基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计

重庆文理学院成人高等教育

毕 业 论 文

论文题目：基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计

论文作者：毛廷梅 辅导老师：赵顺洪

专 业 ：2008级电子信息科学与技术 班 级：08电 本1 学 号：31144500492 提交论文日期：2010年 月 日 论文答辩日期：2010年 月 日

中国·重庆 2010年10月

目录

摘要 ...................................................................... I Abstract： ............................................................... II 第一章 绪 论 .............................................................. 1 1.1 本课题研究的目的、意义............................................... 1 1.2国内研究现状 ......................................................... 1 第二章 全玻璃真空管式太阳能热水器的综述 ................................... 2 2.1 太阳能热水器系统功能简介............................................. 2 2.1.1 太阳能热水器组成、原理和工作过程 ................................. 3 2.1.2 太阳能热水器各单元介绍 ........................................... 4 2.1.3 系统的要求 ....................................................... 5 2.2 可编程控制器（PLC）简介.............................................. 5 2.2.1 可编程序控制器的工作原理 ......................................... 6 2.2.2 可编程控制器的的特点 ............................................. 7 2.2.3 PLC的分类 ...................................................... 7 第三章 热水器控制系统的设计方案 ........................................... 8 3.1系统硬件的设计方案 ................................................... 8 3.1.1 PLC的选型 ....................................................... 8 3.1.2 PLC硬件控制框图 ................................................. 9 3.1.3 各单元功能作用介绍 ............................................... 9 3.1.4 PLC的端口分配 .................................................. 12 3.1.5 系统电路的设计 .................................................. 13 3.2 系统软件设计方案.................................................... 14 3.2.1 软件组成 ........................................................ 14 3.2.2 系统控制流程图 .................................................. 15 3.2.3 设计PLC控制原理（梯形图程序） .................................. 17 第四章 结论 .............................................................. 18 参考文献 ................................................................. 18 致谢 ..................................................................... 19 附录Ⅰ 梯形图 ............................................................ 20

2008级电子信息科学与技术

基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计

电子信息科学与技术2008级毛廷梅

摘要

本课题研究了可编程控制器（PLC）在太阳能热水器自动控制系统中的应用。重点研究了系统的硬件构成及系统软件的设计过程。指出了 PLC 设计的关键主要是能满足基本控制功能, 并考虑维护的方便性、系统可扩展性等。在本文中经研究确定出了系统的各个工序，绘制了系统的工艺流程图；进行了系统的I/O分配和PLC的选型；根据系统设计要求设计绘制了系统的控制梯形图；绘制出了控制系统电气原理图和接线图等。

通过用PLC对太阳能热水器自动控制系统的改造，大大减少了系统对其它元器件的使用，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。 关键词: PLC 太阳能 自动控制系统 热水器

I

毛廷梅：基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计

Design of Solar Water HeaterAutomatic Control System Based on PLC

Electronic information science and technology MaoTingMei level of 2008

Abstract：

Application of PLC in solar water heater automatic control system is researched in this paper. The

content of this paper on the process of 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 are also considerated. The content of this paper is divided into four parts. In the first part, the procedure of the system is established, and then the treatment flow chart is drawed out; In the second part, The address of I/O is resigned .and the suitable PLC type is choosed. The third part, the control ladder diagram is designed according to the requirement; In the end, the electrical principle diagram and the interconnection diagram are drawn.

Through the design of the solar water heater automatic 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 fault detecting and maintenance, and high reliability. In a word, the system becomes more advanced because of my design.

Keywords: PLC solar automatic control system water heater

II

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第一章 绪 论

1.1 本课题研究的目的、意义

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。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的太阳能热水器自动控制系统。

1.2国内研究现状

我国太阳能热水器产业发展迅速，目前已成为世界上最大的太阳热水器生产国，但与太阳热水器配套的控制器却一直处于研究和开发阶段，尤其是与太阳能热水器系统匹配的控制器，至今尚未检索到相关报道。近几年来，市场上陆续出现了一些太阳能热水器控制器，但大多数控制器存在着诸如性能不稳定，容易产生误操作；温度、水位检测、控制误差大；显示器有时出现乱码；与电辅助加热装置不能很好配合；太阳能利用率较低等问题，影响了用户的使用。更有甚者，有些控制器质量较差，经常发生故障，给用户带来诸多不便，严重影响了用户的使用，从而影响到太阳热水器的销售。太阳热水器，尤其是太阳热水系统及其控制器有着广阔的发展前景，但现有的技术研究和产品开发投入较少。因此，在太阳热水器、太阳热水系统的测量控制方面，应引起足够重视，加大投入一定力量研究开发高质量、性能好的测控产品[1]。

