毕业设计（论文）-太阳能集热器防干晒系统设计（全套图纸）.doc

摘 要 进入21世纪以来，能源枯竭和环境恶化问题严重制约着全世界各国经济社会的可持续发展。由于太阳能具有清洁、可再生、量大分布广等特点，因此成为世界各国发展新能源与可再生能源的重要内容，太阳能热利用是可再生能源利用的重要途径之一。在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转化为热能，而实现这种转化的器件是太阳能集热器，太阳能集热器按集热器内是否有真空空间进行分类，可分为平板型太阳能集热器和真空管太阳能集热器两类。在科学技术日益发达的今天，集热器的集热能力也越来越高，随之而来的问题则是如何防止太阳能集热器干晒的问题，而眼前对于太阳能集热器防干晒系统的研究则相对要少一些，在网上这方面可参考的资源也很少，所以对于其中的PLC自动控制、温度检测、传感器以及机械遮盖的设计也只能是走在摸索的道路上。最后，希望太阳能集热器防干晒系统的设计能够引起更多有识之士的注意，能够在这方面创造出更多更好的设计来。关键字： 防干晒； PLC； 自动控制； 机械遮盖； 传感器 全套图纸加153893706ABSTRACT In the 21 century, energy and environmental degradation dry seriously restrict the world of sustainable economic and social development.Because it is a clean, renewable solar energy of wide distribution characteristics, therefore become the world new energy resources and the important content of the renewable energy, solar thermal utilization of renewable energy use is one of the important ways. In the solar thermal utilization, the key is will the suns radiant energy into heat energy, and to realize the transformation of the device is solar energy collector. Solar energy collector according to whether there is a vacuum in the collector space classification, can be divided into flat type solar energy collector and vacuum tube solar energy collector two kinds.In science and technology are increasingly advanced today, collector collection hot ability more and more is also high, a second question is how to prevent bask in solar energy collector of dry, And the eyes of solar energy collector for the dry sun system research is relatively less, on the web this aspect can reference resource rarely, So for one of the PLC automatic control, temperature detection, sensors and the design of mechanical cover also can be to go on the road of explored. Finally, hope to prevent bask in solar energy collector do the design of the system that can lead to more knowledgeable peoples attention, can be in this respect