基于PLC的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設計

1、本科畢業(yè)設計（論文） 題 目 基于plc的太陽能 熱水器控制系統(tǒng)設計 學生姓名 專業(yè)班級 自動化07-2班 學 號 院 （系） 電氣信息工程學院 指導教師 完成時間 2011年06月 05日 電氣信息工程學院本科畢業(yè)設計任務書題目 基于plc的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設計 專業(yè) 自動化07-2班 學號 2 姓名 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：主要內(nèi)容：本設計研究的主要內(nèi)容是用plc控制太陽能熱水器系統(tǒng)，實現(xiàn)太陽能熱水器系統(tǒng)自動控制及手工控制，使其滿足實際各種控制需要，使更多的工作免于人工參與、使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠?；疽螅?、確定系統(tǒng)的各種工序，繪制系統(tǒng)的工藝流程圖。2、plc選型及i/o點

2、分配。3、設計、繪制梯形圖，滿足各個控制要求。4、繪制電氣原理圖、外部接線圖等。主要參考資料：1袁任光.可編程序控制器技術與實例m.廣州：華南理工大學出版社，2003.215-2382陳宏.可編程控制器( plc)的選型j.化工進展，2003，22 (12) ：1354-13563趙緩,越慧.我國太陽能資源及其開發(fā)利用j.經(jīng)濟地理，1998，98-1254陸維德.我國太陽熱水器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展j.太陽能,1999(4)：23-255網(wǎng)上查閱的相關資料等完 成 期 限： 2011.03 2011.06 指導教師簽名： 專業(yè)負責人簽名： 2011年 03 月 01 日基于plc的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設計

3、基于plc的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設計 摘 要現(xiàn)在，城市居民絕大部分都使用了太陽能熱水器，農(nóng)村也有相當一部分人使用。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。本設計進行了系統(tǒng)的i/o分配和plc選型，根據(jù)要求繪制出了控制系統(tǒng)電氣原理圖和接線圖等。把plc作為太陽能熱水器的控制系統(tǒng)，大大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。關鍵詞 太陽能熱水器 plc

4、 控制系統(tǒng)design of solar water heater control system based on plcabstractnow, vast majority of urban residents use solar water heaters, so do a considerable number of rural people. therefore, the research and development of controlling system of advanced solar water heater are becoming increasingly impo

5、rtant.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, considerring the c

6、onvenionce of maintenance and scalability.in this design, the address of i/o is resigned and the suitable plc is choosed.the electrical principle diagram and the interconnection diagram are drawn, according to the requirement.as the controlling system of solar water heater, plc greatly reduces the n

7、umber of other components. moreover, it has the feature such as simple interconnection, rapid and easy fault detecting and maintenance, and advancement of the system. key words solar water heater plc control systemi目 錄摘 要abstract1 緒論11.1 本設計研究的目的和意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1太陽能熱水器概述11.2.2太陽能熱水器組成21.2.3 太陽能熱水

8、器的基本工作過程31.2.4 可編程控制器概述51.2.5 plc的發(fā)展歷史51.2.6 plc的特點51.2.7 plc的基本工作原理71.3 本設計研究的主要內(nèi)容82 控制系統(tǒng)的硬件設計方案92.1 控制系統(tǒng)的基本功能要求92.2 控制系統(tǒng)的硬件設計方案92.2.1 系統(tǒng)水溫控制原理框圖102.2.2 plc的選型112.2.3 plc硬件控制框圖112.2.4各單元功能作用介紹122.2.5 plc的端口分配152.3 系統(tǒng)電路的設計153 控制系統(tǒng)的軟件設計方案193.1 系統(tǒng)軟件設計方案193.2 軟件組成193.3 系統(tǒng)控制流程圖193.4 設計控制系統(tǒng)的梯形圖程序244 結論25

9、致 謝26參考文獻27附錄1 原理總圖的元器件清單28附錄2 梯形圖程序291 緒論1.1 本設計研究的目的和意義在全球能源形勢緊張、氣候變暖嚴重威脅經(jīng)濟發(fā)展和人們生活健康的今天，世界各國都在尋求新的能源替代戰(zhàn)略，以求得可持續(xù)發(fā)展和在日后的發(fā)展中獲取優(yōu)勢地位。太陽能以其清潔、源源不斷、安全等顯著優(yōu)勢，成為關注的重點。在太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，太陽能熱水器的熱利用轉換技術無疑是最為成熟的，其產(chǎn)業(yè)化進程也較光伏電池、太陽能發(fā)電等產(chǎn)業(yè)領先一步。太陽能光熱應用市場前景廣闊，除家庭用熱水外，還可用于工業(yè)熱水、采暖、空調(diào)、干燥、農(nóng)業(yè)種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、海水淡化等領域。從發(fā)展的角度看，城市家庭生活熱水的供給不應由業(yè)

10、主考慮，而應與建筑設計開發(fā)同時進行。在此基礎上設計出了全玻璃真空管式太陽能熱水器控制系統(tǒng)。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(chǎn)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?？删幊炭刂破鳎╬lc）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(nèi)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

