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1、-太阳能锅炉测控仪的设计_毕业设计说明书-第 37 页本科生毕业设计说明说（毕业论文）题 目：太阳能锅炉测控仪的设计太阳能锅炉测控仪的设计摘要本文旨在设计一种基于PLC的太阳能锅炉热水的测控系统。PLC技术广泛应用于各种自动化领域，本设计采用西门子PLC S7-200 CPU226挂载EM231模拟量扩展模块和EM222数字量扩展模块加上LED显示屏、传感器、控制面板等组成太阳能锅炉的测控系统，能为太阳能锅炉的控制监测系统提供安全可靠的保障。本设计有两重要部分：第一部分：太阳能锅炉测控系统的硬件设计；包括PLC、扩展模块、传感器等器件的选型以及PLC的接线、LED屏、控制面板的设计等。第二部分
2、：太阳能锅炉测控系统的软件设计；包括系统的控制思路和手动控制程序、上水程序、温差循环程序、锅炉辅助加热程序、防冻程序、报警程序等程序流程图。关键词：太阳能锅炉；PLC S7-200；测控仪Design Of Solar Energy Boiler Control InstrumentAbstractThis article aims to design a control system of solar hot water boiler based on PLC. Automation in the field of PLC technology is widely used in indus
3、try, measure and control system of the design adopts Siemens PLC S7-200 CPU226 mount EM231 analog expansion module and EM222 digital quantity expansion module and LED display, sensor, control panel solar boiler, control and monitoring system for solar energy boiler to provide safe and reliable guara
4、ntee.This article has two important parts:The first part: the hardware design of solar energy boiler control system; including the selection and PLC , expansion module, sensor devices such as wiring, LED screen, control panel design.The second part: the software design of solar energy boiler control
5、 system; including the control idea and manual control program, system program, Sheung Shui temperature cycle program, boiler auxiliary heating program, antifreeze procedure, alarm program flow chart of the program.Keywords: Solar energy boiler;PLC S7-200;Measurement and control instrument目录摘要IAbstr
6、actII第一章 引言11.1 研究背景：11.2 课题的目的及意义11.3 国内外发展现状及前景21.3.1 我国太阳能锅炉发展现状与前景21.3.2 国外太阳能锅炉发展现状几前景31.4 本章小结4第二章 太阳能锅炉的综述52.1 太阳能锅炉的介绍52.2 太阳能锅炉的构造组成62.3 太阳能锅炉适用范围72.4 太阳能锅炉供热水的方案与选择82.4.1 几种典型的太阳能热水系统性能对比82.4.2 系统运行方式的选择92.4.3 防冻系统的比较与选择112.5 太阳能锅炉系统工作原理122.5.1 热管真空管122.5.2 太阳能锅炉系统的总体设计132.6 系统要求152.7 本章小结
