基于PLC的太阳能热水器自动控制系统设计

密级：公开密级：公开密级：公开密级：公开密级：公开基于PLC的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： 100302516学 生 姓 名： 魏天野指 导 教 师： 白山（教授级高工）2014 年 6 月摘 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。太阳能热水器在技术上比较成熟、造价比较低廉，同时由于给人民提供绝对安全的热水而受到人们的欢迎，且具有节能、环保、安全、便利、长久等优点，所以它的应用会越来越广。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。本设计利用西门子S7-200PLC，进行了太阳能热水器自动控制系统的I/O分配和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。并在此基础上，利用S7-200的仿真软件对系统进行了仿真，利用WinCC Flexible软件组态了人机界面，使用MPI通信协议实现了PLC与触摸屏的通信连接。把可编程控制器PLC作为太阳能热水器的控制系统，增加了系统的方便性与可靠性，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，增进了系统的先进性。论文分为四章：第一章介绍了太阳能热水器发展背景及设计意义；第二章介绍了太阳能热水器的工作原理；第三章介绍了硬件选型及系统流程；第四章介绍了系统程序的编写、系统的仿真、人机界面（WinCC Flexible）组态过程。关键词：太阳能热水器；PLC；自动控制系统AbstractNow, 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IAbstractII第1章 绪论11.1课题研究的背景11.2国内外研究现状简述21.3太阳能热水器市场分析31.4本设计特点及主要内容5第2章 太阳能热水器的组成及工作原理62.1太阳能热水器的基本结构62.2太阳能热水器的工作原理82.3本设计要实现的功能10第3章 太阳能热水器硬件的选型及设计113.1 PLC的工作原理113.2硬件设备的选型133.2.1 PLC的选型13其他硬件的选型153.3太阳能热水器的整体设计18 PID闭环控制183.3.2 PLC与外部设备连接方案20水工艺流程设计22第4章 系统软件框架的构建与系统仿真234.1系统的I/O口地址及相关的软元件功能设置234.2系统的程序流程图254.3设计控制系统的梯形图程序284.4系统仿真354.5组态人机界面39第5章 结论42参考文献43致 谢45附 录 S7-200仿真监控图46第1章 绪论1.1课题研究的背景太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，太阳能是一种可再生能源，广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，生物质能，潮汐能、水的势能等等。太阳能利用的基本方式可分为光热利用、光电利用、光化学利用、光生物利用四类。在四类太阳能利用方式中，光热转换的技术最成熟，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的太阳能转化效率较高，但应用还不普遍。在光热转换中，当前应用范围最广、技术最成熟、经济性最好的是太阳能热水器的应用。当今世界能源问题已经成为一个普遍性的问题，能源关乎着国家的安全，谁掌握了世界上的能源谁就掌握了国际事务的话语权，谁就有了国家经济发展的基础，谁就有了同其他国家相抗衡的资本。但是传统能源已经被消耗殆尽，为了国家未来的发展，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的资源已得到了越来越多的应用。众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。随着世界上煤、石油、天然气储量的日益减少，能源危机也日益严重，与此同时环境污染的危机也不断的威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题也提到了人类的面前。有人预测：二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源2。但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，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的使用。太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉，同时由于给人民提供绝对安全的热水而受到人们的欢迎，且具有节能、环保、安全、便利、长久等优点，因此它的应用会越来越广。尤其在农村地区具有很大的现实意义：中国四分之三的人口居住在农村，目前仍有约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%左右的村民仍然依靠燃料秸秆、薪柴为主做饭和烧水，它不仅造成空气污染，而且还严重破坏植被，威胁生态环境。