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过程装备控制技术及应用大作业

Revisedat2pmonDecember25,2020.

过程装备控制技术及应用大作业

太阳能热水器温控及冷水回流系统

-------《过程装备控制技术及应用》大作业

第一章执行概要

一、项目背景……………………………………………………………………3

二、技术及产品…………………………………………………………………4

三、盈利模式……………………………………………………………………4

第二章产品技术

一、温控系统的组成………………………………………………………………5

二、回流系统的研究………………………………………………………………14

第三章产品简介

一、原理简介………………………………………………………………………20

二、产品竞争的优劣势……………………………………………………………21

三、产品定位………………………………………………………………………22

四、发展前景………………………………………………………………………22

第四章参考

一、参考书目………………………………………………………………………24

第一章执行概要

一、项目背景

（1）政治环境

欧盟市场已制定了淘汰电热水器的路线图，日、美等国采取财政补贴的手段鼓励空气能热泵热水器的购买，间接地推动了电热水器的逐步淘汰，而澳大利亚已规定新购买的热水器只能是太阳能、空气能热泵和天然气热水器，禁止了电热水器的新增购买。

各国的节能法规和措施对我国将会有很大的影响，特别是欧盟的节能环保措施影响着全世界。

中科院广州能源研究所李凡教授表示，“我国也会紧随其后。

”

（2）社会环境

随着全球节能减排的呼声越来越高，低碳经济日益受到全球各国的推崇和大力发展，太阳能产品被给予厚望。

太阳能热水器行业也已逐步成为我国可再生能源领域规模最大的行业。

近5年来，太阳能热水器产业以每年30%～35%的速度增长，预计到2015年，全国住宅用太阳热水器将达到亿平方米，行业产值超过1000多亿元，太阳能热水器将成为住宅用热水器最具潜力的品类。

（3）技术环境

为解决太阳能热水器水资源流失的技术难题,一些厂家曾经进行了多年研究，提出过不少技术方案。

有人提出，不用顶水法，用落水法。

但是，我们认为，让太阳能热水器失去顶水功能的方案是不可取的，因为顶水法具有落水法不可替代的优点。

也有人提出用浮球法。

这虽然可以对热水箱及时补水，却增加了装置的复杂性和楼顶露天维修的种种麻烦,因此,在家用太阳能热水器中已被淘汰。

此外，还有人试验过落球法、弹簧压力法、阀门锁定法,均未获成功。

国内外相关技术处于研发阶段，当然相关产品也未投入市场，目前该类产品市场上呈空缺状态。

二、技术及产品

（1）产品名称

温控及冷水回流系统太阳能热水器

（2）产品工作原理

太阳能热水器冷水回流装置以单片机为核心,在真空管太阳能热水器的保温储水箱内增加有一个与电热水器类似的电热元件并固定在绝缘底座上，引出交流电源线入户，由辅助控制系统的继电器控制通断电。

