基于plc的太阳能热水器自动控制系统的设计大学论文Word文件下载.docx
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Throughthedesignofthesolarwaterheaterautomaticcontrolsystem,thecomponentsthatisusedinthesolarwaterheaterautomaticcontrolsystemaredecreased.Theperformanceofthesystemislifted,andithasthefeaturesuchassimplyinterconnection,rapidandeasyfaultdetectingandmaintenance,andhighreliability.Inaword,thesystembecomesmoreadvancedbecauseofmydesign.
Keywords:
PLC solar automaticcontrolsystem waterheater
目 录
前 言
身为北京化工大学北方学院的一名学生，我深深的体会到了我们学院对我们同学在教育方面是如何的用心，学院老师是如何的负责。
而且我们学院在自动化专业早已形成了一套规范的管理模式、我完善的教学体制。
无论是在对教学材料的选择和老师在备课教案的制作，老师们都是煞费苦心。
2003年4月，教育部在认真总结各地各校办学经验、广泛听取各方面意见的基础上，制定并下发了名为《关于规范并加强普通高校以新的机制和模式试办独立学院管理的若干意见》（以下简称《若干意见》）的第8号文件，文件提出了发展独立学院的“积极支持、规范管理”原则。
从而，高等教育的这一改革创新得到政策的认可，进入了保护性和规范性的发展阶段。
伴随着独立学院得到政策的认可，独立学院学生管理体制问题也逐步摆在人们的面前。
第1章 概述
第1.1节 研究本课题的目的、意义
太阳能热水器是通过太阳照射使太阳能热水器内部的水温升高从而使人们能够方便的使用热水。
使用太阳能热水器不仅能够给人们提供便利还能够节约资源为人们达到省钱省力的目的。
目前我们国家有着广阔的太阳能热水器的市场，太阳能热水器也应用在我们的方方面面，涉及到我了很多工作。
例如我们的太阳能热水器可以使用在工业用水的加热、农业用水、商场大厦内的热水应用、还有温水养鱼、净化海水，当然了应用最为广泛的还是居民用用水的。
现在我们国内市场上有很多种热水器例如：
热管式太阳能热水器、平板式太阳能热水器、全玻璃真空管式太阳能热水器、热管真空管式太阳能热水器等等。
但是如果我们能够在太阳能热水器中加入可编程控制器（PLC）的话这能够为我们的生活使用提供很多便利。
可编程控制器加入到太阳能热水器中以后能够提高太阳能热水器的稳定性、可靠性、实用的便利性，这是可编程控制器应用在太阳能热水器中的种种优点。
现在，我们国家的是市场上所存在的太阳能热水器的内部原件和系统操控来说具有很复杂，比较繁琐的缺点。
而且使用了太多的电器原件导致了操作复杂，修理起来也是特别困难，这就为人们日常生活使用中产生了极大的不便利。
而且目前市场所存在的太阳能热水器因为其中的原件过多导致了太阳能热水器的价格普遍偏高的特点。
而可编程控制器应用在太阳能热水器中以后就可以解决这种问题了。
可编程控制器价格比较便宜，适合大多数居民的选择，而且应用可编程控制器后可以很大程度上减少人们的操作，这样既方便了人们的生活又为人们减少了开支，可谓是一举多得的事情。
第1.2节 当前研究现状
现如今我们国家的太阳能热水器的行业研究速度比较快，新型的产品不断涌现，但同样热水器的市场也特别的广阔，但是我们国家太阳能热水器的研究现状并不乐观，我们还没有掌握一些与太阳能热水器相关的核心技术，这些技术长期掌握在国外一些公司的手中。
这就使我们的受制于人，所以我国应该加大热水器核心技术的开发利用和开拓。
在我国经过一段时间的发展以后我国太阳能热水器的技术有了明显的发展态势还是处于较低的水平，系统有时候会出现混乱有时候也会出现乱码。
这些情况使人们在使用中苦不堪言，所以我们还得大力发展热水器的核心技术，是我国早日能够拥有完善的太阳能热水器。
第1.3节 目前我国太阳能热水器的种类
1.3.1热管式太阳能热水器
热管式太阳能热水器是我们国家使用范围最为广泛的的设备了，不管是南方。
北方都有使用的。
它是通过太阳加热使热水器内的水温升高。