to create more better design. Key words: the dry sun; PLC; Automatic control; Mechanical cover; sensor 目 录1 前 言11.1研究背景11.2 研究现状21.2.1 我国太阳能热水器的发展前景21.2.2我国太阳能热水器产业发展存在的主要问题21.2.3我国太阳能热水器产业发展的战略目标21.3 本设计的内容及意义21.3.1 太阳能集热器的定义21.3.2集热器的类型及其特点31.3.3设计意义42 总体方案设计52.1 设计任务及目标52.2 总体方案对比论证52.2.1 温度传感器的种类52.2.2 PLC可编程控制器的分类62.2.3 伺服电机的选择82.2.4传动的方式及特点92.3本设计确定的方案103 温度检测及程序控制113.1 温度检测模块113.1.1 模块概括113.1.2 与PLC 基本单元连接113.2 PLC自动控制部分123.2.1 PLC的主要特点123.2.2 PLC的系统框图123.3 控制电路及程序133.3.1 控制电路133.3.2 程序图143.3.3 程序语言174 机械遮盖设计184.1 钢丝绳的选择184.1.1 钢丝绳的选用规格184.1.2 钢丝绳的选用长度184.2 导轨的设计184.2.1 导轨的类型184.2.2 导轨的截面形状184.2.3 导轨的结构尺寸194.2.4 导轨受力分析及压强计算194.2.5 导轨的材料及热处理204.3 拉杆的设计204.3.1 拉杆的尺寸及规格204.3.2 拉杆与滑块的连接204.3.3 拉杆与钢丝绳的连接214.3.4 拉杆的设计214.3.5 拉杆与滑块的结构设计图214.4 导向杆的设计224.4.1 导向杆的规格及尺寸224.4.2 导向杆的受力分析及强度224.5 遮阳网的选择234.6 伺服电机的选择234.6.1 选择伺服电机的原因234.6.2 伺服电机的型号234.6.3 伺服电机的安装尺寸244.6.4 伺服电机的安装注意事项244.6.5 伺服电机的安装环境条件244.7 伺服电机与钢丝绳的连接254.7.1 伺服电机与套筒的连接254.7.2 套筒与钢丝绳的连接254.7.3 输出轴、套筒与钢丝绳的连接示意图25五.结论26参考文献27致 谢281 前 言1.1研究背景太阳能是一种取之不尽、用之不竭的洁净能源, 分布范围广且相对均匀。在当今世界中, 常规能源日益紧缺, 太阳能得到了人们广泛的关注。太阳能热水器是目前太阳能利用中技术最成熟、使用最广泛、实际经济效益最好的一种。从全球范围看, 平板型太阳能热水器和真空管太阳能热水器是世界太阳能热水器市场中的主要产品。但是这两种太阳能热水器在全球的分布情况却有较大的差别: 平板型太阳能热水器分布较广, 在世界各地都有分布; 而空管太阳能热水器却主要分布在中国, 据统计, 中国真空管太阳能热水器的使用总量占世界真空管太阳能热水器使用总量的97%。平板型太阳能热水器和真空管太阳能热水器在国内外的市场占有率有较大的差别。两种太阳能热水器在国内外的市场占有率有较大的不同: 国外主要以平板型太阳能热水器为主; 而国内真空管太阳能热水器的市场占有率达到了90%以上, 平板型太阳能热水器的市场份额不到10%。在许多工业化国家中,。太阳能热水器早已列为与建筑配套的卫生设备的一部分。国际上太阳能热水器应用较发达的欧洲、美国、澳大利亚、加拿大等国已逐渐从小型家用系统发展到大型集中式长期储热系统, 这有利于降低单位热量的投资。大面积集中供热成为节能降耗的新途径。我国太阳能热水器近年来发展迅速, 产量已经跃居世界首位。集热器有平板式、全玻璃真空管式和热管真空管式等, 主要以小型家用太阳能热水器为主, 大多只能安装在平屋顶上, 许多已建成的太阳能热水系统以未能发挥其应有的使用效能, 主要原因是我国目前在结合多层建筑设计方面的太阳能热水系统的研究不够。特别是随着城市造型别致的人字型住房的产生和各具特色的居家环境的改变, 研究结合建筑、适于平屋顶和坡顶安装的太阳能热水系统已成为当务之急。同时考虑到当前一些热水系统的问题, 如承压低、易结垢、抗冷热冲击性差、易冻, 一根集热管破碎整台热水器不能使用等。本课题组根据前人提出的将热管应用于太阳能的概念, 设计制造了一种集中供热热管式集热器, 并将其应用于热水系统。1.2 研究现状1.2.1 我国太阳能热水器的发展前景我国人口众多，资源相对不足，环境污染严重，已成为经济和社会发展的重要制约因素。