基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计Word格式.docx

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PLC;

Solar;

Inverter;

Waterheater;

automaticcontrolsystem

第一章绪论

随着实用型单晶硅电池和选择性太阳吸收涂层的研制成功，以及常规能源供给的有限性和环保压力的增加，开发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容。

太阳能是可再生能源，环保无污染。

在科学飞速发展的今天，太阳能已经应用到了很多领域，比如先端科技的卫星，美国将太阳能融入智能电网，还有如今最为普遍的太阳能热水器。

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。

当然用太阳能解决我们热水问题是最好的。

用太阳能解决我国家庭热水是最有希望的、最有效可行的途径。

太阳能光热应用市场前景广阔，除家庭用热水外，还可用于工业热水、采暖、空调、干燥、农业种植、水产养殖、海水淡化等领域。

从发展角度看，城市家庭生活热水的供给不应由业主考虑，而应与建筑设计开发同时进行。

在此基础上设计出了全玻璃真空管式热水器的自动控制系统。

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。

目前市场上出现的国内外生产的PLC已有300多种，而且功能也日趋完善。

但是其主要参数仍有较大的差别，例如I／O点数、存储器容量、扫描速度、指令数、编程语言、模拟量I／O模块及智能模块、通信功能等却各不相同，适用场合也各有侧重。

因此，合理地选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用起着重要作用。

所以，我们的目标是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。

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。

第二章太阳能热水器的综述

2.1太阳能热水器的介绍

2.1.1概述

我国太阳能历史可追溯到1958年，天津大学有12.6平米的太阳能浴室。

到1973年世界能源危机，寻求可再生能源，我国在上世纪70年代末起，加大研发与生产太阳能集热器。

1979年前后我国有些单位迎头研发全玻璃真空管集热器。

清华大学运用电真空物理的背景，坚持了下来。

结构就是一个拉长的暖棚，只不过在内玻璃管上有一层选择性吸收涂层。

清华大学的发明专利就是铝—氮/铝太阳选择性吸收涂层，在世界上开创用单个铝阴极通过磁控溅射制备红外低发射率低层、铝—氮化铝吸收太阳光的陶瓷薄膜和淡化铝减反膜三个部分。

使用真空管的集热器可在严寒、低太阳辐射下利用，很适合多种气候。

这是一个选择性吸收涂层的结构，吸收层每层只有10到30个纳米，低发射层是到150纳米。

太阳能热利用产业的发展。

在突破了太阳选择性吸收涂层的核心技术，通过产学研结合，生产性能价格比较好的介质。

2001年到2006年太阳能热利用产业快速发展。

2006年销售额近300亿元，提供就业机会60多万个。

中国太阳热水器2005年安装量为世界的77%。

真空管型约占世界总产量的90%以上，硼硅玻璃3.3年产量约占世界70%，吸气剂约占世界95%以上，年约1.9亿支真空集热管用，年约0.9亿支显像管用。

大量显像管都在中国生产，吸气剂也在中国生产。

这三个方面我们已经走在前面。

形成配套的产业链。

3.3的玻璃30万吨其中用于真空管有28万吨。

真空管镀膜生产线1000条及配套设备，生产能力为2亿支，装配约2000万平方米太阳能热水器，还有配套设备。

一些骨干企业做了技术改造，提高了企业的装备水平和条件。

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，技术还有尚须改进，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中试转化为生产力——形成自行设计和配套的集热管生产线是科技攻关的最杰出的成果。

2007年，中国太阳能热水器产量的增长速度约为30%，年产量达2340万㎡（16380MWth），总保有量约为10800万㎡（75600MWth）（太阳能热水器寿命按10年计算，1997年前的保有量作废）。

2007年，太阳能热水器市场销售额约为320亿元人民币，产值亿元人民币以上的企业有20多家；

2007年，太阳能热水器的出口额增长约为28%，6500万美元左右，产品出口欧洲、美洲、非洲、东南亚等50多个国家和地区。

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，除桑乐、皇明、清华阳光、华扬、太阳雨、力诺瑞特等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越来越强烈，中国太阳能热水器市场潜力巨大。

