【導(dǎo)讀】本課題研究了可編程控制器在太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點(diǎn)研究了系統(tǒng)的硬。件構(gòu)成及系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程。指出了PLC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵主要是能滿足基本控制功能,并考慮維護(hù)的方。便性、系統(tǒng)可擴(kuò)展性等。在本文中經(jīng)研究確定出了系統(tǒng)的各個(gè)工序，繪制了系統(tǒng)的工藝流程圖；進(jìn)行了。氣原理圖和接線圖等。線簡(jiǎn)單、檢修維護(hù)方便快捷、可靠性提高，增進(jìn)了系統(tǒng)的先進(jìn)性。

　　

【正文】 的選擇 水箱的選用要根據(jù)情況來(lái)確定。水箱是熱水器重要組成部分。它包括循環(huán)水箱和補(bǔ)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(bǔ)給水箱只與循環(huán)水箱相通，當(dāng)循環(huán)水箱水位低時(shí)，以補(bǔ)給冷水之用。 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(chǎn)熱水量而定。為了便于加工提高經(jīng)濟(jì)性和通用性，循環(huán)水箱已標(biāo)準(zhǔn)化。目前循環(huán)水箱以容積分為 500 升和 1000 升二種 ，外形均為方形。容積 500 升的水箱外形尺寸為 : 778 X 778 X 880 毫米。容積 1000 升的水箱外形尺寸為 :8 X 928 X 1300 毫米。 循環(huán)水箱的上部均裝有漲水管及透氣孔，其位置稍高于水位。溢水管和透氣孔制成一體，它的作用是保持最高水位平面，同時(shí)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(jìn)水擋板。這樣冷水進(jìn)入循環(huán)水箱時(shí)，通過(guò)擋板使之?dāng)U散流入不致將箱內(nèi)上部熱水?dāng)嚮臁?500 升與 1000 升循環(huán)水箱，結(jié)構(gòu)基本相同，后者增加一些肋條和拉條，以增強(qiáng)水箱的強(qiáng)度和則度 。 2）補(bǔ)給水箱 補(bǔ)給水箱是供給冷水的水箱。自來(lái)水不是直接進(jìn)入循環(huán)。水箱，而是通過(guò)補(bǔ)給水箱來(lái)補(bǔ)給。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可使冷水和熱水隔開，保持循環(huán)水箱中的熱水水溫穩(wěn)定。補(bǔ)給水箱不宜太大，宜狹而長(zhǎng)。補(bǔ)給水箱內(nèi)需安裝浮球，以保持最高水位。通用設(shè)計(jì)中最常用的一 20 種補(bǔ)給水箱結(jié)構(gòu)。它的外形為 350 X830 X 400 毫米，其長(zhǎng)度是高度的 2 倍多。 傳感器的選型 通過(guò)各種高性能傳感器對(duì)氣候環(huán)境進(jìn)行測(cè)量及數(shù)據(jù)采集，并將測(cè)量結(jié)果通過(guò)接口送至PLC 中， PLC 根據(jù)控制要求對(duì)整個(gè)太陽(yáng)能熱水器進(jìn)行綜合控制。由于系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的采樣值都是傳 感器輸出的模擬信號(hào)，而且傳感器與 PLC 的距離也比較遠(yuǎn)，所以在傳感器的選擇上都采用了 420mA 電流輸出型，從而減小傳輸過(guò)程中的干擾，保證采樣值的準(zhǔn)確性與可靠性。溫度誤差可以在電路上或軟件上采取補(bǔ)償措施，不同的補(bǔ)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(guān)，一般將敏感元件和電路的溫度系數(shù)合在一起考慮。一般的溫度傳感器基點(diǎn)漂移較其它的氣象傳感器都要顯著，熱敏電阻屬于吸附元件，在測(cè)量過(guò)程中必然會(huì)受到污染，由污染引起的測(cè)量基點(diǎn)漂移，只能用重新檢定的方法加以修正解決。若污染嚴(yán)重，基點(diǎn)漂移量過(guò)大，又不 能再生，只能將傳感器作報(bào)廢處理 [19]。 溫度傳感器技術(shù)指標(biāo) : 1）溫度范圍： 0℃ ~70℃ (可根據(jù)用戶要求擴(kuò)展 ) 2）濕度范圍： 10%/RH99%RH 3）電源： AV220V士 10% 4）溫度誤差：一般士 ℃、最大士 ℃ 5）數(shù)據(jù)分辨率： 6）數(shù)據(jù)更新周期：約 1 秒 7）數(shù)據(jù)線： 3 類雙絞線 8）數(shù)據(jù)傳輸距離 小于 1200m 根據(jù)硬件的選擇情況，繪制表 3－ 1 21 表 3－ 1 原理總圖的元器件目錄表 序號(hào) 代號(hào) 名稱 數(shù)量 規(guī)格型號(hào) 備注 0 PLC 可編程控制器 1 FX_2n32MRES/UL 繼電器輸出型 1 HLHL3 指示燈 4 AD1622G LED 顯示 ,220V 2 KM1KM2 交流接觸器 2 DJX9 線圈電壓： 220V 3 SB1SB5 按鈕 5 LAY37 綠色 4 SB 啟動(dòng)按鈕 1 LAY37 綠色 5 S 自動(dòng) /手動(dòng)開關(guān) 1 SR26 封閉式 6 SL1SL2 溫度檢測(cè)開關(guān) 2 TH22 接通與斷開的最小溫差 ℃ 7 TC 隔離變壓器 1 BK100 電壓： 220V 8 FU1FU8 熔斷器 8 RL115 熔體 210A 9 FR 熱繼電器 2 JR1620/3 參照電機(jī)電流 10 M 微型電動(dòng)機(jī) 1 YYHS－ 45 電壓 220V頻率 50HZ 11 YA 報(bào)警器 1 SWPX100 交流 220V 12 YV2 排水閥 1 SSFKC014 交流 12220V 13 YV1 供水閥 1 SSFKC024 交直流 3220V 14 YC 除塵閥 1 SSFKC017 交流 220V PLC 的端口分配 根據(jù)以上硬件選型設(shè)計(jì)，編制 I/O 接口功能表，如表 3－ 2 和 3— 3。 