【正文】 、農業(yè)種植、水產養(yǎng)殖、海 水淡化等領域。可編程控制器由于可提供使用的時間繼電器和中間繼電器相當多，而且其常開常閉觸點可多次重復使用，使得我們在編程中可以隨心所欲。但是在熱水器自動控制系統(tǒng)中大多采用單片機控制 ，單片機開發(fā)價格較高，而 PLC 開發(fā)價格便宜。近幾年來，市場上陸續(xù)出現(xiàn)了一些太陽能熱水器控制器，但大多數(shù)控制器存在著諸如性能不穩(wěn)定，容易產生誤操作；溫度、水位檢測、控制誤差大；顯示器有時出現(xiàn)亂碼；與電輔助加熱裝置不能很好配合；太陽能利用率較低等問題，影響了用戶的使用。 國外研究現(xiàn)狀 太陽能熱水器是利用太陽輻射能和熱水的裝置。一些缺少常規(guī)能源的國家，如日本，開始投入人力物力開發(fā)利用太陽能，經過人們的努力，各種簡易的平板太陽集熱器已開始在市場中出現(xiàn)。當時，集熱管的選擇性吸收涂層的平場陽光吸收率約為 83%，但由于采用了高真空技術，使集熱器的熱損失比普通平板式太陽集熱器的熱損失降低了兩個數(shù)量級，從而將太陽能熱利用技術水平大大提高了一大步。在西方先進國家，在太陽能熱水器方面的研發(fā)和推廣應用一直比較活躍 [2]。熱水輕，向上升。平板型太陽集熱器以其簡單、價廉和安裝方便在全世界都獲得了廣泛的應用。再經循環(huán)管流入保溫水箱，水箱下部的冷水由下循環(huán)管流入集熱器底部。 水流系統(tǒng)常壓運行，無需帶壓設備，沒有任何安全隱患。 在冬季低于 0℃時，因集熱器中的水結冰膨脹，將管子脹裂。全玻璃真空太陽集熱管通常采用單端開口的形式，在一端將內、罩玻璃管環(huán)形熔封在一起。 4 可以在中高溫下運行，也能在寒冷地區(qū)的冬季運行。 價格昂貴。我國大連生產的熱管式熱水器雖然初始投資高于平板式集熱器，但是低于真空管集熱器，而使用效果也不差。當熱管收集到太陽的熱之后，立刻把它輸送到集熱管，并在水箱中進行換熱，于是得到熱水。 熱管 — 真空管式太陽能熱水器 熱管 — 真空管式集熱器是一種新型的太陽能集熱裝置，集中熱管式和真空管式集熱器二者的優(yōu)點，克服彼此的缺點。蒸汽上升到熱管冷凝段后，通過導熱塊將熱量傳遞給集熱管內的工質，而自身又凝結成液體，依靠重力流回蒸發(fā)段。熱管由特殊的材料和 工藝保證，即使在冬季長時間無晴天及夜間的嚴寒條件下，真空管也不會凍裂。熱管具有單向傳熱的特點，即白天由太陽能轉換的熱量可沿熱管向上傳輸去加熱水，而夜間被加熱的水的熱量不會沿熱管向下散發(fā)到周圍環(huán)境。 技術要求高。具體研究工作從以下方面展開： 1）確定系統(tǒng)的各種工序，繪制系統(tǒng)的工藝流程圖。 5）依據(jù)設計要求調試系統(tǒng)成功。 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)。否則，電加熱斷開。這類熱水的特點是用水量較大而水溫不高，一般為 400C ~600C。 這種裝置結構簡單、使用方位、不用專人管理，故己在全國推廣使用。上升水管 5 與循環(huán)水箱 3 的上部相連，另一端與集熱器 1 的上集管相接。而循環(huán)水箱下部的冷水，比重較大，就由水箱下部流到集熱器下方，在集熱器內受熱后又上升。太陽輻射透過玻璃蓋板，被集熱板吸收后沿肋片和管壁傳遞到吸熱管內的水。家用太陽能熱水器通常按自然循環(huán)方式工作，沒有外在的動力，設計良好的系統(tǒng)只要有 5℃ ~6℃以上的溫差就可以循環(huán)很好。當水溫升高后，由于運動粘度減小，沿程阻力變小，局部阻力的影響變大。 太陽能熱水器各單元介紹 集熱器 9 平板式太陽能集熱器是平板式太陽能熱水器的主要部件，它由透明玻璃、吸熱體、保溫層等組成。利用這種原理，把帶有流道的金屬板封裝在一個保溫盒體中，上面蓋以玻璃，使太陽的輻射能可以進入盒體，集熱器由于吸熱體溫度較低，其發(fā)射出的大部分輻射能波長較長 (位于遠紅外區(qū)域 )，這些輻射不能穿透玻璃而被阻隔在集熱器的空腔內，從而產生了所謂的溫室效應，提高了集熱器的集熱效率。 熱水器水箱及水箱配置 水箱是熱水器重要組成部分。 循環(huán)水箱的下部均裝有冷水進水 擋板。而是通過補給水箱來補給。而采用人工放水時，熱水出水口位置應較低。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。 工作為 6～ 18 h。除塵 用一個電磁閥連續(xù)工作 2 min。 