太阳能热水器自动控制系统的plc设计.docx

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太阳能热水器自动控制系统的plc设计

机械工程学院机械工程专业机电方向

专业课程设计任务书

班级：

机械10-7姓名：

邓强

论文（设计）题：

基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计

要求完成的内容：

1）相关背景知识的研究学习；

2）系统总体组成设计；

4）PLC控制系统硬件模块选型、连接设计（原理图）；

5）部分控制软件设计；

6）设计计算说明书一份（20页（9000字）以上）

设计时间:

2014.02.25—2014.03.22完成日期：

2014.03.22

论文页数：

20（约9000字）页；图纸张数：

1-2张

指导教师：

教研室主任：

基于PLC的太阳能热水器控制系统设计

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。

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与软件的设计过程。

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。

本设计进行了系统的I/O分配和PLC选型，根据要求绘制出了控制系统电气原理图和接线图等。

把PLC作为太阳能热水器的控制系统，大大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。

关键词太阳能热水器PLC控制系统

1绪论

1.1本设计研究的目的和意义

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，成为关注的重点。

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。

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。

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（PLC）由于可提供使用的时间继电器和中间继电器，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。

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的太阳能热水器控制系统。

1.2国内外研究现状

1.2.1太阳能热水器概述

太阳能热水器是把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度以满足人们在日常生产、生活中需要的热水器。

把太阳能转换成热能主要依靠集热管，集热管受阳光照射面温度高，集热管背阳面温度低，而管内水便产生温差反应，利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需要的热水。

在工农业生产和日常生活中，需要大量的热水。

这类热水的特点是用水量较大而水温不高，一般为400C～600C。

如淋浴的水温在350C～400C之间，超过600C就会感到太热。

工业上为了清除油污，热水温度要高一些，但一般在900C左右。

太阳能热水器能提供的热水，是目前使用最为普遍和效果最好的太阳能利用装置;这种装置结构简单、使用方便、不用专人管理，故已在全国推广使用。

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能热水器生产国，但与太阳能热水器配套的控制器却一直处于研究和开发阶段，尤其是与太阳能热水器系统匹配的控制器，至今尚未检索到相关报道。

太阳热水器，尤其是太阳热水系统与其控制器有着广阔的发展前景，但现有的技术研究和产品开发投入较少。

因此，在太阳能热水器、太阳能热水器系统的测量控制方面，应引起足够重视，加大投入一定力量研究开发高质量、性能好的测控产品。

上世纪70年代末，太阳能热水器的开发利用在美国、澳大利亚、日本、德国、以色列等国家得到了很大的发展。

在随后的十几年里，平板集热器型太阳热水器的推广应用在一些国家得到了较快的发展。

1975年美国欧文斯—伊利诺依（OWens-llinois）公司发明了全玻璃真空管太阳集热器并推向市场。

当时，集热管的选择性吸收涂层的平场阳光吸收率约为83%，但由于采用了高真空技术，使集热器的热损失比普通平板式太阳能集热器的热损失降低了两个数量级，从而将太阳能热利用技术水平大大提高了一大步。

在随后的十几年内，全玻璃真空管太阳能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。

1.2.2太阳能热水器组成

太阳能热水器是由集热器、保温水箱、支架、循环管道等相关附件组成。

1、集热器

集热器是太阳能热水器的主要部件，它由透明玻璃、吸热体、保温层等组成。

当涂有黑色的金属片置于阳光下，即可吸收太阳辐射能而升高温度，同时也向四周散发热量。

若它吸收的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体，流体把热量不断带走，为了达到平衡温度，金属片便要不断吸收太阳的辐射能。

利用这种原理，把带有流体的金属板封装在一个保温盒体中，上面盖以玻璃，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波长较长（位于远红外区域），这些辐射不能穿透玻璃而被阻隔在集热器的空腔内，从而产生了所谓的温室效应，提高了集热器的集热效率。