水位、水温探测器从保温储水箱顶部安装在水箱中，通过电缆线接入用户室内控制器。

进行管道排空时，由控制系统关闭排空控制阀，打开热水开关和淋浴开关，将管道中的水放掉；用水时则打开排空控制阀。

系统自动上水时，通过单项电磁阀上水。

水流电开关用于检测淋浴开关是否打开、是否有水的流动，当淋浴开关打开用水时，系统自动停止上水、切断辅助电加热器的电源。

三、盈利模式

利润主要来源于以下几个方面：

（1）销售利润

企业通过生产并销售产品，获得一定利润。

（2）成本压缩

企业发展到一定规模时，产生规模效益，就可以通过增加产量，降低单件产品生产成本，从而压缩总成本，获得一定利润。

（3）单独安装冷水回流装置盈利

部分家庭已安装未改进的太阳能热水器，还没有冷水回流装置，公司提供冷水回流装置的安装服务，依靠安装冷水回流装置，赚取一定利润。

公司计划以产品销售利润为主，冷水回流装置出售及安装服务盈利为辅，构建完整的产品销售及服务体系，创造产品价值，为企业带来利润。

另外，通过产品外包生产及原料大规模采购折扣，进一步压缩产品成本，为企业带来更多的利润。

第二章产品技术

一、温控系统的组成

按照系统的性能及设计要求以及系统的工作环境，系统的方案可以从以下几个方面考虑。

1、系统框架

系统的构架可以采用基于单片机的形式。

单片机成本低，体积小，便于实现嵌入式系统，符合系统的要求。

利用单片机的运算功能实现PID控制算法。

以AT89C51单片机为核心的控制系统的框图如图3-1所示。

图3-1控制系统的框图如图

控制系统主要包括了：

测量电路、放大电路、A/D、89C51单片机、键盘显示电路、报警器、复位及看门狗、步进电机控制芯片、步进电机、阀门。

2、功能实现系统的工作主要包括以下几个方面

㈠温度的采集

与热敏电阻、RTD和热电偶传感器相比，集成温度传感器具有很高的线性，低系统成本，集成复杂的功能，能够提供一个数字输出，并能够在一个相当有用的范围内进行温度测量，而且集成传感器集成复杂电路的能力意味着比热敏电阻的总系统成本低（热敏电阻需要许多附加的外部元件），并且随着集成制造线宽的迸一步缩小，集成传感器的封装尺寸也将减小，它是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一，目前已经广泛应用于-500～+150℃温度范围内的温度检测、控制和补偿的许多场合。

