基于PLC的太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

密級(jí)：公開(kāi)密級(jí)：公開(kāi)密級(jí)：公開(kāi)密級(jí)：公開(kāi)密級(jí)：公開(kāi)基于PLC的太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Design of Solar Water Heater Automatic Control System Based on PLC學(xué) 院： 電氣工程學(xué)院專 業(yè) 班 級(jí)： 自動(dòng)化1005班學(xué) 號(hào)： 100302516學(xué) 生 姓 名： 魏天野指 導(dǎo) 教 師： 白山（教授級(jí)高工）2014 年 6 月II摘 要現(xiàn)在，城市居民絕大部分都使用了太陽(yáng)能熱水器，農(nóng)村也有相當(dāng)一部分人使用。太陽(yáng)能熱水器在技術(shù)上比較成熟、造價(jià)比較低廉，同時(shí)由于給人民提供絕對(duì)安全的熱水而受到人們的歡迎，且具有節(jié)能、環(huán)保、安全、便利、長(zhǎng)久等優(yōu)點(diǎn)，所以它的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣。因此，研究和開(kāi)發(fā)先進(jìn)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)變得越來(lái)越重要。本設(shè)計(jì)闡述了可編程控制器（PLC）在太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,重點(diǎn)研究了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程。指出了PLC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是能滿足基本的控制功能,并考慮維護(hù)的方便性、系統(tǒng)可擴(kuò)展性等。本設(shè)計(jì)利用西門(mén)子S7-200PLC，進(jìn)行了太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)的I/O分配和PLC選型，編寫(xiě)了PLC程序梯形圖和接線圖，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)上水排水、自動(dòng)循環(huán)、自動(dòng)加熱、PID閉環(huán)控制恒溫出水、手動(dòng)與自動(dòng)模式切換等功能。并在此基礎(chǔ)上，利用S7-200的仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，利用WinCC Flexible軟件組態(tài)了人機(jī)界面，使用MPI通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了PLC與觸摸屏的通信連接。把可編程控制器PLC作為太陽(yáng)能熱水器的控制系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的方便性與可靠性，減少了其它元器件的使用。它使系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單，檢修維護(hù)方便快捷，增進(jìn)了系統(tǒng)的先進(jìn)性。論文分為四章：第一章介紹了太陽(yáng)能熱水器發(fā)展背景及設(shè)計(jì)意義；第二章介紹了太陽(yáng)能熱水器的工作原理；第三章介紹了硬件選型及系統(tǒng)流程；第四章介紹了系統(tǒng)程序的編寫(xiě)、系統(tǒng)的仿真、人機(jī)界面（WinCC Flexible）組態(tài)過(guò)程。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱水器；PLC；自動(dòng)控制系統(tǒng)AbstractNow, vast majority of urban residents use solar water heaters, so do a considerable number of rural people. Solar water heaters are technically more mature, relatively low cost. Meanwhile, since it provide absolute security to the people of hot and people are welcome, and it has some advantages of energy saving, environmental protection, safety, convenience, long, etc. So it will be widely applied. Therefore, the research and development of controlling system of advanced solar water heater are becoming increasingly important.This design expounds the application of PLC in solar water heater automatic controlling system, especially the designing process of hardware and software of the system. Furthermore, the project shows that the key of PLC designing is to satisfy the basic controlling function, considering the convenience of maintenance and scalability. In this design, the address of I/O is resigned and the suitable PLC is chosen. The electrical principle diagram and the interconnection diagram are drawn, according to the requirement. Automatic water drainage, automatic cycle, automatic heating, PID loop control temperature water, manual and automatic mode switching function have been realized. And on this basis, the system was simulated using the simulation software for S7-200, produced a man-machine interface by using WinCC Flexible software. As the controlling system of solar water heater, PLC greatly reduces the number of other components. Moreover, it has the feature such as simple interconnection, rapid and easy fault detecting and maintenance, and advancement of the system. The paper is divided into four chapters: the first chapter describes the background of the development and design of solar water heaters significance; Second chapter describes the working principle of solar water heaters; Third