基于PLC的太阳能热水器自动控制系统设计.docx

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基于PLC的太阳能热水器自动控制系统设计

基于PLC的太阳能热水器自动控制系统设计

DesignofSolarWaterHeaterAutomaticControlSystemBasedonPLC

学院：

电气工程学院

专业班级：

自动化1005班

学号：

100302516

学生姓名：

魏天野

指导教师：

白山（教授级高工）

2014年6月

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。

太阳能热水器在技术上比较成熟、造价比较低廉，同时由于给人民提供绝对安全的热水而受到人们的欢迎，且具有节能、环保、安全、便利、长久等优点，所以它的应用会越来越广。

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及软件的设计过程。

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。

本设计利用西门子S7-200PLC，进行了太阳能热水器自动控制系统的I/O分配和PLC选型，编写了PLC程序梯形图和接线图，实现了自动上水排水、自动循环、自动加热、PID闭环控制恒温出水、手动与自动模式切换等功能。

并在此基础上，利用S7-200的仿真软件对系统进行了仿真，利用WinCCFlexible软件组态了人机界面，使用MPI通信协议实现了PLC与触摸屏的通信连接。

把可编程控制器PLC作为太阳能热水器的控制系统，增加了系统的方便性与可靠性，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。

论文分为四章：

第一章介绍了太阳能热水器发展背景及设计意义；第二章介绍了太阳能热水器的工作原理；第三章介绍了硬件选型及系统流程；第四章介绍了系统程序的编写、系统的仿真、人机界面（WinCCFlexible）组态过程。

关键词：

太阳能热水器；PLC；自动控制系统

Abstract

Now,vastmajorityofurbanresidentsusesolarwaterheaters,sodoaconsiderablenumberofruralpeople.Solarwaterheatersaretechnicallymoremature,relativelylowcost.Meanwhile,sinceitprovideabsolutesecuritytothepeopleofhotandpeoplearewelcome,andithassomeadvantagesofenergysaving,environmentalprotection,safety,convenience,long,etc.Soitwillbewidelyapplied.Therefore,theresearchanddevelopmentofcontrollingsystemofadvancedsolarwaterheaterarebecomingincreasinglyimportant.

ThisdesignexpoundstheapplicationofPLCinsolarwaterheaterautomaticcontrollingsystem,especiallythedesigningprocessofhardwareandsoftwareofthesystem.Furthermore,theprojectshowsthatthekeyofPLCdesigningistosatisfythebasiccontrollingfunction,consideringtheconvenienceofmaintenanceandscalability.Inthisdesign,theaddressofI/OisresignedandthesuitablePLCischosen.Theelectricalprinciplediagramandtheinterconnectiondiagramaredrawn,accordingtotherequirement.Automaticwaterdrainage,automaticcycle,automaticheating,PIDloopcontroltemperaturewater,manualandautomaticmodeswitchingfunctionhavebeenrealized.Andonthisbasis,thesystemwassimulatedusingthesimulationsoftwareforS7-200,producedaman-machineinterfacebyusingWinCCFlexiblesoftware.Asthecontrollingsystemofsolarwaterheater,PLCgreatlyreducesthenumberofothercomponents.Moreover,ithasthefeaturesuchassimpleinterconnection,rapidandeasyfaultdetectingandmaintenance,andadvancementofthesystem.

Thepaperisdividedintofourchapters:

thefirstchapterdescribesthebackgroundofthedevelopmentanddesignofsolarwaterheaterssignificance;Secondchapterdescribestheworkingprincipleofsolarwaterheaters;Thirdchapterdescribesthehardwareselectionandsystemprocesses;Thefourthchapterdescribestheproceduresforthepreparationofthesystem,systemsimulation,HMI（WinCCFlexible）configurationprocess.

