基于PLC的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的設計

1、畢業(yè)設計II基于PLC的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的設計摘 要本課題研究了可編程控制器（PLC）在太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)中的應用。重點研究了系統(tǒng)的硬件構成及系統(tǒng)軟件的設計過程。指出了 PLC 設計的關鍵主要是能滿足基本控制功能, 并考慮維護的方便性、系統(tǒng)可擴展性等。在本文中經(jīng)研究確定出了系統(tǒng)的各個工序，繪制了系統(tǒng)的工藝流程圖；進行了系統(tǒng)的I/O分配和PLC的選型；根據(jù)系統(tǒng)設計要求設計繪制了系統(tǒng)的控制梯形圖；繪制出了控制系統(tǒng)電氣原理圖和接線圖等。通過用PLC對太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的改造，大大減少了系統(tǒng)對其它元器件的使用，使系統(tǒng)接線簡單、檢修維護方便快捷、可靠性提高，增進了系統(tǒng)的先進性。關鍵詞

2、: PLC；太陽能；自動控制系統(tǒng)；熱水器Design of Solar Water HeaterAutomatic Control System Based on PLCAbstract Application of PLC in solar water heater automatic control system is researched in this paper. The content of this paper on the process of system hardware constitution and the system software design is emph

3、asized . And the key of PLC design that is to satisfy the basic control function is pointed out , meanwhile maintenance convenience and system extension are also considerated. The content of this paper is divided into four parts. In the first part, the procedure of the system is established, and the

4、n the treatment flow chart is drawed out; In the second part, The address of I/O is resigned .and the suitable PLC type is choosed. The third part, the control ladder diagram is designed according to the requirement; In the end, the electrical principle diagram and the interconnection diagram are dr

5、awn. Through the design of the solar water heater automatic control system, the components that is used in the solar water heater automatic control system are decreased. The performance of the system is lifted, and it has the feature such as simply interconnection, rapid and easy fault detecting and

6、 maintenance, and high reliability. In a word, the system becomes more advanced because of my design.Keywords: PLC; solar; automatic control system; water heater畢業(yè)設計目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒 論11.1 本課題研究的目的、意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀11.2.2 國外研究現(xiàn)狀21.3 目前我國太陽能熱水器的種類21.3.1 平板式太陽熱水器21.3.2 全玻璃真空管式熱水器31.3.3 熱

7、管式太陽能熱水器41.3.4 熱管真空管式太陽能熱水器41.4 研究的內(nèi)容5第二章 全玻璃真空管式太陽能熱水器的綜述62.1 太陽能熱水器系統(tǒng)功能簡介62.1.1 太陽能熱水器組成、原理和工作過程72.1.2 太陽能熱水器各單元介紹82.1.3 系統(tǒng)的要求102.2 可編程控制器（PLC）簡介102.2.1 PLC的發(fā)展歷史112.2.2 可編程序控制器的工作原理112.2.3 可編程控制器的的特點122.2.4 PLC的分類132.2.5 可編程控制器應用領域14第三章 熱水器控制系統(tǒng)的設計方案163.1 系統(tǒng)硬件的設計方案163.1.1 PLC的選型163.1.2 PLC硬件控制框圖174

8、43.1.3 各單元功能作用介紹173.1.4 PLC的端口分配213.1.5 系統(tǒng)電路的設計223.2 系統(tǒng)軟件設計方案243.2.1 軟件組成253.2.2 系統(tǒng)控制流程圖253.2.3 設計PLC控制原理（梯形圖程序）30第四章 可編程控制器（PLC）的安裝、維護和檢修314.1 PLC的安裝314.2 PLC系統(tǒng)的電源接線314.3 接地324.4 輸入接線324.5 輸出接線324.6 PLC的維護和檢修33第五章 結 論34參考文獻35致 謝36附錄 梯形圖37附錄 指令表40第一章 緒 論1.1 本課題研究的目的、意義用太陽能解決我國家庭熱水是最有希望的、最有效可行的途徑。太陽能

9、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)展角度看，城市家庭生活熱水的供給不應由業(yè)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熱水器的自動控制系統(tǒng)。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。可編程控制器由于可提供使用的時間繼電器和中間繼電器相當多，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，簡化控制線路、有效提高

