基于PLC的太阳能热水器自动控制系统设计样本.doc

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基于PLC太阳能热水器自动控制系统设计

Design of Solar Water Heater Automatic Control System Based on PLC

学 院： 电气工程学院
专 业 班 级： 自动化1005班
学 号：
学 生 姓 名： 魏天野
指 导 教 师： 白山（专家级高工）

年 6 月
摘 要
当前，都市居民绝大某些都使用了太阳能热水器，农村也有相称一某些人使用。太阳能热水器在技术上比较成熟、造价比较低廉，同步由于给人民提供绝对安全热水而受到人们欢迎，且具备节能、环保、安全、便利、长期等长处，因此它应用会越来越广。因而，研究和开发先进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应用,重点研究了系统硬件构成及软件设计过程。指出了PLC设计核心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。本设计运用西门子S7-200PLC，进行了太阳能热水器自动控制系统I/O分派和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。并在此基本上，运用S7-200仿真软件对系统进行了仿真，运用WinCC Flexible软件组态了人机界面，使用MPI通信合同实现了PLC与触摸屏通信连接。把可编程控制器PLC作为太阳能热水器控制系统，增长了系统以便性与可靠性，减少了其他元器件使用。它使系统接线简朴，检修维护以便快捷，增进了系统先进性。
论文分为四章：第一章简介了太阳能热水器发展背景及设计意义；第二章简介了太阳能热水器工作原理；第三章简介了硬件选型及系统流程；第四章简介了系统程序编写、系统仿真、人机界面（WinCC Flexible）组态过程。

核心词：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本设计特点及重要内容 5
第2章 太阳能热水器构成及工作原理 6
2.1太阳能热水器基本构造 6
2.2太阳能热水器工作原理 8
2.3本设计要实现功能 10
第3章 太阳能热水器硬件选型及设计 11
3.1 PLC工作原理 11
3.2硬件设备选型 13
3.2.1 PLC选型 13
3.2.2其她硬件选型 15
3.3太阳能热水器整体设计 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 系统软件框架构建与系统仿真 23
4.1系统I/O口地址及有关软元件功能设立 23
4.2系统程序流程图 25
4.3设计控制系统梯形图程序 28
4.4系统仿真 35
4.5组态人机界面 39
第5章 结论 42
参照文献 43
致 谢 45
附 录 S7-200仿真监控图 46

第1章 绪论
1.1课题研究背景
太阳能（Solar Energy），普通是指太阳光辐射能量，太阳能是一种可再生能源，广义上太阳能是地球上许多能量来源，如风能，生物质能，潮汐能、水势能等等。太阳能运用基本方式可分为光—热运用、光—电运用、光—化学运用、光—生物运用四类。在四类太阳能运用方式中，光—热转换技术最成熟，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，当前应用范畴最广、技术最成熟、经济性最佳是太阳能热水器应用。
当今世界能源问题已经成为一种普遍性问题，能源关乎着国家安全，谁掌握了世界上能源谁就掌握了国际事务话语权，谁就有了国家经济发展基本，谁就有了同其她国家相抗衡资本。但是老式能源已经被消耗殆尽，为了国家将来发展，世界各国都在开发新能源，太阳能作为一种既清洁又取之不尽资源已得到了越来越多应用。众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染巨大能源。随着世界上煤、石油、天然气储量日益减少，能源危机也日益严重，与此同步环境污染危机也不断威胁着生态平衡，太阳能开发运用课题也提到了人类面前。有人预测：21世纪太阳能将由辅助能源上升为重要能源[2]。但由于太阳能分散性、季节性和地区性又给太阳能运用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池），因而尚未被人们大规模使用。
太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉，同步由于给人民提供绝对安全热水而受到人们欢迎，且具备节能、环保、安全、便利、长期等长处，因而它应用会越来越广。特别在农村地区具备很大现实意义：中华人民共和国四分之三人口居住在农村，当前仍有约2万个村庄，800多万个农户，3000多万人口没有电力供应。而农村60%左右村民依然依托燃料秸秆、薪柴为主做饭和烧水，它不但导致空气污染，并且还严重破坏植被，威胁生态环境。随着化石能源逐渐枯竭，煤炭、石油和电力始终涨价，且能源供应日趋紧张。太阳能无污染、无运送、无垄断、“取之不尽、用之不竭”，是最有发展前程可再生能源。在社会主义新农村建设中大力推广应用太阳能，不但可以解决农村基本能源消费问题，增进可再生能源高效运用，实现农村生产发展、生活宽裕双重目的，尚有助于乡风文明和村容整洁，增进社会主义精神文明发展[3]。

