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1、机械工程学院机械工程学院 机械工程专业机械工程专业 机电方向机电方向专业课程设计任务书专业课程设计任务书班 级： 机械 10-7 姓 名： 邓强 论文（设计）题论文（设计）题 ： 基于 PLC 的太阳能热水器自动控制系统的设计 要求完成的内容：要求完成的内容：1）相关背景知识的研究学习；2）系统总体组成设计； 4）PLC 控制系统硬件模块选型、连接设计（原理图） ；5）部分控制软件设计；6）设计计算说明书一份（20 页（9000 字）以上） 设计时间:2014.02.252014.03.22 完成日期：2014.03.22论文页数：20(约 9000 字 )页； 图纸张数： 1-2 张 指导教
2、师 ： 教研室主任： I基于 PLC 的太阳能热水器控制系统设计摘 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。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。本设计进行了系统的 I/O 分配和 PLC 选型，根据要求绘制出了控制系统电气原理图和接线图等。把 PLC 作为太阳能热水器的控制系统，大大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
3、系统的先进性。关键词 太阳能热水器 PLC 控制系统目 录摘 要.1 绪论.11.1 本设计研究的目的和意义 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 太阳能热水器概述.11.2.2 太阳能热水器组成.21.2.3 太阳能热水器的基本工作过程.31.2.4 可编程控制器概述.51.2.5 PLC 的发展历史.51.2.6 PLC 的特点.51.2.7 PLC 的基本工作原理.71.3 本设计研究的主要内容 .82 控制系统的硬件设计方案.92.1 控制系统的基本功能要求 .92.2 控制系统的硬件设计方案 .92.2.1 系统水温控制原理框图.102.2.2 PLC 的选型.112.2.3
4、PLC 硬件控制框图.112.2.4 各单元功能作用介绍.122.2.5 PLC 的端口分配.152.3 系统电路的设计.153 控制系统的软件设计方案.193.1 系统软件设计方案.193.2 软件组成.193.3 系统控制流程图.193.4 设计控制系统的梯形图程序.244 结论.25附录 原理总图的元器件清单.28附录 梯形图程序.2911 绪论1.1 本设计研究的目的和意义在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注的重点。在太阳能产业
5、的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。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要求，结果使电路设计复杂、繁琐，故障时有发生，给使用和日常维护带来了很大的不便。在电子技术飞速发展的今天，有必要而且有可能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（PLC）由于可提供使用的时间继电器和中间继电器，而且其常开、常闭触点可多次重复使用，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
6、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。太阳能热水器是太阳能热利用中商业化程度最高 、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，编程简单的特点。通过改进或完善已有太阳能热水器控制系统的不足，设计开发新型太阳能热水控制系统基于 PLC 的太阳能热水器控制系统。1.2 国内外研究现状1.2.1 太阳能热水器概述太阳能热水器是把太阳光能转化为 热能，将水从低温度加热到高温度以满足人们在日常生产、生活中需要的热水器。把太阳能转换 成热能
7、主要依靠集热管，集热管受阳光照射面温度高，集热管背阳面温度低，而管内水便产生温差反应，利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需要的热水。在工农业生产和日常生活中，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 350C400C 之间，超过 600C2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好的太阳能利用装置; 这种装置结构简单、使用方便、不用专人管理，故已在全国推广使用。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能热水器生产国，但
8、与太阳能热水器配套的控制器却一直处于研究和开发阶段，尤其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。太阳热水器，尤其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，在太阳能热水器、太阳能热水器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。上世纪 70 年代末，太阳能热水器的开发利用在美国、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
9、热器并推向市场。当时，集热管的选择性吸收涂层的平场阳光吸收率约为 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能集热器的热损失降低了两个数量级，从而将太阳能热利用技术水平大大提高了一大步。在随后的十几年内，全玻璃真空管太阳能热水器性能通过完善、提高，并逐步降低成本，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。1.2.2 太阳能热水器组成太阳能热水器是由集热器、 保温水箱、支架、循环管道等相关附件组成 。1、集热器集热器是太阳能热水器的主要部件，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，即可吸收太阳辐射能而升
10、高温度，同时也向四周散发热量。若它吸收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” 。如果在金属片内有流体，流体把热量不断带走，为了达到平衡温度，金属片便要不断吸收太阳的辐射能。利用这种原理，把带有流体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。32、循环管道在热水器平面布置方案确定后，集热器与循环水箱已基本确定。但要热水器运行起来，还得配置适当的管道，将集热器与水箱有机的连接
11、起来，才能形成一个完整的循环系统。热水器管道系统连接正确与否，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的重要组成部分。它包括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，以致造成气阻损失。 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给冷水的水箱。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
12、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，它对排放水温起着主要作用。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到一定温度时，将箱内热水几乎全部放掉，然后放入冷水再重新循环加热。一般人工放水一天中 12 次。1.2.3 太阳能热水器的基本工作过程下图为典型的太阳能热水器装置简图。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 供给循环水箱 3 所需的冷水。当集热器吸收太阳辐射能后，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，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，4水温不再升高。这种热水器利用循环加热的原理，因此又称为循环
