太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計

1、西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）論文題目： 太陽能熱水器控制器設(shè)計所屬學(xué)院： 電子工程學(xué)院指導(dǎo)老師： 楊思俊 職 稱：講師學(xué)生姓名： 王游 班級、學(xué)號: 15205109 專 業(yè)： 太陽能光熱技術(shù)與應(yīng)用西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院制年 月 日西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書題目： 太陽能熱水器控制器設(shè)計任務(wù)與要求：時間： 2017 年 11 月20 日 至 2018 年 1 月 20 日 共 8 周所屬學(xué)院： 電子工程學(xué)院學(xué)生姓名： 王游 學(xué) 號 ：15205109 專業(yè)： 太陽能光熱技術(shù)與應(yīng)用指導(dǎo)單位或教研室： 指導(dǎo)教師： 楊思俊 職 稱：講師西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院制年 月 日

2、畢業(yè)設(shè)計(論文)進(jìn)度計劃表日 期工 作 內(nèi) 容執(zhí) 行 情 況指導(dǎo)教師簽 字20171120XXXXXXXX教師對進(jìn)度計劃實施情況評價 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 本表作評定學(xué)生平時成績的依據(jù)之一。太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計【摘要】現(xiàn)在城市居民絕大部分都使用太陽能熱水器，農(nóng)村也有相當(dāng)一部分人使用，太陽能熱水器在技術(shù)上比較成熟，造價比較低廉，同時由于給人民提供絕對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、長久等優(yōu)點，所以它的應(yīng)用也會越來越廣，因此，研究和開發(fā)先進(jìn)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)越來越重要。該設(shè)計以單片機(jī)SST89E516RD為核心，結(jié)合單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20、LCD1

3、602液晶屏與蜂鳴器，設(shè)計一種數(shù)字化、智能化的太陽能熱水器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主控芯片模塊、DS18B20溫度檢測模塊、LCD1602溫度和水位顯示模塊、自動加水模塊和水溫超標(biāo)警報模塊組成。給出了各個模塊的結(jié)構(gòu)及其工作原理、系統(tǒng)硬件原理圖、程序流程圖和部分源程序，并結(jié)合理論設(shè)計進(jìn)行仿真模擬測試。我們都知道，目前市面上大多數(shù)太陽能熱水器都沒有加水只能中斷裝置，并且只能在晴天使用，而陰天則無法加熱。此系統(tǒng)將水溫水位檢測模塊、水溫水位顯示模塊與報警模塊結(jié)合，LCD1602屏幕上會顯示水位和溫度，并且在水位低于設(shè)置值時可人控開啟加水開關(guān)開始加水，LCD1602上顯示水位變化情況，當(dāng)水位到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)水位時自動

4、中斷；當(dāng)通電對水加熱時，LCD1602屏幕上動態(tài)顯示溫度；當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度時，觸發(fā)警報系統(tǒng)，提示人關(guān)閉加熱裝置。此系統(tǒng)解除了太陽能熱水器加水時無人守候造成水資源浪費和只能在晴天使用的問題，解決了人們常遇到的實際問題。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機(jī)械式控制系統(tǒng)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便等特點。關(guān)鍵詞：單片機(jī)SST89E516RD； 溫度傳感器DS18B20； LCD1602液晶； 警報 Abstract: Now the vast majority of urban residents have used solar water heater, rural also has quit

5、e a few people use, solar energy water heater in the relatively mature technology, low cost comparison, at the same time due to the people's provide absolute safety of hot water and get the welcome of people, and energy saving, environmental protection, safety, convenience, and the advantages of

6、 long, so it will be more and more widely used, therefore, research and development of advanced solar water heater control system more and more important.This topic research the programmable controller (PLC) in the application of solar energy water heater control system, focuses on the system's

7、hardware and software design process, points out the key of design of PLC is can satisfy the basic control function, consider the convenience of maintenance and system scalability, etc., this paper identified the system of each working procedure, to draw the process flow diagram of the system, and h