图1-1 太阳能热水器

1.2国内外研究现状简述
在世界范畴内，世界上第一台太阳能热水器在100近年前诞生于美国，它是一种闷晒式热水器[4]。到当前为止国外太阳能热水器发展重要经历了如下几种阶段:
第一代，这是一种非常简易运用，用铁皮桶放在楼顶，外表面刷上黑色油漆以增强对阳光吸取；
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，后期采用对阳光具备选取性吸取氮化铝/铝等涂层。现今，绝大多数涂层太阳光吸取比可达0.90以上，优质平板式太阳能普通应具备如下几种特点：铜管加铝翼吸热体、低铁盖板玻璃、良好密封、采用选取性磁控溅射涂层等；
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，普通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，诸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，阻碍了对阳光吸取，大大减少太阳能热水器水温，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传导体，水不直接流经真空管，从而使真空管性能基本恒定，但采用较多铜材，价格相对较高。
当前太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场[5]。当前其产品发展方向仍注重提高集热器效率，如将透明隔热材料应用于集热器盖板与吸热间隔层，以减少热量损失，聚脂薄膜透明蜂窝已在德国和以色列批量生产。
1.3太阳能热水器市场分析
随着都市化进程不断加快，带来了新型工业化发展，也带来了新建筑能源供应需要。预测到，中华人民共和国每个城乡竣工面积将继续保持在十亿平方米左右，间新增城乡民用建筑面积总量将为150亿平方米，加上既有建筑面积总面积将达到280亿平方米以上，建筑能源消耗大幅增长，不可避免[6]。
中华人民共和国庞大人口，使得咱们必要高度注重建筑能源消耗问题，积极摸索出一条节能途径，在保证社会发展和人民群众生活水平不断提高大前提下，实现都市建设可持续发展，建设建筑物能耗，将对国内长期稳定发展有着深远影响。
据中华人民共和国节能协会节能服务产业委员会记录，中华人民共和国建筑节能产业产值在接近300亿元，达到664亿元人民币规模，由此可见，建筑节能服务市场是巨大。
，中华人民共和国太阳能产业规模已位居世界第一位，而太阳能产业产值也接近千亿大关，中华人民共和国是世界上太阳能热水器生产和使用最多国家。
但从国内城乡家庭生活热水供应率上来看，国内城乡家庭当前生活热水供应率仅为67%，平均每户热水用能仅80~130kWh/户年，与日本每户平均热水用能1404kWh/户年比，相差十倍，人均用热水量远低于发达国家[7]。
随着生活水平大幅提高，将进一步增长国内热水消耗。全面开发各种太阳能热水系统，是国内都市化进程太阳能热运用必由之路。

图1-2 城乡太阳能热水器发展
1.4本设计特点及重要内容
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，故障时有发生，给使用和寻常维护带来了很大不便。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（PLC）由于可提供使用时间继电器和中间继电器，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[8]。
本设计是基于西门子S7-200PLC太阳能热水器控制器设计，目实现储水箱低水位自动批示与自动上水功能；通过PLC内部PID模块实现热水器恒温出水功能；为了防止在阴雨天气以及夜晚状况下人们不可以正常洗浴，系统还加入了辅助电加热器，当储水箱温度低于洗浴设定温度时电加热器自动开始工作，同步为了尽量减少电能挥霍，当加热到设定温度上限时，电加热器自动退出工作，这样可以满足人们一天24小时不间断用水，系统还拥有自动手动两套程序，当系统运营过程中浮现问题时可以通过手动切除故障，实现系统自动手动控制，提高了系统运营可靠性。
全文分五大某些。第一某些涉及第一章，描述太阳能运用状况和发展前景。第二某些涉及第二章，描述太阳能热水器系统构成及工作原理。第三某些涉及第三章，完毕硬件选型和设计。第四某些涉及第四，完毕软件设计及仿真，组态人工界面。在本文中分别简介了传感器特点及应用、普通太阳能热水器及循环系统、PLC发展和应用、PLC和传感器选型，这也是设计此款太阳能热水器理论基本和必要前提。

