基于plc智能热水器

河南理工大学成人教育学院毕业设计（论文）说明书毕业设计（论文）题目 基于PLC智能热水器 站 别 平顶山函授站 年级专业 13级电气工程及其自动化学生姓名 张智强 指导教师 徐从清 2015年4 月20日河南理工大学成人教育学院毕业设计（论文）任务书站名：平顶山函授站 年级专业 13级电气工程及其自动化 学生姓名 张智强 一、设计（论文）题目： 基于PLC智能热水器 二、设计（论文）任务与要求综合运用所学理论知识，实践知识，结合生产、科研课题，在规定时间内独立完成设计要求。毕业设计中要注意培养踏实、细致、一丝不苟的科学态度和工作作风，力求符合实际要求，并且具有一定的先进性可行性和经济性。内容要全面。内容格式规范，图纸（包括图形符号、文字符号、参数、尺寸等）及设计报告符合有关标准。 三、设计（论文）时间 2015 年 3 月 10 日至 2015 年 4 月 20 日指导教师（签名） 成教院院长（签名） 河南理工大学成人教育学院毕业设计（论文）评定书站名：平顶山函授站 年级专业 13级电气工程及其自动化 学生姓名 张智强 一、设计（论文）题目： 基于PLC智能热水器 二、设计（论文）说明书 27 页，附图 13 张。三、审阅意见及评语根据学院毕业设计管理的有关规定，同意（不同意）参加毕业设计（论文）答辩。指导教师（签名） 职 称 工 作 单 位 十一矿 河南理工大学成人教育学院毕业设计（论文）答辩委员会记录平顶山函授站 年级专业 13级电气工程及其自动化 学生的毕业设计（论文）于 2015 年 5 月 9 日进行答辩。设计（论文）题目： 答辩学生向毕业设计答辩委员会（小组）提交以下资料：一、设计（论文）说明书 共 27 页二、设计（论文）图纸 共 13 张三、指导教师评阅意见 共 页根据学生所提供的毕业设计（论文）材料和指导教师意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）作出如下决议：一、毕业设计（论文）的总评语：二、毕业设计（论文）的总评成绩：毕业答辩委员会主任（组长）签字：委员（成员）签字： 年 月 日6基于PLC智能热水器摘 要本课题主要研究了可编程控制器（PLC）在太阳能热水器中的实际应用。并介绍了太阳能热水器的工作原理、工作过程和系统要求。重点研究了系统硬件构成和软件设计。课题选用通过光辐射探测器判断光照强度来确定循环泵是否启动，利用温度传感器检测集热器的温度从而实现防冻控制，利用水位传感器判断热水箱中的水位高低，利用压力传感器检测管网末端的压力值并通过变频器控制水泵运行，利用温度传感器检测管网末端的温度从而控制锅炉是否启动来实现了加热控制。太阳能通过PLC已经基本实现了系统控制的各个要求，大大减少了系统对其它元器件的使用，从而使系统接线简单、检修方便快捷、可靠性能提高，提高了系统的先进性，很大程度上减少了制造成本，可以使更多的用户方便使用太阳能热水器。关键词:PLC,太阳能,热水器 目录 摘 要1第一章 绪论31.1 选题的目的和意义31.2 国内外研究现状31.2.1 国内研究现状41.2.2 国外研究现状51.3 太阳能热水器市场分析41.4 设计的主要内容5第二章 太阳能热水器的综述52.1太阳能热水器系统功能介绍52.1.1太阳能热水器基本构成62.1.2太阳能热水器工作原理及过程72.1.3太阳能热水器设计要求72.2可编程控制器（PLC）综述82.2.1 PLC的发展和简介82.2.2 PLC的特点82.2.3 PLC的工作原理102.2.4 PLC的分类112.2.5 PLC的应用领域12第三章 控制系统的设计方案133.1 关于系统硬件的设计方案133.1.1 PLC的选型133.1.2 PLC硬件控制框图143.1.3 太阳能系统各单元介绍153.1.4 PLC的端口分配163.1.5 系统主电路设计173.2系统软件设计方案183.2.1系统控制流程图183.2.2设计PLC梯形图程序21参考文献22致谢23附录24第一章 绪论1.1 选题的目的和意义当今世界能源问题已成为普遍性的问题，能源关乎着国家的安危，谁拥有了世界上的能源谁就拥有了国际事务的话语权，谁就有了国家经济发展的基础。但是传统能源已经被消耗殆尽，为了国家以后的发展，世界各国都在开发新的能源，太阳能作为一种既环保又取之不尽的资源已得到了越来越多方面的应用。众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，而且环保的巨大能源。随着世界上煤、石油、天然气储量的不断减少，能源危机也日益严重，同时环境污染的危机也不断的威胁着生态平衡，太阳能的开发利用也提上了新的日程。有人预测：二十一世纪太阳能将由辅助能源变为主要能源。但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点还未突破，产品造价高（如光电池），因而没有被人们大规模的使用。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，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。