随着化石能源的逐步枯竭，煤炭、石油和电力一直涨价，且能源供应日趋紧张。太阳能无污染、无运输、无垄断、“取之不尽、用之不竭”，是最有发展前途的可再生能源。在社会主义新农村建设中大力推广应用太阳能，不仅能够解决农村的基本能源消费问题，促进可再生能源的高效利用，实现农村生产发展、生活宽裕的双重目标，还有利于乡风文明和村容整洁，促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围内，世界上第一台太阳能热水器在100多年前诞生于美国，它是一种闷晒式热水器4。到目前为止国外太阳能热水器的发展主要经历了以下几个阶段:第一代，这是一种非常简易的利用，用铁皮桶放在楼顶，外表面刷上黑色油漆以增强对阳光的吸收；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，后期采用对阳光具有选择性吸收的氮化铝/铝等涂层。现今，绝大多数的涂层太阳光吸收比可达0.90以上，优质的平板式太阳能一般应具备以下几个特点：铜管加铝翼吸热体、低铁盖板玻璃、良好的密封、采用选择性磁控溅射涂层等；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，在寒冷的冬季，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的散热问题；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，一般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，很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，阻碍了对阳光的吸收，大大降低太阳能热水器的水温，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的传导体，水不直接流经真空管，从而使真空管的性能基本恒定，但采用较多的铜材，价格相对较高。现在太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场5。目前其产品的发展方向仍注重提高集热器的效率，如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层，以减少热量损失，聚脂薄膜的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城市化进程的不断加快，带来了新型工业化的发展，也带来了新的建筑能源供应的需要。预计到2020年，中国的每个城镇竣工面积将继续保持在十亿平方米左右，15年间新增城镇民用建筑面积总量将为150亿平方米，加上现有建筑面积总面积将达到280亿平方米以上，建筑的能源消耗大幅增加，不可避免6。中国庞大的人口，使得我们必须高度重视建筑的能源消耗问题，积极探索出一条节能途径，在保证社会的发展和人民群众的生活水平的不断提高的大前提下，实现城市建设可持续发展，建设建筑物的能耗，将对我国的长期稳定发展有着深远的影响。据中国节能协会节能服务产业委员会统计，中国的建筑节能产业产值在2010年接近300亿元，2012年达到664亿元人民币的规模，由此可见，建筑节能服务市场是巨大的。2009年，中国的太阳能产业规模已位居世界第一位，而太阳能产业的产值也接近千亿大关，中国是世界上太阳能热水器生产和使用最多的国家。但从我国城镇家庭生活热水供应率上来看，我国城镇家庭目前的生活热水供应率仅为67%，平均每户热水用能仅80130kWh/户年，与日本的每户平均热水用能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，将进一步增加国内热水消耗。全面开发各种太阳能热水系统，是我国城市化进程太阳能热利用的必由之路。图1-2 城乡太阳能热水器的发展1.4本设计特点及主要内容目前，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8。本设计是基于西门子S7-200的PLC太阳能热水器控制器设计，目的实现储水箱的低水位自动指示与自动上水功能；通过PLC内部的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情况下人们不能够正常洗浴，系统还加入了辅助电加热器，当储水箱温度低于洗浴的设定温度时电加热器自动开始工作，同时为了尽可能的减少电能的浪费，当加热到设定的温度上限时，电加热器自动退出工作，这样可以满足人们一天24小时的不间断用水，系统还拥有自动手动两套程序，当系统运行过程中出现问题时可以通过手动切除故障，实现系统的自动手动控制，提高了系统运行的可靠性。全文分五大部分。第一部分包括第一章，描述太阳能的利用状况和发展前景。第二部分包括第二章，描述太阳能热水器系统的组成及工作原理。第三部分包括第三章，完成硬件的选型和设计。第四部分包括第四，完成软件的设计及仿真，组态人工界面。在本文中分别介绍了传感器的特点及应用、一般的太阳能热水器及循环系统、PLC的发展和应用、PLC和传感器的选型，这也是设计此款太阳能热水器的理论基础和必要前提。