基于PLC的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)設計.doc

密級：公開密級：公開密級：公開密級：公開密級：公開基于PLC的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)設計Design of Solar Water Heater Automatic Control System Based on PLC學 院： 電氣工程學院專 業(yè) 班 級： 自動化1005班學 號： 100302516學 生 姓 名： 魏天野指 導 教 師： 白山（教授級高工）2014 年 6 月II摘 要現(xiàn)在，城市居民絕大部分都使用了太陽能熱水器，農村也有相當一部分人使用。太陽能熱水器在技術上比較成熟、造價比較低廉，同時由于給人民提供絕對安全的熱水而受到人們的歡迎，且具有節(jié)能、環(huán)保、安全、便利、長久等優(yōu)點，所以它的應用會越來越廣。因此，研究和開發(fā)先進的太陽能熱水器控制系統(tǒng)變得越來越重要。本設計闡述了可編程控制器（PLC）在太陽能熱水器控制系統(tǒng)中的應用,重點研究了系統(tǒng)的硬件構成及軟件的設計過程。指出了PLC設計的關鍵是能滿足基本的控制功能,并考慮維護的方便性、系統(tǒng)可擴展性等。本設計利用西門子S7-200PLC，進行了太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的I/O分配和PLC選型，編寫了PLC程序梯形圖和接線圖，實現(xiàn)了自動上水排水、自動循環(huán)、自動加熱、PID閉環(huán)控制恒溫出水、手動與自動模式切換等功能。并在此基礎上，利用S7-200的仿真軟件對系統(tǒng)進行了仿真，利用WinCC Flexible軟件組態(tài)了人機界面，使用MPI通信協(xié)議實現(xiàn)了PLC與觸摸屏的通信連接。把可編程控制器PLC作為太陽能熱水器的控制系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的方便性與可靠性，減少了其它元器件的使用。它使系統(tǒng)接線簡單，檢修維護方便快捷，增進了系統(tǒng)的先進性。論文分為四章：第一章介紹了太陽能熱水器發(fā)展背景及設計意義；第二章介紹了太陽能熱水器的工作原理；第三章介紹了硬件選型及系統(tǒng)流程；第四章介紹了系統(tǒng)程序的編寫、系統(tǒng)的仿真、人機界面（WinCC Flexible）組態(tài)過程。關鍵詞：太陽能熱水器；PLC；自動控制系統(tǒng)AbstractNow, vast majority of urban residents use solar water heaters, so do a considerable number of rural people. Solar water heaters are technically more mature, relatively low cost. Meanwhile, since it provide absolute security to the people of hot and people are welcome, and it has some advantages of energy saving, environmental protection, safety, convenience, long, etc. So it will be widely applied. Therefore, the research and development of controlling system of advanced solar water heater are becoming increasingly important.This design expounds the application of PLC in solar water heater automatic controlling system, especially the designing process of hardware and software of the system. Furthermore, the project shows that the key of PLC designing is to satisfy the basic controlling function, considering the convenience of maintenance and scalability. In this design, the address of I/O is resigned and the suitable PLC is chosen. The electrical principle diagram and the interconnection diagram are drawn, according to the requirement. Automatic water drainage, automatic cycle, automatic heating, PID loop control temperature water, manual and automatic mode switching function have been realized. And on this basis, the system was simulated using the simulation