基于三菱PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计.doc

基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计
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 设计的关键重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。在本文中经研究拟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分派和PLC的选型；根据系统设计规定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，使系统接线简朴、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

Design of Solar Water Heater
Automatic Control System Based on PLC
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

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国内外研究现状 1
1.2.1 国内研究现状 1
1.2.2 国外研究现状 2
1.3 目前我国太阳能热水器的种类 2
1.3.1 平板式太阳热水器 2
1.3.2 全玻璃真空管式热水器 3
1.3.3 热管式太阳能热水器 4
1.3.4 热管—真空管式太阳能热水器 4
1.4 研究的内容 5
第二章 全玻璃真空管式太阳能热水器的综述 6
2.1 太阳能热水器系统功能简介 6
2.1.1 太阳能热水器组成、原理和工作过程 7
2.1.2 太阳能热水器各单元介绍 8
2.1.3 系统的规定 10
2.2 可编程控制器（PLC）简介 10
2.2.1 PLC的发展历史 11
2.2.2 可编程序控制器的工作原理 11
2.2.3 可编程控制器的的特点 12
2.2.4 PLC的分类 13
2.2.5 可编程控制器应用领域 14
第三章 热水器控制系统的设计方案 16
3.1 系统硬件的设计方案 16
3.1.1 PLC的选型 16
3.1.2 PLC硬件控制框图 17

3.1.3 各单元功能作用介绍 17
3.1.4 PLC的端口分派 21

3.1.5 系统电路的设计 22
3.2 系统软件设计方案 24
3.2.1 软件组成 25
3.2.2 系统控制流程图 25
3.2.3 设计PLC控制原理（梯形图程序） 30
第四章 可编程控制器（PLC）的安装、维护和检修 31
4.1 PLC的安装 31
4.2 PLC系统的电源接线 31
4.3 接地 32
4.4 输入接线 32
4.5 输出接线 32
4.6 PLC的维护和检修 33
第五章 结 论 34
参考文献 35
致 谢 36
附录Ⅰ 梯形图 37
附录Ⅱ 指令表 40