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第二章 全玻璃真空管式太阳能热水器的综述

2.1 太阳能热水器系统功能简介

图1 热水器系统的结构图

图2 系统控制原理图:

注释: Tl，热水箱的温度传感器； T2，循环水管中的温度传感器； T3，集热器中的温度传感

器F1，循环水阀门； F2，冷水阀门； F3，热水阀门

此款热水器利用微机控制主要有以下两种控制功能:水温控制、水箱加热控制。 1、水温控制

为了提供温度不低于37摄氏度的水，具体控制过程如下：

首先，关闭冷水阀门F2和循环水阀门F1，然后微机开始进行水箱的温度采集，同时进行温度的比较，当水箱中的温度小于370C时，电热器D接通进行加热，同时微机继续对热水箱的水温进行采集。当温度加热到大于370C时电热器D断开，如此反复循环保证了温度的稳定。

2、水箱加热控制

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没有日照或者日照很弱时，到了晚上我们是否还能洗上热水澡呢?答案是肯定的，不要忘了这款热水器还有一个从系统。这时它就要发挥作用了。热水箱温度为T1，将它和设定值N相比较，从而控制是否打开电加热。控制时段为6点一18点，具体过程如下: 若Tl

2.1.1 太阳能热水器组成、原理和工作过程

在工农业生产和日常生活中，需要大量的热水。这类热水的特点是用水量较大而水温不高，一般为40C ~60C。如淋浴的水温在35C~40C之间，超过60C就会感到太热。工业上为了清除油污，热水温度要高一些，但一般在 900C左右。太阳能热水器能提供的热水，是目前使用最为普遍和效果最好的太阳能利用装置; 这种装置结构简单、使用方位、不用专人管理，故己在全国推广使用。

1、热水器组成及原理

热水器由集热器、循环管道和水箱等组成。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，称为循环式热水器[6][7]。 热水器装置简图，如图3

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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图3 热水器装置简图

2、热水器的基本工作过程

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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 [8]。

2.1.2 太阳能热水器各单元介绍

1、集热器

平板式太阳能集热器是平板式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。

2、循环管道

在热水器平面布置方案确定后，集热器与循环水箱已基本确定。但要热水器运行起来，还得配置适当的管道，将集热器与水箱有机的连接起来，才能形成一个完整的循环系统。热水器管道系统连接正确与否，对热水器循环系统的效率也有很大影响。

3、热水器水箱及水箱配置

水箱是热水器重要组成部分。它包括循环水箱和补给水箱；循环水箱与集热器上下水管相连，供热水循环之用。补给水箱只与循环水箱相通，当循环水箱水位低时，以补给冷水之用。

1）循环水箱

它的作用是保持最高水位平面，同时让水中空气由此处排出，避免带入管道系统，以致造成气

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阻损失。 循环水箱的下部均装有冷水进水挡板。这样冷水进入循环水箱时，通过挡板使之扩散流入不致将箱内上部热水搅混。

2）补给水箱

补给水箱是供给冷水的水箱。自来水不是直接进入循环。而是通过补给水箱来补给。这样做的优点是使冷水和热水隔开，保持循环水箱中的热水水温稳定。

3）水箱配管

水箱配管是指进出水管、排放热水管等在水箱中的高度位置，它对排放水温起着主要作用。因此，热水出水管位置愈高，其热水排放温度亦愈高；为此，采用定温自动放水时，它的热水出水口位置较高。而采用人工放水时，热水出水口位置应较低。循环水箱内的水温达到一定温度时，将箱内热水几乎全部放掉，然后放入冷水再重新循环加热。一般人工放水一天中 1-2次。

2.1.3 系统的要求

根据人们对热水器的使用习惯和人性化设计要求 , 设计的控制系统具有以下功能：

1、自动控制功能。系统在自动工作方式时 能自动控制供水水泵的运行与停止和各电磁阀的开

关。定时控制器在断电时正常计时 ,故采用其作为 PLC 的电源控制。在定时控制时间内 ,由定时器接通 PLC 的电源 ,PLC 按预先编制的程序依次打开各控制设备电源 ,并根据输入信号的变化随时调整程序的执行。在非系统工作时间里 定时器自动断开 PLC 的电源。工作为 6～18 h。可利用定时控制器和 PLC 自身具有的定时命令加以解决。 2、除尘功能。利用温度开关检测环境温度是否适合除尘 ,温度开关为 4 ℃。除尘

