1、江西太陽(yáng)能科技職業(yè)學(xué)院2014界專科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）專科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目：基于單片機(jī)的音樂(lè)盒設(shè)計(jì)系 （部） 光伏發(fā)電系學(xué)科門類 工 科專 業(yè) 應(yīng)用電子學(xué) 號(hào) 20110700120 姓 名 段 維 東 指導(dǎo)教師 張 清 小 2014 年 月 日摘 要 隨著世界能源危機(jī)的不斷加劇，新能源的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越引起人們的重視，太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染且又用之不盡的資源得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，太陽(yáng)能熱水器已逐步進(jìn)入普通家庭。本文結(jié)合太陽(yáng)能熱水器的實(shí)際應(yīng)用，并根據(jù)精確控制的需要設(shè)計(jì)了基于PLC太陽(yáng)能熱水器的控制器。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能熱水器結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，提出本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能。并結(jié)合傳感器、PL

2、C和一些特殊功能模塊的特點(diǎn)和應(yīng)用，完成對(duì)硬件設(shè)備的選型，搭建了控制器的硬件電路。軟件設(shè)計(jì)部分按控制的要求畫出程序流程圖，運(yùn)用三菱系列通用編程軟件GX Developer進(jìn)行編程，利用三菱的GX Simulator Version6程序仿真軟件進(jìn)行程序仿真，以校驗(yàn)程序。應(yīng)用三菱的觸摸屏編程軟件GT Designer2繪制觸摸屏仿真畫面，定義用到的軟元件，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，然后掛接程序仿真軟件和觸摸屏仿真軟件GT Simulator2，三者之間的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的仿真、調(diào)試。本設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)就是能實(shí)現(xiàn)對(duì)洗浴溫度的精確控制。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱水器； PLC； 精確控制； 傳感器； 特殊功能模塊Design

3、 of Solar Water Heater Control SystemAbstract: With the worlds growing energy crisis, the new energys development use brings to peoples attention more and more, the solar energy which is not only the clean energy but also the endless resources is obtained more and more widespread application, solar

4、water heaters has been coming into the average family step by step. In this paper, combined with the practical application of solar water heater, and in accordance with the need for precise control, the controller of solar water heater based on PLC was designed. Through the analysis of the solar ene

5、rgy water heaters structure and working principle, the paper puts forward the function of the design. And combination of the characteristics and applications of sensors, PLC and many special function modules, the selections of hardware equipment were completed and hardware circuits were built. The p

6、rogram flow diagram of software design was drawn according to the control request, and the programming used Mitsubishi series general programming software GX Developer. Mitsubishi GX Simulator Version6 was used to simulate program and to check if the procedure is wrong or not. Programming software M

7、itsubishi touch screen GT Designer2 was used to draw the simulation pictures, to define the simulation software components and to set up related parameters. Then articulated procedure simulation software and touch screen simulation software GT Simulator2 have realized systems combined simulation. Th

8、e biggest characteristic is to realize accurate temperature control of the bath.Keywords: solar water heater; PLC; precise control; sensor; special function modules目 錄 TOC o 1-3 u 1緒論 PAGEREF _Toc231830620 h 11.1選題的目的和意義 PAGEREF _Toc231830621 h 11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)述 PAGEREF _Toc231830622 h 11.3太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)分析 PA

9、GEREF _Toc231830623 h 31.4本設(shè)計(jì)特點(diǎn)及主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc231830624 h 52太陽(yáng)能熱水器的組成及工作原理 PAGEREF _Toc231830625 h 62.1太陽(yáng)能熱水器的基本結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc231830626 h 62.2太陽(yáng)能熱水器的工作原理 PAGEREF _Toc231830627 h 82.3太陽(yáng)能熱水器類型選擇 PAGEREF _Toc231830628 h 102.4本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能 PAGEREF _Toc231830629 h 113太陽(yáng)能熱水器硬件的選型及設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc231830630

10、h 133.1可編程控制器（PLC）的發(fā)展及簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc231830631 h 133.2 PLC的特點(diǎn) PAGEREF _Toc231830632 h 143.3硬件設(shè)備的選型 PAGEREF _Toc231830633 h 153.3.1 PLC的選型原則 PAGEREF _Toc231830634 h 153.3.2基于本設(shè)計(jì)的PLC選型 PAGEREF _Toc231830635 h 203.3.3其他硬件的選擇 PAGEREF _Toc231830636 h 213.4太陽(yáng)能熱水器整體系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc231830637 h 264 軟件部分設(shè)計(jì) P

11、AGEREF _Toc231830638 h 294.1系統(tǒng)的I/O口地址及相關(guān)的軟元件功能設(shè)置 PAGEREF _Toc231830639 h 294.2編程軟件的介紹 PAGEREF _Toc231830640 h 304.3 PID閉環(huán)控制 PAGEREF _Toc231830641 h 314.3.1 PID控制器的優(yōu)點(diǎn) PAGEREF _Toc231830642 h 314.3.2實(shí)現(xiàn)PID控制的方法 PAGEREF _Toc231830643 h 324.3.3本設(shè)計(jì)的PID控制 PAGEREF _Toc231830644 h 324.4系統(tǒng)的程序流程圖 PAGEREF _Toc2

12、31830645 h 335 觸摸屏仿真 PAGEREF _Toc231830646 h 365.1相關(guān)仿真軟件介紹 PAGEREF _Toc231830647 h 365.2觸摸屏仿真 PAGEREF _Toc231830648 h 40參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc231830649 h 44附錄1 PAGEREF _Toc231830650 h 45附錄2 PAGEREF _Toc231830651 h 50致謝 PAGEREF _Toc231830652 h 51 1緒論1.1選題的目的和意義當(dāng)今世界能源問(wèn)題已經(jīng)成為一個(gè)普遍性的問(wèn)題，能源關(guān)乎著國(guó)家的安全，誰(shuí)掌握了世界上的能源誰(shuí)就掌

13、握了國(guó)際事務(wù)的話語(yǔ)權(quán)，誰(shuí)就有了國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，誰(shuí)就有了同其他國(guó)家相抗衡的資本。但是傳統(tǒng)能源已經(jīng)被消耗殆盡，為了國(guó)家未來(lái)的發(fā)展，世界各國(guó)都在開(kāi)發(fā)新能源，太陽(yáng)能作為一種既清潔又取之不盡的資源已得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。眾所周知，太陽(yáng)能是取之不盡，用之不竭，沒(méi)有污染的巨大能源。隨著世界上煤、石油、天然氣儲(chǔ)量的日益減少，能源危機(jī)也日益嚴(yán)重，與此同時(shí)環(huán)境污染的危機(jī)也不斷的威脅著生態(tài)平衡，太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用的課題也提到了人類的面前。有人預(yù)測(cè)：二十一世紀(jì)太陽(yáng)能將由輔助能源上升為主要能源。但由于太陽(yáng)能的分散性、季節(jié)性和地區(qū)性又給太陽(yáng)能利用帶來(lái)重重困難，有些技術(shù)難點(diǎn)尚未突破，產(chǎn)品造價(jià)偏高（如光電池），因而尚未被人們

