太陽能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)的plc設(shè)計(jì)(共31頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上機(jī)械工程學(xué)院 機(jī)械工程專業(yè) 機(jī)電方向?qū)I(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書班 級(jí)： 機(jī)械10-7 姓 名： 鄧強(qiáng) 論文（設(shè)計(jì)）題 ： 基于PLC的太陽能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 要求完成的內(nèi)容： 1）相關(guān)背景知識(shí)的研究學(xué)習(xí)； 2）系統(tǒng)總體組成設(shè)計(jì)； 4）PLC控制系統(tǒng)硬件模塊選型、連接設(shè)計(jì)（原理圖）； 5）部分控制軟件設(shè)計(jì)； 6）設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份（20頁（9000字）以上） 設(shè)計(jì)時(shí)間:2014.02.252014.03.22 完成日期：2014.03.22論文頁數(shù)：20(約9000字)頁； 圖紙張數(shù)： 1-2張 指導(dǎo)教師： 教研室主任： 專心-專注-專業(yè)基于PLC的太陽能熱水器控制系統(tǒng)

2、設(shè)計(jì) 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(dāng)一部分人使用。因此，研究和開發(fā)先進(jìn)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)變得越來越重要。本設(shè)計(jì)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(yīng)用,重點(diǎn)研究了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及軟件的設(shè)計(jì)過程。指出了PLC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是能滿足基本的控制功能, 并考慮維護(hù)的方便性、系統(tǒng)可擴(kuò)展性等。本設(shè)計(jì)進(jìn)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(hù)方便快捷，增進(jìn)了系統(tǒng)的先進(jìn)性。關(guān)鍵詞 太陽能熱水器 PLC 控制系統(tǒng)目 錄1 緒論1.1

3、本設(shè)計(jì)研究的目的和意義在全球能源形勢(shì)緊張、氣候變暖嚴(yán)重威脅經(jīng)濟(jì)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(shì)地位。太陽能以其清潔、源源不斷、安全等顯著優(yōu)勢(shì)，成為關(guān)注的重點(diǎn)。在太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，太陽能熱水器的熱利用轉(zhuǎn)換技術(shù)無疑是最為成熟的，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也較光伏電池、太陽能發(fā)電等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先一步。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(shí)間繼電器來滿足生產(chǎn)工藝要求，結(jié)果使電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、繁瑣，故障時(shí)有發(fā)生，給使用和日常維護(hù)帶來了很大的不便。在電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天，有必要而且有可能采用新技術(shù)對(duì)原電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，以提高可

4、靠性，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)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(shí)間繼電器和中間繼電器，而且其常開、常閉觸點(diǎn)可多次重復(fù)使用，使得我們?cè)诰幊讨锌梢噪S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(shí)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(diǎn)。太陽能熱水器是太陽能熱利用中商業(yè)化程度最高 、應(yīng)用最普遍的技術(shù) 。但是在熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用單片機(jī)控制 ，單片機(jī)開發(fā)價(jià)格較高，而PLC開發(fā)價(jià)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(diǎn)。通過改進(jìn)或完善已有太陽能熱水器控制系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)開發(fā)新型太陽

5、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器是把太陽光能轉(zhuǎn)化為，將水從低溫度加熱到高溫度以滿足人們?cè)谌粘Ｉa(chǎn)、生活中需要的熱水器。把成熱能主要依靠集熱管，集熱管受陽光照射面溫度高，集熱管背陽面溫度低，而管內(nèi)水便產(chǎn)生溫差反應(yīng)，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達(dá)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(diǎn)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(huì)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，

6、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(jié)構(gòu)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(guān)報(bào)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(shù)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(cè)量控制方面，應(yīng)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(cè)控產(chǎn)品。上世紀(jì)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

7、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(yīng)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(chǎng)。當(dāng)時(shí)，集熱管的選擇性吸收涂層的平場(chǎng)陽光吸收率約為83%，但由于采用了高真空技術(shù)，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(gè)數(shù)量級(jí)，從而將太陽能熱利用技術(shù)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(jì)90年代，這種新型太陽能熱水器已成為推廣應(yīng)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

