畢業(yè)設(shè)計(jì)---太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)

1、<p>　　本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　題 目： 基于PLC的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 &

2、lt;/p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級： </p><p>　　學(xué) 號： </p>&l

3、t;p>　　指導(dǎo)老師： </p><p>　　完成時間： </p><p>　　基于PLC的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b><

4、/p><p>　　本課題研究了可編程控制器（PLC）在太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點(diǎn)研究了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過程。指出了 PLC 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵主要是能滿足基本控制功能, 并考慮維護(hù)的方便性、系統(tǒng)可擴(kuò)展性等。在本文中經(jīng)研究確定出了系統(tǒng)的各個工序，繪制了系統(tǒng)的工藝流程圖；進(jìn)行了系統(tǒng)的I/O分配和PLC的選型；根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)繪制了系統(tǒng)的控制梯形圖；繪制出了控制系統(tǒng)電氣原理圖和接線圖等。</p&

5、gt;<p>　　通過用PLC對太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的改造，大大減少了系統(tǒng)對其它元器件的使用，使系統(tǒng)接線簡單、檢修維護(hù)方便快捷、可靠性提高，增進(jìn)了系統(tǒng)的先進(jìn)性。</p><p>　　關(guān)鍵詞: PLC；太陽能；自動控制系統(tǒng)；熱水器</p><p>　　Design of Solar Water Heater</p><p>　　Automatic C

6、ontrol System Based on PLC</p><p>　　Abstract </p><p>　　Application of PLC in solar water heater automatic control system is researched in this paper. The content of this paper on the process of

7、 system hardware constitution and the system software design is emphasized . And the key of PLC design that is to satisfy the basic control function is pointed out , meanwhile maintenance convenience and system extension

8、 are also considerated. The content of this paper is divided into four parts. In the first part, the procedure of the system is established, a</p><p>　　Through the design of the solar water heater automatic

9、control system, the components that is used in the solar water heater automatic control system are decreased. The performance of the system is lifted, and it has the feature such as simply interconnection, rapid and easy

10、 fault detecting and maintenance, and high reliability. In a word, the system becomes more advanced because of my design.</p><p>　　Keywords: PLC; solar; automatic control system; water heater</p><

11、p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒 論1</b></p><p>　　1.1 本課題研究的目的、意義1</p>&l

12、t;p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2 國外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 目前我國太陽能熱水器的種類2</p><p>　　1.3.1 平板式太陽熱水器2</p><p>　　1.3.2 全玻璃真空管式熱水器3<

13、;/p><p>　　1.3.3 熱管式太陽能熱水器4</p><p>　　1.3.4 熱管—真空管式太陽能熱水器4</p><p>　　1.4 研究的內(nèi)容5</p><p>　　第二章 全玻璃真空管式太陽能熱水器的綜述6</p><p>　　2.1 太陽能熱水器系統(tǒng)功能簡介6</p><p&g

14、t;　　2.1.1 太陽能熱水器組成、原理和工作過程7</p><p>　　2.1.2 太陽能熱水器各單元介紹8</p><p>　　2.1.3 系統(tǒng)的要求10</p><p>　　2.2 可編程控制器（PLC）簡介10</p><p>　　2.2.1 PLC的發(fā)展歷史11</p><p>　　2.2.2 可

15、編程序控制器的工作原理11</p><p>　　2.2.3 可編程控制器的的特點(diǎn)12</p><p>　　2.2.4 PLC的分類13</p><p>　　2.2.5 可編程控制器應(yīng)用領(lǐng)域14</p><p>　　第三章 熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案16</p><p>　　3.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案16<

16、;/p><p>　　3.1.1 PLC的選型16</p><p>　　3.1.2 PLC硬件控制框圖17</p><p>　　3.1.3 各單元功能作用介紹17</p><p>　　3.1.4 PLC的端口分配21</p><p>　　3.1.5 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)22</p><p>　　3

17、.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案24</p><p>　　3.2.1 軟件組成25</p><p>　　3.2.2 系統(tǒng)控制流程圖25</p><p>　　3.2.3 設(shè)計(jì)PLC控制原理（梯形圖程序）30</p><p>　　第四章 可編程控制器（PLC）的安裝、維護(hù)和檢修31</p><p>　　4.1 PLC的安裝

18、31</p><p>　　4.2 PLC系統(tǒng)的電源接線31</p><p><b>　　4.3 接地32</b></p><p>　　4.4 輸入接線32</p><p>　　4.5 輸出接線32</p><p>　　4.6 PLC的維護(hù)和檢修33</p><p&g

19、t;　　第五章 結(jié) 論34</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　致 謝36</b></p><p>　　附錄Ⅰ 梯形圖37</p><p>　　附錄Ⅱ 指令表40</p><p><b>　　第一章 緒 論

20、</b></p><p>　　1.1 本課題研究的目的、意義</p><p>　　用太陽能解決我國家庭熱水是最有希望的、最有效可行的途徑。太陽能光熱應(yīng)用市場前景廣闊，除家庭用熱水外，還可用于工業(yè)熱水、采暖、空調(diào)、干燥、農(nóng)業(yè)種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、海水淡化等領(lǐng)域。從發(fā)展角度看，城市家庭生活熱水的供給不應(yīng)由業(yè)主考慮，而應(yīng)與建筑設(shè)計(jì)開發(fā)同時進(jìn)行。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了全玻璃真空管式熱水器的自動控

21、制系統(tǒng)。</p><p>　　在電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天，有必要而且有可能采用新技術(shù)對原電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，以提高可靠性，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，提高太陽能熱水器穩(wěn)定性?？删幊炭刂破饔捎诳商峁┦褂玫臅r間繼電器和中間繼電器相當(dāng)多，而且其常開常閉觸點(diǎn)可多次重復(fù)使用，使得我們在編程中可以隨心所欲。用內(nèi)部編程“軟元件”取代繼電器邏輯控制電路中大量的時間繼電器和中間繼電器，簡化控制線路、有效提高系統(tǒng)的可靠性，是PLC的突出特

22、點(diǎn)。</p><p>　　目前，我國大部分太陽能熱水器控制部分，往往需要大量的中間繼電器和時間繼電器來滿足生產(chǎn)工藝要求，結(jié)果使電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、繁瑣，故障時有發(fā)生，給使用和日常維護(hù)帶來了很大的不便。太陽能熱水器是太陽能熱利用中商業(yè)化程度最高 、應(yīng)用最普遍的技術(shù) 。但是在熱水器自動控制系統(tǒng)中大多采用單片機(jī)控制 ，單片機(jī)開發(fā)價格較高，而PLC開發(fā)價格便宜。選用PLC控制，它具有速度快，可靠性高，體積小，功能全，編程簡單的