14、大規(guī)模的使用。在太陽(yáng)能熱利用技術(shù)中，太陽(yáng)能熱水器是技術(shù)上比較成熟、造價(jià)比較低廉的產(chǎn)品，同時(shí)由于給人民提供絕對(duì)安全的熱水而受到人們的歡迎，且具有節(jié)能、環(huán)保、安全、便利、長(zhǎng)久等優(yōu)點(diǎn)，因此它的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣1。尤其在農(nóng)村地區(qū)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義：中國(guó)四分之三的人口居住在農(nóng)村，目前仍有約2萬(wàn)個(gè)村莊，800多萬(wàn)個(gè)農(nóng)戶，3000多萬(wàn)人口沒(méi)有電力供應(yīng)。而農(nóng)村60%左右的村民仍然依靠燃料秸稈、薪柴為主做飯和燒水，它不僅造成空氣污染，而且還嚴(yán)重破壞植被，威脅生態(tài)環(huán)境。隨著化石能源的逐步枯竭，煤炭、石油和電力一直漲價(jià)，且能源供應(yīng)日趨緊張。太陽(yáng)能無(wú)污染、無(wú)運(yùn)輸、無(wú)壟斷、“取之不盡、用之不竭”，是最有發(fā)展前途的可再生能

15、源。在社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)中大力推廣應(yīng)用太陽(yáng)能，不僅能夠解決農(nóng)村的基本能源消費(fèi)問(wèn)題，促進(jìn)可再生能源的高效利用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生產(chǎn)發(fā)展、生活寬裕的雙重目標(biāo)，還有利于鄉(xiāng)風(fēng)文明和村容整潔，促進(jìn)社會(huì)主義精神文明發(fā)展2。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)述我國(guó)第一臺(tái)太陽(yáng)能熱水器出現(xiàn)在1958年。70年代興起開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能熱潮，各地研制成多種熱水器樣機(jī)，并有小規(guī)模應(yīng)用，1979年我國(guó)太陽(yáng)熱水器的產(chǎn)量?jī)H十萬(wàn)m2。1987年，我國(guó)從加拿大引進(jìn)銅鋁復(fù)合（SUNSTRIP）生產(chǎn)線；90年代，我國(guó)建立了全玻璃真空集熱管和真空管集熱器工業(yè)，使我國(guó)太陽(yáng)能熱水器的推廣應(yīng)用上了一個(gè)新臺(tái)階3,4。太陽(yáng)能熱水器的生產(chǎn)和應(yīng)用開(kāi)始于20世紀(jì)70年代后

16、期，開(kāi)始以平板式和悶曬式為主，生產(chǎn)規(guī)模較小，技術(shù)水平較低。20世紀(jì)80年代中期，我國(guó)引進(jìn)加拿大銅鋁復(fù)合吸熱板(SUNSTRIP)制造技術(shù)，使我國(guó)平板集熱器產(chǎn)品質(zhì)量跨上一個(gè)新臺(tái)階，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè)開(kāi)始進(jìn)入以現(xiàn)代化生產(chǎn)手段制造國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)平板集熱器的歷史新階段。為了減少平板集熱器的熱損，提高集熱溫度，國(guó)際上70年代研制成功真空集熱管，其吸熱體被封閉在高真空的玻璃真空管內(nèi)，大大提高了熱性能。我國(guó)自1978年從美國(guó)引進(jìn)全玻璃真空集熱管的樣管以來(lái)，經(jīng)過(guò)20多年的努力，已經(jīng)建立了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)代化全玻璃真空集熱管的產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)世界先進(jìn)水平，產(chǎn)量雄居世界首位。我國(guó)自80年代中期開(kāi)始研制真空集熱管，

17、經(jīng)過(guò)十幾年的努力，攻克了熱壓封等許多技術(shù)難關(guān)，建立了擁有全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)的熱管真空管生產(chǎn)基地，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到世界先進(jìn)水平，生產(chǎn)能力居世界首位。在世界范圍內(nèi)，世界上第一臺(tái)太陽(yáng)能熱水器在100多年前誕生于美國(guó)，它是一種悶曬式熱水器。到目前為止國(guó)外太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段:第一代，這是一種非常簡(jiǎn)易的利用，用鐵皮桶放在樓頂，外表面刷上黑色油漆以增強(qiáng)對(duì)陽(yáng)光的吸收；第二代，平板式 HYPERLINK /info/Sort.asp?I_bigclassid=2&I_smallClassId=8 太陽(yáng)能熱水器，采用中心銅管加兩翼鋁或者鋁銅合金作為吸熱體，前期翼片刷油漆，后期采用對(duì)陽(yáng)光具有選擇性吸收的

18、氮化鋁/鋁等涂層。現(xiàn)今，絕大多數(shù)的涂層太陽(yáng)光吸收比可達(dá)0.90以上，優(yōu)質(zhì)的平板式 HYPERLINK / 太陽(yáng)能一般應(yīng)具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：銅管加鋁翼吸熱體、低鐵蓋板玻璃、良好的密封、采用選擇性磁控濺射涂層等； 第三代， HYPERLINK /info/Sort.asp?I_bigclassid=4&I_smallClassId=27 真空管式 HYPERLINK / 太陽(yáng)能熱水器，平板式 HYPERLINK / 太陽(yáng)能采用鋁等邊框加玻璃蓋板對(duì)吸熱體進(jìn)行圍護(hù)，在寒冷的冬季，熱散發(fā)很大，基本沒(méi)有熱水可用，真空管式 HYPERLINK / 太陽(yáng)能熱水器可以良好地解決這個(gè)問(wèn)題，采用雙層高硼硅玻璃管(類似

19、水瓶膽原理)作為吸熱體,成功解決了平板 HYPERLINK / 太陽(yáng)能熱水的散熱問(wèn)題；第四代，超導(dǎo)熱管式 HYPERLINK / 太陽(yáng)能熱水器，玻璃真空管式 HYPERLINK / 太陽(yáng)能熱水器在夏季水溫高，一般購(gòu)買 HYPERLINK / 太陽(yáng)能熱水器以冬季新產(chǎn)熱進(jìn)行選購(gòu)，夏季熱水用不完，自來(lái)水在75易結(jié)水垢，很多 HYPERLINK / 太陽(yáng)能熱水器在夏季就像是一臺(tái)開(kāi)水器，二三年下來(lái)，在管壁就結(jié)上一層水垢，阻礙了對(duì)陽(yáng)光的吸收，大大降低 HYPERLINK / 太陽(yáng)能熱水器的水溫，超導(dǎo)熱管式 HYPERLINK / 太陽(yáng)能熱水器采用真空管加超導(dǎo)銅管和鋁片作為熱的傳導(dǎo)體，水不直接流經(jīng)真空管，從

