基于PLC的太阳能热水器控制系统设计.doc

石家庄铁道大学四方学院毕业设计基于PLC的太阳能热水器控制系统设计The Design of Solar Water Heater Control System Based on PLC 2015届 电气工程 系专业 自动化 学号 20118107 学生姓名 xxx 指导老师 曲萍萍 完成日期2015年 5 月 22 日毕业设计成绩单xxx学号20118107班级专业 毕业设计题目基于PLC的太阳能热水器控制系统设计指导教师姓名 曲萍萍指导教师职称 副教授评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长(主任) 签字：年 月 日毕业设计任务书 题目基于PLC的太阳能热水器控制系统设计学生姓名学号20118107班级1153-1专业自动化承担指导任务单位 电气工程系导师姓名 曲萍萍导师职称 副教授一、主要内容以西门子PLC为核心控制器设计一个太阳能热水器控制系统，要求设计说明书中应有硬件的选型、系统的硬件设计、软件设计，及测试程序。二、基本要求1.自动控制功能。系统在自动工作方式时能自动控制各电磁阀的开关。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。工作为618h。可利用定时控制器和PLC自身具有的定时命令加以解决。2.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。除尘用一个电磁阀连续工作2 min。3.水箱液位控制功能。水箱 200 L，液位控制在180 L。4.水箱应具备供热水、保温的基本功能。5.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。6.节水功能。7.可实现手动/自动控制切换。三、主要技术指标（或研究方法）采用S7200型号PLC四、应收集的资料及参考文献1 可编程控制器原理与应用 高等教育出版社2 小型可编程控制器原理与实践 辽宁科技出版社3 可编程控制器应用技术 机械工业出版社五、进度计划第1-2周： 调研、收集材料，完成开题报告；第3-6周： 分析、确定方案，按照设计要求进行设计；第7周： 中期答辩；第8-13周： 写毕业设计论文，提交定稿，审核论文；第14-15周：毕业答辩；教研室主任签字时间 年 月 日毕业设计开题报告题目基于PLC的太阳能热水器控制系统设计学生姓名学号20118107班级方1153-1专业自动化1、 本课题的研究背景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。因此，在这样广阔的应用背景下设计出了全玻璃真空管式热水器的控制系统。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的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。然而PLC与单片机相比，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。二、国内外研究现状我国太阳能热水器无论是家用还是集体用系统(热水工程)，一直沿用直接加热太阳能集热器中的水的传统方法，平板太阳能集热器中水的冻结不仅影响了集热器的正常运转，而且导致集热管的涨裂。为了解决这一问题，研究了落水排空、加热防冻循环、不排水抗冻等诸多方案，但这些方案在家用太阳能热水器，特别是自然循环家用太阳能热水器中一直未能广泛应用。就目前而言，我国虽然已经是全球最大的热水器生产国，但是，与之相关的控制器却还处于研发阶段。特别是和太阳能热水器系统相关联的控制系统，出现的相关产品还比较少。在最近几年，我国的太阳能热水器主要都改为了全玻璃真空管式结构。这种全玻璃真空集热管结构就像一个保温瓶，外管透光，内管涂黑吸收太阳能热量，两层管间是真空结构起到保温作用。由于真空玻璃管是圆形的，具有对太阳广源自然跟踪的特点，再加上反光板的反射原理，使玻璃管四面受光，集热效果时间更长，水温更高，即使高寒地区一年四季也可正常运行。太阳能光热的利用随着常规能源的枯竭及环保问题受到越来越多的重视得到很大的推广和利用。