【基于西门子S7-200的太阳能控制系统设计6000字（论文）】

基于西门子S7-200的太阳能控制系统设计1绪论太阳能最大的优点便是可以持续利用。从理论上讲，它的工作原理一共有4种，将光的能量直接转化为热能、将光的能量转化为电能化为生物能1。在这4种工作原理里，其中，第一种工作方式利用领域广也较为完善，实意义，它给用户带来的花费较小，依现实而言，大约有75%的居民现落址乡下，截至现今，大概存在20000所村落，约三千万居民尚未直接接触供给的电力应用系统，许多居民在生活上还是选择传统的方式，比如使用木柴、农作物的茎下就会导致价格的上升，在这种情况下，太阳能能提高新的替代能源的利用率，而且可以完成源工作式的热水器大致有4个升级换代的进程：铁皮为原料制成，将其放在太阳直射的地方，再涂抹一层黑色涂料，这主要使利用黑色吸热的物理原理，以收获更多的太阳的热量。其次，是简单的平板式的，呈平板状态，主体集热器通常选取或铝或铜的金属，其中集热器和水箱的设计首次实现二者不再一体的模式，集热器可随意放置，且吸收面积较大，因此能很好的利用太阳光的照射。接下来，便是我们日常生活中处处可见的真空管式，它是在平板式的基础上升级而来，主要改善前者保温能力尚不足的缺点，实现24小时随时有热水的状态，且吸热率相对平板式太阳能热水器更高。它的优点更加明显，只不过依旧会有不足之处。尽管以上很多款式的热水器均能实现24小时、每个季节都有热水器使用，但是通常在使用热水前都需打开热水器开关等候一段时间，而为很好解决这个问题的热水器，称之为超导热式，闻其名，便知它的特有优点：传热极快以减少用户等候时间，实现即开即用。同时，据反映，以往热水器在使用一段时间之后均会产生水垢的问题13。而超导热式通过改善设计使其完美避之。当然，也因此价格较高。如今，相关产业可以说非常成熟，且想通过加大对太阳光的吸收率的同时强化保温功能，与电和燃气等热水器共同发展来提高市场占有率。1.3论文主要内容这篇论文设计是以PLC的控制系统为基础进行的太阳能热水器控制系统设计，旨在完成储水罐低水位自主提示和自主上水；为了更好地避免使用者在连续的下雨与夜间条件下无热水洗澡，设计中添加了一个电加热设备。若储水箱的温度达不到洗澡的预设温度大小时，电加热装置会及时关闭。此外，为了更好地降低电的消耗，将水温提高到一定大小时，电加热装置将自动退出工作状态，以便使用者24小时的连续用热水需求。并且系统还支持手动操控，防止自动调节系统的故障导致太阳能热水器不能正常使用，进一步保障了系统的稳定性。本文的主要内容如下：第一章对太阳能的优势进行分析，说明了太阳能热水器自动控制系统的研究目的与意义以及太阳能的国内外研究现状。第二章首先对设计需要的要求进行分析，然后对控制系统的要求提出总体的设计思路和方案，并绘制出系统控制流程图。第三章根据论文的设计要求对太阳能热水器自动控制系统进行硬件的选择及对硬件的测试，使其能够满足技术要求。第四章对太阳能自动控制控制系统的软件进行分析设计，以达到控制系统方案要求为目的做出系统的I/O地址分配表，然后绘制出系统的硬件接线图，最后利用软件编程来设计出满足设计要求的PLC程序和程序梯形图，最终实现自动上水、储水箱冷热循环功能、恒温出水功能、自动手动切换功能等功能。第五章首先对所用的仿真软件进行介绍，然后对控制系统进行仿真模拟，解决仿真模拟中遇到的问题并解决，最后使程序能够按照设计要求稳定的运行。第六章对全文进行了总结，说明这个系统的优缺点，并展望了未来太阳能热水器的发展趋势。2太阳能热水器总体设计方案2.1控制系统要求分析通过每个人的不同用水方式，自动控制系统应具备如下功能：(1)自动上水及水位上下限指示功能在设计中加入限位开关来检测储水箱内的水位，当水箱内的水位低于设定值下限时，低液位指示灯点亮，上水阀自动打开开始加水，当水位上升到设定值上限时，高液位指示灯点亮，上水阀自动关闭，加水停止。(2)集热器热水与储水箱中冷水进行循环功能通过在集热器出水口放置温度传感器可以检测出水温度，再通过在储水箱里面放温度传感器检测储水箱内的水温度，再通过两个温度值的比较，当集热器出水温度大于储水箱水温度时，循环泵打开，实现水循环，使储水箱里面的水不断的被加热，只要有温度差循环就进行，直到两者之间的温度差消失。