基于PLC的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：本設(shè)計闡述了可編程控制器（PLC）在太陽能熱水器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,重點研究了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及軟件的設(shè)計過程。指出了PLC設(shè)計的關(guān)鍵是能滿足基本的控制功能,并考慮維護的方便性、系統(tǒng)可擴展性等。本設(shè)計進行了系統(tǒng)的I/O分配和PLC選型，根據(jù)要求繪制出了控制系統(tǒng)電氣原理圖和接線圖等。把PLC作為太陽能熱水器的控制系統(tǒng)，大大減少了其它元器件的使用。它使系統(tǒng)接線簡單，檢修維護方便快捷，增進了系統(tǒng)的先進性。關(guān)鍵詞：太陽能熱水器PLC控制系統(tǒng)全球能源緊張，太陽能熱水器使用量與日俱增，然而熱水器儲水槽通常設(shè)在樓頂，與使用端的距離至少6-15m，因此使用時，需打開水龍頭一段時間才有熱水，期間浪費的冷水量較大；儲水槽裝在頂樓，用戶很難知道儲水槽的溫度，雖然有輔助加熱器，但無法掌握加熱時間而造成能源的浪費。目前，我國大部分太陽能熱水器控制部分，往往需要大量的中間繼電器和時間繼電器來滿足生產(chǎn)工藝要求，結(jié)果使電路設(shè)計復雜、繁瑣，故障時有發(fā)生，給使用和日常維護帶來了很大的不便。因此，本文將對太陽能供水的控制系統(tǒng)進行探討，設(shè)計出基于PLC控制的太陽能供水系統(tǒng)。也是為了解決盲目啟動輔助加熱器所造成的電能的浪費?？刂乒δ茉O(shè)計根據(jù)人們對熱水器的使用習慣和人性化設(shè)計要求,設(shè)計的控制系統(tǒng)具有以下功能：1、自動控制功能。系統(tǒng)在自動工作方式時，能自動控制供水水泵的運行與停止和各電磁閥的開關(guān)。定時控制器在斷電時正常計時，故采用其作為PLC的電源控制。在定時控制時間內(nèi)，由定時器接通PLC的電源，PLC按預(yù)先編制的程序依次打開各控制設(shè)備電源，并根據(jù)輸入信號的變化隨時調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時間里，定時器自動斷開PLC的電源。工作時段為6～18h。可利用定時控制器和PLC自身具有的定時命令加以解決。2、除塵功能。利用溫度開關(guān)檢測環(huán)境溫度是否適合除塵，溫度開關(guān)為4℃。除塵時用一個電磁閥連續(xù)工作2min。3、水箱液位控制功能。水箱200L，液位控制在180L。4、水箱應(yīng)具備供熱水、保溫的基本功能。水箱采用加厚聚脂發(fā)泡保溫。5、報警功能。當出現(xiàn)故障時，故障指示燈閃爍且報警電鈴響起，操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍；直到故障消除；故障指示燈才停止閃爍。6、節(jié)水功能。供水閥供水5min，停2min。7、可實現(xiàn)手動/自動控制切換。8、恒溫功能。出水溫度可通過恒溫閥控制在30～40℃，當用戶需要熱水時，可通過手動調(diào)節(jié)。二、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案根據(jù)控制系統(tǒng)要求，首先確定PLC的控制規(guī)模，估算出所需要的I/O點數(shù)(數(shù)字輸入/輸出量、模擬輸入/輸出量),再增加10%～20%的備用量，以便隨時增加控制功能，保證系統(tǒng)投入運行后能夠替換個別故障點或彌補遺漏的點數(shù)。統(tǒng)計出I/O總點數(shù)后即可以確定PLC的控制規(guī)模，從而確定存儲器(用于存儲用戶程序和數(shù)據(jù))的容量。存儲器容量除了根據(jù)PLC的控制規(guī)模確定外，也可以按照如下方法計算，再增加25%～30%的備用量，以便隨時增加用戶程序。