基于三菱PLC的太阳能热水器自动控制新版系统的设计.doc
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1、基于PLC太阳能热水器自动控制系统设计摘 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应用。重点研究了系统硬件构成及系统软件设计过程。指出了 PLC 设计核心重要是能满足基本控制功能,并考虑维护以便性、系统可扩展性等。在本文中经研究拟定出了系统各个工序,绘制了系统工艺流程图;进行了系统I/O分派和PLC选型;依照系统设计规定设计绘制了系统控制梯形图;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改造,大大减少了系统对其他元器件使用,使系统接线简朴、检修维护以便快捷、可靠性提高,增进了系统先进性。核心词:PLC;太阳能;自动控制系统;热水器Des
2、ign of Solar Water HeaterAutomatic Control System Based on PLCAbstract 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
3、 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
4、 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
5、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.
6、 In a word,the system becomes more advanced because of my design.Keywords:PLC;solar;automatic control system;water heater目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 本课题研究目、意义11.2国内外研究现状11.2.1 国内研究现状11.2.2 国外研究现状21.3 当前国内太阳能热水器种类21.3.1 平板式太阳热水器21.3.2 全玻璃真空管式热水器31.3.3 热管式太阳能热水器41.3.4 热管真空管式太阳能热水器41.4 研究内容5第二章 全玻璃真空管
7、式太阳能热水器综述62.1 太阳能热水器系统功能简介62.1.1 太阳能热水器构成、原理和工作过程72.1.2 太阳能热水器各单元简介82.1.3 系统规定102.2 可编程控制器(PLC)简介102.2.1 PLC发展历史112.2.2 可编程序控制器工作原理112.2.3 可编程控制器特点122.2.4 PLC分类132.2.5 可编程控制器应用领域14第三章 热水器控制系统设计方案163.1 系统硬件设计方案163.1.1 PLC选型163.1.2 PLC硬件控制框图173.1.3 各单元功能作用简介173.1.4 PLC端口分派213.1.5 系统电路设计223.2 系统软件设计方案2
8、43.2.1 软件构成253.2.2 系统控制流程图253.2.3 设计PLC控制原理(梯形图程序)30第四章 可编程控制器(PLC)安装、维护和检修314.1 PLC安装314.2 PLC系统电源接线314.3 接地324.4 输入接线324.5 输出接线324.6 PLC维护和检修33第五章 结 论34参照文献35致 谢36附录 梯形图37附录 指令表40第一章 绪 论1.1 本课题研究目、意义用太阳能解决国内家庭热水是最有但愿、最有效可行途径。太阳能光热应用市场前景辽阔,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,都市家庭生活热水
9、供应不应由业主考虑,而应与建筑设计开发同步进行。在此基本上设计出了全玻璃真空管式热水器自动控制系统。在电子技术飞速发展今天,有必要并且有也许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时间继电器和中间继电器相称多,并且其常开常闭触点可多次重复使用,使得咱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时间继电器和中间继电器,简化控制线路、有效提高系统可靠性,是PLC突出特点。当前,国内大某些太阳能热水器控制某些,往往需要大量中间继电器和时间继电器来满足生产工艺规定,成果使电路设计复杂、繁琐,故障