大力开发利用新能源和可再生能源，对于改善以煤炭为主的能源结构、缓解能源生产和使用造成的环境污染问题、促进经济社会可持续发展具有十分重要的意义。1.2.2我国太阳能热水器产业发展存在的主要问题我国太阳能热水器产业，生产能力之大，拥有数量之多，发展速度之快，已经引起国际社会的广泛关注。但是，我国太阳能热水器产业发展，还存在一些亟需解决的问题。1.2.3我国太阳能热水器产业发展的战略目标目前，国家正在着手制定-.-. 年能源发展战略和规划，太阳能热利用是可再生能源技术中最具活力的产业。在今后一定时期内，我们发展太阳能的战略目标是：稳定和扩展现有国内市场，开拓和扩大国际市场，通过开发具有市场前景的先进技术和高质量产品以及制定符合市场发展要求的产业政策和标准规范，建立起符合国际市场惯例要求的家用太阳能热利用装备生产体系，引导和形成10家左右具有国际竞争力的大型太阳热水器骨干企业，促进我国太阳热水器产业化的进一步发展，满足日益增长的国内市场的需求，并着眼国际市场的开拓，把我国太阳能热水器的技术优势变为产业优势和市场优势。1.3 本设计的内容及意义1.3.1 太阳能集热器的定义太阳能集热器是指吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。这短短的定义却包含了丰富的含义: a) 太阳能集热器是1 种装置; b) 太阳能集热器可以吸收太阳辐射; c) 太阳能能集热器可以产生热能; d) 太阳能集热器可以将热能传递到传热介质。在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转换为热能。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，所以，集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。太阳能集热器虽然不是直接面向消费者的终端产品，但是太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。无论是太阳能热水器、太阳灶、主动式太阳房、太阳能温室还是太阳能干燥、太阳能工业加热、太阳能热发电等都离不开太阳能集热器，都是以太阳能集热器作为系统的动力或者核心部件的。效率比较高的集热器由收集和吸收装置组成。集热器一般可分为平板集热器、聚光集热器和平面反射镜等几种类型。图2 所示是我们研究的集中供热热管式太阳能集热器系统。它在原有的铜铝复合板的基础上制作而成, 以热管取代普通平板集热器中的排管,选用特殊配方的不冻工质。热管的蒸发器端设有肋片, 肋片上涂有选择性涂料, 以吸收更多的太阳辐射能。将蒸发器设计成平面排管型式置于平板集热器的平板中, 同时采用大面积冷凝段。如图2 所示, 几片集热器联合组成一个集热系统, 热管均采用重力式热管。其特点是采用两级热管结构, 集热板吸收热量后经第一级热管传入中间的大直径的管子, 该管中充有工质, 然后第二级热管从中间的管子吸收热量传入水箱。这样, 当一片集热器或一根热管发生泄露时, 不会导致整个集热系统的失效, 解决了真空管一支损坏而导致整个集热器无法使用的弊端。同时, 这种结构很好体现了集中供热的功能。如图2 所示, 整个集热器做成一体, 热量可以互为补充, 从而满足不同用户的用水要求。1.3.2集热器的类型及其特点 按照热交换方式的分类集热器与储水箱中的水进行热交换主要以2 种形式进行，a) 直接加热，即储水箱中的水流经集热器不断地吸收热量直至整个系统温度升高; b) 间接加热，即储水箱中的水和流经集热器的集热介质在水箱中进行热交换，最终达到水箱内水温升高的目的。尽管直接加热可以在短时间内使水温达到较高温度，但是系统的热量损失尤其在夜间损失颇为严重，间接式加热采用的集热介质一般为乙二醇防冻液，优点是集热速度快、油性介质热量损失速度慢，但换热速度相对也较慢。按照导热介质的分类平板型集热器使用的集热介质以水、油、气及纳米流体材料为主。 按照吸热材料的分类集热器吸热体上把太阳能转化为热能的涂层材料主要分为非选择性吸收涂层和选择性吸收涂层。非选择性吸收涂层，如，黑板漆和炭黑，其太阳吸收比高达0. 95，发射率也在0. 90 左右，热利用率低。太阳辐射主要集中在0. 3 m 2. 5 m 波长范围内，吸热板的热辐射主要集中在2. 0 m 20. 0 m 波长范围内，要增强吸热板对太阳辐射的吸收能力，减小热损失，降低吸热板的热辐射，就需要采用选择性涂层。选择性吸收涂层包括金属氧化物、硫化物、碳化物、氮化物以及近年来出现的金属陶瓷等复合材料。