Keywords:

Solarwaterheater;PLC;Automaticcontrolsystem

第1章绪论

1.1课题研究的背景

太阳能（SolarEnergy），一般是指太阳光的辐射能量，太阳能是一种可再生能源，广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，生物质能，潮汐能、水的势能等等。

太阳能利用的基本方式可分为光—热利用、光—电利用、光—化学利用、光—生物利用四类。

在四类太阳能利用方式中，光—热转换的技术最成熟，产品也最多，成本相对较低。

如：

太阳能热水器、开水器、干燥器、太阳灶、太阳能温室、太阳房、太阳能海水淡化装置以及太阳能采暖和制冷器等[1]。

太阳能光热发电比光伏发电的太阳能转化效率较高，但应用还不普遍。

在光热转换中，当前应用范围最广、技术最成熟、经济性最好的是太阳能热水器的应用。

当今世界能源问题已经成为一个普遍性的问题，能源关乎着国家的安全，谁掌握了世界上的能源谁就掌握了国际事务的话语权，谁就有了国家经济发展的基础，谁就有了同其他国家相抗衡的资本。

但是传统能源已经被消耗殆尽，为了国家未来的发展，世界各国都在开发新能源，太阳能作为一种既清洁又取之不尽的资源已得到了越来越多的应用。

众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。

随着世界上煤、石油、天然气储量的日益减少，能源危机也日益严重，与此同时环境污染的危机也不断的威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题也提到了人类的面前。

有人预测：

二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源[2]。

但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池），因而尚未被人们大规模的使用。

太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉，同时由于给人民提供绝对安全的热水而受到人们的欢迎，且具有节能、环保、安全、便利、长久等优点，因此它的应用会越来越广。

尤其在农村地区具有很大的现实意义：

中国四分之三的人口居住在农村，目前仍有约2万个村庄，800多万个农户，3000多万人口没有电力供应。

而农村60%左右的村民仍然依靠燃料秸秆、薪柴为主做饭和烧水，它不仅造成空气污染，而且还严重破坏植被，威胁生态环境。

随着化石能源的逐步枯竭，煤炭、石油和电力一直涨价，且能源供应日趋紧张。

太阳能无污染、无运输、无垄断、“取之不尽、用之不竭”，是最有发展前途的可再生能源。

在社会主义新农村建设中大力推广应用太阳能，不仅能够解决农村的基本能源消费问题，促进可再生能源的高效利用，实现农村生产发展、生活宽裕的双重目标，还有利于乡风文明和村容整洁，促进社会主义精神文明发展[3]。

图1-1太阳能热水器

1.2国内外研究现状简述

在世界范围内，世界上第一台太阳能热水器在100多年前诞生于美国，它是一种闷晒式热水器[4]。

到目前为止国外太阳能热水器的发展主要经历了以下几个阶段:

第一代，这是一种非常简易的利用，用铁皮桶放在楼顶，外表面刷上黑色油漆以增强对阳光的吸收；

第二代，平板式太阳能热水器，采用中心铜管加两翼铝或者铝铜合金作为吸热体，前期翼片刷油漆，后期采用对阳光具有选择性吸收的氮化铝/铝等涂层。

现今，绝大多数的涂层太阳光吸收比可达0.90以上，优质的平板式太阳能一般应具备以下几个特点：

铜管加铝翼吸热体、低铁盖板玻璃、良好的密封、采用选择性磁控溅射涂层等；

第三代，真空管式太阳能热水器，平板式太阳能采用铝等边框加玻璃盖板对吸热体进行围护，在寒冷的冬季，热散发很大，基本没有热水可用，真空管式太阳能热水器可以良好地解决这个问题，采用双层高硼硅玻璃管（类似水瓶胆原理）作为吸热体,成功解决了平板太阳能热水的散热问题；

第四代，超导热管式太阳能热水器，玻璃真空管式太阳能热水器在夏季水温高，一般购买太阳能热水器以冬季新产热进行选购，夏季热水用不完，自来水在75℃易结水垢，很多太阳能热水器在夏季就像是一台开水器，二三年下来，在管壁就结上一层水垢，阻碍了对阳光的吸收，大大降低太阳能热水器的水温，超导热管式太阳能热水器采用真空管加超导铜管和铝片作为热的传导体，水不直接流经真空管，从而使真空管的性能基本恒定，但采用较多的铜材，价格相对较高。