software for S7-200, produced a man-machine interface by using WinCC Flexible software. As the controlling system of solar water heater, PLC greatly reduces the number of other components. Moreover, it has the feature such as simple interconnection, rapid and easy fault detecting and maintenance, and advancement of the system. The paper is divided into four chapters: the first chapter describes the background of the development and design of solar water heaters significance; Second chapter describes the working principle of solar water heaters; Third chapter describes the hardware selection and system processes; The fourth chapter describes the procedures for the preparation of the system, system simulation, HMI (WinCC Flexible) configuration process.Keywords: Solar water heater; PLC; Automatic control system目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1課題研究的背景11.2國內外研究現(xiàn)狀簡述21.3太陽能熱水器市場分析31.4本設計特點及主要內容5第2章 太陽能熱水器的組成及工作原理62.1太陽能熱水器的基本結構62.2太陽能熱水器的工作原理82.3本設計要實現(xiàn)的功能10第3章 太陽能熱水器硬件的選型及設計113.1 PLC的工作原理113.2硬件設備的選型133.2.1 PLC的選型133.2.2其他硬件的選型153.3太陽能熱水器的整體設計183.3.1 PID閉環(huán)控制183.3.2 PLC與外部設備連接方案203.3.3水工藝流程設計22第4章 系統(tǒng)軟件框架的構建與系統(tǒng)仿真234.1系統(tǒng)的I/O口地址及相關的軟元件功能設置234.2系統(tǒng)的程序流程圖254.3設計控制系統(tǒng)的梯形圖程序284.4系統(tǒng)仿真354.5組態(tài)人機界面39第5章 結論42參考文獻43致 謝45附 錄 S7-200仿真監(jiān)控圖46沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文）第1章 緒論1.1課題研究的背景太陽能（Solar Energy），一般是指太陽光的輻射能量，太陽能是一種可再生能源，廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風能，生物質能，潮汐能、水的勢能等等。太陽能利用的基本方式可分為光熱利用、光電利用、光化學利用、光生物利用四類。在四類太陽能利用方式中，光熱轉換的技術最成熟，產品也最多，成本相對較低。如：太陽能熱水器、開水器、干燥器、太陽灶、太陽能溫室、太陽房、太陽能海水淡化裝置以及太陽能采暖和制冷器等1。太陽能光熱發(fā)電比光伏發(fā)電的太陽能轉化效率較高，但應用還不普遍。在光熱轉換中，當前應用范圍最廣、技術最成熟、經濟性最好的是太陽能熱水器的應用。當今世界能源問題已經成為一個普遍性的問題，能源關乎著國家的安全，誰掌握了世界上的能源誰就掌握了國際事務的話語權，誰就有了國家經濟發(fā)展的基礎，誰就有了同其他國家相抗衡的資本。但是傳統(tǒng)能源已經被消耗殆盡，為了國家未來的發(fā)展，世界各國都在開發(fā)新能源，太陽能作為一種既清潔又取之不盡的資源已得到了越來越多的應用。眾所周知，太陽能是取之不盡，用之不竭，沒有污染的巨大能源。隨著世界上煤、石油、天然氣儲量的日益減少，能源危機也日益嚴重，與此同時環(huán)境污染的危機也不斷的威脅著生態(tài)平衡，太陽能開發(fā)利用的課題也提到了人類的面前。有人預測：二十一世紀太陽能將由輔助能源上升為主要能源2。但由于太陽能的分散性、季節(jié)性和地區(qū)性又給太陽能利用帶來重重困難，有些技術難點尚未突破，產品造價偏高（如光電池），因而尚未被人們大規(guī)模的使用。太陽能熱水器是技術上比較成熟、造價比較低廉，同時由于給人民提供絕對安全的熱水而受到人們的歡迎，且具有節(jié)能、環(huán)保、安全、便利、長久等優(yōu)點，因此它的應用會越來越廣。尤其在農村地區(qū)具有很大的現(xiàn)實意義：中國四分之三的人口居住在農村，目前仍有約2萬個村莊，800多萬個農戶，3000多萬人口沒有電力供應。而農村60%左右的村民仍然依靠燃料秸稈、薪柴為主做飯和燒水，它不僅造成空氣污染，而且還嚴重破壞植被，威脅生態(tài)環(huán)境。隨著化石能源的逐步枯竭，煤炭、石油和電力一直漲價，且能源供應日趨緊張。太陽能無污染、無運輸、無壟斷、“取之不盡、用之不竭”，是最有發(fā)展前途的可再生能源。