【文章內(nèi)容簡介】 沈陽 工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 太陽能熱水器的工作原理 太陽能熱水器是一種利用太陽輻射能通過溫室效應把水加熱的裝置。溫室效應是指由于對流、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。溫室效應又稱為熱箱原理，它是通過一個上面蓋有透明玻璃的封閉箱體來實現(xiàn)能量聚積的 [11]。 陽光透過玻璃進入箱體內(nèi)，被黑色表面吸收，而向外反射和對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 100℃ ～ 200℃ 。利用聚積的高溫來加熱水，就是太陽能熱水器。 太 陽光穿過吸熱管的第一層玻璃照到第二層玻璃的黑色吸熱層上，將太陽光能的熱量吸收，由于兩層玻璃之間是真空隔熱的，熱量不能向外傳，只能傳給玻璃管里面的水，使玻 璃管內(nèi)的水加熱，加熱的水便輕沿著玻璃管受熱面往上進入保溫儲水桶 。 由于太陽能熱水器在運行過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 ” [12]。 真空管式家用太陽能熱水器是由集熱管、儲水箱及支架等相關附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠集熱管，集熱管利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達到所需熱水 [13]。 集熱器內(nèi)的水加熱后要與儲水箱里面的冷水實現(xiàn)循環(huán)以使儲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)、強迫循環(huán)和定溫放水循環(huán)。 (1) 自然循環(huán)式： 自然循環(huán)的特點是，儲水箱必須安設在集熱器頂端水平面以上才可進行系統(tǒng)循環(huán)。 裝置中集熱器內(nèi)的水經(jīng)太陽輻射，使水溫上升，密度開始逐漸變小，與儲水箱內(nèi)未被太陽輻射的水產(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)過設置管道（上循環(huán)管）進入儲水箱，而在此同時儲水箱內(nèi)相對溫度低、密度較大的水慢慢下降，經(jīng)設置管道（下循環(huán)管）流入集熱器下部補充。這樣以水的比重差或稱熱虹吸壓頭為作用力，而不借助外力來使水進行循環(huán)的方式稱為自然循環(huán) [14]。 自然循環(huán)的運行其密度差愈大，循環(huán)的速度愈快，反之循環(huán)的愈慢。這種循環(huán)方式能使儲水箱內(nèi)的水持續(xù)升溫，太陽輻射停止，循環(huán)也漸漸終止。 沈陽 工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 集熱器儲水箱太 陽 光T 1 T 2上 水 電 磁 閥 圖 22 太陽能熱水器水循環(huán)原理圖 (2) 強迫循環(huán)式： 強迫循環(huán)顧名思義是借助外力迫使集熱器與儲水箱內(nèi)的水進行循環(huán)。 它的特點是儲水箱的位置不受集熱器位置的制約，可任意設置，可高于集熱器，也可低于集熱器。它是通過水泵將集熱器接收太陽輻射的水與儲水箱的水進行循環(huán)，使儲水箱內(nèi)的水溫逐漸增高。市場上經(jīng)常采用的強迫循環(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熱介質(zhì)或防凍液，靠循環(huán)泵進行循環(huán) [15]。該泵由溫差啟動器進行控制，當溫差達到預定溫度時，啟動泵，進行循環(huán)；低于預定溫度時，泵停止運行。熱水是通過儲熱水箱中的特殊的熱交換器進行熱交 換的 (圖 22)。 (3) 定溫放水式： 定溫放水式與強迫循環(huán)不同的是它不是循環(huán)的概念，而是通過溫度控制器將達到設定溫度的水用水源壓力或水源加壓力水泵輸送到儲水箱內(nèi)。 它的特點是水源經(jīng)集熱器到儲水箱，因為沒有循環(huán)，又非常簡單，只是將水在集熱器內(nèi)悶曬后送入儲水箱，因此，有人將這一方式稱為直流式或直流定溫放水 [16]。 這種方式的又一特點是與溫差控制式強迫循環(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，如果有溫差或強迫循環(huán)的機構就可將這部分水加 溫。 