但是他同样拥有很多确定，热管式太阳能热水器通常的加热效率不高，热水器内的水温提升不够明显只能满足生活日常用水的基本需求，所以尽管它的应用范围比较广泛但是实际应用性能并不强。
但是它的优点也是比较突出，它制作简单、价格便宜、很适合普通百姓使用。
但同样维修起来不是特别的方便而且使用时间比较短一般也就在2-3年之间。
1.3.2平板式太阳热水器
平板式太阳能热水器也被称为“平板式太阳能集热器”，它是我们国内生产最为广泛的太阳热水器之一。
平板式太阳能热水器在进行加热的时候水在循环时温差比例不一样，热水重量较轻，因此会向上升。
而冷水密度则比较大，因此只能自下向上运动。
集热器使水箱的水循环加温，渐渐使水温达到一个稳定值，此后水箱达到水不再不再变化。
这个时候冷水会不断进入水箱的下方补充热水直到水箱内的水达到了满值。
这种原理与与热烟从烟囱冒出来的原理类似，这被称为“热虹吸”效应。
这种热水器只要有太阳光的照射就会不断的使水箱内的水拥有一个温差从而不断循环加热直到水箱内的水的温度都变成一样的。
这种集热器的优点是：
（1）制作的流程特别简单，而且能够为我们节约很多钱。
（2）集热器的吸热使水位进行反复循环与水位升高而且不需要其他资源环保无污染。
（3）系统水流运行安全，没有任何压力设备，安全无任何危险。
（4）在系统中不存在运转消耗设备，日常用水对吸热板没有任何侵蚀作用，因此具有较长的使用寿命。
缺点是：
（1）如果在一天当中有温差较大的现象产生的话，这个时候热水器就会产生往回留的现象。
（2）在高温段集热器表面热量损失较大。
（3）在比较寒冷的季节中，管道内的水会因为寒冷而导致体积变大超过管道的容纳程度导致管道变坏。
（4）管道流通性能差，抗冻性低，因此使用范围仅仅局限在北方的夏天和南方较为温暖地区。
1.3.3全玻璃真空管式热水器
（1）构造简洁、制作方便、稳定性好。
（2）集热器集热效率好，具有良好的保温效果。
（3）能够在温度较高的环境下使用，同时也能够在冬季比较寒冷的地区使用。
（4）运行时间长，一整年都可以使用。
缺点：
（1）管道内积存太多的水，导致管道内水温回升速度过于慢，同时关于真空管南北放置的热水装置，管道内的热水没有办法都取出，以至于使系统热水使用效率变低。
（2）不可以承受过高的压力，容易在玻璃管之中产生水垢，管子容易爆裂，并且在严寒环境下运行会冻住。
（3）价格昂贵。
1.3.4热管—真空管式太阳能热水器
这种集热器的优点：
（1）耐冰冻。
热管由特别的材料和工质确保，即便在冬天比较长的一段时间内没有晴朗的天气以及夜间的低温的环境下，真空管也不能够爆裂。
（2）启动快。
热管能够容纳的热量很少，受热后会很快运行，因此再多变的太阳光辐射情况下能够提升集热器的输送量，并且在天气不是晴朗的情况下也能够使水加热。
（3）保温好。
热管拥有单向传热的特点，就是白天使太阳能转换的热量能够沿热管向上方输送去加热水，到了夜间被加热的水的热量却不能够从热管发散道四周环境中。
（4）安装维修方便。
装置操作简单，使用方便，能够简单的固定住，稳定性强。
缺点:
（1）生产成本。
（2）技术要求高。
第1.4节研究的内容
本篇论文研究的主题是用PLC实现对太阳能热水器系统的控制，达到太阳能热水器系统能够自动化控制及手工控制的效果，使太阳能热水器能够满足实际中的各种控制需要、从而节省人力物力达到方便生活的效果、并增强系统稳定性与可靠行。
详细的任务我们要根据下面的流程来开始：
（1）设计控制系统的总体控制框架图，绘制控制系统的运行流程图。
（2）对PLC进行选择及对I/O接口进行分配。
（3）制作梯形图，实现所有系统控制要求。
（4）设计原理图、外部接线图等。
（5）根据系统设计的要求进行调试并取得成功。
第2章太阳能热水器的组成介绍与可编程控制器的工作原理
图2.1系统控制原理图
注释:
Tl，热水箱的温度传感器
T2，循环水管中的温度传感器
T3，集热器中的温度传感器
F1，循环水阀门
F2，冷水阀门
F3，热水阀门
这个热水器主要使用微机控制大致有下列两种控制功能:
对水温进行控制、对水箱内的水进行加热控制。
（1）对水温进行控制
为了能够使热水器内的水的温度能够达到我们使用所需要的水的温度我们应该按下面操作：
在初始阶段，我们开始对热水器内的水温进行一个收集过程，等我们收集到了热水器内的水温开始和我们设定温度进行对比。
如果太阳能热水器内的水温达不到我们使用的要求这个时候我们就开始了电加热的阶段直到水温达到我们的要求。
（2）对水箱内的水进行加热控制
当太阳光照射比较弱或者没有太阳光照射时，例如到了晚上我们还可以舒舒服服的洗上一个热水澡呢?
