基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计
变频器选用西门子标准变频器MicroMaster440，其基本参数设置与控制原理如下：
① 基本参数设定 扩展 调整
At.ty 1 At类型：0：普通，1：快速响应，2：稳定
Ctr.A 0 控制算法：0：PID(原有PID）， 1：Ra-PID（高性能型PID) JF.OU 0 JF超调抑制0～100,0:无抑制21 代码设定值说明 P0003 3 专家级 P0004 0 参数过滤器
P0005 21 21-变频器输出频率、22-转速n P0010 0 0-准备运行、1-快速设置 P0100 0 功率单位为kW,频率缺省值50Hz
P0205 1 变转矩，只用于平方V/f特性（水泵、风机）的负载 P0295 30S 变频器风扇延时 P0300 1 异步电动机
P0304 380 电机的额定电压(V) P0305 21.4 电动机的额定电流（A) ② 变频器控制原理
P0307 5.5 电机额定功率（kW) P0308 0.82 电动机额定功率因数 P0310 50 电动机额定频率(Hz) P0311 1000 电动机额定转速(rpm)
P0700 2 选择命令源：1-面板设定、2-端子排输入 P0640 110% 过载限流
P0718 0 0-自动操作、1-手动操作
P0725 0 0-NPN低电平有效、1-PNP高电平有效 P0731 52.3 变频器故障 P0732 52.2 变频器正在运行 P0748 B 故障继电器常开
P0756 0 单极性电压输入（0～10V）
P1000 2 频率设定值的选择：2、模拟量设定值 P1040 20Hz MOP频率设定值（内部）
32
基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计
P1080 20Hz 电机最小转速对应频率 P1082 50Hz 电机最大转速对应频率 P1120 50 设置斜坡上升时间 P1121 50 设置斜坡下降时间
P1300 2 变频器的控制方式：抛物线的V/f控制 P1910 0 0-不自动检测、1-自动检测 P3900 0 0-不计算不复位，结束快速调试
3.4 PID控制原理
要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可时现该算法，同时对PLC的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。
要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用PID调节器进行控制，而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。
3.5 传感器的选择
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 3.5.1 温度传感器
33
基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计
温度传感器选用PT1000高温型铂电阻温度传感器，分别置于太阳能热水箱，集热器和管网末端中。太阳能热水箱与集热器中的温度传感器起到防冻作用，管网末端温度传感器起到保温作用，因此，PT1000高温型铂电阻温度传感器符合温度测量范围，且价格低廉，宜于采用。传感器如图3所示
图3 PT1000高温型铂电阻温度传感器
PT1000高温型铂电阻温度传感器：★高精度进口日本/德国铂电阻元件芯片；★产品性能符合IEC和JIS有关标准；外型设计符合测温铂电阻的各项规定；★测温范围-50℃～350℃；★在0℃时阻值100Ω/1000Ω，；★探头保护管直径Φ3mm以上；★公称压力 1.6MPa；★良好的防震动和防冲击性；★能承受高电压、有良好绝缘性；稳定性好；★精度与等级：A±（0.15＋0.002t）； B ±（0.3＋0.005t）；★0℃时阻值允许偏差：A±0.06Ω；B ±0.12Ω；产品应用：中央空调机组供热/制冷管道测温和控制，冰箱冰柜、轴瓦、缸体，油管，水管，汽管，纺机，平面设备，空调，热水器，体温计等狭小空间工业设备测温和控制，中央空调分户热能计量和工业领域测温控制，大气环境监测、工业过程控制、测量仪表等。3.5.2 液位传感器
液位传感器选用RG-2型液位传感器（如图4所示），其置于太阳能热水箱中，用于检测水箱中水位深度，不足时开启补水泵进行补水，其型号和参数如下：
图4 RG-2型液位传感器 序号 1 项目 最大开关电流 参数 0.5 A 34
单位 安培 备注 基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 最大负载电流 最大接触电阻 最大负载功率 最大开关电压 最少崩溃电压 启动水流量 工作水流范围 启动水压 最少承受水压 最大承受水压 工作环境温度 适用环境温度 使用寿命 响应时间 释放时间 1.0 A 100 MΩ 10 W 110 VDC 220 VDC ≥0.2 L∕min 1—30 L∕min ≥0.1 Mpa 1.2 Mpa 1.6 Mpa 1—120 ℃ -40—150 ℃ 108 次 0.2 S 0.2 S 安培 兆欧 瓦特 直流电压 直流电压 升/分钟 升∕分钟 兆帕 兆帕 兆帕 摄氏度 摄氏度 开关循环 秒 秒 5VDC 10mA 3.5.3 压力传感器
压力传感器选用飞思卡尔MPX5700AP压力传感器，置于管网末端用于测量管网末端压力（如图5所示），其参数设置如下：
飞思卡尔MPX5700AP压力传感器
美国飞思卡尔压力传感器 MPX5700AP MPX5700型压力传感器温度补偿和信号放大一体化的高输出压力传感器，可与微机直接接口，温度补偿范围为：0-85℃，量程范围：0-700KPA, 供电电压：5.0Vdc，供电电流：7.0mAdc。灵敏度：6.4 mv/kPa.测量方式有表压和差压（D,DP）型。
MPX5700型压力传感器是温度补偿和信号放大一体化的高输出压力传感器，可与微机直接接口，温度补偿范围为0-85℃，测量方式有表压（GP)、差压（D、DP)和绝压（A、AP)型。
压力范围：0-700KPa(0-100PSi) 供电电压：5Vdc（典型） 供电电流：7.0mAdc（典型） 输出电压：0.2-4.7Vdc
满量程输出电流：0.1mA(典型）
35
基于PLC和变频器的太阳能热水器控制系统设计
图5 飞思卡尔MPX5700AP压力传感器
3.5.4 光辐射探测器
光辐射探测器检测选用型号为KTR-RY-GH型光合有效辐射传感器（如图6所示），其在检测到光照时启动循环泵，集热器对水进行加热。
KTR-RY-GH型光合有效辐射表主要用来测量400-700nm波长范围内的自然光的光合有效辐射，并且使用简单，可直接与数字电压表或数据采集器相连，可在全天候条件下使用。
该表采用硅光探测器，并通过一个400-700nm的光学滤光器。当有光照时，产生一个与入射辐射强度成正比的电压信号，并且其灵敏度与入射光的直射角度的余弦成正比，每台光合有效辐射表都给出各自的灵敏度，并可以直接输出单位为μmol／ms的数值。 该表广泛应用于农业气象，农作物生长的研究。
KTR-RY-GH型光合有效辐射传感器的参数设定如下：
光谱范围：400-700nm 响应时间：＜1s（99％） 温度相关：最大0.05％／℃ 余弦校正：上至80°入射角 内阻：＜2K Ω 工作温度：-40—65℃
3.6 系统硬件接线图
系统硬件接线图见附录。
3.7 本章小结
本章首先介绍了热水器中的中枢部分——PLC控制器的发展，特点，原理及发展领域，在此基础上介绍了此次设计中PLC的选型及PLC与热水器中各单元功能介绍，
36