基于太阳能热水器PLC控制电路的毕业设计

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）I目 录1 绪论 .11.1 选题的目的和意义 .11.2 国内外研究现状简述 .11.3 太阳能热水器市场分析 .31.4 本设计特点及主要内容 .52 太阳能热水器的组成及工作原理 .62.1 太阳能热水器的基本结构 .62.2 太阳能热水器的工作原理 .82.3 太阳能热水器类型选择 .102.4 本设计要实现的功能 .113 太阳能热水器硬件的选型及设计 .133.1 可编程控制器（PLC）的发展及简介 .133.2 PLC 的特点 .143.3 硬件设备的选型 .153.3.1 PLC 的选型原则 .153.3.2 基于本设计的 PLC 选型 .203.3.3 其他硬件的选择 .213.4 太阳能热水器整体系统设计 .264 软件部分设计 .294.1 系统的 I/O 口地址及相关的软元件功能设置 .294.2 编程软件的介绍 .304.3 PID 闭环控制 .314.3.1 PID 控制器的优点 .314.3.2 实现 PID 控制的方法 .324.3.3 本设计的 PID 控制 .324.4 系统的程序流程图 .33哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）II5 触摸屏仿真 .365.1 相关仿真软件介绍 .365.2 触摸屏仿真 .40参考文献 .44附录 1.45附录 2.50致谢 .51哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）III摘 要随着世界能源危机的不断加剧，新能源的开发利用越来越引起人们的重视，太阳能作为一种清洁无污染且又用之不尽的资源得到了越来越广泛的应用，太阳能热水器已逐步进入普通家庭。本文结合太阳能热水器的实际应用，并根据精确控制的需要设计了基于 PLC 太阳能热水器的控制器。通过对太阳能热水器结构和工作原理的分析，提出本设计要实现的功能。并结合传感器、PLC 和一些特殊功能模块的特点和应用，完成对硬件设备的选型，搭建了控制器的硬件电路。软件设计部分按控制的要求画出程序流程图，运用三菱系列通用编程软件 GX Developer 进行编程，利用三菱的 GX Simulator Version6 程序仿真软件进行程序仿真，以校验程序。应用三菱的触摸屏编程软件 GT Designer2 绘制触摸屏仿真画面，定义用到的软元件，设置相关参数，然后挂接程序仿真软件和触摸屏仿真软件 GT Simulator2，三者之间的联动实现整个系统的仿真、调试。本设计的最大特点就是能实现对洗浴温度的精确控制。关键词：太阳能热水器； PLC； 精确控制； 传感器； 特殊功能模块哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）IVAbstractWith the worlds growing energy crisis, the new energys development use brings to peoples attention more and more, the solar energy which is not only the clean energy but also the endless resources is obtained more and more widespread application, solar water heaters has been coming into the average family step by step. In this paper, combined with the practical application of solar water heater, and in accordance with the need for precise control, the controller of solar water heater based on PLC was designed. Through the analysis of the solar energy water heaters structure and working principle, the paper puts forward the function of the design. And combination of the characteristics and applications of sensors, PLC and many special function modules, the selections of hardware equipment were completed and hardware circuits were built. The program flow diagram of software design was drawn according to the control request, and the programming used Mitsubishi series general programming software GX Developer. Mitsubishi GX Simulator Version6 was