这个结果是肯定的，不要忽略此款热水器还有另外一个从系统。
此时它就要发挥出作用了。
如此可知，即便没有太阳光照射我们依旧可以洗上一个舒舒服服的热水澡了。
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
热水器大致由循环管道、集热器和水箱等构成。
下图为经典的热水器装置简易图。
图中集热器1按照最佳倾斜角度摆放，循环水管3的下部与降水管2的一端连接，集热器1与将水管2的另一端接通。
每当集热器吸收到足够的太阳辐射后，集热器的温度会不断上升，与此同时水温也会不断升高。
水温升高以后，水的重量会变轻，通过上升水管循环进循环水箱上部。
而循环水箱下部重量比较大的冷水，就会顺水箱下部流到集热器下方，在集热器中升温以后同样上升。
如此循环不断对流循，水温慢慢变高，一直到集热器所吸收的热量与损失的热量达到平衡时，水温不再升高。
这种利用循环加热原理的热水器，又被叫做循环式热水器[5][6]。
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2.2热水器装置
（2）热水器的基本工作过程
1 吸热过程。
太阳光辐射同过玻璃盖板，经过集热板收集后沿肋片和管壁输送至吸热管内的水。
吸热管内的水受热后温度不断变高，比重减小而上升，造成一个向上运动的过程，组建了一个热虹吸系统。
伴随着热水的源源不断的上升并储存在储水箱上部，与此同时经过下循环管循环反复的补充温度较低的水，直至整箱内的水全部升高到特定的温度。
②水循环管路日常使用的太阳能热水器是通常按自然循环的方法工作的，无外界的动力，系统设计优良的太阳能热水器只要有5℃~6℃以上的温度差距就可以循环很好。
水循环管路、管道直径管道路径分布的合理与不合理，能够直接对集热器的热交换效率造成影响。
一般状况下，日常家系用统自然循环管路中的流态均可看作层流。
集热器内管路系统具有的阻力大部分来自于沿程阻力，局部阻力对其的作用要十分小，再分支管中的沿程阻力比主管的沿程阻力要大许多。
如果水温升高后，因为运动粘度减弱，沿程阻力同样减弱，则局部阻力的影响作用要变大一些。
在特定范围内，如果主管道管径不发生变化时，加大支管道管径，不仅能够使沿程阻力迅速减弱，而且能够使局部阻力也随之变弱。
通常，支管的半径一般都会在10mm以上。
如果主管道管径达到一定值之后，增加主管管径对削弱系统阻力一般会很少有作用[7]。
2.1.2太阳能热水器各单元介绍
（1）热水器水箱及水箱配置
水箱是热水器十分重要组成元件。
它包含补给水箱和循环水箱；
循环水箱与集热器与下水管相连接，以提供热水循环使用。
补给水箱单独和循环水箱相连接，当循环水箱水位过低时候，使之以提供冷水使用。
①循环水箱
循环水箱的作用是维持最高水位面，同一时间让水中所包含的空气在这里释放出来，防止把气体携带进入管道系统，避免造成气体阻止损失。
循环水箱的下方都包含冷水进入阻挡板。
所以冷水进入循环水箱时候，经过挡板让他分散进入这将样能够避免箱内上方热水混乱。
②补给水箱
补给水箱是为水箱提供冷水的地方。
我们要通过自来水向补给水箱内进行提供水源，而且还要避免使水温降低。
③水箱配管
水箱配管是指进水管与出水管、排放热水管这些在水箱中的重要地位，这些对释放水温发挥着重要作用。
所以，热水出水管在越高的位置，它所释放热水的温度也就越高；
因此，使用恒定温度自动排放水时，热水出水管的热水出水口位置较高所以使用人工放水时，热水出水口位置就相对而言比较低。
循环水箱中水的温度上升到了特定温度时，把循环水箱内热水近似都放掉，之后放入冷水再次循环加热。
