基于PLC的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、目錄第一章 概述31.1 研究本課題的目的、意義31.2當前研究現(xiàn)狀31.3 目前我國太陽能熱水器的種類41.3.1 熱管式太陽能熱水器31.3.2 平板式太陽熱水器41.3.3 全玻璃真空管式熱水器51.3.4 熱管真空管式太陽能熱水器51.4 研究的內(nèi)容6第二章 全玻璃真空管式太陽能熱水器的論述72.1 太陽能熱水器功能簡介72.1.1 太陽能熱水器的組成、原理和工作過程82.1.2 太陽能熱水器各單元介紹92.1.3 系統(tǒng)的要求102.2 可編程控制器（PLC）簡介102.2.1可編程序控制器的工作原理112.2.2 可編程控制器的的特點11第三章 熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計方案11 3.1

2、系統(tǒng)硬件的設(shè)計方案 113.1.1 PLC的選型123.1.2 PLC硬件控制框圖123.1.3 各單元功能作用介紹163.1.4 PLC的端口分配173.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案173.2.1 軟件組成173.2.2 系統(tǒng)控制流程圖17第四章 可編程控制器（PLC）的安裝、維護和檢修214.1 PLC的安裝214.2 PLC系統(tǒng)的電源接線214.3 接地214.4 輸入接線224.5 輸出接線224.6 PLC的維護和檢修22第五章 結(jié) 論23參考文獻24致謝25附錄I 梯形圖26附錄II 指令表28摘要:本課題主要研究可編程控制器（PLC）在太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點研究系統(tǒng)的硬件

3、構(gòu)成及系統(tǒng)軟件的設(shè)計過程，指出 PLC 設(shè)計的關(guān)鍵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(shè)計要求設(shè)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(guān)鍵詞: PLC；太陽能；自動控制系統(tǒng)；熱水器 ABSTRACT： Application of PLC in solar water heater automa

4、tic 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 emphasized . And the key of PLC design that is to satisfy the basic control function is pointed out , meanwhile maintenance convenience and syste

5、m 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 then 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

6、 part, the control ladder diagram is designed according to the requirement; In the end, the electrical principle diagram and the interconnection diagram are drawn. Through the design of the solar water heater automatic control system, the components that is used in the solar water heater automatic c

7、ontrol 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 maintenance, and high reliability. In a word, the system becomes more advanced because of my design.KEY WORDS: PLC; solar; automatic control

8、 system; water heater 第一章 概述1.1 研究本課題的目的、意義太陽能熱水器是利用太陽輻射能和熱水的裝置。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。太陽能光熱應(yīng)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(lǐng)域。從發(fā)展角度看，城市家庭生活熱水的供給不應(yīng)由業(yè)主考慮，而應(yīng)與建筑設(shè)計開發(fā)同時進行。在此基礎(chǔ)上設(shè)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(shù)飛速發(fā)展的今天，有必要而且有可能采用新技術(shù)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?？删幊炭刂破饔捎诳商峁┦褂玫?/p>

9、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(fù)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(jié)果使電路設(shè)計復(fù)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(yīng)用最普遍的技術(shù) 。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

10、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(shè)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當前研究現(xiàn)狀目前我國太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，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，目前一直處于空白狀態(tài)。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；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。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

11、術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)投入較少。因此，在太陽熱水器、太陽熱水系統(tǒng)的測量控制方面，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、性能好的測控產(chǎn)品1。1.3 目前我國太陽能熱水器的種類1.3.1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(shè)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(shù)上和經(jīng)濟上均優(yōu)于真空集熱管。我國大連生產(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(jié)構(gòu)簡單，

12、工質(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(jié)冰，也不怕高于100時水會沸騰。1.3.2平板式太陽熱水器平板式太陽能熱水器又叫“平板集

13、熱器”，它是太陽熱水器的基本類型之一。由它可以派生出許多同類熱水器，如翅翼型、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(yīng)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

14、“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2。這種集熱器的優(yōu)點是：1、工藝不復(fù)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(shè)備，沒有任何安全隱患。4、整個系統(tǒng)沒有運轉(zhuǎn)設(shè)備，水對吸熱板沒有腐蝕作用，故使用壽命很長。缺點是：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