品度架果2液位探头(3)恒温出水功能通过设定一个温度值，然后在三通调节阀的出水口放置一个温度传感器，不间断的测量三通阀的出水温度，再通过与设定值的比较，通过PLC的中的PID模块计算，控制三通调节阀的开度，使三通调节阀的出水温度恒定。PLC的PID闭环控制可以实现对温度的精确控制，可以满足人们对洗浴水温的高标准要求，避免水温的不稳定对人身造成的伤害。(4)自动手动转换功能定时控制器在为通电的情况下会进行及时，使用它为PLC的电源调控设备。在定位控制的实际范围之内，将计时器连接到PLC的开关电源，PLC根据预定的程序流程打开每个控制系统的开关，通过信号的改变实时调控程序。若不在工作时间之内，计时器会自主切断PLC的开关电源。工作时间则是6~18h。能够通过定时控制器与PLC自己带有的定时指令进行调控。控制系统总体框图如图2-2。图2-2控制系统总体框图2.2太阳能热水器总体方案设计(1)控制系统硬件设计方案按照控制系统的需求，第一步确定PLC的控制规模情况，计算出要使用的I/O点数 (包括数字以及模拟的输入输出量),再次基础上再提高10%~20%以作备用，用来添加控制指令，能够确保系统工作时对故障点的实时更换。计算出I/O点数之后则就确认了PLC的控制规模，进一步确认了存储器(用来保存使用者的数据)的大小。同理，存储器也可提升25%~30%以作备用，用来添加使用者程序。(2)系统软件设计方案PLC为一类扫描的运行模式，可以同一时间对几个模块展开控制。在全部程序扫描所需时间内添加不相同的输入探测信号。主程序中含有几个分支程序，这种方式不仅可以增加编程灵活性，降低重复代码的出现，还可以便于后面对软件进行调整，系统基本功能是接收上位机发送过来的具体控制参数，并进行对太阳能热水器的温度的调整、水位的检测以及控制等任务。为分析控制系统的流程，我们列出了程序流程图中子程序的流程图。(1)水循环流程如图2-2。是是否否否否是是图2-2水循环流程图2-3自动上水流程水循环流程里面，集热器与储水箱内部的温度传感器一直检测环境温度大小，并得到温度差。若集热器出水温度大小是比水箱温度高，系统即会开始水循环，温度差的存在会使循环一直进行下去，那么太阳能获取的热量便会一直传输到水箱内，将水温提高到一定温度。(2)自主上水流程图先确定水箱内的水位的高低范围，并通过检测到的水位高低进而确定是否需要加水，其流程如图2-3所示。(3)PID闭环调节以及电加热流程图利用PID闭环控制则就能够完成准确调控温度，这位恒温供水关键的组成部分，一般利用PLC内的PID指令完成调控的，具体流程如图2-4。(4)为到达24小时不间断的热水需求，增加了一个电加热器，并确定温度的范围，温度过低时，电加热器开始工作，水温上升到确定范围之后，设备关闭4。其中温度范围是60-70℃,具体流程如图2-5。图2-4PID闭环调节程序流程是图2-5电加热程序流程否3.1PLC工作原理PLC采用循环扫描操作，较大的PLC也可以改善中断操作。循环扫描不仅可以按照一定的顺序进行，还可以根据预先编程的高级、低级、可变顺序开始工作。由于某些程序的执行次数与所需的扫描次数相同，当控制系统解决大量I/O点时，不同的控制模块组合、分时和批处理扫描方式可以有效减少扫描时间和控制时效性。用户完成程序设计和调试工作后，利用程序员的输入来保存PLC,然后将工作环境中的输入信号和相应的驱动执行设备连接到输入输出端。输出模板，然后利用PLC的控制开关功能进入设备的工作模式，然后PLC会通过循环扫描的操作模式开始运行。3.2PLC选型可编程逻辑控制器，PLC采用可编程内存作为内部存储程序5,在面对用户命令时进行逻辑计算、顺序控制、时间选择等一系列操作。使用数字或模拟信号来控制不同类型设备的操作。在本次设计中，此程序使用了三个温度传感器和一个水位传感器，所有四个传感器都是模拟，需要加一个模块在PLC和传感器之间来解决PLC只对数据分析的问题，然后使用PLC进行后续操作。PLC计算后，通过程序模块将数字量转换为模拟量。