7、17第三章 太阳能锅炉测控系统硬件设计183.1 可编程控制器PLC的选择183.1.1 PLC的介绍及应用领域183.1.2 可编程控制器应用领域213.1.3 西门子S7-200介绍233.1.4 EM231 模拟量输入模块253.1.5 EM 222 数字量输出模块263.1.6 74LS48译码驱动263.2 LED七段数码显示管263.3 传感器的选择283.4 测控系统的硬件设计303.4.1 PLC接线303.4.2 测控仪控制面板示意图343.5 本章小结35第四章 太阳能锅炉测控系统软件设计374.1 主程序设计374.1.1 主程序工作过程374.1.2 主程序流程图384
8、.2 手动控制程序流程图394.3 控制程序子程序流程图404.3.1 水位控制上水子程序流程图404.3.2 温差循环子程序流程图414.3.3 锅炉辅助加热子程序流程图424.3.4 低温防冻子程序流程图434.3.5 报警子程序流程图444.4 系统的模拟量内存地址分配和I / O 口地址分配454.5 本章小结48第五章 结束语49参考文献50致谢51附录A 循环水泵控制主回路图52附录B PLC程序53第一章 引言1.1 研究背景：能源是人类社会发展的物质基础，是国民经济发展的重要保障，但是随着社会的发展，能源的紧缺已经成为了不可避免的严峻问题。目前化石燃料在人类社会的发展中依旧占据
9、着绝对的主导地位，以煤炭、石油、天然气为主的化石能源不仅给环境造成了极大的污染，而且属于不可再生能源，终究会有耗尽的一天。能源紧缺及环境的污染问题越来越引起人们的重视。因此，能源的节约和开发可再生的新型能源能源已经成为世界各国的当务之急。在可再生能源中，太阳能最为丰富，几乎取之不尽、用之不竭，太阳在每秒时间里辐射到地球表面的光的能量约为17万亿kW。相当于目前全世界年能源总使用量的3.5万倍。人们在不断大力的开发新兴能源，而太阳能作为新型能源中的佼佼者，因为太阳能几乎是“取之不尽，用之不竭”在世界范围内，太阳能热水设备技术已经很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断的冲击电热水器市场和燃气热
10、水器市场。使用最广泛的是太阳能热水器，而太阳能热水器所能提供的热水量较小，不适于需水量较大的用户单位；太阳能锅炉则能弥补太阳能热水器的这一缺点。1.2 课题的目的及意义目前，中国已成为世界上最大的太阳能热水设备生产国及使用国。年产量约为世界各国之和，已有一百多家太阳能热水器设备生产厂。但是与之配套的太阳能热水控制器却一直处在研究与开发阶段。大型太阳能锅炉主要由集热器组合、循环管道、水箱、辅助设施组成，其相对比普通太阳能热水器要复杂，要完成很多不同的控制过程，需要完成这一系列控制需要一个可靠智能的控制系统。PLC 是工业自动化领域最为广泛应用的技术之一，在各种各样的控制系统中得到了普遍的应用，它
11、具有稳定可靠的性能，强大的功能和高效方便的硬件装配接线和软件编程调试方法，为太阳能锅炉温度、水位等控制系统提供了有效可靠的保证。因此研究基于PLC的太阳能锅炉测控系统具有极其重要的意义。其中主要的测量设备是温度传感器，根据他的数据来控制整个锅炉系统。气候和时间也是影响太阳能利用的重要条件，所以控制过程也要依据不同时间和气候状况下的控制方式。从而使太阳能锅炉能任何时候都可靠提供热水。太阳能是环保、无污染的新型能源。利用太阳的能源，能大量节约现有的能源，是以后能源发展的趋势。原有的燃气热水器和电热水器虽然加热速度比较快，但是所用的煤和气都会对环境造成一定的污染，而且会使室内的空气变得不清新，电热水
12、器的功率较大，对长期使用的一般家庭来说必定会带来一定的经济困难，是一笔相当大的开销。太阳能热水安全、环保、经济，带有辅助加热功能的太能能锅炉可在全年的任何时候使用，设计一个安全可靠的测控设备来帮助人们监测控制太阳能锅炉，让人们更加方便、更加安全地使用太阳能锅炉。1.3 国内外发展现状及前景1.3.1 我国太阳能锅炉发展现状与前景现状：随着太阳能的利用领域这些年来在我国越来越受到重视，太阳能热水设备这一行业在我国发展十分的迅速，在生产量上我国虽然已经成为了世界上最大的太阳热水设备生产国，但是与太阳能热水器系统匹配的控制器，也就是测控系统却还一直处于滞后阶段。近年来，太阳能热水的应用越来越受到重视