報警功能。 可實現(xiàn)手動 /自動控制切換。 PLC自產生至今 只有 30 多年的歷史，卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應用，成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。這類產品具有穩(wěn)定可靠、價格便 宜、功能齊全、體積小、應用靈活方便、工程周期短、操作維護方便、應用領域廣闊等優(yōu)點。 90 午代，隨著系統(tǒng)集成能力的提高， PLC 提供系統(tǒng)通信的能力，構成可編程控制系統(tǒng) PCS（ Programmable Control System），人機界面逐步完善，具有離散 量和模擬量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的監(jiān)控能力。因為有的用戶程序不需要每掃描一次執(zhí)行一次，也為的是在控制系統(tǒng)需要處理的 I/O點數(shù)較多時，通過不同的 模塊組合的安排，采用分時分批掃描執(zhí)行的辦法，可縮短循環(huán)掃描周期和控制的實時性 [10]。 12 圖 2－ 4 PLC循環(huán)順序掃描工作流程圖 從圖 2－ 4 中可以看出，一個 典型的可編程序控制器在一個掃描周期中要完成六個掃描過程。 可編程控制器的的特點 通用性強 ,使用方便?，F(xiàn)代 PLC 不僅具有邏輯運算、計時、計數(shù)、順序控制等功能 ,而且還具有 A/D和 D/A 轉換、數(shù)值運算、數(shù)據(jù)處理等功能。大多數(shù)用戶都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。軟件方面 ,設置故障檢測與診斷程序。 控制系統(tǒng)的設計、安裝、調試和維修方便。若是 PLC本身問題 ,則可更換模塊 ,迅速排除故障 ,維修極為方便。 PLC 的分類 目前， PLC 應用廣泛，國內外生產廠家眾多，所生產的 PLC 產品更是品種繁多，其型號、規(guī)格和性能各不相同。一般小型和超小型 PLC 多采用這種結構，如日本三菱 FX 系列的 PLC。 小型 PLC 又稱為低檔的 PLC。 可編程控制器應用領域 在發(fā)達的工業(yè)國家 ,PLC 已經廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)。 PLC 取代繼電器控制系統(tǒng) ,實現(xiàn)邏輯控制。世界上各主要 PLC 廠家生產的 PLC 幾乎都有運動控制 功能。 PLC 通過模擬量 I/O模塊實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的 A/D,D/A轉換 ,并對模擬量進行閉環(huán) PID 控制 ,可用 PID 子程序來實現(xiàn) ,也可使用專用的 PID 模塊。數(shù)據(jù)處理一般用在大、中型控制系統(tǒng) ,如柔性制造系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等。 通訊聯(lián)網(wǎng) PLC 的通訊包括 PLC 之間的通訊、 PLC 與上位計算機和其他智能設備之間的通訊。 16 第三章 熱水器控制系統(tǒng)的設計方案 太陽能本身是一個不斷變化、而影響其變 化的因素又較多、極其復雜的非線性變量，太陽熱水系統(tǒng)工程是一個非線性系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學模型，因此采用傳統(tǒng)的控制方法難以得到較佳的控制效果。通過調整 PID 控制器的參數(shù)，一般都能得到比較滿意的控制效果。 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。 FX_2n32MRES/U 屬微型編程控制器、輸入輸出控制方式為循環(huán)掃描方式、編程語言為梯形圖語言、 32 點的編程控制器具有 16 點輸入 ,16點輸出 。 ② FX_2n32MRES/UL 的特點 FX_2n32MRES/UL 屬于 FX2N系列 PLC， FX2N系列 PLC 是 FX 系列中最高級的模塊。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。 