目前在国外，真空管太阳能热水器已经得到大多数百姓的认可，并且解决了四季都可以使用热水的问题。就欧盟而言，太阳能热水器的安装总量大概和中国一家大型太阳能企业的安装量相当，这是由人口基数决定的。发达国家的太阳能热水器所使用的集热器较为先进，大部分以金属流道为主，尤其以平板集热器居多。这种集热器寿命长，稳定性高，可以更好的与建筑结合，使用量较多。在集热器方面，国外的现状较国内的全玻璃真空管集热器相比，还是有一定先进性的。在集热方式方面，欧美国家的家用和商用系统一般采用集热器和水箱系统的分离的方式，采用二次换热系统。在西班牙，明文规定太阳能的室外管必须采用防冻液换热，不得将一次水系统设计在室外。换热器两侧均采用闭式系统，蓄能水箱也均采用闭式水罐，并可以有多种不同方式，与常规热源的自动接驳。在与建筑结合方面，一般欧美国家大量使用平板集热器，外观平整，水箱设计时放在屋内，这种系统复杂，系统效率复杂，系统效率也比紧凑式一体机能耗大，造价比较高，不适合在国内大面积推广。在产品的品质与技术水平方面，欧美发达国家还是要领先于国内的，西方国家目前也在致力于功能更加完善的太阳能热水器的研究。三、研究的内容 本课题研究的内容是用PLC控制太阳能热水器系统，实现太阳能热水器系统自动化控制及手工控制，使其满足实际各种控制需要、使更多的工作免于人参与、使系统更加稳定可靠。具体研究工作从以下方面展开：(1)确定系统的各种工序，绘制系统的工艺流程图；(2)PLC选型及I/O分配；(3)设计、绘制梯形图，满足各控制要求；(4)绘制电气原理图、外部接线图等；(5)依据设计要求调试系统成功；四、预期达到的目标实现这一设计的主要器件有PLC、太阳能板、发热器、温度传感器以及其它所需器件。太阳能热水器控制系统分为温度控制系统和水位控制系统。一般太阳能热水器有两根通向楼顶水箱的水管，一根是公用的上水下水管，另一根是溢水管，当水箱放满水时，溢水口通过溢水管流下部分来，提示用户水已经放满了，该关闭水阀了。水位控制：当水位低于正常水位时及时补水，加到期望的最高水位时停止。温度控制：当水温低时自动加热，水温高时可以混入凉水。从而实现对太阳能热水器的自动控制。指导教师签字时 间 年 月 日摘要随着人们生活水平的提高，太阳能热水器已经逐步进入人们的日常生活中。为使太阳能热水器在同类产品中更加有竞争力，除了积极拓宽市场之外，改进太阳能热水器的性能，运用现代自动控制工业的技术，实现太阳能热水器的自动控制，无疑是一个有利途径。从这个角度来看，传统的继电器已经不能满足高精度的自动控制要求。使用可编程逻辑控制器来控制太阳能热水器系统是目前的发展方向。本文着重介绍了基于PLC的太阳能热水器控制系统，并详细介绍了控制系统的软硬件设计。该太阳能热水器控制系统选用的是S7-200型编程器，能够实现手动自动不同工作方式的切换。论文介绍了太阳能热水器自动控制系统的意义，分析了国内外的研究现状，说明了本次设计的目的。并且设计了PLC控制系统的硬件系统，画出外部接线图分配输入输出点。根据输入输出点数选择PLC型号。设计PLC控制系统的软件，编写梯形图程序。通过组态王对整个系统进行远程操控和实施监控。用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组态王AbstractWith the improvement of peoples living standard, peoples life quality request more and more is also high. For the same household heating equipment, the use is convenient. Environmental protection and energy saving of the solar water heater is more attractive to people, and wider application market. In order to make the solar water heater in similar products more competitive, in addition to actively expand the