2、循环管道

在热水器平面布置方案确定后，集热器与循环水箱已基本确定。

但要热水器运行起来，还得配置适当的管道，将集热器与水箱有机的连接起来，才能形成一个完整的循环系统。

热水器管道系统连接正确与否，对热水器循环系统的效率也有很大影响。

3、热水器水箱与水箱配置

水箱是热水器的重要组成部分。

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，供热水循环之用。

补给水箱只与循环水箱相通，当循环水箱水位低时，以补给冷水之用。

1）循环水箱

它的作用是保持最高水位平面，同时让水中空气由此处排出，避免带入管道系统，以致造成气阻损失。

循环水箱的下部均装有冷水进水挡板。

这样冷水进入循环水箱时，通过挡板使之扩散流入不致将箱内上部热水搅混。

2）补给水箱

补给水箱是供给冷水的水箱。

自来水不是直接进入循环。

而是通过补给水箱来补给。

这样做的优点是使冷水和热水隔开，保持循环水箱中的热水水温稳定。

3）水箱配管

水箱配管是指进出水管、排放热水管等在水箱中的高度位置，它对排放水温起着主要作用。

因此，热水出水管位置愈高，其热水排放温度亦愈高；为此，采用定温自动放水时，它的热水出水口位置较高。

而采用人工放水时，热水出水口位置应较低。

循环水箱内的水温达到一定温度时，将箱内热水几乎全部放掉，然后放入冷水再重新循环加热。

一般人工放水一天中1～2次。

1.2.3太阳能热水器的基本工作过程

下图为典型的太阳能热水器装置简图。

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能后，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。

太阳能热水器装置简图如下图1-1所示。

图1-1太阳能热水器装置简图

1、集热器2、下降水管3、循环水箱

4、补给水箱5、上升水管6、自来水管

7、热水出水管　F1、循环水阀门F2、冷水阀门F3、热水阀门

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水。

吸热管内的水吸热后温度升高，比重减小而上升，形成一个向上的动力，构成一个热虹吸系统。

随着热水的不断上移并储存在储水箱上部，同时通过下循环管不断补充温度较低的水，如此循环往复，最终整箱水都升高至一定的温度。

2）水循环管路。

家用太阳能热水器通常按自然循环方式工作，没有外在的动力，设计良好的系统只要有5℃～6℃以上的温差就可以循环很好。

水循环管路、管径与管路分布的合理性直接影响到集热器的热交换效率。

多数情况下，自然循环家用热水器系统管路中的流态都可以视为层流。

集热器内管路系统的阻力主要来自沿程阻力，局部阻力的影响要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。

当水温升高后，由于运动粘度减小，沿程阻力变小，局部阻力的影响变大。

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。

1.2.4可编程控制器概述

可编程控制器（PragrammableLogicController）简称PLC，它是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程；而有关的外围设备，都应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。

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在工业自动化控制中发挥着巨大的作用，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。

1.2.5PLC的发展历史

20世纪70年代大规模集成电路和微处理机出现后，正式生产出了现在模式的可编程序逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController）产品。

这类产品具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、体积小、应用灵活方便、工程周期短、操作维护方便、应用领域广阔等优点。

随着集成电路和计算机技术的发展，现在己诞生了第五代PLC产品。

而从应用角度看，PLC大概经历了如下几个阶段：

1、单机就地控制，取代继电器柜，至今仍然是PLC应用的主流。

2、数台PLC与1台PC机相连，PC机完成编程和在运行中作为人机界面（80年代后期）。

3、90年代，随着系统集成能力的提高，PLC提供系统通信的能力，构成可编程控制系统PCS（ProgrammableControlSystem），人机界面逐步完善，具有离散量和模拟量数据采集系统的监控能力。

4、随着近代现场总线、网络、工业PC机（IPC）、软PLC技术的发展，以与系统开放性、电控仪控一体化、管控一体化、IT技术发展的需求，新型的覆盖大、中、小系统的PCS正在形成。

1.2.6PLC的特点

现代工业生产过程是复杂多样的，他们对控制的要求也各不相同。

PLC专为工业控制应用而设计，一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。

其主要特点有：

1、通用性强,使用方便。

由于PLC产品的系列化和模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。

当控制对象的硬件配置确定以后,就可通过修改用户程序,方便快速地适应工艺条件的变化。

2、功能性强,适应面广。

现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能,而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理等功能。