對于一般生產機械，在滿足生產機械要求的前提下，優(yōu)先選用結構簡單、工作可靠、價格便宜、維護方便的電動機。 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。 交流接觸器的選擇 本系統(tǒng)選用正泰公司生產的 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構，動作機構 靈活，手動檢察方便，結構緊湊。 CJX1 系列交流接觸器適用于交流 50Hz（或 60Hz），額定電壓至 660V，在 AC3 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。該熱繼電器可與 CJX1 系列交流接觸器接插安裝，其實物圖如圖 3－ 2 示 [18]。 水箱的選擇 水箱的選用要根據(jù)情況來確定。 1）循環(huán)水箱 循環(huán)水箱容量大小是根據(jù)熱水器裝置日產熱水量而定。容積 1000 升的水箱外形尺寸為 :8 X 928 X 1300 毫米。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上部熱水攪混。水箱，而是通過補給水箱來補給。通用設計中最常用的一 20 種補給水箱結構。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，一般將敏感元件和電路的溫度系數(shù)合在一起考慮。 22 表 3— 2 PLC的輸入端口分配 輸入點 代號 工程名稱 X0 SB 啟動按鈕 X1 SB1 總停按鈕 X2 SL1 溫度開關（常開） X3 SL2 溫度開關（常閉） X4 SB2 手動 上水 開關 X5 SB3 手動 排水開關 X6 SB4 手動消音 開關 X7 SB5 手動加熱開關 表 3— 3 PLC的輸出端口分配 輸出點 代號 工程名稱 Y0 HL 啟動指示燈 Y1 HL1 總停指示燈 Y2 HL2 除塵指示燈 Y3 HA 報警蜂鳴器 Y4 HL3 故障指示燈 Y5 YV1 供水電磁閥 Y6 YV2 排水電磁閥 Y13 KM1 除塵電機正轉接觸器 Y15 YV3 除塵閥 Y14 KM2 除塵電機反轉接觸器 系統(tǒng)電路的設計 主電路的設計： 1) 接觸器 KM1 和 KM2 分別控制電機的正轉和反轉。 FU7 FU8 完成 PLC 控制回路的短路保護。主程序包含有多個分支程序，這樣既提高了編程的靈活性又減少了不必要的代碼重復，同時也方便以后系統(tǒng)擴展對軟件的修改，系統(tǒng)主要是接收上位機的控制參數(shù)，并完成太陽能熱水器溫度、液位的測量和控制任務。本課題采用日本三菱公司的 PLC，所以系統(tǒng)軟件是由三菱公司提供的，該軟件對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。 系統(tǒng)控制流程圖 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 26 圖 3－ 8 主程序控制系統(tǒng)流程圖 水位子程序 溫度子程序 27 2） 水位子程序流程圖 圖 3－ 9 水位子程序流程圖 28 3） 溫度子程序流程圖 圖 3－ 10 溫度子程序流程圖 29 4） 除塵子程序流程圖 圖 3－ 11 除塵子程序流程圖 流程圖簡介 : PLC 投入運行，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，準備好起動。則調用溫度子程序和水位自程序。先供水 5 分鐘。如果水位 過高或者水溫過高。除塵時。則返回從開始的全部動作，進行下一次大循環(huán)?？刂葡到y(tǒng)的程序的設計，主程序的編制及各功能子程序的編制以及程序的調試。在安裝 PLC 時，要滿足下列條件 : 環(huán)境溫度在 0～ 50℃的范圍內； 環(huán)境相對濕度應在 35％ 85％范圍內； 周圍無腐蝕和易燃的氣體； 應避免太陽光的直接照射及液態(tài)物質的濺射； 應避免鐵屑及灰塵； 避免頻繁或連續(xù)的振動及沖擊。有兩種安裝方法，一是底板安裝，不同的單元有不同的安裝尺寸；另一種是 DIN（ 德國共和標準）軌道固定。如果電源發(fā)生故障，中斷時間少于 10ms ， PLC 工作不受影響。 32 接地 良好的接地是保證 PLC 可靠工作的必要條件。 PLC 的各單元地線應相連在一起。 輸入器件可以是任何無源的觸點或集電極開路的 NPN 管