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应不应由业主考虑，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称多，并且其常开常闭触点可多次反复使用，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规定，结果使电路设计复杂、繁琐，故障时有发生，给使用和平常维护带来了很大的不便。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，编程简朴的特点。通过改善或完善已有太阳能热水器控制系统的局限性，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国内外研究现状
1.2.1 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在研究和开发阶段，特别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；太阳能运用率较低等问题，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，特别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]。
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的装置。世界上第一台热水器是美国马里兰州的肯普于 1891 年发明的。到第二次世界大战结束，人们发明了各式各样被统称为“闷晒式”的太阳能热水器。第二次世界大战结束后，人们的注意力又开始转向发展经济。一些缺少常规能源的国家，如日本，开始投入人力物力开发运用太阳能，通过人们的努力，各种简易的平板太阳集热器已开始在市场中出现。到 20 世界 70 年代，随着世界性能源危机日益严重，迫使人们对太阳能的开发运用又重新重视起来，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，太阳热水器的开发运用在美国、澳大利亚、日本、德国、以色列等国家得到了很大的发展.在随后的十几年里，平板集热器型太阳热水器的推广应用在一些国家得到了较快的发展。1975 年美国欧文斯—伊利诺依（OWens-llinois）公司发明了全玻璃真空管太阳集热器并推向市场。当时，集热管的选择性吸取涂层的平场阳光吸取率约为83%，但由于采用了高真空技术，使集热器的热损失比普通平板式太阳集热器的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。在随后的十几年内，全玻璃真空管太阳热水器性能通过完善、提高，并逐步减少成本，因而得到了快速发展，到上世纪90年代，这种新型太阳能热水器已成为推广应用的主流产品。在全玻璃真空管太阳能热水器的基础，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，一些国家研制出了一些高质量的太阳热水器专用零部件，另一些国家为优化设计专门开发了用于太阳能热水器的应用软件。尚有一些国家，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的研发和推广应用一直比较活跃[2]。
1.3 目前我国太阳能热水器的种类
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”，它是太阳热水器的基本型之一。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，但它们的集热基本原理都同样。水的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。水箱中的水通过集热器的循环加温，逐步达成平衡，则不再流动。事实上水箱中的水总是源源不断进入集热器的底部，而热水也不断流入水箱的上部。平板型太阳集热器以其简朴、价廉和安装方便在全世界都获得了广泛的应用。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组成。当太阳照射到集热器时，集热器板上水道中的水被加热而发生膨胀、变轻、产生“水往高处流”的现象，就像热烟气从烟囱中冒出同样，这就是所谓的“热虹吸”现象，系统中水流的循环运动完全依靠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，水箱下部的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]。
这种集热器的优点是：
1、工艺不复杂，加工成本低。
2、水流的循环和加热所有依靠集热器的吸热作用，不需要泵和其它能源，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、晚上的温度不同，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，因集热器中的水结冰膨胀，将管子胀裂。
4、流动阻力分布不均，抗冻性能差，所以使用范围局限在北方的夏天和南方不结冻地区的冬天。
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的基础上发展的一种新型太阳能集热装置。全玻璃真空管太阳集热器的核心元件是玻璃真空集热管，它采用了真空技术，消除了气体的对流与传导热损，并应用选择性吸取涂层，使真空集热管的辐射热损降到最低，这样真空管太阳集热器可以在中高温下运营，也能在寒冷地区的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通常采用单端开口的形式，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]。
这种集热器的优点是：
1、结构简朴、制造方便、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，也能在寒冷地区的冬季运营。
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的热水装置，管中的热水无法所有取出，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，并且在严寒地区使用会冻结。
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的太阳能设备，基本原理同热管式太阳灶差不多。但是，由于一般提供洗浴用的热水温度不太高，所以对热管的规定也比太阳灶要低。甚至从满足生活热水的单项规定来说，这种热管在技术上和经济上均优于真空集热管。我国大连生产的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的产量和型号正在不断增长。此种热水器的热管，结构简朴，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结构上很象管板式热水器，只但是把普通排管变成了热管，少个或省去了一个集水管，热管上同样可装翅片吸取太阳能。当热管收集到太阳的热之后，立刻把它输送到集热管，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、选择合适的工质与管材、管芯，就能保证其化学相容性，避免一般管板式热水器的腐蚀性。同时，由于热管内的工质很少，不像管板式热水器里面充满着水，所以热损较低，起动也较快。并且热管式热水器的工作温度范围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的太阳能集热装置，集中热管式和真空管式集热器两者的优点，克服彼此的缺陷。例如，运用热管起动快，一通过不同工质可以控制热水器的工作温度，而真空管集热器在无负荷闷晒时，往往会出现超过200℃的高温，使水的压力增大，导致使用中的不便等。但真空管集热器的优点在于绝热性好，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，使热管蒸发段内的传热介质汽化。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的工质，而自身又凝结成液体，依靠重力流回蒸发段。上述过程反复循环，使集热管内的工质不断升温。由于运用了真空技术，大幅度减少了集热器的热损失，因而使其在高工质温度或低环境温度的运营条件下仍具有良好的热性能，同时运用了热管技术，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，承压能力大和耐热冲击性能好等优点，尚有其显著特点[5]。
这种集热器的优点：
1、耐冰冻。热管由特殊的材料和工艺保证，即使在冬季长时间无晴天及夜间的严寒条件下，真空管也不会冻裂。
2、启动快。热管的热容量很小，受热后立即启动，因而在瞬变的太阳辐射条件下能提高集热器的输出能量，并且在多云间晴的低日照天气也能将水加热。
3、保温好。热管具有单向传热的特点，即白天由太阳能转换的热量可沿热管向上传输去加热水，而夜间被加热的水的热量不会沿热管向下散发到周边环境。
4、安装维修方便。安装方便，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。
上面介绍了目前我国太阳能热水器的种类，并讨论了它们各自的优缺陷。最后，在此基础上提出了本文研究的重要内容为全玻璃真空管太阳能热水器的自动控制系统的设计。
1.4 研究的内容
本课题研究的内容是用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、使更多的工作免于人参与、使系统更加稳定可靠。具体研究工作从以下方面展开：
1）拟定系统的各种工序，绘制系统的工艺流程图。
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）依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的综述
2.1 太阳能热水器系统功能简介

图2—1 热水器系统的结构图

图2—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
此款热水器运用微机控制重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：
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
假如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尚有一个从系统。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<N，电加热接通;否则，电加热断开。最终热水箱的温度加热到设定值N。由此可见，即使没有日照我们照样可以洗上热水澡了。
2.1.1 太阳能热水器组成、原理和工作过程
在工农业生产和平常生活中，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400C ~600C。如淋浴的水温在350C~400C之间，超过600C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佳的太阳能运用装置; 这种装置结构简朴、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
热水器重要由集热器、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供应循环水箱3所需的冷水。当集热器吸取太阳辐射后，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，直到集热器吸取的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。这种热水器运用循环加热的原理，因此又称为循环式热水器[6][7]。
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　