其发展是从PbS、金属氧化物涂料、黑镍、黑铬到铝阳极化涂层再到“超级蓝膜”涂层的更新换代过程。除了上述无机材料外，近年来有机聚合物吸热材料也得到了广泛的发展。按照集热管与吸热片连接方式的分类主要分为管板式、翼管式、扁盒式和蛇管式。管板式类型的集热器具有连接方式简单、制作成本比其他几种类型低、热效率高等优点而成为现在产品的主要方式。此次设计任务是太阳能集热器防干晒系统设计。需要运用所学知识对太阳能集热器各个系统进行合理设置以达到防止干晒的效果。学习正确的调查研究方法，收集国内外有关材料，掌握正确的防干晒系统设计的思想方法和手段，学习正确使用有关手册及其它技术资料。1.3.3设计意义进入21世纪以来，能源枯竭和环境恶化问题成为制约全世界各国经济社会可持续性发展的一个越来越突出的问题，寻找化石燃料的替代能源成为当务之急。太阳能具有清洁、可再生、量大分布广等特点，是世界各国发展新能源与可再生能源的重要内容，太阳能热利用是可再生能源利用的重要途径之一。在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转化为热能，而实现这种转化的器件是太阳能集热器！因此，太阳能集热器的研究、开发与应用对太阳能资源的高效利用至关重要。2 总体方案设计2.1 设计任务及目标本设计的任务主要是通过对太阳能集热器结构、太阳能集热器整体结构优化以及对太阳能集热器进行机械遮盖设计的研究，以达到使整个系统的防干晒问题能够得到改善和提高。其中包括了对可编程控制器和温度传感模块的应用以及对机械各方面知识在实际应用中的融合。通过完成对太阳能集热器防干晒整个系统的设计，把温度传感部分、PLC自动控制部分以及机械遮盖有机的结合在一起，使其能够达到预期的功能和目标。具体的内容涉及到温度传感部分的电路图，自动控制的程序图和机械遮盖部分的图纸等。本设计的目标是通过对整个系统的设计及优化，从而使整个系统能够实现自动化、无人管理的目标。绘制总体装配图及主要零部件图、程序及电路图。撰写毕业设计说明书等内容。其中涉及到的一部分书目有机械原理、机械设计、机械设计手册、PLC可编程控制器、机电传动控制、ASDA -B伺服驱动器应用技术手册、理论力学、机械设计制图手册2.2 总体方案对比论证2.2.1 温度传感器的种类 接触式温度传感器接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。 常用热电阻 范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。 管缆热电阻 测温范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级。 陶瓷热电阻 测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。 超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量268.8253-272.9272.99的温度。 热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。 热电偶传感器 具有良好的线性关系，一般热电偶测温范围较宽。 非接触式温度传感非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。l辐射高温计 用来测量 1000以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2光谱高温计 前苏联研制的YCII型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为4006000,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。 3超声波温度传感器 特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。目前国外有可测到5000的产品。4激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚变研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。 此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。2.2.2 PLC可编程控制器的分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。 