基于plc的太阳能热水工程水位测控系统设计(附件)【字数：15180】
摘 要早期的太阳能热水系统主要应用在家用热水器方面，由于其节能、绿色的特点，不管是城市还是农村，太阳能热水器都得到了非常广泛的使用，但是这些太阳能热水系统的应用对象主要都是单元性，零散的。而随着科技的发展，太阳能热水系统正朝着工程化的方向发展，这些面对单元型，零散的对象而开发的太阳能热水系统控制器并不能满足太阳能热水系统在工程化的过程中所碰到的各种问题，对于太阳能热水系统的控制器来说，这无疑是提出了新的挑战。在工程化的过程中，主要要解决的是传统的太阳能热水系统控制设备在系统稳定性、可扩展性、远程监控与人机交互等方面的不足。为了解决这些问题，本文提出了用PLC作为太阳能热水系统的控制器，辅以HMI触摸屏进行人机交互的太阳能热水工程水位测控方案。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1选题背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3太阳能热水工程市场分析 3
1.4设计的特点 3
第二章 太阳能热水系统热水器的组成及工作原理 5
2.1太阳能热水系统热水器的基本结构 5
2.2太阳能热水系统热水器的工作原理 6
2.3本设计要实现的功能 7
第三章 太阳能热水系统热水器硬件的选型和设计 9
3.1 PLC的工作原理 9
3.2硬件设备的选型 10
3.3太阳能热水器的整体设计 11
第四章 系统软件框架的构建 14
4.1系统的程序流程图 14
4.2系统的I/O口地址及相关的软元件功能设置 17
4.3设计控制系统的梯形图程序 19
第五章 调试及仿真 33
5.1人机界面的搭建 33
5.2程序仿真 34
结束语 36
致 谢 37
参考文献 38
第一章 绪 论
1.1选题背景
随着科技和经济的发展和进步，能源问题已经越来越成为全世界所共同关注的话题。由于使用传统能源，例如煤、石油、碳的燃烧会带来严重的温室效应，寻找一种绿色环保，可循环利用的新能源已经成为迫在眉睫的问题。太阳能以其 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
绿色环保、可持续发展等优势在众多的新能源中脱颖而出，并且迅速的引来全世界对于追求新能源的人们的目光。太阳能有四种基本的利用方式，第一种是光生物转换，绿色植物的光合作用就是利用了光生物转换，成功地将太阳能转换成生物能并存储在植物自身体内。第二种是光化学转换，光化学转换又被称之为光化学制氢转换，其本质就是将光的太阳辐射能转换成氢的化学自由能。第三种是光电转换，光电转换的原理是当光照射在物质上时，光中光子的能量将传递给物质中的电子，促使电子运动形成电流，人们常用硅作为太阳能光电转换的材料。第四种是光热转换，光热转换指的是用各种太阳能蓄热材料吸收太阳辐射，并把太阳辐射能集中起来转换为热能的技术。在上述所说的四种利用方式中，光热转换的技术是目前为止最成熟的，它所衍生出来的产品最多，它的制造成本相对来说也较低。而太阳能热水技术更是目前光热转换产品中最为成熟的，它产业化的进程也要领先于光伏电池、太阳能发电等技术一步。
太阳能热水技术不单单局限于作为热水器给家庭提供热水，还可用于工业、农业和养殖业等多方面，在工业热水、空调、采暖、农业种植、水产养殖、干燥、海水淡化等众多领域，都能看到太阳能热水技术的影子。而太阳能热水技术在这些领域的应用，更是对太阳能热水系统的控制器提出了更高的性能要求。
由此可见，太阳能热利用的发展前景非常地巨大，而作为技术最为成熟的太阳能热水系统，更是朝着工程化的方向在发展，本文就是以此为基础，希望设计出一套能够满足太阳能热水工程的水位测控方案。
1.2国内外研究现状
自改革开放以来，我国对于太阳能热水器的研究和发展非常迅速，目前已经成为了世界上的太阳能热水器生产强国，但是虽然生产力有所提升，我国对于太阳能热水系统控制器的研究却还是处于起步状态，一直原地踏步没有太大的进步。在整个热水器市场上，也没有一个有影响力的太阳能热水公司存在，技术上的不进步和标准的不完善，使得我国的太阳能热水工程控制系统没有一个统一的规范。而市场上各种各样的太阳能公司所研究的太阳能热水工程控制系统又有着自己的规范和标准，这让整个太阳能热水工程控制系统的研究和实现变得更加的无序。说到底，太阳能热水工程就是对水箱中的水位和温度进行控制，使得液位和温度达到人们所需要的理想参数。接下去再针对工程的需要加上一些辅助功能，来完成工程所要达到的要求。在我国，传统的太阳能热水系统控制器主要是以单片机为主，而对于水箱温度与水位的控制，则是通过在水箱中安装一个数字温度传感器和一个压力传感器来完成的。水箱中的数字温度传感器可以直接检测水箱中的水温，单片机接收到数字温度传感器传送的数字信号，可以通过单片机内部的处理直接在LED数码管上显示出当前的温度值。