太阳能热水器控制系统设计.doc

本科生毕业设计（论文）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。太阳能热水器在国内外的应用越来越广泛，它的发展也越来越迅速，而且，人们对太阳能热水器的要求也在提高。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。本设计进行了系统的i/o分配和plc选型，以及对各所需器件的选型，对输入输出点进行了统计，共有21个输入输出点，根据plc的选型原则，设备选用了在生产中应用最为广泛的西门子公司生产的s7-200系列(cpu226)的plc。根据要求设计出了控制系统电气原理图和接线图等，控制系统对温度的调节采用调功器实现。还对控制系统的软件程序进行了设计，即水温、水位等控制程序的流程图，根据控制系统软硬件设计和控制要求，在介绍了plc的编程方法的基础上，设计了太阳能热水器控制系统的梯形图。最后还对可编程控制器（plc）的安装、维护和检修做了简单的设计。把plc作为太阳能热水器的控制系统，充分利用了plc的特点，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, rural areas have a considerable number of people using it.solar water heater is widely used at home and abroad,it is developing more and more rapidly, people on the solar water heater should be improved.become the research and development of advanced solar water heater control system is more and more important.in this design, the address of i/o is resigned and the suitable plc is choosed,and the selection of the needed devices,the input and output points to the statistics, a total of 13 input and output, the plc in accordance with the principle of selection, equipment selection in the production of the most widely produced by siemens s7-200 series (cpu226) of the plc.the electrical principle diagram and the interconnection diagram are designed, according to the requirement,control system of the temperature regulating the power regulator to achieve.the control system software program design,the water temperature, water level control program flow chart,in accordance with control system software and hardware design and control requirements, after the introduction of the plc programming methods,designed of ladder diagram of the solar water heater control system.at the end of the programmable logic controller (plc) installation, maintenance and repair to do a simple design.as the controlling system of solar water heater, plc greatly reduces the number of other components,it makes full use of the characteristics of plc. 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 systemiv目 录第1章 绪 论11.1 本文研究的目的和意义11.2 国内外研究现状21.2.1 太阳能热水器概述21.2.2 太阳能热水器组成21.2.3 太阳能热水器的原理和工作过程31.3 plc的概述51.3.1 可编程控制器的定义51.3.2 plc的发展及特点51.3.3 可编程控制器的应用领域71.3.4 plc的基本工作原理91.3.5 西门子s7-200 plc的介绍101.4 本设计研究的主要内容11第2章 控制系统的理论分析和方案的确定122.1 太阳能热水器控制系统的理论分析122.1.1 控制系统的基本功能122.1.2 控制系统工作原理122.2 太阳能热水器控制系统方案的确定142.2.1 系统方案的确定142.2.2 系统水位水温整体控制流程142.2.3 系统水温控制原理框图16第3章 太阳能热水器控制系统硬件设计193.1 系统主要配置的选择193.2 