PLC太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)

PLC太陽能熱水器自動控制系統(tǒng),plc,太陽能熱水器,自動控制系統(tǒng) PLC太陽能熱水器自動控制系統(tǒng) 摘 要 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。重點研究了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及系統(tǒng)軟件的設(shè)計過程。指出了 PLC 設(shè)計的關(guān)鍵主要是能滿足基本控制功能, 并考慮維護的方便性、系統(tǒng)可擴展性等。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；進行了系統(tǒng)的I/O分配和PLC的選型；根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求設(shè)計繪制了系統(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。 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、檢修維護方便快捷、可靠性提高，增進了系統(tǒng)的先進性。 關(guān)鍵詞: PLC；太陽能；自動控制系統(tǒng)；熱水器 前 言 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。在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了全玻璃真空管式熱水器的自動控制系統(tǒng)。 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)進行改造，以提高可靠性，并實現(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的突出特點。 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)計復(fù)雜、繁瑣，故障時有發(fā)生，給使用和日常維護帶來了很大的不便。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)中大多采用單片機控制 ，單片機開發(fā)價格較高，而PLC開發(fā)價格便宜。通過改進或完善已有太陽能熱水器控制系統(tǒng)的不足，設(shè)計開發(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)。 第一章 太陽能熱水器介紹 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 （1）國內(nèi)研究現(xiàn)狀 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 （2）國外研究現(xiàn)狀 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。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)水平大大提高了一大步。在隨后的十幾年內(nèi)，全玻璃真空管太陽熱水器性能通過完善、提高，并逐步降低成本，因而得到了快速發(fā)展，到上世紀(jì)90年代，這種新型太陽能熱水器已成為推廣應(yīng)用的主流產(chǎn)品。在全玻璃真空管太陽能熱水器的基礎(chǔ)，為進一步提高效率，提高性能，德國研制出熱管式真空管太陽熱水器，一些國家研制出了一些高質(zhì)量的太陽熱水器專用零部件，另一些國家為優(yōu)化設(shè)計專門開發(fā)了用于太陽能熱水器的應(yīng)用軟件。還有一些國家，開發(fā)出功能完善，能全天候使用太陽熱水器系統(tǒng)。在西方先進國家，在太陽能熱水器方面的研發(fā)和推廣應(yīng)用一直比較活躍。 1.2 目前我國太陽能熱水器的種類 （1）平板太陽熱水器 平板式太陽能熱水器又叫“平板集熱器”如圖1，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，逐步達到平衡，則不再流動。事實上水箱中的水總是源源不斷進入集熱器的底部，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，就能實現(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。 這種集熱器的優(yōu)點是： ①工藝不復(fù)雜，加工成本低。 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，運行成本低，確實是一次投資，長期受益。 ③水流系統(tǒng)常壓運行，無需帶壓設(shè)備，沒有任何安全隱患。 ④整個系統(tǒng)沒有運轉(zhuǎn)設(shè)備，水對吸熱板沒有腐蝕作用，故使用壽命很長。 缺點： ①由于白天、晚上的溫度不同，集熱器易產(chǎn)生倒流。 ②在高溫段效率偏低，表面熱損大。 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。 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。 圖1-1 平板太陽熱水器 （2）全玻璃真空管式熱水器 全玻璃真空管式太陽能熱水器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，如圖2。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)運行，擴大了應(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。 這種集熱器的優(yōu)點是： ①結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、可靠性強。 ②集熱效率高，保溫性能好。 ③可以在中高溫下運行，也能在寒冷地區(qū)的冬季運行。 ④使用壽命長，一年四季都可使用。 缺點： 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。 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)。 ③價格昂貴。 圖1-2 全玻璃真空管式熱水器 （3）熱管式太陽能熱水器 熱管式熱水器也是一種可以常年使用的太陽能設(shè)備如圖3，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要求來說，這種熱管在技術(shù)上和經(jīng)濟上均優(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。 