8、as carried on the solar water heater automatic control system of PLC I/O allocation and selection, to write the PLC program ladder diagram, draw out of the control system of electrical schematic diagram and the wiring diagram, implements the automatic water drainage, automatic cycle, automatic heati

9、ng, PID closed-loop control constant temperature water, manual and automatic mode switches etc. Function.Through the PLC to control the solar water heater system renovation, greatly reduces the system to other components have to use, make the system wiring is simple, convenient maintenance, improve

10、reliability, increased system was advanced.The paper is divided into four chapters: chapter one introduces the development background and design significance of solar water heater. The second chapter introduces the working principle of solar water heater. The third chapter introduces hardware select

11、ion and control system. Chapter iv overall design of solar water heater.Key words: Solar energy; The water heater. Control system; PLC目錄1緒論61.1本課題研究得背景61.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀71.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀71.2.2國外研究現(xiàn)狀81.3太陽能熱水器控制器的應(yīng)用91.4 本課題研究內(nèi)容92、太陽能熱水器構(gòu)造和工作原理102.1 太陽能熱水器的基本構(gòu)造102.2 太陽能熱水器的工作原理113、太陽能熱水器硬件選型及控制系統(tǒng)123.1 可編程控制器（PLC）

12、簡介123.2 可編程控制器（PLC）工作原理123.3 硬件設(shè)備的選型133.3.1 PLC的選型133.3.2其他硬件選型144、能熱水器的整體設(shè)計154.1 PID閉環(huán)控制154.2系統(tǒng)電路的設(shè)計164.3 設(shè)計PLC控制原理（梯形圖程序）18結(jié)束語29參考文獻(xiàn)301緒論1.1本課題研究得背景太陽能（Solar Energy），一般是指太陽光得輻射能量，太陽能是一種可再生能源，廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能、水的勢能等，太陽能以其源源不斷、安全等顯著優(yōu)勢，成為關(guān)注的重點。如今在太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，太陽能熱水器的熱利用轉(zhuǎn)換技術(shù)無疑是最為成熟的，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也

13、較光伏電池、太陽能發(fā)電等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先一步。當(dāng)今世界能源問題已經(jīng)成為一個普遍性的問題，能源關(guān)乎著國家的安全，誰掌握了世界上的能源誰就掌握了國際事務(wù)的話語權(quán)，誰就有了國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，誰就有了同其他國家相抗衡的資本。但是傳統(tǒng)能源已經(jīng)被消耗殆盡，為了國家未來的發(fā)展，世界各國都在開發(fā)新能源，太陽能作為一種既清潔又取之不盡的資源已得到了越來越多的應(yīng)用。眾所周知，太陽能是取之不盡，用之不竭，沒有污染的巨大能源。隨著世界上煤、石油、天然氣儲量的日益減少，能源危機(jī)也日益嚴(yán)重，與此同時環(huán)境污染的危機(jī)也不斷的威脅著生態(tài)平衡，太陽能開發(fā)利用的課題也提到了人類的面前。有人預(yù)測：二十一世紀(jì)太陽能將由輔助能源上升為主要源1

14、。但由于太陽能的分散性、季節(jié)性和地區(qū)性又給太陽能利用帶來重重困難，有些技術(shù)難點尚未突破，產(chǎn)品造價偏高（如光電池），因而尚未被人們大規(guī)模的使用。圖1-1 太陽能熱水器太陽能熱水器是技術(shù)上比較成熟、造價比較低廉，同時由于給人民提供絕對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、長久等優(yōu)點，因此它的應(yīng)用會越來越廣。尤其在農(nóng)村地區(qū)具有很大的現(xiàn)實意義：中國四分之三的人口居住在農(nóng)村，目前仍有約2萬個村莊，800多萬個農(nóng)戶，3000多萬人口沒有電力供應(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