plc的选型213.3 主电路的设计213.4 plc硬件控制框图223.5 plc的i/o端口分配及外围接线图23第4章 太阳能热水器控制系统软件设计284.1 控制系统软件设计方案284.2 控制系统软件组成284.3 控制系统控制流程图284.3.1 控制系统主程序设计284.3.2 水位子程序设计314.3.3 温度子程序设计324.3.4 除尘子程序设计334.4 设计控制系统的梯形图程序34第5章 可编程控制器（plc）的安装、维护和检修355.1 可编程控制器plc的安装355.2 plc系统的电源接线355.3 接地365.4 输入接线365.5 输出接线365.6 plc的维护和检修37第6章 结 论38致 谢39参考文献40附录42附录48第1章 绪 论1.1 本文研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，使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。太阳能热水器安全性能好、节能、绿色环保等，近几年发展迅速。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。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）由于采用的时间继电器和中间继电器，其常开、常闭触点可多次重复使用，使得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。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。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足人们在日常生产、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。随着科技的发展，人们发现了新型洁净的太阳能。它具有一下特点：1、储量的无限性，太阳每秒发射的能量折合成标准煤大约数万亿吨；2、太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用；3、开发利用时几乎不产生任何污染。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。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，金属片便要不断吸收太阳的辐射能。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 太阳能热水器的原理和工作过程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4060。如淋浴的水温在3540之间，超过60就会感到太热。工业上为了清除油污，热水温度要高一些，但一般在 90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、使用方位、不用专人管理，故己在全国推广使用。1、热水器组成及原理下图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。太阳能热水器装置简图如下图1.1所示。 1532764f3f1f2图1.1 太阳能热水器装置简图1、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2、热水器的基本工作过程1)吸热过程。太阳辐射透过玻璃盖板，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。1.3 plc的概述1.3.1 可编程控制器的定义可编程控制器，简称plc(programmable logic controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(international electrical committee)颁布的plc标准草案中对plc做了如下定义：“plc是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。plc及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”可编程控制器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。1.3.2 plc的发展及特点世界上公认的第一台plc是1969年美国数字设备公司(dec)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的plc主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使plc增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言 ，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的plc为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、pid功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，plc在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一。