10、系統(tǒng)的可靠性，是PLC的突出特點。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。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的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國太陽能熱

11、水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，目前已成為世界上最大的太陽熱水器生產(chǎn)國，但與太陽熱水器配套的控制器卻一直處于研究和開發(fā)階段，尤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。近幾年來，市場上陸續(xù)出現(xiàn)了一些太陽能熱水器控制器，但大多數(shù)控制器存在著諸如性能不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生誤操作；溫度、水位檢測、控制誤差大；顯示器有時出現(xiàn)亂碼；與電輔助加熱裝置不能很好配合；太陽能利用率較低等問題，影響了用戶的使用。更有甚者，有些控制器質量較差，經(jīng)常發(fā)生故障，給用戶帶來諸多不便，嚴重影響了用戶的使用，從而影響到太陽熱水器的銷售。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

12、少。因此，在太陽熱水器、太陽熱水系統(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)高質量、性能好的測控產(chǎn)品1。1.2.2 國外研究現(xiàn)狀太陽能熱水器是利用太陽輻射能和熱水的裝置。世界上第一臺熱水器是美國馬里蘭州的肯普于 1891 年發(fā)明的。到第二次世界大戰(zhàn)結束，人們創(chuàng)造了各式各樣被統(tǒng)稱為“悶曬式”的太陽能熱水器。第二次世界大戰(zhàn)結束后，人們的注意力又開始轉向發(fā)展經(jīng)濟。一些缺少常規(guī)能源的國家，如日本，開始投入人力物力開發(fā)利用太陽能，經(jīng)過人們的努力，各種簡易的平板太陽集熱器已開始在市場中出現(xiàn)。到 20 世界 70 年代，隨著世界性能源危機日益嚴重，迫使人們對太陽能的開發(fā)利用又重新重視起來，許

13、多國家花了不少人力物力，用于大力研究和開發(fā)太陽能利用技術，尤其是太陽能熱水器。到上世紀 70 年代末，太陽熱水器的開發(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)，全玻璃真空管太陽熱水器性能通過

14、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。在全玻璃真空管太陽能熱水器的基礎，為進一步提高效率，提高性能，德國研制出熱管式真空管太陽熱水器，一些國家研制出了一些高質量的太陽熱水器專用零部件，另一些國家為優(yōu)化設計專門開發(fā)了用于太陽能熱水器的應用軟件。還有一些國家，開發(fā)出功能完善，能全天候使用太陽熱水器系統(tǒng)。在西方先進國家，在太陽能熱水器方面的研發(fā)和推廣應用一直比較活躍2。1.3 目前我國太陽能熱水器的種類1.3.1 平板式太陽熱水器平板式太陽能熱水器又叫“平板集熱器”，它是太陽熱水器的基本型之一。由它可以派生出許多同類熱水器，如

15、翅翼型、波紋板型、塑料壓制型等等，但它們的集熱基本原理都一樣。水的循環(huán)靠溫差比重不同。熱水輕，向上升。冷水密度大，只能從底部慢慢向上頂。水箱中的水通過集熱器的循環(huán)加溫，逐步達到平衡，則不再流動。事實上水箱中的水總是源源不斷進入集熱器的底部，而熱水也不斷流入水箱的上部。平板型太陽集熱器以其簡單、價廉和安裝方便在全世界都獲得了廣泛的應用。普通平板型太陽集熱器由吸熱體、殼體、透明蓋板和隔熱材料等組成。當太陽照射到集熱器時，集熱器板上水道中的水被加熱而發(fā)生膨脹、變輕、產(chǎn)生“水往高處流”的現(xiàn)象，就像熱煙氣從煙囪中冒出一樣，這就是所謂的“熱虹吸”現(xiàn)象，系統(tǒng)中水流的循環(huán)運動完全依靠自身各部位溫度不同而形成自