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。同時，因為熱管內(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。 圖1-3 熱管式太陽能熱水器 （4）熱管—真空管式太陽能熱水器 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，克服彼此的缺點。例如，利用熱管起動快，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)的工質(zhì)不斷升溫。由于運用了真空技術(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)境溫度的運行條件下仍具有良好的熱性能，同時運用了熱管技術(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，還有其顯著特點。 這種集熱器的優(yōu)點： 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。 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。 ③保溫好。熱管具有單向傳熱的特點，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?，而夜間被加熱的水的熱量不會沿?zé)峁芟蛳律l(fā)到周圍環(huán)境。 ④安裝維修方便。安裝方便，操作簡單，易于固定，運行可靠。 缺點: ①生產(chǎn)成本。 ②技術(shù)要求高。 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。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。 第二章 可編程控制器（PLC）簡介 可編程控制器 PLC如圖2-1，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(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)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，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、易于擴充其功能的原則設(shè)計的。PLC自產(chǎn)生至今只有30多年的歷史，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為自動化控制應(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 圖2-1 可編程控制器 PLC 2.1 PLC的發(fā)展過程 20世紀(jì)70年代大規(guī)模集成電路和微處理機出現(xiàn)后，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、操作維護方便、應(yīng)用領(lǐng)域廣闊等優(yōu)點。隨著集成電路和計算機技術(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： （1）單機就地控制，取代繼電器柜，至今仍然是PLC應(yīng)用的主流。 （2）數(shù)臺PLC與1臺PC相連，PC完成編程和在運行中作為人機界面（80年代后期）。 （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。 （4）隨著近代現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)PC機（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，新型的覆蓋系統(tǒng)的PCS正在形成。 2.2 可編程序控制器的工作原理 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）或可變順序等進行。因為有的用戶程序不需要每掃描一次執(zhí)行一次，也為的是在控制系統(tǒng)需要處理的I/O點數(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時性。 用戶將用戶程序設(shè)計、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)使其處于運行工作方式，PLC就以循環(huán)掃描的工作方式進行工作。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5所示。 Y Y N N 開始 自診斷 有故障？ 與編程器進行信息交換 是否有網(wǎng)絡(luò) 與網(wǎng)絡(luò)進行信息交換 采集現(xiàn)場信號 執(zhí)行用戶程序 輸出服務(wù) 超時？ 停機出錯顯示 停機出錯顯示 圖2-2 PLC循環(huán)順序掃描工作流程圖 從圖5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。進行一個掃描周期所需的時間稱為一個掃描周期時間。 2.3 可編程控制器的的特點 （1）通用性強,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。 （2）功能性強,適應(yīng)面廣。現(xiàn)代 PLC不僅具有邏輯運算、計時、計數(shù)、順序控制等功能 ,而且還具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)值運算、數(shù)據(jù)處理等功能。因此 ,它既可對開關(guān)量進行控制 ,也可對模擬量進行控制 ,既可控制1臺生產(chǎn)機械、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，與上位計算機構(gòu)成分布式控制系統(tǒng) ,實現(xiàn)遙控功能。 （3）可靠性高,抗干擾能力強。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4萬～5萬h。 （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方式與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。 （5）控制系統(tǒng)的設(shè)計、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、時間繼電器、計數(shù)器等部件,控制柜的設(shè)計、安裝接線工作量大為減少。