【正文】 其他硬件的選型 ............................................................................................. 15 太陽能熱水器的整體設(shè)計 ........................................................................................ 18 PID 閉環(huán)控制 .................................................................................................. 18 PLC 與外部設(shè)備 連接方案 ............................................................................. 20 水工藝流程設(shè)計 ............................................................................................. 22 第 4 章 系統(tǒng)軟件框架的構(gòu)建與系統(tǒng)仿真 ............................................................................ 23 系統(tǒng)的 I/O 口 地址及相關(guān)的軟元件功能設(shè)置 ......................................................... 23 系統(tǒng)的程序流程圖 .................................................................................................... 25 設(shè)計控制系統(tǒng)的梯形圖程序 .................................................................................... 28 系統(tǒng)仿真 .................................................................................................................... 35 組態(tài)人機界面 ............................................................................................................ 39 第 5 章 結(jié)論 ............................................................................................................................ 42 參考文獻 .................................................................................................................................. 43 致 謝 .................................................................................................................................. 45 附 錄 S7200 仿真監(jiān)控圖 ............................................................................................... 46 沈陽 工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 緒論 課題研究的背景 太陽能（ Solar Energy），一般是指太陽光的輻射能量，太陽能是一種可再生能源，廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風(fēng)能，生物質(zhì)能，潮汐能、水的勢能等等。在四類太陽能利用方式中，光 — 熱轉(zhuǎn)換的技術(shù)最成熟，產(chǎn)品也最多，成本相對較低。太陽能光熱發(fā)電比光伏發(fā)電的太陽能轉(zhuǎn)化效率較高，但 應(yīng)用還不普遍。 當(dāng)今世界能源問題已經(jīng)成為一個普遍性的問題，能源關(guān)乎著國家的安全，誰掌握了世界上的能源誰就掌握了國際事務(wù)的話語權(quán)，誰就有了國家經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，誰就有了同其他國家相抗衡的資本。眾所周知，太陽能是取之不盡，用之不竭，沒有污染的巨大能源。有人預(yù)測：二十一世紀太陽能將由輔助能源上升為主要能源 [2]。 太陽能熱水器是技術(shù)上比較成熟、造價比較低廉 ，同時由于給人民提供絕對安全的熱水而受到人們的歡迎，且具有節(jié)能、環(huán)保、安全、便利、長久等優(yōu)點，因此它的應(yīng)用會越來越廣。而農(nóng)村 60%左右的村民仍然依靠燃料秸稈、薪柴為主做沈陽 工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 飯和燒水，它不僅造成空氣污染，而且還嚴重破壞植被，威脅生態(tài)環(huán)境。太陽能無污染、無運輸、無壟斷、 “ 取之不盡、用之不竭 ” ，是最有發(fā)展前途的可再生 能源。 圖 11 太陽能熱水器 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀簡述 在世界范圍內(nèi)，世界上第一臺太陽能熱水器在 100 多年前誕生于美國，它是一種悶曬式熱水器 [4]。現(xiàn)今，絕大多數(shù)的涂層太陽光吸收比可達 以上，優(yōu)質(zhì)的平板式 太陽能 一般應(yīng)具備以下幾個特點：銅管加鋁翼 吸熱體、低鐵蓋板玻璃、良好的密封、采用選擇性磁控濺射涂層等； 第三代， 真空管 式 太陽能 熱水器，平板式 太陽能 采用鋁等邊框加玻璃蓋板對吸熱體進 行圍護，在寒冷的冬季，熱散發(fā)很大，基本沒有熱水可用，真空管式 太陽能 熱水器可以良好地解決這個問題，采用雙層高硼硅玻璃管 (類似水瓶膽原理 )作為吸熱體 ,成功解決了平板 太陽能 熱水的散熱問題； 第四代，超導(dǎo)熱管式 太陽能 熱水器，玻璃真空管式 太陽能 熱水器在夏季水溫高，一般購買 太陽能 熱水器以冬季新產(chǎn)熱進行選購，夏季熱水用不完，自來水在 75℃ 易結(jié)水垢，很多 太陽能 熱水器在夏季就像是一臺開水器，二三年下來，在管壁就結(jié)上一層水垢，阻礙了對陽光的吸收，大大降低 太陽能 熱水器的水溫，超導(dǎo)熱管式 太陽能 熱水器采用真空管加超導(dǎo)銅管和鋁片作為熱的傳導(dǎo)體，水不直接流經(jīng)真空管，從而使真空管的性能基本恒定，但采用較多的銅材，價格相對較高。目前其產(chǎn)品的發(fā)展方向仍注重提高集熱器的效率，如將透明 隔熱材料應(yīng)用于集熱器的蓋板與吸熱間的隔層，以減少熱量損失，聚脂薄膜的透明蜂窩已在德國和以色列批量生產(chǎn)。