太阳能热水器控制器

西安航空职业技术学院

毕业设计（论文）

论文题目：太阳能热水器控制器设计

所属学院:电子工程学院

指导老师：杨思俊职称:讲师

学生姓名:王游班级、学号:1５20５109

专业:太阳能光热技术与应用

西安航空职业技术学院制

年月日

西安航空职业技术学院

毕业设计（论文)任务书

题目：太阳能热水器控制器设计

任务与要求：

时间：２01７年11月２0日至2０18年1月２0日

共8周

所属学院：电子工程学院

学生姓名:王游学号：1520５109

专业:太阳能光热技术与应用

指导单位或教研室：

指导教师:ﻩﻩ杨思俊职称:讲师

西安航空职业技术学院制

年月日

毕业设计(论文)进度计划表

日期工作内容执行情况指导教师

20１7．１

１．２0-—

教师对进度计

划实施情况评

价

指导教师签名:

本表作评定学生平时成绩的依据之一。

太阳能热水器控制系统设计

【摘要】

现在城市居民绝大部分都使用太阳能热水器,农村也有相当一部分人使用，

太阳能热水器在技术上比较成熟,造价比较低廉,同时由于给人民提供绝对安全

的热水而受到人们的欢迎,且具有节能、环保、安全、便利、长久等优点,所以它

的应用也会越来越广,因此，研究和开发先进的太阳能热水器控制系统越来越重

要。

该设计以单片机SST89E516RD为核心，结合单线数字温度传感器DS1８B20、

LＣD１602液晶屏与蜂鸣器,设计一种数字化、智能化的太阳能热水器控制系统.

该系统由主控芯片模块、DS18B20温度检测模块、LＣD1６02温度和水位显示模

块、自动加水模块和水温超标警报模块组成。给出了各个模块的结构及其工作原

理、系统硬件原理图、程序流程图和部分源程序,并结合理论设计进行仿真模拟

测试.我们都知道，目前市面上大多数太阳能热水器都没有加水只能中断装置,并

且只能在晴天使用,而阴天则无法加热。此系统将水温水位检测模块、水温水位

显示模块与报警模块结合,LＣD1602屏幕上会显示水位和温度,并且在水位低于

设置值时可人控开启加水开关开始事业单位工作总结 加水,LCＤ１602上显示水位变化情况，当水

位到达标准水位时自动中断；当通电对水加热时，ＬＣD１6０２屏幕上动态显示

温度;当温度到达设定的标准温度时,触发警报系统,提示人关闭加热装置。此系

统解除了太阳能热水器加水时无人守候造成水资源浪费和只能在晴天使用的问

题,解决了人们常遇到的实际问题。该系统与传统的机械式控制系统相比较，具

有结构简单，抗干扰能力强，使用方便等特点．

关键词：单片机SＳＴ89E51６ＲD；温度传感器ＤＳ18B20;LCＤ1602液晶;

警报

Abstｒaｃt：

Nowthevastｍajoriｔyofｕrbaｎresideｎｔｓhaveudsoｌar

wateｒhｅaｔer,ruralalsohａsquitｅafewpeopｌeｕ，ｓoｌａr

energywaｔerheaterintherｅlaｔivelymaturetechｎoｌｏgy,ｌｏwｃｏ

ｓtcoｍpａｒｉson,ａt立春是什么意思 thｅsametimｅｄuetoｔhepeople'ｓpｒｏvｉ

deabsolutesafetyｏfhotwａtｅｒandgettheweｌcomｅoｆpeoｐle,

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theapｐlicaｔｉonｏｆsolａrｅnerｇywatｅｒｈeatercontroｌｓｙｓｔ

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ｏntｒolcｏnstantｔemperaturewater，maｎualａndautomatｉcｍｏ

deswitchｅｓetc。Ｆunctｉoｎ.