10、时有发生,给使用和寻常维护带来了很大不便。太阳能热水器是太阳能热运用中商业化限度最高 、应用最普遍技术 。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,它具备速度快,可靠性高,体积小,功能全,编程简朴特点。通过改进或完善已有太阳能热水器控制系统局限性,设计开发新型太阳能热水控制系统基于PLC太阳能热水器自动控制系统。1.2国内外研究现状1.2.1 国内研究现状国内太阳能热水器产业发展迅速,当前已成为世界上最大太阳热水器生产国,但与太阳热水器配套控制器却始终处在研究和开发阶段,特别是与太阳能热水器系统匹配控制器,至今尚未检索到有关报道。
11、近几年来,市场上陆续浮现了某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;显示屏有时浮现乱码;与电辅助加热装置不能较好配合;太阳能运用率较低等问题,影响了顾客使用。更有甚者,有些控制器质量较差,经常发生故障,给顾客带来诸多不便,严重影响了顾客使用,从而影响到太阳热水器销售。太阳热水器,特别是太阳热水系统及其控制器有着辽阔发展前景,但既有技术研究和产品开发投入较少。因而,在太阳热水器、太阳热水系统测量控制方面,应引起足够注重,加大投入一定力量研究开发高质量、性能好测控产品1。1.2.2 国外研究现状太阳能热水器是运用太阳辐射能和热水装置。世
12、界上第一台热水器是美国马里兰州肯普于 1891 年创造。到第二次世界大战结束,人们创造了各式各样被统称为“闷晒式”太阳能热水器。第二次世界大战结束后,人们注意力又开始转向发展经济。某些缺少常规能源国家,如日本,开始投入人力物力开发运用太阳能,通过人们努力,各种简易平板太阳集热器已开始在市场中浮现。到 20 世界 70 年代,随着世界性能源危机日益严重,迫使人们对太阳能开发运用又重新注重起来,许多国家花了不少人力物力,用于大力研究和开发太阳能运用技术,特别是太阳能热水器。到上世纪 70 年代末,太阳热水器开发运用在美国、澳大利亚、日本、德国、以色列等国家得到了很大发展.在随后十几年里,平板集热器
13、型太阳热水器推广应用在某些国家得到了较快发展。1975 年美国欧文斯伊利诺依(OWens-llinois)公司创造了全玻璃真空管太阳集热器并推向市场。当时,集热管选取性吸取涂层平场阳光吸取率约为83%,但由于采用了高真空技术,使集热器热损失比普通平板式太阳集热器热损失减少了两个数量级,从而将太阳能热运用技术水平大大提高了一大步。在随后十几年内,全玻璃真空管太阳热水器性能通过完善、提高,并逐渐减少成本,因而得到了迅速发展,到上世纪90年代,这种新型太阳能热水器已成为推广应用主流产品。在全玻璃真空管太阳能热水器基本,为进一步提高效率,提高性能,德国研制出热管式真空管太阳热水器,某些国家研制出了某些
14、高质量太阳热水器专用零部件,另某些国家为优化设计专门开发了用于太阳能热水器应用软件。尚有某些国家,开发出功能完善,能全天候使用太阳热水器系统。在西方先进国家,在太阳能热水器方面研发和推广应用始终比较活跃2。1.3 当前国内太阳能热水器种类1.3.1 平板式太阳热水器平板式太阳能热水器又叫“平板集热器”,它是太阳热水器基本型之一。由它可以派生出许多同类热水器,如翅翼型、波纹板型、塑料压制型等等,但它们集热基本原理都同样。水循环靠温差比重不同。热水轻,向上升。冷水密度大,只能从底部慢慢向上顶。水箱中水通过集热器循环加温,逐渐达到平衡,则不再流动。事实上水箱中水总是源源不断进入集热器底部,而热水也不
15、断流入水箱上部。平板型太阳集热器以其简朴、价廉和安装以便在全世界都获得了广泛应用。普通平板型太阳集热器由吸热体、壳体、透明盖板和隔热材料等构成。当太阳照射到集热器时,集热器板上水道中水被加热而发生膨胀、变轻、产生“水往高处流”现象,就像热烟气从烟囱中冒出同样,这就是所谓“热虹吸”现象,系统中水流循环运动完全依托自身各部位温度不同而形成自然循环,即只要有太阳照射,就能实现这种循环。水在集热器中受热变轻,由集热器底部上升至顶部。再经循环管流入保温水箱,水箱下部冷水由下循环管流入集热器底部。如此循环,使整个水箱中是水温升高3。这种集热器长处是:1、工艺不复杂,加工成本低。2、水流循环和加热所有依托集
16、热器吸热作用,不需要泵和其他能源,运营成本低,的确是一次投资,长期受益。3、水流系统常压运营,无需带压设备,没有任何安全隐患。4、整个系统没有运转设备,水对吸热板没有腐蚀作用,故使用寿命很长。缺陷:1、由于白天、晚上温度不同,集热器易产生倒流。2、在高温段效率偏低,表面热损大。3、在冬季低于0时,因集热器中水结冰膨胀,将管子胀裂。4、流动阻力分布不均,抗冻性能差,因此使用范畴局限在北方夏天和南方不结冻地区冬天。1.3.2 全玻璃真空管式热水器全玻璃真空管式太阳能热水器是在平板型太阳集热器基本上发展一种新型太阳能集热装置。全玻璃真空管太阳集热器核心元件是玻璃真空集热管,它采用了真空技术,消除了气
