V+与V-。若为后者并存在着波动，可将平滑式电容连接上去。
图3.3 外部接线图
3.4.2 FX2N-4AD的设置
（1）缓冲存储器
其具体的设置与分配情况详见下面的表格。
表3.6 FX2N-4AD缓冲寄存器的分配及设置
主要结合具体的控制要求来进行参数的设置，确保它能够顺利地运行[8]。
该模块的具体编号始于基本单元，从0到7，与FX2N模块相互连接。由模块来对识别码为k2010进行确认。通过FROM命令来进行标识码的读取，后者进行了可编程控制器的确认之后才是有效的。然后在是通道的初始化过程,此时将会通过四位16进制数H ××××来进行描述，其中各个数字的具体范围是从0到3，以H0000来作为其初始值。平均初值乘上采样次数的均值为8，其具体范围是从1 到4096。对bfm# 22具体位状态进行设置，以进行增益输入通道以及零点的调整。在BFM# 29之中存储fx2n-4ad所对应的具体信息。且通过FROM命令来进行其中信息的读取。如果可编程控制器位组合元器件是0，那么通道的设置就是正常的，将可进行采样值的读取。
第四章 热水降温系统的软件设计
4.1 控制系统的程序流程图
结合系统控制的情况与具体需求，拟选择的控制器为日本三菱公司出品的FX2N-32MR型产品，有关的梯形图及流程图详见下图。
（1）与自动控制相关的流程图详见本文的图4.1。
图4.1 自动控制流程图
4.2 PLC 控制程序
在本文的图4.2中，可以知道如果将x0按下，则M100将会上电，且进行闭合，进行BFM# 30识别码的有效读出，且向d0进行传输，以判断其正确性。如果发现标识码是k2010，那么与可编程控制器相连的就是FX-2N-4AD,通过CMP命令来使M1关闭。以+ 4毫安 ~ + 20毫安来设置ch1通道所对应模拟值，同时ch2通道-ch4通道被关闭。接着进行BFM# 29信息的读取，并判断有无存在错误。若有，则意味着断开了M10与M20。否则，它们就被正常地关闭起来。此时程序将会正常地运行。需进行采样均值的有效读取，再于D1之中进行存储[9]。
图4.2 初始化程序图
在可编程控制器程序当中，主要有手动控制及自动控制等部分。
（1）自动控制详见本文的图4.3：
①如果D1的范围是从0到100，则Y0线圈将会得电，同时水泵1将运行；
②如果D1的范围是从100到300，此时Y0与Y1均为得电，两个水泵1与2将运行；
别的自动控制部分则基本上接近前面的描述，详细的程序如本文的附录所示。
图4.3 水泵的自动控制部分程序图
(2)手动控制部分详见本文的图4.4:
①如果将SB4按下去，则M80将会通电且进行自锁，其常开触点处于闭合的状态，此时水泵1将运行;如果将sb11按下，则M80将会断电，此时水泵1将不再运行。
其中的水泵2到水泵7所对应手动控制则和前面所述基本相近，详见本文的附件内容。
运行的过程中，可由工作人员对水箱的具体液位进行仔细观察，并利用手动控制的方式来对水泵进行有效控制。
图4.4 水泵的手动控制部分
第五章 热水降温系统的调试与仿真
5.1MCGS界面
（1）创建工程界面
通过MCGS所模拟出来的现场流程图详见下面的图5.1。其中的D1和D2负责进行水位与数据的存储[10]。其中的水泵共计七7台。如果将自动启动按下去，则可编程控制器程序会对水泵运行过程进行有效控制。如果指示灯显示红色，就意味着处于不工作的状态;如果显示绿色，就意味着处于工作状态。如果将手动启动按下去，在由工作人员来进行液位的观察，以手动的方式来进行水泵工作状态的控制。其中所用的开关数量共计十四个。在该系统中，主开关为自动手动停止。
图5.1 模拟仿真界面
（2）循环策略中脚本程序如图5.2所示。
图5.2 脚本程序
5.2 MCGS与PLC通讯
应当有效地连接可编程控制器内部变量与数据对象，实现可编程控制器和MCGS之间的通信，具其主要步骤为：
在下面的图5.3界面在，对设备窗口进行双击以进到相应的窗口之中。
图5.3 设备窗口
对工具箱进行右击，再将工具箱打开。进入到下面的图5.4中，对于 “通用串口父设备”等图标进行双击。
图5.4 串口父设备与三菱FX系列编程口
进入到下面的图5.5中，对“通用串口父设备”进行右击，然后在其属性对话框当中，根据有关的要求来做好属性的设置。
图5.5 通用串口设备属性编辑
进入下面的图5.6在,对“编程口”进行双击，在“属性设置”的窗口界面中确定中央处理器的选择，此处所用的是“2-FX2N CPU”类型。
图5.6 设备属性设置窗口