market, improving the performance of the solar water heater, using modern automatic control of industrial technology, implement automatic control, solar water heater is undoubtedly a good way. From this perspective, the traditional relay already cannot satisfy the requirement of the high precision automatic control. Using reliability, strong adaptability of programmable logic controller to control the solar water heater system is the development direction of current.This paper introduces the solar water heater automatic control system based on PLC, and introduces the hardware and software design of the control system in detail. This solar water heater using S7-200 type of programming, can achieve manually automatic switching of different way of working. Paper introduces the significance of solar water heater automatic control system, analyzes the research status at home and abroad, explains the purpose of this design. And design the hardware of PLC control system, draw the distribution of external wiring diagram input and output points. According to the input and output points choose PLC models. Design of PLC control system software, the ladder diagram programming. And it has carried on the simulation debugging.This solar water heater automatic control safe, reliable, good operation, making the water heater on the degree of automation control has greatly improved.Key words:Solar Water HeaterPLCKingView 目录第1章绪论1 1.1课题研究的目的1 1.2国内外研究现状2 1.2.1国内研究现状2 1.2.2国外研究现状2 1.3论文研究内容3第2章系统总体方案设计4 2.1系统硬件组成分析4 2.2系统设计要求5 2.2.1系统原理分析5 2.2.2系统水温控制原理6 2.2系统方案设计6第3章系统的硬件选型与设计8 3.1PLC的选型8 3.1.1PLC的硬件框图8 3.1.2各单元器件选择和介绍9 3.1.3PLC的端口分配10 3.2系统电路的设计11第4章系统的软件程序设计14 4.1系统软件设计方案14 4.2程序设计原理14 4.3系统控制流程图14 4.4设计系统的梯形图程序19 4.4.1梯形图的编写19第5章组态监控仿真设计23 5.1组态王的介绍23 5.2系统监控组态设计23第6章结论与展望30 6.1结论30 6.2展望30致谢32附录33附录A外文资料33 附录B系统梯形图40石家庄铁道大学四方学院毕业设计第1章绪论1.1课题研究的目的现在我国大部分太阳能热水器生产厂家还在生产不带控制系统的设备。