20、而使真空管的性能基本恒定，但采用較多的銅材，價(jià)格相對(duì)較高。現(xiàn)在太陽(yáng)能熱水器技術(shù)已很成熟，并已形成行業(yè)，正在以優(yōu)良的性能不斷地沖擊電熱水器市場(chǎng)和燃?xì)鉄崴魇袌?chǎng)。目前其產(chǎn)品的發(fā)展方向仍注重提高集熱器的效率，如將透明隔熱材料應(yīng)用于集熱器的蓋板與吸熱間的隔層，以減少熱量損失，聚脂薄膜的透明蜂窩已在德國(guó)和以色列批量生產(chǎn)。1.3太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)分析在全球能源形勢(shì)緊張、氣候變暖嚴(yán)重威脅經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活健康的今天，世界各國(guó)都在尋求新的能源替代戰(zhàn)略，以求得可持續(xù)發(fā)展和在日后的發(fā)展中獲取優(yōu)勢(shì)地位。太陽(yáng)能以其清潔、源源不斷、安全等顯著優(yōu)勢(shì)，成為關(guān)注重點(diǎn)。在太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，太陽(yáng)能熱水器的熱利用轉(zhuǎn)換技術(shù)無(wú)疑是最為

21、成熟的，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也較光伏電池、太陽(yáng)能發(fā)電等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先一步。但是目前市場(chǎng)還有待規(guī)范，消費(fèi)群體還有待培育，技術(shù)還尚須改進(jìn)，因而對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)還有較大的成長(zhǎng)空間6。中國(guó)的太陽(yáng)能熱利用技術(shù)研究開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)70年代末，其重點(diǎn)置于簡(jiǎn)單，價(jià)廉的低溫?zé)崂玫倪m用技術(shù)，如太陽(yáng)能溫室，太陽(yáng)灶，被動(dòng)太陽(yáng)房，太陽(yáng)熱水器和太陽(yáng)干燥器。這類技術(shù)在農(nóng)村得到推廣應(yīng)用，為緩解農(nóng)村能源短缺，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和農(nóng)民生活起了積極的作用，并收到了實(shí)效。20世紀(jì)80年代太陽(yáng)能熱水器列入國(guó)家“六五”和“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目。主要的研發(fā)項(xiàng)目是高效平板太陽(yáng)集熱器和全玻璃真空集熱管。在90年代，全玻璃真空集熱管的科技成果通過(guò)投產(chǎn)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力形

22、成自行設(shè)計(jì)和配套的集熱管生產(chǎn)線。中國(guó)太陽(yáng)能熱水器的年生產(chǎn)量是歐洲的2倍，北美的4倍，現(xiàn)已成為世界上最大的太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)國(guó)和最大的太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)，并仍在以每年20-30的速度遞增。但是中國(guó)太陽(yáng)能熱水器的生產(chǎn)企業(yè)有5000多家，除皇明、清華陽(yáng)光、華揚(yáng)、太陽(yáng)雨、四季沐歌等10個(gè)全國(guó)性品牌因質(zhì)量、售后服務(wù)過(guò)硬而市場(chǎng)知名度較高外，行業(yè)中存在著大量紛繁蕪雜的雜牌企業(yè)，這種狀況不利于行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，這就要求政府部門進(jìn)行規(guī)范，加強(qiáng)監(jiān)管引導(dǎo)。盡管市場(chǎng)現(xiàn)狀不如人意，但市場(chǎng)前景仍被看好。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活水平的不斷提高，居民對(duì)家庭室內(nèi)熱水的需求也越來(lái)越強(qiáng)烈，中國(guó)太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)潛力巨大6。1.4本設(shè)計(jì)特點(diǎn)及

23、主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)是基于三菱FX系列8PLC的太陽(yáng)能熱水器控制器設(shè)計(jì)9，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)出水溫度的精確控制，這是一般的單片機(jī)控制的太陽(yáng)能熱水器所無(wú)法與之相比的10。另外，通過(guò)使用液位傳感器還可以對(duì)液位進(jìn)行控制以及實(shí)現(xiàn)液位的上下限報(bào)警。當(dāng)儲(chǔ)水箱水位低于設(shè)定的下限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)上水。為了防止在陰雨天氣情況下人們不能夠正常洗浴，系統(tǒng)還加入了輔助電加熱器，當(dāng)儲(chǔ)水箱溫度低于洗浴的設(shè)定溫度時(shí)電加熱器開(kāi)始工作，同時(shí)為了盡可能的減少電能的浪費(fèi)，當(dāng)加熱到設(shè)定的溫度上限時(shí)，電加熱器退出工作，這樣可以滿足人們一天24小時(shí)的不間斷用水。同時(shí)為了避免一些可能出現(xiàn)的問(wèn)題，在一些必要的地方設(shè)置了互鎖。系統(tǒng)還擁有自動(dòng)手動(dòng)

24、兩套程序，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)切除故障，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)手動(dòng)控制，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。另外，通過(guò)與觸摸屏的連接還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 全文分五大部分。第一部分包括第一章，描述太陽(yáng)能的利用狀況和發(fā)展前景。第二部分包括第二章，描述太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)的組成及工作原理。第三部分包括第三章，完成硬件的選型和設(shè)計(jì)。第四部分包括第四、第五兩章，完成軟件的設(shè)計(jì)及仿真。在本文中分別介紹了傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用、一般的太陽(yáng)能熱水器及循環(huán)系統(tǒng)、PLC的發(fā)展和應(yīng)用11、PLC和傳感器的選型，這也是設(shè)計(jì)此款太陽(yáng)能熱水器的理論基礎(chǔ)和必要前提。2太陽(yáng)能熱水器的組成及工作原理2.1太陽(yáng)能熱水器的基本結(jié)構(gòu)太

25、陽(yáng)能熱水器按使用分類，可分為季節(jié)性熱水器、全年性熱水器以及有輔助熱源的全天候太陽(yáng)能熱水器。按集熱器原理和結(jié)構(gòu)可分為平板型熱水器和真空管熱水器。按工質(zhì)流動(dòng)方式不同，又可分為悶曬型、循環(huán)型和直流型三種1。但不管何種類型的太陽(yáng)能熱水器，其基本結(jié)構(gòu)都是一樣的，太陽(yáng)能熱水器通常由集熱器、絕熱儲(chǔ)水箱、連接管道、支架和控制系統(tǒng)組成，如圖2-1所示。儲(chǔ)水箱控制器集熱器支架溫度傳感器排空閥三通調(diào)節(jié)閥洗浴電磁閥上水排氣管溢流管上水電磁閥洗浴噴頭圖2-1 太陽(yáng)能熱水器的基本結(jié)構(gòu)圖1)太陽(yáng)能集熱器：太陽(yáng)能集熱器是太陽(yáng)能熱水器接收太陽(yáng)能量并轉(zhuǎn)換為熱能的核心部件和技術(shù)關(guān)鍵，其造價(jià)約占太陽(yáng)能熱水器總造價(jià)的二分之一左右。全玻