23、特點(diǎn)。通過改進(jìn)或完善已有太陽能熱水器控制系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)開發(fā)新型太陽能熱水控制系統(tǒng)—基于PLC的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，目前已成為世界上最大的太陽熱水器生產(chǎn)國，但與太陽熱水器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

24、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，從而影響到太陽熱水器的銷售。太陽熱水器，尤其是太陽熱水系統(tǒng)及其控制器有著廣闊的發(fā)展前

25、景，但現(xiàn)有的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)投入較少。因此，在太陽熱水器、太陽熱水系統(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[1]。</p><p>　　1.2.2 國外研究現(xiàn)狀</p><p>　　太陽能熱水器是利用太陽輻射能和熱水的裝置。世界上第一臺熱水器是美國馬里蘭州的肯普于 1891 年發(fā)明的。到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，人們創(chuàng)造了各式各樣被統(tǒng)稱為“悶曬式”的

26、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已開始在市場中出現(xiàn)。到 20 世界 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，用于大力研究和開發(fā)太陽能利用技術(shù)，尤其是太陽能熱水器。到上世紀(jì) 70 年代末，太陽熱水器的開發(fā)利用在美國、澳大利亞、日本、德

27、國、以色列等國家得到了很大的發(fā)展.在隨后的十幾年里，平板集熱器型太陽熱水器的推廣應(yīng)用在一些國家得到了較快的發(fā)展。1975 年美國歐文斯—伊利諾依（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場陽光吸收率約為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的熱損失降低了兩個數(shù)量級，從而將太陽能熱利用技術(shù)水平大大提高</p><p>　

28、　1.3 目前我國太陽能熱水器的種類</p><p>　　1.3.1 平板式太陽熱水器</p><p>　　平板式太陽能熱水器又叫“平板集熱器”，它是太陽熱水器的基本型之一。由它可以派生出許多同類熱水器，如翅翼型、波紋板型、塑料壓制型等等，但它們的集熱基本原理都一樣。水的循環(huán)靠溫差比重不同。熱水輕，向上升。冷水密度大，只能從底部慢慢向上頂。水箱中的水通過集熱器的循環(huán)加溫，逐步達(dá)到平衡，則不

29、再流動。事實(shí)上水箱中的水總是源源不斷進(jìn)入集熱器的底部，而熱水也不斷流入水箱的上部。平板型太陽集熱器以其簡單、價廉和安裝方便在全世界都獲得了廣泛的應(yīng)用。普通平板型太陽集熱器由吸熱體、殼體、透明蓋板和隔熱材料等組成。當(dāng)太陽照射到集熱器時，集熱器板上水道中的水被加熱而發(fā)生膨脹、變輕、產(chǎn)生“水往高處流”的現(xiàn)象，就像熱煙氣從煙囪中冒出一樣，這就是所謂的“熱虹吸”現(xiàn)象，系統(tǒng)中水流的循環(huán)運(yùn)動完全依靠自身各部位溫度不同而形成自然循環(huán)，即只要有太陽照射，

30、就能實(shí)現(xiàn)這種循環(huán)。水在集熱器中受熱變輕，由集熱器底部上升至頂部。再經(jīng)循環(huán)管流入保溫水箱，水箱下部的冷水由下循環(huán)管流入集熱器底部。如此循環(huán)，使整個水箱中是水溫升高[3]。</p><p>　　這種集熱器的優(yōu)點(diǎn)是：</p><p>　　1、工藝不復(fù)雜，加工成本低。</p><p>　　2、水流的循環(huán)和加熱全部依靠集熱器的吸熱作用，不需要泵和其它能源，運(yùn)行成本低，確實(shí)是一

31、次投資，長期受益。</p><p>　　3、水流系統(tǒng)常壓運(yùn)行，無需帶壓設(shè)備，沒有任何安全隱患。</p><p>　　4、整個系統(tǒng)沒有運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，水對吸熱板沒有腐蝕作用，故使用壽命很長。</p><p><b>　　缺點(diǎn)：</b></p><p>　　1、由于白天、晚上的溫度不同，集熱器易產(chǎn)生倒流。</p>&

32、lt;p>　　2、在高溫段效率偏低，表面熱損大。</p><p>　　3、在冬季低于0℃時，因集熱器中的水結(jié)冰膨脹，將管子脹裂。</p><p>　　4、流動阻力分布不均，抗凍性能差，所以使用范圍局限在北方的夏天和南方不結(jié)凍地區(qū)的冬天。</p><p>　　1.3.2 全玻璃真空管式熱水器</p><p>　　全玻璃真空管式太陽能熱水器

33、是在平板型太陽集熱器的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型太陽能集熱裝置。全玻璃真空管太陽集熱器的核心元件是玻璃真空集熱管，它采用了真空技術(shù)，消除了氣體的對流與傳導(dǎo)熱損，并應(yīng)用選擇性吸收涂層，使真空集熱管的輻射熱損降到最低，這樣真空管太陽集熱器可以在中高溫下運(yùn)行，也能在寒冷地區(qū)的冬季及低日照與天氣多變地區(qū)運(yùn)行，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。全玻璃真空太陽集熱管通常采用單端開口的形式，在一端將內(nèi)、罩玻璃管環(huán)形熔封在一起。真空集熱器內(nèi)裝有吸氣劑[4]。</p>

34、;<p>　　這種集熱器的優(yōu)點(diǎn)是：</p><p>　　1、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、可靠性強(qiáng)。</p><p>　　2、集熱效率高，保溫性能好。</p><p>　　3、可以在中高溫下運(yùn)行，也能在寒冷地區(qū)的冬季運(yùn)行。</p><p>　　4、使用壽命長，一年四季都可使用。</p><p><b>　

35、　缺點(diǎn)：</b></p><p>　　1、管內(nèi)存水過多，管內(nèi)水溫上升緩慢，而且對于真空管南北放置的熱水裝置，管中的熱水無法全部取出，致使系統(tǒng)熱水利用率降低。</p><p>　　2、不能承壓，易在玻璃管內(nèi)結(jié)垢，管子易炸裂，而且在嚴(yán)寒地區(qū)使用會凍結(jié)。</p><p><b>　　3、價格昂貴。</b></p><p

36、>　　1.3.3 熱管式太陽能熱水器</p><p>　　熱管式熱水器也是一種可以常年使用的太陽能設(shè)備，基本原理同熱管式太陽灶差不多。但是，由于一般提供洗浴用的熱水溫度不太高，所以對熱管的要求也比太陽灶要低。甚至從滿足生活熱水的單項(xiàng)要求來說，這種熱管在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上均優(yōu)于真空集熱管。我國大連生產(chǎn)的熱管式熱水器雖然初始投資高于平板式集熱器，但是低于真空管集熱器，而使用效果也不差。國外同類熱管式熱水器的產(chǎn)量和型