ThroughthePＬCｔocontroltｈｅsolaｒwateｒheatersyｓtemreno

ｖation，ｇreatlyreducesｔhesyｓtｅmtｏｏtｈｅrcｏmponenｔshave

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ｄ。

Theｐaperisdｉvidｅdｉｎｔofouｒchａｐｔｅrｓ：chapｔｅrｏne

ｉntroduｃesｔhedeveloｐmｅntbackｇroundanｄdｅsignｓigniｆicａ

ｎceｏfsolarwａｅcｏnｄchaｐｔerｉntroｄucｅstｈｅ

ｗorkｉｎgprｉｎcｉplｅｏfsolarwaterheatｅr。Thethｉｒdchａp

ｔerｉntroducesｈardwａreｌeｃtioｎanｄcｏntrｏlsｙｓtem。Cｈ

apterivｏvｅｒalldｅsignofsolａrwatｅrheater。

Keｙｗｏrｄs:Solareｎｅrgy;Thewaｔeｒｈeaｔer.Ｃontrolsysｔ

em;PLC

目录

1绪论......................................................................................................................................................................8

1.1本课题研究得背景..............................................................................................................................8

1.2国内外研究现状...................................................................................................................................9

1.2.1国内研究现状...........................................................................................................................9

1.2.2国外研究现状..............................................................................春分吃什么 ..........................................10

1.3太阳能热水器控制器的应用.........................................................................................................11

1.4本课题研究内容..............................................................................................................................11

2、太阳能热水器构造和工作原理.............................................................................................................12

2.1太阳能热水器的基本构造............................................................................................................12

2.2太阳能热水器的工作原理............................................................................................................13

3、太阳能热水器硬件选型及控制系统....................................................................................................14

3.1可编程控制器（PLC）简介.........................................................................................................14

3.2可编程控制器（PLC）工作原理................................................................................................14

3.3硬件设备的选型..............................................................................................................................15

3.3.1PLC的选型.............................................................................................................................15

3.3.2其他硬件选型........................................................................................................................16

4、能热水器的整体设计................................................................................................................................17

4.1PID闭环控制.....................................................................................................................................17

4.2系统电路的设计................................................................................................................................18

4.3设计PLC控制原理（梯形图程序）.........................................................................................20

结束语.........................................................................................................................................................31

参考文献....................................................................................................................................................32

1绪论

１．1本课题研究得背景

太阳能(SoｌarＥnergy），，一般是指太阳光得辐射能量,太阳能是一种可再

生能源,广义上从小爱数学 的太阳能是地球上许多能量的来源,如风能、生物质能、潮汐能、

水的势能等，太阳能以其源源不断、安全等显著优势,成为关注的重点。如今在

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.

