【正文】 ence and system extension are also considerated. The content of this paper is divided into four parts. In the first part, the procedure of the system is established, and then the treatment flow chart is drawed out。 In the end, the electrical principle diagram and the interconnection diagram are drawn. Through the design of the solar water heater automatic control system, the ponents that is used in the solar water heater automatic control system are decreased. The performance of the system is lifted, and it has the feature such as simply interconnection, rapid and easy fault detecting and maintenance, and high reliability. In a word, the system bees more advanced because of my design. Keywords: PLC。 automatic control system。太陽能光熱應(yīng)用市場前景廣闊，除家庭用熱水外，還可用于工業(yè)熱水、采暖、空調(diào)、干燥、農(nóng)業(yè)種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、海 水淡化等領(lǐng)域。 在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了全玻璃真空管式熱水器的自動控制系統(tǒng)。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(dāng)多，而且其常開常閉觸點可多次重復(fù)使用，使得我們在編程中可以隨心所欲。 目前，我國大部分太陽能熱水器控制部分，往往需要大量的中間繼電器和時間繼電器來滿足生產(chǎn)工藝要求，結(jié)果使電路設(shè)計復(fù)雜、繁瑣，故障時有發(fā)生，給使用和日常維護帶來了很大的不便。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。通過改進或完善已有太陽能熱水器控制系統(tǒng)的不足，設(shè)計開發(fā)新型太陽能熱水控制系統(tǒng) —基于 PLC 的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)。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(chǎn)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。太陽熱水器，尤其是太陽熱水系統(tǒng)及其控制器有著廣闊的發(fā)展前景，但現(xiàn)有的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)投入較少。 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。到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，人們創(chuàng)造了各式各樣被統(tǒng)稱為 “悶曬式 ”的太陽能熱水器。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(jīng)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)。到上世紀 70 年代末，太陽熱水器的開發(fā)利用在美國、澳大利亞、日本、德國、以色列等國家得到了很大的發(fā)展 .在隨后的十幾年里，平板集熱器型太陽熱水器的推廣應(yīng)用在一 些國家得到了較快的發(fā)展。當(dāng)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(shù)，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(shù)水平大大提高了一大步。在全玻璃真空管太陽能熱水器的基礎(chǔ)， 為進一步提高效率，提高性能，德國研制出熱管式真空管太陽熱水器，一些國家研制出了一些高質(zhì)量的太陽熱水器專用零部件，另一些國家為優(yōu)化設(shè)計專門開發(fā)了用于太陽能熱水器的應(yīng)用軟件。在西方先進國家，在太陽能熱水器方面的研發(fā)和推廣應(yīng)用一直比較活躍 [2]。由它可以派生出許多同類熱水器，如翅翼型、波紋板型、塑料壓制型等等，但它們的集熱基 本原理都一樣。熱水輕，向上升。水箱中的水通過集熱器的循環(huán)加溫，逐步達到平衡，則不再流動。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(yīng)用。當(dāng)太陽照射到集熱器時，集熱器板上水道中的水被加熱而發(fā)生膨脹、變輕、產(chǎn)生“水往高處流”的現(xiàn)象，就像熱煙氣從煙囪中冒出一樣，這就是所謂的“熱虹吸”現(xiàn)象，系統(tǒng)中水流的循 環(huán)運動完全依靠自身各部位溫度不同而形成自然循環(huán)，即只要有太陽照射，就能實現(xiàn)這種循環(huán)。再經(jīng)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。 這種集熱器的優(yōu)點是： 工藝不復(fù)雜，加工成本低。 水流系統(tǒng)常壓運行，無需帶壓設(shè)備，沒有任何安全隱患。 缺點： 由于白天、晚上的溫度不同，集熱器易產(chǎn)生倒流。 在冬季低于 0℃時，因集熱器中的水結(jié)冰膨脹，將管子脹裂。 全玻璃真空管式熱水器 全玻璃真空管式太陽能熱水器是在平板型太陽集熱器的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型太陽能集熱裝置。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(nèi)、罩玻璃管環(huán)形熔封在一起。 這種集熱器的優(yōu)點是： 結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、可靠性強。 4 可以在中高溫下運行，也能在寒冷地區(qū)的冬季運行。 缺點： 管內(nèi)存水過多，管內(nèi)水溫上升緩慢，而且對于真空管南北放置的熱水裝置，管中的熱水無法全部取出，致使系統(tǒng)熱水利 用率降低。 價格昂貴。但是，由于一般提供洗浴用的熱水溫度不太高，所以對熱管的要求也比太陽灶要低。我國大連生產(chǎn)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。此種熱水器的 熱管，結(jié)構(gòu)簡單，工質(zhì)易得，抗凍性和熱效率均好，使用壽命也長。當(dāng)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。同時，因為熱管內(nèi)的工質(zhì)很少，不像管板式熱水器里面充滿著水，所以熱損較低，起動也較快。 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。但真空管集熱器的優(yōu)點在于絕熱性好，熱效率高。蒸汽上升到熱管冷凝段后，通過導(dǎo)熱塊將熱量傳遞給集熱管內(nèi)的工質(zhì)，而自身又凝結(jié)成液體，依靠重力流回蒸發(fā)段。由于運用了真空技術(shù)，大幅度降低了集熱器的熱損失，因而使其在高工質(zhì)溫度或低環(huán)境溫度的運行條件下仍具有良好的熱性能，同時運用了熱管技術(shù)，被加熱工質(zhì)不直接流經(jīng)真空管，因而跟普通平板式集熱器和真空管集熱器比較，熱管式真空集熱器除了工作溫度高，承壓能力大和耐熱沖擊性能好等優(yōu)點，還有其顯著特點 [5]。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。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。安裝方便，操作簡單，易于固定，運行可靠。 技術(shù)要求高。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。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。 3）設(shè)計、繪制梯形圖，滿足各控制要求。 5）依據(jù)設(shè)計要求調(diào)試系統(tǒng)成功。 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。 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)。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。否則，電加熱斷開。由此可見，即使沒有日照我們照樣可以洗上熱水澡了。這類熱水的特點是用水量較大而水溫不高，一般為 400C ~600C。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。 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。下圖為典型的熱水器裝置簡圖。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。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。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]。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。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。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。 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。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。一般地，支管的半徑應(yīng)在 10mm 以上。 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。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”。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。但要熱水器運行起來，還得配置適當(dāng)?shù)墓艿溃瑢⒓療崞髋c水箱有機的連接起來，才能形成一個完整的循環(huán)系統(tǒng)。 熱水器水箱及水箱配置 水箱是熱水器重要組成部分。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。 循環(huán)水箱的下部均裝有冷水進水 擋板。 2）補給水箱 補給水箱是供給冷水的水箱。而是通過補給水箱來補給。 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。而采用人工放水時，熱水出水口位置應(yīng)較低。一般人工放水一天中 12 次。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)。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。 工作為 6～ 18 h。 除塵功能。除塵 用一個電磁閥連續(xù)工作 2 min。水箱 200 L ,液位控制在 180 L 。 報警功能。 節(jié)水功能。 可實現(xiàn)手動 /自動控制切換。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。 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。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]。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。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。 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。 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。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]。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)。 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。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。 可編程控制器的的特點 通用性強 ,使用方便。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。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。 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。大多數(shù)用戶都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。硬 13 件方面 ,隔離是抗干擾的主要措施之一。軟件方面 ,設(shè)置故障檢測與診斷程序。 編程方法簡單 ,容易掌握 PLC 配備有易于接受和掌握的梯形圖語言。 控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試和維修方便。 PLC 的用戶程序大都可以在實驗室模擬調(diào)