现在太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场[5]。

目前其产品的发展方向仍注重提高集热器的效率，如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层，以减少热量损失，聚脂薄膜的透明蜂窝已在德国和以色列批量生产。

1.3太阳能热水器市场分析

随着城市化进程的不断加快，带来了新型工业化的发展，也带来了新的建筑能源供应的需要。

预计到2020年，中国的每个城镇竣工面积将继续保持在十亿平方米左右，15年间新增城镇民用建筑面积总量将为150亿平方米，加上现有建筑面积总面积将达到280亿平方米以上，建筑的能源消耗大幅增加，不可避免[6]。

中国庞大的人口，使得我们必须高度重视建筑的能源消耗问题，积极探索出一条节能途径，在保证社会的发展和人民群众的生活水平的不断提高的大前提下，实现城市建设可持续发展，建设建筑物的能耗，将对我国的长期稳定发展有着深远的影响。

据中国节能协会节能服务产业委员会统计，中国的建筑节能产业产值在2010年接近300亿元，2012年达到664亿元人民币的规模，由此可见，建筑节能服务市场是巨大的。

2009年，中国的太阳能产业规模已位居世界第一位，而太阳能产业的产值也接近千亿大关，中国是世界上太阳能热水器生产和使用最多的国家。

但从我国城镇家庭生活热水供应率上来看，我国城镇家庭目前的生活热水供应率仅为67%，平均每户热水用能仅80~130kWh/户年，与日本的每户平均热水用能1404kWh/户年比，相差十倍，人均用热水量远低于发达国家[7]。

随着生活水平大幅提高，将进一步增加国内热水消耗。

全面开发各种太阳能热水系统，是我国城市化进程太阳能热利用的必由之路。

图1-2城乡太阳能热水器的发展

1.4本设计特点及主要内容

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[8]。

本设计是基于西门子S7-200的PLC太阳能热水器控制器设计，目的实现储水箱的低水位自动指示与自动上水功能；通过PLC内部的PID模块实现热水器恒温出水功能；为了防止在阴雨天气以及夜晚情况下人们不能够正常洗浴，系统还加入了辅助电加热器，当储水箱温度低于洗浴的设定温度时电加热器自动开始工作，同时为了尽可能的减少电能的浪费，当加热到设定的温度上限时，电加热器自动退出工作，这样可以满足人们一天24小时的不间断用水，系统还拥有自动手动两套程序，当系统运行过程中出现问题时可以通过手动切除故障，实现系统的自动手动控制，提高了系统运行的可靠性。

全文分五大部分。

第一部分包括第一章，描述太阳能的利用状况和发展前景。

第二部分包括第二章，描述太阳能热水器系统的组成及工作原理。

第三部分包括第三章，完成硬件的选型和设计。

第四部分包括第四，完成软件的设计及仿真，组态人工界面。

在本文中分别介绍了传感器的特点及应用、一般的太阳能热水器及循环系统、PLC的发展和应用、PLC和传感器的选型，这也是设计此款太阳能热水器的理论基础和必要前提。

第2章太阳能热水器的组成及工作原理

2.1太阳能热水器的基本结构

太阳能热水器按使用分类，可分为季节性热水器、全年性热水器以及有辅助热源的全天候太阳能热水器。

按集热器原理和结构可分为平板型热水器和真空管热水器[9]。

按工质流动方式不同，又可分为闷晒型、循环型和直流型三种。

但不管何种类型的太阳能热水器，其基本结构都是一样的，太阳能热水器通常由集热器、绝热储水箱、连接管道、支架和控制系统组成，如图2-1所示。

图2-1太阳能热水器的基本结构图

（1）太阳能集热器：

系统中的集热元件。

其功能相当于电热水器中的电热管。

和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在太阳照射度达到一定值的时候。

目前中国市场上最常见的是全玻璃太阳能真空集热管。

结构分为外管、内管，在内管外壁镀有选择性吸收涂层。

平板集热器的集热面板上镀有黑铬等吸热膜，金属管焊接在集热板上，平板集热器较真空管集热器成本稍高，近几年平板集热器呈现上升趋势，尤其在高层住宅的阳台式太阳能热水器方面有独特优势。

