晏廷辉 基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计 - 图文

红河学院本科毕业论文（设计）

2013年度本科生毕业论文（设计）

基于PLC的太阳能热水器的自动控制系

统设计

院 － 系： 工学院自动化系 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2009级 学生姓名： 晏廷辉 学 号： 200903050523 导师及职称： 徐绍坤（教授）

2013年5月

2013Annual Graduation Thesis (Project) of the College Undergraduate

Solar water heaters based on PLC automatic control system design

Department: College of Life Science and Technology Major: Electrical engineering and automation

Grade:2009

Student’s Name:Yan TingHui Student No.:20090305023 Tutor: Lecturer Xu Shaokun

May, 2013

毕业论文（设计）原创性声明

本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

作者签名： 日期：

毕业论文（设计）授权使用说明

本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。

作者签名： 指导教师签名：

日期： 日期：

毕业论文（设计）答辩委员会(答辩小组)成员名单

姓名 职称 单位 备注 主席（组长）

摘 要

本课题研究了PLC在太阳能热水器自动控制系统中的应用。主要研究了系统软件的设计过程。并指出系统的可扩展性、基本的控制功能和维护的方便性是PLC设计的关键指等。在本文中绘制了系统的工艺流程图；进行了系统的I/O分配；绘制了系统的控制梯形图；控制系统的电气原理图等。

通过PLC对太阳能热水器系统的自动化设计，让系统更加先进、接线简单、使用性提得到提。

关键词: PLC；太阳能热水器；组态王;自动控制系统；热水器；

Design of Solar Water Heater Automatic Control System Based on PLC

Abstract

This study is the application of PLC in the automatic control system of solar water heaters. System software design process. Pointed out that the the PLC design of the key is able to satisfy the basic control functions, and considering the ease of maintenance, the system scalability. In this paper draw a process flow diagram of the system; system I / O assignment; draw the control ladder; electrical control system schematic.

By the transformation of solar water heaters, automatic control system with PLC, system wiring is simple, improved reliability, enhanced the system's

Keywords: PLC; solar water heaters; KingView; automatic control system; water heaters;

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目 录

第一章 绪 论 ............................................................. 1

1.1 研究的目的、意义 .................................................. 1 1.2研究现状 .......................................................... 1 1.3 目前我国太阳能热水器的种类 ........................................ 1

1.3.1 从集热部分来分 .............................................. 1 1.3.2 从结构来分 .................................................. 2 1.3.3 从水箱受压来分 .............................................. 2

1.4 本课题研究的内容 .................................................. 2 第二章 真空玻璃管式太阳能热水器的介绍 ................................... 3 2.1 太阳能热水器系统功能简介 .......................................... 3 2.2 太阳能热水器原理、组成和工作过程 .................................. 4 2.3 太阳能热水器单元介绍 .............................................. 4 2.4 太阳能的安装 ...................................................... 5 2.5 实现的功能 ........................................................ 6 第三章 热水器控制系统的设计方案

3.1 系统硬件部分的设计 ................................................ 7 3.1.1 电路的设计 ................................................. 7

3.1.2 PLC

控制电路的设计 ......................................... 8

3.1.3 PLC的端口分配 .............................................. 8 3.2 系统软件设计方案 .................................................. 9

3.2.1 流程图 ...................................................... 9 3.2.2 设计PLC梯形图及程序 ....................................... 11

第四章 基于组态王6.53的人机界面设计

4.1人机界面设计 .................................................. 12 4.2主画面设计 .................................................... 13

第五章 结 论 ........................................................... 14 参考文献 ................................................................ 15 致谢 .................................................................... 16

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附录I 梯形图 ............................................................ 17 附录II 指令表 ........................................................... 20

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第一章 绪 论

1.1 本课题研究的目的、意义

解决我国工厂热水、住宅小区以及单个家庭的热水使用用太阳能是最有效，最有希望的，也是资源合理利用，节约能源的途径。

在当今科技发展飞快的时代，我们有必要用新的技术手段对太阳能热水器进行改造，提高它的使用效率以及可靠性，并让它尽可能的实现自动控制提高它的稳定性。

太阳能热水器是在太阳能热能源利用中应用最普遍的技术 。我们选用速度快、体积小、可靠性高、编程简单和功能全的PLC来控制。因此我们设计开发一种新型的基于PLC的太阳能热水器自动控制系统。 1.2 研究现状