used to simulate program and to check if the procedure is wrong or not. Programming software Mitsubishi touch screen GT Designer2 was used to draw the simulation pictures, to define the simulation software components and to set up related parameters. Then articulated procedure simulation software and touch screen simulation software GT Simulator2 have realized systems combined simulation. The biggest characteristic is to realize accurate temperature control of the bath.Keywords: solar water heater; PLC; precise control; sensor; special function modules哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）11 绪论1.1 选题的目的和意义当今世界能源问题已经成为一个普遍性的问题，能源关乎着国家的安全，谁掌握了世界上的能源谁就掌握了国际事务的话语权，谁就有了国家经济发展的基础，谁就有了同其他国家相抗衡的资本。但是传统能源已经被消耗殆尽，为了国家未来的发展，世界各国都在开发新能源，太阳能作为一种既清洁又取之不尽的资源已得到了越来越多的应用。众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。随着世界上煤、石油、天然气储量的日益减少，能源危机也日益严重，与此同时环境污染的危机也不断的威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题也提到了人类的面前。有人预测：二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池） ，因而尚未被人们大规模的使用。在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时由于给人民提供绝对安全的热水而受到人们的欢迎，且具有节能、环保、安全、便利、长久等优点，因此它的应用会越来越广 1。尤其在农村地区具有很大的现实意义：中国四分之三的人口居住在农村，目前仍有约 2 万个村庄，800 多万个农户，3000 多万人口没有电力供应。而农村 60%左右的村民仍然依靠燃料秸秆、薪柴为主做饭和烧水，它不仅造成空气污染，而且还严重破坏植被，威胁生态环境。随着化石能源的逐步枯竭，煤炭、石油和电力一直涨价，且能源供应日趋紧张。太阳能无污染、无运输、无垄断、 “取之不尽、用之不竭” ，是最有发展前途的可再生能源。在社会主义新农村建设中大力推广应用太阳能，不仅能够解决农村的基本能源消费问题，促进可再生能源的高效利用，实现农村生产发展、生活宽裕的双重目标，还有利于乡风文明和村容整洁，促进社会主义精神文明发展 2。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）21.2 国内外研究现状简述我国第一台太阳能热水器出现在 1958 年。70 年代兴起开发利用太阳能热潮，各地研制成多种热水器样机，并有小规模应用，1979 年我国太阳热水器的产量仅十万 m2。1987 年，我国从加拿大引进铜铝复合（SUNSTRIP）生产线；90 年代，我国建立了全玻璃真空集热管和真空管集热器工业，使我国太阳能热水器的推广应用上了一个新台阶 3,4。太阳能热水器的生产和应用开始于 20 世纪 70 年代后期，开始以平板式和闷晒式为主，生产规模较小，技术水平较低。20 世纪 80 年代中期，我国引进加拿大铜铝复合吸热板(SUNSTRIP)制造技术，使我国平板集热器产品质量跨上一个新台阶，我国太阳能热水器产业开始进入以现代化生产手段制造国产优质平板集热器的历史新阶段。为了减少平板集热器的热损，提高集热温度，国际上 70 年代研制成功真空集热管，其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内，大大提高了热性能。我国自 1978 年从美国引进全玻璃真空集热管的样管以来，经过 20 多年的努力，已经建立了拥有自主知识产权的现代化全玻璃真空集热管的产业，产品质量达世界先进水平，产量雄居世界首位。我国自 80 年代中期开始研制真空集热管，经过十几年的努力，攻克了热压封等许多技术难关，建立了拥有全部知识产权的热管真空管生产基地，产品质量达到世界先进水平，生产能力居世界首位。80 年代后期，我国开始研制高性能的真空管集热器。清华大学开发的全玻璃真空管集热器结构简单，类似拉长的暖水瓶，内管外表面上选择性吸收涂层是其关键技术。全玻璃真空管集热器已经实现了产业化，目前全国有 60 多个全玻璃真空管集热器生产厂，年产 300 多万只真空管。80 年代后期至 90 年代初，北京市太阳能研究所相继在我国政府、UNDP支持下，并与德国合作研制成功热管式真空管集热器，1996 年与德国DASA 公司合资建立了热管式真空管集热器生产厂，实现了规模化生产，1998 年生产了 11 万只真空管，产品销往国内外。