13、，热水工程化应用的步伐越来越快。我国市场上有了很多种太阳能热水设备控制器，但很多的控制器性能并不太稳定，水位检测、温度检测、控制误差大，容易操作失误引发安全问题；太阳能的利用率较低是我国现在很多太阳能热水设备的通病，达不到节约能源的目的。还有的一些显示器有时显示不太准确；与太阳能锅炉不能很好配合等诸多问题。前景：太阳能锅炉及其测控系统的发展前景十分广阔，据统计显示全球在2010年时累计安装面积为2.46亿平方米，我国占比64%；全球新增装机量为3300万平方米，我国装机量2500万平方米，占了新增量的80%，同年德国排第二，但是仅占3.1%。我国的太阳能热水设备虽然生产量高居世界第一，但是在技
14、术研究和产品开发方面的投入还是比较小的。因此，在太阳锅炉系统、测控系统方面，我国还应投入更多的研究开发，研制更加节能、更加便捷高效的热水设备。1.3.2 国外太阳能锅炉发展现状几前景现状：根据国际能源机构发布的数据，2004年，全球新增太阳能热水器安装量为1918万平方米，包括无盖板集热器90万平方米、平板型太阳能热水器513万平方米，真空管太阳能集热器1213万平方米。到2004年底，全球太阳能热水器总安装量达到了14059万平方米，包括无盖板集热器3302万平方米、平板型太阳能集热器4883万平方米，真空管太阳能热水器5757万平方米。2004年全球太阳能热水器提供的热量相当于581亿千瓦
15、时电力（209.220TJ），年减排CO22540万吨。到2004年底，共有10个国家的太阳能热水器安装量超过200万平方米，他们分别是中国（6200万平方米）、美国（2863万平方米）、日本（773万平方米）、土耳其（728万平方米）、德国（648万平方米）、以色列（480万平方米）、澳大利亚（475万平方米）、希腊（299万平方米）、奥地利（277万平方米）、巴西（227万平方米）。1999年至2004年，真空管太阳能热水器和平板型太阳能热水器市场在中国、澳大利亚、新西兰以及欧洲都增长迅速。中国年均增长率为25%，澳大利亚和新西兰为19%，欧洲为13%。用于游泳池加热的无盖板太阳能热水器年
16、安装量在1999至2002年保持了增长的态势，2003年稍有回落，2004年又恢复增长的态势。1975 年美国欧文斯伊利诺依公司发明了采用了高真空技术、全玻璃真空管太阳集热器并推向市场。普通平板式太阳集热器的热损失比全玻璃真空管太阳集热器的热损失比高两个数量级，当时，集热管的选择性吸收涂层的平场阳光吸收率约为83%，因而太阳能热利用技术水平大大的提升了。前景：目前，在太阳能热水设备领域技术领先的有欧洲、日本，美国等，中国目前的产品同欧美发达国家相比在产品质量、外观设计、系统安全性、稳定性上都还有一定的差距。而中国又是世界上最大的太阳能热水设备的生产国、消费国。中国对太阳能热水设备的极大的消费能
17、力，使得其市场前景很广阔。现在国际上的一些国家已经设计和进行安装了许多种太阳能组合系统，并且有一大部分都已销向市场，并且在逐步扩大其市场的占有率。相信在不就得将来，太阳能热水领域将发展的越来越好，技术越来越先进。1.4 本章小结本章详细地介绍了课题研究的背景、研究的目的和意义，同时还介绍了目前国内和国外在太阳能热水领域的发展现状及发展的前景。阅读本章内容能让我们了解设计本课题的价值和意义。第二章 太阳能锅炉的综述2.1 太阳能锅炉的介绍 太阳能锅炉是一种新兴的锅炉装置，由太阳能集热器和锅炉组成，太阳能把生产的热水注入保温水箱，并储存起来，然后水箱和锅炉的管道系统连接，水箱内的热水顺利进入锅炉的
18、管道系统，太阳能本身能产生较高温度的热水，相当于锅炉需要加热的热媒水的起始温度大大增高，锅炉不需要满负荷运行就能把水加热到额定温度，这样用起来十分节能。 太阳能锅炉工程太阳能亦可以对油加温，实现工业利用中高温太阳能。 太阳能锅炉由于是主要采用绿色能源太阳能产生的热力，可以替代常规能源50%-90%的能源消耗，所以能够节省使用常规能源所产生的费用，经济效益高；由于它无排放、无污染，属于环保节能设备，社会效益显著，是实现减排目标的最好选择。目前，常规燃煤、燃油、燃气、电、沼气和其他能源锅炉运行成本高，污染环境，已渐渐不能满足多数使用锅炉企业的需求，因此太阳能锅炉改造技术以其节能环保的巨大社会效益和
19、经济效益被人们所推崇。所谓太阳能锅炉改造就是通过利用太阳能热力技术，并结合对常规燃煤、燃油、燃气、电、沼气和其他能源锅炉进行节能减排改造来达到节能降耗减排目的的复合技术工程。太阳能锅炉工程，它切合用户实际需要整体设计及施工，并可以为用户提供多种个性化解决方案。此外利用具有自主知识产权的太阳能中高温热利用技术并结合相关锅炉节能减排改造技术，在优先使用太阳能锅炉改造的前提下，对传统锅炉进行综合技术改造，采用余热回收、冷凝水回收、分级燃烧节煤、锅炉降温等设备，通过对锅炉的燃烧控制系统、传感系统、出渣系统、控制系统等进行优化完善，节能效果可达10%到30%之间。中国的太阳能热利用技最早是在1970年左