随着人们环保意识的不断加强，越来越多的消费者倾向于选择太阳能热水器，但很多人对使用这种产品又不是很了解。

在这里，我们将太阳能热水器、电热水器和燃气热水器的性能作一个粗略的比较。

一、热水产量方面

燃气热水器有5升、7升、8升等不同的型号，是指在1分钟内将水温升高25℃时所产的热水量，如果自来水的温度为25℃，则每分钟可产50℃的热水5升、7升或8升。

电热水器的标注则是30升、60升、90升等等，这是指电热水器的容水量，相当于我们在电炉子上加一个水壶，这个水壶的盛水量是30升、60升、90升。

拿一个8升的燃气热水器与一个40升的电热水器相比较，8升的燃气热水器可连续不断地产生每分钟8升的热水，而电热水器需要间隔半小时加热一罐水。

如果这一罐水用完，还要等半小时左右。

太阳能热水器按照年平均气温15.7℃、年日照时数2014小时、太阳总辐射总量年均为111.59千卡/平方米计算，如果集热面积为2平方米，年吸收太阳辐射能量为9.37×

106千焦，按把水温升高35℃计算（基础水温10℃），全年可提供生活用热水（45℃）53.5吨，每人每次洗澡用热水约需50公斤，则全年可洗1070人次，平均每天可洗2.93人次。

二、加热速度方面

目前生产的燃气热水器大多为快速热水器，不论什么时候，只要想用热水，打开燃气阀和水龙头，热水就会流出来。

而电热水器需要预先通电半小时左右，才能开始使用。

太阳能热水器在天气晴朗的时候使用更好，最理想的楼层在六至八层。

三、温度稳定性方面

燃气热水器由于是快速加热，并有调整温度装置，只要在使用开始时调到人体感觉舒适的温度，而后就会一直保持在这一温度恒定地供应热水。

电热水器在使用时需要另外接一根冷水管兑入冷水，当罐内水不断流出，冷水不断加入时，水温就会逐渐下降，直到全部是冷水。

所以在使用时，需要不停地去调整冷热水的比例。

太阳能热水器使用起来暂时还不大方便，要上水，且不能保证时时有热水。

四、功率方面

燃气热水器的功率要比电热水器大很多，拿一个8升的燃气热水器和40升的电热水器相比较，8升燃气热水器的功率相当于16-17千瓦，而40升的电热水器一般为3千瓦，这也是为什么燃气热水器可连续供应热水的缘故。

那么，电热水器是否也可做成16千瓦的呢？

这是不可能的，因为家用电表、电线都无法承受。

五、价格方面

8升的燃气热水器价格一般在800元以上，再加上安装费，大约在1000元以上，有的甚至接近2000元。

电热水器现在都在500元以上，加上安装费用，一般不到1000元。

太阳能热水器的价格都在3000元以上。

使用费用方面，目前天然气每立方米为1.7元，每度电为0.44元，而太阳能热水器仅耗水费。

假设太阳能热水器和电热水器的使用寿命都是10年，在使用成本方面，电热水器就算省着用，一天一罐水，一年要600元左右的电费，太阳能热水器一年估计40多天要用电，算100元电费，十年省5000元左右。

购买成本方面，电热水器1000多的就不错了，而买太阳能热水器比电热水器要贵不少，比较好的产品150立升全套下来要在4000元左右，比电的贵3000元左右。

综合考虑购买成本和使用成本，使用太阳能热水器10年省2000元左右。

六、安全性方面

燃气热水器的优点是加热快、出水量大、温度稳定、结水垢少、占地小、不受水量控制。

缺点是使用时要排出大量的废气，废气中除了二氧化碳以外，还有一氧化碳，如果使用时关闭门窗，通风不良，一氧化碳会增加，严重时会发生中毒事故，但如果能正确地了解这一点，使用时注意，也是很安全的；

另外，燃气热水器启动水压高，有些住高层的用户如果不装增压泵就无法起动；

安装不方便，要在墙上打洞、安排气扇等。

电热水器的优点是能适应任何天气变化，普通家庭可直接安装使用，长时间通电可以大流量供热水；

使用时不产生废气，所以从这一点上讲是既安全又卫生，目前市场上销售的电热水器多数还带有防触电装置。

缺点是体积大、占用室内空间大、易结水垢、对电能浪费大，最新型的电热水器内置了阳极镁棒除垢装置，解决了产品容易结垢的问题，但阳极镁棒须两年更换一次，给保养带来了麻烦。