PLC的用戶程序大都可以在實驗室模擬調(diào)試,調(diào)試好后再將PLC控制系統(tǒng)安裝到生產(chǎn)現(xiàn)場,進行聯(lián)機統(tǒng)調(diào)。在維修方面,PLC的故障率很低,且有完善的診斷和實現(xiàn)功能,一旦PLC外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(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。 （6）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很容易裝入機械設(shè)備內(nèi)部,是實現(xiàn)機電一體化較理想的控制設(shè)備。 2.4 PLC的分類 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行大致的分類。 （1）按結(jié)構(gòu)形式分 按照結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和模塊式兩種。 前者具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、價格低的優(yōu)點，易于裝在工業(yè)設(shè)備的內(nèi)部，通常適于單機工作。一般小型和超小型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，功能易于擴展，其缺點是結(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。 （2）按功能、點數(shù)分 按功能、輸入輸出點數(shù)和存儲器容量不同，PLC可分為小型、中型和大型三類。 小型PLC又稱為低檔的PLC。這類PLC的規(guī)模較小，它的輸入輸出點數(shù)一般從20點到128點。中型PLC的I/O點數(shù)通常在120點至512點之間，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點數(shù)在512點以上，其中I/O點數(shù)大于8192點的又稱為超大型PLC，用戶程序存儲器容量在8KB以上。 2.5 可編程控制器應(yīng)用領(lǐng)域 在發(fā)達的工業(yè)國家 ,PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、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算機的場合 ,也轉(zhuǎn)向使用 PLC。PLC的應(yīng)用范圍在不斷擴大 ,可歸納為如下幾個方面。 （1）開關(guān)量的邏輯控制　 這是 PLC 最基本最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。PLC 取代繼電器控制系統(tǒng) ,實現(xiàn)邏輯控制。例如：機床電氣控制，沖床、鑄造機械、運輸帶、包裝機械的控制，注塑機的控制，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、連鑄機、飛剪的控制，電鍍生產(chǎn)線、啤酒灌裝生產(chǎn)線、汽車配裝線、電視機和收音機的生產(chǎn)線控制等。 （2）運動控制　 PLC可用于對直線運動或圓周運動的控制。早期直接用開關(guān)量 I/O模塊連接位置傳感器與執(zhí)行機構(gòu) ,現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家生產(chǎn)的 PLC 幾乎都有運動控制功能。PLC的運動控制功能廣泛地用于各種機械。例如:金屬切削機床、金屬成型機械、配裝機械、機器人和電梯等。 （3）閉環(huán)過程控制　 過程控制是指對溫度、壓力、流量等連續(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 ,并對模擬量進行閉環(huán) PID 控制 ,可用 PID 子程序來實現(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、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、機械、冶金、電力和建材等行業(yè)。 （4）數(shù)據(jù)處理　 現(xiàn)代的PLC具有數(shù)學(xué)運算、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。 （5）機器人控制　 機器人作為工業(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)在許多機器人制造公司，選用 PLC作為機器人控制器來控制各種機械動作。隨著PLC體積進一步縮小，功能進一步增強，PLC在機器人控制中的應(yīng)用必將更加普遍。 （6）通訊聯(lián)網(wǎng)　 PLC的通訊包括PLC之間的通訊、PLC與上位計算機和其他智能設(shè)備之間的通訊。PLC和計算機具有接口，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與計算機之間的通訊，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。 第三章 全玻璃真空管式太陽能熱水器的綜述 3.1 太陽能熱水器組成、原理和工作過程 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，需要大量的熱水。這類熱水的特點是用水量較大而水溫不高，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。 （1）熱水器組成及原理 熱水器主要由集熱器、循環(huán)管道和水箱等組成。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。 熱水器裝置簡圖圖3-1 1一集熱器 2一下降水管 3一循環(huán)水管 4一補給水箱 5一上升水管 6一自來水管 7一熱水出水管　 7 5 1 2 3 4 6 圖3-1 熱水器裝置簡圖 （2）熱水器的基本工作過程 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)管不斷補充溫度較低的水，如此循環(huán)往復(fù)，最終整箱水都升高至一定的溫度。 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要大得多。當(dāng)水溫升高后，由于運動粘度減小，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)主管管徑達到一定值以后，增加主管管徑對減小系統(tǒng)阻力意義不大。 