毕业论文《基于PLC太阳能热水器的精确控制器设计》副本11.docx
- 文档编号:24351212
- 上传时间:2023-05-26
- 格式:DOCX
- 页数:40
- 大小:467.23KB
毕业论文《基于PLC太阳能热水器的精确控制器设计》副本11.docx
《毕业论文《基于PLC太阳能热水器的精确控制器设计》副本11.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业论文《基于PLC太阳能热水器的精确控制器设计》副本11.docx(40页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
毕业论文《基于PLC太阳能热水器的精确控制器设计》副本11
专科生毕业论文(设计)
题目:
基于单片机的音乐盒设计
系(部)光伏发电系
学科门类工科
专业应用电子
学号20110700120
姓名段维东
指导教师张清小
2014年月日
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GXDeveloper进行编程,利用三菱的GXSimulatorVersion6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GTDesigner2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GTSimulator2,三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
DesignofSolarWaterHeaterControlSystem
Abstract:
Withtheworld’sgrowingenergycrisis,thenewenergy’sdevelopmentusebringstopeople’sattentionmoreandmore,thesolarenergywhichisnotonlythecleanenergybutalsotheendlessresourcesisobtainedmoreandmorewidespreadapplication,solarwaterheatershasbeencomingintotheaveragefamilystepbystep.Inthispaper,combinedwiththepracticalapplicationofsolarwaterheater,andinaccordancewiththeneedforprecisecontrol,thecontrollerofsolarwaterheaterbasedonPLCwasdesigned.Throughtheanalysisofthesolarenergywaterheater’sstructureandworkingprinciple,thepaperputsforwardthefunctionofthedesign.Andcombinationofthecharacteristicsandapplicationsofsensors,PLCandmanyspecialfunctionmodules,theselectionsofhardwareequipmentwerecompletedandhardwarecircuitswerebuilt.Theprogramflowdiagramofsoftwaredesignwasdrawnaccordingtothecontrolrequest,andtheprogrammingusedMitsubishiseriesgeneralprogrammingsoftwareGXDeveloper.MitsubishiGXSimulatorVersion6wasusedtosimulateprogramandtocheckiftheprocedureiswrongornot.ProgrammingsoftwareMitsubishitouchscreenGTDesigner2wasusedtodrawthesimulationpictures,todefinethesimulationsoftwarecomponentsandtosetuprelatedparameters.ThenarticulatedproceduresimulationsoftwareandtouchscreensimulationsoftwareGTSimulator2haverealizedsystem’scombinedsimulation.Thebiggestcharacteristicistorealizeaccuratetemperaturecontrolofthebath.
Keywords:
solarwaterheater;PLC;precisecontrol;sensor;specialfunctionmodules
1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]。
1.2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。
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
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。
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[8]PLC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:
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5cm~7cm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
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100℃~200℃。
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)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。
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:
GOULD(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]。
3.2PLC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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于PLC太阳能热水器的精确控制器设计 毕业论文基于PLC太阳能热水器的精确控制器设计 副本11 毕业论文 基于 PLC 太阳能热水器 精确 控制器 设计 副本 11