8、水箱、支架、循環(huán)管道等相關(guān)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(dāng)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(shí)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(shí)金屬片就不再升溫，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(dá)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(gè)保溫盒體中，上面蓋以玻璃，使太陽的輻射能可以進(jìn)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(yuǎn)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

9、效應(yīng)，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(yùn)行起來，還得配置適當(dāng)?shù)墓艿溃瑢⒓療崞髋c水箱有機(jī)的連接起來，才能形成一個(gè)完整的循環(huán)系統(tǒng)。熱水器管道系統(tǒng)連接正確與否，對(duì)熱水器循環(huán)系統(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(bǔ)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(bǔ)給水箱只與循環(huán)水箱相通，當(dāng)循環(huán)水箱水位低時(shí)，以補(bǔ)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(shí)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(jìn)水擋板。這樣冷水進(jìn)入循環(huán)

10、水箱時(shí)，通過擋板使之?dāng)U散流入不致將箱內(nèi)上部熱水?dāng)嚮臁?）補(bǔ)給水箱補(bǔ)給水箱是供給冷水的水箱。自來水不是直接進(jìn)入循環(huán)。而是通過補(bǔ)給水箱來補(bǔ)給。這樣做的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)出水管、排放熱水管等在水箱中的高度位置，它對(duì)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(dòng)放水時(shí)，它的熱水出水口位置較高。而采用人工放水時(shí)，熱水出水口位置應(yīng)較低。循環(huán)水箱內(nèi)的水溫達(dá)到一定溫度時(shí)，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

11、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(bǔ)給水箱4供給循環(huán)水箱3所需的冷水。當(dāng)集熱器吸收太陽輻射能后，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(jìn)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(duì)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(shí)，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。15327

12、64F3F1F2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(bǔ)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(gè)向上的動(dòng)力，構(gòu)成一個(gè)熱虹吸系統(tǒng)。隨著熱水的不斷上移并儲(chǔ)存在儲(chǔ)水箱上部，同時(shí)通過下循環(huán)管不斷補(bǔ)充溫度較低的水，如此循環(huán)往復(fù)，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(dòng)力，設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)只要有56以上的溫差就可以循環(huán)很好。水

13、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(dāng)水溫升高后，由于運(yùn)動(dòng)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(dāng)主管管徑不變時(shí)，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(yīng)在10mm以上。當(dāng)主管管徑達(dá)到一定值以后，增加主管管徑對(duì)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

14、一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)械的生產(chǎn)過程；而有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。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(yīng)用，成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。長期以來，PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制中發(fā)揮著巨大的作用，為各種各樣的自動(dòng)化控制設(shè)備提供了廣泛、可靠的控制應(yīng)用，這主要是源于它能夠?yàn)樽詣?dòng)化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合當(dāng)前自動(dòng)化工業(yè)企業(yè)的需要。1.2.5 P

15、LC的發(fā)展歷史20世紀(jì)70年代大規(guī)模集成電路和微處理機(jī)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(jià)格便宜、功能齊全、體積小、應(yīng)用靈活方便、工程周期短、操作維護(hù)方便、應(yīng)用領(lǐng)域廣闊等優(yōu)點(diǎn)。隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在己誕生了第五代PLC產(chǎn)品。而從應(yīng)用角度看，PLC大概經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段：1、單機(jī)就地控制，取代繼電器柜，至今仍然是PLC應(yīng)用的主流。2、數(shù)臺(tái)PLC與1臺(tái)PC機(jī)相連，PC機(jī)完成編程和在運(yùn)行中作為人機(jī)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

16、力，構(gòu)成可編程控制系統(tǒng)PCS（Programmable Control System），人機(jī)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(chǎng)總線、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)PC機(jī)（IPC）、軟PLC技術(shù)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(shù)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(diǎn)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程是復(fù)雜多樣的，他們對(duì)控制的要求也各不相同。PLC專為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)，一經(jīng)出現(xiàn)就受到了廣大工程技術(shù)人員的歡迎。其主要特點(diǎn)有：1、通用性強(qiáng),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(dāng)控制對(duì)象的硬

