基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计.doc

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2008级电子信息科技技术

重庆文理学院成人高等教育

毕业论文

论文题目：

基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计

论文作者：

毛廷梅

辅导老师：

赵顺洪

专业：

2008级电子信息科学与技术

班级：

08电本1

学号：

31144500492

提交论文日期：

2010年月日

论文答辩日期：

2010年月日

中国·重庆

2010年10月

3

目录

摘要 I

Abstract：

II

第一章绪论 1

1.1本课题研究的目的、意义 1

1.2国内研究现状 1

第二章全玻璃真空管式太阳能热水器的综述 2

2.1太阳能热水器系统功能简介 2

2.1.1太阳能热水器组成、原理和工作过程 3

2.1.2太阳能热水器各单元介绍 4

2.1.3系统的要求 5

2.2可编程控制器（PLC）简介 5

2.2.1可编程序控制器的工作原理 6

2.2.2可编程控制器的的特点 7

2.2.3PLC的分类 7

第三章热水器控制系统的设计方案 8

3.1系统硬件的设计方案 8

3.1.1PLC的选型 8

3.1.2PLC硬件控制框图 9

3.1.3各单元功能作用介绍 9

3.1.4PLC的端口分配 12

3.1.5系统电路的设计 13

3.2系统软件设计方案 14

3.2.1软件组成 14

3.2.2系统控制流程图 15

3.2.3设计PLC控制原理（梯形图程序） 17

第四章结论 18

参考文献 18

致谢 19

附录Ⅰ梯形图 20

基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计

电子信息科学与技术2008级毛廷梅

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

DesignofSolarWaterHeaterAutomaticControlSystemBasedonPLC

ElectronicinformationscienceandtechnologyMaoTingMeilevelof2008

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:

PLCsolarautomaticcontrolsystemwaterheater

2008级电子信息科技技术

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]。

第二章全玻璃真空管式太阳能热水器的综述

2.1太阳能热水器系统功能简介

图1热水器系统的结构图

图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

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