37、號正在不斷增加。此種熱水器的熱管，結(jié)構(gòu)簡單，工質(zhì)易得，抗凍性和熱效率均好，使用壽命也長。</p><p>　　熱管式熱水器在外形結(jié)構(gòu)上很象管板式熱水器，只不過把普通排管變成了熱管，少個或省去了一個集水管，熱管上同樣可裝翅片吸收太陽能。當(dāng)熱管收集到太陽的熱之后，立刻把它輸送到集熱管，并在水箱中進(jìn)行換熱，于是得到熱水。由于熱量是由熱管輸送、選擇合適的工質(zhì)與管材、管芯，就能保證其化學(xué)相容性，避免一般管板式熱水器的腐蝕性

38、。同時，因?yàn)闊峁軆?nèi)的工質(zhì)很少，不像管板式熱水器里面充滿著水，所以熱損較低，起動也較快。而且熱管式熱水器的工作溫度范圍也比管板式熱水器寬得多，不用擔(dān)心00C時水會結(jié)冰，也不怕高于100℃時水會沸騰。</p><p>　　1.3.4 熱管—真空管式太陽能熱水器</p><p>　　熱管—真空管式集熱器是一種新型的太陽能集熱裝置，集中熱管式和真空管式集熱器二者的優(yōu)點(diǎn)，克服彼此的缺點(diǎn)。例如，利用熱

39、管起動快，一通過不同工質(zhì)可以控制熱水器的工作溫度，而真空管集熱器在無負(fù)荷悶曬時，往往會出現(xiàn)超過200℃的高溫，使水的壓力增大，造成使用中的不便等。但真空管集熱器的優(yōu)點(diǎn)在于絕熱性好，熱效率高。其原理是太陽輻射穿過真空管玻璃外殼，投射在金屬吸熱板上，吸熱板將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，使熱管蒸發(fā)段內(nèi)的傳熱介質(zhì)汽化。蒸汽上升到熱管冷凝段后，通過導(dǎo)熱塊將熱量傳遞給集熱管內(nèi)的工質(zhì)，而自身又凝結(jié)成液體，依靠重力流回蒸發(fā)段。上述過程重復(fù)循環(huán)，使集熱管內(nèi)的工

40、質(zhì)不斷升溫。由于運(yùn)用了真空技術(shù)，大幅度降低了集熱器的熱損失，因而使其在高工質(zhì)溫度或低環(huán)境溫度的運(yùn)行條件下仍具有良好的熱性能，同時運(yùn)用了熱管技術(shù)，被加熱工質(zhì)不直接流經(jīng)真空管，因而跟普通平板式集熱器和真空管集熱器比較，熱管式真空集熱器除了工作溫度高，承壓能力大和耐熱沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，還有其顯著特點(diǎn)[5]。</p><p><b>　　這種集熱器的優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p&

41、gt;　　1、耐冰凍。熱管由特殊的材料和工藝保證，即使在冬季長時間無晴天及夜間的嚴(yán)寒條件下，真空管也不會凍裂。</p><p>　　2、啟動快。熱管的熱容量很小，受熱后立即啟動，因而在瞬變的太陽輻射條件下能提高集熱器的輸出能量，而且在多云間晴的低日照天氣也能將水加熱。</p><p>　　3、保溫好。熱管具有單向傳熱的特點(diǎn)，即白天由太陽能轉(zhuǎn)換的熱量可沿?zé)峁芟蛏蟼鬏斎ゼ訜崴?，而夜間被加熱的水

42、的熱量不會沿?zé)峁芟蛳律l(fā)到周圍環(huán)境。</p><p>　　4、安裝維修方便。安裝方便，操作簡單，易于固定，運(yùn)行可靠。</p><p><b>　　缺點(diǎn):</b></p><p><b>　　1、生產(chǎn)成本。 </b></p><p><b>　　2、技術(shù)要求高。</b></

43、p><p>　　上面介紹了目前我國太陽能熱水器的種類，并討論了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，在此基礎(chǔ)上提出了本文研究的主要內(nèi)容為全玻璃真空管太陽能熱水器的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　1.4 研究的內(nèi)容</b></p><p>　　本課題研究的內(nèi)容是用PLC控制太陽能熱水器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器系統(tǒng)自動化控制及手工控制，使其滿足實(shí)際各

44、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。具體研究工作從以下方面展開：</p><p>　　1）確定系統(tǒng)的各種工序，繪制系統(tǒng)的工藝流程圖。</p><p>　　2）PLC選型及I/O分配。</p><p>　　3）設(shè)計(jì)、繪制梯形圖，滿足各控制要求。</p><p>　　4）繪制電氣原理圖、外部接線圖等。</p>&

45、lt;p>　　5）依據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)試系統(tǒng)成功。</p><p>　　第二章 全玻璃真空管式太陽能熱水器的綜述</p><p>　　2.1 太陽能熱水器系統(tǒng)功能簡介</p><p>　　圖2—1 熱水器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖2—2 系統(tǒng)控制原理圖:</p><p>　　注釋: Tl，熱水箱的溫度傳感器&

46、lt;/p><p>　　T2，循環(huán)水管中的溫度傳感器</p><p>　　T3，集熱器中的溫度傳感器</p><p><b>　　F1，循環(huán)水閥門</b></p><p><b>　　F2，冷水閥門</b></p><p><b>　　F3，熱水閥門</b>

47、</p><p>　　此款熱水器利用微機(jī)控制主要有以下兩種控制功能:水溫控制、水箱加熱控制。</p><p><b>　　1、水溫控制</b></p><p>　　為了提供溫度不低于37攝氏度的水，具體控制過程如下：</p><p>　　首先，關(guān)閉冷水閥門F2和循環(huán)水閥門F1，然后微機(jī)開始進(jìn)行水箱的溫度采集，同時進(jìn)行溫度

48、的比較，當(dāng)水箱中的溫度小于370C時，電熱器D接通進(jìn)行加熱，同時微機(jī)繼續(xù)對熱水箱的水溫進(jìn)行采集。當(dāng)溫度加熱到大于370C時電熱器D斷開，如此反復(fù)循環(huán)保證了溫度的穩(wěn)定。</p><p><b>　　2、水箱加熱控制</b></p><p>　　如果沒有日照或者日照很弱時，到了晚上我們是否還能洗上熱水澡呢?答案是肯定的，不要忘了這款熱水器還有一個從系統(tǒng)。這時它就要發(fā)揮作用