15、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(jié)冰膨脹，將管子脹裂。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(jié)凍地區(qū)的冬天。1.3.3 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(chǔ)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(shù)，消除了氣體的對流與傳導熱損，并應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)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)

16、形熔封在一起。真空集熱器內(nèi)裝有吸氣劑3。這種集熱器的優(yōu)點是：1、結(jié)構(gòu)簡單、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(jié)垢，管子易炸裂，而且在嚴寒地區(qū)使用會凍結(jié)。3、價格昂貴。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(zhì)可以控制熱水器

17、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(zhuǎn)化為熱能，使熱管蒸發(fā)段內(nèi)的傳熱介質(zhì)汽化。蒸汽上升到熱管冷凝段后，通過導熱塊將熱量傳遞給集熱管內(nèi)的工質(zhì)，而自身又凝結(jié)成液體，依靠重力流回蒸發(fā)段。上述過程重復(fù)循環(huán)，使集熱管內(nèi)的工質(zhì)不斷升溫。由于運用了真空技術(shù)，大幅度降低了集熱器的熱損失，因而使其在高工質(zhì)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(shù)，被加熱工質(zhì)不直接流經(jīng)真空管，因而跟普通平板式集熱器和真空

18、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4。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(zhuǎn)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(shù)要求高。1.4 研究

19、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(shè)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(shè)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論述2.1 太陽能熱水器系統(tǒng)功能簡介圖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

20、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(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，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(shè)定值N相比較，從而控制是否打開電加熱。

21、控制時段為6點一18點，具體過程如下: 若Tl<N，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。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

22、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56。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

23、上升，形成一個向上的動力，構(gòu)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(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，沒有外在的動力，設(shè)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，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)，

24、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(yīng)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7。2.1.2 太陽能熱水器各單元介紹1、熱水器水箱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

25、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(yīng)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、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?/p>

26、道，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、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

27、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(yīng)，提高了集熱器的集熱效率。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(shè)計要求 , 設(shè)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(guān)。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(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

28、?？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(guān)檢測環(huán)境溫度是否適合除塵 ,溫度開關(guān)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(yīng)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 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（PragrammableLogicCo

29、ntroller,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(shù)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(guān)設(shè)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(shè)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(yīng)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)自動化控制而發(fā)揮著巨大作用，為各種各樣的自動化控制設(shè)備提供了廣泛、可靠的控制應(yīng)用。這主要是源于它能夠為自動化控制

30、應(yīng)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8。2.2.1 可編程序控制器的工作原理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。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9。用戶將用戶程序設(shè)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(qū)動的執(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

31、的控制開關(guān)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(yīng)的輸出信號，完成預(yù)期的控制任務(wù)。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，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10。2.2.2可編程控制器的的特點1、通用性強,使用方便。2、功能性強,適應(yīng)面廣。3、可靠性高,抗干擾能力強。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。5、控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試和維修方便。6、體積小、質(zhì)量小、功耗低。第三章 熱水器

32、控制系統(tǒng)的設(shè)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(fù)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。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(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(shè)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

33、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(guān)量時，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,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(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11。3.1.1 PL

34、C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31。3.1.2 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(yīng)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

35、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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格便宜、維護方便的電動機。從一般要求看，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(yīng)優(yōu)先采用普通鼠籠異步電動機，它廣泛用于各種

36、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(zhuǎn)矩，應(yīng)采用深槽式或雙鼠籠式異步電動機12。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(jié)構(gòu)，動作機構(gòu)靈活，手動檢察方便，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（

37、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(fù)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

38、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

39、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，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)

40、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(jié)構(gòu)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(shè)計中最常用的一種補給水箱結(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氣候環(huán)境進行測量及數(shù)據(jù)采集，并將測量結(jié)果通過接口

41、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，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

