PLC太阳能热水器水位控制系统设计论文Word格式.docx
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1.水位、水温测量电路。
这部分用于采集水位水温信号给PLC，是太阳能热水器控制器最关键的部位。
2．时间、水位、温度显示和键盘电路。
这部分用于系统和人的信息交互。
3．驱动电路。
上水电磁阀、报警电路，是整个系统的执行部分。
第四节太阳能工艺流程图
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：
图1-1太阳能工艺流程图
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。
第二章太阳能热水器控制器硬件选择
第一节系统设计要求
太阳能热水器的电路控制非常重要，好的智能控制仪表应该具备以下功能：
1、太阳能集热循环控制
白天太阳能循环泵不间断连续运行，夏季夜晚停泵，冬季温控循环防冻。
2、光辐射探测及循环水泵的控制
当光辐射探测器探测到太阳光时，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，同时在管道上探测水流，当无水时将信号送入PLC控制器并报警。
3、水位控制
将水位传感器检测到的电信号（0~20mA）输入PLC控制器，到水位低于设定水位时控制器输出信号启动补水泵补水。
4、压力控制
将供水管网压力传感器检测到的电信号（0~20mA）输入PLC控制器，利用变频器对末端压力实现定压控制。
5、加热控制
根据需求端的实际用水情况，采用出水温度控制的方式控制锅炉的启停。
当白天太阳辐射不足，储水箱温度达不到设定值时，控制器自动启动锅炉加热，否则加热停止。
第二节PLC的选择
S7-200的概述:
S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
S7-200系列出色表现在以下几个方面：
第一，极高的可靠性。
第二，极丰富的指令集。
第三，易于掌握。
第四，便捷的操作。
第五，丰富的内置集成功能。
第六，实时特性。
第七，强劲的通讯能。
第八，丰富的扩展模块。
S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU以供使用。
CPU单元设计集成的24V负载电源：
可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU221，222具有180mA输出，CPU224，CPU226分别输出280，400mA。
可用作负载电源。
不同的设备类型CPU221~226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
CPU221具6个输入点和4个输出点，CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU224具有14个输入点和10个输出点。
CPU226具有24个输入点和16个输出点。
中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。
CPU224的概述:
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。
鉴于设计共需要补水泵急停开关、循环泵急停开关、水泵变频接触器动作信号、水泵工频接触器动作信号、锅炉急停开关、靶流开关、报警器急停开关、水泵手动开关、报警器手动开关、循环泵手动开关、补水泵手动开关、锅炉手动开关共12个开关量输入，水泵变频交流接触器、水泵工频交流接触器、报警器、循环泵、补水泵、当光强不足时循环泵控制、锅炉7个开关量输出，光合辐射有效传感器，3个PT100高温型铂电阻传感器、飞思卡尔MPX5700AP压电传感器、RG-2液位传感器共6个模拟量输入及变频器一个模拟量输出。
因此考虑使用CPU224并扩展两个EM235扩展单元。
下面将分别介绍CPU224及EM235。
CPU224
CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器。
图2-1CPU224
EM235的概述：
在工业控制中，压力、温度、流量和转速等输入量是模拟量，变频器、电动调节阀和晶闸管调速装置等设备要求输出模拟量信号进行控制。
CPU主机一般只有数字量I/O接口，或者是仅具有少量的模拟量接口，所以就要进行模拟量输入和输出模块的扩展才能满足控制要求。
模拟量扩展模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，也有电气隔离功能。
模拟量输入（A/D）模块是将现场由传感器检测产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；
模拟量输出（D/A）模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。
EM235具有4个模拟量输入一个模拟量输出，考虑到本设计有七个模拟量输入一个模拟量输出，因此运用两个EM235便可解决问题。
以下是EM235的各项技术规范：
表2-1EM235技术规范
通用技术规范
尺寸（WxHxD）
重量
功耗
点数
71.2×
80×
62mm
186g
2W
4路模拟量输入，2路模拟量输出
（实际的物理点数为：
4输入，1输出）
功率损耗
+5VDC（从I/O总线）
30mA
从L+
60mA（带输出20mA）
L+电压范围，第2级或DC传感器供电
20.4～28.8
LED指示器
24VDC状态
亮=无故障，灭=无24VDC电源
模拟量输入特性
模拟量输入点数
4
隔离（现场与逻辑电路间）
无
输入类型
差分输入
输入范围
电压（单极性）
电压（双极性）
电流
0～10V，0～5V，
0～1V，0～500mV,
0～100mV,0～50mV
±
10V，±
5V，±
2.5V，
1V，±
500mV,
250mV,±
100mV
50mV,±
25mV
0～20mA
输入分辨率
12.5μV（0～50mV）
25μV（0～100mV）