我国是个人口大国，这样对太阳能热水器的使用需求量更大，目前我国已经成为太阳能热水器的最大生产国，但太阳热水器的控制部分还在属于开发研究阶段。近年来，我国出现了一下太阳能热水器的控制部分，但大多数控制器都存在很多问题，比如误差大、控制器出现故障等，这样影响太阳能热水器的使用效率。太阳能热水器及控制系统有这很大的发展空间，因此应该加大对太阳能热水器的开发和控制系统的设计。而且太阳能是一种大自然赐予我们的可再生能源，我们应该更加合理有效的利用到生产和生活当中，使太阳能能源更大化，减少浪费。

1.3 目前我国太阳能热水器的种类

1.3.1 从集热部分来分

（1）真空玻璃管型 玻璃真空集热管是真空管太阳能热水集热器的不要器件，它里面是真空的，这样可以减少外界空气和热与外界传导中的损失，并且增加了吸热涂层，增加了它的吸热效率。这样的集热器可以在阳光照射不好的情况下也能继续使用。

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第一章 绪论

优点：不在需要添加保温层，真空的玻璃管集热器在保温上都是很好的。 缺点:体积比较庞大，管中容易集结水垢。在冬季温度极低的时候容易结冰，结冰后管子被出现爆裂，抗冰冻性能比较差。

(2) 金属平板型 传热性能极佳的金属片上，覆盖上吸热涂层，使真空集热管的辐射热损降到最低冷地区的冬季及低日照与天气多变地区运行。利用金属的传热性，将吸收的热量传于水箱中。

优点：外观美观，安装方便，可以做成平板，而且不容易损坏。 缺点：保温要花很大的代价，成本高。 1.3.2 从结构来分

(1)普通式 像电热水管似的，直接将真空玻璃管放到水中，使水温升高。

(2)分体式热水器 分体式热水器一般分为两种：一种是靠水自己循环的，

这样效率比较低;另一种是靠水泵循环的，这样虽然比靠水自己循环的效率高，但还是不能满足人们的需求。 1.3.3 从水箱受压来分

(1)承压式 不管那种热水器，都有一个重要的缺点，必须用承压式水箱，直接考验集热部分的密封性能；它的生产成本高，存在一些安全性；并且循环效果不好。

(2)非承压式 一般非承压式都安装在房顶，水箱中有一根管子与外面大气相连，利用高度落差，产生压力。安全性成本，使用寿命比承压式显著多。 1.4 研究的内容

本课题研究的内容是用PLC控制太阳能热水器系统，实现太阳能热水器系统自动化控制及手工控制，使其满足实际各种控制需要、使更多的工作免于人参与、使系统更加稳定可靠。具体研究工作从以下方面展开：

1）确定系统的各种工序，绘制系统的工艺流程图。 2）设计、绘制梯形图，满足各控制要求。 3）绘制电气原理图、外部接线图等。

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第二章 真空玻璃管式太阳能热水器的简介

2.1 太阳能热水器系统功能介绍

太阳能热水器系统的结构图

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第二章 真空玻璃管式太阳能热水器的简介

这种热水器主要具有这两种功能:水箱加热和水温控制。 1、水的温度控制

为了使温度不低于35℃的水，我们进行如下操作：

首先，我们将循环水阀门和冷水阀门关闭，然后采集水箱的温度，进行比较，当加热温度达到或者高于350C时加热器不工作，当水温没有达到时，电热器接通并且加热，同时采集热水箱中的温度。当温度达到350C时加热器断开，这样一直循环下去保持水箱中的温度不没有太大的变化。

2、加热水箱控制

在没有阳光或者阳光很弱时，晚上我们是不是还可以洗热水澡呢？这是必须可以的。因为我们这款太阳能热水器有这样一个功能，在这个时候就是它派上用场的时候了。当热水箱温度为A，让它和设定值B进行比较。工作时间设定为6点一21点，过程是这样的: 当A

2.2 太阳能热水器原理、组成和工作过程

1、太阳能热水器原理及组成

热水器主要由水箱、集热器和循环管道等构成。当集热器吸收太阳光后，温度上升，水温也跟着升高。水温升高后，水的密度降低，由水管进入到循环水箱。而且循环水箱下部份是冷水，密度比热水的高，在由水箱下部流到集热器下部分，水在集热器内受热后又由上升水管进入到循环水箱中。这样持续的循环，水温慢慢得到提高，当散失的热量和吸收的热量达到一个平衡点的时候，温度将不再升高。

2、太阳能热水器的工作过程

1） 吸热过程。玻璃板让太阳光透过，然后被集热板吸收并传递到管内的水。水吸收热量后温度升高，密度变小从而上升。跟随这热水的不断上升而且存储在水箱的上半部分，而且由循环管道持续的添加冷水，这样一直持续的循环，使整个水箱的水温都达到一定的温度。