第2章 太阳能热水器构成及工作原理
2.1太阳能热水器基本构造
太阳能热水器按使用分类，可分为季节性热水器、全年性热水器以及有辅助热源全天候太阳能热水器。按集热器原理和构造可分为平板型热水器和真空管热水器[9]。按工质流动方式不同，又可分为闷晒型、循环型和直流型三种。但不论何种类型太阳能热水器，其基本构造都是同样，太阳能热水器普通由集热器、绝热储水箱、连接管道、支架和控制系统构成，如图2-1所示。

图2-1 太阳能热水器基本构造图

(1) 太阳能集热器：
系统中集热元件。其功能相称于电热水器中电热管。和电热水器、燃气热水器不同是，太阳能集热器运用是太阳辐射热量，故而加热时间只能在太阳照射度达到一定值时候。
当前中华人民共和国市场上最常用是全玻璃太阳能真空集热管。构造分为外管、内管，在内管外壁镀有选取性吸取涂层。平板集热器集热面板上镀有黑铬等吸热膜，金属管焊接在集热板上，平板集热器较真空管集热器成本稍高，近几年平板集热器呈现上升趋势，特别在高层住宅阳台式太阳能热水器方面有独特优势。全玻璃太阳能集热真空管普通为高硼硅3.3特硬玻璃制造，选取性吸热膜采用真空溅射选取性镀膜工艺[10]。
(2) 绝热贮水箱：
太阳能热水器水箱是贮存热水装置，其构造、容量、保温和材料将直接影响热水器性能和运营质量。贮水箱重要构成某些为水箱内胆、保温层、水箱外壳、密封圈四某些。
水箱内胆生产材料质量，对水箱耐压、耐温、防渗漏及水质影响很大。当前市场上出售产品，其水箱内胆重要有0.6mm厚304-2B不锈钢，它无磁性、抗锈蚀、焊接性好，塑性好。其他惯用材料有钢板进行防腐解决或搪瓷、镀锌钢板、防锈铝板、塑料或玻璃钢等。水箱热特性涉及放热特性、加热特性、保温特性。放热特性就是但愿水箱内热水都能放出来，以便运用。加热特性是大多数水箱内水是上部先热起来，然后下部再慢慢热起来。保温特性指水温下降快慢，与水箱封密性、保温材料、环境温度、水容量大小等有关。
(3) 支撑架：
太阳能热水器支撑架重要由反尾座及主撑架构成。
(4) 控制系统：
普通家用太阳能热水器需要自动或半自动运营，控制系统是不可少，惯用控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位，带电辅助加热太阳能热水器尚有漏电保护、防干烧等功能。市场上有手机短信控制智能化太阳能热水器，具备水位水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能，以便了顾客
(5) 其他部件：
热水器密封圈除具备密封性好、耐高温、寿命长等性能外，还应不溶于水，否则食用后会对人体有害。质量较好密封圈材料选用硅橡胶，但市场上采用普通橡胶或再生橡胶商家却大有人在。
2.2太阳能热水器工作原理
太阳能热水器是一种运用太阳辐射能通过温室效应把水加热装置。温室效应是指由于对流、反射损失减少使能量汇集、温度逐渐升高一种自然现象。温室效应又称为热箱原理，它是通过一种上面盖有透明玻璃封闭箱体来实现能量聚积[11]。阳光透过玻璃进入箱体内，被黑色表面吸取，而向外反射和对流能量受到玻璃和箱体阻挡，被保存在箱内，这样箱体内能量不断积聚，温度不断升高，甚至可达100℃～200℃。运用聚积高温来加热水，就是太阳能热水器。太阳光穿过吸热管第一层玻璃照到第二层玻璃黑色吸热层上，将太阳光能热量吸取，由于两层玻璃之间是真空隔热，热量不能向外传，只能传给玻璃管里面水，使玻璃管内水加热，加热水便轻沿着玻璃管受热面往上进入保温储水桶。由于太阳能热水器在运营过程中不消耗任何常规能源（煤、石油、天然气、电等），因此人们把它形象地称为“不烧煤锅炉” [12]。
真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等有关附件构成，把太阳能转换成热能重要依托集热管，集热管运用热水上浮冷水下沉原理，使水产生微循环而达到所需热水[13]。集热器内水加热后要与储水箱里面冷水实现循环以使储水箱里水不断被加热，当前惯用热互换方式重要有三种：自然循环、逼迫循环和定温放水循环。
(1) 自然循环式：
自然循环特点是，储水箱必要安设在集热器顶端水平面以上才可进行系统循环。
装置中集热器内水经太阳辐射，使水温上升，密度开始逐渐变小，与储水箱内未被太阳辐射水产生了密度差（或称重力差、温度差），形成了热虹吸压头在集热器中缓缓上升。温水通过设立管道（上循环管）进入储水箱，而在此同步储水箱内相对温度低、密度较大水慢慢下降，经设立管道（下循环管）流入集热器下部补充。这样以水比重差或称热虹吸压头为作用力，而不借助外力来使水进行循环方式称为自然循环[14]。
自然循环运营其密度差愈大，循环速度愈快，反之循环愈慢。这种循环方式能使储水箱内水持续升温，太阳辐射停止，循环也徐徐终结。

