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毕业设计完成4

基于PLC智能热水器

摘要

本课题主要研究了可编程控制器（PLC）在太阳能热水器中的实际应用。

并介绍了太阳能热水器的工作原理、工作过程和系统要求。

重点研究了系统硬件构成和软件设计。

课题选用通过光辐射探测器判断光照强度来确定循环泵是否启动，利用温度传感器检测集热器的温度从而实现防冻控制，利用水位传感器判断热水箱中的水位高低，利用压力传感器检测管网末端的压力值并通过变频器控制水泵运行，利用温度传感器检测管网末端的温度从而控制锅炉是否启动来实现了加热控制。

太阳能通过PLC已经基本实现了系统控制的各个要求，大大减少了系统对其它元器件的使用，从而使系统接线简单、检修方便快捷、可靠性能提高，提高了系统的先进性，很大程度上减少了制造成本，可以使更多的用户方便使用太阳能热水器。

关键词:

 PLC；太阳能；热水器；

BasedonthePLCintelligentwaterheater

Abstract

Thissubjectmainlyresearchtheprogrammablecontroller（PLC）intheapplicationofsolarwaterheater.Andsolarwaterheaterisdescribedindetailtheworkingprinciple,workingprocessandsystemrequirements.Focusesonthesystemhardwarestructureandsoftwaredesign.Topicbychoosingthroughopticaldetectortodetectlightintensitytodeterminethecirculationpumpstart-upornot,theuseoftemperaturesensorsdetectthetemperatureofthecollectortoachieveanti-freezingcontrol,usingthewaterlevelsensordetectioninthehotwatertankwaterleveltorealizewaterlevelcontrol,usingthepressuresensordetectthepressurevalueattheendsofpipeandthroughtheinvertercontrolofpumpoperationtorealizepressurecontrol,temperaturesensorstocontrolthetemperatureofboilerstart-upattheendsofpipetorealizetheheatingcontrol.

ByusingPLCforthetransformationofsolarenergy,hasbeenbasicallyachievedthevarioussystemcontrolrequirements,theuseofothercomponents,greatlyreducesthesystemtomakethesystemwiringissimple,convenientmaintenanceandimprovereliability,enhancetheadvancednatureofthesystem,andgreatlyreducesthemanufacturingcost,canmakemoreuserstousethesolarwaterheater.

Keywords:

