太阳能热水器控制系统设计.docx
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太阳能热水器控制系统设计
太阳能热水器控制系统设计
第1章绪论
第2章选题背景及意义
热水是我们生活中必不可少的，尤其是在冬季，人们对热水的需求更大。
在没有使用洗碗机的家庭中，人们吃完饭后更喜欢使用温热水来洗碗，其中的原因大家都知道，在用温热水洗的时候，不会冻手；人们洗澡时也需要热水，有的家庭使用空气能热水器，有的更倾向燃气热水器，还有的则安装电热水器。
这三种加热方式在普通家庭是常见的选择，但在用水量庞大、且24小时需要热水供应的环境中使用就显得不合适了。
在上述环境中，我们一般采用锅炉加热或者电加热，以保证水量庞大且24小时热水供应。
故我们需要设计一种采用太阳能集热方式，可以不用关注天气的装置，并且可以满足这种用水量庞大的、24小时供应热水的环境使用。
第3章本课题的研究内容
目前较为常见的跟踪方法是光电跟踪方式和视日运动轨迹跟踪方式。
查阅相关资料后发现光电跟踪方式在阴天时，太阳辐射较弱，光电转换器很难灵敏响应光线的变化；在多云天气时，当太阳被云层遮住，光电转换器会给出错误响应，使整体产生误动作，严重的话会引起大事故。
视日运动轨迹跟踪方式是根据太阳的运行轨迹，通过计算每一时刻的太阳高度角与水平角参数，从而控制装置跟踪太阳。
因此视日运动轨迹跟踪方式的精度取决于输入信息的准确性，以及跟踪装置初始安装时的水平指北确定。
经过对比两种跟踪方式，本设计决定采用第二种跟踪方式，即视日运动轨迹跟踪方式。
而本课题主要研究的是太阳能集热控制系统，故在上述提出的跟踪方法的基础上增加一个太阳能集热控制系统。
该系统包括集热系统、油与水的热交换控制系统、生活用热水供水控制系统。
在太阳自动跟踪的基础上，实现太阳能集热控制系统全天候、高效率地独立运行，将尽可能多的太阳能转换为热能，提供给用户使用。
针对整个控制系统分别进行了硬件设计和软件设计。
硬件设计包括PLC型号的选择、温度传感器和温度变送器的选型及设置、PLC的I/O分配、PLC的硬件连接、温度变送器与EM235模块的连接、温度变送器与热电偶/热电阻的连接；而软件部分则设计了太阳能集热系统的控制体系，实现了各个硬件模块的功能、并将检测得到的数据进行处理以及执行机构的驱动控制。
最后，设计了太阳能集热系统相关环节的实验，以达到硬件与软件的良好契合。
第4章可编程控制器的概述
第5章可编程控制器的简介
自上世纪年代美国可编程逻辑控制器（PLC）发行至今，PLC编程和自动化的飞快地发展并在全世界的范围内得到广泛的应用。
于此同时，PLC控制的功能也在不断的进行着优化。
随着现代计算机科学技术，信号处理的同步技术实物的控制技术网络的技术不断发展和创新和不同用户需求的不断的增加，PLC配备模拟处理和运动控制功能。
PLC不再局限于逻辑控制，而是在运动控制过程领域发挥重要作用。
第6章可编程逻辑控制器在生活中的应用
当前，可控制编程的PLC已经很熟练的应用于钢铁建造，石油提炼，化工上，电力建设，建材设计，机械的制造，汽车的制造，纺织工业，交通，环保，文化娱乐等各个方面的行业。
常见的用法大致的有以下这几类：
1、开关量的逻辑控制
这些是PLC可控制自动化的最基本，应用最广泛的生活上的领域。
它快速的取代了传统的继电器电路，实现了逻辑上控制和顺序的控制。
它可用于单一设备的控制，多机组合的控制和自动装配线的控制。
2、模拟量控制
在工业过程中，存在许多连续变化，例如温度、压力和流量等具有类似的量级。
要使可编程逻辑控制器处理模拟量，必须在模拟量和数字量之间实现A/D转换和D/A转换。
3、运动控制
PLC可用于控制圆周运动或线性运动。
例如，单轴或多轴位置控制模块可以驱动步进电机或伺服电机。
几乎所有的PLC制造商都具有运动控制功能，广泛应用于各种机器、机床、机器人、电梯和其他应用。
4、过程控制
过程控制是指模拟量的闭环控制，例如温度，压力和流量。
作为工业控制计算机，PLC可以编程各种控制算法程序来完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中常用的调整方法。