49、了。熱水箱溫度為T1，將它和設(shè)定值N相比較，從而控制是否打開電加熱?？刂茣r段為6點(diǎn)一18點(diǎn)，具體過程如下: 若Tl<N，電加熱接通;否則，電加熱斷開。最終熱水箱的溫度加熱到設(shè)定值N。由此可見，即使沒有日照我們照樣可以洗上熱水澡了。</p><p>　　2.1.1 太陽能熱水器組成、原理和工作過程</p><p>　　在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，需要大量的熱水。這類熱水的特點(diǎn)是用水量較大

50、而水溫不高，一般為400C ~600C。如淋浴的水溫在350C~400C之間，超過600C就會感到太熱。工業(yè)上為了清除油污，熱水溫度要高一些，但一般在 900C左右。太陽能熱水器能提供的熱水，是目前使用最為普遍和效果最好的太陽能利用裝置; 這種裝置結(jié)構(gòu)簡單、使用方位、不用專人管理，故己在全國推廣使用。</p><p>　　1、熱水器組成及原理</p><p>　　熱水器主要由集熱器、循環(huán)管

51、道和水箱等組成。下圖為典型的熱水器裝置簡圖。圖中集熱器1按最佳傾角放置，下降水管2的一端與循環(huán)水箱3的下部相連，另一端與集熱器1的下集管接通。上升水管5與循環(huán)水箱3的上部相連，另一端與集熱器1的上集管相接。補(bǔ)給水箱4供給循環(huán)水箱3所需的冷水。當(dāng)集熱器吸收太陽輻射后，集熱器內(nèi)溫度上升，水溫也隨之升高。水溫升高后，水的比重減輕，經(jīng)上升水管進(jìn)入循環(huán)水箱上部。而循環(huán)水箱下部的冷水，比重較大，就由水箱下部流到集熱器下方，在集熱器內(nèi)受熱后又上升。這

52、樣不斷對流循環(huán)，水溫逐漸提高，直到集熱器吸收的熱量與散失的熱量相平衡時，水溫不再升高。這種熱水器利用循環(huán)加熱的原理，因此又稱為循環(huán)式熱水器[6][7]。</p><p><b>　　熱水器裝置簡圖</b></p><p>　　1一集熱器 2一下降水管 3一循環(huán)水管</p><p>　　4一補(bǔ)給水箱 5一上升水管 6一自來水管</p>

53、<p><b>　　7一熱水出水管　</b></p><p>　　2、熱水器的基本工作過程</p><p>　　1） 吸熱過程。太陽輻射透過玻璃蓋板，被集熱板吸收后沿肋片和管壁傳遞到吸熱管內(nèi)的水。吸熱管內(nèi)的水吸熱后溫度升高，比重減小而上升，形成一個向上的動力，構(gòu)成一個熱虹吸系統(tǒng)。隨著熱水的不斷上移并儲存在儲水箱上部，同時通過下循環(huán)管不斷補(bǔ)充溫度較低的水，

54、如此循環(huán)往復(fù)，最終整箱水都升高至一定的溫度。</p><p>　　2） 水循環(huán)管路。家用太陽能熱水器通常按自然循環(huán)方式工作，沒有外在的動力，設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)只要有5℃~6℃以上的溫差就可以循環(huán)很好。水循環(huán)管路、管徑及管路分布的合理性直接影響到集熱器的熱交換效率。 多數(shù)情況下，自然循環(huán)家用熱水器系統(tǒng)管路中的流態(tài)都可以視為層流。 集熱器內(nèi)管路系統(tǒng)的阻力主要來自沿程阻力，局部阻力的影響要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管

55、要大得多。當(dāng)水溫升高后，由于運(yùn)動粘度減小，沿程阻力變小，局部阻力的影響變大。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)主管管徑不變時，加大支管管徑，不僅沿程阻力迅速減小，而且局部阻力也將跟著減小。一般地，支管的半徑應(yīng)在10mm以上。當(dāng)主管管徑達(dá)到一定值以后，增加主管管徑對減小系統(tǒng)阻力意義不大[8]。</p><p>　　2.1.2 太陽能熱水器各單元介紹</p><p><b>　　1、集熱器</b

56、></p><p>　　平板式太陽能集熱器是平板式太陽能熱水器的主要部件，它由透明玻璃、吸熱體、保溫層等組成。當(dāng)涂有黑色的金屬片置于陽光下，即可吸收太陽輻射能而升高溫度，同時也向四周散發(fā)熱量。若它吸收的能量與散發(fā)的能量相等，此時金屬片就不再升溫，這就叫“平衡溫度”。如果在金屬片內(nèi)有流道，流體把熱量不斷帶走，為了達(dá)到平衡溫度，金屬片便要不斷吸收太陽的輻射能。利用這種原理，把帶有流道的金屬板封裝在一個保溫盒體中

57、，上面蓋以玻璃，使太陽的輻射能可以進(jìn)入盒體，集熱器由于吸熱體溫度較低，其發(fā)射出的大部分輻射能波長較長(位于遠(yuǎn)紅外區(qū)域)，這些輻射不能穿透玻璃而被阻隔在集熱器的空腔內(nèi)，從而產(chǎn)生了所謂的溫室效應(yīng)，提高了集熱器的集熱效率。</p><p><b>　　2、循環(huán)管道</b></p><p>　　在熱水器平面布置方案確定后，集熱器與循環(huán)水箱已基本確定。但要熱水器運(yùn)行起來，還得配

58、置適當(dāng)?shù)墓艿溃瑢⒓療崞髋c水箱有機(jī)的連接起來，才能形成一個完整的循環(huán)系統(tǒng)。熱水器管道系統(tǒng)連接正確與否，對熱水器循環(huán)系統(tǒng)的效率也有很大影響。</p><p>　　3、熱水器水箱及水箱配置</p><p>　　水箱是熱水器重要組成部分。它包括循環(huán)水箱和補(bǔ)給水箱；循環(huán)水箱與集熱器上下水管相連，供熱水循環(huán)之用。補(bǔ)給水箱只與循環(huán)水箱相通，當(dāng)循環(huán)水箱水位低時，以補(bǔ)給冷水之用。</p>&l

59、t;p><b>　　1）循環(huán)水箱</b></p><p>　　它的作用是保持最高水位平面，同時讓水中空氣由此處排出，避免帶入管道系統(tǒng)，以致造成氣阻損失。 循環(huán)水箱的下部均裝有冷水進(jìn)水擋板。這樣冷水進(jìn)入循環(huán)水箱時，通過擋板使之?dāng)U散流入不致將箱內(nèi)上部熱水?dāng)嚮臁?lt;/p><p><b>　　2）補(bǔ)給水箱</b></p><p&