用一个电磁阀连续工作2 min。

3、水箱液位控制功能。水箱 200 L ,液位控制在 180 L 。 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，故障指示灯闪烁且报警电铃响起,操作人员可以按下“消音”

按钮以解除铃响，但故障指示灯仍在闪烁；直到故障消除；故障指示灯才停止闪烁。 6、节水功能。供水阀供水 5 min，停 2 min。 7、可实现手动/自动控制切换。

2.2 可编程控制器（PLC）简介

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

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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[9]。

2.2.1 可编程序控制器的工作原理

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。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[10]。

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4所示。

图4 PLC循环顺序扫描工作流程图

从图4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

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统软件的指挥下，按图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[11]。

2.2.2 可编程控制器的的特点

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。

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。

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、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[12]。

2.2.3 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

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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。

第三章 热水器控制系统的设计方案

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，这种算法对固定参数的线性定常系统是非常有效的。

3.1系统硬件的设计方案

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 [14]。

3.1.1 PLC的选型

因为本系统是对开关量控制的应用系统,并对控制速度要求不高,选用核心部件为三菱公司的FX_2n-32MR-ES/UL系列32点编程控制器,该编程控制器具有自诊断功能,采用循环扫描工作方式,这完全能满足要求。FX_2n-32MR-ES/U属微型编程控制器、输入输出控制方式为循环扫描方式、编程语言为梯形图语言、32点的编程控制器具有16点输入,16点输出。考虑到该PLC所需的输入、输出点数及类型，选用三菱FX_2n -32MR-ES/UL可编程控制器作为该系统的核心，它含有16个输入点（漏型）和16个输出点（继电器型），足够设计所用[15]。

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①FX_2n-32MR-ES/UL简介

FX_2n-32MR-ES/UL属于FX2N系列PLC，FX_2n系列PLC是FX系列中高级的模块。它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入、输出的多种应用的选择方案。

②FX_2n-32MR-ES/UL的特点

FX_2n-32MR-ES/UL属于FX_2n系列PLC，FX_2n系列PLC是FX系列中最高级的模块。它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX_2n是从16到256路输入、输出的多种应用的选择方案。 3.1.2 PLC硬件控制框图

上位机采用PC机，下位机选用日本三菱公司的FX_2n系列的32点可编程控制器，实现对太阳能热水器的控制，完成太阳能热水器的温度、液位等控制功能。为提高系统的安全性，需要有报警点输入并且用声光信号显示故障类型，同时发出警报提醒值班人员及时处理事故。当故障出现时，故障指示灯闪烁且报警电铃响起，操作人员可以按下“消音”按钮以解除铃响，但故障指示灯仍在闪烁，直到故障消除，故障指示灯才停止闪烁。系统控制框图如图5。

图5 系统控制框图 3.1.3 各单元功能作用介绍 1、电机类型的选择 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；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。

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、交流接触器的选择

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，

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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、热继电器的选择

本系统所用的热继电器为正泰公司生产的NR4(JRS2)系列，NR4系列热过载继电器适用于交流50Hz、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、温度补偿、动作指示、自动与手动复位，该产品动作可靠。

4、电磁阀的选择

电磁阀选用SSFK-C024型电磁阀，产地: 浙江宋氏阀控，主要用于太阳能热水器等洁具类，工作电压适用范围广、交直流3-220V，使用可靠，完全可以达到使用要求，供水阀、排水阀、除尘阀。

5、发光指示灯的选择

指示灯选用两色二极管指示灯，当机器运行时，指示灯显示绿色，机器通电不运行时，指示灯显示红色，要求指示灯质量可靠，根据要求，选用TLL0501－HMC型指示灯。

6、隔离变压器的选择

本生产线选用BK－100型号隔离变压器，该隔离变压器变比1：1，电压220V AC。 7、水箱的选择

水箱的选用要根据情况来确定。水箱是热水器重要组成部分。它包括循环水箱和补给水箱，循环水箱与集热器上下水管相连，供热水循环之用。补给水箱只与循环水箱相通，当循环水箱水位低时，以补给冷水之用。