PID处理一般是一个专用的PID子程序。
5、数据处理
现代PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算），数据传输，数据转换，排序，表查找，位操作等功能，可完成数据采集，分析和处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值进行比较，以执行某些控制操作，或者可以使用通信功能传输到其他智能设备，或者打印和制表。
数据处理通常用于大型控制系统，如无人值守灵活的制造系统;它还可以用于过程控制系统，例如纸张，冶金和食品工业中的大型控制系统。
第7章可编程逻辑控制器的工作原理
当可编程逻辑控制器投入运行时，其执行流程通常分为三个阶段，即输入采样，用户程序执行和输出刷新。
1、输入采样
在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描模式顺序读取所有输入状态和数据，并将它们存储在I/O映射地址的相应位置。
输入采样完成后，跳转到用户程序执行和输出刷新阶段。
2、用户程序执行
在用户编写的程序执行的阶段，可编程逻辑控制器根据自上而下的规则从上到下扫描用户程序。
然后按照逻辑顺序，依次从第一行左侧第一个开始执行，直到第一行的最后一个。
然后，根据逻辑运算的结果，刷新系统随机存取存储区中逻辑线圈的相应位的状态；也可以刷新I/O映射地址中输出线圈的相应位的状态。
也就是说，在执行用户程序的时候，只有I/O映射的地址中输入点的状态和数据不会发生变化，其他输出点和软设备位于I/O映射的地址或存储在系统是随机访问PLC控制器中的位置。
相反，在下面的梯形图中，刷新的逻辑线圈的状态或数据只能应用于前一扫描周期中列出的程序。
3、输出刷新
当扫描用户程序结束时，可编程逻辑控制器进入输出刷新阶段。
第8章可编程逻辑控制器的编程语言
不同的编程语言都有各自的特点和应用。
世界各地的电气工程师对它们有不同的偏好。
在中国，人们对梯形图、指令表和顺序控制功能图比较熟悉，而很少有人使用功能块图。
结构化文本是一种传统的PLC编程系统中没有的或很少见的编程语言。
梯形图是最早使用的一种PLC编程语言，也是现在最常用的编程语言，它是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的，继承了继电器控制系统中的基本工作原理和电气逻辑关系的表示方法，梯形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定的区别，所以在逻辑顺序控制系统中得到了广泛的使用。
在梯形图中，触点代表的逻辑含义为“输入”的条件，如现实生活的开关、按钮和内在条件等;线圈通常代表逻辑“输出”结果，如灯、接触器、中间继电器等。
故在本系统中，我将采用梯形图作为首选编程语言。
第9章MCGS的概述
第10章MCGS的简介
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，监视与控制通用系统）是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。
MCGS组态软件包括三个版本，分别是网络版、通用版、嵌入版。
具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。
通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。
用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。
第11章MCGS的主要功能
（1）简单的可视化操作界面
MCGS采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变符合中国人的使用习惯和要求。
用户可以根据自己的需要自己组态配置图形界面，生成各种类型和风格的图形界面。
（2）丰富、生动的多媒体画面
