基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计

基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计

摘 要

本课题研究了可编程控制器（PLC）与变频器在太阳能热水器控制器中的应用。并详细介绍了太阳能热水器的工作原理、工作过程、系统要求，重点研究了系统要求中的光辐射探测及循环水泵的控制、水位控制、压力控制、加热控制、防冻控制等。指出了系统的硬件构成及系统软件的设计过程。

课题通过选用s7-200型号PLC控制器，通过光辐射探测器检测光照强度来确定循环泵的启动与否，利用温度传感器检测集热器的温度来实现防冻控制，利用水位传感器检测热水箱中的水位高低实现水位控制，利用压力传感器检测管网末端压力值并通过变频器控制水泵运行来实现压力控制，温度传感器检测管网末端的温度从而控制锅炉的启停来实现了加热控制。同时运用了CPU224及两个EM235完成了对系统的控制，并考虑维护的方便性、系统可扩展性等。

通过用PLC对太阳能的改造，已经基本实现了系统控制的各个要求，大大减少了系统对其它元器件的使用，从而使系统接线简单、检修维护方便快捷、可靠性提高，增进了系统的先进性，大大减少了制造成本，可以使更多的用户使用太阳能热水器。

关键词: PLC；太阳能；变频器；热水器；自动控制系统

基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计

Abstract

This subject research of the programmable controller (PLC) and frequency converter in the application of solar energy water heater. And introduces the working principle of solar energy water heater, process and system requirements, focus on the system hardware structure and software design of the system process. Points out the key design is mainly PLC can meet the basic control function.

The article, through selecting s7-200 PLC and use CPU224 model and two EM235 completion of the system control, and consider the maintenance convenience, system scalability, etc. In this paper in the system to determine the research of each working procedure, to draw the system; the process flow diagram. The system I/O and soft components distribution, PLC, frequency converter and the various sensors selection of type selection and parameter design; According to the system design requirements of the system design drawing ladder diagram of the system hardware and control such as the wiring diagram. And introduced the frequency converter constant pressure water supply and the PID control principle.

Through the use of solar energy PLC's reform, has realized the system of basic control all requirements, greatly reducing the system to the use of other components, so that the system is simple, maintenance convenient connection quick, reliability, and enhance the system's advanced, greatly reducing the manufacturing cost, can make more users use solar energy water heater.

Keywords: PLC; Solar; Inverter; Water heater; automatic control system

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目录

第一章 绪 论 ............................................................................................. 1 第二章 太阳能热水器的综述 ........................................................................ 3

2.1太阳能热水器的介绍 ..................................................................................................... 3

2.1.1 概述 ................................................................................................................................. 3 2.1.2 太阳能热水器的基本知识 ............................................................................................. 6

2.2 工艺示意图 .................................................................................................................... 7 2.3 工艺流程图 .................................................................................................................... 8 2.4 太阳能热水器组成、原理和工作过程 ...................................................................... 10 2.5 系统的要求 .................................................................................................................. 11 2.6 本章小结 ...................................................................................................................... 12

第三章 太阳能热水器控制器硬件设计 ....................................................... 13

3.1 PLC的选择 ................................................................................................................... 13

3.1.1 概述 ............................................................................................................................... 13 3.1.2可编程控制器应用领域 ................................................................................................ 16 3.1.3 s7-200的概述 ................................................................................................................ 17 3.1.4 CPU224的概述 ............................................................................................................. 18 3.1.5 EM235的概述 ............................................................................................................... 24 3.1.6 梯形图概述 ................................................................................................................... 26

3.2 各单元功能作用介绍 .................................................................................................. 27 3.3 变频器的选择 .............................................................................................................. 30

3.3.1 变频器的特点 ............................................................................................................... 30 3.3.2 变频器恒压供水工作原理 ........................................................................................... 31 3.3.3 变频器的选择与参数设计 ........................................................................................... 31

3.4 PID控制原理 ................................................................................................................ 33 3.5 传感器的选择 .............................................................................................................. 33

3.5.1 温度传感器 ................................................................................................................... 33 3.5.2 液位传感器 ................................................................................................................... 34 3.5.3 压力传感器 ................................................................................................................... 35 3.5.4 光辐射探测器 ............................................................................................................... 36

3.6 系统硬件接线图 .......................................................................................................... 36 3.7 本章小结 ...................................................................................................................... 36

第四章 太阳能热水器控制器软件设计 ....................................................... 38

4.1 PLC的I/O口分配与软元件的分配 ............................................................................ 38 4.2 软件组成 ...................................................................................................................... 39 4.3 系统控制流程图 .......................................................................................................... 40 4.4 设置梯形图程序 .......................................................................................................... 45 4.5 本章小结 ...................................................................................................................... 46

第五章 程序调试 ............................................................................................ 47

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第六章 总 结 ............................................................................................ 48 参考文献 .......................................................................................................... 49 致 谢 .......................................................................................................... 50

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第一章 绪 论

随着实用型单晶硅电池和选择性太阳吸收涂层的研制成功，以及常规能源供给的有限性和环保压力的增加，开发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容。太阳能是可再生能源，环保无污染。在科学飞速发展的今天，太阳能已经应用到了很多领域，比如先端科技的卫星，美国将太阳能融入智能电网，还有如今最为普遍的太阳能热水器。热水器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术。当然用太阳能解决我们热水问题是最好的。用太阳能解决我国家庭热水是最有希望的、最有效可行的途径。太阳能光热应用市场前景广阔，除家庭用热水外，还可用于工业热水、采暖、空调、干燥、农业种植、水产养殖、海水淡化等领域。从发展角度看，城市家庭生活热水的供给不应由业主考虑，而应与建筑设计开发同时进行。在此基础上设计出了全玻璃真空管式热水器的自动控制系统。

在电子技术飞速发展的今天，有必要而且有可能采用新技术对原电气控制系统进行改造，以提高可靠性，并实现系统的自动控制，提高太阳能热水器稳定性。可编程控制器由于可提供使用的时间继电器和中间继电器相当多，而且其常开常闭触点可多次重复使用，使得我们在编程中可以随心所欲。用内部编程“软元件”取代继电器逻辑控制电路中大量的时间继电器和中间继电器，简化控制线路、有效提高系统的可靠性，是PLC的突出特点。

目前，我国大部分太阳能热水器控制部分，往往需要大量的中间继电器和时间继电器来满足生产工艺要求，结果使电路设计复杂、繁琐，故障时有发生，给使用和日常维护带来了很大的不便。太阳能热水器是太阳能热利用中商业化程度最高 、应用最普遍的技术 。但是在热水器自动控制系统中大多采用单片机控制 ，单片机开发价格较高，而PLC开发价格便宜。选用PLC控制，它具有速度快，可靠性高，体积小，功能全，编程简单的特点。目前市场上出现的国内外生产的PLC已有300多种，而且功能也日趋完善。但是其主要参数仍有较大的差别，例如I／O点数、存储器容量、扫描速度、指令数、编程语言、模拟量I／O模块及智能模块、通信功能等却各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理地选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用起着重要作用。所以，我们的目标是通过改进或完善已有太阳能热水器控制系统的不足，设计开发新型太阳能热水控制系统—基于PLC的太阳能热水器。

太阳能本身是一个不断变化、而影响其变化的因素又较多、极其复杂的非线性变量，太阳热水系统工程是一个非线性系统，很难建立精确的数学模型，因此采用传统的控制方法难以得到较佳的控制效果。而模糊控制是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制方法。这种控制方法是一种智能的、非线性的控制方法，对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得较满意的控制效果，解决一些用传统控制方法无法解决的问题。太阳能热水器控制器采用PID控制算法，这种算法对固定参