11、化控制線路、有效提高系統(tǒng)的可靠性，是plc的突出特點。太陽能熱水器是太陽能熱利用中商業(yè)化程度最高 、應用最普遍的技術 。但是在熱水器自動控制系統(tǒng)中大多采用單片機控制 ，單片機開發(fā)價格較高，而plc開發(fā)價格便宜。選用plc控制，它具有速度快，可靠性高，體積小，功能全，編程簡單的特點。通過改進或完善已有太陽能熱水器控制系統(tǒng)的不足，設計開發(fā)新型太陽能熱水控制系統(tǒng)基于plc的太陽能熱水器控制系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1太陽能熱水器概述太陽能熱水器是把太陽光能轉化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度以滿足人們在日常生產(chǎn)、生活中需要的熱水器。把太陽能轉換成熱能主要依靠集熱管，集熱管受陽光照射面溫度高，

12、集熱管背陽面溫度低，而管內(nèi)水便產(chǎn)生溫差反應，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達到所需要的熱水。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，需要大量的熱水。這類熱水的特點是用水量較大而水溫不高，一般為400c 600c。如淋浴的水溫在350c400c之間，超過600c就會感到太熱。工業(yè)上為了清除油污，熱水溫度要高一些，但一般在 900c左右。太陽能熱水器能提供的熱水，是目前使用最為普遍和效果最好的太陽能利用裝置; 這種裝置結構簡單、使用方便、不用專人管理，故已在全國推廣使用。我國太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，目前已成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國，但與太陽能熱水器配套的控制器卻一直處于研究和開發(fā)階段，尤

13、其是與太陽能熱水器系統(tǒng)匹配的控制器，至今尚未檢索到相關報道。太陽熱水器，尤其是太陽熱水系統(tǒng)及其控制器有著廣闊的發(fā)展前景，但現(xiàn)有的技術研究和產(chǎn)品開發(fā)投入較少。因此，在太陽能熱水器、太陽能熱水器系統(tǒng)的測量控制方面，應引起足夠重視，加大投入一定力量研究開發(fā)高質(zhì)量、性能好的測控產(chǎn)品。上世紀70年代末，太陽能熱水器的開發(fā)利用在美國、澳大利亞、日本、德國、以色列等國家得到了很大的發(fā)展。在隨后的十幾年里，平板集熱器型太陽熱水器的推廣應用在一些國家得到了較快的發(fā)展。1975年美國歐文斯伊利諾依（owens-llinois）公司發(fā)明了全玻璃真空管太陽集熱器并推向市場。當時，集熱管的選擇性吸收涂層的平場陽光吸收率

14、約為83%，但由于采用了高真空技術，使集熱器的熱損失比普通平板式太陽能集熱器的熱損失降低了兩個數(shù)量級，從而將太陽能熱利用技術水平大大提高了一大步。在隨后的十幾年內(nèi)，全玻璃真空管太陽能熱水器性能通過完善、提高，并逐步降低成本，因而得到了快速發(fā)展，到上世紀90年代，這種新型太陽能熱水器已成為推廣應用的主流產(chǎn)品。1.2.2太陽能熱水器組成太陽能熱水器是由集熱器、保溫水箱、支架、循環(huán)管道等相關附件組成。1、集熱器集熱器是太陽能熱水器的主要部件，它由透明玻璃、吸熱體、保溫層等組成。當涂有黑色的金屬片置于陽光下，即可吸收太陽輻射能而升高溫度，同時也向四周散發(fā)熱量。若它吸收的能量與散發(fā)的能量相等，此時金屬片

15、就不再升溫，這就叫“平衡溫度”。如果在金屬片內(nèi)有流體，流體把熱量不斷帶走，為了達到平衡溫度，金屬片便要不斷吸收太陽的輻射能。利用這種原理，把帶有流體的金屬板封裝在一個保溫盒體中，上面蓋以玻璃，使太陽的輻射能可以進入盒體，集熱器由于吸熱體溫度較低，其發(fā)射出的大部分輻射能波長較長(位于遠紅外區(qū)域)，這些輻射不能穿透玻璃而被阻隔在集熱器的空腔內(nèi)，從而產(chǎn)生了所謂的溫室效應，提高了集熱器的集熱效率。2、循環(huán)管道在熱水器平面布置方案確定后，集熱器與循環(huán)水箱已基本確定。但要熱水器運行起來，還得配置適當?shù)墓艿溃瑢⒓療崞髋c水箱有機的連接起來，才能形成一個完整的循環(huán)系統(tǒng)。熱水器管道系統(tǒng)連接正確與否，對熱水器循環(huán)系