60、gt;　　補(bǔ)給水箱是供給冷水的水箱。自來水不是直接進(jìn)入循環(huán)。而是通過補(bǔ)給水箱來補(bǔ)給。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是使冷水和熱水隔開，保持循環(huán)水箱中的熱水水溫穩(wěn)定。</p><p><b>　　3）水箱配管</b></p><p>　　水箱配管是指進(jìn)出水管、排放熱水管等在水箱中的高度位置，它對排放水溫起著主要作用。因此，熱水出水管位置愈高，其熱水排放溫度亦愈高；為此，采用定溫自動放水時

61、，它的熱水出水口位置較高。而采用人工放水時，熱水出水口位置應(yīng)較低。循環(huán)水箱內(nèi)的水溫達(dá)到一定溫度時，將箱內(nèi)熱水幾乎全部放掉，然后放入冷水再重新循環(huán)加熱。一般人工放水一天中 1-2次。</p><p>　　2.1.3 系統(tǒng)的要求</p><p>　　根據(jù)人們對熱水器的使用習(xí)慣和人性化設(shè)計(jì)要求 , 設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有以下功能：</p><p>　　1、自動控制功能。系統(tǒng)在

62、自動工作方式時 能自動控制供水水泵的運(yùn)行與停止和各電磁閥的開關(guān)。定時控制器在斷電時正常計(jì)時 ,故采用其作為 PLC 的電源控制。在定時控制時間內(nèi) ,由定時器接通 PLC 的電源 ,PLC 按預(yù)先編制的程序依次打開各控制設(shè)備電源 ,并根據(jù)輸入信號的變化隨時調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時間里 定時器自動斷開 PLC 的電源。工作為 6～18 h?？衫枚〞r控制器和 PLC 自身具有的定時命令加以解決。</p><p>

63、;　　2、除塵功能。利用溫度開關(guān)檢測環(huán)境溫度是否適合除塵 ,溫度開關(guān)為 4 ℃。除塵</p><p>　　用一個電磁閥連續(xù)工作2 min。</p><p>　　3、水箱液位控制功能。水箱 200 L ,液位控制在 180 L 。</p><p>　　4、水箱應(yīng)具備供熱水、保溫的基本功能。</p><p>　　5、 報警功能。當(dāng)出現(xiàn)故障時，故障

64、指示燈閃爍且報警電鈴響起,操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍；直到故障消除；故障指示燈才停止閃爍。</p><p>　　6、節(jié)水功能。供水閥供水 5 min，停 2 min。</p><p>　　7、可實(shí)現(xiàn)手動/自動控制切換。</p><p>　　2.2 可編程控制器（PLC）簡介</p><p>　　可編程控制器（

65、PragrammableLogicController,簡稱 PLC，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是在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)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)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)充其功能的原則設(shè)計(jì)的。PLC自產(chǎn)生至今只有30多年的歷史

66、，卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應(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)自動化控制而發(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。這主要是源于它能夠?yàn)樽詣踊刂茟?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[9]。</p><p>　　2.2.1 PLC的發(fā)展歷史</p><p>　　20世紀(jì)70年代大規(guī)模集成電路和微處理機(jī)出現(xiàn)后，

67、正式生產(chǎn)出了現(xiàn)在模式的可編程序邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）產(chǎn)品。這類產(chǎn)品具有穩(wěn)定可靠、價格便宜、功能齊全、體積小、應(yīng)用靈活方便、工程周期短、操作維護(hù)方便、應(yīng)用領(lǐng)域廣闊等優(yōu)點(diǎn)。隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在己誕生了第五代PLC產(chǎn)品。而從應(yīng)用角度看，PLC大概經(jīng)歷了如下幾個階段：</p><p>　　1、單機(jī)就地控制，取代繼電器柜，至今仍然是PLC應(yīng)用的主流。&

68、lt;/p><p>　　2、數(shù)臺PLC與1臺PC相連，PC完成編程和在運(yùn)行中作為人機(jī)界面（80年代后期）。</p><p>　　3、90午代，隨著系統(tǒng)集成能力的提高，PLC提供系統(tǒng)通信的能力，構(gòu)成可編程控制系統(tǒng)PCS（Programmable Control System），人機(jī)界面逐步完善，具有離散量和模擬量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的監(jiān)控能力。</p><p>　　4、隨著近代現(xiàn)

69、場總線、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)PC機(jī)（IPC）、軟PLC技術(shù)的發(fā)展，以及系統(tǒng)開放性、電控儀控一體化、管控一體化、IT技術(shù)發(fā)展的需求，新型的覆蓋大、中、小系統(tǒng)的PCS正在形成。</p><p>　　2.2.2 可編程序控制器的工作原理</p><p>　　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。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

70、順序等進(jìn)行。因?yàn)橛械挠脩舫绦虿恍枰繏呙枰淮螆?zhí)行一次，也為的是在控制系統(tǒng)需要處理的I/O點(diǎn)數(shù)較多時，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(shí)時性[10]。</p><p>　　用戶將用戶程序設(shè)計(jì)、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(yùn)行工作方式，PLC就以循

71、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2－4所示。</p><p>　　圖2－4 PLC循環(huán)順序掃描工作流程圖</p><p>　　從圖2－4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。在系統(tǒng)軟件的指揮下，按圖2－4所示的程序流程順序地執(zhí)行，這種工作方式成為順序掃描方

72、式。從掃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[11]。</p><p>　　2.2.3 可編程控制器的的特點(diǎn)</p><p>　　1、通用性強(qiáng),使用方便。由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用。當(dāng)控制對象的硬件配置確定以后 ,就可通過修改用戶程序 ,方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。&

73、lt;/p><p>　　2、功能性強(qiáng),適應(yīng)面廣?，F(xiàn)代 PLC不僅具有邏輯運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)、順序控制等功能 ,而且還具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等功能。因此 ,它既可對開關(guān)量進(jìn)行控制 ,也可對模擬量進(jìn)行控制 ,既可控制1臺生產(chǎn)機(jī)械、1條生產(chǎn)線 ,也可控制1個生產(chǎn)過程。PLC 還具有通訊聯(lián)絡(luò)功能，與上位計(jì)算機(jī)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)遙控功能。</p><p>　　3、可靠性高,抗干

74、擾能力強(qiáng)。大多數(shù)用戶都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。針對 PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 ,故采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施。硬件方面 ,隔離是抗干擾的主要措施之一。PLC的輸入、輸出電路一般用光電耦合器來傳遞信號 ,使外部電路與CPU之間無電路聯(lián)系 ,有效地抑制了外部干擾源對PLC的影響,同時,還可以防止外部高電壓竄入CPU模塊濾波是抗干擾的另一主要措施,在PLC的電源電路和 I/O模塊中,設(shè)置了多種濾波電路,對高頻干擾