20、右，其重点置于简单，价廉的低温热利用的适用技术，如太阳能温室，太阳灶，被动太阳房，太阳热水器，和太阳干燥器。这类技术在农村得到推广应用，为缓解农村能源短缺，改善农村生态环境和农民生活起了积极的作用，并收到了实效。20世纪80年代太阳能热水器列入国家“六五”和“七五”科技攻关项目。2001年到2006年太阳能热利用产业快速发展。2006年销售额近300亿元，提供就业机会60多万个。中国太阳热水器2005年安装量为世界的77%。真空管型约占世界总产量的90%以上，硼硅玻璃3.3年产量约占世界70%，吸气剂约占世界95%以上，年约1.9亿支真空集热管用，年约0.9亿支显像管用。大量显像管都在中国生产
21、，吸气剂也在中国生产。这三个方面我们已经走在前面。形成配套的产业链。3.3的玻璃30万吨其中用于真空管有28万吨。真空管镀膜生产线1000条及配套设备，生产能力为2亿支，装配约2000万平方米太阳能热水器，还有配套设备。一些骨干企业做了技术改造，提高了企业的装备水平和条件。在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注重点。在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。但是
22、目前市场还有待规范，消费群体还有待培育，技术还有尚须改进，因而对于企业来说还有较大的成长空间。2.2 太阳能锅炉的构造组成1）太阳能集热器 在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转换为热能。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，太阳能集热器能将太阳光收集起来集中给谁加热，所以，集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。2）保温水箱水箱保温水箱又称保温桶，用于储存来自太阳能集热器加热过的热水，保温水箱具有保温作用，能有效的减缓桶内热水热量的流失。综合考虑，选用12吨的保温桶。3）循环管道用于连接太阳能集热器与保温水箱，利用定温上水与温差循环系统，充分利用太阳能，使保温水箱中的热水始终保持较高的
23、温度水平和让冷却下来的水再次进入太阳能集热器中再加热，充分利用太阳能。4）补给水箱也称为水塔，用于储存外界自来水，补充太阳能和辅助锅炉的冷水需求，作为整个热水系统的储水设备，再太阳能集热器防冻系统启动后，还可以将从太阳能集热器管道中抽出的水放到补给水箱中再储存，减少水资源的浪费。综合考虑选用24吨的补给水箱。5)辅助加热系统辅助锅炉加热可以使用燃气，燃煤，电加热等方式，用于辅助太阳能集热器，为了满足全天候持续供热水的要求，保证系统供热水的可靠和稳定性以及用水舒适性。综合考虑选用8吨的电加热锅炉为本设计的辅助加热系统。2.3 太阳能锅炉适用范围太阳能作为清洁的可再生能源，广泛应用于各个领域，如社
24、会会所，公寓，宾馆，饭店等热水中心；学校，工厂，招待所，医院，养老院，幼儿园等的浴室，游泳池等，随着能源的日渐紧张，能源价格的不断上调，太阳能在建设工程项目中的应用逐渐受到人们的关注。建筑物的中央热水供应系统中，采用太阳能结合常规能源作为热水系统热源，成为中央热水系统降低能源消耗、节约运行费用、减少环境污染的一个有力的措施。太阳能锅炉既可作为生活热水，也可以作为工业生产作业热水、开水预热等。这些地方的热水供应一般具备如下特点： 1. 热水使用量较大，一般是每天几吨或几十吨，甚至更多；2. 热水的要求温度范围一般为4060，最高不超过90；3. 24小时或白天8小时供热水，用水时间长；4. 用水
25、舒适度一般要求达到宾馆用水要求。2.4 太阳能锅炉供热水的方案与选择2.4.1 几种典型的太阳能热水系统性能对比目前常见的太阳中央热水系统按采用太阳集热器的不同主要有以下几个类型：1. 平板集热器组太阳能热水系统应用比较早的一种太阳能热水系统形式，因防冻问题以及其本身集热性能受自然环境和季节的影响较大，但成本较低和维护工作量小，在我国北方应用较少，主要集中在南方地区。2. 全玻璃真空管集热器组太阳能热水系统早期的规模比较小的供热水项目多采用这种集热器系统，或将采用全玻璃真空管集热器的家用太阳能热水器串并联组成集中供热水系统。因其投资较低和太阳能利用率高，在太阳热水市场上占有相当大的比重。3.