这种老式的太阳能热水器一直沿用直接加热太阳能集热器中的水的传统方法。在北方的冬季，平板太阳能集热器中水的冻结不仅影响了集热器的正常运转，而且导致集热管的涨裂。为了解决这一问题，人们研究了落水排空、加热防冻循环、不排水抗冻等诸多方案，但这些方案在家用太阳能热水器，特别是自然循环家用太阳能热水器中一直未能广泛应用。不仅如此，老式的太阳能热水器由于没有自动控制系统，完全是靠机械式的运作，这对于人们日常生活中使用也是十分不便的。因此，利用全新的全自动控制设备不仅可以免于人们过多的操作，比如手动上水以及手动除尘等，还可以保证太阳能热水器的使用效率。在我国，利用太阳能来加热水资源，是人们获得热水最行之有效的方法之一；并且太阳能热水器不仅能解决人民对于热水的需求，在工业上也存在的巨大的利用潜力。21世纪是科技的时代，各种电子技术迅猛发展，因此，人们能够来研究该课题。以此来实现太阳能热水器的自动控制，方便人们的日常生活。在我国，与之相关的控制器却还处于研发阶段。特别是和太阳能热水器系统相关联的控制系统，在最近几年，我国的市场上倒是出现了一些太阳能热水器控制器，但大多是良莠不齐，比如性能不够稳定，操作失误频发；甚至对于水位，温度的控制误差非常大。考虑到现实中的使用情况，人们会为太阳能热水器系统的维护投入更多的成本，从而影响了人们的使用体验。PLC以及计算机的发展使得工业生产进入自动化时代。作为最初的工程自动化控制技术，PLC的诞生具有跨时代的意义。鉴于PLC的低成本及高度可靠性。它的出现提高了自动化的水平，便利了人们的生活。它是太阳能热水器控制系统不可缺少的重要环节。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，而且其常开常闭触点可多次重复使用。使得科技人员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。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状我国太阳能热水器无论是家用还是集体用系统(热水工程)，一直沿用直接加热太阳能集热器中的水的传统方法，平板太阳能集热器中水的冻结不仅影响了集热器的正常运转，而且导致集热管的涨裂。为了解决这一问题，研究了落水排空、加热防冻循环、不排水抗冻等诸多方案，但这些方案在家用太阳能热水器，特别是自然循环家用太阳能热水器中一直未能广泛应用。特别是和太阳能热水器系统相关联的控制系统，出现的相关产品还比较少。在最近几年，我国的太阳能热水器主要都改为了全玻璃真空管式结构。这种全玻璃真空集热管结构就像一个保温瓶，外管透光，内管涂黑吸收太阳能热量，两层管间是真空结构起到保温作用。由于真空玻璃管是圆形的，具有对太阳广源自然跟踪的特点，再加上反光板的反射原理，使玻璃管四面受光，集热效果时间更长，水温更高，即使高寒地区一年四季也可正常运行。虽然我国大部分太阳能热水器还不能实现自动控制，但也有率先进行科技创新的企业，比如生能太阳能热水器，就应用了空调热泵技术，在卧式储水箱底部采用热泵与水位控制装置，通过温度控制器、智能控制模块等对水箱内水温进行检测，在温度不达用户设定要求的情况下热泵加热自动投入运行，在阴雨天依然可用1。1.2.2国外研究现状太阳能光热的利用随着常规能源的枯竭及环保问题受到越来越多的重视得到很大的推广和利用。目前在国外，真空管太阳能热水器已经得到大多数百姓的认可，并且解决了四季都可以使用热水的问题。就欧盟而言，太阳能热水器的安装总量大概和中国一家大型太阳能企业的安装量相当，这是由人口基数决定的。发达国家的太阳能热水器所使用的集热器较为先进。在集热器方面，国外的现状较国内的全玻璃真空管集热器相比，还是有一定先进性的。在集热方式方面，欧美国家的家用和商用系统一般采用集热器和水箱系统的分离的方式，采用二次换热系统。在西班牙，明文规定太阳能的室外管必须采用防冻液换热，不得将一次水系统设计在室外。换热器两侧均采用闭式系统，蓄能水箱也均采用闭式水罐，并可以有多种不同方式，与常规热源的自动接驳。