高等教育自学考试本科毕业论文
基于PLC的太阳能热水器自动控制系统的设计
考生姓名：谢在辉
准考证号： 011808103035
专业层次：本科
指导教师：罗玉龙
院（系）：机械与动力工程学院
重庆科技学院
2010年12月日
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 设计的关键主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。在本文中经研究确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分配和PLC的选型；根据系统设计要求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，使系统接线简单、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
1 前言 (1)
2 全玻璃真空管式太阳能热水器的综述 (2)
2.1 太阳能热水器系统功能简介 (2)
2.1.1 太阳能热水器组成、原理和工作过程 (3)
2.1.2 太阳能热水器各单元介绍 (4)
2.1.3 系统的要求 (5)
2.2 可编程控制器（PLC）简介 (6)
2.2.1 PLC的发展历史 (6)
2.2.2 可编程序控制器的工作原理 (7)
2.2.3 可编程控制器的特点 (8)
2.2.4 PLC的分类 (8)
2.2.5 可编程控制器应用领域 (9)
3 热水器控制系统的设计方案 (11)
3.1系统硬件的设计方案 (11)
3.1.1 PLC的选型 (11)
3.1.2 PLC硬件控制框图 (12)
3.1.3 各单元功能作用介绍 (12)
3.1.4 PLC的端口分配 (15)
3.1.5 系统电路的设计 (16)
3.2 系统软件设计方案 (18)
3.2.1 软件组成 (18)
3.2.2 系统控制流程图 (19)
3.2.3 设计PLC控制原理（梯形图程序） (23)
4 总结 (24)
致谢 (25)
参考文献 (26)
论文原创性声明 (27)
附录Ⅰ梯形图 (28)
附录Ⅱ指令表 (31)
1 前言
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。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。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的太阳能热水器自动控制系统。
2 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
此款热水器利用微机控制主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：
首先，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
如果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还有一个从系统。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 2.1.1 太阳能热水器组成、原理和工作过程 1、热水器组成及原理 热水器主要由集热器、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供给循环水箱3所需的冷水。当集热器吸收太阳辐射后，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，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。这种热水器利用循环加热的原理，因此又称为循环式热水器。 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 图2-3热水器装置简图 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，被集热板吸收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交换效率。 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主要来自沿程阻力，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，而且局部阻力也将跟着减小。一般地，支管的半径应在10mm 以上。当主管管径达到一定值以后，增加主管管径对减小系统阻力意义不大。 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道，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，把带有流道的金属板封装在一个保温盒体中， 3 2 6 5 4 1 7 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 1-2次。 2.1.3 系统的要求 根据人们对热水器的使用习惯和人性化设计要求 , 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行与停止和各电磁阀的开关。定时控制器在断电时正常计时 ,故采用其作为 PLC 的电源控制。在定时控制时间内 ,由定时器接通 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时器自动断开PLC 的电源。工作为 6～18 h。可利用定时控制器和 PLC 自身具有的定时命令加以解决。 2、除尘功能。利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、水箱应具备供热水、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首先研制成功的。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、定时、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多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。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。这主要是源于它能够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企业的需要[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处理机出现后，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大概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完成编程和在运行中作为人机界面（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还增加了中断工作方式。