一般人工而言放水一天中放水1-2次即可。
（2）循环管
在热水器表面制定计划完成后，集热器与循环水箱也近似确完成。
但是想要热水器运转起来，还要配置合适的管道，把集热器与水箱有教的接连起来，就能构成一个完好的循环程序。
热水器管道系统接通是否正确，对热水器循环系统的使用有效率同样有巨大且深远的很大影响。
（3）集热器
平板式太阳能集热器是平板式太阳能热水器的重要元件，它通过透明玻璃、吸热体、能量与损失的能量相持平，这个时候金属片就不会再升高温度，这个就叫作“稳定温度”。
金属片内如果拥有可以流通的流道，通过流道的流体就会把热量源源不断的带走，但为了能够实现稳定温度，所以金属片就要持续不断收集太阳光的辐射能量。
通过这个道理，把装有流道的金属板密封在一个能够保持温度的盒子里，在这上面用玻璃当做封盖，让太阳光的辐射能量通过玻璃到盒子里面，集热器因为吸热体的温度略低一些，它发散出来的绝大多数的的辐射能的波长与其他与对比而言都是略长长（位于远红外区域），因此这些辐射不可以穿透玻璃因而被阻挡在集热器的空腔中，因此发生了一般而言的温室效应，很大程度上提升了集热器的集热功能效率。
2.1.3系统的要求
按照人们对热水器的运用状况与以人为本的设理念,设计的操控系统具有以下功能：
（1）自动控制功能。
系统在主动工作模式下时可以主动操控供水水泵的运转与终止和控制各个电磁阀的开关的状态。
定时控制器在断电时正常计时,所以使用它当做PLC的电源控制设备。
在一操控定时间中,把定时操控连接PLC的电源,PLC按照一开始编制的程序依次逐个打开各控制电源设备,而且依据输入信号的改变随时改变程序的执行指令。
在不是系统工作时间中，定时器则主动切断PLC的电源。
工作时间是6～18h。
可以使用定时操控器与PLC原本就带有的定时命指令加以执行。
（2）除尘功能。
使用温度开关检验周围环境温度是不是适合除尘,符合要求的温度开关为4℃。
使用除尘功能时是使用一个电磁阀接连工作2min。
（3）水箱液位操控功能。
水箱容量是200L,液位线应该控制在180L。
（4）水箱应该拥有提供热水和保温的最基本性能。
（5）报警功能。
如果发生故障，故障指示灯开始闪烁并且开始报警电铃持续响,在操作人员按下“消音”按钮以后才能让铃声关闭，但是故障指示灯会一直处于闪烁状态；
等到故障修复好之后；
故障指示灯才能够熄灭。
（6）节水功能。
供水阀提供5min的自来水，运行2min。
（7）根据操控者需求可以再手动/自动控制两种状态中自由切换。
第2.2节 可编程控制器（PLC）简介
可编程控制器（PragrammableLogicController,又被叫做PLC，是一个数字运行的电子控制系统，早在20世纪60年代末面向工业环境由美国一些著名科学家就率先创造成功了。
它使用可编程序的存储设备，它内部储存执行逻辑运算、顺序操控、定时、计数和算术运算等控制命令，可以使用数字的、模拟的输入和输出，操控各种各样不同型号的机械或者生产流程。
可编程序控制器和与它相关的装置，都是按照为了与工业操控系统成为一个整体、容易扩展她的功能的要求创造的。
PLC从创造到现在仅仅有多年的历史，但是实现了快速的发展和在大范围的应用，变成了现在工业自动化控制的重要支柱的其中一个。
再很长一段时间里，PLC在工业自动化控制领域着体现着巨大的影响，给各式各样的自动化控制设备给予了普遍的、稳定的控制使用。
这时因为它可以给自动化操控应用给予极为安全的、可靠的与格外完美的解决计划，完全合适目前自动化工业企业的需求[8]。
2.2.1可编程序控制器的工作原理