当今世界能源问题已经成为一个普遍性的问题,能源关乎着国家的安全，谁

掌握了世界上的能源谁就掌握了国际事务的话语权,谁就有了国家经济发展的基

础,谁就有了同其他国家相抗衡的资本。但是传统能源已经被消耗殆尽，为了国

家未来的发展,世界各国都在开发新能源，太阳能作为一种既清洁又取之不尽的

资源已得到了越来越多的应用.众所周知,太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污

染的巨大能源。随着世界上煤、石油、天然气储量的日益减少,能源危机也日益

严重,与此同时环境污染的危机也不断的威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课

题也提到了人类的面前.有人预测:二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要

源[１]。但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难,

有些技术难点尚未突破,产品造价偏高(如光电池），因而尚未被人们大规模的使

用。

图１—1太阳能热水器

太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉，同时由于给人民提供绝对

安全的热水而受到人们的欢迎，且具有节能、环保、安全、便利、长久等优点,

因此它的应用会越来越广。尤其在农村地区具有很大的现实意义:中国四分之三

的人口居住在农村，目前仍有约2万个村庄,8０0多万莲花的画法 个农户,3000多万人口没

有电力供应。而农村60%左右的村民仍然依靠燃料秸秆、薪柴为主做饭和烧水,

它不仅造成空气污染,而且还严重破坏植被,威胁生态环境.随着化石能源的逐步

枯竭，煤炭、石油和电力一直涨价,且能源供应日趋紧张。太阳能无污染、无运

输、无垄断、“取之不尽、用之不竭”,是最有发展前途的可再生能源。在社会主

义新农村建设中大力推广应用太阳能，不仅能够解决农村的基本能源消费问题,

促进可再生能源的高效利用,实现农村生产发展、生活宽裕的双重目标，还有利

于乡风文明和村容整洁，促进社会主义精神文明发展[２］。

1。2国内外研究现状

1.2。1国内研究现状

我国太阳能热水器产业发展迅速,目前已经成为世界上最大太阳能热水器生

产国,但与太阳能配套的控制器却一直处于研究和开发阶段,尤其是与太阳能热

水器系统匹配的控制器，至今尚未检索到相关报道.近几年来,市场上陆续出现了

一些太阳能热水器控制器，但大多数控制器存在着诸如性能不稳定，容易产生误

操作；温度、水位检测、控制误差大；显示器有时出现乱码；与电辅助加热装置

不能很好配合；太阳能利用率较低等问题,影响了用户的使用。更有甚者,有些控

制器质量较差,经常发生故障，给用户带来诸多不便,严重影响了用户的使用，从

而影响到太阳能热水器的销售。太阳能热水器，尤其时太阳能热水器系统及其控

制器有着广阔的发展前景,但现有的技术和产品开发投入较少。因此,在太阳能热

水器、太阳能热水系统的测量控制方面,应引起足够重视,加大投入一定力量研究

开发高质量、性能好的测控产品［3］

1．2。2国外研究现状

太阳能热水器时利用太阳能辐射能热水的装置，世界第一台热水器时美国马

里兰州的肯普于1891年发明的,到第二次世界大战结束,人们创造出了各式各样

被称为“闷晒式＂的太阳能热水器，第二次世界大战结束后，人们的注意力又开

始转向发展经济，一些缺少常规能源的国家,如日本,开始投入人力物力开发利用

太阳能，经过人们的努力,各种简易的平板太阳集热器在市场上出现.到20世纪

70年代,随着世界性能源危机日益严重,迫使人们对太阳能的开发利用又重新重

视起来，许多国家花了不少人力物力，用于大力研究开发太阳能技术,尤其时太

阳能热水器。到哦上世纪７0年代末,太阳能热水器的开发利用在美国、澳大利

亚、日本、德国、以色列等国家得到了很大的发展，在随后几十年里,平板集热

器型太阳能热水器的推广应用在一些国家得到了较快的发展。197５年美国欧文

斯—伊利洛伊（Owens-llｉnoｉs)公司发明了全玻璃真空管太阳集热器并推向市

场。当时,集热管的选择性吸收涂层的平均阳光吸收率为83％，但由于采用了高

真空技术，使集热器的热损失比普通平板式太阳集热器降低了两个数量级，从而

将太阳能热水器技术大大提高了一步。在随后的几十年里,全玻璃真空管太阳集

热器性能通过完善、提高、并逐步降低成本,因此得到了快速发展,到上世纪90

年代,这种新型太阳能热水器已经成为推广应用的主流产品。在全玻璃真空管太

阳能热水器的基础上,为进一步提高效率、提高性能，德国研制出热管式真空管

太阳能热水器,一些国家研制出了一些高质量的太阳能热水器专用零部件，另外

一些国家为优化设计专门开发了用于太阳能热水器的应用软件。还有一些国家开

发出功能完善,能全天候使用太阳热水器系统，在西方一些先进国家,太阳能热水

器方面的研发和推广一直比较活跃[4]

1。3太阳能热水器控制器的应用

在全球煤炭、石油、天然气资源日益枯竭的情况下，能源危机的威胁日益加

剧的时代背景下,寻找低廉、清洁、可持续的新能源己经成了人类发展的首要问

题。太阳能因其清洁、量大、低廉受到人们的青睐,有人预测,21世纪太阳能将成

为全球的主要能源[５］。其意义主要有两方面：

l)节省能源:我们现在所消费的能源,主要是煤炭、石油和天然气等化石燃

料，这些常规的化石燃料资源有限,不可再生，而太阳能是人类可以利用的,最丰

富的新能源；

2)保护环境，减少污染：太阳能是一种绿色能源,不会排放任何污染大气和

其他环境的有害物,是与生态环境相协调的清洁能源。

作为运用太阳能的典型，太阳能热水器己走进千家万户,在提供方便的同时

也节省了大量能源，减少了污染.而随着社会生产的发展、科学技术的进步、生

活水平的提高,人们早己不再满足于只有使用功能的产品囝。人们在关注产品保

证一定物质功能的同时,越来越注重在使用过程中舒适、高效、安全的操作,对太

阳能热水器的使用方便性、安全性、操作界面的人机友好性提出了更高的要求。

因此,近年来,太阳能热水器控制器行业也蓬勃发展，前景广阔，得到了广泛的应

用［6]。

常见电子式太阳能热水器控制器如图1-2所示，具备基本的水位／水量检测

和显示,以及上水和加热等功能.

