基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计

1、目录第一章 概述31.1 研究本课题的目的、意义31.2当前研究现状31.3 目前我国太阳能热水器的种类41.3.1 热管式太阳能热水器31.3.2 平板式太阳热水器41.3.3 全玻璃真空管式热水器51.3.4 热管真空管式太阳能热水器51.4 研究的内容6第二章 全玻璃真空管式太阳能热水器的论述72.1 太阳能热水器功能简介72.1.1 太阳能热水器的组成、原理和工作过程82.1.2 太阳能热水器各单元介绍92.1.3 系统的要求102.2 可编程控制器（PLC）简介102.2.1可编程序控制器的工作原理112.2.2 可编程控制器的的特点11第三章 热水器控制系统的设计方案11 3.1

2、系统硬件的设计方案 113.1.1 PLC的选型123.1.2 PLC硬件控制框图123.1.3 各单元功能作用介绍163.1.4 PLC的端口分配173.2 系统软件设计方案173.2.1 软件组成173.2.2 系统控制流程图17第四章 可编程控制器（PLC）的安装、维护和检修214.1 PLC的安装214.2 PLC系统的电源接线214.3 接地214.4 输入接线224.5 输出接线224.6 PLC的维护和检修22第五章 结 论23参考文献24致谢25附录I 梯形图26附录II 指令表28摘要:本课题主要研究可编程控制器（PLC）在太阳能热水器自动控制系统中的应用。重点研究系统的硬件

3、构成及系统软件的设计过程，指出 PLC 设计的关键是能满足基本控制功能, 并考虑维护的方便性、系统可扩展性等。在本文中经研究确定出了系统的各个工序，绘制了系统的工艺流程图；进行了系统的I/O分配和PLC的选型；根据系统设计要求设计绘制了系统的控制梯形图；绘制出了控制系统电气原理图和接线图等。通过用PLC对太阳能热水器自动控制系统的改造，大大减少了系统对其它元器件的使用，使系统接线简单、检修维护方便快捷、可靠性提高，增进了系统的先进性。关键词: PLC；太阳能；自动控制系统；热水器 ABSTRACT： Application of PLC in solar water heater automa

4、tic control system is researched in this paper. The content of this paper on the process of system hardware constitution and the system software design is emphasized . And the key of PLC design that is to satisfy the basic control function is pointed out , meanwhile maintenance convenience and syste

5、m extension are also considerated. The content of this paper is divided into four parts. In the first part, the procedure of the system is established, and then the treatment flow chart is drawed out; In the second part, The address of I/O is resigned .and the suitable PLC type is choosed. The third

6、 part, the control ladder diagram is designed according to the requirement; In the end, the electrical principle diagram and the interconnection diagram are drawn. Through the design of the solar water heater automatic control system, the components that is used in the solar water heater automatic c

7、ontrol system are decreased. The performance of the system is lifted, and it has the feature such as simply interconnection, rapid and easy fault detecting and maintenance, and high reliability. In a word, the system becomes more advanced because of my design.KEY WORDS: PLC; solar; automatic control

8、 system; water heater 第一章 概述1.1 研究本课题的目的、意义太阳能热水器是利用太阳辐射能和热水的装置。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。从发展角度看，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热水器的自动控制系统。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

9、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

10、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当前研究现状目前我国太阳能热水器产业发展迅速，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，目前一直处于空白状态。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；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。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

11、术研究和产品开发投入较少。因此，在太阳热水器、太阳热水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1。1.3 目前我国太阳能热水器的种类1.3.1热管式太阳能热水器热管式热水器也是一种可以常年使用的太阳能设备，基本原理同热管式太阳灶差不多。但是，由于一般提供洗浴用的热水温度不太高，所以对热管的要求也比太阳灶要低。甚至从满足生活热水的单项要求来说，这种热管在技术上和经济上均优于真空集热管。我国大连生产的热管式热水器虽然初始投资高于平板式集热器，但是低于真空管集热器，而使用效果也不差。国外同类热管式热水器的产量和型号正在不断增加。此种热水器的热管，结构简单，