第2章 太阳能热水器的组成及工作原理2.1太阳能热水器的基本结构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的全天候太阳能热水器。按集热器原理和结构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。但不管何种类型的太阳能热水器，其基本结构都是一样的，太阳能热水器通常由集热器、绝热储水箱、连接管道、支架和控制系统组成，如图2-1所示。图2-1 太阳能热水器的基本结构图(1) 太阳能集热器：系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在太阳照射度达到一定值的时候。目前中国市场上最常见的是全玻璃太阳能真空集热管。结构分为外管、内管，在内管外壁镀有选择性吸收涂层。平板集热器的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，尤其在高层住宅的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一般为高硼硅3.3特硬玻璃制造，选择性吸热膜采用真空溅射选择性镀膜工艺10。 (2) 绝热贮水箱：太阳能热水器水箱是贮存热水的装置，其结构、容量、保温和材料将直接影响热水器的性能和运行的质量。贮水箱主要组成部分为水箱内胆、保温层、水箱外壳、密封圈四部分。水箱内胆生产材料的质量，对水箱的耐压、耐温、防渗漏及水质影响很大。目前市场上出售的产品，其水箱内胆主要有0.6mm厚304-2B不锈钢，它无磁性、抗锈蚀、焊接性好，塑性好。其它的常用材料有钢板进行防腐处理或搪瓷、镀锌钢板、防锈铝板、塑料或玻璃钢等。水箱的热特性包括放热特性、加热特性、保温特性。放热特性就是希望水箱内的热水都能放出来，方便利用。加热特性是大多数水箱内的水是上部先热起来，然后下部再慢慢热起来。保温特性指水温下降的快慢，与水箱的封密性、保温材料、环境温度、水容量大小等相关。(3) 支撑架：太阳能热水器的支撑架主要由反尾座及主撑架组成。(4) 控制系统：一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行，控制系统是不可少的，常用的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位，带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。市场上有手机短信控制的智能化太阳能热水器，具有水位水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能，方便了用户(5) 其它部件：热水器的密封圈除具有密封性好、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。质量较好的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的商家却大有人在。2.2太阳能热水器的工作原理太阳能热水器是一种利用太阳辐射能通过温室效应把水加热的装置。温室效应是指由于对流、反射损失减少使能量聚集、温度逐渐升高的一种自然现象。温室效应又称为热箱原理，它是通过一个上面盖有透明玻璃的封闭箱体来实现能量聚积的11。阳光透过玻璃进入箱体内，被黑色表面吸收，而向外反射和对流的能量受到玻璃和箱体的阻挡，被保留在箱内，这样箱体内的能量不断积聚，温度不断升高，甚至可达100200。利用聚积的高温来加热水，就是太阳能热水器。太阳光穿过吸热管的第一层玻璃照到第二层玻璃的黑色吸热层上，将太阳光能的热量吸收，由于两层玻璃之间是真空隔热的，热量不能向外传，只能传给玻璃管里面的水，使玻璃管内的水加热，加热的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行过程中不消耗任何常规能源（煤、石油、天然气、电等），所以人们把它形象地称为“不烧煤的锅炉” 12。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠集热管，集热管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热水13。集热器内的水加热后要与储水箱里面的冷水实现循环以使储水箱里的水不断的被加热，目前常用的热交换方式主要有三种：自然循环、强迫循环和定温放水循环。(1) 自然循环式：自然循环的特点是，储水箱必须安设在集热器顶端水平面以上才可进行系统循环。装置中集热器内的水经太阳辐射，使水温上升，密度开始逐渐变小，与储水箱内未被太阳辐射的水产生了密度差（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。温水经过设置管道（上循环管）进入储水箱，而在此同时储水箱内相对温度低、密度较大的水慢慢下降，经设置管道（下循环管）流入集热器下部补充。这样以水的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的方式称为自然循环14。自然循环的运行其密度差愈大，循环的速度愈快，反之循环的愈慢。这种循环方式能使储水箱内的水持续升温，太阳辐射停止，循环也渐渐终止。图2-2 太阳能热水器水循环原理图(2) 强迫循环式：强迫循环顾名思义是借助外力迫使集热器与储水箱内的水进行循环。