对于系统整体升级，请预留一些I/O点，以备后续扩容时使用。因此，我们选择西门子S7-200PLC作为主控系统，如图3-2所示。其主机型号为：CPU224XP。S7-200是一种微可编程控制器，广泛应用于不同环境的监控自动化6。S7-200全面的功能使其能够完美地满足繁琐的控制要求，无论是单独工作还是联网。所以S7-200非常划算，如图3-1。S7-200众多可靠的性能主要体现在八个方面：(5)丰富的内置集成功能；(6)具有较高的实时特性；(7)较强的数据通信处理能力；S7-200系列充分发挥了其在配电自动化系统中的强大功能。使用范围可以从简单的继电器更换控制到更复杂的自动控制。应用广泛，涵盖了所有与自动检测和自动控制相关的工业和民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环保设备等。输入端子√更新或输入值√更改预设值√设置极限值3.3其他硬件的选型在此设计方案中，有3个温度模拟输入还有1个三通控制阀模拟输出。想要更好地量EM235的4输出1输出模拟量控制模块是最佳选择，其示意图如图3-2。EM235模拟量控制模块根据通过排线与224XP连接。根据该控制模块，CPU能够及电压等工作信号，还可以接通至两线制变送器。EM235具有4个模拟输入通道，并且还有1个模拟输出通道，可用于输出电压以及电流数据信号以便对系统进行持续的本设计采用的传感器是电流输出型，因为PLC控制器和传感器之间的距离比较远，其结构如图3-3所示。它可以将检测到的模拟信号转换为电信号。与其他温度传感器相AIW4AIW6增益偏移量配置开关图3-3SBWZ一体化pt100温度变送器4控制系统软件设计信号名称或软元件功能地址上水电磁阀循环泵洗浴电磁阀电加热排空电磁阀手自动指示洗浴低温报警指示灯洗浴高温报警指示灯储水箱液位上限指示灯储水箱液位下限指示灯自动手动上水手动控制循环泵开循环泵关洗浴电磁阀控制电加热控制排空电磁阀控制循环泵故障上水电磁阀关上水电磁阀开储水箱温度上限储水箱温度下限出水温度设定值集热器温度传感器储水箱温度传感器三通调节阀出水温度传感器三通调节阀开度集热箱温度测量量出水口温度测量量4.2PLC硬件连接图PLC具体的硬件连接图如图4-1所示。器器器MM4.3控制系统的梯形图程序通过本文设计想要达到的功能、流程以及需求，我们使用STEP7MicrowinV4.0对S7-200PLC展开编程，部分程序如图。①初始化设定出水口温度，储水箱高低温设定程序：图4-3初始设置出水口温度大小图4-3初始设置出水口温度大小图4-4②单按钮手自动切换程序，调用子程序SBR_0网络3单按钮手动启停手自动：10.0手自动：10.0PP地址地址手自动网络4网络5③单按钮控制储水箱排空电磁阀启停与出水阀控制程序：单按钮启停排空阀排空阀排空阀开关出水阀控制图4-6电磁阀开关以及出水阀调控网络8网络8网络9储水箱蹬:Vw212高低温指示图4-7水箱水位范围指示图4-8水箱高低温指示5系统的仿真调试5.1仿真软件的介绍本设计是基于STEP7-Micro/WINV4.0软件进行扩展编程和仿真。SIMATIC软件符己密善的组件47205刷21%20018下下wwwdownxia.5.2仿真的调试+图5-2程序界面(2)把编好的程序展开编译并且导出，如图5-3所示。导出程序块导出程序块图5-3导出程序(3)选取编程时到处的工程文件并且进行装载操作，最后点击绿色按键图标进行仿真，点击开始后响应端口绿色指示灯处于常亮状态，则表明此端口有信号，如图5-4所示。图5-4仿真界面(4)监控AQW4模拟量输出端口，调整AIW8端□即表示出水口温度高低的变化[12],能够观察到AQW4模拟量输出端口地址值因为PID程序的整定出现了变动，即表明恒温调节出水，仿真结束，如图5-5。值图5-5仿真模拟输出6结论与展望本次设计是为了实现太阳能热水器的自动化，从而提高产品在同类产品中更具有竞争力，在使用了Step7MicrowinV4.0软件进行仿真和调试之后基本达到控制要求。本文是以西门子S7-200为控制核心，然后在对太阳能