26、U型管真空管集热器太阳能热水系统U型管真空管集热器替代全玻璃真空管集热器在工程中应用，解决了系统承压运行等多种问题，但因系统阻力大，热性能不理想及安装维护等因素，使用较少。4. 热管真空管集热器太阳热水系统热管真空管太阳能集热器从根本上解决了其它类型太阳能集热器在热效率、承压能力、防冻性能、安装维护方面存在的问题，价格适中，是目前太阳热水工程中最理想的集热器形式。产品成为热水器和热水工程市场的主流。表2.1是上述几种太阳能热水工程的主要性能比较。【7】通过几方面的比较，结合考虑本地的自然环境较恶劣，选择热管式集热器最为合适。2.4.2 系统运行方式的选择在光照下太阳能集热器内的水被加热，加热后
27、的热水需要通过循环到保温水箱中，如此不断循环，来达到加热保温水箱中的水。几种常见的热水器如图2.1所示。表2.1 几种典型太阳热水工程主要性能比较项目平板集热器全玻璃真空管集热器U形管集热器热管真空管集热器可靠性不适合北方全年使用水垢隐患大冻裂隐患大不适合做大面积工程胶圈隐患大，老化、不承压、不能在较大压力下正常使用管内水垢隐患大，清除难有冻裂隐患一支管破损，全工程瘫痪集热板密封隐患大循环泵功率大适合做大面积工程承压性能好，全金属密封，0.6MPa无水垢隐患抗冻性能优良，采用双回路介质换热一支管破损，全系统正常运行热性能 集热性能受季节、环境影响较大，北方地区冬季热性能明显降低。水温高于55时
28、，集热器热效率明显降低热效率高热水利用率低有空晒危险热效率有隐患，并联运行有死区，局部过热热容小，启动快冬季热性能佳多云天气性能佳晚间热损小运行维护耐久性耐久性差使用寿命不长维护困难安装困难集热板安装困难安装简单维护方便使用寿命长 强制循环方式：该系统的运行原理就是借助水泵动力,在热水箱底部吸水,通过集热器把水送到水箱上部(见图2.2),该系统适用于任何大面积的循环系统。控制系统可采用光控或时控,全自动运行。 图2.1强制循环系统2.4.3 防冻系统的比较与选择1. 直接系统的低温循环防冻冬季系统低温探点达到设定警戒值时,集热循环泵开启;系统向室外管路内送入热水推回凉水实现系统防冻,系统低温探
29、点测点超过设定警戒值时,集热循环泵关闭。2. 直接系统的电伴热带防冻冬季系统低温探点达到设定警戒值时,温控电伴热带输出，加热室外管路实现防冻。3. 直接系统的温差循环防冻通过循环豹纹水箱和集热器里的水来打到热量循环交换，使集热器的水不至于温度过低被冻坏，达到保护集热器的目的。在间接系统中使用防冻传热工质进行防冻，传热工质的凝固点应低于系统使用期内最低环境温度、沸点应高于集热器的最高闷晒温度。4.直接系统的低温排空防冻冬季系统低温探点达到设定警戒值时,温控电磁阀开启，系统室外部分的水被排放或回流至储热水箱内，实现系统防冻4。通过对上面几种防冻系统的对比，结合实际情况，本系统优先选择了温差循环的防
30、冻保护，在极恶劣的情况下低温排空防冻法防冻。2.5 太阳能锅炉系统工作原理2.5.1 热管真空管1.热管式真空管的工作原理热管式真空管由热管、吸热板、玻璃管等主要部件组成(见图2.3)。热管包括蒸发段和冷凝端两部分:蒸发段置于玻璃管内，与吸热板紧密结合在一起；冷凝端位于玻璃管外，既可与导热块相接用以加热联集管中的水，又可直接插入贮水箱用以加热贮水箱中的水【6】。太阳光透过玻璃管照射在吸热板上，太阳选择性吸收膜将太阳辐射能转化为热能。吸热板吸收的热量迅速将热管内少量工质汽化，并迅速上升到冷凝端,放出热量后冷凝成液体，在重力作用下流回热管蒸发端。利用热管内少量工质的汽液相变循环过程可连续地传递热量
31、，将吸收的太阳能传递到冷凝端加热联集管或贮水箱中的水。为使热管内冷凝后的液体工质流回蒸发段,热管真空管工作时与地面的倾角应大于10。倾角为2045，时传热效率最高【7】。倾角由地理纬度决定，我国从广州到哈尔滨的纬度变化为2345，均在此倾角范围内，可以最大限度地提高热管的传热效率.热管式真空管结构示意如图2.32. 热管式真空管的优点(1) 热管式真空管热容小，启动快，在阳光下2分钟即可启动输出能量。(2) 承受力强，当连接成大面积集热系统时，能承受循环泵的压力，在承压热水系统推广中独具优势。(3) 热管传热，管内不进水，从根本上避免了平板集热器及全玻璃真空管内因结水垢而引起水道堵塞不能运行和