它的特点是储水箱的位置不受集热器位置的制约，可任意设置，可高于集热器，也可低于集热器。它是通过水泵将集热器接收太阳辐射的水与储水箱的水进行循环，使储水箱内的水温逐渐增高。市场上经常采用的强迫循环热水器是一种两次循环分离式热水器，集热器装入特殊的导热介质或防冻液，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，泵停止运行。热水是通过储热水箱中的特殊的热交换器进行热交换的(图2-2)。(3) 定温放水式：定温放水式与强迫循环不同的是它不是循环的概念，而是通过温度控制器将达到设定温度的水用水源压力或水源加压力水泵输送到储水箱内。它的特点是水源经集热器到储水箱，因为没有循环，又非常简单，只是将水在集热器内闷晒后送入储水箱，因此，有人将这一方式称为直流式或直流定温放水16。这种方式的又一特点是与温差控制式强迫循环的方式一并使用能有效地节约用水，定温放水的水箱容积一般较大，有时前一天的水未被用完，如果不升温，水即被白白放掉，如果有温差或强迫循环的机构就可将这部分水加温。2.3 本设计要实现的功能在本系统中需要实现以下几种功能：(1) 自动上水及水位上下限指示功能在系统中通过加入限位开关来不断的检测储水箱内的水位，当水箱内的水位低设定值下限时，低液位指示灯点亮，上水阀自动打开开始加水，当水位上升到设定值上限时，高液位指示灯点亮，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的水温度，再通过两个温度值的比较，当集热器出水温度大于储水箱水温度时，循环泵打开，实现水循环，使储水箱里面的水不断的被加热，只要有温度差循环就进行，直到两者之间的温度差消失。(3) 辅助电加热功能储水箱里的温度传感器带显示功能，设定一个储水箱水温度上下限值当温度低于设定的温度下限时，辅助电加热器开始工作，储水箱里的水温开始上升，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的热水的目的，尤其在阴天或者晚上时能够满足人们的洗浴要求。(4) 恒温出水功能通过设定一个温度值，然后在三通调节阀的出水口放置一个温度传感器，不间断的测量三通阀的出水温度，再通过与设定值的比较，通过PLC的中的PID模块计算，控制三通调节阀的开度，使三通调节阀的出水温度恒定。PLC的PID闭环控制可以实现对温度的精确控制，可以满足人们对洗浴水温的高标准要求，避免水温的不稳定对人身造成的伤害。(5) 自动手动转换功能在系统运行过程中有可能碰到很多未知的实际问题，为了防止系统出现崩溃，应设置必要的手动自动转换功能。在系统发生不能排除的问题或检测失效时，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。为了调试系统的需要，这些手动程序也是必要的。第3章 太阳能热水器硬件的选型及设计3.1 PLC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17。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3-1所示。从图3-1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18。在系统软件的指挥下，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。 图3-1 PLC工作原理3.2硬件设备的选型3.2.1 PLC的选型在本设计中需要用到三个温度传感器和一个液位传感器，由于这四个量是模拟量，而PLC只能处理数字量，因此在PLC和传感器之间必须加入特殊功能模块，将模拟量转换成数字量再用PLC进行处理。PLC运算后输出的数字量再经过特殊功能模块转换成模拟量进行控制。同时又为了最后仿真的需要、相关的性能要求及PID运算指令的使用，决定使用德国西门子S7系列PLC中的西门子S7-200，如图3-2所示：图3-2 西门子S7-200SIMATIC S7-200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能19。S7-200系列PLC出色表现在以下几个方面：(1) 极高的可靠性。(2) 极丰富的指令集。(3) 易于掌握。(4) 便捷的操作。(5) 丰富的内置集成功能。(6) 实时特性。(7) 强劲的通讯能力。(8) 丰富的扩展模块。在设计中，需要的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。考虑实际需要保留一定的I/O余量，决定使用S7-200系列中的CPU224XP。图3-3 CPU224XP结构图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个模拟量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路模拟量I/O点。20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力20。本机还新增多种功能，如内置模拟量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。