基于PLC的太阳能热水器控制系统设计论文

基于PLC的太阳能热水器控制系统设计摘要：本设计阐述了可编程控制器（PLC）在太阳能热水器控制系统中的应用,重点研究了系统的硬件构成及软件的设计过程。指出了PLC设计的关键是能满足基本的控制功能,并考虑维护的方便性、系统可扩展性等。本设计进行了系统的I/O分配和PLC选型，根据要求绘制出了控制系统电气原理图和接线图等。把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控制系统全球能源紧张，太阳能热水器使用量与日俱增，然而热水器储水槽通常设在楼顶，与使用端的距离至少6-15m，因此使用时，需打开水龙头一段时间才有热水，期间浪费的冷水量较大；储水槽装在顶楼，用户很难知道储水槽的温度，虽然有辅助加热器，但无法掌握加热时间而造成能源的浪费。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。因此，本文将对太阳能供水的控制系统进行探讨，设计出基于PLC控制的太阳能供水系统。也是为了解决盲目启动辅助加热器所造成的电能的浪费。控制功能设计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6～18h。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℃。除尘时用一个电磁阀连续工作2min。3、水箱液位控制功能。水箱200L，液位控制在180L。4、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。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5min，停2min。7、可实现手动/自动控制切换。8、恒温功能。出水温度可通过恒温阀控制在30～40℃，当用户需要热水时，可通过手动调节。二、控制系统的硬件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。系统控制原理框图如下图2-1所示。T3热T3热水箱T1D集热器F3太阳光F1自来水F2T2图2-1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370C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器。控制时段为6～18h，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。三、PLC硬件控制框图本设计选用西门子S7-200系列的40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3-1所示。自动总停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PLC24点输入16点输出模拟量输入模块EM235温度变送器PT100温度传感器图3-1系统控制框图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（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TLL0501－HMC型指示灯。6、隔离变压器的选择本生产线选用BK－100型号隔离变压器，该隔离变压器变比1：1，电压220VAC。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。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:778X778X880毫米。容积1000升的水箱外形尺寸为:8X928X1300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350X830X400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，又不能再生，只能将传感器作报废处理。温度传感器技术指标:1）温度范围：-0℃~70℃(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0.5℃5）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五、PLC的端口分配根据以上硬件选型设计，编制I/O接口功能表，如下表5-1和5-2所示。表5-1PLC的输入端口分配输入点代号工程名称I0.0SF启动按钮I0.1SF1总停按钮I0.2BT1温度开关（常开）I0.3BT2温度开关（常闭）I0.4SF2手动上水开关I0.5SF3手动排水开关I0.6SF4手动消音开关I0.7SF5手动加热开关I1.0SF6液位检测开关I1.1EM235模拟量输入模块表5-2PLC的输出端口分配输出点代号工程名称Q0.0PG启动指示灯Q0.1PG1总停指示灯Q0.2PG2除尘指示灯Q0.3PB报警蜂鸣器Q0.4PG3故障指示灯Q0.5MB1供水电磁阀Q0.6MB2排水电磁阀Q0.7QA1除尘电机正转接触器Q1.0MB3除尘阀Q1.1QA2除尘电机反转接触器Q1.2KF1电加热器六、系统电路的设计1、主电路的设计：1)接触器QA1和QA2分别控制电机的正转和反转。2)电动机有热继电器实现过载保护。3)选择自动开关QA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FA1、FA2、FA3、FA4、FA5、FA6分别实现各负载回路的短路保护作用，FA7、FA8完成PLC控制回路的短路保护。根据上述设计原则绘制出电气控制主电路图，如图6-1所示。图6-1电气控制主电路图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，如图6-2所示太阳能热水器系统PLCI/O控制原理电路图。图6-2太阳能热水器系统PLCI/O控制原理图七、系统控制流程图1、建立系统控制流程图根据系统的控制要求及实际的控制需要，绘制系统控制流程图1）主程序控制系统流程图如下图7-1所示开始开始初始状态检查设置工作时间段启动定时器系统工作时间是否到？YN端口控制逻辑正常？终止工作各开关状态检测温度子程序水位子程序符合除尘条件？除尘子程序Y记录端口状态，返回NN图7-1主程序控制系统流程图2）水位子程序流程图如下图7-2所示水位子程序入口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7-2水位子程序流程图3）温度子程序流程图如下图7-3所示系统采样系统采样是否达到设定温度YN驱动电加热器加热是否超过警戒线Y停止，报警N温度子程序入口图7-3温度子程序流程图综合调试PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好起动。根据太阳能热水器定时器设定的工作时间段看是否到工作时间。如果没有到则系统停止。如果到工作时间，则调用温度子程序和水位子程序。根据水箱内的水位和水温进行PID调节。如果水箱内的水位低于设定值，则打开供水阀先供水5分钟，然后停2分钟，实现节水功能。如果水箱内的水温低于设定值，则进行加热。如果水位过高或者水温过高，则系统发出报警信号。当外部环境温度超过40C时，则调用除尘子程序。除尘时，电机先正转20秒，然后电机反转20秒，循环直到除尘达到两分钟。然后返回从开始的全部动作，进行下一次大循环。此外，还可以按手动按钮以实现手动供水、排水和手动加热功能。参考文献[1]袁任光.可编程序控制器技术与实例[M].广州：华南理工大学出版社，2003.215-238[2]刘敏.可编程控制器技术[M].北京：