在社會主義新農村建設中大力推廣應用太陽能，不僅能夠解決農村的基本能源消費問題，促進可再生能源的高效利用，實現(xiàn)農村生產發(fā)展、生活寬裕的雙重目標，還有利于鄉(xiāng)風文明和村容整潔，促進社會主義精神文明發(fā)展3。圖1-1 太陽能熱水器1.2國內外研究現(xiàn)狀簡述在世界范圍內，世界上第一臺太陽能熱水器在100多年前誕生于美國，它是一種悶曬式熱水器4。到目前為止國外太陽能熱水器的發(fā)展主要經歷了以下幾個階段:第一代，這是一種非常簡易的利用，用鐵皮桶放在樓頂，外表面刷上黑色油漆以增強對陽光的吸收；第二代，平板式太陽能熱水器，采用中心銅管加兩翼鋁或者鋁銅合金作為吸熱體，前期翼片刷油漆，后期采用對陽光具有選擇性吸收的氮化鋁/鋁等涂層?，F(xiàn)今，絕大多數(shù)的涂層太陽光吸收比可達0.90以上，優(yōu)質的平板式太陽能一般應具備以下幾個特點：銅管加鋁翼吸熱體、低鐵蓋板玻璃、良好的密封、采用選擇性磁控濺射涂層等；第三代，真空管式太陽能熱水器，平板式太陽能采用鋁等邊框加玻璃蓋板對吸熱體進行圍護，在寒冷的冬季，熱散發(fā)很大，基本沒有熱水可用，真空管式太陽能熱水器可以良好地解決這個問題，采用雙層高硼硅玻璃管(類似水瓶膽原理)作為吸熱體,成功解決了平板太陽能熱水的散熱問題；第四代，超導熱管式太陽能熱水器，玻璃真空管式太陽能熱水器在夏季水溫高，一般購買太陽能熱水器以冬季新產熱進行選購，夏季熱水用不完，自來水在75易結水垢，很多太陽能熱水器在夏季就像是一臺開水器，二三年下來，在管壁就結上一層水垢，阻礙了對陽光的吸收，大大降低太陽能熱水器的水溫，超導熱管式太陽能熱水器采用真空管加超導銅管和鋁片作為熱的傳導體，水不直接流經真空管，從而使真空管的性能基本恒定，但采用較多的銅材，價格相對較高?，F(xiàn)在太陽能熱水器技術已很成熟，并已形成行業(yè)，正在以優(yōu)良的性能不斷地沖擊電熱水器市場和燃氣熱水器市場5。目前其產品的發(fā)展方向仍注重提高集熱器的效率，如將透明隔熱材料應用于集熱器的蓋板與吸熱間的隔層，以減少熱量損失，聚脂薄膜的透明蜂窩已在德國和以色列批量生產。1.3太陽能熱水器市場分析隨著城市化進程的不斷加快，帶來了新型工業(yè)化的發(fā)展，也帶來了新的建筑能源供應的需要。預計到2020年，中國的每個城鎮(zhèn)竣工面積將繼續(xù)保持在十億平方米左右，15年間新增城鎮(zhèn)民用建筑面積總量將為150億平方米，加上現(xiàn)有建筑面積總面積將達到280億平方米以上，建筑的能源消耗大幅增加，不可避免6。中國龐大的人口，使得我們必須高度重視建筑的能源消耗問題，積極探索出一條節(jié)能途徑，在保證社會的發(fā)展和人民群眾的生活水平的不斷提高的大前提下，實現(xiàn)城市建設可持續(xù)發(fā)展，建設建筑物的能耗，將對我國的長期穩(wěn)定發(fā)展有著深遠的影響。據(jù)中國節(jié)能協(xié)會節(jié)能服務產業(yè)委員會統(tǒng)計，中國的建筑節(jié)能產業(yè)產值在2010年接近300億元，2012年達到664億元人民幣的規(guī)模，由此可見，建筑節(jié)能服務市場是巨大的。2009年，中國的太陽能產業(yè)規(guī)模已位居世界第一位，而太陽能產業(yè)的產值也接近千億大關，中國是世界上太陽能熱水器生產和使用最多的國家。但從我國城鎮(zhèn)家庭生活熱水供應率上來看，我國城鎮(zhèn)家庭目前的生活熱水供應率僅為67%，平均每戶熱水用能僅80130kWh/戶年，與日本的每戶平均熱水用能1404kWh/戶年比，相差十倍，人均用熱水量遠低于發(fā)達國家7。隨著生活水平大幅提高，將進一步增加國內熱水消耗。全面開發(fā)各種太陽能熱水系統(tǒng)，是我國城市化進程太陽能熱利用的必由之路。圖1-2 城鄉(xiāng)太陽能熱水器的發(fā)展1.4本設計特點及主要內容目前，我國大部分太陽能熱水器控制部分，往往需要大量的中間繼電器和時間繼電器來滿足生產工藝要求，結果使電路設計復雜、繁瑣，故障時有發(fā)生，給使用和日常維護帶來了很大的不便。在電子技術飛速發(fā)展的今天，有必要而且有可能采用新技術對原電氣控制系統(tǒng)進行改造，以提高可靠性，并實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，提高太陽能熱水器穩(wěn)定性。可編程控制器（PLC）由于可提供使用的時間繼電器和中間繼電器，而且其常開、常閉觸點可多次重復使用，使得我們在編程中可以隨心所欲。用內部編程“軟元件”取代繼電器邏輯控制電路中大量的時間繼電器和中間繼電器，簡化控制線路、有效提高系統(tǒng)的可靠性，是PLC的突出特點8。本設計是基于西門子S7-200的PLC太陽能熱水器控制器設計，目的實現(xiàn)儲水箱的低水位自動指示與自動上水功能；通過PLC內部的PID模塊實現(xiàn)熱水器恒溫出水功能；為了防止在陰雨天氣以及夜晚情況下人們不能夠正常洗浴，系統(tǒng)還加入了輔助電加熱器，當儲水箱溫度低于洗浴的設定溫度時電加熱器自動開始工作，同時為了盡可能的減少電能的浪費，當加熱到設定的溫度上限時，電加熱器自動退出工作，這樣可以滿足人們一天24小時的不間斷用水，系統(tǒng)還擁有自動手動兩套程序，當系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)問題時可以通過手動切除故障，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動手動控制，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。