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。
如淋浴的水温在350C~400C之间，超过600C就会感到太热。
工业上为了清除油污，热水温度要高一些，但一般在900C左右。
太阳能热水器能提供的热水，是目前使用最为普遍和效果最好的太阳能利用装置;这种装置结构简单、使用方位、不用专人管理，故己在全国推广使用。
1、热水器组成及原理
热水器由集热器、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，称为循环式热水器[6][7]。
热水器装置简图，如图3
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
图3热水器装置简图
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5℃~6℃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，支管的半径应在10mm以上[8]。
2.1.2太阳能热水器各单元介绍
1、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、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、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。
2.1.3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
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。
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。
2.2可编程控制器（PLC）简介
可编程控制器（PragrammableLogicController,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[9]。
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[10]。
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。
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。
PLC的典型的循环顺序扫描土作过程如图4所示。
图4PLC循环顺序扫描工作流程图
从图4中可以看出，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，按图4所示的程序流程顺序地执行，这种工作方式成为顺序扫描方式。
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[11]。
2.2.2可编程控制器的的特点
1、通用性强,使用方便。
由于PLC产品的系列化和模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。
当控制对象的硬件配置确定以后,就可通过修改用户程序,方便快速地适应工艺条件的变化。
2、功能性强,适应面广。
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、可靠性高,抗干扰能力强。
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。
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。
该语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。
5、体积小、质量小、功耗低。
由于PLC是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品,因而结构紧凑,坚固,体积小,质量小,功耗低,而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。
因此,PLC很容易装入机械设备内部,是实现机电一体化较理想的控制设备[12]。
2.2.3PLC的分类
目前，PLC应用广泛，国内外生产厂家众多，所生产的PLC产品更是品种繁多，其型号、规格和性能各不相同。
通常，可以按照结构形式的不同及功能的差异进行大致的分类。
1、按结构形式分
按照结构形式的不同，PLC可分为整体式和模块式两种。
前者具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点，易于装在工业设备的内部，通常适于单机工作。
一般小型和超小型PLC多采用这种结构，如日本三菱FX系列的PLC。
后者配置灵活，装载和维修方便，功能易于扩展，其缺点是结构较复杂，造价也较高。
一般大、中型PLC都采用这种结构，如日本三菱公司的AN系列。
2、按功能、点数分
按功能、输入输出点数和存储器容量不同，PLC可分为小型、中型和大型三类。
小型PLC又称为低档的PLC。
这类PLC的规模较小，它的输入输出点数一般从20点到128点。
中型PLC的I/O点数通常在120点至512点之间，用户程序存储器的容量为2KB-8KB。
大型PLC又称为高档的PLC，I/O点数在512点以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC，用户程序存储器容量在8KB以上。
第三章热水器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。
而模糊控制是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制方法。
这种控制方法是一种智能的、非线性的控制方法，对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得较满意的控制效果，解决一些用传统控制方法无法解决的问题。
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。
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[14]。
3.1.1PLC的选型
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,选用核心部件为三菱公司的FX_2n-32MR-ES/UL系列32点编程控制器,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。
FX_2n-32MR-ES/U属微型编程控制器、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，选用三菱FX_2n-32MR-ES/UL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[15]。
①FX_2n-32MR-ES/UL简介
FX_2n-32MR-ES/UL属于FX2N系列PLC，FX_2n系列PLC是FX系列中高级的模块。
它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入、输出的多种应用的选择方案。
②FX_2n-32MR-ES/UL的特点
FX_2n-32MR-ES/UL属于FX_2n系列PLC，FX_2n系列PLC是FX系列中最高级的模块。
它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX_2n是从16到256路输入、输出的多种应用的选择方案。
3.1.2PLC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FX_2n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5。
图5系统控制框图
3.1.3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；有较高的效率及节能指标的纺织电动机；在化工、橡胶、纺织、造纸等工业
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