图2-2 太阳能热水器水循环原理图

(2) 逼迫循环式：
逼迫循环顾名思义是借助外力迫使集热器与储水箱内水进行循环。
它特点是储水箱位置不受集热器位置制约，可任意设立，可高于集热器，也可低于集热器。它是通过水泵将集热器接受太阳辐射水与储水箱水进行循环，使储水箱内水温逐渐增高。市场上经常采用逼迫循环热水器是一种两次循环分离式热水器，集热器装入特殊导热介质或防冻液，靠循环泵进行循环[15]。该泵由温差启动器进行控制，当温差达到预定温度时，启动泵，进行循环；低于预定温度时，泵停止运营。热水是通过储热水箱中特殊热互换器进行热互换(图2-2)。
(3) 定温放水式：
定温放水式与逼迫循环不同是它不是循环概念，而是通过温度控制器将达到设定温度水用水源压力或水源加压力水泵输送到储水箱内。
它特点是水源经集热器到储水箱，由于没有循环，又非常简朴，只是将水在集热器内闷晒后送入储水箱，因而，有人将这一方式称为直流式或直流定温放水[16]。
这种方式又一特点是与温差控制式逼迫循环方式一并使用能有效地节约用水，定温放水水箱容积普通较大，有时前一天水未被用完，如果不升温，水即被白白放掉，如果有温差或逼迫循环机构就可将这某些水加温。
2.3 本设计要实现功能
在本系统中需要实现如下几种功能：
(1) 自动上水及水位上下限批示功能
在系统中通过加入限位开关来不断检测储水箱内水位，当水箱内水位低设定值下限时，低液位批示灯点亮，上水阀自动打开开始加水，当水位上升到设定值上限时，高液位批示灯点亮，上水阀自动关闭，加水停止。
(2) 集热器热水与储水箱中冷水进行循环功能
通过在集热器出水口放置温度传感器可以检测出水温度，再通过在储水箱里面放温度传感器检测储水箱内水温度，再通过两个温度值比较，当集热器出水温度不不大于储水箱水温度时，循环泵打开，实现水循环，使储水箱里面水不断被加热，只要有温度差循环就进行，直到两者之间温度差消失。
(3) 辅助电加热功能
储水箱里温度传感器带显示功能，设定一种储水箱水温度上下限值当温度低于设定温度下限时，辅助电加热器开始工作，储水箱里水温开始上升，当达到温度上限时电加热停止，以达到全天候不间断供应可以洗浴热水目，特别在阴天或者晚上时可以满足人们洗浴规定。
(4) 恒温出水功能
通过设定一种温度值，然后在三通调节阀出水口放置一种温度传感器，不间断测量三通阀出水温度，再通过与设定值比较，通过PLC中PID模块计算，控制三通调节阀开度，使三通调节阀出水温度恒定。PLCPID闭环控制可以实现对温度精准控制，可以满足人们对洗浴水温高原则规定，避免水温不稳定对人身导致伤害。
(5) 自动手动转换功能
在系统运营过程中有也许遇到诸多未知实际问题，为了防止系统浮现崩溃，应设立必要手动自动转换功能。在系统发生不能排除问题或检测失效时，启用手动操作，切除故障。还可以在洗浴条件不满足时强制进行洗浴，强制加水。为了调试系统需要，这些手动程序也是必要。

