基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的毕业设计论文.docx
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基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的毕业设计论文
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基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计
摘要
本课题研究了可编程控制器（PLC）在太阳能热水器自动控制系统中的应用。
重点研究了系统的硬件构成及系统软件的设计过程。
指出了PLC设计的关键主要是能满足基本控制功能,并考虑维护的方便性、系统可扩展性等。
在本文中经研究确定出了系统的各个工序，绘制了系统的工艺流程图；进行了系统的IO分配和PLC的选型；根据系统设计要求设计绘制了系统的控制梯形图；绘制出了控制系统电气原理图和接线图等。
通过用PLC对太阳能热水器自动控制系统的改造，大大减少了系统对其它元器件的使用，使系统接线简单、检修维护方便快捷、可靠性提高，增进了系统的先进性。
关键词:
PLC；太阳能；自动控制系统；热水器
DesignofSolarWaterHeater
AutomaticControlSystemBasedonPLC
Abstract
ApplicationofPLCinsolarwaterthispaper.Thecontentofthispaperontheprocessofsystemandthesystemsoftwaredesignisemphasized.AndthekeyofPLCdesignthatistosatisfythebasiccontrolfunctionispointedout,meanwhilemaintenanceconvenienceandsystemextensionarealsoconsiderated.Thecontentofthispaperisdividedintofourparts.Inthefirstpart,theprocedureofthesystemisestablished,andthenthetreatmentflowchartisdrawedout;Inthesecondpart,TheaddressofIOisresigned.andthesuitablePLCtypeischoosed.Thethirdpart,thecontrolladderdiagramisdesignedaccordingtotherequirement;Intheend,theelectricalprinciplediagramandtheinterconnectiondiagramaredrawn.
Throughthedesignofthesolarwaterthesolarwater,rapidandeasyfaultdetectingandmaintenance,andaword,thesystembecomesmoreadvancedbecauseofmydesign.
Keywords:
PLC;solar;automaticcontrolsystem;water。
3、水箱液位控制功能。
水箱200L,液位控制在180L。
4、水箱应具备供热水、保温的基本功能。
5、报警功能。
当出现故障时，故障指示灯闪烁且报警电铃响起,操作人员可以按下“消音”按钮以解除铃响，但故障指示灯仍在闪烁；直到故障消除；故障指示灯才停止闪烁。
6、节水功能。
供水阀供水5min，停2min。
7、可实现手动自动控制切换。
2.2可编程控制器（PLC）简介
可编程控制器（PragrammableLogicController,简称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。
它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。
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。
这主要是源于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合当前自动化工业企业的需要[9]。
2.2.1PLC的发展历史