chapter describes the hardware selection and system processes; The fourth chapter describes the procedures for the preparation of the system, system simulation, HMI (WinCC Flexible) configuration process.Keywords: Solar water heater; PLC; Automatic control system目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1課題研究的背景11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)述21.3太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)分析31.4本設(shè)計(jì)特點(diǎn)及主要內(nèi)容5第2章 太陽(yáng)能熱水器的組成及工作原理62.1太陽(yáng)能熱水器的基本結(jié)構(gòu)62.2太陽(yáng)能熱水器的工作原理82.3本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能10第3章 太陽(yáng)能熱水器硬件的選型及設(shè)計(jì)113.1 PLC的工作原理113.2硬件設(shè)備的選型133.2.1 PLC的選型133.2.2其他硬件的選型153.3太陽(yáng)能熱水器的整體設(shè)計(jì)183.3.1 PID閉環(huán)控制183.3.2 PLC與外部設(shè)備連接方案203.3.3水工藝流程設(shè)計(jì)22第4章 系統(tǒng)軟件框架的構(gòu)建與系統(tǒng)仿真234.1系統(tǒng)的I/O口地址及相關(guān)的軟元件功能設(shè)置234.2系統(tǒng)的程序流程圖254.3設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的梯形圖程序284.4系統(tǒng)仿真354.5組態(tài)人機(jī)界面39第5章 結(jié)論42參考文獻(xiàn)43致 謝45附 錄 S7-200仿真監(jiān)控圖46沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論1.1課題研究的背景太陽(yáng)能（Solar Energy），一般是指太陽(yáng)光的輻射能量，太陽(yáng)能是一種可再生能源，廣義上的太陽(yáng)能是地球上許多能量的來(lái)源，如風(fēng)能，生物質(zhì)能，潮汐能、水的勢(shì)能等等。太陽(yáng)能利用的基本方式可分為光熱利用、光電利用、光化學(xué)利用、光生物利用四類。在四類太陽(yáng)能利用方式中，光熱轉(zhuǎn)換的技術(shù)最成熟，產(chǎn)品也最多，成本相對(duì)較低。如：太陽(yáng)能熱水器、開(kāi)水器、干燥器、太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能溫室、太陽(yáng)房、太陽(yáng)能海水淡化裝置以及太陽(yáng)能采暖和制冷器等1。太陽(yáng)能光熱發(fā)電比光伏發(fā)電的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率較高，但應(yīng)用還不普遍。在光熱轉(zhuǎn)換中，當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最好的是太陽(yáng)能熱水器的應(yīng)用。當(dāng)今世界能源問(wèn)題已經(jīng)成為一個(gè)普遍性的問(wèn)題，能源關(guān)乎著國(guó)家的安全，誰(shuí)掌握了世界上的能源誰(shuí)就掌握了國(guó)際事務(wù)的話語(yǔ)權(quán)，誰(shuí)就有了國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，誰(shuí)就有了同其他國(guó)家相抗衡的資本。但是傳統(tǒng)能源已經(jīng)被消耗殆盡，為了國(guó)家未來(lái)的發(fā)展，世界各國(guó)都在開(kāi)發(fā)新能源，太陽(yáng)能作為一種既清潔又取之不盡的資源已得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。眾所周知，太陽(yáng)能是取之不盡，用之不竭，沒(méi)有污染的巨大能源。隨著世界上煤、石油、天然氣儲(chǔ)量的日益減少，能源危機(jī)也日益嚴(yán)重，與此同時(shí)環(huán)境污染的危機(jī)也不斷的威脅著生態(tài)平衡，太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用的課題也提到了人類的面前。有人預(yù)測(cè)：二十一世紀(jì)太陽(yáng)能將由輔助能源上升為主要能源2。但由于太陽(yáng)能的分散性、季節(jié)性和地區(qū)性又給太陽(yáng)能利用帶來(lái)重重困難，有些技術(shù)難點(diǎn)尚未突破，產(chǎn)品造價(jià)偏高（如光電池），因而尚未被人們大規(guī)模的使用。太陽(yáng)能熱水器是技術(shù)上比較成熟、造價(jià)比較低廉，同時(shí)由于給人民提供絕對(duì)安全的熱水而受到人們的歡迎，且具有節(jié)能、環(huán)保、安全、便利、長(zhǎng)久等優(yōu)點(diǎn)，因此它的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣。尤其在農(nóng)村地區(qū)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義：中國(guó)四分之三的人口居住在農(nóng)村，目前仍有約2萬(wàn)個(gè)村莊，800多萬(wàn)個(gè)農(nóng)戶，3000多萬(wàn)人口沒(méi)有電力供應(yīng)。而農(nóng)村60%左右的村民仍然依靠燃料秸稈、薪柴為主做飯和燒水，它不僅造成空氣污染，而且還嚴(yán)重破壞植被，威脅生態(tài)環(huán)境。隨著化石能源的逐步枯竭，煤炭、石油和電力一直漲價(jià)，且能源供應(yīng)日趨緊張。太陽(yáng)能無(wú)污染、無(wú)運(yùn)輸、無(wú)壟斷、“取之不盡、用之不竭”，是最有發(fā)展前途的可再生能源。在社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)中大力推廣應(yīng)用太陽(yáng)能，不僅能夠解決農(nóng)村的基本能源消費(fèi)問(wèn)題，促進(jìn)可再生能源的高效利用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生產(chǎn)發(fā)展、生活寬裕的雙重目標(biāo)，還有利于鄉(xiāng)風(fēng)文明和村容整潔，促進(jìn)社會(huì)主義精神文明發(fā)展3。圖1-1 太陽(yáng)能熱水器1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)述在世界范圍內(nèi)，世界上第一臺(tái)太陽(yáng)能熱水器在100多年前誕生于美國(guó)，它是一種悶曬式熱水器4。到目前為止國(guó)外太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段:第一代，這是一種非常簡(jiǎn)易的利用，用鐵皮桶放在樓頂，外表面刷上黑色油漆以增強(qiáng)對(duì)陽(yáng)光的吸收；第二代，平板式太陽(yáng)能熱水器，采用中心銅管加兩翼鋁或者鋁銅合金作為吸熱體，前期翼片刷油漆，后期采用對(duì)陽(yáng)光具有選擇性吸收的氮化鋁/鋁等涂層。