12、工质易得，抗冻性和热效率均好，使用寿命也长。热管式热水器在外形结构上很象管板式热水器，只不过把普通排管变成了热管，少个或省去了一个集水管，热管上同样可装翅片吸收太阳能。当热管收集到太阳的热之后，立刻把它输送到集热管，并在水箱中进行换热，于是得到热水。由于热量是由热管输送、选择合适的工质与管材、管芯，就能保证其化学相容性，避免一般管板式热水器的腐蚀性。同时，因为热管内的工质很少，不像管板式热水器里面充满着水，所以热损较低，起动也较快。而且热管式热水器的工作温度范围也比管板式热水器宽得多，不用担心00C时水会结冰，也不怕高于100时水会沸腾。1.3.2平板式太阳热水器平板式太阳能热水器又叫“平板集

13、热器”，它是太阳热水器的基本类型之一。由它可以派生出许多同类热水器，如翅翼型、波纹板型、塑料压制型等等，但它们的集热基本原理都一样。水的循环靠温差比重不同。热水轻，向上升。冷水密度大，只能从底部慢慢向上顶。水箱中的水通过集热器的循环加温，逐步达到平衡，则不再流动。事实上水箱中的水总是源源不断进入集热器的底部，而热水也不断流入水箱的上部。平板型太阳集热器以其简单、价廉和安装方便在全世界都获得了广泛的应用。普通平板型太阳集热器由吸热体、壳体、透明盖板和隔热材料等组成。当太阳照射到集热器时，集热器板上水道中的水被加热而发生膨胀、变轻、产生“水往高处流”的现象，就像热烟气从烟囱中冒出一样，这就是所谓的

14、“热虹吸”现象，系统中水流的循环运动完全依靠自身各部位温度不同而形成自然循环，即只要有太阳照射，就能实现这种循环。水在集热器中受热变轻，由集热器底部上升至顶部。再经循环管流入保温水箱，水箱下部的冷水由下循环管流入集热器底部。如此循环，使整个水箱中是水温升高2。这种集热器的优点是：1、工艺不复杂，加工成本低。2、水流的循环和加热全部依靠集热器的吸热作用，不需要泵和其它能源，运行成本低，确实是一次投资，长期受益。3、水流系统常压运行，无需带压设备，没有任何安全隐患。4、整个系统没有运转设备，水对吸热板没有腐蚀作用，故使用寿命很长。缺点是：1、由于白天、晚上的温度不同，集热器易产生倒流。2、在高温段

15、效率偏低，表面热损大。3、在冬季低于0时，因集热器中的水结冰膨胀，将管子胀裂。4、流动阻力分布不均，抗冻性能差，所以使用范围局限在北方的夏天和南方不结冻地区的冬天。1.3.3 全玻璃真空管式热水器全玻璃真空管式太阳能热水器是在平板型太阳集热器的基础上发展的一种新型太阳能集热装置。全玻璃真空管太阳集热器的核心元件是玻璃真空集热管，它采用了真空技术，消除了气体的对流与传导热损，并应用选择性吸收涂层，使真空集热管的辐射热损降到最低，这样真空管太阳集热器可以在中高温下运行，也能在寒冷地区的冬季及低日照与天气多变地区运行，扩大了应用领域。全玻璃真空太阳集热管通常采用单端开口的形式，在一端将内、罩玻璃管环

16、形熔封在一起。真空集热器内装有吸气剂3。这种集热器的优点是：1、结构简单、制造方便、可靠性强。2、集热效率高，保温性能好。3、可以在中高温下运行，也能在寒冷地区的冬季运行。4、使用寿命长，一年四季都可使用。缺点：1、管内存水过多，管内水温上升缓慢，而且对于真空管南北放置的热水装置，管中的热水无法全部取出，致使系统热水利用率降低。2、不能承压，易在玻璃管内结垢，管子易炸裂，而且在严寒地区使用会冻结。3、价格昂贵。1.3.4 热管真空管式太阳能热水器热管真空管式集热器是一种新型的太阳能集热装置，集中热管式和真空管式集热器二者的优点，克服彼此的缺点。例如，利用热管起动快，一通过不同工质可以控制热水器

17、的工作温度，而真空管集热器在无负荷闷晒时，往往会出现超过200的高温，使水的压力增大，造成使用中的不便等。但真空管集热器的优点在于绝热性好，热效率高。其原理是太阳辐射穿过真空管玻璃外壳，投射在金属吸热板上，吸热板将太阳辐射能转化为热能，使热管蒸发段内的传热介质汽化。蒸汽上升到热管冷凝段后，通过导热块将热量传递给集热管内的工质，而自身又凝结成液体，依靠重力流回蒸发段。上述过程重复循环，使集热管内的工质不断升温。由于运用了真空技术，大幅度降低了集热器的热损失，因而使其在高工质温度或低环境温度的运行条件下仍具有良好的热性能，同时运用了热管技术，被加热工质不直接流经真空管，因而跟普通平板式集热器和真空