系統(tǒng)控制原理框圖如下圖2-1所示。T3熱T3熱水箱T1D集熱器F3太陽光F1自來水F2T2圖2-1系統(tǒng)控制原理框圖注釋：T1，熱水箱的溫度傳感器T2，循環(huán)水管中的溫度傳感器T3，集熱器中的溫度傳感器F1，循環(huán)水閥門F2，冷水閥門F3，熱水閥門此款熱水器利用微機控制，主要有以下兩種控制功能：水溫控制、水箱加熱控制。1、水溫控制為了提供溫度不低于370C的水，具體控制過程如下：首先，關(guān)閉冷水閥門F2和循環(huán)水閥門F1，然后微機開始進行水箱的溫度采集，同時進行溫度的比較，當水箱中的溫度小于370C時，電熱器D接通進行加熱，同時微機繼續(xù)對熱水箱的水溫進行采集。當溫度加熱到大于370C時電熱器D斷開，如此反復循環(huán)保證了溫度的穩(wěn)定。2、水箱加熱控制如果沒有日照或者日照很弱時，到了晚上我們是否還能洗上熱水澡呢？答案是肯定的，不要忘了這款熱水器還有一個從系統(tǒng)，這時它就要發(fā)揮作用了。熱水箱溫度為T1，將它和設(shè)定值N相比較，從而控制是否打開電加熱器?？刂茣r段為6～18h，具體過程如下:若Tl<N，電加熱接通；否則，電加熱斷開。最終熱水箱的溫度加熱到設(shè)定值N。由此可見，即使沒有日照我們照樣可以洗上熱水澡。三、PLC硬件控制框圖本設(shè)計選用西門子S7-200系列的40點可編程控制器，實現(xiàn)對太陽能熱水器的控制，完成太陽能熱水器的溫度、液位等控制功能。為提高系統(tǒng)的安全性，需要有報警點輸入并且用聲光信號顯示故障類型，同時發(fā)出警報提醒值班人員及時處理事故。當故障出現(xiàn)時，故障指示燈閃爍且報警電鈴響起，操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除，故障指示燈才停止閃爍。系統(tǒng)控制框圖如圖3-1所示。自動總停自動總停手動上水手動加熱消音按鈕液位檢測開關(guān)溫度開關(guān)（常閉）溫度開關(guān)（常開）自動總開自動/手動選擇除塵閥報警器供水閥排水閥繼電器除塵電機PLC24點輸入16點輸出模擬量輸入模塊EM235溫度變送器PT100溫度傳感器圖3-1系統(tǒng)控制框圖1、電機類型的選擇對于連續(xù)運行，負載平穩(wěn)，對起動制動沒有特殊要求的生產(chǎn)機械，應(yīng)優(yōu)先采用普通鼠籠異步電動機，它廣泛用于各種機床、水泵和風機等。大中功率的空壓機和皮帶輸送機等生產(chǎn)機械要求有較大的起動轉(zhuǎn)矩，應(yīng)采用深槽式或雙鼠籠式異步電動機。由于太陽能熱水器屬于連續(xù)運行，負載平穩(wěn)，對起動制動沒特殊要求，綜合各方面考慮，本系統(tǒng)微型電機選用Y系列三相異步電動機。電壓為220V。頻率為50HZ。功率為10w。2、交流接觸器的選擇本系統(tǒng)選用正泰公司生產(chǎn)的CJX1系列交流接觸器，該接觸器為雙斷點觸頭的直動式運動結(jié)構(gòu)，動作機構(gòu)靈活，手動檢察方便，結(jié)構(gòu)緊湊。觸頭，磁系統(tǒng)采用封閉結(jié)構(gòu)，能提高壽命。接線端均有防護罩覆蓋，使用安全可靠。安裝可用螺釘緊固，也可扣裝在35毫米的安裝軌上，裝卸方便。CJX1系列交流接觸器適用于交流50Hz（或60Hz），額定電壓至660V，在AC-3使用類別下工作電壓為380V，供遠距離和分斷電路及頻繁起動和控制交流電動機，并可與適合的熱繼電器組成電磁起動器，以保護可能發(fā)生操作過負荷電路。3、熱繼電器的選擇本系統(tǒng)所用的熱繼電器為正泰公司生產(chǎn)的NR4(JRS2)系列，NR4(JRS2)系列熱過載繼電器適用于交流50Hz/60Hz、額定電壓690V、1000V，電流0.1-180A的長期工作或間斷長期工作的交流電動機的過載與斷相保護。該熱繼電器具有斷相保護、溫度補償、動作指示、自動與手動復位，該產(chǎn)品動作可靠。另外，該產(chǎn)品符合：GB14048.4、GB14048.5、IEC60947-4-1等標準，可靠性較高。