基于PLC的太阳能热水器自动控制系统设计.docx

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基于PLC的太阳能热水器自动控制系统设计

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基于PLC的太阳能热水器自动控制系统设计

DesignofSolarWaterHeaterAutomaticControlSystemBasedonPLC

学院：

电气工程学院

专业班级：

自动化1005班

学号：

100302516

学生姓名：

魏天野

指导教师：

白山（教授级高工）

2014年6月

摘要

现在，城市居民绝大部分都使用了太阳能热水器，农村也有相当一部分人使用。

太阳能热水器在技术上比较成熟、造价比较低廉，同时由于给人民提供绝对安全的热水而受到人们的欢迎，且具有节能、环保、安全、便利、长久等优点，所以它的应用会越来越广。

因此，研究和开发先进的太阳能热水器控制系统变得越来越重要。

本设计阐述了可编程控制器（PLC）在太阳能热水器控制系统中的应用,重点研究了系统的硬件构成及软件的设计过程。

指出了PLC设计的关键是能满足基本的控制功能,并考虑维护的方便性、系统可扩展性等。

本设计利用西门子S7-200PLC，进行了太阳能热水器自动控制系统的I/O分配和PLC选型，编写了PLC程序梯形图和接线图，实现了自动上水排水、自动循环、自动加热、PID闭环控制恒温出水、手动与自动模式切换等功能。

并在此基础上，利用S7-200的仿真软件对系统进行了仿真，利用WinCCFlexible软件组态了人机界面，使用MPI通信协议实现了PLC与触摸屏的通信连接。

把可编程控制器PLC作为太阳能热水器的控制系统，增加了系统的方便性与可靠性，减少了其它元器件的使用。

它使系统接线简单，检修维护方便快捷，增进了系统的先进性。

论文分为四章：

第一章介绍了太阳能热水器发展背景及设计意义；第二章介绍了太阳能热水器的工作原理；第三章介绍了硬件选型及系统流程；第四章介绍了系统程序的编写、系统的仿真、人机界面（WinCCFlexible）组态过程。

关键词：

太阳能热水器；PLC；自动控制系统

Abstract

Now,vastmajorityofurbanresidentsusesolarwaterheaters,sodoaconsiderablenumberofruralpeople.Solarwaterheatersaretechnicallymoremature,relativelylowcost.Meanwhile,sinceitprovideabsolutesecuritytothepeopleofhotandpeoplearewelcome,andithassomeadvantagesofenergysaving,environmentalprotection,safety,convenience,long,etc.Soitwillbewidelyapplied.Therefore,theresearchanddevelopmentofcontrollingsystemofadvancedsolarwaterheaterarebecomingincreasinglyimportant.

ThisdesignexpoundstheapplicationofPLCinsolarwaterheaterautomaticcontrollingsystem,especiallythedesigningprocessofhardwareandsoftwareofthesystem.Furthermore,theprojectshowsthatthekeyofPLCdesigningistosatisfythebasiccontrollingfunction,consideringtheconvenienceofmaintenanceandscalability.Inthisdesign,theaddressofI/OisresignedandthesuitablePLCischosen.Theelectricalprinciplediagramandtheinterconnectiondiagramaredrawn,accordingtotherequirement.Automaticwaterdrainage,automaticcycle,automaticheating,PIDloopcontroltemperaturewater,manualandautomaticmodeswitchingfunctionhavebeenrealized.Andonthisbasis,thesystemwassimulatedusingthesimulationsoftwareforS7-200,producedaman-machineinterfacebyusingWinCCFlexiblesoftware.Asthecontrollingsystemofsolarwaterheater,PLCgreatlyreducesthenumberofothercomponents.Moreover,ithasthefeaturesuchassimpleinterconnection,rapidandeasyfaultdetectingandmaintenance,andadvancementofthesystem.

Thepaperisdividedintofourchapters:

thefirstchapterdescribesthebackgroundofthedevelopmentanddesignofsolarwaterheaterssignificance;Secondchapterdescribestheworkingprincipleofsolarwaterheaters;Thirdchapterdescribesthehardwareselectionandsystemprocesses;Thefourthchapterdescribestheproceduresforthepreparationofthesystem,systemsimulation,HMI（WinCCFlexible）configurationprocess.