18、管集热器比较，热管式真空集热器除了工作温度高，承压能力大和耐热冲击性能好等优点，还有其显著特点4。这种集热器的优点： 1、耐冰冻。热管由特殊的材料和工艺保证，即使在冬季长时间无晴天及夜间的严寒条件下，真空管也不会冻裂。2、启动快。热管的热容量很小，受热后立即启动，因而在瞬变的太阳辐射条件下能提高集热器的输出能量，而且在多云间晴的低日照天气也能将水加热。3、保温好。热管具有单向传热的特点，即白天由太阳能转换的热量可沿热管向上传输去加热水，而夜间被加热的水的热量不会沿热管向下散发到周围环境。4、安装维修方便。安装方便，操作简单，易于固定，运行可靠。缺点:1、生产成本。 2、技术要求高。1.4 研究

19、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。第二章 全玻璃真空管式太阳能热水器的论述2.1 太阳能热水器系统功能简介图22 系统控制原理图注释: Tl，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

20、阀门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37摄氏度的水，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370C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370C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，到了晚上我们是否还能洗上热水澡呢?答案是肯定的，不要忘了这款热水器还有一个从系统。这时它就要发挥作用了。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。

21、控制时段为6点一18点，具体过程如下: 若Tl<N，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了。2.1.1 太阳能热水器组成、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400C 600C。1、热水器组成及原理热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成。下图为典型的热水器装置简图。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

22、冷水。当集热器吸收太阳辐射后，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56。热水器装置简图1一集热器 2一下降水管 3一循环水管4一补给水箱 5一上升水管 6一自来水管7一热水出水管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

23、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，

24、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7。2.1.2 太阳能热水器各单元介绍1、热水器水箱及水箱配置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。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

25、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 1-2次。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

26、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、集热器平板式太阳能集热器是平板式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道，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，把带有流道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

27、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。2.1.3 系统的要求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。工作为 618 h

28、。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。供水阀供水 5 min，停 2 min。7、可实现手动/自动控制切换。2.2 可编程控制器（PLC）简介可编程控制器（PragrammableLogicCo

29、ntroller,简称 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。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是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。这主要是源于它能够为自动化控制

30、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8。2.2.1 可编程序控制器的工作原理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9。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

31、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。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，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10。2.2.2可编程控制器的的特点1、通用性强,使用方便。2、功能性强,适应面广。3、可靠性高,抗干扰能力强。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。5、控制系统的设计、安装、调试和维修方便。6、体积小、质量小、功耗低。第三章 热水器

32、控制系统的设计方案太阳能本身是一个不断变化、而影响其变化的因素又较多、极其复杂的非线性变量，太阳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。太阳能热水器控制器采用PID控制算法，这种算法对固定参数的线性定常系统是非常有效的。通过调整PID控制器的参数，一般都能得到比较满意的控制效果。3.1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 (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

33、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。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11。3.1.1 PL

34、C硬件控制框图上位机采用PC机，下位机选用日本三菱公司的FX2n系列的32点可编程控制器，实现对太阳能热水器的控制，完成太阳能热水器的温度、液位等控制功能。为提高系统的安全性，需要有报警点输入并且用声光信号显示故障类型，同时发出警报提醒值班人员及时处理事故。当故障出现时，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。系统控制框图如图31。3.1.2 各单元功能作用介绍1、电机类型的选择电机类型选择的原则如下：对于有特定要求的工作机械，应优先选择专用电机。如可工作于高湿度，有盐雾、霉菌、凝露等环境的船用电动机；有较

35、高的效率及节能指标的纺织电动机；有作为激振动力源，如用于粮食加工机械或振动筛、振动输送机的振动异步电动机；在化工、橡胶、纺织、造纸等工业中有时要求软机械特性和宽调速范围的电动机，当负载增加时电动机的出轴转速随之降低而输出力矩增加，保持与负载平衡，并允许较长时间堵转的三相力矩电动机等。对于一般生产机械，在满足生产机械要求的前提下，优先选用结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便的电动机。从一般要求看，交流电动机优于直流电动机，交流异步电动机优于交流同步电动机，鼠笼式异步电动机优于绕线式异步电动机。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