在与建筑结合方面，一般欧美国家大量使用平板集热器，外观平整，水箱设计时放在屋内，这种系统复杂，系统效率复杂，系统效率也比紧凑式一体机能耗大，造价比较高，不适合在国内大面积推广。在产品的品质与技术水平方面，欧美发达国家还是要领先于国内的，西方国家目前也在致力于功能更加完善的太阳能热水器的研究。1.3论文研究内容该设计是根据可编程控制器(PLC)，通过选型PLC，设计软件和硬件。实现系统的自动控制。控制程序的设计包括流程图、梯形图等等。控制程序的设计是PLC系统应用中最关键的问题，也是整个控制系统设计的核心。并且该系统还可以实现自动手动的切换，使大部分工作由PLC代替人的操作，增强系统的可靠性2。论文的第2章是整体方案的设计，研究清楚太阳能热水器系统的基本原理及控制要求。按照最基本的设计准则进行设计。按照要求设计出热水器的结构组成，并设计出太阳能热水器系统的控制框图。对编程软件及仿真软件做出选择，并解释说明这两种软件。从而对整体系统的设计方向有一个大体的把握。论文的第3章是系统的硬件设计选型。主要包括PLC的选型以及电磁阀和各种传感器的选择。系统通过控制器来控制电磁阀的开启关闭，从而代替手动补水的开关和闸阀。还要研究清楚传感器与PLC之间的连接关系，设计出主电路和控制电路，对PLC进行选型及I/O分配，最后设计出PLC的外部接线图。论文的第4章是程序的编写以及注释，在编写程序之前，首先要进行流程图的绘制，按照流程图来编写程序。在本论文设计中，使用的是德国西门子公司生产的S7-200系列PLC编程软件。此软件功能强大，将每一段程序独立开来编译，并且每个网络自带注解。最后，选择几段重要的程序来进行讲解说明。论文的第5章是组态王的设计说明，首先是对组态王进行简单的介绍，研究该软件的操作及仿真系统的建立。详细介绍仿真系统建立的每一步，从而对太阳能热水器系统进行模拟仿真监控。最后得出设计结论。 第2章系统总体方案设计2.1系统硬件组成分析图2-1太阳能热水器示意图系统由太阳能热水器，液位、温度传感器，电磁阀，开关，指示灯等组成。本设计采用的是全玻璃真空管式热水器，这种热水器是新型结构的设备，但是原理和平板式热水器是相似的。与传统的平板太阳热水器相比，它用的是玻璃真空管，这种集热器运用了真空技术，我们知道，真空环境下是没有空气对流的，这也就意味着它的热损耗非常的低。在选择性吸收图层的帮助下，更减少了它的热损。因此这种设计的太阳热水器的应用范围将更加广泛，它既能适应北方寒冷的冬季，保证管道不会被冻裂，而且加上它吸热能力强的特点，保证了太阳能热水器在冬季的使用。它也能适应高温的环境，真正做到了全天候，全领域的使用。传感器感受温度、液位等信息并将信息传到控制器从而控制主电路，系统电路采用发光二极管来实现信息的回馈3。电磁阀则由控制器来控制开启与关闭，通过设置开关时间来实现自动补水排水等功能。2.2系统设计要求在明确太阳能热水器系统方案设计之前，首先要确定系统的设计要求。太阳能热水器是用来提供热水供人们使用的，因此，系统的设计要求也应该紧紧围绕这一点来设计。太阳能热水器控制系统设计必须达到以下几个要求：(1)能够实现自动上水功能，当水箱水位低于设定值时，上水电磁阀打开上水，水箱上满之后自动停止。(2)能够实现电辅助加热功能，当水温低于四十摄氏度时，电加热启动，当加热到五十摄氏度时，停止加热。(3)能够实现除尘功能。(4)当系统出现故障时，能够自动报警。 以上这些即是太阳能热水器控制系统最基本也是最主要的要求，设计的时候须按以上项进行设计。2.2.1系统原理分析依循太阳能热水器定时器设置的工作时间段判定能否达到工作时间。要是无法达到则系统停止运转。如若工作时间达到，启动温度子程序和水位子程序。当水箱内的水位低于指定值时，便启动供水阀，使其供水5分钟、停2分钟，完成节水功效。当水箱所在水温低于指定值时，就对水温加热处理。当水位及水温偏高时，系统会自动启动警报讯息。在外部环境温度高于4摄氏度时，就启动除尘子程序。除尘过程中，电机循环除尘正转20秒，然后反转20秒，达到两分钟为止。随之返回起始的所有程序动作，下一次大循环开始。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。