15、、石油和電力一直漲價，且能源供應(yīng)日趨緊張。太陽能無污染、無運輸、無壟斷、“取之不盡、用之不竭”，是最有發(fā)展前途的可再生能源。在社會主義新農(nóng)村建設(shè)中大力推廣應(yīng)用太陽能，不僅能夠解決農(nóng)村的基本能源消費問題，促進(jìn)可再生能源的高效利用，實現(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)社會主義精神文明發(fā)展2。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，目前已經(jīng)成為世界上最大太陽能熱水器生產(chǎn)國，但與太陽能配套的控制器卻一直處于研究和開發(fā)階段，尤其是與太陽能熱水器系統(tǒng)匹配的控制器，至今尚未檢索到相關(guān)報道。近幾年來，市場上陸續(xù)出現(xiàn)了一些太陽能熱水器控制器，但大多數(shù)控制器

16、存在著諸如性能不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生誤操作；溫度、水位檢測、控制誤差大；顯示器有時出現(xiàn)亂碼；與電輔助加熱裝置不能很好配合；太陽能利用率較低等問題，影響了用戶的使用。更有甚者，有些控制器質(zhì)量較差，經(jīng)常發(fā)生故障，給用戶帶來諸多不便，嚴(yán)重影響了用戶的使用，從而影響到太陽能熱水器的銷售。太陽能熱水器，尤其時太陽能熱水器系統(tǒng)及其控制器有著廣闊的發(fā)展前景，但現(xiàn)有的技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)投入較少。因此，在太陽能熱水器、太陽能熱水系統(tǒng)的測量控制方面，應(yīng)引起足夠重視，加大投入一定力量研究開發(fā)高質(zhì)量、性能好的測控產(chǎn)品31.2.2國外研究現(xiàn)狀太陽能熱水器時利用太陽能輻射能熱水的裝置，世界第一臺熱水器時美國馬里蘭州的肯普于1891

17、年發(fā)明的，到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，人們創(chuàng)造出了各式各樣被稱為“悶曬式”的太陽能熱水器，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，人們的注意力又開始轉(zhuǎn)向發(fā)展經(jīng)濟(jì)，一些缺少常規(guī)能源的國家，如日本，開始投入人力物力開發(fā)利用太陽能，經(jīng)過人們的努力，各種簡易的平板太陽集熱器在市場上出現(xiàn)。到20世紀(jì)70年代，隨著世界性能源危機(jī)日益嚴(yán)重，迫使人們對太陽能的開發(fā)利用又重新重視起來，許多國家花了不少人力物力，用于大力研究開發(fā)太陽能技術(shù)，尤其時太陽能熱水器。到哦上世紀(jì)70年代末，太陽能熱水器的開發(fā)利用在美國、澳大利亞、日本、德國、以色列等國家得到了很大的發(fā)展，在隨后幾十年里，平板集熱器型太陽能熱水器的推廣應(yīng)用在一些國家得到了較快的發(fā)展

18、。1975年美國歐文斯伊利洛伊（Owens-llinois）公司發(fā)明了全玻璃真空管太陽集熱器并推向市場。當(dāng)時，集熱管的選擇性吸收涂層的平均陽光吸收率為83%，但由于采用了高真空技術(shù)，使集熱器的熱損失比普通平板式太陽集熱器降低了兩個數(shù)量級，從而將太陽能熱水器技術(shù)大大提高了一步。在隨后的幾十年里，全玻璃真空管太陽集熱器性能通過完善、提高、并逐步降低成本，因此得到了快速發(fā)展，到上世紀(jì)90年代，這種新型太陽能熱水器已經(jīng)成為推廣應(yīng)用的主流產(chǎn)品。在全玻璃真空管太陽能熱水器的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高效率、提高性能，德國研制出熱管式真空管太陽能熱水器，一些國家研制出了一些高質(zhì)量的太陽能熱水器專用零部件，另外一些國