目前，直通式真空集热管生产线正在加紧进行建设，产品即将投放市场 5。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3在世界范围内，世界上第一台太阳能热水器在 100 多年前诞生于美国，它是一种闷晒式热水器。到目前为止国外太阳能热水器的发展主要经历了以下几个阶段:第一代，这是一种非常简易的利用，用铁皮桶放在楼顶，外表面刷上黑色油漆以增强对阳光的吸收；第二代，平板式太阳能热水器，采用中心铜管加两翼铝或者铝铜合金作为吸热体，前期翼片刷油漆，后期采用对阳光具有选择性吸收的氮化铝/铝等涂层。现今，绝大多数的涂层太阳光吸收比可达 0.90 以上，优质的平板式太阳能一般应具备以下几个特点：铜管加铝翼吸热体、低铁盖板玻璃、良好的密封、采用选择性磁控溅射涂层等； 第三代，真空管式太阳能热水器，平板式太阳能采用铝等边框加玻璃盖板对吸热体进行围护，在寒冷的冬季，热散发很大，基本没有热水可用，真空管式太阳能热水器可以良好地解决这个问题，采用双层高硼硅玻璃管(类似水瓶胆原理)作为吸热体,成功解决了平板太阳能热水的散热问题；第四代，超导热管式太阳能热水器，玻璃真空管式太阳能热水器在夏季水温高，一般购买太阳能热水器以冬季新产热进行选购，夏季热水用不完，自来水在 75易结水垢，很多太阳能热水器在夏季就像是一台开水器，二三年下来，在管壁就结上一层水垢，阻碍了对阳光的吸收，大大降低太阳能热水器的水温，超导热管式太阳能热水器采用真空管加超导铜管和铝片作为热的传导体，水不直接流经真空管，从而使真空管的性能基本恒定，但采用较多的铜材，价格相对较高。现在太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。目前其产品的发展方向仍注重提高集热器的效率，如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层，以减少热量损失，聚脂薄膜的透明蜂窝已在德国和以色列批量生产。1.3 太阳能热水器市场分析哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）4在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注重点。在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。但是目前市场还有待规范，消费群体还有待培育，技术还尚须改进，因而对于企业来说还有较大的成长空间 6。中国的太阳能热利用技术研究开发始于 20 世纪 70 年代末，其重点置于简单，价廉的低温热利用的适用技术，如太阳能温室，太阳灶，被动太阳房，太阳热水器和太阳干燥器。这类技术在农村得到推广应用，为缓解农村能源短缺，改善农村生态环境和农民生活起了积极的作用，并收到了实效。20 世纪 80 年代太阳能热水器列入国家“六五”和“七五”科技攻关项目。主要的研发项目是高效平板太阳集热器和全玻璃真空集热管。在 90 年代，全玻璃真空集热管的科技成果通过投产转化为生产力形成自行设计和配套的集热管生产线。2007 年，中国太阳能热水器产量的增长速度约为 30%，年产量达2340 万 m2（16380MWth） ，总保有量约为 10800 万 m2（75600MWth）（太阳能热水器寿命按 10 年计算，1997 年前的保有量作废） 。2007 年，太阳能热水器市场销售额约为 320 亿元人民币，产值亿元人民币以上的企业有 20 多家；2007 年，太阳能热水器的出口额增长约为 28%，6500万美元左右，产品出口欧洲、美洲、非洲、东南亚等 50 多个国家和地区。2008 年全年太阳能热水器产量将达到 2800 万平方米，同比增长 20%；全年销售额为 380 亿元左右，同比增长 19%。其中，太阳能热水工程市场大约在 1250 万平方米左右，比 2007 年增长 55%。国际市场需求减弱，2008 年出口大约在 8000 万美元左右，比 2007 年增长 23%7。中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的 2 倍，北美的 4 倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场，并仍哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）5在以每年 20-30的速度递增。但是中国太阳能热水器的生产企业有5000 多家，除皇明、清华阳光、华扬、太阳雨、四季沐歌等 10 个全国性品牌因质量、售后服务过硬而市场知名度较高外，行业中存在着大量纷繁芜杂的杂牌企业，这种状况不利于行业的长远发展，这就要求政府部门进行规范，加强监管引导。尽管市场现状不如人意，但市场前景仍被看好。随着国民经济和人民生活水平的不断提高，居民对家庭室内热水的需求也越来越强烈，中国太阳能热水器市场潜力巨大 6。1.4 本设计特点及主要内容本设计是基于三菱 FX 系列 8PLC 的太阳能热水器控制器设计 9，其最大的优点就是能够实现对出水温度的精确控制，这是一般的单片机控制的太阳能热水器所无法与之相比的 10。另外，通过使用液位传感器还可以对液位进行控制以及实现液位的上下限报警。