16、統(tǒng)的效率也有很大影響。3、熱水器水箱及水箱配置水箱是熱水器的重要組成部分。它包括循環(huán)水箱和補給水箱；循環(huán)水箱與集熱器上下水管相連，供熱水循環(huán)之用。補給水箱只與循環(huán)水箱相通，當循環(huán)水箱水位低時，以補給冷水之用。1）循環(huán)水箱它的作用是保持最高水位平面，同時讓水中空氣由此處排出，避免帶入管道系統(tǒng)，以致造成氣阻損失。 循環(huán)水箱的下部均裝有冷水進水擋板。這樣冷水進入循環(huán)水箱時，通過擋板使之擴散流入不致將箱內(nèi)上部熱水攪混。2）補給水箱補給水箱是供給冷水的水箱。自來水不是直接進入循環(huán)。而是通過補給水箱來補給。這樣做的優(yōu)點是使冷水和熱水隔開，保持循環(huán)水箱中的熱水水溫穩(wěn)定。3）水箱配管水箱配管是指進出水管、排放

17、熱水管等在水箱中的高度位置，它對排放水溫起著主要作用。因此，熱水出水管位置愈高，其熱水排放溫度亦愈高；為此，采用定溫自動放水時，它的熱水出水口位置較高。而采用人工放水時，熱水出水口位置應較低。循環(huán)水箱內(nèi)的水溫達到一定溫度時，將箱內(nèi)熱水幾乎全部放掉，然后放入冷水再重新循環(huán)加熱。一般人工放水一天中 12次。1.2.3 太陽能熱水器的基本工作過程下圖為典型的太陽能熱水器裝置簡圖。圖中集熱器1按最佳傾角放置，下降水管2的一端與循環(huán)水箱3的下部相連，另一端與集熱器1的下集管接通。上升水管5與循環(huán)水箱3的上部相連，另一端與集熱器1的上集管相接。補給水箱4供給循環(huán)水箱3所需的冷水。當集熱器吸收太陽輻射能后，

18、集熱器內(nèi)溫度上升，水溫也隨之升高。水溫升高后，水的比重減輕，經(jīng)上升水管進入循環(huán)水箱上部。而循環(huán)水箱下部的冷水，比重較大，就由水箱下部流到集熱器下方，在集熱器內(nèi)受熱后又上升。這樣不斷對流循環(huán)，水溫逐漸提高，直到集熱器吸收的熱量與散失的熱量相平衡時，水溫不再升高。這種熱水器利用循環(huán)加熱的原理，因此又稱為循環(huán)式熱水器。太陽能熱水器裝置簡圖如下圖1-1所示。1532764f3f1f2圖1-1 太陽能熱水器裝置簡圖1、集熱器 2、下降水管 3、循環(huán)水箱4、補給水箱 5、上升水管 6、自來水管7、熱水出水管f1、循環(huán)水閥門 f2、冷水閥門 f3、熱水閥門1） 吸熱過程。太陽輻射透過玻璃蓋板，被集熱板吸收后

19、沿肋片和管壁傳遞到吸熱管內(nèi)的水。吸熱管內(nèi)的水吸熱后溫度升高，比重減小而上升，形成一個向上的動力，構成一個熱虹吸系統(tǒng)。隨著熱水的不斷上移并儲存在儲水箱上部，同時通過下循環(huán)管不斷補充溫度較低的水，如此循環(huán)往復，最終整箱水都升高至一定的溫度。2） 水循環(huán)管路。家用太陽能熱水器通常按自然循環(huán)方式工作，沒有外在的動力，設計良好的系統(tǒng)只要有56以上的溫差就可以循環(huán)很好。水循環(huán)管路、管徑及管路分布的合理性直接影響到集熱器的熱交換效率。多數(shù)情況下，自然循環(huán)家用熱水器系統(tǒng)管路中的流態(tài)都可以視為層流。 集熱器內(nèi)管路系統(tǒng)的阻力主要來自沿程阻力，局部阻力的影響要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。當水溫升高后

20、，由于運動粘度減小，沿程阻力變小，局部阻力的影響變大。在一定范圍內(nèi)，當主管管徑不變時，加大支管管徑，不僅沿程阻力迅速減小，而且局部阻力也將跟著減小。一般地，支管的半徑應在10mm以上。當主管管徑達到一定值以后，增加主管管徑對減小系統(tǒng)阻力意義不大。1.2.4 可編程控制器概述可編程控制器（pragrammablelogiccontroller）簡稱 plc，它是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程；而有關的外圍設備，都應按易于與工

21、業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴充其功能的原則設計。plc自產(chǎn)生至今只有30多年的歷史，卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應用，成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。長期以來，plc在工業(yè)自動化控制中發(fā)揮著巨大的作用，為各種各樣的自動化控制設備提供了廣泛、可靠的控制應用，這主要是源于它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合當前自動化工業(yè)企業(yè)的需要。1.2.5 plc的發(fā)展歷史20世紀70年代大規(guī)模集成電路和微處理機出現(xiàn)后，正式生產(chǎn)出了現(xiàn)在模式的可編程序邏輯控制器plc（programmable logic controller）產(chǎn)品。這類產(chǎn)品具有穩(wěn)定可靠、價格便宜、功能齊全、體積小、應用靈活方便