75、信號有良好的抑制作用。軟件方面,設(shè)置故障檢測與診斷程序。采用以上抗干擾措施后 ,一般 PLC平均無故障時間高達(dá)4萬～5萬h。</p><p>　　4、編程方法簡單,容易掌握PLC配備有易于接受和掌握的梯形圖語言。該語言編程元件的符號和表達(dá)方式與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。</p><p>　　5、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和維修方便。PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器

76、、時間繼電器、計(jì)數(shù)器等部件,控制柜的設(shè)計(jì)、安裝接線工作量大為減少。PLC的用戶程序大都可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試,調(diào)試好后再將PLC控制系統(tǒng)安裝到生產(chǎn)現(xiàn)場,進(jìn)行聯(lián)機(jī)統(tǒng)調(diào)。在維修方面,PLC的故障率很低,且有完善的診斷和實(shí)現(xiàn)功能,一旦PLC外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障,就可根據(jù)PLC上發(fā)光二極管或編程器上提供的信息 ,迅速查明原因。若是PLC本身問題,則可更換模塊,迅速排除故障,維修極為方便。</p><p>　　6

77、、體積小、質(zhì)量小、功耗低。由于PLC是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制設(shè)備的新型產(chǎn)品,因而結(jié)構(gòu)緊湊,堅(jiān)固,體積小,質(zhì)量小,功耗低,而且具有很好的抗震性和適應(yīng)環(huán)境溫度、濕度變化的能力。因此,PLC很容易裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部,是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化較理想的控制設(shè)備[12]。</p><p>　　2.2.4 PLC的分類</p><p>　　目前，PLC應(yīng)用廣泛，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家眾多，所生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品更是品種

78、繁多，其型號、規(guī)格和性能各不相同。通常，可以按照結(jié)構(gòu)形式的不同及功能的差異進(jìn)行大致的分類。</p><p><b>　　1、按結(jié)構(gòu)形式分</b></p><p>　　按照結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和模塊式兩種。</p><p>　　前者具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、價格低的優(yōu)點(diǎn)，易于裝在工業(yè)設(shè)備的內(nèi)部，通常適于單機(jī)工作。一般小型和超小型

79、PLC多采用這種結(jié)構(gòu)，如日本三菱FX系列的PLC。后者配置靈活，裝載和維修方便，功能易于擴(kuò)展，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價也較高。一般大、中型PLC都采用這種結(jié)構(gòu)，如日本三菱公司的AN系列。</p><p><b>　?。?、按功能、點(diǎn)數(shù)分</b></p><p>　　按功能、輸入輸出點(diǎn)數(shù)和存儲器容量不同，PLC可分為小型、中型和大型三類。</p><p

80、>　　小型PLC又稱為低檔的PLC。這類PLC的規(guī)模較小，它的輸入輸出點(diǎn)數(shù)一般從20點(diǎn)到128點(diǎn)。中型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)通常在120點(diǎn)至512點(diǎn)之間，用戶程序存儲器的容量為2KB-8KB。大型PLC又稱為高檔的PLC，I/O點(diǎn)數(shù)在512點(diǎn)以上，其中I/O點(diǎn)數(shù)大于8192點(diǎn)的又稱為超大型PLC，用戶程序存儲器容量在8KB以上。</p><p>　　2.2.5 可編程控制器應(yīng)用領(lǐng)域</p><

81、;p>　　在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家 ,PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)。隨著 PLC性能價格比的不斷提高 ,一些過去使用專用計(jì)算機(jī)的場合 ,也轉(zhuǎn)向使用 PLC。PLC的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大 ,可歸納為如下幾個方面。</p><p>　　1、開關(guān)量的邏輯控制　</p><p>　　這是 PLC 最基本最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。PL

82、C 取代繼電器控制系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)邏輯控制。例如：機(jī)床電氣控制，沖床、鑄造機(jī)械、運(yùn)輸帶、包裝機(jī)械的控制，注塑機(jī)的控制，化工系統(tǒng)中各種泵和電磁閥的控制，冶金企業(yè)的高爐上料系統(tǒng)、軋機(jī)、連鑄機(jī)、飛剪的控制，電鍍生產(chǎn)線、啤酒灌裝生產(chǎn)線、汽車配裝線、電視機(jī)和收音機(jī)的生產(chǎn)線控制等。</p><p><b>　　2、運(yùn)動控制　</b></p><p>　　PLC可用于對直線運(yùn)動或圓周運(yùn)

83、動的控制。早期直接用開關(guān)量 I/O模塊連接位置傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu) ,現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家生產(chǎn)的 PLC 幾乎都有運(yùn)動控制功能。PLC的運(yùn)動控制功能廣泛地用于各種機(jī)械。例如:金屬切削機(jī)床、金屬成型機(jī)械、配裝機(jī)械、機(jī)器人和電梯等。</p><p><b>　　3、閉環(huán)過程控制　</b></p><p>　　過程控制是指對溫度、壓力、流量

84、等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。PLC通過模擬量 I/O模塊實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的 A/D,D/A轉(zhuǎn)換 ,并對模擬量進(jìn)行閉環(huán) PID 控制 ,可用 PID 子程序來實(shí)現(xiàn) ,也可使用專用的 PID 模塊。PLC 的模擬量控制功能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于塑料擠壓成型機(jī)、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設(shè)備，還廣泛地應(yīng)用于輕工、化工、機(jī)械、冶金、電力和建材等行業(yè)。</p><p><b>　　4、數(shù)據(jù)處理　</b>

85、</p><p>　　現(xiàn)代的PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳遞、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存貯在存儲器中的參考值比較 ,也可以用通訊功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑵浯蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用在大、中型控制系統(tǒng) ,如柔性制造系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等。</p><p><b>　　5、機(jī)器人控制　</b></p><

86、;p>　　機(jī)器人作為工業(yè)過程自動生產(chǎn)線中的重要設(shè)備，已成為未來工業(yè)生產(chǎn)自動化的 3大支柱之一?，F(xiàn)在許多機(jī)器人制造公司，選用 PLC作為機(jī)器人控制器來控制各種機(jī)械動作。隨著PLC體積進(jìn)一步縮小，功能進(jìn)一步增強(qiáng)，PLC在機(jī)器人控制中的應(yīng)用必將更加普遍。</p><p><b>　　6、通訊聯(lián)網(wǎng)　</b></p><p>　　PLC的通訊包括PLC之間的通訊、PLC與

