基于plc的太阳能热水器自动控制系统设计

基于plc的太阳能热水器自动控制系统设计内容摘要：

沈阳 工业大学本科生毕业设计（论文） 8 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 [11]。 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。 太 阳光穿过吸热管的第一层玻璃照到第二层玻璃的黑色吸热层上，将太阳光能的热量吸收，由于两层玻璃之间是真空隔热的，热量不能向外传，只能传给玻璃管里面的水，使玻 璃管内的水加热，加热的水便轻沿着玻璃管受热面往上进入保温储水桶。 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 ” [12]。 真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠集热管，集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水 [13]。 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) 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 [14]。 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。 沈阳 工业大学本科生毕业设计（论文） 9 集热器储水箱太 阳 光T 1 T 2上 水 电 磁 阀 图 22 太阳能热水器水循环原理图 (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 [15]。 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 22)。 (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 [16]。 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。 沈阳 工业大学本科生毕业设计（论文） 10 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 指示 功能 在系统中通过加入限位开关来不断的检测储水箱内的水位， 当水箱内的水位低 设定值下限 时， 低液位指示灯点亮， 上水阀 自动 打开开始加水，当水位上升到 设定值上限 时， 高液位指示灯点亮， 上水阀 自动 关闭，加水停止。 (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 的中的PID 模块计算，控制三通调节阀的开度，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 ，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) 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。 沈阳 工业大学本科生毕业设计（论文） 11 第 3 章 太阳能热水器硬件的选型及设计 PLC 的 工作原理 PLC 采用循环（巡回）扫描工作方式，而大、中型 PLC 还增加了中断工作方式 [17]。 循环扫描即可按固定顺序，也可按用户程序所规定一级顺序（高级和低级顺序）或可变顺序等进行。 因为有的用户程序不需要每扫描一次执行一次，也为的是在控制系统需要处理的 I/O点数较多时，通过不同的模块组合的安排，采用分时分批扫描执行的办法，可缩短循环扫描周期和控制的实时性。 用户将用户程序设计、调试后，用编程器键入 PLC 的存储器中，并将现场的输入信号和被驱动的执行元件相应地接在输入模板的输入端和输出模板的输出端上，然后用 PLC 的控制开关 使其处于运行工作方式， PLC 就以循环扫描的工作方式进行工作。 在输入信号、用户程序的控制上，产生相应的输出信号，完成预期的控制任务。 PLC 的典型的循环顺序扫描土作过程如图 31 所示。 从图 31 中可以看出，一个典型的可编程序控制器在一个扫描周期中要完成六个扫描过程 [18]。 在系统软件的指挥下，的程序流程顺序地执行，这种工作方式成为顺序扫描方式。 从扫描过程中的某个扫描过程开始，顺序扫描后又回到该过程成为一个扫描周期。 进行一个扫描周期所需的时间称为一个扫描周期时间。 沈阳 工业大学本科生毕业设计（论文） 12 开始与网络进行信息交换执行用户程序输出服务采集现场信号与编程器进行信息交换自诊断有故障。 是否有网络超时。 停机出错显示停机出错显示YYYNNN 图 31 PLC 工作原理 沈阳 工业大学本科生毕业设计（论文） 13 硬件设备的选型 PLC 的选型 在本设计中需要用到三个温度传感器和一个液位传感器，由于这四个量是模拟量，而 PLC 只能处理数字量，因此在 PLC 和传感器之间必须加入特殊功能模块，将模拟量转换成数字量再用 PLC 进行处理。 PLC 运算后输出的数字量再经过特殊功能模块转换成模拟量进行控制。 