畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）設(shè)計題目： 太陽能熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計專 業(yè)：班 級：學(xué) 號：姓 名：指導(dǎo)老師：起訖日期 年 月 日～ 年 月 日摘 要電氣工程是電氣工業(yè)的產(chǎn)物，本課題研究了可編程控制器（PLC）在太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大環(huán)境下，中國各個行業(yè)被其他國家的先進(jìn)技術(shù)影響的同時，越來越多的外國企業(yè)和品牌傳播到中國已經(jīng)成為現(xiàn)實?；?PLC 的太陽能熱水器控制系統(tǒng)的發(fā)展與人類社會的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的水平密切相關(guān),所以本次的設(shè)計對于太陽能熱水器控制系統(tǒng)的研究和發(fā)展來說具有現(xiàn)實意義。本文利用 PLC 對太陽能熱水器的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行，通過使用 PLC，可以大大減少了系統(tǒng)對其它元器件的使用，使系統(tǒng)接線簡單、檢修維護(hù)方便快捷、可靠性提高，增進(jìn)了系統(tǒng)的先進(jìn)性。關(guān)鍵詞： 電氣工程，PLC，控制系統(tǒng)，元器件，先進(jìn)性IIAbstractThis paper is based on the machinery design and machinery(PLC) principle and the 3d drawing software and related knowledge and theory, by collecting relevant data of sewing machine and reading the related literature books and referring to the sewing machine in the tailor shop, first of all, due PLC uese the main parts institutional model of the sewing machine, secondly use the Solidworks drawing software to conduct the part modeling which was designed well.This paper use and the conduct assembly design which the PLC parts was built, get the corresponding assembly model, finally conduct movement simulation to the corresponding assembly model. Keywords： s ewingmachine,PLC,part modeling, assembly III目 錄摘要 .IAbstract II1 緒論 .12 本課題研究的目的、意義 .13 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .14 太陽能熱水器的綜述 .64.1 太陽能熱水器系統(tǒng)功能簡介.64.1.1 太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)組成以及工作原理 74.1.2 太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)特點 84.1.3 太陽能熱水器安裝的相關(guān)規(guī)定 .105 PLC 控制系統(tǒng)簡介 105.1 PLC 的定義115.2 PLC 的控制原理115.3 PLC 的分類136 熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 .166.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計方案166.1.1 PLC 的選型166.1.2 PLC 硬件控制框圖176.1.3 各單元功能作用介紹176.1.4 PLC 的端口分配216.1.5 系統(tǒng)電路的設(shè)計 .226.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案246.2.1 軟件組成 .256.2.2 系統(tǒng)控制流程圖 .256.2.3 設(shè)計 PLC 控制梯形圖程序 .30結(jié) 論 34致 謝 36參考文獻(xiàn) 36[DOCUMENTTITLE]11 緒論機(jī)械工業(yè)是一個國家的重要產(chǎn)業(yè)，機(jī)械工業(yè)的發(fā)展無時不刻都在影響著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類的進(jìn)步離不開機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大環(huán)境下，中國各個行業(yè)被其他國家的先進(jìn)技術(shù)影響的同時，越來越多的外國企業(yè)和品牌傳播到中國已經(jīng)成為現(xiàn)實。在新的市場需求的推動下，對物料進(jìn)行改良和優(yōu)化是當(dāng)務(wù)之急。有大型物料拾取裝置生產(chǎn)企業(yè)對該裝置的安全指標(biāo)的有著一定生產(chǎn)的嚴(yán)格要求。在生產(chǎn)設(shè)備的企業(yè)，充分考慮到在設(shè)備運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題，從而減少噪聲污染引起的振動或不當(dāng)操作設(shè)備的現(xiàn)象等。 可編程序控制器（PLC）是一種新型的通用的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，是功能加強(qiáng)、編程簡單、使用方便以及體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點。PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)拓寬到了各個領(lǐng)域，PLC 的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。在傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。PLC 最基本最廣泛的用于開關(guān)量的邏輯控制，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制，順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動化流水線。如注塑機(jī)，印刷機(jī)，訂書機(jī)，組合智能窗簾，磨床，包裝等。目前，PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵，石油，化工，電力，建材，機(jī)械制造，汽車，輕紡，交通運(yùn)輸，環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用廣泛。2 本課題研究的目的、意義由于機(jī)械工程的知識總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越個人掌握所有，一些專業(yè)知識是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識分割，使視野狹隘，可以多多參加技術(shù)交流，和參加科研項目，縮小范圍，提升新技術(shù)的進(jìn)步和整個塊的技術(shù)，提高外部條件變化的適應(yīng)能力。封閉的專業(yè)知識的太狹隘，考慮的問題太特殊，在工作中協(xié)調(diào)困難，不利于自我提高。因此，自上世紀(jì)第二十年代末，出現(xiàn)了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎(chǔ)理論，拓寬領(lǐng)域，對專業(yè)合并的分化。機(jī)械工程可以增加產(chǎn)量，提高勞動生產(chǎn)率，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，并研制和發(fā)展新的機(jī)械產(chǎn)品。在未來，新產(chǎn)品的開發(fā)，降低資源消耗，清潔的可再生能源，成本的控制，減少或消除環(huán)境污染作為一個超級經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和任務(wù)。機(jī)器能完成人的手和腳，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任務(wù)?，F(xiàn)代機(jī)械工程機(jī)械和機(jī)械設(shè)備創(chuàng)造出更多、更精美的越來越復(fù)雜，很多幻想成為過去的現(xiàn)實。人類現(xiàn)在能成為天空的上游和宇宙，潛入海洋，數(shù)十億光年的密切觀察，細(xì)胞和分子。電子計算機(jī)硬件和軟件，人類的新興科學(xué)已經(jīng)開始加強(qiáng)，并部分代替人腦科學(xué)，這是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的作用，但在未來幾年還將繼續(xù)創(chuàng)造出不可思議的奇跡。人類智慧的增長并沒有減少手的效果，而是要求越來越精致，手工制作，更復(fù)雜的工作，從而促2進(jìn)手功能。又一方面實踐促進(jìn)人腦智力。在人類的進(jìn)化過程中，以及在每個人的成長過程中，大腦和手是互相促進(jìn)和平行進(jìn)化。大腦和手之間的人工智能和機(jī)械工程的近似關(guān)系，唯一不同的是，智能硬件還需要使用機(jī)械制造。在過去，各種機(jī)械離不開人類的操作和控制，反應(yīng)速度和運(yùn)算精度的進(jìn)化是非常緩慢的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，人工智能將消除這種限制。相互促進(jìn)，計算機(jī)科學(xué)和機(jī)械工程進(jìn)展之間的平行，將在更高層次的新一輪發(fā)展的開始使機(jī)械工程。在第十九世紀(jì)，機(jī)械工程的知識總量仍然是有限的，大學(xué)在歐洲，它與一般的土木工程是一門綜合性的學(xué)科，稱為土木工程，下半場的第十九個世紀(jì)成為一門獨(dú)立的學(xué)科。在第二十世紀(jì)，隨著機(jī)械工程和知識增長的發(fā)展開始分解，機(jī)械工程專業(yè)，有分支機(jī)構(gòu)。在第二十世紀(jì)中期趨勢分解，在時間之前和之后的第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時達(dá)到的峰值。由于機(jī)械工程的知識總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)從個人掌握所有，一些專業(yè)是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識使分割，視野狹隘，可以查看和統(tǒng)籌大局和全球工程和技術(shù)交流，縮小范圍，新技術(shù)的進(jìn)步和整個塊的技術(shù)，外部條件變化的適應(yīng)能力差。封閉的專業(yè)知識的專家太狹，考慮的問題太特殊，在工作協(xié)調(diào)困難，不利于自我提高。3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀太陽能熱水器作為家居生活的常規(guī)品，經(jīng)過了多年的發(fā)展，經(jīng)歷了一下幾個發(fā)展階段：第一階段：1897 年，第一個太陽能熱水器專利在美國誕生，用的是黑油漆吸收太陽能。此階段可以算作是雛形階段，大概時間可以算作是 1920 年以前，而 1920 年以后的近 30 年內(nèi)，二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，礦物能源的開發(fā)占主導(dǎo)地位。第二階段：1955 年以色列泰伯等在第一次國際太陽熱科學(xué)會議上提出選擇性涂層的基礎(chǔ)理論，并研制成實用的黑鎳等選擇性涂層，為高效集熱器的發(fā)展創(chuàng)造了條件。1960年，在美國佛羅里達(dá)建成世界上第一套用平板集熱器供熱的氨——水吸收式空調(diào)系統(tǒng)，制冷能力為 5 冷噸。