按结构形式分类 根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。（1）整体式PLC整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。（2）模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。按功能分类根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。（1）低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。（2）中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。（3）高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。 按I/O点数分类 根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。 (1).小型PLCI/O点数 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量816K 如：S7-400德国西门子公司GE- GE公司C-2000立石公司K3 三菱公司等2.2.3 伺服电机的选择 伺服电机的介绍本设计中根据实际使用情况采用伺服电机。伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 伺服电机的分类 异步型交流伺服电动机异步型交流伺服电机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。 同步型交流伺服电动机同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60，转子惯量减到直流电动机的1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。2.2.4传动的方式及特点传动方式：绳索传动、皮带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动、螺纹(丝杆)传动、齿轮齿条传动、其他传动机构：平面连杆机构，凸轮机构，间隙运动机构 传动特点：皮带传动：1) 平皮带传动：a) 结构简单，可以传动的中心距较大，传动中不产生震动b) 滑动系数大，传递功率较小2) 三角皮带传动：a) 滑动系数比平皮带传动小，传递功率大(多根皮带组合使用)，传动中不产生震动b) 摩擦较大，皮带轮加工比平皮带轮困难* 三角皮带传动时，由于皮带截面上各点的直径不同(D, d1, d2)，因此各点的回转速度不同，而皮带本身是一个整体，由此皮带上部和下部相对皮带轮的槽作相反方向的滑移，产生较大摩擦，也易因摩擦产生热。* 由于三角皮带的周长是标准固定的，对于非标中心距的皮带传动不能采用标准的三角皮带，这时可以选用“活络三角皮带”，该类皮带与标准皮带具有相同的截面，但它是由小块连接件用螺钉紧固的，因此在使用中可以按所需的长度任意增加或减少连接件。这类皮带传动的功率要比同类规格的标准三角皮带小。链传动：1) 能保证准确的平均速比2) 可以作中心距较大的两轮轴间传递动力和运动3) 链条较容易磨损，磨损后的链条节距加大，链条易脱落4) 链条传动的速度较低，运行时有噪声齿轮传动：1）传动的运动速度比套筒链快，运行时的噪声比套筒链的低，是高速链传动的形式。2）对链轮材料和热处理的要求较高，因为齿形链对链轮圆周面的压力和摩擦较大，易引起磨损。蜗杆传动：1) 由于蜗杆相当于一个螺杆，当蜗杆的导程角小于摩擦角时，蜗杆传动带有自锁性，这时涡轮副只能由蜗杆驱动涡轮，不能由涡轮驱动蜗杆。2) 蜗轮副传动的结构紧凑，涡轮箱的外形尺寸较小。3) 蜗轮副传动平稳，无噪声4) 蜗轮副传动是滑动摩擦，在传动中摩擦损害较大，因此传动效率较低。采用自锁蜗杆传动时，效率约为50%。5) 由于蜗杆传动时，蜗杆和蜗轮轮齿间的运动速度较大，摩擦也大，为了提高蜗轮副传动的寿命，一般蜗杆采用钢材制造，而蜗轮采用耐磨的材料如青铜等制造。螺纹(丝杆)传动：1) 能将较小的回转力矩转变为较大的轴向力。2) 能达到较高的传动精度，通过回转的角度能转化为较为精确的直线运动距离。3) 螺纹传动的工作平稳，易于自锁。4) 结构简单，制造方便。