42、不能再生，只能將傳感器作報廢處理13。溫度傳感器技術(shù)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1200m根據(jù)硬件的選擇情況，繪制表31 表31原理總圖的元器件目錄表序號代號名稱數(shù)量規(guī)格型號備注0PLC可編程控制器1FX_2n-32MR-ES/UL繼電器輸出型1HL-HL3指示燈4AD16-22GLED顯示,220V2KM1-KM2交流接觸器2DJX-9線圈電壓：220V3SB1-SB5按鈕

43、5LAY37綠色4SB啟動按鈕1LAY37綠色5S自動/手動開關(guān)1SR26封閉式6SL1-SL2溫度檢測開關(guān)2TH22接通與斷開的最小溫差1.17TC隔離變壓器1BK-100電壓：220V8FU1-FU8熔斷器8RL1-15熔體2-10A9FR熱繼電器2JR16-20/3參照電機電流10M微型電動機1YYHS45電壓220V頻率50HZ11YA報警器1SWP-X100交流220V12YV2排水閥1SSFK-C014交流12-220V13YV1供水閥1SSFK-C024交直流3-220V 14YC除塵閥1SSFK-C017交流220V3.1.3 PLC的端口分配根據(jù)以上硬件選型設(shè)計，編制I/O接

44、口功能表，如表32和33。表 32 PLC的輸入端口分配輸入點代號工程名稱X0SB啟動按鈕X1SB1總停按鈕X2SL1溫度開關(guān)（常開）X3SL2溫度開關(guān)（常閉）X4SB2手動上水開關(guān)X5SB3手動排水開關(guān)X6SB4手動消音開關(guān)X7SB5手動加熱開關(guān)表 33 PLC的輸出端口分配輸出點代號工程名稱Y0HL啟動指示燈Y1HL1總停指示燈Y2HL2除塵指示燈Y3HA報警蜂鳴器Y4HL3故障指示燈Y5YV1供水電磁閥Y6YV2排水電磁閥Y13KM1除塵電機正轉(zhuǎn)接觸器Y15YV3除塵閥Y14KM2除塵電機反轉(zhuǎn)接觸器3.1.4系統(tǒng)電路的設(shè)計1、主電路的設(shè)計：1) 接觸器KM1和KM2分別控制電機的正轉(zhuǎn)和反

45、轉(zhuǎn)。2) 電動機有熱繼電器實現(xiàn)過載保護。3) 選擇自動開關(guān)Q為總電源的開關(guān)，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FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分別實現(xiàn)各負載回路的短路保護作用。FU7，F(xiàn)U8完成PLC控制回路的短路保護。2、PLC控制電路的設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的控制要求、系統(tǒng)的總體設(shè)計及系統(tǒng)所選的元器件，設(shè)計出系統(tǒng)的控制原理圖及PLC外部接線圖。3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案可編程控制器是掃描工作方式，能同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，

46、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(wù)。3.2.1 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)計系統(tǒng)等與計算機密切相關(guān)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。應(yīng)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象的不同要求，這種程序通常稱為應(yīng)用程序。3.2.2 系統(tǒng)控制流程圖1、建立系統(tǒng)控制流程圖1）主

47、程序控制系統(tǒng)流程圖水位子程序溫度子程序2）水位子程序流程圖圖32 水位子程序流程圖3）溫度子程序流程圖圖33 溫度子程序流程圖第四章 可編程控制器（PLC）的安裝、維護和檢修4.1 PLC的安裝為保證PLC工作的可靠性，提高它的工作效率，延長其使用壽命，對使用場合、環(huán)境溫度要有一定的要求。在安裝PLC時，要滿足下列條件:1、 環(huán)境溫度在050的范圍內(nèi)；2、 環(huán)境相對濕度應(yīng)在35-85范圍內(nèi)；3、 周圍無腐蝕和易燃的氣體；4、 應(yīng)避免太陽光的直接照射及液態(tài)物質(zhì)的濺射；5、 應(yīng)避免鐵屑及灰塵；6、 避免頻繁或連續(xù)的振動及沖擊。除滿足以上環(huán)境條件外，安裝時還應(yīng)該注意以下幾點：1、 在安裝和拆卸時，P

