毕业论文范文——PLC太阳能热水器自动控制系统.doc

1、 1 摘 要 本课题研究了可编程控制器（ PLC）在太阳能热水器自动控制系统中 的应用。重点研究了 系统的硬件构成及系统软件的设计过程。指出了 PLC 设计的关键主要是能满足基本控制功能 , 并考虑维护的方便性、系统可扩展性等。在本文中经研究确定出了系统的各个工序，绘制了系统的工艺流程图；进行了系统的 I/O 分配和 PLC 的选型；根据系统设计要求设计绘制了系统的控制梯形图；绘制出了控制系统电气原理图和接线图等。 通过用 PLC 对太阳能热水器自动控制系统的改造，大大减少了系统 对其它元器件的使用，使系统接线简单、检修维护方便快捷、可靠性提高，增进了系统的先进性。 关键词 : PLC；太阳能

2、；自动控制系统；热水器 2 前 言 用太阳能解决我国家庭热水是最有希望的、最有效可行的途径。太阳能光热应用市场前景广阔，除家庭用热水外，还可用于工业热水、采暖、空调、干燥、农业种植、水产养殖、海水淡化等领域。 在此基础上设计出了全玻璃真空管式热水器的自动控制系统。 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。可编程控制器由于可提供使用的时间继电器和中间继电器相当多，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

3、，简化控制线路、有效提高系统的可靠性，是 PLC 的突出特点。 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。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。 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 的太阳能热水器自动控制系统 。 第一章 、太阳能热水器介绍 1.1 国内外研究现状 (1) 国内研究现状 我国

4、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热水器生产国，但与太阳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。近几年来，市场上陆续出现了一些太阳能 热水器控制器，但大多数控制器存在着诸如性能不稳定，容易产生误操作；温度、水位检测、控制误差大；显示器有时出现乱码；与电辅助加热装置不能很好配合；太阳能利用率较低等问题，影响了用户的使用。更有甚者，有些控制器质量较差，经常发生故障，给用户带来诸多不便，严重影响了用户的使用，从而影响到太阳热水器的销售。太阳热水器，尤其是太阳热水系统及其控制器有着广阔的发展前景，但现有的技术研究和产品

5、开发投入较少。因此，在太阳热水器、太阳热水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 (2) 国外研究现状 太阳能热水器是利用太阳辐射能和热水的装置。世界上第一台热水器是美国马里兰州3 的肯普于 1891 年发明的。到第二次世界大战结束，人们创造了各式各样被统称为 “ 闷晒式 ” 的太阳能热水器。第二次世界大战结束后，人们的注意力又开始转向发展经济。一些缺少常规能源的国家，如日本，开始投入人力物力开发利用太阳能，经过人们的努力，各种简易的平板太阳集热器已开始在市场中出现。到 20 世界 70 年代，随着世界性能源危机日益严重，迫使人们对太阳能的开发利用

6、又重新重视起来，许多国家花了不少人力物力，用于大力研究 和开发太阳能利用技术，尤其是太阳能热水器。到上世纪 70 年代末，太阳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 真空管太阳热水器性能通过

7、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。在全玻璃真空管太阳能热水器的基础，为进一步提高效率，提高性能，德国研制出热管式真空管太阳热水器，一些国家研制出了一些高质量的太阳热水器专用零部件，另一些国家为优化设计专门开发了用于太阳能热水器的应用软件。还有一些国家，开发出功能完善，能全天候使用太阳热水器系统。在西方先进国家，在太阳能热水器方面的研发和推广应用一直比较活跃。 1.2 目前我国太阳能热水器的种类 (1)平板太 阳热水器 平板式太阳能热水器又叫“平板集热器” 如图 1，它是太阳热水器的基本型之一。由它可以派生出许多同

8、类热水器，如翅翼型、波纹板型、塑料压制型等等，但它们的集热基本原理都一样。水的循环靠温差比重不同。热水轻，向上升。冷水密度大，只能从底部慢慢向上顶。水箱中的水通过集热器的循环加温，逐步达到平衡，则不再流动。事实上水箱中的水总是源源不断进入集热器的底部，而热水也不断流入水箱的上部。平板型太阳集热器以其简单、价廉和安装方便在全世界都获得了广泛的应用。普通平板型太阳集热器由吸热体、壳体、透明盖板和隔热材料等组成。 当太阳照射到集热器时，集热器板上水道中的水被加热而发生膨胀、变轻、产生“水往高处流”的现象，就像热烟气从烟囱中冒出一样，这就是所谓的“热虹吸”现象，系统中水流的循环运动完全依靠自身各部位温

