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基于PLC的太阳能热水器自动控制系统设计.docx
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基于PLC的太阳能热水器自动控制系统设计.docx
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摘 要
现在,城市居民绝大部分都使用了太阳能热水器,农村也有相当一部分人使用。太
阳能热水器在技术上比较成熟、造价比较低廉,同时由于给人民提供绝对安全的热水而
受到人们的欢迎,且具有节能、环保、安全、便利、长久等优点,所以它的应用会越来
越广。因此,研究和开发先进的太阳能热水器控制系统变得越来越重要。
本设计阐述了可编程控制器(PLC)在太阳能热水器控制系统中的应用,重点研究了
系统的硬件构成及软件的设计过程。指出了 PLC 设计的关键是能满足基本的控制功能,
并考虑维护的方便性、系统可扩展性等。本设计利用西门子 S7-200PLC,进行了太阳能
热水器自动控制系统的 I/O 分配和 PLC 选型,编写了 PLC 程序梯形图和接线图,实现
了自动上水排水、自动循环、自动加热、PID 闭环控制恒温出水、手动与自动模式切换
等功能。并在此基础上,利用 S7-200 的仿真软件对系统进行了仿真,利用 WinCC Flexible
软件组态了人机界面,使用 MPI 通信协议实现了 PLC 与触摸屏的通信连接。把可编程
控制器 PLC 作为太阳能热水器的控制系统,增加了系统的方便性与可靠性,减少了其
它元器件的使用。它使系统接线简单,检修维护方便快捷,增进了系统的先进性。
论文分为四章:第一章介绍了太阳能热水器发展背景及设计意义;第二章介绍了太
阳能热水器的工作原理;第三章介绍了硬件选型及系统流程;第四章介绍了系统程序的
编写、系统的仿真、人机界面(WinCC Flexible)组态过程。
关键词:太阳能热水器;PLC;自动控制系统
Abstract
Now, vast majority of urban residents use solar water heaters, so do a considerable
number of rural people. Solar water heaters are technically more mature, relatively low cost.
Meanwhile, since it provide absolute security to the people of hot and people are welcome,
and it has some advantages of energy saving, environmental protection, safety, convenience,
long, etc. So it will be widely applied. Therefore, the research and development of controlling
system of advanced solar water heater are becoming increasingly important.
This design expounds the application of PLC in solar water heater automatic controlling
system, especially the designing process of hardware and software of the system. Furthermore,
the project shows that the key of PLC designing is to satisfy the basic controlling function,
considering the convenience of maintenance and scalability. In this design, the address of I/O
is resigned and the suitable PLC is chosen. The electrical principle diagram and the
interconnection diagram are drawn, according to the requirement. Automatic water drainage,
automatic cycle, automatic heating, PID loop control temperature water, manual and
automatic mode switching function have been realized. And on this basis, the system was
simulated using the simulation software for S7-200, produced a man-machine interface by
using WinCC Flexible software. As the controlling system of solar water heater, PLC greatly
reduces the number of other components. Moreover, it has the feature such as simple
interconnection, rapid and easy fault detecting and maintenance, and advancement of the
system.
The paper is divided into four chapters: the first chapter describes the background of the
development and design of solar water heaters significance; Second chapter describes the
working principle of solar water heaters; Third chapter describes the hardware selection and
system processes; The fourth chapter describes the procedures for the preparation of the
system, system simulation, HMI (WinCC Flexible) configuration process.