2） 循环管道。集热器的热交换效率主要取决于管路分布、水循环管路和管径。 水在流动过程中产生的阻力是集热器管道中的主要阻力，影响最小的是局部阻力，

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而其中比主管阻力要大得多的是支管的沿程阻力。水温升高后，局部的阻力变大，沿程阻力变小。当主管内的直径不在改变，加大支管内的直径，所有阻力将会变小。

2.3 太阳能热水器单元介绍

1、集热器

太阳能热水器的主要器件是集热器，它由保温层、透明玻璃和吸热体等构成。将一个涂了黑色的金属片放在阳光下，它将吸收太阳光并提升温度，并且向周围散发热量。当它吸收的热量跟发散的热量持平的时候，这块金属将不在升温了。当有流到存在金属片上的时候，热量将会被流体吸收，为了达到温度平衡，这块金属片还有继续吸收太阳光。根据这个原理，设计出了太阳能集热板，并加入玻璃盖板，让温度不不发散，这样提高了集热板的集热效率。

2、循环管道

当太阳能热水器配置已经确定后，循环水箱、集热器都已经基本可以确定了。但合适的管道是太阳能热水器运行起来的前提条件，把水箱和集热器连接起来，才能使循环系统完整。

3、热水器水箱

水箱是热水器重要组成部分。它由补给水箱和循环水箱组成，集热器和循环水箱由水管连在一起，供热水循环之用。循环水箱与补给水箱相连，当循环水箱水位不够时，补给水箱给它补充冷水。

1）循环水箱

它是保持最高水位的作用，同时排除水中的空气，从而不让空气带入管道，避免造成温度损失。

2）补给水箱

补给水箱是提供冷水的。自来水是通过补给水箱提供的，并不是直接流入循环水箱的。这样可以将热水和冷水隔离开，从而保证循环水箱的热水温度保持稳定。

2.4 太阳能的安装

太阳能热水器的使用越来越广泛，在使用中一两台是不能满足人们的需要，因此在住在小区中大多采用多台太阳能串联或者并联使用，下面介绍一下他们是怎么安装的。

1、太阳能的串联安装方式

当一个太阳能热水器不能满足一栋住宅小区的使用时，我们通常选择多台太阳能热水器串联在一起使用，连接方式如图。

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第二章 真空玻璃管式太阳能热水器的简介

由图中可知，第一台将水箱上方的热水通过导管流入到第二台的水箱中，第

二台水箱添加一个导管与大气相通，减少由第一台留过来的热水的阻力。

串联安装的优点：只需要对后面的太阳能装加热器，对一台水箱加热，比较省电。 串联安装的缺点：补水比较慢，对于短时间用水比较大的用户供水来不及。 2、太阳能的并联安装方式 两台太阳能并联安装示意图：

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两台及两台以上并联的太阳能热水器应该注意的是他们使用的是同用一个补

给水箱水箱，而且所有太阳能热水器的出水阀流量应该匹配，不至于一部分热水器用光，一部分的没有使用。 并联安装的优点：

两台太阳能同时进水和出水，能够提供小区所有用户使用。 并联安装的缺点：

每台热水器都需要安装电热器，有点费电

2.5 系统的要求

根据人们的需要，该太阳能控制系统具有以下功能：

1、自动控制功能。当系统在自动控制时，能够控制供水和电磁阀的开关。定时控制器能够正常工作。所以让他作为PLC的电源，让它在设定的时间内接通PLC的电源 ,PLC 按程序所设定的，按顺序打开各设备电源并按程序进行工作。

2、除尘功能。设置一个温度，使用温度开关检测，当温度达到时进行工作。 3、水箱液位控制功能。设置一个最高水位和最低水位。 4、水箱应具备供热水、保温的基本功能。

5、报警功能。当出现故障时，报警启动，开始报警。 6、可实现手动/自动控制切换。

7、多台同时工作，可以让更多用户同时使用，不至于断热水

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第三章 热水器控制系统的设计方案

第三章 热水器控制系统的设计方案

由太阳能热水器的安装方式确定本设计选用多台太阳能热水器并联使用，这样可以让小区的热水不间断，不至于出现断水，下面将对一台热水器的硬件和软件部分进行设计，这对每台热水器都可以使用，这样控制每台热水器，来达到对所用的进行控制。

3.1系统硬件部分的设计

根据控制的需要，确定PLC的控制规模，计算出所需的点数，适当增加备用端口，便于以后工作中增加其他控制功能或者当出现损坏时可以换另外接口使用。并且在确定PLC控制规模后要确定存储器(用于存储用户程序和数据)的容量，并增加一定的备用量，以便增加用户程序。 3.1.1 系统电路的设计 1、主电路的设计：