現(xiàn)今，絕大多數(shù)的涂層太陽(yáng)光吸收比可達(dá)0.90以上，優(yōu)質(zhì)的平板式太陽(yáng)能一般應(yīng)具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：銅管加鋁翼吸熱體、低鐵蓋板玻璃、良好的密封、采用選擇性磁控濺射涂層等；第三代，真空管式太陽(yáng)能熱水器，平板式太陽(yáng)能采用鋁等邊框加玻璃蓋板對(duì)吸熱體進(jìn)行圍護(hù)，在寒冷的冬季，熱散發(fā)很大，基本沒(méi)有熱水可用，真空管式太陽(yáng)能熱水器可以良好地解決這個(gè)問(wèn)題，采用雙層高硼硅玻璃管(類似水瓶膽原理)作為吸熱體,成功解決了平板太陽(yáng)能熱水的散熱問(wèn)題；第四代，超導(dǎo)熱管式太陽(yáng)能熱水器，玻璃真空管式太陽(yáng)能熱水器在夏季水溫高，一般購(gòu)買(mǎi)太陽(yáng)能熱水器以冬季新產(chǎn)熱進(jìn)行選購(gòu)，夏季熱水用不完，自來(lái)水在75易結(jié)水垢，很多太陽(yáng)能熱水器在夏季就像是一臺(tái)開(kāi)水器，二三年下來(lái)，在管壁就結(jié)上一層水垢，阻礙了對(duì)陽(yáng)光的吸收，大大降低太陽(yáng)能熱水器的水溫，超導(dǎo)熱管式太陽(yáng)能熱水器采用真空管加超導(dǎo)銅管和鋁片作為熱的傳導(dǎo)體，水不直接流經(jīng)真空管，從而使真空管的性能基本恒定，但采用較多的銅材，價(jià)格相對(duì)較高?，F(xiàn)在太陽(yáng)能熱水器技術(shù)已很成熟，并已形成行業(yè)，正在以優(yōu)良的性能不斷地沖擊電熱水器市場(chǎng)和燃?xì)鉄崴魇袌?chǎng)5。目前其產(chǎn)品的發(fā)展方向仍注重提高集熱器的效率，如將透明隔熱材料應(yīng)用于集熱器的蓋板與吸熱間的隔層，以減少熱量損失，聚脂薄膜的透明蜂窩已在德國(guó)和以色列批量生產(chǎn)。1.3太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)分析隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，帶來(lái)了新型工業(yè)化的發(fā)展，也帶來(lái)了新的建筑能源供應(yīng)的需要。預(yù)計(jì)到2020年，中國(guó)的每個(gè)城鎮(zhèn)竣工面積將繼續(xù)保持在十億平方米左右，15年間新增城鎮(zhèn)民用建筑面積總量將為150億平方米，加上現(xiàn)有建筑面積總面積將達(dá)到280億平方米以上，建筑的能源消耗大幅增加，不可避免6。中國(guó)龐大的人口，使得我們必須高度重視建筑的能源消耗問(wèn)題，積極探索出一條節(jié)能途徑，在保證社會(huì)的發(fā)展和人民群眾的生活水平的不斷提高的大前提下，實(shí)現(xiàn)城市建設(shè)可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)建筑物的能耗，將對(duì)我國(guó)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。據(jù)中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)的建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在2010年接近300億元，2012年達(dá)到664億元人民幣的規(guī)模，由此可見(jiàn)，建筑節(jié)能服務(wù)市場(chǎng)是巨大的。2009年，中國(guó)的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一位，而太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值也接近千億大關(guān)，中國(guó)是世界上太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)和使用最多的國(guó)家。但從我國(guó)城鎮(zhèn)家庭生活熱水供應(yīng)率上來(lái)看，我國(guó)城鎮(zhèn)家庭目前的生活熱水供應(yīng)率僅為67%，平均每戶熱水用能僅80130kWh/戶年，與日本的每戶平均熱水用能1404kWh/戶年比，相差十倍，人均用熱水量遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家7。隨著生活水平大幅提高，將進(jìn)一步增加國(guó)內(nèi)熱水消耗。全面開(kāi)發(fā)各種太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，是我國(guó)城市化進(jìn)程太陽(yáng)能熱利用的必由之路。圖1-2 城鄉(xiāng)太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展1.4本設(shè)計(jì)特點(diǎn)及主要內(nèi)容目前，我國(guó)大部分太陽(yáng)能熱水器控制部分，往往需要大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器來(lái)滿足生產(chǎn)工藝要求，結(jié)果使電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、繁瑣，故障時(shí)有發(fā)生，給使用和日常維護(hù)帶來(lái)了很大的不便。在電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天，有必要而且有可能采用新技術(shù)對(duì)原電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，以提高可靠性，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，提高太陽(yáng)能熱水器穩(wěn)定性?？删幊炭刂破鳎≒LC）由于可提供使用的時(shí)間繼電器和中間繼電器，而且其常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)可多次重復(fù)使用，使得我們?cè)诰幊讨锌梢噪S心所欲。用內(nèi)部編程“軟元件”取代繼電器邏輯控制電路中大量的時(shí)間繼電器和中間繼電器，簡(jiǎn)化控制線路、有效提高系統(tǒng)的可靠性，是PLC的突出特點(diǎn)8。本設(shè)計(jì)是基于西門(mén)子S7-200的PLC太陽(yáng)能熱水器控制器設(shè)計(jì)，目的實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水箱的低水位自動(dòng)指示與自動(dòng)上水功能；通過(guò)PLC內(nèi)部的PID模塊實(shí)現(xiàn)熱水器恒溫出水功能；為了防止在陰雨天氣以及夜晚情況下人們不能夠正常洗浴，系統(tǒng)還加入了輔助電加熱器，當(dāng)儲(chǔ)水箱溫度低于洗浴的設(shè)定溫度時(shí)電加熱器自動(dòng)開(kāi)始工作，同時(shí)為了盡可能的減少電能的浪費(fèi)，當(dāng)加熱到設(shè)定的溫度上限時(shí)，電加熱器自動(dòng)退出工作，這樣可以滿足人們一天24小時(shí)的不間斷用水，系統(tǒng)還擁有自動(dòng)手動(dòng)兩套程序，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)切除故障，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)手動(dòng)控制，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。全文分五大部分。第一部分包括第一章，描述太陽(yáng)能的利用狀況和發(fā)展前景。第二部分包括第二章，描述太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)的組成及工作原理。第三部分包括第三章，完成硬件的選型和設(shè)計(jì)。第四部分包括第四，完成軟件的設(shè)計(jì)及仿真，組態(tài)人工界面。