同时又为了最后仿真的需要、相关的性能要求及 PID 运算指令的使用， 决定使用德国西门子 S7 系列 PLC 中的西门子 S7200，如图 32 所示 ： 图 32 西门子 S7200 SIMATIC S7200PLC 是超小型化的 PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。 S7200 PLC 的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能 [19]。 S7200 系列 PLC 出色表现在以下几个方面： (1) 极高的可靠性。 (2) 极丰富的指令集。 沈阳 工业大学本科生毕业设计（论文） 14 (3) 易于掌握。 (4) 便捷的操作。 (5) 丰富的内置集成功能。 (6) 实时特性。 (7) 强劲的通讯能力。 (8) 丰富的扩展模块。 在设计中，需要的输入量有上水阀开关、循环泵开关、电加热开关、洗浴开关和自动手动转换开关等。 输出量有上水电磁阀、循环泵、电加热、排空电磁阀和洗浴电磁阀等。 考虑实际 需要保留一定的 I/O 余量，决定使用 S7200 系列中的 CPU224XP。 M1 L + 0 . 00 . 00 . 10 . 11 M0 . 2 0 . 30 . 4V O0 . 20 . 3 0 . 42 L0 . 5 0 . 60 . 70 . 5 0 . 60 . 7 1 . 0 1 . 12 M1 . 01 . 1 1 . 2 1 . 3 1 . 4 1 . 5L 1M L +A CN3 LI OQ + Q B B +R BA A +R ABA4 至2 0 m A+ 电 压 电 流R S 4 8 52 4 VD C1 2 0 V 2 4 0 VA CVLOADILOADN（ ）L（ + ）N（ ）L（ + ）N（ ）L（ + ）N（ ）L（ + ）..... 图 33 CPU224XP 结构图 CPU 224XP 集成 14 输入 /10 输出共 24 个数字量 I/O 点， 2 输入 /1 输出共 3个模拟量 I/O 点，可连接 7 个扩展模块，最大扩展值至 168 路数字量 I/O 点或38 路模拟量 I/O 点。 20K 字节程序和数据存储空间， 6 个独立的高速计数器（ 100KHz）， 2 个 100KHz 的高速脉冲输出， 2 个 RS485 通讯 /编程口，具有 PPI通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力 [20]。 本机还新增多种功能，如内置模拟量 I/O,位控特性，自整定 PID 功能，线性斜坡脉冲指令，诊断 LED，数据记录及配方功能等。 是具有模拟量 I/O 和强大控制能力的新型 CPU。 沈阳 工业大学本科生毕业设计（论文） 15 其他硬件的选型 (1) 模拟量模块 在本设计中，有三个温度模拟量输入，有一个三通调节阀开度模拟量输出，共计有三个模拟量输入、一个模拟量输出。 为了系统的安全及扩展的需要，要有一些备用的模拟量输入输出通道。 所以，综合各方面的因素决定选用 EM235四输出一输出 模拟量模块，如图 34 所示： R AA +A R B B + B R C C + C R D D + D 增 益偏 移 量配 置 开 关ML + M 0 V 0 I 02 4 V D CA I W 4 A I W 6 A I W 8A Q W 44 m a 2 0 m a0 m a 2 0 m a 图 34 EM235 模拟量模块 EM235 模拟量模块通过排线与 224XP 相连， CPU 通过此模块可以采集于本模块相连接现场的模拟信号，比如：压力、流量等。 可接受电流、电压信号，也可连接两线制变送器。 EM235 有 4 路模拟量输入通道，同时还包括了一路模拟量输出通道，输出电压、电流信号用于连续的控制。 沈阳 工业大学本科生毕业设计（论文） 16 (2) 温度传感器 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。 当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。 测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 本设计选用电流输出型传感器，因为 PLC 控制器有可能距离传感器的位置较远，而电流输出具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。 PLC 的模拟量输 入模块输入电流时，输入阻抗较低。 线路上的干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干扰电压很低，所以模拟电流信号适于远程传送。 又由于为了与 EM235 模拟量 模块相配套，所以温度传感器应选用 PT100 铂热电阻温度传感器。 PT100 铂温度传感器能够将检测到的模拟量信号转换成相应标准电流信号输出。 PT100的 特点 是 ： ① 准确性高。 在所有的温度计中，它的准确度最高，可以达到 1Mk。 ② 输出信号大，灵敏度高。 PT100 热电阻温度计的灵敏度比热电温度计 (热电偶 )高一个数量级。 ③ 测温范围广，稳定性能好。 在振动小而适宜的环境下，可以在长时间。