26、璃管式太陽(yáng)能熱水器根據(jù)熱介質(zhì)的不同又可分為全玻璃真空管集熱器和熱管真空管（玻璃金屬結(jié)合）集熱器兩種。它們的最主要、最關(guān)鍵部件是真空集熱管2。目前國(guó)內(nèi)最普及的全玻璃真空集熱管像一個(gè)拉長(zhǎng)的暖水瓶，由兩根同心圓玻璃管徑抽成真空而成，內(nèi)管外壁采用直流反應(yīng)或磁控濺射鍍膜工藝制備而成，沉積漸變鋁-氮/鋁選擇性太陽(yáng)吸收膜層。全玻璃真空集熱管材料、工藝和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好，集熱效率高，太陽(yáng)能吸收率90%，紅外發(fā)射率9%，使熱能的傳導(dǎo)對(duì)流，輻射損失降至極低，具有“只進(jìn)不出”的保溫特效4。 全玻璃真空集熱管一般由玻璃內(nèi)管、外管構(gòu)成，內(nèi)管內(nèi)壁裝水與保溫水箱相連通，循環(huán)，內(nèi)管外壁涂有選擇性涂層用于吸收陽(yáng)光，內(nèi)管與外管

27、之間保持一定距離，通常1cm，將內(nèi)、外管之間抽成真空后熔接，集熱時(shí)，當(dāng)陽(yáng)光透過(guò)外管照射到內(nèi)管上，內(nèi)管發(fā)熱后，將內(nèi)管內(nèi)的水全部加熱，利用冷熱比重不同的物理原理，由管內(nèi)與保溫水箱內(nèi)的水相互交遞循環(huán)，最終將保溫箱內(nèi)的水加熱。2)絕熱貯水箱： 太陽(yáng)能熱水器水箱是貯存熱水的裝置，其結(jié)構(gòu)、容量、保溫和材料將直接影響熱水器的性能和運(yùn)行的質(zhì)量。貯水箱主要組成部分為水箱內(nèi)膽、保溫層、水箱外殼、密封圈四部分。 水箱的種類，按外形分有方形、扁盒型、圓柱型、球形水箱；按放置方法分有立式和臥式兩種；按耐壓狀態(tài)分有常壓的開(kāi)式水箱和耐壓的閉式水箱；按是否有輔助熱源可分為普通水箱和具有輔助熱源的水箱；按換熱的方式不同可分為直

28、接換熱水箱和二次換熱的間接熱交換水箱。 水箱內(nèi)膽生產(chǎn)材料的質(zhì)量，對(duì)水箱的耐壓、耐溫、防滲漏及水質(zhì)影響很大。目前市場(chǎng)上出售的產(chǎn)品，其水箱內(nèi)膽主要有0.6mm厚304-2B不銹鋼，它無(wú)磁性、抗銹蝕、焊接性好，塑性好。其它的常用材料有鋼板進(jìn)行防腐處理或搪瓷、鍍鋅鋼板、防銹鋁板、塑料或玻璃鋼等。水箱的熱特性包括放熱特性、加熱特性、保溫特性。放熱特性就是希望水箱內(nèi)的熱水都能放出來(lái)，方便利用。加熱特性是大多數(shù)水箱內(nèi)的水是上部先熱起來(lái)，然后下部再慢慢熱起來(lái)。保溫特性指水溫下降的快慢，與水箱的封密性、保溫材料、環(huán)境溫度、水容量大小等相關(guān)。 目前太陽(yáng)能熱水器保溫材料大多選用聚氨酯。聚氨酯整體發(fā)泡工藝復(fù)雜，加工難

29、度高。成功發(fā)泡成型的保溫泡沫整體性好，無(wú)漏發(fā)泡，泡沫密度達(dá)80千克/立米，強(qiáng)度均勻，封閉性好。如厚度在5cm7cm左右，則保溫性能極佳(東北嚴(yán)寒地區(qū)至少需6cm厚)。水箱外殼常年暴露在外，必須選擇抗腐蝕耐老化的材料制成。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的有304-BA不銹鋼板、軋花鋁板、國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口彩板、普通鋁板、氧化鋁板等。正規(guī)廠家大都采用進(jìn)口彩板。許多廠家利用氧化鋁板及彩板，用低價(jià)位來(lái)形成市場(chǎng)賣點(diǎn)，因其抗腐蝕性差，壽命很難保證。3)支撐架：太陽(yáng)能熱水器的支撐架主要由反尾座及主撐架組成。4)控制系統(tǒng)：一臺(tái)較好的太陽(yáng)能熱水器應(yīng)具有優(yōu)質(zhì)安全的常規(guī)能源輔助加熱即電加熱。應(yīng)采用太陽(yáng)能與二次能源相結(jié)合，逢陰天光照不強(qiáng)，電

30、輔助加熱可彌補(bǔ)在陰雨天及冬季陽(yáng)光不足時(shí)無(wú)法供熱水的不足。根據(jù)需要還可以采用具有水溫水位顯示、自動(dòng)手動(dòng)上下水、智能控制、溫差循環(huán)、自動(dòng)加熱、手動(dòng)加熱、防凍、防干燒和故障報(bào)警等功能的全智能控制儀。5)其它部件： 熱水器的密封圈除具有密封性好、耐高溫、壽命長(zhǎng)等性能外，還應(yīng)不溶于水，否則食用后會(huì)對(duì)人體有害。質(zhì)量較好的密封圈材料選用硅橡膠，但市場(chǎng)上采用普通橡膠或再生橡膠的商家卻大有人。2.2太陽(yáng)能熱水器的工作原理太陽(yáng)能熱水器是一種利用太陽(yáng)輻射能通過(guò)溫室效應(yīng)把水加熱的裝置。溫室效應(yīng)是指由于對(duì)流、反射損失減少使能量聚集、溫度逐漸升高的一種自然現(xiàn)象。溫室效應(yīng)又稱為熱箱原理，它是通過(guò)一個(gè)上面蓋有透明玻璃的封閉箱