在本文中分別介紹了傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用、一般的太陽(yáng)能熱水器及循環(huán)系統(tǒng)、PLC的發(fā)展和應(yīng)用、PLC和傳感器的選型，這也是設(shè)計(jì)此款太陽(yáng)能熱水器的理論基礎(chǔ)和必要前提。67第2章 太陽(yáng)能熱水器的組成及工作原理2.1太陽(yáng)能熱水器的基本結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能熱水器按使用分類，可分為季節(jié)性熱水器、全年性熱水器以及有輔助熱源的全天候太陽(yáng)能熱水器。按集熱器原理和結(jié)構(gòu)可分為平板型熱水器和真空管熱水器9。按工質(zhì)流動(dòng)方式不同，又可分為悶曬型、循環(huán)型和直流型三種。但不管何種類型的太陽(yáng)能熱水器，其基本結(jié)構(gòu)都是一樣的，太陽(yáng)能熱水器通常由集熱器、絕熱儲(chǔ)水箱、連接管道、支架和控制系統(tǒng)組成，如圖2-1所示。圖2-1 太陽(yáng)能熱水器的基本結(jié)構(gòu)圖(1) 太陽(yáng)能集熱器：系統(tǒng)中的集熱元件。其功能相當(dāng)于電熱水器中的電熱管。和電熱水器、燃?xì)鉄崴鞑煌氖?，太?yáng)能集熱器利用的是太陽(yáng)的輻射熱量，故而加熱時(shí)間只能在太陽(yáng)照射度達(dá)到一定值的時(shí)候。目前中國(guó)市場(chǎng)上最常見(jiàn)的是全玻璃太陽(yáng)能真空集熱管。結(jié)構(gòu)分為外管、內(nèi)管，在內(nèi)管外壁鍍有選擇性吸收涂層。平板集熱器的集熱面板上鍍有黑鉻等吸熱膜，金屬管焊接在集熱板上，平板集熱器較真空管集熱器成本稍高，近幾年平板集熱器呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，尤其在高層住宅的陽(yáng)臺(tái)式太陽(yáng)能熱水器方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。全玻璃太陽(yáng)能集熱真空管一般為高硼硅3.3特硬玻璃制造，選擇性吸熱膜采用真空濺射選擇性鍍膜工藝10。 (2) 絕熱貯水箱：太陽(yáng)能熱水器水箱是貯存熱水的裝置，其結(jié)構(gòu)、容量、保溫和材料將直接影響熱水器的性能和運(yùn)行的質(zhì)量。貯水箱主要組成部分為水箱內(nèi)膽、保溫層、水箱外殼、密封圈四部分。水箱內(nèi)膽生產(chǎn)材料的質(zhì)量，對(duì)水箱的耐壓、耐溫、防滲漏及水質(zhì)影響很大。目前市場(chǎng)上出售的產(chǎn)品，其水箱內(nèi)膽主要有0.6mm厚304-2B不銹鋼，它無(wú)磁性、抗銹蝕、焊接性好，塑性好。其它的常用材料有鋼板進(jìn)行防腐處理或搪瓷、鍍鋅鋼板、防銹鋁板、塑料或玻璃鋼等。水箱的熱特性包括放熱特性、加熱特性、保溫特性。放熱特性就是希望水箱內(nèi)的熱水都能放出來(lái)，方便利用。加熱特性是大多數(shù)水箱內(nèi)的水是上部先熱起來(lái)，然后下部再慢慢熱起來(lái)。保溫特性指水溫下降的快慢，與水箱的封密性、保溫材料、環(huán)境溫度、水容量大小等相關(guān)。(3) 支撐架：太陽(yáng)能熱水器的支撐架主要由反尾座及主撐架組成。(4) 控制系統(tǒng)：一般家用太陽(yáng)能熱水器需要自動(dòng)或半自動(dòng)運(yùn)行，控制系統(tǒng)是不可少的，常用的控制器是自動(dòng)上水、水滿斷水并顯示水溫和水位，帶電輔助加熱的太陽(yáng)能熱水器還有漏電保護(hù)、防干燒等功能。市場(chǎng)上有手機(jī)短信控制的智能化太陽(yáng)能熱水器，具有水位水位查詢、故障報(bào)警、啟動(dòng)上水、關(guān)閉上水、啟動(dòng)電加熱等功能，方便了用戶(5) 其它部件：熱水器的密封圈除具有密封性好、耐高溫、壽命長(zhǎng)等性能外，還應(yīng)不溶于水，否則食用后會(huì)對(duì)人體有害。質(zhì)量較好的密封圈材料選用硅橡膠，但市場(chǎng)上采用普通橡膠或再生橡膠的商家卻大有人在。2.2太陽(yáng)能熱水器的工作原理太陽(yáng)能熱水器是一種利用太陽(yáng)輻射能通過(guò)溫室效應(yīng)把水加熱的裝置。溫室效應(yīng)是指由于對(duì)流、反射損失減少使能量聚集、溫度逐漸升高的一種自然現(xiàn)象。溫室效應(yīng)又稱為熱箱原理，它是通過(guò)一個(gè)上面蓋有透明玻璃的封閉箱體來(lái)實(shí)現(xiàn)能量聚積的11。陽(yáng)光透過(guò)玻璃進(jìn)入箱體內(nèi)，被黑色表面吸收，而向外反射和對(duì)流的能量受到玻璃和箱體的阻擋，被保留在箱內(nèi)，這樣箱體內(nèi)的能量不斷積聚，溫度不斷升高，甚至可達(dá)100200。利用聚積的高溫來(lái)加熱水，就是太陽(yáng)能熱水器。太陽(yáng)光穿過(guò)吸熱管的第一層玻璃照到第二層玻璃的黑色吸熱層上，將太陽(yáng)光能的熱量吸收，由于兩層玻璃之間是真空隔熱的，熱量不能向外傳，只能傳給玻璃管里面的水，使玻璃管內(nèi)的水加熱，加熱的水便輕沿著玻璃管受熱面往上進(jìn)入保溫儲(chǔ)水桶。由于太陽(yáng)能熱水器在運(yùn)行過(guò)程中不消耗任何常規(guī)能源（煤、石油、天然氣、電等），所以人們把它形象地稱為“不燒煤的鍋爐” 12。真空管式家用太陽(yáng)能熱水器是由集熱管、儲(chǔ)水箱及支架等相關(guān)附件組成，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠集熱管，集熱管利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達(dá)到所需熱水13。集熱器內(nèi)的水加熱后要與儲(chǔ)水箱里面的冷水實(shí)現(xiàn)循環(huán)以使儲(chǔ)水箱里的水不斷的被加熱，目前常用的熱交換方式主要有三種：自然循環(huán)、強(qiáng)迫循環(huán)和定溫放水循環(huán)。(1) 自然循環(huán)式：自然循環(huán)的特點(diǎn)是，儲(chǔ)水箱必須安設(shè)在集熱器頂端水平面以上才可進(jìn)行系統(tǒng)循環(huán)。裝置中集熱器內(nèi)的水經(jīng)太陽(yáng)輻射，使水溫上升，密度開(kāi)始逐漸變小，與儲(chǔ)水箱內(nèi)未被太陽(yáng)輻射的水產(chǎn)生了密度差（或稱重力差、溫度差），形成了熱虹吸壓頭在集熱器中緩緩上升。溫水經(jīng)過(guò)設(shè)置管道（上循環(huán)管）進(jìn)入儲(chǔ)水箱，而在此同時(shí)儲(chǔ)水箱內(nèi)相對(duì)溫度低、密度較大的水慢慢下降，經(jīng)設(shè)置管道（下循環(huán)管）流入集熱器下部補(bǔ)充。這樣以水的比重差或稱熱虹吸壓頭為作用力，而不借助外力來(lái)使水進(jìn)行循環(huán)的方式稱為自然循環(huán)14。自然循環(huán)的運(yùn)行其密度差愈大，循環(huán)的速度愈快，反之循環(huán)的愈慢。這種循環(huán)方式能使儲(chǔ)水箱內(nèi)的水持續(xù)升溫，太陽(yáng)輻射停止，循環(huán)也漸漸終止。圖2-2 太陽(yáng)能熱水器水循環(huán)原理圖(2) 強(qiáng)迫循環(huán)式：強(qiáng)迫循環(huán)顧名思義是借助外力迫使集熱器與儲(chǔ)水箱內(nèi)的水進(jìn)行循環(huán)。它的特點(diǎn)是儲(chǔ)水箱的位置不受集熱器位置的制約，可任意設(shè)置，可高于集熱器，也可低于集熱器。它是通過(guò)水泵將集熱器接收太陽(yáng)輻射的水與儲(chǔ)水箱的水進(jìn)行循環(huán)，使儲(chǔ)水箱內(nèi)的水溫逐漸增高。市場(chǎng)上經(jīng)常采用的強(qiáng)迫循環(huán)熱水器是一種兩次循環(huán)分離式熱水器，集熱器裝入特殊的導(dǎo)熱介質(zhì)或防凍液，靠循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)15。