MCGS以图像、图符报表和曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等有关信息；通过对图形大小的变化、颜色的改变、明暗的闪烁、图形的移动反转等多种手段，增强画面的动态显示效果；在图元、图符对象上定义相应的状态属性，实现动画效果。
（3）完善的安全机制
MCGS提供了良好的安全机制，为多个不同级别的用户设定了不同的权限。
此外MCGS还提供了工程密码，锁定软件狗、工程运行期限等功能，大大加强了保护组态开发者劳动成果的力度。
（4）强大的网络功能
MCGS支持TCP/IP、MODEN、RS-458/RS-422/RS-232等多种网络体系结构；使用MCGS网络版组态软件，可以在整个企业范围内，用IE浏览器方便的浏览到实时和历史的监控信息，实现设备管理和企业管理的集成。
（5）多样化的报警功能
MCGS提供多种不同的警报方式，具有丰富的警报类型和灵活多样的警报处理函数。
不仅方便用户进行警报设置，并且实现了系统实时显示、打印警报信息的功能。
警报信息的存储与应答功能，为工业现场安全可靠地生产运行提供了有力的保障。
（6）实时数据库
MCGS由主窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，其中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的功用数据区，是整个系统的核心。
各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。
在生成用户应用系统时，每个部分均可分别进行组态配置，独立创建，互不干扰；而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换，形成互相关连的整体。
（7）数据库存储数据
MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理。
组态时，系统生成的组态结构是一个数据库；运行时，系统自动生成一个数据库，保存和处理数据对象和报警信息的数据。
利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率；同时，也使其他应用软件系统能直接数据库中存盘数据。
第12章MCGS与PLC通讯设置
在组态工作台界面中，用鼠标单击“设备窗口”选项，出现设备窗口图标并双击进入设备组态窗口。
在此窗口中通过设备工具箱，添加通用串口父设备和PLC选项下西门子S7-200PPI，完成设备组态，如图1所示。
图1添加设备0
设备组态完成后，双击“通用串口父设备0”，进入通用串口父设备属性编辑界面，根据设备通讯要求和连接情况，完成通用串口父设备属性编辑界面中相关的参数设置，根据西门子PPI通讯协议设置参数为：
通讯波特率9600，数据位位数为8，停止位数为1，数据校验方式为偶校验，串口通讯号为COM1。
具体设置如图2所示，按“确认”完成设置。
图2设置通用串口
返回设备组态窗口，双击“设备0-[西门子S7-200PPI]”进入设备属性设置窗口，在此窗口中有“基本属性”，“通道连接”，“设备调试”，“数据处理”选项卡。
在实验中，不涉及“数据处理”。
其中，在“基本属性”窗口中，点击“设置设备内部属性”，出现如图3所示画面，
图3S7-200属性设置
点击“增加通道”按钮，出现图4所示对话框，在此，以读取Q0.0值为例，在通道类型下拉菜单中选择Q输出寄存器，通道地址为0，连续通道个数为1，操作方式为只读，点击“确定”，就可以看到Q0.0通道已经成功添加到PLC通道列表中。
模拟量值可先存入V数据寄存器，然后再进行读取，方法类似。
图4添加设备通道对话框
在通道连接窗口，将实时数据库中定义的对象与对应的通道值对应，例如，实时数据库中M1表示某灯，灯M1对应Q0.0，那么当Q0.0的值为1时，M1的值也为1。
在设备调试窗口中，如果“通讯状态标志”栏中，显示“0”则表示通讯正常，若显示“-1”则表示通讯不正常。
其他通道及变量设置均与此相似。