第3章 太阳能热水器硬件选型及设计
3.1 PLC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[17]。循环扫描即可按固定顺序，也可按顾客程序所规定一级顺序（高档和低档顺序）或可变顺序等进行。由于有顾客程序不需要每扫描一次执行一次，也为是在控制系统需要解决I/O点数较多时，通过不同模块组合安排，采用分时分批扫描执行办法，可缩短循环扫描周期和控制实时性。
顾客将顾客程序设计、调试后，用编程器键入PLC存储器中，并将现场输入信号和被驱动执行元件相应地接在输入模板输入端和输出模板输出端上，然后用PLC控制开关使其处在运营工作方式，PLC就以循环扫描工作方式进行工作。在输入信号、顾客程序控制上，产生相应输出信号，完毕预期控制任务。PLC典型循环顺序扫描土作过程如图3-1所示。
从图3-1中可以看出，一种典型可编程序控制器在一种扫描周期中要完毕六个扫描过程[18]。在系统软件指挥下，程序流程顺序地执行，这种工作方式成为顺序扫描方式。从扫描过程中某个扫描过程开始，顺序扫描后又回到该过程成为一种扫描周期。进行一种扫描周期所需时间称为一种扫描周期时间。

图3-1 PLC工作原理

3.2硬件设备选型
3.2.1 PLC选型
在本设计中需要用到三个温度传感器和一种液位传感器，由于这四个量是模仿量，而PLC只能解决数字量，因而在PLC和传感器之间必要加入特殊功能模块，将模仿量转换成数字量再用PLC进行解决。PLC运算后输出数字量再通过特殊功能模块转换成模仿量进行控制。同步又为了最后仿真需要、有关性能规定及PID运算指令使用，决定使用德国西门子S7系列PLC中西门子S7-200，如图3-2所示：

图3-2 西门子S7-200

SIMATIC S7-200PLC是超小型化PLC，它合用于各行各业，各种场合中自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC强大功能使其无论单机运营，或连成网络都能实现复杂控制功能[19]。
S7-200系列PLC出众体当前如下几种方面：
(1) 极高可靠性。
(2) 极丰富指令集。
(3) 易于掌握。
(4) 便捷操作。
(5) 丰富内置集成功能。
(6) 实时特性。
(7) 强劲通讯能力。
(8) 丰富扩展模块。
在设计中，需要输入量有上水阀开关、循环泵开关、电加热开关、洗浴开关和自动手动转换开关等。输出量有上水电磁阀、循环泵、电加热、排空电磁阀和洗浴电磁阀等。考虑实际需要保存一定I/O余量，决定使用S7-200系列中CPU224XP。

图3-3 CPU224XP构造图

CPU 224XP集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模仿量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模仿量I/O点。20K字节程序和数据存储空间，6个独立高速计数器（100KHz），2个100KHz高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具备PPI通讯合同、MPI通讯合同和自由方式通讯能力[20]。本机还新增各种功能，如内置模仿量I/O,位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具备模仿量I/O和强大控制能力新型CPU。
3.2.2其她硬件选型
(1) 模仿量模块
在本设计中，有三个温度模仿量输入，有一种三通调节阀开度模仿量输出，共计有三个模仿量输入、一种模仿量输出。为了系统安全及扩展需要，要有某些备用模仿量输入输出通道。因此，综合各方面因素决定选用EM235四输出一输出模仿量模块，如图3-4所示：

