本科毕业设计太阳能热水器自动控制系统.docx
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本科毕业设计太阳能热水器自动控制系统
本科生毕业论文（设计）
题目：
基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计
姓名：
学院：
机电工程学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
学号：
指导老师：
完成时间：
基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计
摘要
本课题研究了可编程控制器（PLC）在太阳能热水器自动控制系统中的应用。
重点研究了系统的硬件构成及系统软件的设计过程。
指出了PLC设计的关键主要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
DesignofSolarWaterHeater
AutomaticControlSystemBasedonPLC
Abstract
ApplicationofPLCinsolarwaterheaterautomaticcontrolsystemisresearchedinthispaper.Thecontentofthispaperontheprocessofsystemhardwareconstitutionandthesystemsoftwaredesignisemphasized.AndthekeyofPLCdesignthatistosatisfythebasiccontrolfunctionispointedout,meanwhilemaintenanceconvenienceandsystemextensionarealsoconsiderated.Thecontentofthispaperisdividedintofourparts.Inthefirstpart,theprocedureofthesystemisestablished,andthenthetreatmentflowchartisdrawedout;Inthesecondpart,TheaddressofI/Oisresigned.andthesuitablePLCtypeischoosed.Thethirdpart,thecontrolladderdiagramisdesignedaccordingtotherequirement;Intheend,theelectricalprinciplediagramandtheinterconnectiondiagramaredrawn.
Throughthedesignofthesolarwaterheaterautomaticcontrolsystem,thecomponentsthatisusedinthesolarwaterheaterautomaticcontrolsystemaredecreased.Theperformanceofthesystemislifted,andithasthefeaturesuchassimplyinterconnection,rapidandeasyfaultdetectingandmaintenance,andhighreliability.Inaword,thesystembecomesmoreadvancedbecauseofmydesign.
Keywords:
PLC;solar;automaticcontrolsystem;waterheater
第一章绪论
1.1本课题研究的目的、意义
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。
更有甚者，有些控制器质量较差，经常发生故障，给用户带来诸多不便，严重影响了用户的使用，从而影响到太阳热水器的销售。
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]。
1.2.2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。
1975年美国欧文斯—伊利诺依（OWens-llinois）公司发明了全玻璃真空管太阳集热器并推向市场。
当时，集热管的选择性吸收涂层的平场阳光吸收率约为83%，但由于采用了高真空技术，使集热器的热损失比普通平板式太阳集热器的热损失降低了两个数量级，从而将太阳能热利用技术水平大大提高了一大步。
在随后的十几年内，全玻璃真空管太阳热水器性能通过完善、提高，并逐步降低成本，因而得到了快速发展，到上世纪90年代，这种新型太阳能热水器已成为推广应用的主流产品。
在全玻璃真空管太阳能热水器的基础，为进一步提高效率，提高性能，德国研制出热管式真空管太阳热水器，一些国家研制出了一些高质量的太阳热水器专用零部件，另一些国家为优化设计专门开发了用于太阳能热水器的应用软件。
还有一些国家，开发出功能完善，能全天候使用太阳热水器系统。
在西方先进国家，在太阳能热水器方面的研发和推广应用一直比较活跃[2]。
1.3目前我国太阳能热水器的种类
1.3.1平板式太阳热水器
平板式太阳能热水器又叫“平板集热器”，它是太阳热水器的基本型之一。
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“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[3]。
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：
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。
1.3.2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、罩玻璃管环形熔封在一起。
真空集热器内装有吸气剂[4]。
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。
1.3.3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，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。
1.3.4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[5]。
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。
上面介绍了目前我国太阳能热水器的种类，并讨论了它们各自的优缺点。
最后，在此基础上提出了本文研究的主要内容为全玻璃真空管太阳能热水器的自动控制系统的设计。
1.4研究的内容
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综述
图2—1热水器系统的结构图
图2—2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。
控制时段为6点一18点，具体过程如下:
若Tl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[6][7]。
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。
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[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]。
2.2.1PLC的发展历史
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
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