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購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 畢業(yè)設(shè)計 I 基于 太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的設(shè)計 摘 要 本課題研究了可編程控制器（ 太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)中 的應(yīng)用。重點研究了 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及系統(tǒng)軟件的設(shè)計過程。指出了 計的關(guān)鍵主要是能滿足基本控制功能 , 并考慮維護的方便性、系統(tǒng)可擴展性等。在本文中經(jīng)研究確定出了系統(tǒng)的各個工序，繪制了系統(tǒng)的工藝流程圖；進行了系統(tǒng)的 I/據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求設(shè)計繪制了系統(tǒng)的控制梯形圖；繪制出了控制系統(tǒng)電氣原理圖和接線圖等。 通過用 大減少了系統(tǒng)對其 它元器件的使用，使系統(tǒng)接線簡單、檢修維護方便快捷、可靠性提高，增進了系統(tǒng)的先進性。 關(guān)鍵詞 : 陽能；自動控制系統(tǒng)；熱水器 畢業(yè)設(shè)計 LC in is in of on of is LC is to is of is In of is In , is to In of is in of is it as In a of my 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 目 錄 摘 要 ........................................................................................ I ............................................................................................................... 一章 緒 論 ............................................................................... 1 課題研究的目的、意義 .......................................................................................... 1 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ........................................................................................................... 1 內(nèi)研究現(xiàn)狀 ....................................................................................................................... 1 外研究現(xiàn)狀 ....................................................................................................................... 2 前我國太陽能熱水器的種類 .................................................................................. 2 板式太陽熱水器 ............................................................................................................... 2 玻璃真空管式熱水器 ....................................................................................................... 3 管式太陽能熱水器 ........................................................................................................... 4 管 — 真空管式太陽能熱水器 ........................................................................................... 4 究的內(nèi)容 .................................................................................................................. 5 第二章 全玻璃真空管式太陽能熱 水器的綜述 ................................................. 6 陽能熱水器系統(tǒng)功能簡介 ...................................................................................... 6 陽能熱水器組成、原理和工作過程 ............................................................................... 