图3-4 EM235模仿量模块

EM235模仿量模块通过排线与224XP相连，CPU通过此模块可以采集于本模块相连接现场模仿信号，例如：压力、流量等。可接受电流、电压信号，也可连接两线制变送器。EM235有4路模仿量输入通道，同步还涉及了一路模仿量输出通道，输出电压、电流信号用于持续控制。
(2) 温度传感器
当代传感器在原理与构造上千差万别，如何依照详细测量目、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量测量时一方面要解决问题。当传感器拟定之后，与之相配套测量办法和测量设备也就可以拟定了。测量成果成败，在很大限度上取决于传感器选用与否合理。
本设计选用电流输出型传感器，由于PLC控制器有也许距离传感器位置较远，而电流输出具备恒流源性质，恒流源内阻很大。PLC模仿量输入模块输入电流时，输入阻抗较低。线路上干扰信号在模块输入阻抗上产生干扰电压很低，因此模仿电流信号适于远程传送。又由于为了与EM235模仿量模块相配套，因此温度传感器应选用PT100铂热电阻温度传感器。PT100铂温度传感器可以将检测到模仿量信号转换成相应原则电流信号输出。PT100特点是：
①精确性高。在所有温度计中，它精确度最高，可以达到1Mk。
②输出信号大，敏捷度高。PT100热电阻温度计敏捷度比热电温度计(热电偶)高一种数量级。
③测温范畴广，稳定性能好。在振动小而适当环境下，可以在长时间内保持0.1℃如下稳定性。

图3-5 SBWZ一体化pt100温度变送器

EM235模仿量模块输入端将接受电流信号通过A/D转换，将传感器测量电流（电压）值转换为0-3数字量，温度由PT100采集上来，普通为电阻信号，或者加24V电源转换成电流信号4-20mA。EM235再采集由PT100转化来电流信号，然后再通过自身编写程序运算成实时温度测量值[21]。这里，咱们选用PT100温度传感器中SBWZ一体化pt100温度变送器。SBWZ型热电阻温度变送器是小型一体化二线制仪表新产品，代表着当今传感器一体化发展趋势。由于该产品实现了小型化，可以直接在温度传感器接线盒内安装，将传感器测量0-100度信号直接转换成符合原则化4~20mA直流信号远传至控制室，从而提高了信号抗干扰能力。
(3) 三通调节阀
为了达到恒温出水功能，咱们将采用PID控制以达到对水温精准自动控制，这就需要可以控制冷热水开度电动三通调节阀。电动三通温控阀是流量调节阀在温度控制领域典型应用，其基本原理：通过控制各支路热（冷）媒入口流量比例，以达到控制出口温度目。当负荷产生变化时，通过变化阀门启动度调节流量，以消除负荷波动导致影响，使温度恢复至设定值。因而，在出水口咱们配套选用了西门子公司生产SKB62电动三通调节阀，如图3-6所示。

图3-6 SKB62电动三通调节阀

它长处是：
①具备比例积分(PI)或比例积分、微分(PID)调节功能，控制稳定、精准。
②针对不同现场工况，可灵活调节控制参数，达到系统最优化。
③可由控制器读取当前温度值及观测阀门工作状态。
④可扩展功能，如远程设立、温度补偿、超温报警、用热计量及自动抄表、远传等。
⑤大某些型号可在断电时进行手动操作。
(4) 其她硬件选取
其他材料重要有太阳能热水器集热器支架，集热管管材、管径，管道保温材料，液位限位开关，电磁阀，循环泵，电加热器等选取，可以依照有关规定和有关计算来选取，在本文中就不再详细简介了。
3.3太阳能热水器整体设计
3.3.1PID闭环控制
太阳能自身是一种不断变化、而影响其变化因素又较多、极其复杂非线性变量，太阳热水系统工程是一种非线性系统，很难建立精准数学模型，因而采用老式控制办法难以得到较佳控制效果。而模糊控制是以模糊数学为基本发展起来一种新控制办法[22]。这种控制办法是一种智能、非线性控制办法，对那些无法获得数学模型或数学模型相称粗糙系统可以获得较满意控制效果，解决某些用老式控制办法无法解决问题。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线性定常系统是非常有效。通过调节PID控制器参数，普通都能得到比较满意控制效果。
(1) PID计算公式
PID（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation））控制器作为最早实用化控制器已有近百年历史，当前依然是应用最广泛工业控制器[23]。PID控制器简朴易懂，使用中不需精准系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛控制器。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）构成。其输入e(t)与输出u(t)关系为：
(3-1)