1965 年以后的 10 年，太陽能的研制工作停滯不前，主要原因是太陽能利用技術(shù)處于成長階段，尚不成熟，并且投資大，效果不理想，難以與常規(guī)能源競爭，因而得不到公眾、企業(yè)和政府的重視和支持。這個時期內(nèi)，我國的平板集熱器（熱水器）遭遇了第一次成型的失敗。第三階段：1973 年，中東戰(zhàn)爭爆發(fā)，能源危機(jī)（也叫石油危機(jī)）受到重視，世界各國出現(xiàn)了開發(fā)太陽能的熱潮，此后的 20 年，太陽能開發(fā)利用工作處于前所未有的大發(fā)展時期，集熱管等成果在這個時期出現(xiàn)。熱水器也逐步走向成熟化和商業(yè)化。而 80 年代后10 年，太陽能發(fā)展又進(jìn)入低谷，主要原因是：世界石油價格大幅度回落，而太陽能產(chǎn)品價格居高不下，缺乏競爭力；太陽能技術(shù)沒有重大突破，提高效率和降低成本的目標(biāo)沒有實現(xiàn)，以致動搖了一些人開發(fā)利用太陽能的信心；核電發(fā)展較快，對太陽能的發(fā)展起3到了一定的抑制作用。但研發(fā)工作在大量削減的研發(fā)經(jīng)費(fèi)等不利影響下，并未停止。第四個階段：1992 年世界環(huán)境與發(fā)展大會在巴西召開，各國對太陽能的研發(fā)重新重視，太陽能光熱在我國推廣成為典范，走了特色的低端線路：太陽能熱水器。成為唯一一個不需要政府支持而能夠自我良性發(fā)展的太陽能光熱利用案例。以上是國際太陽能熱水器發(fā)展歷程，參照太陽能發(fā)展歷程編輯。如果是國內(nèi)的發(fā)展階段，好像沒人總結(jié)過。不過可以按照太陽能國標(biāo)的規(guī)定來界定。在此不再陳述。下圖 3-1，3-2，3-3 分別為現(xiàn)階段太陽能熱水器的產(chǎn)品：圖 3-1 圖 3-2 圖 3-3 4 太陽能熱水器的綜述4.1 太陽能熱水器系統(tǒng)功能簡介太陽能熱水系統(tǒng)是利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能把水加熱的一種裝置，是目前太陽熱能應(yīng)用發(fā)展中最具經(jīng)濟(jì)價值、技術(shù)最成熟且已商業(yè)化的一項應(yīng)用產(chǎn)品。 太陽能熱水系統(tǒng)的分類以加熱循環(huán)方式可分為：自然循環(huán)式太陽能熱水器、強(qiáng)制循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng)、儲置式太陽能熱水器等三種。4.1.1 太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)組成以及工作原理傳統(tǒng)的太陽能熱水器分別由一下幾個部分組成：集熱器系統(tǒng)中的集熱元件，其功能相當(dāng)于電熱水器中的電加熱管。和電熱水器、燃?xì)鉄崴鞑煌氖?，太陽能集熱器?用的是太陽的輻射熱量，故而加熱時間只能在有太陽照射的白晝，所以有時需要輔助加熱，如鍋爐、電加熱等。保溫水箱和電熱水器的保溫水箱一樣，是儲存熱水的容器。因為太陽能熱水器只能白天工作，而人們一般在晚上才使用熱水，所以必須通過保溫水箱把集熱器在白天產(chǎn)出的熱水儲存起來。容積是每天晚上用熱水量的總和。采用搪瓷內(nèi)膽承壓保溫水箱，保溫效果好，耐腐蝕，水質(zhì)清潔，使用壽命可長達(dá) 20 年以上。連接管路4將熱水從集熱器輸送到保溫水箱、將冷水從保溫水箱輸送到集熱器的通道，使整套系統(tǒng)形成一個閉合的環(huán)路。設(shè)計合理、連接正確的循環(huán)管道對太陽能系統(tǒng)是否能達(dá)到最佳工作狀態(tài)至關(guān)重要。熱水管道必須做保溫防凍處理。管道必須有很高的質(zhì)量，保證有20 年以上的使用壽命。控制中心太陽能熱水系統(tǒng)與普通太陽能熱水器的區(qū)別就是控制中心。作為一個系統(tǒng)，控制中心負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的監(jiān)控、運(yùn)行、調(diào)節(jié)等功能，的技術(shù)已經(jīng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。太陽能熱水系統(tǒng)控制中心主要由電腦軟件及變電箱、循環(huán)泵組成。熱交換器板殼式全焊接換熱器吸取了可拆板式換熱器高效、緊湊的優(yōu)點，彌補(bǔ)了管殼式換熱器換熱效率低、占地大等缺點。板殼式換熱器傳熱板片呈波狀橢圓形，圓形板片增加熱長，大大提高傳熱性能。廣泛用于高溫、高壓條件的換熱工況。其中太陽能熱水器的系統(tǒng)工作原理圖如下圖所示：太陽能熱水器工作原理圖 太陽能熱水器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：5太陽能熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.1.2 太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)特點太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)特點可以分為一下幾種類型：無動力型系統(tǒng)組成：真空管集熱器、可連接水箱、可調(diào)整支架、換熱器。無動力循環(huán)即熱式太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行原理：真空管內(nèi)的水遇到陽光輻射后，開始升溫，管內(nèi)的水升溫后密度變小，自然循環(huán)到水箱內(nèi)，逐步把水箱內(nèi)的水加熱，升溫后的水儲存在具有聚氨酯發(fā)泡保溫的的水箱內(nèi)。室內(nèi)冷水經(jīng)過水箱內(nèi)固定好的波紋管流道流過，把帶有壓力的自來水溫升到幾乎與水箱內(nèi)水溫相同的溫度（溫差小于 2 度）流出。從而獲得穩(wěn)定、有壓力的、潔凈的熱水。直流式直流式太陽能熱水系統(tǒng)是使水一次通過集熱器就被加熱到所需的溫度，被加熱的熱水陸續(xù)進(jìn)入貯水箱中。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為了得到溫度符合用戶要求的熱水，通常采用定溫放水的方法。集熱器進(jìn)口管與自來水管連接。集熱器內(nèi)的水受太陰輻射能加熱后，溫度逐步升高。