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数的线性定常系统是非常有效的。通过调整PID控制器的参数，一般都能得到比较满意的控制效果。

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第二章 太阳能热水器的综述

2.1太阳能热水器的介绍

2.1.1 概述

我国太阳能历史可追溯到1958年，天津大学有12.6平米的太阳能浴室。到1973年世界能源危机，寻求可再生能源，我国在上世纪70年代末起，加大研发与生产太阳能集热器。1979年前后我国有些单位迎头研发全玻璃真空管集热器。清华大学运用电真空物理的背景，坚持了下来。结构就是一个拉长的暖棚，只不过在内玻璃管上有一层选择性吸收涂层。

清华大学的发明专利就是铝—氮/铝太阳选择性吸收涂层，在世界上开创用单个铝阴极通过磁控溅射制备红外低发射率低层、铝—氮化铝吸收太阳光的陶瓷薄膜和淡化铝减反膜三个部分。使用真空管的集热器可在严寒、低太阳辐射下利用，很适合多种气候。这是一个选择性吸收涂层的结构，吸收层每层只有10到30个纳米，低发射层是到150纳米。

太阳能热利用产业的发展。在突破了太阳选择性吸收涂层的核心技术，通过产学研结合，生产性能价格比较好的介质。

2001年到2006年太阳能热利用产业快速发展。2006年销售额近300亿元，提供就业机会60多万个。中国太阳热水器2005年安装量为世界的77%。真空管型约占世界总产量的90%以上，硼硅玻璃3.3年产量约占世界70%，吸气剂约占世界95%以上，年约1.9亿支真空集热管用，年约0.9亿支显像管用。大量显像管都在中国生产，吸气剂也在中国生产。这三个方面我们已经走在前面。形成配套的产业链。3.3的玻璃30万吨其中用于真空管有28万吨。真空管镀膜生产线1000条及配套设备，生产能力为2亿支，装配约2000万平方米太阳能热水器，还有配套设备。一些骨干企业做了技术改造，提高了企业的装备水平和条件。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，技术还有尚须改进，因而对于企业来说还有较大的成长空间。

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

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热管。在90年代全玻璃真空集热管的科技成果通过中试转化为生产力——形成自行设计和配套的集热管生产线是科技攻关的最杰出的成果。

2007年，中国太阳能热水器产量的增长速度约为30%，年产量达2340万㎡（16380MWth），总保有量约为10800万㎡（75600MWth）（太阳能热水器寿命按10年计算，1997年前的保有量作废）。2007年，太阳能热水器市场销售额约为320亿元人民币，产值亿元人民币以上的企业有20多家；2007年，太阳能热水器的出口额增长约为28%，6500万美元左右，产品出口欧洲、美洲、非洲、东南亚等50多个国家和地区。

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，除桑乐、皇明、清华阳光、华扬、太阳雨、力诺瑞特等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越来越强烈，中国太阳能热水器市场潜力巨大。

随着人们环保意识的不断加强，越来越多的消费者倾向于选择太阳能热水器，但很多人对使用这种产品又不是很了解。在这里，我们将太阳能热水器、电热水器和燃气热水器的性能作一个粗略的比较。

一、热水产量方面

燃气热水器有5升、7升、8升等不同的型号，是指在1分钟内将水温升高25℃时所产的热水量，如果自来水的温度为25℃，则每分钟可产50℃的热水5升、7升或8升。

电热水器的标注则是30升、60升、90升等等，这是指电热水器的容水量，相当于我们在电炉子上加一个水壶，这个水壶的盛水量是30升、60升、90升。拿一个8升的燃气热水器与一个40升的电热水器相比较，8升的燃气热水器可连续不断地产生每分钟8升的热水，而电热水器需要间隔半小时加热一罐水。如果这一罐水用完，还要等半小时左右。

太阳能热水器按照年平均气温15.7℃、年日照时数2014小时、太阳总辐射总量年均为111.59千卡/平方米计算，如果集热面积为2平方米，年吸收太阳辐射能量为9.37×106千焦，按把水温升高35℃计算（基础水温10℃），全年可提供生活用热水（45℃）53.5吨，每人每次洗澡用热水约需50公斤，则全年可洗1070人次，平均每天可洗2.93人次。

二、加热速度方面

目前生产的燃气热水器大多为快速热水器，不论什么时候，只要想用热水，打开

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燃气阀和水龙头，热水就会流出来。而电热水器需要预先通电半小时左右，才能开始使用。太阳能热水器在天气晴朗的时候使用更好，最理想的楼层在六至八层。

三、温度稳定性方面

燃气热水器由于是快速加热，并有调整温度装置，只要在使用开始时调到人体感觉舒适的温度，而后就会一直保持在这一温度恒定地供应热水。

电热水器在使用时需要另外接一根冷水管兑入冷水，当罐内水不断流出，冷水不断加入时，水温就会逐渐下降，直到全部是冷水。所以在使用时，需要不停地去调整冷热水的比例。

太阳能热水器使用起来暂时还不大方便，要上水，且不能保证时时有热水。 四、功率方面

燃气热水器的功率要比电热水器大很多，拿一个8升的燃气热水器和40升的电热水器相比较，8升燃气热水器的功率相当于16-17千瓦，而40升的电热水器一般为3千瓦，这也是为什么燃气热水器可连续供应热水的缘故。那么，电热水器是否也可做成16千瓦的呢？这是不可能的，因为家用电表、电线都无法承受。

五、价格方面

8升的燃气热水器价格一般在800元以上，再加上安装费，大约在1000元以上，有的甚至接近2000元。电热水器现在都在500元以上，加上安装费用，一般不到1000元。太阳能热水器的价格都在3000元以上。

使用费用方面，目前天然气每立方米为1.7元，每度电为0.44元，而太阳能热水器仅耗水费。

假设太阳能热水器和电热水器的使用寿命都是10年，在使用成本方面，电热水器就算省着用，一天一罐水，一年要600元左右的电费，太阳能热水器一年估计 40多天要用电，算100元电费，十年省5000元左右。购买成本方面，电热水器1000多的就不错了，而买太阳能热水器比电热水器要贵不少，比较好的产品150立升全套下来要在4000元左右，比电的贵3000元左右。综合考虑购买成本和使用成本，使用太阳能热水器10年省2000元左右。

六、安全性方面

燃气热水器的优点是加热快、出水量大、温度稳定、结水垢少、占地小、不受水量控制。缺点是使用时要排出大量的废气，废气中除了二氧化碳以外，还有一氧化碳，如果使用时关闭门窗，通风不良，一氧化碳会增加，严重时会发生中毒事故，但如果能正确地了解这一点，使用时注意，也是很安全的；另外，燃气热水器启动水压高，有些住高层的用户如果不装增压泵就无法起动；安装不方便，要在墙上打洞、安排气扇等。

电热水器的优点是能适应任何天气变化，普通家庭可直接安装使用，长时间通电

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可以大流量供热水；使用时不产生废气，所以从这一点上讲是既安全又卫生，目前市场上销售的电热水器多数还带有防触电装置。缺点是体积大、占用室内空间大、易结水垢、对电能浪费大，最新型的电热水器内置了阳极镁棒除垢装置，解决了产品容易结垢的问题，但阳极镁棒须两年更换一次，给保养带来了麻烦。

