【文章內(nèi)容簡介】 的熱容量很小，受熱后立即啟動，因而在瞬變的太陽輻射條件下能提高集熱器的輸出能量，而且在多云間晴的低日照天氣也能將水加熱。 保溫好。熱管具有單向傳熱的特點，即白天由太陽能轉(zhuǎn)換的熱量可沿?zé)峁芟蛏蟼鬏斎ゼ訜崴?，而夜間被加熱的水的熱量不會沿?zé)峁芟蛳律l(fā)到周圍環(huán)境。 安裝維修方便。安裝方便，操作簡單，易于固定，運行可靠。 缺點 : 生產(chǎn)成本。 技術(shù)要求高。 上面介紹了目前我國太陽能熱水器的種類，并討論了它們各自的優(yōu) 缺點。最后，在此基礎(chǔ)上提出了本文研究的主要內(nèi)容為全玻璃真空管太陽能熱水器的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計。 研究的內(nèi)容 本課題研究的內(nèi)容是用 PLC 控制太陽能熱水器系統(tǒng)，實現(xiàn)太陽能熱水器系統(tǒng)自動化控制及手工控制，使其滿足實際各種控制需要、使更多的工作免于人參與、使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。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。 2） PLC 選型及 I/O 分配。 3）設(shè)計、繪制梯形圖，滿足各控制要求。 4）繪制電氣原理圖、外部接線圖等。 5）依據(jù)設(shè)計要求調(diào)試系統(tǒng)成功。 6 第二章 全玻璃真 空管式 太陽能熱水器的綜述 太陽能熱水器系統(tǒng)功能簡介 圖 2— 1 熱水器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 圖 2— 2 系統(tǒng)控制原理圖 : 注釋 : Tl，熱水箱的溫度傳感器 T2，循環(huán)水管中的溫度傳感器 7 T3，集熱器中的溫度傳感器 F1，循環(huán)水閥門 F2，冷水閥門 F3，熱水閥門 此款熱水器利用微機控 制主要有以下兩種 控制功能 :水溫控制、水箱加熱控制。 水溫控制 為了提供溫度不低于 37 攝氏度的水，具體控制過程如下： 首先，關(guān)閉冷水閥門 F2 和循環(huán)水閥門 F1，然后微機開始進行水箱的溫度采集，同時進行溫度的比較，當(dāng)水箱中的溫度小于 370C 時，電熱器 D 接通進行加熱，同時微機繼續(xù)對熱水箱的水溫進行采集。當(dāng)溫度加熱到大于 370C 時電熱器 D 斷開，如此反復(fù)循環(huán)保證了溫度的穩(wěn)定。 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)。這時它就要發(fā) 揮作用了。熱水箱溫度為 T1，將它和設(shè)定值 N 相比較，從而控制是否打開電加熱。控制時段為 6 點一 18 點，具體過程如下 : 若TlN，電加熱接通 。否則，電加熱斷開。最終熱水箱的溫度加熱到設(shè)定值 N。由此可見，即使沒有日照我們照樣可以洗上熱水澡了。 太陽能熱水器組成、原理和工作過程 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，需要大量的熱水。這類熱水的特點是用水量較大而水溫不高，一般為 400C ~600C。如淋浴的水溫在 350C~400C 之間，超過 600C 就會感到太熱。工業(yè)上為了清除油污，熱水溫度要高一些，但一般在 900C 左右。太陽能熱水器能提供的熱水，是目前使用最為普遍和效果最好的太陽能利用裝置 。 這種裝置結(jié)構(gòu)簡單、使用方位、不用專人管理，故己在全國推廣使用。 熱水器組成及原理 熱水器主要由集熱器、循環(huán)管道和水箱等組成。下圖為典型的熱水器裝置簡圖。圖中集熱器 1 按最佳傾角放置，下降水管 2 的一端與循環(huán)水箱 3 的下部相連，另一端與集熱器1 的下集管接通。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。補給水箱 4 供給循環(huán)水箱 3 所需的冷水。當(dāng)集熱器吸收太陽輻射后，集熱器內(nèi)溫度上升，水溫也隨之升高。水溫升高后，水的比重 減輕，經(jīng)上升水管進入循環(huán)水箱上部。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(nèi)受熱后又上升。這 8 樣不斷對流循環(huán)，水溫逐漸提高，直到集熱器吸收的熱量與散失的熱量相平衡時，水溫不再升高。這種熱水器利用循環(huán)加熱的原理，因此又稱為循環(huán)式熱水器 [6][7]。 熱水器裝置簡圖 1 一集熱器 2 一下降水管 3 一循環(huán)水管 4 一補給水箱 5 一上升水管 6 一自來水管 7 一熱水出水管 熱水器的基本工作過程 1） 吸熱過程。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(nèi)的水。吸熱管內(nèi)的水吸熱后溫度升高，比重減小而上升，形成一個向上的動力，構(gòu)成一個熱虹吸系統(tǒng)。隨著熱水的不斷上移并儲存在儲水箱上部，同時通過下循環(huán)管不斷補充溫度較低的水，如此循環(huán)往復(fù)，最終整箱水都升高至一定的溫度。 2） 水循環(huán)管路。