87、上位計(jì)算機(jī)和其他智能設(shè)備之間的通訊。PLC和計(jì)算機(jī)具有接口，用雙絞線、同軸電纜或光纜將其聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)信息的交換，并可構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。目前PLC與PLC的通訊網(wǎng)絡(luò)是各廠家專用的。PLC與計(jì)算機(jī)之間的通訊，一些PLC生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線 ,并向標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議靠攏[13]。</p><p>　　第三章 熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案</p><p>　　太陽能本身是一

88、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。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)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

89、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。</p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案</p><p>　　根據(jù)控制系統(tǒng)要求 ,首先確定 PLC 的控制規(guī)模 ,估算出所需要的I/O點(diǎn)數(shù) (數(shù)字輸入/輸出量、模擬輸入/輸出量) ,再增加10%～20%的備用量，以便隨時增加控制功能，保證系統(tǒng)投入運(yùn)行后能夠替換個別故障點(diǎn)或彌補(bǔ)遺漏的點(diǎn)數(shù)。統(tǒng)計(jì)出I/O總點(diǎn)數(shù)后

90、即可以確定 PLC 的控制規(guī)模 從而確定存儲器(用于存儲用戶程序和數(shù)據(jù))的容量。存儲器容量除了根據(jù)PLC 的控制規(guī)模確定。也可以按照如下方法計(jì)算，再增加25%～30 %的備用量，以便隨時增加用戶程序。</p><p>　　一種方法是根據(jù)編程實(shí)際使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算，即編完程序之后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算出實(shí)際使用容量。另一種方法是估算法，只有開關(guān)量時，所需內(nèi)存總數(shù)=開關(guān)量(輸入/輸出)總數(shù)×10；只有模擬量輸入時,

91、所需內(nèi)存總數(shù)=模擬量路數(shù)×120在模擬量輸入、輸出同時存在時，所需內(nèi)存總數(shù)=模擬量路數(shù)×250；同時,應(yīng)考慮PLC提供的內(nèi)部繼電器和寄存器的數(shù)量,以便節(jié)省資源[14]。</p><p>　　3.1.1 PLC的選型</p><p>　　因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是對開關(guān)量控制的應(yīng)用系統(tǒng),并對控制速度要求不高,選用核心部件為三菱公司的FX_2n-32MR-ES/UL系列32點(diǎn)編程控制器,

92、該編程控制器具有自診斷功能,采用循環(huán)掃描工作方式,這完全能滿足要求。FX_2n-32MR-ES/U屬微型編程控制器、輸入輸出控制方式為循環(huán)掃描方式、編程語言為梯形圖語言、32點(diǎn)的編程控制器具有16點(diǎn)輸入,16點(diǎn)輸出?？紤]到該P(yáng)LC所需的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)及類型，選用三菱FX_2n-32MR-ES/UL可編程控制器作為該系統(tǒng)的核心，它含有16個輸入點(diǎn)（漏型）和16個輸出點(diǎn)（繼電器型），足夠設(shè)計(jì)所用[15]。</p><p&

93、gt;　?、貴X_2n-32MR-ES/UL簡介</p><p>　　FX_2n-32MR-ES/UL屬于FX2N系列PLC，F(xiàn)X2N系列PLC是FX系列中高級的模塊。它擁有無以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點(diǎn)，F(xiàn)X2N是從16到256路輸入、輸出的多種應(yīng)用的選擇方案。</p><p>　?、贔X_2n-32MR-ES/UL的特點(diǎn)</p><p>

94、　　FX_2n-32MR-ES/UL屬于FX2N系列PLC，F(xiàn)X2N系列PLC是FX系列中最高級的模塊。它擁有無以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點(diǎn)，F(xiàn)X2N是從16到256路輸入、輸出的多種應(yīng)用的選擇方案。</p><p>　　3.1.2 PLC硬件控制框圖</p><p>　　上位機(jī)采用PC機(jī)，下位機(jī)選用日本三菱公司的FX2n系列的32點(diǎn)可編程控制器，實(shí)現(xiàn)對太陽能熱水器

95、的控制，完成太陽能熱水器的溫度、液位等控制功能。為提高系統(tǒng)的安全性，需要有報警點(diǎn)輸入并且用聲光信號顯示故障類型，同時發(fā)出警報提醒值班人員及時處理事故。當(dāng)故障出現(xiàn)時，故障指示燈閃爍且報警電鈴響起，操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除，故障指示燈才停止閃爍。系統(tǒng)控制框圖如圖3—1。</p><p>　　圖3—1 系統(tǒng)控制框圖</p><p>　　3.1.3

96、 各單元功能作用介紹</p><p><b>　　1、電機(jī)類型的選擇</b></p><p>　　電機(jī)類型選擇的原則如下：對于有特定要求的工作機(jī)械，應(yīng)優(yōu)先選擇專用電機(jī)。如可工作于高濕度，有鹽霧、霉菌、凝露等環(huán)境的船用電動機(jī)；有較高的效率及節(jié)能指標(biāo)的紡織電動機(jī)；有作為激振動力源，如用于糧食加工機(jī)械或振動篩、振動輸送機(jī)的振動異步電動機(jī)；在化工、橡膠、紡織、造紙等工業(yè)中有時

97、要求軟機(jī)械特性和寬調(diào)速范圍的電動機(jī)，當(dāng)負(fù)載增加時電動機(jī)的出軸轉(zhuǎn)速隨之降低而輸出力矩增加，保持與負(fù)載平衡，并允許較長時間堵轉(zhuǎn)的三相力矩電動機(jī)等。</p><p>　　對于一般生產(chǎn)機(jī)械，在滿足生產(chǎn)機(jī)械要求的前提下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格便宜、維護(hù)方便的電動機(jī)。從一般要求看，交流電動機(jī)優(yōu)于直流電動機(jī)，交流異步電動機(jī)優(yōu)于交流同步電動機(jī)，鼠籠式異步電動機(jī)優(yōu)于繞線式異步電動機(jī)。</p><p&g

98、t;　　對于連續(xù)運(yùn)行，負(fù)載平穩(wěn)，對起動制動沒有特殊要求的生產(chǎn)機(jī)械，應(yīng)優(yōu)先采用普通鼠籠異步電動機(jī)，它廣泛用于各種機(jī)床、水泵和風(fēng)機(jī)等。大中功率的空壓機(jī)和皮帶輸送機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械要求有較大的起動轉(zhuǎn)矩，應(yīng)采用深槽式或雙鼠籠式異步電動機(jī)[17]。</p><p>　　由于太陽能熱水器屬于連續(xù)運(yùn)行，負(fù)載平穩(wěn)，對起動制動沒特殊要求，綜合各方面考慮，本系統(tǒng)微型電機(jī)選用Y系列三相異步電動機(jī)。電壓為220V。頻率為50HZ。功率為10w