1) KM1控制电机的正转，KM2控制电机的反转。 2) 电动机有热继电器实现过载保护。

3) 电源开关Q可完成回路的电路保护和隔离三相交流电的作用，让维护和使用更加安全方便。

4) 由FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分别实现各负载回路的短路保护作用。 根据上述设计原则绘制出电气控制主电路图。

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3.1.2 PLC控制电路的设计

根据系统的控制要求，绘制出系统的控制原理图及PLC接线图。

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第三章 热水器控制系统的设计方案

3.1.3 PLC的端口分配

根据设计编制出I/O分配表

PLC的输入端口分配 输入代号 工程名称 点 X0 SB 启动按钮 X1 SB1 总停按钮 X2 SL1 温度开关（常开） X3 SL2 温度开关（常闭） X4 SB2 手动上水开关 X5 SB3 手动排水开关 X6 SB4 手动消音开关 X7 SB5 手动加热开关

PLC的输出端口分配

输出点 代号 工程名称 Y0 HL 启动指示灯 Y1 HL1 总停指示灯 Y2 HL2 除尘指示灯 Y3 HA 报警蜂鸣器 Y4 HL3 故障指示灯 Y5 YV1 供水电磁阀 Y6 YV2 排水电磁阀 Y13 KM1 除尘电机正转接触器 Y15 YV3 除尘阀 Y14 KM2 除尘电机反转接触器

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3.2 系统软件设计方案 3.2.1 系统控制流程图

1、建立系统控制流程图

根据系统的控制要求，绘制系统控制流程图 1）主程序控制系统流程图

2）除尘程序流程图

3）水位程序流程图

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第三章 热水器控制系统的设计方案

4）温度程序流程图

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3.2.2 设计PLC梯形图及程序

程序设计：用流程图表达出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。由系统的流程图设计出系统的程序和梯形图，见附表。

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第四章 基于组态王6.53的人机界面设计

第四章 基于组态王6.53的人机界面设计

人机界面（HMI）监控系统由监控主画面和及其相应的功能子画面组成。人机界面画面设计对于人机界面来说是及其关键的。人机界面（HMI）画面是运用组态软件来实现的。

组态工程由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分组成。 组态王软件的主要功能特征：

1）工业过程动态可视化，运用动画的效果显示图形、丰富的图库和动画连接。 2）变量可具有导入导出功能，变量可以导出Excel表格中，有效的方便了对变量名称及其属性进行修改，然后再导出新工程中实现变量的有效利用，节省了开发时间。

2）强大的分布式报警、支持实时、历史数据的分布式保存。

3）丰富的设备支持率，支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块。 4.1人机界面设计 打开桌面

图标，创建一个新的工程。如图

在工程中建立太阳能热水器工程，并单击该工程，进入工程开发画面。

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双击vcx nf进入主画面，如图即为太阳能热水器的控制主画面

4.2 主页画面的制作

创建一个新画面，将新画面的名字定义为主页。在组态王工具箱按钮中，创建五个按钮，依次是登录、退出登录、更改口令、配置用户、EXIT五个按钮，并写清自己的姓名、学号、专业等相关信息，

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第五章 结 论

通过本次课程设计，让太阳能热水器的控制系统达到了各种要求，并完成了对太阳能热水器的PLC自动控制。实现了自动控制与手动控制的互换，让操作起来更加人性化。让更多的太阳能热水器可以同时运行，使对热水使用量大的地方能够更加方便。提高了系统的可靠性，达到了设计目标。设计中还是存在着一些不足，本系统还有待进一步的完善、改进。

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参考文献

[1] 徐绍坤、熊伟等，PLC编程设计教程[M]，中国电力出版社2011.1. [2] 刘敏.可编程控制器技术[M]. 北京：机械工业出版社.2000,57-86 [3] 唐介，电机与拖动[M]，高等教育出版社，2007.12. [4] 熊伟，工业组态软件及应用[M]，中国电力出版社2012.2. [5] 冯德纯,贾玉英，等.真空玻璃，中国玻璃，2002年第26卷第1期 [6] 姚伟.太阳能利用与可持续发展[J ].中国能源，2005，27(2):46-47 [7] 徐绍坤、刘玉福，工厂电气控制技术[M]，中国电力出版社2011.1 [8] 赵缓,越慧，等.我国太阳能资源及其开发利用，经济地理，1998，98-125 [9] 刘文强.我国太阳能热水器产业发展现状及展望，2002年第4卷(第104卷), [10] 陆维德.我国太阳热水器产业的发展，太阳能,1999年第4期，

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致 谢

本文是在徐绍坤老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，徐绍坤老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在毕业设计、论文写作阶段，徐绍坤老师给予了我很多的指导与帮助。

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附录Ⅰ 梯形图

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附录Ⅱ 指令表

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