9、度不同而形成自然循环，即只要有太阳照射，就能实现这种循环。水在集热器中受热变轻，由集热器4 底部上升至顶部。再经循环管流入保温水箱，水箱下部的冷水由下循环管流入集热器底部。如此循环，使整个水箱中是水温升高。 这种集热器的优点是： 工艺不复杂，加工成本低。 水流的循环和加热全部依靠集热器的吸热作用，不需要泵和其它能源，运行成 本低，确实是一次投资，长期受益。 水流系统常压运行，无需带压设备，没有任何安全隐患。 整个系统没有运转设备，水对吸热板没有腐蚀作用，故使用寿命很长。 缺点： 由于白天、晚上的温度不同，集热器易产生倒流。 在高温段效率偏低，表面热损大。 在冬季低于 0时，因集热器中的水结冰膨

10、胀，将管子胀裂。 流动阻力分布不均，抗冻性能差，所以使用范围局限在北方的夏天和南方不结冻地区的冬天。 图 1 平板太阳热水器 (2) 全玻璃真空管式热水器 全玻璃真空管式太阳能热水器是在平板型太阳集热器的基础上发展的一种新型 太阳能集热装置 ，如图 2。全玻璃真空管太阳集热器的核心元件是玻璃真空集热管，它采用了真空技术，消除了气体的对流与传导热损，并应用选择性吸收涂层，使真空集热管的辐射热损降到最低，这样真空管太阳集热器可以在中高温下运行，也能在寒冷地区的冬季及低日照与天气多变地区运行，扩大了应用领域。全玻璃真空太阳集热管通常采用单端开口的形式，在一端将内、罩玻璃管环形熔封在一起。真空集热器内

11、装有吸气剂。 5 这种集热器的优点是： 结构简单、制造方便、可靠性强。 集热效率高，保温性能好。 可以在中高温下运行，也能在寒冷地区的冬季运 行。 使用寿命长，一年四季都可使用。 缺点： 管内存水过多，管内水温上升缓慢，而且对于真空管南北放置的热水装置，管中的热水无法全部取出，致使系统热水利用率降低。 不能承压，易在玻璃管内结垢，管子易炸裂，而且在严寒地区使用会冻结。 价格昂贵。 图 2 全玻璃真空管式热水器 (3)热管式太阳能热水器 热管式热水器也是一种可以常年使用的太阳能设备 如图 3，基本原理同热管式太阳灶差不多。但是，由于一般提供洗浴用的热水温度不太高，所以对热管的要求也比太阳灶要低。

12、甚至从满足生活热水的单项要求来说，这种热管在技术 上和经济上均优于真空集热管。我国大连生产的热管式热水器虽然初始投资高于平板式集热器，但是低于真空管集热器，而使用效果也不差。国外同类热管式热水器的产量和型号正在不断增加。此种热水器的热管，结构简单，工质易得，抗冻性和热效率均好，使用寿命也长。 热管式热水器在外形结构上很象管板式热水器，只不过把普通排管变成了热管，少个或省去了一个集水管，热管上同样可装翅片吸收太阳能。当热管收集到太阳的热之后，立刻把它输送到集热管，并在水箱中进行换热，于是得到热水。由于热量是由热管输送、选择合适的工质与管材、管芯，就能保证其化 学相容性，避免一般管板式热水器的腐蚀

13、性。6 同时，因为热管内的工质很少，不像管板式热水器里面充满着水，所以热损较低，起动也较快。而且热管式热水器的工作温度范围也比管板式热水器宽得多，不用担心 00C 时水会结冰，也不怕高于 100时水会沸腾 。 图 3 热管式太阳能热水器 (4)热管 真空管式太阳能热水器 热管 真空管式集热器是一种新型的太阳能集热装置，集中热管式和真空管式集热器二者的优点，克服彼此的缺点。例如，利用热管起动快，一通过不同工质可以控制热水器的工作温度，而真空管集热器在无负荷闷晒时，往往会出现超过 200的高温，使水的压力增大，造成使用中的不便等。但真空管集热器的优点在于绝热性好，热效率高。其原理是太阳辐射穿过真空

14、管玻璃外壳，投射在金属吸热板上，吸热板将太阳辐射能转化为热能，使热管蒸发段内的传热介质汽化。蒸汽上升到热管冷凝段后，通过导热块将热量传递给集热管内的工质，而自身又凝结成液体，依靠重力流回蒸发段。上述过程重复循环，使集热管内的工质不断升温。由于运用了真空技术，大幅度降低了集热器的热损失，因而使其在高工质温度或低环境温度的运行条件下仍具有良好的热性能，同时运用了热管技术，被加热工质不直接流经真空管 ，因而跟普通平板式集热器和真空管集热器比较，热管式真空集热器除了工作温度高，承压能力大和耐热冲击性能好等优点，还有其显著特点。 这种集热器的优点： 耐冰冻。热管由特殊的材料和工艺保证，即使在冬季长时间无