22、、工程周期短、操作維護方便、應用領域廣闊等優(yōu)點。隨著集成電路和計算機技術的發(fā)展，現(xiàn)在己誕生了第五代plc產(chǎn)品。而從應用角度看，plc大概經(jīng)歷了如下幾個階段：1、單機就地控制，取代繼電器柜，至今仍然是plc應用的主流。2、數(shù)臺plc與1臺pc機相連，pc機完成編程和在運行中作為人機界面（80年代后期）。3、90年代，隨著系統(tǒng)集成能力的提高，plc提供系統(tǒng)通信的能力，構成可編程控制系統(tǒng)pcs（programmable control system），人機界面逐步完善，具有離散量和模擬量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的監(jiān)控能力。4、隨著近代現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡、工業(yè)pc機（ipc）、軟plc技術的發(fā)展，以及系統(tǒng)開放性、電控

23、儀控一體化、管控一體化、it技術發(fā)展的需求，新型的覆蓋大、中、小系統(tǒng)的pcs正在形成。1.2.6 plc的特點現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程是復雜多樣的，他們對控制的要求也各不相同。plc專為工業(yè)控制應用而設計，一經(jīng)出現(xiàn)就受到了廣大工程技術人員的歡迎。其主要特點有：1、通用性強,使用方便。由于plc產(chǎn)品的系列化和模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用。當控制對象的硬件配置確定以后 ,就可通過修改用戶程序 ,方便快速地適應工藝條件的變化。2、功能性強,適應面廣?，F(xiàn)代 plc不僅具有邏輯運算、計時、計數(shù)、順序控制等功能 ,而且還具有a/d和d/a轉換、數(shù)值運算、數(shù)據(jù)處理等功能。因此 ,它既可對開關量進行

24、控制 ,也可對模擬量進行控制 ,既可控制1臺生產(chǎn)機械、1條生產(chǎn)線 ,也可控制1個生產(chǎn)過程。plc 還具有通訊聯(lián)絡功能，與上位計算機構成分布式控制系統(tǒng) ,實現(xiàn)遙控功能。3、可靠性高,抗干擾能力強。大多數(shù)用戶都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。針對 plc是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的 ,故采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施。硬件方面 ,隔離是抗干擾的主要措施之一。plc的輸入、輸出電路一般用光電耦合器來傳遞信號 ,使外部電路與cpu之間無電路聯(lián)系 ,有效地抑制了外部干擾源對plc的影響,同時,還可以防止外部高電壓竄入cpu模塊濾波是抗干擾的另一主要措施,在plc的電源電路和 i/o模塊中,設置了

25、多種濾波電路,對高頻干擾信號有良好的抑制作用。軟件方面,設置故障檢測與診斷程序。采用以上抗干擾措施后 ,一般 plc平均無故障時間高達4萬5萬h。4、編程方法簡單,容易掌握。plc配備有易于接受和掌握的梯形圖語言。該語言編程元件的符號和表達方式與繼電器控制電路原理圖相當接近。5、控制系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試和維修方便。plc用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等部件,控制柜的設計、安裝接線工作量大為減少。plc的用戶程序大都可以在實驗室模擬調(diào)試,調(diào)試好后再將plc控制系統(tǒng)安裝到生產(chǎn)現(xiàn)場,進行聯(lián)機統(tǒng)調(diào)。在維修方面,plc的故障率很低,且有完善的診斷和實現(xiàn)功能,一旦p

26、lc外部的輸入裝置和執(zhí)行機構發(fā)生故障,就可根據(jù)plc上發(fā)光二極管或編程器上提供的信息 ,迅速查明原因。若是plc本身問題,則可更換模塊,迅速排除故障,維修極為方便。6、體積小、質(zhì)量小、功耗低。由于plc是將微電子技術應用于工業(yè)控制設備的新型產(chǎn)品,因而結構緊湊、堅固、體積小、質(zhì)量小、功耗低,而且具有很好的抗震性和適應環(huán)境溫度、濕度變化的能力。因此,plc很容易裝入機械設備內(nèi)部,是實現(xiàn)機電一體化較理想的控制設備。1.2.7 plc的基本工作原理。 plc的循環(huán)順序掃描工作流程圖如下圖1-2所示。開始自診斷有故障？y停機出錯顯示n與編程器進行信息交換是否有網(wǎng)絡y與網(wǎng)絡進行信息交換采集現(xiàn)場信號執(zhí)行用戶

27、程序輸出處理超時？y停機出錯顯示nn圖1-2 plc循環(huán)順序掃描工作流程圖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。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(diào)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，p

28、lc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(chǎn)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)順序掃描工作過程如圖1-2所示。從圖1-2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。在系統(tǒng)軟件的指揮下，按圖1-2所示的程序流程順序地執(zhí)行，這種工作方式稱為順序掃描方式。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。1.3 本設計研究的主要內(nèi)容本設計研究的主要內(nèi)容是用plc控制太陽能熱水器系統(tǒng)，實現(xiàn)太陽能熱水器系統(tǒng)自動控制及手工控制，使其滿足實際各種控制需要，使更多的工