該泵由溫差啟動(dòng)器進(jìn)行控制，當(dāng)溫差達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，啟動(dòng)泵，進(jìn)行循環(huán)；低于預(yù)定溫度時(shí)，泵停止運(yùn)行。熱水是通過(guò)儲(chǔ)熱水箱中的特殊的熱交換器進(jìn)行熱交換的(圖2-2)。(3) 定溫放水式：定溫放水式與強(qiáng)迫循環(huán)不同的是它不是循環(huán)的概念，而是通過(guò)溫度控制器將達(dá)到設(shè)定溫度的水用水源壓力或水源加壓力水泵輸送到儲(chǔ)水箱內(nèi)。它的特點(diǎn)是水源經(jīng)集熱器到儲(chǔ)水箱，因?yàn)闆](méi)有循環(huán)，又非常簡(jiǎn)單，只是將水在集熱器內(nèi)悶曬后送入儲(chǔ)水箱，因此，有人將這一方式稱為直流式或直流定溫放水16。這種方式的又一特點(diǎn)是與溫差控制式強(qiáng)迫循環(huán)的方式一并使用能有效地節(jié)約用水，定溫放水的水箱容積一般較大，有時(shí)前一天的水未被用完，如果不升溫，水即被白白放掉，如果有溫差或強(qiáng)迫循環(huán)的機(jī)構(gòu)就可將這部分水加溫。2.3 本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能在本系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)以下幾種功能：(1) 自動(dòng)上水及水位上下限指示功能在系統(tǒng)中通過(guò)加入限位開(kāi)關(guān)來(lái)不斷的檢測(cè)儲(chǔ)水箱內(nèi)的水位，當(dāng)水箱內(nèi)的水位低設(shè)定值下限時(shí)，低液位指示燈點(diǎn)亮，上水閥自動(dòng)打開(kāi)開(kāi)始加水，當(dāng)水位上升到設(shè)定值上限時(shí)，高液位指示燈點(diǎn)亮，上水閥自動(dòng)關(guān)閉，加水停止。 (2) 集熱器熱水與儲(chǔ)水箱中冷水進(jìn)行循環(huán)功能通過(guò)在集熱器出水口放置溫度傳感器可以檢測(cè)出水溫度，再通過(guò)在儲(chǔ)水箱里面放溫度傳感器檢測(cè)儲(chǔ)水箱內(nèi)的水溫度，再通過(guò)兩個(gè)溫度值的比較，當(dāng)集熱器出水溫度大于儲(chǔ)水箱水溫度時(shí)，循環(huán)泵打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)水循環(huán)，使儲(chǔ)水箱里面的水不斷的被加熱，只要有溫度差循環(huán)就進(jìn)行，直到兩者之間的溫度差消失。(3) 輔助電加熱功能儲(chǔ)水箱里的溫度傳感器帶顯示功能，設(shè)定一個(gè)儲(chǔ)水箱水溫度上下限值當(dāng)溫度低于設(shè)定的溫度下限時(shí)，輔助電加熱器開(kāi)始工作，儲(chǔ)水箱里的水溫開(kāi)始上升，當(dāng)達(dá)到溫度上限時(shí)電加熱停止，以達(dá)到全天候不間斷供應(yīng)可以洗浴的熱水的目的，尤其在陰天或者晚上時(shí)能夠滿足人們的洗浴要求。(4) 恒溫出水功能通過(guò)設(shè)定一個(gè)溫度值，然后在三通調(diào)節(jié)閥的出水口放置一個(gè)溫度傳感器，不間斷的測(cè)量三通閥的出水溫度，再通過(guò)與設(shè)定值的比較，通過(guò)PLC的中的PID模塊計(jì)算，控制三通調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使三通調(diào)節(jié)閥的出水溫度恒定。PLC的PID閉環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制，可以滿足人們對(duì)洗浴水溫的高標(biāo)準(zhǔn)要求，避免水溫的不穩(wěn)定對(duì)人身造成的傷害。(5) 自動(dòng)手動(dòng)轉(zhuǎn)換功能在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中有可能碰到很多未知的實(shí)際問(wèn)題，為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰，應(yīng)設(shè)置必要的手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。在系統(tǒng)發(fā)生不能排除的問(wèn)題或檢測(cè)失效時(shí)，啟用手動(dòng)操作，切除故障。還可以在洗浴條件不滿足時(shí)強(qiáng)制進(jìn)行洗浴，強(qiáng)制加水。為了調(diào)試系統(tǒng)的需要，這些手動(dòng)程序也是必要的。第3章 太陽(yáng)能熱水器硬件的選型及設(shè)計(jì)3.1 PLC的工作原理PLC采用循環(huán)（巡回）掃描工作方式，而大、中型PLC還增加了中斷工作方式17。循環(huán)掃描即可按固定順序，也可按用戶程序所規(guī)定一級(jí)順序（高級(jí)和低級(jí)順序）或可變順序等進(jìn)行。因?yàn)橛械挠脩舫绦虿恍枰繏呙枰淮螆?zhí)行一次，也為的是在控制系統(tǒng)需要處理的I/O點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，通過(guò)不同的模塊組合的安排，采用分時(shí)分批掃描執(zhí)行的辦法，可縮短循環(huán)掃描周期和控制的實(shí)時(shí)性。用戶將用戶程序設(shè)計(jì)、調(diào)試后，用編程器鍵入PLC的存儲(chǔ)器中，并將現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)和被驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行元件相應(yīng)地接在輸入模板的輸入端和輸出模板的輸出端上，然后用PLC的控制開(kāi)關(guān)使其處于運(yùn)行工作方式，PLC就以循環(huán)掃描的工作方式進(jìn)行工作。在輸入信號(hào)、用戶程序的控制上，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)，完成預(yù)期的控制任務(wù)。PLC的典型的循環(huán)順序掃描土作過(guò)程如圖3-1所示。從圖3-1中可以看出，一個(gè)典型的可編程序控制器在一個(gè)掃描周期中要完成六個(gè)掃描過(guò)程18。在系統(tǒng)軟件的指揮下，的程序流程順序地執(zhí)行，這種工作方式成為順序掃描方式。從掃描過(guò)程中的某個(gè)掃描過(guò)程開(kāi)始，順序掃描后又回到該過(guò)程成為一個(gè)掃描周期。進(jìn)行一個(gè)掃描周期所需的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期時(shí)間。 圖3-1 PLC工作原理3.2硬件設(shè)備的選型3.2.1 PLC的選型在本設(shè)計(jì)中需要用到三個(gè)溫度傳感器和一個(gè)液位傳感器，由于這四個(gè)量是模擬量，而PLC只能處理數(shù)字量，因此在PLC和傳感器之間必須加入特殊功能模塊，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再用PLC進(jìn)行處理。PLC運(yùn)算后輸出的數(shù)字量再經(jīng)過(guò)特殊功能模塊轉(zhuǎn)換成模擬量進(jìn)行控制。同時(shí)又為了最后仿真的需要、相關(guān)的性能要求及PID運(yùn)算指令的使用，決定使用德國(guó)西門(mén)子S7系列PLC中的西門(mén)子S7-200，如圖3-2所示：圖3-2 西門(mén)子S7-200SIMATIC S7-200PLC是超小型化的PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制等。S7-200 PLC的強(qiáng)大功能使其無(wú)論單機(jī)運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能19。