在集熱器出口處安裝測溫元件，通過溫度控制器，控制安裝在集熱器進(jìn)口管理上電動閥的開度，根據(jù)集熱器出口溫度來調(diào)節(jié)集熱器進(jìn)口水流量，使出口水溫始終保持恒定。這種系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性取決于變流量電動閥和控制器的工作質(zhì)量。4.1.3 太陽能熱水器安裝的相關(guān)規(guī)定1.所有施工人員應(yīng)服從現(xiàn)場管理人員的安排、調(diào)動，嚴(yán)格遵守勞動紀(jì)律，執(zhí)行安全規(guī)范制度，確保安全生產(chǎn)、文明生產(chǎn)，確保施工質(zhì)量。2.施工人員要嚴(yán)格遵守有關(guān)工種安全保障規(guī)則。上班時間穿戴整齊，嚴(yán)禁穿拖鞋進(jìn)入工地。3.施工現(xiàn)場禁止打鬧，在有危險的房頂施工應(yīng)注意系上保險繩，確保人身安全。4.不得將無關(guān)人員帶進(jìn)施工現(xiàn)場。5.保持住地的衛(wèi)生，下班后應(yīng)保持文明舉止，不要大聲喧嘩和做一些不文明的舉動。6.安裝人員應(yīng)嚴(yán)格遵守客戶的一切規(guī)章制度，除在工作場地和必要的聯(lián)系地點外，不得到與工作無關(guān)的廠房、辦公室、倉庫等場所；愛護(hù)客戶公共設(shè)備、花木和一切生產(chǎn)和非生產(chǎn)設(shè)施。未經(jīng)客戶許可，不得參觀客戶廠房和設(shè)施。7.施工現(xiàn)場負(fù)責(zé)人每天應(yīng)檢查施工人員的安全保護(hù)，并督促個施工人員在工作之余應(yīng)注意安全，做一個遵章守紀(jì)的公民，不做違法之事。5 PLC 控制系統(tǒng)簡介PLC 即可編程控制器（Programmable Logic Controller），是指以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)6的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際電工委（InternationalElectrical Committee 頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC 做了如下定義;PLC 英文全稱Programmable Logic Controller，中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是：一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。5.1 PLC 的定義PLC 即可編程控制器（Programmable Logic Controller），是指以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際電工委員會（InternationalElectricalCommittee 頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC 做了如下定義;PLC英文全 ProgrammableLogicController，中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是：一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC 是可編程邏輯控制電路，也是一種和硬件結(jié)合很緊密的語言，在半導(dǎo)體方面有很重要的應(yīng)用，可以說有半導(dǎo)體的地方就有 PLC。5.2 PLC 的控制原理PLC 就是可編程控制器，簡單說應(yīng)用在控制系統(tǒng)中的專用的“計算機(jī)”，根據(jù)控制邏輯編寫控制程序裝入 PLC，PLC 可以替代過去老式的繼電器邏輯控制電路，性能穩(wěn)定可靠，修改邏輯關(guān)系方便，已經(jīng)在控制系統(tǒng)中廣泛使用。5.3 PLC 的分類可編程控制器類型很多，可從不同的角度進(jìn)行分類：1)按控制規(guī)模分控制規(guī)模主要指控制開關(guān)量的入、出點數(shù)及控制模擬量的模入、模出，或兩者兼而有之（閉路系統(tǒng)）的路數(shù)。但主要以開關(guān)量計。模擬量的路數(shù)可折算成開關(guān)量的點，大致一路相當(dāng)于 8～16 點。2)按點數(shù)分，PLC 大致可分為微型機(jī)、小型機(jī)、中型機(jī)及大型機(jī)、超大型機(jī)。微型機(jī)控制點僅幾十點，如德維森公司的 V80 系列 PLC 本體從 16 點到 40 點，OMRON公司的 CPM1A 系列 PLC，西門子的 Logo 僅 10 點。小型機(jī)控制點可達(dá) 100 多點。如如德維森公司的 V80 系列 PLC 可擴(kuò)展到 256 點，OMRON 公司的 C60P 可達(dá) 148 點，CQM1 達(dá) 256 點。德國西門子公司的 S7-200 機(jī)可達(dá) 64 點。中型機(jī)控制點數(shù)可達(dá)近 500 點，以至于千點。如德維森公司的 PPC11 系列可擴(kuò)展到1024 點，OMRON 公司 C200H 機(jī)普通配置最多可達(dá) 700 多點，C200Ha 機(jī)則可達(dá) 1000 多點。德國西門子公司的 S7300 機(jī)最多可達(dá) 512 點。7大型機(jī)：控制點數(shù)一般在 1000 點以上。如如德維森公司的 PPC22 系列可擴(kuò)展到 2048點，OMRON 公司的 C1000H、CV1000，當(dāng)?shù)嘏渲每蛇_(dá) 1024 點。C2000H、CV2000 當(dāng)?shù)嘏渲每蛇_(dá) 2048 點。超大型機(jī)：控制點數(shù)可達(dá)萬點，以至于幾萬點。如美國 GE 公司的 90－70 機(jī)，其點數(shù)可達(dá) 24000 點，另外還可有 8000 路的模擬量。再如美國莫迪康公司的 PC－E984--785機(jī)，其開關(guān)量具總數(shù)為 32k（32768），模擬量有 2048 路。西門子的SS－115U－CPU945，其開關(guān)量總點數(shù)可達(dá) 8k，另外還可有 512 路模擬量。等等。以上這種劃分是不嚴(yán)格的，只是大致的，目的是便于系統(tǒng)的配置及使用。