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（ProgrammableLogicController）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（ProgrammableControlSystem），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、随着近代现场总线、网络、工业PC机（IPC）、软PLC技术的发展，以及系统开放性、电控仪控一体化、管控一体化、IT技术发展的需求，新型的覆盖大、中、小系统的PCS正在形成。
2.2.2可编程序控制器的工作原理
PLC采用循环（巡回）扫描工作方式，而大、中型PLC还增加了中断工作方式。
循环扫描即可按固定顺序，也可按用户程序所规定一级顺序（高级和低级顺序）或可变顺序等进行。
因为有的用户程序不需要每扫描一次执行一次，也为的是在控制系统需要处理的IO点数较多时，通过不同的模块组合的安排，采用分时分批扫描执行的办法，可缩短循环扫描周期和控制的实时性[10]。
用户将用户程序设计、调试后，用编程器键入PLC的存储器中，并将现场的输入信号和被驱动的执行元件相应地接在输入模板的输入端和输出模板的输出端上，然后用PLC的控制开关使其处于运行工作方式，PLC就以循环扫描的工作方式进行工作。
在输入信号、用户程序的控制上，产生相应的输出信号，完成预期的控制任务。
PLC的典型的循环顺序扫描土作过程如图2－4所示。
图2－4PLC循环顺序扫描工作流程图
从图2－4中可以看出，一个典型的可编程序控制器在一个扫描周期中要完成六个扫描过程。
在系统软件的指挥下，按图2－4所示的程序流程顺序地执行，这种工作方式成为顺序扫描方式。
从扫描过程中的某个扫描过程开始，顺序扫描后又回到该过程成为一个扫描周期。
进行一个扫描周期所需的时间称为一个扫描周期时间[11]。
2.2.3可编程控制器的的特点
1、通用性强,使用方便。
由于PLC产品的系列化和模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。
当控制对象的硬件配置确定以后,就可通过修改用户程序,方便快速地适应工艺条件的变化。
2、功能性强,适应面广。
现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能,而且还具有AD和DA转换、数值运算、数据处理等功能。
因此,它既可对开关量进行控制,也可对模拟量进行控制,既可控制1台生产机械、1条生产线,也可控制1个生产过程。
PLC还具有通讯联络功能，与上位计算机构成分布式控制系统,实现遥控功能。
3、可靠性高,抗干扰能力强。
大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。
针对PLC是专为在工业环境下应用而设计的,故采取了一系列硬件和软件抗干扰措施。
硬件方面,隔离是抗干扰的主要措施之一。
PLC的输入、输出电路一般用光电耦合器来传递信号,使外部电路与CPU之间无电路联系,有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响,同时,还可以防止外部高电压窜入CPU模块滤波是抗干扰的另一主要措施,在PLC的电源电路和IO模块中,设置了多种滤波电路,对高频干扰信号有良好的抑制作用。
软件方面,设置故障检测与诊断程序。
采用以上抗干扰措施后,一般PLC平均无故障时间高达4万～5万h。
4、编程方法简单,容易掌握PLC配备有易于接受和掌握的梯形图语言。
该语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。
5、控制系统的设计、安装、调试和维修方便。
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件,控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。
PLC的用户程序大都可以在实验室模拟调试,调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场,进行联机统调。
在维修方面,PLC的故障率很低,且有完善的诊断和实现功能,一旦PLC外部的输入装置和执行机构发生故障,就可根据PLC上发光二极管或编程器上提供的信息,迅速查明原因。
若是PLC本身问题,则可更换模块,迅速排除故障,维修极为方便。
6、体积小、质量小、功耗低。
由于PLC是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品,因而结构紧凑,坚固,体积小,质量小,功耗低,而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。
因此,PLC很容易装入机械设备内部,是实现机电一体化较理想的控制设备[12]。
2.2.4PLC的分类