因此，考虑采用集成温度传感器对温度信号进行采集。

型号为LM311集成温度传感器

图3-2LM311集成温度传感器

㈡温度的变送

温度传感器信号经放大电路调理后，必须进行A/D或V/F转换才能为系统所接受；因此,必须考虑模拟量到数字量的实现形式。

A/D转换方式有多种形式：

并行A/D转换和双积分转换等．前者又有并行输出和串行输出之分。

并行转换一般适用于变化较快的动态信号，双积分转换一般只适用于变化较缓慢的信号,利用A/D转换必须考虑转换的精度，速度要求以决定芯片的位数，转换速率主要特性。

㈢调节阀的驱动

调节阀阀芯的转动需要一个具有一定功率的执行器，因此考虑用微型电机实现调节阀的驱动。

目前，应用最广泛的小型电机包括直流电机、无刷直流电机和步进电机。

步进电机、直流电机和无刷直流电机的主要区别在于它们的驱动方式。

步进电机是以步阶方式分段移动，直流电机和无刷直流电机通常采用连续移动的模拟控制方式。

由于步进电机采用步阶移动，所以特别适合绝对寻址应用。

目前市场上常见的步进电机已能提供每一步°或°的精确移动能力。

步迸电机采用直接控制方式,它的主要命令和控制变量都是步阶位置。

相比之下，直流电机则是以电机电压做为控制变量，以位置或速度做为命令变量。

直流电机需要反馈控制系统,它会以间接方式控制电机位置,步迸电机系统大多是以开环方式进行操作。

由于步进电机具有步距值不受诸如电压和温度等因素变化的影响，误差不会长期的积累以及控制性能好等优点。

因此选用步进电机作为调节阀的执行器而不选用其它电机。

㈣温度控制的方法

温度控制是变参数、有时滞后和随机干扰的动态过程，为了达到满意的控制效果，常用的温度控制包括常规PID、模糊、神经网络以及多种方法结合的复合控制等方法。

由于常规PID控制结构简单、实用、性价比高，而且完全能够热水器的控制要求，因此，本设计采用常规PID控制方法实现对水温的控制。

㈤人机接口

人机交互模块在整个系统中占据非常重要的位置，它是系统同使用人员之间沟通的桥梁，在这里最主要就是键盘和显示。

在本设计中可供选择的显示器主要有LED数码管、IED液晶显示器和VFD真空荧光显示屏等数显器件。

LED数码管是目前单片机控制系统和一些智能仪表中最常用的一种数显器件。

LED数码管主要组成器件为半导体发光二极管，把发光二极管制成条状，再按一定方式连接，就能构成LED数码管。

数码管体积小、重量轻、抗冲击性能好，能在低电压、小电流条件下驱动发光，发光响应时间极短，单色性好，亮度高，寿命高，但是不能显示复杂字符。

LCD液晶最示器利用液晶对光线的反射显示数据,它本身不发光,具有比LED更低的能耗,点阵式液晶显示器则弥补了LED不能显示复杂字符的缺点。

LCD液晶显示器寿命长，价格低等优点，其缺点是，亮度低，不宜在暗窀中使用。

VFD是从真空管发展而来的显示元件,利用阳极上荧光体受电子的冲击而发光,是一种自发光显示元件。

由于它易于做多色彩显示，又可以用低电压来驱动。

所以，与半导体有较好的相容性，可靠性也高，因而被广泛使用在各种领域。

VFD真空荧光显示屏具有亮度高、可调节、显示图案灵活的优点。

由热水器的工作环境来看，要求显示器具有一定的亮度。

相比之下，LED数码管显示不仅能完全满足系统对显示的要求，而且具有更高性价比，故采用LED数码管实现显示接口，键盘则采用普通键盘即可。

3、温度设定与数码管显示电路

为减小电路的复杂程度又能得到良好的效果，本系统设计“升温”、“降温”两个键对温度进行没定。

开机后，系统默认“设定温度”为40。

C，并开始工作，通过按键对“设定温度”进行增减，达到20℃～50℃可调的效果。

同时，对设定温度，用数码管进行显示。

温度显示部分采用4位7段数码管显示电路，数码管选用共阳极数码管，前2位显示实际温度，后2位显示设定温度．电路连接如图4所示。

数码管以动态扫描方式显示，显示数据由P013送出，位选信号由P2口送出。

T1定时器每4ms对数码管扫描显示1次。

图3-3温度设定流程图

程序部分代码：

：

定义变量、常量和端口等

0RG0000h

JMPMAIN

0RGOOBH

JMPTO—INT；TO中断输出PWM脉冲

ORG001BH

JMPT1_INT;T1中断扫描显示数码管

MAIN;

…

MOVSP,#40;

LOOP:

LCALLKEYSCAN;扫描按键得到设定温度值

LCALLDS18B20；获取实际温度值

LCALLPID;用设定温度和实际温度运算得出占空比

JMPLOOP

…

KEYSCAN:

JBKEYUP,KEY1;加温

CLRC

MUVR3．#5

LCALLKEYDELAY：

调用消抖程序

；将设定温度值放入STEMP

DSl8820：

CLRDQ：

数据线清零

MOVR6，#250

DJNZR6，$；延时500“s

SETBDQ

：

初始化

WRITE：

MOVR5，#08H

CLRC

WLP：

CLRDQ

RRCA

MOVR6，#06

DJNZR6．$

：

写入1字节指令

其他略

4、测温电路

根据热水控制器的功能要求并结合对市场51核心系列单片机的资源分析，采用性能较稳定，价格较低的ATMEL89C51单片机作为系统核心。

控制电路的+5V电源由市电变压、整流、滤波后由7805芯片提供。

系统中，P0．o～Po．1连接AT24C01，保存热水控制器的一些控制参数；P2．o～P2．2控制电加热管、电磁阀；P2．3驱动蜂呜器，P2．5～P2．6用于控制配水阀的直流电动机，P1．0～P1．2用于键盘输入设定加热温度等；作为漏电信号的检测输入端；用于热水器水位检测，防止干扰；用于断电保护信号的输入，当断电时该引脚有信号，单片机可将一些使用参数保存到EEPROM,便于以后使用；用于检测键盘中断；用于检测温度信号—脉搏；用于选择温度传感器。