一般講，根據(jù)實際的 I/O 點數(shù)，凡落在上述不同范圍者，選用相應(yīng)的機(jī)型，性能價格比必然要高；相反，肯定要差些。自然，也有特殊情況。如控制點數(shù)不是非常之多，不是非用大型機(jī)不可，但因大型機(jī)的特殊控制單元多，可進(jìn)行熱備配置，因而采用了大型機(jī)。6 熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計方案太陽能本身是一個不斷變化、而影響其變化的因素又較多、極其復(fù)雜的非線性變量，太陽熱水系統(tǒng)工程是一個非線性系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此采用傳統(tǒng)的控制方法難以得到較佳的控制效果。而模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種新的控制方法。這種控制方法是一種智能的、非線性的控制方法，對那些無法取得數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)模型相當(dāng)粗糙的系統(tǒng)可以取得較滿意的控制效果，解決一些用傳統(tǒng)控制方法無法解決的問題。太陽能熱水器控制器采用 PID 控制算法，這種算法對固定參數(shù)的線性定常系統(tǒng)是非常有效的。通過調(diào)整 PID 控制器的參數(shù)，一般都能得到比較滿意的控制效果。6.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計方案根據(jù)控制系統(tǒng)要求 ,首先確定 PLC 的控制規(guī)模 ,估算出所需要的 I/O 點數(shù) (數(shù)字輸入/輸出量、模擬輸入/輸出量) ,再增加 10%～20% 的備用量，以便隨時增加控制功能，保證系統(tǒng)投入運(yùn)行后能夠替換個別故障點或彌補(bǔ)遺漏的點數(shù)。統(tǒng)計出 I/O 總點數(shù)后即可以確定 PLC 的控制規(guī)模 從而確定存儲器 (用于存儲用戶程序和數(shù)據(jù) )的容量。存儲器容量除了根據(jù) PLC 的控制規(guī)模確定。也可以按照如下方法計算，再增加 25%～30 %的備用量，以便隨時增加用戶程序。一種方法是根據(jù)編程實際使用的節(jié)點數(shù)計算，即編完程序之后，根據(jù)節(jié)點數(shù)計算出實際使用容量。另一種方法是估算法，只有開關(guān)量時，所需內(nèi)存總數(shù)=開關(guān)量(輸入/ 輸出)總數(shù)×10；只有模擬量輸入時,所需內(nèi)存總數(shù)=模擬量路數(shù)×120 在模擬量輸入、輸出同時存在時，所需內(nèi)存總數(shù)=模擬量路數(shù)×250；同時,應(yīng)考慮 PLC 提供的內(nèi)部繼電器和寄存器的數(shù)量,以便節(jié)省資源。86.1.1 PLC 的選型因為本系統(tǒng)是對開關(guān)量控制的應(yīng)用系統(tǒng),并對控制速度要求不高,選用核心部件為三菱公司的 FX_2n-32MR-ES/UL 系列 32 點編程控制器,該編程控制器具有自診斷功能,采用循環(huán)掃描工作方式,這完全能滿足要求。FX_2n-32MR-ES/U 屬微型編程控制器、輸入輸出控制方式為循環(huán)掃描方式、編程語言為梯形圖語言、32 點的編程控制器具有 16 點輸入,16 點輸出?？紤]到該 PLC 所需的輸入、輸出點數(shù)及類型，選用三菱 FX_2n-32MR-ES/UL可編程控制器作為該系統(tǒng)的核心，它含有 16 個輸入點（漏型）和 16 個輸出點（繼電器型），足夠設(shè)計所用。①FX_2n-32MR-ES/UL 簡介FX_2n-32MR-ES/UL 屬于 FX2N 系列 PLC，F(xiàn)X2N 系列 PLC 是 FX 系列中高級的模塊。它擁有無以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點，F(xiàn)X2N 是從16 到 256 路輸入、輸出的多種應(yīng)用的選擇方案。②FX_2n-32MR-ES/UL 的特點FX_2n-32MR-ES/UL 屬于 FX2N 系列 PLC，F(xiàn)X2N 系列 PLC 是 FX 系列中最高級的模塊。它擁有無以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點，F(xiàn)X2N 是從16 到 256 路輸入、輸出的多種應(yīng)用的選擇方案。6.1.2 PLC 硬件控制框圖上位機(jī)采用 PC 機(jī)，下位機(jī)選用日本三菱公司的 FX2n 系列的 32 點可編程控制器，實現(xiàn)對太陽能熱水器的控制，完成太陽能熱水器的溫度、液位等控制功能。為提高系統(tǒng)的安全性，需要有報警點輸入并且用聲光信號顯示故障類型，同時發(fā)出警報提醒值班人員及時處理事故。當(dāng)故障出現(xiàn)時，故障指示燈閃爍且報警電鈴響起，操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除，故障指示燈才停止閃爍。系統(tǒng)控制框圖如下圖所示。PLC 硬件控制框圖6.1.3 各單元功能作用介紹91、電機(jī)類型的選擇電機(jī)類型選擇的原則如下：對于有特定要求的工作機(jī)械，應(yīng)優(yōu)先選擇專用電機(jī)。如可工作于高濕度，有鹽霧、霉菌、凝露等環(huán)境的船用電動機(jī)；有較高的效率及節(jié)能指標(biāo)的紡織電動機(jī)；有作為激振動力源，如用于糧食加工機(jī)械或振動篩、振動輸送機(jī)的振動異步電動機(jī)；在化工、橡膠、紡織、造紙等工業(yè)中有時要求軟機(jī)械特性和寬調(diào)速范圍的電動機(jī)，當(dāng)負(fù)載增加時電動機(jī)的出軸轉(zhuǎn)速隨之降低而輸出力矩增加，保持與負(fù)載平衡，并允許較長時間堵轉(zhuǎn)的三相力矩電動機(jī)等。2、交流接觸器的選擇本系統(tǒng)選用正泰公司生產(chǎn)的 CJX1 系列交流接觸器，該接觸器為雙斷點觸頭的直動式運(yùn)動結(jié)構(gòu)，動作機(jī)構(gòu)靈活，手動檢察方便，結(jié)構(gòu)緊湊。觸頭，磁系統(tǒng)采用封閉結(jié)構(gòu)，能提高壽命。接線端均有防護(hù)罩覆蓋，使用安全可靠。安裝可用螺釘緊固，也可扣裝在 35毫米的安裝軌上，裝卸方便。