7 陽能熱水器 各單元介紹 ................................................................................................... 8 統(tǒng)的要求 ......................................................................................................................... 10 編程控制器（ 介 ...................................................................................... 10 發(fā)展歷史 .................................................................................................................. 11 編程序控制器的工作原理 ............................................................................................. 11 編程控制器的的特點 ..................................................................................................... 12 分類 .......................................................................................................................... 13 編程控制器應(yīng)用領(lǐng)域 ..................................................................................................... 14 第三章 熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 ................................................................ 16 統(tǒng) 硬件的 設(shè)計方案 ................................................................................................. 16 選型 .......................................................................................................................... 16 件控制框圖 .............................................................................................................. 17 單元功能作用介紹 ......................................................................................................... 17 畢業(yè)設(shè)計 2 端口分配 .................................................................................................................. 21 統(tǒng)電路的設(shè)計 ................................................................................................................. 22 統(tǒng)軟件設(shè)計方案 ..................................................................................................... 24 件組成 ............................................................................................................................. 25 統(tǒng)控制流程圖 ................................................................................................................. 25 計 制原理（梯形圖程序） ................................................................................ 30 第四章 可編程控制器（ 安裝、維護和檢修 .................................... 31 安裝 .................................................................................................................. 31 統(tǒng)的電源接線 .................................................................................................. 31 地 ............................................................................................................................. 