太阳能热水器的优点是安全、节能、环保、经济，尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主、电能为辅的能源利用方式，可全年全天候使用。缺点是安装复杂，安装不当会影响住房的外观、质量及城市的市容市貌；因要安装在室外，维护较麻烦。

2.1.2 太阳能热水器的基本知识

太阳能热水器分为三种，即普通太阳能热水器、全天候太阳能热水器、全自动太阳能热水器 。普通太阳能热水器就是最基本的热水器，在晴好天气可能出热水正常使用，但阴天时如果储藏的热水用完了，就不能出热水了。全天候的热水器常备有电加热系统，当阴天时打开电加热开关，就可以出热水了，阴雨天照样能使用。如果再配套一个小容量的电热水效果更好。全自动太阳能热水器就是能够对热水顺利进行简单管理的热水器，装有定时电加热装置和定时上水装置，这种热水器一般无须人专心管理，只要打开热水器就可以出热水。热水器往往配有水位、水温显示器，使您对屋上的热水器的工作状态基本了解，有的控制仪还有排空和循环功能使热水器更好使用。

太阳能热水器具有保温功能，其真空玻璃集热管是双层玻璃构成，内表镀上热吸收层，两层之间为真空，这样相当于一个拉长的保温瓶。热量只能进不能出，热水器水箱是采用双层不锈钢板构成，中间是聚胺脂整体发泡的保温体，保温作用十分明显，一般合格的太阳能热水器每天温度下降在5℃以内。

按照冬季日温升50度来设计真空管与水箱容积配比，正常情况下，太阳能能达到50-70度，如果夏天连续几天未用，太阳能中水温有可能达到70-90度。真空管太阳能热水器效率高，在夏季晴天的情况下，不到两天水温可达沸点，若长时间不用水，如出差、旅游时，使水箱内长时间处于高温、高压的状态下，会促进密封圈的老化，加速聚氨酯的老化、萎缩，有时排气不畅通，压力太大还会使水箱胀坏，还会结水垢，缩短水箱的寿命。因此，若你长期不在家，应安排别人经常放热水上冷水，或者在真空管集热器上放置遮盖物挡住阳光，待回家后，再除去。

太阳能里存储的热水如果几天未用，最好不要用来洗澡。因为太阳能热水器好几天未用的水一般都是较热的水了，达到70℃以上，尤其在夏天晴朗天气超过2天，水就会沸腾，到夜间会适当降温，使水温保持在60℃－70℃区域时间很长，而这个温度区域是水中细菌繁殖的极佳温度，因此，如好几天或长期不用的热水，水质较差，细菌多，要排放掉，不要洗澡或用来烧开水等饮用，这样的水洗澡对皮肤不利，长期

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使用这种水洗澡会引发皮肤病。

太阳能热水器投入使用后，要经常使用，建议每天最好使用4至5次，间隔时间在4小时以内，这是因为：一、长时间地用水，对楼层较低的用户来说，所用到的水实际上是管道中的低温水（太阳能热水器里面的水停留在管道中降温后形成）；尤其在北方冬季，外界气温低，有时达到－25℃以下，上下水管路内的水凉地很快，若是六层楼，一楼用户每次需放掉一脸盆冷水，特别浪费，如果频繁使用就好一些；二、能有效防冻，让上下水管路始终有热源，加上保温层，可有效防冻。在北方冬季，不少人还采用室内稍微打开热水器阀门，往下滴水的办法来防冻。

当冬季时，日照强度低，日照时间短，且环境温度低，有可能当天上水当天达不到预计温度，此时可适当控制水箱内水量，或在必要时启动电辅助系统，或燃气辅助系统。热水器里的热水不需要放掉，因为水箱中的水是由热容的，也就是说太阳能水箱中的水是有一定热量的，水量越大，热容越大，越能延缓结冰的速度。如果把水放了，真空管中的水是放不出来的，热容变小了，容易结冰。

使用太阳能热水器时，还应注意热水合适上满与最佳上水时间，一般太阳能热水器安有溢流管，可根据溢流管是否排水判断水满状态，另外可以配备水位控制仪，水满自动报警，根据报警判别。真空管内无水时，即空晒状态下，管内温度能达到250℃左右，此时上水造成真空管爆裂，故在水箱内无水或第一次上水时必须在日出前或太阳落山半小时后进行。

使用太阳能热水器要注意使用安全：一是防止使用者烫伤，全国近两年来已有数例被烫伤的病例，被烫伤者往往认为太阳能产生的热水温度不会太高，实际上在夏天太阳能热水器中的水温往往达到80℃以上，使用者不注意往往被烫伤，在刚放水洗澡时要注意到起先放出的是水管中储存的部分凉水，一旦太阳能热水器中的水流到，温度会忽然上升到80℃以上，造成烫伤；二是要把热水器紧固以防台风将其从房项吹落，造成伤害。除此之外，使用太阳能热水器还应注意以下事项：

1、注意上水时间。

2、根据天气情况，决定上水量，保证洗浴时适当的水温。 3、定期检查热水器的管道，排气孔等元件是否正常工作。 4、大气污染严重或风沙大、干燥地区定期冲洗真空管。

5、热水器安装后，非专业人员不要轻易挪动、装卸整机，以免损坏关键元件。

2.2 工艺示意图

太阳能热水器一般主要由太阳能集热箱，集热器，混合水箱等几部分组成。其工艺流程图如图1所示，图1中当光辐射探测器检测到有阳光射入时，将相应电信号（0~20mA）输入PLC控制器，控制器输出信号启动循环泵实现循环，实现了对自来水的循环加热，同时，自来水与被加热的水还将流入混合水箱，使之达到合适的洗浴

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温度，最后传给用户使用。

当温度较低且无光照时，此系统还具备防冻控制。无光照时，集热器中设置有温度传感器，当温度小于4度时，将相应电信号（0~20mA）输入PLC控制器，循环泵启动，当温度大于8℃时，防冻循环停止。在太阳能集热相中，当水位低于设定水位时，集热箱中水位传感器检测到的电信号（0~20mA）输入PLC控制器，控制器输出信号启动补水泵补水。集热器管道中设有靶流开关，当管道中无水流时，靶流开关将信号送入PLC控制器并报警。供水管中设有压力传感器检测供水管网压力，当管网压力不合适时，通过变频器控制管网压力实现定压控制。混合水箱达不到设定温度时，管网末端的温度传感器将电信号传入PLC，通过PLC控制自动启动锅炉，加热到合适温度时停止加热。

光辐射探测器温度传感器(防冻)集 热 器PLC控制器水流开关PLC控制器温度传感器水位传感器自来水补水泵水流开关变频器混合水箱温度传感器(温度低启动锅炉)管网压力测定用户太阳能集热水箱

图1 太阳能热水器工艺结构示意图

2.3 工艺流程图

通过理解太阳能热水器工艺结构示意图，我们不难完成此热水器的流程图，流程图如下：

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开始 自来水进入太阳能集热水箱 否 是否有阳光摄入 是 否 集热管是否有水流 报警器报警 是 循环泵启动 集热器加热 冷热水进入混合水箱 用户 热水器上电后，自来水进入太阳能集热箱，此时光辐射探测器检测是否有光摄入，若有足够光强摄入，PLC控制器将检测集热管是否有水流，如果没有水流，则报警器

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报警。如果有水流，则循环泵启动，集热器开始加热，集热完毕后，将加热的热水与冷水一同进入混合水箱以提供合适的水温进行洗浴，最后，热水器将温水传送给用户使用。