图1-２电子式太阳能热水器控制器

1。4本课题研究内容

本课题只要利用ＰLC为核心控制系统，实现太阳能热水器系统控制，使其

满足实际各种控制需要、使更多的工作免于人参与、使系统更加稳定可靠，具体

研究如下:

(１)确定系统各个工序,绘制系统工艺流程图.

(2)ＰLC选型及I／O分配.

(３)设计、绘制梯形图，满足各种控制要求。

(4）绘制电气原理图、外部接线图等。

(5）依据设计要求调试系统．

2、太阳能热水器构造和工作原理

2。１太阳能热水器的基本构造

太阳能热水器按使用分类，可分为季节性热水器、全年性热水器以及有辅助

热源的全天候太阳能热水器。按集热器原理和结构可分为平板型热水器和真空管

热水器[7］.按工质流动方式不同,又可分为闷晒型、循环型和直流型三种。但不管

何种类型的太阳能热水器，其基本结构都是一样的，太阳能热水器通常由集热器、

绝热储水箱、连接管道、支架和控制系统组成，如图２—1所示。

图2—1太阳能热水器的基本构造图

(1）太阳能集热器：

系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气

热水器不同的是,太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量,故而加热时间只能在

太阳照射度达到一定值的时候.目前中国市场上最常见的是全玻璃太阳能真空集

热管.结构分为外管、内管，在内管外壁镀有选择性吸收涂层。平板集热器的集

热面板上镀有黑铬等吸热膜，金属管焊接在集热板上,平板集热器较真空管集热

器成本稍高，近几年平板集热器呈现上升趋势,尤其在高层住宅的阳台式太阳能

热水器方面有独特优势。全玻璃太阳能集热真空管一般为高硼硅3。3特硬玻璃

制造，选择性吸热膜采用真空溅射选择性镀膜工艺[8]。

(2)绝热贮水箱：

太阳能热水器水箱是贮存热水的装置,其结构、容量、保温和材料将直接影

响热水器的性能和运行的质量。贮水箱主要组成部分为水箱内胆、保温层、水箱

外壳、密封圈四部分。水箱内胆生产材料的质量,对水箱的耐压、耐温、防渗漏

及水质影响很大。目前市场上出售的产品,其水箱内胆主要有０.6mm厚3０4—2B

不锈钢,它无磁性、抗锈蚀、焊接性好,塑性好。其它的常用材料有钢板进行防腐

处理或搪瓷、镀锌钢板、防锈铝板、塑料或玻璃钢等。水箱的热特性包括放热特

性、加热特性、保温特性.放热特性就是希望水箱内的热水都能放出来,方便利用。

加热特性是大多数水箱内的水是上部先热起来,然后下部再慢慢热起来。保温特

性指水温下降的快慢，与水箱的封密性、保温材料、环境温度、水容量大小等相

关

(３)支撑架：

太阳能热水器的支撑架主要由反尾座及主撑架组成。

（４)控制系统：

一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行，控制系统是不可少的，常用

的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位，带电辅助加热的太阳能热水

器还有漏电保护、防干烧等功能。市场上有手机短信控制的智能化太阳能热水器，

具有水位水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能,方便

了用户。

(５)其它部件：

热水器的密封圈除具有密封性好、耐高温、寿命长等性能外，还应不溶于水，

否则食用后会对人体有害。质量较好的密封圈材料选用硅橡胶,但市场上采用普

通橡胶或再生橡胶的商家却大有人在。

2.２太阳能热水器的工作原理

太阳能热水器是一种利用太阳辐射能通过温室效应把水加热的装置.温室效

应是指由于对流、反射损失减少使能量聚集、温度逐渐升高的一种自然现象.温

室效应又称为热箱原理，它是通过一个上面盖有透明玻璃的封闭箱体来实现能量

聚积的[9]。阳光透过玻璃进入箱体内，被黑色表面吸收,而向外反射和对流的能量

受到玻璃和箱体的阻挡,被保留在箱内,这样箱体内的能量不断积聚,温度不断升

高,甚至可达1０0℃~2０0℃.利用聚积的高温来加热水,就是太阳能热水器。太

阳光穿过吸热管的第一层玻璃照到第二层玻璃的黑色吸热层上,

将太阳光能的热量吸收，由于两层玻璃之间是真空隔热的,热量不能向外传,

只能传给玻璃管里面的水，使玻璃管内的水加热，加热的水便轻沿着玻璃管受热

面往上进入保温储水桶。由于太阳能热水器在运行过程中不消耗任何常规能源