32 入接線 ..................................................................................................................... 32 出接線 ..................................................................................................................... 32 維護和檢修 ...................................................................................................... 33 第五章 結(jié) 論 .................................................................................................... 34 參考文獻 .............................................................................................................. 35 致 謝 .............................................................................................................. 36 附錄Ⅰ 梯形圖 .................................................................................................... 37 附錄 Ⅱ 指令表 .................................................................................................... 37 畢業(yè)設(shè)計 1 第一章 緒 論 課題研究的目的、意義 用太陽能解決我國家庭熱水是最有希望的、最有效可行的途徑。太陽能光熱應(yīng)用市場前景廣闊，除家庭用熱水外，還可用于工業(yè)熱水、采暖、空調(diào)、干燥、農(nóng)業(yè)種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖 、海水淡化等領(lǐng)域。從發(fā)展角度看，城市家庭生活熱水的供給不應(yīng)由業(yè)主考慮，而應(yīng)與建筑設(shè)計開發(fā)同時進行。 在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了全玻璃真空管式熱水器的自動控制系統(tǒng)。 在電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天，有必要而且有可能采用新技術(shù)對原電氣控制系統(tǒng)進行改造，以提高可靠性，并實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，提高太陽能熱水器穩(wěn)定性?？删幊炭刂破饔捎诳商峁┦褂玫臅r間繼電器和中間繼電器相當多，而且其常開常閉觸點可多次重復(fù)使用，使得我們在編程中可以隨心所欲。用內(nèi)部編程“軟元件”取代繼電器邏輯控制電路中大量的時間繼電器和中間繼電器，簡化控制線路、有效提高系 統(tǒng)的可靠性，是 突出特點 。 目前，我國大部分太陽能熱水器控制部分，往往需要大量的中間繼電器和時間繼電器來滿足生產(chǎn)工藝要求，結(jié)果使電路設(shè)計復(fù)雜、繁瑣，故障時有發(fā)生，給使用和日常維護帶來了很大的不便。太陽能 熱水器是太陽能熱利用中商業(yè)化程度最高 、應(yīng)用最普遍的技術(shù) 。但是在熱水器自動控制系統(tǒng)中大多采用單片機控制 ，單片機開發(fā)價格較高，而 發(fā)價格便宜。 選用 制，它具有速度快，可靠性高，體積小，功能全，編程簡單的特點。通過改進或完善已有太陽能熱水器控制系統(tǒng)的不足，設(shè)計開發(fā)新型太陽能熱水控制系統(tǒng) —基于 太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，目前已成為世界上最大的太陽熱水器生產(chǎn)國，但與太陽熱水器配套的控制器卻一直處于研究和開發(fā)階段，尤其是與太陽能熱水器系統(tǒng)匹配的控制器，至今尚未檢索到相關(guān)報道。近幾年來，市場上陸續(xù)出現(xiàn)了一些太陽能熱水器控制器，但大多數(shù)控制器存在著諸如性能不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生誤操作；溫度、水位檢測、控制誤差大；顯示器有時出現(xiàn)亂碼；與電輔助加熱裝置不能很好配合；太陽能利用率較低等問題，影響了用戶的使用。更有甚者，有些控制器質(zhì) 量較差，經(jīng)常發(fā)生故障，給用戶帶來諸多不便，嚴重影響了用戶的使用，從而影響到太陽熱水器的銷售。太陽熱水器，尤其是太陽熱水系統(tǒng)及其控制器有著廣闊的發(fā)展前景，但現(xiàn)有的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)投入較少。因此，畢業(yè)設(shè)計 2 在太陽熱水器、太陽熱水系統(tǒng)的測量控制方面，應(yīng)引起足夠重視，加大投入一定力量研究開發(fā)高質(zhì)量、性能好的測控產(chǎn)品 [1]。 外研究現(xiàn)狀 太陽能熱水器是利用太陽輻射能和熱水的裝置。世界上第一臺熱水器是美國馬里蘭州的肯普于 1891 年發(fā)明的。到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，人們創(chuàng)造了各式各樣被統(tǒng)稱為 “悶曬式 ”的太陽能熱水器 。