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的太阳能热水器自动控制系统。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状我国第一台太阳能热水器出现在1958年。70年代兴起开发利用太阳能热潮，各地研制成多种热水器样机，并有小规模应用，1979年我国太阳热水器的产量仅十万m2。1987年，我国从加拿大引进铜铝复合（SUNSTRIP）生产线；90年代，我国建立了全玻璃真空集热管和真空管集热器工业，使我国太阳能热水器的推广应用上了一个新台阶。太阳能热水器的生产和应用开始于20世纪70年代后期，开始以平板式和闷晒式为主，生产规模较小，技术水平较低。20世纪80年代中期，我国引进加拿大铜铝复合吸热板(SUNSTRIP)制造技术，使我国平板集热器产品质量跨上一个新台阶，我国太阳能热水器产业开始进入以现代化生产手段制造国产优质平板集热器的历史新阶段。为了减少平板集热器的热损，提高集热温度，国际上70年代研制成功真空集热管，其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内，大大提高了热性能。我国自1978年从美国引进全玻璃真空集热管的样管以来，经过20多年的努力，已经建立了拥有自主知识产权的现代化全玻璃真空集热管的产业，产品质量达世界先进水平，产量雄居世界首位。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。1.2.2 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。1.3 太阳能热水器市场分析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。但是目前市场还有待规范，消费群体还有待培育，技术还尚须改进，因而对于企业来说还有较大的成长空间。中国的太阳能热利用技术研究开发始于20世纪70年代末，其重点置于简单，价廉的低温热利用的适用技术，如太阳能温室，太阳灶，被动太阳房，太阳热水器和太阳干燥器。这类技术在农村得到推广应用，为缓解农村能源短缺，改善农村生态环境和农民生活起了积极的作用，并收到了实效。20世纪80年代太阳能热水器列入国家“六五”和“七五”科技攻关项目。主要的研发项目是高效平板太阳集热器和全玻璃真空集热管。在90年代，全玻璃真空集热管的科技成果通过投产转化为生产力形成自行设计和配套的集热管生产线。中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的2倍，北美的4倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场，并仍在以每年20-30的速度递增。但是中国太阳能热水器的生产企业有5000多家，除皇明、清华阳光、华扬、太阳雨、四季沐歌等10个全国性品牌因质量、售后服务过硬而市场知名度较高外，行业中存在着大量纷繁芜杂的杂牌企业，这种状况不利于行业的长远发展，这就要求政府部门进行规范，加强监管引导。尽管市场现状不如人意，但市场前景仍被看好。随着国民经济和人民生活水平的不断提高，居民对家庭室内热水的需求也越来越强烈，中国太阳能热水器市场潜力巨大。1.4 设计的主要内容本课题设计的内容是用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。第一章 太阳能热水器的综述2.1太阳能热水器进水管集热管水管支架保温储水箱溢流管排气管系统功能介绍 图2-1温度传感器2 储水箱集热器太阳光温度传感器3温度传感器1 循环系统 图2-22.1.1太阳能热水器基本构成太阳能热水器按使用分类，可分为季节性热水器、全年性热水器以及有辅助热源的全天候太阳能热水器。按集热器原理和结构可分为平板型热水器和真空管热水器。不管何种类型的太阳能热水器，其基本结构都是一样的，太阳能热水器通常由集热器、绝热储水箱、连接管道、支架和控制系统组成，如图2-1所示。 1)太阳能集热器：太阳能集热器是太阳能热水器接收太阳能量并转换为热能的核心部件和技术关键，其造价约占太阳能热水器总造价的二分之一左右。全玻璃管式太阳能热水器根据热介质的不同又可分为全玻璃真空管集热器和热管真空管（玻璃金属结合）集热器两种。它们的最主要、最关键部件是真空集热管2。目前国内最普及的全玻璃真空集热管像一个拉长的暖水瓶，由两根同心圆玻璃管径抽成真空而成，内管外壁采用直流反应或磁控溅射镀膜工艺制备而成，沉积渐变铝-氮/铝选择性太阳吸收膜层。全玻璃真空集热管材料、工艺和结构简单，可靠性好，集热效率高，太阳能吸收率90%，红外发射率9%，使热能的传导对流，辐射损失降至极低，具有“只进不出”的保温特效。全玻璃真空集热管一般由玻璃内管、外管构成，内管内壁装水与保温水箱相连通，环，内管外壁涂有选择性涂层用于吸收阳光，内管与外管之间保持一定距离，通1cm，将内、外管之间抽成真空后熔接，集热时，当阳光透过外管照射到内管上，内管发热后，将内管内的水全部加热，利用冷热比重不同的物理原理，由管内与保温水箱内的水相互交递循环，最终将保温箱内的水加热。