17、体对流与传导热损,并应用选取性吸取涂层,使真空集热管辐射热损降到最低,这样真空管太阳集热器可以在中高温下运营,也能在寒冷地区冬季及低日照与天气多变地区运营,扩大了应用领域。全玻璃真空太阳集热管普通采用单端开口形式,在一端将内、罩玻璃管环形熔封在一起。真空集热器内装有吸气剂4。这种集热器长处是:1、构造简朴、制造以便、可靠性强。2、集热效率高,保温性能好。3、可以在中高温下运营,也能在寒冷地区冬季运营。4、使用寿命长,一年四季都可使用。缺陷:1、管内存水过多,管内水温上升缓慢,并且对于真空管南北放置热水装置,管中热水无法所有取出,致使系统热水运用率减少。2、不能承压,易在玻璃管内结垢,管子易炸裂
18、,并且在寒冷地区使用会冻结。3、价格昂贵。1.3.3 热管式太阳能热水器热管式热水器也是一种可以常年使用太阳能设备,基本原理同热管式太阳灶差不多。但是,由于普通提供洗浴用热水温度不太高,因此对热管规定也比太阳灶要低。甚至从满足生活热水单项规定来说,这种热管在技术上和经济上均优于真空集热管。国内大连生产热管式热水器虽然初始投资高于平板式集热器,但是低于真空管集热器,而使用效果也不差。国外同类热管式热水器产量和型号正在不断增长。此种热水器热管,构造简朴,工质易得,抗冻性和热效率均好,使用寿命也长。热管式热水器在外形构造上很象管板式热水器,只但是把普通排管变成了热管,少个或省去了一种集水管,热管上同
19、样可装翅片吸取太阳能。当热管收集到太阳热之后,立即把它输送到集热管,并在水箱中进行换热,于是得到热水。由于热量是由热管输送、选取适当工质与管材、管芯,就能保证其化学相容性,避免普通管板式热水器腐蚀性。同步,由于热管内工质很少,不像管板式热水器里面布满着水,因此热损较低,起动也较快。并且热管式热水器工作温度范畴也比管板式热水器宽得多,不用紧张00C时水会结冰,也不怕高于100时水会沸腾。1.3.4 热管真空管式太阳能热水器热管真空管式集热器是一种新型太阳能集热装置,集中热管式和真空管式集热器两者长处,克服彼此缺陷。例如,运用热管起动快,一通过不同工质可以控制热水器工作温度,而真空管集热器在无负荷
20、闷晒时,往往会浮现超过200高温,使水压力增大,导致使用中不便等。但真空管集热器长处在于绝热性好,热效率高。其原理是太阳辐射穿过真空管玻璃外壳,投射在金属吸热板上,吸热板将太阳辐射能转化为热能,使热管蒸发段内传热介质汽化。蒸汽上升到热管冷凝段后,通过导热块将热量传递给集热管内工质,而自身又凝结成液体,依托重力流回蒸发段。上述过程重复循环,使集热管内工质不断升温。由于运用了真空技术,大幅度减少了集热器热损失,因而使其在高工质温度或低环境温度运营条件下仍具备良好热性能,同步运用了热管技术,被加热工质不直接流经真空管,因而跟普通平板式集热器和真空管集热器比较,热管式真空集热器除了工作温度高,承压能力
21、大和耐热冲击性能好等长处,尚有其明显特点5。这种集热器长处: 1、耐冰冻。热管由特殊材料和工艺保证,虽然在冬季长时间无晴天及夜间寒冷条件下,真空管也不会冻裂。2、启动快。热管热容量很小,受热后及时启动,因而在瞬变太阳辐射条件下能提高集热器输出能量,并且在多云间晴低日照天气也能将水加热。3、保温好。热管具备单向传热特点,即白天由太阳能转换热量可沿热管向上传播去加热水,而夜间被加热水热量不会沿热管向下散发到周边环境。4、安装维修以便。安装以便,操作简朴,易于固定,运营可靠。缺陷:1、生产成本。 2、技术规定高。上面简介了当前国内太阳能热水器种类,并讨论了它们各自优缺陷。最后,在此基本上提出了本文研
22、究重要内容为全玻璃真空管太阳能热水器自动控制系统设计。1.4 研究内容本课题研究内容是用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、使更多工作免于人参加、使系统更加稳定可靠。详细研究工作从如下方面展开:1)拟定系统各种工序,绘制系统工艺流程图。2)PLC选型及I/O分派。3)设计、绘制梯形图,满足各控制规定。4)绘制电气原理图、外部接线图等。5)根据设计规定调试系统成功。第二章 全玻璃真空管式太阳能热水器综述2.1 太阳能热水器系统功能简介图21 热水器系统构造图图22 系统控制原理图:注释:Tl,热水箱温度传感器 T2,循环水管中温度传感器
23、 T3,集热器中温度传感器 F1,循环水阀门 F2,冷水阀门 F3,热水阀门此款热水器运用微机控制重要有如下两种控制功能: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摄氏度水,详细控制过程如下:一方面,关闭冷水阀门F2和循环水阀门F1,然后微机开始进行水箱温度采集,同步进行温度比较,当水箱中温度不大于370C时,电热器D接通进行加热,同步微机继续对热水箱水温进行采集。当温度加热到不不大于370C时电热器D断开,如此重复循环保证了温度稳定。2、水箱加热控制如果没有日照或者日照很弱时,到了晚上咱们与否还能洗上热水澡呢?答案是必定,不要忘了这款热水器尚有一种从系统。这时它就要发挥作用了
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