PLC;Solarenergy;Thewaterheater

目录

摘要……...……………………………………………………………………..1

Abstract………………………………………………………………………….4

第一章绪论……...…………………………………………………………..5

1.1选题的目的和意义.......................................................5

1.2国内外研究现状..........................................................5

1.2.1国内研究现状......................................5

1.2.2国外研究现状......................................................6

1.3太阳能热水器市场分析....................................6

1.4设计的主要内容...........................................................6

第二章太阳能热水器的综述.....................................................7

2.1太阳能热水器系统功能介绍.................................7

2.1.1太阳能热水器基本构成................................7

2.1.2太阳能热水器工作原理及过程..........................9

2.1.3太阳能热水器设计要求................................9

2.2可编程控制器（PLC）综述..................................9

2.2.1PLC的发展和简介.....................................9

2.2.2PLC的特点..........................................10

2.2.3PLC的工作原理......................................11

2.2.4PLC的分类..........................................12

2.2.5PLC的应用领域......................................14

第三章控制系统的设计方案.....................................15

3.1关于系统硬件的设计方案..................................15

3.1.1PLC的选型...........................................15

3.1.2PLC硬件控制框图.....................................16

3.1.3太阳能系统各单元介绍................................16

3.1.4PLC的端口分配.......................................19

3.1.5系统主电路设计......................................20

3.2系统软件设计方案.......................................20

3.2.1系统控制流程图.....................................21

3.2.2设计PLC梯形图程序..............................................24

第四章结论...................................................25

参考文献.......................................................26

附录........................................................27

绪论

1.1选题的目的和意义

当今世界能源问题已成为普遍性的问题，能源关乎着国家的安危，谁拥有了世界上的能源谁就拥有了国际事务的话语权，谁就有了国家经济发展的基础。

但是传统能源已经被消耗殆尽，为了国家以后的发展，世界各国都在开发新的能源，太阳能作为一种既环保又取之不尽的资源已得到了越来越多方面的应用。

众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，而且环保的巨大能源。

随着世界上煤、石油、天然气储量的不断减少，能源危机也日益严重，同时环境污染的危机也不断的威胁着生态平衡，太阳能的开发利用也提上了新的日程。

有人预测：

二十一世纪太阳能将由辅助能源变为主要能源。

但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点还未突破，产品造价高（如光电池），因而没有被人们大规模的使用

在电子技术飞速发展的今天，有必要而且有可能采用新技术对原电气控制系统进行改造，以提高可靠性，并实现系统的自动控制，提高太阳能热水器稳定性。

可编程控制器由于可提供使用的时间继电器和中间继电器相当多，而且其常开常闭触点可多次重复使用，使得我们在编程中可以随心所欲。

用内部编程“软元件”取代继电器逻辑控制电路中大量的时间继电器和中间继电器，简化控制线路、有效提高系统的可靠性，是PLC的突出特点

目前，我国大部分太阳能热水器控制部分，往往需要大量的中间继电器和时间继电器来满足生产工艺要求，结果使电路设计复杂、繁琐，故障时有发生，给使用和日常维护带来了很大的不便。

太阳能热水器是太阳能热利用中商业化程度最高 、应用最普遍的技术 。

但是在热水器自动控制系统中大多采用单片机控制 ，单片机开发价格较高，而PLC开发价格便宜。

选用PLC控制，它具有速度快，可靠性高，体积小，功能全，编程简单的特点。

通过改进或完善已有太阳能热水器控制系统的不足，设计开发新型太阳能热水控制系统—基于PLC的太阳能热水器自动控制系统

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

我国第一台太阳能热水器出现在1958年。

70年代兴起开发利用太阳能热潮，各地研制成多种热水器样机，并有小规模应用，1979年我国太阳热水器的产量仅十万m2。

1987年，我国从加拿大引进铜铝复合（SUNSTRIP）生产线；90年代，我国建立了全玻璃真空集热管和真空管集热器工业，使我国太阳能热水器的推广应用上了一个新台阶。

太阳能热水器的生产和应用开始于20世纪70年代后期，开始以平板式和闷晒式为主，生产规模较小，技术水平较低。

20世纪80年代中期，我国引进加拿大铜铝复合吸热板（SUNSTRIP）制造技术，使我国平板集热器产品质量跨上一个新台阶，我国太阳能热水器产业开始进入以现代化生产手段制造国产优质平板集热器的历史新阶段。

为了减少平板集热器的热损，提高集热温度，国际上70年代研制成功真空集热管，其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内，大大提高了热性能。

我国自1978年从美国引进全玻璃真空集热管的样管以来，经过20多年的努力，已经建立了拥有自主知识产权的现代化全玻璃真空集热管的产业，产品质量达世界先进水平，产量雄居世界首位。

我国太阳能热水器产业发展迅速，目前已成为世界上最大的太阳热水器生产国，但与太阳热水器配套的控制器却一直处于研究和开发阶段，尤其是与太阳能热水器系统匹配的控制器，至今尚未检索到相关报道。

近几年来，市场上陆续出现了一些太阳能热水器控制器，但大多数控制器存在着诸如性能不稳定，容易产生误操作；温度、水位检测、控制误差大；显示器有时出现乱码；与电辅助加热装置不能很好配合；太阳能利用率较低等问题，影响了用户的使用。