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。其他硬件的选型(1) 模拟量模块在本设计中，有三个温度模拟量输入，有一个三通调节阀开度模拟量输出，共计有三个模拟量输入、一个模拟量输出。为了系统的安全及扩展的需要，要有一些备用的模拟量输入输出通道。所以，综合各方面的因素决定选用EM235四输出一输出模拟量模块，如图3-4所示：图3-4 EM235模拟量模块EM235模拟量模块通过排线与224XP相连，CPU通过此模块可以采集于本模块相连接现场的模拟信号，比如：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路模拟量输入通道，同时还包括了一路模拟量输出通道，输出电压、电流信号用于连续的控制。(2) 温度传感器现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。本设计选用电流输出型传感器，因为PLC控制器有可能距离传感器的位置较远，而电流输出具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。PLC的模拟量输入模块输入电流时，输入阻抗较低。线路上的干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干扰电压很低，所以模拟电流信号适于远程传送。又由于为了与EM235模拟量模块相配套，所以温度传感器应选用PT100铂热电阻温度传感器。PT100铂温度传感器能够将检测到的模拟量信号转换成相应标准电流信号输出。PT100的特点是：准确性高。在所有的温度计中，它的准确度最高，可以达到1Mk。输出信号大，灵敏度高。PT100热电阻温度计的灵敏度比热电温度计(热电偶)高一个数量级。测温范围广，稳定性能好。在振动小而适宜的环境下，可以在长时间内保持0.1以下的稳定性。图3-5 SBWZ一体化pt100温度变送器EM235模拟量模块的输入端将接受的电流信号通过A/D转换，将传感器测量的电流（电压）值转换为0-32000的数字量，温度由PT100采集上来，一般为电阻信号，或者加24V电源转换成电流信号4-20mA。EM235再采集由PT100转化来的电流信号，然后再通过自身编写程序运算成实时温度测量值21。这里，我们选用PT100温度传感器中的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的接线盒内安装，将传感器测量的0-100度信号直接转换成符合标准化的420mA直流信号远传至控制室，从而提高了信号的抗干扰能力。 (3) 三通调节阀为了达到恒温出水功能，我们将采用PID控制以达到对水温的精确自动控制，这就需要可以控制冷热水开度的电动三通调节阀。电动三通温控阀是流量调节阀在温度控制领域的典型应用，其基本原理：通过控制各支路热（冷）媒入口流量的比例，以达到控制出口温度的目的。当负荷产生变化时，通过改变阀门开启度调节流量，以消除负荷波动造成的影响，使温度恢复至设定值。因此，在出水口我们配套选用了西门子公司生产的SKB62电动三通调节阀，如图3-6所示。图3-6 SKB62电动三通调节阀它的优点是：具有比例积分(PI)或比例积分、微分(PID)调节功能，控制稳定、精确。针对不同的现场工况，可灵活调整控制参数，达到系统最优化。可由控制器读取当前温度值及观察阀门工作状态。可扩展功能，如远程设置、温度补偿、超温报警、用热计量及自动抄表、远传等。大部分型号可在断电时进行手动操作。 (4) 其他硬件的选择其它的材料主要有太阳能热水器集热器的支架，集热管的管材、管径，管道的保温材料，液位限位开关，电磁阀，循环泵，电加热器等的选择，可以根据相关的规定和相关的计算来选择，在本文中就不再具体介绍了。3.3太阳能热水器的整体设计闭环控制 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22。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。(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的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器23。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为： (3-1)式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为： (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控制的方法用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法：使用PID过程控制模块过程控制模块包括A/D转换器和D/A转换器，PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，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，一般在大型控制中使用。