19、家為優(yōu)化設(shè)計專門開發(fā)了用于太陽能熱水器的應(yīng)用軟件。還有一些國家開發(fā)出功能完善，能全天候使用太陽熱水器系統(tǒng)，在西方一些先進(jìn)國家，太陽能熱水器方面的研發(fā)和推廣一直比較活躍41.3太陽能熱水器控制器的應(yīng)用在全球煤炭、石油、天然氣資源日益枯竭的情況下，能源危機(jī)的威脅日益加劇的時代背景下，尋找低廉、清潔、可持續(xù)的新能源己經(jīng)成了人類發(fā)展的首要問題。太陽能因其清潔、量大、低廉受到人們的青睞，有人預(yù)測，21世紀(jì)太陽能將成為全球的主要能源5。其意義主要有兩方面：l )節(jié)省能源：我們現(xiàn)在所消費的能源，主要是煤炭、石油和天然氣等化石燃料，這些常規(guī)的化石燃料資源有限，不可再生，而太陽能是人類可以利用的，最豐富的新能源

20、；2）保護(hù)環(huán)境，減少污染：太陽能是一種綠色能源，不會排放任何污染大氣和其他環(huán)境的有害物，是與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的清潔能源。作為運用太陽能的典型，太陽能熱水器己走進(jìn)千家萬戶，在提供方便的同時也節(jié)省了大量能源，減少了污染。而隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、生活水平的提高，人們早己不再滿足于只有使用功能的產(chǎn)品囝。人們在關(guān)注產(chǎn)品保證一定物質(zhì)功能的同時，越來越注重在使用過程中舒適、高效、安全的操作，對太陽能熱水器的使用方便性、安全性、操作界面的人機(jī)友好性提出了更高的要求。因此，近年來，太陽能熱水器控制器行業(yè)也蓬勃發(fā)展，前景廣闊，得到了廣泛的應(yīng)用6。常見電子式太陽能熱水器控制器如圖1-2所示，具備基本的水

21、位/水量檢測和顯示，以及上水和加熱等功能。圖1-2 電子式太陽能熱水器控制器1.4 本課題研究內(nèi)容本課題只要利用PLC為核心控制系統(tǒng)，實現(xiàn)太陽能熱水器系統(tǒng)控制，使其滿足實際各種控制需要、使更多的工作免于人參與、使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，具體研究如下：（1）確定系統(tǒng)各個工序，繪制系統(tǒng)工藝流程圖。（2）PLC選型及I/O分配。（3）設(shè)計、繪制梯形圖，滿足各種控制要求。（4）繪制電氣原理圖、外部接線圖等。（5）依據(jù)設(shè)計要求調(diào)試系統(tǒng)。2、太陽能熱水器構(gòu)造和工作原理2.1 太陽能熱水器的基本構(gòu)造太陽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能熱水器。按集熱器原理和結(jié)構(gòu)可分為

22、平板型熱水器和真空管熱水器7。按工質(zhì)流動方式不同，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能熱水器，其基本結(jié)構(gòu)都是一樣的，太陽能熱水器通常由集熱器、絕熱儲水箱、連接管道、支架和控制系統(tǒng)組成，如圖2-1所示。圖2-1 太陽能熱水器的基本構(gòu)造圖(1) 太陽能集熱器： 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?，太陽能集熱器利用的是太陽的輻射熱量，故而加熱時間只能在太陽照射度達(dá)到一定值的時候。目前中國市場上最常見的是全玻璃太陽能真空集熱管。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

23、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，尤其在高層住宅的陽臺式太陽能熱水器方面有獨特優(yōu)勢。全玻璃太陽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8。(2) 絕熱貯水箱：太陽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，對水箱的耐壓、耐溫、防滲漏及水質(zhì)影響很大。目前市場上出售的產(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

24、、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，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，然后下部再慢慢熱起來。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)：一般家用太陽能熱水器需要自動或半自動運行，控制系統(tǒng)是不可少的，常用的控制器是自動上水、水滿斷水并顯示水溫和水位，帶電輔助加熱的太陽能熱水器還有漏電保護(hù)、防干燒等功能。市場上有手機(jī)短信控制的智能化太陽能熱水器，具有水位水位查詢、故障報警、啟動上水