17、件配置確定以后 ,就可通過修改用戶程序 ,方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。2、功能性強(qiáng),適應(yīng)面廣?，F(xiàn)代 PLC不僅具有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能 ,而且還具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等功能。因此 ,它既可對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制 ,也可對(duì)模擬量進(jìn)行控制 ,既可控制1臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械、1條生產(chǎn)線 ,也可控制1個(gè)生產(chǎn)過程。PLC 還具有通訊聯(lián)絡(luò)功能，與上位計(jì)算機(jī)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)遙控功能。3、可靠性高,抗干擾能力強(qiáng)。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(duì) PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)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

18、。PLC的輸入、輸出電路一般用光電耦合器來傳遞信號(hào) ,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(duì)PLC的影響,同時(shí),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(shè)置了多種濾波電路,對(duì)高頻干擾信號(hào)有良好的抑制作用。軟件方面,設(shè)置故障檢測(cè)與診斷程序。采用以上抗干擾措施后 ,一般 PLC平均無故障時(shí)間高達(dá)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(hào)和表達(dá)方式與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。5、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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

19、中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等部件,控制柜的設(shè)計(jì)、安裝接線工作量大為減少。PLC的用戶程序大都可以在實(shí)驗(yàn)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(chǎng),進(jìn)行聯(lián)機(jī)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(shí)現(xiàn)功能,一旦PLC外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制設(shè)備的新型產(chǎn)品,因而結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固、體積小、質(zhì)量小、功耗低,而且具有很好的抗震性和適應(yīng)環(huán)境溫度、濕度變化的能力。因此,PLC很容易裝

20、入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部,是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化較理想的控制設(shè)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(jī)出錯(cuò)顯示N與編程器進(jìn)行信息交換是否有網(wǎng)絡(luò)Y與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)執(zhí)行用戶程序輸出處理超時(shí)？Y停機(jī)出錯(cuò)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(jí)順序（高級(jí)和低級(jí)順序）或可變順序等進(jìn)行。因?yàn)橛械挠脩舫绦虿恍枰繏呙枰淮螆?zhí)行一次，也為的是在控制系統(tǒng)需要處理的I/O點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，通過不同的模塊組合的安排，采用分時(shí)分批

21、掃描執(zhí)行的辦法，可縮短循環(huán)掃描周期和控制的實(shí)時(shí)性。用戶將用戶程序設(shè)計(jì)、調(diào)試后，用編程器鍵入PLC的存儲(chǔ)器中，并將現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)和被驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行元件相應(yīng)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(guān)使其處于運(yùn)行工作方式，PLC就以循環(huán)掃描的工作方式進(jìn)行工作。在輸入信號(hào)、用戶程序的控制上，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)，完成預(yù)期的控制任務(wù)。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(gè)典型的可編程序控制器在一個(gè)掃描周期中要完成六個(gè)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(gè)掃描過程開始，順序掃

22、描后又回到該過程成為一個(gè)掃描周期。進(jìn)行一個(gè)掃描周期所需的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期時(shí)間。1.3 本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容是用PLC控制太陽能熱水器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器系統(tǒng)自動(dòng)控制及手工控制，使其滿足實(shí)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。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(diǎn)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(shè)計(jì)5、設(shè)計(jì)、繪制梯形圖，滿足各個(gè)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(shè)計(jì)方案2.1 控制系統(tǒng)的基本功能要求根據(jù)人們對(duì)熱水器的使用習(xí)慣和人性化設(shè)計(jì)要

23、求 , 設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有以下功能：1、自動(dòng)控制功能。系統(tǒng)在自動(dòng)工作方式時(shí)，能自動(dòng)控制供水水泵的運(yùn)行與停止和各電磁閥的開關(guān)。定時(shí)控制器在斷電時(shí)正常計(jì)時(shí)，故采用其作為PLC的電源控制。在定時(shí)控制時(shí)間內(nèi)，由定時(shí)器接通PLC的電源，PLC按預(yù)先編制的程序依次打開各控制設(shè)備電源，并根據(jù)輸入信號(hào)的變化隨時(shí)調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時(shí)間里，定時(shí)器自動(dòng)斷開PLC的電源。工作時(shí)段為618 h。可利用定時(shí)控制器和PLC自身具有的定時(shí)命令加以解決。2、除塵功能。利用溫度開關(guān)檢測(cè)環(huán)境溫度是否適合除塵，溫度開關(guān)為4。除塵時(shí)用一個(gè)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、

