太阳能热水器智能控制器的设计与实现Word文档格式.docx
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绪论
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方便设计。
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太阳能热水器的研究情况
1.1国内外研究现状
1.1.1国内研究现状
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。
近年来，市场上陆续出现了一些太阳能热水器控制器，但大多数处在存在控制器性能不稳定，容易产生误操作；
水位检测、温度、控制误差大；
显示器出现乱码；
不能与电辅助加热装置很好配合；
太阳能利用率较低等问题，影响了用户的使用。
太阳热水器其控制器有非常广阔的发展前景，但由于现有的技术和产品开发投入较少。
因此，在太阳热水器、太阳热水系统的测量控制方面，应加大投入力量，研究开发高质量、高性能的产品[1]。
1.1.2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。
二战结束之后，人们将注意力又转向经济发展。
一些缺乏基础能源的国家，如日本，开始投入物力财力开发利用太阳能，经过科学技术的发展，各种简易平板太阳集热器已经开始出现在市场中。
到20世界70年代，随着全世界能源短缺危机日益加重，促使人们又重新重视对太阳能的开发利用，全世界多数国家花了不少财力物力，用于加大对太阳能利用技术的研究和开发，尤其是对太阳能热水器的研究。
到上世纪70年代末，太阳热水器的开发利用在美国、日本、德国、等国家得到了很大的发展.在随后的十几年里，平板型集热器太阳热水器的推广应用在一些国家得到了较快的发展。
1975年美国发明了全玻璃真空管太阳集热器并推向市场。
在随后的十几年内，全玻璃真空管太阳热水器性能通过完善、提高，并逐步降低成本，因而得到了快速发展，到上世纪90年代，这种新型太阳能热水器已成为推广应用的主流产品[2]。
1.2本文研究的内容
本课题研究的内容是用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）了解太阳能热水器的组成和工作原理
（2）确定系统的各种工序，绘制系统的工艺流程图。
（3）研究系统硬件设计方案，PLC选型及I/O分配。
（4）设计、绘制梯形图，满足各控制要求。
（5）绘制电气原理图。
（6）编写太阳能热水器智能控制系统组态程序。
2全玻璃真空管式太阳能热水器的概述
2.1.1太阳能热水器组成、原理和工作过程
1、热水器组成及原理
热水器由水箱、循环管道和集热器组成。
下图为装置简图。
图中集热器1按规定放置，下降水管2的一端与循环水箱3的下部相连，另端与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1吸收太阳辐射后，1内温度升高，水温升高。
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1下方，在1内加热后又上升。
这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到1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2.1所示。
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
5
6
4
7
3
2
1
图2.1热水器装置简图
2、热水器的基本工作过程
（1）吸热过程。
太阳辐射被集热板吸收后沿肋片和管壁传递到吸热管内的水。
吸热管内的水吸热后温度升高比重减小导致上升，产生向上的动力，出现热虹吸现象。
随着热水不断上升至储水箱上部，同时下循环管实时填充冷水，循环往复，最后整箱水温共同提高。
（2）水循环管路。
家用太阳能热水器按自然循环方式工作，无额外动力，设计良好的系统只要有5℃~6℃以上的温差就可以循环很好。
合理布置水循环管路、选择适当的管径能提高集热器的热交换效率。
自然循环方式的系统管路中的流态可视为层流。
集热器内管路阻力主要是沿程阻力，支管沿程阻力还要大于主管。
水温升高后导致水运动粘度减小，沿程阻力减小，局部阻力增大。
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。
2.1.2太阳能热水器的硬件结构
1、集热器
平板式太阳能集热器为平板式太阳能热水器的主要部件，它由吸热体、透明玻璃、保温层等组成。
当黑色的金属片处于阳光下，即可吸收太阳能而提高温度，同时也向周围散发热量。
若它吸收的太阳辐射能量与散发的能量相等，此时金属片就不再升温，这就叫“平衡温度”。
如果在金属片内有流道，通过流体把热量不断带走，为了达到平衡温度，金属片需要持续吸收太阳的辐射能。
利用这种原理，将带流道的金属板装在一个密闭保温盒体中，上面盖上玻璃，使太阳的辐射能可以进入盒体，集热器由于吸热体温度较低，其发射出的大部分辐射能不能穿透玻璃而被阻隔在集热器内，从而产生温室效应，提升了集热器的集热效率[3]。
2、循环管道
热水器如果要运行起来，还需配置合适的管道。