图3-5温度测量电路图

图3-5电路板

图3-6外接电路控制器

二、回流系统的研究

1、太阳能热水器的安装现状

目前市场上的太阳能热水器，由于房屋楼层很高，出水管较长，一段时间不使用时，热水器出口端与水龙头之间往往残留大量冷水。

当用户需要热水时，常常需要先排放掉这些冷水，这不仅仅给使用带来极大的不便，还造成水资源的浪费。

例如对于5层楼高的房屋，估计该段水管长度约为15m，假定用户水管的管径为1in，则当天洗澡前所排出冷水将是716L，一年365天计算下来有2774L，这只是按一天排一次计算，实际上可能多于一次，而且这只是一栋5层楼高的楼房，想象一下，现在有多少楼房，而且有无数的高楼大厦，那一年下来这部分浪费的水将无法想象。

而研究的节水型热水器控制系统，通过使用前检测出口端与水龙头之间水的温差，能够将残留冷水自动泵回主水管道，直至两端的温差达到设定的要求，这样就避免了大量冷水的浪费，既节能又方便，由此可见其广阔的市场前景。

2、回流系统总体结构与工作原理

（1）总体结构　

该装置整体结构原理图，如图4-1所示。

图4-2回流系统原理图

由图可得系统结构部分有热水器，PVC水管，温度传感器，电磁阀，泵，水龙头组成。

（2）工作原理　

当用户打开水龙头时，由于两处温度传感器测得的温差不在预设的范围内，所以此时泵工作，将水抽回主水管，而且此时电磁阀1、2均关闭，水龙头不出水；经过一段时间之后，热水下流，冷水被不断抽走，导致温度传感器测得的温差在预设范围，此时，电磁阀1、2打开，泵停止抽水，水龙头出水，通过调节水龙头就可以得到合适的温水了。

另外，还可以设置当热水器里热水温度未达到所设置的某一温度时，系统不工作即泵不抽水，电磁阀也关闭。

3、实验用模拟装置设计与构建

（1）模拟装置总体设计

该装置是用于装有太阳能热水器的高楼里的，所以在演示时不可能把它放在高楼的实验，故必须设计一套实验用的模拟装置，便于演示说明。

该模拟装置整体结构的原理图，分别如图2所示。

图4-3实验模拟装置图

其中，热水箱代表实际中的太阳能热水器。

（2）工作流程介绍　

实际生活中，刚要用热水器时，热水出水口至水龙头之间的水管一般情况下都是充满了冷水，在演示开始前，热水器和水龙头之间部分水管是充满冷水的，开始演示时，往热水箱里加热水，加完热水后，打开水龙头开关，系统开始工作，由于此时温差未在预设范围内（这次设的温差为10℃，是可调的），故泵开始工作，将管中的冷水抽回主水管道重新利用，此时水龙头两边的电磁阀处于关闭状态，所以此时水龙头不出水，在上下端的温度所检测到的温差未在预设范围之前，泵一直抽水，直到检测到温差在预设范围内，泵才停止抽水，此时，PLC发出信号使两端电磁阀打开，通过左右调节水龙头就可以得到满意的温水。

当然在实际生活当中，如果是连续下雨天的话，太阳能热水器中将会都是冷水，那么此时两处传感器所检测到得温度将是相差很小，所以为了避免这种情况下，水龙头出水，把系统完善一下，只有当上端传感器，也就是热水器出口处的传感器，大于等于预设的温度值时，系统才会开始工作。

（该温度值可调,此次实验温度值设为50℃）

（3）重要元器件的选型

①泵型号的选型

由于该装置中需要抽水的高度为116m左右，选用普兰迪12V25W直流隔膜泵，属于微型泵，而且价格很便宜，其参数如下:

电压为12V；电流为115～2A；最大压力为016MPa；平均压力为013～015MPa；最大流量为312L/min；外形尺寸为160mm×100mm×60mm;最大吸程为2M；扬程为80m；进出口内径：

