基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计
握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。梯形图是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
3.2 各单元功能作用介绍
1、电机
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
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
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
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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、集热器
集热器是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，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。
内置光辐射探测器，当检测到光照时，循环泵启动。集热器起到了对冷水加热的作用，并实现了冷热水的循环。
5、太阳能集热水箱
内装水位传感器，温度传感器。当水位达不到设定值时，传感器发出信号到PLC控制器，控制器控制补水泵进行补水，当水箱内温度小于4度时，循环泵启动实现对水箱的防冻控制，当温度大于8度时，循环泵停止。太阳能集热水箱起到了为集热器提供自来水，并存储集热器加热后的热水。
混合水箱：是储存热水的重要部分，其用材料强度和耐腐蚀性至关重要。市场上有不锈钢、搪瓷等材质。保温层保温材料的好坏直接关系着热效率和晚间清晨的使用，在寒冷的东北尤其重要。目前较好的保温方式是进口聚氨脂整体自动化发泡工艺保温。外壳一般为彩钢板、镀铝锌板或不锈钢板。
混合水箱要求保温效果好，耐腐蚀，水质清洁，使用寿命可长达20年以上。水箱外部管网设有温度传感器，压力传感器，变频器。当水温低时，锅炉启动对水进行加热起到保温作用。当压力达不到标准时，压力传感器将信号传至PLC控制器，使之启动变频器使之对管网进行恒压控制。混合水箱将太阳能集热水箱中的热水与自来水进行混合，使之达到沐浴的合适温度，最终供用户使用。
6、水泵
热水器中，水泵是一个重要的组成部分，在本设计中，根据工作方式的不同，分为补水泵、循环泵和变频水泵三种类型，并且运用于许多地方，因此，水泵的正确选择至关重要。那么怎样选购适合的直流水泵呢？ 一 、 泵选型原则
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1、使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度等工艺参数的要求，最重要的是确定电压，最高扬程，以及在扬程多高的时候达到多少流量。详情请参考扬程-流量曲线图。
2、必须满足介质特性的要求
3、机械方面要求可靠性高、噪声低、振动小。
4、正确计算泵采购的投入成本，对泵生产厂家进行考察，要求其设备质量好，售后服务好，备件能及时供应。 二、如何正确计算采购泵的投入成本
初次采购，货比三家，精确的计算泵的价格，然后选择能够达到自己要求的价格的产品。但对于用户而言，磁力泵在使用过程中起到的作用远远高于当初购买它而花费的成本，这样，必须将泵出现问题和故障时浪费的工作时间和维修费用也计算到整体成本当中去；同样的，泵在运转过程中将耗费大量的电能，长年累月下来，一台小小的泵消耗的电能是让人咂舌的。
经过国外一些泵厂对售出产品的跟踪调查显示，水泵在其使用寿命中耗费的最大资金不是初次的采购成本，也不是维护费用，而是其消耗的电能。吃惊的发现原来泵消耗的电能价值已经远远超过了其本身的采购成本和维护费用，再考虑到其本身的使用效率、噪音、人工维护等原因，我们还有什么理由去购买那些质次价低的的“水货”产品呢？
其实某种类型的泵的原理都是一样的，里面的结构、部件也是大同小异，最大的差异体现在部件的选材、做工和质量。和其他产品不一样的是，泵的部件成本差异是十分显著的，差距大到一般人都无法想象。比如一个很小的轴封，便宜的几毛钱就可以买到，而好的产品却要几十甚至上百元，可想而知采用这两种产品制造出来的产品差距有多大，而让人担忧的是，在前期使用过程中它们几乎是没有差别的。上百上千倍的价格差距体现在产品的性能和使用期限上。短命（几个月）、噪音（一两个月后出现）、漏液（两三个月后出现）等现象接连不断的发生，让许多用户后悔开始不该省中间的差价。而使用过程中的大噪音和高热量实际上是宝贵的电能转换为了没有用的动能（机械摩擦）与热能，实际做的有效功（抽水）却少得可怜。 三、直流水泵的种类 1、有刷直流水泵