36、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12。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、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（

37、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

38、靠性较高。该热继电器可与CJX1系列交流接触器接插安装。4、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。5、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。6、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220V AC。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

39、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。容积500升的水箱外形尺寸为: 778 X 778 X 880毫米。容积1000升的水箱外形尺寸为:8 X 928 X 1300毫米。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

40、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。500升与1000升循环水箱，结构基本相同，后者增加一些肋条和拉条，以增强水箱的强度和则度。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。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。通用设计中最常用的一种补给水箱结构。它的外形为350 X830 X 400毫米，其长度是高度的2倍多。8、传感器的选型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

41、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。温度误差可以在电路上或软件上采取补偿措施，不同的补偿方法，其整体温度系数差异较大，但仍与元件本身的温度特性有关，一般将敏感元件和电路的温度系数合在一起考虑。一般的温度传感器基点漂移较其它的气象传感器都要显著，热敏电阻属于吸附元件，在测量过程中必然会受到污染，由污染引起的测量基点漂移，只能用重新检定的方法加以修正解决。若污染严重，基点漂移量过大，又

42、不能再生，只能将传感器作报废处理13。温度传感器技术指标:1）温度范围：-070(可根据用户要求扩展)2）湿度范围：10%/RH-99%RH3）电源： AV220V士10%4）温度误差：一般士0.2、最大士0.55）数据分辨率：0.16）数据更新周期：约1秒7）数据线：3类双绞线8）数据传输距离 小于1200m根据硬件的选择情况，绘制表31 表31原理总图的元器件目录表序号代号名称数量规格型号备注0PLC可编程控制器1FX_2n-32MR-ES/UL继电器输出型1HL-HL3指示灯4AD16-22GLED显示,220V2KM1-KM2交流接触器2DJX-9线圈电压：220V3SB1-SB5按钮

43、5LAY37绿色4SB启动按钮1LAY37绿色5S自动/手动开关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1SSFK-C014交流12-220V13YV1供水阀1SSFK-C024交直流3-220V 14YC除尘阀1SSFK-C017交流220V3.1.3 PLC的端口分配根据以上硬件选型设计，编制I/O接

44、口功能表，如表32和33。表 32 PLC的输入端口分配输入点代号工程名称X0SB启动按钮X1SB1总停按钮X2SL1温度开关（常开）X3SL2温度开关（常闭）X4SB2手动上水开关X5SB3手动排水开关X6SB4手动消音开关X7SB5手动加热开关表 33 PLC的输出端口分配输出点代号工程名称Y0HL启动指示灯Y1HL1总停指示灯Y2HL2除尘指示灯Y3HA报警蜂鸣器Y4HL3故障指示灯Y5YV1供水电磁阀Y6YV2排水电磁阀Y13KM1除尘电机正转接触器Y15YV3除尘阀Y14KM2除尘电机反转接触器3.1.4系统电路的设计1、主电路的设计：1) 接触器KM1和KM2分别控制电机的正转和反

45、转。2) 电动机有热继电器实现过载保护。3) 选择自动开关Q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。4) 由FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分别实现各负载回路的短路保护作用。FU7，FU8完成PLC控制回路的短路保护。2、PLC控制电路的设计根据系统的控制要求、系统的总体设计及系统所选的元器件，设计出系统的控制原理图及PLC外部接线图。3.2 系统软件设计方案可编程控制器是扫描工作方式，能同时对多个模块进行控制，在整个程序扫描时间里加上不同的输入检测信号，就可使程序按所检测信号判断进入不同的分支程序。主程序包含有多个分支程序，

46、这样既提高了编程的灵活性又减少了不必要的代码重复，同时也方便以后系统扩展对软件的修改，系统主要是接收上位机的控制参数，并完成太阳能热水器温度、液位的测量和控制任务。3.2.1 软件组成软件系统通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件。系统软件指的是操作系统、程序设计系统等与计算机密切相关的程序。系统软件一般由计算机生产商或各种软件公司提供，带有一定的通用性。应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在计算机控制系统中，每个控制对象或控制任务都要有相应的控制程序，用这些控制程序来完成对象的不同要求，这种程序通常称为应用程序。3.2.2 系统控制流程图1、建立系统控制流程图1）主