31、體來(lái)實(shí)現(xiàn)能量聚積的。太陽(yáng)光透過(guò)玻璃進(jìn)入箱體內(nèi)，被黑色表面吸收，而向外反射和對(duì)流的能量受到玻璃和箱體的阻擋，被保留在箱內(nèi)，這樣箱體內(nèi)的能量不斷積聚，溫度不斷升高，甚至可達(dá)100200。利用聚積的高溫來(lái)加熱水，就是太陽(yáng)能熱水器。由于太陽(yáng)能熱水器在運(yùn)行過(guò)程中不消耗任何常規(guī)能源（煤、石油、天然氣、電等），所以人們把它形象地稱為“不燒煤的鍋爐”。溫度傳感器T2循環(huán)泵上水電磁閥儲(chǔ)水箱集熱器太陽(yáng)光溫度傳感器T3圖2-2 太陽(yáng)能熱水器水循環(huán)原理圖集熱器內(nèi)的水加熱后要與儲(chǔ)水箱里面的冷水實(shí)現(xiàn)循環(huán)以使儲(chǔ)水箱里的水不斷的被加熱，目前常用的熱交換方式主要有三種：自然循環(huán)、強(qiáng)迫循環(huán)和定溫放水循環(huán)1。1)自然循環(huán)式：自然循

32、環(huán)的特點(diǎn)是，儲(chǔ)水箱必須安設(shè)在集熱器頂端水平面以上才可進(jìn)行系統(tǒng)循環(huán)。裝置中集熱器內(nèi)的水經(jīng)太陽(yáng)輻射，使水溫上升，密度開(kāi)始逐漸變小，與儲(chǔ)水箱內(nèi)未被太陽(yáng)輻射的水產(chǎn)生了密度差（或稱重力差、溫度差），形成了熱虹吸壓頭在集熱器中緩緩上升。溫水經(jīng)過(guò)設(shè)置管道（上循環(huán)管）進(jìn)入儲(chǔ)水箱，而在此同時(shí)儲(chǔ)水箱內(nèi)相對(duì)溫度低、密度較大的水慢慢下降，經(jīng)設(shè)置管道（下循環(huán)管）流入集熱器下部補(bǔ)充。這樣以水的比重差或稱熱虹吸壓頭為作用力，而不借助外力來(lái)使水進(jìn)行循環(huán)的方式稱為自然循環(huán)。自然循環(huán)的運(yùn)行其密度差愈大，循環(huán)的速度愈快，反之循環(huán)的愈慢。這種循環(huán)方式能使儲(chǔ)水箱內(nèi)的水持續(xù)升溫，太陽(yáng)輻射停止，循環(huán)也漸漸終止。2)強(qiáng)迫循環(huán)式：強(qiáng)迫循環(huán)顧名

33、思義是借助外力迫使集熱器與儲(chǔ)水箱內(nèi)的水進(jìn)行循環(huán)。它的特點(diǎn)是儲(chǔ)水箱的位置不受集熱器位置的制約，可任意設(shè)置，可高于集熱器，也可低于集熱器。它是通過(guò)水泵將集熱器接收太陽(yáng)輻射的水與儲(chǔ)水箱的水進(jìn)行循環(huán)，使儲(chǔ)水箱內(nèi)的水溫逐漸增高。市場(chǎng)上經(jīng)常采用的強(qiáng)迫循環(huán)熱水器是一種兩次循環(huán)分離式熱水器，集熱器裝入特殊的導(dǎo)熱介質(zhì)或防凍液，靠循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)。該泵由溫差啟動(dòng)器進(jìn)行控制，當(dāng)溫差達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，啟動(dòng)泵，進(jìn)行循環(huán)；低于預(yù)定溫度時(shí)，泵停止運(yùn)行。熱水是通過(guò)儲(chǔ)熱水箱中的特殊的熱交換器進(jìn)行熱交換的(圖2-2)。3)定溫放水式：定溫放水式與強(qiáng)迫循環(huán)不同的是它不是循環(huán)的概念，而是通過(guò)溫度控制器將達(dá)到設(shè)定溫度的水用水源壓力或水源加

34、壓力水泵輸送到儲(chǔ)水箱內(nèi)。它的特點(diǎn)是水源經(jīng)集熱器到儲(chǔ)水箱，因?yàn)闆](méi)有循環(huán)，又非常簡(jiǎn)單，只是將水在集熱器內(nèi)悶曬后送入儲(chǔ)水箱，因此，有人將這一方式稱為直流式或直流定溫放水。這種方式的又一特點(diǎn)是與溫差控制式強(qiáng)迫循環(huán)的方式一并使用能有效地節(jié)約用水，定溫放水的水箱容積一般較大，有時(shí)前一天的水未被用完，如果不升溫，水即被白白放掉，如果有溫差或強(qiáng)迫循環(huán)的機(jī)構(gòu)就可將這部分水加溫。3太陽(yáng)能熱水器硬件的選型及設(shè)計(jì)3.1可編程控制器（PLC）的發(fā)展及簡(jiǎn)介PLC是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的，初期主要用來(lái)替代繼電器控制器系統(tǒng)，側(cè)重于開(kāi)關(guān)量邏輯控制和順序控制方面。后來(lái)，隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信

35、技術(shù)的發(fā)展，PLC在技術(shù)上和功能上發(fā)生了極大的變化，主要如下：在開(kāi)關(guān)量邏輯控制的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值計(jì)算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能；系統(tǒng)增加了模擬量和PID調(diào)節(jié)等特殊功能模塊，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)量邏輯控制、順序控制和過(guò)程控制的完美結(jié)合；運(yùn)算速度有了極大的提高。新型PLC的CPU在性能上已經(jīng)趕上了工業(yè)控制機(jī)；具有各種豐富的智能I/O模塊；通信功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)了PLC之間、PLC與上位機(jī)之間以及PLC與其他智能設(shè)備間的通信，由此發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò)，也可構(gòu)成集散控制系統(tǒng)。PLC網(wǎng)絡(luò)既可作為獨(dú)立的DCS,也可作為DCS的子系統(tǒng)。PLC網(wǎng)絡(luò)，如Siemens公司的SINEC-L1、SINEC-H1、S4、S5、S6、S

36、7等，GE公司的GENET，三菱公司的MELSECNET/10、MELSECNET/H。PLC著名的制造商主要有：GOULD（美國(guó)）、A-B（美國(guó)）、GE-Fanuc（美國(guó)）、OMRON（日本）、MITSUBISHI（日本）、Siemens(德國(guó))和Schneider（法國(guó)）等。PLC這些性能特點(diǎn)使其在過(guò)程控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用13。現(xiàn)代PLC的發(fā)展有兩個(gè)趨勢(shì)：其一是向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)和價(jià)格更低的微小型方面發(fā)展；其二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、好的兼容性和多功能性方面發(fā)展。具體來(lái)說(shuō)，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）大型網(wǎng)絡(luò)化。主要朝著DCS的方向發(fā)展，使其具有DCS系統(tǒng)的一些功能。網(wǎng)絡(luò)化和