因此,它既可对开关量进行控制,也可对模拟量进行控制,既可控制1台生产机械、1条生产线,也可控制1个生产过程。

PLC还具有通讯联络功能，与上位计算机构成分布式控制系统,实现遥控功能。

3、可靠性高,抗干扰能力强。

大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。

针对PLC是专为在工业环境下应用而设计的,故采取了一系列硬件和软件抗干扰措施。

硬件方面,隔离是抗干扰的主要措施之一。

PLC的输入、输出电路一般用光电耦合器来传递信号,使外部电路与CPU之间无电路联系,有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响,同时,还可以防止外部高电压窜入CPU模块滤波是抗干扰的另一主要措施,在PLC的电源电路和I/O模块中,设置了多种滤波电路,对高频干扰信号有良好的抑制作用。

软件方面,设置故障检测与诊断程序。

采用以上抗干扰措施后,一般PLC平均无故障时间高达4万～5万h。

4、编程方法简单,容易掌握。

PLC配备有易于接受和掌握的梯形图语言。

该语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。

5、控制系统的设计、安装、调试和维修方便。

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件,控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。

PLC的用户程序大都可以在实验室模拟调试,调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场,进行联机统调。

在维修方面,PLC的故障率很低,且有完善的诊断和实现功能,一旦PLC外部的输入装置和执行机构发生故障,就可根据PLC上发光二极管或编程器上提供的信息,迅速查明原因。

若是PLC本身问题,则可更换模块,迅速排除故障,维修极为方便。

6、体积小、质量小、功耗低。

由于PLC是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品,因而结构紧凑、坚固、体积小、质量小、功耗低,而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。

因此,PLC很容易装入机械设备内部,是实现机电一体化较理想的控制设备。

1.2.7PLC的基本工作原理。

PLC的循环顺序扫描工作流程图如下图1-2所示。

图1-2PLC循环顺序扫描工作流程图

PLC采用循环（巡回）扫描工作方式，而大、中型PLC还增加了中断工作方式。

循环扫描即可按固定顺序，也可按用户程序所规定一级顺序（高级和低级顺序）或可变顺序等进行。

因为有的用户程序不需要每扫描一次执行一次，也为的是在控制系统需要处理的I/O点数较多时，通过不同的模块组合的安排，采用分时分批扫描执行的办法，可缩短循环扫描周期和控制的实时性。

用户将用户程序设计、调试后，用编程器键入PLC的存储器中，并将现场的输入信号和被驱动的执行元件相应地接在输入模板的输入端和输出模板的输出端上，然后用PLC的控制开关使其处于运行工作方式，PLC就以循环扫描的工作方式进行工作。

在输入信号、用户程序的控制上，产生相应的输出信号，完成预期的控制任务。

PLC的典型的循环顺序扫描工作过程如图1-2所示。

从图1-2中可以看出，一个典型的可编程序控制器在一个扫描周期中要完成六个扫描过程。

在系统软件的指挥下，按图1-2所示的程序流程顺序地执行，这种工作方式称为顺序扫描方式。

从扫描过程中的某个扫描过程开始，顺序扫描后又回到该过程成为一个扫描周期。

进行一个扫描周期所需的时间称为一个扫描周期时间。

1.3本设计研究的主要内容

本设计研究的主要内容是用PLC控制太阳能热水器系统，实现太阳能热水器系统自动控制与手工控制，使其满足实际各种控制需要，使更多的工作免于人工参与、使系统更加稳定可靠。

具体研究工作从以下几方面展开：

1、确定系统的各种工序，绘制系统的工艺流程图

2、PLC选型与I/O点分配

3、PLC硬件控制框图

4、系统主电路与PLC控制电路的设计

5、设计、绘制梯形图，满足各个控制要求

6、绘制电气原理图、外部接线图等

2控制系统的硬件设计方案

2.1控制系统的基本功能要求

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，能自动控制供水水泵的运行与停止和各电磁阀的开关。

定时控制器在断电时正常计时，故采用其作为PLC的电源控制。

在定时控制时间内，由定时器接通PLC的电源，PLC按预先编制的程序依次打开各控制设备电源，并根据输入信号的变化随时调整程序的执行。

在非系统工作时间里，定时器自动断开PLC的电源。

工作时段为6～18h。

可利用定时控制器和PLC自身具有的定时命令加以解决。

2、除尘功能。

利用温度开关检测环境温度是否适合除尘，温度开关为4℃。

除尘时用一个电磁阀连续工作2min。

3、水箱液位控制功能。

水箱200L，液位控制在180L。

4、水箱应具备供热水、保温的基本功能。

水箱采用加厚聚脂发泡保温。

5、报警功能。

当出现故障时，故障指示灯闪烁且报警电铃响起，操作人员可以按下“消音”按钮以解除铃响，但故障指示灯仍在闪烁；直到故障消除；故障指示灯才停止闪烁。

6、节水功能。

供水阀供水5min，停2min。

7、可实现手动/自动控制切换。

8、恒温功能。

出水温度可通过恒温阀控制在30～40℃，当用户需要热水时，可通过手动调节。

2.2控制系统的硬件设计方案

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的控制规模确定外，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。