2.4 太阳能热水器组成、原理和工作过程

1、热水器组成及原理

太阳能热水器是太阳能成果应用中的一大产业，它以环保、安全、节能、卫生等优点，迅速赢得了广大消费者的青睐，中国，是一个能源消耗大国，每年全国能耗约占全世界能耗总量的1∕3，而全国总能耗中，有1∕3是来自建筑能耗。“向屋顶要能源”，太阳能热水器就是吸收太阳的辐射热能，加热冷水提供给人们在生活、生产中使用的节能设备。

热水器主要由集热器、水泵和水箱等组成。下图为典型的热水器装置简图。图中集热器1按最佳倾角放置，下降水管2的一端与循环水箱3的下部相连，另一端与集热器1的下集管接通。上升水管5与循环水箱3的上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。补给水箱4供给循环水箱3所需的冷水。当集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。水温升高后，水的比重减轻，经上升水管进入循环水箱上部。而循环水箱下部的冷水，比重较大，就由水箱下部流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。这种热水器利用循环加热的原理，因此又称为循环式热水器。

热水器装置简图

1一集热器 2一下降水管 3一循环水管

4一补给水箱 5一上升水管 6一自来水管 7一热水出水管

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6541723图2-3热水器装置简图

2、热水器的基本工作过程

1） 吸热过程。太阳辐射透过玻璃盖板，被集热板吸收后沿肋片和管壁传递到吸热管内的水。吸热管内的水吸热后温度升高，比重减小而上升，形成一个向上的动力，构成一个热虹吸系统。随着热水的不断上移并储存在储水箱上部，同时通过下循环管不断补充温度较低的水，如此循环往复，最终整箱水都升高至一定的温度。

2） 水循环管路。家用太阳能热水器通常按自然循环方式工作，没有外在的动力，设计良好的系统只要有5℃~6℃以上的温差就可以循环很好。水循环管路、管径及管路分布的合理性直接影响到集热器的热交换效率。 多数情况下，自然循环家用热水器系统管路中的流态都可以视为层流。 集热器内管路系统的阻力主要来自沿程阻力，局部阻力的影响要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。当水温升高后，由于运动粘度减小，沿程阻力变小，局部阻力的影响变大。在一定范围内，当主管管径不变时，加大支管管径，不仅沿程阻力迅速减小，而且局部阻力也将跟着减小。一般地，支管的半径应在10mm以上。当主管管径达到一定值以后，增加主管管径对减小系统阻力意义不大。

2.5 系统的要求

太阳能热水器的电路控制非常重要，好的智能控制仪表应该具备以下功能： 1、太阳能集热循环控制

白天太阳能循环泵不间断连续运行，夏季夜晚停泵，冬季温控循环防冻。 2、光辐射探测及循环水泵的控制

当光辐射探测器探测到太阳光时，将相应电信号（0~20mA）输入PLC控制器，控制器输出信号启动循环泵实现循环，同时在管道上探测水流，当无水时将信号送入

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PLC控制器并报警。

3、水位控制

将水位传感器检测到的电信号（0~20mA）输入PLC控制器，到水位低于设定水位时控制器输出信号启动补水泵补水。

4、压力控制

将供水管网压力传感器检测到的电信号（0~20mA）输入PLC控制器，利用变频器对末端压力实现定压控制。

5、加热控制

根据需求端的实际用水情况，采用出水温度控制的方式控制锅炉的启停。当白天太阳辐射不足，储水箱温度达不到设定值时，控制器自动启动锅炉加热，否则加热停止。

6、管道防冻

在集热器的供水管上设置温度传感器，当温度小于4℃时，循环泵启动，当温度大于8℃时，防冻循环停止。

7、防空晒、闷晒

2.6 本章小结

本章讲述了太阳能热水器的发展历程，发展领域，并且增加了一些日常使用太阳能热水器所必要的小知识。之后系统的描述了本设计的示意图，并在深刻理解示意图的基础上开发出了流程图，深入的剖析了太阳能热水器的组成原理及工作过程和应该具备的系统要求。

读者在阅读本章后，会对太阳能热水器这一概念有了总体上的初步认识，并且对于本设计有了初步的了解，至于热水器中更加系统的软件硬件设计，将在后续几章里讲述。

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第三章 太阳能热水器控制器硬件设计

3.1 PLC的选择

可编程控制器（PragrammableLogicController,简称 PLC，是一种数字运算操作的电子系统，是在20世纪60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。长期以来，PLC在工业自动化控制而发挥着巨大作用，为各种各样的自动化控制设备提供了广泛、可靠的控制应用。这主要是源于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合当前自动化工业企业的需要。 3.1.1 概述

20世纪70年代大规模集成电路和微处理机出现后，正式生产出了现在模式的可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）产品。这类产品具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、体积小、应用灵活方便、工程周期短、操作维护方便、应用领域广阔等优点。随着集成电路和计算机技术的发展，现在己诞生了第五代PLC产品。

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。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2所示。

从图2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。在系统软件的指挥下，按图2－4所示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。

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开始 自诊断 是否故障 否 与编程器进行信息交换 是 停机出错显示

是否有网络 否 是 与网络进行信息交换 采集现场信号 执行用户程序 输出服务 否 是否超时？ 是 停机出错显示

图2 PLC循环顺序扫描工作流程图 下面讲述PLC的特点

1、通用性强,使用方便。由于PLC产品的系列化和模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。当控制对象的硬件配置确定以后 ,就可通过修改用户程序 ,方便快速地适应工艺条件的变化。

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2、功能性强,适应面广。现代 PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能 ,而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理等功能。因此 ,它既可对开关量进行控制 ,也可对模拟量进行控制 ,既可控制1台生产机械、1条生产线 ,也可控制1个生产过程。PLC 还具有通讯联络功能，与上位计算机构成分布式控制系统 ,实现遥控功能。

3、可靠性高,抗干扰能力强。大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。针对 PLC是专为在工业环境下应用而设计的 ,故采取了一系列硬件和软件抗干扰措施。硬件方面 ,隔离是抗干扰的主要措施之一。PLC的输入、输出电路一般用光电耦合器来传递信号 ,使外部电路与CPU之间无电路联系 ,有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响,同时,还可以防止外部高电压窜入CPU模块滤波是抗干扰的另一主要措施,在PLC的电源电路和 I/O模块中,设置了多种滤波电路,对高频干扰信号有良好的抑制作用。软件方面,设置故障检测与诊断程序。采用以上抗干扰措施后 ,一般 PLC平均无故障时间高达4万～5万h。

4、编程方法简单,容易掌握PLC配备有易于接受和掌握的梯形图语言。该语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。

5、控制系统的设计、安装、调试和维修方便。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件,控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大都可以在实验室模拟调试,调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场,进行联机统调。在维修方面,PLC的故障率很低,且有完善的诊断和实现功能,一旦PLC外部的输入装置和执行机构发生故障,就可根据PLC上发光二极管或编程器上提供的信息 ,迅速查明原因。若是PLC本身问题,则可更换模块,迅速排除故障,维修极为方便。

6、体积小、质量小、功耗低。由于PLC是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品,因而结构紧凑,坚固,体积小,质量小,功耗低,而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。因此,PLC很容易装入机械设备内部,是实现机电一体化较理想的控制设备。

PLC的分类

目前，PLC应用广泛，国内外生产厂家众多，所生产的PLC产品更是品种繁多，其型号、规格和性能各不相同。通常，可以按照结构形式的不同及功能的差异进行大致的分类。

1、按结构形式分

按照结构形式的不同，PLC可分为整体式和模块式两种。

前者具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点，易于装在工业设备的内部，通常适于单机工作。一般小型和超小型PLC多采用这种结构，如日本三菱FX系列的