該熱繼電器可與CJX1系列交流接觸器接插安裝。4、電磁閥的選擇電磁閥選用SSFK-C024型電磁閥，原產(chǎn)地:浙江宋氏閥控，該產(chǎn)品主要用于太陽能熱水器等潔具類，工作電壓適用范圍廣、交直流3-220V，使用可靠，完全可以達到使用要求。5、發(fā)光指示燈的選擇指示燈選用兩色二極管指示燈，當機器運行時，指示燈顯示綠色，機器通電不運行時，指示燈顯示紅色，要求指示燈質(zhì)量可靠，根據(jù)要求，選用TLL0501－HMC型指示燈。6、隔離變壓器的選擇本生產(chǎn)線選用BK－100型號隔離變壓器，該隔離變壓器變比1：1，電壓220VAC。7、水箱的選擇水箱的選用要根據(jù)情況來確定。水箱是熱水器重要組成部分。它包括循環(huán)水箱和補給水箱，循環(huán)水箱與集熱器上下水管相連，供熱水循環(huán)之用。補給水箱只與循環(huán)水箱相通，當循環(huán)水箱水位低時，以補給冷水之用。1）循環(huán)水箱循環(huán)水箱容量大小是根據(jù)熱水器裝置日產(chǎn)熱水量而定。為了便于加工提高經(jīng)濟性和通用性，循環(huán)水箱已標準化。目前循環(huán)水箱以容積分為500升和1000升二種，外形均為方形。容積500升的水箱外形尺寸為:778X778X880毫米。容積1000升的水箱外形尺寸為:8X928X1300毫米。循環(huán)水箱的上部均裝有漲水管及透氣孔，其位置稍高于水位。溢水管和透氣孔制成一體，它的作用是保持最高水位平面，同時讓水中空氣由此處排出，避免帶入管道系統(tǒng)，以致造成氣阻損失。循環(huán)水箱的下部均裝有冷水進水擋板。這樣冷水進入循環(huán)水箱時，通過擋板使之擴散流入不致將箱內(nèi)上部熱水攪混。500升與1000升循環(huán)水箱，結(jié)構(gòu)基本相同，后者增加一些肋條和拉條，以增強水箱的強度和則度。2）補給水箱補給水箱是供給冷水的水箱。自來水不是直接進入循環(huán)。水箱，而是通過補給水箱來補給。這樣做的優(yōu)點是可使冷水和熱水隔開，保持循環(huán)水箱中的熱水水溫穩(wěn)定。補給水箱不宜太大，宜狹而長。補給水箱內(nèi)需安裝浮球，以保持最高水位。通用設(shè)計中最常用的一種補給水箱結(jié)構(gòu)。它的外形為350X830X400毫米，其長度是高度的2倍多。8、傳感器的選型通過各種高性能傳感器對氣候環(huán)境進行測量及數(shù)據(jù)采集，并將測量結(jié)果通過接口送至PLC中，PLC根據(jù)控制要求對整個太陽能熱水器進行綜合控制。由于系統(tǒng)對環(huán)境的采樣值都是傳感器輸出的模擬信號，而且傳感器與PLC的距離也比較遠，所以在傳感器的選擇上都采用了4--20mA電流輸出型，從而減小傳輸過程中的干擾，保證采樣值的準確性與可靠性。溫度誤差可以在電路上或軟件上采取補償措施，不同的補償方法，其整體溫度系數(shù)差異較大，但仍與元件本身的溫度特性有關(guān)，一般將敏感元件和電路的溫度系數(shù)合在一起考慮。一般的溫度傳感器基點漂移較其它的氣象傳感器都要顯著，熱敏電阻屬于吸附元件，在測量過程中必然會受到污染，由污染引起的測量基點漂移，只能用重新檢定的方法加以修正解決。若污染嚴重，基點漂移量過大，又不能再生，只能將傳感器作報廢處理。溫度傳感器技術(shù)指標:1）溫度范圍：-0℃~70℃(可根據(jù)用戶要求擴展)2）濕度范圍：10%/RH--99%RH3）電源：AV220V士10%4）溫度誤差：一般士0.2℃、最大士0.5℃5）數(shù)據(jù)分辨率：0.16）數(shù)據(jù)更新周期：約1秒7）數(shù)據(jù)線：3類雙絞線8）數(shù)據(jù)傳輸距離：小于1200m五、PLC的端口分配根據(jù)以上硬件選型設(shè)計，編制I/O接口功能表，如下表5-1和5-2所示。