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(shè)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。水循環(huán)管路、管徑及管路分布的合理性直接影響到集熱器的熱交換效率。 多數(shù)情況下，自然循環(huán)家用熱水器系統(tǒng)管路中的流態(tài)都可以視為層流。 集熱器內(nèi)管路系統(tǒng)的阻力主要來自沿程阻力 ，局部阻力的影響要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。當(dāng)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。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)主管管徑不變時，加大支管管徑，不僅沿程阻力迅速減小，而且局部阻力也將跟著減小。一般地，支管的半徑應(yīng)在 10mm 以上。當(dāng)主管管徑達到一定值以后，增加主管管徑對減小系統(tǒng)阻力意義不大 [8]。 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。當(dāng)涂有黑色的金屬片置于陽光下，即可吸收太陽輻射能而 升高溫度，同時也向四周散發(fā)熱量。若它吸收的能量與散發(fā)的能量相等，此時金屬片就不再升溫，這就叫“平衡溫度”。如果在金屬片內(nèi)有流道，流體把熱量不斷帶走，為了達到平衡溫度，金屬片便要不斷吸收太陽的輻射能。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(nèi)，從而產(chǎn)生了所謂的溫室效應(yīng)，提高了集熱器的集熱效率。 循環(huán)管道 在熱水器平面布置方案確定后，集 熱器與循環(huán)水箱已基本確定。但要熱水器運行起來，還得配置適當(dāng)?shù)墓艿?，將集熱器與水箱有機的連接起來，才能形成一個完整的循環(huán)系統(tǒng)。熱水器管道系統(tǒng)連接正確與否，對熱水器循環(huán)系統(tǒng)的效率也有很大影響。 熱水器水箱及水箱配置 水箱是熱水器重要組成部分。它包括循環(huán)水箱和補給水箱；循環(huán)水箱與集熱器上下水管相連，供熱水循環(huán)之用。補給水箱只與循環(huán)水箱相通，當(dāng)循環(huán)水箱水位低時，以補給冷水之用。 1）循環(huán)水箱 它的作用是保持最高水位平面，同時讓水中空氣由此處排出，避免帶入管道系統(tǒng)，以致造成氣阻損失。 循環(huán)水箱的下部均裝有冷水進水 擋板。這樣冷水進入循環(huán)水箱時，通過擋板使之?dāng)U散流入不致將箱內(nèi)上部熱水?dāng)嚮臁? 2）補給水箱 補給水箱是供給冷水的水箱。自來水不是直接進入循環(huán)。而是通過補給水箱來補給。這樣做的優(yōu)點是使冷水和熱水隔開，保持循環(huán)水箱中的熱水水溫穩(wěn)定。 3）水箱配管 水箱配管是指進出水管、排放熱水管等在水箱中的高度位置，它對排放水溫起著主要作用。因此，熱水出水管位置愈高，其熱水排放溫度亦愈高；為此，采用定溫自動放水時，它的熱水出水口位置較高。而采用人工放水時，熱水出水口位置應(yīng)較低。循環(huán)水箱內(nèi)的水溫達到一定溫度時，將箱內(nèi)熱水幾乎全部放 掉，然后放入冷水再重新循環(huán)加熱。一般人工放水一天中 12 次。 10 系統(tǒng)的要求 根據(jù)人們對熱水器的使用習(xí)慣和人性化設(shè)計要求 , 設(shè)計的控制系統(tǒng)具有以下功能： 自動控制功能。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(guān)。定時控制器在斷電時正常計時 ,故采用其作為 PLC 的電源控制。在定時控制時間內(nèi) ,由定時器接通 PLC 的電源 ,PLC 按預(yù)先編制的程序依次打開各控制設(shè)備電源 ,并根據(jù)輸入信號的變化隨時調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時間里 定時器自動斷開 PLC 的電源。 工作為 6～ 18 h。可利用定時控制器和 PLC 自身具有的定時命令加以解決。 除塵功能。利用溫度開關(guān)檢測環(huán)境溫度是否適合除塵 ,溫度開關(guān)為 4 ℃。除塵 用一個電磁閥連續(xù)工作 2 min。 水箱液位控制功能。水箱 200 L ,液位控制在 180 L 。 水箱應(yīng)具備供熱水、保溫的基本功能。 報警功能。當(dāng)出現(xiàn)故障時，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。 節(jié)水功能。供水閥供水 5 min，停 2 min。 可實現(xiàn)手動 /自動控制切換。 可編程控制器（ PLC）簡介 可編程控制器（ PragrammableLogicController,簡稱 PLC，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是在 20 世紀 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學(xué)家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴充其功能的原則設(shè)計的。 