全玻璃太阳能集热真空管一般为高硼硅3.3特硬玻璃制造，选择性吸热膜采用真空溅射选择性镀膜工艺[10]。

（2）绝热贮水箱：

太阳能热水器水箱是贮存热水的装置，其结构、容量、保温和材料将直接影响热水器的性能和运行的质量。

贮水箱主要组成部分为水箱内胆、保温层、水箱外壳、密封圈四部分。

水箱内胆生产材料的质量，对水箱的耐压、耐温、防渗漏及水质影响很大。

目前市场上出售的产品，其水箱内胆主要有0.6mm厚304-2B不锈钢，它无磁性、抗锈蚀、焊接性好，塑性好。

其它的常用材料有钢板进行防腐处理或搪瓷、镀锌钢板、防锈铝板、塑料或玻璃钢等。

水箱的热特性包括放热特性、加热特性、保温特性。

放热特性就是希望水箱内的热水都能放出来，方便利用。

加热特性是大多数水箱内的水是上部先热起来，然后下部再慢慢热起来。

保温特性指水温下降的快慢，与水箱的封密性、保温材料、环境温度、水容量大小等相关。

（3）支撑架：

太阳能热水器的支撑架主要由反尾座及主撑架组成。

（4）控制系统：

一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行，控制系统是不可少的，常用的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位，带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。

市场上有手机短信控制的智能化太阳能热水器，具有水位水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能，方便了用户

（5）其它部件：

热水器的密封圈除具有密封性好、耐高温、寿命长等性能外，还应不溶于水，否则食用后会对人体有害。

质量较好的密封圈材料选用硅橡胶，但市场上采用普通橡胶或再生橡胶的商家却大有人在。

2.2太阳能热水器的工作原理

太阳能热水器是一种利用太阳辐射能通过温室效应把水加热的装置。

温室效应是指由于对流、反射损失减少使能量聚集、温度逐渐升高的一种自然现象。

温室效应又称为热箱原理，它是通过一个上面盖有透明玻璃的封闭箱体来实现能量聚积的[11]。

阳光透过玻璃进入箱体内，被黑色表面吸收，而向外反射和对流的能量受到玻璃和箱体的阻挡，被保留在箱内，这样箱体内的能量不断积聚，温度不断升高，甚至可达100℃～200℃。

利用聚积的高温来加热水，就是太阳能热水器。

太阳光穿过吸热管的第一层玻璃照到第二层玻璃的黑色吸热层上，将太阳光能的热量吸收，由于两层玻璃之间是真空隔热的，热量不能向外传，只能传给玻璃管里面的水，使玻璃管内的水加热，加热的水便轻沿着玻璃管受热面往上进入保温储水桶。

由于太阳能热水器在运行过程中不消耗任何常规能源（煤、石油、天然气、电等），所以人们把它形象地称为“不烧煤的锅炉”[12]。

真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠集热管，集热管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热水[13]。