99、。</p><p>　　2、交流接觸器的選擇</p><p>　　本系統(tǒng)選用正泰公司生產(chǎn)的CJX1系列交流接觸器，該接觸器為雙斷點(diǎn)觸頭的直動式運(yùn)動結(jié)構(gòu)，動作機(jī)構(gòu)靈活，手動檢察方便，結(jié)構(gòu)緊湊。觸頭，磁系統(tǒng)采用封閉結(jié)構(gòu)，能提高壽命。接線端均有防護(hù)罩覆蓋，使用安全可靠。安裝可用螺釘緊固，也可扣裝在35毫米的安裝軌上，裝卸方便。</p><p>　　CJX1系列交流接觸器適

100、用于交流50Hz（或60Hz），額定電壓至660V，在AC-3使用類別下工作電壓為380V，供遠(yuǎn)距離和分?jǐn)嚯娐芳邦l繁起動和控制交流電動機(jī)，并可與適合的熱繼電器組成電磁起動器，以保護(hù)可能發(fā)生操作過負(fù)荷電路。</p><p><b>　　3、熱繼電器的選擇</b></p><p>　　本系統(tǒng)所用的熱繼電器為正泰公司生產(chǎn)的NR4(JRS2)系列，NR4(JRS2)系列熱過載

101、繼電器適用于交流50Hz/60Hz、額定電壓690V、1000V，電流0.1-180A的長期工作或間斷長期工作的交流電動機(jī)的過載與斷相保護(hù)。該熱繼電器具有斷相保護(hù)、溫度補(bǔ)償、動作指示、自動與手動復(fù)位，該產(chǎn)品動作可靠。另外，該產(chǎn)品符合：GB14048.4、GB14048.5、IEC60947-4-1等標(biāo)準(zhǔn)，可靠性較高。該熱繼電器可與CJX1系列交流接觸器接插安裝，其實(shí)物圖如圖3－2示[18]。</p><p>　　

102、圖3－2 NR4(JRS2)系列熱過載繼電器</p><p><b>　　4、電磁閥的選擇</b></p><p>　　電磁閥選用SSFK-C024型電磁閥，原產(chǎn)地: 浙江宋氏閥控，該產(chǎn)品主要用于太陽能熱水器等潔具類，工作電壓適用范圍廣、交直流3-220V，使用可靠，完全可以達(dá)到使用要求，供水閥、排水閥、除塵閥實(shí)物圖分別如圖所示。</p><p&

103、gt;　　圖3－3 供水閥 圖3－4 排水閥 圖3－5 除塵閥</p><p>　　5、發(fā)光指示燈的選擇</p><p>　　指示燈選用兩色二極管指示燈，當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時，指示燈顯示綠色，機(jī)器通電不運(yùn)行時，指示燈顯示紅色，要求指示燈質(zhì)量可靠，根據(jù)要求，選用TLL0501－HMC型指示燈。</p><p>　　6、隔離

104、變壓器的選擇</p><p>　　本生產(chǎn)線選用BK－100型號隔離變壓器，該隔離變壓器變比1：1，電壓220V AC。</p><p><b>　　7、水箱的選擇</b></p><p>　　水箱的選用要根據(jù)情況來確定。水箱是熱水器重要組成部分。它包括循環(huán)水箱和補(bǔ)給水箱，循環(huán)水箱與集熱器上下水管相連，供熱水循環(huán)之用。補(bǔ)給水箱只與循環(huán)水箱相通，當(dāng)

105、循環(huán)水箱水位低時，以補(bǔ)給冷水之用。</p><p><b>　　1）循環(huán)水箱</b></p><p>　　循環(huán)水箱容量大小是根據(jù)熱水器裝置日產(chǎn)熱水量而定。為了便于加工提高經(jīng)濟(jì)性和通用性，循環(huán)水箱已標(biāo)準(zhǔn)化。目前循環(huán)水箱以容積分為500升和1000升二種，外形均為方形。容積500升的水箱外形尺寸為: 778 X 778 X 880毫米。容積1000升的水箱外形尺寸為:8

106、X 928 X 1300毫米。</p><p>　　循環(huán)水箱的上部均裝有漲水管及透氣孔，其位置稍高于水位。溢水管和透氣孔制成一體，它的作用是保持最高水位平面，同時讓水中空氣由此處排出，避免帶入管道系統(tǒng)，以致造成氣阻損失。循環(huán)水箱的下部均裝有冷水進(jìn)水擋板。這樣冷水進(jìn)入循環(huán)水箱時，通過擋板使之?dāng)U散流入不致將箱內(nèi)上部熱水?dāng)嚮臁?00升與1000升循環(huán)水箱，結(jié)構(gòu)基本相同，后者增加一些肋條和拉條，以增強(qiáng)水箱的強(qiáng)度和則度。&

107、lt;/p><p><b>　　2）補(bǔ)給水箱</b></p><p>　　補(bǔ)給水箱是供給冷水的水箱。自來水不是直接進(jìn)入循環(huán)。水箱，而是通過補(bǔ)給水箱來補(bǔ)給。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可使冷水和熱水隔開，保持循環(huán)水箱中的熱水水溫穩(wěn)定。補(bǔ)給水箱不宜太大，宜狹而長。補(bǔ)給水箱內(nèi)需安裝浮球，以保持最高水位。通用設(shè)計(jì)中最常用的一種補(bǔ)給水箱結(jié)構(gòu)。它的外形為350 X830 X 400毫米，其長度是高

108、度的2倍多。</p><p><b>　　8、傳感器的選型</b></p><p>　　通過各種高性能傳感器對氣候環(huán)境進(jìn)行測量及數(shù)據(jù)采集，并將測量結(jié)果通過接口送至PLC中，PLC根據(jù)控制要求對整個太陽能熱水器進(jìn)行綜合控制。由于系統(tǒng)對環(huán)境的采樣值都是傳感器輸出的模擬信號，而且傳感器與PLC的距離也比較遠(yuǎn)，所以在傳感器的選擇上都采用了4--20mA電流輸出型，從而減小傳輸

109、過程中的干擾，保證采樣值的準(zhǔn)確性與可靠性。溫度誤差可以在電路上或軟件上采取補(bǔ)償措施，不同的補(bǔ)償方法，其整體溫度系數(shù)差異較大，但仍與元件本身的溫度特性有關(guān)，一般將敏感元件和電路的溫度系數(shù)合在一起考慮。一般的溫度傳感器基點(diǎn)漂移較其它的氣象傳感器都要顯著，熱敏電阻屬于吸附元件，在測量過程中必然會受到污染，由污染引起的測量基點(diǎn)漂移，只能用重新檢定的方法加以修正解決。若污染嚴(yán)重，基點(diǎn)漂移量過大，又不能再生，只能將傳感器作報廢處理[19]。<