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（高级和低级顺序）或可变顺序等进行。因为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处理的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。 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的控制开关使其处于运行工作方式，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，完成预期的控制任务。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成六个扫描过程。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。 2.2.3 可编程控制器的特点 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确定以后 ,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 ,而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理等功能。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 ,故采取了一系列硬件和软件抗干扰措施。硬件方面 ,隔离是抗干扰的主要措施之一。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 ,有效地抑制了外部干扰源对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主要措施,在PLC的电源电路和I/O模块中,设置了多种滤波电路,对高频干扰信号有良好的抑制作用。软件方面,设置故障检测与诊断程序。采用以上抗干扰措施后 ,一般 PLC平均无故障时间高达4万～5万h。 4、编程方法简单,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当接近。 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 ,迅速查明原因。若是PLC本身问题,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,而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理想的控制设备。 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致的分类。 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，其缺点是结构较复杂，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、交通运输、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、运输带、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，冶金企业的高炉上料系统、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。早期直接用开关量 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。世界上各主要 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、热处理炉、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、数据处理 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，可以完成数据的采集、分析和处理。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。数据处理一般用在大、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的通讯包括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，以实现信息的交换，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。 3 热水器控制系统的设计方案 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。 3.1系统硬件的设计方案 根据控制系统要求 ,首先确定 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) ,再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能，保证系统投入运行后能够替换个别故障点或弥补遗漏的点数。统计出I/O总点数后即可以确定 PLC 的控制规模从而确定存储器(用于存储用户程序和数据)的容量。存储器容量除了根据PLC 的控制规模确定。也可以按照如下方法计算，再增加25%～30 %的备用量，以便随时增加用户程序。 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。 3.1.1 PLC的选型 因为本系统是对开关量控制的应用系统,并对控制速度要求不高,选用核心部件为三菱公司的FX_2n-32MR-ES/UL系列32点编程控制器,该编程控制器具有自诊断功能,采用循环扫描工作方式,这完全能满足要求。FX_2n-32MR-ES/U属微型编程控制器、输入输出控制方式为循环扫描方式、编程语言为梯形图语言、32点的编程控制器具有16点输入,16点输出。考虑到该PLC所需的输入、输出点数及类型，选用三菱FX_2n-32MR-ES/UL可编程控制器作为该系统的核心，它含有16个输入点（漏型）和16个输出点（继电器型），足够设计所用。 ①FX_2n-32MR-ES/UL简介 FX_2n-32MR-ES/UL属于FX2N系列PLC，FX2N系列PLC是FX系列中高级的模块。它拥 有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入、输出的多种应用的选择方案。 ②FX_2n-32MR-ES/UL的特点 FX_2n-32MR-ES/UL属于FX2N系列PLC，FX2N系列PLC是FX系列中最高级的模块。它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入、输出的多种应用的选择方案。 3.1.2 PLC硬件控制框图 上位机采用PC机，下位机选用日本三菱公司的FX2n系列的32点可编程控制器，实现对太阳能热水器的控制，完成太阳能热水器的温度、液位等控制功能。