3、熱繼電器的選擇本系統(tǒng)所用的熱繼電器為正泰公司生產(chǎn)的 NR4(JRS2)系列，NR4(JRS2) 系列熱過載繼電器適用于交流 50Hz/60Hz、額定電壓 690V、1000V，電流 0.1-180A 的長期工作或間斷長期工作的交流電動機(jī)的過載與斷相保護(hù)。該熱繼電器具有斷相保護(hù)、溫度補(bǔ)償、動作指示、自動與手動復(fù)位，該產(chǎn)品動作可靠。另外，該產(chǎn)品符合：GB14048.4、GB14048.5、IEC60947-4-1 等標(biāo)準(zhǔn)，可靠性較高。該熱繼電器可與 CJX1 系列交流接觸器接插安裝，其實物圖如下圖所示。NR4(JRS2)系列熱過載繼電器4、電磁閥的選擇電磁閥選用 SSFK-C024 型電磁閥，原產(chǎn)地: 浙江宋氏閥控，該產(chǎn)品主要用于太陽能熱水器等潔具類，工作電壓適用范圍廣、交直流 3-220V，使用可靠，完全可以達(dá)到使用要求，供水閥、排水閥、除塵閥實物圖分別如圖所示。供水閥 排水閥 除塵閥105、發(fā)光指示燈的選擇指示燈選用兩色二極管指示燈，當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時，指示燈顯示綠色，機(jī)器通電不運(yùn)行時，指示燈顯示紅色，要求指示燈質(zhì)量可靠，根據(jù)要求，選用 TLL0501－HMC 型指示燈。6、隔離變壓器的選擇本生產(chǎn)線選用 BK－100 型號隔離變壓器，該隔離變壓器變比 1：1，電壓 220V AC。7、水箱的選擇水箱的選用要根據(jù)情況來確定。水箱是熱水器重要組成部分。它包括循環(huán)水箱和補(bǔ)給水箱，循環(huán)水箱與集熱器上下水管相連，供熱水循環(huán)之用。補(bǔ)給水箱只與循環(huán)水箱相通，當(dāng)循環(huán)水箱水位低時，以補(bǔ)給冷水之用。1）循環(huán)水箱循環(huán)水箱容量大小是根據(jù)熱水器裝置日產(chǎn)熱水量而定。為了便于加工提高經(jīng)濟(jì)性和通用性，循環(huán)水箱已標(biāo)準(zhǔn)化。目前循環(huán)水箱以容積分為 500 升和 1000 升二種，外形均為方形。容積 500 升的水箱外形尺寸為: 778 X 778 X 880 毫米。容積 1000 升的水箱外形尺寸為:8 X 928 X 1300 毫米。循環(huán)水箱的上部均裝有漲水管及透氣孔，其位置稍高于水位。溢水管和透氣孔制成一體，它的作用是保持最高水位平面，同時讓水中空氣由此處排出，避免帶入管道系統(tǒng)，以致造成氣阻損失。循環(huán)水箱的下部均裝有冷水進(jìn)水擋板。這樣冷水進(jìn)入循環(huán)水箱時，通過擋板使之?dāng)U散流入不致將箱內(nèi)上部熱水?dāng)嚮臁?00 升與 1000 升循環(huán)水箱，結(jié)構(gòu)基本相同，后者增加一些肋條和拉條，以增強(qiáng)水箱的強(qiáng)度和則度。2）補(bǔ)給水箱補(bǔ)給水箱是供給冷水的水箱。自來水不是直接進(jìn)入循環(huán)。水箱，而是通過補(bǔ)給水箱來補(bǔ)給。這樣做的優(yōu)點是可使冷水和熱水隔開，保持循環(huán)水箱中的熱水水溫穩(wěn)定。補(bǔ)給水箱不宜太大，宜狹而長。補(bǔ)給水箱內(nèi)需安裝浮球，以保持最高水位。通用設(shè)計中最常用的一種補(bǔ)給水箱結(jié)構(gòu)。它的外形為 350 X830 X 400 毫米，其長度是高度的 2 倍多。8、傳感器的選型通過各種高性能傳感器對氣候環(huán)境進(jìn)行測量及數(shù)據(jù)采集，并將測量結(jié)果通過接口送至 PLC 中，PLC 根據(jù)控制要求對整個太陽能熱水器進(jìn)行綜合控制。由于系統(tǒng)對環(huán)境的采樣值都是傳感器輸出的模擬信號，而且傳感器與 PLC 的距離也比較遠(yuǎn)，所以在傳感器的選擇上都采用了 4--20mA 電流輸出型，從而減小傳輸過程中的干擾，保證采樣值的準(zhǔn)確性與可靠性。溫度誤差可以在電路上或軟件上采取補(bǔ)償措施，不同的補(bǔ)償方法，其整體溫度系數(shù)差異較大，但仍與元件本身的溫度特性有關(guān)，一般將敏感元件和電路的溫度系數(shù)合在一起考慮。一般的溫度傳感器基點漂移較其它的氣象傳感器都要顯著，熱敏電阻屬于吸附元件，在測量過程中必然會受到污染，由污染引起的測量基點漂移，只能用重新檢定的方法加以修正解決。若污染嚴(yán)重，基點漂移量過大，又不能再生，只能將傳感器11作報廢處理 [19]。溫度傳感器技術(shù)指標(biāo):1）溫度范圍：-0℃~70℃(可根據(jù)用戶要求擴(kuò)展)2）濕度范圍：10%/RH--99%RH3）電源： AV220V 士 10%4）溫度誤差：一般士 0.2℃、最大士 0.5℃5）數(shù)據(jù)分辨率：0.16）數(shù)據(jù)更新周期：約 1 秒7）數(shù)據(jù)線：3 類雙絞線8）數(shù)據(jù)傳輸距離 小于 1200m根據(jù)硬件的選擇情況，繪制表 3－1 6.1.4 PLC 的端口分配根據(jù)以上硬件選型設(shè)計，編制 I/O 接口功能表，如表 3－2 和 3—3。輸入點 代號 工程名稱X0 SB 啟動按鈕X1 SB1 總停按鈕X2 SL1 溫度開關(guān)（常開）X3 SL2 溫度開關(guān)（常閉）X4 SB2 手動上水開關(guān)X5 SB3 手動排水開關(guān)X6 SB4 手動消音開關(guān)X7 SB5 手動加熱開關(guān)輸出點 代號 工程名稱Y0 HL 啟動指示燈Y1 HL1 總停指示燈Y2 HL2 除塵指示燈Y3 HA 報警蜂鳴器Y4 HL3 故障指示燈Y5 YV1 供水電磁閥Y6 YV2 排水電磁閥Y13 KM1 除塵電機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器Y15 YV3 除塵閥12Y14 KM2 除塵電機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器6.1.5 系統(tǒng)電路的設(shè)計1、主電路的設(shè)計：1) 接觸器 KM1 和 KM2 分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。2) 電動機(jī)有熱繼電器實現(xiàn)過載保護(hù)。3) 選擇自動開關(guān) Q 為總電源的開關(guān)，即可完成主回路的短路保護(hù)，又起到隔離三相交流電源的作用，使使用和維護(hù)更加方便。