太阳能热水器的优点是安全、节能、环保、经济，尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主、电能为辅的能源利用方式，可全年全天候使用。

缺点是安装复杂，安装不当会影响住房的外观、质量及城市的市容市貌；

因要安装在室外，维护较麻烦。

2.1.2太阳能热水器的基本知识

太阳能热水器分为三种，即普通太阳能热水器、全天候太阳能热水器、全自动太阳能热水器。

普通太阳能热水器就是最基本的热水器，在晴好天气可能出热水正常使用，但阴天时如果储藏的热水用完了，就不能出热水了。

全天候的热水器常备有电加热系统，当阴天时打开电加热开关，就可以出热水了，阴雨天照样能使用。

如果再配套一个小容量的电热水效果更好。

全自动太阳能热水器就是能够对热水顺利进行简单管理的热水器，装有定时电加热装置和定时上水装置，这种热水器一般无须人专心管理，只要打开热水器就可以出热水。

热水器往往配有水位、水温显示器，使您对屋上的热水器的工作状态基本了解，有的控制仪还有排空和循环功能使热水器更好使用。

太阳能热水器具有保温功能，其真空玻璃集热管是双层玻璃构成，内表镀上热吸收层，两层之间为真空，这样相当于一个拉长的保温瓶。

热量只能进不能出，热水器水箱是采用双层不锈钢板构成，中间是聚胺脂整体发泡的保温体，保温作用十分明显，一般合格的太阳能热水器每天温度下降在5℃以内。

按照冬季日温升50度来设计真空管与水箱容积配比，正常情况下，太阳能能达到50-70度，如果夏天连续几天未用，太阳能中水温有可能达到70-90度。

真空管太阳能热水器效率高，在夏季晴天的情况下，不到两天水温可达沸点，若长时间不用水，如出差、旅游时，使水箱内长时间处于高温、高压的状态下，会促进密封圈的老化，加速聚氨酯的老化、萎缩，有时排气不畅通，压力太大还会使水箱胀坏，还会结水垢，缩短水箱的寿命。

因此，若你长期不在家，应安排别人经常放热水上冷水，或者在真空管集热器上放置遮盖物挡住阳光，待回家后，再除去。

太阳能里存储的热水如果几天未用，最好不要用来洗澡。

因为太阳能热水器好几天未用的水一般都是较热的水了，达到70℃以上，尤其在夏天晴朗天气超过2天，水就会沸腾，到夜间会适当降温，使水温保持在60℃－70℃区域时间很长，而这个温度区域是水中细菌繁殖的极佳温度，因此，如好几天或长期不用的热水，水质较差，细菌多，要排放掉，不要洗澡或用来烧开水等饮用，这样的水洗澡对皮肤不利，长期使用这种水洗澡会引发皮肤病。

太阳能热水器投入使用后，要经常使用，建议每天最好使用4至5次，间隔时间在4小时以内，这是因为：

一、长时间地用水，对楼层较低的用户来说，所用到的水实际上是管道中的低温水（太阳能热水器里面的水停留在管道中降温后形成）；

尤其在北方冬季，外界气温低，有时达到－25℃以下，上下水管路内的水凉地很快，若是六层楼，一楼用户每次需放掉一脸盆冷水，特别浪费，如果频繁使用就好一些；

二、能有效防冻，让上下水管路始终有热源，加上保温层，可有效防冻。

在北方冬季，不少人还采用室内稍微打开热水器阀门，往下滴水的办法来防冻。

当冬季时，日照强度低，日照时间短，且环境温度低，有可能当天上水当天达不到预计温度，此时可适当控制水箱内水量，或在必要时启动电辅助系统，或燃气辅助系统。

热水器里的热水不需要放掉，因为水箱中的水是由热容的，也就是说太阳能水箱中的水是有一定热量的，水量越大，热容越大，越能延缓结冰的速度。

如果把水放了，真空管中的水是放不出来的，热容变小了，容易结冰。

使用太阳能热水器时，还应注意热水合适上满与最佳上水时间，一般太阳能热水器安有溢流管，可根据溢流管是否排水判断水满状态，另外可以配备水位控制仪，水满自动报警，根据报警判别。