全文分五大部分。第一部分包括第一章，描述太陽能的利用狀況和發(fā)展前景。第二部分包括第二章，描述太陽能熱水器系統(tǒng)的組成及工作原理。第三部分包括第三章，完成硬件的選型和設計。第四部分包括第四，完成軟件的設計及仿真，組態(tài)人工界面。在本文中分別介紹了傳感器的特點及應用、一般的太陽能熱水器及循環(huán)系統(tǒng)、PLC的發(fā)展和應用、PLC和傳感器的選型，這也是設計此款太陽能熱水器的理論基礎和必要前提。67第2章 太陽能熱水器的組成及工作原理2.1太陽能熱水器的基本結構太陽能熱水器按使用分類，可分為季節(jié)性熱水器、全年性熱水器以及有輔助熱源的全天候太陽能熱水器。按集熱器原理和結構可分為平板型熱水器和真空管熱水器9。按工質流動方式不同，又可分為悶曬型、循環(huán)型和直流型三種。但不管何種類型的太陽能熱水器，其基本結構都是一樣的，太陽能熱水器通常由集熱器、絕熱儲水箱、連接管道、支架和控制系統(tǒng)組成，如圖2-1所示。圖2-1 太陽能熱水器的基本結構圖(1) 太陽能集熱器：系統(tǒng)中的集熱元件。其功能相當于電熱水器中的電熱管。和電熱水器、燃氣熱水器不同的是，太陽能集熱器利用的是太陽的輻射熱量，故而加熱時間只能在太陽照射度達到一定值的時候。目前中國市場上最常見的是全玻璃太陽能真空集熱管。結構分為外管、內管，在內管外壁鍍有選擇性吸收涂層。平板集熱器的集熱面板上鍍有黑鉻等吸熱膜，金屬管焊接在集熱板上，平板集熱器較真空管集熱器成本稍高，近幾年平板集熱器呈現(xiàn)上升趨勢，尤其在高層住宅的陽臺式太陽能熱水器方面有獨特優(yōu)勢。全玻璃太陽能集熱真空管一般為高硼硅3.3特硬玻璃制造，選擇性吸熱膜采用真空濺射選擇性鍍膜工藝10。 (2) 絕熱貯水箱：太陽能熱水器水箱是貯存熱水的裝置，其結構、容量、保溫和材料將直接影響熱水器的性能和運行的質量。貯水箱主要組成部分為水箱內膽、保溫層、水箱外殼、密封圈四部分。水箱內膽生產材料的質量，對水箱的耐壓、耐溫、防滲漏及水質影響很大。目前市場上出售的產品，其水箱內膽主要有0.6mm厚304-2B不銹鋼，它無磁性、抗銹蝕、焊接性好，塑性好。其它的常用材料有鋼板進行防腐處理或搪瓷、鍍鋅鋼板、防銹鋁板、塑料或玻璃鋼等。水箱的熱特性包括放熱特性、加熱特性、保溫特性。放熱特性就是希望水箱內的熱水都能放出來，方便利用。加熱特性是大多數(shù)水箱內的水是上部先熱起來，然后下部再慢慢熱起來。保溫特性指水溫下降的快慢，與水箱的封密性、保溫材料、環(huán)境溫度、水容量大小等相關。(3) 支撐架：太陽能熱水器的支撐架主要由反尾座及主撐架組成。(4) 控制系統(tǒng)：一般家用太陽能熱水器需要自動或半自動運行，控制系統(tǒng)是不可少的，常用的控制器是自動上水、水滿斷水并顯示水溫和水位，帶電輔助加熱的太陽能熱水器還有漏電保護、防干燒等功能。市場上有手機短信控制的智能化太陽能熱水器，具有水位水位查詢、故障報警、啟動上水、關閉上水、啟動電加熱等功能，方便了用戶(5) 其它部件：熱水器的密封圈除具有密封性好、耐高溫、壽命長等性能外，還應不溶于水，否則食用后會對人體有害。質量較好的密封圈材料選用硅橡膠，但市場上采用普通橡膠或再生橡膠的商家卻大有人在。2.2太陽能熱水器的工作原理太陽能熱水器是一種利用太陽輻射能通過溫室效應把水加熱的裝置。溫室效應是指由于對流、反射損失減少使能量聚集、溫度逐漸升高的一種自然現(xiàn)象。溫室效應又稱為熱箱原理，它是通過一個上面蓋有透明玻璃的封閉箱體來實現(xiàn)能量聚積的11。陽光透過玻璃進入箱體內，被黑色表面吸收，而向外反射和對流的能量受到玻璃和箱體的阻擋，被保留在箱內，這樣箱體內的能量不斷積聚，溫度不斷升高，甚至可達100200。利用聚積的高溫來加熱水，就是太陽能熱水器。太陽光穿過吸熱管的第一層玻璃照到第二層玻璃的黑色吸熱層上，將太陽光能的熱量吸收，由于兩層玻璃之間是真空隔熱的，熱量不能向外傳，只能傳給玻璃管里面的水，使玻璃管內的水加熱，加熱的水便輕沿著玻璃管受熱面往上進入保溫儲水桶。由于太陽能熱水器在運行過程中不消耗任何常規(guī)能源（煤、石油、天然氣、電等），所以人們把它形象地稱為“不燒煤的鍋爐” 12。真空管式家用太陽能熱水器是由集熱管、儲水箱及支架等相關附件組成，把太陽能轉換成熱能主要依靠集熱管，集熱管利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產生微循環(huán)而達到所需熱水13。集熱器內的水加熱后要與儲水箱里面的冷水實現(xiàn)循環(huán)以使儲水箱里的水不斷的被加熱，目前常用的熱交換方式主要有三種：自然循環(huán)、強迫循環(huán)和定溫放水循環(huán)。(1) 自然循環(huán)式：自然循環(huán)的特點是，儲水箱必須安設在集熱器頂端水平面以上才可進行系統(tǒng)循環(huán)。裝置中集熱器內的水經太陽輻射，使水溫上升，密度開始逐漸變小，與儲水箱內未被太陽輻射的水產生了密度差（或稱重力差、溫度差），形成了熱虹吸壓頭在集熱器中緩緩上升。溫水經過設置管道（上循環(huán)管）進入儲水箱，而在此同時儲水箱內相對溫度低、密度較大的水慢慢下降，經設置管道（下循環(huán)管）流入集熱器下部補充。這樣以水的比重差或稱熱虹吸壓頭為作用力，而不借助外力來使水進行循環(huán)的方式稱為自然循環(huán)14。自然循環(huán)的運行其密度差愈大，循環(huán)的速度愈快，反之循環(huán)的愈慢。這種循環(huán)方式能使儲水箱內的水持續(xù)升溫，太陽輻射停止，循環(huán)也漸漸終止。圖2-2 太陽能熱水器水循環(huán)原理圖(2) 強迫循環(huán)式：強迫循環(huán)顧名思義是借助外力迫使集熱器與儲水箱內的水進行循環(huán)。