当储水箱水位低于设定的下限时，系统自动上水。为了防止在阴雨天气情况下人们不能够正常洗浴，系统还加入了辅助电加热器，当储水箱温度低于洗浴的设定温度时电加热器开始工作，同时为了尽可能的减少电能的浪费，当加热到设定的温度上限时，电加热器退出工作，这样可以满足人们一天 24 小时的不间断用水。同时为了避免一些可能出现的问题，在一些必要的地方设置了互锁。系统还拥有自动手动两套程序，当系统运行过程中出现问题时可以通过手动切除故障，实现系统的自动手动控制，提高了系统运行的可靠性。另外，通过与触摸屏的连接还可以实现对系统的实时监控。全文分五大部分。第一部分包括第一章，描述太阳能的利用状况和发展前景。第二部分包括第二章，描述太阳能热水器系统的组成及工作原理。第三部分包括第三章，完成硬件的选型和设计。第四部分包括第四、第五两章，完成软件的设计及仿真。在本文中分别介绍了传感器的特点及应用、一般的太阳能热水器及循环系统、PLC 的发展和应用 11、PLC 和传感器的选型，这也是设计此款太阳能热水器的理论基础和必要哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）6前提。2 太阳能热水器的组成及工作原理2.1 太阳能热水器的基本结构太阳能热水器按使用分类，可分为季节性热水器、全年性热水器以及有辅助热源的全天候太阳能热水器。按集热器原理和结构可分为平板型热水器和真空管热水器。按工质流动方式不同，又可分为闷晒型、循环型和直流型三种 1。但不管何种类型的太阳能热水器，其基本结构都是一样的，太阳能热水器通常由集热器、绝热储水箱、连接管道、支架和控制系统组成，如图 2-1 所示。图 2-1 太阳能热水器的基本结构图1)太阳能集热器：储水箱控制器集热器支架温度传感器排空阀三通调节阀 洗浴电磁阀上水排气管溢流管上水电磁阀洗浴喷头哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）7太阳能集热器是太阳能热水器接收太阳能量并转换为热能的核心部件和技术关键，其造价约占太阳能热水器总造价的二分之一左右。全玻璃管式太阳能热水器根据热介质的不同又可分为全玻璃真空管集热器和热管真空管（玻璃金属结合）集热器两种。它们的最主要、最关键部件是真空集热管 2。目前国内最普及的全玻璃真空集热管像一个拉长的暖水瓶，由两根同心圆玻璃管径抽成真空而成，内管外壁采用直流反应或磁控溅射镀膜工艺制备而成，沉积渐变铝-氮/铝选择性太阳吸收膜层。全玻璃真空集热管材料、工艺和结构简单，可靠性好，集热效率高，太阳能吸收率90%，红外发射率9%，使热能的传导对流，辐射损失降至极低，具有“只进不出”的保温特效 4。全玻璃真空集热管一般由玻璃内管、外管构成，内管内壁装水与保温水箱相连通，循环，内管外壁涂有选择性涂层用于吸收阳光，内管与外管之间保持一定距离，通常 1cm，将内、外管之间抽成真空后熔接，集热时，当阳光透过外管照射到内管上，内管发热后，将内管内的水全部加热，利用冷热比重不同的物理原理，由管内与保温水箱内的水相互交递循环，最终将保温箱内的水加热。2)绝热贮水箱：太阳能热水器水箱是贮存热水的装置，其结构、容量、保温和材料将直接影响热水器的性能和运行的质量。贮水箱主要组成部分为水箱内胆、保温层、水箱外壳、密封圈四部分。水箱的种类，按外形分有方形、扁盒型、圆柱型、球形水箱；按放置方法分有立式和卧式两种；按耐压状态分有常压的开式水箱和耐压的闭式水箱；按是否有辅助热源可分为普通水箱和具有辅助热源的水箱；按换热的方式不同可分为直接换热水箱和二次换热的间接热交换水箱。水箱内胆生产材料的质量，对水箱的耐压、耐温、防渗漏及水质影响很大。目前市场上出售的产品，其水箱内胆主要有 0.6mm 厚 304-2B 不哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）8锈钢，它无磁性、抗锈蚀、焊接性好，塑性好。其它的常用材料有钢板进行防腐处理或搪瓷、镀锌钢板、防锈铝板、塑料或玻璃钢等。水箱的热特性包括放热特性、加热特性、保温特性。放热特性就是希望水箱内的热水都能放出来，方便利用。加热特性是大多数水箱内的水是上部先热起来，然后下部再慢慢热起来。保温特性指水温下降的快慢，与水箱的封密性、保温材料、环境温度、水容量大小等相关。目前太阳能热水器保温材料大多选用聚氨酯。聚氨酯整体发泡工艺复杂，加工难度高。成功发泡成型的保温泡沫整体性好，无漏发泡，泡沫密度达 80 千克/立米，强度均匀，封闭性好。如厚度在 5cm7cm 左右，则保温性能极佳(东北严寒地区至少需 6cm 厚)。水箱外壳常年暴露在外，必须选择抗腐蚀耐老化的材料制成。目前市场上常见的有 304-BA 不锈钢板、轧花铝板、国产及进口彩板、普通铝板、氧化铝板等。正规厂家大都采用进口彩板。许多厂家利用氧化铝板及彩板，用低价位来形成市场卖点，因其抗腐蚀性差，寿命很难保证。3)支撑架：太阳能热水器的支撑架主要由反尾座及主撑架组成。4)控制系统：一台较好的太阳能热水器应具有优质安全的常规能源辅助加热即电加热。应采用太阳能与二次能源相结合，逢阴天光照不强，电辅助加热可弥补在阴雨天及冬季阳光不足时无法供热水的不足。根据需要还可以采用具有水温水位显示、自动手动上下水、智能控制、温差循环、自动加热、手动加热、防冻、防干烧和故障报警等功能的全智能控制仪。5)其它部件：热水器的密封圈除具有密封性好、耐高温、寿命长等性能外，还应不溶于水，否则食用后会对人体有害。质量较好的密封圈材料选用硅橡胶，但市场上采用普通橡胶或再生橡胶的商家却大有人。