特点：水泵工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随着电机转动的换向器和电刷来完成，只要电机转动碳刷就会产生磨损，电脑水泵运行到一定的时候，碳刷磨损间隙变大，声音也会随之增大，连续运行几百小时之后碳刷就不能起到换向的作用了。 优点：价格低廉。
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2、无刷电机式直流水泵
特点：电机式无刷直流水泵是采用无刷直流电机加上叶轮之后组成的。电机的轴与叶轮连在一起，水泵的定子和转子之间是有间隙的，使用时间长了水会渗透进入电机里增加了电机烧坏的可能。
优点：无刷直流电机已标准化，有专门的厂家大批生产，成本比较低，效率高。 3、无刷直流磁力驱动水泵
特点：无刷直流水泵采用了电子组件换向，无需使用碳刷换向，采用高性能耐磨陶瓷轴及陶瓷轴套，轴套通过注塑与磁铁连成整体也就避免了磨损，因此无刷直流磁力式水泵的寿命大大增强了。磁力隔离式水泵的定子部分和转子部分完全隔离，定子和电路板部分采用环氧树脂灌封，100%防水，转子部分采用永磁磁铁，水泵机身采用环保材料，噪音低，体积小，性能稳定。可以通过定子的绕线调节各种所需的参数，可以宽电压运行。
优点：寿命长，噪音低可达35dB以下，可用于热水循环。电机的定子和电路板部分采用环氧树脂灌封并与转子完全隔离，可以水下安装而且完全防水，水泵的轴心采用高性能陶瓷轴，精度高，抗震性好。
因此，综合以上水泵特点、成本计算与选泵原则，水泵应选用无刷直流磁力驱动水泵。由于其可以完全防水，噪音低，适用于热水循环，虽然造价较高，但是其使用寿命较其他两种长，因此可以弥补造价较高的缺陷。
3.3 变频器的选择
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。
随着微电子技术，电力电子技术，全数字控制技术的发展，变频器的应用越来越广泛。变频器能均匀的改变电源的频率，因而能平滑的改变交流电动机的转速，由于兼有调频调压功能，所以在各种异步电动机调速系统中效率最高，性能最好。
变频器分为间接变频和直接变频，变频水泵采用间接变频方式。间接变频装置的特点是将工频交流电源通过整流器变成直流，再经过逆变器将直流变成频率可控的交流电。
变频器以软启动取代Y－△ 降压启动，降低了启动电流对供电设备的冲击，减少了振动及噪音。
它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。 3.3.1 变频器的特点
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变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。
变频器可以优化电机运行，所以也能够起到增效节能的作用。根据全球著名变频器生产企业ABB的测算，单单该集团全球范围内已经生产并且安装的变频器每年就能够节省1150亿千瓦时电力，相应减少9,700万吨二氧化碳排放，这已经超过芬兰一年的二氧化碳排放量。 3.3.2 变频器恒压供水工作原理
用户使用热水器时用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。
本设计中运用到变频器能够控制恒压供水的功能，恒压供水是指在供水日中月水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。传统的供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、单片机、P LC等器件的有机结合构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。该技术已在供水行业普及。
全自动变频调速供水设备是应用先进的现代控制理论，结合可编程控制技术、变频控制技术、电机泵组控制技术的新型机电一体化供水装置。该设备通过安装在水泵出水总管上的远传压力表（内为一滑动电阻），将出口压力转换成0-5V电压信号，经A/D转换模块将模拟电压信号转换成数字量并送入可编程序控制器，经可编程内部PID运算，得出一调节参量并将该参量送入D/A转换模块，经数摸转换后将得出模拟量传送变频器，进而控制其输出频率的变化。系统正常运行时，管网末端上的压力传感器对用户的用水水压进行数据采样，并将压力信号转换为电信号，传输至PID调节器，然后与用户设定的压力值进行比较和运算，并将比较和运算的结果转换为频率调节信号和水泵启动信号分别送至变频器和可编程控制器（PLC）；变频器根据以调节水泵电机的电源频率，进而调整水泵的转速；可编程控制器根据PID调节器传输过来的水泵启动信号控制水泵的运转。通过对水泵的启动和停止及其中变频泵转速的调节，将用户管网中的水压恒移稳于用户预先设计的压力值，使供水泵组“提升”的水量与用户管网不断变化的用水量保持一致，达到“变量恒压供水”的目的。 3.3.3 变频器的选择与参数设计
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