PLC太阳能热水器水位控制系统设计论文.docx

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PLC太阳能热水器水位控制系统设计论文

目录

第一章绪论1

第一节设计目的1

第二节国内外研究动态及发展现状1

第三节太阳能自动化水位控制整体结构介绍2

第四节太阳能工艺流程图2

第二章太阳能热水器控制器硬件选择5

第一节系统设计要求5

第二节PLC的选择5

第三章太阳能热水器控制器软件设计11

第一节PLC的I/O口分配与软元件的分配11

第二节软件的组成12

第三节系统控制流程图13

第四节梯形图程序14

结束语15

谢辞16

参考文献17

附录Ⅰ梯形图18

第一章绪论

第一节设计目的

随着太阳能热水器的普及，如何更好地利用太阳能热水器成为人们的研究对象，太阳能水位自动化的控制成为一个现实的问题，由于太阳能热水器的注水箱大多安装在房顶上，是否缺水不易观察，如何使用自动水位控制装置来控制水泵的工作，就能够很好的解决这个问题，从而给广大用户带来很大的方便。

第二节国内外研究动态及发展现状

从上世纪八十年代起，国内外已经对太阳能水位控制进行了广泛的研究。

而太阳热水器水位控制的技术难点在水位传感器。

目前市场上有两种形式的传器，一种是利用水作介质进行导电的电极传感器，这种传感器的原理是只要把两电极接通就会有相应的信号传给主机，显示水位；另一种传感器是浮子式，这种传感器的原理就是利用电磁场开关干簧管，输出电信号。

由于电极在水中导电不可避免地要电解电极，故电极式传感器的寿命一般长1—2年，电极加粗后寿命可达3—4年。

山东赛佳公司从事生产研究已多年，在传感器技术的研究上于2000年3月份终于研制成功谐振及硅压力两大系列水位传感器。

这两个系列传感器由于没有采用导电和浮子式的投入式工作方式，传感器的工作环境大大改善，同时这样也从根本上解决了电极的电解和浮子的结垢问题。

这两大系列传感器试制成功后，该公司并没有急于推向市场，而是为了保证传感器在工艺上尽善尽美，又进行了40多种方案的试验，而且在外界环境比较特殊的地区如高温、高寒、多雷等地区进行了小批试验。

历经一年多的的实地观察，事实证明这两大系列的传感器在技术上稳定可靠，在工艺上制作简单，安装维修方便。

这两种传感器的研制成功，突破了太阳热水器水位控制在技术上的瓶颈，必将带来整个行业的一次革命。

进步源于竞争，在我国太阳能拥有广阔的市场，当然也有更大的竞争，各大商家为了使自己的产品在市场上立足并长远发展，不断提高太阳能热水器的性能,其中太阳能热水器控制器以其灵活、贴近客户成为商家竞争的热点。

目前，各大商家纷纷提高太阳能热水器的智能化程度来满足消费者的需求。

许多太阳能热水器的功能有：

开机自检、温控上水、强制上水、水位预置、水质设置、水温指示、低水压上水、水位显示、防高温空晒、缺水报警、自动防溢流、缺水上水、手动上水、故障提示等许多贴近客户需求的功能。

目前太阳能控制器的控制器基本实现数字化，以单片机为控制核心的控制系统占领太阳能热水器的主要市场。

在市场调查中发现，太阳能控制单片机的型号较多，其中应用最多的是51系列和PIC系列单片机。

太阳能热水器控制系统可以实现水位显示、水位控制、温度显示、防冻等多种功能，其中对水位的检测、控制、实现水位显示、自动上水、超限报警是太阳能热水器控制系统的核心。

第三节太阳能自动化水位控制整体结构介绍

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

电压（单极性）

电压（双极性）

电流

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）

无

信号范围

电压输出

电注输出

±10V

0到20mA

数据字格式

电压

电流

-32000～+32000

0～+32000

分辨率，满量程

电压

电流

12位

11位

精度

最坏情况，0～55℃

电压输出

电流输出

满量程的±2%

满量程的±2%

典型值，25℃

电压输出

电流输出

满量程的±0.5%

满量程的±0.5%

设置时间

电压输出

电流输出

100μs

2mS

最大驱动@24V用户电源

电压输出

电流输出

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。

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

代号

工程名称

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

代号

名称

数量

规格型号

备注

0

PLC

可编程控制器

1

FX_2n-32MR-ES/

继电器输出型

1

HL--HL3

指示灯

4

AD16-22G

LED显示,220V

2

KM1-KM2

交流接触器

2

DJX-9

线圈电压：

220V

3

SB1-SB5

按钮

5

LAY37

绿色

4

SB

启动按钮

1

LAY37

绿色

5

S

自动/手动开关

1

SR26

封闭式

6

SL1-SL2

温度检测开关

2

TH22

接通与断开最小温差1.1℃

7

TC

隔离变压器

1

BK-100

电压：

220V

8

FU1-FU8

熔断器

8

RL1-15

熔体2-10A

9

FR

热继电器

2

JR16-20/3

参照电机电流

10

M

微型电动机

1

YYHS－45

电压220V频率50HZ

11

YA

报警器

1

SWP-X100

交流220V

12

YV2

排水阀

1

SSFK-C014

交流12-220V

13

YV1

供水阀

1

SSFK-C024

交直流3-220V

14

YC

除尘阀

1

SSFK-C017

交流220V

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