PLC太阳能热水器自动控制系统设计 流程图 仿真图Word文件下载.docx

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太阳能热水器；

自动控制系统TheDesignofSolarWaterHeaterControlSystemBasedonPLCAbstract:

Thisstudyistheapplicationoftheprogrammablecontrollerinthecontrolsystemofsolarwaterheaters.DiscussAsolarwaterheatercontrolsystemhardwareconfigurationandsoftwaredesign.Proposedanimportantindicatoroftheprogrammablecontrollerdesignistomeetthevariousfunctionsofautomaticcontrol.Andtakingintoaccountthefeasibilityofsolarwaterheaters,hardwaremaintenance,softwaresystemscanbecontrolled.Solarwaterheaters,drawaprocessflowdiagramofthepresentsystem,theselectionoftheI/Opointisassignedandhardware;

drawsolarwaterheateraccordingtothedesignrequirementsofthecorrespondingladder.Completedthedesignoftheautomaticcotrolsystemofsolarwaterheater.Keywords:

PLC;

Solarwaterheaters;

Automaticcontrolsystem目录摘要1引言11.绪论21.1本课题研究的目的和意义21.2国内研究现状21.3研究的内容22.全玻璃真空管式太阳能热水器的概述32.1太阳能热水器系统功能简介31.2国内研究现状我国太阳能热水器产业发展迅速，已成为世界上最大的热水器生产国，但与太阳能热水器配套的PLC却一直处于开发阶段，特别是与太阳能热水器控制系统相关的控制器，至今还未发展成熟。

近几年来，电子市场上陆续出现了太阳能热水器控制器，但很多控制器存在着不稳定性，容易产生操作不当；

温度、水位、控制误差比较大；

显示器出现乱码；

与电辅助加热装置配合不好；

太阳能的利用率很低等问题，影响了大部分用户的使用。

还有些控制器质量很差，经常出现问题，给用户带来不利，而影响到太阳热水器的推广，太阳热水系统及其控制器有着不错空间，但现有的科学研究和产品投入比较少，因此，太阳热水控制系统的测试应引起足够的关注，加大投入研究高质量、性能比较好的热水器产品。

1.3本课题研究的内容本课题的主要内容是用可编程控制器控制的太阳能热水器自动控制系统[2]，实现太阳能热水器控制系统自动化控制，使其满足人们实际各种控制的需要、使大部分的工作免于人参与、使控制系统更加稳定。

具体的工作从以下方面展开：

（1）确定控制系统的各种工序，绘制控制系统的流程图。

（2）可编程控制器的选型及I/O点的分配。

（3）设计、绘制梯形图程序，满足各控制指标的要求。

（4）绘制电气原理图、外部接线图等。

（5）依据设计的要求调试系统。

2.全玻璃真空管式太阳能热水器的概述2.1太阳能热水器系统功能简介2.1.1太阳能热水器的基本构成太阳能硬件接口图如图1所示：

图1热水器的基本结构其中1.储水箱2.水箱外壳

（2）水箱加热控制假如没有光照或者光照不强时，夜晚我们还能洗上37℃的热水澡，因为这个热水器还有另外一个系统。

热水箱的温度为T1，将它和初始值N相比，控制是否需要打开电加热。

具体过程如下：

若Tl&

lt;

N时，电加热开始接通；

否则，电加热就断开。

最后热水箱的温度加热到初始值N，因此晚上也能正常使用。

2.2太阳能热水器的工作原理和工作过程2.2.1太阳能热水器的组成太阳能的组成分为三个部分：

保温水箱、连接管道、集热器[4]。

保温水箱：

同单纯的电热水器的保温水箱相似，是储存热水的器具。

由于太阳能热水器的工作时间只限于白天，但是我们一般在夜晚才使用热水，因此必须通过保温水箱把热水器在白天加热的热水先存储起来。

容积是每天晚上可以用的热水量。

使用搪瓷内胆承压保温水箱，对水温的保持效果非常好，抗腐蚀，水质清洁，使用的寿命比较长。

集热器：

系统中的集热元件。

其功能相当于电热水器中的电热管。

和电热水器、燃气热水器不相同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在有太阳照射的白昼。

连接管道：

将热水从集热器送到保温水箱，将温度低的水从保温水箱输送到集热器的通道，使系统形成一个闭合的回路。

合理的设计、正确连接的循环管道对太阳能系统是否能达到预期效果至关重要。

热水管道一定要做保温处理。

管道的材料必须有很高的质量，保证有20年以上的使用时间。

2.2.2太阳能热水器的工作原理阳光穿过吸热管的第一层玻璃照到第二层玻璃的黑色吸热层上，将太阳光能的热量吸收[5]。

由于两层玻璃之间是真空隔热的，热量不能向外传，只能传给玻璃管里面的水，使玻璃管内的水加热，加热的水变轻沿着玻璃管受热面往上进入保温储水桶，桶内温度相对较低的水沿着玻璃管背光面进入玻璃管补充，如此不断循环，使保温储水桶内的水不断加热，从而达到热水的目的。