1）循环水箱

循环水箱容量大小是根据热水器装置日产热水量而定。为了便于加工提高经济性和通用性，循环水箱已标准化。目前循环水箱以容积分为500升和1000升二种，外形均为方形。容积500升的水箱外形尺寸为: 778 X 778 X 880毫米。容积1000升的水箱外形尺寸为:8 X 928 X 1300毫米。

循环水箱的上部均装有涨水管及透气孔，其位置稍高于水位。溢水管和透气孔制成一体，它的作用是保持最高水位平面，同时让水中空气由此处排出，避免带入管道系统，以致造成气阻损失。循环水箱的下部均装有冷水进水挡板。这样冷水进入循环水箱时，通过挡板使之扩散流入不致将箱内上部热水搅混。

2）补给水箱

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补给水箱是供给冷水的水箱。自来水不是直接进入循环。水箱，而是通过补给水箱来补给。这样做的优点是可使冷水和热水隔开，保持循环水箱中的热水水温稳定。补给水箱不宜太大，宜狭而长。补给水箱内需安装浮球，以保持最高水位。

8、传感器的选型

通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

温度传感器技术指标:

1）温度范围：-0℃~70℃(可根据用户要求扩展) 2）电源： AV220V士10%

3）温度误差：一般士0.2℃、最大士0.5℃ 4）数据分辨率：0.1 5）数据更新周期：约1秒 6）数据线：3类双绞线

根据硬件的选择情况，绘制表1

表1 原理总图的元器件目录表 序号 0 1 2 3 4 5 PLC HL--HL3 KM1-KM2 SB1-SB5 SB S 可编程控制器 指示灯 交流接触器 按钮 启动按钮 自动/手动开关 1 4 2 5 1 1 FX_2n-32MR-ES/ AD16-22G DJX-9 LAY37 LAY37 SR26 继电器输出型 LED显示,220V 线圈电压：220V 绿色 绿色 封闭式 代号 名称 数量 规格型号 备注 [19]

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6 7 8 9 10 11 12 13 14 SL1-SL2 TC FU1-FU8 FR M YA YV2 YV1 YC 温度检测开关 隔离变压器 熔断器 热继电器 微型电动机 报警器 排水阀 供水阀 除尘阀 2 1 8 2 1 1 1 1 1 TH22 BK-100 RL1-15 JR16-20/3 YYHS－45 SWP-X100 SSFK-C014 SSFK-C024 SSFK-C017 接通与断开最小温差1.1℃ 电压：220V 熔体2-10A 参照电机电流 电压220V频率50HZ 交流220V 交流12-220V 交直流3-220V 交流220V 3.1.4 PLC的端口分配

根据以上硬件选型设计，编制I/O接口功能表，如表2和表3。

PLC的输入端口分配 表2 表3 输入点 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 SB SB1 SL1 SL2 SB2 SB3 SB4 SB5 启动按钮 总停按钮 温度开关（常开） 温度开关（常闭） 手动上水开关 手动排水开关 手动消音开关 手动加热开关

3.1.5 系统电路的设计

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代号 工程名称 输出点 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y13 Y15 代号 HL HL1 HL2 HA HL3 YV1 YV2 KM1 YV3 工程名称 启动指示灯 总停指示灯 除尘指示灯 报警蜂鸣器 故障指示灯 供水电磁阀 排水电磁阀 除尘电机正转接触器 除尘阀 2008级电子信息科技技术

1、主电路的设计：

1) 接触器KM1和KM2分别控制电机的正转和反转, 电动机有热继电器实现过载保护。 2) 选择自动开关Q为总电源的开关，即可完成主回路的短路保护，又起到隔离三相交流电源的作用，使使用和维护更加方便。

3) 由FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分别实现各负载回路的短路保护作用。FU7 FU8完成PLC控制回路的短路保护。

根据上述设计原则绘制出电气控制主电路图。如图7所示

图7 电气控制主电路图 2、PLC控制电路的设计

根据系统的控制要求、系统的总体设计及系统所选的元器件，设计出系统的控制原理图及PLC外部接线图，如图8所示太阳能热水器系统PLC I/O控制原理电路图。

第 13 页 共22 页 隔离变压器 毛廷梅：基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计

图8太阳能热水器系统PLC I/O控制原理电路图

3.2 系统软件设计方案

可编程控制器是扫描工作方式，能同时对多个模块进行控制，在整个程序扫描时间里加上不同的输入检测信号，就可使程序按所检测信号判断进入不同的分支程序。主程序包含有多个分支程序，这样既提高了编程的灵活性又减少了不必要的代码重复，同时也方便以后系统扩展对软件的修改，系统主要是接收上位机的控制参数，并完成太阳能热水器温度、液位的测量和控制任务。 3.2.1 软件组成