29、作免于人工參與、使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。具體研究工作從以下幾方面展開：1、確定系統(tǒng)的各種工序，繪制系統(tǒng)的工藝流程圖2、plc選型及i/o點分配3、plc硬件控制框圖4、系統(tǒng)主電路及plc控制電路的設計5、設計、繪制梯形圖，滿足各個控制要求6、繪制電氣原理圖、外部接線圖等2 控制系統(tǒng)的硬件設計方案2.1 控制系統(tǒng)的基本功能要求根據(jù)人們對熱水器的使用習慣和人性化設計要求 , 設計的控制系統(tǒng)具有以下功能：1、自動控制功能。系統(tǒng)在自動工作方式時，能自動控制供水水泵的運行與停止和各電磁閥的開關。定時控制器在斷電時正常計時，故采用其作為plc的電源控制。在定時控制時間內(nèi)，由定時器接通plc的電源，plc按預先

30、編制的程序依次打開各控制設備電源，并根據(jù)輸入信號的變化隨時調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時間里，定時器自動斷開plc的電源。工作時段為618 h?？衫枚〞r控制器和plc自身具有的定時命令加以解決。2、除塵功能。利用溫度開關檢測環(huán)境溫度是否適合除塵，溫度開關為4。除塵時用一個電磁閥連續(xù)工作2 min。3、水箱液位控制功能。水箱200l，液位控制在180 l。4、水箱應具備供熱水、保溫的基本功能。水箱采用加厚聚脂發(fā)泡保溫。5、報警功能。當出現(xiàn)故障時，故障指示燈閃爍且報警電鈴響起，操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍；直到故障消除；故障指示燈才停止閃爍。6、節(jié)水功能。供水閥供

31、水5 min，停2 min。7、可實現(xiàn)手動/自動控制切換。8、恒溫功能。出水溫度可通過恒溫閥控制在3040，當用戶需要熱水時，可通過手動調(diào)節(jié)。2.2 控制系統(tǒng)的硬件設計方案根據(jù)控制系統(tǒng)要求，首先確定plc的控制規(guī)模，估算出所需要的i/o點數(shù) (數(shù)字輸入/輸出量、模擬輸入/輸出量) ,再增加10%20%的備用量，以便隨時增加控制功能，保證系統(tǒng)投入運行后能夠替換個別故障點或彌補遺漏的點數(shù)。統(tǒng)計出i/o總點數(shù)后即可以確定plc 的控制規(guī)模，從而確定存儲器(用于存儲用戶程序和數(shù)據(jù))的容量。存儲器容量除了根據(jù)plc 的控制規(guī)模確定外，也可以按照如下方法計算，再增加25%30 %的備用量，以便隨時增加用戶

32、程序。一種方法是根據(jù)編程實際使用的節(jié)點數(shù)計算，即編完程序之后，根據(jù)節(jié)點數(shù)計算出實際使用容量。另一種方法是估算法，只有開關量時，所需內(nèi)存總數(shù)=開關量(輸入/輸出)總數(shù)10；只有模擬量輸入時,所需內(nèi)存總數(shù)=模擬量路數(shù)120在模擬量輸入、輸出同時存在時，所需內(nèi)存總數(shù)=模擬量路數(shù)250；同時,應考慮plc提供的內(nèi)部繼電器和寄存器的數(shù)量,以便節(jié)省資源。2.2.1 系統(tǒng)水溫控制原理框圖t3系統(tǒng)控制原理框圖如下圖2-1所示。熱水箱t1d集熱器f3太陽光f1自來水f2t2 圖2-1 系統(tǒng)控制原理框圖注釋：t1，熱水箱的溫度傳感器t2，循環(huán)水管中的溫度傳感器t3，集熱器中的溫度傳感器f1，循環(huán)水閥門f2，冷水閥

33、門f3，熱水閥門此款熱水器利用微機控制，主要有以下兩種控制功能：水溫控制、水箱加熱控制。1、水溫控制為了提供溫度不低于370c的水，具體控制過程如下：首先，關閉冷水閥門f2和循環(huán)水閥門f1，然后微機開始進行水箱的溫度采集，同時進行溫度的比較，當水箱中的溫度小于370c時，電熱器d接通進行加熱，同時微機繼續(xù)對熱水箱的水溫進行采集。當溫度加熱到大于370c時電熱器d斷開，如此反復循環(huán)保證了溫度的穩(wěn)定。2、水箱加熱控制如果沒有日照或者日照很弱時，到了晚上我們是否還能洗上熱水澡呢？答案是肯定的，不要忘了這款熱水器還有一個從系統(tǒng)，這時它就要發(fā)揮作用了。熱水箱溫度為t1，將它和設定值n相比較，從而控制是否

34、打開電加熱器。控制時段為618 h，具體過程如下: 若tln，電加熱接通；否則，電加熱斷開。最終熱水箱的溫度加熱到設定值n。由此可見，即使沒有日照我們照樣可以洗上熱水澡。2.2.2 plc的選型因為本系統(tǒng)是對開關量控制的應用系統(tǒng),并對控制速度要求不高,選用核心部件為西門子s7-200系列40點可編程控制器（cpu型號為：cpu226）,該編程控制器具有自診斷功能,采用循環(huán)掃描工作方式,這完全能滿足要求。西門子s7-200系列可編程控制器輸入輸出控制方式為循環(huán)掃描方式、編程語言為梯形圖語言、40點的可編程控制器具有24點輸入,16點輸出。考慮到該plc所需的輸入、輸出點數(shù)及類型，選用西門子s7-