它的特點是儲水箱的位置不受集熱器位置的制約，可任意設置，可高于集熱器，也可低于集熱器。它是通過水泵將集熱器接收太陽輻射的水與儲水箱的水進行循環(huán)，使儲水箱內的水溫逐漸增高。市場上經常采用的強迫循環(huán)熱水器是一種兩次循環(huán)分離式熱水器，集熱器裝入特殊的導熱介質或防凍液，靠循環(huán)泵進行循環(huán)15。該泵由溫差啟動器進行控制，當溫差達到預定溫度時，啟動泵，進行循環(huán)；低于預定溫度時，泵停止運行。熱水是通過儲熱水箱中的特殊的熱交換器進行熱交換的(圖2-2)。(3) 定溫放水式：定溫放水式與強迫循環(huán)不同的是它不是循環(huán)的概念，而是通過溫度控制器將達到設定溫度的水用水源壓力或水源加壓力水泵輸送到儲水箱內。它的特點是水源經集熱器到儲水箱，因為沒有循環(huán)，又非常簡單，只是將水在集熱器內悶曬后送入儲水箱，因此，有人將這一方式稱為直流式或直流定溫放水16。這種方式的又一特點是與溫差控制式強迫循環(huán)的方式一并使用能有效地節(jié)約用水，定溫放水的水箱容積一般較大，有時前一天的水未被用完，如果不升溫，水即被白白放掉，如果有溫差或強迫循環(huán)的機構就可將這部分水加溫。2.3 本設計要實現(xiàn)的功能在本系統(tǒng)中需要實現(xiàn)以下幾種功能：(1) 自動上水及水位上下限指示功能在系統(tǒng)中通過加入限位開關來不斷的檢測儲水箱內的水位，當水箱內的水位低設定值下限時，低液位指示燈點亮，上水閥自動打開開始加水，當水位上升到設定值上限時，高液位指示燈點亮，上水閥自動關閉，加水停止。 (2) 集熱器熱水與儲水箱中冷水進行循環(huán)功能通過在集熱器出水口放置溫度傳感器可以檢測出水溫度，再通過在儲水箱里面放溫度傳感器檢測儲水箱內的水溫度，再通過兩個溫度值的比較，當集熱器出水溫度大于儲水箱水溫度時，循環(huán)泵打開，實現(xiàn)水循環(huán)，使儲水箱里面的水不斷的被加熱，只要有溫度差循環(huán)就進行，直到兩者之間的溫度差消失。(3) 輔助電加熱功能儲水箱里的溫度傳感器帶顯示功能，設定一個儲水箱水溫度上下限值當溫度低于設定的溫度下限時，輔助電加熱器開始工作，儲水箱里的水溫開始上升，當達到溫度上限時電加熱停止，以達到全天候不間斷供應可以洗浴的熱水的目的，尤其在陰天或者晚上時能夠滿足人們的洗浴要求。(4) 恒溫出水功能通過設定一個溫度值，然后在三通調節(jié)閥的出水口放置一個溫度傳感器，不間斷的測量三通閥的出水溫度，再通過與設定值的比較，通過PLC的中的PID模塊計算，控制三通調節(jié)閥的開度，使三通調節(jié)閥的出水溫度恒定。PLC的PID閉環(huán)控制可以實現(xiàn)對溫度的精確控制，可以滿足人們對洗浴水溫的高標準要求，避免水溫的不穩(wěn)定對人身造成的傷害。(5) 自動手動轉換功能在系統(tǒng)運行過程中有可能碰到很多未知的實際問題，為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰，應設置必要的手動自動轉換功能。在系統(tǒng)發(fā)生不能排除的問題或檢測失效時，啟用手動操作，切除故障。還可以在洗浴條件不滿足時強制進行洗浴，強制加水。為了調試系統(tǒng)的需要，這些手動程序也是必要的。第3章 太陽能熱水器硬件的選型及設計3.1 PLC的工作原理PLC采用循環(huán)（巡回）掃描工作方式，而大、中型PLC還增加了中斷工作方式17。循環(huán)掃描即可按固定順序，也可按用戶程序所規(guī)定一級順序（高級和低級順序）或可變順序等進行。因為有的用戶程序不需要每掃描一次執(zhí)行一次，也為的是在控制系統(tǒng)需要處理的I/O點數(shù)較多時，通過不同的模塊組合的安排，采用分時分批掃描執(zhí)行的辦法，可縮短循環(huán)掃描周期和控制的實時性。用戶將用戶程序設計、調試后，用編程器鍵入PLC的存儲器中，并將現(xiàn)場的輸入信號和被驅動的執(zhí)行元件相應地接在輸入模板的輸入端和輸出模板的輸出端上，然后用PLC的控制開關使其處于運行工作方式，PLC就以循環(huán)掃描的工作方式進行工作。在輸入信號、用戶程序的控制上，產生相應的輸出信號，完成預期的控制任務。PLC的典型的循環(huán)順序掃描土作過程如圖3-1所示。從圖3-1中可以看出，一個典型的可編程序控制器在一個掃描周期中要完成六個掃描過程18。在系統(tǒng)軟件的指揮下，的程序流程順序地執(zhí)行，這種工作方式成為順序掃描方式。從掃描過程中的某個掃描過程開始，順序掃描后又回到該過程成為一個掃描周期。進行一個掃描周期所需的時間稱為一個掃描周期時間。 圖3-1 PLC工作原理3.2硬件設備的選型3.2.1 PLC的選型在本設計中需要用到三個溫度傳感器和一個液位傳感器，由于這四個量是模擬量，而PLC只能處理數(shù)字量，因此在PLC和傳感器之間必須加入特殊功能模塊，將模擬量轉換成數(shù)字量再用PLC進行處理。PLC運算后輸出的數(shù)字量再經過特殊功能模塊轉換成模擬量進行控制。同時又為了最后仿真的需要、相關的性能要求及PID運算指令的使用，決定使用德國西門子S7系列PLC中的西門子S7-200，如圖3-2所示：圖3-2 西門子S7-200SIMATIC S7-200PLC是超小型化的PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。S7-200 PLC的強大功能使其無論單機運行，或連成網絡都能實現(xiàn)復雜的控制功能19。