5) 缺点是摩擦损失较大，传动效率较低2.3本设计确定的方案在本设计中，因热电偶传感器具有良好的线性关系，而且一般热电偶测温的范围较宽，所以采用热电偶传感器，热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点 热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表,记录仪表和电子调节器配套使用。PLC的选择为三菱公司生产的型号为FX2N系列的控制器，FX2N系列是三菱PLC是FX家族中最先进的系列，具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。相对于单片机来说，PLC具有更结实更耐用更能应对恶劣环境等优点，所以此处没有选择单片机作为自动控制机构。为从实用性的角度出发，本设计采用绳索传动的方式，具体的做法是采用钢丝绳传动，两端的固定不采用通常的压板固定方式，考虑到本设计中受力较小，所以采用螺栓和垫片紧固的方式更为简便。至于伺服电机的选择，本设计中选用的电机为台达ASDA-B系列伺服电机，其型号为C30401 S , 此型号额定功率为0.1kw，额定扭矩为0.32Nm，最大扭矩为0.96 Nm，额定电流为0.9A,瞬时最大电流为2.7A，转子惯量为0.037E-4，机械常数为0.75ms，电机阻抗为9.3 Ohm，电机感抗为24mH，电气常数为2.58ms，重量为0.5kg，轴向最大载荷为39.2N，径向最大载荷为78.4N。设计经过校核，此型号伺服电机可以达到使用标准。3 温度检测及程序控制 3.1 温度检测模块 3.1.1模块概括本设计中，设计温度检测频率为每15分钟检测一次，当温度高于85时，伺服电机正转打开遮阳装置；当温度低于75时伺服电机反转关闭遮阳装置，采用的温度传感器为一个热电偶。温度控制模块FX2N-2LC （温度控制模块）配有两个温度输入端口和两个晶体管输出端口（集电极开路型）它是一个从热电偶和铂电阻温度计中读取温度信号并进行PID 输出控制的特殊模块。将FX2N-2LC 连接到FX2N/2NC 系列可编程控制器上作为输入传感器两个热电偶两个铂电阻温度计或一个热电偶和一个铂电阻温度计均可 当FX2N-2LC 与FX2N/2NC 系列可编程控制器连接时可用FROM/TO 指令读写数据FX2N-2LC 通过执行算术操作进行PID 控制和输出控制不需要为PID 操作编写顺序程序 通过电流探测CT 功能可检测加热器是否未连接通过自动调谐功能可方便地的设置比例系数积分时间和微分时间各通道间互相隔离偶3.1.2 与PLC 基本单元连接FX2N-2LC 可通过扩展电缆与可编程控制器（PLC）基本单元连接。FX2N-2LC 作为PLC 的一个特殊模块 ,由距PLC 基本单元最近的单元开始,自动分配 特殊模块编号0 到7。（这些单元编号将在FROM/TO 指令中使用。） 一个FX2N-2LC 模块占有可编程控制器（PLC）基本单元的八个I/O 点。 FX2N 系列PC 可连接最多8 个FX2N-2LC 模块单元，FX2NC 系列PLC 最多可连接4 个FX2N-2LC单元。当FX2N-2LC 模块与FX2NC 系列PLC 连接时，需要使用FX2NC-CNV-IF 接口（当 FX2N-2LC模块与FX2N 系列PLC 连接时不需要使用FX2NC-CNV-IF 接口）。 如需扩展时，需要使用单独销售的FX0N-65EC （650 毫米）和FX2NC-CNV-BC 扩展电缆。每个系统中只能使用一根FX0N-65EC 电缆。3.2 PLC自动控制部分3.2.1 PLC的主要特点本设计采用的是FX2N-4AD-TC系列可编程控制器，简介如下：（1） FX2N-4AD-TC模拟功能模块将来自四个热电偶传感器（类型为K或J）的输入信号放大并将数据转换成12位的可读数据，存储在FX2N主单元中。摄氏（）和华氏度（）数据都可以读。 读分辨率为：类型为K时，0.2/0.72，类型为J时，0.3/0.54。（2）有的数据传输和参数设置都可以通过FX2N-4AD-TC的软件控制来调整。由FX2N-4AD-TC的TO/FROM应用指令来完成。（3）FX2N-4AD-TC占用FX2N扩展总线8个点的I/O。这8点可以分配为输入或输出。FX2N-4AD-TC消耗FX2N主单元或有源扩展单元5V单元槽30mA的电流。