S7-200系列PLC出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1) 極高的可靠性。(2) 極豐富的指令集。(3) 易于掌握。(4) 便捷的操作。(5) 豐富的內(nèi)置集成功能。(6) 實(shí)時(shí)特性。(7) 強(qiáng)勁的通訊能力。(8) 豐富的擴(kuò)展模塊。在設(shè)計(jì)中，需要的輸入量有上水閥開(kāi)關(guān)、循環(huán)泵開(kāi)關(guān)、電加熱開(kāi)關(guān)、洗浴開(kāi)關(guān)和自動(dòng)手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等。輸出量有上水電磁閥、循環(huán)泵、電加熱、排空電磁閥和洗浴電磁閥等。考慮實(shí)際需要保留一定的I/O余量，決定使用S7-200系列中的CPU224XP。圖3-3 CPU224XP結(jié)構(gòu)圖CPU 224XP集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，2輸入/1輸出共3個(gè)模擬量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展值至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或38路模擬量I/O點(diǎn)。20K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的高速計(jì)數(shù)器（100KHz），2個(gè)100KHz的高速脈沖輸出，2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力20。本機(jī)還新增多種功能，如內(nèi)置模擬量I/O,位控特性，自整定PID功能，線性斜坡脈沖指令，診斷LED，數(shù)據(jù)記錄及配方功能等。是具有模擬量I/O和強(qiáng)大控制能力的新型CPU。3.2.2其他硬件的選型(1) 模擬量模塊在本設(shè)計(jì)中，有三個(gè)溫度模擬量輸入，有一個(gè)三通調(diào)節(jié)閥開(kāi)度模擬量輸出，共計(jì)有三個(gè)模擬量輸入、一個(gè)模擬量輸出。為了系統(tǒng)的安全及擴(kuò)展的需要，要有一些備用的模擬量輸入輸出通道。所以，綜合各方面的因素決定選用EM235四輸出一輸出模擬量模塊，如圖3-4所示：圖3-4 EM235模擬量模塊EM235模擬量模塊通過(guò)排線與224XP相連，CPU通過(guò)此模塊可以采集于本模塊相連接現(xiàn)場(chǎng)的模擬信號(hào)，比如：壓力、流量等?？山邮茈娏鳌㈦妷盒盘?hào)，也可連接兩線制變送器。EM235有4路模擬量輸入通道，同時(shí)還包括了一路模擬量輸出通道，輸出電壓、電流信號(hào)用于連續(xù)的控制。(2) 溫度傳感器現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。本設(shè)計(jì)選用電流輸出型傳感器，因?yàn)镻LC控制器有可能距離傳感器的位置較遠(yuǎn)，而電流輸出具有恒流源的性質(zhì)，恒流源的內(nèi)阻很大。PLC的模擬量輸入模塊輸入電流時(shí)，輸入阻抗較低。線路上的干擾信號(hào)在模塊的輸入阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓很低，所以模擬電流信號(hào)適于遠(yuǎn)程傳送。又由于為了與EM235模擬量模塊相配套，所以溫度傳感器應(yīng)選用PT100鉑熱電阻溫度傳感器。PT100鉑溫度傳感器能夠?qū)z測(cè)到的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。PT100的特點(diǎn)是：準(zhǔn)確性高。在所有的溫度計(jì)中，它的準(zhǔn)確度最高，可以達(dá)到1Mk。輸出信號(hào)大，靈敏度高。PT100熱電阻溫度計(jì)的靈敏度比熱電溫度計(jì)(熱電偶)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。測(cè)溫范圍廣，穩(wěn)定性能好。在振動(dòng)小而適宜的環(huán)境下，可以在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持0.1以下的穩(wěn)定性。圖3-5 SBWZ一體化pt100溫度變送器EM235模擬量模塊的輸入端將接受的電流信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將傳感器測(cè)量的電流（電壓）值轉(zhuǎn)換為0-32000的數(shù)字量，溫度由PT100采集上來(lái)，一般為電阻信號(hào)，或者加24V電源轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)4-20mA。EM235再采集由PT100轉(zhuǎn)化來(lái)的電流信號(hào)，然后再通過(guò)自身編寫(xiě)程序運(yùn)算成實(shí)時(shí)溫度測(cè)量值21。這里，我們選用PT100溫度傳感器中的SBWZ一體化pt100溫度變送器。SBWZ型熱電阻溫度變送器是小型一體化二線制儀表新產(chǎn)品，代表著當(dāng)今傳感器一體化發(fā)展趨勢(shì)。由于該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了小型化，可以直接在溫度傳感器的接線盒內(nèi)安裝，將傳感器測(cè)量的0-100度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成符合標(biāo)準(zhǔn)化的420mA直流信號(hào)遠(yuǎn)傳至控制室，從而提高了信號(hào)的抗干擾能力。 (3) 三通調(diào)節(jié)閥為了達(dá)到恒溫出水功能，我們將采用PID控制以達(dá)到對(duì)水溫的精確自動(dòng)控制，這就需要可以控制冷熱水開(kāi)度的電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥。電動(dòng)三通溫控閥是流量調(diào)節(jié)閥在溫度控制領(lǐng)域的典型應(yīng)用，其基本原理：通過(guò)控制各支路熱（冷）媒入口流量的比例，以達(dá)到控制出口溫度的目的。當(dāng)負(fù)荷產(chǎn)生變化時(shí)，通過(guò)改變閥門(mén)開(kāi)啟度調(diào)節(jié)流量，以消除負(fù)荷波動(dòng)造成的影響，使溫度恢復(fù)至設(shè)定值。因此，在出水口我們配套選用了西門(mén)子公司生產(chǎn)的SKB62電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥，如圖3-6所示。圖3-6 SKB62電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥它的優(yōu)點(diǎn)是：具有比例積分(PI)或比例積分、微分(PID)調(diào)節(jié)功能，控制穩(wěn)定、精確。針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)工況，可靈活調(diào)整控制參數(shù)，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化?？捎煽刂破髯x取當(dāng)前溫度值及觀察閥門(mén)工作狀態(tài)?？蓴U(kuò)展功能，如遠(yuǎn)程設(shè)置、溫度補(bǔ)償、超溫報(bào)警、用熱計(jì)量及自動(dòng)抄表、遠(yuǎn)傳等。大部分型號(hào)可在斷電時(shí)進(jìn)行手動(dòng)操作。 (4) 其他硬件的選擇其它的材料主要有太陽(yáng)能熱水器集熱器的支架，集熱管的管材、管徑，管道的保溫材料，液位限位開(kāi)關(guān)，電磁閥，循環(huán)泵，電加熱器等的選擇，可以根據(jù)相關(guān)的規(guī)定和相關(guān)的計(jì)算來(lái)選擇，在本文中就不再具體介紹了。