基于PLC的太阳能热水器控制系统的设计

基于PLC的太阳能热水器控制系统的设计

摘要：随着我们国家的经济水平不断地发展，居民的生活水平得到了极大的进步，人均消耗的资源也越来越多。而目前我国资源匮乏，新能源太阳能的发展受到了许多的关注，在我们日常的生活中，太阳能热水器的普及度非常的广。太阳能热水在一定程度上提高了人民的生活质量，但是在功能上并不能够完全实现节能智能化。基于此本文提出基于PLC的智能热水器的控制系统。本设计考虑到了太阳能热水器实际的工作状况，解析了太阳能热水器工作的原理，集合传感器和PLC的特点，设计一种基于PLC的热水器智能的控制系统。本文完成了对系统硬件的设计，程序的编写和模拟的仿真。本次设计使用的PLC为三菱FX2N-32MR，并且利用软件GX Word2软件进行梯形图程序的编写，然后通过MCGS软件进行了组态仿真。能够实现对太阳能热水器温度的控制、自动上水的控制和手动和自动的切换等功能。仿真则验证了本次设计的可行性与有效性。

关键词：太阳能热水器； PLC；精准控制；MCGS

第一章绪论 4

1.1选题的目的和意义 4

1.2国内外研究现状简述 4

1.3本设计主要内容 6

第二章工作原理及总体设计方案 7

2.1太阳能热水器的基本结构 7

2.2太阳能热水器的工作原理 8

2.3太阳能热水器类型选择 10

2.4总体设计方案 10

第三章硬件设计 11

3.1 PLC电路设计 11

3.1.1 PLC 工作过程 11

3.1.2 PLC的选型原则 12

3.1.3 FX2N-32MR简介 11

3.2硬件总体设计 14

3.3PLC的I/O分配 15

第四章软件设计及仿真 16

4.1软件流程图 16

4.1.1水循环流程图 16

4.1.2自动上水流程图 16

4.1.3辅热程序流程图 18

4.2组态仿真 19

4.2.1 MCGS的简介 19

4.2.2 MCGS的构成 19

4.2.3工程的建立 20

4.2.4变量的分配及定义 20

4.2.5循环策略 21

4.2.6组态运行 22

总结与张望 27

致谢 28

参考文献 29

附录梯形图 30

第一章绪论

1.1、选题的目的和意义

目前世界上出现了比较严峻的能源危机，我国虽然号称是地大物博但是实际上一旦考虑人均，我国实实在在是能源匮乏国。特别是关于我国在近二十几年的发展是高耗能低效率的劳动密集型产业，造成的能源损耗是十分巨大的。然而并没有带来与之相当的经济效益。这是基本国情决定的，但是这个问题已经引起了重视，我国目前正在经济转型的关键年头，逐步从劳动密集型高耗能的发展模式转型至可持续性科技含量高的经济发展模式。传统的化石能源迟早有耗尽的一天，新能源技术是未来的发展趋势也是必然的选择。在新能源中太阳能是比较干净，开发历史较早的一种清洁可持续能源。新能源的确定是存在不确定性，在工业中使用的还是少量，太阳能使用比较多存在民间。比如说太阳能热水器就得到了极广泛的应用，由于政府政策支持，人民在购买太阳能热水器还有国家补助等相关政策，为太阳能热水器的推广做出了巨大的贡献，特别是在农村，农村住宅一家一户的庭院结构为安装太阳能热水器提供了物质基础。

随着电子、科技的飞速发展，目前电器智能化是一种必然的大趋势。然而市场上也出现了一些智能家居的产品和系统，有许多公司在从事该方面的工作，但是价格相对来说是有些偏高。在普通家庭面对高价格的智能家居只能是望洋兴叹。主要的原因还有就是并不是功能越多，智能系统越复杂越好。在市场上通过研究表明，在安装了智能家居的第一批用户多多少少都有些感觉智能家居系统如同鸡肋，一方面是智能家居的思想和生活习惯还没有深入人心，另一方面许多人感觉现有的智能家居的大部分功能并没有什么用。

本文基于此，利用PLC设计了一种太阳能热水器的智能控制系统，具有一定的实用价值。

1.2、国内外研究现状简述

我国古代利用太阳能是最早使用太阳能的国家，但是我国近代科技发展比较落后，1958年才在国内有使用太阳能热水器。在上一个世纪的70年代我国在沿海地区大力推广了太阳能的研发，许多的公司在该时期研制了很多关于太阳能热水器方案，并在市场上得到了小规模的使用和推广。在1988年，国外公司在我国投入了铜铝复合（SUNSTRIP）生产线；在上一个世纪的90年代，我国终于有了一套成熟的太阳能热水器的整套工业线路，目前我国的太阳能热水器已经向智能化方向发展 [3,4]。