目前，PLC应用广泛，国内外生产厂家众多，所生产的PLC产品更是品种繁多，其型号、规格和性能各不相同。
通常，可以按照结构形式的不同及功能的差异进行大致的分类。
1、按结构形式分
按照结构形式的不同，PLC可分为整体式和模块式两种。
前者具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点，易于装在工业设备的内部，通常适于单机工作。
一般小型和超小型PLC多采用这种结构，如日本三菱FX系列的PLC。
后者配置灵活，装载和维修方便，功能易于扩展，其缺点是结构较复杂，造价也较高。
一般大、中型PLC都采用这种结构，如日本三菱公司的AN系列。
２、按功能、点数分
按功能、输入输出点数和存储器容量不同，PLC可分为小型、中型和大型三类。
小型PLC又称为低档的PLC。
这类PLC的规模较小，它的输入输出点数一般从20点到128点。
中型PLC的IO点数通常在120点至512点之间，用户程序存储器的容量为2KB-8KB。
大型PLC又称为高档的PLC，IO点数在512点以上，其中IO点数大于8192点的又称为超大型PLC，用户程序存储器容量在8KB以上。
2.2.5可编程控制器应用领域
在发达的工业国家,PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各行各业。
随着PLC性能价格比的不断提高,一些过去使用专用计算机的场合,也转向使用PLC。
PLC的应用范围在不断扩大,可归纳为如下几个方面。
1、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本最广泛的应用领域。
PLC取代继电器控制系统,实现逻辑控制。
例如：
机床电气控制，冲床、铸造机械、运输带、包装机械的控制，注塑机的控制，化工系统中各种泵和电磁阀的控制，冶金企业的高炉上料系统、轧机、连铸机、飞剪的控制，电镀生产线、啤酒灌装生产线、汽车配装线、电视机和收音机的生产线控制等。
2、运动控制
PLC可用于对直线运动或圆周运动的控制。
早期直接用开关量IO模块连接位置传感器与执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。
世界上各主要PLC厂家生产的PLC几乎都有运动控制功能。
PLC的运动控制功能广泛地用于各种机械。
例如:
金属切削机床、金属成型机械、配装机械、机器人和电梯等。
3、闭环过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。
PLC通过模拟量IO模块实现模拟量与数字量之间的AD,DA转换,并对模拟量进行闭环PID控制,可用PID子程序来实现,也可使用专用的PID模块。
PLC的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、化工、机械、冶金、电力和建材等行业。
4、数据处理
现代的PLC具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。
这些数据可以与存贮在存储器中的参考值比较,也可以用通讯功能传送到别的智能装置，或将其打印制表。
数据处理一般用在大、中型控制系统,如柔性制造系统、过程控制系统等。
5、机器人控制
机器人作为工业过程自动生产线中的重要设备，已成为未来工业生产自动化的3大支柱之一。
现在许多机器人制造公司，选用PLC作为机器人控制器来控制各种机械动作。
随着PLC体积进一步缩小，功能进一步增强，PLC在机器人控制中的应用必将更加普遍。
6、通讯联网
PLC的通讯包括PLC之间的通讯、PLC与上位计算机和其他智能设备之间的通讯。
PLC和计算机具有接口，用双绞线、同轴电缆或光缆将其联成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。
目前PLC与PLC的通讯网络是各厂家专用的。
PLC与计算机之间的通讯，一些PLC生产厂家采用工业标准总线,并向标准通讯协议靠拢[13]。
第三章热水器控制系统的设计方案
太阳能本身是一个不断变化、而影响其变化的因素又较多、极其复杂的非线性变量，太阳热水系统工程是一个非线性系统，很难建立精确的数学模型，因此采用传统的控制方法难以得到较佳的控制效果。
而模糊控制是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制方法。
这种控制方法是一种智能的、非线性的控制方法，对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得较满意的控制效果，解决一些用传统控制方法无法解决的问题。
太阳能热水器控制器采用PID控制算法，这种算法对固定参数的线性定常系统是非常有效的。