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，人們的注意力又開始轉(zhuǎn)向發(fā)展經(jīng)濟。一些缺少常規(guī)能源的國家，如日本，開始投入人力物力開發(fā)利用太陽能，經(jīng)過人們的努力，各種簡易的平板太陽集熱器已開始在市場中出現(xiàn)。到 20 世界 70 年代，隨著世界性能源危機日益嚴重，迫使人們對太陽能的開發(fā)利用又重新重視起來，許多國家花了不少人力物力，用于大力研究和開發(fā)太陽能利用技術(shù)，尤其是太陽能熱水器。到上世紀 70 年代末，太陽熱水器的開發(fā)利用在美國、澳大利亞、日本、德國、以色列等國家得到了很大的發(fā)展 板集熱器型太陽熱水器的推廣應(yīng)用 在一些國家得到了較快的發(fā)展。 1975 年美國歐文斯 —伊利諾依（ 司發(fā)明了全玻璃真空管太陽集熱器并推向市場。當時，集熱管的選擇性吸收涂層的平場陽光吸收率約為 83%，但由于采用了高真空技術(shù)，使集熱器的熱損失比普通平板式太陽集熱器的熱損失降低了兩個數(shù)量級，從而將太陽能熱利用技術(shù)水平大大提高了一大步。在隨后的十幾年內(nèi)，全玻璃真空管太陽熱水器性能通過完善、提高，并逐步降低成本，因而得到了快速發(fā)展，到上世紀 90 年代，這種新型太陽能熱水器已成為推廣應(yīng)用的主流產(chǎn)品。在全玻璃真空管太陽能熱水器的基 礎(chǔ)，為進一步提高效率，提高性能，德國研制出熱管式真空管太陽熱水器，一些國家研制出了一些高質(zhì)量的太陽熱水器專用零部件，另一些國家為優(yōu)化設(shè)計專門開發(fā)了用于太陽能熱水器的應(yīng)用軟件。還有一些國家，開發(fā)出功能完善，能全天候使用太陽熱水器系統(tǒng)。在西方先進國家，在太陽能熱水器方面的研發(fā)和推廣應(yīng)用一直比較活躍 [2]。 前我國太陽能熱水器的種類 板式太陽熱水器 平板式太陽能熱水器又叫“平板集熱器”，它是太陽熱水器的基本型之一。由它可以派生出許多同類熱水器，如翅翼型、波紋板型、塑料壓制型等等，但它們的集 熱基本原理都一樣。水的循環(huán)靠溫差比重不同。熱水輕，向上升。冷水密度大，只能從底部慢慢向上頂。水箱中的水通過集熱器的循環(huán)加溫，逐步達到平衡，則不再流動。事實上水箱中的水畢業(yè)設(shè)計 3 總是源源不斷進入集熱器的底部，而熱水也不斷流入水箱的上部。平板型太陽集熱器以其簡單、價廉和安裝方便在全世界都獲得了廣泛的應(yīng)用。普通平板型太陽集熱器由吸熱體、殼體、透明蓋板和隔熱材料等組成。當太陽照射到集熱器時，集熱器板上水道中的水被加熱而發(fā)生膨脹、變輕、產(chǎn)生“水往高處流”的現(xiàn)象，就像熱煙氣從煙囪中冒出一樣，這就是所謂的“熱虹吸”現(xiàn)象，系統(tǒng)中水流 的循環(huán)運動完全依靠自身各部位溫度不同而形成自然循環(huán)，即只要有太陽照射，就能實現(xiàn)這種循環(huán)。水在集熱器中受熱變輕，由集熱器底部上升至頂部。再經(jīng)循環(huán)管流入保溫水箱，水箱下部的冷水由下循環(huán)管流入集熱器底部。如此循環(huán)，使整個水箱中是水溫升高 [3]。 這種集熱器的優(yōu)點是： 1、工藝不復(fù)雜，加工成本低。 2、水流的循環(huán)和加熱全部依靠集熱器的吸熱作用，不需要泵和其它能源，運行成本低，確實是一次投資，長期受益。 3、水流系統(tǒng)常壓運行，無需帶壓設(shè)備，沒有任何安全隱患。 4、整個系統(tǒng)沒有運轉(zhuǎn)設(shè)備，水對吸熱板沒有腐蝕作用，故使用壽 命很長。 缺點： 1、由于白天、晚上的溫度不同，集熱器易產(chǎn)生倒流。 2、在高溫段效率偏低，表面熱損大。 3、在冬季低于 0℃時，因集熱器中的水結(jié)冰膨脹，將管子脹裂。 4、流動阻力分布不均，抗凍性能差，所以使用范圍局限在北方的夏天和南方不結(jié)凍地區(qū)的冬天。 玻璃真空管式熱水器 全玻璃真空管式太陽能熱水器是在平板型太陽集熱器的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型太陽能集熱裝置。全玻璃真空管太陽集熱器的核心元件是玻璃真空集熱管，它采用了真空技術(shù)，消除了氣體的對流與傳導(dǎo)熱損，并應(yīng)用選擇性吸收涂層，使真空集熱管的輻射熱損降 到最低，這樣真空管太陽集熱器可以在中高溫下運行，也能在寒冷地區(qū)的冬季及低日照與天氣多變地區(qū)運行，擴大了應(yīng)用領(lǐng)域。全玻璃真空太陽集熱管通常采用單端開口的形式，在一端將內(nèi)、罩玻璃管環(huán)形熔封在一起。真空集熱器內(nèi)裝有吸氣劑 [4]。 這種集熱器的優(yōu)點是： 1、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、可靠性強。 2、集熱效率高，保溫性能好。 畢業(yè)設(shè)計 4 3、可以在中高溫下運行，也能在寒冷地區(qū)的冬季運行。 4、使用壽命長，一年四季都可使用。 缺點： 1、管內(nèi)存水過多，管內(nèi)水溫上升緩慢，而且對于真空管南北放置的熱水裝置，管中的熱水無法全部取出，致使系統(tǒng)熱 水利用率降低。 2、不能承壓，易在玻璃管內(nèi)結(jié)垢，管子易炸裂，而且在嚴寒地區(qū)使用會凍結(jié)。 3、價格昂貴。 管式太陽能熱水器 熱管式熱水器也是一種可以常年使用的太陽能設(shè)備，基本原理同熱管式太陽灶差不多。但是，由于一般提供洗浴用的熱水溫度不太高，所以對熱管的要求也比太陽灶要低。甚至從滿足生活熱水的單項要求來說，這種熱管在技術(shù)上和經(jīng)濟上均優(yōu)于真空集熱管。我國大連生產(chǎn)的熱管式熱水器雖然初始投資高于平板式集熱器，但是低于真空管集熱器，而使用效果也不差。國外同類熱管式熱水器的產(chǎn)量和型號正在不斷增加。此種熱水 器的熱管，結(jié)構(gòu)簡單，工質(zhì)易得，抗凍性和熱效率均好，使用壽命也長。 熱管式熱水器在外形結(jié)構(gòu)上很象管板式熱水器，只不過把普通排管變成了熱管，少個或省去了一個集水管，熱管上同樣可裝翅片吸收太陽能。