在上一个世纪的70年代太阳能热水器就得到了应用和推广，初期的太阳能热水器由于技术比较落后，因此生产的数量非常的少，并没有得到大规模的使用。后来我国也从美国引进了相应的生产线，再加上我国科研人员的不断研发，克服了许多的问题。我国也逐步形成了拥有自主知识产权的生产线，且价格更加便宜，具有非常大的市场竞争力，质量国际一流，产量世界第一。

在高性能的真空管集热器研究方面，清华大学是佼佼者，所研发的产品外部管道和拉长的暖瓶一样，内管上则是首次使用了特质涂层，结构简单且效果良好。采用该结构的全玻璃真空管型集热器在我国已经可以量产，并且已经实现了产业化。我国生产的产品性能好价格低，在我国的大力政府政策的支持下，得到了大规模的出口，在全球的有较高的市场占有率 [5]。

总体来说太阳能热水器从初期到现在成熟智能化经过了以下结果过程：

（1）传统简单实用型。起初的太阳能热水器是非常简单可以说是比较简陋的，只是在屋顶上方设置一个用深色将其涂抹过的铁水桶，用来吸收太阳能加热水。

（2）平板式。该种结构是利用中心铜管外加两翼铝或者铝铜合金作为吸热体，涂膜材料也不再是黑色油漆而是使用对太阳能有更强吸收能力的氮化铝/铝等涂层。现在随着材料科学的进步，目前的最新的涂层对太阳光的吸收率都能够超过90%，想要提高平板式的性能一般会采用下面几种方法：改善密封、提高涂层性能等；

（3）真空管式。平板式由于是使用两翼铝，在夏天是增加了吸收太阳能的面积，但是在夜晚和冬天也变相的增加了散热。特别是在冬天基本是没有热水可以用。因此又出现了真空管式太阳能，该种结构是使用双层高硼硅玻璃管(类似水瓶胆原理)作为吸热体,能够大大的减少散热，一定程度上部分解决了冬天无热水可用的问题；

（4）超导热管式，真空管式在夏季的时候水温会比较的高，热水一般是用不完的，由于水中含有矿物质在75摄氏度以上的温度就会产生水垢，时间一久就会在管壁出现一层较厚的水垢，就导致了热水器不好使。而超导热管式利用真空管加超导铜管和铝片作为热的传导体，水是不会直接流经真空管，这样就能够保证了真空管不会受到水垢的影响。但是由于在结构中使用了更多的铜，就导致了其成本增加。

近一个小世纪的不断发展下，现在太阳能热水器技术已经得到了飞跃的发展，可以说是相当的成熟了。未来的发展方向就是如何提高集热器的效率，如何智能化。有效的解决冬天有热水难的问题和更加智能化。

目前能源形势不容乐观，在大的国际环境下，各个国家都在关注着新能源的研发，太阳能是其中之一，太阳能热水器可以说是其中最为成熟的产业[6]。我国的太阳能利用虽然发展的比较的晚，但是后来者居上，加上我国政府的大力支持和对农村家电下乡的优惠，都使得太阳能热水器在我国农村取得了大力的发展。

1.3、本设计主要内容

本次设计是基于PLC的太阳能热水器智能控制系统[8-9]，其最为主要的功能就是要实现对水温的精确控制 [10]。还有一个比较重要的功能就是要实现对液位的监控及控制。如果在储水箱水位比较低的时候就要及时加水。在实际需求中如果是在阴雨天就会导致水温不够，那么就会造成不便。因此本文再设计的时候考虑到实际的需求，因此在没有太阳的时候就使用辅助电加热这就能够有效的解决上述问题。当然热水器也并不能一直是处于加热状态，为了避免不必要的浪费。本文设计的太阳能控制系统自身具有手动和自动两个工作模式。有效的节省能源并且能够为人们带来方便。

本次论文的具体章节的安排如下：

（1）简单地分析了课题的研究背景及意义，介绍了国内外太阳能热水器相关的发展状况。

（2）从结构上分析了常见的太阳能热水器组成部分及工作原理，为设计控制系统打下理论基础。

（3）规划并设计太阳能热水器PLC控制系统的硬件设计方案。

（4）完成软件并利用组态软件进行模拟仿真

（5）总结本次论文的工作，对未来的发展做出展望。

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