而压力传感器则是通过测量水箱的水压，再经过事先编程好的公式计算，得到水位的高低。但是这里的压力传感器所测得的是05V的模拟量，单片机只能处理数字量，所以这个模拟量要经过A/D转换才能变成单片机可以处理的数字量，经过A/D转换之后的数字量再通过单片机内部的处理在LED数码管上显示当前的水位值。单片机上有事先设置的按键，这些按键可以自由地设定人们想要的温度值，设定好温度值后，单片机内部会将当前传感器测得的温度值与设定好的温度值进行比较，进而控制电磁开关的闭合。对水箱内水位的控制也是通过按键来设定水位的上下限值，当压力传感器测得的水箱水位低于下限水位时，上水电磁阀打开，开始上水。压力传感器测得的水箱水位高于上限水位时，上水电磁阀闭合，停止上水。单片机内部还可以对温度和水位值进行实时的监控与检测，来达到控制的目的。但是以单片机为核心的太阳能热水系统控制器在操作的过程中比较复杂，对它的维护相对来说比较困难，联网性和扩展性也都较差，这些缺点使得在以单片机作为太阳能热水系统控制器时，太阳能热水系统在工程方面的应用、发展等方面都受到了非常大的限制。由于太阳能热水工程对于太阳能热水系统的控制器在智能控制、人机交互、远程监测、可靠性与扩展性等方面都提出了更高的性能要求，显然以单片机为核心的控制器并不能满足工程的需要。
国外的绝大部分太阳能热水工程都已采用自动控制，这其中又有相当多的太阳能热水工程已经能够根据太阳的辐照量对系统进行实时的监控。部分工程的控制方式也多种多样，包括多点控制，远程控制，或由能源公司进行管理的集中控制。用水量、太阳辐照量、热水温度、太阳辐照温度、蓄热和储热水箱温度、区域热网接入温度等，这些都是系统的主要监测数据。他们不仅仅用单片机作为控制器，相当一部分工程已开始采用PLC作为控制器，辅以触摸屏作为人机交互界面。太阳能热水工程的系统硬件电路主要由控制电路、模拟量电路及主电路组成。主电路通过PLC来控制各类交流接触器的通断，进而来控制各种电磁阀和水泵的打开与闭合，实现现场设备的控制。系统的输出继电器信号控制着泵阀接触器。热继电器触点的动合，可以当作水泵在工频运行情况下发热报警的输入信号。变频器报警指示灯与系统故障指示灯都能显示在触摸屏上达到实时监控。水箱水位与水温是模拟量信号，这些信号可以通过模拟量电路的处理再输入到PLC的模拟量模块中。模拟量模块可以再将信号以电流的形式输入到变频器的模拟量电流输入端，这些信号可以用来控制变频器的输出频率，来对水箱进行水位与温度控制，变频器的控制采用PLC内部的PID指令。以PLC为控制器很好地解决了在以单片机作为控制器时，所遇到的太阳能热水工程在智能控制、人机交互、可靠性、远程监测与扩展性等方面不能满足工程需要的问题。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1选题背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3太阳能热水工程市场分析 3
1.4设计的特点 3
第二章 太阳能热水系统热水器的组成及工作原理 5
2.1太阳能热水系统热水器的基本结构 5
2.2太阳能热水系统热水器的工作原理 6
2.3本设计要实现的功能 7
第三章 太阳能热水系统热水器硬件的选型和设计 9
3.1 PLC的工作原理 9
3.2硬件设备的选型 10
3.3太阳能热水器的整体设计 11
第四章 系统软件框架的构建 14
4.1系统的程序流程图 14
4.2系统的I/O口地址及相关的软元件功能设置 17
4.3设计控制系统的梯形图程序 19
第五章 调试及仿真 33
5.1人机界面的搭建 33
5.2程序仿真 34
结束语 36
致 谢 37
参考文献 38
第一章 绪 论
1.1选题背景
随着科技和经济的发展和进步，能源问题已经越来越成为全世界所共同关注的话题。由于使用传统能源，例如煤、石油、碳的燃烧会带来严重的温室效应，寻找一种绿色环保，可循环利用的新能源已经成为迫在眉睫的问题。太阳能以其 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
绿色环保、可持续发展等优势在众多的新能源中脱颖而出，并且迅速的引来全世界对于追求新能源的人们的目光。太阳能有四种基本的利用方式，第一种是光生物转换，绿色植物的光合作用就是利用了光生物转换，成功地将太阳能转换成生物能并存储在植物自身体内。第二种是光化学转换，光化学转换又被称之为光化学制氢转换，其本质就是将光的太阳辐射能转换成氢的化学自由能。第三种是光电转换，光电转换的原理是当光照射在物质上时，光中光子的能量将传递给物质中的电子，促使电子运动形成电流，人们常用硅作为太阳能光电转换的材料。第四种是光热转换，光热转换指的是用各种太阳能蓄热材料吸收太阳辐射，并把太阳辐射能集中起来转换为热能的技术。在上述所说的四种利用方式中，光热转换的技术是目前为止最成熟的，它所衍生出来的产品最多，它的制造成本相对来说也较低。而太阳能热水技术更是目前光热转换产品中最为成熟的，它产业化的进程也要领先于光伏电池、太阳能发电等技术一步。