表5-1PLC的輸入端口分配輸入點代號工程名稱I0.0SF啟動按鈕I0.1SF1總停按鈕I0.2BT1溫度開關(guān)（常開）I0.3BT2溫度開關(guān)（常閉）I0.4SF2手動上水開關(guān)I0.5SF3手動排水開關(guān)I0.6SF4手動消音開關(guān)I0.7SF5手動加熱開關(guān)I1.0SF6液位檢測開關(guān)I1.1EM235模擬量輸入模塊表5-2PLC的輸出端口分配輸出點代號工程名稱Q0.0PG啟動指示燈Q0.1PG1總停指示燈Q0.2PG2除塵指示燈Q0.3PB報警蜂鳴器Q0.4PG3故障指示燈Q0.5MB1供水電磁閥Q0.6MB2排水電磁閥Q0.7QA1除塵電機正轉(zhuǎn)接觸器Q1.0MB3除塵閥Q1.1QA2除塵電機反轉(zhuǎn)接觸器Q1.2KF1電加熱器六、系統(tǒng)電路的設(shè)計1、主電路的設(shè)計：1)接觸器QA1和QA2分別控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。2)電動機有熱繼電器實現(xiàn)過載保護。3)選擇自動開關(guān)QA為總電源的開關(guān)，即可完成主回路的短路保護，又起到隔離三相交流電源的作用，使使用和維護更加方便。4)由FA1、FA2、FA3、FA4、FA5、FA6分別實現(xiàn)各負載回路的短路保護作用，F(xiàn)A7、FA8完成PLC控制回路的短路保護。根據(jù)上述設(shè)計原則繪制出電氣控制主電路圖，如圖6-1所示。圖6-1電氣控制主電路圖2、PLC控制電路的設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的控制要求、系統(tǒng)的總體設(shè)計及系統(tǒng)所選的元器件，設(shè)計出系統(tǒng)的控制原理圖及PLC外部接線圖，如圖6-2所示太陽能熱水器系統(tǒng)PLCI/O控制原理電路圖。圖6-2太陽能熱水器系統(tǒng)PLCI/O控制原理圖七、系統(tǒng)控制流程圖1、建立系統(tǒng)控制流程圖根據(jù)系統(tǒng)的控制要求及實際的控制需要，繪制系統(tǒng)控制流程圖1）主程序控制系統(tǒng)流程圖如下圖7-1所示開始開始初始狀態(tài)檢查設(shè)置工作時間段啟動定時器系統(tǒng)工作時間是否到？YN端口控制邏輯正常？終止工作各開關(guān)狀態(tài)檢測溫度子程序水位子程序符合除塵條件？除塵子程序Y記錄端口狀態(tài)，返回NN圖7-1主程序控制系統(tǒng)流程圖2）水位子程序流程圖如下圖7-2所示水位子程序入口水位子程序入口系統(tǒng)采樣是否達到設(shè)定水位YN上水是否超過警戒線Y停止，報警N圖7-2水位子程序流程圖3）溫度子程序流程圖如下圖7-3所示系統(tǒng)采樣系統(tǒng)采樣是否達到設(shè)定溫度YN驅(qū)動電加熱器加熱是否超過警戒線Y停止，報警N溫度子程序入口圖7-3溫度子程序流程圖綜合調(diào)試PLC投入運行，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，準備好起動。根據(jù)太陽能熱水器定時器設(shè)定的工作時間段看是否到工作時間。如果沒有到則系統(tǒng)停止。如果到工作時間，則調(diào)用溫度子程序和水位子程序。根據(jù)水箱內(nèi)的水位和水溫進行PID調(diào)節(jié)。如果水箱內(nèi)的水位低于設(shè)定值，則打開供水閥先供水5分鐘，然后停2分鐘，實現(xiàn)節(jié)水功能。如果水箱內(nèi)的水溫低于設(shè)定值，則進行加熱。如果水位過高或者水溫過高，則系統(tǒng)發(fā)出報警信號。當外部環(huán)境溫度超過40C時，則調(diào)用除塵子程序。除塵時，電機先正轉(zhuǎn)20秒，然后電機反轉(zhuǎn)20秒，循環(huán)直到除塵達到兩分鐘。然后返回從開始的全部動作，進行下一次大循環(huán)。此外，還可以按手動按鈕以實現(xiàn)手動供水、排水和手動加熱功能。參考文獻[1]袁任光.可編程序控制器技術(shù)與實例[M].廣州：華南理工大學出版社，2003.215-238[2]劉敏.可編程控制器技術(shù)[M].北京：