2.2.1系统水温控制原理框图

T3

系统控制原理框图如下图2-1所示。

图2-1系统控制原理框图

注释：

T1，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

此款热水器利用微机控制，主要有以下两种控制功能：

水温控制、水箱加热控制。

1、水温控制

为了提供温度不低于370C的水，具体控制过程如下：

首先，关闭冷水阀门F2和循环水阀门F1，然后微机开始进行水箱的温度采集，同时进行温度的比较，当水箱中的温度小于370C时，电热器D接通进行加热，同时微机继续对热水箱的水温进行采集。

当温度加热到大于370C时电热器D断开，如此反复循环保证了温度的稳定。

2、水箱加热控制

如果没有日照或者日照很弱时，到了晚上我们是否还能洗上热水澡呢？

答案是肯定的，不要忘了这款热水器还有一个从系统，这时它就要发挥作用了。

热水箱温度为T1，将它和设定值N相比较，从而控制是否打开电加热器。

控制时段为6～18h，具体过程如下:

若Tl

最终热水箱的温度加热到设定值N。

由此可见，即使没有日照我们照样可以洗上热水澡。

2.2.2PLC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,选用核心部件为三菱公司的FX_2n-32MR-ES/UL系列32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。

FX_2n-32MR-ES/U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、32点的编程控制器具有16点输入,16点输出。

考虑到该PLC所需的输入、输出点数与类型，选用三菱FX_2n-32MR-ES/UL可编程控制器作为该系统的核心，它含有16个输入点（漏型）和16个输出点（继电器型），足够设计所用。

2.2.3PLC硬件控制框图

本设计选用三菱公司的FX_2n-32MR-ES/UL系列32点编程控制器，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。

为提高系统的安全性，需要有报警点输入并且用声光信号显示故障类型，同时发出警报提醒值班人员与时处理事故。

当故障出现时，故障指示灯闪烁且报警电铃响起，操作人员可以按下“消音”按钮以解除铃响，但故障指示灯仍在闪烁，直到故障消除，故障指示灯才停止闪烁。

系统控制框图如图2-2所示。

图2-2系统控制框图

2.2.4各单元功能作用介绍

1、电机类型的选择

对于连续运行，负载平稳，对起动制动没有特殊要求的生产机械，应优先采用普通鼠笼异步电动机，它广泛用于各种机床、水泵和风机等。

大中功率的空压机和皮带输送机等生产机械要求有较大的起动转矩，应采用深槽式或双鼠笼式异步电动机。

由于太阳能热水器属于连续运行，负载平稳，对起动制动没特殊要求，综合各方面考虑，本系统微型电机选用Y系列三相异步电动机。

电压为220V。

频率为50HZ。

功率为10w。

2、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与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。

3、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。

4、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。

5、发光指示灯的选择

指示灯选用两色二极管指示灯，当机器运行时，指示灯显示绿色，机器通电不运行时，指示灯显示红色，要求指示灯质量可靠，根据要求，选用TLL0501－HMC型指示灯。

6、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。

7、水箱的选择

水箱的选用要根据情况来确定。

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，供热水循环之用。

补给水箱只与循环水箱相通，当循环水箱水位低时，以补给冷水之用。

1）循环水箱

循环水箱容量大小是根据热水器装置日产热水量而定。

为了便于加工提高经济性和通用性，循环水箱已标准化。

目前循环水箱以容积分为500升和1000升二种，外形均为方形。

容积500升的水箱外形尺寸为:

778X778X880毫米。

容积1000升的水箱外形尺寸为:

8X928X1300毫米。

循环水箱的上部均装有涨水管与透气孔，其位置稍高于水位。

溢水管和透气孔制成一体，它的作用是保持最高