32、管内结垢影响输出功率等问题。(4) 高性能选择性吸收镀层及真空保温技术，保证在多云天气及相对温度大的地区仍有较高的热效率，所以冬天性能尤为突出。(5) 特殊防冻技术，即使在-50的严寒条件下仍无冻坏之忧。避免管内长期存水，受严寒冰冻，在热膨胀冷缩情况下易碎管问题。(6) 热管式真空管太阳集热管抗冷热冲击好，运行安全可靠，避免一支集热管坏损整个系统不能运行的问题。(7) 集热板封装于真空玻璃管内，即使在潮湿地区，也不受腐蚀，使用寿命长。(8) 在天气阴晴多变的情况下，比其他热水器产生更多的热水。2.5.2 太阳能锅炉系统的总体设计本系统由太阳能热水系统、锅炉辅助加热系统、供热水系统和中央PLC控
33、制系统四部分组成，太阳能热水系统为主要的供热水系统，由真空管太阳能集热器组，保温桶（储热水箱），温差循环管系统，防冻排空系统和补水管道组成。辅助锅炉系统由速热式电加热锅炉和补水管道组成。供热水系统搭配混水器负责为用户提供全天候的可持续热水供应。PLC中央控制系统连接其他三部分，是本系统的大脑，负责对系统的智能自动化控制与手动切换控制。本控制系统采用定温控制上水与温差控制循环相结合的运行方式，晴好天气可充分利用太阳能，阴雨天气或光照不足时，太阳能加热达不到保温桶设定温度，配合使用电锅炉辅助加热。以此达到全天候高效节能持续供热水的要求。系统工作原理如图2.2所示：本系统工作原理如下：1、检测水位上
34、水由水位传感器检测水位，如果保温水箱水位低于补水水位时，上水电磁阀D1开启，给系统补入水。直到保温水箱水位达到满水位，停止上水，电磁阀D1关闭。2、温差循环当太阳能集热器的水的温度T1比保温水箱里的水的温度T2大8度以上，则循环水泵开始工作，带动太阳能集热器里的水与保温水箱里的水循环，直到太阳能集热器与保温水箱的温差小于2度，则循环水泵停止循环。3、锅炉辅助加热系统 箱里的水温度达到60度时，则锅炉不工作，当保温水箱的水温低于60度，则燃气锅炉启动，开始加热，直到出水温度达到60度，另外，假如遇到断电、系统故障、长时间的严寒和阴霾天气等，可直接关掉电磁阀D1、电磁阀D3，打开电磁阀D4，相当于
35、切除了太阳能集热器和保温水箱，直接自来水断给锅炉直接供水，锅炉独立进行加热工作。 4、集热器的冬季防护冬季温度过低，容易引起玻璃等设备结冻损坏，所以特设冬季防冻保护。当太阳能集热器温度T1低于4时，延时5S后自动打开防冻排水阀P2，把太阳能集热器中的水抽回补给水箱中，并且关闭太阳能系统。5、报警系统1）保温桶（储热水箱）水位上限报警。当保温桶水位高于上限警戒值时，水位上限报警启动，报警蜂鸣器响和水位上限报警灯亮，水位恢复或者报警复位后，报警蜂鸣器和水位上限报警灯灭。2）保温桶（储热水箱）水位下限报警。当保温桶水位低于下限警戒值时，水位下限报警启动，报警蜂鸣器响和水位下限报警灯亮，水位恢复或者报
36、警复位后，报警蜂鸣器和水位下限报警灯灭。3）防冻报警。当太阳能集热器水温低于防冻警戒值时，防冻报警启动，报警蜂鸣器响和防冻报警灯亮，当温度高于警戒值或者报警复位后，报警蜂鸣器和防冻报警灯灭。2.6 系统要求根据人们对热水器的使用习惯和人性化设计要求 , 设计的控制系统具有以下功能：1.自动控制功能。系统在自动工作方式时 能自动控制供水水泵的运行与停止和各电磁阀的开关。定时控制器在断电时正常计时 ,故采用其作为 PLC 的电源控制。在定时控制时间内 ,由定时器接通 PLC 的电源 ,PLC 按预先编制的程序依次打开各控制设备电源 ,并根据输入信号的变化随时调整程序的执行。在非系统工作时间里 定时
37、器自动断开 PLC 的电源。2. 水位控制将水位传感器检测到的电信号（020mA）输入PLC控制器，到水位低于设定水位时控制器输出信号启动补水泵补水。3. 水温控制温差跟踪自动循环，确保充分利用太阳能，提高系统集热效率；4. 太阳能集热循环控制白天太阳能循环泵不间断连续运行，夏季夜晚停泵，冬季温控循环防冻。5. 加热控制根据需求端的实际用水情况，采用出水温度控制的方式控制锅炉的启停。当白天太阳辐射不足，储水箱温度达不到设定值时，控制器自动启动锅炉加热，否则加热停止。6. 管道防冻在集热器的供水管上设置温度传感器，当温度小于4时，循环泵启动，当温度大于8时，防冻循环停止。7. 报警功能各种报警和