16、然循環(huán)，即只要有太陽照射，就能實現(xiàn)這種循環(huán)。水在集熱器中受熱變輕，由集熱器底部上升至頂部。再經(jīng)循環(huán)管流入保溫水箱，水箱下部的冷水由下循環(huán)管流入集熱器底部。如此循環(huán)，使整個水箱中是水溫升高3。這種集熱器的優(yōu)點是：1、工藝不復雜，加工成本低。2、水流的循環(huán)和加熱全部依靠集熱器的吸熱作用，不需要泵和其它能源，運行成本低，確實是一次投資，長期受益。3、水流系統(tǒng)常壓運行，無需帶壓設備，沒有任何安全隱患。4、整個系統(tǒng)沒有運轉設備，水對吸熱板沒有腐蝕作用，故使用壽命很長。缺點：1、由于白天、晚上的溫度不同，集熱器易產(chǎn)生倒流。2、在高溫段效率偏低，表面熱損大。3、在冬季低于0時，因集熱器中的水結冰膨脹，將管子

17、脹裂。4、流動阻力分布不均，抗凍性能差，所以使用范圍局限在北方的夏天和南方不結凍地區(qū)的冬天。1.3.2 全玻璃真空管式熱水器全玻璃真空管式太陽能熱水器是在平板型太陽集熱器的基礎上發(fā)展的一種新型太陽能集熱裝置。全玻璃真空管太陽集熱器的核心元件是玻璃真空集熱管，它采用了真空技術，消除了氣體的對流與傳導熱損，并應用選擇性吸收涂層，使真空集熱管的輻射熱損降到最低，這樣真空管太陽集熱器可以在中高溫下運行，也能在寒冷地區(qū)的冬季及低日照與天氣多變地區(qū)運行，擴大了應用領域。全玻璃真空太陽集熱管通常采用單端開口的形式，在一端將內(nèi)、罩玻璃管環(huán)形熔封在一起。真空集熱器內(nèi)裝有吸氣劑4。這種集熱器的優(yōu)點是：1、結構簡單

18、、制造方便、可靠性強。2、集熱效率高，保溫性能好。3、可以在中高溫下運行，也能在寒冷地區(qū)的冬季運行。4、使用壽命長，一年四季都可使用。缺點：1、管內(nèi)存水過多，管內(nèi)水溫上升緩慢，而且對于真空管南北放置的熱水裝置，管中的熱水無法全部取出，致使系統(tǒng)熱水利用率降低。2、不能承壓，易在玻璃管內(nèi)結垢，管子易炸裂，而且在嚴寒地區(qū)使用會凍結。3、價格昂貴。1.3.3 熱管式太陽能熱水器熱管式熱水器也是一種可以常年使用的太陽能設備，基本原理同熱管式太陽灶差不多。但是，由于一般提供洗浴用的熱水溫度不太高，所以對熱管的要求也比太陽灶要低。甚至從滿足生活熱水的單項要求來說，這種熱管在技術上和經(jīng)濟上均優(yōu)于真空集熱管。我

19、國大連生產(chǎn)的熱管式熱水器雖然初始投資高于平板式集熱器，但是低于真空管集熱器，而使用效果也不差。國外同類熱管式熱水器的產(chǎn)量和型號正在不斷增加。此種熱水器的熱管，結構簡單，工質易得，抗凍性和熱效率均好，使用壽命也長。熱管式熱水器在外形結構上很象管板式熱水器，只不過把普通排管變成了熱管，少個或省去了一個集水管，熱管上同樣可裝翅片吸收太陽能。當熱管收集到太陽的熱之后，立刻把它輸送到集熱管，并在水箱中進行換熱，于是得到熱水。由于熱量是由熱管輸送、選擇合適的工質與管材、管芯，就能保證其化學相容性，避免一般管板式熱水器的腐蝕性。同時，因為熱管內(nèi)的工質很少，不像管板式熱水器里面充滿著水，所以熱損較低，起動也較

20、快。而且熱管式熱水器的工作溫度范圍也比管板式熱水器寬得多，不用擔心00C時水會結冰，也不怕高于100時水會沸騰。1.3.4 熱管真空管式太陽能熱水器熱管真空管式集熱器是一種新型的太陽能集熱裝置，集中熱管式和真空管式集熱器二者的優(yōu)點，克服彼此的缺點。例如，利用熱管起動快，一通過不同工質可以控制熱水器的工作溫度，而真空管集熱器在無負荷悶曬時，往往會出現(xiàn)超過200的高溫，使水的壓力增大，造成使用中的不便等。但真空管集熱器的優(yōu)點在于絕熱性好，熱效率高。其原理是太陽輻射穿過真空管玻璃外殼，投射在金屬吸熱板上，吸熱板將太陽輻射能轉化為熱能，使熱管蒸發(fā)段內(nèi)的傳熱介質汽化。蒸汽上升到熱管冷凝段后，通過導熱塊將