2.2 太阳能热水器的工作原理 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）9太阳能热水器是一种利用太阳辐射能通过温室效应把水加热的装置。温室效应是指由于对流、反射损失减少使能量聚集、温度逐渐升高的一种自然现象。温室效应又称为热箱原理，它是通过一个上面盖有透明玻璃的封闭箱体来实现能量聚积的。太阳光透过玻璃进入箱体内，被黑色表面吸收，而向外反射和对流的能量受到玻璃和箱体的阻挡，被保留在箱内，这样箱体内的能量不断积聚，温度不断升高，甚至可达100200。利用聚积的高温来加热水，就是太阳能热水器。由于太阳能热水器在运行过程中不消耗任何常规能源（煤、石油、天然气、电等） ，所以人们把它形象地称为“不烧煤的锅炉” 。图 2-2 太阳能热水器水循环原理图集热器内的水加热后要与储水箱里面的冷水实现循环以使储水箱里的水不断的被加热，目前常用的热交换方式主要有三种：自然循环、强迫循环和定温放水循环 1。1)自然循环式：自然循环的特点是，储水箱必须安设在集热器顶端水平面以上才可进行系统循环。装置中集热器内的水经太阳辐射，使水温上升，密度开始逐渐变小，与储水箱内未被太阳辐射的水产生了密度差（或称重力差、温度差） ，形成了热虹吸压头在集热器中缓缓上升。温水经过设置管道（上循环管）温度传感器 T2循环泵上水电磁阀储水箱集热器太阳光温度传感器 T3哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）10进入储水箱，而在此同时储水箱内相对温度低、密度较大的水慢慢下降，经设置管道（下循环管）流入集热器下部补充。这样以水的比重差或称热虹吸压头为作用力，而不借助外力来使水进行循环的方式称为自然循环。自然循环的运行其密度差愈大，循环的速度愈快，反之循环的愈慢。这种循环方式能使储水箱内的水持续升温，太阳辐射停止，循环也渐渐终止。2)强迫循环式：强迫循环顾名思义是借助外力迫使集热器与储水箱内的水进行循环。它的特点是储水箱的位置不受集热器位置的制约，可任意设置，可高于集热器，也可低于集热器。它是通过水泵将集热器接收太阳辐射的水与储水箱的水进行循环，使储水箱内的水温逐渐增高。市场上经常采用的强迫循环热水器是一种两次循环分离式热水器，集热器装入特殊的导热介质或防冻液，靠循环泵进行循环。该泵由温差启动器进行控制，当温差达到预定温度时，启动泵，进行循环；低于预定温度时，泵停止运行。热水是通过储热水箱中的特殊的热交换器进行热交换的(图 2-2)。3)定温放水式：定温放水式与强迫循环不同的是它不是循环的概念，而是通过温度控制器将达到设定温度的水用水源压力或水源加压力水泵输送到储水箱内。它的特点是水源经集热器到储水箱，因为没有循环，又非常简单，只是将水在集热器内闷晒后送入储水箱，因此，有人将这一方式称为直流式或直流定温放水。这种方式的又一特点是与温差控制式强迫循环的方式一并使用能有效地节约用水，定温放水的水箱容积一般较大，有时前一天的水未被用完，如果不升温，水即被白白放掉，如果有温差或强迫循环的机构就可将这部分水加温。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）112.3 太阳能热水器类型选择太阳能热水器可根据不同的情况进行分类：集热器和储热水箱合为一体的称为闷晒热水器；集热器和储热水箱紧密结合的称为整体（或紧凑）热水器；集热器和储热水箱分离的称为分离热水器。根据集热器结构的不同，可分为闷晒热水器、平板热水器和真空管（包括全玻璃真空管和热管真空管）热水器。按集热工质的循环特点，可分为自然（被动）循环热水器、强迫（主动）循环热水器和直流热水器。若按工质循环次数，有可分为一次循环热水器（直接循环或单回路循环）和二次循环热水器（间接循环或双回路循环） 。按集热所使用的材料不同，可分为金属、玻璃和塑料三大类型。按储热水箱内胆材料不同，又可分为不锈钢水箱、搪瓷水箱、防锈铝水箱、镀锌铜板及塑料水箱等。太阳能热水器还可根据热水的使用时间，分为季节性太阳热水器（无辅助热源） 、全年使用太阳热水器（有辅助热源）和全天候（有辅助热源及自动控制仪表）太阳热水器。另外，太阳能热水器还可以根据系统是否承压，分为非承压热水器（常压）和承压热水器 1。本文根据实际需要采用全天候具有强迫循环方式的全玻璃真空管式分离热水器。2.4 本设计要实现的功能在本系统中需要实现以下几种功能：1.自动上水及水位上下限报警功能在系统中通过加入液位传感器来不断的检测储水箱内的水位，当水箱内的水位低于三十厘米时，上水阀打开开始加水，当水位上升到一百八十厘米时，上水阀关闭，加水停止。当储水箱内的水位低于三十厘米哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）12时，水位下限报警器响，十秒后停止或加水到超过三十厘米时停止；当水位高于一百八十厘米时水位上限报警器响，十秒后停止。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。3.辅助电加热功能储水箱里的温度传感器带显示功能，设定一个储水箱水温度上下限值当温度低于设定的温度下限时，辅助电加热器开始工作，储水箱里的水温开始上升，当达到温度上限时电加热停止，以达到全天候不间断供应可以洗浴的热水的目的，尤其在阴天或者晚上时能够满足人们的洗浴要求。4.