4) 由 FU1、FU2、FU3、FU4 、FU5、FU6 分別實現(xiàn)各負(fù)載回路的短路保護(hù)作用。FU7FU8 完成 PLC 控制回路的短路保護(hù)。根據(jù)上述設(shè)計原則繪制出電氣控制主電路圖。如下圖所示主電路圖6.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案可編程控制器是掃描工作方式，能同時對多個模塊進(jìn)行控制，在整個程序掃描時間里加上不同的輸入檢測信號，就可使程序按所檢測信號判斷進(jìn)入不同的分支程序。主程序包含有多個分支程序，這樣既提高了編程的靈活性又減少了不必要的代碼重復(fù)，同時也方便以后系統(tǒng)擴(kuò)展對軟件的修改，系統(tǒng)主要是接收上位機(jī)的控制參數(shù)，并完成太陽能13熱水器溫度、液位的測量和控制任務(wù)。6.2.1 軟件組成軟件系統(tǒng)通常分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件，另一類是應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件指的是操作系統(tǒng)、程序設(shè)計系統(tǒng)等與計算機(jī)密切相關(guān)的程序。系統(tǒng)軟件一般由計算機(jī)生產(chǎn)商或各種軟件公司提供，帶有一定的通用性，用不著自己編寫。本課題采用日本三菱公司的PLC，所以系統(tǒng)軟件是由三菱公司提供的，該軟件對系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控。應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的實際問題而編寫的各種程序。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，每個控制對象或控制任務(wù)都要有相應(yīng)的控制程序，用這些控制程序來完成對象的不同要求，這種程序通常稱為應(yīng)用程序。本課題主要根據(jù)太陽能熱水器的各種輸入輸出狀態(tài)來編制 PLC 的梯形圖程序。6.2.2 系統(tǒng)控制流程圖1）主程序控制系統(tǒng)流程圖如下圖所示：2）水位子程序流程圖143) 溫度子程序流程圖4） 除塵子程序流程圖156.2.3 設(shè)計 PLC 控制梯形圖程序用流程圖表達(dá)出各控制對象的動作順序，相互間的制約關(guān)系。明確寄存器空間的分配，專用寄存器的確定等。控制系統(tǒng)的程序的設(shè)計，主程序的編制及各功能子程序的編制以及程序的調(diào)試。其他輔助程序的設(shè)計，如故障應(yīng)急程序等。根據(jù)控制系統(tǒng)流程圖，繪制太陽能熱水器系統(tǒng)控制的梯形圖和編制程序指令表，其完整梯形圖及指令表如下：. LD X0001 OR M02 ANI X0013 OUT M04 LD M05 MOV K6 D2010 MOV K0 D2115 MOV K0 D2220 MOV K18 D3025 MOV K0 D3130 MOV K0 D3235 TRD D038 TZCP D20 D30 D3 M31647 AND M448 OUT M2149 LD M2150 CALL P153 CALL P256 MPS57 LD M1658 OR Y00559 OR T260 OR X00461 OR X00262 ANB63 ANI T164 OUT Y565 OUT T1 K300068 MRD69 LD T170 OR M171 ANB71 ANB72 ANI T273 OUT M174 OUT T2 K120077 MRD78 LD X00279 OR X00580 ANB81 OUT Y00682 MRD83 AND X00284 ANI T31785 OUT M286 OUT T3 120089 MPP90 CALL P393 MPS94 AND M295 OUT Y01596 MRD97 AND MO98 OUT Y00099 MRD100 AND M0101 OUT Y001102 MRD103 AND M2104 OUT Y002105 MRD106 LD Y010107 OR Y012108 AND109 ANI Y004110 OUT Y003111 MPP112 LD X006113 OR Y004114 ANB115 OUT Y004116 FEND117 P1118 LD M8000119 MOV K180 D50018124 MOV K1800 D502129 MOV K3000 D510134 MOV H0030 D511139 MOV K70 D512144 MOV K0 D515149 MOV K2000 D532154 MOV K0 D533159 PLS M6161 LD M6162 SET M7163 LD MM8002164 T0 K0 K0 H3300 K1173 LD M8000174 FROM K0 K0 D501 K1183 LDI M7184 RST D502187 LD M7188 PID D500 D501 D510 D502197 MOV D511 K2M10202 MPS203 AND M9204 PLF M8206 MPP207 AND M8208 RST M7209 LD M7210 OUT T246 K2000213 LD T246214 ORI M7215 RST T246217 LD D501 D510244 OUT Y010245 LD M8067246 OUT Y016247 STET248 P2249 LD M8000250 MOV K37 D150255 MOV K1800 D152260 MOV K3000 D160265 MOV H0030 D161270 MOV K80 D162275 MOV K0 D165280 MOV K2000 D182285 MOV K0 D183290 PLS M10292 LD M10293 SET M11294 LD M8002295 T0 K0 K0 H3300 K1304 LD M8000305 FROM K0 K0 D151 K1314 LDI M11315 RST D152318 LD M11319 PID D150 D151 D160 D15220328 MOV D161 K2M10333 MPS334 AND M13335 PLF M12337 MPP338 AND M10339 