24、水箱應(yīng)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(bào)警功能。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，故障指示燈閃爍且報(bào)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2 min。7、可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)控制切換。8、恒溫功能。出水溫度可通過恒溫閥控制在3040，當(dāng)用戶需要熱水時(shí)，可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)。2.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí)增加控制功能，保證系統(tǒng)投入運(yùn)行后能夠替換個(gè)

25、別故障點(diǎn)或彌補(bǔ)遺漏的點(diǎn)數(shù)。統(tǒng)計(jì)出I/O總點(diǎn)數(shù)后即可以確定PLC 的控制規(guī)模，從而確定存儲(chǔ)器(用于存儲(chǔ)用戶程序和數(shù)據(jù))的容量。存儲(chǔ)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(jì)算，再增加25%30 %的備用量，以便隨時(shí)增加用戶程序。一種方法是根據(jù)編程實(shí)際使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算，即編完程序之后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算出實(shí)際使用容量。另一種方法是估算法，只有開關(guān)量時(shí)，所需內(nèi)存總數(shù)=開關(guān)量(輸入/輸出)總數(shù)10；只有模擬量輸入時(shí),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(shí)存在時(shí)，所需內(nèi)存總數(shù)=模擬量路數(shù)250；同時(shí),應(yīng)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

26、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，冷水閥門F3，熱水閥門此款熱水器利用微機(jī)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(guān)閉冷水閥門F2和循環(huán)水閥門F1，然后微機(jī)開始進(jìn)行水箱的溫度采集，同時(shí)進(jìn)行溫度的比較，當(dāng)水箱中的溫度小于370C時(shí)，電熱器D接通進(jìn)行加熱，同時(shí)微機(jī)繼續(xù)對(duì)熱水箱的水溫進(jìn)行采集。當(dāng)溫度加熱到大于370C時(shí)電熱器

27、D斷開，如此反復(fù)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(shí)，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(gè)從系統(tǒng)，這時(shí)它就要發(fā)揮作用了。熱水箱溫度為T1，將它和設(shè)定值N相比較，從而控制是否打開電加熱器?？刂茣r(shí)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(shè)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?yàn)楸鞠到y(tǒng)是對(duì)開關(guān)量控制的應(yīng)用系統(tǒng),并對(duì)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(diǎn)編程控制器,該編程控制器具有自診斷功能,采用

28、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、編程語言為梯形圖語言、32點(diǎn)的編程控制器具有16點(diǎn)輸入,16點(diǎn)輸出?？紤]到該P(yáng)LC所需的輸入、輸出點(diǎn)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(gè)輸入點(diǎn)（漏型）和16個(gè)輸出點(diǎn)（繼電器型），足夠設(shè)計(jì)所用。2.2.3 PLC硬件控制框圖本設(shè)計(jì)選用三菱公司的FX_2n-32MR-ES/UL系列32點(diǎn)編程控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(bào)警點(diǎn)輸入并且用聲光信號(hào)顯示故障類型，同

29、時(shí)發(fā)出警報(bào)提醒值班人員及時(shí)處理事故。當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，故障指示燈閃爍且報(bào)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(dòng)總停手動(dòng)上水手動(dòng)加熱消音按鈕液位檢測(cè)開關(guān)溫度開關(guān)（常閉）溫度開關(guān)（常開）自動(dòng)總開自動(dòng)/手動(dòng)選擇除塵閥報(bào)警器供水閥排水閥繼電器除塵電機(jī)PLC16點(diǎn)輸入 16點(diǎn)輸出模擬量輸入模塊FX2n-4AD-PT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(jī)類型的選擇對(duì)于連續(xù)運(yùn)行，負(fù)載平穩(wěn)，對(duì)起動(dòng)制動(dòng)沒有特殊要求的生產(chǎn)機(jī)械，應(yīng)優(yōu)先采用普通鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，它廣泛用于