15、晴天及夜间的严寒条件下，真空管也不会冻裂。 启动快。热管的热容量很小，受热后立即启动，因而在瞬变的太阳辐射条件下能提高集热器的输出能量，而且在多云间晴的低日照天气也能将水加热。 保温好。热管具有单向传热的特点，即白天由太阳能转换的热量可沿热管向上传输7 去加热水，而夜间被加热的水的热量不会沿热 管向下散发到周围环境。 安装维修方便。安装方便，操作简单，易于固定，运行可靠。 缺点 : 生产成本。 技术要求高。 上面介绍了目前我国太阳能热水器的种类，并讨论了它们各自的优缺点。最后，在此基础上提出了本文研究的主要内容为全玻璃真空管太阳能热水器的自动控制系统的设计。 第二章 、可编程控制器（ PLC）

16、简介 可编程控制器 PLC 如图 4，是一种数字运算操作的电子系统，是在 20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算 等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是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的。 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 在工业自动化控制而发挥着巨大作用，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

17、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 图 4 可编程控制器 PLC 2.1 PLC 的 发展过程 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（ Programmable Logic Controller）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： 8 （ 1） 单机就地控制，取代继电器柜，至

18、今仍然是 PLC 应用的主流。 （ 2） 数台 PLC 与 1 台 PC 相连， PC 完成编程和在运行中作 为人机界面（ 80 年代后期）。 （ 3） 90 午代，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（ Programmable Control System），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，以及系统开放性、电控仪控一体化、管控一体化、 IT 技术发展的需求，新型的覆盖系统的 PCS 正在形成。 2 2 可编程序控制器的工作原理 PL

19、C 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

20、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 5 所示。 9 图 5 PLC 循环顺序扫描工作流程图 从图 5 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，按图所示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。 2.3 可编程控制器的的特点 （ 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

21、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

22、。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

23、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 PL

24、C 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10 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。 2.4 PLC的分类 目前， PLC 应用广泛，国内外生产厂家众多，所生产的 PLC 产品更是品种繁多，其型号、规格和性能各不相同。通常，可以按照结构形式的不同及功能的差异进行大致的分类。 （ 1） 按结构形式分 按照结构形式的不同， PLC 可分为整体式和模块式两种。 前者具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点，易于装在工业设备的内部，通常适于单机工作

25、。一般小型和超小型 PLC 多采用这种结构，如日本三菱 FX 系列的 PLC。后者配置灵活，装载和维修方便，功能易于扩展，其缺点是结构较复杂，造价也较高。一般大、中型 PLC 都采用这种结构，如日本三菱公司的 AN 系列。 （ 2） 按功能、点数分 按功能、输入输出点 数和存储器容量不同， PLC 可分为小型、中型和大型三类。 小型 PLC 又称为低档的 PLC。这类 PLC 的规模较小，它的输入输出点数一般从 20 点到128点。中型 PLC的 I/O点数通常在 120点至 512点之间，用户程序存储器的容量为 2KB-8KB。大型 PLC 又称为高档的 PLC， I/O 点数在 512 点

26、以上，其中 I/O 点数大于 8192 点的又称为超大型 PLC，用户程序存储器容量在 8KB 以上。 2.5 可编程控制器应用领域 在发达的工业国家 ,PLC 已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环 保及文化娱乐等各行各业。随着 PLC 性能价格比的不断提高 ,一些过去使用专用计算机的场合 ,也转向使用 PLC。 PLC 的应用范围在不断扩大 ,可归纳为如下几个方面。 （ 1） 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本最广泛的应用领域。 PLC 取代继电器控制系统 ,实现逻辑控制。例如：机床电气控制，冲床、铸造机械、运输带、包装机械的控制，注塑机的控制，化工系统中各种泵和电磁阀的控制，冶金企业的高炉上料系统、轧机、连铸机、飞剪的控制，电镀生产线、啤酒灌装生产线、汽车配装线、电视机和收音机的生产线控制等。 （ 2） 运动 控制 PLC 可用于对直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量 I/O 模块连接位置传感器与执行机构 ,现在一般使用专用的运动控制模块。世界上各主要 PLC 厂家生产的 PLC