为提高系统的安全性，需要有报警点输入并且用声光信号显示故障类型，同时发出警报提醒值班人员及时处理事故。当故障出现时，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。系统控制框图如图3-1所示。 图3-1 系统控制框图 3.1.3 各单元功能作用介绍 1、电机类型的选择 电机类型选择的原则如下：对于有特定要求的工作机械，应优先选择专用电机。如可工作于高湿度，有盐雾、霉菌、凝露等环境的船用电动机；有较高的效率及节能指标的纺织电动机；有作为激振动力源，如用于粮食加工机械或振动筛、振动输送机的振动异步电动机；在化工、橡胶、纺织、造纸等工业中有时要求软机械特性和宽调速范围的电动机，当负载增加时电动机的出轴转速随之降低而输出力矩增加，保持与负载平衡，并允许较长时间堵转的三相力矩电动机等。 对于一般生产机械，在满足生产机械要求的前提下，优先选用结构简单、工作可靠、 价格便宜、维护方便的电动机。从一般要求看，交流电动机优于直流电动机，交流异步电动机优于交流同步电动机，鼠笼式异步电动机优于绕线式异步电动机。 对于连续运行，负载平稳，对起动制动没有特殊要求的生产机械，应优先采用普通鼠笼异步电动机，它广泛用于各种机床、水泵和风机等。大中功率的空压机和皮带输送机等生产机械要求有较大的起动转矩，应采用深槽式或双鼠笼式异步电动机。 由于太阳能热水器属于连续运行，负载平稳，对起动制动没特殊要求，综合各方面考虑，本系统微型电机选用Y系列三相异步电动机。电压为220V。频率为50HZ。功率为10w。 2、交流接触器的选择 本系统选用正泰公司生产的CJX1系列交流接触器，该接触器为双断点触头的直动式运动结构，动作机构灵活，手动检察方便，结构紧凑。触头，磁系统采用封闭结构，能提高寿命。接线端均有防护罩覆盖，使用安全可靠。安装可用螺钉紧固，也可扣装在35毫米的安装轨上，装卸方便。 CJX1系列交流接触器适用于交流50Hz（或60Hz），额定电压至660V，在AC-3使用类别下工作电压为380V，供远距离和分断电路及频繁起动和控制交流电动机，并可与适合的热继电器组成电磁起动器，以保护可能发生操作过负荷电路。 3、热继电器的选择 本系统所用的热继电器为正泰公司生产的NR4(JRS2)系列，NR4(JRS2)系列热过载继电器适用于交流50Hz/60Hz、额定电压690V、1000V，电流0.1-180A的长期工作或间断长期工作的交流电动机的过载与断相保护。该热继电器具有断相保护、温度补偿、动作指示、自动与手动复位，该产品动作可靠。另外，该产品符合：GB14048.4、GB14048.5、IEC60947-4-1等标准，可靠性较高。该热继电器可与CJX1系列交流接触器接插安装，其实物图如图3－2示。 图3－2 NR4(JRS2)系列热过载继电器 4、电磁阀的选择 电磁阀选用SSFK-C024型电磁阀，原产地: 浙江宋氏阀控，该产品主要用于太阳能热水器等洁具类，工作电压适用范围广、交直流3-220V，使用可靠，完全可以达到使用要求，供水阀、排水阀、除尘阀。 5、发光指示灯的选择 指示灯选用两色二极管指示灯，当机器运行时，指示灯显示绿色，机器通电不运行时，指示灯显示红色，要求指示灯质量可靠，根据要求，选用TLL0501－HMC型指示灯。 6、隔离变压器的选择 本生产线选用BK－100型号隔离变压器，该隔离变压器变比1：1，电压220V AC。 7、水箱的选择 水箱的选用要根据情况来确定。水箱是热水器重要组成部分。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 循环水箱容量大小是根据热水器装置日产热水量而定。为了便于加工提高经济性和通用性，循环水箱已标准化。目前循环水箱以容积分为500升和1000升二种，外形均为方形。容积500升的水箱外形尺寸为: 778 X 778 X 880毫米。容积1000升的水箱外形尺寸为:8 X 928 X 1300毫米。 循环水箱的上部均装有涨水管及透气孔，其位置稍高于水位。溢水管和透气孔制成一体，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。500升与1000升循环水箱，结构基本相同，后者增加一些肋条和拉条，以增强水箱的强度和则度。 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。水箱，而是通过补给水箱来补给。这样做的优点是可使冷水和热水隔开，保持循环水箱中的热水水温稳定。补给水箱不宜太大，宜狭而长。补给水箱内需安装浮球，以保持最高水位。通用设计中最常用的一种补给水箱结构。它的外形为350 X830 X 400毫米，其长度是高度的2倍多。 8、传感器的选型 通过各种高性能传感器对气候环境进行测量及数据采集，并将测量结果通过接口送至PLC中，PLC根据控制要求对整个太阳能热水器进行综合控制。由于系统对环境的采样值都是传感器输出的模拟信号，而且传感器与PLC的距离也比较远，所以在传感器的选择上都采用了4--20mA电流输出型，从而减小传输过程中的干扰，保证采样值的准确性与可靠性。温度误差可以在电路上或软件上采取补偿措施，不同的补偿方法，其整体温度系数差异较大，但仍与元件本身的温度特性有关，一般将敏感元件和电路的温度系数合在一起考虑。一般的温度传感器基点漂移较其它的气象传感器都要显著，热敏电阻属于吸附元件，在测量过程中必然会受到污染，由污染引起的测量基点漂移，只能用重新检定的方法加以修正解决。若污染严重，基点漂移量过大，又不能再生，只能将传感器作报废处理[19]。 温度传感器技术指标: 1）温度范围：-0℃~70℃(可根据用户要求扩展) 2）湿度范围：10%/RH--99%RH 3）电源： AV220V士10% 4）温度误差：一般士0.2℃、最大士0.5℃ 5）数据分辨率：0.1 6）数据更新周期：约1秒 7）数据线：3类双绞线 8）数据传输距离小于1200m 根据硬件的选择情况，绘制表3－1所示。 表3－1原理总图的元器件目录表 序号代号名称数量规格型号备注 0 PLC 可编程控制器 1 FX_2n-32MR-ES/UL 继电器输出型 1 HL--HL3 指示灯 4 AD16-22G LED显示,220V 2 KM1-KM2 交流接触器 2 DJX-9 线圈电压：220V 3 SB1-SB5 按钮 5 LAY37 绿色 4 SB 启动按钮 1 LAY37 绿色 5 S 自动/手动开关 1 SR2 6 封闭式 6 SL1-SL2 温度检测开关 2 TH22接通与断开的最小温差1.1℃ 7 TC 隔离变压器 1 BK-100 电压：220V 8 FU1-FU8 熔断器8 RL1-15 熔体2-10A 9 FR 热继电器 2 JR16-20/3 参照电机电流 10 M 微型电动机 1 YYHS－45电压220V频率50HZ 11 YA 报警器 1 SWP-X100 交流220V 12 YV2 排水阀 1 SSFK-C014 交流12-220V 13 YV1 供水阀 1 SSFK-C024 交直流3-220V 14 YC 除尘阀 1 SSFK-C017 交流220V 3.1.4 PLC的端口分配 根据以上硬件选型设计，编制I/O接口功能表，如表3－2和3—3所示。
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