2.2.2系统水温控制原理T2T3集 热 器热 水 箱V3T1V1 D V2 图2-2系统水温控制原理图注： T1 水箱温度传感器 T2 循环管温度传感器 T3 集热器温度传感器 V1 循环水阀门 V2 冷水阀门 V3 热水阀门 D 加热器这种热水器主要实现了对水温的控制；不仅如此，它还能控制水箱加热。(1)水温控制为了提供温度不低于37的水，具体控制过程如下：关闭冷水阀门V2和循环水阀门V1，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37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37时电热器D断开，如此反复循环保证了温度的稳定。(2)水箱加热控制没有日照或者日照很弱时，水箱电加热开始运行，保证水温到达设定值。热水箱温度为T1，将它和设定值37相比较，从而控制是否打开电加热。具体过程如下：若Tl37，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37。由此可见，即使没有日照一样可以洗上热水澡。2.2系统方案设计在现在工控行业，组态经常被企业和设计人员提到。现在的生产企业中，组态设计已是生产过程中必不可少的一道工序。以组态作为监控中心的监控系统中，操作人员可以不去现场就能根据现场的应用对象和工艺要求来进行监控和操作以及对属性的设定。组态软件可以根据对计算机和软件的不同配置来实现自动执行预定任务，以达到各种不同的生产要求及目的。太阳能热水器控制系统设计完成之后，需要进行仿真调试。即对系统进行仿真。做仿真设计的时候，要把实物虚拟化，所以一定要弄清楚系统所需的各个硬件组成。监控系统需要对太阳能热水器控制系统进行实时的检测，监控着热水器的运行状态，以便能够及时发现所存在的问题。仿真系统需要外部连接PLC，将编写好的程序下载到PLC中，再通过串口连接到组态王软件中，进行模拟仿真。系统所用到的硬件比如水箱，电磁阀，除尘电机，按钮等都要出现在监控画面上，这样才能得到所要的仿真画面。而且系统每个相应的状态必须有相应的现象，能够明显地表现出系统的运行状态。通过编写程序，将程序下载到PLC上，然后连接组态王，便可以进行仿真。仿真过程可以随意修改系统的参数，也可以在程序上修改系统参数，使得对太阳能热水器的监控更加方便。仿真软件提供了许多要素，比如开关，显示灯，阀门，显示板，日期时间等，可以根据需要选择自己需要的元器件，没有的元器件可以自己绘制。提供表格数据，折线统计图等方便分析的工具，是个功能强大的仿真工具。第3章系统的硬件选型与设计3.1PLC的选型本次的设计中共涉及到了有9点输入、14点输出。考虑到本应用系统对控制速度要求并不严格,主要针对开关量控制，所以可以采用西门子PLC-200系列型号中的6ES7 216-2BD23-0XB8 CPU226(继电器型)。因为CPU226具有24输入/16输出，适用于较高要求的控制系统，具有更多的I/O点(40点数字量输入输出)，更强的模块扩展能力(可连接7个扩展模块)，具有2个RS485通信/编程口，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。3.1.1PLC的硬件框图此设计选取西门子S7-200系列40点可编程控制器，完成太阳能热水器包括温度、液位等控制功能。出于系统安全性的设计，设置有声光信号展现的故障类型报警点输入，值班人员依据警报提醒及时处理故障。发生事故时，报警铃声发声并伴有故障指示灯闪烁，值班人员解除报警必须按下“消音”按钮，但故障指示灯直到事故处理完毕才会停止闪烁。系统控制框图如图3-2所示。自动总停手动上水手动加热消音按钮液位检测开关温度开关（常闭）温度开关（常开）自动总开自动/手动选择除尘阀报警器供水阀排水阀继电器除尘电机PLC9点输入 14点输出模拟量输入模块EM235温度变送器 PT100传感器图3-1系统控制框图3.1.2各单元器件选择和介绍(1)电机类型的选择普通鼠笼异步电动机被普遍应用于各种机床、水泵和风机等，对于连续运行，负载平稳以及通用起动制动的生产机械为优先选择。深槽式或双鼠笼式异步电动机适用于大中功率的空压机和皮带输送机等生产机械需求较为严格的起动转矩。