3.3太陽(yáng)能熱水器的整體設(shè)計(jì)3.3.1PID閉環(huán)控制 太陽(yáng)能本身是一個(gè)不斷變化、而影響其變化的因素又較多、極其復(fù)雜的非線性變量，太陽(yáng)熱水系統(tǒng)工程是一個(gè)非線性系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此采用傳統(tǒng)的控制方法難以得到較佳的控制效果。而模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的一種新的控制方法22。這種控制方法是一種智能的、非線性的控制方法，對(duì)那些無(wú)法取得數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)模型相當(dāng)粗糙的系統(tǒng)可以取得較滿意的控制效果，解決一些用傳統(tǒng)控制方法無(wú)法解決的問(wèn)題。太陽(yáng)能熱水器控制器采用PID控制算法，這種算法對(duì)固定參數(shù)的線性定常系統(tǒng)是非常有效的。通過(guò)調(diào)整PID控制器的參數(shù)，一般都能得到比較滿意的控制效果。(1) PID計(jì)算公式PID（比例（proportion）、積分（integration）、微分（differentiation）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有近百年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器23。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為： (3-1)式中積分的上下限分別是0和t因此它的傳遞函數(shù)為： (3-2)其中kP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。(2) 實(shí)現(xiàn)PID控制的方法用PLC對(duì)模擬量進(jìn)行PID控制時(shí)，可以采用以下幾種方法：使用PID過(guò)程控制模塊過(guò)程控制模塊包括A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，PID控制程序是PLC生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的，并存放在模塊中，用戶在使用時(shí)只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來(lái)非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。但是這種模塊價(jià)格較高，一般在大型控制中使用。使用PID指令現(xiàn)在有很多PLC都有供PID控制用的指令，例如S7-200的PID指令。它們實(shí)際上是用于PID控制的子程序，與模擬量輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于使用PID過(guò)程控制模塊的效果，但是價(jià)格便宜的多。用自編程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制有的PLC沒(méi)有PID過(guò)程控制模塊和PID控制用的功能指令，有時(shí)雖然可以使用PID控制指令，但是希望采用其他改進(jìn)的PID控制算法，在上述情況下，都需要用戶自己編制PID控制程序。變頻器的閉環(huán)控制變頻器內(nèi)部一般都有一個(gè)PI控制器或PID控制器。對(duì)于恒壓供水這一類閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以將反饋信號(hào)接到變頻器的反饋信號(hào)輸入端，使變頻器內(nèi)部的控制器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。PLC可以通過(guò)通信或開(kāi)關(guān)量信號(hào)給變頻器提供頻率給定信號(hào)和啟動(dòng)、停止命令。如果將反饋信號(hào)送給PLC的模擬量輸入模塊，用PLC實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制，用D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號(hào)作為變頻器的頻率給定信號(hào)，需要增加PLC的模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊，將會(huì)增加硬件成本。(3) 本設(shè)計(jì)的PID控制本設(shè)計(jì)中在恒溫出水部分需要用到PID控制，通過(guò)溫度傳感器的測(cè)量值與設(shè)定值的不斷比較，使出水溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上，以達(dá)到恒溫出水的目的。本設(shè)計(jì)的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖3-7所示：圖3-7 系統(tǒng)恒溫出水部分PID控制框圖圖中所示，被控量C(t)首先被測(cè)量元件轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流信號(hào)或電壓信號(hào)pv(t)，模擬量輸入模塊的A/D轉(zhuǎn)換器將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字量pv(n)。模擬量輸出模塊的D/A轉(zhuǎn)換器將PID控制器輸出的數(shù)字量mv(n)轉(zhuǎn)換成模擬電壓或模擬電流mv(t),再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在這里虛線框中的部分是由PLC實(shí)現(xiàn)的，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是三通調(diào)節(jié)閥，被控對(duì)象是儲(chǔ)水箱出水溫度，測(cè)量元件是溫度傳感器。3.3.2 PLC與外部設(shè)備連接方案PLC的輸入輸出量需要驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行，所以必須占用輸入輸出點(diǎn)數(shù)，也就是I/O端口與模擬量輸入輸出端口，本設(shè)計(jì)中輸入量有手自動(dòng)切換輸入、上水電磁閥輸入；循環(huán)泵開(kāi)/關(guān)輸入、出水電磁閥輸入、電加熱輸入、排空輸入、循環(huán)泵故障輸入、限位開(kāi)關(guān)輸入以及三個(gè)溫度傳感器輸入量等；輸出量分別是手自動(dòng)切換量、驅(qū)動(dòng)上水電磁閥輸出量、驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵輸出量、驅(qū)動(dòng)洗浴電磁閥輸出量、驅(qū)動(dòng)電加熱輸出量和驅(qū)動(dòng)排空閥輸出量，另外還有一個(gè)模擬輸出量。它們與PLC的連接如圖3-8所示：圖3-8 PLC與外部輸入輸出設(shè)備的連接注釋：(1) PLC系統(tǒng)的電源接線：PLC供電電源可采用直流24V、交流100V120V或200V240V的工作電源。如果電源發(fā)生故障，中斷時(shí)間少于10ms，PLC工作不受影響。若電源中斷超過(guò)10ms或電源下降超過(guò)允許值，則PLC停止工作，所有的輸出點(diǎn)均同時(shí)斷開(kāi)。當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，若RUN輸入接通，則操作自動(dòng)進(jìn)行。對(duì)于電源線來(lái)的干擾，PLC本身具有足夠的抵制能力，也可以安裝一個(gè)變比為1:1的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾24。