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（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，新型的覆盖大、中、小系统的pcs正在形成。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4万5万小时。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和适应环境温度、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。1.3.3 可编程控制器的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 几乎都有运动控制功能。plc的运动控制功能广泛地用于各种机械。例如：金属切削机床、金属成型机械、配装机械、机器人和电梯等。3、闭环过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。plc通过模拟量i/o模块实现模拟量与数字量之间的a/d转换和d/a转换，并对模拟量进行闭环pid 控制，可用pid 子程序来实现 ，也可使用专用的pid 模块。plc 的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、化工、机械、冶金、电力和建材等行业。4、数据处理现代的plc具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存贮在存储器中的参考值比较，也可以用通讯功能传送到别的智能装置，或将其打印制表。数据处理一般用在大、中型控制系统，如柔性制造系统、过程控制系统等。5、机器人控制机器人作为工业过程自动生产线中的重要设备，已成为未来工业生产自动化的 3大支柱之一。现在许多机器人制造公司，选用plc作为机器人控制器来控制各种机械动作。随着plc体积进一步缩小，功能进一步增强，plc在机器人控制中的应用必将更加普遍。6、通讯联网plc的通讯包括plc之间的通讯、plc与上位计算机和其他智能设备之间的通讯。plc和计算机具有接口，用双绞线、同轴电缆或光缆将其联成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。目前plc与plc的通讯网络是各厂家专用的。plc与计算机之间的通讯，一些plc生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢。1.3.4 plc的基本工作原理plc的循环顺序扫描工作流程图如下图1.2所示。plc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。用户将程序设计、调试后，存入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工作过程如图1.2所示。从图1.2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1.2所示的程序流程顺序地执行，这种工作方式称为顺序扫描方式。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。下面介绍具体的循环顺序扫描流程。系统开始工作之后，因为系统具有自诊断功能，所以第一步就是控制系统的自诊断，诊断系统是否有故障，只有确定系统是在没有故障的前提下，才可以开始整过系统的运行。如果一旦发现控制系统存在故障，则要停止运行，并且报警系统开启出错显示系统，系统显示故障之后，操作停止；如果系统没有故障，则控制系统与编程器进行交换。编程器要做的就是进行下面的编程，编程并不是一个简单的过程，它比较复杂且繁琐，这就体现了可编程控制器plc的特点，他能将复杂的程序进行简化且操作方便，编程结束之后，要检查系统网络，如果有网络就与网络进行信息交换，如果没有网络就跳过这一步进行下面的流程，下面要做的就是采集现场信号，信号采集完就可以执行用户设定的程序了，所有的程序都执行完要进行输出处理。整个系统流程是要有时间限制的，如果超出了时间，则程序就执行失败，所以要在最后增加一个模块，要看控制系统的整个流程是不是在时间允许的范围内，如果超过了时间，也要停机并显示此时出现的错误即超时，以便提高系统运行的稳定性，反之，如果整个系统运行下来并没有超过设定的时间，则表示控制系统正常工作。因为这是循环工作系统，所以此时还要返回到初始状态进行下一次循环的运行。这样，一个循环顺序扫描工作流程就实现了，虽然看起来比较复杂，但整个控制系统运行并不难，这就是可编程控制器plc的控制系统的优点所在，充分利用plc的特点，可以使程序简洁化、合理化。停机出错显示有故障？开始自诊断 y n与编程器进行交换是否有网络 ny与网络进行信息交换 y采集现场信号执行用户程序输出处理超时？ ny停机出错显示 停机出错显示图1.2 plc循环顺序扫描工作流程图1.3.5 西门子s7-200 plc的介绍西门子公司具有品种非常丰富的plc产品。s7系列是传统意义的plc，s7-200属于小型plc，在1998年升级为第二代产品，2004年升级为第三代产品，其特点如下：(1) 功能强大。s7-200有5种cpu模块，最多可扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量i/o或38路模拟量i/o，最多有30kb的程序存储空间和数据存储空间；(2) 先进的程序结构，功能强大、使用方便的编程软件；(3) 灵活方便的寻址方法；(4) 强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面；(5) 有竞争力的价格；(6) 完善的网上技术支持等。