综合权衡太阳能热水器连续运行，负载平稳，起动制动无异常需求等特性，本设计选用的微型电机为电压为220V，频率50Hz的YYHS45型号的微型电机4。(2)热继电器的选择本设计采取热继电器为正泰公司出产的NR4(JRS2)系列，其适用于交流50Hz/60Hz、额定电压690V、1000V，电流0.1-180A的长期工作工作环境并支持间断长期工作的交流电动机的过载与断相保护。此系列反馈可靠，具有断相保护、温度补偿、动作指示、自动与手动复位的功能并符合：GB14048.4、GB14048.5、IEC60947-4-1等行业标准，支持与CJX1系列交流接触器接插安装。(3)电磁阀的选择生产于浙江宋氏阀控的SSFK-C024型电磁阀，其适用交直流3-220V的不同范围电压，在太阳能热水器等洁具类广泛使用，反馈可靠，足够达到使用要求5。(4)发光指示灯的选择基于指示灯要选用两色二极管、指示灯要质量过硬的基准，采取TLL0501HMC型，当系统工作时，指示灯显示绿色，机器通电不运作时，指示灯显示红色。(5)隔离变压器的选择本设计采用BK100型号隔离变压器，适用环境为11变比，220V AC电压。(6)温度传感器通过各种高性能传感器对气候环境进行测量及数据采集，并将测量结果通过接口送至PLC中，PLC根据控制要求对整个太阳能热水器进行综合控制。由于系统对环境的采样值都是传感器输出的模拟信号，而且传感器与PLC的距离也比较远，所以在传感器的选择上都采用了4-20mA电流输出型，从而减小传输过程中的干扰，保证采样值的准确性与可靠性。本设计采用PT100温度传感器，PT100是铂电阻温度传感器，它适用于测量-60到400摄氏度之间的温度。在对温度的测量与监控环节，模拟量扩展模块EM235在一个输入通道上连接PT100温度传感器，实现对温度的测量与控制6。(7)水箱的选择水箱的选用要根据情况来确定。水箱是热水器重要组成部分。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。循环水箱循环水箱容量大小是根据热水器装置日产热水量而定。为了便于加工提高经济性和通用性，循环水箱已标准化。目前循环水箱以容积分为500升和1000升二种，外形均为方形。循环水箱的上部均装有涨水管及透气孔，其位置稍高于水位。溢水管和透气孔制成一体，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。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水箱，而是通过补给水箱来补给。这样做的优点是可使冷水和热水隔开，保持循环水箱中的热水水温稳定。补给水箱不宜太大，宜狭而长。补给水箱内需安装浮球，以保持最高水位7。3.1.3PLC的端口分配基于上述硬件选型设计，编制I/O接口功能表，如下表3-1和3-2所示。表3-1PLC的输入端口分配 输入 代号 名称 I0.0 SB1 启动 I0.1 SB2 停止 I0.2 ST 温度检测开关 I0.3 SF1 手动上水开关 I0.4 SF2 手动排水开关 I0.5 SF3 手动消音开关 I0.6 SF4 手动加热开关 I1.0 SF5 限位开关 I1.1 FR1 除尘电机故障 I1.2 FR2 电加热器故障表3-2PLC的输出端口分配 输出 代号 名称 Q0.0 L1 启动指示灯 Q0.1 L2 停止指示灯 Q0.2 V2 供水阀 Q0.3 L3 供水阀指示灯 Q0.4 V3 热水阀 Q0.5 V1 循环水阀 Q0.6 V4 出水阀 Q0.7 D 电加热器 Q1.0 L4 故障指示灯 Q1.1 KM1 除尘电机正转 Q1.2 KM2 除尘电机反转 Q1.3 L5 排水指示灯 Q1.4 BY 故障报警音 Q1.5 L6 除尘指示灯3.2系统电路的设计(1)主电路的设计：接触器KM1和KM2分别控制电机的正转和反转，电动机有热继电器实现过载保护。选择自动开关QF1为总电源的开关，即可完成主回路的短路保护，又起到隔离三相交流电源的作用，使使用和维护更加方便。由FU1、FU2、FU3分别实现各负载回路的短路保护作用。热继电器FR1和FR2实现对系统的过载保护。除尘电机M1通过正反转来实现对热水器的除尘。主电路中设计有电加热器D，可以实现在温度过低时加热水的功能。