47、程序控制系统流程图水位子程序温度子程序2）水位子程序流程图图32 水位子程序流程图3）温度子程序流程图图33 温度子程序流程图第四章 可编程控制器（PLC）的安装、维护和检修4.1 PLC的安装为保证PLC工作的可靠性，提高它的工作效率，延长其使用寿命，对使用场合、环境温度要有一定的要求。在安装PLC时，要满足下列条件:1、 环境温度在050的范围内；2、 环境相对湿度应在35-85范围内；3、 周围无腐蚀和易燃的气体；4、 应避免太阳光的直接照射及液态物质的溅射；5、 应避免铁屑及灰尘；6、 避免频繁或连续的振动及冲击。除满足以上环境条件外，安装时还应该注意以下几点：1、 在安装和拆卸时，P

48、LC的所有单元必须断电；2、 在接触PLC前，必须事先释放人体所带静电；3、 注意PLC周围的通风和散热；4、 严防导线头、铁屑等从通风窗掉入可编程控制器内部，造成印刷电路板短路，使其不能正常工作甚至水久损坏。5、 尽可能远离高压电源线和高压设备，可编程控制器高压设备和电源线之间应留出至少200mm的距离。小型可编程控制器外壳的4个角上，均有安装孔。有两种安装方法，一是底板安装，不同的单元有不同的安装尺寸；另一种是DIN（德国共和标准）轨道固定。DIN轨道配套使用的安装夹板，左右各一对。在轨道上，先装好左右夹板，装上PLC，然后拧紧螺钉14。4.2 PLC系统的电源接线PLC供电电源可采用直流

49、24V、交流1 00V120V或200V240V的工作电源。如果电源发生故障，中断时间少于10ms ，PLC工作不受影响。若电源中断超过10ms或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开。当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力，也可以安装一个变比为1:1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。4.3 接地良好的接地是保证PLC可靠工作的必要条件。在接地时应注意以下几点：1、 PLC的接地线应为直径在2mm以上的专用线;2、 接地电阻应小于100;3、 PLC的地线不能和其它设备共用;4、 PLC的各单元地线应相连在一

50、起。4.4 输入接线PLC一般接受行程开关、限位开关等输入的开关量信号。输入接线端子是PLC与外部传感器负载转换信号的端口。输入接线，一般指外部传感器与输入端口的接线。输入器件可以是任何无源的触点或集电极开路的NPN管。输入器件接通时，输入端接通，输入线路闭合，同时输入指示的发光二极管亮。输入端的一次电路与二次电路之间，采用隔离变压器。二次电路带RC滤波器，以防止由于输入触点抖动或从输入线路串入的电噪声引起PLC误动作。若在输入触点电路串联二极管，在串联二极管上的电压应小于4V。若使用带发光二极管的舌簧开关，串联二极管的数目不能超过两只。另外，输入接线还应特别注意以下几点：1、 输入接线一般不

51、要超过30m，但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。2、 输入、输出线不能用同一根电缆，输入、输出线要分开。3、 可编程控制器所能接受的脉冲信号的宽度，应大于扫描周期的时间。4.5 输出接线1、 可编程控制器有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出3种形式。2、 输出端接线分为独立输出和公共输出。当PLC的输出继电器或晶闸管动作时，同一号码的两个输出端接通。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。3、 由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板，因此，应用熔丝

52、保护输出元件。4、 采用继电器输出时，承受的电感性负载大小影响到继电器的工作寿命，因此继电器工作寿命要求长。5、 PLC的输出负载可能产生噪声干扰，因此要采取措施加以控制。此外，对于能使用户造成伤害的危险负载，除了在控制程序中加以考虑之外，还应设计外部紧急停车电路，使得可编程控制器发生故障时，能将引起伤害的负载电源切断。交流输出线和直流输出线不要用同一本电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。4.6 PLC的维护和检修虽然PLC的设计，已使维修和运行故障减少到最小程度，但为了保证系统的正常工作，尽量延长系统的使用寿命，应定期进行维护和检修。注意电源电压、环境指标、I/0参数、安装情况及备份电池等情况的检查与维护，确保PLC的正确稳定运行。第五章 结 论通过本次课程设计，使太阳能热水器达到了系统的各种控制要求，成功完成太阳能热水器的PLC自动控制系统的设计。经过对系统程序的运行调试，实现了太阳能热水器的自动控制，也可实现太阳能热水器手动控制。提高了系统的可靠性，达到了设计目标。设计中还是存在着一些不足，本系统还有待进一步的完善、改进。与国外相比，我国的太阳能热水器的自动