S7-200系列PLC出色表現(xiàn)在以下幾個方面：(1) 極高的可靠性。(2) 極豐富的指令集。(3) 易于掌握。(4) 便捷的操作。(5) 豐富的內置集成功能。(6) 實時特性。(7) 強勁的通訊能力。(8) 豐富的擴展模塊。在設計中，需要的輸入量有上水閥開關、循環(huán)泵開關、電加熱開關、洗浴開關和自動手動轉換開關等。輸出量有上水電磁閥、循環(huán)泵、電加熱、排空電磁閥和洗浴電磁閥等?？紤]實際需要保留一定的I/O余量，決定使用S7-200系列中的CPU224XP。圖3-3 CPU224XP結構圖CPU 224XP集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點，2輸入/1輸出共3個模擬量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展值至168路數(shù)字量I/O點或38路模擬量I/O點。20K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨立的高速計數(shù)器（100KHz），2個100KHz的高速脈沖輸出，2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力20。本機還新增多種功能，如內置模擬量I/O,位控特性，自整定PID功能，線性斜坡脈沖指令，診斷LED，數(shù)據(jù)記錄及配方功能等。是具有模擬量I/O和強大控制能力的新型CPU。3.2.2其他硬件的選型(1) 模擬量模塊在本設計中，有三個溫度模擬量輸入，有一個三通調節(jié)閥開度模擬量輸出，共計有三個模擬量輸入、一個模擬量輸出。為了系統(tǒng)的安全及擴展的需要，要有一些備用的模擬量輸入輸出通道。所以，綜合各方面的因素決定選用EM235四輸出一輸出模擬量模塊，如圖3-4所示：圖3-4 EM235模擬量模塊EM235模擬量模塊通過排線與224XP相連，CPU通過此模塊可以采集于本模塊相連接現(xiàn)場的模擬信號，比如：壓力、流量等?？山邮茈娏?、電壓信號，也可連接兩線制變送器。EM235有4路模擬量輸入通道，同時還包括了一路模擬量輸出通道，輸出電壓、電流信號用于連續(xù)的控制。(2) 溫度傳感器現(xiàn)代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。本設計選用電流輸出型傳感器，因為PLC控制器有可能距離傳感器的位置較遠，而電流輸出具有恒流源的性質，恒流源的內阻很大。PLC的模擬量輸入模塊輸入電流時，輸入阻抗較低。線路上的干擾信號在模塊的輸入阻抗上產生的干擾電壓很低，所以模擬電流信號適于遠程傳送。又由于為了與EM235模擬量模塊相配套，所以溫度傳感器應選用PT100鉑熱電阻溫度傳感器。PT100鉑溫度傳感器能夠將檢測到的模擬量信號轉換成相應標準電流信號輸出。PT100的特點是：準確性高。在所有的溫度計中，它的準確度最高，可以達到1Mk。輸出信號大，靈敏度高。PT100熱電阻溫度計的靈敏度比熱電溫度計(熱電偶)高一個數(shù)量級。測溫范圍廣，穩(wěn)定性能好。在振動小而適宜的環(huán)境下，可以在長時間內保持0.1以下的穩(wěn)定性。圖3-5 SBWZ一體化pt100溫度變送器EM235模擬量模塊的輸入端將接受的電流信號通過A/D轉換，將傳感器測量的電流（電壓）值轉換為0-32000的數(shù)字量，溫度由PT100采集上來，一般為電阻信號，或者加24V電源轉換成電流信號4-20mA。EM235再采集由PT100轉化來的電流信號，然后再通過自身編寫程序運算成實時溫度測量值21。這里，我們選用PT100溫度傳感器中的SBWZ一體化pt100溫度變送器。SBWZ型熱電阻溫度變送器是小型一體化二線制儀表新產品，代表著當今傳感器一體化發(fā)展趨勢。由于該產品實現(xiàn)了小型化，可以直接在溫度傳感器的接線盒內安裝，將傳感器測量的0-100度信號直接轉換成符合標準化的420mA直流信號遠傳至控制室，從而提高了信號的抗干擾能力。 (3) 三通調節(jié)閥為了達到恒溫出水功能，我們將采用PID控制以達到對水溫的精確自動控制，這就需要可以控制冷熱水開度的電動三通調節(jié)閥。電動三通溫控閥是流量調節(jié)閥在溫度控制領域的典型應用，其基本原理：通過控制各支路熱（冷）媒入口流量的比例，以達到控制出口溫度的目的。當負荷產生變化時，通過改變閥門開啟度調節(jié)流量，以消除負荷波動造成的影響，使溫度恢復至設定值。因此，在出水口我們配套選用了西門子公司生產的SKB62電動三通調節(jié)閥，如圖3-6所示。圖3-6 SKB62電動三通調節(jié)閥它的優(yōu)點是：具有比例積分(PI)或比例積分、微分(PID)調節(jié)功能，控制穩(wěn)定、精確。針對不同的現(xiàn)場工況，可靈活調整控制參數(shù)，達到系統(tǒng)最優(yōu)化?？捎煽刂破髯x取當前溫度值及觀察閥門工作狀態(tài)?？蓴U展功能，如遠程設置、溫度補償、超溫報警、用熱計量及自動抄表、遠傳等。大部分型號可在斷電時進行手動操作。 (4) 其他硬件的選擇其它的材料主要有太陽能熱水器集熱器的支架，集熱管的管材、管徑，管道的保溫材料，液位限位開關，電磁閥，循環(huán)泵，電加熱器等的選擇，可以根據(jù)相關的規(guī)定和相關的計算來選擇，在本文中就不再具體介紹了。3.3太陽能熱水器的整體設計3.3.1PID閉環(huán)控制 太陽能本身是一個不斷變化、而影響其變化的因素又較多、極其復雜的非線性變量，太陽熱水系統(tǒng)工程是一個非線性系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學模型，因此采用傳統(tǒng)的控制方法難以得到較佳的控制效果。