(2) 接地：良好的接地是保證PLC可靠工作的必要條件。在接地時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：PLC的接地線應(yīng)為直徑在2mm以上的專用線接地電阻應(yīng)小于100PLC的地線不能和其它設(shè)備共用PLC的各單元地線應(yīng)相連在一起(3) PLC的維護(hù)和檢修：雖然PLC的設(shè)計(jì)，已使維修和運(yùn)行故障減少到最小程度，但為了保證系統(tǒng)的正常工作，盡量延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù)和檢修。注意電源電壓、環(huán)境指標(biāo)、I/0參數(shù)、安裝情況及備份電池等情況的檢查與維護(hù)，確保PLC正確穩(wěn)定的運(yùn)行。3.3.3水工藝流程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整個(gè)水工藝流程包括上水管道及電磁閥，洗浴開(kāi)關(guān)、管道和噴頭，集熱器、循環(huán)泵、儲(chǔ)水箱構(gòu)成的水循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，以及三通調(diào)節(jié)閥控制的恒溫出水部分。水工藝圖如下所示：圖3-9 太陽(yáng)能熱水器水工藝圖第4章 系統(tǒng)軟件框架的構(gòu)建與系統(tǒng)仿真4.1系統(tǒng)的I/O口地址及相關(guān)的軟元件功能設(shè)置本系統(tǒng)中主要的輸入有上水閥開(kāi)關(guān)、循環(huán)泵開(kāi)關(guān)、電加熱開(kāi)關(guān)、洗浴開(kāi)關(guān)和自動(dòng)手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。輸出有上水電磁閥、循環(huán)泵、電加熱、排空電磁閥和洗浴電磁閥等。另外，還有一些報(bào)警指示燈和傳感器。系統(tǒng)占用的所有主要單元的端口及地址分配如下表所示：表4-1 輸出量I/O地址分配表信號(hào)名稱或軟元件功能I/O端口或地址上水電磁閥Q0.0循環(huán)泵Q0.1洗浴電磁閥Q0.2電加熱Q0.3排空電磁閥Q0.4手自動(dòng)指示Q0.5洗浴低溫報(bào)警指示燈Q0.6洗浴高溫報(bào)警指示燈Q0.7儲(chǔ)水箱液位上限指示燈Q1.0儲(chǔ)水箱液位下限指示燈Q1.1表4-2 輸入量I/O地址分配表信號(hào)名稱或硬件功能I/O端口或地址自動(dòng)手動(dòng)I0.0上水手動(dòng)控制I0.1循環(huán)泵開(kāi)I0.2循環(huán)泵關(guān)I0.3洗浴電磁閥控制I0.4電加熱控制I0.5排空電磁閥控制I0.6循環(huán)泵故障I0.7上水電磁閥關(guān)I1.0上水電磁閥開(kāi)I1.1表4-3 測(cè)量信號(hào)/模擬信號(hào)地址信號(hào)名稱或硬件功能I/O端口或地址儲(chǔ)水箱溫度上限VW212儲(chǔ)水箱溫度下限VW216出水溫度設(shè)定值VD104集熱器溫度傳感器AIW4儲(chǔ)水箱溫度傳感器AIW6三通調(diào)節(jié)閥出水溫度傳感器AIW8三通調(diào)節(jié)閥開(kāi)度AQW4儲(chǔ)水箱溫度測(cè)量量VW206集熱箱溫度測(cè)量量VW202出水口溫度測(cè)量量VW210PID溫度執(zhí)行量VW2204.2系統(tǒng)的程序流程圖由于系統(tǒng)不是嚴(yán)格的順序控制系統(tǒng)，所以在這里列出了各個(gè)子程序的流程圖。(1) 水循環(huán)流程圖：圖4-1 水循環(huán)流程圖在水循環(huán)部分，集熱器和儲(chǔ)水箱里的溫度傳感器不斷測(cè)量?jī)烧叩臏囟龋⒈容^兩個(gè)溫度值之間的差，如果集熱器出水溫度大于儲(chǔ)水箱水溫度，那么強(qiáng)制進(jìn)行水循環(huán)，只要兩者之間有溫度差，循環(huán)就不停的進(jìn)行，這樣可以使太陽(yáng)能收集到的能量不斷的傳遞到儲(chǔ)水箱里面的水上，使水溫不斷上升，以滿足人們的需要。(2) 自動(dòng)上水流程圖首先要對(duì)儲(chǔ)水箱的液位設(shè)定上下限，根據(jù)液位的情況來(lái)決定加水和不加水，所以自動(dòng)上水流程圖如下：圖4-2 自動(dòng)上水流程圖(3) PID閉環(huán)調(diào)節(jié)與電加熱流程圖這是恒溫供水最重要的一部分，通過(guò)PID閉環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制，這一方面是人們要求比較高的，關(guān)鍵是用PLC里面的PID指令來(lái)進(jìn)行控制，如圖4-3所示。為了全天候的供應(yīng)熱水所以加入了輔助電加熱器，為此在人的正常洗浴溫度左右設(shè)置一個(gè)溫度上下限，當(dāng)溫度低于某一值時(shí)，電加熱器打開(kāi)，開(kāi)始給儲(chǔ)水箱里的水加熱，當(dāng)加熱到上限溫度值時(shí)，停止加熱，在本設(shè)計(jì)中，設(shè)定溫度上限為60，下限為70，如圖4-4所示。圖4-3 PID閉環(huán)調(diào)節(jié)程序流程圖 圖4-4 電加熱程序流程圖4.3 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的梯形圖程序STEP7MicrowinV4.0編程軟件是專為西門(mén)子公司S7-200系列小型機(jī)而設(shè)計(jì)的編程工具軟件，使用該軟件可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制控制程序并完成與PLC的實(shí)時(shí)通信，進(jìn)行程序的下載與上傳及在線監(jiān)控25。根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能與流程，我們利用STEP7MicrowinV4.0編程軟件對(duì)S7-200PLC進(jìn)行編程，程序如下所示：(1) 程序塊：初始化設(shè)定出水口溫度，儲(chǔ)水箱高低溫設(shè)定程序：?jiǎn)伟粹o手自動(dòng)切換程序，調(diào)用子程序SBR_0或SBR_1：?jiǎn)伟粹o控制儲(chǔ)水箱排空電磁閥啟停與出水閥控制程序：儲(chǔ)水箱液位上下限指示程序：儲(chǔ)水箱溫度與設(shè)定值比較，高低溫指示與循環(huán)泵故障指示程序：循環(huán)泵故障指示燈閃爍程序，閃爍間隔設(shè)置2S：傳感器溫度變送與PID整定程序：溫度調(diào)節(jié)輸出程序：循環(huán)泵故障停止程序：(2) 自動(dòng)控制子程序SBR_0：儲(chǔ)水箱水位控制程序：儲(chǔ)水箱與集熱器水溫比較水循環(huán)控制程序：儲(chǔ)水箱水溫低電加熱器控制程序：(3) 手動(dòng)控制子程序SBR_1：循環(huán)泵手動(dòng)控制程序：?jiǎn)伟粹o儲(chǔ)水箱手動(dòng)上水控制程序：電加熱手動(dòng)控制程序：儲(chǔ)水箱高低溫指示程序：4.4系統(tǒng)仿真(1) 用STEP 7-Micro/WIN V4.0軟件編好如下程序：圖4-5 程序界面(2) 將編好的程序進(jìn)行編譯、導(dǎo)出：圖4-6 導(dǎo)出程序(3) 打開(kāi)仿真軟件，選擇PLC型號(hào)為CPU224XP：圖4-7 選擇PLC型號(hào)(4) 選擇模擬量模塊EM235：圖4-8 選擇模擬量模塊(5) 選擇編程時(shí)導(dǎo)出的“太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制-魏天野.awl”工程文件：圖4-9 選擇文件(6) 裝載后顯示項(xiàng)目名稱，點(diǎn)擊綠色運(yùn)行按鈕運(yùn)行程序：圖4-10 仿真界面運(yùn)行后響應(yīng)端口綠色運(yùn)行燈亮，表示該端口有信號(hào)。(7) 監(jiān)控AQW4模擬量輸出端口，調(diào)節(jié)AIW8端口代表出水口溫度變化，可以看到AQW4模擬量輸出端口地址值由于PID程序的整定