37、通信能力強(qiáng)是PLC發(fā)展的一個(gè)重要方向，向下可將多個(gè)PLC、I/O模塊和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表及設(shè)備相連；向上可與工業(yè)計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)等連接以構(gòu)成整個(gè)工廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。（2）多功能。隨著多回路閉環(huán)調(diào)節(jié)、步進(jìn)電機(jī)控制、位置控制、伺服控制、仿真、通信處理和故障診斷等模塊的出現(xiàn)，使PLC控制領(lǐng)域更加寬廣。（3）高可靠性。由于控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重視，一些公司已將自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品中，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng)，并采用熱備用和并行工作、多數(shù)表決的工作方式。即使在惡劣、不穩(wěn)定的工作環(huán)境下，堅(jiān)固、全封閉的模板依然能正常工作。在操作運(yùn)行過(guò)程中，有些PLC的模板還可帶電插拔11。3

38、.2 PLC的特點(diǎn)1.編程簡(jiǎn)單易學(xué)梯形圖是使用最廣的PLC編程語(yǔ)言，其電路符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語(yǔ)言形象直觀，易學(xué)易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術(shù)人員只需花幾天的時(shí)間就可以熟悉梯形圖語(yǔ)言，并用來(lái)編制用戶程序。梯形圖編程語(yǔ)言實(shí)際上是一種面向用戶的高級(jí)語(yǔ)言，PLC在執(zhí)行梯形圖程序時(shí)，將它“翻譯”成匯編語(yǔ)言后再去執(zhí)行。2.功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高一臺(tái)小型PLC內(nèi)有成百上千個(gè)可供用戶使用的編程元件，有很強(qiáng)的功能，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性能價(jià)格比。PLC可以通過(guò)通信聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。3.硬件配備齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)PLC產(chǎn)

39、品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和小型交流接觸器。通過(guò)修改用戶程序，可以方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。4.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器。由于觸點(diǎn)接觸不良，容易出現(xiàn)故障。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入輸出有關(guān)的少量硬件元件，接線可以減少到繼電器控制的十分之一到百分之一，大大減少了因觸點(diǎn)不良造成的故障。PLC使用了一系列硬件

40、和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，平均無(wú)故障時(shí)間達(dá)到數(shù)萬(wàn)小時(shí)以上，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，PLC已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。5.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。PLC的梯形圖程序可以用順序控制設(shè)計(jì)法來(lái)設(shè)計(jì)。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如果掌握了該設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)梯形圖的時(shí)間比設(shè)計(jì)繼電器系統(tǒng)電路圖的時(shí)間要少得多。可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試PLC的用戶程序，輸入信號(hào)可用小開(kāi)關(guān)來(lái)模擬，通過(guò)PLC上的發(fā)光二極管觀察輸出信號(hào)的狀態(tài)

41、。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)問(wèn)題可以通過(guò)修改程序來(lái)解決，系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間比繼電器系統(tǒng)少得多。6.維修工作量小，維修方便PLC的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息，方便地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。7.體積小，能耗低控制系統(tǒng)使用PLC后，可以減少大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，小型PLC的體積僅相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的大小，因此開(kāi)關(guān)柜的體積比原來(lái)的小得多。PLC控制系統(tǒng)的配線比繼電器控制系統(tǒng)少得多11。3.3硬件設(shè)備的選型3.3.1 PLC的選型原則PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先是確定控制方案

42、，下一步工作就是PLC工程設(shè)計(jì)選型14。工藝流程特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成、標(biāo)準(zhǔn)，易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能。選型所選用PLC應(yīng)是相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有應(yīng)用廣泛、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)編程語(yǔ)言有利于縮短編程時(shí)間，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)程特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍，確定所需操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量，確定PLC功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)控制系統(tǒng)。一、輸入輸出（I/O）點(diǎn)

43、數(shù)估算I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)余量，通常統(tǒng)計(jì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10%20%可擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需制造廠商提供PLC產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。二、存儲(chǔ)器容量估算存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用存儲(chǔ)單元的多少，程序容量小于存儲(chǔ)器容量。設(shè)計(jì)階段，用戶應(yīng)用程序還未編制，程序容量設(shè)計(jì)階段是未知，需程序調(diào)試之后才知道。設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量估算來(lái)替代。存儲(chǔ)器內(nèi)存容量估算沒(méi)有固定公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)1015倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)100

44、倍，以此數(shù)為內(nèi)存總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。三、控制功能選擇該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性選擇。運(yùn)算功能簡(jiǎn)單PLC運(yùn)算功能包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能；普通PLC運(yùn)算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運(yùn)算功能；較復(fù)雜運(yùn)算功能有代數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等；大型PLC中還有模擬量PID運(yùn)算和其他高級(jí)運(yùn)算功能。由于開(kāi)放系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前PLC中都已具有通信功能，有些產(chǎn)品具有與下位機(jī)通信，有些產(chǎn)品具有與同位機(jī)或上位機(jī)通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信功能。設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)從實(shí)際應(yīng)用要求出發(fā)，合理選用所需運(yùn)算功能。在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，只需要邏

45、輯運(yùn)算和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能，有些應(yīng)用需要數(shù)據(jù)傳送和比較，當(dāng)用于模擬量檢測(cè)和控制時(shí)，才使用代數(shù)運(yùn)算，數(shù)值轉(zhuǎn)換和PID運(yùn)算等。要顯示數(shù)據(jù)時(shí)需要譯碼和編碼等運(yùn)算。2)控制功能控制功能包括PID控制運(yùn)算、前饋補(bǔ)償控制運(yùn)算、比值控制運(yùn)算等，由控制要求確定。PLC主要用于順序邏輯控制，大多數(shù)場(chǎng)合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量控制，也采用專用智能輸入輸出單元完成所需控制功能，提高PLC處理速度和節(jié)省存儲(chǔ)器容量。例如采用PID控制單元、高速計(jì)數(shù)器、帶速度補(bǔ)償模擬單元、ASC碼轉(zhuǎn)換單元等。3)通信功能大中型PLC系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議(如TCP/IP)，需要時(shí)應(yīng)能與工廠管理網(wǎng)(TCP/IP)相連接

46、。通信協(xié)議應(yīng)符合ISO/IEEE通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)是開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)。 PLC系統(tǒng)通信接口應(yīng)包括串行和并行通信(RS2232C/422A/423/485)、RIO通信口、工業(yè)以太網(wǎng)、常用DCS接口等；大中型PLC通信總線(含接口設(shè)備和電纜)應(yīng)按1：1冗余配置，通信總線應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通信距離應(yīng)滿足裝置實(shí)際要求。 PLC系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中，上級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信速率應(yīng)大于1Mbps，通信負(fù)荷不大于60%。PLC系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)主要形式有下列幾種：1)PC為主站，多臺(tái)同型號(hào)PLC為從站，組成簡(jiǎn)易PLC網(wǎng)絡(luò)；2)1臺(tái)PLC為主站，其他同型號(hào)PLC為從站，構(gòu)成主從式PLC網(wǎng)絡(luò)；3)PLC網(wǎng)絡(luò)特定網(wǎng)絡(luò)接口連接到大型DCS中作為DC