35、200系列可編程控制器作為該系統(tǒng)的核心，它含有24個輸入點和16個輸出點足夠設計所用。2.2.3 plc硬件控制框圖本設計選用西門子s7-200系列的40點可編程控制器，實現(xiàn)對太陽能熱水器的控制，完成太陽能熱水器的溫度、液位等控制功能。為提高系統(tǒng)的安全性，需要有報警點輸入并且用聲光信號顯示故障類型，同時發(fā)出警報提醒值班人員及時處理事故。當故障出現(xiàn)時，故障指示燈閃爍且報警電鈴響起，操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除，故障指示燈才停止閃爍。系統(tǒng)控制框圖如圖2-2所示。自動總停手動上水手動加熱消音按鈕液位檢測開關溫度開關（常閉）溫度開關（常開）自動總開自動/手

36、動選擇除塵閥報警器供水閥排水閥繼電器除塵電機plc24點輸入 16點輸出模擬量輸入模塊em235溫度變送器pt100溫度傳感器圖2-2系統(tǒng)控制框圖2.2.4各單元功能作用介紹1、電機類型的選擇對于連續(xù)運行，負載平穩(wěn)，對起動制動沒有特殊要求的生產(chǎn)機械，應優(yōu)先采用普通鼠籠異步電動機，它廣泛用于各種機床、水泵和風機等。大中功率的空壓機和皮帶輸送機等生產(chǎn)機械要求有較大的起動轉矩，應采用深槽式或雙鼠籠式異步電動機。由于太陽能熱水器屬于連續(xù)運行，負載平穩(wěn)，對起動制動沒特殊要求，綜合各方面考慮，本系統(tǒng)微型電機選用y系列三相異步電動機。電壓為220v。頻率為50hz。功率為10w。2、交流接觸器的選擇本系統(tǒng)選

37、用正泰公司生產(chǎn)的cjx1系列交流接觸器，該接觸器為雙斷點觸頭的直動式運動結構，動作機構靈活，手動檢察方便，結構緊湊。觸頭，磁系統(tǒng)采用封閉結構，能提高壽命。接線端均有防護罩覆蓋，使用安全可靠。安裝可用螺釘緊固，也可扣裝在35毫米的安裝軌上，裝卸方便。cjx1系列交流接觸器適用于交流50hz（或60hz），額定電壓至660v，在ac-3使用類別下工作電壓為380v，供遠距離和分斷電路及頻繁起動和控制交流電動機，并可與適合的熱繼電器組成電磁起動器，以保護可能發(fā)生操作過負荷電路。3、熱繼電器的選擇本系統(tǒng)所用的熱繼電器為正泰公司生產(chǎn)的nr4(jrs2)系列，nr4(jrs2)系列熱過載繼電器適用于交流5

38、0hz/60hz、額定電壓690v、1000v，電流0.1-180a的長期工作或間斷長期工作的交流電動機的過載與斷相保護。該熱繼電器具有斷相保護、溫度補償、動作指示、自動與手動復位，該產(chǎn)品動作可靠。另外，該產(chǎn)品符合：gb14048.4、gb14048.5、iec60947-4-1等標準，可靠性較高。該熱繼電器可與cjx1系列交流接觸器接插安裝。4、電磁閥的選擇電磁閥選用ssfk-c024型電磁閥，原產(chǎn)地: 浙江宋氏閥控，該產(chǎn)品主要用于太陽能熱水器等潔具類，工作電壓適用范圍廣、交直流3-220v，使用可靠，完全可以達到使用要求。5、發(fā)光指示燈的選擇指示燈選用兩色二極管指示燈，當機器運行時，指示燈

39、顯示綠色，機器通電不運行時，指示燈顯示紅色，要求指示燈質(zhì)量可靠，根據(jù)要求，選用tll0501hmc型指示燈。6、隔離變壓器的選擇本生產(chǎn)線選用bk100型號隔離變壓器，該隔離變壓器變比1：1，電壓220v ac。7、水箱的選擇水箱的選用要根據(jù)情況來確定。水箱是熱水器重要組成部分。它包括循環(huán)水箱和補給水箱，循環(huán)水箱與集熱器上下水管相連，供熱水循環(huán)之用。補給水箱只與循環(huán)水箱相通，當循環(huán)水箱水位低時，以補給冷水之用。1）循環(huán)水箱循環(huán)水箱容量大小是根據(jù)熱水器裝置日產(chǎn)熱水量而定。為了便于加工提高經(jīng)濟性和通用性，循環(huán)水箱已標準化。目前循環(huán)水箱以容積分為500升和1000升二種，外形均為方形。容積500升的水