1.4 本设计研究的主要内容本设计研究的主要内容是用plc控制太阳能热水器系统，实现太阳能热水器系统自动控制及手工控制，使其满足实际各种控制需要，使更多的工作免于人工参与，使系统更加稳定可靠。设计要求太阳能热水器控制系统，系统储水容量200升，控制温度范围：40-80；系统具有水位监测、温度监测功能，控制热水温度，实现水温低时自动加热；水温高时可以混入凉水，实现温度水位控制。根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、plc选型，估算所需i/o点数，进行i/o模块选型，传感器选择，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、控制电路图、i/o连接图，分配i/o点数，列出i/o分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改。第2章 控制系统的理论分析和方案的确定2.1 太阳能热水器控制系统的理论分析2.1.1 控制系统的基本功能根据人们对热水器的使用习惯和人性化设计要求，设计的控制系统具有以下功能：1、自动控制功能。系统在自动工作方式时，能自动控制供水水泵的运行与停止和各电磁阀的开关。定时控制器在断电时正常计时，故采用其作为plc的电源控制。在定时控制时间内，由定时器接通plc的电源，plc按预先编制的程序依次打开各控制设备电源，并根据输入信号的变化随时调整程序的执行。在非系统工作时间里，定时器自动断开plc的电源。工作时段为618小时。可利用定时控制器和plc自身具有的定时命令加以解决。2、水箱液位控制功能。水箱200l，液位控制在180 l。3、水箱应具备供热水、保温的基本功能。水箱采用加厚聚脂发泡保温。4、节水功能。供水阀供水5 min，停2 min。5、恒温功能。出水温度可通过恒温阀控制在40左右，当用户需要热水时，可通过手动调节。6、除尘功能。利用温度开关检测环境温度是否适合除尘，温度开关为4。除尘时用一个电磁阀连续工作2 min。7、报警功能。当出现故障时，故障指示灯闪烁且报警电铃响起，操作人员可以按下“消音”按钮以解除铃响，但故障指示灯仍在闪烁；直到故障消除；故障指示灯才停止闪烁。2.1.2 控制系统工作原理本系统采用的是集中集热集中供水系统模型单体建筑中每户的集热器和热水箱都设置在楼顶上，辅助热源采用电加热器，如图2.1 所示。该模型的优点是设计简单，便于维护和管理，不受楼层高低限制，可实现太阳能资源共享。图2.1为太阳能热水器系统框图-图2.1太阳能热水器系统框图由图2.1可知，该集热式太阳能热水器主要由太阳能集热板、水箱、电磁阀、水泵和传感器等部分构成。该系统的控制流程为：（1）当集热器中的水温与水箱1中的水温温差达到设定值时，启动水泵1，进行热水循环，直到温度相等时为止。（2） 当水箱1的水位低于设定水位下限时，电磁阀1打开，进行补水，水位到达设定水位上限时为止。（3） 当管路流量超过设定值时，水泵3启动，运行一段时间后停止1 min，再检测流量是否超过设定值。（4） 当水箱 2 的水位低于设定下限时，水泵启动，同时电磁阀2打开，以水箱 1 中的水作补充，达到设定水位上限为止。（5） 水箱2水温低于设定温度且2个水箱水位高于设定的最低加热水位时，加热器开，达到设定温度时关。（6） 当管道温度低于下限时，开伴热带同时还要开水泵1，防止上冻。（7） 当控制柜内温度高于设定的风扇启动温度，风扇启动，低于设定温度时关闭。2.2 太阳能热水器控制系统方案的确定2.2.1 系统方案的确定太阳能本身是一个不断变化的非线性变量，而影响其变化的因素又较多且极其复杂，太阳能热水系统工程是一个非线性系统，很难建立精确的数学模型，因此采用传统的控制方法难以得到较佳的控制效果。而模糊控制是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制方法。这种控制方法是一种智能的、非线性的控制方法，对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以可以取得较满意的控制效果，解决一些用传统控制方法无法解决的问题。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 的控制规模确定外，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。2.2.2 系统水位水温整体控制流程太阳能热水器控制系统是一个整体，所以热水器水位与水温可以在一个系统内同时控制，它们有一定的联系，但又有各自的控制系统，通过各自的系统控制实现热水的供应。通过理解太阳能热水器工艺结构示意图，可以设计热水器的流程图，流程图如图2.2所示。在图中可以看出水温水位控制的具体流程，系统开始工作时，自来水进入太阳能的集热箱之中，等待太阳能集热板吸收太阳能加热自来水，如果没有阳光摄入，系统就不能进行下面的流程，只有当吸收到阳光时，才可以继续操作。下一步要看集热管中是否有水流，如果集热管没有水流，系统要通过报警系统进行报警，用户收到报警信息后对可以往集热管中加水，集热管中有水则循环泵启动，集热器开始对水进行加热，此时的热水进入循环水系统，加热的水就可以提供给用户了。开始自来水进入太阳能集热水箱是否有阳光摄入n y集热管是否有水流 报警器报警 n y循环泵启动 集热器加热 热水进入循环水箱用户图2.2太阳能工艺流程图2.2.3 系统水温控制原理框图此款热水器利用微机控制，主要有以下两种控制功能：水温控制、水箱加热控制。