1.2.2国外研究现状

太阳能热水器是利用太阳辐射能和热水的装置。

世界上第一台热水器是美国马里兰州的肯普于 1891 年发明的。

到第二次世界大战结束，人们创造了各式各样被统称为“闷晒式”的太阳能热水器。

第二次世界大战结束后，人们的注意力又开始转向发展经济。

一些缺少常规能源的国家，如日本，开始投入人力物力开发利用太阳能，经过人们的努力，各种简易的平板太阳集热器已开始在市场中出现。

到 20 世界 70 年代，随着世界性能源危机日益严重，迫使人们对太阳能的开发利用又重新重视起来，许多国家花了不少人力物力，用于大力研究和开发太阳能利用技术，尤其是太阳能热水器。

到上世纪 70 年代末，太阳热水器的开发利用在美国、澳大利亚、日本、德国、以色列等国家得到了很大的发展.在随后的十几年里，平板集热器型太阳热水器的推广应用在一些国家得到了较快的发展。

1.3太阳能热水器市场分析

在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。

太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势， 成为关注重点。

在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。

但是目前市场还有待规范，消费群体还有待培育，技术还尚须改进，因而对于企业来说还有较大的成长空间。

中国的太阳能热利用技术研究开发始于20世纪70年代末，其重点置于简单，价廉的低温热利用的适用技术，如太阳能温室，太阳灶，被动太阳房，太阳热水器和太阳干燥器。

这类技术在农村得到推广应用，为缓解农村能源短缺，改善农村生态环境和农民生活起了积极的作用，并收到了实效。

20世纪80年代太阳能热水器列入国家“六五”和“七五”科技攻关项目。

主要的研发项目是高效平板太阳集热器和全玻璃真空集热管。

在90年代，全玻璃真空集热管的科技成果通过投产转化为生产力——形成自行设计和配套的集热管生产线。

中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的2倍，北美的4倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场，并仍在以每年20％-30％的速度递增。

但是中国太阳能热水器的生产企业有5000多家，除皇明、清华阳光、华扬、太阳雨、四季沐歌等10个全国性品牌因质量、售后服务过硬而市场知名度较高外，行业中存在着大量纷繁芜杂的杂牌企业，这种状况不利于行业的长远发展，这就要求政府部门进行规范，加强监管引导。

尽管市场现状不如人意，但市场前景仍被看好。

随着国民经济和人民生活水平的不断提高，居民对家庭室内热水的需求也越来越强烈，中国太阳能热水器市场潜力巨大。

1.4设计的主要内容

本课题设计的内容是用PLC控制太阳能热水器系统，实现太阳能热水器系统自动化控制及手工控制，使其满足实际各种控制需要、使更多的工作免于人参与、使系统更加稳定可靠。

具体研究工作从以下方面展开：

1）确定系统的各种工序，绘制系统的工艺流程图。

2）PLC选型及I/O分配。

3）设计、绘制梯形图，满足各控制要求。

4）绘制电气原理图、外部接线图等。

5）依据设计要求调试系统成功。

第二章太阳能热水器的综述

2.1太阳能热水器

进水管

集热管

水管

支架

保温储水箱

溢流管

排气管

系统功能介绍

图2-1

温度传感器2

储水箱

集热器

太阳光

温度传感器3

温度传感器1

循环系统

图2-2

2.1.1太阳能热水器基本构成

太阳能热水器按使用分类，可分为季节性热水器、全年性热水器以及有辅助热源的全天候太阳能热水器。

按集热器原理和结构可分为平板型热水器和真空管热水器。

不管何种类型的太阳能热水器，其基本结构都是一样的， 太阳能热水器通常由集热器、绝热储水箱、连接管道、支架和控制系统组成，如图2-1所示。

1）太阳能集热器：

    太阳能集热器是太阳能热水器接收太阳能量并转换为热能的核心部件和技术关键，其造价约占太阳能热水器总造价的二分之一左右。

全玻璃管式太阳能热水器根据热介质的不同又可分为全玻璃真空管集热器和热管真空管（玻璃金属结合）集热器两种。

它们的最主要、最关键部件是真空集热管[2]。

    目前国内最普及的全玻璃真空集热管像一个拉长的暖水瓶，由两根同 

心圆玻璃管径抽成真空而成，内管外壁采用直流反应或磁控溅射镀膜工艺制备而成，沉积渐变铝-氮/铝选择性太阳吸收膜层。

全玻璃真空集热管材料、工艺和结构简单，可靠性好，集热效率高，太阳能吸收率≥90%，红外发射率≤9%，使热能的传导对流，辐射损失降至极低，具有“只进不出”的保温特效。