22 表 3— 2 PLC的輸入端口分配 輸入點(diǎn) 代號(hào) 工程名稱 X0 SB 啟動(dòng)按鈕 X1 SB1 總停按鈕 X2 SL1 溫度開關(guān)（常開） X3 SL2 溫度開關(guān)（常閉） X4 SB2 手動(dòng) 上水 開關(guān) X5 SB3 手動(dòng) 排水開關(guān) X6 SB4 手動(dòng)消音 開關(guān) X7 SB5 手動(dòng)加熱開關(guān) 表 3— 3 PLC的輸出端口分配 輸出點(diǎn) 代號(hào) 工程名稱 Y0 HL 啟動(dòng)指示燈 Y1 HL1 總停指示燈 Y2 HL2 除塵指示燈 Y3 HA 報(bào)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(jī)正轉(zhuǎn)接觸器 Y15 YV3 除塵閥 Y14 KM2 除塵電機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì) 主電路的設(shè)計(jì)： 1) 接觸器 KM1 和 KM2 分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。 2) 電動(dòng)機(jī)有熱繼電器實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。 3) 選擇自動(dòng)開關(guān) Q 為總電源的開關(guān)，即可完成主回路 的短路保護(hù)，又起到隔離三相交流電源的作用，使使用和維護(hù)更加方便。 23 4) 由 FU FU FU FU FU FU6 分別實(shí)現(xiàn)各負(fù)載回路的短路保護(hù)作用。 FU7 FU8 完成 PLC 控制回路的短路保護(hù)。 根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則繪制出電氣控制主電路圖。如圖 3－ 6 所示 圖 3－ 6 電氣控制主電路圖 PLC 控制電路的設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及系統(tǒng)所選的元器件，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的控制原理圖及 PLC 外部接線圖，如圖 3－ 6 所示太 陽(yáng)能熱水器系統(tǒng) PLC I/O 控制原理電路圖。 24 圖 3－ 7 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng) PLC I/O控制原理電路圖 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 可編程控制器是掃描工作方式，能同時(shí)對(duì)多個(gè)模塊進(jìn)行控制，在整個(gè)程序掃描時(shí)間里隔離變壓器 25 加上不同的輸入檢測(cè)信號(hào)，就可使程序按所檢測(cè)信號(hào)判斷進(jìn)入不同的分支程序。主程序包含有多個(gè)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(fù)，同時(shí)也方便以后系統(tǒng)擴(kuò)展對(duì)軟件的修改，系統(tǒng)主要是接收上位機(jī)的控制參數(shù)，并完成太陽(yáng)能熱水器溫度、液位的測(cè)量和控制任務(wù)。 軟件組成 軟件系統(tǒng)通常分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件，另一類是應(yīng)用軟件。 系統(tǒng)軟件指的是操作系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)等與計(jì)算機(jī)密切相關(guān)的程序。系統(tǒng)軟件一般由計(jì)算機(jī)生產(chǎn)商或各種軟件公司提供，帶有一定的通用性，用不著自己編寫。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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的實(shí)際問(wèn)題而編寫的各種程序。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，每個(gè)控制對(duì)象或控制任務(wù)都要有相應(yīng)的控制程序，用這些控制程序來(lái)完成對(duì)象的不同要求，這種程序通常稱為 應(yīng)用程序。本課題主要根據(jù)太陽(yáng)能熱水器的各種輸入輸出狀態(tài)來(lái)編制PLC 的梯形圖程序。 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(shí)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(jiǎn)介 : PLC 投入運(yùn)行，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，準(zhǔn)備好起動(dòng)。 