基于plcplc太阳能热水器控制系统设计.doc

1、Comment S1: 下划线延长到最后 无锡南洋职业技术学院毕业设计(论文) 说明书毕业设计（论文）题目：基于 plc太阳能热水器控制系统设计 系（院）： 电子信息工程系专 业 : 机电一体化班 级 : 机电 123学生姓名： 赵龙学 号 : 12212704指导教师： 史玮2015 年 5 月 7 日摘 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,

2、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ABSTRACTNow, vast majority of urban residents use solar water heaters, so do a considerable number of rural people. Therefore, the research and developme

3、nt of controlling system of advanced solar water heater are becoming increasingly important.This design expounds the application of PLC in solar water heater automatic controlling system, especially the designing process of hardware and software of the system. Furthermore, the project shows that the

4、 key of PLC designing is to satisfy the basic controlling function, considerring the convenionce of maintenance and scalability.In this design, the address of I/O is resigned and the suitable PLC is choosed.the electrical principle diagram and the interconnection diagram are drawn, according to the

5、requirement.As the controlling system of solar water heater, PLC greatly reduces the number of other components. Moreover, it has the feature such as simple interconnection, rapid and easy fault detecting and maintenance, and advancement of the system. KEY WORDS Solar water heater PLC Control system

6、无 锡 南 洋 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 页 共 页目 录摘 要 .ABSTRACT.1 绪论 .11.1 本设计研究的目的和意义 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 太阳能热水器概述 .11.2.2 太阳能热水器组成 .21.2.3 太阳能热水器的基本工作过程 .31.2.4 可编程控制器概述 .51.2.5 PLC 的发展历史 .51.2.6 PLC 的特点 .51.2.7 PLC 的基本工作原理 .71.3 本设计研究的主要内容 .82 控制系统的硬件设计方案 .92.1 控制系统的基本功能要求 .92.2 控制系统的硬件设计方案 .

7、92.2.1 系统水温控制原理框图 .102.2.2 PLC 的选型 .112.2.3 PLC 硬件控制框图 .112.2.4 各单元功能作用介绍 .122.2.5 PLC 的端口分配 .152.3 系统电路的设计 .193 控制系统的软件设计方案 .193.1 系统软件设计方案 .193.2 软件组成 .193.3 系统控制流程图 .203.4 设计控制系统的梯形图程序 .354 结论 .36致 谢 .37参考文献 .38Comment S2: 下划线的位置不对无 锡 南 洋 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 1 页 共 39页11 绪论1.1 本设计研

8、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。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。从发展的角度看，城市家庭生活热水的供给不应由业主考虑，而应与建筑设计开发同时进行。在此基础上设计出了全玻璃真空管式太阳能热水器控制系统。目前，我国

9、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

10、、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 满无 锡 南 洋 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 2 页 共 39 页2足 人 们 在 日

11、 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 60 0C。如淋浴的水温在 350C40 0C 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

12、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

13、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

14、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，无 锡 南 洋 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 3 页 共 39 页3金属片便要不断吸收太阳的辐射能

15、。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、热水器水箱及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

16、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

17、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 12 次。1.2.3 太阳能热水器的基本工作过程图 1-1 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。上升水无 锡 南 洋 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 4 页 共 39 页4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

18、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。1532764F3F1F21、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、热水阀门图 1-1 太阳能热水器装置简图工作原理的概述1） 吸热过程。太阳辐射透过玻璃盖

19、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 56以上的温差就可以循环很好。水循环管路、管径及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无 锡 南 洋 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 （

20、论 文 ） 说 明 书 第 5 页 共 39 页5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

21、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。1.2.5 PLC 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

22、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：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（Programmabl

23、e 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，新型的覆盖大、中、小系统的 PCS 正在形成。无 锡 南 洋 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 说 明 书 第 6 页 共 39 页61.2.6 PLC 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

24、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

25、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

26、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