全玻璃真空集热管一般由玻璃内管、外管构成，内管内壁装水与保温水箱相连通，循环，内管外壁涂有选择性涂层用于吸收阳光，内管与外管之间保持一定距离，通常1cm，将内、外管之间抽成真空后熔接，集热时，当阳光透过外管照射到内管上，内管发热后，将内管内的水全部加热，利用冷热比重不同的物理原理，由管内与保温水箱内的水相互交递循环，最终将保温箱内的水加热。

2）绝热贮水箱：

    太阳能热水器水箱是贮存热水的装置，其结构、容量、保温和材料将直接影响热水器的性能和运行的质量。

贮水箱主要组成部分为水箱内胆、保温层、水箱外壳、密封圈四部分。

    水箱的种类，按外形分有方形、扁盒型、圆柱型、球形水箱；按放置方法分有立式和卧式两种；按耐压状态分有常压的开式水箱和耐压的闭式水箱；按是否有辅助热源可分为普通水箱和具有辅助热源的水箱；按换热的方式不同可分为直接换热水箱和二次换热的间接热交换水箱。

     水箱内胆生产材料的质量，对水箱的耐压、耐温、防渗漏及水质影响很大。

目前市场上出售的产品，其水箱内胆主要有0.6mm厚304-2B不锈钢，它无磁性、抗锈蚀、焊接性好，塑性好。

其它的常用材料有钢板进行防腐处理或搪瓷、镀锌钢板、防锈铝板、塑料或玻璃钢等。

水箱的热特性包括放热特性、加热特性、保温特性。

放热特性就是希望水箱内的热水都能放出来，方便利用。

加热特性是大多数水箱内的水是上部先热起来，然后下部再慢慢热起来。

保温特性指水温下降的快慢，与水箱的封密性、保温材料、环境温度、水容量大小等相关。

3）支撑架：

太阳能热水器的支撑架主要由反尾座及主撑架组成。

4）控制系统：

一台较好的太阳能热水器应具有优质安全的常规能源辅助加热即电加热。

应采用太阳能与二次能源相结合，逢阴天光照不强，电辅助加热可弥补在阴雨天及冬季阳光不足时无法供热水的不足。

    根据需要还可以采用具有水温水位显示、自动手动上下水、智能控制、温差循环、自动加热、手动加热、防冻、防干烧和故障报警等功能的全智能控制仪。

5）其它部件：

    热水器的密封圈除具有密封性好、耐高温、寿命长等性能外，还应不溶于水，否则食用后会对人体有害。

质量较好的密封圈材料选用硅橡胶，但市场上采用普通橡胶或再生橡胶的商家却大有人。

2.1.2太阳能热水器工作原理及过程

太阳辐射光原透过玻璃盖板，被太阳能热水器集热板吸收后沿肋片和管壁传递到太阳能热水器吸热管内的水。

太阳能热水器吸热管内的水吸热后温度升高，比重减小而上升，形成一个向上的动力，构成一个热虹吸系统。

随着热水的不断上移并储存在储水箱上部，同时通过下循环管不断补充温度较低的水，如此循环往复，最终太阳能热水器整箱水都升高至一定的温度。

现有的平板式太阳能热水器集热器，基本上都采用结合良好的多管组合方式，如滚压或压延方法等，其中走水管子与吸热板之间的热阻几乎可以忽略。

影响平板式集热器板芯性能的主要因素，一是结构设计，二是表面吸收涂层。

一般家用太阳能热水器通常以自然循环方式工作，没有外在的动力，设计良好的系统只要有5~6℃以上的温差就可以循环很好。

水循环管路管径及管路分布的合理性直接影响到集热器的热交换效率。

多数情况下，自然循环家用热水器系统管路中的流态都可以视为层流。

集热器内管路系统的阻力主要来自沿程阻力，局部阻力的影响要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。