21、熱量傳遞給集熱管內(nèi)的工質，而自身又凝結成液體，依靠重力流回蒸發(fā)段。上述過程重復循環(huán)，使集熱管內(nèi)的工質不斷升溫。由于運用了真空技術，大幅度降低了集熱器的熱損失，因而使其在高工質溫度或低環(huán)境溫度的運行條件下仍具有良好的熱性能，同時運用了熱管技術，被加熱工質不直接流經(jīng)真空管，因而跟普通平板式集熱器和真空管集熱器比較，熱管式真空集熱器除了工作溫度高，承壓能力大和耐熱沖擊性能好等優(yōu)點，還有其顯著特點5。這種集熱器的優(yōu)點： 1、耐冰凍。熱管由特殊的材料和工藝保證，即使在冬季長時間無晴天及夜間的嚴寒條件下，真空管也不會凍裂。2、啟動快。熱管的熱容量很小，受熱后立即啟動，因而在瞬變的太陽輻射條件下能提高集熱器

22、的輸出能量，而且在多云間晴的低日照天氣也能將水加熱。3、保溫好。熱管具有單向傳熱的特點，即白天由太陽能轉換的熱量可沿熱管向上傳輸去加熱水，而夜間被加熱的水的熱量不會沿熱管向下散發(fā)到周圍環(huán)境。4、安裝維修方便。安裝方便，操作簡單，易于固定，運行可靠。缺點:1、生產(chǎn)成本。 2、技術要求高。上面介紹了目前我國太陽能熱水器的種類，并討論了它們各自的優(yōu)缺點。最后，在此基礎上提出了本文研究的主要內(nèi)容為全玻璃真空管太陽能熱水器的自動控制系統(tǒng)的設計。1.4 研究的內(nèi)容本課題研究的內(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)自動化控制及手工控制，使其滿足實際各種控制需要、使更多的工作免于人參與、使系

23、統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。具體研究工作從以下方面展開：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分配。3）設計、繪制梯形圖，滿足各控制要求。4）繪制電氣原理圖、外部接線圖等。5）依據(jù)設計要求調(diào)試系統(tǒng)成功。第二章 全玻璃真空管式太陽能熱水器的綜述2.1 太陽能熱水器系統(tǒng)功能簡介圖21 熱水器系統(tǒng)的結構圖圖22 系統(tǒng)控制原理圖:注釋: Tl，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37攝氏度的水，具

24、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，從而控制是否打開電加熱?？刂茣r段為6點一18點，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，

25、即使沒有日照我們照樣可以洗上熱水澡了。2.1.1 太陽能熱水器組成、原理和工作過程在工農(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、使用方位、不用專人管理，故己在全國推廣使用。1、熱水器組成及原理熱水器主要由集熱器、循環(huán)管道和水箱等組成。下圖為典型的熱水器裝置簡圖。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

26、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后，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67。熱水器裝置簡圖1一集熱器 2一下降水管 3一循環(huán)水管4一補給水箱 5一上升水管 6一自來水管7一熱水出水管2、熱水器的基本

27、工作過程1） 吸熱過程。太陽輻射透過玻璃蓋板，被集熱板吸收后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

28、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，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8。2.1.2 太陽能熱水器各單元介紹1、集熱器平板式太陽能集熱器是平板式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，此時金屬片就不再升溫，這就叫“平衡溫度”。如果

29、在金屬片內(nèi)有流道，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，把帶有流道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?，將集熱器與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)系統(tǒng)的效率也有很大影響。3、熱水器水箱

30、及水箱配置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、排放熱水管等在水箱中的高度位置，它對排放水

31、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 1-2次。2.1.3 系統(tǒng)的要求根據(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 按預先編制的程序依次打

32、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 。除塵用一個電磁閥連續(xù)工作2 min。3、水箱液位控制功能。水箱 200 L ,液位控制在 180 L 。4、水箱應具備供熱水、保溫的基本功能。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。供水閥供水 5 min，停