當熱管收集到太陽的熱之后，立刻把它輸送到集熱管，并在水箱中進行換熱，于是得到熱水。由于熱量是由熱管輸送、選擇合適的工質(zhì)與管材、管芯，就能保證其化學相容性，避免一般管板式熱水器的腐蝕性。同時，因為熱管內(nèi)的工質(zhì)很少，不像管板式熱水器里面充滿著水，所以熱損較低，起動也較快。而且熱管式熱水器的工作溫度范圍也比管板式熱水器寬得多， 不用擔心 00C 時水會結(jié)冰，也不怕高于 100℃時水會沸騰。 管 — 真空管式太陽能熱水器 熱管 — 真空管式集熱器是一種新型的太陽能集熱裝置，集中熱管式和真空管式集熱器二者的優(yōu)點，克服彼此的缺點。例如，利用熱管起動快，一通過不同工質(zhì)可以控制熱水器的工作溫度，而真空管集熱器在無負荷悶曬時，往往會出現(xiàn)超過 200℃的高溫，使水的壓力增大，造成使用中的不便等。但真空管集熱器的優(yōu)點在于絕熱性好，熱效率高。其原理是太陽輻射穿過真空管玻璃外殼，投射在金屬吸熱板上，吸熱板將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，使熱管蒸發(fā)段內(nèi)的傳熱介質(zhì) 汽化。蒸汽上升到熱管冷凝段后，通過導(dǎo)熱塊將熱量傳遞給集熱管內(nèi)的工質(zhì)，而自身又凝結(jié)成液體，依靠重力流回蒸發(fā)段。上述過程重復(fù)循環(huán)，使集熱畢業(yè)設(shè)計 5 管內(nèi)的工質(zhì)不斷升溫。由于運用了真空技術(shù)，大幅度降低了集熱器的熱損失，因而使其在高工質(zhì)溫度或低環(huán)境溫度的運行條件下仍具有良好的熱性能，同時運用了熱管技術(shù)，被加熱工質(zhì)不直接流經(jīng)真空管，因而跟普通平板式集熱器和真空管集熱器比較，熱管式真空集熱器除了工作溫度高，承壓能力大和耐熱沖擊性能好等優(yōu)點，還有其顯著特點 [5]。 這種集熱器的優(yōu)點： 1、耐冰凍。熱管由特殊的材 料和工藝保證，即使在冬季長時間無晴天及夜間的嚴寒條件下，真空管也不會凍裂。 2、啟動快。熱管的熱容量很小，受熱后立即啟動，因而在瞬變的太陽輻射條件下能提高集熱器的輸出能量，而且在多云間晴的低日照天氣也能將水加熱。 3、保溫好。熱管具有單向傳熱的特點，即白天由太陽能轉(zhuǎn)換的熱量可沿熱管向上傳輸去加熱水，而夜間被加熱的水的熱量不會沿熱管向下散發(fā)到周圍環(huán)境。 4、安裝維修方便。安裝方便，操作簡單，易于固定，運行可靠。 缺點 : 1、生產(chǎn)成本。 2、技術(shù)要求高。 上面介紹了目前我國太陽能熱水器的種類，并討論了它們各自 的優(yōu)缺點。最后，在此基礎(chǔ)上提出了本文研究的主要內(nèi)容為全玻璃真空管太陽能熱水器的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計。 究的內(nèi)容 本課題研究的內(nèi)容是用 制太陽能熱水器系統(tǒng)，實現(xiàn)太陽能熱水器系統(tǒng)自動化控制及手工控制，使其滿足實際各種控制需要、使更多的工作免于人參與、使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。具體研究工作從以下方面展開： 1）確定系統(tǒng)的各種工序，繪制系統(tǒng)的工藝流程圖。 2） 型及 I/O 分配。 3）設(shè)計、繪制梯形圖，滿足各控制要求。 4）繪制電氣原理圖、外部接線圖等。 5）依據(jù)設(shè)計要求調(diào)試系統(tǒng)成功。 畢業(yè)設(shè)計 6 第二章 全玻 璃真空管式 太陽能熱水器的綜述 陽能熱水器系統(tǒng)功能簡介 圖 2— 1 熱水器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 圖 2— 2 系統(tǒng)控制原理圖 : 注釋 : 水箱的溫度傳感器 環(huán)水管中的溫度傳感器 畢業(yè)設(shè)計 7 熱器中的溫度傳感器 環(huán)水閥門 水閥門 水閥門 此款熱水器利用微機 控制主要有以下兩種 控制功能 :水溫控制、水箱加熱控制。 1、水溫控制 為了提供溫度不低于 37 攝氏度的水，具體控制過程如下： 首先，關(guān)閉冷水閥門 循環(huán)水閥門 后微機開始進行水箱的溫度采集，同時進行溫度的比較，當水箱中的溫度小于 370C 時，電熱器 D 接通進行加熱，同時微機繼續(xù)對熱水箱的水溫進行采集。當溫度加熱到大于 370C 時電熱器 D 斷開，如此反復(fù)循環(huán)保證了溫度的穩(wěn)定。 2、水箱加熱控制 如果沒有日照或者日照很弱時，到了晚上我們是否還能洗上熱水澡呢 ?答案是肯定的，不要忘了這款熱水器還有一個從系統(tǒng)。這時它就要 發(fā)揮作用了。熱水箱溫度為 它和設(shè)定值 N 相比較，從而控制是否打開電加熱?？刂茣r段為 6 點一 18 點，具體過程如下 : 若501 244 010 245 8067 246 016 247 248 249 8000 250 37 255 1800 260 3000 265 0030 270 80 275 0 280 2000 285 0 290 10 292 10 293 11 294 8002 295 0 3300 04 8000 305 0 151 14 11 315 152 318 11 319 150 160 28 161 333 334 13 畢業(yè)設(shè)計 42 335 12 337 338 10 339 11 340 11 341 247 344 247 345 11 346 247 348 151 376 012 377 8067 378 017 379 380 381 2 382 51 383 5 384 41 385 3 386 387 4 388 51 389 畢業(yè)設(shè)計 43 390 4 393 4 394 41 395 5 396 51 397 3 398 41 399 5 402 51 403 41 404 013 405 41 406 51 407 014 409 410 畢業(yè)設(shè)計 44