电源：

可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个性能良好可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和要求都十分关心。

一般交流电压的波动范围在-10%到+10%内，可以不使用其他方法而将可编程控制器直接连接到交流电网上去。

中央处理单元：

中央处理单元是可编程逻辑控制器的控制枢纽。

它按照可编程逻辑控制器系统程序设计的功能接收并存储从编程器键入的程序和数据；

检查电源、储存器、I/O接口以及警戒定时器的工作状态，并能诊断出程序中的语法错误和其他错误。

当可编程逻辑控制器开始运行时，首先它以扫描的工作方式接收现场的各个输入装置的状态和数据，然后分别存入I/O映象区，从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统不会受到很大的影响。

存储器：

系统程序存储器存放系统软件，用户程序存储器存放应用软件。

输入输出接口电路：

（1）现场输入接口电路由光耦合电路和计算机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入窗口；

（2）现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用是可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出对应的控制信号。

（3）能适应各种恶劣的外围环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。

4.太阳能热水器的设计方案太阳能是一个一直变化、而且影响其变化的因素很多、非常复杂的非线性变量，太阳热水系统工程是一个典型的非线性系统，很难建立精确的数学模型，所以采用一般的控制方法很难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思路。

这种控制思路是一种智能的、非线性的控制方法，对那些无法取得精确的数学模型的系统可以取得较满意的控制效果，解决一些用一般控制方法无法解决的难题。

太阳能热水器控制系统采用PID控制算法，这种算法对一般固定参数的线性定常系统效果是非常理想的。

通过调整PID控制器的参数，都能得到比较满意的控制效果[6]。

4.1系统硬件的设计方案根据控制系统的要求，首先确定可编程控制器的控制规模，估计出所需要的I/O点数（数字输入/输出量、模拟输入/输出量），再添加10%～20%的余量，以便可以随时增加其他功能，保证系统正式投入运行后能够替换一些故障点或弥补遗漏的点数。

计算出I/O总点数后就可以确定可编程控制器的控制规模从而确定存储器的容量。

4.1.1PLC的选型因为本系统是对开关量控制的控制系统，并对控制速度需求不高，选用核心部件为西门子S7-200系列32点可编程控制器，该编程控制器具有自诊断功能，工作方式采用循环扫描，完全能满足控制的要求。

西门子S7-200系列可编程控制器控制方式为循环扫描方式，程序为梯形图，32点的PLC包括16个输入接口、16点输出接口。

考虑到该可编程控制器所需的输入、输出点数及类型，选用西门子S7-200系列可编程控制器作为该系统的主体，可以完成本次设计。

（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（以下简称热继电器）适用于交流50Hz/60Hz、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。

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，与CJX1系列的交流接触器配合效果很好[7]。

（4）电磁阀的选择电磁阀选用SSFK-C024型电磁阀。

该电磁阀主要就是应用在太阳能热水器上。

（5）发光指示灯的选用指示灯选用普通的两色二极管，当机器正常工作时，显示绿灯；

当机器通电但是不工作时显示红灯。

本设计需要二极管工作稳定，质量可靠。

所以选用TLL0501-HMC型号的指示灯。

（6）水箱的选用水箱的选用要根据实际情况来确定。

水箱是热水器硬件组成中的非常重要的一部分。

它包括循环水箱和补给水箱，循环水箱与集热器的上下水管连接，使热水在循环水箱和集热器的水管循环流动。

补给水箱只与循环水箱相通，当循环水箱水位比较低时，给循环水箱补给冷水。

（7）传感器的选型通过各种传感器对环境天气进行测量和数据的采集，并将数据传送到可编程控制器中，可编程控制器根据要求对热水器进行全面控制，因为对环境的检测值都是模拟信号，传感器和控制器也有一段距离，所以本设计选用4~20mA的传感器，减小传输过程的误差，保障数据的准确性。

温度误差可以在电路本身或者软件上补偿，常见的温度传感器的基点漂移要比气象专用的传感器要明显，热敏电阻属于吸附性元器件，在测量的过程中肯定会受到污染，由于污染带来的基点漂移，只能重新测量加以修正。

1）温度范围：

0℃~70℃（可根据用户要求扩展）2）湿度范围：

10%/RH~99%RH7TC隔离变压器1BK-100电压：

220V8FU1-FU8熔断器8RL1-15熔体2-10A9FR热继电器2JR16-20/3参照电机电流10M微型电动机1YYHS－45电压220V频率50HZ11YA报警器1SWP-X100交流220V12YV2排水阀1SSFK-C014交流12-220V13YV1供水阀1SSFK-C024交直流3-220V14YC除尘阀1SSFK-C017交流220V4.1.5PLC的端口分配本次设计共有七个输入端口，PLC一