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PLC。后者配置灵活，装载和维修方便，功能易于扩展，其缺点是结构较复杂，造价也较高。一般大、中型PLC都采用这种结构，如日本三菱公司的AN系列。

2、按功能、点数分

按功能、输入输出点数和存储器容量不同，PLC可分为小型、中型和大型三类。 小型PLC又称为低档的PLC。这类PLC的规模较小，它的输入输出点数一般从20点到128点。中型PLC的I/O点数通常在120点至512点之间，用户程序存储器的容量为2KB-8KB。大型PLC又称为高档的PLC，I/O点数在512点以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC，用户程序存储器容量在8KB以上。 3.1.2可编程控制器应用领域

在发达的工业国家 ,PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各行各业。随着 PLC性能价格比的不断提高,一些过去使用专用计算机的场合 ,也转向使用 PLC。PLC的应用范围在不断扩大,可归纳为如下几个方面。

1、开关量的逻辑控制

这是 PLC 最基本最广泛的应用领域。PLC 取代继电器控制系统 ,实现逻辑控制。例如：机床电气控制，冲床、铸造机械、运输带、包装机械的控制，注塑机的控制，化工系统中各种泵和电磁阀的控制，冶金企业的高炉上料系统、轧机、连铸机、飞剪的控制，电镀生产线、啤酒灌装生产线、汽车配装线、电视机和收音机的生产线控制等。

2、运动控制

PLC可用于对直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量 I/O模块连接位置传感器与执行机构 ,现在一般使用专用的运动控制模块。世界上各主要PLC 厂家生产的 PLC 几乎都有运动控制功能。PLC的运动控制功能广泛地用于各种机械。例如:金属切削机床、金属成型机械、配装机械、机器人和电梯等。

3、闭环过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量 I/O模块实现模拟量与数字量之间的 A/D,D/A转换 ,并对模拟量进行闭环 PID 控制 ,可用 PID 子程序来实现 ,也可使用专用的 PID 模块。PLC的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、化工、机械、冶金、电力和建材等行业。

4、数据处理

现代的PLC具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存贮在存储器中的参考值比较 ,也可以用通讯功能传送到别的智能装置，或将其打印制表。数据处理一般用在大、中

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型控制系统 ,如柔性制造系统、过程控制系统等。

5、机器人控制

机器人作为工业过程自动生产线中的重要设备，已成为未来工业生产自动化的 3大支柱之一。现在许多机器人制造公司，选用 PLC作为机器人控制器来控制各种机械动作。随着PLC体积进一步缩小，功能进一步增强，PLC在机器人控制中的应用必将更加普遍。

6、通讯联网

PLC的通讯包括PLC之间的通讯、PLC与上位计算机和其他智能设备之间的通讯。PLC和计算机具有接口，用双绞线、同轴电缆或光缆将其联成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。目前PLC与PLC的通讯网络是各厂家专用的。PLC与计算机之间的通讯，一些PLC生产厂家采用工业标准总线 ,并向标准通讯协议靠拢。 3.1.3 s7-200的概述

S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：第一，极高的可靠性。第二，极丰富的指令集。第三，易于掌握。第四，便捷的操作。第五，丰富的内置集成功能。第六，实时特性。第七，强劲的通讯能。第八，丰富的扩展模块。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU以供使用。CPU单元设计集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出，CPU 224，CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。不同的设备类型CPU221~226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。 CPU 221具6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点。CPU 226具有24个输入点和16个输出点。中断输入允许

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以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 3.1.4 CPU224的概述

根据控制系统要求 ,首先确定 PLC 的控制规模,估算出所需要的I/O点数(数字输入/输出量、模拟输入/输出量) ,再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能，保证系统投入运行后能够替换个别故障点或弥补遗漏的点数。统计出I/O总点数后即可以确定 PLC 的控制规模 从而确定存储器(用于存储用户程序和数据)的容量。存储器容量除了根据PLC 的控制规模确定。也可以按照如下方法计算，再增加25%～30 %的备用量，以便随时增加用户程序。

一种方法是根据编程实际使用的节点数计算，即编完程序之后，根据节点数计算出实际使用容量。另一种方法是估算法，只有开关量时，所需内存总数=开关量(输入/输出)总数×10；只有模拟量输入时,所需内存总数=模拟量路数×120在模拟量输入、输出同时存在时，所需内存总数=模拟量路数×250；同时,应考虑PLC提供的内部继电器和寄存器的数量,以便节省资源。

鉴于设计共需要补水泵急停开关、循环泵急停开关、水泵变频接触器动作信号、水泵工频接触器动作信号、锅炉急停开关、靶流开关、报警器急停开关、水泵手动开关、报警器手动开关、循环泵手动开关、补水泵手动开关、锅炉手动开关共12个开关量输入，水泵变频交流接触器、水泵工频交流接触器、报警器、循环泵、补水泵、当光强不足时循环泵控制、锅炉7个开关量输出，光合辐射有效传感器，3个PT100高温型铂电阻传感器、飞思卡尔MPX5700AP压电传感器、RG-2液位传感器共6个模拟量输入及变频器一个模拟量输出。因此考虑使用CPU224并扩展两个EM235扩展单元。下面将分别介绍CPU224及EM235。

CPU 224

CPU224（如图）集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1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。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。以下是CPU224的技术规范：

物理特性 尺寸(W X H X D) 重量 功耗

120.5 x 80 x 62 mm 360 g 7 W

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CPU 224 DC/DC/DC CPU 224 AC/DC/继电器

120.5 x 80 x 62 mm 410 g 10 W

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存储器特性 程序存储器

在线程序编辑时 8192 bytes 非在线程序编辑时 12288 bytes 数据存储器 8192 bytes

装备(超级电容) 100小时/典型值(40°C

时最少70小时) (可选电池) 200天/典型值

I/O特性 本机数字量输入 14 输入 本机数字量输出 10 输出 本机模拟量输入 无 本机模拟量输出 无

数字I/O映象区 256 (128 输入/128输模拟I/O映象区

出)

允许最大的扩展I/O64(32输入/32输出) 模块

7个模块 允许最大的智能模7个模块 块

14 脉冲捕捉输入 高速计数器 6个

总数 6，每个30KHz 单相计数器 4，每个20KHz

两相计数器 2个20KHz(仅限于DC脉冲输出 输出)

常规特性 定时器总数 256个 1ms 4个 10ms 16个 100ms 236个

计数器总数 256(由超级电容或电池

备份)

内部存储器位掉电

256(由超级电容或电池19

8192 bytes 12288 bytes 8192 bytes

100小时/典型值(40°C时最少70小时) 200天/典型值

14 输入 10 输出 无 无

256 (128 输入/128输出)

64(32输入/32输出) 7个模块 7个模块 14 6个

6，每个30KHz 4，每个20KHz

2个20KHz(仅限于DC输出)

256个 4个 16个 236个

256(由超级电容或电池备份)

256(由超级电容或电池

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保持 时间中断 边沿中断 模拟电位器 布尔量运算执行时间 时钟 卡件选项 集成的通信功能 接口

PPI,DP/T波特率 自由口波特率 每段最大电缆长度

最大站点数

最大主站数 点到点(PPI主站模式) MPI连接

电源特性 输入电源 输入电压 输入电流

备份) 备份)