47、S子網(wǎng)；4)專用PLC網(wǎng)絡(luò)(各廠商專用PLC通信網(wǎng)絡(luò))。 為減輕CPU通信任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)組成實(shí)際需要，應(yīng)選擇具有不同通信功能(如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng))的通信處理器。4)編程功能離線編程方式：PLC和編程器公用一個(gè)CPU，編程器編程模式時(shí)，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程后，編程器切換到運(yùn)行模式，CPU對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，不能進(jìn)行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式：CPU和編程器有各自CPU，主機(jī)CPU負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制，并在一個(gè)掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換一次，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，在下一掃描周期，主機(jī)就能收到程序并運(yùn)行

48、。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，大中型PLC中常采用。 五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言：順序功能圖(SFC)、梯形圖(LD)、功能模塊圖(FBD)三種圖形化語(yǔ)言和語(yǔ)句表(IL)、結(jié)構(gòu)文本(ST)兩種文本語(yǔ)言。選用編程語(yǔ)言應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)(IEC6113123)，同時(shí)，還應(yīng)支持多種語(yǔ)言編程形式，如C，Basic等，以滿足特殊控制場(chǎng)合控制要求。5)診斷功能 PLC診斷功能包括硬件和軟件診斷。硬件診斷對(duì)硬件邏輯進(jìn)行判斷并確定硬件故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。軟件對(duì)PLC內(nèi)部性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，軟件對(duì)PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進(jìn)行診斷是外診斷。 PLC診斷功能的強(qiáng)弱直接影響

49、對(duì)操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時(shí)間。6)處理速度PLC采用掃描方式工作。從實(shí)時(shí)性要求來(lái)看，處理速度應(yīng)越快越好，但信號(hào)持續(xù)時(shí)間小于掃描時(shí)間則PLC將掃描不到該信號(hào)，造成信號(hào)數(shù)據(jù)丟失。處理速度與用戶程序長(zhǎng)度、CPU處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)。目前，PLC接點(diǎn)響應(yīng)快、速度高，每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時(shí)間約為0.20.4s，能適應(yīng)控制要求高、控制要求快的應(yīng)用需要。掃描周期(處理器掃描周期)應(yīng)滿足：小型PLC掃描時(shí)間不大于0.5ms/K；大中型PLC掃描時(shí)間不大于0.2ms/K15。四、機(jī)型選擇1)PLC類型選擇PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場(chǎng)安裝和控制室安裝兩類；按CPU

50、字長(zhǎng)分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點(diǎn)數(shù)選型。整體型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)固定，用戶選擇余量較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種 HYPERLINK http:/www.GK/Sort/0.675/1402.htm t _blank I/O卡件或插卡，用戶可根據(jù)需要合理選擇和配置控制系統(tǒng)所需I/O點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。2)輸入輸出模塊選擇 輸入輸出模塊選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求相統(tǒng)一。例如對(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮信號(hào)電平、信號(hào)傳輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。對(duì)輸出模塊，應(yīng)考慮選用輸出模塊類型，通常繼電器輸出

51、模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開(kāi)關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場(chǎng)合，但價(jià)格較貴，過(guò)載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，應(yīng)與應(yīng)用要求相一致。可根據(jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，提高控制水平和降低應(yīng)用成本。還可考慮是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程I/O機(jī)架等。3)電源選擇PLC供電電源，應(yīng)根據(jù)PLC或應(yīng)用產(chǎn)品說(shuō)明書的要求來(lái)設(shè)計(jì)和選用，一般PLC供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用220VAC電源，與國(guó)內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。在一些重要應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。PLC本身帶有可使用電源時(shí)，應(yīng)核對(duì)提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電

52、源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對(duì)輸入和輸出信號(hào)隔離是必要的，可采用簡(jiǎn)單二極管或熔絲管隔離15。4)存儲(chǔ)器選擇隨著計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器價(jià)格已大幅度下降，為保證應(yīng)用項(xiàng)目正常投運(yùn)，一般要求PLC存儲(chǔ)器容量按256個(gè)I/O點(diǎn)至少選8K存儲(chǔ)器選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲(chǔ)器。5)冗余功能選擇一控制單元冗余 (1)重要過(guò)程單元：CPU(包括存儲(chǔ)器)及電源均應(yīng)有冗余。 (2)需要時(shí)也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯(cuò)系統(tǒng)等。二I/O接口單元冗余 (1)控制回路多點(diǎn) HYPERLINK http:/www.GK/Sort/0.

53、675/1402.htm t _blank I/O卡應(yīng)冗余配置。 (2)重要檢測(cè)點(diǎn)多點(diǎn) HYPERLINK http:/www.GK/Sort/0.675/1402.htm t _blank I/O卡可冗余配置。(3)需要對(duì)重要I/O信號(hào)，選用2重化或3重化I/O接口單元。6)經(jīng)濟(jì)性考慮選擇PLC時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比。考慮經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮應(yīng)用可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點(diǎn)數(shù)對(duì)價(jià)格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定費(fèi)用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)存儲(chǔ)器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，點(diǎn)數(shù)增加對(duì)CPU選用、存儲(chǔ)器容量、控制功

54、能范圍等選擇都有影響。估算和選用時(shí)應(yīng)充分考慮，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性能價(jià)格比。3.3.2基于本設(shè)計(jì)的PLC選型 在本設(shè)計(jì)中需要用到三個(gè)溫度傳感器和一個(gè)液位傳感器，由于這四個(gè)量是模擬量，而PLC只能處理數(shù)字量，因此在PLC和傳感器之間必須加入特殊功能模塊，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再用PLC進(jìn)行處理。PLC運(yùn)算后輸出的數(shù)字量再經(jīng)過(guò)特殊功能模塊轉(zhuǎn)換成模擬量進(jìn)行控制。同時(shí)又為了最后仿真的需要、相關(guān)的性能要求及PID運(yùn)算指令的使用，決定選用三菱公司的FX系列PLC中的FX2N子系列。FX2N是FX系列中功能最強(qiáng)、速度最高的微型PLC。它的基本指令執(zhí)行時(shí)間高達(dá)0.08s，內(nèi)置的用戶儲(chǔ)存器為8K步，可以擴(kuò)展