而模糊控制是以模糊數(shù)學為基礎發(fā)展起來的一種新的控制方法22。這種控制方法是一種智能的、非線性的控制方法，對那些無法取得數(shù)學模型或數(shù)學模型相當粗糙的系統(tǒng)可以取得較滿意的控制效果，解決一些用傳統(tǒng)控制方法無法解決的問題。太陽能熱水器控制器采用PID控制算法，這種算法對固定參數(shù)的線性定常系統(tǒng)是非常有效的。通過調整PID控制器的參數(shù)，一般都能得到比較滿意的控制效果。(1) PID計算公式PID（比例（proportion）、積分（integration）、微分（differentiation）控制器作為最早實用化的控制器已有近百年歷史，現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器23。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關系為： (3-1)式中積分的上下限分別是0和t因此它的傳遞函數(shù)為： (3-2)其中kP為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。(2) 實現(xiàn)PID控制的方法用PLC對模擬量進行PID控制時，可以采用以下幾種方法：使用PID過程控制模塊過程控制模塊包括A/D轉換器和D/A轉換器，PID控制程序是PLC生產廠家設計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。但是這種模塊價格較高，一般在大型控制中使用。使用PID指令現(xiàn)在有很多PLC都有供PID控制用的指令，例如S7-200的PID指令。它們實際上是用于PID控制的子程序，與模擬量輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于使用PID過程控制模塊的效果，但是價格便宜的多。用自編程序實現(xiàn)PID閉環(huán)控制有的PLC沒有PID過程控制模塊和PID控制用的功能指令，有時雖然可以使用PID控制指令，但是希望采用其他改進的PID控制算法，在上述情況下，都需要用戶自己編制PID控制程序。變頻器的閉環(huán)控制變頻器內部一般都有一個PI控制器或PID控制器。對于恒壓供水這一類閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以將反饋信號接到變頻器的反饋信號輸入端，使變頻器內部的控制器實現(xiàn)閉環(huán)控制。PLC可以通過通信或開關量信號給變頻器提供頻率給定信號和啟動、停止命令。如果將反饋信號送給PLC的模擬量輸入模塊，用PLC實現(xiàn)PID閉環(huán)控制，用D/A轉換器輸出的模擬信號作為變頻器的頻率給定信號，需要增加PLC的模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊，將會增加硬件成本。(3) 本設計的PID控制本設計中在恒溫出水部分需要用到PID控制，通過溫度傳感器的測量值與設定值的不斷比較，使出水溫度穩(wěn)定在設定值上，以達到恒溫出水的目的。本設計的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖3-7所示：圖3-7 系統(tǒng)恒溫出水部分PID控制框圖圖中所示，被控量C(t)首先被測量元件轉換為標準量程的電流信號或電壓信號pv(t)，模擬量輸入模塊的A/D轉換器將它轉換為數(shù)字量pv(n)。模擬量輸出模塊的D/A轉換器將PID控制器輸出的數(shù)字量mv(n)轉換成模擬電壓或模擬電流mv(t),再去控制執(zhí)行機構。在這里虛線框中的部分是由PLC實現(xiàn)的，執(zhí)行機構是三通調節(jié)閥，被控對象是儲水箱出水溫度，測量元件是溫度傳感器。3.3.2 PLC與外部設備連接方案PLC的輸入輸出量需要驅動設備運行，所以必須占用輸入輸出點數(shù)，也就是I/O端口與模擬量輸入輸出端口，本設計中輸入量有手自動切換輸入、上水電磁閥輸入；循環(huán)泵開/關輸入、出水電磁閥輸入、電加熱輸入、排空輸入、循環(huán)泵故障輸入、限位開關輸入以及三個溫度傳感器輸入量等；輸出量分別是手自動切換量、驅動上水電磁閥輸出量、驅動循環(huán)泵輸出量、驅動洗浴電磁閥輸出量、驅動電加熱輸出量和驅動排空閥輸出量，另外還有一個模擬輸出量。它們與PLC的連接如圖3-8所示：圖3-8 PLC與外部輸入輸出設備的連接注釋：(1) PLC系統(tǒng)的電源接線：PLC供電電源可采用直流24V、交流100V120V或200V240V的工作電源。如果電源發(fā)生故障，中斷時間少于10ms，PLC工作不受影響。若電源中斷超過10ms或電源下降超過允許值，則PLC停止工作，所有的輸出點均同時斷開。當電源恢復時，若RUN輸入接通，則操作自動進行。對于電源線來的干擾，PLC本身具有足夠的抵制能力，也可以安裝一個變比為1:1的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾24。(2) 接地：良好的接地是保證PLC可靠工作的必要條件。在接地時應注意以下幾點：PLC的接地線應為直徑在2mm以上的專用線接地電阻應小于100PLC的地線不能和其它設備共用PLC的各單元地線應相連在一起(3) PLC的維護和檢修：雖然PLC的設計，已使維修和運行故障減少到最小程度，但為了保證系統(tǒng)的正常工作，盡量延長系統(tǒng)的使用壽命，應定期進行維護和檢修。