33、 2 min。7、可實現(xiàn)手動/自動控制切換。2.2 可編程控制器（PLC）簡介可編程控制器（PragrammableLogicController,簡稱 PLC，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是在20世紀60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴充其功能的原則設計的。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

34、以來，PLC在工業(yè)自動化控制而發(fā)揮著巨大作用，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9。2.2.1 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、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

35、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相連，PC完成編程和在運行中作為人機界面（80年代后期）。3、90午代，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。2.2.2 可編程序控制器的工作原理PLC采用循環(huán)（巡回）掃描工作

36、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10。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，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(chǎn)生相應的輸出信號，完成預期的控制

37、任務。PLC的典型的循環(huán)順序掃描土作過程如圖24所示。圖24 PLC循環(huán)順序掃描工作流程圖從圖24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24所示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11。2.2.3 可編程控制器的的特點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

38、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

39、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

40、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PLC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12。2.2.4 PLC的分類目前

41、，PLC應用廣泛，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家眾多，所生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品更是品種繁多，其型號、規(guī)格和性能各不相同。通常，可以按照結構形式的不同及功能的差異進行大致的分類。1、按結構形式分按照結構形式的不同，PLC可分為整體式和模塊式兩種。前者具有結構緊湊、體積小、重量輕、價格低的優(yōu)點，易于裝在工業(yè)設備的內(nèi)部，通常適于單機工作。一般小型和超小型PLC多采用這種結構，如日本三菱FX系列的PLC。后者配置靈活，裝載和維修方便，功能易于擴展，其缺點是結構較復雜，造價也較高。一般大、中型PLC都采用這種結構，如日本三菱公司的AN系列。、按功能、點數(shù)分按功能、輸入輸出點數(shù)和存儲器容量不同，PLC可分為小型、中型和大型三類

42、。小型PLC又稱為低檔的PLC。這類PLC的規(guī)模較小，它的輸入輸出點數(shù)一般從20點到128點。中型PLC的I/O點數(shù)通常在120點至512點之間，用戶程序存儲器的容量為2KB-8KB。大型PLC又稱為高檔的PLC，I/O點數(shù)在512點以上，其中I/O點數(shù)大于8192點的又稱為超大型PLC，用戶程序存儲器容量在8KB以上。2.2.5 可編程控制器應用領域在發(fā)達的工業(yè)國家 ,PLC已經(jīng)廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)。隨著 PLC性能價格比的不斷提高 ,一些過去使用專用計算機的場合 ,也轉向使用 PLC。PLC的應用范圍在不斷擴大 ,

43、可歸納為如下幾個方面。1、開關量的邏輯控制這是 PLC 最基本最廣泛的應用領域。PLC 取代繼電器控制系統(tǒng) ,實現(xiàn)邏輯控制。例如：機床電氣控制，沖床、鑄造機械、運輸帶、包裝機械的控制，注塑機的控制，化工系統(tǒng)中各種泵和電磁閥的控制，冶金企業(yè)的高爐上料系統(tǒng)、軋機、連鑄機、飛剪的控制，電鍍生產(chǎn)線、啤酒灌裝生產(chǎn)線、汽車配裝線、電視機和收音機的生產(chǎn)線控制等。2、運動控制PLC可用于對直線運動或圓周運動的控制。早期直接用開關量 I/O模塊連接位置傳感器與執(zhí)行機構 ,現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家生產(chǎn)的 PLC 幾乎都有運動控制功能。PLC的運動控制功能廣泛地用于各種機械。例如:

44、金屬切削機床、金屬成型機械、配裝機械、機器人和電梯等。3、閉環(huán)過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。PLC通過模擬量 I/O模塊實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的 A/D,D/A轉換 ,并對模擬量進行閉環(huán) PID 控制 ,可用 PID 子程序來實現(xiàn) ,也可使用專用的 PID 模塊。PLC 的模擬量控制功能已經(jīng)廣泛應用于塑料擠壓成型機、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設備，還廣泛地應用于輕工、化工、機械、冶金、電力和建材等行業(yè)。4、數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代的PLC具有數(shù)學運算、數(shù)據(jù)傳遞、轉換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存貯在存儲器中的參考值比較 ,也