根據(jù)太陽(yáng)能熱水器定時(shí)器設(shè)定的工作的時(shí)間段看是否到工作時(shí)間。如果沒(méi)有到則系統(tǒng)停止。如果到工作時(shí)間。則調(diào)用溫度子程序和水位自程序。根據(jù)水箱內(nèi)的水位和水溫進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)。如果水箱內(nèi)的水位低于設(shè)定值。則打開進(jìn)水閥。先供水 5 分鐘。然后停 2分鐘，實(shí)現(xiàn)節(jié)水功能。如果水箱內(nèi)的水溫低于設(shè)定值。則進(jìn)行加熱。如果水位 過(guò)高或者水溫過(guò)高。則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)外部環(huán)境溫度超過(guò) 4 度時(shí)。則調(diào)用除塵子程序。除塵時(shí)。電機(jī)先正轉(zhuǎn) 20 秒。然后電機(jī)反轉(zhuǎn) 20秒。循環(huán)直到除塵達(dá)到 2 分鐘時(shí)。則返回從開始的全部動(dòng)作，進(jìn)行下一次大循環(huán)。 此外，還可以按手動(dòng)按鈕以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)供水、排水和手動(dòng)加熱功能。 30 設(shè)計(jì) PLC 控制原理（梯形圖程序） 程序設(shè)計(jì)：用流程圖表達(dá)出各控制對(duì)象的動(dòng)作順序，相互間的制約關(guān)系。明確寄存器空間的分配，專用寄存器的確定等。控制系統(tǒng)的程序的設(shè)計(jì)，主程序的編制及各功能子程序的編制以及程序的調(diào)試。其他輔助程序的設(shè)計(jì)，如故障應(yīng)急程 序等。根據(jù)控制系統(tǒng)流程圖，繪制太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)控制的梯形圖和編制程序指令表，其完整梯形圖及指令表見(jiàn)附錄。 31 第四章 可編程控制器（ PLC）的安裝、維護(hù)和檢修 PLC 的安裝 為保證 PLC 工作的可靠性，提高它的工作效率，延長(zhǎng)其使用壽命，對(duì)使用場(chǎng)合、環(huán)境溫度要有一定的要求。在安裝 PLC 時(shí)，要滿足下列條件 : 環(huán)境溫度在 0～ 50℃的范圍內(nèi)； 環(huán)境相對(duì)濕度應(yīng)在 35％ 85％范圍內(nèi)； 周圍無(wú)腐蝕和易燃的氣體； 應(yīng)避免太陽(yáng)光的直接照射及液態(tài)物質(zhì)的濺射； 應(yīng)避免鐵屑及灰塵； 避免頻繁或連續(xù)的振動(dòng)及沖擊。 除滿足以上環(huán)境條件外，安裝時(shí)還應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)： 在安裝和拆卸時(shí)， PLC 的所有單元必須斷電； 在接觸 PLC 前，必須事先釋放人體所帶靜電； 注意 PLC 周圍的通風(fēng)和散熱； 嚴(yán)防導(dǎo)線頭、鐵屑等從通風(fēng)窗掉入可編程控制器內(nèi)部，造成印刷電路板短路，使其不能正常工作甚至水久損壞。 盡可能遠(yuǎn)離高壓電源線和高壓設(shè)備，可編程控制器高壓設(shè)備和電源線之間應(yīng)留出至少 200mm的距離。 小型可編程控制器外殼的 4 個(gè)角上，均有安裝孔。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(guó)共和標(biāo)準(zhǔn)）軌道固定。 DIN 軌道配套使用的安裝夾板，左右各一對(duì)。在軌道上，先裝好左右?jiàn)A板，裝上 PLC，然后擰緊螺釘 [20]。 PLC 系統(tǒng)的電源接線 PLC 供電電源可采用直流 24V、交流 1 00V～ 120V 或 200V～ 240V的工作電源。如果電源發(fā)生故障，中斷時(shí)間少于 10ms ， PLC 工作不受影響。若電源中斷超過(guò) 10ms 或電源下降超過(guò)允許值，則 PLC 停止工作，所有的輸出點(diǎn)均同時(shí)斷開。當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，若 RUN輸入接通，則操作自動(dòng)進(jìn)行。對(duì)于電源線來(lái)的干擾， PLC 本身具有足夠的抵制能力，也可以安裝一個(gè)變比為 1:1 的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾。 32 接地 良好的接地是保證 PLC 可靠工作的必要條件。在接地時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： PLC 的接地線應(yīng)為直徑在 2mm以上的專用線 。 接地電阻應(yīng)小于 100Ω 。 PLC 的地線不能和其它設(shè)備共用 。 PLC 的各單元地線應(yīng)相連在一起。 輸入接線 PLC 一般接受行程開關(guān)、限位開關(guān)等輸入的開關(guān)量信號(hào)。輸入接線端子是 PLC 與外部傳感器負(fù)載轉(zhuǎn)換信號(hào)的端口。輸入接線，一般指外部傳感器與輸入端口的接線。 輸入器件可以是任何無(wú)源的觸點(diǎn)或集電極開路的 NPN 管。輸入器件接通時(shí)，輸入端接通，輸入線路閉合，同時(shí)輸入指示的發(fā)光二極管亮。 輸入端的一次電路與二次電路之間，采用隔離變壓器。二次電路帶 RC 濾波器，以防止由于輸入觸點(diǎn)抖動(dòng)或從輸入線路串入的電噪聲引