2)绝热贮水箱：太阳能热水器水箱是贮存热水的装置，其结构、容量、保温和材料将直接影响热水器的性能和运行的质量。贮水箱主要组成部分为水箱内胆、保温层、水箱外壳、密封圈四部分。水箱的种类，按外形分有方形、扁盒型、圆柱型、球形水箱；按放置方法分有立式和卧式两种；按耐压状态分有常压的开式水箱和耐压的闭式水箱；按是否有辅助热源可分为普通水箱和具有辅助热源的水箱；按换热的方式不同可分为直接换热水箱和二次换热的间接热交换水箱。水箱内胆生产材料的质量，对水箱的耐压、耐温、防渗漏及水质影响很大。目前市场上出售的产品，其水箱内胆主要有0.6mm厚304-2B不锈钢，它无磁性、抗锈蚀、焊接性好，塑性好。其它的常用材料有钢板进行防腐处理或搪瓷、镀锌钢板、防锈铝板、塑料或玻璃钢等。水箱的热特性包括放热特性、加热特性、保温特性。放热特性就是希望水箱内的热水都能放出来，方便利用。加热特性是大多数水箱内的水是上部先热起来，然后下部再慢慢热起来。保温特性指水温下降的快慢，与水箱的封密性、保温材料、环境温度、水容量大小等相关。3)支撑架：太阳能热水器的支撑架主要由反尾座及主撑架组成。4)控制系统：一台较好的太阳能热水器应具有优质安全的常规能源辅助加热即电加热。应采用太阳能与二次能源相结合，逢阴天光照不强，电辅助加热可弥补在阴雨天及冬季阳光不足时无法供热水的不足。根据需要还可以采用具有水温水位显示、自动手动上下水、智能控制、温差循环、自动加热、手动加热、防冻、防干烧和故障报警等功能的全智能控制仪。5)其它部件：热水器的密封圈除具有密封性好、耐高温、寿命长等性能外，还应不溶于水，否则食用后会对人体有害。质量较好的密封圈材料选用硅橡胶，但市场上采用普通橡胶或再生橡胶的商家却大有人。2.1.2太阳能热水器工作原理及过程太阳辐射光原透过玻璃盖板，被太阳能热水器集热板吸收后沿肋片和管壁传递到太阳能热水器吸热管内的水。太阳能热水器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，最终太阳能热水器整箱水都升高至一定的温度。有的平板式太阳能热水器集热器，基本上都采用结合良好的多管组合方式，如滚压或压延方法等，其中走水管子与吸热板之间的热阻几乎可以忽略。影响平板式集热器板芯性能的主要因素，一是结构设计，二是表面吸收涂层。一般家用太阳能热水器通常以自然循环方式工作，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，支管的水力半径应在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。常用太阳能热水器的用水方式分为落水式和顶水式。落水使用方式不受自来水供水影响，其缺点是使用过程中水温先低后高，掌握不好的话容易造成突然缺水的尴尬。顶水方式则是水温先高后低，容易掌握，使用者容易适应，但是要求自来水保持供水能力。在自来水有保证的情况下，推荐使用顶水方式。 家用太阳能热水器设计成顶水方式时，必须对水箱内部结构进行合理的设计，以保证出水均匀，避免形成水路“短路”或死角。使用管路最好设计成可以转换成落水式的连接方式，在自来水压力不足或停水时应急用。2.1.3太阳能热水器设计要求1）能够根据水位和水温两个条件控制是否需要进水，每次只进整个水箱的 四分之一水量，也可以在手动状态下自由进水（上满时自由停止）或停止进水。 2）控制系统具有手动和自动切换功能； 3）具有水温和水位显示功能； 4）具有进水超水位和超水温报警指示； 5）用水时若水温达不到设置值时，可手动起动加热装置，这样可在很大程 度上节约电能； 6）用水时可自由调节水温； 7）控制系统具体管道排空功能，这样防止冬天时因水管内有积水而在夜间 冻裂水管。2.2可编程控制器（PLC）综述2.2.1 PLC的发展和简介PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的，初期主要用来替代继电器控制器系统，侧重于开关量逻辑控制和顺序控制方面。后来，随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术的发展，PLC在技术上和功能上发生了极大的变化，主要如下：在开关量逻辑控制的基础上，增加了数值计算、闭环调节等功能；系统增加了模拟量和PID调节等特殊功能模块，实现了开关量逻辑控制、顺序控制和过程控制的完美结合；运算速度有了极大的提高。新型PLC的CPU在性能上已经赶上了工业控制机；具有各种丰富的智能I/O模块；通信功能强大，实现了PLC之间、PLC与上位机之间以及PLC与其他智能设备间的通信，由此发展了多种局部总线和网络，也可构成集散控制系统。PLC，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。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。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（ProgrammableLogicController）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（ProgrammableControlSystem），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。