125μV（0～500mV）
250μV（0～1V）
1.25mV（0～5V）
2.5mV（0～10V）
12.5μV（±
25mV）
25μV（±
50mV）
50μV（±
100mV）
125μV（±
250mV）
250μV（±
500mV）
500μV（±
1V）
1.25mV（±
2.5V）
2.5mV（±
5V）
5mV（±
10V
5μA（0～10mA时）
模数转换时间
＜250μs
模拟量输入响应
1.5ms～95%
共模抑制
40dB,DCto60Hz
EM235CN
共模电压
信号电压+共模电压（必须小于等于12V）
数据字格式
单极性，全量程范围-32000～+32000
双极性，全量程范围0～32000
-32000～+320000
0～32000
输入阻抗
大于等于10MΩ
输入滤波器衰减
-3db@3.1KHz
最大输入电压
30VDC
最大输入电流
32mA
分辨率
12位A/D转换器
模拟量输出特性
模拟量输出点数
1
隔离（现场侧到逻辑线路）
信号范围
电压输出
电注输出
0到20mA
电压
-32000～+32000
0～+32000
分辨率，满量程
12位
11位
精度
最坏情况，0～55℃
电流输出
满量程的±
2%
典型值，25℃
0.5%
设置时间
100μs
2mS
最大驱动@24V用户电源
最小5000Ω
最大500Ω
梯形图概述：
梯形图是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
第三章太阳能热水器控制器软件设计
第一节PLC的I/O口分配与软元件的分配
表3-1PLC的I/O口分配
输入点
代号
工程名称
输出点
Y0
HL
启动指示灯
X0
SB
启动按钮
Y1
HL1
总停指示灯
X1
SB1
总停按钮
Y2
HL2
除尘指示灯
X2
SL1
温度开关（常开）
Y3
HA
报警器
X3
SL2
温度开关（常闭）
Y4
HL3
故障指示灯
X4
SB2
手动上水开关
Y5
YV1
供水电磁阀
X5
SB3
手动排水开关
Y6
YV2
排水电磁阀
X6
SB4
手动消音开关
Y13
KM1
除尘电机正传接触器
X7
SB5
手动加热开关
Y15
YV3
除尘阀
表3-2PLC的软元件分配
序号
名称
数量
规格型号
备注
PLC
可编程控制器
FX_2n-32MR-ES/
继电器输出型
HL--HL3
指示灯
AD16-22G
LED显示,220V
2
KM1-KM2
交流接触器
DJX-9
线圈电压：
220V
3
SB1-SB5
按钮
5
LAY37
绿色
S
自动/手动开关
SR26
封闭式
6
SL1-SL2
温度检测开关
TH22
接通与断开最小温差1.1℃
7
TC
隔离变压器
BK-100
电压：
8
FU1-FU8
熔断器
RL1-15
熔体2-10A
9
FR
热继电器
JR16-20/3
参照电机电流
10
M
微型电动机
YYHS－45
电压220V频率50HZ
11
YA
报警器
SWP-X100
交流220V
12
排水阀
SSFK-C014
交流12-220V
13
供水阀
SSFK-C024
交直流3-220V
14
YC
SSFK-C017
第二节软件的组成
软件系统通常分为两大类：
一类是系统软件，另一类是应用软件。
系统软件指的是操作系统、程序设计系统等与计算机密切相关的程序。
系统软件一般由计算机生产商或各种软件公司提供，带有一定的通用性，用不着自己编写。
本课题采用SIEMENS公司推出的s7-200系列PLC，所以系统软件是由SIEMENS公司提供的，该软件对系统进行实时监控。
应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。
在计算机控制系统中，每个控制对象或控制任务都要有相应的控制程序，用这些控制程序来完成对象的不同要求，这种程序通常称为应用程序。
本课题主要根据太阳能热水器的各种输入输出状态来编制PLC的梯形图程序。
第三节系统控制流程图
主程序设计：
图3-1主程序控制系统流程：
水位子程序流程图
：
图3-2水位子程序流程图
第四节梯形图程序
程序设计：
用流程图表达出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。
明确寄存器空间的分配，专用寄存器的确定等。
控制系统的程序的设计，主程序的编制及各功能子程序的编制以及程序的调试。
其他辅助程序的设计，如故障应急程序等。
根据控制系统流程图，绘制太阳能热水器系统控制的梯形图，其梯形图见附录。
结束语
本课题设计了一个以单片机为核心配合其他外围电路的太阳能热水器智能控制系统、完成了对太阳能热水器容器内的水位测量、时间显示、缺水时自动上水、水溢报警、手动上水、参数设定等功能。
完成了太阳能热水器水位的测量和显示电路与电源电路的设计，通过对水位、水温的测量监控、实现了自动上水、水溢报警、智能加热等功能，完成了用8255A扩展键盘和显示电路的设计，实现了温度时间共六位动态显示和4个独立键盘输入。
完成了时钟电路设计、为系统提供了准确的时间显示、显示时、分。
并为定时加热提供了时间参考、从而完成自动电加热。
用键盘实现了手动上水、电加热、参数设置等功能。
谢辞
在这次基于PLC太阳能热水器水位控制的设计与实践中，我遇到了很多的问题。
但我的指导老师在我完成这次作业中给予了我很大的帮助，如我在做水位测量电路的设计不知道该怎么进行时，老师给我讲解了其设计的精髓和应该注意的问题，帮助我很好的完成了这次设计和实践。
在此我深深的感谢老师你对我的帮助和指导。
让我在社会实践的道路上有了新的认识和体会，更加深刻的理解和明白了PLC设计的精髓。
最后我对老师说一句：
老师你辛苦了！
参考文献
1.袁任光，《可编程序控制器技术与实例》，华南理工大学出版社，2003年
2.刘敏，《可编程控制器技术》,机械工业出版社，2000年
3.邱公伟，《可编程控制器网络通信及应用》，清华大学出版社，2001年
4.陈宏,《可编程控制器（PLC）的选型[J]》，化工进展，2003年第22卷12期
附录
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