30、各種機(jī)床、水泵和風(fēng)機(jī)等。大中功率的空壓機(jī)和皮帶輸送機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械要求有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，應(yīng)采用深槽式或雙鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。由于太陽能熱水器屬于連續(xù)運(yùn)行，負(fù)載平穩(wěn)，對(duì)起動(dòng)制動(dòng)沒特殊要求，綜合各方面考慮，本系統(tǒng)微型電機(jī)選用Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)。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(diǎn)觸頭的直動(dòng)式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，動(dòng)作機(jī)構(gòu)靈活，手動(dòng)檢察方便，結(jié)構(gòu)緊湊。觸頭，磁系統(tǒng)采用封閉結(jié)構(gòu)，能提高壽命。接線端均有防護(hù)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（

31、或60Hz），額定電壓至660V，在AC-3使用類別下工作電壓為380V，供遠(yuǎn)距離和分?jǐn)嚯娐芳邦l繁起動(dòng)和控制交流電動(dòng)機(jī)，并可與適合的熱繼電器組成電磁起動(dòng)器，以保護(hù)可能發(fā)生操作過負(fù)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工作的交流電動(dòng)機(jī)的過載與斷相保護(hù)。該熱繼電器具有斷相保護(hù)、溫度補(bǔ)償、動(dòng)作指示、自動(dòng)與手動(dòng)復(fù)位，該產(chǎn)品動(dòng)作可靠。另外，該產(chǎn)品符合：GB14048.4、GB14048.5、IEC60947-4-1等標(biāo)準(zhǔn)，可

32、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(dá)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(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，指示燈顯示綠色，機(jī)器通電不運(yùn)行時(shí)，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(hào)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

33、箱和補(bǔ)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(bǔ)給水箱只與循環(huán)水箱相通，當(dāng)循環(huán)水箱水位低時(shí)，以補(bǔ)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(jì)性和通用性，循環(huán)水箱已標(biāo)準(zhǔn)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，同時(shí)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)

34、水箱的下部均裝有冷水進(jìn)水擋板。這樣冷水進(jìn)入循環(huán)水箱時(shí)，通過擋板使之?dāng)U散流入不致將箱內(nèi)上部熱水?dāng)嚮臁?00升與1000升循環(huán)水箱，結(jié)構(gòu)基本相同，后者增加一些肋條和拉條，以增強(qiáng)水箱的強(qiáng)度和則度。2）補(bǔ)給水箱補(bǔ)給水箱是供給冷水的水箱。自來水不是直接進(jìn)入循環(huán)。水箱，而是通過補(bǔ)給水箱來補(bǔ)給。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可使冷水和熱水隔開，保持循環(huán)水箱中的熱水水溫穩(wěn)定。補(bǔ)給水箱不宜太大，宜狹而長。補(bǔ)給水箱內(nèi)需安裝浮球，以保持最高水位。通用設(shè)計(jì)中最常用的一種補(bǔ)給水箱結(jié)構(gòu)。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(duì)氣候環(huán)境進(jìn)行測(cè)量及數(shù)據(jù)采集，并將測(cè)量結(jié)果通過接口

35、送至PLC中，PLC根據(jù)控制要求對(duì)整個(gè)太陽能熱水器進(jìn)行綜合控制。由于系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的采樣值都是傳感器輸出的模擬信號(hào)，而且傳感器與PLC的距離也比較遠(yuǎn)，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(zhǔn)確性與可靠性。溫度誤差可以在電路上或軟件上采取補(bǔ)償措施，不同的補(bǔ)償方法，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(guān)，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(diǎn)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(cè)量過程中必然會(huì)受到污染，由污染引起的測(cè)量基點(diǎn)漂移，只能用重新檢定的方法加以修正解決。若污染嚴(yán)重，基點(diǎn)漂移量過大，又