RST M11340 LD M11341 OUT T247 K2000344 LD T247345 ORI M11346 RST T247348 LD D151 D200376 OUT Y012377 LD M8067378 OUT Y017379 STET380 P3381 LD M2382 OR M51383 OR T5384 ANI M41385 ANI T3386 MPS21387 ANI T4388 OUT M51389 MPP390 OUT T4 K200393 LD T4394 OR M41395 ANI T5396 ANI M51397 ANI T3398 OUR M41399 OUT T5 K200402 LD M51403 ANI M41404 OUT Y013405 LD M41406 ANI M51407 OUT Y014409 SRET410 NOP22結(jié) 論在最近的一段時間的畢業(yè)設(shè)計，使我們充分把握的設(shè)計方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設(shè)計，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時的指導(dǎo)，確保設(shè)計進(jìn)度，本文所設(shè)計的是太陽能熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過初期的定稿，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進(jìn)取才可要做的好，總之，本設(shè)計完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。23致 謝至此在論文完成之際，向我的導(dǎo)師表示由衷的感謝！真心的感謝我的導(dǎo)師這年來我諄諄教導(dǎo)，感謝我敬愛的老師，您不僅在學(xué)習(xí)學(xué)業(yè)上給我以精心的指導(dǎo)，同時還在思想給我以無微不至的關(guān)懷支持和理解，給予我人生的啟迪，使我在順利地完成大學(xué)階段的學(xué)業(yè)同時，也學(xué)到了很多有用的做人的道理，明確了人生目標(biāo)。知道自己想要什么了，不再是從前那個愛貪玩的我了。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)態(tài)度，銳意創(chuàng)新的學(xué)術(shù)作風(fēng)，認(rèn)真加負(fù)責(zé)，公而忘私的敬業(yè)精神，豁達(dá)開朗的寬廣胸懷，平易近人。經(jīng)過近半年努力的設(shè)計與計算，查找了各類的鍵槽加工設(shè)備的設(shè)計資料，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動和開心。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為我自己已經(jīng)盡力的做了，它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學(xué)四年來對所學(xué)知識的應(yīng)用和體現(xiàn)。四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的個人能力，更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多有用的知識，在此對所有關(guān)心我?guī)椭业谋磉_(dá)我由衷敬意，謝謝各位同學(xué)老師。24參考文獻(xiàn)[1] 成大先.PLC 設(shè)計手冊(單行本)機(jī)械傳動[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2004[2] 濮良貴，紀(jì)名剛.太陽能熱水器控制系統(tǒng)的研究(第七版)[M].北京：高等教育出版社,2001[3] 劉鴻義.材料力學(xué)(第三版 上、下冊)[M].北京：高等教育出版社,1991[4] 甘永立.控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2005[5] 馮辛安.PLC 設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1999[6] 于駿一.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004[7] 天津大學(xué).機(jī)電一體化手冊[M].北京：人民教育出版社，1981[8] 孫桓機(jī).機(jī)械原理[M].北京高：等教育出版社，2006[9] 孟憲源.現(xiàn)代機(jī)構(gòu)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994[10] 呂仲文.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004[11] 寇尊權(quán)，王多機(jī).械設(shè)計課程設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006[12] 劉朝儒，彭福蔭，高政一.機(jī)械制圖（第四版）[M] .北京：高等教育出版社，2001[13] 黃勤冰.太陽能熱水器概論[J]. 中國花卉報 2007 年 003 版[14] 許廣桐，樊冬溫.太陽能熱水器 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 1998年 5 期[15] 謝可軍， 苗香雯.太陽能熱水器的發(fā)展和對策[J]. 農(nóng)機(jī)化研究 2004 年 1 期[16] 王加春，吳風(fēng)彪.太陽能熱水器的研制[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 1996 年 1 期[17] 胡漪.機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新[J]城.建車輛與設(shè)備 1991 年 1 期[18] 胡永鵬，譚蓉.單片機(jī)技術(shù)[P].中國專利：CN2770305,2006-04-12[19] Rajput R K. 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