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 PID 控制 12，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，这是本设计的一个亮点，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。5.必要的闭锁功能在洗浴过程中，储水箱里的水位可能低于三十厘米，在这时液位传感器检测到后要启动上水开关，向储水箱加水，而在加水过程中有可能出现三通调节阀出水温度小于设定值的情况，这时洗浴开关就不会出水，为了防止该问题的出现，在上水开关和洗浴开关之间应设置闭锁功能，使我们在洗浴期间不允许加水，不管水位有多低。在加水期间暂时不能洗浴，以防止出现问题时给人们造成的不方便。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）136.自动手动转换功能在系统运行过程中有可能碰到很多未知的实际问题，为了防止系统出现崩溃，应设置必要的手动自动转换功能。在系统发生不能排除的问题或检测失效时，启用手动操作，切除故障。还可以在洗浴条件不满足时强制进行洗浴，强制加水。为了调试系统的需要，这些手动程序也是必要的。3 太阳能热水器硬件的选型及设计3.1 可编程控制器（PLC）的发展及简介PLC 是由继电器逻辑控制系统发展而来的，初期主要用来替代继电器控制器系统，侧重于开关量逻辑控制和顺序控制方面。后来，随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术的发展，PLC在技术上和功能上发生了极大的变化，主要如下：在开关量逻辑控制的基础上，增加了数值计算、闭环调节等功能；系统增加了模拟量和 PID调节等特殊功能模块，实现了开关量逻辑控制、顺序控制和过程控制的完美结合；运算速度有了极大的提高。新型 PLC 的 CPU 在性能上已经赶上了工业控制机；具有各种丰富的智能 I/O 模块；通信功能强大，实现了PLC 之间、PLC 与上位机之间以及 PLC 与其他智能设备间的通信，由此发展了多种局部总线和网络，也可构成集散控制系统。PLC 网络既可作为独立的 DCS,也可作为 DCS 的子系统。PLC 网络，如 Siemens 公司的SINEC-L1、SINEC-H1、S4、S5、S6 、S7 等，GE 公司的 GENET，三菱公司的 MELSECNET/10、MELSECNET/H。PLC 著名的制造商主要有：哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）14GOULD（美国） 、A-B（美国） 、GE-Fanuc（美国） 、OMRON（日本） 、MITSUBISHI（日本） 、Siemens(德国)和 Schneider（法国）等。PLC 这些性能特点使其在过程控制领域中得到了广泛的应用 13。现代 PLC 的发展有两个趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能性方面发展。具体来说，有以下几个特点：（1）大型网络化。主要朝着 DCS 的方向发展，使其具有 DCS 系统的一些功能。网络化和通信能力强是 PLC 发展的一个重要方向，向下可将多个 PLC、I/O 模块和现场智能仪表及设备相连；向上可与工业计算机、以太网等连接以构成整个工厂的自动化控制系统。（2）多功能。随着多回路闭环调节、步进电机控制、位置控制、伺服控制、仿真、通信处理和故障诊断等模块的出现，使 PLC 控制领域更加宽广。（3）高可靠性。由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用和并行工作、多数表决的工作方式。即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全封闭的模板依然能正常工作。在操作运行过程中，有些 PLC 的模板还可带电插拔 11。3.2 PLC 的特点1.编程简单易学梯形图是使用最广的 PLC 编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图编程语言实际上是一种面向用户的高级语言，PLC 在执行梯形图程序时，将它“翻译”成汇编语言后再去执行。2.功能强，性能价格比高哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）15一台小型 PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC 可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。3.硬件配备齐全，用户使用方便，适应性强PLC 产品已经标准化、系列化、模块化，配备品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC 的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC 有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。通过修改用户程序，可以方便快速地适应工艺条件的变化。4.可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入输出有关的少量硬件元件，接线可以减少到继电器控制的十分之一到百分之一，大大减少了因触点不良造成的故障。