式中积分上下限分别是0和t因而它传递函数为：

(3-2)

其中kP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。
(2) 实现PID控制办法
用PLC对模仿量进行PID控制时，可以采用如下几种办法：
①使用PID过程控制模块
过程控制模块涉及A/D转换器和D/A转换器，PID控制程序是PLC生产厂家设计，并存储在模块中，顾客在使用时只需设立某些参数，使用起来非常以便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块价格较高，普通在大型控制中使用。
②使用PID指令
当前有诸多PLC均有供PID控制用指令，例如S7-200PID指令。它们事实上是用于PID控制子程序，与模仿量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块效果，但是价格便宜多。
③用自编程序实现PID闭环控制
有PLC没有PID过程控制模块和PID控制用功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但是但愿采用其她改进PID控制算法，在上述状况下，都需要顾客自己编制PID控制程序。
④变频器闭环控制
变频器内部普通均有一种PI控制器或PID控制器。对于恒压供水这一类闭环控制系统，可以将反馈信号接到变频器反馈信号输入端，使变频器内部控制器实现闭环控制。PLC可以通过通信或开关量信号给变频器提供频率给定信号和启动、停止命令。
如果将反馈信号送给PLC模仿量输入模块，用PLC实现PID闭环控制，用D/A转换器输出模仿信号作为变频器频率给定信号，需要增长PLC模仿量输入模块和模仿量输出模块，将会增长硬件成本。
(3) 本设计PID控制
本设计中在恒温出水某些需要用到PID控制，通过温度传感器测量值与设定值不断比较，使出水温度稳定在设定值上，以达到恒温出水目。本设计PID闭环控制系统框图如图3-7所示：

图3-7 系统恒温出水某些PID控制框图

图中所示，被控量C(t)一方面被测量元件转换为原则量程电流信号或电压信号pv(t)，模仿量输入模块A/D转换器将它转换为数字量pv(n)。模仿量输出模块D/A转换器将PID控制器输出数字量mv(n)转换成模仿电压或模仿电流mv(t),再去控制执行机构。在这里虚线框中某些是由PLC实现，执行机构是三通调节阀，被控对象是储水箱出水温度，测量元件是温度传感器。
3.3.2 PLC与外部设备连接方案
PLC输入输出量需要驱动设备运营，因此必要占用输入输出点数，也就是I/O端口与模仿量输入输出端口，本设计中输入量有手自动切换输入、上水电磁阀输入；循环泵开/关输入、出水电磁阀输入、电加热输入、排空输入、循环泵故障输入、限位开关输入以及三个温度传感器输入量等；输出量分别是手自动切换量、驱动上水电磁阀输出量、驱动循环泵输出量、驱动洗浴电磁阀输出量、驱动电加热输出量和驱动排空阀输出量，此外尚有一种模仿输出量。它们与PLC连接如图3-8所示：

图3-8 PLC与外部输入输出设备连接

注释：
(1) PLC系统电源接线：
PLC供电电源可采用直流24V、交流100V～120V或200V～240V工作电源。如果电源发生故障，中断时间少于10ms，PLC工作不受影响。若电源中断超过10ms或电源下降超过容许值，则PLC停止工作，所有输出点均同步断开。当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。对于电源线来干扰，PLC自身具备足够抵制能力，也可以安装一种变比为1:1隔离变压器，以减少设备与地之间干扰[24]。
(2) 接地：
良好接地是保证PLC可靠工作必要条件。在接地时应注意如下几点：
①PLC接地线应为直径在2mm以上专用线
②接地电阻应不大于100Ω
③PLC地线不能和其他设备共用
④PLC各单元地线应相连在一起
(3) PLC维护和检修：
虽然PLC设计，已使维修和运营故障减少到最小限度，但为了保证系统正常工作，尽量延长系统使用寿命，应定期进行维护和检修。注意电源电压、环境指标、I/0参数、安装状况及备份电池等状况检查与维护，保证PLC对的稳