2.2.2 PLC的特点1、通用性强,使用方便。梯形图是使用最广的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图编程语言实际上是一种面向用户的高级语言，PLC在执行梯形图程序时，将它“翻译”成汇编语言后再去执行。2.功能强，性能价格比高一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。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.硬件配备齐全，用户使用方便，适应面广PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。通过修改用户程序，可以方便快速地适应工艺条件的变化。4可靠性高,抗干扰能力强。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入输出有关的少量硬件元件，接线可以减少到继电器控制的十分之一到百分之一，大大减少了因触点不良造成的故障。PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。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。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维修方便，能耗低PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息，方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。控制系统使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此开关柜的体积比原来的小得多。PLC控制系统的配线比继电器控制系统少得多。2.2.3 PLC的工作原理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。PLC的循环顺序扫描工作流程图如下图所示： 2.2.4 PLC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。一 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。二 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。三 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2.2.5 PLC的应用领域目前，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、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：1.开关量逻辑控制 取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.工业过程控制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。3.运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4.数据处理PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5.通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。第三章 控制系统的设计方案3.1 关于系统硬件的设计方案根据控制系统要求，首先确定PLC的控制规模，估算出所需要的I/O点数，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的容量。3.1.1 PLC的选型 在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。一、输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展。二、存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，另外再按此数的25%考虑余量。三、控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。四、机型的选择(一)PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。(二)输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。