通过调整PID控制器的参数，一般都能得到比较满意的控制效果。
3.1系统硬件的设计方案
根据控制系统要求,首先确定PLC的控制规模,估算出所需要的IO点数（数字输入输出量、模拟输入输出量）,再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能，保证系统投入运行后能够替换个别故障点或弥补遗漏的点数。
统计出IO总点数后即可以确定PLC的控制规模从而确定存储器（用于存储用户程序和数据）的容量。
存储器容量除了根据PLC的控制规模确定。
也可以按照如下方法计算，再增加25%～30%的备用量，以便随时增加用户程序。
一种方法是根据编程实际使用的节点数计算，即编完程序之后，根据节点数计算出实际使用容量。
另一种方法是估算法，只有开关量时，所需内存总数=开关量（输入输出）总数×10；只有模拟量输入时,所需内存总数=模拟量路数×120在模拟量输入、输出同时存在时，所需内存总数=模拟量路数×250；同时,应考虑PLC提供的内部继电器和寄存器的数量,以便节省资源[14]。
3.1.1PLC的选型
因为本系统是对开关量控制的应用系统,并对控制速度要求不高,选用核心部件为三菱公司的FX_2n-32MR-ESUL系列32点编程控制器,该编程控制器具有自诊断功能,采用循环扫描工作方式,这完全能满足要求。
FX_2n-32MR-ESU属微型编程控制器、输入输出控制方式为循环扫描方式、编程语言为梯形图语言、32点的编程控制器具有16点输入,16点输出。
考虑到该PLC所需的输入、输出点数及类型，选用三菱FX_2n-32MR-ESUL可编程控制器作为该系统的核心，它含有16个输入点（漏型）和16个输出点（继电器型），足够设计所用[15]。
①FX_2n-32MR-ESUL简介
FX_2n-32MR-ESUL属于FX2N系列PLC，FX2N系列PLC是FX系列中高级的模块。
它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入、输出的多种应用的选择方案。
②FX_2n-32MR-ESUL的特点
FX_2n-32MR-ESUL属于FX2N系列PLC，FX2N系列PLC是FX系列中最高级的模块。
它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入、输出的多种应用的选择方案。
3.1.2PLC硬件控制框图
上位机采用PC机，下位机选用日本三菱公司的FX2n系列的32点可编程控制器，实现对太阳能热水器的控制，完成太阳能热水器的温度、液位等控制功能。
为提高系统的安全性，需要有报警点输入并且用声光信号显示故障类型，同时发出警报提醒值班人员及时处理事故。
当故障出现时，故障指示灯闪烁且报警电铃响起，操作人员可以按下“消音”按钮以解除铃响，但故障指示灯仍在闪烁，直到故障消除，故障指示灯才停止闪烁。
系统控制框图如图3—1。
图3—1系统控制框图
3.1.3各单元功能作用介绍
1、电机类型的选择
电机类型选择的原则如下：
对于有特定要求的工作机械，应优先选择专用电机。
如可工作于高湿度，有盐雾、霉菌、凝露等环境的船用电动机；有较高的效率及节能指标的纺织电动机；有作为激振动力源，如用于粮食加工机械或振动筛、振动输送机的振动异步电动机；在化工、橡胶、纺织、造纸等工业中有时要求软机械特性和宽调速范围的电动机，当负载增加时电动机的出轴转速随之降低而输出力矩增加，保持与负载平衡，并允许较长时间堵转的三相力矩电动机等。
对于一般生产机械，在满足生产机械要求的前提下，优先选用结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便的电动机。
从一般要求看，交流电动机优于直流电动机，交流异步电动机优于交流同步电动机，鼠笼式异步电动机优于绕线式异步电动机。
对于连续运行，负载平稳，对起动制动没有特殊要求的生产机械，应优先采用普通鼠笼异步电动机，它广泛用于各种机床、水泵和风机等。
大中功率的空压机和皮带输送机等生产机械要求有较大的起动转矩，应采用深槽式或双鼠笼式异步电动机[17]。
由于太阳能热水器属于连续运行，负载平稳，对起动制动没特殊要求，综合各方面考虑，本系统微型电机选用Y系列三相异步电动机。
电压为220V。
频率为50HZ。
功率为10w。
2、交流接触器的选择
本系统选用正泰公司生产的CJX1系列交流接触器，该接触器为双断点触头的直动式运动结构，动作机构灵活，手动检察方便，结构紧凑。
触头，磁系统采用封闭结构，能提高寿命。
接线端均有防护罩覆盖，使用安全可靠。
安装可用螺钉紧固，也可扣装在35毫米的安装轨上，装卸方便。
CJX1系列交流接触器适用于交流50Hz（或60Hz），额定电压至660V，在AC-3使用类别下工作电压为380V，供远距离和分断电路及频繁起动和控制交流电动机，并可与适合的热继电器组成电磁起动器，以保护可能发生操作过负荷电路。