Keywords:

Solarwaterheater;PLC;Automaticcontrolsystem

第1章绪论

1.1课题研究的背景

太阳能（SolarEnergy），一般是指太阳光的辐射能量，太阳能是一种可再生能源，广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，生物质能，潮汐能、水的势能等等。

太阳能利用的基本方式可分为光—热利用、光—电利用、光—化学利用、光—生物利用四类。

在四类太阳能利用方式中，光—热转换的技术最成熟，产品也最多，成本相对较低。

如：

太阳能热水器、开水器、干燥器、太阳灶、太阳能温室、太阳房、太阳能海水淡化装置以及太阳能采暖和制冷器等[1]。

太阳能光热发电比光伏发电的太阳能转化效率较高，但应用还不普遍。

在光热转换中，当前应用范围最广、技术最成熟、经济性最好的是太阳能热水器的应用。

当今世界能源问题已经成为一个普遍性的问题，能源关乎着国家的安全，谁掌握了世界上的能源谁就掌握了国际事务的话语权，谁就有了国家经济发展的基础，谁就有了同其他国家相抗衡的资本。

但是传统能源已经被消耗殆尽，为了国家未来的发展，世界各国都在开发新能源，太阳能作为一种既清洁又取之不尽的资源已得到了越来越多的应用。

众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。

随着世界上煤、石油、天然气储量的日益减少，能源危机也日益严重，与此同时环境污染的危机也不断的威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题也提到了人类的面前。

有人预测：

二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源[2]。

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，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池），因而尚未被人们大规模的使用。

太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉，同时由于给人民提供绝对安全的热水而受到人们的欢迎，且具有节能、环保、安全、便利、长久等优点，因此它的应用会越来越广。

尤其在农村地区具有很大的现实意义：

中国四分之三的人口居住在农村，目前仍有约2万个村庄，800多万个农户，3000多万人口没有电力供应。

而农村60%左右的村民仍然依靠燃料秸秆、薪柴为主做饭和烧水，它不仅造成空气污染，而且还严重破坏植被，威胁生态环境。

随着化石能源的逐步枯竭，煤炭、石油和电力一直涨价，且能源供应日趋紧张。

太阳能无污染、无运输、无垄断、“取之不尽、用之不竭”，是最有发展前途的可再生能源。

在社会主义新农村建设中大力推广应用太阳能，不仅能够解决农村的基本能源消费问题，促进可再生能源的高效利用，实现农村生产发展、生活宽裕的双重目标，还有利于乡风文明和村容整洁，促进社会主义精神文明发展[3]。

图1-1太阳能热水器

1.2国内外研究现状简述

在世界范围内，世界上第一台太阳能热水器在100多年前诞生于美国，它是一种闷晒式热水器[4]。

到目前为止国外太阳能热水器的发展主要经历了以下几个阶段:

第一代，这是一种非常简易的利用，用铁皮桶放在楼顶，外表面刷上黑色油漆以增强对阳光的吸收；

第二代，平板式太阳能热水器，采用中心铜管加两翼铝或者铝铜合金作为吸热体，前期翼片刷油漆，后期采用对阳光具有选择性吸收的氮化铝/铝等涂层。

现今，绝大多数的涂层太阳光吸收比可达0.90以上，优质的平板式太阳能一般应具备以下几个特点：

铜管加铝翼吸热体、低铁盖板玻璃、良好的密封、采用选择性磁控溅射涂层等；

第三代，真空管式太阳能热水器，平板式太阳能采用铝等边框加玻璃盖板对吸热体进行围护，在寒冷的冬季，热散发很大，基本没有热水可用，真空管式太阳能热水器可以良好地解决这个问题，采用双层高硼硅玻璃管（类似水瓶胆原理）作为吸热体,成功解决了平板太阳能热水的散热问题；

第四代，超导热管式太阳能热水器，玻璃真空管式太阳能热水器在夏季水温高，一般购买太阳能热水器以冬季新产热进行选购，夏季热水用不完，自来水在75℃易结水垢，很多太阳能热水器在夏季就像是一台开水器，二三年下来，在管壁就结上一层水垢，阻碍了对阳光的吸收，大大降低太阳能热水器的水温，超导热管式太阳能热水器采用真空管加超导铜管和铝片作为热的传导体，水不直接流经真空管，从而使真空管的性能基本恒定，但采用较多的铜材，价格相对较高。

现在太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场[5]。

目前其产品的发展方向仍注重提高集热器的效率，如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层，以减少热量损失，聚脂薄膜的透明蜂窝已在德国和以色列批量生产。

1.3太阳能热水器市场分析

随着城市化进程的不断加快，带来了新型工业化的发展，也带来了新的建筑能源供应的需要。

预计到2020年，中国的每个城镇竣工面积将继续保持在十亿平方米左右，15年间新增城镇民用建筑面积总量将为150亿平方米，加上现有建筑面积总面积将达到280亿平方米以上，建筑的能源消耗大幅增加，不可避免[6]。

中国庞大的人口