使用PID指令现在有很多PLC都有供PID控制用的指令，例如S7-200的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，但是价格便宜的多。用自编程序实现PID闭环控制有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但是希望采用其他改进的PID控制算法，在上述情况下，都需要用户自己编制PID控制程序。变频器的闭环控制变频器内部一般都有一个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的反馈信号输入端，使变频器内部的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的模拟量输入模块，用PLC实现PID闭环控制，用D/A转换器输出的模拟信号作为变频器的频率给定信号，需要增加PLC的模拟量输入模块和模拟量输出模块，将会增加硬件成本。(3) 本设计的PID控制本设计中在恒温出水部分需要用到PID控制，通过温度传感器的测量值与设定值的不断比较，使出水温度稳定在设定值上，以达到恒温出水的目的。本设计的PID闭环控制系统框图如图3-7所示：图3-7 系统恒温出水部分PID控制框图图中所示，被控量C(t)首先被测量元件转换为标准量程的电流信号或电压信号pv(t)，模拟量输入模块的A/D转换器将它转换为数字量pv(n)。模拟量输出模块的D/A转换器将PID控制器输出的数字量mv(n)转换成模拟电压或模拟电流mv(t),再去控制执行机构。在这里虚线框中的部分是由PLC实现的，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的输入输出量需要驱动设备运行，所以必须占用输入输出点数，也就是I/O端口与模拟量输入输出端口，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，另外还有一个模拟输出量。它们与PLC的连接如图3-8所示：图3-8 PLC与外部输入输出设备的连接注释：(1) PLC系统的电源接线：PLC供电电源可采用直流24V、交流100V120V或200V240V的工作电源。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或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开。当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力，也可以安装一个变比为1:1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰24。(2) 接地：良好的接地是保证PLC可靠工作的必要条件。在接地时应注意以下几点：PLC的接地线应为直径在2mm以上的专用线接地电阻应小于100PLC的地线不能和其它设备共用PLC的各单元地线应相连在一起(3) PLC的维护和检修：虽然PLC的设计，已使维修和运行故障减少到最小程度，但为了保证系统的正常工作，尽量延长系统的使用寿命，应定期进行维护和检修。注意电源电压、环境指标、I/0参数、安装情况及备份电池等情况的检查与维护，确保PLC正确稳定的运行。3.3.3水工艺流程设计系统的整个水工艺流程包括上水管道及电磁阀，洗浴开关、管道和喷头，集热器、循环泵、储水箱构成的水循环网络，以及三通调节阀控制的恒温出水部分。水工艺图如下所示：图3-9 太阳能热水器水工艺图第4章 系统软件框架的构建与系统仿真4.1系统的I/O口地址及相关的软元件功能设置本系统中主要的输入有上水阀开关、循环泵开关、电加热开关、洗浴开关和自动手动转换开关。输出有上水电磁阀、循环泵、电加热、排空电磁阀和洗浴电磁阀等。另外，还有一些报警指示灯和传感器。系统占用的所有主要单元的端口及地址分配如下表所示：表4-1 输出量I/O地址分配表信号名称或软元件功能I/O端口或地址上水电磁阀Q0.0循环泵Q0.1洗浴电磁阀Q0.2电加热Q0.3排空电磁阀Q0.4手自动指示Q0.5洗浴低温报警指示灯Q0.6洗浴高温报警指示灯Q0.7储水箱液位上限指示灯Q1.0储水箱液位下限指示灯Q1.1表4-2 输入量I/O地址分配表信号名称或硬件功能I/O端口或地址自动手动I0.0上水手动控制I0.1循环泵开I0.2循环泵关I0.3洗浴电磁阀控制I0.4电加热控制I0.5排空电磁阀控制I0.6循环泵故障I0.7上水电磁阀关I1.0上水电磁阀开I1.1表4-3 测量信号/模拟信号地址信号名称或硬件功能I/O端口或地址储水箱温度上限VW212储水箱温度下限VW216出水温度设定值VD104集热器温度传感器AIW4储水箱温度传感器AIW6三通调节阀出水温度传感器AIW8三通调节阀开度AQW4储水箱温度测量量VW206集热箱温度测量量VW202出水口温度测量量VW210PID温度执行量VW2204.2系统的程序流程图由于系统不是严格的顺序控制系统，所以在这里列出了各个子程序的流程图。(1) 水循环流程图：图4-1 水循环流程图在水循环部分，集热器和储水箱里的温度传感器不断测量两者的温度，并比较两个温度值之间的差，如果集热器出水温度大于储水箱水温度，那么强制进行水循环，只要两者之间有温度差，循环就不停的进行，这样可以使太阳能收集到的能量不断的传递到储水箱里面的水上，使水温不断上升，以满足人们的需要。