根据上述设计原则绘制出电气控制主电路图，如图3-2所示。图3-2电气控制主电路图(2)PLC控制电路的设计遵循上述系统对控制的要求、系统的总体设计和上述设计所选的元器件，设计出以下系统的PLC外部接线。如图3-3所示太阳能热水器系统PLC I/O控制原理电路图。图3-3系统PLC I/O控制原理图第4章系统的软件程序设计4.1系统软件设计方案太阳能热水器控制系统的软件设计部分包括了系统流程图和梯形图程序的设计，有了程序的驱动整个系统才能按照设计要求动作。本次程序设计是对太阳能热水器温度和液位的控制，主要是控制系统能够自动上水，能够自动控制各电磁阀的开关。以及控制液位和自动报警等功能。本设计采用西门子S7-200软件进行梯形图的编写。4.2程序设计原理在温度的测量与监视部分，采用模拟量扩展模块EM235实现对温度的测量与控制，在对PT100所需要的电流进行计算时，由于PT100在0时的阻值为100，温度与电阻值成线性变化，为了产生5mV/的电压系数，则每摄氏度需要0.4的阻值和12.5mA,则需要模拟量的输出数为1250。因为AQW数据字向右移位4位，输出数则需要乘以16。这样，为了初始化模拟量输出Io位12.5mA电流，必须在AQW0中设置输出数为20000。在电路中，将PT100的温度变化的电阻转换成电压，EM235将这个电压转换成数字量，程序周期地读这些数字量，并将所读这些数，利用公式计算出温度8。在恒压供水部分，水箱内存在一个压力探测装置，能够知道当前水箱内的水压，并把当前的水压值传递给控制装置。当水压减小时，控制装置得到减小水压信号，于是控制装置提高转速提升水压。当用水量小时，控制装置降低水泵的转速，减小水压，这样就可以保持水箱内水压恒定。4.3系统控制流程图遵循系统的控制要求和实际的控制需要，绘制系统控制流程图，主程序控制系统流程图以及子程序流程图分别如下图所示。主程序系统流程图如图4-1所示。 开始 初始状态检测 设置工作时间段 启动定时器 N 系统工作时间是否到 Y 端口控制逻辑正常 终止工作 各开关状态检测 水位子程序 温度子程序 Y 符合除尘条件 除尘子程序 N 图4-1主程序系统控制流程图水位子程序系统流程图如图4-2所示。 水位子程序入口 系统采样是否达到设定水位YN 上水 是否超过警戒线Y停止，报警N图4-2水位子程序流程图图4-2是系统的水位程序流程图，系统通过水位程序入口来进行采样分析是否到达设定的水位。假如没有到达设定值，系统则控制上水开关开始上水。当水位超过警戒线时，则停止上水并报警。如果水位没有超过警戒线则继续上水直到上满为止。温度子程序系统流程图如图4-3所示。 温度子程序入口 系统采样Y 是否到达设定温度停止，报警 驱动电加热器加热 N N 是否超过警戒线 Y图4-3温度子程序流程图通过系统对温度的采样分析，当温度低于系统设定温度时，驱动电加热器开始加热。当温度超过设定值时停止加热并报警，未达到设定值时则继续加热。除尘子程序系统流程图如图4-4所示。电机正转电机正转定时时间是否到Y电机反转NYN停止YN除尘子程序入口电机反转定时时间是否到循环定时时间是否到图4-4除尘子程序流程图除尘过程开始时，电机首先开始正转，当到达正转设定时间时，电机开始反转。反转时间到，循环一次。然后停止除尘。4.4设计系统的梯形图程序本程序采用STEP7-Micro/WIN编程软件进行编程，无需求其他的参数赋值软件。参照控制系统流程图，绘制太阳能热水器系统控制的梯形图，其完整梯形图见附录二。4.4.1梯形图的编写 (1)主流程图程序梯形图在网络1，按下启动按钮，启动太阳能热水器系统。启动指示灯亮，这时系统开始工作。按下停止按钮，停止指示灯亮。系统停止工作。在网络2，检测到现场水位正常，当水箱内温度达到37摄氏度时，线圈Q0.4得电，即热水阀开始工作，同时循环水阀开始工作。在主程序网络3中，当现场温度高于报警温度以及水位高于上限水位时，启动报警。按手动消音开关，消除报警。在网络4中，按下手动排水开关，线圈Q1.3得电，排水指示灯亮。同时Q0.6得电，出水阀开始工作，开始排水。网络5是子程序的调用。主流程图程序梯形图如图4-5所示图4-5主流程图程序梯形图(2)水位控制子程序梯形图网络1实现水位采集功能，将采集的0到32000的数变成0到200L的液位。网络2开机初始化，