(三)电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。(四)存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。(五)冗余功能的选择1控制单元的冗余 2I/O接口单元的冗余 (六)经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。因为本系统是对开关量控制的应用系统,并对控制速度要求不高,选用核心部件为西门子S7-200系列32点可编程控制器,该编程控制器具有自诊断功能,采用循环扫描工作方式,这完全能满足要求。西门子S7-200系列可编程控制器输入输出控制方式为循环扫描方式、编程语言为梯形图语言、32点的可编程控制器具有16点输入,16点输出。考虑到该PLC所需的输入、输出点数及类型，选用西门子S7-200系列可编程控制器作为该系统的核心，它含有16个输入点（漏型）和16个输出点（继电器型），足够设计所用。3.1.2 PLC硬件控制框图3.1.3 太阳能系统各单元介绍1、电机类型的选择选择电动机类型时，首先考虑的是电动机的性能应能全面满足被驱动机械负载的要求，如启动性能、正反转运行、调速性能、过载能力等。在这个前提下，优先选用结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜的电动机。一般情况下，对于不需要调速或对调速要求不高的生产机械，可优先选用笼型三相感应电动机。这时应充分考虑电动机的启动容量与电源容量的对应关系。普通笼型电动机的启动转矩不大，特别是采用降压启动时，只适用于空载或轻载启动的场合，例如，风机、泵类负载等。高启动转矩的笼型电动机（深槽式、双笼式）可应用于重载启动的生产机械，如压缩机、皮带运输机等。对于需要有级调速的生产机械，可选用变级多速笼型电动机，如电梯、机床等。对于带有飞轮的冲击性负载，则应选用高转差率笼型电动机，如冲压机床、锻压机床等。对于启动、制动转矩要求较大，需要频繁启动、制动，并且需要调速的生产机械，可选用绕线型感应电动机，如起重机、升降机、轧钢机、压缩机等。对于容量较大且不需要调速的生产机械，应优先选用同步电动机，让同步电动机运行于过励状态，还可以改善电网的功率因数。对于要求在宽广范围内平滑调速或要求准确位置控制的生产机械，可选用他励（并励）直流低压电机电动机。如数控机床、龙门刨床、轧钢机、印刷机、造纸机等。对于要求软机械特性、高启动转矩的生产机械，如电车、蓄电池车、电力机车等，可选用串励或复励直流电动机。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10w。2、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、温度补偿、动作指示、自动与手动复位，该产品动作可靠。另外，该产品符合：GB14048.4、GB14048.5、IEC60947-4-1等标准，可靠性较高。3、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。4、发光指示灯的选择指示灯选用两色二极管指示灯，当机器运行时，指示灯显示绿色，机器通电不运行时，指示灯显示红色，要求指示灯质量可靠，根据要求，选用TLL0501HMC型指示灯。5、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。6、电磁阀的选择电磁阀选用SSFK-C024型电磁阀，原产地:浙江宋氏阀控，该产品主要用于太阳能热水器等洁具类，工作电压适用范围广、交直流3-220V，使用可靠，完全可以达到使用要求。7、隔离变压器的选择本生产线选用BK100型号隔离变压器，该隔离变压器变比1：1，电压220VAC。8、温度传感器的选择首先，必需选择传感器的构造，使敏感元件的规则的丈量时间之内到达所测流体或被测外表的温度。温度传感器的输出仅仅是敏感元件的温度。实践上，要确保传感器指示的温度即为所测对象的温度，常常是很艰难的。在大多数状况下，对温度传感器的选用，需思索以下几个方面的问题：（1） 被测对象的温度能否需记载、报警和自动控制，能否需求远间隔丈量和传送。（2） 测温范围的大小和精度请求。（3） 测温元件大小能否恰当。（4） 测温元件大小能否恰当。（5） 在被测对象温度随时间变化的场所，测温元件的滞后能否顺应测温请求。（6） 价钱如保，运用能否便当。根据硬件的选择情况，绘制表31序号代号名称数量规格型号备注0PLC可编程控制器1西门子S7-200系列继电器输出型1HLHL3指示灯4AD16-22GLED显示,220V2KM1-KM2交流接触器2DJX-9线圈电压：220V3SB1-SB5按钮5LAY37绿色4SB1-SB5启动按钮1LAY37绿色5S手动/自动开关1SR26封闭式6SL1-SL2温度检测开关2TH22接通与断开的最小温差1.17TC隔离变压器1BK-100电压：220V8FU1-FU8熔断器8RL1-15熔体2-10A9FR热继电器2JR16-20/3参照电机电流10M微型电动机1YYHS45电压220V频率50HZ11YA报警器1SWP-X100交流220V12YV2排水阀1SSF