55、到16K步，最大可擴(kuò)展到256個(gè)I/O點(diǎn)，有多種特殊功能模塊或功能擴(kuò)展板，可以實(shí)現(xiàn)多軸定位控制。機(jī)內(nèi)有實(shí)時(shí)鐘，PID指令用于模擬量閉環(huán)控制。有功能很強(qiáng)的數(shù)學(xué)指令集，例如浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、開(kāi)平方和三角函數(shù)等。每個(gè)FX2N基礎(chǔ)單元可以擴(kuò)展8個(gè)特殊單元。通過(guò)通信擴(kuò)展板或特殊適配器可以實(shí)現(xiàn)多種通信和數(shù)據(jù)鏈接，例如CC-Link、AS-i、Pro-fibus、DeviceNet等開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)通信，RS-232C、RS-422和RS-485通信，N:N鏈接、并行鏈接、計(jì)算機(jī)鏈接和I/O鏈接。在設(shè)計(jì)中，需要的輸入量有上水閥開(kāi)關(guān)、循環(huán)泵開(kāi)關(guān)、電加熱開(kāi)關(guān)、洗浴開(kāi)關(guān)和自動(dòng)手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) 。輸出量有上水電磁閥、循環(huán)泵、電加熱

56、、排空電磁閥和洗浴電磁閥。如果開(kāi)關(guān)量采用點(diǎn)動(dòng)控制，那么需要10個(gè)輸入量和4個(gè)輸出量，這樣的話需選用FX2N-32MR-001基本單元，這樣I/O點(diǎn)數(shù)浪費(fèi)的太多，造成費(fèi)用的增加。為了仿真的需要以及減少輸入輸出所用的點(diǎn)數(shù)，在本設(shè)計(jì)中加入了觸摸屏，這樣的話輸入量可以用PLC內(nèi)部的軟元件所代替（后文有相關(guān)說(shuō)明），只需考慮輸出點(diǎn)數(shù)，為此選用三菱FX2N-16MR-001（見(jiàn)圖3-1）基本單元就行了。圖3-1 FX2N-16MR-001基本單元的外形圖3.4太陽(yáng)能熱水器整體系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中為了仿真的需要和盡量減少占用的輸入輸出口，系統(tǒng)采用觸摸屏設(shè)計(jì)，將PLC控制器和觸摸屏相連，人可以通

57、過(guò)觸摸屏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，這樣我們就可以不用PLC的輸入點(diǎn)，只用PLC的輸出點(diǎn)，減少了總的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)我們對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試和仿真。傳感器檢測(cè)的信號(hào)通過(guò)特殊功能模塊接入PLC，PLC處理之后再用來(lái)控制系統(tǒng)的相關(guān)輸出。PLC與特殊功能模塊的連接是將特殊功能模塊直接接在PLC的擴(kuò)展口上，多個(gè)模塊可以依次相連，F(xiàn)X2N最多可以連8個(gè)特殊功能模塊。控制系統(tǒng)連接圖如下所示：圖3-4 系統(tǒng)外部連接圖特殊功能模塊按與PLC的位置關(guān)系來(lái)編號(hào)，緊挨著PLC的模塊編號(hào)為0，依此類推，這也是為了在編程時(shí)PLC識(shí)別特殊功能模塊的需要，F(xiàn)X2N最多特殊模塊編號(hào)為7.在這里，F(xiàn)X2N-4AD-PT模塊離PLC最近

58、所以編號(hào)為N0.0，F(xiàn)X0N-3A模塊緊隨其后其編號(hào)為N0.1。2.PLC控制量輸出PLC的輸出量需要驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行，所以必須占用輸出點(diǎn)數(shù)，本設(shè)計(jì)中總共有五個(gè)輸出量，分別是驅(qū)動(dòng)上水電磁閥輸出量、驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵輸出量、驅(qū)動(dòng)洗浴電磁閥輸出量、驅(qū)動(dòng)電加熱輸出量和驅(qū)動(dòng)排空閥輸出量，它們與PLC的連接如圖3-5所示： 圖3-5 PLC與外部輸出設(shè)備的連接4 軟件部分設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)的I/O口地址及相關(guān)的軟元件功能設(shè)置本系統(tǒng)中需要的輸入有上水閥開(kāi)關(guān)、循環(huán)泵開(kāi)關(guān)、電加熱開(kāi)關(guān)、洗浴開(kāi)關(guān)和自動(dòng)手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。輸出有上水電磁閥、循環(huán)泵、電加熱、排空電磁閥和洗浴電磁閥。總計(jì)有5個(gè)輸入量、5個(gè)輸出量。由于系統(tǒng)采用觸摸屏，所以相

59、應(yīng)的輸入端口可以用PLC內(nèi)部的軟元件代替，只有輸出占用PLC的I/O口。另外，根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能可以設(shè)置全部所用到的軟元件的功能，系統(tǒng)占用的所有單元的相應(yīng)功能如下表所示：表4-1 設(shè)計(jì)中所用到的所有原件單元及其功能信號(hào)名稱或軟元件功能軟元件號(hào)碼或I/O地址輸出信號(hào)上水電磁閥Y0循環(huán)泵Y1洗浴電磁閥Y2電加熱Y3排空電磁閥Y4輸入信號(hào)上水電磁閥開(kāi)S1上水電磁閥關(guān)S2循環(huán)泵開(kāi)S3循環(huán)泵關(guān)S4電加熱開(kāi)S5電加熱關(guān)S6洗浴電磁閥開(kāi)S7洗浴電磁閥關(guān)S8狀態(tài)顯示信號(hào)三通調(diào)節(jié)閥S0自動(dòng)手動(dòng)S100太陽(yáng)/月亮S250默認(rèn)值S12洗浴高溫報(bào)警S13洗浴低溫報(bào)警S14儲(chǔ)水箱液位上限報(bào)警S15儲(chǔ)水箱液位下限報(bào)警S

60、16設(shè)定信號(hào)液位上限D(zhuǎn)4液位下限D(zhuǎn)5電加熱溫度上限D(zhuǎn)6電加熱溫度下限D(zhuǎn)7出水溫度設(shè)定值D8測(cè)量信號(hào)集熱器溫度傳感器D12儲(chǔ)水箱溫度傳感器D11三通調(diào)節(jié)閥出水溫度傳感器D10儲(chǔ)水箱液位傳感器和儲(chǔ)水箱液位D34.2編程軟件的介紹本設(shè)計(jì)采用三菱電機(jī)的綜合FA軟件MELSOFT系列GX Developer進(jìn)行編程，以下簡(jiǎn)要介紹一下GX Developer的特點(diǎn)。(1)軟件的共通化。GX Developer能夠制作Q系列，QnA系列，A系列(包括運(yùn)動(dòng)控制(SCPU)，F(xiàn)X系列的數(shù)據(jù),能夠轉(zhuǎn)換成GPPQ，GPPA格式的文檔。此外，選擇FX系列的情況下，還能變換成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的