38、工作状态显示8. 手动/自动切换有人在值守时可选择手动；当无人值守的时候，可切换到自动状态。2.7 本章小结本章首先对太阳能锅炉进行了介绍，讲述了太阳能锅炉的发展历程，发展领域，并且增加了一些日常使用太阳能锅炉所必要的小知识。之后系统的描述了太阳能锅炉的适用范围，在列出太阳能锅炉原理图后深入的剖析了太阳能热水器的工作原理及应该具备的系统要求。本章还对太阳能锅炉系统方案进行了选择和比较。读者在阅读本章后，会对太阳能锅炉这一概念有了总体上的初步认识，并且对于本设计有了初步的了解。第三章 太阳能锅炉测控系统硬件设计3.1 可编程控制器PLC的选择可编程控制器（PragrammableLogicCon
39、trolle）,简称 PLC，是一种数字运算操作的电子系统，是在20世纪60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。长期以来，PLC在工业自动化控制而发挥着巨大作用，为各种各样的自动化控制设备提供了广泛、可靠的控制应用。这主要是源于它能够为自动化控制应
40、用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合当前自动化工业企业的需要。3.1.1 PLC的介绍及应用领域 20世纪70年代大规模集成电路和微处理机出现后，正式生产出了现在模式的可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）产品。这类产品具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、体积小、应用灵活方便、工程周期短、操作维护方便、应用领域广阔等优点。随着集成电路和计算机技术的发展，现在己诞生了第五代PLC产品。PLC采用循环（巡回）扫描工作方式，而大、中型PLC还增加了中断工作方式。循环扫描即可按固定顺序，也可按用户程序所规定一级顺序（高级和低级顺序）或可变顺序等进行。因
41、为有的用户程序不需要每扫描一次执行一次，也为的是在控制系统需要处理的I/O点数较多时，通过不同的模块组合的安排，采用分时分批扫描执行的办法，可缩短循环扫描周期和控制的实时性。用户将用户程序设计、调试后，用编程器键入PLC的存储器中，并将现场的输入信号和被驱动的执行元件相应地接在输入模板的输入端和输出模板的输出端上，然后用PLC的控制开关使其处于运行工作方式，PLC就以循环扫描的工作方式进行工作。在输入信号、用户程序的控制上，产生相应的输出信号，完成预期的控制任务。PLC的典型的循环顺序扫描土作过程如图2所示。一个典型的可编程序控制器在一个扫描周期中要完成六个扫描过程。在系统软件的指挥下，按程序
42、流程顺序地执行，这种工作方式成为顺序扫描方式。从扫描过程中的某个扫描过程开始，顺序扫描后又回到该过程成为一个扫描周期。进行一个扫描周期所需的时间称为一个扫描周期时间。PLC具有以下的特点：1、通用性强,使用方便。由于PLC产品的系列化和模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。当控制对象的硬件配置确定以后 ,就可通过修改用户程序 ,方便快速地适应工艺条件的变化。2、功能性强,适应面广。现代 PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能 ,而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理等功能。因此 ,它既可对开关量进行控制 ,也可对模拟量进行控制 ,既可控制1台生产机械、1条生产线