36、不能再生，只能將傳感器作報(bào)廢處理。溫度傳感器技術(shù)指標(biāo):1）溫度范圍：-070(可根據(jù)用戶要求擴(kuò)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1200m2.2.5 PLC的端口分配根據(jù)以上硬件選型設(shè)計(jì)，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(diǎn)代號(hào)工程名稱I0.0SF啟動(dòng)按鈕I0.1SF1總停按鈕I0.2BT1 溫度開關(guān)（常開）I0.3BT2 溫度開關(guān)（常閉）I0.4SF2手動(dòng)上水開關(guān)I0.5SF

37、3手動(dòng)排水開關(guān)I0.6SF4手動(dòng)消音開關(guān)I0.7SF5手動(dòng)加熱開關(guān)I1.0SF6液位檢測(cè)開關(guān)I1.1FX2n-4AD模擬量輸入模塊表 2-2 PLC的輸出端口分配輸出點(diǎn)代號(hào)工程名稱Q0.0PG啟動(dòng)指示燈Q0.1PG1總停指示燈Q0.2PG2除塵指示燈Q0.3PB報(bào)警蜂鳴器Q0.4PG3故障指示燈Q0.5MB1供水電磁閥Q0.6MB2排水電磁閥Q0.7KM1除塵電機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器Q1.0MB3除塵閥Q1.1KM2除塵電機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器Q1.2KF1電加熱器2.3 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)1、主電路的設(shè)計(jì)：1) 接觸器KM1和KM2分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。2) 電動(dòng)機(jī)有熱繼電器實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。3) 選擇自動(dòng)開關(guān)QA

38、為總電源的開關(guān)，即可完成主回路的短路保護(hù)，又起到隔離三相交流電源的作用，使使用和維護(hù)更加方便。4) 由FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分別實(shí)現(xiàn)各負(fù)載回路的短路保護(hù)作用，F(xiàn)U7、FU8完成PLC控制回路的短路保護(hù)。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則繪制出電氣控制電路圖，如圖2-3所示。圖2-3 電氣控制主電路圖2、PLC控制電路的設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的控制要求、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及系統(tǒng)所選的元器件，設(shè)計(jì)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控制原理圖圖2-5 溫度傳感器與模擬量輸入模塊接線圖注釋：1、PLC系統(tǒng)的

39、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(shí)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(diǎn)均同時(shí)斷開。當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，若RUN輸入接通，則操作自動(dòng)進(jìn)行。對(duì)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(gè)變比為1:1的隔離變壓器，以減少設(shè)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(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1） PLC的接地線應(yīng)為直徑在2mm以上的專用線2） 接地電阻應(yīng)小于1003） PLC的地線不能和其它設(shè)備共用4） PL

40、C的各單元地線應(yīng)相連在一起3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案可編程控制器是掃描工作方式，能同時(shí)對(duì)多個(gè)模塊進(jìn)行控制，在整個(gè)程序掃描時(shí)間里加上不同的輸入檢測(cè)信號(hào)，就可使程序按所檢測(cè)信號(hào)判斷進(jìn)入不同的分支程序。主程序包含有多個(gè)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(fù)，同時(shí)也方便以后系統(tǒng)擴(kuò)展對(duì)軟件的修改，系統(tǒng)主要是接收上位機(jī)的控制參數(shù)，并完成太陽能熱水器溫度、液位的測(cè)量和控制任務(wù)。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(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件指的是操作系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)等與計(jì)算機(jī)密切相關(guān)的程序。系統(tǒng)軟件一般由計(jì)算機(jī)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(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的實(shí)際問題而編寫的各種程序。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，每個(gè)控制對(duì)象或控制任務(wù)都要有相應(yīng)的控制程序，用這些控制程序來完成對(duì)象的不同要求，這種程序通常稱為應(yīng)用程序。本設(shè)計(jì)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(shí)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(shè)置工作時(shí)間段啟動(dòng)定時(shí)器系統(tǒng)工作時(shí)間是否到？YN端口控制邏輯正常？終止工作各開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)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