沈陽 工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 本設計要實現(xiàn)的功能 在本系統(tǒng)中需要實現(xiàn)以下幾種功能： (1) 自動上水及水位上下限 指示 功能 在系統(tǒng)中通過加入限位開關來不斷的檢測儲水箱內(nèi)的水位， 當水箱內(nèi)的水位低 設定值下限 時， 低液位指示燈點亮， 上水閥 自動 打開開始加水，當水位上升到 設定值上限 時， 高液位指示燈點亮， 上水閥 自動 關閉，加水停止。 (2) 集熱器熱水與儲水箱中冷水進行循環(huán)功能 通過在集熱器出水口放置溫度傳感器可以檢測出水溫度，再通過在儲水箱里面放溫度傳感器檢測儲水箱內(nèi)的水溫度，再通過兩個溫度值的比較，當集熱器出水溫度大于儲水箱水溫度時，循環(huán)泵打開，實現(xiàn)水循環(huán)，使儲水箱里面的水不斷的被加熱，只要有溫度差循環(huán)就進行，直到兩者之間的溫度差消失。 (3) 輔助電加熱功能 儲水箱里的溫度傳感器帶顯示功能，設定一個儲水箱水溫度上下限值當溫度低于設定的溫度下限時，輔助電加熱器開始工作，儲水箱里的水溫開始上升，當達到溫度上限時電加熱停止，以達到全天候不間斷供應可以洗浴的熱水的目的，尤其在陰天或者晚上時能夠滿足人們的洗浴要求。 (4) 恒溫出水功能 通過設定一個溫度值，然后在三通調(diào)節(jié)閥的出水口放置一個溫度傳感器，不間斷的測量三通閥的出水溫度，再通過與設定值的比較，通過 PLC 的中的PID 模塊計算，控制三通調(diào)節(jié)閥的開度，使三通調(diào)節(jié)閥的出水溫度恒定。 PLC的 PID 閉環(huán)控制可以實現(xiàn)對溫度的精確控制 ，可以滿足人們對洗浴水溫的高標準要求，避免水溫的不穩(wěn)定對人身造成的傷害。 (5) 自動手動轉(zhuǎn)換功能 在系統(tǒng)運行過程中有可能碰到很多未知的實際問題，為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰，應設置必要的手動自動轉(zhuǎn)換功能。在系統(tǒng)發(fā)生不能排除的問題或檢測失效時，啟用手動操作，切除故障。還可以在洗浴條件不滿足時強制進行洗浴，強制加水。為了調(diào)試系統(tǒng)的需要，這些手動程序也是必要的。 沈陽 工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 11 第 3 章 太陽能熱水器硬件的選型及設計 PLC 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 [17]。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。 用戶將用戶程序設計、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 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)生相應的輸出信號，完成預期的控制任務。 PLC 的典型的循環(huán)順序掃描土作過程如圖 31 所示。 從圖 31 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 [18]。在系統(tǒng)軟件的指揮下，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。 沈陽 工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 開始與網(wǎng)絡進行信息交換執(zhí)行用戶程序輸出服務采集現(xiàn)場信號與編程器進行信息交換自診斷有故障？是否有網(wǎng)絡超時？停機出錯顯示停機出錯顯示YYYNNN 圖 31 PLC 工作原理 沈陽 工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 13 硬件設備的選型 PLC 的選型 在本設計中需要用到三個溫度傳感器和一個液位傳感器，由于這四個量是模擬量，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 進行處理。 PLC 運算后輸出的數(shù)字量再經(jīng)過特殊功能模塊轉(zhuǎn)換成模擬量進行控制。同時又為了最后仿真的需要、相關的性能要求及 PID 運算指令的使用， 決定使用德國西門子 S7 系列 PLC 中的西門子 S7200，如圖 32 所示 ： 圖 32 西門子 S7200 SIMATIC S7200PLC 是超小型化的 PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。 S7200 PLC 的強大功能使其無論單機運行，或連成網(wǎng)絡都能實現(xiàn)復雜的控制功能 [19]。 S7200 系列 PLC 出色表現(xiàn)在以下幾個方面： (1) 極高的可靠性。 (2) 極豐富的指令集。 沈陽 工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 14 (3) 易于掌握。 (4) 便捷的操作。 (5) 豐富的內(nèi)置集成功能。 (6) 實時特性。 (7) 強勁的通訊能力。 (8) 豐富的擴展模塊。 在設計中，需要的輸入量有上水閥開關、循環(huán)泵開關、電加熱開關、洗浴開關和自動手動轉(zhuǎn)換開關等。輸出量有上水電磁閥、循環(huán)泵、電加熱、排空電磁閥和洗浴電磁閥等?？紤]實際 需要保留一定的 I/O 余量，決定使用 S7200 系列中的 CPU224XP。 M1 L + 0 . 00 . 00 . 10 . 11 M0 . 2 0 . 30 . 4V O0 . 20 . 3 0 . 42 L0 . 5 0 . 60 . 70 . 5 0 . 60 . 7 1 . 0 1 . 12 M1 . 01 . 1 1 . 2 1 . 3 1 . 4 1 . 5L 1M L +A CN3 LI OQ + Q B B +R BA A +R ABA4 至2 0 m A+ 電 壓 電 流R S 4 8 52 4 VD C1 2 0 V 2 4 0 VA CVLOADILOADN（ ）L（ + ）N（ ）L（ + ）N（ ）L（ + ）N（ ）L（ + ）..... 圖 33 CPU224XP 結(jié)構圖 CPU 224XP 集成 14 輸入 /10 輸出共 24 個數(shù)字量 I/O 點， 2 輸入 /1 輸出共 3個模擬量 I/O 點，可連接 7 個擴展模塊，最大擴展值至 168 路數(shù)字量 I/O 點或38 路模擬量 I/O 點。 20K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間， 6 個獨立的高速計數(shù)器（ 100KHz）， 2 個 100KHz 的高速脈沖輸出， 2 個 RS485 通訊 /編程口，具有 PPI通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力 [20]。本機還新增多種功能，如內(nèi)置模擬量 I/O,位控特性，自整定 PID 功能，線性斜坡脈沖指令，診斷 LED，數(shù)據(jù)記錄及配方功能等。是具有模擬量 I/O 和強大控制能力的新型 CPU。 沈陽 工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 15 其他硬件的選型 (1) 模擬量模塊 在本設計中，有三個溫度模擬量輸入，有一個三通調(diào)節(jié)閥開度模擬量輸出，共計有三個模擬量輸入、一個模擬量輸出。為了系統(tǒng)的安全及擴展的需要，要有一些備用的模擬量輸入輸出通道。所以，綜合各方面的因素決定選用 EM235四輸出一輸出 模擬量模塊，如圖 34 所示： R AA +A R B B + B R C C + C R D D + D 增 益偏 移 量配 置 開 關ML + M 0 V 0 I 02 4 V D CA I W 4 A I W 6 A I W 8A Q W 44 m a 2 0 m a0 m a 2 0 m a 圖 34 EM235 模擬量模塊 EM235 模擬量模塊通過排線與 224XP 相連， CPU 通過此模塊可以采集于本模塊相連接現(xiàn)場的模擬信號，比如：壓力、流量等?？山邮茈娏鳌㈦妷盒盘?，也可連接兩線制變送器。 EM235 有 4 路模擬量輸入通道，同時還包括了一路模擬量輸出通道，輸出電壓、電流信號用于連續(xù)的控制。 沈陽 工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 16 (2) 溫度傳感器 現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。 本設計選用電流輸出型傳感器，因為 PLC 控制器有可能距離傳感器的位置較遠，而電流輸出具有恒流源的性質(zhì)，恒流源的內(nèi)阻很大。 PLC 的模擬量輸 入模塊輸入電流時，輸入阻抗較低。線路上的干擾信號在模塊的輸入阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓很低，所以模擬電流信號適于遠程傳送。又由于為了與 EM235 模擬量 模塊相配套，所以溫度傳感器應選用 PT100 鉑熱電阻溫度傳感器。 PT100 鉑溫度傳感器能夠?qū)z測到的模擬量信號轉(zhuǎn)換成相應標準電流信號輸出。 PT100的 特點 是 ： ① 準確性高。在所有的溫度計中，它的準確度最高，可以達到 1Mk。 ② 輸出信號大，靈敏度高。 PT100 熱電阻溫度計的靈敏度比熱電溫度計 (熱電偶 )高一個數(shù)量級。 ③ 測溫范圍廣，穩(wěn)定性能好。在振動小而適宜的環(huán)境下，可以在長時間