PLC 使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC 已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。5.系统的设计、安装、调试工作量少PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC 的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，如果掌握了该设计方法，设计梯形图的时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。可以在实验室模拟调试 PLC 的用户程序，输入信号可用小开关来模拟，通过 PLC 上的发光二极管观察输出信号的状态。在现场调试过程中发现的大多数问题可以通过修改程序来解决，系统的调试时间比继电器哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）16系统少得多。6.维修工作量小，维修方便PLC 的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据 PLC 上的发光二极管或编程器提供的信息，方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。7.体积小，能耗低控制系统使用 PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型 PLC 的体积仅相当于几个继电器的大小，因此开关柜的体积比原来的小得多。PLC 控制系统的配线比继电器控制系统少得多 11。3.3 硬件设备的选型3.3.1 PLC 的选型原则PLC 系统设计时，首先是确定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程设计选型 14。工艺流程特点和应用要求是设计选型主要依据。PLC 及有关设备应是集成、标准，易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能。选型所选用 PLC 应是相关工业领域有应用广泛、成熟可靠的系统，PLC 系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关编程语言有利于缩短编程时间，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程特点、控制要求，明确控制任务和范围，确定所需操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量，确定 PLC 功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应控制系统。 一、输入输出（I/O）点数估算 I/O 点数估算时应考虑适当余量，通常统计输入输出点数，再增加10%20%可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需制造厂商提供 PLC 产品特点，对输入输出点数进行圆整。 二、存储器容量估算 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）17存储器容量是可编程序控制器本身能提供硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用存储单元的多少，程序容量小于存储器容量。设计阶段，用户应用程序还未编制，程序容量设计阶段是未知，需程序调试之后才知道。设计选型时应对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量估算来替代。存储器内存容量估算没有固定公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I/O 点数 1015 倍，加上模拟 I/O 点数 100 倍，以此数为内存总字数（16 位为一个字） ，另外再按此数的 25%考虑余量。三、控制功能选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性选择。 1) 运算功能简单 PLC 运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通 PLC 运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型 PLC 中还有模拟量 PID 运算和其他高级运算功能。由于开放系统的出现，目前 PLC 中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机通信，有些产品具有与同位机或上位机通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信功能。设计选型时应从实际应用要求出发，合理选用所需运算功能。在大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和 PID 运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。 