112(存储在EEPROM) 112(存储在EEPROM) 2个1ms分辨率

2个1ms分辨率

4个上升沿和/或4个下4个上升沿和/或4个下降沿

降沿

2个8位分辨率 2个8位分辨率 0.22ms 0.22ms 内置

内置

存储卡和电池卡

存储卡和电池卡

1个RS-485接口 1个RS-485接口

9.6,19.2和187.5kbaud 9.6,19.2和187.5kbaud 1.2kbaud至 1.2kbaud至115.2kbaud 115.2kbaud 使用隔离的中继器：使用隔离的中继器：187.5kbaud可达1000187.5kbaud可达1000米，38.4kbaud可达米，38.4kbaud可达1200米

1200米

未使用隔离中继器：50未使用隔离中继器：50米

米

每段32个站，每个网络每段32个站，每个网络126个站 126个站 32

32

是(NETR/NETW) 是(NETR/NETW) 共4个，2个保留

共4个，2个保留

(1个给PG，1个给OP) (1个给PG，1个给1OP)

20.4至28.8V DC 85 至 264V AC(47至

63Hz) 110mA(仅CPU，24V 60/30mA

DC)

(仅CPU，120/240V

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冲击电流 隔离(现场与逻辑) 保持时间(掉电)

保险(不可替换) 24V DC传感器电源 传感器电压 电流限定 纹波噪声

700mA(最大负载， 24V DC) 12A 28.8V DC时 不隔离

10ms24V DC时

3A 250V时慢速熔断

AC)

200/100mA (最大负载， 120/240V AC) 20A，264V AC时 1500V AC 20/80ms，120/ 240V AC时

2A，250V时慢速熔断

L+ 减5V 20.4 至28.8VDC

1.5A峰值，终端限定非1.5A峰值，终端限定非破坏性 来自输入电源

破坏性 小于1V峰分值 非隔离

隔离(传感器与逻辑) 非隔离 数字量输入特性 本机集成数字量输入点数 输入类型 额定电压 最大持续允许电压 浪涌电压

逻辑1信号( 最小) 逻辑0信号( 最大) 输入延迟 连接2线接近开关传感 器(Bero) 允许漏电流最大 隔离(现场与逻辑) 隔离组 高速输入速率 高速计数器逻辑

14输入

漏型/源型(IEC类型1/漏型)

14输入

漏型/源型(IEC类型1/漏型)

24V DC，4mA典型值时 24V DC，4mA典型值时 30V DC 35V DC，0.5秒 15V DC，2.5mA 5V DC，1mA 可选(0.2至12.8ms) 1mA 是

500V AC，1分钟

20KHz(单相)，10KHz(两相)

30V DC 35V DC，0.5秒 15V DC，2.5mA 5V DC，1mA 可选(0.2至12.8ms) 1mA 是

500V AC，1分钟

20KHz(单相)，10KHz(两相)

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握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。梯形图是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。

3.2 各单元功能作用介绍

1、电机

电机类型选择的原则如下：对于有特定要求的工作机械，应优先选择专用电机。如可工作于高湿度，有盐雾、霉菌、凝露等环境的船用电动机；有较高的效率及节能指标的纺织电动机；有作为激振动力源，如用于粮食加工机械或振动筛、振动输送机的振动异步电动机；在化工、橡胶、纺织、造纸等工业中有时要求软机械特性和宽调速范围的电动机，当负载增加时电动机的出轴转速随之降低而输出力矩增加，保持与负载平衡，并允许较长时间堵转的三相力矩电动机等。

对于一般生产机械，在满足生产机械要求的前提下，优先选用结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便的电动机。从一般要求看，交流电动机优于直流电动机，交流异步电动机优于交流同步电动机，鼠笼式异步电动机优于绕线式异步电动机。

对于连续运行，负载平稳，对起动制动没有特殊要求的生产机械，应优先采用普通鼠笼异步电动机，它广泛用于各种机床、水泵和风机等。大中功率的空压机和皮带输送机等生产机械要求有较大的起动转矩，应采用深槽式或双鼠笼式异步电动机。

由于太阳能热水器属于连续运行，负载平稳，对起动制动没特殊要求，综合各方面考虑，本系统微型电机选用Y系列三相异步电动机。电压为220V。频率为50HZ。功率为10W。

2、交流接触器

本系统选用正泰公司生产的CJX1系列交流接触器，该接触器为双断点触头的直动式运动结构，动作机构灵活，手动检察方便，结构紧凑。触头，磁系统采用封闭结构，能提高寿命。接线端均有防护罩覆盖，使用安全可靠。安装可用螺钉紧固，也可扣装在35毫米的安装轨上，装卸方便。

CJX1系列交流接触器适用于交流50Hz（或60Hz），额定电压至660V，在AC-3使用类别下工作电压为380V，供远距离和分断电路及频繁起动和控制交流电动机，并可与适合的热继电器组成电磁起动器，以保护可能发生操作过负荷电路。

3、热继电器

本系统所用的热继电器为正泰公司生产的NR4(JRS2)系列，NR4(JRS2)系列热过载继电器适用于交流50Hz/60Hz、额定电压690V、1000V，电流0.1-180A的长期工作或间断长期工作的交流电动机的过载与断相保护。该热继电器具有断相保护、温度

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补偿、动作指示、自动与手动复位，该产品动作可靠。另外，该产品符合：GB14048.4、GB14048.5、IEC60947-4-1等标准，可靠性较高。该热继电器可与CJX1系列交流接触器接插安装，其实物图如图3－2示。

图3－2 NR4(JRS2)系列热过载继电器

4、集热器

集热器是太阳能热水器的主要部件，它由透明玻璃、吸热体、保温层等组成。当涂有黑色的金属片置于阳光下，即可吸收太阳辐射能而升高温度，同时也向四周散发热量。若它吸收的能量与散发的能量相等，此时金属片就不再升温，这就叫“平衡温度”。如果在金属片内有流道，流体把热量不断带走，为了达到平衡温度，金属片便要不断吸收太阳的辐射能。利用这种原理，把带有流道的金属板封装在一个保温盒体中，上面盖以玻璃，使太阳的辐射能可以进入盒体，集热器由于吸热体温度较低，其发射出的大部分辐射能波长较长(位于远红外区域)，这些辐射不能穿透玻璃而被阻隔在集热器的空腔内，从而产生了所谓的温室效应，提高了集热器的集热效率。

内置光辐射探测器，当检测到光照时，循环泵启动。集热器起到了对冷水加热的作用，并实现了冷热水的循环。

5、太阳能集热水箱

内装水位传感器，温度传感器。当水位达不到设定值时，传感器发出信号到PLC控制器，控制器控制补水泵进行补水，当水箱内温度小于4度时，循环泵启动实现对水箱的防冻控制，当温度大于8度时，循环泵停止。太阳能集热水箱起到了为集热器提供自来水，并存储集热器加热后的热水。

混合水箱：是储存热水的重要部分，其用材料强度和耐腐蚀性至关重要。市场上有不锈钢、搪瓷等材质。保温层保温材料的好坏直接关系着热效率和晚间清晨的使用，在寒冷的东北尤其重要。目前较好的保温方式是进口聚氨脂整体自动化发泡工艺保温。外壳一般为彩钢板、镀铝锌板或不锈钢板。

混合水箱要求保温效果好，耐腐蚀，水质清洁，使用寿命可长达20年以上。水箱外部管网设有温度传感器，压力传感器，变频器。当水温低时，锅炉启动对水进行加热起到保温作用。当压力达不到标准时，压力传感器将信号传至PLC控制器，使之启动变频器使之对管网进行恒压控制。混合水箱将太阳能集热水箱中的热水与自来水进行混合，使之达到沐浴的合适温度，最终供用户使用。