25、、關(guān)閉上水、啟動電加熱等功能，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、壽命長等性能外，還應(yīng)不溶于水，否則食用后會對人體有害。質(zhì)量較好的密封圈材料選用硅橡膠，但市場上采用普通橡膠或再生橡膠的商家卻大有人在。2.2 太陽能熱水器的工作原理太陽能熱水器是一種利用太陽輻射能通過溫室效應(yīng)把水加熱的裝置。溫室效應(yīng)是指由于對流、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，它是通過一個上面蓋有透明玻璃的封閉箱體來實現(xiàn)能量聚積的9。陽光透過玻璃進(jìn)入箱體內(nèi)，被黑色表面吸收，而向外反射和對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

26、，溫度不斷升高，甚至可達(dá)100200。利用聚積的高溫來加熱水，就是太陽能熱水器。太陽光穿過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)入保溫儲水桶。由于太陽能熱水器在運行過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” 10。 真空管式家用太陽能熱水器是由集熱管、儲水箱及支架等相關(guān)附件組成，把太陽能轉(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11。集熱器內(nèi)的水

27、加熱后要與儲水箱里面的冷水實現(xiàn)循環(huán)以使儲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)。3、太陽能熱水器硬件選型及控制系統(tǒng)3.1 可編程控制器（PLC）簡介可編程控制器（PragrmmableLogicController，簡稱PLC）是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是20世紀(jì)60年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學(xué)家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲器，其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴(kuò)充其功能的原

28、則設(shè)計的。PLC自產(chǎn)生至今只有40多年的歷史，卻得到了迅速和廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一。長期以來，PLC在工業(yè)自動化控制中發(fā)揮著巨大作用，為各種各樣的自動化控制設(shè)備提供了廣泛、可靠的控制應(yīng)用，著主要是源于它能夠為自動化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合當(dāng)前自動化工業(yè)企業(yè)的需要12。3.2 可編程控制器（PLC）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)定一級順序（高級和低級順序）或可變順序等進(jìn)行。因為有的用戶程序不需要每掃描一次執(zhí)行一次，也為的是在控制系統(tǒng)需要處理的I/O點數(shù)較多

29、時，通過不同的模塊組合的安排，采用分時分批掃描執(zhí)行的辦法，可縮短循環(huán)掃描周期和控制的實時性。用戶將用戶程序設(shè)計、調(diào)試后，用編程器鍵入PLC的存儲器中，并將現(xiàn)場的輸入信號和被驅(qū)動的執(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的控制開關(guān)使其處于運行工作方式，PLC就以循環(huán)掃描的工作方式進(jìn)行工作。在輸入信號、用戶程序的控制上，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號，完成預(yù)期的控制任務(wù)。PLC的典型的循環(huán)順序掃描土作過程如圖3-1所示。 從圖3-1中可以看出，一個典型的可編程序控制器在一個掃描周期中要完成六個掃描過程13。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

30、描過程中的某個掃描過程開始，順序掃描后又回到該過程成為一個掃描周期。進(jìn)行一個掃描周期所需的時間稱為一個掃描周期時間。圖3-1 PLC工作原理圖3.3 硬件設(shè)備的選型 PLC的選型在本設(shè)計中需要用到三個溫度傳感器和一個液位傳感器，由于這四個量是模擬量，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運算后輸出的數(shù)字量再經(jīng)過特殊功能模塊轉(zhuǎn)換成模擬量進(jìn)行控制。同時又為了最后仿真的需要、相關(guān)的性能要求及PID運算指令的使用，決定使用德國西門子S7系列PLC中的西門子S7-200，SIMATIC S7-200PLC是超小型化的PLC，它

31、適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。S7-200 PLC的強(qiáng)大功能使其無論單機(jī)運行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能13。其他硬件選型（1）模擬量模塊在本設(shè)計中，有三個溫度模擬量輸入，有一個三通調(diào)節(jié)閥開度模擬量輸出，共計有三個模擬量輸入、一個模擬量輸出。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EM235四輸入一輸出模擬量模塊，（2）溫度傳感器本設(shè)計選用電流輸出型傳感器，因為PLC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，輸入阻抗較低。線路上的干擾信號在模塊