太阳能热水技术不单单局限于作为热水器给家庭提供热水，还可用于工业、农业和养殖业等多方面，在工业热水、空调、采暖、农业种植、水产养殖、干燥、海水淡化等众多领域，都能看到太阳能热水技术的影子。而太阳能热水技术在这些领域的应用，更是对太阳能热水系统的控制器提出了更高的性能要求。
由此可见，太阳能热利用的发展前景非常地巨大，而作为技术最为成熟的太阳能热水系统，更是朝着工程化的方向在发展，本文就是以此为基础，希望设计出一套能够满足太阳能热水工程的水位测控方案。
1.2国内外研究现状
自改革开放以来，我国对于太阳能热水器的研究和发展非常迅速，目前已经成为了世界上的太阳能热水器生产强国，但是虽然生产力有所提升，我国对于太阳能热水系统控制器的研究却还是处于起步状态，一直原地踏步没有太大的进步。在整个热水器市场上，也没有一个有影响力的太阳能热水公司存在，技术上的不进步和标准的不完善，使得我国的太阳能热水工程控制系统没有一个统一的规范。而市场上各种各样的太阳能公司所研究的太阳能热水工程控制系统又有着自己的规范和标准，这让整个太阳能热水工程控制系统的研究和实现变得更加的无序。说到底，太阳能热水工程就是对水箱中的水位和温度进行控制，使得液位和温度达到人们所需要的理想参数。接下去再针对工程的需要加上一些辅助功能，来完成工程所要达到的要求。在我国，传统的太阳能热水系统控制器主要是以单片机为主，而对于水箱温度与水位的控制，则是通过在水箱中安装一个数字温度传感器和一个压力传感器来完成的。水箱中的数字温度传感器可以直接检测水箱中的水温，单片机接收到数字温度传感器传送的数字信号，可以通过单片机内部的处理直接在LED数码管上显示出当前的温度值。而压力传感器则是通过测量水箱的水压，再经过事先编程好的公式计算，得到水位的高低。但是这里的压力传感器所测得的是05V的模拟量，单片机只能处理数字量，所以这个模拟量要经过A/D转换才能变成单片机可以处理的数字量，经过A/D转换之后的数字量再通过单片机内部的处理在LED数码管上显示当前的水位值。单片机上有事先设置的按键，这些按键可以自由地设定人们想要的温度值，设定好温度值后，单片机内部会将当前传感器测得的温度值与设定好的温度值进行比较，进而控制电磁开关的闭合。对水箱内水位的控制也是通过按键来设定水位的上下限值，当压力传感器测得的水箱水位低于下限水位时，上水电磁阀打开，开始上水。压力传感器测得的水箱水位高于上限水位时，上水电磁阀闭合，停止上水。单片机内部还可以对温度和水位值进行实时的监控与检测，来达到控制的目的。但是以单片机为核心的太阳能热水系统控制器在操作的过程中比较复杂，对它的维护相对来说比较困难，联网性和扩展性也都较差，这些缺点使得在以单片机作为太阳能热水系统控制器时，太阳能热水系统在工程方面的应用、发展等方面都受到了非常大的限制。由于太阳能热水工程对于太阳能热水系统的控制器在智能控制、人机交互、远程监测、可靠性与扩展性等方面都提出了更高的性能要求，显然以单片机为核心的控制器并不能满足工程的需要。
国外的绝大部分太阳能热水工程都已采用自动控制，这其中又有相当多的太阳能热水工程已经能够根据太阳的辐照量对系统进行实时的监控。部分工程的控制方式也多种多样，包括多点控制，远程控制，或由能源公司进行管理的集中控制。用水量、太阳辐照量、热水温度、太阳辐照温度、蓄热和储热水箱温度、区域热网接入温度等，这些都是系统的主要监测数据。他们不仅仅用单片机作为控制器，相当一部分工程已开始采用PLC作为控制器，辅以触摸屏作为人机交互界面。太阳能热水工程的系统硬件电路主要由控制电路、模拟量电路及主电路组成。主电路通过PLC来控制各类交流接触器的通断，进而来控制各种电磁阀和水泵的打开与闭合，实现现场设备的控制。系统的输出继电器信号控制着泵阀接触器。热继电器触点的动合，可以当作水泵在工频运行情况下发热报警的输入信号。变频器报警指示灯与系统故障指示灯都能显示在触摸屏上达到实时监控。水箱水位与水温是模拟量信号，这些信号可以通过模拟量电路的处理再输入到PLC的模拟量模块中。模拟量模块可以再将信号以电流的形式输入到变频器的模拟量电流输入端，这些信号可以用来控制变频器的输出频率，来对水箱进行水位与温度控制，变频器的控制采用PLC内部的PID指令。以PLC为控制器很好地解决了在以单片机作为控制器时，所遇到的太阳能热水工程在智能控制、人机交互、可靠性、远程监测与扩展性等方面不能满足工程需要的问题。
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