3、热继电器的选择
本系统所用的热继电器为正泰公司生产的NR4（JRS2）系列，NR4（JRS2）系列热过载继电器适用于交流50Hz60Hz、额定电压690V、1000V，电流0.1-180A的长期工作或间断长期工作的交流电动机的过载与断相保护。
该热继电器具有断相保护、温度补偿、动作指示、自动与手动复位，该产品动作可靠。
另外，该产品符合：
GB14048.4、GB14048.5、IEC等标准，可靠性较高。
该热继电器可与CJX1系列交流接触器接插安装，其实物图如图3－2示[18]。
图3－2NR4（JRS2）系列热过载继电器
4、电磁阀的选择
电磁阀选用SSFK-C024型电磁阀，原产地:
浙江宋氏阀控，该产品主要用于太阳能热水器等洁具类，工作电压适用范围广、交直流3-220V，使用可靠，完全可以达到使用要求，供水阀、排水阀、除尘阀实物图分别如图所示。
图3－3供水阀图3－4排水阀图3－5除尘阀
5、发光指示灯的选择
指示灯选用两色二极管指示灯，当机器运行时，指示灯显示绿色，机器通电不运行时，指示灯显示红色，要求指示灯质量可靠，根据要求，选用TLL0501－HMC型指示灯。
6、隔离变压器的选择
本生产线选用BK－100型号隔离变压器，该隔离变压器变比1：
1，电压220VAC。
7、水箱的选择
水箱的选用要根据情况来确定。
水箱是热水器重要组成部分。
它包括循环水箱和补给水箱，循环水箱与集热器上下水管相连，供热水循环之用。
补给水箱只与循环水箱相通，当循环水箱水位低时，以补给冷水之用。
1）循环水箱
循环水箱容量大小是根据热水器装置日产热水量而定。
为了便于加工提高经济性和通用性，循环水箱已标准化。
目前循环水箱以容积分为500升和1000升二种，外形均为方形。
容积500升的水箱外形尺寸为:
778X778X880毫米。
容积1000升的水箱外形尺寸为:
8X928X1300毫米。
循环水箱的上部均装有涨水管及透气孔，其位置稍高于水位。
溢水管和透气孔制成一体，它的作用是保持最高水位平面，同时让水中空气由此处排出，避免带入管道系统，以致造成气阻损失。
循环水箱的下部均装有冷水进水挡板。
这样冷水进入循环水箱时，通过挡板使之扩散流入不致将箱内上部热水搅混。
500升与1000升循环水箱，结构基本相同，后者增加一些肋条和拉条，以增强水箱的强度和则度。
2）补给水箱
补给水箱是供给冷水的水箱。
自来水不是直接进入循环。
水箱，而是通过补给水箱来补给。
这样做的优点是可使冷水和热水隔开，保持循环水箱中的热水水温稳定。
补给水箱不宜太大，宜狭而长。
补给水箱内需安装浮球，以保持最高水位。
通用设计中最常用的一种补给水箱结构。
它的外形为350X830X400毫米，其长度是高度的2倍多。
8、传感器的选型
通过各种高性能传感器对气候环境进行测量及数据采集，并将测量结果通过接口送至PLC中，PLC根据控制要求对整个太阳能热水器进行综合控制。
由于系统对环境的采样值都是传感器输出的模拟信号，而且传感器与PLC的距离也比较远，所以在传感器的选择上都采用了4--20mA电流输出型，从而减小传输过程中的干扰，保证采样值的准确性与可靠性。
温度误差可以在电路上或软件上采取补偿措施，不同的补偿方法，其整体温度系数差异较大，但仍与元件本身的温度特性有关，一般将敏感元件和电路的温度系数合在一起考虑。
一般的温度传感器基点漂移较其它的气象传感器都要显著，热敏电阻属于吸附元件，在测量过程中必然会受到污染，由污染引起的测量基点漂移，只能用重新检定的方法加以修正解决。
若污染严重，基点漂移量过大，又不能再生，只能将传感器作报废处理[19]。
温度传感器技术指标:
1）温度范围：
-0℃~70℃（可根据用户要求扩展）
2）湿度范围：
10%RH--99%RH
4）温度误差：
一般士0.2℃、最大士0.5℃
5）数据分辨率：
0.1
7）数据线：
3类双绞线
8）数据传输距离小于1200m
根据硬件的选择情况，绘制表3－1
表3－1原理总图的元器件目录表
序号
代号
名称
数量
规格型号
备注
0
PLC
可编程控制器
1
FX_2n-32MR-ESUL
继电器输出型
1
HL--HL3
指示灯
4
AD16-22G
LED显示,220V
2
KM1-KM2
交流接触器
2
DJX-9
线圈电压：
220V
3
SB1-SB5
按钮
5
LAY37
绿色
4
SB
启动按钮
1
LAY37
绿色
5
S
自动手动开关
1
SR26
封闭式
6
SL1-SL2
温度检测开关
2
TH22
接通与断开的最小温差1.1℃
7
TC
隔离变压器
1
BK-100
电压：
220V
8
FU1-FU8
熔断器
8
RL1-15
熔体2-10A
9
升级会员 