基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计
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
基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计
Abstract
This subject research of the programmable controller (PLC) and frequency converter in the application of solar 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 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 and 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 the frequency converter constant pressure water supply and the PID control principle.
Through the use of solar energy PLC's 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 connection quick, reliability, and enhance the system's advanced, greatly reducing the manufacturing cost, can make more users use solar energy water heater.
Keywords: PLC; Solar; Inverter; Water heater; automatic control system
基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计
目录
第一章 绪 论 ............................................................................................. 1 第二章 太阳能热水器的综述 ........................................................................ 3
2.1太阳能热水器的介绍 ..................................................................................................... 3
2.1.1 概述 ................................................................................................................................. 3 2.1.2 太阳能热水器的基本知识 ............................................................................................. 6
2.2 工艺示意图 .................................................................................................................... 7 2.3 工艺流程图 .................................................................................................................... 8 2.4 太阳能热水器组成、原理和工作过程 ...................................................................... 10 2.5 系统的要求 .................................................................................................................. 11 2.6 本章小结 ...................................................................................................................... 12
第三章 太阳能热水器控制器硬件设计 ....................................................... 13
3.1 PLC的选择 ................................................................................................................... 13
3.1.1 概述 ............................................................................................................................... 13 3.1.2可编程控制器应用领域 ................................................................................................ 16 3.1.3 s7-200的概述 ................................................................................................................ 17 3.1.4 CPU224的概述 ............................................................................................................. 18 3.1.5 EM235的概述 ............................................................................................................... 24 3.1.6 梯形图概述 ................................................................................................................... 26
3.2 各单元功能作用介绍 .................................................................................................. 27 3.3 变频器的选择 .............................................................................................................. 30
3.3.1 变频器的特点 ............................................................................................................... 30 3.3.2 变频器恒压供水工作原理 ........................................................................................... 31 3.3.3 变频器的选择与参数设计 ........................................................................................... 31
3.4 PID控制原理 ................................................................................................................ 33 3.5 传感器的选择 .............................................................................................................. 33
3.5.1 温度传感器 ................................................................................................................... 33 3.5.2 液位传感器 ................................................................................................................... 34 3.5.3 压力传感器 ................................................................................................................... 35 3.5.4 光辐射探测器 ............................................................................................................... 36
3.6 系统硬件接线图 .......................................................................................................... 36 3.7 本章小结 ...................................................................................................................... 36
第四章 太阳能热水器控制器软件设计 ....................................................... 38
4.1 PLC的I/O口分配与软元件的分配 ............................................................................ 38 4.2 软件组成 ...................................................................................................................... 39 4.3 系统控制流程图 .......................................................................................................... 40 4.4 设置梯形图程序 .......................................................................................................... 45 4.5 本章小结 ...................................................................................................................... 46
第五章 程序调试 ............................................................................................ 47
基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计
第六章 总 结 ............................................................................................ 48 参考文献 .......................................................................................................... 49 致 谢 .......................................................................................................... 50
基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计
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。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。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I／O点数、存储器容量、扫描速度、指令数、编程语言、模拟量I／O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
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