40、箱外形尺寸為: 778 x 778 x 880毫米。容積1000升的水箱外形尺寸為:8 x 928 x 1300毫米。循環(huán)水箱的上部均裝有漲水管及透氣孔，其位置稍高于水位。溢水管和透氣孔制成一體，它的作用是保持最高水位平面，同時讓水中空氣由此處排出，避免帶入管道系統(tǒng)，以致造成氣阻損失。循環(huán)水箱的下部均裝有冷水進水擋板。這樣冷水進入循環(huán)水箱時，通過擋板使之擴散流入不致將箱內(nèi)上部熱水攪混。500升與1000升循環(huán)水箱，結構基本相同，后者增加一些肋條和拉條，以增強水箱的強度和則度。2）補給水箱補給水箱是供給冷水的水箱。自來水不是直接進入循環(huán)。水箱，而是通過補給水箱來補給。這樣做的優(yōu)點是可使冷水和熱水

41、隔開，保持循環(huán)水箱中的熱水水溫穩(wěn)定。補給水箱不宜太大，宜狹而長。補給水箱內(nèi)需安裝浮球，以保持最高水位。通用設計中最常用的一種補給水箱結構。它的外形為350 x830 x 400毫米，其長度是高度的2倍多。8、傳感器的選型通過各種高性能傳感器對氣候環(huán)境進行測量及數(shù)據(jù)采集，并將測量結果通過接口送至plc中，plc根據(jù)控制要求對整個太陽能熱水器進行綜合控制。由于系統(tǒng)對環(huán)境的采樣值都是傳感器輸出的模擬信號，而且傳感器與plc的距離也比較遠，所以在傳感器的選擇上都采用了4-20ma電流輸出型，從而減小傳輸過程中的干擾，保證采樣值的準確性與可靠性。溫度誤差可以在電路上或軟件上采取補償措施，不同的補償方法，

42、其整體溫度系數(shù)差異較大，但仍與元件本身的溫度特性有關，一般將敏感元件和電路的溫度系數(shù)合在一起考慮。一般的溫度傳感器基點漂移較其它的氣象傳感器都要顯著，熱敏電阻屬于吸附元件，在測量過程中必然會受到污染，由污染引起的測量基點漂移，只能用重新檢定的方法加以修正解決。若污染嚴重，基點漂移量過大，又不能再生，只能將傳感器作報廢處理。溫度傳感器技術指標:1）溫度范圍：-070(可根據(jù)用戶要求擴展)2）濕度范圍：10%/rh-99%rh3）電源： av220v士10%4）溫度誤差：一般士0.2、最大士0.55）數(shù)據(jù)分辨率：0.16）數(shù)據(jù)更新周期：約1秒7）數(shù)據(jù)線：3類雙絞線8）數(shù)據(jù)傳輸距離：小于1200m2

43、.2.5 plc的端口分配根據(jù)以上硬件選型設計，編制i/o接口功能表，如下表2-1和2-2所示。表 2-1 plc的輸入端口分配輸入點代號工程名稱i0.0sf啟動按鈕i0.1sf1總停按鈕i0.2bt1 溫度開關（常開）i0.3bt2 溫度開關（常閉）i0.4sf2手動上水開關i0.5sf3手動排水開關i0.6sf4手動消音開關i0.7sf5手動加熱開關i1.0sf6液位檢測開關i1.1em235模擬量輸入模塊表 2-2 plc的輸出端口分配輸出點代號工程名稱q0.0pg啟動指示燈q0.1pg1總停指示燈q0.2pg2除塵指示燈q0.3pb報警蜂鳴器q0.4pg3故障指示燈q0.5mb1供水電

44、磁閥q0.6mb2排水電磁閥q0.7qa1除塵電機正轉接觸器q1.0mb3除塵閥q1.1qa2除塵電機反轉接觸器q1.2kf1電加熱器2.3 系統(tǒng)電路的設計1、主電路的設計：1) 接觸器qa1和qa2分別控制電機的正轉和反轉。2) 電動機有熱繼電器實現(xiàn)過載保護。3) 選擇自動開關qa為總電源的開關，即可完成主回路的短路保護，又起到隔離三相交流電源的作用，使使用和維護更加方便。4) 由fa1、fa2、fa3、fa4、fa5、fa6分別實現(xiàn)各負載回路的短路保護作用，fa7、fa8完成plc控制回路的短路保護。根據(jù)上述設計原則繪制出電氣控制主電路圖，如圖2-3所示。圖2-3 電氣控制主電路圖2、pl

45、c控制電路的設計根據(jù)系統(tǒng)的控制要求、系統(tǒng)的總體設計及系統(tǒng)所選的元器件，設計出系統(tǒng)的控制原理圖及plc外部接線圖，如圖2-4所示太陽能熱水器系統(tǒng)plc i/o控制原理電路圖。圖2-4 太陽能熱水器系統(tǒng)plc i/o控制原理圖注釋：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