（4）可使用下述指标的热电偶：类型为K（JIS 1602-1981） 类型J（JIS 1602-1981）3.2.2 PLC的系统框图3.3 控制电路及程序3.3.1 控制电路 伺服系统基本方框图 控制电路图3.3.2 程序图 软元件注释FX参数软元件设定 FX参数 I/O分配设定 程序图3.3.3 程序语言4 机械遮盖设计4.1 钢丝绳的选择4.1.1钢丝绳的选用规格本系统中因设计的拉杆及遮阳网的总质量10kg(g9.8Nkg)，则所选的钢丝绳所能承受的拉力F1应98N(F1=10kg9.8 Nkg=98N)。由于考虑到要符合实际使用要求以及经济成本的问题，本设计中采用一般用途钢丝绳（GB20118-2006），通过查表根据实际使用要求采用单股钢丝绳，结构为13，所选钢丝绳公称直径为0.6mm，参考质量为0.19kg（100m），公称抗拉强度为1570M Pa，钢丝绳的最小破断拉力为0.31kN。4.1.2钢丝绳的选用长度本系统中，为了能够达到上下拉动遮阳装置的目的，需要用到两根钢丝绳，鉴于伺服电机安装在集热器后面靠下部分，所以两根钢丝的长度是不一样的，向上拉动遮阳装置的钢丝绳会长一些，建议采用的长度为L1=2400mm，向下拉动遮阳装置的钢丝绳由于接近伺服电机所以短一些，建议采用长度为L2=1600mm，两根钢丝绳都有一定的余量，其原因在于固定钢丝绳的两端会用去一部分长度。4.2 导轨的设计4.2.1 导轨的类型 本设计中导轨的运动轨迹为直线运动导轨，在考虑本设计中的设计要求及使用环境经分析后，建议采用塑料导轨（贴塑导轨），其优点为贴塑工艺简单，对金属的摩擦系数小，且动、静摩擦系数相近，能够使滑动平稳，可实现极低的不爬行的移动速度，同时还能提高移动部件的定位精度，具有优良的自润滑性耐磨性适用于用做压强不大的导轨，由于本设计中对运动的平稳性和定位精度要求不是太高，所以采用塑料导轨相对较为适合。4.2.2 导轨的截面形状通过查阅机械设计手册结合本设计的使用情况，建议采用凹形对称性V形导轨，因考虑本设计中所用的导轨的使用角度为与垂直大概成30角，所以经过简单修改改进，其截面图如下图所示： （此图为其中一侧导轨截面图，两侧导轨为对称形结构）4.2.3 导轨的结构尺寸本设计是根据“美国热水专家”史密斯阳台壁挂式太阳能热水器中型号为SWHN-B、SWHN-S1的规格进行设计的，其集热器外形尺寸为22901020130mm，此设计中为保证遮挡效果，设计导轨长度略长于集热器宽度，所以设计导轨长度为1100mm。有关具体设计尺寸如下图所示：（注：两根导轨互相平行，且其中一根导轨两侧带有限位开关，移动滑块的设计长度为60mm，宽度为90mm，其中长出的20mm与拉杆作连接用）4.2.4 导轨受力分析及压强计算本设计中导轨与竖直方向成30角，且只受拉杆和遮阳网的重力的竖直分力，故导轨受力为： F2=F1sin 30= 98N0.5 = 49N 由滑块的形状及相关的尺寸可以算出导轨下端的接触面积（导轨的受力面积）为：S10.0360.062=0.00432 所以导轨所受到的压强为： P= F2S1=49N0.00432 =0.21168 Pa 通过查表发现，其压强远远小于铸铁塑料的许用压强0.015 MPa，符合使用要求。4.2.5 导轨的材料及热处理 导轨的材料 在导轨中，导轨副应尽量由不同材料组成，如果选用相同材料，也应采用不同的热处理或不同的硬度。通常动导轨（短导轨）用较软耐磨性低的材料，固定导轨（长导轨）用较硬和耐磨材料制造。通过查阅材料匹配对耐磨性影响表及相关知识，本设计选取的导轨材料匹配为塑料铸铁，其相对寿命为8年。 材料的热处理在本设计中，考虑到实际用途以及导轨所受的压强等各方面因素，采用HT200做固定导轨用HT150做滑块即可达到使用要求，而塑料则选用通用工程塑料导轨即可，因为塑料层较薄所以粘接即可，热处理采用高、中频淬火，其淬硬层深度可达12 mm ，硬度提高4550 HRC。4.3 拉杆的设计4.3.1 拉杆的尺寸及规格 本设计中，依据型号为SWHN-B、SWHN-S1的史密斯热水器，其真空管的尺寸为58210012 mm ，两侧管套的长度各为95mm所以为了保证安装，此拉杆的长度与真空管一致为2100mm，根据所设计的滑块的尺寸，此处拉杆选用长宽均为为24mm，厚度为2mm的不锈钢方管，其优点在于下过雨之后不会生锈，而且质量相对铸铁而言要轻，能够减轻伺服电机的工作负荷，而管件的另一个优点在于它的抗弯性比较好，所以所用的拉杆规格为24242100 mm。此处所选方管经上网查询后有商家出售此规格方管。4.3.2 拉杆与滑块的连接本设计滑块与拉杆的连接出于方便安装且实际可行的考虑采用比较简单的螺栓连接，设计中要求滑块在与导轨垂直的方向伸出20mm，将滑块伸出的20mm插入拉杆中并在滑块长出的10mm处在中间位置打螺栓孔，本处采用M6的全螺纹六角螺栓（JIS B 1180），拉杆两侧及滑块采用完全一致的设计。