至此，在MCGS中已经将变量与PLC中的I/O口相关联，可以读取写入值到PLC中。
第13章太阳集热系统的硬件设计
第14章太阳集热控制系统的要求
第15章集热系统的要求
（1）集热循环控制：
集热器温控器1达到200℃时利用变频器启动油泵1，按照200-330℃范围变频控制，随着温度升高频率增加，流量增大，到300℃时油泵工频工作。
（2）集热保护控制：
集热器温控器1超过330℃时启动追日电机系统旋转至上一个位置进行避日减少集热以防止硅油碳化，集热器温控器1低于200℃时追日电机系统恢复正常转动。
第16章热交换控制系统的要求
按照出水温度温控器3显示80-95℃启停油泵和水泵，将热水储存至高温水箱；启动该功能后水泵1率先启动，延时30秒后油泵2启动；该功能停止时油泵2率先停止，延时120秒后水泵1停止。
第17章生活用热水供水控制的要求
按照出水温度温控器4显示38-42℃启停水泵5，将热水储存至水箱。
供水控制：
供水控制有水泵6向各点供水，水泵6的控制由温控器6显示与压力控制。
供回水控制：
供回水控制由循环管路末端温度温控器7显示和直流水泵6控制，该传感器温度低于35℃时打开直流水泵6，达到42℃时关闭直流水泵6。
第18章PLC及其他硬件的选型和配置
第19章PLC型号的选择
S7-200是西门子公司生产的小型PLC产品，其性价比较高。
S7-200的硬件配置相对完整，除主机外还可以添加I/O扩展模块，A/D模块和D/A模块。
CPU226是200系列之一，它具有像下面的基本性能和参数：
40个I/O点数，其中，24个的输入点位和16个输出点位；100个计时器，所述计时单元可以分为0.01秒，0.1秒和1秒；44个计数器，最大计数值32767；126个可供用户使用的数据寄存器；系统寄存器，借助系统寄存器能实现高速计数、脉冲捕捉、中断、输入延时滤波、脉冲输出、实时时钟、可调值输入及通信等特殊功能；指令数为154个，具有算术、逻辑、比较及表达式运算能力。
CPU226的PLC至多可以拓展接7个扩展模块。
由于本太阳集热控制系统需要3个输入点，9个输出点以及8个模拟量输入点。
所以我选择了S7-200系列PLC中CPU型号为226的。
本PLC有24个输入端口，其有16个输出端口，且可接拓展的模拟量模块，满足本控制系统的需求，并且对后续拓展预留了I/O端口。
第20章温度传感器及温度变送器设置
由要求可知，集热器的温度范围在0-400℃，且集热器安装在空中；高温水箱及其他水箱上的温度传感器的温度范围在0-120℃。
根据各种温度传感器的量程及温度数据采集的准确性对比后，得出集热器上的温度传感器适宜采用Pt100型铂热电阻；水箱上的温度传感器适宜采用T型热电偶。
根据上述各个温度传感器所处于的温度范围，如图5所示，选择分度号，设置变送下限、变送上限，点击下载即可完成设置并下载至温度变送器中。
其他温度变送器诸如此，逐个设置温度变送器的参数。
图5温度变送器设置界面
第21章PLCI/O分配表
根据系统的控制要求，为了在后续程序编写中更方便直观，我定义了如下表格1的PLCI/O分配表。
表格1PLCI/O分配表
端口定义
输入端口
端口定义
输出端口
启动按钮
I0.0
油泵1
Q0.0
停止按钮
I0.1
油泵2
Q0.1
停止按钮
I0.2
水泵1
Q0.2
温控器1
AIW0
水泵3
Q0.3
温控器2
AIW2
水泵5
Q0.4
温控器3
AIW4
水泵2
Q0.5
温控器4
AIW6
水泵4
Q0.6
温控器5
AIW8
水泵6
Q0.7
温控器6
AIW10
蔽日
Q1.0
温控器7
AIW12
温控器8
AIW14
第22章集热系统硬件连接图
第23章PLC硬件接线图
图6PLC硬件接线图
第24章EM235模块连接
EM235模块，对于电压信号，按正、负极直接接入X＋和X－；对于电流信号，将RX和X＋短接后接入电流输入信号的“＋”端，将X－接入电流输入信号的“－”端，并将X－与PLC中的M相连，以降低电源对信号的干扰；未连接传感器的通道要将X＋和X－短接。
具体连接方式如下图7所示。
在本课题中，所用到的模拟量均采用4-20mA的电流信号。