6、水泵

热水器中，水泵是一个重要的组成部分，在本设计中，根据工作方式的不同，分为补水泵、循环泵和变频水泵三种类型，并且运用于许多地方，因此，水泵的正确选择至关重要。那么怎样选购适合的直流水泵呢？ 一 、 泵选型原则

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1、使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度等工艺参数的要求，最重要的是确定电压，最高扬程，以及在扬程多高的时候达到多少流量。详情请参考扬程-流量曲线图。

2、必须满足介质特性的要求

3、机械方面要求可靠性高、噪声低、振动小。

4、正确计算泵采购的投入成本，对泵生产厂家进行考察，要求其设备质量好，售后服务好，备件能及时供应。 二、如何正确计算采购泵的投入成本

初次采购，货比三家，精确的计算泵的价格，然后选择能够达到自己要求的价格的产品。但对于用户而言，磁力泵在使用过程中起到的作用远远高于当初购买它而花费的成本，这样，必须将泵出现问题和故障时浪费的工作时间和维修费用也计算到整体成本当中去；同样的，泵在运转过程中将耗费大量的电能，长年累月下来，一台小小的泵消耗的电能是让人咂舌的。

经过国外一些泵厂对售出产品的跟踪调查显示，水泵在其使用寿命中耗费的最大资金不是初次的采购成本，也不是维护费用，而是其消耗的电能。吃惊的发现原来泵消耗的电能价值已经远远超过了其本身的采购成本和维护费用，再考虑到其本身的使用效率、噪音、人工维护等原因，我们还有什么理由去购买那些质次价低的的“水货”产品呢？

其实某种类型的泵的原理都是一样的，里面的结构、部件也是大同小异，最大的差异体现在部件的选材、做工和质量。和其他产品不一样的是，泵的部件成本差异是十分显著的，差距大到一般人都无法想象。比如一个很小的轴封，便宜的几毛钱就可以买到，而好的产品却要几十甚至上百元，可想而知采用这两种产品制造出来的产品差距有多大，而让人担忧的是，在前期使用过程中它们几乎是没有差别的。上百上千倍的价格差距体现在产品的性能和使用期限上。短命（几个月）、噪音（一两个月后出现）、漏液（两三个月后出现）等现象接连不断的发生，让许多用户后悔开始不该省中间的差价。而使用过程中的大噪音和高热量实际上是宝贵的电能转换为了没有用的动能（机械摩擦）与热能，实际做的有效功（抽水）却少得可怜。 三、直流水泵的种类 1、有刷直流水泵

特点：水泵工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随着电机转动的换向器和电刷来完成，只要电机转动碳刷就会产生磨损，电脑水泵运行到一定的时候，碳刷磨损间隙变大，声音也会随之增大，连续运行几百小时之后碳刷就不能起到换向的作用了。 优点：价格低廉。

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2、无刷电机式直流水泵

特点：电机式无刷直流水泵是采用无刷直流电机加上叶轮之后组成的。电机的轴与叶轮连在一起，水泵的定子和转子之间是有间隙的，使用时间长了水会渗透进入电机里增加了电机烧坏的可能。

优点：无刷直流电机已标准化，有专门的厂家大批生产，成本比较低，效率高。 3、无刷直流磁力驱动水泵

特点：无刷直流水泵采用了电子组件换向，无需使用碳刷换向，采用高性能耐磨陶瓷轴及陶瓷轴套，轴套通过注塑与磁铁连成整体也就避免了磨损，因此无刷直流磁力式水泵的寿命大大增强了。磁力隔离式水泵的定子部分和转子部分完全隔离，定子和电路板部分采用环氧树脂灌封，100%防水，转子部分采用永磁磁铁，水泵机身采用环保材料，噪音低，体积小，性能稳定。可以通过定子的绕线调节各种所需的参数，可以宽电压运行。

优点：寿命长，噪音低可达35dB以下，可用于热水循环。电机的定子和电路板部分采用环氧树脂灌封并与转子完全隔离，可以水下安装而且完全防水，水泵的轴心采用高性能陶瓷轴，精度高，抗震性好。

因此，综合以上水泵特点、成本计算与选泵原则，水泵应选用无刷直流磁力驱动水泵。由于其可以完全防水，噪音低，适用于热水循环，虽然造价较高，但是其使用寿命较其他两种长，因此可以弥补造价较高的缺陷。

3.3 变频器的选择

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。

随着微电子技术，电力电子技术，全数字控制技术的发展，变频器的应用越来越广泛。变频器能均匀的改变电源的频率，因而能平滑的改变交流电动机的转速，由于兼有调频调压功能，所以在各种异步电动机调速系统中效率最高，性能最好。

变频器分为间接变频和直接变频，变频水泵采用间接变频方式。间接变频装置的特点是将工频交流电源通过整流器变成直流，再经过逆变器将直流变成频率可控的交流电。

变频器以软启动取代Y－△ 降压启动，降低了启动电流对供电设备的冲击，减少了振动及噪音。

它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。 3.3.1 变频器的特点

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基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计

变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。

变频器可以优化电机运行，所以也能够起到增效节能的作用。根据全球著名变频器生产企业ABB的测算，单单该集团全球范围内已经生产并且安装的变频器每年就能够节省1150亿千瓦时电力，相应减少9,700万吨二氧化碳排放，这已经超过芬兰一年的二氧化碳排放量。 3.3.2 变频器恒压供水工作原理

用户使用热水器时用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。

本设计中运用到变频器能够控制恒压供水的功能，恒压供水是指在供水日中月水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。传统的供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、单片机、P LC等器件的有机结合构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。该技术已在供水行业普及。

全自动变频调速供水设备是应用先进的现代控制理论，结合可编程控制技术、变频控制技术、电机泵组控制技术的新型机电一体化供水装置。该设备通过安装在水泵出水总管上的远传压力表（内为一滑动电阻），将出口压力转换成0-5V电压信号，经A/D转换模块将模拟电压信号转换成数字量并送入可编程序控制器，经可编程内部PID运算，得出一调节参量并将该参量送入D/A转换模块，经数摸转换后将得出模拟量传送变频器，进而控制其输出频率的变化。系统正常运行时，管网末端上的压力传感器对用户的用水水压进行数据采样，并将压力信号转换为电信号，传输至PID调节器，然后与用户设定的压力值进行比较和运算，并将比较和运算的结果转换为频率调节信号和水泵启动信号分别送至变频器和可编程控制器（PLC）；变频器根据以调节水泵电机的电源频率，进而调整水泵的转速；可编程控制器根据PID调节器传输过来的水泵启动信号控制水泵的运转。通过对水泵的启动和停止及其中变频泵转速的调节，将用户管网中的水压恒移稳于用户预先设计的压力值，使供水泵组“提升”的水量与用户管网不断变化的用水量保持一致，达到“变量恒压供水”的目的。 3.3.3 变频器的选择与参数设计

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基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计

变频器选用西门子标准变频器MicroMaster440，其基本参数设置与控制原理如下：

① 基本参数设定 扩展 调整

At.ty 1 At类型：0：普通，1：快速响应，2：稳定

Ctr.A 0 控制算法：0：PID(原有PID）， 1：Ra-PID（高性能型PID) JF.OU 0 JF超调抑制0～100,0:无抑制21 代码设定值说明 P0003 3 专家级 P0004 0 参数过滤器