46、為1:1的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。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：1） plc的接地線應為直徑在2mm以上的專用線2） 接地電阻應小于1003） plc的地線不能和其它設備共用4） 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 控制系統(tǒng)的軟件設計方案3.1 系統(tǒng)軟件設計方案可編程控制器是掃描工作方式，能同

47、時對多個模塊進行控制，在整個程序掃描時間里加上不同的輸入檢測信號，就可使程序按所檢測信號判斷進入不同的分支程序。主程序包含有多個分支程序，這樣既提高了編程的靈活性又減少了不必要的代碼重復，同時也方便以后系統(tǒng)擴展對軟件的修改，系統(tǒng)主要是接收上位機的控制參數(shù)，并完成太陽能熱水器溫度、液位的測量和控制任務。3.2 軟件組成軟件系統(tǒng)通常分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件，另一類是應用軟件。系統(tǒng)軟件指的是操作系統(tǒng)、程序設計系統(tǒng)等與計算機密切相關的程序。系統(tǒng)軟件一般由計算機生產(chǎn)商或各種軟件公司提供，帶有一定的通用性，用不著自己編寫。應用軟件是用戶根據(jù)要解決的實際問題而編寫的各種程序。在計算機控制系統(tǒng)中，每個控制對

48、象或控制任務都要有相應的控制程序，用這些控制程序來完成對象的不同要求，這種程序通常稱為應用程序。本設計主要根據(jù)太陽能熱水器的各種輸入輸出狀態(tài)來編制plc的梯形圖程序。3.3 系統(tǒng)控制流程圖1、建立系統(tǒng)控制流程圖根據(jù)系統(tǒng)的控制要求及實際的控制需要，繪制系統(tǒng)控制流程圖1）主程序控制系統(tǒng)流程圖如下圖3-1所示開始初始狀態(tài)檢查設置工作時間段啟動定時器系統(tǒng)工作時間是否到？yn端口控制邏輯正常？終止工作各開關狀態(tài)檢測溫度子程序水位子程序符合除塵條件？除塵子程序y記錄端口狀態(tài)，返回nn圖3-1 主程序控制系統(tǒng)流程圖2）水位子程序流程圖如下圖3-2所示水位子程序入口系統(tǒng)采樣是否達到設定水位yn上水是否超過警戒

49、線y停止，報警n圖3-2 水位子程序流程圖3）溫度子程序流程圖如下圖3-3所示系統(tǒng)采樣是否達到設定溫度yn驅動電加熱器加熱是否超過警戒線y停止，報警n溫度子程序入口圖3-3 溫度子程序流程圖4）除塵子程序流程圖如下圖3-4所示電機正轉電機正轉定時時間是否到y(tǒng)電機反轉nyn停止yn除塵子程序入口電機反轉定時時間是否到循環(huán)定時時間是否到圖3-4 除塵子程序流程圖流程圖簡介:plc投入運行，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，準備好起動。根據(jù)太陽能熱水器定時器設定的工作時間段看是否到工作時間。如果沒有到則系統(tǒng)停止。如果到工作時間，則調(diào)用溫度子程序和水位子程序。根據(jù)水箱內(nèi)的水位和水溫進行pid調(diào)節(jié)。如果水箱內(nèi)的水位低于

50、設定值，則打開供水閥先供水5分鐘，然后停2分鐘，實現(xiàn)節(jié)水功能。如果水箱內(nèi)的水溫低于設定值，則進行加熱。如果水位過高或者水溫過高，則系統(tǒng)發(fā)出報警信號。當外部環(huán)境溫度超過40c時，則調(diào)用除塵子程序。除塵時，電機先正轉20秒，然后電機反轉20秒，循環(huán)直到除塵達到兩分鐘。然后返回從開始的全部動作，進行下一次大循環(huán)。此外，還可以按手動按鈕以實現(xiàn)手動供水、排水和手動加熱功能。3.4 設計控制系統(tǒng)的梯形圖程序程序設計：用流程圖表達出各控制對象的動作順序，相互間的制約關系。明確寄存器空間的分配，專用寄存器的確定等?？刂葡到y(tǒng)的程序設計，主程序的編制及各功能子程序的編制以及程序的調(diào)試。其他輔助程序的設計，如故障應急程序等。根據(jù)控制系統(tǒng)流程圖，繪制太陽能熱水器系統(tǒng)控制的梯形圖，其完整梯形圖見附錄二。4 結論通過本次畢業(yè)設計，使太陽能熱水器達到了系統(tǒng)的各種控制要求，成功地完成了太陽能熱水器的plc控制系統(tǒng)的設計。經(jīng)過對系統(tǒng)程序的運行調(diào)試，實現(xiàn)了太陽能熱水器的自動及手動控制，提高了系統(tǒng)的可靠性，達到了設計的目標。不過，設計中還是存在著一些不足，本系統(tǒng)還有待于進一步的完善和改進。與國外相比，我國的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)卻一直處于研究和開發(fā)階段，尤其是與太陽能熱水系統(tǒng)匹配的控制系統(tǒng)。國外已經(jīng)發(fā)展用plc對太陽能熱水器的精細控制，我國對太陽能熱水器控制系統(tǒng)