图7EM235模块接线图
第25章温度变送器与热电偶/热电阻连接
如下图8，即是温度变送器与热电偶/热电阻连接的示意图。
图8温度变送器与热电偶/热电阻连接图
第26章系统的软件设计
第27章编程软件STEP7--Micro/WIN概述
第28章STEP7--Micro/WIN简单介绍
STEP7-Micro/WIN编程软件的特点是节省时间和功能强大的工具－这意味着在您日常的日常工作中极大的成本节约。
编程软件的运行与标准的Windows应用程序相同。
Micro/WIN包含了对整个S7-200系列控制器进行编程所需的全部工具。
第29章PC与PLC的通信方式
1、PPI通讯
PPI协议是S7-200CPU最基本的通信方式，通过原来自身的端口（PORT0或PORT1）就可以实现通信，是S7-200CPU默认的通信方式。
2、以太网通讯
以太网的核心思想是使用共享的公共传输通道。
1984年，出现了细电缆以太网产品，后来陆续出现了粗电缆、双绞线、CATV同轴电缆、光缆及多种媒体的混合以太网产品。
以太网是目前世界上最流行的拓朴标准之一，具有传传播速率高、网络资源丰富、系统功能强、安装简单和使用维护方便等很多优点。
为了现场调试及模拟测试方便，本课题中PC与PLC采用PPI通讯方式，PC与PLC连接仅需一根PPI通讯线。
第30章程序设计
第31章温度数据转换思路
（1）模拟量值和A/D转换值的转换是成线性关系的。
假设模拟量的标准电信号是A0～Am（如4～20mA），A/D转换后的数值为D0～Dm（如6400～32000），设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系A=f（D）可以表示为数学方程：
根据该方程式，可以方便地根据D值计算出A值。
将该方程式逆变换，得出函数关系D=f（A）可以表示为数学方程：
（2）具体举一个实例，以S7-200和4～20mA为例，经A/D转换后，得到的数值是6400～32000，即A0=4，Am=20，D0=6400，Dm=32000，代入公式，得出：
假设该模拟量与AIW2对应，则当AIW2的值为12800时，相应的模拟电信号是
根据上述得出的公式，可以写出如图9所示的PLC梯形图。
可以将温度变送器输出的4-20mA在PLC中转换成我们熟悉的十进制的温度值。
图9温度数据转换截图
第32章比较指令
由于程序中用到了较多比较指令，故挑选其中一个举例讲解，具体如下。
当室外温度低于10摄氏度，且中温水箱温控器5大于45摄氏度时，启动补热水泵4进行补热工作；当室外温度高于10摄氏度或中温水箱温控器5低于45摄氏度时，补热水泵4停止工作。
PLC梯形图程序如下图10所示。
其他部分的温度比较程序，均与此类似，不再复述。
图10比较指令部分程序截图
第33章MCGS画面的设计
第34章组态变量的建立及设备连接
在MCGS的实时数据库中，点击“新增对象”，双击打开对象属性设置界面，更改对象名称、对象初值及对象属性等，如图11所示完成后点确认。
图11数据对象属性设置
打开设备组态，双击选择“设备0--【西门子_S7200PPI】”，如图12所示，选择增加设备通道，选择通道类型、数据类型、通道地址及通道个数，如图13所示，添加的数据确定无误后，点击确认即可完成设备通道的添加。
图12设备编辑窗口截图
图13添加设备通道截图
双击新添加的设备通道，选择需要关联的内部对象名，点确认，如下图14，就完成MCGS内部变量与PLC的关联。
图14变量选择截图
第35章创建组态画面
根据课题要求，绘制出下图15的MCGS界面，可以实现在MCGS上实时显示各个温度传感器所测得的温度数值；同时也可以在MCGS触摸屏上更改需要控制的温度上下限，无需重新下载PLC程序，方便用户使用。
图15组态主画面截图
第36章数据报警提示
若当前的温度数据超过设定的正常范围，在MCGS上会有突出颜色闪烁，并发出报警，以达到警示用户的作用。
参考文献
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