32、的輸入阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓很低，所以模擬電流信號適于遠(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測到的模擬量信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。（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)到對水溫的精確自動控制，這就需要可以控制冷熱水開度的電動三通調(diào)節(jié)閥。電動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，通過改變閥門開啟度調(diào)節(jié)流量，以消除負(fù)荷波動造成的影響，使溫度恢復(fù)至設(shè)定值。因此，在出水口我們配套

33、選用了西門子公司生產(chǎn)的SKB62電動三通調(diào)節(jié)閥。（4）其他硬件的選擇其它的材料主要有太陽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)的計算來選擇，在本文中就不再具體介紹了。4、能熱水器的整體設(shè)計4.1 PID閉環(huán)控制太陽能本身是一個不斷變化、而影響其變化的因素又較多、極其復(fù)雜的非線性變量，太陽熱水系統(tǒng)工程是一個非線性系統(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)展起來的一種新的控制方法14。這種控制方法是一種智能的、非線性的控制方法，對那些無法取得數(shù)

34、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)控制方法無法解決的問題。太陽能熱水器控制器采用PID控制算法，這種算法對固定參數(shù)的線性定常系統(tǒng)是非常有效的。通過調(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計算公式PID（比例（proportion）、積分（integration）、微分（differentiation）控制器作為最早實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15。PID控制器簡單易懂，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

35、。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為： t=kpet+etdtTI+TDde(t)dt (3-1)(2) 實現(xiàn)PID控制方法使用PID過程控制模塊過程控制模塊包括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)計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，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過程控制模塊的效果，但是價格便宜的多。用自編

36、程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制有的PLC沒有PID過程控制模塊和PID控制用的功能指令，有時雖然可以使用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PI控制器PID控制器。對于恒壓供水這一類閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以將反饋信號接到變頻器的反饋信號輸入端，使變頻器內(nèi)部的控制器實現(xiàn)閉環(huán)控制。PLC可以通過通信或開關(guān)量信號給變頻器提供頻率給定信號和啟動、停止命令。如果將反饋信號送給PLC的模擬量輸入模塊，用PLC實PID閉環(huán)控制，用D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號作為變頻器的頻率給定信號，需要增加PLC的模擬量輸入模塊和模擬量

37、輸出模塊，將會增加硬件成本。（3）本設(shè)計的PID控制本設(shè)計中在恒溫出水部分需要用到PID控制，通過溫度傳感器的測量值與設(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)計的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖3-2示：圖4-1系統(tǒng)恒溫出水部分PID控制框圖圖中所示，被控量C(t)首先被測量元件轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流信號或電壓信號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實現(xiàn)的，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是三通調(diào)節(jié)閥，被控對象是儲水箱

38、出水溫度，測量元件是溫度傳感器。4.2系統(tǒng)電路的設(shè)計（1）主電路的設(shè)計1）接觸器KM1和KM2分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。2）電動機(jī)有熱繼電器實現(xiàn)過載保護(hù)。3）選擇自動開關(guān)Q為總電源的開關(guān)，即可完成主回路的短路保護(hù)，又起到隔離三相交流電源的作用，使使用和維護(hù)更加方便4）由FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分別實現(xiàn)個負(fù)載的短路保護(hù)作用。FU7、FU8完成PLC控制回路的短路保護(hù)。根據(jù)上述原則繪制出電氣控制主電氣圖，如圖4-2所示。圖4-2 電氣控制主電路圖（2）PLC控制電路的設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)要求、系統(tǒng)的總體設(shè)計及系統(tǒng)選取的元器件，設(shè)計出系統(tǒng)的控制原理圖及PLC外部接線圖，如圖4-3所示太陽能熱水器系統(tǒng)PLC I/O控制原理電路圖。圖4-3 太陽能熱水器系統(tǒng)PLC I/O控制原