在下面的图5.7中，有数据寄存器D1一个，共需要十七个输入通道，此外还有七个输出通道。
图5.7 编程口通道属性设置
进入下面的图5.8中，对通道和实时数据进行相互连接。
图5.8 通道连接
5.3 程序的调试与分析
当采用组态软件来编写出程序之后，再分析与调试，详见本文的图5.9。
图5.9 模拟调试界面
如果可编程控制器和MCGS已经结束了通信之后，
(1)自动控制部分操作如下:
①如果D1当中的存储数据是100，同时水位的值是1米，则水泵1将运行。
如果D1中数据是300，同时其水位的值是3米，此时水泵1与2将运行。如果在D1之中的数据是500，其水位的值是5米，此时水泵1到水泵4将运行。如果D1中数据是700，其水位的值是7m,此时将会有一台到五台水泵将运行。⑤如果D1中数据是900，其水位的值是9米，此时水泵1到水泵7将会运行。
(2)对于手动控制部分你，则主要的操作包括:
水泵1到水泵7中设置有自身的启动与停止，以人工的方式来对废热池当中的具体水位进行观察，且灵活地启动水泵。
调试总结
在进行全面的调试之后，该程序设计能够顺利地运行。此时也出现了可编程控制器和MCGS不能够顺利通信的问题。在输入地分析检查之后，认为MCGS通道连接并未成功，有太长的周期。在合理地调整及优化数据之后，实现了成功的模拟。
第六章 总结
本次设计课题是热水降温的系统设计，运用了PLC和MCGS两种技术，完成了热水降温的模拟仿真任务，在本次设计中通过对知识和技术的运用，完成了热水降温的仿真控制。
这次主要通过六大章节来设计分拣单元，首先是绪论从设计的背景和发展发展前景入手，来分析分拣单元的设计意义和以后对工业发展的带来的价值，还有 对社会的生产力的提高发挥了它哪些作用。
从选型上分析，明确了热水降温系统使用了哪些知识和和技术，知道了设计热水降温的一个大体框架，和设计方向。知道了设计方向再从系统的设计要求，去进行硬件选型和软件的选择和编程。通过这一个个的环节，不断将大体框架丰富。在硬件件的设计中，知道了热水降温系统需要哪些硬件来组成降温功能和哪些硬件来实现控制要求。通过对软件的分析知道了如何通过控制要求来完成程序的编写及运行。在通过设计仿真模拟控制界面，将PLC和MCGS实现通讯连接将两种技术融合实现了热水降温系统的运动仿真。
PLC和MCGS的通讯方面要做做好对设备窗口设备属性设置，只有做好这一步才能将两种技术正确的关联，当加工单元的每一步程序和组态界面的设备模型的运行状态，达到一致，这就能使仿真动画正确的显示。
本次设计是很成功的，完成了热水降温系统的控制要求，实现了热水降温系统的自动控制功能。通过与组态界面的连接，能够清晰、准确的看到热水降温系统的控制画面，但是热水降温系统还是有很多的小细节需要去完善，在当前的设计工作中也存在一些尚待完善之处，本文并未对灌水系统进行设计，缺少温度传感器，无法继续废热水温度的有效检测，无法获知废热水温度变为常温值时需要多长的时间，且未对自动及手动控制有效转换开关进行全面的设计。对环境的要求还是不能高标准的达到生产要求。还需要进一步的完善和改进。
参考文献
[1]张凯.软PLC技术在三维虚拟物流生产线的应用研究[D].西南科技大学,2019。
[2]金建军.基于PLC的校园恒压供水控制系统设计[D].浙江工业大学,2019。[3]桑文征.基于PLC的纺织印染污水处理控制系统设计[D].青岛大学,2018。
[4]张巍.基于PLC的液位控制系统设计与实现[D].电子科技大学,2017。
[5]成潼.小型水电站通信自动化工程设计与实现[D].山西农业大学,2017。
[6]于耀宗.DCS在外输泵数据采集中的应用[J].石油化工自动化,2019。
[7]李文娟,牛晓燕,李立平.基于PLC的游泳池水处理控制系统设计[J].河南建材,2019。
[8]胡鑫.基于PLC控制的污水回注系统研究[D].东北石油大学,2017。
[9]潘燕玲.基于PLC控制的柔性自动化生产线系统分析与设计[D].华南理工大学,2017。
[10]朱万浩. 基于PLC和上位机的污水处理监控系统设计[D].华南理工大学,2017。
[11]王玉铎.组态控制技术探析[J].科技与企业，2015（01）：82。
[12]刘小春.基于MCGS的PLC仿真实训系统的设计与实现[J].自动化技术与应用.2012（10）：46-50+57。
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