注意電源電壓、環(huán)境指標、I/0參數(shù)、安裝情況及備份電池等情況的檢查與維護，確保PLC正確穩(wěn)定的運行。3.3.3水工藝流程設計系統(tǒng)的整個水工藝流程包括上水管道及電磁閥，洗浴開關、管道和噴頭，集熱器、循環(huán)泵、儲水箱構成的水循環(huán)網絡，以及三通調節(jié)閥控制的恒溫出水部分。水工藝圖如下所示：圖3-9 太陽能熱水器水工藝圖第4章 系統(tǒng)軟件框架的構建與系統(tǒng)仿真4.1系統(tǒng)的I/O口地址及相關的軟元件功能設置本系統(tǒng)中主要的輸入有上水閥開關、循環(huán)泵開關、電加熱開關、洗浴開關和自動手動轉換開關。輸出有上水電磁閥、循環(huán)泵、電加熱、排空電磁閥和洗浴電磁閥等。另外，還有一些報警指示燈和傳感器。系統(tǒng)占用的所有主要單元的端口及地址分配如下表所示：表4-1 輸出量I/O地址分配表信號名稱或軟元件功能I/O端口或地址上水電磁閥Q0.0循環(huán)泵Q0.1洗浴電磁閥Q0.2電加熱Q0.3排空電磁閥Q0.4手自動指示Q0.5洗浴低溫報警指示燈Q0.6洗浴高溫報警指示燈Q0.7儲水箱液位上限指示燈Q1.0儲水箱液位下限指示燈Q1.1表4-2 輸入量I/O地址分配表信號名稱或硬件功能I/O端口或地址自動手動I0.0上水手動控制I0.1循環(huán)泵開I0.2循環(huán)泵關I0.3洗浴電磁閥控制I0.4電加熱控制I0.5排空電磁閥控制I0.6循環(huán)泵故障I0.7上水電磁閥關I1.0上水電磁閥開I1.1表4-3 測量信號/模擬信號地址信號名稱或硬件功能I/O端口或地址儲水箱溫度上限VW212儲水箱溫度下限VW216出水溫度設定值VD104集熱器溫度傳感器AIW4儲水箱溫度傳感器AIW6三通調節(jié)閥出水溫度傳感器AIW8三通調節(jié)閥開度AQW4儲水箱溫度測量量VW206集熱箱溫度測量量VW202出水口溫度測量量VW210PID溫度執(zhí)行量VW2204.2系統(tǒng)的程序流程圖由于系統(tǒng)不是嚴格的順序控制系統(tǒng)，所以在這里列出了各個子程序的流程圖。(1) 水循環(huán)流程圖：圖4-1 水循環(huán)流程圖在水循環(huán)部分，集熱器和儲水箱里的溫度傳感器不斷測量兩者的溫度，并比較兩個溫度值之間的差，如果集熱器出水溫度大于儲水箱水溫度，那么強制進行水循環(huán)，只要兩者之間有溫度差，循環(huán)就不停的進行，這樣可以使太陽能收集到的能量不斷的傳遞到儲水箱里面的水上，使水溫不斷上升，以滿足人們的需要。(2) 自動上水流程圖首先要對儲水箱的液位設定上下限，根據(jù)液位的情況來決定加水和不加水，所以自動上水流程圖如下：圖4-2 自動上水流程圖(3) PID閉環(huán)調節(jié)與電加熱流程圖這是恒溫供水最重要的一部分，通過PID閉環(huán)控制可以實現(xiàn)對溫度的精確控制，這一方面是人們要求比較高的，關鍵是用PLC里面的PID指令來進行控制，如圖4-3所示。為了全天候的供應熱水所以加入了輔助電加熱器，為此在人的正常洗浴溫度左右設置一個溫度上下限，當溫度低于某一值時，電加熱器打開，開始給儲水箱里的水加熱，當加熱到上限溫度值時，停止加熱，在本設計中，設定溫度上限為60，下限為70，如圖4-4所示。圖4-3 PID閉環(huán)調節(jié)程序流程圖 圖4-4 電加熱程序流程圖4.3 設計控制系統(tǒng)的梯形圖程序STEP7MicrowinV4.0編程軟件是專為西門子公司S7-200系列小型機而設計的編程工具軟件，使用該軟件可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制控制程序并完成與PLC的實時通信，進行程序的下載與上傳及在線監(jiān)控25。根據(jù)我們設計的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的功能與流程，我們利用STEP7MicrowinV4.0編程軟件對S7-200PLC進行編程，程序如下所示：(1) 程序塊：初始化設定出水口溫度，儲水箱高低溫設定程序：單按鈕手自動切換程序，調用子程序SBR_0或SBR_1：單按鈕控制儲水箱排空電磁閥啟停與出水閥控制程序：儲水箱液位上下限指示程序：儲水箱溫度與設定值比較，高低溫指示與循環(huán)泵故障指示程序：循環(huán)泵故障指示燈閃爍程序，閃爍間隔設置2S：傳感器溫度變送與PID整定程序：溫度調節(jié)輸出程序：循環(huán)泵故障停止程序：(2) 自動控制子程序SBR_0：儲水箱水位控制程序：儲水箱與集熱器水溫比較水循環(huán)控制程序：儲水箱水溫低電加熱器控制程序：(3) 手動控制子程序SBR_1：循環(huán)泵手動控制程序：單按鈕儲水箱手動上水控制程序：電加熱手動控制程序：儲水箱高低溫指示程序：4.4系統(tǒng)仿真(1) 用STEP 7-Micro/WIN V4.0軟件編好如下程序：圖4-5 程序界面(2) 將編好的程序進行編譯、導出：圖4-6 導出程序(3) 打開仿真軟件，選擇PLC型號為CPU224XP：圖4-7 選擇PLC型號(4) 選擇模擬量模塊EM235：圖4-8 選擇模擬量模塊(5) 選擇編程時導出的“太陽能熱水器自動控制-魏天野.awl”工程文件：圖4-9 選擇文件(6) 裝載后顯示項目名稱，點擊綠色運行按鈕運行程序：圖4-10 仿真界面運行后響應端口綠色運行燈亮，表示該端口有信號。(7) 監(jiān)控AQW4模擬量輸出端口，調節(jié)AIW8端口代表出水口溫度變化，可以看到AQW4模擬量輸出端口地址值由于PID程序的整定