(2) 自动上水流程图首先要对储水箱的液位设定上下限，根据液位的情况来决定加水和不加水，所以自动上水流程图如下：图4-2 自动上水流程图(3) PID闭环调节与电加热流程图这是恒温供水最重要的一部分，通过PID闭环控制可以实现对温度的精确控制，这一方面是人们要求比较高的，关键是用PLC里面的PID指令来进行控制，如图4-3所示。为了全天候的供应热水所以加入了辅助电加热器，为此在人的正常洗浴温度左右设置一个温度上下限，当温度低于某一值时，电加热器打开，开始给储水箱里的水加热，当加热到上限温度值时，停止加热，在本设计中，设定温度上限为60，下限为70，如图4-4所示。图4-3 PID闭环调节程序流程图 图4-4 电加热程序流程图4.3 设计控制系统的梯形图程序STEP7MicrowinV4.0编程软件是专为西门子公司S7-200系列小型机而设计的编程工具软件，使用该软件可根据控制系统的要求编制控制程序并完成与PLC的实时通信，进行程序的下载与上传及在线监控25。根据我们设计的太阳能热水器自动控制系统的功能与流程，我们利用STEP7MicrowinV4.0编程软件对S7-200PLC进行编程，程序如下所示：(1) 程序块：初始化设定出水口温度，储水箱高低温设定程序：单按钮手自动切换程序，调用子程序SBR_0或SBR_1：单按钮控制储水箱排空电磁阀启停与出水阀控制程序：储水箱液位上下限指示程序：储水箱温度与设定值比较，高低温指示与循环泵故障指示程序：循环泵故障指示灯闪烁程序，闪烁间隔设置2S：传感器温度变送与PID整定程序：温度调节输出程序：循环泵故障停止程序：(2) 自动控制子程序SBR_0：储水箱水位控制程序：储水箱与集热器水温比较水循环控制程序：储水箱水温低电加热器控制程序：(3) 手动控制子程序SBR_1：循环泵手动控制程序：单按钮储水箱手动上水控制程序：电加热手动控制程序：储水箱高低温指示程序：4.4系统仿真(1) 用STEP 7-Micro/WIN V4.0软件编好如下程序：图4-5 程序界面(2) 将编好的程序进行编译、导出：图4-6 导出程序(3) 打开仿真软件，选择PLC型号为CPU224XP：图4-7 选择PLC型号(4) 选择模拟量模块EM235：图4-8 选择模拟量模块(5) 选择编程时导出的“太阳能热水器自动控制-魏天野.awl”工程文件：图4-9 选择文件(6) 装载后显示项目名称，点击绿色运行按钮运行程序：图4-10 仿真界面运行后响应端口绿色运行灯亮，表示该端口有信号。(7) 监控AQW4模拟量输出端口，调节AIW8端口代表出水口温度变化，可以看到AQW4模拟量输出端口地址值由于PID程序的整定发生变化，代表恒温调节出水，仿真完成。图4-11 模拟输出监控4.5 组态人机界面WinCC Flexible组态软件简单直观、功能强大、应用灵活且智能高效26。(1) 打开WinCC Flexible，选择创建一个新项目，选择设备类型。(2) 创建连接。在左侧的项目树中，双击“通讯”单元下的“连接”，在弹出的对话框中，创建并设置与S7-200PLC的连接，双击第一行的空白处，新建一个连接，“接口”触摸屏连接设置里，波特率设定187.5KB，通信协议为MPI，站地址为1，目标PLC地址为2,PLC里通信端口波特率设定187.5KB，通信协议为MPI，站地址为2，下载到PLC，连接电脑和PLC通信电缆。图4-12 建立通信(3) 创建变量。在左侧的项目树中，双击“通讯”单元下的“变量”，在弹出的的对话框中，创建所需要的变量，设置变量时，应注意变量要与程序中变量一一对应，如图4-13所示：图4-13 变量表(4) 组态画面。新建一个监控画面，如图4-14所示，绘制好画面后，设置其中按钮、指示灯和表盘等器件的关联变量、函数及动画。图4-14 组态画面第5章 结论本次设计以S7-200PLC、WinCC Flexible为基础，利用STEP7MicrowinV4.0软件编写的程序，实现了对太阳能热水器自动控制系统的各项要求。实现了WinCC Flexible与PLC的通信，构成了一整套控制系统。通过本次毕业设计，使太阳能热水器达到了系统的各种控制要求，成功地完成了太阳能热水器的PLC控制系统的设计。经过对系统程序的运行调试，实现了太阳能热水器的恒温出水、自动循环、自动上水、自动加热、手自动切换等功能，提高了系统的可靠性，达到了设计的目标。本次设计凸显了S7-200 PLC控制功能强大、简单、可靠、灵活等特点。美中不足的是，由于缺乏经验和设计时间、条件有限，没有做出实物，且在一些细节有待于改进。参考文献1 姚伟.太阳能利用与可持续发展J .中国能源，2007，27(2)：46-47.2 赵缓,越慧.我国太阳能资源及其开发利用J.经济地理，2008，98-125.3 王君一,徐任学.太阳能利用技术M.北京:金属出版社,2008.4 罗运俊,何梓年,王长贵.太阳能利用技术M.北京:化学工业出版社，20055 Siemens, Simatic S7, Step 7-microprogramming.6ES7 022-1 AX00-8BH0, Release 02, 1995, Germany.6 教程（第三版）M.北京:人民邮电出版社,2007.7 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