43、 ,也可控制1个生产过程。PLC 还具有通讯联络功能，与上位计算机构成分布式控制系统 ,实现遥控功能。3、可靠性高,抗干扰能力强。大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。针对 PLC是专为在工业环境下应用而设计的 ,故采取了一系列硬件和软件抗干扰措施。硬件方面 ,隔离是抗干扰的主要措施之一。PLC的输入、输出电路一般用光电耦合器来传递信号 ,使外部电路与CPU之间无电路联系 ,有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响,同时,还可以防止外部高电压窜入CPU模块滤波是抗干扰的另一主要措施,在PLC的电源电路和 I/O模块中,设置了多种滤波电路,对高频干扰信号有良好的抑制作用。软件方面,设置故障
44、检测与诊断程序。采用以上抗干扰措施后 ,一般 PLC平均无故障时间高达4万5万h。4、编程方法简单,容易掌握PLC配备有易于接受和掌握的梯形图语言。该语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。5、控制系统的设计、安装、调试和维修方便。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件,控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大都可以在实验室模拟调试,调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场,进行联机统调。在维修方面,PLC的故障率很低,且有完善的诊断和实现功能,一旦PLC外部的输入装置和执行机构发生故障,就可根据PLC上发光二极管或
45、编程器上提供的信息 ,迅速查明原因。若是PLC本身问题,则可更换模块,迅速排除故障,维修极为方便。6、体积小、质量小、功耗低。由于PLC是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品,因而结构紧凑,坚固,体积小,质量小,功耗低,而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。因此,PLC很容易装入机械设备内部,是实现机电一体化较理想的控制设备。PLC的分类：目前，PLC应用广泛，国内外生产厂家众多，所生产的PLC产品更是品种繁多，其型号、规格和性能各不相同。通常，可以按照结构形式的不同及功能的差异进行大致的分类。1、按结构形式分按照结构形式的不同，PLC可分为整体式和模块式两种。前者具有结构紧
46、凑、体积小、重量轻、价格低的优点，易于装在工业设备的内部，通常适于单机工作。一般小型和超小型PLC多采用这种结构，如日本三菱FX系列的PLC。后者配置灵活，装载和维修方便，功能易于扩展，其缺点是结构较复杂，造价也较高。一般大、中型PLC都采用这种结构，如日本三菱公司的AN系列。2、按功能、点数分按功能、输入输出点数和存储器容量不同，PLC可分为小型、中型和大型三类。小型PLC又称为低档的PLC。这类PLC的规模较小，它的输入输出点数一般从20点到128点。中型PLC的I/O点数通常在120点至512点之间，用户程序存储器的容量为2KB-8KB。大型PLC又称为高档的PLC，I/O点数在512点
47、以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC，用户程序存储器容量在8KB以上。3.1.2 可编程控制器应用领域在发达的工业国家 ,PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各行各业。随着 PLC性能价格比的不断提高,一些过去使用专用计算机的场合 ,也转向使用 PLC。PLC的应用范围在不断扩大,可归纳为如下几个方面。1、开关量的逻辑控制这是 PLC 最基本最广泛的应用领域。PLC 取代继电器控制系统 ,实现逻辑控制。例如：机床电气控制，冲床、铸造机械、运输带、包装机械的控制，注塑机的控制，化工系统中各种泵和电磁阀的控制，冶金企业的高炉上料系统、轧机、连铸机、飞剪的控制，电镀生产线、啤酒灌装生产线、汽车配装线、电视机和收音机的生产线控制等。2、运动控制PLC可用于对直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量