真空管内无水时，即空晒状态下，管内温度能达到250℃左右，此时上水造成真空管爆裂，故在水箱内无水或第一次上水时必须在日出前或太阳落山半小时后进行。

使用太阳能热水器要注意使用安全：

一是防止使用者烫伤，全国近两年来已有数例被烫伤的病例，被烫伤者往往认为太阳能产生的热水温度不会太高，实际上在夏天太阳能热水器中的水温往往达到80℃以上，使用者不注意往往被烫伤，在刚放水洗澡时要注意到起先放出的是水管中储存的部分凉水，一旦太阳能热水器中的水流到，温度会忽然上升到80℃以上，造成烫伤；

二是要把热水器紧固以防台风将其从房项吹落，造成伤害。

除此之外，使用太阳能热水器还应注意以下事项：

1、注意上水时间。

2、根据天气情况，决定上水量，保证洗浴时适当的水温。

3、定期检查热水器的管道，排气孔等元件是否正常工作。

4、大气污染严重或风沙大、干燥地区定期冲洗真空管。

5、热水器安装后，非专业人员不要轻易挪动、装卸整机，以免损坏关键元件。

2.2工艺示意图

太阳能热水器一般主要由太阳能集热箱，集热器，混合水箱等几部分组成。

其工艺流程图如图1所示，图1中当光辐射探测器检测到有阳光射入时，将相应电信号（0~20mA）输入PLC控制器，控制器输出信号启动循环泵实现循环，实现了对自来水的循环加热，同时，自来水与被加热的水还将流入混合水箱，使之达到合适的洗浴温度，最后传给用户使用。

当温度较低且无光照时，此系统还具备防冻控制。

无光照时，集热器中设置有温度传感器，当温度小于4度时，将相应电信号（0~20mA）输入PLC控制器，循环泵启动，当温度大于8℃时，防冻循环停止。

在太阳能集热相中，当水位低于设定水位时，集热箱中水位传感器检测到的电信号（0~20mA）输入PLC控制器，控制器输出信号启动补水泵补水。

集热器管道中设有靶流开关，当管道中无水流时，靶流开关将信号送入PLC控制器并报警。

供水管中设有压力传感器检测供水管网压力，当管网压力不合适时，通过变频器控制管网压力实现定压控制。

混合水箱达不到设定温度时，管网末端的温度传感器将电信号传入PLC，通过PLC控制自动启动锅炉，加热到合适温度时停止加热。

图1太阳能热水器工艺结构示意图

2.3工艺流程图

通过理解太阳能热水器工艺结构示意图，我们不难完成此热水器的流程图，流程图如下：

热水器上电后，自来水进入太阳能集热箱，此时光辐射探测器检测是否有光摄入，若有足够光强摄入，PLC控制器将检测集热管是否有水流，如果没有水流，则报警器报警。

如果有水流，则循环泵启动，集热器开始加热，集热完毕后，将加热的热水与冷水一同进入混合水箱以提供合适的水温进行洗浴，最后，热水器将温水传送给用户使用。

2.4太阳能热水器组成、原理和工作过程

1、热水器组成及原理

太阳能热水器是太阳能成果应用中的一大产业，它以环保、安全、节能、卫生等优点，迅速赢得了广大消费者的青睐，中国，是一个能源消耗大国，每年全国能耗约占全世界能耗总量的1∕3，而全国总能耗中，有1∕3是来自建筑能耗。

“向屋顶要能源”，太阳能热水器就是吸收太阳的辐射热能，加热冷水提供给人们在生活、生产中使用的节能设备。

热水器主要由集热器、水泵和水箱等组成。

下图为典型的热水器装置简图。

图中集热器1按最佳倾角放置，下降水管2的一端与循环水箱3的下部相连，另一端与集热器1的下集管接通。

上升水管5与循环水箱3的上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。

补给水箱4供给循环水箱3所需的冷水。

当集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。

水温升高后，水的比重减轻，经上升水管进入循环水箱上部。

而循环水箱下部的冷水，比重较大，就由水箱下部流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。

这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。

这种热水器利用循环加热的原理，因此又称为循环式热水器。

热水器装置简图

1一集热器2一下降水管3一循环水管

4一补给水箱5一上升水管6一自来水管7一热水出水管

图2-3热水器装置简图

2、热水器的基本工作过程

1）吸热过程。

太阳辐射透过玻璃盖板，被集热板吸收后沿肋片和管壁传递到吸热管内的