3.2 太陽能熱水器各單元介紹 （1）集熱器 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，上面蓋以玻璃，使太陽的輻射能可以進入盒體，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。 （2）循環(huán)管道 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。但要熱水器運行起來，還得配置適當(dāng)?shù)墓艿溃瑢⒓療崞髋c水箱有機的連接起來，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。 （3）熱水器水箱及水箱配置 水箱是熱水器重要組成部分。它包括循環(huán)水箱和補給水箱；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，以補給冷水之用。 ①循環(huán)水箱 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水擋板。這樣冷水進入循環(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? ②補給水箱 補給水箱是供給冷水的水箱。自來水不是直接進入循環(huán)。而是通過補給水箱來補給。這樣做的優(yōu)點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。 ③水箱配管 水箱配管是指進出水管、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，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。 第四章 熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 4.1 系統(tǒng)的要求 PLC投入運行，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，準(zhǔn)備好起動。 根據(jù)太陽能熱水器定時器設(shè)定的工作的時間段看是否到工作時間。如果沒有到則系統(tǒng)停止。如果到工作時間。則調(diào)用溫度子程序和水位自程序。根據(jù)水箱內(nèi)的水位和水溫進行PID調(diào)節(jié)。如果水箱內(nèi)的水位低于設(shè)定值。則打開進水閥，先供水5分鐘，然后停2分鐘。如果水箱內(nèi)的水溫低于設(shè)定值，則進行加熱。如果水位過高或者水溫過高，則系統(tǒng)發(fā)出報警信號。當(dāng)外部環(huán)境溫度超過4度時，則調(diào)用除塵子程序，除塵時，電機先正轉(zhuǎn)20秒，然后電機反轉(zhuǎn)20秒，循環(huán)直到除塵達到2分鐘時，則返回從開始的全部動作，進行下一次大循環(huán)。 此外，還可以按手動按鈕以實現(xiàn)手動供水、排水和手動加熱功能。 4.2 系統(tǒng)的設(shè)計方案 （1）PLC輸入輸出分配表1 表1 PLC的輸入輸出分配表 輸入地址 輸出地址 X0 啟動按鈕SB0 Y0 啟動指示燈 Y14 除塵電機反轉(zhuǎn)接觸器 X1 總停按鈕SB1 Y1 總停指示燈 Y15 除塵閥 X2 溫度開關(guān)（常開） Y2 除塵指示燈 X3 溫度開關(guān)（常閉） Y3 報警蜂鳴器 X4 手動上水開關(guān) Y4 故障指示燈 X5 手動排水開關(guān) Y5 供水電磁閥 X6 手動消音開關(guān) Y6 排水電磁閥 X7 手動加熱開關(guān) Y13 除塵電機正轉(zhuǎn)接觸器 （2）PLC外部接線圖4-1 圖4-1 PLC外部接線圖 （3） 系統(tǒng)控制流程圖 ① 主程序控制系統(tǒng)流程圖圖4-2 N 開始 初始狀態(tài)檢查 設(shè)置工作時間段 啟動定時器 工作時間是否到？ Y Y 端口控制邏輯正常 N 終止工作 報警子程序 水粒子程序 各開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測 Y 除塵子程序 符合除塵條件 運行 終止 N 端口控制邏輯正常 Y 圖4-2 主程序控制系統(tǒng)流程圖記錄端口狀態(tài)，返回 ②水位子程序流程圖圖4-3 N Y N 開 始 系統(tǒng)初始化 系統(tǒng)采樣 A/D轉(zhuǎn)換 PID運算 是否達到指定水位 上水 是否超過警戒線 停止 Y 圖4-4水位子程序流程圖 ③溫度子程序流程圖圖4-5 N Y 開始 系統(tǒng)初始化 系統(tǒng)采樣 A/D轉(zhuǎn)換 PID轉(zhuǎn)換 是否達到設(shè)定溫度 驅(qū)動電加熱器加熱 是否超過溫度警戒線 停止 圖4-5 溫度子程序流程圖圖 （4） 設(shè)計PLC控制原理（梯形圖程序） 結(jié)束語 時間如梭，經(jīng)過一個多月的緊張的忙碌，畢業(yè)設(shè)計終于接近尾聲，給我的最后一課畫上了一個圓滿的句號。 四年的理論學(xué)習(xí)，使我掌握了基本的專業(yè)知識、學(xué)習(xí)方法。然而，理論離不開實踐，畢業(yè)設(shè)計正是專業(yè)教學(xué)的最后一個環(huán)節(jié)它使我們使所學(xué)的知識得到復(fù)習(xí)、鞏固，加強了理論聯(lián)系實際的能力，真正把所學(xué)的知識應(yīng)用到實踐中去，為將來步入社會，走向工作單位打下了堅實的基礎(chǔ)。 在各位指導(dǎo)教師和同學(xué)的熱心幫助下，我完成了本次設(shè)計。在畢業(yè)論文完成之際向培養(yǎng)我的學(xué)校及所有關(guān)懷和鼓勵我的老師表示深深的謝意。這次設(shè)計為我今后的工作奠定了良好的基礎(chǔ)，同時，使我能夠把學(xué)到的知識應(yīng)用到實踐當(dāng)中，也是對我五年來所學(xué)專業(yè)知識的一次檢驗。 在設(shè)計過程中得到了來自方方面面的關(guān)懷與指導(dǎo)。尤其是指導(dǎo)老師在學(xué)習(xí)中給予了很大的幫助，為本次設(shè)計的順利完成耗費了大量的心血。在此我要向尊敬的導(dǎo)師表示深深的謝意! 最后，感謝老師及同學(xué)給予我的關(guān)心和幫助。 謝謝! 參考文獻 1. 袁任光 《可編程序控制器技術(shù)與實例》 廣州：華南理工大學(xué)出版社 2003 2. 劉敏 《可編程控制器技術(shù)》 北京：機械工業(yè)出版社 2000, 3. 劉文強 《我國太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及展望》 2002年第4卷, 4. 姚偉 《太陽能利用與可持續(xù)發(fā)展》 中國能源 2005， 5. 陸維德 《我國太陽熱水器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展》太陽能 1999年第4期， 第 26 頁 共 26 頁