2)控制功能 控制功能包括 PID 控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，由控制要求确定。PLC 主要用于顺序逻辑控制，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量控制，也采用专用智能输入输出单元完成所需控制功能，提高 PLC 处理速度和节省存储器容量。例如采用 PID 控制单元、高速计数器、带速度补偿模拟单元、ASC 码转换单元等。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）183)通信功能 大中型 PLC 系统应支持多种现场总线和标准通信协议(如 TCP/IP)，需要时应能与工厂管理网(TCP/IP)相连接。通信协议应符合 ISO/IEEE 通信标准，应是开放通信网络。 PLC 系统通信接口应包括串行和并行通信(RS2232C/422A/423/485)、RIO 通信口、工业以太网、常用 DCS 接口等；大中型 PLC 通信总线(含接口设备和电缆)应按 1：1 冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。 PLC 系统通信网络中，上级网络通信速率应大于 1Mbps，通信负荷不大于 60%。PLC 系统通信网络主要形式有下列几种：1)PC 为主站，多台同型号 PLC 为从站，组成简易 PLC 网络；2)1 台 PLC 为主站，其他同型号PLC 为从站，构成主从式 PLC 网络；3)PLC 网络特定网络接口连接到大型DCS 中作为 DCS 子网；4)专用 PLC 网络(各厂商专用 PLC 通信网络)。 为减轻 CPU 通信任务，网络组成实际需要，应选择具有不同通信功能(如点对点、现场总线、工业以太网)的通信处理器。 4)编程功能 离线编程方式：PLC 和编程器公用一个 CPU，编程器编程模式时，CPU 只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU 对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU 和编程器有各自 CPU，主机 CPU 负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换一次，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，在下一扫描周期，主机就能收到程序并运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，大中型 PLC 中常采用。 五种标准化编程语言：顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功能模块图(FBD)三种图形化语言和语句表(IL)、结构文本(ST)两种文本语言。选用编程语言应遵守其标准(IEC6113123)，同时，还应支持多种语言编程形哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）19式，如 C，Basic 等，以满足特殊控制场合控制要求。 5)诊断功能 PLC 诊断功能包括硬件和软件诊断。硬件诊断对硬件逻辑进行判断并确定硬件故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。软件对 PLC 内部性能和功能进行诊断是内诊断，软件对 PLC 的 CPU 与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。 PLC 诊断功能的强弱直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 6)处理速度 PLC 采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，但信号持续时间小于扫描时间则 PLC 将扫描不到该信号，造成信号数据丢失。 处理速度与用户程序长度、CPU 处理速度、软件质量等有关。目前，PLC 接点响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约为 0.20.4s，能适应控制要求高、控制要求快的应用需要。扫描周期(处理器扫描周期)应满足：小型 PLC 扫描时间不大于 0.5ms/K；大中型 PLC 扫描时间不大于0.2ms/K15。 四、机型选择 1)PLC 类型选择 PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。 整体型 PLC 的 I/O 点数固定，用户选择余量较小，用于小型控制系统；模块型 PLC 提供多种 I/O 卡件或插卡，用户可根据需要合理选择和配置控制系统所需 I/O 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 2)输入输出模块选择 输入输出模块选择应考虑与应用要求相统一。例如对输入模块，应哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）20考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压