当水温升高后，由于运动粘度减小，沿程阻力变小，局部阻力的影响变大。

在一定范围内，当主管管径不变时，加大支管管径，不仅沿程阻力迅速减小，而且局部阻力也将跟着减小。

一般地，支管的水力半径应在10mm以上。

当主管管径达到一定值以后，增加主管管径对减小系统阻力意义不大。

常用太阳能热水器的用水方式分为落水式和顶水式。

落水使用方式不受自来水供水影响，其缺点是使用过程中水温先低后高，掌握不好的话容易造成突然缺水的尴尬。

顶水方式则是水温先高后低，容易掌握，使用者容易适应，但是要求自来水保持供水能力。

在自来水有保证的情况下，推荐使用顶水方式。

家用太阳能热水器设计成顶水方式时，必须对水箱内部结构进行合理的设计，以保证出水均匀，避免形成水路“短路”或死角。

使用管路最好设计成可以转换成落水式的连接方式，在自来水压力不足或停水时应急用。

2.1.3太阳能热水器设计要求

1）能够根据水位和水温两个条件控制是否需要进水，每次只进整个水箱的四分之一水量，也可以在手动状态下自由进水（上满时自由停止）或停止进水。

2）控制系统具有手动和自动切换功能；

3）具有水温和水位显示功能；

4）具有进水超水位和超水温报警指示；

5）用水时若水温达不到设置值时，可手动起动加热装置，这样可在很大程度上节约电能；

6）用水时可自由调节水温；

7）控制系统具体管道排空功能，这样防止冬天时因水管内有积水而在夜间冻裂水管。

2.2可编程控制器（PLC）综述

2.2.1PLC的发展和简介

PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的，初期主要用来替代继电器控制器系统，侧重于开关量逻辑控制和顺序控制方面。

后来，随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术的发展，PLC在技术上和功能上发生了极大的变化，主要如下：

在开关量逻辑控制的基础上，增加了数值计算、闭环调节等功能；系统增加了模拟量和PID调节等特殊功能模块，实现了开关量逻辑控制、顺序控制和过程控制的完美结合；运算速度有了极大的提高。

新型PLC的CPU在性能上已经赶上了工业控制机；具有各种丰富的智能I/O模块；通信功能强大，实现了PLC之间、PLC与上位机之间以及PLC与其他智能设备间的通信，由此发展了多种局部总线和网络，也可构成集散控制系统。

PLC，是一种数字运算操作的电子系统，是在20世纪60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。

PLC自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。

长期以来，PLC在工业自动化控制而发挥着巨大作用，为各种各样的自动化控制设备提供了广泛、可靠的控制应用。

20世纪70年代大规模集成电路和微处理机出现后，正式生产出了现在模式的可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）产品。

这类产品具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、体积小、应用灵活方便、工程周期短、操作维护方便、应用领域广阔等优点。

随着集成电路和计算机技术的发展，现在己诞生了第五代PLC产品。

而从应用角度看，PLC大概经历了如下几个阶段：

1、单机就地控制，取代继电器柜，至今仍然是PLC应用的主流。

 2、数台PLC与1台PC相连，PC完成编程和在运行中作为人机界面（80年代后期）。

3、90午代，随着系统集成能力的提高，PLC提供系统通信的能力，构成可编程控制系统PCS（Programmable Control System），人机界面逐步完善，具有离散量和模拟量数据采集系统的监控能力。

4、随着近代现场