(煤、石油、天然气、电等),所以人们把它形象地称为“不烧煤的锅炉”［1０］．

真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关附件组成，把

太阳能转换成热能主要依靠集热管，集热管利用热水上浮冷水下沉的原理,使水

产生微循环而达到所需热水［1１]。集热器内的水加热后要与储水箱里面的冷水实

现循环以使储水箱里的水不断的被加热，目前常用的热交换方式主要有三种：自

然循环、强迫循环和定温放水循环。

3、太阳能热水器硬件选型及控制系统

３。１可编程控制器(PLC)简介

可编程控制器（PragrｍmabｌeＬｏgｉcControｌlｅｒ,简称PＬC）是一种

数字运算操作的电子系统，是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，其内部存储执行逻辑运算、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４0多年

的历史,却得到了迅速和广泛的应用,成为当代工业自动化的主要支柱之一。长期

以来,PＬC在工业自动化控制中发挥着巨大作用，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,着主要是源于它能够为自动化控制应用提供安全

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［12]。

3．２可编程控制器(PＬC）工作原理

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［1７].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3－1所示。从图3—1中可以看出,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［１3].在系统软件的指挥下,的程序流程顺

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.

图3—1PＬC工作原理图

３。3硬件设备的选型

3.３。１PLＣ的选型

在本设计中需要用到三个温度传感器和一个液位传感器，由于这四个量是模

拟量，而PLＣ只能处理数字量，因此在ＰLC和传感器之间必须加入特殊功能模

块，将模拟量转换成数字量再用ＰLC进行处理。PLC运算后输出的数字量再经过

特殊功能模块转换成模拟量进行控制。同时又为了最后仿真的需要、相关的性能

要求及PＩD运算指令的使用,决定使用德国西门子S７系列ＰLＣ中的西门子Ｓ

７-20０,SIMATIＣS7—200PＬＣ是超小型化的PLC,它适用于各行各业,各种场

合中的自动检测、监测及控制等。S７—200ＰLC的强大功能使其无论单机运

行，或连成网络都能实现复杂的控制功能［13]。

3。３.2其他硬件选型

（1)模拟量模块

在本帕尔马火腿 设计中,有三个温度模拟量输入,有一个三通调节阀开度模拟量输出,共

计有三个模拟量输入、一个模拟量输出。为了系统的安全及扩展的需要，要有一

些备用的模拟量输入输出通道。所以，综合各方面的因素决定选用ＥＭ235四输

入一输出模拟量模块,

（2)温度传感器

本设计选用电流输出型传感器，因为PLC控制器有可能距离传感器的位置较

远，而电流输出具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。PLC的模拟量输入模块

输入电流时，输入阻抗较低。线路上的干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干扰

电压很低,所以模拟电带有目字的成语 流信号适于远程传送.又由于为了与ＥM235模拟量模块相

配套,所以温度传感器应选用PＴ100铂热电阻温度传感器。PT100铂温度传感器

能够将检测到的模拟量信号转换成相应标准电流信号输出。

(3）三通调节阀

为了达到恒温出水功能,我们将采用ＰID控制以达到对水温的精确自动控

制，这就需要可以控制冷热水开度的电动三通调节阀.电动三通温控阀是流量调

节阀在温度控制领域的典型应用，其基本原理：通过控制各支路热(冷）媒入口

流量的比例，以达到控制出口温度的目的。当负荷产生变化时，通过改变阀门开

启度调节流量，以消除负荷波动造成的影响,使温度恢复至设定值.因此,在出水

口我们配套选用了西门子公司生产的ＳKB62电动三通调节阀.