热水器管道系统能否正确连接，将对热水器循环效率产生很大影响。
3、热水器水箱及水箱配置
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，用于热水循环。
循环水箱只与补给水箱相通，当循环水箱水位低时，产生补给冷水的作用。
（1）循环水箱
循环水箱的作用是保持最高水位的平面，同时排出水中的空气，避免其进入管道系统，造成气阻损失。
（2）补给水箱
补给水箱的作用是供给冷水。
自来水并不是直接进入循环水箱。
而是通过补给水箱进行补给。
其目的是使冷水与热水分离，保持循环水箱中热水的水温。
（3）水箱配管
水箱配管是指在水箱中排放热水管、进出水管的高度位置，它对排放水温起着主要作用。
因此，热水出水管位置越高，其排放的热水温度亦越高。
2.1.3系统的要求
根据人们对热水器的使用习惯和人性化设计要求,设计的控制系统具有以下功能：
（1）自动控制功能。
系统在自动工作方式时,能自动控制各电磁阀的开关。
（2）水箱液位控制功能。
水箱230L,液位控制在200L。
（3）水箱应具备供热水、保暖的基本功能。
水箱采用加厚聚氨脂发泡保温。
（4）恒温功能。
出水温度可通过恒温阀控制,用户需要热水时,可通过手动调节。
2.2可编程控制器
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、计数、顺序控制、算术运算、定时等操作指令，并通过模拟的、数字的输入和输出，控制各类型的机械设备或者整个生产过程。
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[4]。
2.2.1PLC的发展历史
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
此时PLC是继电器常规控制和微机技术概念相结合的产物。
当个人计算机迅速发展后，为了方便反映可编程控制器的功能众多特点，就定名可编程序控制器为ProgrammableLogicController（PLC）。
在20世纪70年代，可编程控制器（PLC）进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，令其功能发生了质的飞跃。
更快的运算速度、更小的体积、更稳定的工业抗干扰特点、PID功能、模拟量运算功能以及超高的性价比奠定了其在现代工业中的重要地位。
20世纪80年代，可编程控制器已广泛应用在发达工业国家中。
生产可编程控制器的国家日益增多。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代，是PLC发展的最快时期，其年增长率一直维持在25~50%。
在这一时期，PLC在处理数字运算能力、模拟量能力、、网络能力和人机接口能力得到大幅度提高，PLC被逐渐引入工业过程控制领域，在某些功能上取代了当时处于在过程控制领域中占有统治地位的DCS系统。
20世纪末，可编程控制器的发展更加适应于现代工业的需要。
在这个时期发展了超小型机和大型机，研究生了多种多数的特殊功能单元、生产了多种人通信单元、机界面单元，使应用可编程控制器的控制设备的配套变得更加容易[5]。
2.2.2可编程序控制器的工作原理
PLC采用的是循环扫描工作方式，在循环扫描工作方式基础上大、中型PLC还采用中断工作方式。
循环扫描即可按照固定顺序，也可以按照可变顺序或者用户程序规定的一级顺序（高级和低级顺序）进行。
因为有些程序不需要扫描一次执行一次，也为了在控制系统需要处理较多I/O点数时，通过利用分批分时扫描执行、不同模块组合的安排的办法，缩短循环扫描周期、提升控制的实时性[6]。
用户将程序设计、编译后，利用编程器键入到PLC的存储器中，并将被驱动的执行元件与现场的输入信号按照规定依次接在输出模板的输出端与输入模板的输入端上，然后用令其处于工作状态，这样PLC就以循环扫描的工作方式进行工作。
并根据用户程序、输入信号的控制下，产生相应的输出信号，完成控制任务。
PLC的循环顺序扫描过程如图2.2所示。
图2.2PLC循环顺序扫描工作流程图
从图2.2中可以看出，一个扫描周期中包含六个扫描过程。
根据系统软件的控制，按图2.2所示的程序流程顺序去执行，这种工作方式称为顺序扫描方式。
2.2.3可编程控制器的的特点
1、灵活性和通用性强
由于PLC产品的模块化和系列化，还配备了品种齐全的硬件装置可供用户选用。
当控制对象的硬件配置确定了之后,就可以通过修改用户程序,方便快速地根据工艺条件的变化而变化。
2、PLC的功能强、功能的扩展能力强。
当代PLC不仅具有计时、逻辑运算、顺序控制、计数等功能,还具有A/D和D/A转换、数据处理、数值运算等功能。
因此,它既可以控制开关量,也可以对模拟量控制,既能控制1条生产线、1一台生产设备,也可以控制整个生产过程。
3、可靠性高、抗干扰能力强。
可靠性高、抗干扰能力强——微机功能强大但抗干扰能力非常差，工业现场存在电磁干扰，机械振动，电源波动的变化，都可能导致一般微机无法完成正常工作；
传统的接触器—继电器控制系统抗干扰能力强，但存在许多机械触点（易烧蚀、磨损），导致寿命短，系统可靠性差。
采用微电子技术的PLC，利用无触点的电子存储器来完成大量的开关动作，大部分繁杂连线和继电器被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高，从实际使用效果来看，采用PLC控制的系统平均无故障时间一般可达4～5万小时。