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，被集热板吸取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互换效率。 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重要来自沿程阻力，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，并且局部阻力也将跟着减小。一般地，支管的半径应在10mm以上。当主管管径达成一定值以后，增长主管管径对减小系统阻力意义不大[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重要部件，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，即可吸取太阳辐射能而升高温度，同时也向四周散发热量。若它吸取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”。假如在金属片内有流道，流体把热量不断带走，为了达成平衡温度，金属片便要不断吸取太阳的辐射能。运用这种原理，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拟定后，集热器与循环水箱已基本拟定。但要热水器运营起来，还得配置适当的管道，将集热器与水箱有机的连接起来，才干形成一个完整的循环系统。热水器管道系统连接对的与否，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。它涉及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，以致导致气阻损失。 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
补给水箱是供应冷水的水箱。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，它对排放水温起着重要作用。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成一定温度时，将箱内热水几乎所有放掉，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 系统的规定
根据人们对热水器的使用习惯和人性化设计规定 , 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营与停止和各电磁阀的开关。定期控制器在断电时正常计时 ,故采用其作为 PLC 的电源控制。在定期控制时间内 ,由定期器接通 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 定期器自动断开 PLC 的电源。工作为 6～18 h。可运用定期控制器和 PLC 自身具有的定期命令加以解决。
2、除尘功能。运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、水箱应具有供热水、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一方面研制成功的。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、定期、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数年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的重要支柱之一。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。这重要是源于它可认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公司的需要[9]。
2.2.1 PLC的发展历史
20世纪70年代大规模集成电路和微解决机出现后，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。而从应用角度看，PLC大约经历了如下几个阶段：
1、单机就地控制，取代继电器柜，至今仍然是PLC应用的主流。
2、数台PLC与1台PC相连，PC完毕编程和在运营中作为人机界面（80年代后期）。
3、90午代，随着系统集成能力的提高，PLC提供系统通信的能力，构成可编程控制系统PCS（Programmable Control System），人机界面逐步完善，具有离散量和模拟量数据采集系统的监控能力。
4、随着近代现场总线、网络、工业PC机（IPC）、软PLC技术的发展，以及系统开放性、电控仪控一体化、管控一体化、IT技术发展的需求，新型的覆盖大、中、小系统的PCS正在形成。
2.2.2 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还增长了中断工作方式。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（高级和低档顺序）或可变顺序等进行。由于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解决的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的控制开关使其处在运营工作方式，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，完毕预期的控制任务。PLC的典型的循环顺序扫描土作过程如图2－4所示。

图2－4 PLC循环顺序扫描工作流程图
从图2－4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毕六个扫描过程。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[11]。
2.2.3 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拟定以后 ,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 ,并且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据解决等功能。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 ,故采用了一系列硬件和软件抗干扰措施。硬件方面 ,隔离是抗干扰的重要措施之一。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 ,有效地克制了外部干扰源对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重要措施,在PLC的电源电路和 I/O模块中,设立了多种滤波电路,对高频干扰信号有良好的克制作用。软件方面,设立故障检测与诊断程序。采用以上抗干扰措施后 ,一般 PLC平均无端障时间高达4万～5万h。
4、编程方法简朴,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称接近。
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 ,迅速查明因素。若是PLC自身问题,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,并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抱负的控制设备[12]。
2.2.4 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体的分类。
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，其缺陷是结构较复杂，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。
2.2.5 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、交通运送、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、运送带、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，冶金公司的高炉上料系统、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。初期直接用开关量 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。世界上各重要 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、热解决炉、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、数据解决　
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，可以完毕数据的采集、分析和解决。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。数据解决一般用在大、中型控制系统 ,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的通讯涉及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，以实现信息的互换，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[13]。

第三章 热水器控制系统的设计方案
太阳能自身是一个不断变化、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称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。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。
3.1系统硬件的设计方案
根据控制系统规定 ,一方面拟定 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) ,再增长10%～20%的备用量，以便随时增长控制功能，保证系统投入运营后可以替换个别故障点或填补漏掉的点数。记录出I/O总点数后即可以拟定 PLC 的控制规模 从而拟定存储器(用于存储用户程序和数据)的容量。存储器容量除了根据PLC 的控制规模拟定。也可以按照如下方法计算，再增长25%～30 %的备用量，以便随时增长用户程序。
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[14]