Keywords: Solar water heater; PLC; Automatic control system
目 录
摘 要 .....................................................................................................................................I
Abstract ......................................................................................................................................II
第 1 章 绪论...............................................................................................................................1
1.1 课题研究的背景...........................................................................................................1
1.2 国内外研究现状简述...................................................................................................2
1.3 太阳能热水器市场分析...............................................................................................3
1.4 本设计特点及主要内容...............................................................................................5
第 2 章 太阳能热水器的组成及工作原理...............................................................................6
2.1 太阳能热水器的基本结构...........................................................................................6
2.2 太阳能热水器的工作原理...........................................................................................8
2.3 本设计要实现的功能.................................................................................................10
第 3 章 太阳能热水器硬件的选型及设计.............................................................................11
3.1 PLC 的工作原理 ........................................................................................................11
3.2 硬件设备的选型.........................................................................................................13
3.2.1 PLC 的选型 .....................................................................................................13
3.2.2 其他硬件的选型..............................................................................................15
3.3 太阳能热水器的整体设计.........................................................................................18
3.3.1 PID 闭环控制 ..................................................................................................18
3.3.2 PLC 与外部设备连接方案 .............................................................................20
3.3.3 水工艺流程设计..............................................................................................22
第 4 章 系统软件框架的构建与系统仿真.............................................................................23
4.1 系统的 I/O 口地址及相关的软元件功能设置 .........................................................23
4.2 系统的程序流程图.....................................................................................................25
4.3 设计控制系统的梯形图程序.....................................................................................28
4.4 系统仿真.....................................................................................................................35
4.5 组态人机界面.............................................................................................................39
第 5 章 结论.............................................................................................................................42
参考文献...................................................................................................................................43
致 谢...................................................................................................................................45
附 录 S7-200 仿真监控图................................................................................................46
1
第 1 章 绪论
1.1 课题研究的背景
太阳能(Solar Energy),一般是指太阳光的辐射能量,太阳能是一种可再
生能源,广义上的太阳能是地球上许多能量的来源,如风能,生物质能,潮汐
能、水的势能等等。太阳能利用的基本方式可分为光—热利用、光—电利用、
光—化学利用、光—生物利用四类。在四类太阳能利用方式中,光—热转换的
技术最成熟,产品也最多,成本相对较低。如:太阳能热水器、开水器、干燥
器、太阳灶、太阳能温室、太阳房、太阳能海水淡化装置以及太阳能采暖和制
冷器等
[1]
。太阳能光热发电比光伏发电的太阳能转化效率较高,但应用还不普
遍。在光热转换中,当前应用范围最广、技术最成熟、经济性最好的是太阳能
热水器的应用。
2
图 1-1 太阳能热水器
1.2 国内外研究现状简述
在世界范围内,世界上第一台太阳能热水器在 100 多年前诞生于美国,它
是一种闷晒式热水器
[4]
。到目前为止国外太阳能热水器的发展主要经历了以下
几个阶段:
第一代,这是一种非常简易的利用,用铁皮桶放在楼顶,外表面刷上黑色
油漆以增强对阳光的吸收;
第二代,平板式太阳能热水器,采用中心铜管加两翼铝或者铝铜合金作为
吸热体,前期翼片刷油漆,后期采用对阳光具有选择性吸收的氮化铝/铝等涂层。
现今,绝大多数的涂层太阳光吸收比可达 0.90 以上,优质的平板式太阳能一般
应具备以下几个特点:铜管加铝翼吸热体、低铁盖板玻璃、良好的密封、采用
选择性磁控溅射涂层等;
第三代,真空管式太阳能热水器,平板式太阳能采用铝等边框加玻璃盖板
对吸热体进行围护,在寒冷的冬季,热散发很大,基本没有热水可用,真空管
式太阳能热水器可以良好地解决这个问题,采用双层高硼硅玻璃管(类似水瓶胆
原理)作为吸热体,成功解决了平板太阳能热水的散热问题;
第四代,超导热管式太阳能热水器,玻璃真空管式太阳能热水器在夏季水
温高,一般购买太阳能热水器以冬季新产热进行选购,夏季热水用不完,自来
水在 75℃易结水垢,很多太阳能热水器在夏季就像是一台开水器,二三年下来,
在管壁就结上一层水垢,阻碍了对阳光的吸收,大大降低太阳能热水器的水温,
超导热管式太阳能热水器采用真空管加超导铜管和铝片作为热的传导体,水不
直接流经真空管,从而使真空管的性能基本恒定,但采用较多的铜材,价格相
对较高。
现在太阳能热水器技术已很成熟,并已形成行业,正在以优良的性能不断
地冲击电热水器市场和燃气热水器市场
[5]
。目前其产品的发展方向仍注重提高
集热器的效率,如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层,以减
少热量损失,聚脂薄膜的透明蜂窝已在德国和以色列批量生产。
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