PLC采取了一系列软硬件抗干扰措施，能够适应具有强烈干扰的工业现场，并能故障自诊断。
如普通的PLC能抗1ms脉冲、1100V的干扰，其标准工作环境温度为0～60℃，无需强迫风冷。
4、编程语言简单易学,用户容易掌握PLC配备有易于掌握和应用的梯形图语言。
该梯形图语言编程元件的符号与表述方式与继电器控制的电路原理图非常接近。
5、控制系统的设计、安装、调试和维护方便。
PLC通过用软件功能取代了继电器控制系统中大量使用的时间继电器、中间继电器、计数器等部件,使设计安装控制柜的接线工作量大大减少。
PLC的用户程序大都可以在设计室内进行模拟调试,再将调试好后的PLC控制系统安装到生产现场,进行联机调试。
在维护方面,由于PLC的故障率非常低,且拥有完善的诊断功能,一旦PLC外部的输入输出装置和执行系统出现了故障,就可根据PLC上发光二极管或编程器上提供的信息,迅速找出事故原因。
倘若是PLC自身问题,则可以更换故障模块,迅速排除事故,维护极为方便。
6、体积小、质量小、易于实现机电一体化。
由于PLC是种新型产品，是将微电子技术应用在工业控制设备中,因而结构紧凑,坚固,体积小,质量小,功耗低,而且具有很好的抗干扰能力，能适应环境湿度、温度变化的能力。
因此,PLC很容易安装在机械设备内部,是实现机电一体十分理想的控制装置。
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、性能和规格更不相同。
通常可以按照功能的差异及结构形式的不同进行大致的分类。
1、按点数、功能分
按输入输出点数、存储器容量、功能的不同，PLC可分为小、中、大三种类型。
小型PLC被称为低档的PLC。
这种PLC的规模较小，它的I/O点数通常在从20点至128点知己。
中型PLC的输入输出点数从120点到512点不等，存储器容量为2KB-8KB。
大型PLC又被称为高档PLC，输入输出点数均在512点以上。
2、按结构形式分
按照结构形式来分，PLC有模块式和整体式两种。
前者配置灵活，维修和装载方便，功能便于扩展，缺点是造价高，结构也较复杂。
一般中、大型PLC均采用这种结构，后者具有体积小、结构紧凑、价格低、重量轻的优点，便于安装在工业设备内部，更适应单机工作。
一般小型和超小型PLC多采用这种结构。
3热水器控制系统设计
3.1系统硬件的设计
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I/O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I/O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[7]。
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,选用核心部件为欧姆龙公司的CPM1A系列30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。
CPM1A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、30点的编程控制器具有18点输入,12点输出。
考虑到该PLC所需的输入、输出点数及类型，选用欧姆龙CPM1A可编程控制器作为该系统的核心，它含有18个输入点（漏型）和12个输出点（继电器型），足够设计所用。
3.1.2PLC硬件控制框图
上位机采用PC机，下位机选用日本欧姆龙公司的CPM1A系列的30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。
系统控制框图如图3.1所示。
图3.1系统控制框图
3.1.3各单元功能作用
1、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[5]。
2、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。
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、IEC60947-4-1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所示[8]。
图3.2NR4（JRS2）系列热过载继电器
3、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、排水阀实物图分别如图3.3和3.4所示。
图3.3供水阀图3.4排水阀
4、发光指示灯的选择
指示灯选用绿色二极管指示灯，当机器运行时，指示灯显示绿色，机器通电不运行时，指示灯熄灭，要求指示灯质量可靠，根据要求，选用TLL0501－HMC型指示灯。
5、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。
6、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
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