集热器内的水加热后要与储水箱里面的冷水实现循环以使储水箱里的水不断的被加热，目前常用的热交换方式主要有三种：

自然循环、强迫循环和定温放水循环。

（1）自然循环式：

自然循环的特点是，储水箱必须安设在集热器顶端水平面以上才可进行系统循环。

装置中集热器内的水经太阳辐射，使水温上升，密度开始逐渐变小，与储水箱内未被太阳辐射的水产生了密度差（或称重力差、温度差），形成了热虹吸压头在集热器中缓缓上升。

温水经过设置管道（上循环管）进入储水箱，而在此同时储水箱内相对温度低、密度较大的水慢慢下降，经设置管道（下循环管）流入集热器下部补充。

这样以水的比重差或称热虹吸压头为作用力，而不借助外力来使水进行循环的方式称为自然循环[14]。

自然循环的运行其密度差愈大，循环的速度愈快，反之循环的愈慢。

这种循环方式能使储水箱内的水持续升温，太阳辐射停止，循环也渐渐终止。

图2-2太阳能热水器水循环原理图

（2）强迫循环式：

强迫循环顾名思义是借助外力迫使集热器与储水箱内的水进行循环。

它的特点是储水箱的位置不受集热器位置的制约，可任意设置，可高于集热器，也可低于集热器。

它是通过水泵将集热器接收太阳辐射的水与储水箱的水进行循环，使储水箱内的水温逐渐增高。

市场上经常采用的强迫循环热水器是一种两次循环分离式热水器，集热器装入特殊的导热介质或防冻液，靠循环泵进行循环[15]。

该泵由温差启动器进行控制，当温差达到预定温度时，启动泵，进行循环；低于预定温度时，泵停止运行。

热水是通过储热水箱中的特殊的热交换器进行热交换的（图2-2）。

（3）定温放水式：

定温放水式与强迫循环不同的是它不是循环的概念，而是通过温度控制器将达到设定温度的水用水源压力或水源加压力水泵输送到储水箱内。

它的特点是水源经集热器到储水箱，因为没有循环，又非常简单，只是将水在集热器内闷晒后送入储水箱，因此，有人将这一方式称为直流式或直流定温放水[16]。

这种方式的又一特点是与温差控制式强迫循环的方式一并使用能有效地节约用水，定温放水的水箱容积一般较大，有时前一天的水未被用完，如果不升温，水即被白白放掉，如果有温差或强迫循环的机构就可将这部分水加温。

2.3本设计要实现的功能

在本系统中需要实现以下几种功能：

（1）自动上水及水位上下限指示功能

在系统中通过加入限位开关来不断的检测储水箱内的水位，当水箱内的水位低设定值下限时，低液位指示灯点亮，上水阀自动打开开始加水，当水位上升到设定值上限时，高液位指示灯点亮，上水阀自动关闭，加水停止。

（2）集热器热水与储水箱中冷水进行循环功能

通过在集热器出水口放置温度传感器可以检测出水温度，再通过在储水箱里面放温度传感器检测储水箱内的水温度，再通过两个温度值的比较，当集热器出水温度大于储水箱水温度时，循环泵打开，实现水循环，使储水箱里面的水不断的被加热，只要有温度差循环就进行，直到两者之间的温度差消失。

（3）辅助电加热功能

储水箱里的温度传感器带显示功能，设定一个储水箱水温度上下限值当温度低于设定的温度下限时，辅助电加热器开始工作，储水箱里的水温开始上升，当达到温度上限时电加热停止，以达到全天候不间断供应可以洗浴的热水的目的，尤其在阴天或者晚上时能够满足人们的洗浴要求。

（4）恒温出水功能

通过设定一个温度值，然后在三通调节阀的出水口放置一个温度传感器，不间断的测量三通阀的出水温度，再通过与设定值的比较，通过PLC的中的PID模块计算，控制三通调节阀的开度，使三通调节阀的出水温度恒定。

PLC的PID闭环控制可以实现对温度的精确控制，可以满足人们对洗浴水温的高标准要求，避免水温的不稳定对人身造成的伤害。

（5）自动手动转换功能

在系统运行过程中有可能碰到很多未知的实际问题，为了防止系统出现崩溃，应设置必要的手动自动转换功能。

在系统发生不能排除的问题或检测失效时，启用手动操作，切除故障。

还可以在洗浴条件不满足时强制进行洗浴，强制加水。

为了调试系统的需要，这些手动程序也是必要的。

第3章太阳能热水器硬件的选型及设计

3.1PLC的工作原理

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[17]。

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土作过程如图3-1所示。

从图3-1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[18]。

在系统软件的指挥下，的程序流程顺序地执行，这种工作方式成为顺序扫描方式。

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