软件系统通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件。

系统软件指的是操作系统、程序设计系统等与计算机密切相关的程序。系统软件一般由计算机生产商或各种软件公司提供，带有一定的通用性，用不着自己编写。本课题采用日本三菱公司的PLC，所以系统软件是由三菱公司提供的，该软件对系统进行实时监控。

应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在计算机控制系统中，每个控制对象或控制任务都要有相应的控制程序，用这些控制程序来完成对象的不同要求，这种程序通常称为应用程序。本课题主要根据太阳能热水器的各种输入输出状态来编制PLC的梯形图程序。 3.2.2 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及实际的控制需要，绘制系统控制流程图 1） 主程序控制系统流程图

温度子程序 第 14 页 共 22页 水位子程序

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图9 主程序控制系统流程图

2）水位子程序流程图

图10 水位子程序流程图 3）温度子程序流程图

第 15 页 共22 页 毛廷梅：基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计

图11 温度子程序流程图

4） 除尘子程序流程图

图12 除尘子程序流程图 流程图简介:

PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好起动。

根据太阳能热水器定时器设定的工作的时间段看是否到工作时间。如果没有到则系统停止。如果到工作时间。则调用温度子程序和水位自程序。根据水箱内的水位和水温进行PID调节。如果水箱内的水位低于设定值。则打开进水阀。先供水5分钟。然后停2分钟，实现节水功能。如果水箱内的水温低于设定值。则进行加热。如果水位过高或者水温过高。则系统发出报警信号。当外部环境温度超过4度时。则调用除尘子程序。除尘时。电机先正转20秒。然后电机反转20秒。循环直到除尘达到2分钟时。则返回从开始的全部动作，进行下一次大循环。

此外，还可以按手动按钮以实现手动供水、排水和手动加热功能。

3.2.3 设计PLC控制原理（梯形图程序）

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。明确寄存器空间的分配，专用寄存器的确定等。控制系统的程序的设计，主程序的编制及各功能子程序的编制以及程序的调试。其他辅助程序的设计，如故障应急程序等。根据控制系统流程图，绘制太阳能热水器系统控制的梯形图和编制程序指令表，其完整梯形图及指令表见附录。

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第四章 结论

通过本次课程设计，使太阳能热水器达到了系统的各种控制要求，成功完成太阳能热水器的PLC自动控制系统的设计。经过对系统程序的运行调试，实现了太阳能热水器的自动控制，也可实现太阳能热水器手动控制。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。与国外相比，我国的太阳能热水器的自动控制系统却一直处于研究和开发阶段，尤其是与太阳能热水系统匹配的控制系统。国外已经发展用PLC对太阳能热水器的精细控制，我国对太阳能热水器自动控制系统的研究还有很长一段路要走。

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毛廷梅：基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计

致谢

时间如梭，经过两个多月的紧张的忙碌，毕业设计终于接近尾声，给大学的最后一课画上了一个圆满的句号。

四年的理论学习，使我掌握了基本的专业知识、学习方法。然而，理论离不开实践，毕业设计正是专业教学的最后一个环节它使我们使所学的知识得到复习、巩固，加强了理论联系实际的能力，真正把所学的知识应用到实践中去，为将来步入社会，走向工作单位打下了坚实的基础。

在各位指导教师和同学的热心帮助下，我完成了本次设计。在毕业论文完成之际向培养我的学校及所有关怀和鼓励我的老师表示深深的谢意。这次设计为我今后的工作奠定了良好的基础，同时，使我能够把学到的知识应用到实践当中，也是对我四年来所学专业知识的一次检验。

在设计过程中得到了来自方方面面的关怀与指导。尤其是指导教师赵顺洪老师在学习中给予了很大的帮助，为本次设计的顺利完成耗费了大量的心血。在此我要向尊敬的导师表示深深的谢意!

最后，感谢全体电子专业的老师及同学给予我的关心和帮助。

由于本人能力有限，在设计过程中不妥之处在所难免，望广大指导教师给予批评指正。 谢谢!

毛廷梅 2010年10月

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附录Ⅰ 梯形图

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