4.3.3 拉杆与钢丝绳的连接在本设计中，拉杆与钢丝绳的连接采用螺栓紧固连接，即在拉杆中间位置打一个螺栓孔，选用螺栓为M6的全螺纹六角螺栓（JIS B 1180）并使用相应的垫片，在安装时将垫片套入六角螺栓然后将两根钢丝绳同时缠绕在螺栓杆上，最后将其紧固在拉杆上。4.3.4 拉杆的设计在本设计中，拉杆的主要作用由三个部分组成：第一个是在其中间部分固定两根钢丝绳的一端，由钢丝绳带动使其完成上下移动的动作，也就是达到传输动力的作用；第二个是其两侧与滑块连接，起到把导轨、滑块连接在一起的作用；第三个就是在其与导轨垂直向上的面上焊接10个小挂钩，此处的挂钩起到与遮阳网连接的作用，具体的焊接位置为每200mm焊接一个，中间剩余100mm，两端的焊接位置可以向内错过1020mm 。按照预定的设计质量，此处方管质量可估算一下（不锈钢的密度不可确定，但可近似铁的密度=7800 kgm 3 ）,所以此处所选方管的质量为m = V = 7800 kgm 3 (0.0240.0242.10.020.022.1) 2.89 kg 10 kg所以方管符合设计要求 在本设计中，遮阳网质量较轻，相对拉杆质量可近似忽略，所以拉杆几乎只承受自身的负荷，强度、刚度完全可以得到保证。4.3.5 拉杆与滑块的结构设计图 （注：此处拉杆的长度应为2100mm）4.4 导向杆的设计4.4.1 导向杆的规格及尺寸本设计中，共使用四根圆形不锈钢导向杆，其目的在于为钢丝绳提供导向的作用，防止钢丝绳碰到集热器，安装的位置分别位于集热器的四个角的上方，与拉杆平行，其长度与拉杆一致，其中两根导向杆焊接于导轨的两端，另外两根焊接于集热器后面的支撑架的上下两端，所采用的四根不锈钢管的尺寸为202100（壁厚为2mm）（注：其中两根的长度可根据支撑架的宽度适当裁切）。其中拉杆下方的导向杆应在与拉杆对应的位置焊接小挂钩，起到固定遮阳网的作用。另外，每根导向杆均配两个有公称尺寸为20mm的轴用C型弹性挡圈（JIS B 2804）,在此起到固定钢丝绳位置的作用。4.4.2 导向杆的受力分析及强度在本设计中的四根导向杆，其中受力最大的为拉杆上方的导向杆（可参见图纸），此导向杆中间部分承受的设计最大拉力为10kg（即拉杆、滑块与遮阳网的质量和以及滑块与导轨摩擦力，因为摩擦力较小故可以忽略不计），但在本设计中实际选用拉杆滑块及遮阳网的质量和约为4kg，所以只要导向杆承受4kg的拉力而不会弯曲即可。根据以往经验得知，202100（壁厚为2mm）的不锈钢管完全可以承受 4kg的质量而不会弯曲。 4.5 遮阳网的选择在本设计中，遮阳网采用市面上比较常用的遮阳网，其特点在于质量超轻，经久耐用，成本较低，规格为21001100即可。4.6 伺服电机的选择4.6.1 选择伺服电机的原因伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象，其最大的特点是可控。在有控制信号输入时，伺服电机就转动；没有控制信号输入，它就停止转动。与普通电动机相比具有以下特点： 调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调速。 转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转、反转。 控制功率小，过载能力强，可靠性好。综合伺服电机的以上特点，本设计中考虑到所需的功率较小、速度较低、经常正反转的工作状况，所以选用伺服电机而不采用普通的电动机。4.6.2 伺服电机的型号本设计中，导轨的长度为S= 1100 mm，即拉杆的行程为1100mm，建议滑动速度为V= 1 ms （本设计中，伺服电机转速为手动调节，可以根据情况设定，此处建议速度为选伺服电机提供参考），故单程运行时间为：T=SV=1.1m 1（ms）=1.1s 所选电动机功率为： P= F1V = 98N 1 ms = 98 w因为电机的速度由PLC控制，所以不涉及转速，不用考虑扭矩，通过查表选择ECMA机型，型号为C30401，此型号额定功率为0.1kw（0.1kw98 w，所以符合使用要求），额定扭矩为0.32Nm，最大扭矩为0.96 Nm，额定电流为0.9A,瞬时最大电流为2.7A，转子惯量为0.037E-4，机械常数为0.75ms，电机阻抗为9.3 Ohm，电机感抗为24mH，电气常数为2.58ms，重量为0.5kg，轴向最大载荷为39.2