6mm，9mm。

当然实际生活当中应该选用功率更大，吸程扬程都比较大的泵。

②温度传感器的选择

选用温敏电阻，该器件比其他温度传感器便宜，这就降低了成本，而且它输出的电阻值变化范围大，便于调试。

③PLC的选型　

由于此次演示规模小，故选用三菱FX1S系列的PLC，它成本低，功能强大，结构紧凑，型号为FX1S210MR。

4、系统调试

（1）机械部分调试　

首先往水箱里加水，由于水塔高度及密封性问题，导致水压不足，水不能顺利装满水管，于是更改了水管的布局，使其尽量能够顺利流出。

（2）PLC程序调试

首先用GXDEVELOP2ER软件编辑完程序,直接进行模拟仿真。

（3）温度显示模块部分调试　

温度显示模块可以显示热水器出水口的温度,下端电磁阀前的温度,和最终混合的水温。

所以不断调试这三处的水温，并用温度计进行校准，最后使得温度显示值与实际值相差在2℃以内。

由于该部分电路还对系统设置了当上端传感器所检测到的温度低于某个值时，整个系统不工作，所以又对该项功能进行检测，最终把该温度值设为50℃，该温度是可调的。

图4-4实验装置图

（4）总体调试　

在以上部分调试成功之后就进行总体调试，先往水管里注满冷水，然后按下启动按钮，打开水龙头，此时上端温度传感器检测到得温度低于预设值，泵和电磁阀都不工作，因此水龙头不出水，泵也不抽水，同时指示灯亮；接着开始往热水箱里倒热水，此时上下温差高于预设值，泵开始抽水，过一段时间之后，上下温差在允许范围内（本处预设为50℃，可调）泵停止抽水，与此同时电磁阀吸合，水龙头出水，并左右调整水龙头位置，得到满意的温度。

但是过了大概3min左右，电磁阀不断地吸合断开，而且频率很高，经过排除种种原因，断定是开关电源的功率不够，于是换了一个120W的开关电源（原来只有50W），在重复上次实验，均不出现问题，过段时间之后，再往热水箱里倒冷水，使水箱里的水温低于50℃，此时，热水温度不足的指示灯亮，系统停止工作，阀关闭，泵也不抽水，一切都和设想的一样，调试成功。

图4-5压力测试图

第三章产品介绍

一、原理简介

太阳能热水器冷水回流装置以单片机为核心,在真空管太阳能热水器的保温储水箱内增加有一个与电热水器类似的电热元件并固定在绝缘底座上，引出交流电源线入户，由辅助控制系统的继电器控制通断电。

水位、水温探测器从保温储水箱顶部安装在水箱中，通过电缆线接入用户室内控制器。

进行管道排空时，由控制系统关闭排空控制阀，打开热水开关和淋浴开关，将管道中的水放掉；用水时则打开排空控制阀。

系统自动上水时，通过单项电磁阀上水。

水流电开关用于检测淋浴开关是否打开、是否有水的流动，当淋浴开关打开用水时，系统自动停止上水、切断辅助电加热器的电源。

二、产品的竞争优劣势

1、优势

在无光照阴雨天或寒冷季节进行辅助电加热，且温度可由用户预置；能将刚开始放水阶段时管中的冷水有效回流；在寒冷的冬季能对上水管道的水进行排空，防止管道冻裂；具有防漏电、防干烧等多种安全保护和声光报警功能。

主要优势为以下几点：

1、太阳能热水器含有冷水回流装置，可使管道中的冷水回流，可以起到节约水资源的作用。

2、冷水回流装置技术为新开发技术，市场上还没有同类产品，因此具有一定的技术垄断优势。

3、消费者使用热水时，不需等待管道中的冷水排尽，既节约了时间，也避免因为排冷水而引起心情的不愉快，可增加了消费者对本产品的满意度。

4、太阳能热水器冷水回流装置在目前的市场上还未出现，如果我公司能够先下手为强，抢占市场，并通过有效的营销策划把该装置推广进入市场，通过品牌效应，巩固市场地位，就算之后有效仿者，我公司也将以行业先驱者为优势，立于竞争的有利位置。