45、可以用通訊功能傳送到別的智能裝置，或將其打印制表。數(shù)據(jù)處理一般用在大、中型控制系統(tǒng) ,如柔性制造系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等。5、機器人控制機器人作為工業(yè)過程自動生產(chǎn)線中的重要設備，已成為未來工業(yè)生產(chǎn)自動化的 3大支柱之一?，F(xiàn)在許多機器人制造公司，選用 PLC作為機器人控制器來控制各種機械動作。隨著PLC體積進一步縮小，功能進一步增強，PLC在機器人控制中的應用必將更加普遍。6、通訊聯(lián)網(wǎng)PLC的通訊包括PLC之間的通訊、PLC與上位計算機和其他智能設備之間的通訊。PLC和計算機具有接口，用雙絞線、同軸電纜或光纜將其聯(lián)成網(wǎng)絡，以實現(xiàn)信息的交換，并可構成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。目前PLC與

46、PLC的通訊網(wǎng)絡是各廠家專用的。PLC與計算機之間的通訊，一些PLC生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標準總線 ,并向標準通訊協(xié)議靠攏13。第三章 熱水器控制系統(tǒng)的設計方案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。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

47、線性定常系統(tǒng)是非常有效的。通過調(diào)整PID控制器的參數(shù)，一般都能得到比較滿意的控制效果。3.1系統(tǒng)硬件的設計方案根據(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。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

48、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14。3.1.1 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,選用核心部件為三菱公司的FX_2n-32MR-ES/UL系列32點編程控制器,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。FX_2n-32MR-ES/U屬微型編程控制器、輸入輸出控制方式為循環(huán)掃描方式

49、、編程語言為梯形圖語言、32點的編程控制器具有16點輸入,16點輸出?？紤]到該PLC所需的輸入、輸出點數(shù)及類型，選用三菱FX_2n-32MR-ES/UL可編程控制器作為該系統(tǒng)的核心，它含有16個輸入點（漏型）和16個輸出點（繼電器型），足夠設計所用15。FX_2n-32MR-ES/UL簡介FX_2n-32MR-ES/UL屬于FX2N系列PLC，F(xiàn)X2N系列PLC是FX系列中高級的模塊。它擁有無以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點，F(xiàn)X2N是從16到256路輸入、輸出的多種應用的選擇方案。FX_2n-32MR-ES/UL的特點FX_2n-32MR-ES/UL屬于FX2N系列PLC

50、，F(xiàn)X2N系列PLC是FX系列中最高級的模塊。它擁有無以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點，F(xiàn)X2N是從16到256路輸入、輸出的多種應用的選擇方案。3.1.2 PLC硬件控制框圖上位機采用PC機，下位機選用日本三菱公司的FX2n系列的32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3

51、1。圖31 系統(tǒng)控制框圖3.1.3 各單元功能作用介紹1、電機類型的選擇電機類型選擇的原則如下：對于有特定要求的工作機械，應優(yōu)先選擇專用電機。如可工作于高濕度，有鹽霧、霉菌、凝露等環(huán)境的船用電動機；有較高的效率及節(jié)能指標的紡織電動機；有作為激振動力源，如用于糧食加工機械或振動篩、振動輸送機的振動異步電動機；在化工、橡膠、紡織、造紙等工業(yè)中有時要求軟機械特性和寬調(diào)速范圍的電動機，當負載增加時電動機的出軸轉速隨之降低而輸出力矩增加，保持與負載平衡，并允許較長時間堵轉的三相力矩電動機等。對于一般生產(chǎn)機械，在滿足生產(chǎn)機械要求的前提下，優(yōu)先選用結構簡單、工作可靠、價格便宜、維護方便的電動機。從一般要求看

52、，交流電動機優(yōu)于直流電動機，交流異步電動機優(yōu)于交流同步電動機，鼠籠式異步電動機優(yōu)于繞線式異步電動機。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17。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

53、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50Hz/60Hz、額定電壓690V、1000V，電流0.1-180A的長期工作或間斷長期

54、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，其實物圖如圖32示18。圖32 NR4(JRS2)系列熱過載繼電器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，供水閥、排水閥、除塵閥實物圖分別如圖所示。 圖33 供水閥 圖34 排水閥 圖35 除塵閥

55、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