P0005 21 21-变频器输出频率、22-转速n P0010 0 0-准备运行、1-快速设置 P0100 0 功率单位为kW,频率缺省值50Hz

P0205 1 变转矩，只用于平方V/f特性（水泵、风机）的负载 P0295 30S 变频器风扇延时 P0300 1 异步电动机

P0304 380 电机的额定电压(V) P0305 21.4 电动机的额定电流（A) ② 变频器控制原理

P0307 5.5 电机额定功率（kW) P0308 0.82 电动机额定功率因数 P0310 50 电动机额定频率(Hz) P0311 1000 电动机额定转速(rpm)

P0700 2 选择命令源：1-面板设定、2-端子排输入 P0640 110% 过载限流

P0718 0 0-自动操作、1-手动操作

P0725 0 0-NPN低电平有效、1-PNP高电平有效 P0731 52.3 变频器故障 P0732 52.2 变频器正在运行 P0748 B 故障继电器常开

P0756 0 单极性电压输入（0～10V）

P1000 2 频率设定值的选择：2、模拟量设定值 P1040 20Hz MOP频率设定值（内部）

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P1080 20Hz 电机最小转速对应频率 P1082 50Hz 电机最大转速对应频率 P1120 50 设置斜坡上升时间 P1121 50 设置斜坡下降时间

P1300 2 变频器的控制方式：抛物线的V/f控制 P1910 0 0-不自动检测、1-自动检测 P3900 0 0-不计算不复位，结束快速调试

3.4 PID控制原理

要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可时现该算法，同时对PLC的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。

要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用PID调节器进行控制，而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。

3.5 传感器的选择

过各种高性能传感器对气候环境进行测量及数据采集，并将测量结果通过接口送至PLC中，PLC根据控制要求对整个太阳能热水器进行综合控制。由于系统对环境的采样值都是传感器输出的模拟信号，而且传感器与PLC的距离也比较远，所以在传感器的选择上都采用了4--20mA电流输出型，从而减小传输过程中的干扰，保证采样值的准确性与可靠性。温度误差可以在电路上或软件上采取补偿措施，不同的补偿方法，其整体温度系数差异较大，但仍与元件本身的温度特性有关，一般将敏感元件和电路的温度系数合在一起考虑。一般的温度传感器基点漂移较其它的气象传感器都要显著，热敏电阻属于吸附元件，在测量过程中必然会受到污染，由污染引起的测量基点漂移，只能用重新检定的方法加以修正解决。若污染严重，基点漂移量过大，又不能再生，只能将传感器作报废处理 3.5.1 温度传感器

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温度传感器选用PT1000高温型铂电阻温度传感器，分别置于太阳能热水箱，集热器和管网末端中。太阳能热水箱与集热器中的温度传感器起到防冻作用，管网末端温度传感器起到保温作用，因此，PT1000高温型铂电阻温度传感器符合温度测量范围，且价格低廉，宜于采用。传感器如图3所示

图3 PT1000高温型铂电阻温度传感器

PT1000高温型铂电阻温度传感器：★高精度进口日本/德国铂电阻元件芯片；★产品性能符合IEC和JIS有关标准；外型设计符合测温铂电阻的各项规定；★测温范围-50℃～350℃；★在0℃时阻值100Ω/1000Ω，；★探头保护管直径Φ3mm以上；★公称压力 1.6MPa；★良好的防震动和防冲击性；★能承受高电压、有良好绝缘性；稳定性好；★精度与等级：A±（0.15＋0.002t）； B ±（0.3＋0.005t）；★0℃时阻值允许偏差：A±0.06Ω；B ±0.12Ω；产品应用：中央空调机组供热/制冷管道测温和控制，冰箱冰柜、轴瓦、缸体，油管，水管，汽管，纺机，平面设备，空调，热水器，体温计等狭小空间工业设备测温和控制，中央空调分户热能计量和工业领域测温控制，大气环境监测、工业过程控制、测量仪表等。3.5.2 液位传感器

液位传感器选用RG-2型液位传感器（如图4所示），其置于太阳能热水箱中，用于检测水箱中水位深度，不足时开启补水泵进行补水，其型号和参数如下：

图4 RG-2型液位传感器 序号 1 项目 最大开关电流 参数 0.5 A 34

单位 安培 备注 基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 最大负载电流 最大接触电阻 最大负载功率 最大开关电压 最少崩溃电压 启动水流量 工作水流范围 启动水压 最少承受水压 最大承受水压 工作环境温度 适用环境温度 使用寿命 响应时间 释放时间 1.0 A 100 MΩ 10 W 110 VDC 220 VDC ≥0.2 L∕min 1—30 L∕min ≥0.1 Mpa 1.2 Mpa 1.6 Mpa 1—120 ℃ -40—150 ℃ 108 次 0.2 S 0.2 S 安培 兆欧 瓦特 直流电压 直流电压 升/分钟 升∕分钟 兆帕 兆帕 兆帕 摄氏度 摄氏度 开关循环 秒 秒 5VDC 10mA 3.5.3 压力传感器

压力传感器选用飞思卡尔MPX5700AP压力传感器，置于管网末端用于测量管网末端压力（如图5所示），其参数设置如下：

飞思卡尔MPX5700AP压力传感器

美国飞思卡尔压力传感器 MPX5700AP MPX5700型压力传感器温度补偿和信号放大一体化的高输出压力传感器，可与微机直接接口，温度补偿范围为：0-85℃，量程范围：0-700KPA, 供电电压：5.0Vdc，供电电流：7.0mAdc。灵敏度：6.4 mv/kPa.测量方式有表压和差压（D,DP）型。

MPX5700型压力传感器是温度补偿和信号放大一体化的高输出压力传感器，可与微机直接接口，温度补偿范围为0-85℃，测量方式有表压（GP)、差压（D、DP)和绝压（A、AP)型。

压力范围：0-700KPa(0-100PSi) 供电电压：5Vdc（典型） 供电电流：7.0mAdc（典型） 输出电压：0.2-4.7Vdc

满量程输出电流：0.1mA(典型）

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基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计

图5 飞思卡尔MPX5700AP压力传感器

3.5.4 光辐射探测器

光辐射探测器检测选用型号为KTR-RY-GH型光合有效辐射传感器（如图6所示），其在检测到光照时启动循环泵，集热器对水进行加热。

KTR-RY-GH型光合有效辐射表主要用来测量400-700nm波长范围内的自然光的光合有效辐射，并且使用简单，可直接与数字电压表或数据采集器相连，可在全天候条件下使用。

该表采用硅光探测器，并通过一个400-700nm的光学滤光器。当有光照时，产生一个与入射辐射强度成正比的电压信号，并且其灵敏度与入射光的直射角度的余弦成正比，每台光合有效辐射表都给出各自的灵敏度，并可以直接输出单位为μmol／ms的数值。 该表广泛应用于农业气象，农作物生长的研究。

KTR-RY-GH型光合有效辐射传感器的参数设定如下：

光谱范围：400-700nm 响应时间：＜1s（99％） 温度相关：最大0.05％／℃ 余弦校正：上至80°入射角 内阻：＜2K Ω 工作温度：-40—65℃

3.6 系统硬件接线图

系统硬件接线图见附录。

3.7 本章小结

本章首先介绍了热水器中的中枢部分——PLC控制器的发展，特点，原理及发展领域，在此基础上介绍了此次设计中PLC的选型及PLC与热水器中各单元功能介绍，

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