PLC自產(chǎn)生至今 只有 30 多年的歷史，卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一。 長期以來， PLC 在工業(yè)自動化控制而發(fā)揮著巨大作用，為各種各樣的自動化控制設(shè)備提供了廣泛、可靠的控制應(yīng)用。這主要是源于它能夠為自動化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合當(dāng)前自動化工業(yè)企業(yè)的需要 [9]。 11 PLC 的發(fā)展歷史 20 世紀 70 年代大規(guī)模集成電路和微處理機出現(xiàn)后，正式生產(chǎn)出了現(xiàn)在模式的可編程序邏輯控制器 PLC（ Programmable Logic Controller）產(chǎn)品。這類產(chǎn)品具有穩(wěn)定可靠、價格便 宜、功能齊全、體積小、應(yīng)用靈活方便、工程周期短、操作維護方便、應(yīng)用領(lǐng)域廣闊等優(yōu)點。隨著集成電路和計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在己誕生了第五代 PLC 產(chǎn)品。而從應(yīng)用角度看， PLC 大概經(jīng)歷了如下幾個階段： 單機就地控制，取代繼電器柜，至今仍然是 PLC 應(yīng)用的主流。 數(shù)臺 PLC 與 1 臺 PC 相連， PC 完成編程和在運行中作為人機界面（ 80 年代后期）。 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(gòu)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。 隨著近代現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè) PC 機（ IPC）、軟 PLC 技術(shù)的發(fā)展，以及系統(tǒng)開放性、電控儀控一體化、管控一體化、 IT 技術(shù)發(fā)展的需求，新型的覆蓋大、中、小系統(tǒng)的PCS 正在形成。 可編程序控制器的工作原理 PLC 采用循環(huán)（巡回）掃描工作方式，而大、中型 PLC 還增加了中斷工作方式。循環(huán)掃描即可按固定順序，也可按用戶程序所規(guī)定一級順序（高級和低級順序）或可變順序等進行。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]。 用戶將用戶程序設(shè)計、調(diào)試后，用編程器鍵入 PLC 的存儲器中，并將現(xiàn)場的輸入信號和被驅(qū)動的執(zhí)行元件相應(yīng)地接在輸入模板的輸入端和輸出模板的輸出端上，然后用 PLC 的控制開關(guān)使其處于運行工作方式， PLC 就以循環(huán)掃描的工作方式進行工作。在輸入信號、用戶程序的控制上，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號，完成預(yù)期的控制任務(wù)。 PLC 的典型的循環(huán)順序掃描土作過程如圖 2－ 4 所示。 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。在系統(tǒng)軟件的指揮下，按圖 2－ 4 所示的程序流程順序地執(zhí)行，這種工作方式成為順序掃描方式。從掃描過程中的某個掃描過程開始，順序掃描后又回到該過程成為一個掃描周期。進行一個掃描周期所需的時間稱為一個掃描周期時間 [11]。 可編程控制器的的特點 通用性強 ,使用方便。由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用。當(dāng)控制對象的硬件配置確定以后 ,就可通過修改用戶程序 ,方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。 功能性強 ,適應(yīng)面廣 。現(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(zhuǎn)換、數(shù)值運算、數(shù)據(jù)處理等功能。因此 ,它既可對開關(guān)量進行控制 ,也可對模擬量進行控制 ,既可控制 1 臺生產(chǎn)機械、 1 條生產(chǎn)線 ,也可控制 1 個生產(chǎn)過程。 PLC 還具有通訊聯(lián)絡(luò)功能，與上位計算機構(gòu)成分布式控制系統(tǒng) ,實現(xiàn)遙控功能。 可靠性高 ,抗干擾能力強。大多數(shù)用戶都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。針對 PLC 是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的 ,故采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施。硬 13 件方面 ,隔離是抗干擾的主要措施之一。 PLC 的輸入、輸出電路一般用光電耦合器來傳遞信號 ,使外部