1、水温控制为了提供温度不低于40的水，具体控制过程如下：首先，关闭冷水阀门f2和循环水阀门f1，然后微机开始进行水箱的温度采集，同时进行温度的比较，当水箱中的温度小于40时，电热器d接通进行加热，同时微机继续对热水箱的水温进行采集。当温度加热到大于40时电热器d断开，如此反复循环保证了温度的稳定。2、水箱加热控制如果没有日照或者日照很弱时，到了晚上可能就没有热水可用了，但是控制系统可以解决这个问题。热水箱温度为t1，将它和设定值n相比较，从而控制是否打开电加热器。控制时段为618 h，具体过程如下：若tln，电加热接通；否则，电加热断开。最终热水箱的温度加热到设定值n。由此可见，即使没有日照我们照样可以洗上热水澡。系统控制原理框图如下图2.3所示。t3热水箱t1d集热器f3太阳光f1自来水f2t2图2.3 系统控制原理框图注释：t1：热水箱的温度传感器t2：循环水管中的温度传感器t3：集热器中的温度传感器f1：循环水阀门f2：冷水阀门f3：热水阀门集热器内的水加热后要与储水箱里面的冷水实现循环以使储水箱里的水不断的被加热，目前常用的热交换方式主要有三种：自然循环、强迫循环和定温放水循环。1)自然循环式： 自然循环的特点是，储水箱必须安设在集热器顶端水平面以上才可进行系统循环。 装置中集热器内的水经太阳辐射，使水温上升，密度开始逐渐变小，与储水箱内未被太阳辐射的水产生了密度差（或称重力差、温度差），形成了热虹吸压头在集热器中缓缓上升。温水经过设置管道（上循环管）进入储水箱，而在此同时储水箱内相对温度低、密度较大的水慢慢下降，经设置管道（下循环管）流入集热器下部补充。这样以水的比重差或称热虹吸压头为作用力，而不借助外力来使水进行循环的方式称为自然循环。 自然循环的运行其密度差愈大，循环的速度愈快，反之循环的愈慢。这种循环方式能使储水箱内的水持续升温，太阳辐射停止，循环也渐渐终止。 2)强迫循环式： 强迫循环顾名思义是借助外力迫使集热器与储水箱内的水进行循环。强迫循环的特点是储水箱的位置不受集热器位置的制约，可任意设置，可高于集热器，也可低于集热器。它是通过水泵将集热器接收太阳辐射的水与储水箱的水进行循环，使储水箱内的水温逐渐增高。市场上经常采用的强迫循环热水器是一种两次循环分离式热水器，集热器装入特殊的导热介质或防冻液，靠循环泵进行循环。该泵由温差启动器进行控制，当温差达到预定温度时，启动泵，进行循环；低于预定温度时，泵停止运行。热水是通过储热水箱中的特殊的热交换器进行热交换的。 3)定温放水式： 定温放水式与强迫循环不同的是它不是循环的概念，而是通过温度控制器将达到设定温度的水用水源压力或水源加压力水泵输送到储水箱内。 它的特点是水源经集热器到储水箱，因为没有循环，又非常简单，只是将水在集热器内闷晒后送入储水箱，因此，有人将这一方式称为直流式或直流定温放水。 这种方式的又一特点是与温差控制式强迫循环的方式一并使用能有效地节约用水，定温放水的水箱容积一般较大，有时前一天的水未被用完，如果不升温，水即被白白放掉，如果有温差或强迫循环的机构就可将这部分水加温。太阳能热水器一般都要工作在阳光充足的天气下，可天气是多变且不确定的，在没有阳光的时候，如果人们还想用热水，就需要用电进行加热，这就是所谓的电辅加热功能，电加热我们用调功器实现，其原理就是通过交流调压实现调功，通过调功产生热量对水进行加热。交流调压电路原理图如下图2.4。图2.4 y形三相交流调压原理图它采用相位控制实现负载的三相调压。如图2.4所示，三对反向并联的晶闸管与负载的三相输入端连接，此时负载为y形连接。三相交流调压器的触发信号应与电源电压同步，其控制角从各自的相电压过零开始算起，3个正向晶闸管vt1、vt3、vt5的触发信号应互差2/3，3个反向晶闸管vt2、vt4、vt6 的触发信号也应互差2/3，同一相的两个触发信号应互差。总的触发顺序是vt1、vt2、vt3、vt4、vt5、vt6，其触发信号依次各差2/3。y连接时，由于三相中没有中线，所以在工作时若要负载电流流通，至少要有两相构成通路。为保证启动时两个晶闸管同时导通，即在感性负载与控制角较大时仍保证不同相的正反两个晶闸管同时导通，要求采用大于/3的宽脉冲或采用间隔为/3的双窄脉冲触发电路。当电路导通后，负载电阻产生热量，对水进行加热，以达到电加热的目的。第3章 太阳能热水器控制系统硬件设计3.1 系统主要配置的选择1、电机类型的选择对于连续运行，负载平稳，对起动制动没有特殊要求的生产机械，应优先采用普通鼠笼异步电动机，它广泛用于各种机床、水泵和风机等。大中功率的空压机和皮带输送机等生产机械要求有较大的起动转矩，应采用深槽式或双鼠笼式异步电动机。由于太阳能热水器属于连续运行，负载平稳，对起动制动没特殊要求，综合各方面考虑，本系统微型电机选用y系列三相异步电动机，电压为220v，频率为50hz，功率为50w。2、交流接触器的选择本系统选用正泰公司生产的cjx1系列交流接触器，该接触器为双断点触头的直动式运动结构，动作机构灵活，手动检察方便，结构紧凑。触头，磁系统采用封闭结构，能提高寿命。接线端均有防护罩覆盖，使用安全可靠。安装可用螺钉紧固，也可扣装在35毫米的安装轨上，装卸方便。cjx1系列交流接触器适用于交流50hz（或60hz），额定电压至660v，在ac-3使用类别下工作电压为380v，供远距离和分断电路及频繁起动和控制交流电动机，并可与适合的热继电器组成电磁起动器，以保护可能发生操作过负荷电路。3、热继电器的选择本系统所用的热继电器为正泰公司生产的nr4（jrs2）系列，nr4（jrs2）系列热过载继电器适用于交流50hz/60hz、额定电压690v、1000v，电流0.1-180a的长期工作或间断长期工作的交流电动机的过载与断相保护。该热继电器具有断相保护、温度