PLC使用的循环模拟工作模式，并且有些大、中型PLC还添加了终止工作模式。
循环扫描可以依照固定顺序运行，同样可以依据用户程序所制定的第一个次序（高级和低级次序）亦或改变次序等运行。
由于有的用户程序不需要每检查一个运行一次，同样是因为在控制系统要求处置的I/O点数量特别多的时候，应该各种各样的模块结合在一起排列的，运用不同时间不同方式的检测运行的方式，可以极大程度上减少反复检测的一遍所用的时间与操控的即时状态[9]。
使用者可以根据设计者设计的系统、调整以后，根据程序编辑器输入进PLC的存储设备里面，同时让使用者所需要的输入信号与被驱动的运行部件彼此对照地连接在输入模块的输入的那一个端口和输出模块的输出的那一个端口钟，之后让PLC的控制开关将其一直在执行工作的模式，PLC可以通过反复检车的工作模式一直运行程序。
然而会通过输入信号、使用者程序的操控上，出现相互对应的输出信号，实现使用者所预料的的操控计划。
一个优秀的可编程序控制器在一个检测时间段内能够时间六个检测过程。
根据所设定的程序系统软件的指示，在一个检测时间段内的其中一个检测过程的开端，一次检测以后还会来到这过程的开端即是一个检测周期。
完成一个检测周期要使用的的时间被教做一个检测周期所需要的时间[10]。
2.2.2可编程控制器的的特点
（1）通用性强,使用方便。
（2）功能性强,适应面广。
（3）具有特别高的可靠性能,能够很好地忽略周围环境的干扰。
（4）程序的编写方式极为简便,可以很好的学会PLC所具有的程序语言和梯形图语言。
（5）PLC的操控系统的编写、组装和调节和修理简便。
（6）占用空间小、所用的质量特别小、所消耗的功率比较低。
第3章热水器控制系统的设计方案
太阳能原本就是一种持续不断改变的、但是能使其发生改变的原因又特别多、又有极为困难的的非线性改变量，太阳能热水系统它不是一个经常见到的线性系统，不容易制作一个十分准确的数学模型，所以使用普遍的的操控模式很不容易得到比较好的的操控效果。
太阳能热水器操控设备使用PID操控算法，此算法对于数值固定的参数线性的稳定常见的系统是是十分有用的。
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3.1节系统硬件的设计方案
按照控制系统所指定的目标，第一应该先选定PLC的控制范围规模,第二要大致计算出要使用的I/O点数（数字输入/输出量、模拟输入/输出量）,之后要将范围上调20%～25%的作为预备使用量，用来能够第一时间增添控制的功用，确保系统在日后使用过程中可以替换单个出现错误或者修复所丢失的点数。
计算出I/O点数，并且根据I/O点数来制定PLC的大小规模之后就可以选择存储设备的容量。
存储设备的容量一般情况下都是由PLC的操控规模大小来指定的。
但是同样也可以按照以下的方式进行运算，再次上升百分之二十五到百分之三十作为备用量，用来可以随时随便地的添加用户所需要的系统程序。
依据编写程序时所使用的节点数量的计算方式是另一种方式，在编程完成以后，其实际使用量是由节点数量的运算得到的。
而估算法是最后一种方式，单单只给出了开关量时，开关量（输出/入）总数乘以十得到了所要求的内存总的数量；
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[11]。
3.1.1PLC硬件控制框图
本系统的我所使用的上位机是PC端，下位机是采用的国外某公司所生茶的GX型号的操控器，完成针对于太阳能热水设备的操控，并且由PLC控
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