（4)其他硬件的选择

其它的材料主要有太阳能热水器集热器的支架，集热管的管材、管径,管道

的保温材料,液位限位开关,电磁阀，循环泵,电加热器等的选择，可以根据相关

的规定和相关的计算来选择,在本文中就不再具体介绍了。

４、能热水器的整体设计

4.1ＰＩＤ闭环控制

太阳能本身是一个不断变化、而影响其变化的因素又较多、极其复杂的非线

性变量，太阳热水系统工程是一个非线性系统,很难建立精确的数学模型,因此采

用传统的控制方法难以得到较佳的控制效果。而模糊控制是以模糊数学为基础发

展起来的一种新的控制方法[1４］。这种控制方法是一种智能的、非线性的控制方

法,对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得较满意的控制

效果，解决一些用传统控制方法无法解决的问题。太阳能热水器控制器采用ＰID

控制算法，这种算法对固定参数的线性定常系统是非常有效的。通过调整ＰID控

制器的参数,一般都能得到比较满意的控制效果。

（1）PID计算公式

ＰID(比例（ｐrｏportｉon）、积分(ｉntegratiｏn)、微分（dｉffｅreｎ

tiatioｎ))控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最

广泛的工业控制器［１5］。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先

决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。ＰID控制器由比例单元(P)、积分单

元(Ｉ)和微分单元(D)组成．其输入e（ｔ)与输出u（t）的关系为:

(

)

=

[

(

)

+∫

(

)

+

()

]（3—1）

(2)实现PIＤ控制方法

①使用PIＤ过程控制模块

过程控制模块包括A/D转换器和Ｄ／A转换器,PID控制程序是PLC生产厂

家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数,使用起来非常方

便,一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块价格较高,一般在

大型控制中使用。

②使用PＩD指令

现在有很多PＬC都有供PID控制用的指令,例如S７—２00的PID指令.它

们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用,可以得到

类似于使用PID过程控制模块的效果，但是价格便宜的多.

③用自编程序实现PID闭环控制

有的PＬC没有PID过程控制模块和ＰＩD控制用的功能指令，有时虽然可

以使用PＩD控制指令,但是希望采用其他改进的PID控制算法，在上述情况下,

都需要用户自己编制PID控制程序。

④变频器的闭环控制

变频器内部一般都有一个PI控制器PＩD控制器。对于恒压供水这一类闭环

控制系统，可以将反馈信号接到变频器的反馈信号输入端,使变频器内部的控制

器实现闭环控制。香港英文 PＬＣ可以通过通信或开关量信号给变频器提供频率给定信号

和启动、停止命令.

如果将反馈信号送给PLC的模拟量输入模块，用PLC实PID闭环控制，用

D/A转换器输出的模拟信号作为变频器的频率给定信号,需要增加ＰLC的模拟量

输入模块和模拟量输出模块，将会增加硬件成本。

（３）本设计的PＩD控制

本设计中在恒温出水部分需要用到PID控制，通过温度传感器的测量值与设

定值的不断比较,使出水温度稳定在设定值上，以达到恒温出水的目的。本设计

的PIＤ闭环控制系统框图如图3—2示：

图4-１系统恒温出水部分PIＤ控制框图

图中所示,被控量C(t)首先被测量元件转换为标准量程的电流信号或电压

信号pv(t),模拟量输入模块的Ａ/D转换器将它转换为数字量pv（ｎ)。模拟量

输出模块的Ｄ/A转换器将PID控制器输出的数字量mv(n）转换成模拟电压或模

拟电流mv(t)，再去控制执行机构.在这里虚线框中的部分是由PLC实现的,执行

机构是三通调节阀,被控对象是储水箱出水温度，测量元件是温度传感器.

４．2系统电路的设计

(1）主电路的设计

1)接触器KM1和KM2分别控制电机的正转和反转。

２)电动机有热继电器实现过载保护.

