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1、摘 要本课题研究了可编程控制器（PLC）与变频器在太阳能热水器控制器中的应用。并详细介绍了太阳能热水器的工作原理、工作过程、系统要求，重点研究了系统要求中的光辐射探测及循环水泵的控制、水位控制、压力控制、加热控制、防冻控制等。指出了系统的硬件构成及系统软件的设计过程。课题通过选用s7-200型号PLC控制器，通过光辐射探测器检测光照强度来确定循环泵的启动与否，利用温度传感器检测集热器的温度来实现防冻控制，利用水位传感器检测热水箱中的水位高低实现水位控制，利用压力传感器检测管网末端压力值并通过变频器控制水泵运行来实现压力控制，温度传感器检测管网末端的温度从而控制锅炉的启停来实现了加热控制。同时运
2、用了CPU224及两个EM235完成了对系统的控制，并考虑维护的方便性、系统可扩展性等。通过用PLC对太阳能的改造，已经基本实现了系统控制的各个要求，大大减少了系统对其它元器件的使用，从而使系统接线简单、检修维护方便快捷、可靠性提高，增进了系统的先进性，大大减少了制造成本，可以使更多的用户使用太阳能热水器。关键词: PLC；太阳能；变频器；热水器；自动控制系统AbstractThis subject research of the programmable controller (PLC) and frequency converter in the application of solar
3、energy water heater. And introduces the working principle of solar energy water heater, process and system requirements, focus on the system hardware structure and software design of the system process. Points out the key design is mainly PLC can meet the basic control function.The article, through
4、selecting s7-200 PLC and use CPU224 model and two EM235 completion of the system control, and consider the maintenance convenience, system scalability, etc. In this paper in the system to determine the research of each working procedure, to draw the system; the process flow diagram. The system I/O a
5、nd soft components distribution, PLC, frequency converter and the various sensors selection of type selection and parameter design; According to the system design requirements of the system design drawing ladder diagram of the system hardware and control such as the wiring diagram. And introduced th
6、e frequency converter constant pressure water supply and the PID control principle.Through the use of solar energy PLCs reform, has realized the system of basic control all requirements, greatly reducing the system to the use of other components, so that the system is simple, maintenance convenient
7、connection quick, reliability, and enhance the systems advanced, greatly reducing the manufacturing cost, can make more users use solar energy water heater.Keywords: PLC; Solar; Inverter; Water heater; automatic control system目录第一章 绪 论1第二章 太阳能热水器的综述32.1太阳能热水器的介绍32.1.1 概述32.1.2 太阳能热水器的基本知识62.2 工艺示意图7
8、2.3 工艺流程图82.4 太阳能热水器组成、原理和工作过程102.5 系统的要求112.6 本章小结12第三章 太阳能热水器控制器硬件设计133.1 PLC的选择133.1.1 概述133.1.2可编程控制器应用领域163.1.3 s7-200的概述173.1.4 CPU224的概述183.1.5 EM235的概述233.1.6 梯形图概述263.2 各单元功能作用介绍263.3 变频器的选择303.3.1 变频器的特点303.3.2 变频器恒压供水工作原理303.3.3 变频器的选择与参数设计313.4 PID控制原理323.5 传感器的选择333.5.1 温度传感器333.5.2 液位传
9、感器343.5.3 压力传感器343.5.4 光辐射探测器353.6 系统硬件接线图363.7 本章小结36第四章 太阳能热水器控制器软件设计374.1 PLC的I/O口分配与软元件的分配374.2 软件组成384.3 系统控制流程图394.4 设置梯形图程序434.5 本章小结44第五章 程序调试45第六章 总 结46参考文献47致 谢48第一章 绪 论随着实用型单晶硅电池和选择性太阳吸收涂层的研制成功，以及常规能源供给的有限性和环保压力的增加，开发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容。太阳能是可再生能源，环保无污染。在科学飞速发展的今天，太阳能已经应用到了很多领域，比如先端科技的
10、卫星，美国将太阳能融入智能电网，还有如今最为普遍的太阳能热水器。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。当然用太阳能解决我们热水问题是最好的。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给不应由业主考虑，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
11、。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当多，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。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
12、速度快，可靠性高，体积小，功能全，编程简单的特点。目前市场上出现的国内外生产的PLC已有300多种，而且功能也日趋完善。但是其主要参数仍有较大的差别，例如IO点数、存储器容量、扫描速度、指令数、编程语言、模拟量IO模块及智能模块、通信功能等却各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理地选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用起着重要作用。所以，我们的目标是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。太阳能本身是一个不断变化、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
13、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当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。第二章 太阳能热水器的综述2.1太阳能热水器的介绍2.1.1 概述我国太阳能历史可追溯到1958年，天津大学有12.6平米的太阳能浴室。到1973年世界能源危机，寻求可再生能源，我国在上世纪70年代末起，加
14、大研发与生产太阳能集热器。1979年前后我国有些单位迎头研发全玻璃真空管集热器。清华大学运用电真空物理的背景，坚持了下来。结构就是一个拉长的暖棚，只不过在内玻璃管上有一层选择性吸收涂层。清华大学的发明专利就是铝氮/铝太阳选择性吸收涂层，在世界上开创用单个铝阴极通过磁控溅射制备红外低发射率低层、铝氮化铝吸收太阳光的陶瓷薄膜和淡化铝减反膜三个部分。使用真空管的集热器可在严寒、低太阳辐射下利用，很适合多种气候。这是一个选择性吸收涂层的结构，吸收层每层只有10到30个纳米，低发射层是到150纳米。太阳能热利用产业的发展。在突破了太阳选择性吸收涂层的核心技术，通过产学研结合，生产性能价格比较好的介质。到
15、太阳能热利用产业快速发展。销售额近300亿元，提供就业机会60多万个。中国太阳热水器安装量为世界的77%。真空管型约占世界总产量的90%以上，硼硅玻璃3.3年产量约占世界70%，吸气剂约占世界95%以上，年约1.9亿支真空集热管用，年约0.9亿支显像管用。大量显像管都在中国生产，吸气剂也在中国生产。这三个方面我们已经走在前面。形成配套的产业链。3.3的玻璃30万吨其中用于真空管有28万吨。真空管镀膜生产线1000条及配套设备，生产能力为2亿支，装配约万平方米太阳能热水器，还有配套设备。一些骨干企业做了技术改造，提高了企业的装备水平和条件。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
16、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，成为关注重点。在太阳能产业的发展中，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。但是目前市场还有待规范，消费群体还有待培育，技术还有尚须改进，因而对于企业来说还有较大的成长空间。中国的太阳能热利用技术研究开发始于20世纪70年代末，其重点置于简单，价廉的低温热利用的适用技术，如太阳能温室，太阳灶，被动太阳房，太阳热水器，和太阳干燥器。这类技术在农村得到推广应用，为缓解农村能源短缺，改善农村生态环境和农民生活起了积极的作用，