2、劣势

1、部分市场开拓有困难。

在热水器市场上，存在三种热水器：

太阳能、燃气、电热水器。

而我们公司的冷水回流装置是专门为太阳能热水器设计的，所以在燃气、电热水器的市场里，冷水回流装置是不适用的。

2、该太阳能热水器冷水回流装置的成本较高，并且太阳能热水器在市场上的销售价格也较高，消费者承担该费用有一定的难度。

3、该产品的知名度不高，还需进行宣传。

因为是新开发技术，产品的知名度不高，需进行宣传，并且公司刚成立，规模较小，所以前期利润较小。

三、产品定位

太阳能热水器企业为了更好地满足消费者的需求，就必须加大技术投入，积极创新，今后的太阳能产品技术上将向四个方面发展：

①品质更好：

随着产业进步，竞争更激烈，三、四级市场消费者的需求提升，粗制滥造的产品将退出市场，太阳能热水器企业必须生产高品质的产品。

②寿命更长：

三、四级市场消费者目前的消费能力决定了品质更好，寿命更长的产品更受欢迎。

以往靠低价生产的低质太阳能产品，也因为质量缺陷给消费者、给经销商带来众多纠纷，使低质太阳能产品渐渐没有市场。

③更节能：

随着产业技术的创新，尤其是一些太阳能热水器创新型骨干企业的带领下，能效比更高、综合节能效果更好的产品将取代以往的低质太阳能产品。

④具备健康功能：

这两年，在家电产品的大类中，具有健康功能的产品大受消费者的青睐！

这种创新趋势随着三、四级市场消费者的生活品质的提升，在太阳能产品中将会体现。

四、发展前景

1、太阳能产业技术的升级

据我们对太阳能热水器产业的观察跟踪，在经过20多年的专业发展后，2010年太阳能热水器产业将进入一个技术创新期。

随着家电下乡的深入开展，一些不负责任的企业将一些库存积压、滞销或劣质的产品销往农村，引发消费者的不满。

地方各级监管部门开展并加大了质量监管力度，促使太阳能热水器企业要求越来越追求技术品质。

2、国家对太阳能产业寄予厚望并大力支持：

2007年，我国部分城市已经以地方性法规的形式提出新建建筑必须安装太热水系统的规定，如江苏、济南、烟台等地区都明确要求12层以下新建阳能建筑要全面推广和配置太阳能热水系统；合肥、江西等地政府都出台了一系列补贴优惠政策，大力支持太阳能的发展。

2008年，国家发改委下发了《推进全国太阳能热利用工作实施方案》，其中明确提出我国将制定太阳能热水器的强制安装政策。

2009年，太阳能热水器纳入家电下乡范畴，消费者凡购买太阳能下乡中标企业的产品均享受国家财政补贴13%的优惠。

太阳能热水器产业作为新能源产业的支柱产业，在国家宏观大政和当前迫切转型的生产方式下，势必迎来新的发展契机！

3、家电下乡政策，放大太阳能产业成长总量

在20多年的太阳能热水器发展中，太阳能热水器主要是在三、四级市场自然销售，靠各种促销手段销售。

进入2009年，太阳能热水器被纳入国家家电下乡工程，享受国家销售补贴政策，这个政策的出台，将会极大地刺激太阳能热水器的销量。

第四章参考书目

1.《过控装备控制技术及应用》王毅张早校化学工业出版社

2.《推进全国太阳能热利用工作实施方案》XX

3.《MCS-51单片机原理及嵌入式系统应用》王忠飞胥芳西安电子科技大学出版社