３）选择自动开关Q为总电源的开关，即可完成主回路的短路保护,又起到

隔离三相交流电源的作用,使使用和维护更加方便

4）由FＵ1、FU2、FU3、FＵ4、FＵ5、FU6分别实现个负载的短路保护作用．Ｆ

U7、FU8完成PＬC控制回路的短路保护。

根据上述原则绘制出电气控制主电气图,如图4－2所示。

图4—2电气控制主电路图

（2)PLC控制电路的设计

根据系统要求、系统的总体设计及系统选取的元器件，设计出系统的控制原

理图及PLC外部接线图,如图４-3所示太阳能热水器系统ＰＬCI/O控制原理电

路图。

图4-3太阳能热水器系统ＰLCI／O控制原理电路图

4。3设计PＬC控制原理(梯形图程序）

程序设计:用流程图表达出各控制对象动作顺序,相互的制约关系。明确寄存

器空间的分配，专用寄存器的确定等。控制系统的程序的设计,主程序的编制及

各功能子程序的编制以及程序的调试。其他辅助程序的设计，如故障应急程序

等．根据控制系统流程图,绘制太阳能热水器系统的梯形图和编制程序指令表,其

完整梯形图及指令表如下:

图4—4梯形图

４-１指令表

结束语

通过本次毕业设计，使太阳能热水器达到了系统的各种控制要求,成功完成

了太阳能热水器的PLC控制系统的设计，经过对程序的运行调试，实现了太阳能

热水器的自动控制,也可实现太阳能热水器手动控制，提高了系统的可靠性，达

到了设计目标，设计中还是存在一些不足,本系统还有待进一步完善、改进。与

国外相比，，我国的太阳能热水器的控制系统一直处于研究和开发阶段,尤其是与

太阳能热水系统配套的控制系统。国外已经发展用PLC对太阳能热水器的精细控

制,我国对太阳能热水器自动控制系统的研究还有很长一段路要走。

参考文献

[1]赵缓，越慧。我国太阳能资源及其开发利用[Ｊ].经济地理，2008，98—12

５.

［２］王君一，徐任学。太阳能利用技术[M]。北京：金属出版社，2０08.

[3]袁任光。可编程序控制器技术与实例[M]。广州：华南理工大学出版

社,2003,215—238。

[4］刘敏。可编程控制器技术[M]。北京：机械工业出版社。200０，57—8６。

［5］华华磊。太阳能热水器控制装置[D］.广西大学,2012.

［６]仲会娟.基于ＦPGA的太阳能热水器全功能控制器的研究[D]。河北工业

大学，201２．

［7］陈建明。电气控制与PLC应用[M]。北京:电子工业出版社,20０９.

[８]Webb,J。W．aｎｄＲ．A。Reis,１995。ProgｒaｍmableＬogic

Ｃoｎｔｒollerｓ。Pｒiｎciplesａnd

Aｐplｉｃationｓ,PreｎticｅHall,Ｏｈio．U。S。A．

[９]郑凤翼,金沙.图解西门子S7-２00系PLC应用88例［J］.北京:电子工业

出版社，20０9.

[１０］袁任光。可编程序控制器选用手册［M］.北京:机械工业出版社,２０

02．

［11］Deｌlrenzo，VialｅRomaｇnａ,20－20089Ｒozzoｎo，Eｌｅct

ｒoniｃｌaｂoｒatｏrybｏaｒdｆoｒsｔudｙｏｆ

tempｅratuｒecontrｏl,Milano—Ｉtalｙ.

［12]刘文强．我国太阳能热水器产业发展现状及展望，200２年第4卷（第1

０4卷），4－８。

[１3］赵玉英。可编程控制器在电器控制系统中的应用[J].河南科技学院学

报,2006(3)。

［14]R。E．Coｌｌins,L.Ｐoladian,B。ｌｔhorpe，andR。C．ＭｃP

ｈedra，Hｅatcoｎductｉoｎthrｏｕｇh

sｕpportｐiilａrｓｉneｖaｃｕatｅdwｉｎdowｓ,Ａｕｓｔ。J。Pｈ

ys．44,73-86（19９１）.

［15］赵阳.西门子Ｓ7－２0０PLC及工控组态软件Wincc的应用[J].北京：电

子工业出版社,1997。