48、LC的所有單元必須斷電；2、 在接觸PLC前，必須事先釋放人體所帶靜電；3、 注意PLC周圍的通風和散熱；4、 嚴防導線頭、鐵屑等從通風窗掉入可編程控制器內(nèi)部，造成印刷電路板短路，使其不能正常工作甚至水久損壞。5、 盡可能遠離高壓電源線和高壓設(shè)備，可編程控制器高壓設(shè)備和電源線之間應(yīng)留出至少200mm的距離。小型可編程控制器外殼的4個角上，均有安裝孔。有兩種安裝方法，一是底板安裝，不同的單元有不同的安裝尺寸；另一種是DIN（德國共和標準）軌道固定。DIN軌道配套使用的安裝夾板，左右各一對。在軌道上，先裝好左右夾板，裝上PLC，然后擰緊螺釘14。4.2 PLC系統(tǒng)的電源接線PLC供電電源可采用直流

49、24V、交流1 00V120V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(fù)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(shè)備與地之間的干擾。4.3 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(yīng)注意以下幾點：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100;3、 PLC的地線不能和其它設(shè)備共用;4、 PLC的各單元地線應(yīng)相連在一

50、起。4.4 輸入接線PLC一般接受行程開關(guān)、限位開關(guān)等輸入的開關(guān)量信號。輸入接線端子是PLC與外部傳感器負載轉(zhuǎn)換信號的端口。輸入接線，一般指外部傳感器與輸入端口的接線。輸入器件可以是任何無源的觸點或集電極開路的NPN管。輸入器件接通時，輸入端接通，輸入線路閉合，同時輸入指示的發(fā)光二極管亮。輸入端的一次電路與二次電路之間，采用隔離變壓器。二次電路帶RC濾波器，以防止由于輸入觸點抖動或從輸入線路串入的電噪聲引起PLC誤動作。若在輸入觸點電路串聯(lián)二極管，在串聯(lián)二極管上的電壓應(yīng)小于4V。若使用帶發(fā)光二極管的舌簧開關(guān)，串聯(lián)二極管的數(shù)目不能超過兩只。另外，輸入接線還應(yīng)特別注意以下幾點：1、 輸入接線一般不

51、要超過30m，但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。2、 輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。3、 可編程控制器所能接受的脈沖信號的寬度，應(yīng)大于掃描周期的時間。4.5 輸出接線1、 可編程控制器有繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出3種形式。2、 輸出端接線分為獨立輸出和公共輸出。當PLC的輸出繼電器或晶閘管動作時，同一號碼的兩個輸出端接通。在不同組中，可采用不同類型和電壓等級的輸出電壓。但在同一組中的輸出只能用同一類型、同一電壓等級的電源。3、 由于PLC的輸出元件被封裝在印制電路板上，并且連接至端子板，若將連接輸出元件的負載短路，將燒毀印制電路板，因此，應(yīng)用熔絲

52、保護輸出元件。4、 采用繼電器輸出時，承受的電感性負載大小影響到繼電器的工作壽命，因此繼電器工作壽命要求長。5、 PLC的輸出負載可能產(chǎn)生噪聲干擾，因此要采取措施加以控制。此外，對于能使用戶造成傷害的危險負載，除了在控制程序中加以考慮之外，還應(yīng)設(shè)計外部緊急停車電路，使得可編程控制器發(fā)生故障時，能將引起傷害的負載電源切斷。交流輸出線和直流輸出線不要用同一本電纜，輸出線應(yīng)盡量遠離高壓線和動力線，避免并行。4.6 PLC的維護和檢修雖然PLC的設(shè)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(yīng)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的正確穩(wěn)定運行。第五章 結(jié) 論通過本次課程設(shè)計，使太陽能熱水器達到了系統(tǒng)的各種控制要求，成功完成太陽能熱水器的PLC自動控制系統(tǒng)的設(shè)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控制，也可實現(xiàn)太陽能熱水器手動控制。提高了系統(tǒng)的可靠性，達到了設(shè)計目標。設(shè)計中還是存在著一些不足，本系統(tǒng)還有待進一步的完善、改進。與國外相比，我國的太陽能熱水器的自動