預(yù)計到 2020 年，中國的每個城鎮(zhèn)竣工面積將繼續(xù)保持在十億平方米左右， 15 年間新增城鎮(zhèn)民用建筑面積總量將為 150 億平方米，加上現(xiàn)有建筑面積總面積將達到 280 億平方米以上，建筑的能源消耗大幅增加，不可沈陽 工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 避免 [6]。 據(jù)中國節(jié)能協(xié)會節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)委員會統(tǒng)計，中國的建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在2020 年接近 300 億元， 2020 年達到 664 億元人民幣的規(guī)模，由此可見，建筑節(jié)能服務(wù) 市場 是巨大的。 但從我國城鎮(zhèn)家庭生活熱水供應(yīng)率上來看，我國城鎮(zhèn)家庭目前的生活熱水供應(yīng)率僅為 67%，平均每戶熱水用能僅 80~130kWh/戶年，與日本的每戶平均熱水用能 1404kWh/戶年比，相差十倍，人均用熱水量遠低于發(fā)達國家 [7]。全面開發(fā)各種太陽能熱水系統(tǒng)，是我國城市化進程太陽能熱利用的必由之路。在電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天，有必要而且有可能采用新技術(shù)對原電氣控制系統(tǒng)進行改造，以提高可靠性，并實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，提高太陽能熱水器穩(wěn)定性。用內(nèi)部編程“軟元件”取代繼電器邏輯控制電路中大量的時間繼電器和中間繼電器，簡 化控制線路、有效提高系統(tǒng)的可靠性，是 PLC 的突出特點 [8]。 全文分五大部分。第二部分包括第二章，描述太陽能熱水器系統(tǒng)的組成及工作原理。第四部分包括第四，完成軟件的設(shè)計及仿真 ，組態(tài)人工界面 。 沈陽 工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 2 章 太陽能熱水器的組成及工作原理 太陽能熱水器的基本結(jié)構(gòu) 太陽能熱水器按使用分類，可分為季節(jié)性熱水器、全年性熱水器以及有輔助熱源的全天候太陽能熱水器。按工質(zhì)流動方式不同，又可分為悶曬型、循環(huán)型和直流型三種。 儲水箱S 7 200集熱器排氣管上水電磁閥支架三通調(diào)節(jié)閥循環(huán)泵洗浴電磁閥溫度傳感器溫度傳感器溫度傳感器排空閥 圖 21 太陽能熱水器的基本結(jié)構(gòu)圖 (1) 太陽能集熱器： 系統(tǒng)中的集熱元件。和電熱水器、燃氣熱水器不同的是，太陽能集熱器利用的是太陽的輻射熱量，故而加熱時間只能在太陽照射度達到一定值的時候。結(jié)構(gòu)分為外管、內(nèi)沈陽 工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 管，在內(nèi)管外壁鍍有選擇性吸收涂層。全玻璃太陽能集熱真空管一般為高硼硅 特硬玻璃制造，選擇性吸熱膜采用真空濺射選擇性鍍膜工藝 [10]。貯水箱主要組成部 分為水箱內(nèi)膽、保溫層、水箱外殼、密封圈四部分。目前市場上出售的產(chǎn)品，其水箱內(nèi)膽主要有 厚 3042B 不銹鋼，它無磁性、抗銹蝕、焊接性好，塑性好。水箱的熱特性包括放熱特性、加熱特性、保溫特性。加熱特性是大多數(shù)水箱內(nèi)的水是上部先熱起來，然后下部再慢慢熱起來。 (3) 支撐架： 太陽能熱水器的支撐架主要由反尾座及主撐架組成。市場上有手機短信控制的智能化太陽能熱水器，具有水位水位查詢、故障報警、啟動上水、關(guān)閉上水、啟動電加熱等功能，方便了用戶 (5) 其它部件： 熱水器的密封圈除具有密封性好、耐高溫、壽命長等性能外，還應(yīng)不溶于水，否則食用后會對人體有害。 沈陽 工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)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(yīng)把水加熱的裝置。溫室效應(yīng)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]。利用聚積的高溫來加熱水，就是太陽能熱水器。 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]。 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)。 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。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]。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。 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(shè)置，可高于集熱器，也可低于集熱器。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(dǎo)熱介質(zhì)或防凍液，靠循環(huán)泵進行循環(huán) [15]。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)。 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]。 沈陽 工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 本設(shè)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(guān)來不斷的檢測儲水箱內(nèi)的水位， 當(dāng)水箱內(nèi)的水位低 設(shè)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(dāng)水位上升到 設(shè)定值上限 時， 高液位指示燈點亮， 上水閥 自動 關(guān)閉，加水停止。 (3) 輔助電加熱功能 儲水箱里的溫度傳感器帶顯示功能，設(shè)定一個儲水箱水溫度上下限值當(dāng)溫度低于設(shè)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(dāng)達到溫度上限時電加熱停止，以達到全天候不間斷供應(yīng)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。 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(biāo)準(zhǔn)要求，避免水溫的不穩(wěn)定對人身造成的傷害。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。為了調(diào)試系統(tǒng)的需要，這些手動程序也是必要的。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。 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。 PLC 的典型的循環(huán)順序掃描土作過程如圖 31 所示。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。進行一個掃描周期所需的時間稱為一個掃描周期時間。 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。 S7200 PLC 的強大功能使其無論單機運行，或連成網(wǎng)絡(luò)